半導(dǎo)體光電探測(cè)器的原理及其應(yīng)用

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)器的工作原理及其特性，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,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

2、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，然后分別介紹其工作原理及其特性，最后將這兩類(lèi)探測(cè)器進(jìn)行比較。一、光電子系統(tǒng)的組成系統(tǒng)又稱(chēng)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

3、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)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。光敏電阻又稱(chēng)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

4、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圖當(dāng)沒(méi)有光照時(shí)，Rd=10斷路當(dāng)有光照時(shí)，Rd= 導(dǎo)通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、雪崩光電二極管、光

5、電三級(jí)管等。以下我將分別介紹其工作原理及其特性。1）P-N結(jié)光電二級(jí)管2）PIN光電二級(jí)管PIN光電二極管又稱(chēng)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）。它的結(jié)構(gòu)圖如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，隨著反偏壓的增大，結(jié)電容也要變得

6、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）。 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

7、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。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)管與光電二極管比較，

8、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)、工作原理與主要特性。3DU型光電三極管是以p型硅為基極的三極管，如圖2-4（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

9、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)，完全同光一控制。它的工作原理是工作時(shí)各電極所加的電壓與普通晶體管相同，即要保證集電結(jié)反偏置，發(fā)射正偏聽(tīng)偏置。由于集電結(jié)是反偏壓，在結(jié)區(qū)有很強(qiáng)的內(nèi)建電場(chǎng)，對(duì)3DU管來(lái)講，內(nèi)建電場(chǎng)方向是由c到b的。和光電二極管工作原理相同，如果有光照到集電結(jié)上，激發(fā)電子-空穴對(duì)，接著這些載流子被內(nèi)建電場(chǎng)分離，電子流向集電極，空穴流向基極，相當(dāng)于外界向基極注入一個(gè)控制電流Ib=Ip。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)有放大作用的晶體管。所以在原理