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1、第六章 半导体结型光电器件,光电子技术教研室,光生伏特效应是指：当两种半导体材料或金属/半导体相接触形成势垒，当外界光照射时，激发光生载流子，注入到势垒附近形成光生电压的现象。 利用光生伏特效应制成的光电探测器叫做势垒型光电探测器。势垒型光电探测器是对光照敏感的“结”构成的，故也称结型光电探测器。,根据所用结的种类的不同，可分为PN结型、PIN结型、异质结型和肖特基势垒型等。最常用的器件有光电池、光电二极管、PIN管、雪崩光电二极管、光电三极管和光电场效应管等。,结型光电探测器与光电导探测器相比较，主要区别在于：1、产生光电变换的部位不同。2、光电导型探测器没有极性，工作时必须有外加电压，而结
2、型探测器有确定的正负极，不需要外加电压也可把光信号变为电信号。,3、均质型探测器的载流子驰豫时间比较长，响应速度慢、频率响应特性差。而结型探测器响应速度快、频率响应特性好。4、雪崩式光电二极管和光电三极管还有很大的内增益作用，不仅灵敏度高，还可以通过较大的电流。,6-1 结型光电器件原理,1、PN结光生伏特效应 离PN结较近的由光产生的少数载流子，N区中的空穴，P区中的电子，受到内建电场的分离，电子移向N区，空穴移向P区，PN结区的光生电子-空穴对被PN结势垒区较强的内建电场分离，空穴被移向P区，电子被移向N区。,结果在N区将积累电子，P区将积累空穴，产生了一个与内建电场方向相反的光生电场，于
3、是在P区和N区之间造成光生电势差；如果光照保持不变，积累过程达到动态平衡状态，从而给出一个与光照度相应的稳定的电势差，称为光生电动势，光强越强，光生电动势也就越大。,2、工作模式 结型光电器件在有光照条件下，从理论上说，可使用于正偏置、零偏置和反偏置。但理论和实践证明，当使用于正偏置时，呈现单向导电性(和普通二极管一样)，没有光电效应产生，只有在反偏置或零偏置时，才产生明显的光电效应。,如果工作在零偏置的开路状态，pn结型光电器件产生光生伏持效应，这种工作原理称为光伏工作模式。 如果工作在反偏置状态，无光照时电阻很大，电流很小；有光照时，电阻变小，就变大，而且流过它的光电流随照度变化而变化。
4、从外表上看，与光敏电阻一样，同样也具有光电导工作模式，但它们的工作机理不同，所以在特性上有较大差别。因此，结型光电器件用作探测器时，可选用两种工作模式中的一种，即工作在反偏置的光电导下作模式或零偏置的光作模式。,3、光照下pn结电流 有光照时，pn结外电路接上负载电阻RL，此时在pn结内出现两种方向相反的电流： 一种是光激发产生的电子空穴对，在内建电场作用下，形成的光生电流Ip，它与光照有关，其方向与pn结反向饱和电流I0相同； 另一种是光生电流Ip 流过负载电阻RL产生电压降，相当于在pn结施加正向偏置电压，从而产生正向电流入，总电流是两者之差。,6-2 光电池,光电池是直接把光变成电的光电
5、器件，由于它是利用各种势垒的光生伏特效应制成的，故称为光生伏特电池，简称光电池。光电池是一种不需加偏压的能把光能直接转换成电能的pn结光电器件.按用途分：太阳能光电池、测量光电池按材料分：硅光电池、锗光电池、硒光电池、硫化镉光电池、砷化镓光电池其中最受重视的是硅光电池、硒光电池。,太阳能光电池和测量光电池。 太阳能光电池主要用作电源，对它的要求是转换效率高、成本低，由于它具有结构简单、体积小、重量轻、可靠性高、寿命长、在空间能直接利用太阳能转换成电能的特点，因而不仅成为航天工业上的重要电源，还被广泛地应用于供电因难的场所和人们的日常生活中。 测量光电池的主要功能是作为光电探测用，即在不加偏置的
