第三章 半导体光电检测器件及应用 山东科技大学 主讲：刘维慧.

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1 第三章 半导体光电检测器件及应用 山东科技大学 主讲：刘维慧

2 本章主要内容 3.1光电导器件—光敏电阻 3.2光生伏特器件 3.2.1光电池 3.2.2发光二极管和发光三极管 3.2.3发光器件
3.2.4光电耦合器件 3.2.5光热辐射检测器件 3.2.6性能比较

3 光照射在物体上可以看成是一连串的具有一定能量的光子轰击这些物体的表面。所谓光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。
光电效应一般分为外光电效应、内光电效应和光生伏特效应三类。后两类又称为内光电效应，根据这些效应可制成不同的光电转换器件(或称光敏元件)。

4 光电效应：光照射到物体表面上使物体的电学特性发生变化。
光电子发射：物体受光照后向外发射电子—多发生于金属和金属氧化物。 光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减少 光生伏特效应：光照在半导体PN结或金属—半导体接触上时，会在PN结或金属—半导体接触的两侧产生光生电动势。

5 光 辐 射 探 测 器 真空光电管 无放大作用 外光电效应 充气光电管 有放大作用 光电倍增管 光电 探测器 无放大作用 光伏型 内光电效应
光电池 光电二极管 无放大作用 光伏型 内光电效应 场效应管 有放大作用 光电三极管 雪崩二极管 杂质光导探测器 P/N型 光导型 热辐射计 光敏电阻 本征光导 探测器 热电偶 热探 测器 光导探测器 热电堆 热释电探测器

6 光电器件特点： 光电器件 热电器件 响应波长有选择性，一般有截止波长，超 过该波长，器件无响应。 响应波长无选择性，对可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感 响应快，吸收辐射产生信号需要的时间短， 一般为纳秒到几百微秒 响应慢，一般为几毫秒

7 3.1光敏电阻 利用具有光电导效应的材料（如硅、锗等本征半导体与杂质半导体，硫化镉、硒化镉、氧化铅等）可以制成电导随入射光度量变化的器件，成为光电导器件或光敏电阻。 具有体积小、坚固耐用、价格低廉、光谱响应范围宽等优点，广泛应用于微弱辐射信号的探测领域。

8 光敏电阻演示 当光敏电阻受到光照时，光生电子—空穴对增加，阻值减小，电流增大。 符号 暗电流（越小越好）

9 工作原理 入射光 g=gL-gd I光=IL-Id
当入射光子使半导体物质中的电子由价带跃升到导带时，导带中的电子和价带中的空穴均参与导电，因此电阻显著减小，电导增加，连接电源和负载电阻，可输出电信号，此时可得出光电导g与光电流I光的表达式为： g=gL-gd I光=IL-Id

10 光敏电阻结构 光敏电阻结构：在一块均匀光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。

11 基本结构分类： a）梳状结构 b）蛇形结构 c）刻线结构 1—光电导材料 2—电极 3—衬底材料
1—光电导材料 2—电极 3—衬底材料 目前一般采用禁带宽度较大的材料，使得在室温下能获得较大的暗电阻（无光照时的电阻）。

12 按照光敏材料分： 常用于可见光波段的探测 1、本征半导体光敏电阻
常用于红外波段甚至于远红外波段辐射的探测。 常用于可见光波段的探测 按照光敏材料分： 1、本征半导体光敏电阻 价带 导带 电子 空穴 Eg 当入射光子的能量等于或大于半导体材料的禁带宽度Eg时，激发一个电子－空穴对，在外电场的作用下，形成光电流。 2、杂质型半导体光敏电阻 价带 导带 电子 空穴 ΔＥ 施主 对于Ｎ型半导体，当入射光子的能量等于或大于杂质电离能ΔＥ时，将施主能级上的电子激发到导带而成为导电电子，在外电场的作用下，形成光电流。

