第2章 结型光电探测器

第2章结型光电探测器2.1光生伏特效应势垒型光电探测器是对光照敏感的“结”构成的，故也称结型光电探测器。光生伏特效应：两种半导体材料或金属/半导体相接触形成势垒，当外界光照射时，激发光生载流子，注入到势垒附近形成光生电压的现象。光生伏特效应属于内光电效应。利用光生伏特效应制成的光电探测器叫做势垒型光电探测器.根据所用结的种类的不同，可分为PN结型、PIN结型、异质结型和肖特基结型等。最常用的器件有光电池、光电二极管、PIN管、雪崩光电二极管、光电三极管和光电场效应管等。势垒型光电探测器与光电导探测器相比较，主要区别:(1)产生光电变换的部位不同。(2)光电导型探测器没有极性，工作时必须有外加电压，而结型探测器有确定的正负极，不需要外加电压也可把光信号变为电信号。(3)光电导探测器为均质型探测器，均质型探测器的载流子驰豫时间比较长，响应速度慢、频率响应特性差。而结型探测器响应速度快、频率响应特性好。另外，雪崩式光电二极管和光电三极管还有很大的内增益作用，不仅灵敏度高，还可以通过较大的电流。势垒型光电探测器的应用非常广泛，广泛应用于光度测量、光开关报警系统、光电检测、图象获取、光通讯、自动控制等方面。2.1.1PN结当P型与N型半导体相接触，电子和空穴相互扩散在接触区附近形成空间电荷区和耗尽层，结区两边形成内建电场。接触电势差UD取决于P型和N型半导体的费米能级EFp、EFn之差：PN电子扩散运动空穴扩散运动内建电场E空穴漂移电子漂移漂移扩散扩散漂移EcEvEFpEFnEcEvEFeUD内建电场EEvEcEF1()DFnFpUEEe加正向电压的结构与能带加反向电压的结构与能带PN外加电场内建电场PN外加电场内建电场不加电场时的势垒宽度加反向电场时的势垒宽度加电场时的势垒宽度不加电场时的势垒宽度+U-UEFEFI1I0I0I1e(UD-U)e(UD+U)eUDeUD电流方向+电流方向-PN结的单向导电性设扩散电流I1，一般都规定PN结中的扩散电流方向为流过PN结电流的正方向，即由P区通过PN结指向N区，如图2-3。反向饱和漂移电流I0，与扩散电流方向相反，也称反向电流。I1=I0eeU/kT其中，k为波尔兹曼常数，T为热力学温度。PN电子扩散运动空穴扩散运动内建电场E空穴漂移电子漂移PN外加电场内建电场PN外加电场内建电场不加电场时的势垒宽度加反向电场时的势垒宽度加电场时的势垒宽度不加电场时的势垒宽度+U-UEFEFI1I0I0I1e(UD-U)e(UD+U)eUDeUD电流方向+电流方向-PN结加上外加电压，流过PN结的电流为：Ij=I1-I0=I0(eeU/kT-1)U为正，即P区电压高于N区，即常说的正向电压，此时电流由P区流到N区，电流为正值，如图2-3。U为负，即N区电压高于P区，即通常所说的负向电压，电流由N区流到P区，电流为负值，如图2-4。PN结的电流电压特性如图2-5中的无光照的I-U曲线。光电流饱和电流暗电流电流I无光照有光照Ⅰ开路光电压Uoc短路光电流Isc电压U有光照ⅡPN外加电场内建电场PN外加电场内建电场不加电场时的势垒宽度加反向电场时的势垒宽度加电场时的势垒宽度不加电场时的势垒宽度+U-UEFEFI1I0I0I1e(UD-U)e(UD+U)eUDeUD电流方向+电流方向-2.1.2PN结光生伏特效应光PN结N内建电场PEFheUeUDPNEghe(UD-U)外接电路开路时，光生载流子积累在PN结两侧，光生电压最大，即光生电势Uoc，等于费米能级分开的距离，称Uoc为开路电压。外接电路短路时，流过电路的电流为短路时的光生电流，称Isc为短路电流，短路电流在PN结中N→P（电流方向），在外回路中由P→N。漂移扩散扩散漂移EcEvEFpEFnEcEvEFeUD内建电场EEvEcEFPN结在有光照的电流电压曲线，与普通的二极管的电流电压特性相区别:相当于在回路中加了一个反向电势，所以产生了光生伏特效应的光电二极管的电流电压特性发生了移动。