2.2 半導(dǎo)體光電探測(cè)器件及其使用

2.2.1 半導(dǎo)體光電導(dǎo)型探測(cè)器件

半導(dǎo)體光電導(dǎo)型探測(cè)器件，即光電導(dǎo)效應(yīng)的器件（即PC器件）。它利用具有光電導(dǎo)效應(yīng)材料，如硅、鍺等本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體，可以制成電導(dǎo)率隨入射光變化的器件，稱為光電導(dǎo)效應(yīng)器件或光敏電阻。這種器件具有體積小、價(jià)格低、堅(jiān)固耐用、使用方便、靈敏度高、光譜響應(yīng)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。

1. 光敏電阻結(jié)構(gòu)及原理

光敏電阻是在絕緣材料上裝梳狀等光電導(dǎo)體封閉在金屬或塑料外殼內(nèi)，再在兩端連上歐姆接觸的電極而成。為了避免外部干擾，入射窗口裝有透明保護(hù)窗，使起特殊濾光作用（對(duì)所需光譜透明）。目前光敏電阻，一般采用Eg較大的材料，如金屬的硫化物和硒化物等，使得在室溫下能獲得較大的暗電阻（無光照時(shí)的電阻）；采用 N 型材料，因 μn＞μp，這樣增益也就大些。

由光電導(dǎo)效應(yīng)可知，光敏電阻的光電導(dǎo)靈敏度與光敏電阻兩極間距離l的平方成反比，為了提高光敏電阻的光電導(dǎo)靈敏度，要盡可能地縮短光敏電阻兩極間的距離 l。根據(jù)光敏電阻這一設(shè)計(jì)原則，可以設(shè)計(jì)出如圖2-7所示的3種光敏電阻基本結(jié)構(gòu)。圖2-7（a）所示的光敏面為梳形結(jié)構(gòu)，兩個(gè)梳形電極之間為光敏電阻材料。由于兩個(gè)梳形電極靠得很近，電極間距很小，因而光敏電阻的靈敏度很高；圖2-7（b）所示的光敏面為蛇形結(jié)構(gòu)，其電極間距（為蛇形光電材料的寬度）也很小，從而也提高了靈敏度；圖2-7（c）所示為刻線式結(jié)構(gòu)的光敏電阻側(cè)向圖，它在制備好的光敏電阻襯基上刻出狹窄的光敏材料條，然后再蒸涂金屬電極，從而構(gòu)成刻線式結(jié)構(gòu)的光敏電阻。因此，在均勻的具有光導(dǎo)效應(yīng)的半導(dǎo)體材料兩端加上電極，便構(gòu)成光敏電阻。

光敏電阻的原理及電路的符號(hào)如圖2-8所示。當(dāng)光敏電阻的兩端加上適當(dāng)?shù)钠秒妷?span id="6equ4za" class="italic">Ubb后，便有電流Ip流過。改變照射到光敏電阻上的光照度，流過光敏電阻的電流Ip將發(fā)生變化，說明光敏電阻的阻值隨照度變化。一般有光照時(shí)的光敏電阻的阻值稱為亮電阻。此時(shí)可得出光電導(dǎo)g與光電流Ip的表達(dá)式為

式中，gL為亮電導(dǎo)；gd為暗電導(dǎo)；IL為亮電流；Id為暗電流。

根據(jù)半導(dǎo)體材料的分類，光敏電阻有兩大基本類型：本征型與雜質(zhì)型。由于本征型半導(dǎo)體光敏電阻的長(zhǎng)波限要短于雜質(zhì)型的長(zhǎng)波限，因此本征型半導(dǎo)體光敏電阻常用于可見光波段的探測(cè)，而雜質(zhì)型半導(dǎo)體光敏電阻常用于紅外波段甚至于遠(yuǎn)紅外波段輻射的探測(cè)。

2. 常用的光敏電阻

（1）CdS（CdSe）光敏電阻

這兩種光敏電阻是使用最廣泛的，它們的光敏面為圖2-7（b）所示的蛇形光敏面結(jié)構(gòu)。CdS光敏電阻的光譜響應(yīng)特性最接近人眼視見函數(shù)，線性度與溫度特性較好，但響應(yīng)速度慢，時(shí)間常數(shù)0.1s，被廣泛地應(yīng)用于燈光的自動(dòng)控制，以及照相機(jī)的自動(dòng)測(cè)光等；CdSe光敏電阻的響應(yīng)與白熾燈或氖燈等光源的光輸出有良好的匹配，其響應(yīng)速度快，時(shí)間常數(shù)0.01s，但線性度與溫度特性不太好，常作為光電開關(guān)使用。

CdS光敏電阻的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為0.52 μm，CdSe光敏電阻為0.72 μm，通過調(diào)整S和Se的比例，可使CdS（CdSe）光敏電阻的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)控制在0.52～0.72 μm。

（2）PbS光敏電阻

PbS光敏電阻是近紅外波段最靈敏的光電導(dǎo)器件，其光電導(dǎo)的厚度為微米數(shù)量級(jí)的多晶薄膜或單晶硅薄膜。由于PbS光敏電阻在2 μm附近的紅外輻射的探測(cè)靈敏度很高，因而常用于火災(zāi)等領(lǐng)域的探測(cè)。PbS 光敏電阻的光譜響應(yīng)及探測(cè)率等特性與工作溫度有關(guān)，隨著工作溫度的降低，其峰值響應(yīng)波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向延伸，且峰值比探測(cè)率增加。例如，室溫下的PbS光敏電阻的光譜響應(yīng)范圍為1～3.5 μm，峰值波長(zhǎng)為2.4 μm，峰值比探測(cè)率D*高達(dá)1×1011cm·Hz·W-1。當(dāng)溫度降低到195K時(shí)，光譜響應(yīng)范圍為1～4 μm，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)移至2.8 μm，峰值比探測(cè)率D*也增高到2×1011cm·Hz1/2·W-1。

（3）InSb光敏電阻

InSb光敏電阻是3～5 μm光譜范圍內(nèi)的主要探測(cè)器件之一。InSb光敏電阻由單晶材料制備，制造工藝比較成熟，經(jīng)過切片、磨光、拋光后的單晶材料，再采用腐蝕的方法減薄到所需要的厚度，便可制成單晶InSb光敏電阻。光敏面的尺寸為0.5mm×0.5mm～8mm×8mm。大光敏面的器件由于不能做得很薄，其探測(cè)率較低。InSb材料不僅適用于制造單元探測(cè)器件，也適宜制造陣列紅外探測(cè)器件。

InSb光敏電阻在室溫下的長(zhǎng)波長(zhǎng)可達(dá)7.5 μm，峰值波長(zhǎng)在6 μm附近，峰值比探測(cè)率D*約為1×1011cm·Hz1/2·W-1。當(dāng)溫度降低到77K（液氮）時(shí)，其長(zhǎng)波限由7.5 μm縮短到5.5 μm，峰值波長(zhǎng)也將移至5 μm，恰好為大氣窗口的范圍，其峰值比探測(cè)率 D*也升高到2×1011cm·Hz1/2·W-1。

（4）Hg1-xCdxTe系列光敏電阻

它是目前所有紅外探測(cè)器件中性能最優(yōu)良且最有前途的探測(cè)器件，尤其是對(duì)于4～8 μm大氣窗口波段輻射的探測(cè)更為重要。

Hg1-xCdxTe系列光敏電阻是由HgTe和CdTe兩種材料的晶體混合制造的，其中x表明Cd元素含量的組分。在制造混合晶體是選用不同Cd的組分x，可以得到不同的禁帶寬度Eg，從而制造出不同波長(zhǎng)響應(yīng)范圍的Hg1-xCdxTe探測(cè)器件。一般組分x的變化范圍為0.18～0.4，長(zhǎng)波限的變化范圍為1～30 μm。