13 不同材料光敏电阻特点 一、光电导器件 1、CdS光敏电阻：是最常见的光谱响应特性最接近人眼光谱光视效率 的光电器件，CdS光敏电阻的峰值波长为0.52μm，在可见光波段范围内最灵敏。它广泛地应用于灯光的自动控制，照相机的自动调光等。 晚上，CdS光敏电阻阻值大，J的电流小，不能工作而关闭，灯亮。 白天，阻值小，J工作，常闭触头断开，灯灭。

14 一、光电导器件 2、PbS光敏电阻：近红外波段最灵敏的光电导器件。由于在2μm附近的红外辐射的探测灵敏度很高，因此，常用于火灾的探测、红外报警系统等领域。室温下的PbS光敏电阻的光谱响应范围为1～3.5μm，峰值波长为2.4μm。 将PbS光敏电阻放在光学系统的焦点上，使进入接收系统的红外线能全部会聚到探测器上。报警装置与放大器相连接，它可输出报警信号。

15 一、光电导器件 3、InSb光敏电阻：是3～5μm光谱范围内的主要探测器件之一。InSb光敏电阻由单晶制备，制造工艺比较成熟，经过切片、磨片、抛光后，再采用腐蚀的方法减薄到需要的厚度。光敏面尺寸由0.5mm×0.5mm到8mm×8mm不等。大光敏面的器件由于不能做得太薄，其探测率降低。InSb材料不仅适用于制造单元探测器件，也适宜做阵列器件。 InSb光敏电阻在室温下的长波长可达7.5μm，峰值波长在6μm附近。当温度降低到-160 （液氮）时，其长波长由7.5μm缩短到5.5μm，峰值波长也移至5μm，恰为大气的窗口范围。

16 一、光电导器件 4、Hg1-xCdxTe系列光电导探测器件：是目前所有红外探测器中性能最优良最有前途的探测器，尤其是对于4～8μm大气窗口波段辐射的探测更为重要。 Hg1-xCdxTe系列光电导体是由HgTe和CdTe两种材料的晶体混合制造的，其中x是Cd含量的组分。在制造混合晶体时采用不同Cd的组分x，可得到不同的禁带宽度Eg，进而可以制造出不同波长范围响应的Hg1-xCdxTe探测器件。一般组分x的变化范围为0.18～0.4，长波长的变化范围为1～30μm。

17 例如： 光敏电阻型号命名法 光敏电阻器的型号命名分为三个部分，各部分的含义见表。 第一部分用字母表示主称。 第二部分用数字表示用途或特征。 第三部分用数字表示产品序号。 例如： MG45-14（可见光敏电阻器） M――敏感电阻器 G――光敏电阻器 4――可见光 5-14――序号

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19 光敏电阻特性 1）光电特性 当照度很低时，曲线近似为线性，随着照度的增高，线性关系变坏，当照度升为很高时，曲线近似为抛物线形。
一、光电导器件 1）光电特性 当照度很低时，曲线近似为线性，随着照度的增高，线性关系变坏，当照度升为很高时，曲线近似为抛物线形。 光电转换因子γ在弱辐射作用的情况下为1，随着辐射的增强，γ值减小，当辐射很强时γ值降低到0.5。 CdS光敏电阻光照特性

20 光敏电阻的本质是电阻，符合欧姆定律。因此，它具有与普通电阻相似的伏安特性，但是它的电阻值是随入射光度量的变化而变化的。
一、光电导器件 2）伏安特性 光敏电阻的本质是电阻，符合欧姆定律。因此，它具有与普通电阻相似的伏安特性，但是它的电阻值是随入射光度量的变化而变化的。 图中的虚线为额定功耗线。使用时，应使光敏电阻的实际功耗不超过额定值。 CdS光敏电阻的伏安特性曲线

21 光敏电阻的相对光电导随温度升高而下降，光电响应特性受温度影响较大。
3）温度特性 光敏电阻的相对光电导随温度升高而下降，光电响应特性受温度影响较大。 在温度变化大的情况下应用时要采取制冷措施以降低光敏电阻工作温度，这是提高光敏电阻性能参数的有效办法。 CdS与CdSe光敏电阻的温度特性曲线

