2.2 半導體光電探測器件及其使用

2.2.1 半導體光電導型探測器件

半導體光電導型探測器件，即光電導效應的器件（即PC器件）。它利用具有光電導效應材料，如硅、鍺等本征半導體與雜質半導體，可以制成電導率隨入射光變化的器件，稱為光電導效應器件或光敏電阻。這種器件具有體積小、價格低、堅固耐用、使用方便、靈敏度高、光譜響應范圍寬等優點，因而獲得了廣泛的應用。

1. 光敏電阻結構及原理

光敏電阻是在絕緣材料上裝梳狀等光電導體封閉在金屬或塑料外殼內，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窗，使起特殊濾光作用（對所需光譜透明）。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（無光照時的電阻）；采用 N 型材料，因 μn＞μp，這樣增益也就大些。

由光電導效應可知，光敏電阻的光電導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靈敏度，要盡可能地縮短光敏電阻兩極間的距離 l。根據光敏電阻這一設計原則，可以設計出如圖2-7所示的3種光敏電阻基本結構。圖2-7（a）所示的光敏面為梳形結構，兩個梳形電極之間為光敏電阻材料。由于兩個梳形電極靠得很近，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構，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）所示為刻線式結構的光敏電阻側向圖，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，從而構成刻線式結構的光敏電阻。因此，在均勻的具有光導效應的半導體材料兩端加上電極，便構成光敏電阻。

光敏電阻的原理及電路的符號如圖2-8所示。當光敏電阻的兩端加上適當的偏置電壓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將發生變化，說明光敏電阻的阻值隨照度變化。一般有光照時的光敏電阻的阻值稱為亮電阻。此時可得出光電導g與光電流Ip的表達式為

式中，gL為亮電導；gd為暗電導；IL為亮電流；Id為暗電流。

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

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構。CdS光敏電阻的光譜響應特性最接近人眼視見函數，線性度與溫度特性較好，但響應速度慢，時間常數0.1s，被廣泛地應用于燈光的自動控制，以及照相機的自動測光等；CdSe光敏電阻的響應與白熾燈或氖燈等光源的光輸出有良好的匹配，其響應速度快，時間常數0.01s，但線性度與溫度特性不太好，常作為光電開關使用。

CdS光敏電阻的峰值響應波長為0.52 μm，CdSe光敏電阻為0.72 μm，通過調整S和Se的比例，可使CdS（CdSe）光敏電阻的峰值響應波長控制在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器件，其光電導的厚度為微米數量級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靈敏度很高，因而常用于火災等領域的探測。PbS 光敏電阻的光譜響應及探測率等特性與工作溫度有關，隨著工作溫度的降低，其峰值響應波長向長波長方向延伸，且峰值比探測率增加。例如，室溫下的PbS光敏電阻的光譜響應范圍為1～3.5 μm，峰值波長為2.4 μm，峰值比探測率D*高達1×1011cm·Hz·W-1。當溫度降低到195K時，光譜響應范圍為1～4 μm，峰值響應波長移至2.8 μm，峰值比探測率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光譜范圍內的主要探測器件之一。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，其探測率較低。InSb材料不僅適用于制造單元探測器件，也適宜制造陣列紅外探測器件。

InSb光敏電阻在室溫下的長波長可達7.5 μm，峰值波長在6 μm附近，峰值比探測率D*約為1×1011cm·Hz1/2·W-1。當溫度降低到77K（液氮）時，其長波限由7.5 μm縮短到5.5 μm，峰值波長也將移至5 μm，恰好為大氣窗口的范圍，其峰值比探測率 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器件中性能最優良且最有前途的探測器件，尤其是對于4～8 μm大氣窗口波段輻射的探測更為重要。

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響應范圍的Hg1-xCdxTe探測器件。一般組分x的變化范圍為0.18～0.4，長波限的變化范圍為1～30 μm。

