半導(dǎo)體光電探測(cè)器

1、半導(dǎo)體光電探測(cè)器摘要：本文介紹了光電與系統(tǒng)的組成、一些半導(dǎo)體光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)和工作原理，最后闡述了光電導(dǎo)探測(cè)器與光伏探測(cè)器的區(qū)別。關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體光電探測(cè)器，光電系統(tǒng)，光電導(dǎo)探測(cè)器，光伏探測(cè)器Semiconductor photoelectric detectorAbstract：This paper introduces the composition of photoelectric and system, the structure and working principle of some semiconductor photoelectric detector，finally desc

2、ribes the distinction of photoconductive detector and photovoltaic detector.Key words：semiconductor photoelectric detector，photoelectric system，photoconductive detector，photovoltaic detector引 言光電探測(cè)器是一種受光器件，具有光電變換功能。光敏器件的種類(lèi)繁多，有光敏電阻、光電二極管、光電三極管、光晶閘管、集成光敏器件等；有雪崩型的及非雪崩型的；有PN結(jié)型、PIN結(jié)型及異質(zhì)結(jié)型的等。由于光電探測(cè)器的響應(yīng)速度快

3、，體積小，暗電流小，使之在光纖通訊系統(tǒng)、光纖測(cè)試系統(tǒng)、光纖傳感器、光隔離器、彩電光纖傳輸、電視圖象傳輸、快速光源的光探測(cè)器、微弱光信號(hào)的探測(cè)、激光測(cè)距儀的接收器件、高壓電路中的光電測(cè)量及光電互感器、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)傳輸、光電自動(dòng)控制及光測(cè)量等方面得到了廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體光電探測(cè)器是用半導(dǎo)體材料制作的能接收和探測(cè)光輻射的器件。光照射到器件的光敏區(qū)時(shí)，它就能將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，是一種光電轉(zhuǎn)換功能的測(cè)光元件。它在國(guó)防和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著重要和廣泛的應(yīng)用。半導(dǎo)體光電探測(cè)器可分為光電導(dǎo)型和光伏型兩種。光電導(dǎo)型是指各種半導(dǎo)體光電導(dǎo)管，即光敏電阻；光伏型包括光電池、P-N結(jié)光電二極管、PIN光電二級(jí)管、雪崩光電二極

4、管、光電三級(jí)管等。本文首先介紹了光電系統(tǒng)的組成，然后分別介紹了各元件的結(jié)構(gòu)和工作原理，最后將這兩類(lèi)探測(cè)器進(jìn)行比較。一、光電子系統(tǒng)的組成現(xiàn)代光電子系統(tǒng)非常復(fù)雜，但它的基本組成可用圖1-1-1來(lái)說(shuō)明：待傳送信號(hào)經(jīng)過(guò)編碼器編碼后加到調(diào)制器上去調(diào)制光源發(fā)出的光，被調(diào)制后的光由發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)發(fā)送出去。發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)又稱為發(fā)射天線，因?yàn)楣獠ㄊ且环N電磁波，發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)所起的作用和無(wú)線電發(fā)射天線所起的作用完全相同。發(fā)送出去的光信號(hào)經(jīng)過(guò)傳輸介質(zhì)，如大氣等，到達(dá)接收端，由接收光學(xué)系統(tǒng)或接收天線將光聚焦到光電探測(cè)器上，光電過(guò)長(zhǎng)距離傳輸后會(huì)衰減，使接收到的信號(hào)一般很弱，因此需要用前置放大器將其放大，然后進(jìn)行解碼，還原成發(fā)

5、送端原始的待傳送信號(hào)，最后由終端顯示器顯示出來(lái)。圖1-1-1光電子系統(tǒng)圖二、半導(dǎo)體探測(cè)器的原理1、光電導(dǎo)探測(cè)器光電導(dǎo)探測(cè)器主要是通過(guò)電陰值的變化來(lái)檢測(cè)，以下我將以光敏電阻為例介紹其工作原理。光敏電阻的結(jié)構(gòu)如圖2-1-1所示。管芯是一塊安裝在絕緣襯底上帶有兩個(gè)歐姆接觸電極的光電導(dǎo)體。光導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生的光電效應(yīng)，只限于光照的表面薄層，雖然產(chǎn)生的載流子也有少數(shù)擴(kuò)散到內(nèi)部去，但擴(kuò)散深度有限，因此光電導(dǎo)體一般都做成薄層。為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極一般采用硫狀圖案，結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖。圖2-1-1 光敏電阻的結(jié)構(gòu)圖 圖2-1-2 工作原理光敏電阻又稱光導(dǎo)管，它沒(méi)有極性，純粹是一個(gè)電阻器件，使用時(shí)既可加

