第七章光電轉換器件

7-1光電導探測器

7-2光電池

7-3光電二極管

7-4光電倍增管

7-5變像管、像增強管、攝像管

7-6電荷耦合器件（CCD）序言

光電轉換器件是把光轉換成電或者通過光信號來控制電信號的器件。根據光與物質的相互作用產生的不同物理效應，可將光電轉換器件分為不同的類型：光電轉換器件內光電效應外光電效應光電子發射器件光電導器件光伏器件例：無源光監測器

例：光電倍增管

例：光電二極管光電三級管7.1光電導探測器

光電導探測器是利用光電導效應制作的光探測器，簡稱為PC探測器。特征：受到光照后，器件的電阻發生變化。主要類型光敏電阻光導管等產生光電導效應的電子躍遷類型包括本征吸收雜質吸收2、光譜特性光電導探測器屬于選擇性器件，某種材料制成的光敏電阻，只在一定的波長范圍內才對入射光有響應，而其他波長的光照射下，響應度極小或趨于0。材料的禁帶寬度決定了光譜響應的長波限制，在響應率從增加到減小的過程中會出現一個響應的峰值波長典型的響應曲線：圖7-1-2。3、照度特性表達式：，，，為常數，K與器件的材料、尺寸、形狀及載流子壽命有關；是電壓指數、是照度指數。

三種光敏電阻的光譜響應特性曲線CdS光敏電阻的光照特性曲線4、響應速度響應時間：光照時流過光電導器件的電流上升到0.63所需要的時間及遮光后電流下降到0.37所需要的時間。I0為穩定后的正常值。響應時間的大小決定了器件對調制頻率的影響，其響應速度變化規律為：截止頻率：當下降到的0.707倍時，所對應的為截頻率,此時信號功率下降為零頻時功率的一半。Rv0為低頻響應度。響應時間的長短意味著光生載流子的壽命長短。增大光生載流子壽命，可以增大內增益，提高響應率。但是器件的響應時間也隨之增大，又影響了對高頻成分的響應。

7、基本工作電路

暗電阻與亮電阻光電導器件在無光照時的電阻（稱為暗電阻）很大，光照后，電阻顯著下降，稱為亮電阻。正常使用范圍內，亮、暗電阻之比為。

設在無光照時的負載上電壓為有光照時的負載電壓為輸出電壓為匹配狀態：要使輸出信號最大的條件是，是器件的匹配狀態。此時，輸出電壓為。二、幾種常用的光電導器件

光電導器件多晶薄膜形式單晶形式可見光波段Cds、CdSe等近紅外波段PbS、PbSe等本征型HgCdTe、InSb、PbSnTe等雜質型Ge:Hg、Ge:Ga、Si:As等7.2光電池

光電池是利用光生伏特效應制成的無偏壓光電轉換器件，由于其內部可能存在PN結，所以也稱為結型探測器，簡稱PV探測器。主要用途光電池用作太陽能電池把光能直接轉化成電能，需要最大的輸出功率和轉化效率。即把受光面做得較大，或把多個光電池作串、并聯組成電池組，與鎳鎘蓄電池配合，可作為衛星、微波站等無輸電線路地區的電源供給。光電池用作探測元件利用其光敏面大，頻率響應高，光電流與照度線性變化，適用于開關和線性測量等。一、結構原理1、結構金屬-半導體接觸型（硒光電池）圖721PN結型光電池——是在N型（或P型）半導體表面上擴散一層P型（或N型）雜質，形成PN結。

按基底材料不同分2DR（P型Si為基底）

2CR（N型Si為基底）

圖示：2、分類按用途太陽能光電池：用作電源（效率高，成本低）測量用光電池：探測器件（線性、靈敏度高等）按材料硅光電池：光譜響應寬，頻率特性好硒光電池：波譜峰值位于人眼視覺內薄膜光電池：CdS增強抗輻射能力紫光電池：PN結0.2~0.3μm,短波峰值600nm3、符號及電路符號聯接電路等效電路二、特性