3. 光敏電阻的優缺點及使用要點

由前面分析可知，光電導型器件具有的優點是：靈敏度高；工作電流大（達數毫安）；光譜響應范圍寬；非線性動態范圍與所測光強范圍寬；無極性而使用方便等。

光敏電阻的缺點是：響應時間長；頻率特性差；強光線性差；受溫度影響大等。

根據光敏電阻的結構、原理與優缺點，可總結出使用光敏電阻應注意的要點是：①注意所使用光敏電阻的電參數（電壓、功耗）的限值，防止使光敏電阻的電參數超過允許值。②要根據不同用途，選用不同特性的光敏電阻。一般，用于數字信息傳輸時，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γ大的光敏電阻；用于模擬信息傳輸與測量時，則以選用γ值小的光敏電阻為宜，因光照指數γ與光照強弱有關，只有在弱光照射下光電流與入射輻射通量才成線性關系。③在選用光敏電阻的負載時，應考慮到光敏電阻的額定功耗，通常負載電阻值不宜很小。④光敏電阻的光譜特性與溫度有關，當溫度低時，其靈敏范圍和峰值波長都向長波方向移動，可采取冷卻靈敏面的辦法來提高光敏電阻在長波區的靈敏度。⑤光敏電阻的溫度特性很復雜，電阻溫度系數有正有負，一般來說，光敏電阻不適于在高溫下使用，特別是雜質光敏電阻在溫度高時輸出將明顯減小，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，勢必以犧牲靈敏度為代價。⑦在用于光度量測試儀器時，必須對光譜特性曲線進行修正，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當進行動態設計時，應意識到光敏電阻的前歷效應。

4. 光敏電阻的應用

由上述優缺點可知，光敏電阻多用來制作光控開關，也用于紅外的弱光探測。例如，用于照相機自動曝光電路和公共場所，如廁所、公路兩旁路燈自動控制電路，以及火災的檢測報警等。

（1）照相機電子快門的自動控制

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

（2）路燈的自動控制

圖2-10為公共場所路燈自動控制電路的一種，有時也和聲控電路結合起來共同控制。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的動開觸點上。這里使用的是電流繼電器，通過的電流必須達到一定值時繼電器才能動作。

當光線很弱時，光敏電阻阻值很大，與光敏電阻并聯的路燈電阻相對較小，因而流過繼電器線圈的電流很小，達不到啟動要求，繼電器不能工作；電路中的電流幾乎全部通過路燈，于是路燈點亮。當環境照度逐漸變大時，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，流過繼電器的電流足以使繼電器J動作，動觸點由動開位置跳到動合位置，路燈與電源斷開，自動熄滅。

（3）火焰探測報警

圖2-11為采用光敏電阻作為探測元件的火焰探測報警器電路圖。圖中所用的光電導元件為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下測試），峰值響應波長為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和穩壓二極管VDw構成對光敏電阻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，只要保證光電導靈敏度 Sg不變，輸出電路的電壓靈敏度就不會因為更換光敏電阻的阻值而改變，從而使前置放大器的輸出信號穩定。當被探測物體的溫度高于燃點或被點燃發生火災時，物體將發出波長接近于2.2 μm的輻射（或“跳變”的火焰信號），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，并經電容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”信號被放大后送給中心站放大器，并由中心站放大器發出火災警報信號，或執行滅火動作，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體光伏型探測器件，也稱為結型器件。它是少數載流子導電的光電效應，從而與多數載流子導電的光電導型器件有很大差別，如響應速度快、線性好、暗電流小、噪聲低、受溫度影響小等是光電導型器件無法比的，因而應用廣泛。

1. 光電池的結構、原理與類型

光電池是一種最簡單的光伏型器件，目前應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。硅光電池與其他半導體光電池相比，是目前轉換效率最高的（已過17%）。此外，還有薄膜光電池、紫光電池、異質結光電池等。薄膜光電池是把硫化鎘等材料制成薄膜結構，以減輕重量、簡化陣列結構，提高抗輻射能力和降低成本；紫光電池是把硅光電池的PN結減薄至結深為0.2～0.3 μm，光譜響應峰值移到600nm以下，來提高短波響應，以適應外層空間使用；異質結光電池利用不同禁帶寬度的半導體材料做成異質PN結，入射光幾乎全透過寬帶材料一側，而在結區窄禁帶材料中被吸收，產生電子-空穴對。利用這種“窗口”效應，提高入射光的收集效率，以獲得高于同質結硅光電池的轉換效率，理論上最大可達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PN結的光生伏特效應，一般做成面積較大的薄片狀，來接收更多的入射光。圖2-12是硅光電池結構示意圖，它是用單晶硅組成的。國產同質結硅光電池因襯底材料導電類型不同而分成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，擴散P型雜質（如硼），形成一個擴散P+N結，P型雜質為受光面；2DR型硅光電池是在一塊以P型硅作襯底的硅片上，擴散N型雜質（如磷），形成一個擴散N+P結。一般，作為光電探測器的多為P+N型，即2CR型。N+P型硅光電池具有較強的抗輻射能力，適合空間應用，作為航天的太陽能電池，即2DR型。

