光电子器件 论文 结型光电探测器

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《光电子器件》大作业

题目：结型光电探测器 姓名：班级： 学号：

2011年6月15日

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中文摘要：

结型光电探测器又称为势垒型光电探测器。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，因势垒型光电探测器是对光照敏感的“结”构成的。常见的器件有光电池、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。结型光电探测器正朝着超高速、高灵敏度、宽带宽以及高集成的方向发展，它可广泛地应用于广度测量、光开关报警系统、光电检测、图像获取、光通信、自动控制等方面。

English Abstract：

Junction photodetectors, also known

as barrier-type detector.The barrier made

of photovoltaic effect is called the photoelectric detector, due to the barrier

photodetector is sensitive to light "knot " formed. Commonly there are light battery device, photodiode, PIN transistor, avalanche photodiodes,

optoelectronics and optical FET transistor.

Junction photodetector is developing in high speed, high sensitivity,wide bandwidth and high integration of direction, it can be widely used breadth

of measurement, optical switch alarm systems,

photoelectric detection, image capture, optical communication,automatic control, etc.

正文：

光生伏特效应是两种半导体材料或金属、半导体相接触形成势垒，当外界光照时，激发光生载流子，注入到势垒附近，形成光生电压现象。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。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。

根据所用结的种类不同，结型光电探测器可分为PN结型、PIN结型、异质结型和肖特基势垒型等。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。

势垒型光电探测器的应用十分广泛，广泛应用于广度测量、光开关报警系统、光电检测、图像获取、光通信、自动控制等方面。

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一、光电池

1、用途

光电池是根据光生伏特效应制作的器件。其用途有两个：

（1）因在光照下能产生光生电压，可作电源用，即常说的太阳能电池。做电源用时要求其效率高、成本低、寿命长，便于与其它的能源竞争。

（2）作为光电探测器用。优点是工作时不需要外加偏压，接收面积大。要求其线性好，灵敏度高，光谱响应范围合适，响应时间短，能满足使用要求。

目前生产的光电池材料有硅、锗、硒、砷化镓等，用的最多的是硅光电池（在可见光区），锗的光谱响应在红外。

P1、太阳能路灯 P2、太阳能房屋

2、结构

硅光电池因所用基片的导电类型不同分为两种类型：2CR和2DR型2CR：在n型硅上扩散三族元素硼，作成很薄的p型层；2DR：在p型硅上扩散五族元素磷，作成很薄的n型层。都可以形成p-n结，区别只在于导电类型不同。

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为了使输出电流增大，硅光电池的受光面积尽可能做得大些。上电极为栅状透明电极，以增加透光量，减小电极与光敏面的接触电阻。

衬底下面的电极称为下电极或背电极，用Al 材料。

为了减少光的反射，在受光面上镀有SiO2或其它介质材料的

增透膜，其透过率与材料的折射率、厚度及波长有关，另外还起到防潮、防腐蚀的保护作用。

3、特性

（1）光电特性

光电特性是指输出光电流和光电压与入射光功率的关系。光电池的短路电流和开路电压为

短路电流

与Ps成正比

开路电压

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与Ps成对数关系

短路电流和开路电压与入射光功率的关系曲线：

（2）伏安特性

当外接负载时，伏安特性曲线如右图。曲线在横轴上的截距代表某一光强下的开路电压，在纵轴上的截距代表短路电流。

在曲线的拐弯处，电流与电压的乘积最大，即此时光电池的输出功率最大，所以负载RL应选在曲线的拐弯处。

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硅光电池的开路电压不能大于p-n结热平衡时的接触电势差，一般在0.45~0.6V之间。

（3）主要参数（硅）

光谱范围：0.4~1.1μm, λp= 0.8~0.9μm, τ= 10-5 ~ 10-6s,

Vs= 450 ~ 600mV, is= 16~30mA

二、p-n结光电二极管

光电二极管与光电池基本结构相同，其主要区别是结面积小，频率特性好，但输出电流小，只有几μA到几十μA，而且要在反向偏压下工作。制作光电二极管的材料有很多，如：Si、Ge、GaAs、InGaAs, GaAsP, InGaAsP等，日常使用最广泛的是硅光电二极管，而在光通信系统中则选用后几种材料。

1、结构

按衬底的导电类型不同，硅光电二极管也分为两种系列：2CU型：以n-Si为衬底，有两个引出线：前极和后极2DU型：以p-Si为衬底，有三个引出线：前极、后极和环极

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在2DU管子上加环极的原因：

SiO2膜中常含有少量的钠、钾、氢等正离子，由于SiO2是电

介质，因此正离子在SiO2中不能移动，但由于静电感应，可使p-Si

表面产生一个感应电子层，称为反型层，其导电类型与n-Si相同，因此在表面无耗尽层或很窄。当二极管加反向偏压时，其暗电流中含有通过表面感应电子层产生的漏电子流，使暗电流增大。为了减小暗电流，在n区外围设置一个n+环，从其上引出电极，所加电位高于前极，使得表面漏电子流不经过负载直接到达电源，可达到减小暗电流和噪声的目的。

用法：

在使用时，如果环极悬空，除了暗电流和噪声大以外，其它性能不受影响。

2CU管虽然也有感应电子层，但导电类型与p型硅相反，所以不用加环极。

2、工作原理

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p-n结光电二极管原理示意图

依据p-n结光电导效应。器件两端外加反向偏压，入射光从P侧进入，被半导体材料吸收，产生电子一空穴对。结区内和其附近产生的光生载流子受电场的作用漂移过结，形成光电流。

不加电压时相当于光电池。

加正向偏压时，与普通的二极管一样，只有单向导电性，表现不出它的光电效应。

3、特性

（1）伏安特性

光电二极管的外电路电流为：i = id＋is

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