S2光电探测器件06.ppt
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1、C2 光电探测器件,理学院 宋旸,2,2 光电探测器件,2.1 光电探测器的物理效应 2.2 光电探测器的性能参数 2.3 外光电效应型光电探测器 2.4 内光电效应型光电探测器 2.5 固体成像器件 2.6 光电探测光源,3,2 光电探测器件,4,2.4 内光电效应型光电探测器,2.4.1 光电导型光探测器 光敏电阻 2.4.2 pn结光伏探测器 2.4.3 光电池 2.4.4 光电二极管与光电三极管 2.4.5 特殊结型光电二极管 2.4.6 恒流源型探测器的偏置和设计,5,2.4.4 光电二极管与光电三极管,与光电池的主要区别为:, 光电二极管结面积远小于光电池,具有更好的频率特性, 工
2、作电流小,仅为微安级, 工作状态不同,前者为零偏置电压状态,以获得光电流,后者则处于反偏置电压。, 光电二极管, 光电池的衬底材料掺杂浓度高于光电二极管,光电二极管的电阻率高于光电池,6,2.4.4 光电二极管与光电三极管, 光电二极管,7,2.4.4 光电二极管与光电三极管, 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,只有两个引出线,2DU系列以P-Si为衬底,有三条引出线,前极、后极与环极。,8,2.4.4 光电二极管与光电三极管, 光电二极管,光电二极管的用法,若加正向电压,正接后与普通二极管一样,只有单向导电性,而表
3、现不出它的光电效应。,加反向电压,2DU环极接法,9,2.4.4 光电二极管与光电三极管, 光电二极管,加反向电压时的伏安特性曲线,与硅光电池的伏安特性曲线图比较, 为分析方便,将I,III象限对调, 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,2.4.4 光电二极管与光电三极管, 光电二极管,低偏压时:光电流变化非常敏感,这是由于反偏压增加使耗尽层加宽,结电场增强,所以对结区的光的吸收率及光生载流子的收集效率加大;,高偏压时:收集已达极限,光电流趋于饱和,曲线近似平直,且低照度部分比较均匀,可用作线性测量。,10,11,2.4.4 光电
4、二极管与光电三极管, 光电二极管,微变等效电路,具体应用时多用图d和图c形式。,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,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;,12,2.4.4 光电二极管与光电三极管, 光电三极管 (光电晶体管),包含3个掺杂程度不同的扩散区和两个结区,13,2.4.4 光电二极管与光电三极管, 光电三极管,基极电流IB很小,集电极电流IC由IB控制,为共发射极电流增益,光电三极管有两种基本结构,NPN结构与PNP结构。 用N型硅材料为衬底制作的 NPN结构,称为 3DU型; 用P型硅材料为衬底制作的称为PNP
5、结构,称为3CU型。,与光电池、二极管类似,DU型均为n为受光面,CU型均为p为受光面, 光电三极管 (光电晶体管),2.4.4 光电二极管与光电三极管,14,15,2.4.4 光电二极管与光电三极管, 光电三极管,光电晶体管和普通晶体管类似,也有电流放大作用。用大面积的集电结,用于接收光辐射,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。,一般将光电三极管的基极开路,集电结反偏,发射结正偏,16,2.4.4 光电二极管与光电三极管, 光电三极管,与一般晶体管不同,集电极电流由集电结上产生的光电流控制。,集电结起双重作用, 把光信号转换为电信号,起光电二极管的作用, 使光电流再放大,
6、起晶体管的作用,从原理上可看成有光电二极管与普通三极管的组合体,17,2.4.4 光电二极管与光电三极管, 光照特性,光电流与照度之间的关系,光电二极管线性好,适合于检测使用,光电三极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。,光电晶体管在弱光时呈现非线性,在强光下呈现饱和,线性特性不好,多用来作光电开关元件或光电逻辑元件,18,2.4.4 光电二极管与光电三极管, 伏安特性,光电流与外加偏压之间的关系,光电二极管光电流在微安量级,三极管光电流在毫安量级,光电二极管光电流随所加偏压变化小,光电三极管偏压对光电流的影响较大,工作电压较低时,光电三极管输出光电流非线性现象严重