2. 光電池的應用

光電池的應用主要有兩個方面：

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

② 利用光電池將太陽能轉變成電能，目前主要是使用硅光電池，因為它能耐較強的輻射，轉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串與并聯組成陣列結構。如把硅光電池單體經串聯達到所需電源的電壓、并聯達到所需電源的電流，然后組成一個太陽電池組。在實用中，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，多用它作為人造衛星、飛船、野外微波站、野外燈塔、海上與江河上的航標燈、無人氣象站等無輸電線路地區的電源供給。

2.2.3 光敏二極管

1. 光敏二極管的結構與原理

光敏二極管和光電池的基本結構都是一個PN結，但它與光電池的不同是：①結面積比光電池小，因而輸出電流普遍比光電池小，一般在數μA到數十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/cm3），而光電池為1016～1019原子數/cm3；④全在反向偏置電壓下工作，而光電池多工作在零偏。由于半導體硅的溫度系數小，工藝最成熟，因此實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PN結，均屬于單向導電性的非線性元件。但光敏二極管是一種光電器件，在結構上有它的特殊地方，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結面積比普通二極管要大得多，且通常都以擴散層作為它的受光面，為此受光面上的電極做得較小；為了提高光電轉換能力，PN 結的深度較普通二極管淺；為了保證管子的穩定性、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。

國產硅光敏二極管按襯底材料導電類型的不同，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引出線，而2DU型光敏二極管則有三個引出線，因為除了前級和后級以外，還設有一個環極。加環極的目的是為了減少暗電流和噪聲。因為2DU型是以P-Si為襯底，在二氧化硅保護膜中常含有少量的鈉、鉀、氫等正離子，它們的靜電感應可使 P-Si 表面產生一個感應電子層，從而使 P-Si表面與N-Si連通。這樣，當管子加反偏壓時，從前級流出的暗電流除PN結的反向漏電流外，增加了表面感應層產生的漏電流。如設置一個N+-Si的環極把受光面N-Si包圍起來，為這個感應電子層的漏電流提供一條不經過負載即可達到電源的通路，從而減小了流過負載的暗電流，也減小了噪聲。而2CU型以N-Si為襯底，在它的表面產生不了電子感應層，因而就不需要加環極。

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。從結特性來分，有 PN 結、PIN 結、異質結、肖特基勢壘型及點接觸型等。從對光的響應來分，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散型PN結光敏二極管相比，具有很短的時間響應等。因此，了解光敏二極管的類型及性能，就可以在使用中進行合理挑選。

（1）擴散型PN結光敏二極管

這種管子是指耗盡層厚度比結的任何一邊的擴散長度要小的管子。它的工作區主要是結兩邊的擴散區。因此，對光生電流的貢獻主要是擴散電流，而不是漂移電流。由于擴散過程中的復合，使復合區產生的噪聲較耗盡層型探測器的散粒噪聲要大得多。此外，有外加電壓時，兩個擴散區內都出現一定的少數載流子積累，而且它的濃度隨電壓的變化而變化，這樣就造成了一個附加的電容效應，它限制了擴散型PN結光敏二極管的頻率響應特性。對于這種結的截止頻率fc，其近似表示式為

式中，D為基體少數載流子的擴散系數；W為擴散區寬度。

改變雜質的分布，可使光照面附近產生一個增強的電場，頻率響應會得到一定的改善。這就是緩變型PN結，但它的響應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，又稱為肖特基勢壘光敏二極管，其勢壘不再是PN結，而是金屬和半導體接觸形成的阻擋層，即肖特基勢壘。這是指耗盡區比結的任一邊的擴散長度大的管子，它的光電轉換區域主要是在耗盡層內，光電流主要是由漂移電流引起的，這種管子響應時間短，有很高的頻率響應，可探測5～10ns的光脈沖信號，且量子效率高。

