光电子器件-第二章结型光电探测器课件.ppt

第2章结型光电探测器2.1、光伏效应光照零偏pn结产生开路电压的效应2.2.硅光电池1.用途
a.作光电探测器使用
红外辐射探测器
光电读出
光电耦合

b.作为电源使用
人造卫星
野外灯塔
微波站

§2.2光电池1.硅光电池的基本结构和工作原理2.硅光电池工作原理从曲线可以看出，负载电阻RL所获得的功率为
PL=ILU（3-17）
其中，光电池输出电流IL应包括光生电流IP、扩散电流与暗电流等三部分，即－－光电池的输出短路电流0.60.6相对灵敏度/％硒光电池4.光电池的光电转换效率2.3光电二极管外形光电二极管的伏安特性国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和2DU两种系列。
2CU系列以N-Si为衬底，2DU系列以P-Si为衬底
2CU系列光电二极管只有两个引出线，
而2DU系列光电二极管有三条引出线，除了前极、后极外，还设了一个环极。
硅光电二极管结构示意图
2DU管加环极的目的是为了减少暗电
流和噪声。2.4其他类型的光生伏特器件入射光照射在P层上，由于
P层很薄，大量的光被较厚的I层
吸收，激发较多的载流子形成光
电流；又PIN结光电二极管比PN结
光电二极管施加较高的反偏置电压，
使其耗尽层加宽。当P型和N型半导
体结合后，在交界处形成电子和空
穴的浓度差别，因此，N区的电子要
向P区扩散，P区空穴向N区扩散。
P区一边失去空穴，留下带负电的杂质离子，N区一边失去电子，留下带正电的杂质离子，在PN交界面形成空间电荷，即在交界处形成了很薄的空间电荷区，在该区域中，多数载流子已扩散到对方而复合掉，即消耗尽了，耗尽层的电阻率很高。扩散越强，耗尽层越宽，PN结内电场越强，加速了光电子的定向运动，大大减小了漂移时间，因而提高了响应速度。PIN结光电二极管仍然具有一般PN结光电二极管的线性特性最大特点：频带宽，可达10GHz。另一个特点是，因为I层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，线性输出范围宽。由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会使耗尽层宽度增加，从而结电容要进一步减小，使频带宽度变宽。
不足：I层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅片上并封装于一个管壳内的商品出售。PIN管雪崩光电二极管当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生所谓的自持雪崩。
这种管子响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光电二极管。
噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。
由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无法使用。雪崩式光电二极管（APD）雪崩光敏二级管（APD）2.工作原理雪崩倍增系数M与碰撞电离率有密切的关系。碰撞电离率表示一个载流子在电场作用下，漂移单位距离所产生的电子—空穴对数目。实际上电子电离率α和空穴电离率α是不完全一样的，它们都与电场强度有密切关系。由实验确定，电离率与电场强度E可以近似的写成以下关系在强电场作用下，当通过耗尽区的每个载流子平均能产生一对电子—空穴时，就发生雪崩击穿现象。当M—∞时，PN结上所加的反向偏压就是雪崩击穿电压UBR。3.噪声特点
雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。
这种管子工作电压很高，约100～200V，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此，这种管子有很高的内增益，可达到几百。当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生所谓的雪崩。这种管子响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光电二极管。
噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无法使用。但由于APD的响应时间极短，灵敏度很高，它在光通信中应用前景广阔。2.5光敏三极管
光敏三极管有PNP型和NPN型两种，如图。其结构与一般三极管很相似，具有电流增益,只是它的发射极一边做的很大,以扩大光的照射面积,且其基极不接引线。当集电极加上正电压,基极开路时,集电极处于反向偏置状态。当光线照射在集电结的基区时,会产生电子-空穴对,在内电场的作用下,光生电子被拉到集电极,基区留下空穴,使基极与发射极间的电压升高,这样便有大量的电子流向集电极,形成输出电流,且集电极电流为光电流的β倍。普通三极管光敏三极管2.5光电三极管1.工作原理如图3-13所示为三种形式的集成光电器件。图3-13(a)所示为光电二极管与三极管集成而构成的集成光电器件，它比图3-12(c)所示的光电三极管具有更大的动态范围，因为光电二极