2.2 半导体光电探测器件及其使用

2.2.1 半导体光电导型探测器件

半导体光电导型探测器件，即光电导效应的器件（即PC器件）。它利用具有光电导效应材料，如硅、锗等本征半导体与杂质半导体，可以制成电导率随入射光变化的器件，称为光电导效应器件或光敏电阻。这种器件具有体积小、价格低、坚固耐用、使用方便、灵敏度高、光谱响应范围宽等优点，因而获得了广泛的应用。

1. 光敏电阻结构及原理

光敏电阻是在绝缘材料上装梳状等光电导体封闭在金属或塑料外壳内，再在两端连上欧姆接触的电极而成。为了避免外部干扰，入射窗口装有透明保护窗，使起特殊滤光作用（对所需光谱透明）。目前光敏电阻，一般采用Eg较大的材料，如金属的硫化物和硒化物等，使得在室温下能获得较大的暗电阻（无光照时的电阻）；采用 N 型材料，因 μn＞μp，这样增益也就大些。

由光电导效应可知，光敏电阻的光电导灵敏度与光敏电阻两极间距离l的平方成反比，为了提高光敏电阻的光电导灵敏度，要尽可能地缩短光敏电阻两极间的距离 l。根据光敏电阻这一设计原则，可以设计出如图2-7所示的3种光敏电阻基本结构。图2-7（a）所示的光敏面为梳形结构，两个梳形电极之间为光敏电阻材料。由于两个梳形电极靠得很近，电极间距很小，因而光敏电阻的灵敏度很高；图2-7（b）所示的光敏面为蛇形结构，其电极间距（为蛇形光电材料的宽度）也很小，从而也提高了灵敏度；图2-7（c）所示为刻线式结构的光敏电阻侧向图，它在制备好的光敏电阻衬基上刻出狭窄的光敏材料条，然后再蒸涂金属电极，从而构成刻线式结构的光敏电阻。因此，在均匀的具有光导效应的半导体材料两端加上电极，便构成光敏电阻。

光敏电阻的原理及电路的符号如图2-8所示。当光敏电阻的两端加上适当的偏置电压Ubb后，便有电流Ip流过。改变照射到光敏电阻上的光照度，流过光敏电阻的电流Ip将发生变化，说明光敏电阻的阻值随照度变化。一般有光照时的光敏电阻的阻值称为亮电阻。此时可得出光电导g与光电流Ip的表达式为

式中，gL为亮电导；gd为暗电导；IL为亮电流；Id为暗电流。

根据半导体材料的分类，光敏电阻有两大基本类型：本征型与杂质型。由于本征型半导体光敏电阻的长波限要短于杂质型的长波限，因此本征型半导体光敏电阻常用于可见光波段的探测，而杂质型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。

2. 常用的光敏电阻

（1）CdS（CdSe）光敏电阻

这两种光敏电阻是使用最广泛的，它们的光敏面为图2-7（b）所示的蛇形光敏面结构。CdS光敏电阻的光谱响应特性最接近人眼视见函数，线性度与温度特性较好，但响应速度慢，时间常数0.1s，被广泛地应用于灯光的自动控制，以及照相机的自动测光等；CdSe光敏电阻的响应与白炽灯或氖灯等光源的光输出有良好的匹配，其响应速度快，时间常数0.01s，但线性度与温度特性不太好，常作为光电开关使用。

CdS光敏电阻的峰值响应波长为0.52 µm，CdSe光敏电阻为0.72 µm，通过调整S和Se的比例，可使CdS（CdSe）光敏电阻的峰值响应波长控制在0.52～0.72 µm。

（2）PbS光敏电阻

PbS光敏电阻是近红外波段最灵敏的光电导器件，其光电导的厚度为微米数量级的多晶薄膜或单晶硅薄膜。由于PbS光敏电阻在2 µm附近的红外辐射的探测灵敏度很高，因而常用于火灾等领域的探测。PbS 光敏电阻的光谱响应及探测率等特性与工作温度有关，随着工作温度的降低，其峰值响应波长向长波长方向延伸，且峰值比探测率增加。例如，室温下的PbS光敏电阻的光谱响应范围为1～3.5 µm，峰值波长为2.4 µm，峰值比探测率D*高达1×1011cm·Hz·W-1。当温度降低到195K时，光谱响应范围为1～4 µm，峰值响应波长移至2.8 µm，峰值比探测率D*也增高到2×1011cm·Hz1/2·W-1。

（3）InSb光敏电阻

InSb光敏电阻是3～5 µm光谱范围内的主要探测器件之一。InSb光敏电阻由单晶材料制备，制造工艺比较成熟，经过切片、磨光、抛光后的单晶材料，再采用腐蚀的方法减薄到所需要的厚度，便可制成单晶InSb光敏电阻。光敏面的尺寸为0.5mm×0.5mm～8mm×8mm。大光敏面的器件由于不能做得很薄，其探测率较低。InSb材料不仅适用于制造单元探测器件，也适宜制造阵列红外探测器件。

InSb光敏电阻在室温下的长波长可达7.5 µm，峰值波长在6 µm附近，峰值比探测率D*约为1×1011cm·Hz1/2·W-1。当温度降低到77K（液氮）时，其长波限由7.5 µm缩短到5.5 µm，峰值波长也将移至5 µm，恰好为大气窗口的范围，其峰值比探测率 D*也升高到2×1011cm·Hz1/2·W-1。