1、光譜特性光電池的光譜特性主要由材料及制作工藝決定意義：在入射光能量保持一個相同值的條件下，研究光電池的短路電流與入射光波長的關系，不同材料有不同的響應范圍。硅光電池：除了一般情況下的光譜響應特性，在PN結較淺（一般為0.4μm）的情況下，由于入射光更容易達到PN結，短波長光從表面進入材料后受到的吸收較小，因而提高了短波長的光被材料吸收的幾率，導致吸收峰值發生變化，向短波長（約在0.6μm附近）偏移，被稱為藍硅光電池，硅光電池的兩種光譜響應曲線如圖：光電池工作在無偏壓的狀態下，在光照時，PN結開路時的正向電壓就是光生電動勢。在光生電動勢比較小的情況下，假設Rs0，Rsh0,則在PN結外部負載RL＝0時，短路電流就是光電流Isc＝Ip但實際電路存在Rs和Rsh，短路電流可進一步表示為Isc＝Ip－Is（e－1）－在開路情況下，I=0時，Ip＝I+開路電壓表示為＝ln（）由于Rsh不是無窮大，則Ish不為零，所以開路電壓精確表達式為＝ln（）3、光照特性定義：光生電動勢、光生電池與光照度的關系。如圖。

表達式：在近似條件下，短路電流就是光電流，且可與光照度成線性關系。光電池的光照特性曲線：硅光電池硒光電池光照特性與負載電阻的關系

負載電阻不為零時，隨照度的增加，光電流與端電壓都增加，二極管處在正向偏置下，內電阻變小，外電流增加變緩，與光照度成非線性關系；負載越大，非線性越顯著。開路時，隨著照度的增加，開路電壓增加很快，最終出現飽和現象。

硅光電池的光照特性與負載電阻的關系三、太陽能電池

把光能直接轉化成電能，需要最大的輸出功率和轉化效率。即把受光面做得較大，或把多個光電池作串、并聯組成電池組，與鎳鎘蓄電池配合，可作為衛星、微波站等無輸電線路地區的電源供給。1、光電池構成太陽能裝置的方式串聯——增加輸出電壓并聯——增大輸出電流實際操作中可以“先串后并”或“先并后串”實用的太陽能電池的特點：轉換效率高成本低穩定性好2、光電轉換效率定義：太陽能電池的最大輸出功率與輸入光功率之比

η＝＝3、影響η的因素材料性質器件結構工藝因素等

光電二極管是以光伏效應為基礎制作的在反向偏壓下工作的光伏器件。與普通二極管相比:

共同點：一個PN結，單向導電性不同點：受光面大，PN結面積更大，PN結深度較淺表面有防反射的SiO2保護層外加負偏壓與光電池相比：共同點：均為一個PN結，利用光生伏特效應，

SiO2保護膜不同點：結面積比光電池的小，頻率特性好光生電勢與光電池相同，但電流比光電池的小可在零偏壓下工作，更常在反偏壓下工作7.3光電二極管

2、光譜特性光電二極管只能對大于禁帶寬度的光子能量做出反應，故不同材料的光譜響應范圍不同，典型器件的光譜響應曲線如圖。對每一種探測器件，都有一個響應的峰值，其對應的光子能量稍大于禁帶寬度，當時，響應成迅速下降的趨勢，當時，光子能量雖然很大，但是在半導體中的光吸收也隨頻率的增加而逐漸增加，因而由于光吸收而產生的光生載流子，在到達結區之前，有較多部分與多數載流子復合，對光生電流沒有貢獻，響應度降低。因此，入射光從短波長逐漸增加到峰值波長時，光譜響應度是逐漸增大的。3、響應時間當輸入光信號是矩形脈沖時，由于受到多種因素的影響，輸出光電流脈沖出現了前沿與后沿,如圖:響應時間可用圖中和表示。

影響響應速度的因素：耗盡層的寬度結電容的大小綜合耗盡層寬度與結電容對器件性能的影響：一、結電容的大小對波形的影響很大，結電容過大會使響應時間增加；二、耗盡層寬度應該有一個適當的值才能兼顧不同的要求，一般W取值在和之間。4、伏安特性無光照時，V－I表達式：I+＝Is（e－1）二極管工作在反向偏壓下，V為負值。隨著V的絕對值變大，流過PN結的結電流（又稱反向結電流）I+由零逐漸變大,方向從N區指向P區，V達到一定程度后，反向結電流I+趨向飽和Is（Is即為PN結的反向飽和電流）。無光照時,這個反向飽和電流比較小，但是反向偏壓太大時，可能造成反向結電流劇增，導致PN結被擊穿，需避免。有光照時，光電二極管內產生了光生載流子，形成了光生電流Ip，Ip的方向是從N到P，與無光照時的反向結電流I+同向，使得反向飽和電流增大，且光照越強，越大。此時V－I表達式：I＝Ip－Is（e－1）二、幾種常見類型的光電二極管1、PIN光電二極管PIN管是光電二極管中的一種。它的結構特點是，在P型半導體和N型半導體之間夾著一層（相對）很厚的本征半導體。普通PN結型光電二極管的缺點：耗盡層寬度窄量子效率低頻率特性差

