硅光電二極管在光電檢測(cè)技術(shù)中的發(fā)展

1、硅光電二極管在光電檢測(cè)技術(shù)中的發(fā)展(讀書(shū)報(bào)告)班級(jí)：110111學(xué)號(hào)：110111111姓名：劉平貴2014年6月- 1 -一、前言 “光電二極管” 英文通常稱(chēng)為 Photo-Diode。而硅光電二極管是其按照材料類(lèi)別分類(lèi)的一種。首先先從光電二極管說(shuō)起，光電二極管和普通二極管一樣，也是由一個(gè)PN結(jié)組成的半導(dǎo)體器件，也具有單方向?qū)щ娞匦?。但是，在電路中不是用它作整流元件，而是通過(guò)它把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。同時(shí)，光電二極管是在反向電壓作用下工作的，沒(méi)有光照時(shí)，反向電流極其微弱，叫暗電流；有光照時(shí)，反向電流迅速增大到幾十微安，稱(chēng)為光電流。光的強(qiáng)度約大，反向電流也約大。光的變化引起光電二極管電流變化，這

2、就可以把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，成為光電傳感器件。其中PIN型硅光電二極管具有快速、廉價(jià)、兼顧、靈敏度高、量子效率高、體積小、重量輕、可靠性好、使用方便等特點(diǎn)。它不僅在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事、科研、天文地理中得到廣泛的應(yīng)用，而且在航天航空遙感中也有很好的使用，因此，硅光電二極管具有廣泛的發(fā)展前景。二、結(jié)構(gòu)工作原理（按結(jié)特性分析） 1、PN結(jié)型硅光電二極管硅光電二極管同光電池一樣，按基底材料不同可分為2DU型和2CU型。2CU系列以N-Si為襯底，2CU系列光電二極管只有兩個(gè)引出線；2DU系列以P-Si為襯底，而2DU系列光電二極管有三條引出線，除了前極、后極外，還設(shè)了一個(gè)環(huán)極。1)2DU管子,當(dāng)管子加反

3、偏壓時(shí)，從前極流出的暗電子流，除了有PN結(jié)的反向漏電子流外，還有通過(guò)表面感應(yīng)電子層產(chǎn)生的漏電子流，從而使從前極流出的暗電子流增大。為了減小暗電流，設(shè)置一個(gè)N+-Si的環(huán)把受光面（N-Si）包圍起來(lái)，并從N+-Si環(huán)上引出一條引線（環(huán)極），使它接到比前極電位更高的電位上，為表面漏電子流提供一條不經(jīng)過(guò)負(fù)載即可達(dá)到電源的通路;2)2CU管子，因?yàn)槭且訬-Si為襯底，雖然受光面的SiO2防反射膜中也含有少量的正離子，而它的靜電感應(yīng)不會(huì)使N-Si表面產(chǎn)生一個(gè)和P-Si導(dǎo)電類(lèi)型相同的導(dǎo)電層，從而也就不可能出現(xiàn)表面漏電流，所以不需要加環(huán)極。2、PIN結(jié)型硅光電二極管PIN型硅光電二極管是一種常用的耗盡層型光

4、電二極管，通過(guò)適當(dāng)?shù)倪x擇耗盡層的厚度，可獲得較高的靈敏度和叫好的頻率響應(yīng)特性，適用于快速探測(cè)的場(chǎng)合。PIN型光電二極管的工作原理和普通光電二極管一樣，其不同之處在于結(jié)構(gòu)上在P型和N型之間加入了一個(gè)本征半導(dǎo)體I型層。當(dāng)PN結(jié)受到光照射時(shí)，光子和半導(dǎo)體晶格原子相互作用，當(dāng)入射光子能量E=hv超過(guò)硅材料禁帶寬度E0=hv0，就在耗盡層區(qū)域中或離耗盡層區(qū)邊沿一個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，這種電子空穴對(duì)被外加電場(chǎng)拉開(kāi)，電子向N區(qū)漂流，空穴向P區(qū)飄移，當(dāng)載流子的移動(dòng)通過(guò)耗盡層時(shí)，在外電路形成光電流。這是PIN硅光電二極管的工作原理。同時(shí)，由于PIN硅光電二極管能選擇耗盡層的厚度，是靈敏度和響應(yīng)速度組佳化，

5、故它是比PN硅光電二極管更為優(yōu)越的探測(cè)器。三、硅光電二極管器件性能參數(shù)1、電學(xué)特性（1）暗電流：- 2 -在光電導(dǎo)模式下，當(dāng)不接受光照時(shí)，通過(guò)光電二極管的電流被定義為暗電流。暗電流包括了輻射電流以及半導(dǎo)體結(jié)的飽和電流。暗電流必須預(yù)先測(cè)量，特別是當(dāng)光電二極管被用作精密的光功率測(cè)量時(shí)，暗電流產(chǎn)生的誤差必須認(rèn)真考慮并加以校正。（2）電容：硅光電二極管的電容包括結(jié)電容、管殼電容、引線電容、金屬化電容等。2、光學(xué)特性（1）響應(yīng)率：硅光電二極管的響應(yīng)特性與突發(fā)光照波長(zhǎng)的關(guān)系響應(yīng)率（responsivity）定義為光電導(dǎo)模式下產(chǎn)生的光電流與突發(fā)光照的比例，單位為安培/瓦特（A/W）。響應(yīng)特性也可以表達(dá)為量子