（4）Hg1-xCdxTe系列光敏电阻

它是目前所有红外探测器件中性能最优良且最有前途的探测器件，尤其是对于4～8 µm大气窗口波段辐射的探测更为重要。

Hg1-xCdxTe系列光敏电阻是由HgTe和CdTe两种材料的晶体混合制造的，其中x表明Cd元素含量的组分。在制造混合晶体是选用不同Cd的组分x，可以得到不同的禁带宽度Eg，从而制造出不同波长响应范围的Hg1-xCdxTe探测器件。一般组分x的变化范围为0.18～0.4，长波限的变化范围为1～30 µm。

3. 光敏电阻的优缺点及使用要点

由前面分析可知，光电导型器件具有的优点是：灵敏度高；工作电流大（达数毫安）；光谱响应范围宽；非线性动态范围与所测光强范围宽；无极性而使用方便等。

光敏电阻的缺点是：响应时间长；频率特性差；强光线性差；受温度影响大等。

根据光敏电阻的结构、原理与优缺点，可总结出使用光敏电阻应注意的要点是：①注意所使用光敏电阻的电参数（电压、功耗）的限值，防止使光敏电阻的电参数超过允许值。②要根据不同用途，选用不同特性的光敏电阻。一般，用于数字信息传输时，选用亮电阻与暗电阻差别大的光敏电阻为宜，且尽量选用光照指数γ大的光敏电阻；用于模拟信息传输与测量时，则以选用γ值小的光敏电阻为宜，因光照指数γ与光照强弱有关，只有在弱光照射下光电流与入射辐射通量才成线性关系。③在选用光敏电阻的负载时，应考虑到光敏电阻的额定功耗，通常负载电阻值不宜很小。④光敏电阻的光谱特性与温度有关，当温度低时，其灵敏范围和峰值波长都向长波方向移动，可采取冷却灵敏面的办法来提高光敏电阻在长波区的灵敏度。⑤光敏电阻的温度特性很复杂，电阻温度系数有正有负，一般来说，光敏电阻不适于在高温下使用，特别是杂质光敏电阻在温度高时输出将明显减小，甚至无输出。⑥光敏电阻的频带宽度都比较窄，在室温下只有少数品种能超过1000Hz，而且光电增益与带宽之积为一常量，如要求带宽较宽，势必以牺牲灵敏度为代价。⑦在用于光度量测试仪器时，必须对光谱特性曲线进行修正，保证其与人眼的光谱光视效率曲线相符合。⑧用于光桥测光所用光源的光谱特性，必须注意与光敏电阻的光敏特性匹配。⑨要注意防止光敏电阻受杂散光的影响。⑩当进行动态设计时，应意识到光敏电阻的前历效应。

4. 光敏电阻的应用

由上述优缺点可知，光敏电阻多用来制作光控开关，也用于红外的弱光探测。例如，用于照相机自动曝光电路和公共场所，如厕所、公路两旁路灯自动控制电路，以及火灾的检测报警等。

（1）照相机电子快门的自动控制

自动控制曝光时间的照相机的电子快门电路如图2-9所示。当S闭合时，DT的线圈通电使快门打开。通过快门进入相机的光，使胶片感光，也使RP（光敏电阻）值下降对电容C充电，BG1导通，BG2与BG3也随之导通，使BG4截止，DT断电而关闭快门。

（2）路灯的自动控制

图2-10为公共场所路灯自动控制电路的一种，有时也和声控电路结合起来共同控制。电路一般由两部分组成：电阻R、电容C和二极管VD组成半波整流滤波电路；Cds光敏电阻和继电器J组成控制电路。路灯接在继电器J的动开触点上。这里使用的是电流继电器，通过的电流必须达到一定值时继电器才能动作。

当光线很弱时，光敏电阻阻值很大，与光敏电阻并联的路灯电阻相对较小，因而流过继电器线圈的电流很小，达不到启动要求，继电器不能工作；电路中的电流几乎全部通过路灯，于是路灯点亮。当环境照度逐渐变大时，光敏电阻阻值逐渐变小，流过继电器线圈的电流逐渐增大，增大到一定值时，流过继电器的电流足以使继电器J动作，动触点由动开位置跳到动合位置，路灯与电源断开，自动熄灭。

（3）火焰探测报警

图2-11为采用光敏电阻作为探测元件的火焰探测报警器电路图。图中所用的光电导元件为PbS光敏电阻，它的暗电阻的阻值为1MΩ，亮电阻的阻值为0.2MΩ（幅照度为1MW/cm2下测试），峰值响应波长为2.2 μm，恰为火焰的峰值辐射光谱。

从图2-11可看到，由VT1、电阻R1、R2和稳压二极管VDw构成对光敏电阻R3的恒压偏置电路。这种恒压偏置电路具有更换光敏电阻方便的特点，只要保证光电导灵敏度 Sg不变，输出电路的电压灵敏度就不会因为更换光敏电阻的阻值而改变，从而使前置放大器的输出信号稳定。当被探测物体的温度高于燃点或被点燃发生火灾时，物体将发出波长接近于2.2 μm的辐射（或“跳变”的火焰信号），该辐射光将被PbS 光敏电阻 R3接收，使前置放大器的输出跟随火焰“跳变”的信号，并经电容C2耦合，送给由VT2、VT3组成的高输入阻抗放大器放大。火焰的“跳变”信号被放大后送给中心站放大器，并由中心站放大器发出火灾警报信号，或执行灭火动作，如喷淋出水或灭火泡沫等。

2.2.2 光电池

光电池、光电二极管与光电三极管均属半导体光伏型探测器件，也称为结型器件。它是少数载流子导电的光电效应，从而与多数载流子导电的光电导型器件有很大差别，如响应速度快、线性好、暗电流小、噪声低、受温度影响小等是光电导型器件无法比的，因而应用广泛。