22 1—Se光敏电阻 2—CdS光敏电阻 3—TeS光敏电阻 4—PbS光敏电阻
4）时间响应 光敏电阻的时间响应（惯性）比其他光电器件要差些（惯性要大），频率响应要低。 光敏电阻在被强辐射照射后，其阻值恢复到长期处于黑暗状态的暗电阻Rd所需要的时间将是相当长的。因此，光敏电阻的暗电阻Rd常与其检测前是否被曝光有关，这个效应常被称为光敏电阻的前历效应。 光敏电阻的频率特性 1—Se光敏电阻 2—CdS光敏电阻 3—TeS光敏电阻 4—PbS光敏电阻

23 5）光谱响应 光敏电阻的光谱响应主要由光敏材料禁带宽度、杂质电离能、材料掺杂比与掺杂浓度等因素有关。 CdS材料制成的光敏电阻的光谱响应很接近人眼的视觉响应，CdSe材料的光谱响应较CdS材料宽，PbS材料的光谱响应范围最宽，覆盖了0.4～2.8μm的范围，PbS光敏电阻常用于火点探测与火灾预警系统。 三种典型光敏电阻的光谱响应特性曲线

24 总结光敏电阻优缺点 1、优点：灵敏度高，工作电流大，光谱响应范围与所测光强范围宽、无极性使用方便；
2、缺点：响应时间长、频率特性差、强光线性差、受温度影响大等。 3、应用：主要应用在红外的弱光探测与开关控制。（照相机的电子快门等）

25 光敏电阻的应用电路 1、火焰检测报警器 PbS光敏电阻：Rd=1MΩ, Rl=0.2MΩ，峰值波长2.2um。 高输入阻抗放大电路
恒压偏置电路 中心站放大器 R2 200kΩ R4 3.9MΩ R6 3.9kΩ C1 68nF Vo R1 2kΩ V3 C2 68uF V2 R9 150kΩ V1 C4 4.7nF R5 820kΩ R7 1kΩ VDW 6V R3 PbS + C3 100uF R8 32kΩ PbS光敏电阻：Rd=1MΩ, Rl=0.2MΩ，峰值波长2.2um。

26 光敏电阻在恒压偏置电路的情况下输出的电流IP与处于放大状态的三极管发射极电流Ie近似相等。因此，恒压偏置电路的输出电压为

27 2、照相机电子快门 + _ A Rp2 Rp1 R2 R1 C1 M VD V R CdS Ubb K 驱动单元 Uth UR 快门按钮
300Ω R1 5.1kΩ C1 1uF M VD V R CdS Ubb K 驱动单元 Uth UR 快门按钮

28 基本功能：根据自然光的情况决定是否开灯。 基本结构：整流滤波电路；光敏电阻及继电器控制；触电开关执行电路
3、照明灯的光电控制电路 C K VD R CdS 常闭 灯 ~220V 半波整流 测光与控制 执行控制 基本功能：根据自然光的情况决定是否开灯。 基本结构：整流滤波电路；光敏电阻及继电器控制；触电开关执行电路 基本原理：光暗时，光敏电阻阻值很高，继电器关，灯亮；光亮时，光敏电阻阻值降低，继电器工作，灯关。

29 3.2光生伏特器件 一、光电池 光电池是一种利用光生伏特效应制成的不需加偏压就能将光能转化成电能的光电器件。

30 光敏面

31 能提供较大电流的大面积光电池外形

32 基本结构： 1、金属-半导体接触型（硒光电池） 2、PN结型 几个特征： 2、受光表面的保护膜 3、上、下电极的区分 符号
1、栅(梳)状电极 2、受光表面的保护膜 3、上、下电极的区分 符号