7、,19,2.4.4 光电二极管与光电三极管, 温度特性,按电流及光电流与温度的关系,温度对光电流影响小,对暗电流的影响大,需采取横温或温度补偿措施,光电三极管由于对光电流有放大作用,受温度的影响大于光电二极管,2.4.4 光电二极管与光电三极管, 光谱响应,光电二极管与硅光电三极管具有相同的光谱响应。图所示为典型的硅光电三极管3DU3的光谱响应特性曲线,它的响应范围为0.4-1.0m,峰值波长为0.85m。,对于光电二极管,减薄PN结的厚度可以使短波段波长的光谱响应得到提高,因为PN结的厚度减薄后,短波段的光谱容易被减薄的PN结吸收(扩散长度减小)。因此,可以制造出具有不同光谱响应的光伏器件,
8、例如蓝敏器件和色敏器件等。蓝敏器件是在牺牲长波段光谱响应为代价获得的(减薄PN结厚度,减少了长波段光子的吸收)。,20,2.4.4 光电二极管与光电三极管, 频率特性,光电二极管的频率特性,1) 在PN结区外产生的光生载流子扩散到PN结区内所需要的时间,称为扩散时间记为p (ns量级);,2) 在PN结区内产生的光生载流子渡越结区的时间,称为漂移时间记为dr(1011量级);,3) 由PN结电容Cj和管芯电阻及负载电阻RL构成的RC延迟时间RC ( 负载电阻RL不大时为ns数量级 )。,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。扩展pn结区、增高反向偏置电压是提高频率响应
9、的措施。如:PIN APD,21,2.4.4 光电二极管与光电三极管, 频率特性,光电三极管的频率特性,1)光生载流子对发射结电容Cbe和集电结电容Cbc的充放电时间;,2)光生载流子渡越基区所需要的时间;,3)光生载流子被收集到集电极的时间;,总时间为上述四项和。比光电二极管的时间响应长。通常,硅光电二极管的时间常数一般在0.1s以内,PIN和雪崩光电二极管为ns数量级,硅光电三极管长达510s。,4)输出电路的等效负载电阻RL与等效电容Cce所构成的RC间。,22,23,2.4.5 特殊结型光电二极管, PIN光电二极管 (快速光电二极管),PIN管是光电二极管中的一种。是在P型半导体和N
10、型半导体之间夹着一层(相对)很厚的本征半导体。 最大的特点是频带宽,可达10GHz。,高阻、承担大部分压降,24,2.4.5 特殊结型光电二极管, PIN光电二极管 (快速光电二极管),灵敏度高:光照面积大,光吸收率高。,结电容小:P结与N结不直接相联,中间是不导电的本征半导体材料,极间距离大,结间电容小。,载流子运动速度大:结距大,能加高电压而不会击穿,结间电场大,载流子运动速度大,结间移动时间短。,几种PIN型光电二极管特性参数,2.4.5 特殊结型光电二极管, PIN光电二极管 (快速光电二极管),25,26,2.4.5 特殊结型光电二极管, 光电位置探测器件 (Position Sen
11、sitive Detector),对光点位置敏感的探测器件。具有连续分布光敏面,对光点几何重心位置进行探测,一维或二维结构。 空间分辨率达微米级。,27,2.4.5 特殊结型光电二极管, 光电位置探测器件,光 光电二极管 空穴由N向P移动 空穴1端I1 空穴2端I2,28,2.4.5 特殊结型光电二极管, 光电位置探测器件,29,2.4.5 特殊结型光电二极管, 光电位置探测器件,单端电流与光点距中心位置成线性关系,用两端输出电流的差值与两端总电流的比值作为PSD传感器的输出,Px与PSD上入射光点光强大小无关,与两端实际的检测电流的绝对值无关,30,2.4.5 特殊结型光电二极管, 光电位置
12、探测器件,31,2.4.5 特殊结型光电二极管, 光电位置探测器件,表面分流型:由同一面引出两对电极。暗电流小,线性差。,32,2.4.5 特殊结型光电二极管, 光电位置探测器件,两面分流型:暗电流大,线性好。两面各一组一维PSD电极,相互之间影响小,保持一维PSD的优点。,33,2.4.5 特殊结型光电二极管, 光电位置探测器件,改进表面分流型:弧形电极,改善电场分布,信号在对角线上引出,用非线性补偿,进行一定程度校正。,34,2.4.5 特殊结型光电二极管, 光电位置探测器件, 光谱特性:光谱宽,一般为300-1000nm,峰值波长为900nm。, 入射光强对位置探测影响小:PSD的输出原
13、理上与入射光强无关。光强大,有利于提高信噪比,因而位置测试精度高些。但光强太大会引起器件饱和。另外注意光源和PSD的光谱匹配。, 对光斑形状无严格要求,只与光能量重心有关, PSD检测,光点越接近边缘,位置检测误差越大,35,2.4.5 特殊结型光电二极管, 光电位置探测器件, 背景光影响,雪崩光电二极管:利用雪崩管在高的反向偏压下发生雪崩倍增效应而制成的光电探测器。提高光电二极管的灵敏度(具有内部增益102104)。这种管子响应速度特别快,带宽可达100GHz,足目前响应速度最快的一种光电二极管。,2.4.5 特殊结型光电二极管, 雪崩光电二极管,PIN光电二极管:提高了时间响应,未能提高器
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