通信光电子学第七章.ppt

第七章 光电转换器件 – 7-1 光电导探测器– 7-2 光电池– 7-3 光电二极管– 7-4 光电倍增管– 7-5 变像管、像增强管、摄像管– 7-6 电荷耦合器件（CCD）§序 言光电转换器件是把光转换成电或者通过光信号来控制电信号的器件 根据光与物质的相互作用产生的不同物理效应，可将光电转换器件分为不同的类型：光电转换器件内光电效应 外光电效应光电子发射器件 光电导器件 光伏器件例：无源光监测器 例：光电倍增管 例：光电二极管 光 电三级管 §7.1 光电导探测器 光电导探测器是利用光电导效应制作的光探测器，简称为PC探测器 –特征：受到光照后，器件的电阻发生变化 –主要类型 光敏电阻光导管等–产生光电导效应的电子跃迁类型包括 本征吸收杂质吸收 一、光电导器件工作特性1、响应度–定义：光探测器的输出电压或输出电流与入射光功率之比 –表达式： 结合第五章的内容，可得：G为光导器件的内增益–影响因素：由于 ，可见，响应度与外加偏压、载流子寿命、器件长度等因素有关 2、光谱特性 光电导探测器属于选择性器件，某种材料制成的光敏电阻，只在一定的波长范围内才对入射光有响应，而其他波长的光照射下，响应度极小或趋于0 。

材料的禁带宽度决定了光谱响应的长波限制，在响应率从增加到减小的过程中会出现一个响应的峰值波长典型的响应曲线：图7-1-2 3、照度特性 – 表达式： ， ， ， 为常数，K与器件的材料、尺寸、形状及载流子寿命有关； 是电压指数、 是照度指数 三种光敏电阻的光谱响应特性曲线 CdS光敏电阻的光照特性曲线4、响应速度– 响应时间：光照时流过光电导器件的电流上升到0.63 所需要的时间及遮光后电流下降到0.37 所需要的时间I0为稳定后的正常值响应时间的大小决定了器件对调制频率的影响，其响应速度变化规律为： – 截止频率：当 下降到 的0.707倍时，所对应的 为截频率,此时信号功率下降为零频时功率的一半 Rv0为低频响应度响应时间的长短意味着光生载流子的寿命长短增大光生载流子寿命，可以增大内增益，提高响应率但是器件的响应时间也随之增大，又影响了对高频成分的响应5、温度效应– 温度与光谱响应的关系：温度增高时，响应峰值波长象短波方向移动，如图温度与器件电阻值的关系：中等温度照射时温度系数较小，在弱光与强光照射下温度系数较大– 温度与器件的响应时间的关系：器件的响应时间在温度高时比较慢，器件应该在低温下工作。

6、噪声特性不同的工作频率下，不同噪声源会起主要作用较高时――热噪声较低时――1/v噪声1k-1mhz时――g-r噪声7、基本工作电路– 暗电阻与亮电阻光电导器件在无光照时的电阻（称为暗电阻）很大，光照后，电阻显著下降，称为亮电阻正常使用范围内，亮、暗电阻之比为 设在无光照时的负载上电压为有光照时的负载 电压为输出电压为– 匹配状态：要使输出信号最大的条件是 ，是器件的匹配状态 此时，输出电压为 二、几种常用的光电导器件光电导器件多晶薄膜形式单晶形式可见光波段 Cds、CdSe等近红外波段 PbS、PbSe等本征型 HgCdTe、InSb、PbSnTe等杂质型 Ge:Hg、Ge:Ga、Si:As等§7.2光电池 光电池是利用光生伏特效应制成的无偏压光电转换器件，由于其内部可能存在PN结，所以也称为结型探测器，简称PV探测器 主要用途– 光电池用作太阳能电池把光能直接转化成电能，需要最大的输出功率和转化效率即把 受光面做得较大，或把多个光电池作串、并联组成电池组，与镍镉蓄电池配合，可作为卫星、微波站等无输电线路地区的电源供给。

