光电检测技术课件[4].ppt

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，以扩散层作为它的受光面。 为了提高光电转换能力，PN结的深度较普通二极管浅。 外加反向偏压 可以不加偏压，与光电池不同，光敏二极管一般在负偏压情况下使用 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。 增加了耗尽层的宽度，结电容减小，提高器件的频响特性。 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。 光敏二极管体积小，灵敏度高，响应时间短，光谱响应在可见到近红外区中，光电检测中应用多。 选择一定厚度的i层，具有高速响应特性。 i层所起的作用:(1)为了取得较大的PN结击穿电压，必须选择高电阻率的基体材料，这样势必增加了串联电阻，使时间常数增大，影响管子的频率响应。 而i层的存在，使击穿电压不再受到基体材料的限制，从而可选择低电阻率的基体材料。这样不但提高了击穿电压，还减少了串联电阻和时间常数。 (2)反偏下，耗尽层较无i层时要大得多，从而使结电容下降，提高了频率响应。 PIN管的最大特点是 频带宽，可达40GHz。 另一特点是线性输出范围宽。 缺点: 由于I层的存在，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。 雪崩光敏二极管 由于存在因碰撞电离引起的内增益机理，雪崩管具有高的增益带宽乘积和极快的时间响应特性。 通过一定的工艺可以使它在1.06微米波长处的量子效率达到30％，非常适于可见光及近红外区域的应用。 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，又有可能与原子碰撞再一次产生电子—空穴对。 只要电场足够强，此过程就将继续下去，达到载流子的雪崩倍增。通常，雪崩光敏二极管的反向工作偏压略低于击穿电压。 雪崩光电二极管的倍增电流、噪声与偏压的关系曲线 在偏置电压较低时的A点以左，不发生雪崩过程；随着偏压的逐渐升高，倍增电流逐渐增加 从B点到c点增加很快，属于雪崩倍增区；偏压再继续增大，将发生雪崩击穿；同时噪声 也显著增加，如图中c点以右边的区域。因此，最佳的偏压工作区是c点以左，否则进入雪崩击穿区烧坏管子。 由于击穿电压会随温度漂移，必须根据环境温度变化相应调整工作电压。 雪崩光电二极管具有电流增益大，灵敏度高，频率响应快，带宽可达100GHz。是目前响应最快的一种光敏二极管。 不需要后续庞大的放大电路等特点。因此它在微弱辐射信号的探测方向被广泛地应用。 在设计雪崩光敏二极管时，要保证载流子在整个光敏区的均匀倍增，这就需要选择无缺陷的材料，必须保持更高的工艺和保证结面的平整。 其缺点是工艺要求高，稳定性差，受温度影响大。 雪崩光电二极管与光电倍增管比较 体积小 结构紧凑 工作电压低 使用方便 但其暗电流比光电倍增管的暗电流大，相应的噪声也较大 故光电倍增管更适宜于弱光探测 2.4 CCD CCD是一种电荷耦合器件(Charge Coupled Device) CCD的突出特点：是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。 CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的耦合。 CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。 CCD的结构 MOS 光敏元：构成CCD的基本单元是MOS(金属—氧化物—半导体)结构。 一、电荷存储 在栅极加正偏压之前，P型半导体中的空穴（多子）的分布是均匀的。 加正偏压后，空穴被排斥而产生耗尽区，偏压增加，耗尽区向内延伸。 当UG＞ Uth时，半导体与绝缘体界面上的电势变得非常高，以致于将半导体内的电子(少子)吸引到表面，形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层。 反型层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能。 表面势与栅极正偏压的关系 表面势 0.1um 0.2um 0.4um 0.6um 栅极正偏压 电荷的耦合 第一个电极保持10V，第二个电极上的电压由2V变到10V，因这两个电极靠得很紧(间隔只有几微米)，它们各