1、硅光電二極管在光電檢測技術中的發展(讀書報告)班級：110111學號：110111111姓名：劉平貴2014年6月- 1 -一、前言 “光電二極管” 英文通常稱為 Photo-Diode。而硅光電二極管是其按照材料類別分類的一種。首先先從光電二極管說起，光電二極管和普通二極管一樣，也是由一個PN結組成的半導體器件，也具有單方向導電特性。但是，在電路中不是用它作整流元件，而是通過它把光信號轉換成電信號。同時，光電二極管是在反向電壓作用下工作的，沒有光照時，反向電流極其微弱，叫暗電流；有光照時，反向電流迅速增大到幾十微安，稱為光電流。光的強度約大，反向電流也約大。光的變化引起光電二極管電流變化，這

2、就可以把光信號轉換成電信號，成為光電傳感器件。其中PIN型硅光電二極管具有快速、廉價、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。它不僅在工農業生產、軍事、科研、天文地理中得到廣泛的應用，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展前景。二、結構工作原理（按結特性分析） 1、PN結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，還設了一個環極。1)2DU管子,當管子加反

3、偏壓時，從前極流出的暗電子流，除了有PN結的反向漏電子流外，還有通過表面感應電子層產生的漏電子流，從而使從前極流出的暗電子流增大。為了減小暗電流，設置一個N+-Si的環把受光面（N-Si）包圍起來，并從N+-Si環上引出一條引線（環極），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過負載即可達到電源的通路;2)2CU管子，因為是以N-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，而它的靜電感應不會使N-Si表面產生一個和P-Si導電類型相同的導電層，從而也就不可能出現表面漏電流，所以不需要加環極。2、PIN結型硅光電二極管PIN型硅光電二極管是一種常用的耗盡層型光

4、電二極管，通過適當的選擇耗盡層的厚度，可獲得較高的靈敏度和叫好的頻率響應特性，適用于快速探測的場合。PIN型光電二極管的工作原理和普通光電二極管一樣，其不同之處在于結構上在P型和N型之間加入了一個本征半導體I型層。當PN結受到光照射時，光子和半導體晶格原子相互作用，當入射光子能量E=hv超過硅材料禁帶寬度E0=hv0，就在耗盡層區域中或離耗盡層區邊沿一個擴散長度內產生電子空穴對，這種電子空穴對被外加電場拉開，電子向N區漂流，空穴向P區飄移，當載流子的移動通過耗盡層時，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，由于PIN硅光電二極管能選擇耗盡層的厚度，是靈敏度和響應速度組佳化，

5、故它是比PN硅光電二極管更為優越的探測器。三、硅光電二極管器件性能參數1、電學特性（1）暗電流：- 2 -在光電導模式下，當不接受光照時，通過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體結的飽和電流。暗電流必須預先測量，特別是當光電二極管被用作精密的光功率測量時，暗電流產生的誤差必須認真考慮并加以校正。（2）電容：硅光電二極管的電容包括結電容、管殼電容、引線電容、金屬化電容等。2、光學特性（1）響應率：硅光電二極管的響應特性與突發光照波長的關系響應率（responsivity）定義為光電導模式下產生的光電流與突發光照的比例，單位為安培/瓦特（A/W）。響應特性也可以表達為量子

6、效率（Quantum efficiency），即光照產生的載流子數量與突發光照光子數的比例。（2）光譜噪聲IN和探測率DA：光電二極管的噪聲來自散粒噪聲與熱噪聲.弱光照射時，散粒噪聲小于熱噪聲 ，強光照射時，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微弱信號的探測能力，其主要表現為散粒噪聲的性質。（3）響應速率：響應特性標志著光電二極管對快速突變光信號的傳輸響應。影響響應速度的是，光生載流子的擴散時間。若對PIN型硅光電二極管以耗盡層為主要工作區，擴散時間可忽略。（4）均勻性和穩定度：采用小光點測量，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、可靠性和穩定性：所謂器件的可靠性是指器件在規定的條件下，在一定時間內能正常工作的概率。而穩定性是指器件在各種環境條件下儲存或工作以后各技術參數的變化。硅光電器件的可靠性和穩定性，直接與器件的材料、結構、使用目的，以及使用電路的電學、熱學條件、溫度、濕度、壓力、放射性輻射、振動、沖擊、腐蝕等密切相關。四、硅光電二極管在光電檢測電路中的分析及應用1、硅光電二極管的基本結構及等效電路Rs 是串聯電阻，由接觸電阻、未耗盡層材料的體電阻所組成, Cd 是結電容, Rs 、Cd 的大小同管子尺寸、結構和偏壓有關, 偏壓越大, Rs 、Cd 越小, Rd 是硅光電二極管的并聯電阻, 由硅