PIN的結構特征：在P、N型之間加進了較厚的本征半導體I型層，PN結的內電場就基本上全集中于I層中，從而使PN結雙電層的間距加寬，結電容變小；提高響應速度。PIN的特點：耗盡層寬，增大了光電轉換的作用區域，提高了對長波長光波的吸收耗盡層寬，使結電容變小，高頻端的響應也得到改善耗盡層變寬，P區與N區的相對寬度變窄，載流子渡越時間變短，頻率響應變寬本征區電阻高，暗電流噪聲小（主要是電路熱噪聲）2、雪崩光電二極管（APD）APD是具有內部倍增放大作用的光電二極管，利用PN結勢壘區的高反向電壓下強電場作用產生載流子的雪崩倍增而得到。結構在兩個高摻雜的P+區與N＋區之間有P層和層，其中層為接近本征的低摻雜區，寬度在30-100m，在器件加上反向偏壓后，耗盡層寬度隨電壓的增加而增加，直到P區的載流子全部耗盡而成為耗盡區，電壓繼續增大，耗盡層繼續加大之包括整個區，形成所謂“拉通”，電場主要降在P區與區，P+區和N＋區電壓降很少，而N＋與P之間具有最高的電壓，區壓降較平緩，但仍比較高。工作過程光照射到光電二極管時，由于器件的耗盡層很寬，光電轉換效率高，大部分光子在這個區域就被吸收并生成電子－空穴對，在外電壓作用下，載流子定向移動成為初始光電流，一次電子在向PN+結區漂移的過程中動能增大，到達PN＋結后，在更高的電場作用下產生雪崩倍增，一次空穴則直接被P+區吸收。此過程多次重復。從而反向結電流也迅速增大形成倍增效應。影響雪崩光敏二極管工作的因素

a、雪崩過程伴有一定的噪聲，并受溫度的影響較大

b、表面材料的缺陷使PN結各電場分布不均，局部先擊穿使漏電流變大，增強了噪聲

c、工作偏壓必須適當倍增增益G

是APD的一個重要參數，其倍增系數的大小與許多因素有關，如雪崩區的寬度、反向偏壓的大小以及電離系數等。器件確定后，電離系數與耗盡層寬度基本是確定的，影響增益大小的就是反向偏壓的大小了，APD增益與偏置電壓的關系為：

是APD的擊穿電壓；是APD的內電阻；是與APD材料、摻雜特性及波長有關的常數；為倍增后的電流。如果G較小，與V相比可略去，則

APD管的電流增益G與偏壓V的關系曲線如圖7-3-7表示。

反向偏壓比較小時，倍增增益受其影響比較大在同樣偏壓下，不同的波長具有不同的增益，長波長的光波增益更大。增益在放大初始的同時也放大了噪聲，所以G不是越大越好，G有個最佳值，一般運用時，G值在40－100左右為好。

APD的噪聲

APD除了具有一般光電二極管的噪聲外，還有一種由于倍增增益的起伏而引起的附加噪聲。量子噪聲：當倍增增益為時，光信號引起的量子噪聲表示成倍增后的量子噪聲表示成其中溫度特性溫度變化對APD的影響主要表現在倍增增益以及暗電流的變化上。