3. 光敏電阻的優(yōu)缺點(diǎn)及使用要點(diǎn)

由前面分析可知，光電導(dǎo)型器件具有的優(yōu)點(diǎn)是：靈敏度高；工作電流大（達(dá)數(shù)毫安）；光譜響應(yīng)范圍寬；非線性動(dòng)態(tài)范圍與所測(cè)光強(qiáng)范圍寬；無極性而使用方便等。

光敏電阻的缺點(diǎn)是：響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)；頻率特性差；強(qiáng)光線性差；受溫度影響大等。

根據(jù)光敏電阻的結(jié)構(gòu)、原理與優(yōu)缺點(diǎn)，可總結(jié)出使用光敏電阻應(yīng)注意的要點(diǎn)是：①注意所使用光敏電阻的電參數(shù)（電壓、功耗）的限值，防止使光敏電阻的電參數(shù)超過允許值。②要根據(jù)不同用途，選用不同特性的光敏電阻。一般，用于數(shù)字信息傳輸時(shí)，選用亮電阻與暗電阻差別大的光敏電阻為宜，且盡量選用光照指數(shù)γ大的光敏電阻；用于模擬信息傳輸與測(cè)量時(shí)，則以選用γ值小的光敏電阻為宜，因光照指數(shù)γ與光照強(qiáng)弱有關(guān)，只有在弱光照射下光電流與入射輻射通量才成線性關(guān)系。③在選用光敏電阻的負(fù)載時(shí)，應(yīng)考慮到光敏電阻的額定功耗，通常負(fù)載電阻值不宜很小。④光敏電阻的光譜特性與溫度有關(guān)，當(dāng)溫度低時(shí)，其靈敏范圍和峰值波長(zhǎng)都向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，可采取冷卻靈敏面的辦法來提高光敏電阻在長(zhǎng)波區(qū)的靈敏度。⑤光敏電阻的溫度特性很復(fù)雜，電阻溫度系數(shù)有正有負(fù)，一般來說，光敏電阻不適于在高溫下使用，特別是雜質(zhì)光敏電阻在溫度高時(shí)輸出將明顯減小，甚至無輸出。⑥光敏電阻的頻帶寬度都比較窄，在室溫下只有少數(shù)品種能超過1000Hz，而且光電增益與帶寬之積為一常量，如要求帶寬較寬，勢(shì)必以犧牲靈敏度為代價(jià)。⑦在用于光度量測(cè)試儀器時(shí)，必須對(duì)光譜特性曲線進(jìn)行修正，保證其與人眼的光譜光視效率曲線相符合。⑧用于光橋測(cè)光所用光源的光譜特性，必須注意與光敏電阻的光敏特性匹配。⑨要注意防止光敏電阻受雜散光的影響。⑩當(dāng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)意識(shí)到光敏電阻的前歷效應(yīng)。

4. 光敏電阻的應(yīng)用

由上述優(yōu)缺點(diǎn)可知，光敏電阻多用來制作光控開關(guān)，也用于紅外的弱光探測(cè)。例如，用于照相機(jī)自動(dòng)曝光電路和公共場(chǎng)所，如廁所、公路兩旁路燈自動(dòng)控制電路，以及火災(zāi)的檢測(cè)報(bào)警等。

（1）照相機(jī)電子快門的自動(dòng)控制

自動(dòng)控制曝光時(shí)間的照相機(jī)的電子快門電路如圖2-9所示。當(dāng)S閉合時(shí)，DT的線圈通電使快門打開。通過快門進(jìn)入相機(jī)的光，使膠片感光，也使RP（光敏電阻）值下降對(duì)電容C充電，BG1導(dǎo)通，BG2與BG3也隨之導(dǎo)通，使BG4截止，DT斷電而關(guān)閉快門。

（2）路燈的自動(dòng)控制

圖2-10為公共場(chǎng)所路燈自動(dòng)控制電路的一種，有時(shí)也和聲控電路結(jié)合起來共同控制。電路一般由兩部分組成：電阻R、電容C和二極管VD組成半波整流濾波電路；Cds光敏電阻和繼電器J組成控制電路。路燈接在繼電器J的動(dòng)開觸點(diǎn)上。這里使用的是電流繼電器，通過的電流必須達(dá)到一定值時(shí)繼電器才能動(dòng)作。

當(dāng)光線很弱時(shí)，光敏電阻阻值很大，與光敏電阻并聯(lián)的路燈電阻相對(duì)較小，因而流過繼電器線圈的電流很小，達(dá)不到啟動(dòng)要求，繼電器不能工作；電路中的電流幾乎全部通過路燈，于是路燈點(diǎn)亮。當(dāng)環(huán)境照度逐漸變大時(shí)，光敏電阻阻值逐漸變小，流過繼電器線圈的電流逐漸增大，增大到一定值時(shí)，流過繼電器的電流足以使繼電器J動(dòng)作，動(dòng)觸點(diǎn)由動(dòng)開位置跳到動(dòng)合位置，路燈與電源斷開，自動(dòng)熄滅。

（3）火焰探測(cè)報(bào)警

圖2-11為采用光敏電阻作為探測(cè)元件的火焰探測(cè)報(bào)警器電路圖。圖中所用的光電導(dǎo)元件為PbS光敏電阻，它的暗電阻的阻值為1MΩ，亮電阻的阻值為0.2MΩ（幅照度為1MW/cm2下測(cè)試），峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為2.2 μm，恰為火焰的峰值輻射光譜。

從圖2-11可看到，由VT1、電阻R1、R2和穩(wěn)壓二極管VDw構(gòu)成對(duì)光敏電阻R3的恒壓偏置電路。這種恒壓偏置電路具有更換光敏電阻方便的特點(diǎn)，只要保證光電導(dǎo)靈敏度 Sg不變，輸出電路的電壓靈敏度就不會(huì)因?yàn)楦鼡Q光敏電阻的阻值而改變，從而使前置放大器的輸出信號(hào)穩(wěn)定。當(dāng)被探測(cè)物體的溫度高于燃點(diǎn)或被點(diǎn)燃發(fā)生火災(zāi)時(shí)，物體將發(fā)出波長(zhǎng)接近于2.2 μm的輻射（或“跳變”的火焰信號(hào)），該輻射光將被PbS 光敏電阻 R3接收，使前置放大器的輸出跟隨火焰“跳變”的信號(hào)，并經(jīng)電容C2耦合，送給由VT2、VT3組成的高輸入阻抗放大器放大。火焰的“跳變”信號(hào)被放大后送給中心站放大器，并由中心站放大器發(fā)出火災(zāi)警報(bào)信號(hào)，或執(zhí)行滅火動(dòng)作，如噴淋出水或滅火泡沫等。

2.2.2 光電池

光電池、光電二極管與光電三極管均屬半導(dǎo)體光伏型探測(cè)器件，也稱為結(jié)型器件。它是少數(shù)載流子導(dǎo)電的光電效應(yīng)，從而與多數(shù)載流子導(dǎo)電的光電導(dǎo)型器件有很大差別，如響應(yīng)速度快、線性好、暗電流小、噪聲低、受溫度影響小等是光電導(dǎo)型器件無法比的，因而應(yīng)用廣泛。

