第 3 章半导体光电检测器件及应用

第3章半导体光电检测器件及应用

光敏电阻的符号 照射光度量改变光敏电阻阻值变化 Ip 变化 3.1 光敏电阻光敏电阻：电导率随入射光辐射量变化而变化的器件。 3.1.1 光敏电阻的基本原理光敏电阻的原理图与光敏电阻的符号：

外加电场 Ec Ec ΔEd Ed Eg Ev Ev 杂质型光敏电阻本征型光敏电阻可见光波段的检测红外、远红外光波段的检测光敏电阻分类：本征型光敏电阻、杂质型光敏电阻

无光照，暗电导率 光照下电导率载流子浓度光电导率假定在光辐射下，每单位时间产生N对电子-空穴，寿命分别为，则：

当光照稳定时，光生载流子的浓度为 载流子寿命载流子产生率无光照时，光敏电阻的暗电流为光照时，光敏电阻的光电流为光敏电阻结构的设计原则：较小的两电极间距L，并保证足够的受光面积

光敏电阻结构示意图： 玻璃窗口金属外壳 1 2 3 黑色绝缘玻璃电阻引线

光敏电阻的特点： ①光谱响应范围宽紫外光区～远红外区 ②偏置电压低，工作电流大 ③动态范围宽，既可测弱光，也可测强光 ④光电导增益大，灵敏度高 ⑤无极性之分，使用方便 ⑥体积小、重量轻、性能稳定、坚固耐用价格便宜，因此应用比较广泛应用于：照相机、光度计、光电自动控制、辐射测量、物体搜索与跟踪、红外成像、红外通信等缺点：强光照射下线性度较差，光电驰豫过程较长，频率特性较差

光电导： 光电流： 3.1.2 光敏电阻特性参数 1.光电特性 ①光电流光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1MΩ，甚至高达100MΩ，而亮电阻则在几kΩ以下，暗电阻与亮电阻之比在102～106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。

②光照特性 CdS光敏电阻的光电流与照度的关系：光敏电阻的阻值R与入射照度EV的关系曲线

U ：电阻两端电压 ：电压指数，欧姆接触时为1 E ：照度：光照指数强光照射：弱光照射： R1与R2分别是照度为E1和E2时光敏电阻的阻值光敏电阻的光电流与照度的关系：

2.伏安特性 光敏电阻的本质是电阻，符合欧姆定律。因此，它具有与普通电阻相似的伏安特性，但是它的电阻值是随入射光度量而变化的。在不同光照下加在光敏电阻两端的电压U与流过它的电流Ip的关系曲线——光敏电阻的伏安特性：

PbS CdS TaS Se 103 104 101 102 f/HZ 3.频率特性当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。不同材料的光敏电阻时延特性不同，所以频率特性也不同: 对输入光照度、工作温度的依赖

I/mA 100 +20 ºC 80 -20 ºC 60 40 20 0 1.0 2.0 4.0 3.0 λ/μm 4.温度特性典型CdS与CdSe光敏电阻在不同照度下的温度特性曲线 PbS光敏电阻的光谱稳定特性

当用一个理想方波脉冲辐射照射光敏电阻时，光生电子要有产生的过程，光生电导率Δσ要经过一定的时间才能达到稳定。当停止辐射时，复合光生载流子也需要时间，表现出光敏电阻具有较大的惯性。 5.时间响应光敏电阻的时间响应（又称为惯性）比其他光电器件要差（惯性要大）些，频率响应要低些，而且具有特殊性。

光敏电阻的光谱响应主要由光敏材料禁带宽度、杂质电离能、材料掺杂比与掺杂浓度等因素有关。光敏电阻的光谱响应主要由光敏材料禁带宽度、杂质电离能、材料掺杂比与掺杂浓度等因素有关。 6.光谱响应不同波长的光，光敏电阻的灵敏度是不同的。

典型光敏电阻： 1、CdS光敏电阻 CdS光敏电阻是最常见的光敏电阻，它的光谱响应特性最接近人眼光谱光视效率，它在可见光波段范围内的灵敏度最高，因此，被广泛地应用于灯光的自动控制，照相机的自动测光等。 CdS光敏电阻的峰值响应波长为0.52μm，CdSe光敏电阻为0.72μm，一般调整S和Se的比例，可使Cd（S，Se）光敏电阻的峰值响应波长大致控制在0.52~0.72μm范围内。 CdS光敏电阻的光敏面常为蛇形光敏面结构。

PbS I/mA 100 +20 ºC 80 -20 ºC 60 40 20 1.0 4.0 0 2.0 3.0 λ/μm 2、PbS光敏电阻 PbS光敏电阻是近红外波段最灵敏的光电导器件。 PbS光敏电阻在2μm附近的红外辐射的探测灵敏度很高，因此，常用于火灾的探测等领域。 PbS光敏电阻的光谱响应等特性与工作温度有关，随着工作温度的降低其峰值响应波长将向长波方向延伸。