– 光电池用作探测元件利用其光敏面大，频率响应高，光电流与照度线性变化，适用于开关和线性测量等光电池是一种利用光生伏特效应制成的不需加偏压就能将光能转化成电能的光电器件简单的说，其本质就是一个PN结表示电子 表示空穴一、结构原理1、结构– 金属-半导体接触型（硒光电池）图721– PN结型光电池——是在N型（或P型）半导体表面上扩散一层P型（或N型）杂质，形成PN结 按基底材料不同分 2DR（P型Si为基底）2CR（N型Si为基底）图示：2、分类– 按用途 太阳能光电池：用作电源（效率高，成本低）测量用光电池：探测器件（线性、灵敏度高等）– 按材料 硅光电池：光谱响应宽，频率特性好硒光电池：波谱峰值位于人眼视觉内薄膜光电池：CdS增强抗辐射能力紫光电池：PN结0.2 ~ 0.3 µm,短波峰值600nm3、符号及电路符号 联接电路 等效电路二、特性 1、光谱特性光电池的光谱特性主要由材料及制作工艺决定– 意义：在入射光能量保持一个相同值的条件下，研究光电池的短路电流与入射光波长的关系，不同材料有不同的响应范围– 硅光电池：除了一般情况下的光谱响应特性，在PN结较浅（一般为0.4μm）的情况下，由于入射光更容易达到PN结，短波长光从表面进入材料后受到的吸收较小，因而提高了短波长的光被材料吸收的几率，导致吸收峰值发生变化，向短波长（约在0.6μm附近）偏移，被称为蓝硅光电池，硅光电池的两种光谱响应曲线如图：2、伏安特性无光照时，光电池从本质上讲是一个二极管，此时伏安特性与一般 二极管伏安特性相类似 。

有光照射时，光电池会产生感应电动势 – 等效电路见图 Ip为恒流源即光电流I+ 为流过二极管的正向电流即正向结电流Cj为结电容Rsh为等效漏电阻Rs为串连电阻Ish为漏电流几个电流关系为I＝Ip－I+ I+＝Is（e －1）其中V为PN结正向电压 光电池工作在无偏压的状态下，在光照时，PN结开路时的正向电压就是光生电动势在光生电动势比较小的情况下，假设Rs 0，Rsh 0,则在PN结外部负载 RL＝0 时，短路电流就是光电流 Isc＝Ip但实际电路存在Rs和Rsh，短路电流可进一步表示为Isc＝Ip－Is（e －1 ）－ 在开路情况下，I=0 时，Ip＝I+开路电压表示为 ＝ ln（ ）由于Rsh不是无穷大，则Ish不为零，所以开路电压精确表达式为＝ ln（ ） 3、光照特性– 定义：光生电动势、光生电池与光照度的关系– 表达式：在近似条件下，短路电流就是光电流，且可与光照度成线性关系– 光电池的光照特性曲线：硅光电池 硒光电池– 光照特性与负载电阻的关系负载电阻不为零时，随照度的增加，光电流与端电压都增加，二极管处在正向偏置下，内电阻变小，外电流增加变缓，与光照度成非线性关系；负载越大，非线性越显著。

开路时，随着照度的增加，开路电压增加很快，最终出现饱和现象 硅光电池的光照特性与负载电阻的关系4、频率特性光电池的内阻在光照较小的时候很大，电路的时间常数加大，频率响应不高频率特性 温度特性负载电阻RL大时，响应时间也增大，使频率特性变差5、温度特性温度对光电池的影响很大，随着温度的增加，开路电压下降，短路电流上升在强光照射时，要注意器件的温度，避免晶格结构遭到破坏三、太阳能电池把光能直接转化成电能，需要最大的输出功率和转化效率即把受光面做得较大，或把多个光电池作串、并联组成电池组，与镍镉蓄电池配合，可作为卫星、微波站等无输电线路地区的电源供给1、光电池构成太阳能装置的方式 串联——增加输出电压并联——增大输出电流实际操作中可以“先串后并”或“先并后串”– 实用的太阳能电池的特点：转换效率高成本低稳定性好 2、光电转换效率–定义：太阳能电池的最大输出功率与输入光功率之比η＝ ＝3、影响η的因素 材料性质器件结构工艺因素等光电二极管是以光伏效应为基础制作的在反向偏压下工作的光伏器件– 与普通二极管相比:共同点：一个PN结，单向导电性不同点：受光面大，PN结面积更大，PN结深度较浅表面有防反射的SiO2保护层外加负偏压– 与光电池相比：共同点：均为一个PN结，利用光生伏特效应， SiO2保护膜不同点：结面积比光电池的小，频率特性好光生电势与光电池相同，但电流比光电池的小可在零偏压下工作，更常在反偏压下工作§7.3光电二极管 一、工作特性1、灵敏度（响应度）– 定义：光电二极管输出的光电流与入射光功率之比– 与量子效率的关系为可见，响应度是入射波长的函数。

