光电检测7浅析.ppt

第四节 半导体光伏型检测器件 二、光敏二极管 三、雪崩光电二极管 四、光敏三极管 二、光敏（电）二极管 光敏二极管和光敏三极管是光电转换半导体器件，是根据光生伏特效应制成的将光能转换成电能的一种器件。 与光敏电阻器相比具有灵敏度高、高频性能好，可靠性好、体积小、使用方便等优。 （一）结构与原理 1、结构： 典型光敏二极管结构 光敏二极管与普通二极管一样有一个PN结，属于单向导电性的非线形元件。外形不同之处是在光电二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，实现光电转换。 为了获得尽可能大的光生电流，需要较大的工作面，即PN结面积比普通二极管大得多。 为了提高光电转换能力，PN结的深度较普通二极管浅。 光敏二极管 将光敏二极管的PN 结设置在透明管壳顶部的正下方，光照射到光敏二极管的PN结时，电子-空穴对数量增加，光电流与照度成正比。 红外发射、接收对管外形 2.原理 由前面学习知： 当p-n结正向偏置时，外电场方向与p-n结中的电场方向相反，结中电场减弱，势垒降低，扩散增强，形成正向电流. 当p-n结反向连接时，外电场方向与结中的电场方向相同，结中电场增强，势垒升高，扩散减弱，少数载流子形成反向电流。 根据PN结反向特性可知，在一定反向电压范围内，反向电流很小且处于饱和状态。 此时，如果无光照射PN结，则因本征激发产生的电子-空穴对数量有限，反向饱和电流很小且保持不变，在光敏二极管中称为暗电流。 当有光照射PN结时，结内将产生附加的大量电子空穴对（称之为光生载流子），使流过PN结的电流随着光照强度的增加而剧增，此时的反向电流称为光电流。 当入射光的强度发生变化，光生载流子的多少也相应发生变化，因而通过光敏二极管的电流也随之变化，于是在光敏二极管两端的电压也发生变化，光敏二极管就这样将光信号变为电信号。 不同波长的光（兰光、红光、红外光）在光敏二极管的不同区域被吸收形成光电流。 1.被表面P型扩散层所吸收的主要是波长较短的兰光，在这一区域，因光照产生的光生载流子（电子），一旦漂移到耗尽层界面，就会在电场作用下，被拉向N区，形成部分光电流； 2.波长较长的红光，将透过P型层在耗尽层激发出电子一空穴对，这些新生的电子和空穴载流子也会在结电场作用下，分别到达N区和P区，形成光电流。 3.波长更长的红外光，将透过P型层和耗尽层，直接被N区吸收。在N区内因光照产生的光生载流子（空穴）一旦漂移到耗尽区界面，就会在结电场作用下被拉向P区，形成光电流。 因此，光照射时，流过PN结的光电流应是三部分光电流之和。 i层所起的作用 相对于P区和N区来说，i层是高阻区，故承受大部分外加电压，展宽了有效工作区域，提高了灵敏度； 由于i层的存在及工作反向，实际为一强电场区，减少了扩散时间； 反偏下，结电容下降，提高了频率响应。 外加反向偏压 与光电池不同，光敏二极管一般在负偏压情况下使用，也可以不加偏压. 大反偏压的施加，增加了耗尽层的宽度和结电场，电子—空穴在耗尽层复合机会少，提高光敏二极管的灵敏度。 但是，为了提高灵敏度及频响特性，却不能无限地加大反向偏压，因为它还受到PN结反向击穿电压等因素的限制。 （二）光电二极管的特性参数 1、势垒区的厚度与电容 2、光谱响应 影响因素： 材料：禁带宽度 设计工艺：PN结深度及表面处理 3、输出特性（光照特性） 在较小的负载电阻下，表现出较好的线性。 4、频率响应 主要由载流子的渡越时间＆RC时间常数决定 具有好的频率响应的二极管应做到： 合理的结面积； 尽可能大的耗尽层厚度； 适当加大使用电压； 减小结构所造成的分布电容。 5、温度特性 6、光敏二极管的反向偏置接法 光敏二极管广泛应用于光纤通信、红外线遥控器、光电耦合器、控制伺服电机转速的检测、光电读出装置等场合。 光电路灯控制电路 四、APD光敏二极管（雪崩光敏二极管） 硅雪崩光电二极管具有高响应度，高信噪比，高响应速度等特点，可广泛应用于微光信号检测、长距离光纤通信、激光测距、激光制导等光电信息传输和光电对抗系统。 工作原理： 当光敏二极管的PN结上加相当大的反向偏压时，在结区产生一个很高的电场，使进入场区的光生载流子获得足够的能量，通过碰撞使晶格原子电离，而产生新的电子—空穴对。 新的电子—空穴对在强电场的作用下分别向相反方向运动．在运动过程中，又有可能