红外探测器

2.4光伏探测器利用半导体PN结光伏效应制成的器件称为光伏器件，也称结型光电器件。这类器件品种很多，其中包括各种光电池、光电二极管、光电晶体管、光电场效应管、PIN管、雪崩光电二极管、光可控硅、阵列式光电器件、象限式光电器件、位置敏感探测器（PSD）光电耦合器件等。和光电导探测器不同，光伏探测器的工作特性要复杂一些。通常有光电池和光电二极管之分，也就是说，光伏探测器有着不同的工作模式。因此在具体讨论光伏探测器的工作特性之前，首先我们必须弄清楚它的工作模式问题。2.4.1光电转换原理为了便于理解在后面将要引入的光伏探测器的等效电路，我们先讨论一下光伏探测器的光电转换规律是十分必要的。PN结光伏探测器的典型结构如图所示。为了说明光功率转换成光电流的关系，我们设想光伏探测器两端被短路，并用一理想电流表记录光照下流过回路的电流，这个电流常常称为短路光电流。光子电极电极耗尽层SiO2p+nn+PN结光伏探测器的作用原理如图所示：假定光生电子-空穴对在结的结区，即耗尽区内产生。由于内电场作用，电子从n区向p区漂移运动，被内电场分离的电子和空穴就在外回路中形成电流。EcEFEv光生空穴----++++++-pnxoLpn光子Ei电离受主电离施主光生电子耗尽层-就光电流形成的过程而言，光伏探测器和光电导探测器有十分类似的情况。可以证明：在光伏情况下一个光生电子—空穴对对外回路所贡献的总电荷量：光伏探测器的内电流增益等于1。光伏探测器光电转换关系为这是和光电导探测器明显不同的地方。eQQQnpPheip2.4.2光伏探测器的工作模式现在我们可以说，一个PN结光伏探测器就等效为一个普通二极管和一个恒流源(光电流源)的并联，如图(b)所示。它的工作模式则由外偏压回路决定。在零偏压时(图(c))，称为光伏工作模式。当外回路采用反偏压V时(图(d))，即外加P端为负n端为正的电压时，称为光导工作模式。VRLRLuiid(a)(b)(c)(d)ip我们知道，普通二极管的伏安特性为因此，光伏探测器的总伏安特性应为和之和，考虑到二者的流动方向，我们有：式中i是流过探测器的总电流，e是电子电荷，u是探测器两端电压，KB是玻耳兹曼常数，T是器件的绝对温度。把上式中i和u为纵横坐标作成曲线，就是光伏探测器的伏安特性曲线。)1(/TkeuSOdBeiidipipdiiipTkeuSOieiB)1(/光伏探测器的伏安特性曲线如图所示。从图可见，第一象限是正偏压状态，id本来就很大，所以光电流不起重要作用。作为光电探测器，工作在这一区域没有意义。第三象限里，是反偏压状态。这时id=iSO，它是普通二极管中的反向饱和电流，现在称为暗电流(对应于光功率P=0)，数值很小，这时的光电流(等于i-iSO)是流过探测器的主要电流，这对应于光导工作模式。i+－RLVRL2RL1RL1RL2iRLi－+P=0P1P2P3V光功率增大RL1RL2i1i2u1u2-VoRL1RL2iu通常把光导工作模式的光伏探测器称为光电二极管，因为它的外回路特性与光电导探测器十分相似。在第四象限中，外偏压为零。流过探测器的电流仍为反向光电流，随着光功率的不同，出现明显的非线性。这时探测器的输出是通过负载电阻RL上的电压或流过RL上的电流来体现，因此，称为光伏工作模式。通常把光伏工作模式的光伏探测器称为光电池。应特别注意，光电流总是反向电流，而光电流在RL上的电压降，对探测器产生正向偏置称为自偏压，当然要产生正向电流。最终两个电流抵消，伏安曲线中止于横轴上。2.4.3光电池光电池的基本结构就是一个PN结。按材料分，有硅、硒、硫化镉、砷化镓和无定型材料的光电池等。按结构分，有同质结和异质结光电池等。光电池中最典型的是同质结硅光电池。国产同质结硅光电池因衬底材料导电类型不同而分成2CR系列和2DR系列两种。2CR系列硅光电池是以N型硅为衬底，P型硅为受光面的光电池。受光面上的电极称为前极或上电极，为了减少遮光，前极多作成梳状。衬底方面的电极称为后极或下电极。为了减少反射光，增加透射光，一般都在受光面上涂有SiO2或MgF2，Si3N4，SiO2－MgF2等材料的防反射膜，同时也可以起到防潮，防腐蚀的保护作用。硅光电池结构示意如图硅光电池-+RLPN防反射膜(SiO2)pn+-SiO2pn结光电池在光照下能够产生光生电势，光电流实际流动方向为，从P端流出，经过外电路，流入N端，光生电势与照度是对数关系。当光电池短路时，短路电流Isc与照度E成线性关系，S＝Isc/E称为灵敏度。在一定的照度下，V-A曲线在横轴的截距，代表该照度下的开路电压Uoc。曲线在纵轴的截距，代表该照度下的短路电流Isc。硅光电池的Uoc一般为0.45～0.6V，最大不超过0.756v，因为它不能大于PN结热平衡时的接触电势差。硅单晶光电池短路电流为35～40mA/cm2。几种国产硅光电池的特性2.4.4光电二极管光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。它和光电池相比，重要的不同点是结面积小，因此它的频率特性特别好。光生电势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为数微安到数十微安。按材料分，光电二极管有硅、砷化稼、锑化锢、铈化铅光电二极管等许多种。按结构分，也有同质结与异质结之分。其中最典型的还是同质结硅光电二极管。