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这一节我们来介绍
光敏二极管
光敏二极管
是一种PN结单向导电的
结型光电器件
它与一般的二极管类似
只是它的PN结
位于管子的顶部
使它便于接受光信号的照射
通常情况下
光敏二极管在电路中
是处于反向偏压的状态
左边这个图
是光敏二极管的结构原理示意图
在二极管的表面
涂有一层抗反层
用来降低半导体材料
对入射木光波的反射
从而提高器件的量子效率
下面我们介绍一下
光敏二极管的基本工作原则
当光敏二极管没有受到光
照射的时候
它处于反向偏置状态
这时它与普通的二极管是类似的
只有少数的载流子能够穿过势垒
形成微小的反向电流
也就是光敏二极管的暗电流
当有光信号
照射在光敏二极管上的时候
二极管的耗尽区
吸收光子产生光生电子空穴对
在反向偏压和耗尽区
内建电场的作用下
电子空穴对被分离开
产生流到器件外部的电流
我们称之为光电流
在耗尽区以外的区域
虽然半导体材料
吸收光子也会产生电子空穴对
如果产生的光生电子空穴对
距离耗尽区边界
大于一个扩散长度
那么载流子在到达耗尽区之前
就复合了
不会对输出电流信号产生共限
表征光敏二极管性能的主要参数
主要有量子效率
响应度
和响应速度
和光敏电阻一样
光敏二极管的量子效率
也是表征每个入射光子
所产生的电子空穴对的数目
决定光敏二极管量子效率的
重要因素之一
是半导体材料对入射光波的
吸收系数
而且因为吸收系数
对光波的波长
有强烈的依赖关系
因此能在半导体材料中
产生大的光电流的波长范围
是有限的
光敏二极管的长波限
是由半导体材料的禁带宽度
所决定的
是由器件的短波限
这是因为当入射光波的波长
很短的时候
半导体的吸收系数会很大
使得绝大部分的短波长的
入射光子在半导体材料
非常靠近表面的区域
就被吸收了
而在这个区域
电子空穴对的复合时间非常小
导致光生载流子
在进入了耗尽区
被PN结收集之前
就复合了
由于总会有一部分光生载流子
被复合消失
器件的量子效率总是小于1的
量子效率的大小
取决于半导体材料的吸收系数
以及器件的结构
我们可以通过在器件表面
增加抗反层见效器件的反射
来增加对入射光子的吸收
还可以通过改善材料
和器件的质量
阻止复合与伏霍的发生
达到提高器件量子效率的目的
第二个参数是响应度
响应度定义为
器件单位入射光能量
产生的光电流
也称为光谱响应度
或者辐射灵敏度
如果光敏二极管在所有波长处
都具有百分之百的量子效率
那么器件的响应度
应该线性正比于光波长
对于实际的光敏二极管而言
由于量子效率的限制
器件的响应度必定小于理论值
第三个参数是器件的响应速度
能够表征光敏二极管
响应速度的参数
有上升时间
下降时间
以及响应频率
上升时间指的是信号
从开始上升到最终值的90%
所用的时间
下降时间指的是信号
从开始下降
到初始值的10%所经历的时间
响应频率
指的是光敏二极管的输出伏值
下降3db的时候
所对应的频率
影响光敏二极管响应速度的因素
有三个
第一个是漂移时间
也就是载流子在耗尽区内的
电荷收集时间
其次是扩散时间
是载流子在光敏二极管的
非耗尽区
也就是电中性区的电荷收集时间
第三个是光敏二极管
及其外围电路的RC时间常数
RC时间常数取决于
光敏二极管的串联电阻
与负载电阻之和
以及光敏二极管的结电容
与杂散电容之和
由RC常数决定的上升时间分量
大概是2.2个RC
光敏二极管的结电容
与反向偏置电压有关
反向偏置电压越大
器件响应速度越快
器件总的上升时间
可以由这三个时间的平方和的根
计算得到
虽然PN结光敏二极管结构简单
但是它的耗尽区太窄
导致以下两个问题
第一 PN结的势垒电容比较大
和负载电阻构成的RC时间常数
会比较大
因此
器件的响应速度比较低
尤其是在光通信领域
动辄几个G赫兹频率的要求下
难以满足高速光信号检测的需求
其次
PN结果光敏二极管
吸收光敏的区域比较窄
导致量子效率比较低
尤其是对于长波长的光波
透射深度比较大
使得器件的灵敏度很低
为了解决这些问题
人们提出了一种PIN型的
硅光敏二极管结构
这个图就是PN管的结构示意图
这种结构在p层n层之间
设置了一个高阻抗的
本真半导体层
即i层
该结构就是在n型硅片上
制作一层汉杂质很少的
高阻抗的i层
然后在其上形成p层
从p层外侧照射的光
主要由i层吸收
从而产生电子和空穴
这种器件使用时
需要外加反向偏压
PIN硅光敏二极管的本真区
i层厚度
可以达到5到50μm
吸收光子能量因此有很大的提高
尤其是对吸收系数低
透射深度大的长波长的光波
因此 PIN硅光敏二极管
可以使用于近红外区域
它的最大灵敏度波长
大概是1μm
左边这个图是PIN硅
光敏二极管的光谱响应特性曲线
此外
硅光敏二极管的频带宽度
可以达到10G赫兹
PIN硅光敏二极管的缺点
是本真区i层的电阻很大
使得器件的输出电流非常小
一般多为零点几至几个μm
所以通常将PIN管与前置放大器
集成在同一块芯片上
PIN管的前置放大器
一般采用场效应晶体管
主要是因为PIN管的
输出阻抗很大
要求放大器里有很大的输入阻抗
另外一种光敏二极管
我们称为雪崩式
光敏二极管
这种光敏二极管利用PN结
势垒区的高电场情况下
载流子的雪崩倍增效应
制成的光敏二极管
由于它有倍增作用
其光电转换灵敏度
比一般的PN结光敏二极管
要高得多
因此在光敏器件中
具有重要的地位
首先我们先来简单地回顾一下
雪崩现象
如果对半导体材料
施加一个强电场
半导体中的载流子
会被电场加速
部分载流子
可以获得足够高的能量