当I=0时，U=Uoc，即光生电势。当U=0时，I=Isc，即光生电流。比较图2-5的曲线Ⅰ和Ⅱ，随着光照的增强，曲线向下移动，光生电势和电流增加。光电流饱和电流暗电流电流I无光照有光照Ⅰ开路光电压Uoc短路光电流Isc电压U有光照Ⅱ2.2光电池光电池是直接把光变成电的光电器件，由于它是利用各种势垒的光生伏特效应制成的，故称为光生伏特电池，简称光电池。按用途分：太阳能光电池、测量光电池。按材料分：硅光电池、锗光电池、硒光电池、硫化镉光电池、砷化镓光电池。其中最受重视的是硅光电池、硒光电池。硅材料研究得最充分，硅光电池具有一系列的优点，如性能稳定、寿命长、光谱响应范围宽、频率特性好、能耐高温。硒光电池的光谱响应曲线与人眼的光视效率曲线相似。应用：应用于光能转换、光度学、辐射测量、光学计量和测试、激光参数测量等方面。2.2.1光电池的结构结构有两种：一种是金属—半导体接触型，硒光电池即属此类。另一种是PN结型，硅光电池属PN结型。硅光电池的结构形式有多种，按基底材料可分为2DR型和2CR型。PN结光电池的结构图栅状上电极前极SiO2保护膜下电极Al后极2DR2CRPNN-SiP-SiNP受光表面上涂保护膜，减小反射损失，增加对入射光的吸收，同时又可以防潮，防腐蚀如镀SiO2，MgF2。上电极一般多做成栅指状，其目的是便于透光和减小串联电阻。除典型结构型式的硅光电池以外，按不同用途，还有些特殊的结构型式激光定中象限式阵列式光电池的符号、连接电路符号连结电路等效电路IRLPNIpIjIU用一个电流源与二极管并联RL测量用的光电池太阳能光电池2.2.2光电池的电流与电压PN结中有三种电流：扩散电流I1、漂移电流I0、光生电流IpPN+光生电势-光生电流漂移电流扩散电流外电路电流RL光照引起电压和势垒的变化PN+产生电势-光生电流漂移电流扩散电流外电路电流)1(/0kTeupeIII)1ln(0IIekTupocRIIpsc//000(1)eUkTeUkTjIIeIIe开路电压Uoc：短路电流Isc：外电路的电流I：结电流=扩散电流-漂移电流IP与单色辐射的光功率P可写成：Ip=RλPRλ——光谱灵敏度。光谱灵敏度与光的入射方式有关，是一个复杂的关系式。为了计算使用简单，光生电流IP与入射单色辐射的功率P可简写为如下的关系：pPIehv2.2.3光电池的主要特性1．光照特性是指光电池的光生电动势，光电流与照度的关系。200060001000010003000500043210.10.20.30.40.30.20.10.40.30.20.1uocIscuoe(V)E(lx)E(lx)Isc(mA/cm2)硅光电池硒化电池当RL=0时，外电路短路，电流全部流过外电路Ip=Isc，光电流随着光照而变化，故I与光照E成正比。一定负载下，随着E增加，I出现非线性，负载越大，线性范围愈小，非线性愈严重。因此，作为探测器用的光电池，为保证测量呈较好的线性，应选择较小的负载电阻，如5Ω的串联电阻。10102103I(mA)1010010-110-210-310-410100101102103104)(lxE2．光谱特性光电池的光谱特性主要取决于所采用的材料与制作工艺，同时也与温度有关，1硒光电池的光谱特性1硅蓝光电池的光谱特性曲线2硅光电池的光谱特性2硅普通光电池的光谱特性曲线3．伏安特性PN结作光电池用时，在有光照条件下，光电流与电压的关系，实际上是指输出I=Ip-Ij与输出电压u之间的函数关系符号连结电路等效电路IRLPNIpIjIU用一个电流源与二极管并联RL/0/(1)eUkTLPIURIIe0ln(1)pIIkTUeI连续改变负载电阻值，就得到一条输出电压与电流的关系曲线，这就是伏安特性曲线。交点(Uoc,0)代表开路情况，RL=∞，Uoc称为开路电压，交点（0，Isc）代表短路情况，Isc称为短路电流。