6、直流電壓，也可以加交流電壓。無(wú)光照時(shí)，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中電流（暗電流）很小。 當(dāng)光敏電阻受到一定波長(zhǎng)范圍的光照時(shí)，它的阻值（亮電阻）急劇減少，電路中電流迅速增大。 一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小越好,此時(shí)光敏電阻的靈敏度高。 實(shí)際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級(jí)，亮電阻在幾千歐以下。它的工作原理圖如2-1-2圖所示。2、光伏探測(cè)器光伏探測(cè)器基于光照產(chǎn)生電勢(shì)差，用測(cè)電勢(shì)差的原理。它分為光電池與光電二極管兩種類(lèi)型，光電池主要是把光能轉(zhuǎn)換為電能的器件，目前有硒光電池、硅光電池、砷化鎵及鍺光電池等，但目前運(yùn)用最廣的是硅光電池。光電二級(jí)管分為P-N結(jié)光電二極管、PIN光電二級(jí)管、雪崩光電

7、二極管、光電三級(jí)管等。以下我將分別介紹其結(jié)構(gòu)和工作原理。1）P-N結(jié)光電二級(jí)管圖2-2-1 2DU和2CU的結(jié)構(gòu)圖 按襯底的導(dǎo)電類(lèi)型號(hào)不同，硅光電二極管也分為兩種類(lèi)型：2CU型和2DU型。其中2CU型是以n-si為襯底，有兩個(gè)引出線：前極和后極；2DU型是以p-si為襯底，有三個(gè)引出線：前極、后極和環(huán)極。它們的結(jié)構(gòu)圖如圖2-2-1所示。原理示意圖如2-2-2所示圖2-2-2 P-N結(jié)光電二級(jí)管的原理圖 依據(jù)p-n結(jié)光電導(dǎo)效應(yīng)，器件兩端外回反向偏壓，入射光從P側(cè)進(jìn)入，被半導(dǎo)體材料吸收，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。結(jié)區(qū)內(nèi)和其附近產(chǎn)生的光生載流子受電場(chǎng)的作用漂移過(guò)結(jié)，形成光電流。不加電壓時(shí)相當(dāng)于光電池。加正向

8、偏壓時(shí)，與普通的二極管一樣，只有單向?qū)щ娦?，表現(xiàn)不出它的光電效應(yīng)。2）PIN光電二級(jí)管PIN光電二極管又稱快速光電二極管，與一般的光電二極管相比，它具有不的時(shí)間常量，并使光譜響應(yīng)范轉(zhuǎn)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，其峰值波長(zhǎng)可移至1.041.06um而與YAG激光器的發(fā)射波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)。它具有靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，所以通常用于弱光檢測(cè)（線性）。圖2-2-3 PIN管結(jié)構(gòu)示意圖它的結(jié)構(gòu)圖如2-2-3所示，它是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾了一層本征半導(dǎo)體構(gòu)成的。因?yàn)楸菊靼雽?dǎo)體近似于介質(zhì)，這就相當(dāng)于增大了P-N結(jié)結(jié)電容兩個(gè)電極之間的距離，使結(jié)電容變得很小。其次，P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體中耗盡層的寬度是隨反向電壓增加而加寬的，

9、隨著反偏壓的增大，結(jié)電容也要變得很小。由于I層的存在，而P區(qū)一般做得很薄，入射光子只能在I層內(nèi)被吸收，而反向偏壓主要集中在I區(qū)，形成高電場(chǎng)區(qū)，I區(qū)的光生載流子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下加速運(yùn)動(dòng)，所以載流子渡越時(shí)間常量減小，從而改善了光電二極管的頻率響應(yīng)。同時(shí)I層的引入加大了耗盡區(qū)，展寬了光電轉(zhuǎn)換的有效工作區(qū)域，從而使靈敏度得以提高。3）雪崩光電二級(jí)管 雪崩光電二級(jí)管（APD）是得用光生載流子在高電場(chǎng)區(qū)內(nèi)的雪崩效應(yīng)而獲得光電流增益，具有靈敏度高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，通常用于激光測(cè)距、激光雷達(dá)、弱光檢測(cè)（非線性）。圖2-2-4 APD的結(jié)構(gòu) APD的結(jié)構(gòu)如圖2-2-4所示，n+層是高摻雜的n型半導(dǎo)體；p層是p型半導(dǎo)

10、體；i層是輕摻雜的p型半導(dǎo)體，近于本征；p+是高摻雜的p型半導(dǎo)體。 APD雪崩倍增的過(guò)程是：當(dāng)光電二極管的p-n結(jié)加相當(dāng)大的反向偏壓時(shí)，在耗盡層內(nèi)將產(chǎn)生一個(gè)很高的電場(chǎng)，它足以使在強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)漂移的光生載流子獲得充分的動(dòng)能，通過(guò)與晶格原子碰撞將產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)。新的電子-空穴對(duì)在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，分別向相反的方向運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中又可能與原子碰撞再一次產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)。如此反復(fù)，形成雪崩式的載流子倍增加。這個(gè)過(guò)程就是APD的工作基礎(chǔ)。 APD一般在略低于反向南穿電壓值的反偏壓下工作。在無(wú)光照時(shí)，p-n結(jié)不會(huì)發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)。但結(jié)區(qū)一旦有光照射，激發(fā)出的光生載流子就被臨界強(qiáng)電場(chǎng)加速而導(dǎo)致雪崩倍增。

