光電子技術學課件之十三：

——第四章光輻射的探測技術（3）

§4常用光電探測器簡介（2）制作者：贛南師范學院物理與電子信息學院：王形華2006．10光電子技術學課件之十三：

——第四章光輻射的探測技術（31一、pn結光伏探測器的工作模式

pn結具有光伏效應，利用pn結的光伏效應制作的光電探測器稱為光伏探測器。在光照射下，在pn結區產生光生電子-空穴對，在內電場的作用下，電子向n區、空穴向p區作漂流運動，被內電場分離的電子和空穴就在外電路中形成電流--一、pn結光伏探測器的工作模式pn結具有光伏效應，利用p2在pn結區產生光生電子ppt課件3二、硅光電池——太陽電池

零偏壓pn結光伏探測器——光伏工作模式——光電池硅光電池的用途：光電探測器件，電源。

二、硅光電池——太陽電池零偏壓pn結光伏探測器——光伏工作41.短路電流和開路電壓短路電流——RL=0，開路電壓——RL=∞。單片硅光電池的開路電壓約為0.45～0.6V，短路電流密度約為150～300A/m2。光電池等效電路1.短路電流和開路電壓短路電流——RL=0，開路電壓——R5測量方法：在一定光功率（例如1kW/m2）照射下，使光電池兩端開路，用一高內阻直流毫伏表或電位差計接在光電池兩端，測量出開路電壓；在同樣條件下，將光電池兩端用一低內阻（小于1Ω）電流表短接，電流表的示值即為短路電流。測量方法：在一定光功率（例如1kW/m2）照射下，使光電池兩6在pn結區產生光生電子ppt課件72.光譜、頻率響應及溫度特性2.光譜、頻率響應及溫度特性8

光電池的頻率特性不太好,原因有二：一是光電池的光敏面一般做的很大，導致結電容較大；二是光電池的內阻較低，而且會隨輸入光功率的大小變化。

在強光照射或聚光照射情況下，必須考慮光電池的工作溫度及散熱措施。通常Si光電池使用的溫度不允許超過125℃。光電池的頻率特性不太好,原因有二：一是光電池的光9三、光電二極管反偏電壓pn結光伏探測器——光導工作模式——光電二極管

常見的光電二極管有：Si光電二極管，PIN光電二極管,雪崩光電二極管（APD）肖特基勢壘光電二極管等。三、光電二極管反偏電壓pn結光伏探測器——光導工作模式—101、Si光電二極管（1）結構原理Si光電二極管有兩種：采用N型單晶硅和擴散工藝獲得p+n結構硅光電二極管(2CU)；采用P型單晶硅和磷擴散工藝獲得n+p結構硅光電二極管（2DU）。一律采用反偏。1、Si光電二極管（1）結構原理11p+n結構硅光電二極管(2CU)p+n結構硅光電二極管(2CU)12n+p結構硅光電二極管（2DU）：光敏區外側有保護環（n+環區），其目的是表面層漏電流，使暗電流明顯減少。其有三根引出線，n側的電極稱為前極，n側的電極稱為后極，環極接電源偏置正極，也可斷開，空著。n+p結構硅光電二極管（2DU）：13在pn結區產生光生電子ppt課件14（2）光譜響應特性和光電靈敏度（2）光譜響應特性和光電靈敏度15（3）伏安特性（V/R—V為直流負載線）（3）伏安特性（V/R—V為直流負載線）16（4）頻率響應特性頻率特性好,適宜于快速變化的光信號探測。光電二極管的頻率特性響應主要由三個因素決定：(a)光生載流子在耗盡層附近的擴散時間；(b)光生載流子在耗盡層內的漂移時間；(c)與負載電阻RL并聯的結電容Ci所決定的電路時間常數。

（4）頻率響應特性頻率特性好,適宜于快速變化的光信號探172.PIN硅光電二極管要改善硅光電二極管的頻率特性，由前面分析可知：應設法減小載流子的擴散時間和結電容。PIN硅光電二極管就是在P區和N區之間加上一本征層（I層）光電二極管。2.PIN硅光電二極管要改善硅光電二極管的18

本征層的電阻率很高，反偏電場主要集中在這一區域。高電阻使暗電流明顯減少，在這里產生的光生電子-空穴對將立即被電場分離，并作快速漂移運動。本征層的電阻率很高，反偏電場主要集中在這一區域。高19

本征層的引入，明顯增大了p+區的耗盡層的厚度，這有利于縮短載流子的擴散過程。耗盡層的加寬，也可以明顯減少結電容Cj,從爾使電路常數減小。同時耗盡加寬還有利于對長波區的吸收。性能良好的PIN光電二極管，擴散和漂移時間一般在10-10s數量級，頻率響應在錢兆赫茲。實際應用中決定光電二極管的頻率響應的主要因素是電路的時間常數。合理選擇負載電阻是一個很重要的問題。

PIN光電二極管在光通信、光雷達和快速光電自動控制領域有著廣泛的應用。本征層的引入，明顯增大了p+區的耗盡層的厚度，這有203.雪崩光電二極管（APD）

基于載流子雪崩效應，從而提供電流內增益的光電二極管稱為雪崩二極管。常見的雪崩光電二極管有：Ge-ADP和Si-ADP兩種光電二極管。Ge-ADP的管芯是采用p+n結構，在N型Ge單晶體襯底上擴散Zn作成保護環，注入B+離子形成p+層。3.雪崩光電二極管（APD）基于載流子雪崩效21Si-ADP的管芯是采用n+pπp+結構，在<110>晶向的π/p+外延片作襯底，通過注入B+離子形成p層，而后淺擴散構成n+層Si-ADP的管芯是采用n+pπp+22工作原理：進入耗盡區的光生電子被雪崩電場加速，獲得很高的能量，在A處與晶格上的原子發生沖擊碰撞使原子電離，產生新的電子-空穴對，新的空穴又被雪崩電場反向加速，獲得更高的動能，在途中E處再次與晶格上的原子發生沖擊碰撞使原子電離，產生又一個新的電子-空穴對…….，上述過程反復進行，使pn結的電流急劇增大，形成雪崩效應。工作原理：進入耗盡區的光生電子被雪崩電場加速，獲得很高的能量23

雪崩光電二極管在光通信，激光測距和光纖傳感技術中有廣泛的應用。

雪崩光電二極管具有內增益，可以降低對前置放大器的要求。雪崩光電二極管在光通信，激光測距和光纖傳感244.光電三極管4.光電三極管25四、光熱探測器1.熱敏電阻熱敏電阻——由Mn、Ni、Co、Cu氧化物，或Ge、Si、InSb等半導體材料做成的電阻器，其阻值隨溫度而變化。電阻隨溫度變化的規律：

稱為熱敏電阻的溫度系數,稱為正溫度系數,稱為負溫度系數。四、光熱探測器1.熱敏電阻熱敏電阻——由Mn、Ni、C262.熱釋電探測器利用熱釋