6、情况下将光信号转换成电信号，对它的要求是线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性好、寿命长，被广泛地应用在光度、色度、光学精密计量和测试中。,太阳能光电池主要用作电源，对它的要求是转换效率高、成本低。 硅材料研究得最充分，硅光电池具有一系列的优点，如性能稳定、寿命长、光谱响应范围宽，频率特性好，能耐高温。 硒光电池其光谱响应曲线与人眼的光视效率曲线相似，且价格比硅光池便宜。很适合作光度测量的探测器，但由于稳定性很差。目前已被硅光电池所代替，砷化钵光电池,砷化镓光电池具有量子效率高、噪声小、光谱响应在紫外区和可见光区等优点，适用于光度仪器。 锗光电池由于长波响应宽，适合作近红外探测器。,硅光电
7、池属PN结型，按基底材料可分为2DR型和2CR型。 2DR型是以P型硅为基底，在基底上扩散磷便形成N型薄层受光面，构成PN结（2CR型是以N型硅为基底，在基底上扩散硼便形成P型薄层受光面，构成PN结），再经各种工艺处理，引出电极，受光表面上涂保护膜，减小反射损失，增加对入射光的吸收，同时又可以防潮，防腐蚀如镀SiO2，MgF2。这样便形成上电极，一般多做成栅指状，其目的是便于透光和减小串联电阻。,硅光电二极管,硅光电二极管和光电池一样，都是基于pn结的光电效应而工作的，它主要用于可见光及红外光谱区。 硅光电二极管通常在反偏置条件下工作，即光电导工作模式。这样可以减小光生载流子渡越时间及结电容，
8、可获得较宽的线性输出和较高的响应频率，适用于测量甚高坡调制的光信号。 硅光电二极管也可用在零偏置状态，即光伏工作模式，这种工作模式突出优点是暗电流等于零。后继线路采用电流电压变换电路，线性区范围扩大，得到广泛应用。,硅光电二极管在结构上和原理上与硅光电池也相似。但是它与光电池比较，略有不同：就制作衬底材料的掺杂浓度而言，光电池较高。光电他的电阻率低。光电池在零偏置下工作，而硅光电二极管通常在反向偏置下工作一般说来光电池的光敏面面积都比硅光电二极管的光敏面大得多。,硅光电二极管常是在反偏的光电导工作模式。 硅光电二极管在无光照条件下：若给pn结加一个适当的反向电压，则反向电压加强了内建电场。使p
9、n结空间电荷区拉宽。势垒增大，流过pn结的电流(称反向饱和电流或暗电流)很小，它(反向电流)是由少数载流子的漂移运动形成的。,当硅光电二极管被光照时，满足条件hvEg时，则在结区产生的光生载流子将被内建电场拉开，光生电子被拉向n区，光生空穴被拉向p区，于是在外加电场的作用下形成了以少数载流子漂移运动为主的光电流。显然，光电流比无光照时的反向饱和电流大得多，如果光照越强，表示在同样条件下产生的光生载流子越多，光电流就越大，反之，则光电流越小。,1PN结型硅光电二极管的结构 根据衬底材料不同分为2DU和2CU型两种。 2DU型硅光电二极管是以轻掺杂、高阻值的p型硅材料做基底，在p型基底上扩五价元素
10、磷，形成至掺杂n型层。,2DU光电二极管的结构及符号,环极：SiO2层中不可避免地沾污一些少量杂质正离子，这些正离子对其下面的半导体将产生静电感应，在SiO2膜下面将感应出一些负电荷，在P型Si衬底表面产生一个电子层，它与原来半导体衬底导电类型相反，因此叫做反型层。 为了降低这部分噪声，就不能让SiO2中少量正离子静电感应所产生的表面漏电流经过外电路的负载。目前，一般采用在P-Si扩磷形成N+层时，同时扩层环形N+层，把原来的N+层环绕起来，单独引出一个电极，称为环极。,2CU型光电二极管是利用N型硅材料作衬底，在表面扩B元素形成重掺杂P+型，P+型层与N型Si相接触形成PN结，引出电极，涂上