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

式中，Vs為電子飽和漂移速度。對純電阻性負載而言，有RCωc=1，這時會出現因RC時間常數所致的高頻截止ωc。耗盡層電容C為

串聯電阻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。實際上，R還應包括薄層電阻肖特基勢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。根據基本公式RCωc=1，結合式（2-10）與式（2-11）就可以得到截止頻率ωc，即

根據式（2-9）和式（2-12）可以看出，當選取的W為

就會有一個最佳的截止頻率。

肖特基勢壘光電二極管的主要優點是，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，動態范圍大，因而很適于作為四象限探測器，用于激光跟蹤、定位、偵察、制導等系統。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器焦平面陣列均勻性高100倍以上，有利于提高系統的性能。

（3）異質結光敏二極管

若將禁帶寬度Eg不同的兩種半導體材料作成異質PN結，即可構成異質結光敏二極管。通常，以Eg大的材料作為光接收面，如用Eg大的N-GaAs與P-Ge構成的異質結光敏二極管，當有光照時，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散長度時，則能量大于 N-GaAs 的 Eg的短波光子所產生的電子-空穴對將不能到達結區，因而對光電流沒有貢獻。而能量小于N-GaAs的Eg的長波光子能夠通過GaAs材料而在 P-Ge 中被吸收而產生光電流。因此，異質結光敏二極管的寬禁帶材料起著濾波作用，即把波長 λ≤1.24/Egm（μm）的短波成分濾掉（Egm是寬禁帶材料的禁帶寬度）。這種異質結光敏二極管又稱為窄帶自濾波探測器，它的光譜響應半寬度Δλ很窄，能較好地抑制背景噪聲。所以，異質結光敏二極管具有背景噪聲低、量子效率高、信號均勻等特點，因而有廣闊的應用前景。

采用Ⅲ～Ⅴ族化合物半導體，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結光敏二極管，可工作于1～1.6 μm波段，是光纖通信用的理想探測器。這種器件還可通過改變組分x來調節光譜響應范圍。例如，InGaAsP系列異質結探測器，其峰值響應波長為1.06～1.2 μm，長波限達1.35 μm，量子效率為45%～70%，暗電流為1～5 μA/cm2，響應時間可從幾個ns到幾十ps量級，是響應速度非常快的器件。利用GaAs液相外延的方法制作的GaAs1-xSbx異質結探測器，僅有1nA的暗電流和近于0.1pF的結電容，響應頻率高，也是良好的近紅外高速探測器。采用Si/GexSi1-x及Si/SiSe做成的長波長異質結紅外探測器，是近年來人們關注的材料和器件，其響應波長可作到10 μm以上。

（4）PIN光敏二極管

前面剛提到的擴散型PN結光敏二極管，對光電池的主要貢獻是光生載流子的擴散電流，因此，受到擴散時間與擴散過程中的復合所造成的噪聲的影響。而肖特基勢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烈的反射，阻擋了光線進入耗盡層。這里介紹的擴散型PIN光敏二極管就可兼有上述兩種管子的優點。

PIN 光電二極管的結構和它在反向偏壓下的電場分布，如圖2-14所示。在高摻雜P型和N型半導體之間生長一層本征半導體材料或低摻雜半導體材料，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于耗盡層型光敏二極管的高速響應特性。這種I層所起的作用是：①因為相對P區及N 區來說，I 層是高阻區，在工作情況下，它承受著極大部分的外加電壓，使耗盡區增大，從而展寬了光電轉換的有效工作區域，提高了量子效率與靈敏度。②為了取得較大的PN結擊穿電壓，必須選擇高電阻率的基體材料，這樣勢必增加了串聯電阻，使RC時間常數增大，影響管子的頻率響應。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，又可減少串聯電阻和時間常數。③由于I層的存在，使擴散區不會到達基體，從而減少了或根本不存在少數載流子通過擴散區的擴散時間。而I層工作在反向時，實際上是一個強電場區，對少數載流子起加速作用。即使I層較厚，對少數載流子的渡越時間影響也不大，這就提高了響應速度。其響應時間為1～3ns，最短達0.1ns。④反偏下，耗盡層較無I層時要大得多，從而使結電容下降，一般結電容為零點幾到幾個pF，從而提高了頻率響應。