1. 光电池的结构、原理与类型

光电池是一种最简单的光伏型器件，目前应用较多的是硒光电池和硅光电池。硒光电池因光谱特性与人眼视觉很相近，频谱较宽，故多用于曝光表及照度计。硅光电池与其他半导体光电池相比，是目前转换效率最高的（已过17%）。此外，还有薄膜光电池、紫光电池、异质结光电池等。薄膜光电池是把硫化镉等材料制成薄膜结构，以减轻重量、简化阵列结构，提高抗辐射能力和降低成本；紫光电池是把硅光电池的PN结减薄至结深为0.2～0.3 μm，光谱响应峰值移到600nm以下，来提高短波响应，以适应外层空间使用；异质结光电池利用不同禁带宽度的半导体材料做成异质PN结，入射光几乎全透过宽带材料一侧，而在结区窄禁带材料中被吸收，产生电子-空穴对。利用这种“窗口”效应，提高入射光的收集效率，以获得高于同质结硅光电池的转换效率，理论上最大可达30%，但目前因工艺尚未成熟，仍低于硅光电池。

光电池是基于一个PN结的光生伏特效应，一般做成面积较大的薄片状，来接收更多的入射光。图2-12是硅光电池结构示意图，它是用单晶硅组成的。国产同质结硅光电池因衬底材料导电类型不同而分成2CR型与2DR型两类：2CR型硅光电池是在一块以N型硅作衬底的硅片上，扩散P型杂质（如硼），形成一个扩散P+N结，P型杂质为受光面；2DR型硅光电池是在一块以P型硅作衬底的硅片上，扩散N型杂质（如磷），形成一个扩散N+P结。一般，作为光电探测器的多为P+N型，即2CR型。N+P型硅光电池具有较强的抗辐射能力，适合空间应用，作为航天的太阳能电池，即2DR型。

2. 光电池的应用

光电池的应用主要有两个方面：

① 利用光电池作为探测器件，有着光敏面积大，频率响应高，光电流随照度线性变化等特点。因此，它既可作为光电开关应用，也可用于线性测量。它可按不同测量要求特制，如光栅测量中使用的四等分硅光电池之类的多极电池组，电极数目有3、4、5个等多种。还有把光电池制成两个对称半圆式，四象限式，其单片电池参数相差在10%以内，适用于差分放大电路。此外它还用在光电读数、激光准直、电影还音等装置上。

② 利用光电池将太阳能转变成电能，目前主要是使用硅光电池，因为它能耐较强的辐射，转换效率较其他光电池高。为了提高其功率，可将硅光电池单体经串与并联组成阵列结构。如把硅光电池单体经串联达到所需电源的电压、并联达到所需电源的电流，然后组成一个太阳电池组。在实用中，多与镍镉蓄电池配合，白天利用太阳能量给蓄电池充电，夜晚则由蓄电池供电。目前，多用它作为人造卫星、飞船、野外微波站、野外灯塔、海上与江河上的航标灯、无人气象站等无输电线路地区的电源供给。

2.2.3 光敏二极管

1. 光敏二极管的结构与原理

光敏二极管和光电池的基本结构都是一个PN结，但它与光电池的不同是：①结面积比光电池小，因而输出电流普遍比光电池小，一般在数μA到数十μA；②电阻率比光电池高（1000 Ω/cm），而光电池仅0.1～0.01 Ω/cm；③制作衬底材料的掺杂浓度比光电池低（1012～1013原子数/cm3），而光电池为1016～1019原子数/cm3；④全在反向偏置电压下工作，而光电池多工作在零偏。由于半导体硅的温度系数小，工艺最成熟，因此实际中多使用硅光敏二极管。

光敏二极管与普通二极管相比，也都有一个PN结，均属于单向导电性的非线性元件。但光敏二极管是一种光电器件，在结构上有它的特殊地方，如图2-13所示。为了获得尽可能大的光生电流，需要有较大的工作面，即PN结面积比普通二极管要大得多，且通常都以扩散层作为它的受光面，为此受光面上的电极做得较小；为了提高光电转换能力，PN 结的深度较普通二极管浅；为了保证管子的稳定性、减小暗电流和防止光线的反射，在表面上还必须用二氧化硅作保护。

国产硅光敏二极管按衬底材料导电类型的不同，可分为2CU与2DU两种类型。2CU型以N-Si为衬底，而2DU型则以P-Si为衬底。2CU型光敏二极管只有二个引出线，而2DU型光敏二极管则有三个引出线，因为除了前级和后级以外，还设有一个环极。加环极的目的是为了减少暗电流和噪声。因为2DU型是以P-Si为衬底，在二氧化硅保护膜中常含有少量的钠、钾、氢等正离子，它们的静电感应可使 P-Si 表面产生一个感应电子层，从而使 P-Si表面与N-Si连通。这样，当管子加反偏压时，从前级流出的暗电流除PN结的反向漏电流外，增加了表面感应层产生的漏电流。如设置一个N+-Si的环极把受光面N-Si包围起来，为这个感应电子层的漏电流提供一条不经过负载即可达到电源的通路，从而减小了流过负载的暗电流，也减小了噪声。而2CU型以N-Si为衬底，在它的表面产生不了电子感应层，因而就不需要加环极。

2. 光敏二极管的类型

光敏二极管的种类很多，就材料来分，有锗、硅制作的光敏二极管，也有Ⅲ-Ⅴ族化合物及其他化合物制作的二极管。从结特性来分，有 PN 结、PIN 结、异质结、肖特基势垒型及点接触型等。从对光的响应来分，有用于紫外、可见及红外等种类。不同种类的光敏二极管，具有不同的性能。例如，锗光敏二极管比硅光敏二极管在红外光区域有更大的灵敏度，这是由于锗材料的禁带宽度较硅小，其本征吸收限处于红外。因此，在近红外应用，锗光敏二极管有较大的电流输出，但它比硅光敏二极管有较大的反向暗电流，因此它的噪声较大。又如， PIN型或雪崩型光敏二极管与扩散型PN结光敏二极管相比，具有很短的时间响应等。因此，了解光敏二极管的类型及性能，就可以在使用中进行合理挑选。