1. 光電池的結(jié)構(gòu)、原理與類型

光電池是一種最簡(jiǎn)單的光伏型器件，目前應(yīng)用較多的是硒光電池和硅光電池。硒光電池因光譜特性與人眼視覺很相近，頻譜較寬，故多用于曝光表及照度計(jì)。硅光電池與其他半導(dǎo)體光電池相比，是目前轉(zhuǎn)換效率最高的（已過17%）。此外，還有薄膜光電池、紫光電池、異質(zhì)結(jié)光電池等。薄膜光電池是把硫化鎘等材料制成薄膜結(jié)構(gòu)，以減輕重量、簡(jiǎn)化陣列結(jié)構(gòu)，提高抗輻射能力和降低成本；紫光電池是把硅光電池的PN結(jié)減薄至結(jié)深為0.2～0.3 μm，光譜響應(yīng)峰值移到600nm以下，來提高短波響應(yīng)，以適應(yīng)外層空間使用；異質(zhì)結(jié)光電池利用不同禁帶寬度的半導(dǎo)體材料做成異質(zhì)PN結(jié)，入射光幾乎全透過寬帶材料一側(cè)，而在結(jié)區(qū)窄禁帶材料中被吸收，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。利用這種“窗口”效應(yīng)，提高入射光的收集效率，以獲得高于同質(zhì)結(jié)硅光電池的轉(zhuǎn)換效率，理論上最大可達(dá)30%，但目前因工藝尚未成熟，仍低于硅光電池。

光電池是基于一個(gè)PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)，一般做成面積較大的薄片狀，來接收更多的入射光。圖2-12是硅光電池結(jié)構(gòu)示意圖，它是用單晶硅組成的。國(guó)產(chǎn)同質(zhì)結(jié)硅光電池因襯底材料導(dǎo)電類型不同而分成2CR型與2DR型兩類：2CR型硅光電池是在一塊以N型硅作襯底的硅片上，擴(kuò)散P型雜質(zhì)（如硼），形成一個(gè)擴(kuò)散P+N結(jié)，P型雜質(zhì)為受光面；2DR型硅光電池是在一塊以P型硅作襯底的硅片上，擴(kuò)散N型雜質(zhì)（如磷），形成一個(gè)擴(kuò)散N+P結(jié)。一般，作為光電探測(cè)器的多為P+N型，即2CR型。N+P型硅光電池具有較強(qiáng)的抗輻射能力，適合空間應(yīng)用，作為航天的太陽能電池，即2DR型。

2. 光電池的應(yīng)用

光電池的應(yīng)用主要有兩個(gè)方面：

① 利用光電池作為探測(cè)器件，有著光敏面積大，頻率響應(yīng)高，光電流隨照度線性變化等特點(diǎn)。因此，它既可作為光電開關(guān)應(yīng)用，也可用于線性測(cè)量。它可按不同測(cè)量要求特制，如光柵測(cè)量中使用的四等分硅光電池之類的多極電池組，電極數(shù)目有3、4、5個(gè)等多種。還有把光電池制成兩個(gè)對(duì)稱半圓式，四象限式，其單片電池參數(shù)相差在10%以內(nèi)，適用于差分放大電路。此外它還用在光電讀數(shù)、激光準(zhǔn)直、電影還音等裝置上。

② 利用光電池將太陽能轉(zhuǎn)變成電能，目前主要是使用硅光電池，因?yàn)樗苣洼^強(qiáng)的輻射，轉(zhuǎn)換效率較其他光電池高。為了提高其功率，可將硅光電池單體經(jīng)串與并聯(lián)組成陣列結(jié)構(gòu)。如把硅光電池單體經(jīng)串聯(lián)達(dá)到所需電源的電壓、并聯(lián)達(dá)到所需電源的電流，然后組成一個(gè)太陽電池組。在實(shí)用中，多與鎳鎘蓄電池配合，白天利用太陽能量給蓄電池充電，夜晚則由蓄電池供電。目前，多用它作為人造衛(wèi)星、飛船、野外微波站、野外燈塔、海上與江河上的航標(biāo)燈、無人氣象站等無輸電線路地區(qū)的電源供給。

2.2.3 光敏二極管

1. 光敏二極管的結(jié)構(gòu)與原理

光敏二極管和光電池的基本結(jié)構(gòu)都是一個(gè)PN結(jié)，但它與光電池的不同是：①結(jié)面積比光電池小，因而輸出電流普遍比光電池小，一般在數(shù)μA到數(shù)十μA；②電阻率比光電池高（1000 Ω/cm），而光電池僅0.1～0.01 Ω/cm；③制作襯底材料的摻雜濃度比光電池低（1012～1013原子數(shù)/cm3），而光電池為1016～1019原子數(shù)/cm3；④全在反向偏置電壓下工作，而光電池多工作在零偏。由于半導(dǎo)體硅的溫度系數(shù)小，工藝最成熟，因此實(shí)際中多使用硅光敏二極管。

光敏二極管與普通二極管相比，也都有一個(gè)PN結(jié)，均屬于單向?qū)щ娦缘姆蔷€性元件。但光敏二極管是一種光電器件，在結(jié)構(gòu)上有它的特殊地方，如圖2-13所示。為了獲得盡可能大的光生電流，需要有較大的工作面，即PN結(jié)面積比普通二極管要大得多，且通常都以擴(kuò)散層作為它的受光面，為此受光面上的電極做得較小；為了提高光電轉(zhuǎn)換能力，PN 結(jié)的深度較普通二極管淺；為了保證管子的穩(wěn)定性、減小暗電流和防止光線的反射，在表面上還必須用二氧化硅作保護(hù)。

國(guó)產(chǎn)硅光敏二極管按襯底材料導(dǎo)電類型的不同，可分為2CU與2DU兩種類型。2CU型以N-Si為襯底，而2DU型則以P-Si為襯底。2CU型光敏二極管只有二個(gè)引出線，而2DU型光敏二極管則有三個(gè)引出線，因?yàn)槌饲凹?jí)和后級(jí)以外，還設(shè)有一個(gè)環(huán)極。加環(huán)極的目的是為了減少暗電流和噪聲。因?yàn)?DU型是以P-Si為襯底，在二氧化硅保護(hù)膜中常含有少量的鈉、鉀、氫等正離子，它們的靜電感應(yīng)可使 P-Si 表面產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電子層，從而使 P-Si表面與N-Si連通。這樣，當(dāng)管子加反偏壓時(shí)，從前級(jí)流出的暗電流除PN結(jié)的反向漏電流外，增加了表面感應(yīng)層產(chǎn)生的漏電流。如設(shè)置一個(gè)N+-Si的環(huán)極把受光面N-Si包圍起來，為這個(gè)感應(yīng)電子層的漏電流提供一條不經(jīng)過負(fù)載即可達(dá)到電源的通路，從而減小了流過負(fù)載的暗電流，也減小了噪聲。而2CU型以N-Si為襯底，在它的表面產(chǎn)生不了電子感應(yīng)層，因而就不需要加環(huán)極。

2. 光敏二極管的類型

光敏二極管的種類很多，就材料來分，有鍺、硅制作的光敏二極管，也有Ⅲ-Ⅴ族化合物及其他化合物制作的二極管。從結(jié)特性來分，有 PN 結(jié)、PIN 結(jié)、異質(zhì)結(jié)、肖特基勢(shì)壘型及點(diǎn)接觸型等。從對(duì)光的響應(yīng)來分，有用于紫外、可見及紅外等種類。不同種類的光敏二極管，具有不同的性能。例如，鍺光敏二極管比硅光敏二極管在紅外光區(qū)域有更大的靈敏度，這是由于鍺材料的禁帶寬度較硅小，其本征吸收限處于紅外。因此，在近紅外應(yīng)用，鍺光敏二極管有較大的電流輸出，但它比硅光敏二極管有較大的反向暗電流，因此它的噪聲較大。又如， PIN型或雪崩型光敏二極管與擴(kuò)散型PN結(jié)光敏二極管相比，具有很短的時(shí)間響應(yīng)等。因此，了解光敏二極管的類型及性能，就可以在使用中進(jìn)行合理挑選。