6、效率（Quantum efficiency），即光照產(chǎn)生的載流子數(shù)量與突發(fā)光照光子數(shù)的比例。（2）光譜噪聲IN和探測(cè)率DA：光電二極管的噪聲來(lái)自散粒噪聲與熱噪聲.弱光照射時(shí)，散粒噪聲小于熱噪聲 ，強(qiáng)光照射時(shí)，散粒噪聲大于熱噪聲。PIN硅光電二極管的噪聲主要是由暗電流決定的。它的大小直接反映器件對(duì)微弱信號(hào)的探測(cè)能力，其主要表現(xiàn)為散粒噪聲的性質(zhì)。（3）響應(yīng)速率：響應(yīng)特性標(biāo)志著光電二極管對(duì)快速突變光信號(hào)的傳輸響應(yīng)。影響響應(yīng)速度的是，光生載流子的擴(kuò)散時(shí)間。若對(duì)PIN型硅光電二極管以耗盡層為主要工作區(qū)，擴(kuò)散時(shí)間可忽略。（4）均勻性和穩(wěn)定度：采用小光點(diǎn)測(cè)量，PIN硅光電二極管器件表面的靈敏度的不均勻性為m

7、ax=2.1%。3、可靠性和穩(wěn)定性：所謂器件的可靠性是指器件在規(guī)定的條件下，在一定時(shí)間內(nèi)能正常工作的概率。而穩(wěn)定性是指器件在各種環(huán)境條件下儲(chǔ)存或工作以后各技術(shù)參數(shù)的變化。硅光電器件的可靠性和穩(wěn)定性，直接與器件的材料、結(jié)構(gòu)、使用目的，以及使用電路的電學(xué)、熱學(xué)條件、溫度、濕度、壓力、放射性輻射、振動(dòng)、沖擊、腐蝕等密切相關(guān)。四、硅光電二極管在光電檢測(cè)電路中的分析及應(yīng)用1、硅光電二極管的基本結(jié)構(gòu)及等效電路Rs 是串聯(lián)電阻，由接觸電阻、未耗盡層材料的體電阻所組成, Cd 是結(jié)電容, Rs 、Cd 的大小同管子尺寸、結(jié)構(gòu)和偏壓有關(guān), 偏壓越大, Rs 、Cd 越小, Rd 是硅光電二極管的并聯(lián)電阻, 由硅

8、光電二極管耗盡層電阻和漏電阻所構(gòu)成.它也是隨溫度的變化而變化的, 與管子尺寸有關(guān).結(jié)面積越小, Rd 越大.溫度越高, Rd 越小。D為PN 結(jié)等效二極管, RL 為負(fù)載電阻, CL 為負(fù)載電容。- 3 -2、硅光電二極管的線性響應(yīng)與負(fù)載電阻的關(guān)系在光電檢測(cè)電路中當(dāng)檢測(cè)信號(hào)是緩變信號(hào)時(shí), 電容Cd 、CL 的影響忽略不計(jì), 此時(shí), 由圖硅光電二極管的等效電路可知, 通過(guò)等效二極管D 的電流為：式中I0是光電二極管的反向飽和電流, q 是電子電量, k 是波爾茲曼常數(shù), Ud是加在硅光電二極管上的電壓, 常數(shù)A 對(duì)于硅材料而言 3 , A 2 , VT =kT/2 , 流過(guò)負(fù)載上的電流IL 為：

9、由上式可知, 硅光電二極管接受激光輻射時(shí), 輸出的負(fù)載電流并非線性關(guān)系, 而是指數(shù)關(guān)系.在輸出短路的情況下, 由于Rs RL , 則上式變?yōu)槿绻O管的向飽和電流很小, 而輸出電流不大, 即保持IsRL AVT , 可得到IL Ip , 即輸出電流近似等于光電流, 也就是線性好.因此, 硅光電二極管進(jìn)行激光測(cè)量時(shí)要選取Rf 大、Rs 小、I0 小的二極管, 并在輸出短路狀態(tài)下工作.下面推導(dǎo)硅光電二極管的線性公式:設(shè)硅光電二極管的線性偏差為P =(Ip -IL)/ IL ，得：由式可以定性看出Rs 越小,Rd 越大, I0 越小時(shí), 線性P 值越小, 即線性好.在負(fù)載短路狀態(tài)下, RL =0 ,