（1）扩散型PN结光敏二极管

这种管子是指耗尽层厚度比结的任何一边的扩散长度要小的管子。它的工作区主要是结两边的扩散区。因此，对光生电流的贡献主要是扩散电流，而不是漂移电流。由于扩散过程中的复合，使复合区产生的噪声较耗尽层型探测器的散粒噪声要大得多。此外，有外加电压时，两个扩散区内都出现一定的少数载流子积累，而且它的浓度随电压的变化而变化，这样就造成了一个附加的电容效应，它限制了扩散型PN结光敏二极管的频率响应特性。对于这种结的截止频率fc，其近似表示式为

式中，D为基体少数载流子的扩散系数；W为扩散区宽度。

改变杂质的分布，可使光照面附近产生一个增强的电场，频率响应会得到一定的改善。这就是缓变型PN结，但它的响应始终不如耗尽层型光敏二极管。

（2）耗尽层型光敏二极管

耗尽层型光敏二极管，又称为肖特基势垒光敏二极管，其势垒不再是PN结，而是金属和半导体接触形成的阻挡层，即肖特基势垒。这是指耗尽区比结的任一边的扩散长度大的管子，它的光电转换区域主要是在耗尽层内，光电流主要是由漂移电流引起的，这种管子响应时间短，有很高的频率响应，可探测5～10ns的光脉冲信号，且量子效率高。

作为高频光电探测器的设计参数，半导体对光的吸收系数α和耗尽层厚度W极为重要。为了使来自基体的较慢的扩散流减至最小，必须使W ＞1/α。同时，小的耗尽层电容也需要有大的W。但是，如果W太大，高频响应反而会由于载流子的渡越时间（主要是漂移时间）而受到限制。在高电场中，电子的渡越时间为W/Vs。那么，截止频率fc为

式中，Vs为电子饱和漂移速度。对纯电阻性负载而言，有RCωc=1，这时会出现因RC时间常数所致的高频截止ωc。耗尽层电容C为

串联电阻R为

式中，ρ为基体材料电阻率；l为除耗尽层以外的基体材料的厚度。实际上，R还应包括薄层电阻肖特基势垒中的薄金属层和接触电阻。但由于这种二极管基体的电阻率较高，因此主要考虑基体材料所形成的欧姆电阻。根据基本公式RCωc=1，结合式（2-10）与式（2-11）就可以得到截止频率ωc，即

根据式（2-9）和式（2-12）可以看出，当选取的W为

就会有一个最佳的截止频率。

肖特基势垒光电二极管的主要优点是，在0.4～0.6 μm波段的灵敏度高于一般的硅光电二极管，其光敏面可以做得很大，且均匀性好，动态范围大，因而很适于作为四象限探测器，用于激光跟踪、定位、侦察、制导等系统。此外，用它做成的 CCD 混合焦平面阵列，其均匀性比一般红外探测器焦平面阵列均匀性高100倍以上，有利于提高系统的性能。

（3）异质结光敏二极管

若将禁带宽度Eg不同的两种半导体材料作成异质PN结，即可构成异质结光敏二极管。通常，以Eg大的材料作为光接收面，如用Eg大的N-GaAs与P-Ge构成的异质结光敏二极管，当有光照时，能量大于N-GaAs的Eg的光子将被GaAs吸收，若GaAs材料厚度大于光生载流子的扩散长度时，则能量大于 N-GaAs 的 Eg的短波光子所产生的电子-空穴对将不能到达结区，因而对光电流没有贡献。而能量小于N-GaAs的Eg的长波光子能够通过GaAs材料而在 P-Ge 中被吸收而产生光电流。因此，异质结光敏二极管的宽禁带材料起着滤波作用，即把波长 λ≤1.24/Egm（μm）的短波成分滤掉（Egm是宽禁带材料的禁带宽度）。这种异质结光敏二极管又称为窄带自滤波探测器，它的光谱响应半宽度Δλ很窄，能较好地抑制背景噪声。所以，异质结光敏二极管具有背景噪声低、量子效率高、信号均匀等特点，因而有广阔的应用前景。

采用Ⅲ～Ⅴ族化合物半导体，如InxGa1-xAs、InxGa1-xAsyP1-y、InxGa1-xAsySb1-y等固溶体三元系或四元系材料制成的异质结光敏二极管，可工作于1～1.6 μm波段，是光纤通信用的理想探测器。这种器件还可通过改变组分x来调节光谱响应范围。例如，InGaAsP系列异质结探测器，其峰值响应波长为1.06～1.2 μm，长波限达1.35 μm，量子效率为45%～70%，暗电流为1～5 μA/cm2，响应时间可从几个ns到几十ps量级，是响应速度非常快的器件。利用GaAs液相外延的方法制作的GaAs1-xSbx异质结探测器，仅有1nA的暗电流和近于0.1pF的结电容，响应频率高，也是良好的近红外高速探测器。采用Si/GexSi1-x及Si/SiSe做成的长波长异质结红外探测器，是近年来人们关注的材料和器件，其响应波长可作到10 μm以上。

（4）PIN光敏二极管

前面刚提到的扩散型PN结光敏二极管，对光电池的主要贡献是光生载流子的扩散电流，因此，受到扩散时间与扩散过程中的复合所造成的噪声的影响。而肖特基势垒光敏二极管虽然没有这两方面的影响，但是，表面的金属薄层有很强烈的反射，阻挡了光线进入耗尽层。这里介绍的扩散型PIN光敏二极管就可兼有上述两种管子的优点。