IIscUocUE4E3E2E14．转换效率对于输出的功率P=IU，对其求极值，可以获得光电池存在一个最大输出功率Pm，此时对应的最佳负载电阻RLm，对应的电流Imp和电压为Ump。Pm=Ump·Imp通常定义光电池的转换效率η：光电池输出的最大功率与入射光功率的比值。它表示了光电池把光转变为电信号的能力。IIscUocUE4E3E2E1入射光功率输出最大功率当RL增大，输出电压增大，RL愈大，U愈接近Uoc，当RL→∞时，U=Uoc。负载电阻RL越小，输出的电流愈大，当RL→0时,即短路时，I=Isc。5．频率特性光电池作为探测器使用时，由于载流子在PN结区内扩散、漂移、产生、复合都要有一个时间驰豫过程，所以当光照变化很快时，光电流就有滞后于光照变化的现象。光电池的频率响应除了载流子运动的内在因素外，还与材料、结构、光敏面的大小及使用条件有关。I(%)RL=1kΩ10kΩ100kΩ10080604020102103104f(Hz)如图2-16，负载电阻越大，时间响应越差。光敏面积越大，频率特性变差，光照越弱，频率特性越差，因为在高频交变光照下，光电池的响应时间由PN结电容和负载电阻所决定，PN结阻挡层的面积越大，极间电容越大，因而频率特性变差。如要求有较好频率特性，需选用小面积的光电池，以使它的结电容减小或者减小负载电阻。6．温度特性光电池许多参数都与温度有关，一般光电池的参数都是在30℃条件下测得的。T升高，Uoc减小到3mV/℃，具有负温度系数，T升高，Isc上升到10-5~10-3mA/℃，具有正的温度系数，如图2-17。光电池受强光照射时，必须考虑光电池的工作温度。因为硒光电池的结温超过50℃，硅光电池超过200℃时，它们的晶格就受到破坏，导致器件的破坏。600400200Uoc(mV)T(oC)-20020406080100Isc(mA)2.01.91.87．太阳能光电源装置由于太阳能量的重要性，光电池要将太阳能直接转变成电能供给负载。单片光电池的电压很低，输出电流很小，因此不能直接用作负载的电源。一般要把很多片光电池组装成光电池组作为电源使用。通常在用单片光电池组装成电池组时，可以采用增加串联片数的方法来提高输出电压，用增加并联片数的方法来增大输出电流。为了在无光照时仍能正常供电，往往把光电池组和蓄电池装在一起使用，通常，把这种组合装置称为太阳能电源。DDRLRLRL是负载电阻，D是防逆流二极管。因为辐照度减弱会造成光电池组输出电压降低，加了防逆流二极管可以阻止蓄电池对光电池放电。太阳能光电池材料有：单晶硅、多晶硅、非晶硅、CdS、GaAlAs/GaAs等太阳能光电池，现在单晶硅太阳能电池的效率达10%~22%，并聚光后，效率可达26%~28%，已获得了广泛的应用。2.3光电二极管光电二极管是一种重要的光电探测器，广泛用于可见光和红外辐射的探测，本质是二极管，根据光生伏特效应工作，属于结型器件。主要区别它与光电池的光电转换有许多相似之处，而与光电池的主要区别：(1)结面积大小不同，光电二极管的结面积远比光电池小。(2)PN结工作状态不同,光电池PN结工作在零偏置状态下，而光电二极管工作于反偏工作状态下，需外加电压。因此光电二极管的内建电场强，结区较宽，结电容很小，所以频率特性比较好。由于势垒宽，光电流比光电池小，一般在μA量级。根据所用的半导体材料有：锗、硅、III-V族化合物及其它化合物半导体。按工作基础分：有耗尽型及雪崩型。按特性分：有PN结、PIN结、异质结、肖特基势垒及点结触型等。按对光的响应分：紫外、可见光、红外光电二极管。按制造工艺：平面型、生长型、合金型、台面型。按用途分：聚光透镜式、平板玻璃式。目前，光电二极管绝大部分用硅和锗材料，采用平面型结构来制成，由于硅管比锗管有较小的暗电流和较小的温度系数，而且硅工艺较成熟，结构工艺易于控制，因此，以硅为