（1）擴(kuò)散型PN結(jié)光敏二極管

這種管子是指耗盡層厚度比結(jié)的任何一邊的擴(kuò)散長(zhǎng)度要小的管子。它的工作區(qū)主要是結(jié)兩邊的擴(kuò)散區(qū)。因此，對(duì)光生電流的貢獻(xiàn)主要是擴(kuò)散電流，而不是漂移電流。由于擴(kuò)散過程中的復(fù)合，使復(fù)合區(qū)產(chǎn)生的噪聲較耗盡層型探測(cè)器的散粒噪聲要大得多。此外，有外加電壓時(shí)，兩個(gè)擴(kuò)散區(qū)內(nèi)都出現(xiàn)一定的少數(shù)載流子積累，而且它的濃度隨電壓的變化而變化，這樣就造成了一個(gè)附加的電容效應(yīng)，它限制了擴(kuò)散型PN結(jié)光敏二極管的頻率響應(yīng)特性。對(duì)于這種結(jié)的截止頻率fc，其近似表示式為

式中，D為基體少數(shù)載流子的擴(kuò)散系數(shù)；W為擴(kuò)散區(qū)寬度。

改變雜質(zhì)的分布，可使光照面附近產(chǎn)生一個(gè)增強(qiáng)的電場(chǎng)，頻率響應(yīng)會(huì)得到一定的改善。這就是緩變型PN結(jié)，但它的響應(yīng)始終不如耗盡層型光敏二極管。

（2）耗盡層型光敏二極管

耗盡層型光敏二極管，又稱為肖特基勢(shì)壘光敏二極管，其勢(shì)壘不再是PN結(jié)，而是金屬和半導(dǎo)體接觸形成的阻擋層，即肖特基勢(shì)壘。這是指耗盡區(qū)比結(jié)的任一邊的擴(kuò)散長(zhǎng)度大的管子，它的光電轉(zhuǎn)換區(qū)域主要是在耗盡層內(nèi)，光電流主要是由漂移電流引起的，這種管子響應(yīng)時(shí)間短，有很高的頻率響應(yīng)，可探測(cè)5～10ns的光脈沖信號(hào)，且量子效率高。

作為高頻光電探測(cè)器的設(shè)計(jì)參數(shù)，半導(dǎo)體對(duì)光的吸收系數(shù)α和耗盡層厚度W極為重要。為了使來自基體的較慢的擴(kuò)散流減至最小，必須使W ＞1/α。同時(shí)，小的耗盡層電容也需要有大的W。但是，如果W太大，高頻響應(yīng)反而會(huì)由于載流子的渡越時(shí)間（主要是漂移時(shí)間）而受到限制。在高電場(chǎng)中，電子的渡越時(shí)間為W/Vs。那么，截止頻率fc為

式中，Vs為電子飽和漂移速度。對(duì)純電阻性負(fù)載而言，有RCωc=1，這時(shí)會(huì)出現(xiàn)因RC時(shí)間常數(shù)所致的高頻截止ωc。耗盡層電容C為

串聯(lián)電阻R為

式中，ρ為基體材料電阻率；l為除耗盡層以外的基體材料的厚度。實(shí)際上，R還應(yīng)包括薄層電阻肖特基勢(shì)壘中的薄金屬層和接觸電阻。但由于這種二極管基體的電阻率較高，因此主要考慮基體材料所形成的歐姆電阻。根據(jù)基本公式RCωc=1，結(jié)合式（2-10）與式（2-11）就可以得到截止頻率ωc，即

根據(jù)式（2-9）和式（2-12）可以看出，當(dāng)選取的W為

就會(huì)有一個(gè)最佳的截止頻率。

肖特基勢(shì)壘光電二極管的主要優(yōu)點(diǎn)是，在0.4～0.6 μm波段的靈敏度高于一般的硅光電二極管，其光敏面可以做得很大，且均勻性好，動(dòng)態(tài)范圍大，因而很適于作為四象限探測(cè)器，用于激光跟蹤、定位、偵察、制導(dǎo)等系統(tǒng)。此外，用它做成的 CCD 混合焦平面陣列，其均勻性比一般紅外探測(cè)器焦平面陣列均勻性高100倍以上，有利于提高系統(tǒng)的性能。

（3）異質(zhì)結(jié)光敏二極管

若將禁帶寬度Eg不同的兩種半導(dǎo)體材料作成異質(zhì)PN結(jié)，即可構(gòu)成異質(zhì)結(jié)光敏二極管。通常，以Eg大的材料作為光接收面，如用Eg大的N-GaAs與P-Ge構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)光敏二極管，當(dāng)有光照時(shí)，能量大于N-GaAs的Eg的光子將被GaAs吸收，若GaAs材料厚度大于光生載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度時(shí)，則能量大于 N-GaAs 的 Eg的短波光子所產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)將不能到達(dá)結(jié)區(qū)，因而對(duì)光電流沒有貢獻(xiàn)。而能量小于N-GaAs的Eg的長(zhǎng)波光子能夠通過GaAs材料而在 P-Ge 中被吸收而產(chǎn)生光電流。因此，異質(zhì)結(jié)光敏二極管的寬禁帶材料起著濾波作用，即把波長(zhǎng) λ≤1.24/Egm（μm）的短波成分濾掉（Egm是寬禁帶材料的禁帶寬度）。這種異質(zhì)結(jié)光敏二極管又稱為窄帶自濾波探測(cè)器，它的光譜響應(yīng)半寬度Δλ很窄，能較好地抑制背景噪聲。所以，異質(zhì)結(jié)光敏二極管具有背景噪聲低、量子效率高、信號(hào)均勻等特點(diǎn)，因而有廣闊的應(yīng)用前景。

采用Ⅲ～Ⅴ族化合物半導(dǎo)體，如InxGa1-xAs、InxGa1-xAsyP1-y、InxGa1-xAsySb1-y等固溶體三元系或四元系材料制成的異質(zhì)結(jié)光敏二極管，可工作于1～1.6 μm波段，是光纖通信用的理想探測(cè)器。這種器件還可通過改變組分x來調(diào)節(jié)光譜響應(yīng)范圍。例如，InGaAsP系列異質(zhì)結(jié)探測(cè)器，其峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為1.06～1.2 μm，長(zhǎng)波限達(dá)1.35 μm，量子效率為45%～70%，暗電流為1～5 μA/cm2，響應(yīng)時(shí)間可從幾個(gè)ns到幾十ps量級(jí)，是響應(yīng)速度非?？斓钠骷＠肎aAs液相外延的方法制作的GaAs1-xSbx異質(zhì)結(jié)探測(cè)器，僅有1nA的暗電流和近于0.1pF的結(jié)電容，響應(yīng)頻率高，也是良好的近紅外高速探測(cè)器。采用Si/GexSi1-x及Si/SiSe做成的長(zhǎng)波長(zhǎng)異質(zhì)結(jié)紅外探測(cè)器，是近年來人們關(guān)注的材料和器件，其響應(yīng)波長(zhǎng)可作到10 μm以上。

（4）PIN光敏二極管

前面剛提到的擴(kuò)散型PN結(jié)光敏二極管，對(duì)光電池的主要貢獻(xiàn)是光生載流子的擴(kuò)散電流，因此，受到擴(kuò)散時(shí)間與擴(kuò)散過程中的復(fù)合所造成的噪聲的影響。而肖特基勢(shì)壘光敏二極管雖然沒有這兩方面的影響，但是，表面的金屬薄層有很強(qiáng)烈的反射，阻擋了光線進(jìn)入耗盡層。這里介紹的擴(kuò)散型PIN光敏二極管就可兼有上述兩種管子的優(yōu)點(diǎn)。