PIN 光电二极管的结构和它在反向偏压下的电场分布，如图2-14所示。在高掺杂P型和N型半导体之间生长一层本征半导体材料或低掺杂半导体材料，称为I层。选择一定厚度的I层，使之近似于反偏压下的耗尽层厚度，就使PIN型光敏二极管具有甚至优于耗尽层型光敏二极管的高速响应特性。这种I层所起的作用是：①因为相对P区及N 区来说，I 层是高阻区，在工作情况下，它承受着极大部分的外加电压，使耗尽区增大，从而展宽了光电转换的有效工作区域，提高了量子效率与灵敏度。②为了取得较大的PN结击穿电压，必须选择高电阻率的基体材料，这样势必增加了串联电阻，使RC时间常数增大，影响管子的频率响应。而I层的存在，使击穿电压不再受到基体材料的限制，从而可选择低电阻率的基体材料。这样不但提高了击穿电压，既可承受较高的反向偏压，使线性输出范围变宽，又可减少串联电阻和时间常数。③由于I层的存在，使扩散区不会到达基体，从而减少了或根本不存在少数载流子通过扩散区的扩散时间。而I层工作在反向时，实际上是一个强电场区，对少数载流子起加速作用。即使I层较厚，对少数载流子的渡越时间影响也不大，这就提高了响应速度。其响应时间为1～3ns，最短达0.1ns。④反偏下，耗尽层较无I层时要大得多，从而使结电容下降，一般结电容为零点几到几个pF，从而提高了频率响应。

显然，要使入射光功率有效地转换成光电流，首先必须使入射光能在耗尽层内被吸收，这就要求耗尽层宽度足够宽。但是随着宽度的增大，在耗尽层的载流子渡越时间也会增大，从而使PIN的响应速度下降。因此，耗尽层宽度需在响应速度和量子效率之间进行折中。

如果采用类似于半导体激光器中的双异质结构，则PIN的性能可以大为改善。因为可通过选择P区、N区和I区的带隙（Eg），使得光吸收只发生在I区，从而完全消除扩散电流的影响。例如，在光纤通信中，常采用 InGaAs 材料制成 I 区和 InP材料制成P区及N区的PIN光电二极管，其结构如图2-15所示。InP材料的带隙（即禁带宽度）为1.35eV，大于InGaAs的带隙，对于波长在1.3～1.6 μm 范围的光是透明的，而 InGaAs 的 I 区对1.3～1.6 μm的光表现为较强的吸收，几微米的宽度就可以获得较高响应度。在受光面，一般镀增透膜以减弱光在端面上的反射。

由于在PN结中间夹着一层很厚的本征半导体I层，在反向电压作用下耗尽区扩展到整个半导体，PN结的内建电场就基本上全集中于I层中，光生载流子在内建电场的作用下，只产生漂移电流。因此，PIN光敏二极管的响应时间很短，为10-9s左右，频带很宽，达10GHz。并且，由于I层很厚，可承受较高的反向电压，因而PIN光敏二极管的线性输出范围很宽。当入射光功率低于mW量级时，器件不会发生饱和。其不足仅是，因I层电阻很大，所以输出电流小，一般为零点几μA至数μA。

由于PIN光敏二极管的I层电阻很大，其输出电流小，因而需将PIN光敏二极管与前置运算放大器集成在同一硅片上，并封装于一个管壳内，这就是PIN混合集成光电检测器件。

PIN混合集成光电检测器件的外形及引脚如图2-16所示。该器件是把PIN管与一个双极型三极管宽带低噪声放大器混合集成的光电接收组件，其原理图如图2-17所示。器件输出为负极性（即输入光信号为正脉冲，输出的电压信号为负脉冲）。其输出级为射极跟随器。

B-GJ3系列PIN混合集成光电接收器的主要性能如表2-1所示。

在使用时，在VA与地，VB与地之间应各外接一个50～100 μF的滤波电容器。此外还应注意，不要对引脚放电，也不要使引脚过热，要在防静电工作台上操作，否则器件很可能遭受静电损伤。此类部件由于具有响应频带宽、灵敏度和信噪比高等优点，常被用做微弱信号的光电检测和30Mbps的短波长的光通信系统的光电接收器。

有的集成器件使用PIN-FET微型组件，即用一个小面积和小电容的PIN光电二极管与高输入阻抗的场效应管（Field Effect Transistors，FET）前置放大器组合，其中所有引线长度及杂散电容都做得非常小。由于电容小，输入阻抗高，可以大大降低热噪声。这种集成器件具有供电电压低，工作稳定，使用方便等特点，因而使它在光通信、光雷达以及其他要求快速光电自动控制系统中得到了非常广泛的应用。

（5）雪崩光敏二极管（APD）

PIN光敏二极管工作时的反向偏置都远离击穿电压，而雪崩光敏二极管是利用PN结在高反向电压（略低于击穿电压）下产生的雪崩效应来工作的一种与光电倍增管相对应的半导体器件。它通常工作在很高的反偏电压状态，自身有电流增益，具有响应度高、响应速度快等特点。

在设计雪崩光敏二极管时，要保证载流子在整个光敏区的均匀倍增，这就需要选择无缺陷的材料，必须保持更高的工艺卫生和保证结面的平整。可采用保护环结构来消除低击穿现象。目前，制作对1.06 μm掺钕激光波长特别敏感的雪崩光敏二极管（量子效率达30%）的材料主要是锗和硅。图2-18为这种二极管的示意图及杂质剖面图。在器件两端加反向偏压，直至PN结的耗尽层正好穿通低浓度（一般电阻率大于5000 Ω·cm）的π区。这时，结中的峰值电场如图2-19所示，正好比引起雪崩击穿的电场小一点，若再加一小电压，就可使耗尽层很快加大到P+进入器件，电子被扫到高场区，在这里发生了倍增。高场区生成的空穴横渡π区到达P+区，构成倍增信号。