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。光电二极管的受光面一般都涂有SiO2防反射膜，而SiO2中又常含有少量的钠、钾、氢等正离子。SiO2是电介质，这些正离子在SiO2中是不能移动的，但是它们的静电感应却可以使P-Si表面产生一个感应电子层。这个电子层与N-Si的导电类型相同，可以使P-Si表面与N－Si连通起来。当管子加反偏压时，从前极流出的暗电子流，除了有PN结的反向漏电子流外，还有通过表面感应电子层产生的漏电子流，从而使从前极流出的暗电子流增大。为了减小暗电流，设置一个N+-Si的环把受光面（N-Si）包围起来，并从N+-Si环上引出一条引线（环极），使它接到比前极电位更高的电位上，为表面漏电子流提供一条不经过负载即可达到电源的通路。这样，即可达到减小流过负载的暗电流、减小噪声的目的。如果使用时环极悬空，除了暗电流、噪声大些外，其它性能均不受影响。2CU管子，因为是以N-Si为衬底，虽然受光面的SiO2防反射膜中也含有少量的正离子，而它的静电感应不会使N-Si表面产生一个和P-Si导电类型相同的导电层，从而也就不可能出现表面漏电流，所以不需要加环极。光电二极管的用法：光电二极管的用法只能有两种。一种是不加外电压，直接与负载相接。另一种是加反向电压，如图所示。a)不加外电源b)加反向外电源c)2DU环极接法实际上，不是不能加正向电压，只是正接以后就与普通二极管一样，只有单向导电性，而表现不出它的光电效应。由于多数场合光电二极管都是加反向电压，所以其伏安特性曲线常画成如下图所示的形式。上图的画法与硅光电池的伏安特性曲线图比较，有两点不同。一是把硅光电池的伏安特性曲线图中Ⅰ、Ⅱ象限里的图线对于纵轴反转了一下，变为上图(a)。这里是以横轴的正向代表负电压，这样处理对于以后的电路设计很方便。二是因为开路电压UOC一般都比外加的反向电压小很多，二者比较可略而不计，所以实用曲线常画为上图(b)的形式。微变等效电路与频率特性：光电二极管的等效电路可表达如下：其中图a为实际电路；图b为考虑到光电二极管结构、功能后画出的微变等效电路，其中Ip为光电流，V为理想二极管，Cf为结电容，Rsh为漏电阻，Rs为体电阻，RL为负载电阻；图c是从图b简化来的，因为正常运用时，光电二极管要加反向电压，Rsh很大，Rs很小，所以图b中的V、Rsh、Rs都可以不计，因而有图c的形式；图d又是从图c简化来的，因为Cf很小，除了高频情况要考虑它的分流作用外，在低频情况下，它的阻抗很大，可不计。因此具体应用时多用图d和图c两种形式。流过负载的交变电流复振幅为：IL＝Ip·1/(1+jωτ)ω：入射光的调制圆频率，ω＝2πf，f为入射光的调制频率。τ=CfRLIL的模量为可见，IL是频率的函数，随着入射光调制频率的增加而减小。当ω=1/τ时，这时f=1/2πτ称为上限截止频率，或称为带宽。pLII2211pLII21几种国产2CU型硅光电二极管的特性几种国产2DU型硅光电二极管的特性2.4.5PIN管PIN管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。这样，PN结的内电场就基本上全集中于I层中，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小。由式τ=CfRL与f=1/2πτ知，Cf小，τ则小，频带将变宽。因此，这种管子最大的特点是频带宽，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。所不足的是，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。2.4.6雪崩光电二极管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。2.4.7光电晶体管光电晶体管和普通晶体管类似，也有电流放大作用。只是它的集电极电流不只是受基极电路的电流控制，也可以受光的控制。光电晶体管的外形，有光窗、集电极引出线、发射极引出线和基极引出线（有的没有）。制作材料一般为半导体硅，管型为NPN型，国产器件称为3DU系列。光电晶体管原理性结构如右图正常运用时，集电极加正电压。因此，集电结为反偏置，发射结为正偏置，集电结为光电结。当光照到集电结上时，集电结即产生光电流Ip向基区注入，同时在集电极电路即产生了一个被放大的电流Ic（＝Ie＝（1＋β）Ip）β为电流放大倍数。因此，光电晶体管的电流放大作用与普通晶体管在上偏流电路中接一个光电二极管的作用是完全相同的。光电晶体管的灵敏度比光电二极管高，输出电流也比光电二极管大，多为毫安级。但它的光电特性不如光电二极管好，在较强的光照下，光电流与照度不成线性关系。所以光电晶体管多用来作光电开关元件或光电逻辑元件。光电晶体管的伏安特性曲线如图几种国产3DU型光电三极管的特性2.4.8阵列式或象限式结型光电器件利用集成电路技术使2个至几百个光电二极管或光电池排成一行，集成在一块集成电路片子上，即成为阵列式的一维光电器件，也可以使光电二极管或光电池制成象限式的二维光电器件。这两种器件中，衬底是共用的，而各光敏元都是独立的，分别有各自的前极引出线。这种器件的特点是，光敏元密集度大，总尺寸小，容易作到各单元多数一致，便于信号处理。就目前的应用看，两个并列的光电二极管或光电池，可用来辨别光点移动的方向。2～4个并列