PIN 光電二極管的結(jié)構(gòu)和它在反向偏壓下的電場(chǎng)分布，如圖2-14所示。在高摻雜P型和N型半導(dǎo)體之間生長(zhǎng)一層本征半導(dǎo)體材料或低摻雜半導(dǎo)體材料，稱為I層。選擇一定厚度的I層，使之近似于反偏壓下的耗盡層厚度，就使PIN型光敏二極管具有甚至優(yōu)于耗盡層型光敏二極管的高速響應(yīng)特性。這種I層所起的作用是：①因?yàn)橄鄬?duì)P區(qū)及N 區(qū)來說，I 層是高阻區(qū)，在工作情況下，它承受著極大部分的外加電壓，使耗盡區(qū)增大，從而展寬了光電轉(zhuǎn)換的有效工作區(qū)域，提高了量子效率與靈敏度。②為了取得較大的PN結(jié)擊穿電壓，必須選擇高電阻率的基體材料，這樣勢(shì)必增加了串聯(lián)電阻，使RC時(shí)間常數(shù)增大，影響管子的頻率響應(yīng)。而I層的存在，使擊穿電壓不再受到基體材料的限制，從而可選擇低電阻率的基體材料。這樣不但提高了擊穿電壓，既可承受較高的反向偏壓，使線性輸出范圍變寬，又可減少串聯(lián)電阻和時(shí)間常數(shù)。③由于I層的存在，使擴(kuò)散區(qū)不會(huì)到達(dá)基體，從而減少了或根本不存在少數(shù)載流子通過擴(kuò)散區(qū)的擴(kuò)散時(shí)間。而I層工作在反向時(shí)，實(shí)際上是一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)，對(duì)少數(shù)載流子起加速作用。即使I層較厚，對(duì)少數(shù)載流子的渡越時(shí)間影響也不大，這就提高了響應(yīng)速度。其響應(yīng)時(shí)間為1～3ns，最短達(dá)0.1ns。④反偏下，耗盡層較無I層時(shí)要大得多，從而使結(jié)電容下降，一般結(jié)電容為零點(diǎn)幾到幾個(gè)pF，從而提高了頻率響應(yīng)。

顯然，要使入射光功率有效地轉(zhuǎn)換成光電流，首先必須使入射光能在耗盡層內(nèi)被吸收，這就要求耗盡層寬度足夠?qū)挕５请S著寬度的增大，在耗盡層的載流子渡越時(shí)間也會(huì)增大，從而使PIN的響應(yīng)速度下降。因此，耗盡層寬度需在響應(yīng)速度和量子效率之間進(jìn)行折中。

如果采用類似于半導(dǎo)體激光器中的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，則PIN的性能可以大為改善。因?yàn)榭赏ㄟ^選擇P區(qū)、N區(qū)和I區(qū)的帶隙（Eg），使得光吸收只發(fā)生在I區(qū)，從而完全消除擴(kuò)散電流的影響。例如，在光纖通信中，常采用 InGaAs 材料制成 I 區(qū)和 InP材料制成P區(qū)及N區(qū)的PIN光電二極管，其結(jié)構(gòu)如圖2-15所示。InP材料的帶隙（即禁帶寬度）為1.35eV，大于InGaAs的帶隙，對(duì)于波長(zhǎng)在1.3～1.6 μm 范圍的光是透明的，而 InGaAs 的 I 區(qū)對(duì)1.3～1.6 μm的光表現(xiàn)為較強(qiáng)的吸收，幾微米的寬度就可以獲得較高響應(yīng)度。在受光面，一般鍍?cè)鐾改ひ詼p弱光在端面上的反射。

由于在PN結(jié)中間夾著一層很厚的本征半導(dǎo)體I層，在反向電壓作用下耗盡區(qū)擴(kuò)展到整個(gè)半導(dǎo)體，PN結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)就基本上全集中于I層中，光生載流子在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，只產(chǎn)生漂移電流。因此，PIN光敏二極管的響應(yīng)時(shí)間很短，為10-9s左右，頻帶很寬，達(dá)10GHz。并且，由于I層很厚，可承受較高的反向電壓，因而PIN光敏二極管的線性輸出范圍很寬。當(dāng)入射光功率低于mW量級(jí)時(shí)，器件不會(huì)發(fā)生飽和。其不足僅是，因I層電阻很大，所以輸出電流小，一般為零點(diǎn)幾μA至數(shù)μA。

由于PIN光敏二極管的I層電阻很大，其輸出電流小，因而需將PIN光敏二極管與前置運(yùn)算放大器集成在同一硅片上，并封裝于一個(gè)管殼內(nèi)，這就是PIN混合集成光電檢測(cè)器件。

PIN混合集成光電檢測(cè)器件的外形及引腳如圖2-16所示。該器件是把PIN管與一個(gè)雙極型三極管寬帶低噪聲放大器混合集成的光電接收組件，其原理圖如圖2-17所示。器件輸出為負(fù)極性（即輸入光信號(hào)為正脈沖，輸出的電壓信號(hào)為負(fù)脈沖）。其輸出級(jí)為射極跟隨器。

B-GJ3系列PIN混合集成光電接收器的主要性能如表2-1所示。

在使用時(shí)，在VA與地，VB與地之間應(yīng)各外接一個(gè)50～100 μF的濾波電容器。此外還應(yīng)注意，不要對(duì)引腳放電，也不要使引腳過熱，要在防靜電工作臺(tái)上操作，否則器件很可能遭受靜電損傷。此類部件由于具有響應(yīng)頻帶寬、靈敏度和信噪比高等優(yōu)點(diǎn)，常被用做微弱信號(hào)的光電檢測(cè)和30Mbps的短波長(zhǎng)的光通信系統(tǒng)的光電接收器。

有的集成器件使用PIN-FET微型組件，即用一個(gè)小面積和小電容的PIN光電二極管與高輸入阻抗的場(chǎng)效應(yīng)管（Field Effect Transistors，F(xiàn)ET）前置放大器組合，其中所有引線長(zhǎng)度及雜散電容都做得非常小。由于電容小，輸入阻抗高，可以大大降低熱噪聲。這種集成器件具有供電電壓低，工作穩(wěn)定，使用方便等特點(diǎn)，因而使它在光通信、光雷達(dá)以及其他要求快速光電自動(dòng)控制系統(tǒng)中得到了非常廣泛的應(yīng)用。

（5）雪崩光敏二極管（APD）

PIN光敏二極管工作時(shí)的反向偏置都遠(yuǎn)離擊穿電壓，而雪崩光敏二極管是利用PN結(jié)在高反向電壓（略低于擊穿電壓）下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來工作的一種與光電倍增管相對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體器件。它通常工作在很高的反偏電壓狀態(tài)，自身有電流增益，具有響應(yīng)度高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。

在設(shè)計(jì)雪崩光敏二極管時(shí)，要保證載流子在整個(gè)光敏區(qū)的均勻倍增，這就需要選擇無缺陷的材料，必須保持更高的工藝衛(wèi)生和保證結(jié)面的平整?？刹捎帽Ｗo(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)來消除低擊穿現(xiàn)象。目前，制作對(duì)1.06 μm摻釹激光波長(zhǎng)特別敏感的雪崩光敏二極管（量子效率達(dá)30%）的材料主要是鍺和硅。圖2-18為這種二極管的示意圖及雜質(zhì)剖面圖。在器件兩端加反向偏壓，直至PN結(jié)的耗盡層正好穿通低濃度（一般電阻率大于5000 Ω·cm）的π區(qū)。這時(shí)，結(jié)中的峰值電場(chǎng)如圖2-19所示，正好比引起雪崩擊穿的電場(chǎng)小一點(diǎn)，若再加一小電壓，就可使耗盡層很快加大到P+進(jìn)入器件，電子被掃到高場(chǎng)區(qū)，在這里發(fā)生了倍增。高場(chǎng)區(qū)生成的空穴橫渡π區(qū)到達(dá)P+區(qū)，構(gòu)成倍增信號(hào)。