由于PIN光敏二极管在较高的反向偏压下其耗尽区会扩展到整个PN结区，从而形成自身保护（具有很强的抗击穿功能），因而不必设置保护环。所以，目前市场上的雪崩光敏二极管，基本上多为PIN雪崩光敏二极管。

一般，雪崩光敏二极管的增益可达几百倍，甚至数千倍。其电流增益或放大倍数为

式中，Iφ为倍增前的输出电流；IF为倍增后的输出电流。

当没有光照时，PN 结不会发生雪崩倍增效应。但结区一旦有光照射时，即激发起光生载流子，它们被临界强电场所加速，从而诱发起雪崩倍增，使输出电流得到迅速增加。如果反向偏压大于击穿电压时，器件结区被击穿。击穿电压与器件的工作温度有关，温度升高时，击穿电压会增大。一般，雪崩光敏二极管的击穿电压在几十伏到几百伏之间。

雪崩光电二极管暗电流和光电流与偏置电压的关系曲线如图2-20所示。当工作偏压增加时，输出亮电流（即光电流和暗电流之和）按指数形式增加。在偏压较低时，不产生雪崩过程，即无光电流倍增。因此，当光脉冲信号入射后，产生的光电流脉冲信号很小（如A点波形）。当反向偏压升至B点时，光电流便产生雪崩倍增，这是光电脉冲信号输出增大到最大（如B点波形）。当偏压接近雪崩击穿电压时，雪崩电流维持自身流动，使暗电流迅速增加，光激发载流子的雪崩放大倍率却减小，即光电流灵敏度随反向偏压增加反而减小，如在 C 点处光电流的脉冲信号减小。换句话说，当反向偏压超过 B 点后，由于暗电流增加得更快，使有用的光电流脉冲幅值减小。所以最佳工作点在接近雪崩击穿点附近。有时为了降低暗电流，会把工作点向左移一些，虽然灵敏度有所降低，但是暗电流和噪声特性有所改善。

由图2-20可以看出，在雪崩击穿点附近电流随偏压变化的曲线较陡，当反向偏压有较小变化，光电流将有较大变化。另外，在雪崩过程中PN结上的反向偏压容易产生波动，将影响增益的稳定性。所以，在确定工作点后，对偏压的稳定度要求很高。

硅雪崩光敏二极管的光谱响应范围为0.4～1.1 μm。为了将响应波长扩展至相应于半导体禁带宽度的长波限以外，可将雪崩二极管（雪崩倍增效应发生在势垒区）和金属-半导体接触的肖特基势垒二极管（利用该势垒的内光电发射效应）结合起来。如将钯与N型硅构成雪崩光敏二极管就是一种巧妙的结合。一些能量小于硅禁带宽度的光子透过硅，被金属钯吸收，将电子激发到高能态，一部分被激发的电子具有足够的能量进入势垒区，参与雪崩倍增。器件的长波限取决于由接触金属与不同半导体导电类型决定的势垒高度；短波限取决于硅“窗口”的本征吸收。这种雪崩光敏二极管的响应波长可达1～2 μm。如果选择适当的接触金属和硅的导电类型以及合适的工作温度，它的响应波长还可延伸至4 μm。

由于雪崩光敏二极管工作时加有很高的反向电压，使光生载流子在结区的渡越时间很短，其结电容也只有几个pF，甚至更小。这种管子的响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光敏二极管。如硅管的响应时间为0.5～1ns，频率响应可达几十GHz。

由于雪崩光敏二极管中载流子的碰撞电离是不规则的，碰撞后的运动方向也是随机的，所以它的噪声比一般光敏二极管的大。在无倍增的情况下，其噪声电流是散粒噪声；当雪崩倍增M倍后，其噪声电流的均方根值的近似计算式为

式中，指数n与雪崩光敏二极管的材料有关。对于锗管，n=3；对于硅管，n=2.3～2.5。显然，由于信号电流按M倍增大，而噪声电流按M n/2倍增大，因而噪声电流比信号电流增大得更快。

雪崩光敏二极管与光电倍增管相比，具有体积小、工作电压低、使用方便等特点。但是，其暗电流比光电倍增管的大，相应的噪声也大，故光电倍增管更适于弱光探测。而在光谱为0.8～1.1 μm区，光电倍增管的量子效率又低于雪崩光敏二极管，所以在这段光谱，雪崩光敏二极管对窄脉冲响应有更好的探测响应度。

2.2.4 光敏三极管

1. 光敏三极管的结构与原理

光敏三极管和普通晶体三极管相似。其相同点：一是也有PNP与NPN两种基本结构（即都是有二个PN结的结构）；二是也有电流放大作用。其不同之处是：它的集电极电流主要受光的控制，不管是PNP型还是NPN型光敏三极管，一般用基极-集电极结作为受光结，因而有光窗；其次是只有集电极和发射极二根引出线（极少的也有基极引线）等。因此，光敏三极管是一种相当于在基极和集电极之间接有光电二极管（反向偏置）的普通三极管，它们的结构及简化原理如图2-21所示。

国产的PNP型光敏三极管为3CU型，它是以P型硅材料为衬底制作的；NPN型光敏三极管为3DU型，它是以N型硅材料作为衬底的，如图2-21（a）所示。由图2-21（b）可知，光敏三极管是一种相当于将基极集电极光敏二极管的电流，加以放大的普通三极管放大器。PNP型光敏管在原理上与NPN型相同，只是所加的电压相反，集电极加上相对于发射极为负的电压。