8、光電二極管耗盡層電阻和漏電阻所構成.它也是隨溫度的變化而變化的, 與管子尺寸有關.結面積越小, Rd 越大.溫度越高, Rd 越小。D為PN 結等效二極管, RL 為負載電阻, CL 為負載電容。- 3 -2、硅光電二極管的線性響應與負載電阻的關系在光電檢測電路中當檢測信號是緩變信號時, 電容Cd 、CL 的影響忽略不計, 此時, 由圖硅光電二極管的等效電路可知, 通過等效二極管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, Ud是加在硅光電二極管上的電壓, 常數A 對于硅材料而言 3 , A 2 , VT =kT/2 , 流過負載上的電流IL 為：

9、由上式可知, 硅光電二極管接受激光輻射時, 輸出的負載電流并非線性關系, 而是指數關系.在輸出短路的情況下, 由于Rs RL , 則上式變為如果二極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, 硅光電二極管進行激光測量時要選取Rf 大、Rs 小、I0 小的二極管, 并在輸出短路狀態下工作.下面推導硅光電二極管的線性公式:設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, 線性P 值越小, 即線性好.在負載短路狀態下, RL =0 ,

10、一般RS Rd , 故式可簡化為由式可見:只要I0 和Rs 值很小, 則線性偏差值很小, 即線性好.對于2CUGS 型硅光電二極管,其暗電流I0 =2 .1nA , 串聯電阻Rs =10, 常數A =2 在常溫下計算得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.由圖可見其線性很好, 但輸出電流IL 1mA時,P值增加很快, 硅光二極管的線性變差.當RL 0時, 又考慮(RL +Rs) Rd 的情況下,式化簡為下式：（圖為2CUGS型硅光電二極管短路狀態下線性偏差IL-P曲線）綜上式可得, 在IL不為零時, 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, 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IL-P）3、硅光電二極管應用：（1）在光電陰極與硅光電二極管的結合中的應用荷蘭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傳統的光電陰極和一個硅光電二極管構成, 兩者都裝在同一個管子內。光電陰極把光子轉換成電子, 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, 其主要特點是響應時間短(2 ns)、增益高( 3103 )、線性度好(104)；（2）二極管陣列檢測器（diode-array

12、detector, DAD）是以光電二極管陣列（或CCD陣列，硅靶攝像管等）作為檢測元件的。它可構成多通道并行工作，同時檢測由光柵分光，再入射到陣列式接受器上的全部波長的信號，然后，對二極管陣列快速掃描采集數據，得到的是時間、光強度和波長的三維譜圖。（3）硅光電二極管在光纖探測器中的應用；（4）硅光電二極管在CCD中的應用等。五、硅光電二極管在光電檢測方面的發展1、國內發展：硅光電二極管的新發展在各種波長(藍、近紫外)激光器迅速發展情況下,探測這些波長的激光硅光電二極管有了新的發展。藍、近紫外激光的新應用是,用可調染料激光器進行吸收研究,對于有機分子鍵的分解和激光多普勒測速。2、國外發展：新產

13、品性能新型的硅光電二極管是通過平面擴散、氧鈍化制備的,響應率改進了2057。美國聯合探測器技術公司目前已進入試生產。六、自身通過學習對硅光電二極管技術的認知通過這一學期對光電技術的學習加之自身對光電檢測知識的了解，我深切認識到伴隨著現代科學技術以及復雜自動控制系統和信息處理與技術的提高，光電檢測技術作為一門研究光與物質相互作用發展起來的新興學科，已成為現代信息科學的一個極為重要的組成部分。光電檢測作為光電信息技術的主要技術之一，它是以激光、紅外、光纖等現代光電子器件作為基礎，通過對被檢測物體的光輻射，經光電檢測器接受光輻射并轉換為電信號，由輸入電路、放大濾波等檢測電路提取有用信息，再經模數轉換等接口輸入計算機運算處理，最后顯示輸出所需要的檢測物理量等參數。- 5 -而光電二極管便是光電檢測系統的重要組成部分，它是檢測系統中進行光電轉換的重要元件，同時，硅光電二極管的發展也給光電檢測技術的發展帶來了新的方向。當然，于此同時，硅光電二極管技術在光電檢測中的發展也為我國工農業、航天、軍事、醫療等各方面提供了有利的技術保障與支持。七、參考文獻1 蘇俊宏 等，光電技術基礎J.國防工業出版社2011，ISBN978-7-118-07635-6.2 安毓英、曾曉東，光電探測原理.西