由于PIN光敏二極管在較高的反向偏壓下其耗盡區(qū)會(huì)擴(kuò)展到整個(gè)PN結(jié)區(qū)，從而形成自身保護(hù)（具有很強(qiáng)的抗擊穿功能），因而不必設(shè)置保護(hù)環(huán)。所以，目前市場(chǎng)上的雪崩光敏二極管，基本上多為PIN雪崩光敏二極管。

一般，雪崩光敏二極管的增益可達(dá)幾百倍，甚至數(shù)千倍。其電流增益或放大倍數(shù)為

式中，Iφ為倍增前的輸出電流；IF為倍增后的輸出電流。

當(dāng)沒有光照時(shí)，PN 結(jié)不會(huì)發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)。但結(jié)區(qū)一旦有光照射時(shí)，即激發(fā)起光生載流子，它們被臨界強(qiáng)電場(chǎng)所加速，從而誘發(fā)起雪崩倍增，使輸出電流得到迅速增加。如果反向偏壓大于擊穿電壓時(shí)，器件結(jié)區(qū)被擊穿。擊穿電壓與器件的工作溫度有關(guān)，溫度升高時(shí)，擊穿電壓會(huì)增大。一般，雪崩光敏二極管的擊穿電壓在幾十伏到幾百伏之間。

雪崩光電二極管暗電流和光電流與偏置電壓的關(guān)系曲線如圖2-20所示。當(dāng)工作偏壓增加時(shí)，輸出亮電流（即光電流和暗電流之和）按指數(shù)形式增加。在偏壓較低時(shí)，不產(chǎn)生雪崩過程，即無光電流倍增。因此，當(dāng)光脈沖信號(hào)入射后，產(chǎn)生的光電流脈沖信號(hào)很小（如A點(diǎn)波形）。當(dāng)反向偏壓升至B點(diǎn)時(shí)，光電流便產(chǎn)生雪崩倍增，這是光電脈沖信號(hào)輸出增大到最大（如B點(diǎn)波形）。當(dāng)偏壓接近雪崩擊穿電壓時(shí)，雪崩電流維持自身流動(dòng)，使暗電流迅速增加，光激發(fā)載流子的雪崩放大倍率卻減小，即光電流靈敏度隨反向偏壓增加反而減小，如在 C 點(diǎn)處光電流的脈沖信號(hào)減小。換句話說，當(dāng)反向偏壓超過 B 點(diǎn)后，由于暗電流增加得更快，使有用的光電流脈沖幅值減小。所以最佳工作點(diǎn)在接近雪崩擊穿點(diǎn)附近。有時(shí)為了降低暗電流，會(huì)把工作點(diǎn)向左移一些，雖然靈敏度有所降低，但是暗電流和噪聲特性有所改善。

由圖2-20可以看出，在雪崩擊穿點(diǎn)附近電流隨偏壓變化的曲線較陡，當(dāng)反向偏壓有較小變化，光電流將有較大變化。另外，在雪崩過程中PN結(jié)上的反向偏壓容易產(chǎn)生波動(dòng)，將影響增益的穩(wěn)定性。所以，在確定工作點(diǎn)后，對(duì)偏壓的穩(wěn)定度要求很高。

硅雪崩光敏二極管的光譜響應(yīng)范圍為0.4～1.1 μm。為了將響應(yīng)波長(zhǎng)擴(kuò)展至相應(yīng)于半導(dǎo)體禁帶寬度的長(zhǎng)波限以外，可將雪崩二極管（雪崩倍增效應(yīng)發(fā)生在勢(shì)壘區(qū)）和金屬-半導(dǎo)體接觸的肖特基勢(shì)壘二極管（利用該勢(shì)壘的內(nèi)光電發(fā)射效應(yīng)）結(jié)合起來。如將鈀與N型硅構(gòu)成雪崩光敏二極管就是一種巧妙的結(jié)合。一些能量小于硅禁帶寬度的光子透過硅，被金屬鈀吸收，將電子激發(fā)到高能態(tài)，一部分被激發(fā)的電子具有足夠的能量進(jìn)入勢(shì)壘區(qū)，參與雪崩倍增。器件的長(zhǎng)波限取決于由接觸金屬與不同半導(dǎo)體導(dǎo)電類型決定的勢(shì)壘高度；短波限取決于硅“窗口”的本征吸收。這種雪崩光敏二極管的響應(yīng)波長(zhǎng)可達(dá)1～2 μm。如果選擇適當(dāng)?shù)慕佑|金屬和硅的導(dǎo)電類型以及合適的工作溫度，它的響應(yīng)波長(zhǎng)還可延伸至4 μm。

由于雪崩光敏二極管工作時(shí)加有很高的反向電壓，使光生載流子在結(jié)區(qū)的渡越時(shí)間很短，其結(jié)電容也只有幾個(gè)pF，甚至更小。這種管子的響應(yīng)速度特別快，帶寬可達(dá)100GHz，是目前響應(yīng)速度最快的一種光敏二極管。如硅管的響應(yīng)時(shí)間為0.5～1ns，頻率響應(yīng)可達(dá)幾十GHz。

由于雪崩光敏二極管中載流子的碰撞電離是不規(guī)則的，碰撞后的運(yùn)動(dòng)方向也是隨機(jī)的，所以它的噪聲比一般光敏二極管的大。在無倍增的情況下，其噪聲電流是散粒噪聲；當(dāng)雪崩倍增M倍后，其噪聲電流的均方根值的近似計(jì)算式為

式中，指數(shù)n與雪崩光敏二極管的材料有關(guān)。對(duì)于鍺管，n=3；對(duì)于硅管，n=2.3～2.5。顯然，由于信號(hào)電流按M倍增大，而噪聲電流按M n/2倍增大，因而噪聲電流比信號(hào)電流增大得更快。

雪崩光敏二極管與光電倍增管相比，具有體積小、工作電壓低、使用方便等特點(diǎn)。但是，其暗電流比光電倍增管的大，相應(yīng)的噪聲也大，故光電倍增管更適于弱光探測(cè)。而在光譜為0.8～1.1 μm區(qū)，光電倍增管的量子效率又低于雪崩光敏二極管，所以在這段光譜，雪崩光敏二極管對(duì)窄脈沖響應(yīng)有更好的探測(cè)響應(yīng)度。

2.2.4 光敏三極管

1. 光敏三極管的結(jié)構(gòu)與原理

光敏三極管和普通晶體三極管相似。其相同點(diǎn)：一是也有PNP與NPN兩種基本結(jié)構(gòu)（即都是有二個(gè)PN結(jié)的結(jié)構(gòu)）；二是也有電流放大作用。其不同之處是：它的集電極電流主要受光的控制，不管是PNP型還是NPN型光敏三極管，一般用基極-集電極結(jié)作為受光結(jié)，因而有光窗；其次是只有集電極和發(fā)射極二根引出線（極少的也有基極引線）等。因此，光敏三極管是一種相當(dāng)于在基極和集電極之間接有光電二極管（反向偏置）的普通三極管，它們的結(jié)構(gòu)及簡(jiǎn)化原理如圖2-21所示。