2. 光敏三极管特性分析

将光敏二极管等效电路与普通三极管等效电路相结合，可以得到图2-22所示的光敏三极管的等效电路，图中，Ip为c、b结二极管电流源；Ccb为c、b结电容；Rcb为c、b结分流电阻（相当于光电池中的 Rsh）；Rs为串联电阻；Cbe为基极发射极电容；rbe为基极发射极正向电阻；iL为放大后的电流源，iL=βip；β为三极管电流放大倍数；Rce为集电极发射极电阻；RL为负载电阻。为了便于分析和简化计算，在信号等效电路图中略去了载流子通过基区所需的时间（即渡越时间）对信号的影响。由图2-22可以清楚地看出：ip、Ccb、Rcb及Rs构成的电路与光电池及光敏二极管的等效电路完全相同。由于Rcb＞＞rbe，Cbe＞＞Ccb，同时，Rs在现今的工艺中完全可以忽略，因此，ip在Rbc及Cbc中的分流可以不考虑，Rs在讨论中可以略去。图2-22可用更简单的图2-23来表示。

由图2-23可知，基极与发射极电压为

于是可得输出电压Vo为

式中，Vbe为施加于b、e结的信号电压；R为RL与Rce的并联阻抗， 。

选择合适的负载，使RL＜＜Rce，此时R≈RL，式（2-17）可以简化为

考虑恒定光照，则Vo为

与光敏二极管相比，光敏三极管将信号放大了β倍。但由于β的非线性（不同的ip有不同的β），使得光敏三极管的输出信号与输入信号之间没有严格的线性关系，这是它的不足之处。

从式（2-16）可以看出，在交变光信号下，由于 Cbe的存在造成对信号电流的分流。如果频率高，会使Cbe的阻抗等于rbe，则

即有一半信号被Cbe所旁路，使有用的信号大为减小。同样，由于Cce的旁路作用使流过RL的输出电流也大为减少。因此，为了提高输出，必须使时间常数rbeCbe和RLCce尽可能小，这与一般高频三极管的考虑完全一致。但有一点需指出，式（2-18）中分子与分母同时包含有RL，因此一定有一个RL值使响应最佳。RL的增大，可以使输出电压的幅度增加。但是，时间常数 RLCce也增大，使频率响应下降，从而使输出幅度下降。因此，使用中必须从响应速度与输出信号幅度两个方面来折中选择RL。

为了提高增益与频率响应，减小体积，常将光敏二极管、光敏三极管与晶体三极管制作在一个硅片上构成集成光电探测器件，如图2-24所示，其中以达林顿光电三极管的电流增益最高，一般均可达到几百。

2.2.5 光伏型与光电导型器件的区别及使用要点

1. 光伏型与光电导型器件的区别

光伏型（即光电池、光敏二极管、三极管等结型）光电探测器件与光电导型光电探测器件（光敏电阻）相比，主要区别是：

① 产生光电变换的部位不同。因光敏电阻不管哪一部分受光，其受光部分的电导率就增大，是一种多数载流子的光生伏特效应；而结型器件，只有照射到PN结区或结区附近的光才能产生非平衡载流子，是一种少数载流子的光生伏特效应。而光在其他部位产生的非平衡载流子，大部分在扩散中被复合掉，只有少部分通过结区，但又被结电场所分离，因此对光电流基本上没有贡献。

② 器件连接不同。由于光敏电阻没有极性，因而使用方便，工作时可任意外加电压；而结型光电器件则有确定的正负极性，不能接错，但光电池可在没有外加电压下也可把光信号转换成电信号。

③ 响应时间与频率特性不同。光敏电阻的光电导效应主要依赖于载流子的产生与复合运动，时间常数较大，频率响应较差；而结型器件的电场主要加在结区，其光电效应主要依赖于结区的非平衡载流子的运动，弛豫过程的时间常数（可用结电容和电阻之积表示）相应较小，因此响应速度较快。

④ 工作电流与灵敏度不同。光敏电阻有灵敏度高、工作电流大（达数毫安）的特点；而结型器件一般较小，但光电三极管、雪崩光电二极管等有较大的内增益作用，因此灵敏度也较高，也可以通过较大的电流。

⑤ 光谱响应与光电线性不同。光敏电阻有对微弱辐射的探测能力与光谱响应宽的特点。因为光敏电阻的光电特性不像光伏器件线性好，而是非线性的，但在很低照度下呈线性，且灵敏度高，因而有对微弱辐射的探测能力；并且光敏电阻的光谱响应比光伏器件宽，尤其在红外波段，如PbS光敏电阻的光谱响应范围为400～2800nm，因而常用于火点探测与火灾预/报警系统。

⑥ CdS 光敏电阻的感光特性与人眼最接近，适于作为照相机曝光表与空气烟尘检测器等可见光装置；光敏二极管与光敏三极管的最佳响应特性在近红外区，适于作为红外遥控、红外光束阻断报警器等装置。

显然，结型器件和光电导型器件（光敏电阻）相比，各有优缺点，因此应用于不同场合。

2. 光伏型器件使用要点

在使用半导体光生伏特效应的光电探测器件时，必须注意以下的几个要点：

● 注意确定器件引脚的 P、N 端。光伏器件的核心是 PN 结，使用前必须用万用表确定器件引脚的P、N端，以免在电路中接错。

● 使用前要测试。光电器件在使用前要测试一下好坏，并分清是光敏二极管还是光敏三极管，这一点十分重要。因为它们的负载电阻有较大的差别，一般，光敏三极管的负载电阻为光敏二极管负载电阻的1/10。