A、對倍增增益的影響：

1、半導體內電子和空穴的電離碰撞幾率隨溫度的升高而下降，使得倍增增益隨溫度升高而下降；

2、倍增因子由于和隨溫度變化而變化，溫度越低，G值越高。

B、對暗電流的影響：溫度增加后，有更多的電荷電離而成為能導電的自由電子，使暗電流增大。3、肖特基光電二極管結構與定義將N型（或P型）半導體材料與金屬相接觸，形成勢壘，制成的光電二極管稱為肖特基光電二極管,實用的肖特基勢壘是由金屬與N型材料接觸而成。肖特基勢壘金屬的逸出功與半導體材料的逸出功是不同的，通常前者大于后者是，因此在接觸面兩邊，由于電勢的差別，N型半導體中的電子向金屬方向移動，從而在交界面形成內建電場，阻止電子進一步擴散，達到平衡后，出現一個確定的接觸電位差，即為肖特基勢壘。勢壘高度是金屬逸出功于半導體的電子親合勢能之差，即但實際實驗得出的結果是勢壘高度是禁帶寬度的2/3，即。工作方式受到光激發后產生的電子與空穴分開集結或流動，從而產生開路光生電動勢或短路電流。根據所加反向偏壓及入射光頻率不同，肖特基光電二極管有三種不同的工作方式：

abca、,(為反向擊穿電壓)器件受光照產生光生載流子，工作情況與PN結型管類似。b、,耗盡層引起載流子倍增，這時的工作情況與雪崩二極管類似。c、,光在金屬膜中被電子吸收。電子能量高于肖特基勢壘的高度時，就能越過勢壘，進入半導體耗盡層而被加速和收集。選擇適當的金屬與半導體，可以得到不同高度的肖特基勢壘，從而得到不同波長響應的光電二極管。肖特基光電二極管的工作區很靠近表面，因而有利于短波長光的吸收，所以適合于對藍光及紫外光的探測。肖特基勢壘效應為基礎的光電探測器件受到更多重視。7.4光電倍增管

光電倍增管是以光電子發射為基礎的外光電效應器件，具有靈敏度高、穩定性好、響應速度快等特點，適用于微弱光信號的探測。

一、工作原理

1、主要結構部件光陰極（圖中K）：接受由管殼窗口照射進來的光能，并產生初次光電子倍增級（圖中D）：由某些金屬、金屬氧化物及半導體等組成，表面受到高速粒子轟擊后，可以重新發射出更多的電子（即二次電子發射）。2、二次發射系數σ用以表征每一個入射電子所產生的二次電子數目即每個倍增級的電流增益。

如果倍增的級數為n，且各級性能相同，考慮到電子損失，則總的電流增益為為陽極電流，為陰極電流，為第一倍增級對陰極光電子的收集效率，為各倍增級之間的傳遞效率。3、倍增極的結構分為非聚焦型和聚焦型兩種。非聚焦型：倍增極陰極表面的電場比較低，發射出來的電子究竟打在何處難以預料，這與二次電子的初始位置與速度有關。它可以獲得較高的倍增系數，但是電子散射效應大，同一束電子有不同的渡越時間，造成脈沖信號變寬，響應時間長。聚焦型：主要克服了渡越時間散差大的缺點，有更快的響應時間。但是與非聚焦型比較，它的結構的每對倍增極工作狀態會受到鄰近倍增極的工作電壓影響，因此對電源的穩定性要求較高。4、工作電路與電壓供給供電回路如圖

供電方式負高壓供電：電源正極接地，可響應變化緩慢的光信號；正高壓供電：電源負極接地，接在陰極上，適用于要求低噪聲的光脈沖信號檢測，但是在陰極要接一個耐高壓低噪聲的隔直電容與輸入端耦合。分壓網絡按照一定比例提供各電極的工作電壓，靜態下流過分壓網絡的電流，各電極的電壓為Vn=I0Rn

。動態下各電極的反饋電流會使Vn降低。為了保證工作的直線性，必須使充分的大于陽極電流Ip，通常取。電源電壓的穩定性是保持光電倍增管的工作直線性的基礎。在線性工作范圍內，輸出電流,其中A是比例常數，α是與倍增過程有關的常數。從上式得到，α一般為7-9。可見，如果要求輸出電流直線性優于1％，則電源電壓的穩定性必須優于0.1％，即高出一個數量級。二、工作特性參數

等效電路如圖

直流等效電路交流等效電路光電倍增管的主要特征參數包括陰極靈敏度、陽極靈敏度、暗電流等。經常用到的特征工作曲線是伏安特性曲線、光電特性曲線。1、陰極靈敏度定義：光電陰極被光照射后產生的初始電流與入射光通量之比。表達式：單位μA/lm

討論：為正確表示陰極的發射能力，