11、若反向偏壓大于反向擊穿電壓時(shí)，光電流的增益可達(dá)（十的六次方）即發(fā)生“自持雪崩倍增”。由于這時(shí)出現(xiàn)的散粒噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以致使器件無(wú)法使用。4）光電三級(jí)管 光電三級(jí)管是在光電二極管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，不但能進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，還具有放大作。與光電二極管比較，光電三級(jí)管輸出電流較大，一般在毫安級(jí)，但光照特性較差，多用于要求輸出電流較大的場(chǎng)合。光電三極管有pnp和npn型兩種結(jié)構(gòu)，常用材料有硅和鍺。例如用硅材料制作的npn型結(jié)有3DU型，pnp型有3CU型。采用硅npn型光電三極管，其暗電流比鍺光電三極管小，且受溫度變化影響小，所以得到位廣泛應(yīng)用。下面以3DU型光電三極管為例說(shuō)明它的結(jié)構(gòu)和工

12、作原理。 圖2-2-5（a）2DU型光電三極管的結(jié)構(gòu) 2-2-5（b）簡(jiǎn)化原理3DU型光電三極管是以p型硅為基極的三極管，如圖2-2-5（a）所示。由圖可知，3DU管的結(jié)構(gòu)和普通晶體管類(lèi)似，只是在材料的摻雜情況、結(jié)面積的大小和基極引線的設(shè)置上和普通晶體管不同。因?yàn)楣怆娙龢O管要響應(yīng)光輻射，受光面即集電結(jié)（bc結(jié)）面積比一般晶體管大。另外，它是利用光控制集電極電流的，所以在基極上既可設(shè)置引線進(jìn)行電控制，也可以不設(shè)，完全由光來(lái)控制。它的工作分為兩個(gè)過(guò)程：光電轉(zhuǎn)換和光電放大。光電轉(zhuǎn)換是在基極和集電極之間的p-n結(jié)進(jìn)行。二極管反向偏置，集電極電壓高于基極，光生載流子流過(guò)此結(jié)形成光電流；光電放大是光生電流

13、由基極進(jìn)入發(fā)射極，從而在集電極回路中得到一個(gè)放大的信號(hào)電流，放大原理與一般晶體管相同，即要保證集電結(jié)反偏置，發(fā)射結(jié)正偏置。唯一的區(qū)別是一般晶體管是同基極向發(fā)射極注入載流子來(lái)控制發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散電流，而光電三極管是由光生載流子注入到發(fā)射結(jié)來(lái)探制發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散電流。在原理上可以把光電三極管看成是一個(gè)由光電二極管與普通晶體管結(jié)合而成的組合件，如圖2-2-5(b)所示。因?yàn)榘l(fā)射擊隊(duì)結(jié)是正偏置的，空穴則留在基區(qū)，使基極電位升高，發(fā)射極便有大量電子經(jīng)基極流向集電極，總的集電極電流為Ic=Ip+Ip=(1+)Ip，式中為電流增益系數(shù)。由此可見(jiàn)，光電三極管的集電結(jié)是光電變換部分。同時(shí)集電極、基極、發(fā)射極構(gòu)成一個(gè)有放

14、大作用的晶體管。光電三級(jí)管另一個(gè)特點(diǎn)是它的亮暗電流比要比光電二極管、光電池、光電導(dǎo)探測(cè)器大，所以光電三極管是用來(lái)作光開(kāi)關(guān)的理想元件。三、光電導(dǎo)探測(cè)器與電伏探測(cè)器的區(qū)別 1）光電導(dǎo)探測(cè)器是均值的，而光伏探測(cè)器是結(jié)型的。 2）光電導(dǎo)探測(cè)器沒(méi)有極性，而光伏探測(cè)器是有極性的。 3）光電導(dǎo)探測(cè)器是多子運(yùn)動(dòng)，而光伏探測(cè)器是少子運(yùn)動(dòng)。 光電導(dǎo)探測(cè)器頻率低（us級(jí)）而光伏探測(cè)器頻率高（ps級(jí)）。四、展望半導(dǎo)體光電探測(cè)器由于體積小，重量輕，響應(yīng)速度陜，靈敏度高，易于與其它半導(dǎo)體器件集成，是光源的最理想探測(cè)器，可廣泛用于光通信、信號(hào)處理、傳感系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)。最近幾年，由于超高速光通信、信號(hào)處理、測(cè)量和傳感系統(tǒng)的需要,需要超高速高靈敏度的半導(dǎo)體光電探測(cè)器。為此半導(dǎo)體光電探測(cè)器正朝著超高速、高靈敏度、寬帶寬以及單片集成的方向發(fā)展，它可廣泛地應(yīng)用于光通信、信號(hào)處理、傳感系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)，具有很廣闊的發(fā)展前景。五、參考文獻(xiàn)1 光電探測(cè)器原