对不同的材料有不同的响应范围，对同一材料，不同波长的光入射，其值也不同2、光谱特性光电二极管只能对大于禁带宽度的光子能量做出反应，故不同材料的光谱响应范围不同，典型器件的光谱响应曲线如图对每一种探测器件，都有一个响应的峰值，其对应的光子能量稍大于禁带宽度，当 时，响应成迅速下降的趋势，当 时，光子能量虽然很大，但是在半导体中的光吸收也随频率的增加而逐渐增加，因而由于光吸收而产生的光生载流子，在到达结区之前，有较多部分与多数载流子复合，对光生电流没有贡献，响应度降低因此，入射光从短波长逐渐增加到峰值波长时，光谱响应度是逐渐增大的 3、响应时间当输入光信号是矩形脉冲时，由于受到多种因素的影响，输出光电流脉冲出现了前沿与后沿,如图:响应时间可用图中 和 表示影响响应速度的因素：耗尽层的宽度结电容的大小– 综合耗尽层宽度与结电容对器件性能的影响：一、结电容的大小对波形的影响很大，结电容过大会使响应时间增加；二、耗尽层宽度应该有一个适当的值才能兼顾不同的要求，一般 W 取值在 和 之间 4、伏安特性无光照时， V－I表达式：I+＝Is（e －1）二极管工作在反向偏压下，V为负值。

随着V的绝对值变大，流过PN结的结电流（又称反向结电流）I+ 由零逐渐变大,方向从N区指向P区， V达到一定程度后，反向结电流I+趋向饱和Is （ Is即为PN结的反向饱和电流）无光照时,这个反向饱和电流比较小，但是反向偏压太大时，可能造成反向结电流剧增，导致PN结被击穿，需避免有光照时，光电二极管内产生了光生载流子，形成了光生电流Ip， Ip的方向是从N到P，与无光照时的反向结电流I+同向，使得反向饱和电流增大，且光照越强，越大此时V－I表达式：I＝Ip－Is（e －1）– 伏安特性曲线7-3-4 第一象限：是正偏压状态，结电流I+ 本来就很大，所以光电流Ip不起重要作用曲线和普通二极管的相似 第三象限：是反偏压状态这时I+= IsO，它是普通二极管中的反向饱和电流，即暗电流(对应于光功率P=0)，数值很小，这是光电二极管的工作区域，随着光通量的增加，Ip光电流也在增加，这种关系基本上成线性关系 第四象限：也是光电池的工作区域，在这一象限，光电池两端是正向电压，有光生电动势提供，但是结电流I+则是反向结电流即N→P（结电流I+为正向结电流时的方向为P→N ）由图可见，要使器件工作性工作状态，负载线的斜率不应该太大。

iu二、几种常见类型的光电二极管1、PIN光电二极管 PIN管是光电二极管中的一种它的结构特点是，在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体普通PN结型光电二极管的缺点：耗尽层宽度窄 量子效率低频率特性差 – PIN的结构特征：在P、N型之间加进了较厚的本征半导体I型层，PN结的内电场就基本上全集中于I层中，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小；提高响应速度PIN的特点：– 耗尽层宽，增大了光电转换的作用区域，提高了对长波长光波的吸收– 耗尽层宽，使结电容变小，高频端的响应也得到改善– 耗尽层变宽，P区与N 区的相对宽度变窄，载流子渡越时间变短，频率响应变宽– 本征区电阻高，暗电流噪声小（主要是电路热噪声）2、雪崩光电二极管（APD）APD是具有内部倍增放大作用的光电二极管，利用P。