有可能就通过碰撞
把能量传递给价带上的电子
使之发生电离
从而产生电子空穴对
这种过程称为碰撞电离
所产生的电子空穴对
在电场中向相反的方向运动
又被电场加速碰撞
并产生新的电子空穴对
按照这样的方式
就可以使载流子大量地增值
这种现象就称为雪崩倍增效应
左图为雪崩光敏二极管的
结构示意图
雪崩光敏二极管
是在PIN光敏二极管的基础上
再增加一个雪崩区
也就是图中的N+ P区
在这个结构中π
区为P型低掺杂区
是吸收光子产生光生载流子的
重要区域
当对雪崩光敏二极管施加
反向偏压时
电压降主要施压在A+P节上
如果反向偏置电压很高
可以达到100到200伏时
P层中有足够高的电场
就称为雪崩区
入射光可以从N+区入射
也可以从P+区入射
主要都是在π区被吸收π
区产生的光生电子的空穴对
在电场作用下反向运用
空穴运动到P+区
它不参加雪崩现象
而电子则被注入到了雪崩区P区
产生多次碰撞电离后
达到N+区
被收集为光电流
这样光生电子的数量将变成M倍
M称为雪崩光敏二极管的
倍增因子
如果雪崩光敏二极管的
反向击穿电压为Vb
反向偏压为V
那么倍增因子可以由
左边这个式子来估算
由于雪崩效应的存在
使雪崩型光敏二极管的初始电流
得到了倍增
因此雪崩型光敏二极管
具有放大功能
通常M可以达到20到300
雪崩光敏二极管的优点
使初始光电流得到了倍增
器件的灵敏度很高
同时器件的响应速度也特别快
带宽可以达到100G赫兹
是目前响应速度最快的一种
光电二极管
但是由于雪崩效应是随机的
所以它的噪声比较大
这是它的一个不足
由于雪崩光敏二极管的突出优点
它在光通信 光盘中
具有广泛的应用
既然PN结二极管
可以设计成为光敏探测器
那么我们可以知道
三极管也应该可以实现
对的敏感
同时还可以具有对信号的
放大功能
左边这张图
就是NPN型光敏三极管的
结构示意图
在N+型硅片上
设置一层N型硅
相当于三极管的集电极
然后在N型硅上生长P层
作为基极
再在该基极的一部分
形成一个小的N+型区
来作为发射极
基区比发射区
具有大得多的面积
这是为了让外面的光
照在基极上
光敏三极管可以等效于
一个普通三极管的基极
和集电极之间
连接一个光敏二极管的情形
左边的图就是光敏三极管的
等效电路
在光照射下
等效电路中的光敏二极管
将光信号转换成电流信号
这个电流作为三极管的基极电流
被三极管放大
如果三极管的电流
增益为β的话
则光敏三极管的电流
要比相应的光敏二极管的电流
大β倍
为了增加光敏三极管的放大倍数
还可以采用达林顿接线方式
构成达林顿管
达林顿式连接的光敏三极管
即使入射光非常小
也可以获得能够驱动继电器的
集电极电流
例如 当输入为0.1毫瓦
每平方厘米的光时
集电极电流
就可以达到2毫安
-第1节 什么是传感器
-第2节 什么是集成传感器
-第3节 集成传感器的应用
-第4节 硅材料与半导体物理简介
-第5节 半导体器件简介
-第1节 集成力传感器
-第2节 集成压阻压力传感器
-第3节 电容式力传感器
-第二章--习题
-第1节 温度传感器简介
-第2节 硅热敏电阻
-第3节 PN结温度传感器
-第4节 双极型晶体管温度传感器
-第5节 热电传感器
-第三章--习题
-第1节 湿度传感器简介
-第2节 湿度的定义与检测方法
-第3节 多种原理的集成湿度传感器-1
-第4节 多种原理的集成湿度传感器-2
-第四章--习题
-第1节 磁传感器简介
-第2节 霍尔效应
--5-2 霍尔效应
-第3节 霍尔传感器的设计
-第4节 霍尔传感器的示例
-第五章（上）--习题
-第5节 磁电阻传感器
-第6节 磁敏二极管
-第7节 磁敏三极管
-第五章（下）--习题
-第1节 光波与光传感器简介
-第2节 光电导效应与光敏电阻
-第3节 光敏二极管和三极管-1
-第六章（上）--习题
-第4节 光敏二极管和三极管-2
-第5节 光电池
--6-5 光电池
-第6节 图像传感器
-第六章（下）--习题
-第1节 气体传感器概述
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-第2节 气体传感器分类及性能指标
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-第3节 接触（催化）燃烧式气体传感器
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-第4节 电阻式金属氧化物半导体传感器
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-第5节 电化学式气体传感器
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-第6节 MOSFET型气体传感器
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-第7节 集成气体传感器实例和未来
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-第七章（下）--习题
-讨论一
-讨论二
-讨论三
-第一部分 引言与智能传感器
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-第二部分 无线传感网络、总结与展望
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-第八章--习题
-讨论一
-讨论二
-讨论三