33 a）2DR结构 b）外形 c）符号

34 硅光电池按衬底材料的不同可分为2DR型和2CR型。
硅光电池的受光面的输出电极多做成梳齿状或“E”字形电极，其目的是减小硅光电池的内电阻。另外，在光敏面上涂一层极薄的二氧化硅透明膜，它既可以起到防潮、防尘等保护作用，又可以减小硅光电池的表面对入射光的反射，增强对入射光的吸收。

35 PN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射PN结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向n区，光生空穴拉向p区，相当于PN结上加一个正电压。

36 结构特点 光电池核心部分是一个PN结，一般作成面积大的薄片状，来接收更多的入射光。 在N型硅片上扩散P型杂质（如硼），受光面是P型层
受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和保护作用 上电极做成栅状，为了更多的光入射。 由于光子入射深度有限，为使光照到PN结上，实际使用的 光电池制成薄P型或薄N型。

37 工作原理 根据光生伏特效应制成的PN结型器件，一般作成面积大的薄片状，来接收更多的入射光。 硅光电池的工作原理示意图 硅光电池的伏安特性曲线

38 硅光电池的特性参数 Rs RL VD IL IL Is Ip VD RL 由光电池的电流方程： Rs很小，可忽略，上式变为： Ip=S·E

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41 硅光电池的特性参数 1、光照特性 当E=0时 当IL=0时 一般Ip>>Is, 当RL=0时，Isc=Ip=S·E 负载电流IL
Voc1 Voc5 负载电流IL 当E=0时 Is RL=∞ Isc1 + 当IL=0时 一般Ip>>Is, 当RL=0时，Isc=Ip=S·E Isc2 RL5 Isc3 E RL4 Isc4 RL4 RL3 RL2 RL1 RL=0

42 1)、Voc，Isc与E的关系： 当IL=0，RL=∞时 一般Ip>>Is,且Ip=S·E 当V=0，RL=0时，
+ 用于光电池检测 当V=0，RL=0时，

43 2)、Isc与E和RL的关系： Isc=Ip=S·E 当RL=0时， 当RL不为0时 为什么RL的增加会使光电流减小？ J/uA·mm2
RL=2.4kΩ RL=12kΩ E/lx J/uA·mm2 当RL=0时， Isc=Ip=S·E 当RL不为0时 为什么RL的增加会使光电流减小？ RL VD IL 弱光照射时，线性度好； 强光照时，电流出现饱和，负载电阻RL大时，容易出现饱和，负载电阻RL小时，能在较宽范围内保持线性关系。结论：如果获得比较大的光电线性范围，负载电阻不能取得过大。

44 连接方式：开路电压输出---(a) 短路电流输出---(b) 光电池在不同的光强照射下可产生不同的光电流和光生电动势。 短路电流在很大范围内与光强成线性关系。 开路电压随光强变化是非线性的，并且当照度在2000lx时趋于饱和。

45 光照特性--- 开路电压输出：非线性(电压---光强)，灵敏度高 短路电流输出：线性好(电流---光强) ，灵敏度低 开关测量（开路电压输出），线性检测（短路电流输出）

46 光电池光照特性特征： 1、Voc与光照E成对数关系；硅光电池典型值在0.45-0.6V。作电源时，转化效率10%左右，最大15.5-20%。
2、Isc与E成线性关系，常用于光电池检测，硅光电池 Isc典 型值35-45mA/cm2。 3、RL越小，线性度越好，线性范围越宽。 4、光照增强到一定程度，光电流开始饱和，与负载电阻有关。负载电阻越大越容易饱和。

47 2、伏安特性 无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导体二极管相同。 有光照时，沿电流轴方向平移，平移幅度与光照度成正比。
曲线与电压轴交点称为开路电压VOC，与电流轴交点称为短路电流ISC。 无光照 有光照

48 3、输出特性 VLS随RL的加大而升高，当RL为无穷大时，VLS等于开路电压Voc 。 RL趋近于0时，ILS趋近于短路电流Isc。
在RL=RM时，PL为最大输出功率PM，RM称为最佳负载。光电池作为换能器件时要考虑最大输出问题，跟入射光照度也有关。 作为测量使用，光电池以电流使用。短路电流Isc与光照度成线性关系，RL的存在使IL随光照度非线性的增加。RL增大，线性范围越来越小。 RL/Ω Voc/V Isc/mA 400 200 100 80 40 PL VLS ILS RM