國(guó)產(chǎn)的PNP型光敏三極管為3CU型，它是以P型硅材料為襯底制作的；NPN型光敏三極管為3DU型，它是以N型硅材料作為襯底的，如圖2-21（a）所示。由圖2-21（b）可知，光敏三極管是一種相當(dāng)于將基極集電極光敏二極管的電流，加以放大的普通三極管放大器。PNP型光敏管在原理上與NPN型相同，只是所加的電壓相反，集電極加上相對(duì)于發(fā)射極為負(fù)的電壓。

2. 光敏三極管特性分析

將光敏二極管等效電路與普通三極管等效電路相結(jié)合，可以得到圖2-22所示的光敏三極管的等效電路，圖中，Ip為c、b結(jié)二極管電流源；Ccb為c、b結(jié)電容；Rcb為c、b結(jié)分流電阻（相當(dāng)于光電池中的 Rsh）；Rs為串聯(lián)電阻；Cbe為基極發(fā)射極電容；rbe為基極發(fā)射極正向電阻；iL為放大后的電流源，iL=βip；β為三極管電流放大倍數(shù)；Rce為集電極發(fā)射極電阻；RL為負(fù)載電阻。為了便于分析和簡(jiǎn)化計(jì)算，在信號(hào)等效電路圖中略去了載流子通過基區(qū)所需的時(shí)間（即渡越時(shí)間）對(duì)信號(hào)的影響。由圖2-22可以清楚地看出：ip、Ccb、Rcb及Rs構(gòu)成的電路與光電池及光敏二極管的等效電路完全相同。由于Rcb＞＞rbe，Cbe＞＞Ccb，同時(shí)，Rs在現(xiàn)今的工藝中完全可以忽略，因此，ip在Rbc及Cbc中的分流可以不考慮，Rs在討論中可以略去。圖2-22可用更簡(jiǎn)單的圖2-23來表示。

由圖2-23可知，基極與發(fā)射極電壓為

于是可得輸出電壓Vo為

式中，Vbe為施加于b、e結(jié)的信號(hào)電壓；R為RL與Rce的并聯(lián)阻抗， 。

選擇合適的負(fù)載，使RL＜＜Rce，此時(shí)R≈RL，式（2-17）可以簡(jiǎn)化為

考慮恒定光照，則Vo為

與光敏二極管相比，光敏三極管將信號(hào)放大了β倍。但由于β的非線性（不同的ip有不同的β），使得光敏三極管的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間沒有嚴(yán)格的線性關(guān)系，這是它的不足之處。

從式（2-16）可以看出，在交變光信號(hào)下，由于 Cbe的存在造成對(duì)信號(hào)電流的分流。如果頻率高，會(huì)使Cbe的阻抗等于rbe，則

即有一半信號(hào)被Cbe所旁路，使有用的信號(hào)大為減小。同樣，由于Cce的旁路作用使流過RL的輸出電流也大為減少。因此，為了提高輸出，必須使時(shí)間常數(shù)rbeCbe和RLCce盡可能小，這與一般高頻三極管的考慮完全一致。但有一點(diǎn)需指出，式（2-18）中分子與分母同時(shí)包含有RL，因此一定有一個(gè)RL值使響應(yīng)最佳。RL的增大，可以使輸出電壓的幅度增加。但是，時(shí)間常數(shù) RLCce也增大，使頻率響應(yīng)下降，從而使輸出幅度下降。因此，使用中必須從響應(yīng)速度與輸出信號(hào)幅度兩個(gè)方面來折中選擇RL。

為了提高增益與頻率響應(yīng)，減小體積，常將光敏二極管、光敏三極管與晶體三極管制作在一個(gè)硅片上構(gòu)成集成光電探測(cè)器件，如圖2-24所示，其中以達(dá)林頓光電三極管的電流增益最高，一般均可達(dá)到幾百。

2.2.5 光伏型與光電導(dǎo)型器件的區(qū)別及使用要點(diǎn)

1. 光伏型與光電導(dǎo)型器件的區(qū)別

光伏型（即光電池、光敏二極管、三極管等結(jié)型）光電探測(cè)器件與光電導(dǎo)型光電探測(cè)器件（光敏電阻）相比，主要區(qū)別是：

① 產(chǎn)生光電變換的部位不同。因光敏電阻不管哪一部分受光，其受光部分的電導(dǎo)率就增大，是一種多數(shù)載流子的光生伏特效應(yīng)；而結(jié)型器件，只有照射到PN結(jié)區(qū)或結(jié)區(qū)附近的光才能產(chǎn)生非平衡載流子，是一種少數(shù)載流子的光生伏特效應(yīng)。而光在其他部位產(chǎn)生的非平衡載流子，大部分在擴(kuò)散中被復(fù)合掉，只有少部分通過結(jié)區(qū)，但又被結(jié)電場(chǎng)所分離，因此對(duì)光電流基本上沒有貢獻(xiàn)。

② 器件連接不同。由于光敏電阻沒有極性，因而使用方便，工作時(shí)可任意外加電壓；而結(jié)型光電器件則有確定的正負(fù)極性，不能接錯(cuò)，但光電池可在沒有外加電壓下也可把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

③ 響應(yīng)時(shí)間與頻率特性不同。光敏電阻的光電導(dǎo)效應(yīng)主要依賴于載流子的產(chǎn)生與復(fù)合運(yùn)動(dòng)，時(shí)間常數(shù)較大，頻率響應(yīng)較差；而結(jié)型器件的電場(chǎng)主要加在結(jié)區(qū)，其光電效應(yīng)主要依賴于結(jié)區(qū)的非平衡載流子的運(yùn)動(dòng)，弛豫過程的時(shí)間常數(shù)（可用結(jié)電容和電阻之積表示）相應(yīng)較小，因此響應(yīng)速度較快。

④ 工作電流與靈敏度不同。光敏電阻有靈敏度高、工作電流大（達(dá)數(shù)毫安）的特點(diǎn)；而結(jié)型器件一般較小，但光電三極管、雪崩光電二極管等有較大的內(nèi)增益作用，因此靈敏度也較高，也可以通過較大的電流。

⑤ 光譜響應(yīng)與光電線性不同。光敏電阻有對(duì)微弱輻射的探測(cè)能力與光譜響應(yīng)寬的特點(diǎn)。因?yàn)楣饷綦娮璧墓怆娞匦圆幌窆夥骷€性好，而是非線性的，但在很低照度下呈線性，且靈敏度高，因而有對(duì)微弱輻射的探測(cè)能力；并且光敏電阻的光譜響應(yīng)比光伏器件寬，尤其在紅外波段，如PbS光敏電阻的光譜響應(yīng)范圍為400～2800nm，因而常用于火點(diǎn)探測(cè)與火災(zāi)預(yù)/報(bào)警系統(tǒng)。

⑥ CdS 光敏電阻的感光特性與人眼最接近，適于作為照相機(jī)曝光表與空氣煙塵檢測(cè)器等可見光裝置；光敏二極管與光敏三極管的最佳響應(yīng)特性在近紅外區(qū)，適于作為紅外遙控、紅外光束阻斷報(bào)警器等裝置。

顯然，結(jié)型器件和光電導(dǎo)型器件（光敏電阻）相比，各有優(yōu)缺點(diǎn)，因此應(yīng)用于不同場(chǎng)合。

2. 光伏型器件使用要點(diǎn)

在使用半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)的光電探測(cè)器件時(shí)，必須注意以下的幾個(gè)要點(diǎn)：