3、InSb光敏电阻 InSb光敏电阻是3~5μm光谱范围内的主要探测器件之一。 InSb材料不仅适用于制造单元探测器件，也适宜制造阵列红外探测器件。 InSb光敏电阻在室温下的长波长可达7.5μm，峰值波长在6μm附近。当温度降低到77K（液氮）时，其长波长由7.5μm缩短到5.5μm，峰值波长也将移至5μm，恰为大气的窗口范围。

R 灯 VD CdS C ～220V K 常闭灯亮光敏电阻阻值高继电器电流小，关闭自然光暗自然光照度达到阈值Eth 光敏电阻阻值减小继电器动作灯灭 3.1.3 光敏电阻的应用 1. 照明灯的光电控制电路由光敏电阻作光电敏感器件的照明灯光电自动控制电路构成部分：半波整流滤波电路测光与控制的电路执行电路

光控大门装置

报晓装置

R6 3.9kΩ R4 3.9MΩ C1 68nF +12V R1 2kΩ R2 220kΩ V3 中心站放大器 C2 68μF V1 V2 R9 150kΩ C4 4.7nF VDW=6V R3 PbS R5 820kΩ R7 1kΩ ＋ C3 100μF R8 32kΩ 2. 火焰检测报警器采用光敏电阻为探测元件的火焰探测报警器电路 PbS光敏电阻峰值响应波长为2.2μm——火焰的峰值辐射光谱。

光束阻断报警电路 光敏电阻R4被照射时，阻值较小，三极管VT1及单向二极管SCR均截止；当光束被阻断时，VT1的基极电压上升，VT1、SCR导通，蜂鸣器BZ通电发声报警。S1为复位开关，按下S1后，电路停止报警。

Rbb RP2 10kΩ VD R1 5.1kΩ R2 330kΩ M Uth R CdS + A UR V － K C1 1μF RP1 10kΩ 3. 照相机电子快门照相机自动曝光控制电路组成部分：充电电路：光敏电阻R、开关K和电容C 驱动放大电路：电压比较器，三极管V 执行电路：电磁铁M带动的开门叶片

3.2 光生伏特器件

光电池 光电二极管光电三极管光生伏特器件发光器件光电耦合器件光电位置敏感器件光生伏特器件：利用光生伏特效应制造的光电敏感器件。也称结型光电器件

硒光电池： 硅光电池：光电池（无机）砷化镓光电池：锗光电池 3.2.1 光电池光电池：利用光生伏特效应把光能直接转变成电能的器件，又称为太阳能电池。光电转换效率低(0.02％)、寿命短，适于接收可见光，适宜制造照度计。价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。应用最广、最有发展前途转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性与太阳光谱最吻合。工作温度最高，耐受宇宙射线的辐射

输出电极外形 结构示意图工作原理图光电池符号 1. 光电池的基本结构和工作原理

I 无光照 O VOC V 有光照 ISC 2. 光电池的特性参数 (1)伏安特性：输出电流和输出电压随负载电阻变化的曲线以硅光电池为例，有光照和无光照时的伏安特性曲线：无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导体二极管相同。有光照时，沿电流轴方向平移，平移幅度与光照度成正比。 ★曲线与电压轴交点称为开路电压VOC，与电流轴交点称为短路电流ISC。

I O VOC V ISC 开路电压VOC——光电池的外回路断开时或电流为零时，器件上施加电压的大小。数值最大的光生电动势短路电流ISC——光电池上施加电压为零时电池外回路上的电流。最大数值的光生电流

I Rd 输出电压等效二极管反向饱和电流 Id IL 光电池等效电路 VD RL 等效电阻Rd很小，可忽略：光电流：IL＝SIL L——入射光照度（lx) SI——光电灵敏度（mA/lx)

当V=0 ，得到短路电流: 当I=0，得到开路电压:

Voc/V Isc/mA 103 开路电压 5 0.5 102 10Ω 4 0.4 102Ω 101 3 0.3 J/μA·mm-2 103Ω 2 0.2 100 短路电流 1 0.1 10-1 0 4 2 6 8 10 10-2 L/klx 104 102 103 100 101 E/lx 硅光电池VOC、ISC随入射光照度变化特性光电池在不同负载电阻下的光电特性开路电压输出：非线性，灵敏度高开关测量短路电流输出：线性好，灵敏度低线性检测 VOC、ISC随入射光照度变化特性:

Voc /mV ISC/mA 120 600 Voc 100 500 400 80 300 60 ISC 40 200 100 20 0 100 200 300 A/(mm2) 受光面积的影响 VOC、ISC随受光面积变化特性