10、一般RS Rd , 故式可簡(jiǎn)化為由式可見(jiàn):只要I0 和Rs 值很小, 則線性偏差值很小, 即線性好.對(duì)于2CUGS 型硅光電二極管,其暗電流I0 =2 .1nA , 串聯(lián)電阻Rs =10, 常數(shù)A =2 在常溫下計(jì)算得1/AVT 20(1/ V).帶入(7)式可得不同輸出短路電流情況下的IL P曲線.如圖所示.由圖可見(jiàn)其線性很好, 但輸出電流IL 1mA時(shí),P值增加很快, 硅光二極管的線性變差.當(dāng)RL 0時(shí), 又考慮(RL +Rs) Rd 的情況下,式化簡(jiǎn)為下式：（圖為2CUGS型硅光電二極管短路狀態(tài)下線性偏差I(lǐng)L-P曲線）綜上式可得, 在IL不為零時(shí), 隨著RL的增大P值增大,線性變壞.若取

11、R =100歐,- 4 -1千歐時(shí), 則在其它條件不變的情況下所得的IL P 曲線如圖所示：（不同RL值是2CUGS型硅光電二極管線性偏差I(lǐng)L-P）3、硅光電二極管應(yīng)用：（1）在光電陰極與硅光電二極管的結(jié)合中的應(yīng)用荷蘭D E P 公司最近推出一種混成光電倍增管, 這是一種全新的概念。這種光電倍增管由一個(gè)傳統(tǒng)的光電陰極和一個(gè)硅光電二極管構(gòu)成, 兩者都裝在同一個(gè)管子內(nèi)。光電陰極把光子轉(zhuǎn)換成電子, 電子得到加速后聚焦在硅光電二極管上。這種光電倍增管的增益與加速電壓成正比, 其主要特點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間短(2 ns)、增益高( 3103 )、線性度好(104)；（2）二極管陣列檢測(cè)器（diode-array

12、detector, DAD）是以光電二極管陣列（或CCD陣列，硅靶攝像管等）作為檢測(cè)元件的。它可構(gòu)成多通道并行工作，同時(shí)檢測(cè)由光柵分光，再入射到陣列式接受器上的全部波長(zhǎng)的信號(hào)，然后，對(duì)二極管陣列快速掃描采集數(shù)據(jù)，得到的是時(shí)間、光強(qiáng)度和波長(zhǎng)的三維譜圖。（3）硅光電二極管在光纖探測(cè)器中的應(yīng)用；（4）硅光電二極管在CCD中的應(yīng)用等。五、硅光電二極管在光電檢測(cè)方面的發(fā)展1、國(guó)內(nèi)發(fā)展：硅光電二極管的新發(fā)展在各種波長(zhǎng)(藍(lán)、近紫外)激光器迅速發(fā)展情況下,探測(cè)這些波長(zhǎng)的激光硅光電二極管有了新的發(fā)展。藍(lán)、近紫外激光的新應(yīng)用是,用可調(diào)染料激光器進(jìn)行吸收研究,對(duì)于有機(jī)分子鍵的分解和激光多普勒測(cè)速。2、國(guó)外發(fā)展：新產(chǎn)

13、品性能新型的硅光電二極管是通過(guò)平面擴(kuò)散、氧鈍化制備的,響應(yīng)率改進(jìn)了2057。美國(guó)聯(lián)合探測(cè)器技術(shù)公司目前已進(jìn)入試生產(chǎn)。六、自身通過(guò)學(xué)習(xí)對(duì)硅光電二極管技術(shù)的認(rèn)知通過(guò)這一學(xué)期對(duì)光電技術(shù)的學(xué)習(xí)加之自身對(duì)光電檢測(cè)知識(shí)的了解，我深切認(rèn)識(shí)到伴隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)以及復(fù)雜自動(dòng)控制系統(tǒng)和信息處理與技術(shù)的提高，光電檢測(cè)技術(shù)作為一門(mén)研究光與物質(zhì)相互作用發(fā)展起來(lái)的新興學(xué)科，已成為現(xiàn)代信息科學(xué)的一個(gè)極為重要的組成部分。光電檢測(cè)作為光電信息技術(shù)的主要技術(shù)之一，它是以激光、紅外、光纖等現(xiàn)代光電子器件作為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)被檢測(cè)物體的光輻射，經(jīng)光電檢測(cè)器接受光輻射并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，由輸入電路、放大濾波等檢測(cè)電路提取有用信息，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換等接口輸入計(jì)算機(jī)運(yùn)算處理，最后顯示輸出所需要的檢測(cè)物理量等參數(shù)。- 5 -而光電二極管便是光電檢測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，它是檢測(cè)系統(tǒng)中進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的重要元件，同時(shí)，硅光電二極管的發(fā)展也給光電檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了新的方向。當(dāng)然，于此同時(shí)，硅光電二極管技術(shù)在光電檢測(cè)中的發(fā)展也為我國(guó)工農(nóng)業(yè)、航天、軍事、醫(yī)療等各方面提供了有利的技術(shù)保障與支持。七、參考文獻(xiàn)1 蘇俊宏 等，光電技術(shù)基礎(chǔ)J.國(guó)防工業(yè)出版社2011，ISBN978-7-118-07635-6.2 安毓英、曾曉東，光電探測(cè)原理.西