● 注意电源的连接。光伏器件都有确定的极性，如要加电压使用时，必须注意对 PN结加反向电压，即用确定的P端连接外电源的低电位。

● 注意入射光强与器件的配合。在使用光伏型器件时，应视用途选择入射光强的范围。因为光电检测器件一般光照弱些，负载电阻小些，加反偏压使用时，其光电特性线性好些，反之则差一些。因此，在用于开关电路或逻辑电路时，光照可以选强些；如用于模拟量测量时，光照就不宜过强。

● 注意器件的使用条件和方法。虽然灵敏度主要决定于器件，但也与使用条件和方法有关。例如，光源和接收器在光谱特性上是否匹配；入射光的方向与器件的光敏面法线是否一致等。

● 注意选择负载电阻。结型器件的响应速度都很快。它主要决定于负载电阻和结电容所构成的时间常数（τ=RC）。负载电阻大，输出电压可以大，但 τ 会变大，响应变慢。相反，负载电阻小些，输出电压要减小，但τ会变小，响应速度变快。

● 注意灵敏度与带宽的折中。灵敏度与频带宽度之积为一常数的结论，对结型光电检测器件也是适用的。

● 注意器件的使用温度。器件的各种参量差不多都与温度有关，但其中受温度影响最大的是暗电流。暗电流大的器件，容易受温度变化的影响，从而使电路工作不稳定，同时噪声也大。

● 注意电磁与光的干扰。除了温度变化、电、磁场干扰可引起电路发生误动作外，背景光或光反馈也是引起电路误动作的重要因素，应注意设法避免与消除。

● 注意加红色有机玻璃滤光。光敏二极管或光敏三极管，并非只对红外光敏感，在制作时要防止环境光（日光与灯光）过强而使放大电路输出饱和而失控，因而可加红色有机玻璃滤光，以减少环境光的影响。

● 注意光敏二极管和光敏三极管灵敏度与工作频率的使用区别。光敏三极管使用时基极通常开路，光感生电流直接馈入基极而被光敏三极管自己放大，因此光敏三极管灵敏度通常比光敏二极管大100多倍；光敏三极管的最大工作频率只有几百千赫，而光敏二极管则为几十兆赫。

● 注意光敏二极管和光敏三极管线性与响应时间的使用区别。光敏二极管的光电流小，输出特性线性好，响应时间快。光敏三极管光电流大，输出特性线性差，响应时间慢。通常，要求灵敏度高、工作频率低的开关电路，可选光敏三极管；要求线性好与工作频率高时，则用光敏二极管。

2.2.6 半导体光电探测器件的检测及应用电路

1. 光敏二极管的检测及应用电路

（1）光敏二极管的检测方法

①电阻测量法：这种测量法是用万用表 R×1kΩ挡测量的。一般，光敏二极管正向电阻为10kΩ左右，在无光照的情况下，反向电阻为∞时，说明光敏二极管是好的（若反向电阻不为∞时，说明该光敏二极管的漏电流大）；当有光照时，反向电阻会随光照强度的增加而减小，其阻值可达到几kΩ或1kΩ以下，则管子是好的，如果反向电阻都是∞或为零，则管子是坏的。

② 电压测量法：这种测量法是用万用表1V挡测量的。用红表笔接光敏二极管正极“+”，黑表笔接光敏二极管负极“-”，在有光照射下，其电压与光照强度成比例，则管子是好的，一般电压可达0.2～0.4V。

③ 短路电流测量法：这种测量法是用万用表50A挡或500VA挡测量的。用红表笔接光敏二极管正极“+”，黑表笔接光敏二极管负极“-”，在白炽灯下（不能用日光灯），随着光照强度的增加，其电流增加则管子是好的，短路电流可达数十至数百安。

（2）光敏二极管的基本应用电路

通常，光敏二极管可用做光信号放大电路及光开关电路。在使用时应注意，受光表面要保持清洁，必要时可使用棉球擦净。

光敏二极管的基本应用电路如图2-25所示，图2-25（a）是常用的光信号放大电路的连接方法，输出电压VSC随光照强度的增加而减小。为了保证入射光强度与输出保持线性关系，反向电压不低于5V。图2-25（b）为开关电路的连接方法，光敏二极管的的光电流经两级放大后，使继电器吸合。

2. 光敏三极管的检测及应用电路

（1）光敏三极管的检测方法

① 电阻测量法：将万用表打在R×1kΩ挡，用黑表笔接c，红表笔接e。在无光照时，指针微动接近∞；若在白炽灯光照下，则指针随光照变化而变化，光照强度大时电阻变小，可达1kΩ到几kΩ，则管子是好的。若不论有无光照，电阻均为∞或表针微动接近∞，则管子己坏。

② 电流测量法：将万用表打在50 µA挡，并串联在电路中，使电路工作电压为10V。在无光照时，其电流小于0.3 µA；将万用表打在5mA挡，若在白炽灯光照下，则指针随光照增加而加大，并在零点几到几mA之间变化，则管子是好的，否则管子是坏的。

值得指出的是，一般光敏三极管的引脚是短脚为c，长脚为e。实践证明，用25W白炽灯时，在20cm距离时可达1000lx左右。

（2）光敏三极管的基本应用电路

光敏三极管可以用来以可见光或红外光的形式控制报警器、测试仪、自动开关、继电器等多种装置或执行机构。光敏三极管的基本应用电路如图2-26所示。其中图2-26（a）为开关电路；图2-26（b）为放大电路。将图2-26（a）与图2-26（b）相比较后，可看出，由于光敏三极管本身有放大作用，因而只要一级三极管放大，即可驱动继电器