VOC/V ISC/mA UL 400 100 PL 80 200 IL 40 0 RM 200 400 RL/Ω (2)光电池的负载特性（输出特性）设负载为RL，流过电流为IL，电压降为UL，则负载上电功率： PL＝ULIL 当RL=0（短路）时，UL=0， IL=ISC，PL=0；当RL=∞（开路）时， UL=VOC， IL=0，PL=0； 0＜RL＜∞时，PL＞0。当RL=RM时，最大输出功率PL=Pmax RM——最佳负载

填充因子：光电池能提供的最大功率与ISCVOC之比，它说明了该光电池能够对外提供的最大输出功率的能力。填充因子：光电池能提供的最大功率与ISCVOC之比，它说明了该光电池能够对外提供的最大输出功率的能力。光电转换效率：光电池的输出功率与入射光功率之比定义为光电池的光电转换效率（或量子效率），记为η

VOC/ mV 600 ISC/ mA VOC 50 40 400 ISC 30 20 200 10 120 0 40 80 t / ºC 光电池的温度特性 (3) 温度特性光电池的温度特性是指开路电压VOC和短路电流ISC随温度变化的关系。 T↗： VOC ↘，ISC↗ 光电池的光谱响应向长波方向移动用于探测器件时，测量仪器应考虑温度的漂移而进行补偿。

(4) 频率特性 光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频率变化的关系。由于光电池PN结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。

单晶硅太阳能电池：实验室最高转换效率为23%,工业规单晶硅太阳能电池：实验室最高转换效率为23%,工业规模生产转换效率为15% 多晶硅太阳能电池：价格低廉,但是它存在着较多的晶粒间界。实验室最高转换效率为18%, 工业规模生产转换效率为10%。非晶硅太阳能电池：可见光吸收系数大、沉积温度低、成本低廉、能够实现大面积沉积，但稳定性较差。 3. 光电池的应用 ①光电探测器件特点：光敏面积大，频率响应高，光电流随光照度线性变化光电读数、光电开关、光栅测量…… ②将太阳能转化为电能硅光电池：实际应用中，经串联、并联组成电池组

有机光电池 2000 Nobel Laureate in Chemistry “for the discovery of conductive polymers” Konarka公司制造的柔性太阳电池

2007年7月，Heeger研究小组又在《SCIENCE》上报道了以PCPDTBT/PCBM体系和P3HT/PC70BM体系制备得到的串联聚合物固体薄膜太阳电池的能量转换效率超过了6 % Kim, J. Y.; Lee, K.; Coates, N. E.; Moses, D.; Nguyen, T. Q.; Dante, M.; Heeger, A. J., Efficient tandem polymer solar cells fabricated by all-solution processing. Science 2007, 317, (5835), 222-225.

3.2.2 光电二极管与光电三极管 1.光电二极管光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。不同的是： ①光电二极管电阻率（1000Ω/cm）比光电池电阻（0.1～ 0.01Ω/cm）高； ②光电池在零偏置下工作，光电二极管在反向偏置下工作； ③光电二极管结面积小，因此频率特性特别好； ④光电二极管光生电势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为几μA到几十μA。分类：按材料分，有硅、锗、砷化镓、锑化铟光电二极管等。按结构分，有PN结、PIN结、异质结、肖特基势垒之分。

2DU型光电二极管的原理结构图 小箭头：正向电流的方向前极为光照面，后极为背光面光电二极管的电路符号 (1)光电二极管的基本结构和工作原理 ①基本结构光电二极管可分为以P型硅为衬底的2DU型与以N型硅为衬底的2CU型两种结构形式。

光电二极管的工作原理图 ②工作原理无光照，反向偏压：内建电场被加强，PN结空间电荷区变宽，势垒增大，只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流——暗电流有光照时：PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下， P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区， N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，这就形成了光电流。

40 30 IL/uA 2CUA 2CU2A 20 2CU5 10 0 400 600 800 1000 200 E/lx 光电二极管的光电流 IL 与照度之间呈线性关系，适合检测等方面的应用。

重新定义：电流与电压均以 PN结内建电场的方向为正向光电二极管伏安特性 (2)光电二极管的伏安特性与电流方程 ①伏安特性较高反偏压： ▲增加了耗尽层的宽度和加强内建电场，电子-空穴在耗尽层复合机会少，提高光敏二极管的灵敏度； ▲增加了耗尽层的宽度，结电容减小，提高器件的频率响应特性 ▲光生载流子的收集接近极限，光电流饱和，可视为恒流源； ▲但是不能无限地加大反向偏压，以免引起击穿。

②光电二极管的电流方程 在无辐射作用的情况下（暗室中），PN结硅光电二极管的正、反向特性与普通PN结二极管的特性一样，其电流方程为：当光辐射作用到光电二极管上时，光电二极管的全电流方程为式中η为光电材料的光电转换效率，α为材料对光的吸收系数。

第 3 章 半导体光电检测器件 及应用