顯然，要使入射光功率有效地轉換成光電流，首先必須使入射光能在耗盡層內被吸收，這就要求耗盡層寬度足夠寬。但是隨著寬度的增大，在耗盡層的載流子渡越時間也會增大，從而使PIN的響應速度下降。因此，耗盡層寬度需在響應速度和量子效率之間進行折中。

如果采用類似于半導體激光器中的雙異質結構，則PIN的性能可以大為改善。因為可通過選擇P區、N區和I區的帶隙（Eg），使得光吸收只發生在I區，從而完全消除擴散電流的影響。例如，在光纖通信中，常采用 InGaAs 材料制成 I 區和 InP材料制成P區及N區的PIN光電二極管，其結構如圖2-15所示。InP材料的帶隙（即禁帶寬度）為1.35eV，大于InGaAs的帶隙，對于波長在1.3～1.6 μm 范圍的光是透明的，而 InGaAs 的 I 區對1.3～1.6 μm的光表現為較強的吸收，幾微米的寬度就可以獲得較高響應度。在受光面，一般鍍增透膜以減弱光在端面上的反射。

由于在PN結中間夾著一層很厚的本征半導體I層，在反向電壓作用下耗盡區擴展到整個半導體，PN結的內建電場就基本上全集中于I層中，光生載流子在內建電場的作用下，只產生漂移電流。因此，PIN光敏二極管的響應時間很短，為10-9s左右，頻帶很寬，達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。當入射光功率低于mW量級時，器件不會發生飽和。其不足僅是，因I層電阻很大，所以輸出電流小，一般為零點幾μA至數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算放大器集成在同一硅片上，并封裝于一個管殼內，這就是PIN混合集成光電檢測器件。

PIN混合集成光電檢測器件的外形及引腳如圖2-16所示。該器件是把PIN管與一個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。器件輸出為負極性（即輸入光信號為正脈沖，輸出的電壓信號為負脈沖）。其輸出級為射極跟隨器。

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，在VA與地，VB與地之間應各外接一個50～100 μF的濾波電容器。此外還應注意，不要對引腳放電，也不要使引腳過熱，要在防靜電工作臺上操作，否則器件很可能遭受靜電損傷。此類部件由于具有響應頻帶寬、靈敏度和信噪比高等優點，常被用做微弱信號的光電檢測和30Mbps的短波長的光通信系統的光電接收器。

有的集成器件使用PIN-FET微型組件，即用一個小面積和小電容的PIN光電二極管與高輸入阻抗的場效應管（Field Effect Transistors，FET）前置放大器組合，其中所有引線長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，工作穩定，使用方便等特點，因而使它在光通信、光雷達以及其他要求快速光電自動控制系統中得到了非常廣泛的應用。

（5）雪崩光敏二極管（APD）

PIN光敏二極管工作時的反向偏置都遠離擊穿電壓，而雪崩光敏二極管是利用PN結在高反向電壓（略低于擊穿電壓）下產生的雪崩效應來工作的一種與光電倍增管相對應的半導體器件。它通常工作在很高的反偏電壓狀態，自身有電流增益，具有響應度高、響應速度快等特點。

在設計雪崩光敏二極管時，要保證載流子在整個光敏區的均勻倍增，這就需要選擇無缺陷的材料，必須保持更高的工藝衛生和保證結面的平整。可采用保護環結構來消除低擊穿現象。目前，制作對1.06 μm摻釹激光波長特別敏感的雪崩光敏二極管（量子效率達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剖面圖。在器件兩端加反向偏壓，直至PN結的耗盡層正好穿通低濃度（一般電阻率大于5000 Ω·cm）的π區。這時，結中的峰值電場如圖2-19所示，正好比引起雪崩擊穿的電場小一點，若再加一小電壓，就可使耗盡層很快加大到P+進入器件，電子被掃到高場區，在這里發生了倍增。高場區生成的空穴橫渡π區到達P+區，構成倍增信號。

由于PIN光敏二極管在較高的反向偏壓下其耗盡區會擴展到整個PN結區，從而形成自身保護（具有很強的抗擊穿功能），因而不必設置保護環。所以，目前市場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幾百倍，甚至數千倍。其電流增益或放大倍數為