49 4、光谱特性（用单位辐射通量的不同波长的光分别照射时，光电池相对输出短路电流大小）

50 5、温度特性 Voc Isc 总结：当光电池接收强光照时要考虑温度升高的影响。如硅光电池不能超过200度。
Voc具有负温度系数，其值约为2-3mV/度。 Voc Isc Isc具有正温度系数，但随温度升高增长的比例很小，约为 mA/度 使用环境温度 总结：当光电池接收强光照时要考虑温度升高的影响。如硅光电池不能超过200度。

51 6、时间和频率响应 硅光电池频率特性好 硒光电池频率特性差 硅光电池是目前使用最广泛的光电池

52 要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻RL；
光电池面积越大则响应时间越大，因为光电池面积越大则结电容Cj越大，在给定负载时，时间常数就越大，故要求短的响应时间，必须选用小面积光电池。

53 硅光电池的应用 1、光电池用作太阳能电池 把光能直接转化成电能，需要最大的输出功率和转化效率。即把受光面做得较大，或把多个光电池作串、并联组成电池组，与镍镉蓄电池配合，可作为卫星、微波站等无输电线路地区的电源供给。 2、光电池用作检测元件 利用其光敏面大，频率响应高，光电流与照度线性变化，适用于开关和线性测量等。

54 按用途 太阳能光电池：用作电源（效率高，成本低） 测量用光电池：探测器件（线性、灵敏度高等） 按材料 硅光电池：光谱响应宽，频率特性好，转换效率高（17%） 硒光电池：波谱峰值位于人眼视觉内，多用于曝光表、照度计 薄膜光电池：CdS增强抗辐射能力 紫光电池：PN结非常薄： µm,短波峰值600nm

55 光电开关，激光准直，太阳能转换为电能(硅光电池)等。
型号 开路电压(mV) 短路电流 (mA) 转换效率(%) 面积(mm2) 2CR11 450～600 2～4 ≥6 2.5×5 2CR33 550～600 12～15 10~12 5×10

56 太阳能硅光电池因此成为航天工业中的重要电源，而且还被广泛地应用于供电困难的场所和一些日用便携电器中。
测量硅光电池：应用在光度、色度、光学精密计量和测试设备中 柔光罩下面为圆形光电池

57 太阳能赛车 太阳能 硅光电池板 太阳能电动机模型

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59 太阳能发电

60 光电池在人造卫星上的应用

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62 硅太阳能电池 硅太阳能电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池。
单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率为23%,而规模生产的单晶硅太阳能电池,其效率为15%。 多晶硅半导体材料的价格比较低廉,但是由于它存在着较多的晶粒间界而有较多的弱点。多晶硅太阳能电池的实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率为10%。

63 非晶硅太阳能电池 非晶硅薄膜太阳能电池组件的制造采用薄膜工艺, 具有较多的优点,例如:沉积温度低、衬底材料价格较低廉,能够实现大面积沉积。
非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大,是单晶硅的40倍,1微米厚的非晶硅薄膜,可以吸引大约90%有用的太阳光能。 非晶硅太阳能电池的稳定性较差, 从而影响了它的迅速发展。

64 化合物太阳能电池 三五族化合物电池和二六族化合物电池。 三五族化合物电池主要有GaAs电池、InP电池、GaSb电池等;
二六族化合物电池主要有CaS/CuInSe电池、CaS/CdTe电池等。 在三五族化合物太阳能电池中,GaAs电池的转换效率最高,可达28%;

65 GaAs 化合物太阳能电池 Ga是其它产品的副产品,非常稀少珍贵;As 不是稀有元素,有毒。
GaAs 化合物太阳能电池虽然具有诸多优点,但是GaAs材料的价格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。