11、SiO2保护膜，加上反向偏压，在光照作用下便有光电流流过负载。 由于N-Si中为衬底，电子是N型Si中的多数载流子，表面有大浓度的电子。SiO2中少数正离子的静电感应不会在N-Si表面产生电子层。因此，也没有少数漏电流的问题，故2CU光电二极管只有两个引出线。,2CU型光电二极管和电路,PIN光电二极管 PIN光电二极管固有较厚的i层，因此pn结的内电场就基本上全集中于i层中。使pn结的结间距离拉大，结电容变小。由于工作在反偏，随着反伯电压的增大，结电容变得更小，从而提高了PIN光电二极管的频率响应。 由于i层较厚，又工作在反偏，使结区耗尽层厚度增加，提高了对光的吸收和光电变换区域，使量子效率
12、提高。,第八章 电荷耦合成像器件,固体成象器件就不需要在真空玻璃壳内用靶来完成光学图象的转换及电子束按顺序进行扫描就能获得视频信号，即器件本身就能完成光学图象转换、信息存贮和按顺序输出（称自扫描）视频信号的全过程。,1970年由贝尔实验室的贝埃尔（Boyle）和史密斯（Smith）提出来的一种MOS结构的新型器件电荷耦合器件（CCD：charge couple Device）。 CCD有两种基本类型：一种是电荷包存贮在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输，这类器件称为表面沟道电荷耦合器件(简称SCCD)；另一种是电荷包存贮在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体内沿一定方向传输，这类称为体内
13、沟道或埋沟道电荷耦合器件(简称BCCD)。,一、结构电荷耦合器件简称CCD，从结构上讲，它是由许多小MOS电容组成。MOS电容即金属（Metal）-氧化物(Oxidation)-半导体(Seminconductor)构成的电容器，常称为MOS电容，或MOS结构。,（a）MOS电容器；（b）一般电容器,二、电荷耦合原理CCD工作在深耗尽区，可以用电注入或光注入的方法向势阱注入电荷，以获得自由电子或自由空穴，此势阱中所包含的自由电荷通常称为电荷包。在提取信号时，需要将电荷包有规则地传送出去，这一过程叫做CCD的电荷转移，它是靠各个MOS的栅极在时钟电压作用下，以电荷耦合方式实现的。,外加在栅极上的
14、电压愈高，表面势越高势阱越深，若外加电压一定，势阱深度随势阱中电荷量的增加而线性下降。,从上面分析可知，CCD中电荷的存储和传输是通过各电极上加不同的电压实现的。电极的结构如按所加脉冲电压相数来分，则可分为二相、三相、四相电极结构形式。,电荷耦合成像器件,电荷耦合器件的一个重要应用是作为摄象器件，电荷耦合摄象器件可分为一维(线阵)的和二维(面阵)两种，它们的功能都能把二维光学图象信号转变成一维视频信号输出。它们的原理是： 首先用光学成像系统(光学镜头)将被摄的景物图象成象在CCD的光敏面(光敏区)上，在每一个光敏单元(MOS电容器)的势阱中存贮与图象照度成正比的光生信号电荷完成了光电转换和电荷
15、的积累。然后，转移到CCD的移位寄存器中，在驱动脉冲的作用下有顺序地转移和输出，成为视频信号。,一、一维(线阵)CCID 图为一维CCID结构原理图。是单排结构，它包括光敏区和移位寄存区(转移区)两部分。移位寄存区被遮挡，每一光敏单元与移位寄存区之间用转移栅隔开，转移栅的作用是控制光敏单元所积累的光生信号电荷向移位寄存器转移。转移时间小于光照光敏区(光积分)的时间。,简单的工作过程：转移栅关闭时。光敏区在光照时间内所积累信号电荷的多少与一行图象中每个光敏单元所对应的图象的光强成正比，当积分周期结束，转移栅打开，每一光敏单元势阱内的信号电荷并行地转移到移位寄存器相应的单元内；接着转移栅关闭，光敏区开始对下一行图象信号进行积分。与此同时，移位寄存器将已转移到移位寄存器内的上行信号电荷，根据电荷传输过程输出视频脉冲信号。 这种结构的ccm转移次数多、效率低，只适用于光敏单元较少的摄负器件。,
