光电子技术学课件之十三 第四章光辐射的探测技术 3 4常用光电探测器简介 2 制作者 赣南师范学院物理与电子信息学院 王形华2006 10 一 pn结光伏探测器的工作模式 pn结具有光伏效应 利用pn结的光伏效应制作的光电探测器称为光伏探测器 在光照射下 在pn结区产生光生电子 空穴对 在内电场的作用下 电子向n区 空穴向p区作漂流运动 被内电场分离的电子和空穴就在外电路中形成电流 二 硅光电池 太阳电池 零偏压pn结光伏探测器 光伏工作模式 光电池硅光电池的用途 光电探测器件 电源 1 短路电流和开路电压 短路电流 RL 0 开路电压 RL 单片硅光电池的开路电压约为0 45 0 6V 短路电流密度约为150 300A m2 光电池等效电路 测量方法 在一定光功率 例如1kW m2 照射下 使光电池两端开路 用一高内阻直流毫伏表或电位差计接在光电池两端 测量出开路电压 在同样条件下 将光电池两端用一低内阻 小于1 电流表短接 电流表的示值即为短路电流 2 光谱 频率响应及温度特性 光电池的频率特性不太好 原因有二 一是光电池的光敏面一般做的很大 导致结电容较大 二是光电池的内阻较低 而且会随输入光功率的大小变化 在强光照射或聚光照射情况下 必须考虑光电池的工作温度及散热措施 通常Si光电池使用的温度不允许超过125 三 光电二极管 反偏电压pn结光伏探测器 光导工作模式 光电二极管 常见的光电二极管有 Si光电二极管 PIN光电二极管 雪崩光电二极管 APD 肖特基势垒光电二极管等 1 Si光电二极管 1 结构原理Si光电二极管有两种 采用N型单晶硅和扩散工艺获得p n结构硅光电二极管 2CU 采用P型单晶硅和磷扩散工艺获得n p结构硅光电二极管 2DU 一律采用反偏 p n结构硅光电二极管 2CU n p结构硅光电二极管 2DU 光敏区外侧有保护环 n 环区 其目的是表面层漏电流 使暗电流明显减少 其有三根引出线 n侧的电极称为前极 n侧的电极称为后极 环极接电源偏置正极 也可断开 空着 2 光谱响应特性和光电灵敏度 3 伏安特性 V R V为直流负载线 4 频率响应特性 频率特性好 适宜于快速变化的光信号探测 光电二极管的频率特性响应主要由三个因素决定 a 光生载流子在耗尽层附近的扩散时间 b 光生载流子在耗尽层内的漂移时间 c 与负载电阻RL并联的结电容Ci所决定的电路时间常数 2 PIN硅光电二极管 要改善硅光电二极管的频率特性 由前面分析可知 应设法减小载流子的扩散时间和结电容 PIN硅光电二极管就是在P区和N区之间加上一本征层 I层 光电二极管 本征层的电阻率很高 反偏电场主要集中在这一区域 高电阻使暗电流明显减少 在这里产生的光生电子 空穴对将立即被电场分离 并作快速漂移运动 本征层的引入 明显增大了p 区的耗尽层的厚度 这有利于缩短载流子的扩散过程 耗尽层的加宽 也可以明显减少结电容Cj 从尔使电路常数减小 同时耗尽加宽还有利于对长波区的吸收 性能良好的PIN光电二极管 扩散和漂移时间一般在10 10s数量级 频率响应在钱兆赫兹 实际应用中决定光电二极管的频率响应的主要因素是电路的时间常数 合理选择负载电阻是一个很重要的问题 PIN光电二极管在光通信 光雷达和快速光电自动控制领域有着广泛的应用 3 雪崩光电二极管 APD 基于载流子雪崩效应 从而提供电流内增益的光电二极管称为雪崩二极管 常见的雪崩光电二极管有 Ge ADP和Si ADP两种光电二极管 Ge ADP的管芯是采用p n结构 在N型Ge单晶体衬底上扩散Zn作成保护环 注入B 离子形成p 层 Si ADP的管芯是采用n p p 结构 在晶向的 p 外延片作衬底 通过注入B 离子形成p层 而后浅扩散构成n 层 工作原理 进入耗尽区的光生电子被雪崩电场加速 获得很高的能量 在A处与晶格上的原子发生冲击碰撞使原子电离 产生新的电子 空穴对 新的空穴又被雪崩电场反向加速 获得更高的动能 在途中E处再次与晶格上的原子发生冲击碰撞使原子电离 产生又一个新的电子 空穴对 上述过程反复进行 使pn结的电流急剧增大 形成雪崩效应 雪崩光电二极管在光通信 激光测距和光纤传感技术中有广泛的应用 雪崩光电二极管具有内增益 可以降低对前置放大器的要求 4 光电三极管 四 光热探测器 1 热敏电阻 热敏电阻 由Mn Ni Co Cu氧化物 或Ge Si InSb等半导体材料做成的电阻器 其阻值随温度而变化 电阻随温度变化的规律 称为热敏电阻的温度系数 称为正温度系数 称为负温度系数 2 热释电探测器 利用热释电效应制成的探测器称为热释电探测器 常用热释电材料 硫酸三月甘肽 TGS 铌酸锶钡 SBN 钽酸锂 LT 钛酸铅陶瓷 PT 钛酸锆酸铅陶瓷 PZT 等 SBN在大气中性能稳定 热电系数大 响应速度快 1ns 在光通信 雷达技术中有使用前途