● 注意確定器件引腳的 P、N 端。光伏器件的核心是 PN 結(jié)，使用前必須用萬用表確定器件引腳的P、N端，以免在電路中接錯(cuò)。

● 使用前要測(cè)試。光電器件在使用前要測(cè)試一下好壞，并分清是光敏二極管還是光敏三極管，這一點(diǎn)十分重要。因?yàn)樗鼈兊呢?fù)載電阻有較大的差別，一般，光敏三極管的負(fù)載電阻為光敏二極管負(fù)載電阻的1/10。

● 注意電源的連接。光伏器件都有確定的極性，如要加電壓使用時(shí)，必須注意對(duì) PN結(jié)加反向電壓，即用確定的P端連接外電源的低電位。

● 注意入射光強(qiáng)與器件的配合。在使用光伏型器件時(shí)，應(yīng)視用途選擇入射光強(qiáng)的范圍。因?yàn)楣怆姍z測(cè)器件一般光照弱些，負(fù)載電阻小些，加反偏壓使用時(shí)，其光電特性線性好些，反之則差一些。因此，在用于開關(guān)電路或邏輯電路時(shí)，光照可以選強(qiáng)些；如用于模擬量測(cè)量時(shí)，光照就不宜過強(qiáng)。

● 注意器件的使用條件和方法。雖然靈敏度主要決定于器件，但也與使用條件和方法有關(guān)。例如，光源和接收器在光譜特性上是否匹配；入射光的方向與器件的光敏面法線是否一致等。

● 注意選擇負(fù)載電阻。結(jié)型器件的響應(yīng)速度都很快。它主要決定于負(fù)載電阻和結(jié)電容所構(gòu)成的時(shí)間常數(shù)（τ=RC）。負(fù)載電阻大，輸出電壓可以大，但 τ 會(huì)變大，響應(yīng)變慢。相反，負(fù)載電阻小些，輸出電壓要減小，但τ會(huì)變小，響應(yīng)速度變快。

● 注意靈敏度與帶寬的折中。靈敏度與頻帶寬度之積為一常數(shù)的結(jié)論，對(duì)結(jié)型光電檢測(cè)器件也是適用的。

● 注意器件的使用溫度。器件的各種參量差不多都與溫度有關(guān)，但其中受溫度影響最大的是暗電流。暗電流大的器件，容易受溫度變化的影響，從而使電路工作不穩(wěn)定，同時(shí)噪聲也大。

● 注意電磁與光的干擾。除了溫度變化、電、磁場(chǎng)干擾可引起電路發(fā)生誤動(dòng)作外，背景光或光反饋也是引起電路誤動(dòng)作的重要因素，應(yīng)注意設(shè)法避免與消除。

● 注意加紅色有機(jī)玻璃濾光。光敏二極管或光敏三極管，并非只對(duì)紅外光敏感，在制作時(shí)要防止環(huán)境光（日光與燈光）過強(qiáng)而使放大電路輸出飽和而失控，因而可加紅色有機(jī)玻璃濾光，以減少環(huán)境光的影響。

● 注意光敏二極管和光敏三極管靈敏度與工作頻率的使用區(qū)別。光敏三極管使用時(shí)基極通常開路，光感生電流直接饋入基極而被光敏三極管自己放大，因此光敏三極管靈敏度通常比光敏二極管大100多倍；光敏三極管的最大工作頻率只有幾百千赫，而光敏二極管則為幾十兆赫。

● 注意光敏二極管和光敏三極管線性與響應(yīng)時(shí)間的使用區(qū)別。光敏二極管的光電流小，輸出特性線性好，響應(yīng)時(shí)間快。光敏三極管光電流大，輸出特性線性差，響應(yīng)時(shí)間慢。通常，要求靈敏度高、工作頻率低的開關(guān)電路，可選光敏三極管；要求線性好與工作頻率高時(shí)，則用光敏二極管。

2.2.6 半導(dǎo)體光電探測(cè)器件的檢測(cè)及應(yīng)用電路

1. 光敏二極管的檢測(cè)及應(yīng)用電路

（1）光敏二極管的檢測(cè)方法

①電阻測(cè)量法：這種測(cè)量法是用萬用表 R×1kΩ擋測(cè)量的。一般，光敏二極管正向電阻為10kΩ左右，在無光照的情況下，反向電阻為∞時(shí)，說明光敏二極管是好的（若反向電阻不為∞時(shí)，說明該光敏二極管的漏電流大）；當(dāng)有光照時(shí)，反向電阻會(huì)隨光照強(qiáng)度的增加而減小，其阻值可達(dá)到幾kΩ或1kΩ以下，則管子是好的，如果反向電阻都是∞或?yàn)榱悖瑒t管子是壞的。

② 電壓測(cè)量法：這種測(cè)量法是用萬用表1V擋測(cè)量的。用紅表筆接光敏二極管正極“+”，黑表筆接光敏二極管負(fù)極“-”，在有光照射下，其電壓與光照強(qiáng)度成比例，則管子是好的，一般電壓可達(dá)0.2～0.4V。

③ 短路電流測(cè)量法：這種測(cè)量法是用萬用表50A擋或500VA擋測(cè)量的。用紅表筆接光敏二極管正極“+”，黑表筆接光敏二極管負(fù)極“-”，在白熾燈下（不能用日光燈），隨著光照強(qiáng)度的增加，其電流增加則管子是好的，短路電流可達(dá)數(shù)十至數(shù)百安。

（2）光敏二極管的基本應(yīng)用電路

通常，光敏二極管可用做光信號(hào)放大電路及光開關(guān)電路。在使用時(shí)應(yīng)注意，受光表面要保持清潔，必要時(shí)可使用棉球擦凈。

光敏二極管的基本應(yīng)用電路如圖2-25所示，圖2-25（a）是常用的光信號(hào)放大電路的連接方法，輸出電壓VSC隨光照強(qiáng)度的增加而減小。為了保證入射光強(qiáng)度與輸出保持線性關(guān)系，反向電壓不低于5V。圖2-25（b）為開關(guān)電路的連接方法，光敏二極管的的光電流經(jīng)兩級(jí)放大后，使繼電器吸合。

2. 光敏三極管的檢測(cè)及應(yīng)用電路

（1）光敏三極管的檢測(cè)方法

① 電阻測(cè)量法：將萬用表打在R×1kΩ擋，用黑表筆接c，紅表筆接e。在無光照時(shí)，指針微動(dòng)接近∞；若在白熾燈光照下，則指針隨光照變化而變化，光照強(qiáng)度大時(shí)電阻變小，可達(dá)1kΩ到幾kΩ，則管子是好的。若不論有無光照，電阻均為∞或表針微動(dòng)接近∞，則管子己壞。

② 電流測(cè)量法：將萬用表打在50 μA擋，并串聯(lián)在電路中，使電路工作電壓為10V。在無光照時(shí)，其電流小于0.3 μA；將萬用表打在5mA擋，若在白熾燈光照下，則指針隨光照增加而加大，并在零點(diǎn)幾到幾mA之間變化，則管子是好的，否則管子是壞的。

值得指出的是，一般光敏三極管的引腳是短腳為c，長(zhǎng)腳為e。實(shí)踐證明，用25W白熾燈時(shí)，在20cm距離時(shí)可達(dá)1000lx左右。

（2）光敏三極管的基本應(yīng)用電路

光敏三極管可以用來以可見光或紅外光的形式控制報(bào)警器、測(cè)試儀、自動(dòng)開關(guān)、繼電器等多種裝置或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。光敏三極管的基本應(yīng)用電路如圖2-26所示。其中圖2-26（a）為開關(guān)電路；圖2-26（b）為放大電路。將圖2-26（a）與圖2-26（b）相比較后，可看出，由于光敏三極管本身有放大作用，因而只要一級(jí)三極管放大，即可驅(qū)動(dòng)繼電器