式中，Iφ為倍增前的輸出電流；IF為倍增后的輸出電流。

當沒有光照時，PN 結不會發生雪崩倍增效應。但結區一旦有光照射時，即激發起光生載流子，它們被臨界強電場所加速，從而誘發起雪崩倍增，使輸出電流得到迅速增加。如果反向偏壓大于擊穿電壓時，器件結區被擊穿。擊穿電壓與器件的工作溫度有關，溫度升高時，擊穿電壓會增大。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系曲線如圖2-20所示。當工作偏壓增加時，輸出亮電流（即光電流和暗電流之和）按指數形式增加。在偏壓較低時，不產生雪崩過程，即無光電流倍增。因此，當光脈沖信號入射后，產生的光電流脈沖信號很小（如A點波形）。當反向偏壓升至B點時，光電流便產生雪崩倍增，這是光電脈沖信號輸出增大到最大（如B點波形）。當偏壓接近雪崩擊穿電壓時，雪崩電流維持自身流動，使暗電流迅速增加，光激發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 點處光電流的脈沖信號減小。換句話說，當反向偏壓超過 B 點后，由于暗電流增加得更快，使有用的光電流脈沖幅值減小。所以最佳工作點在接近雪崩擊穿點附近。有時為了降低暗電流，會把工作點向左移一些，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，在雪崩擊穿點附近電流隨偏壓變化的曲線較陡，當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結上的反向偏壓容易產生波動，將影響增益的穩定性。所以，在確定工作點后，對偏壓的穩定度要求很高。

硅雪崩光敏二極管的光譜響應范圍為0.4～1.1 μm。為了將響應波長擴展至相應于半導體禁帶寬度的長波限以外，可將雪崩二極管（雪崩倍增效應發生在勢壘區）和金屬-半導體接觸的肖特基勢壘二極管（利用該勢壘的內光電發射效應）結合起來。如將鈀與N型硅構成雪崩光敏二極管就是一種巧妙的結合。一些能量小于硅禁帶寬度的光子透過硅，被金屬鈀吸收，將電子激發到高能態，一部分被激發的電子具有足夠的能量進入勢壘區，參與雪崩倍增。器件的長波限取決于由接觸金屬與不同半導體導電類型決定的勢壘高度；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波長可達1～2 μm。如果選擇適當的接觸金屬和硅的導電類型以及合適的工作溫度，它的響應波長還可延伸至4 μm。

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

由于雪崩光敏二極管中載流子的碰撞電離是不規則的，碰撞后的運動方向也是隨機的，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；當雪崩倍增M倍后，其噪聲電流的均方根值的近似計算式為

式中，指數n與雪崩光敏二極管的材料有關。對于鍺管，n=3；對于硅管，n=2.3～2.5。顯然，由于信號電流按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。但是，其暗電流比光電倍增管的大，相應的噪聲也大，故光電倍增管更適于弱光探測。而在光譜為0.8～1.1 μm區，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，雪崩光敏二極管對窄脈沖響應有更好的探測響應度。

2.2.4 光敏三極管

1. 光敏三極管的結構與原理

光敏三極管和普通晶體三極管相似。其相同點：一是也有PNP與NPN兩種基本結構（即都是有二個PN結的結構）；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-集電極結作為受光結，因而有光窗；其次是只有集電極和發射極二根引出線（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，它們的結構及簡化原理如圖2-21所示。

國產的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，集電極加上相對于發射極為負的電壓。

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結二極管電流源；Ccb為c、b結電容；Rcb為c、b結分流電阻（相當于光電池中的 Rsh）；Rs為串聯電阻；Cbe為基極發射極電容；rbe為基極發射極正向電阻；iL為放大后的電流源，iL=βip；β為三極管電流放大倍數；Rce為集電極發射極電阻；RL為負載電阻。為了便于分析和簡化計算，在信號等效電路圖中略去了載流子通過基區所需的時間（即渡越時間）對信號的影響。由圖2-22可以清楚地看出：ip、Ccb、Rcb及Rs構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，Rs在現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可用更簡單的圖2-23來表示。

由圖2-23可知，基極與發射極電壓為

于是可得輸出電壓Vo為

式中，Vbe為施加于b、e結的信號電壓；R為RL與Rce的并聯阻抗， 。

選擇合適的負載，使RL＜＜Rce，此時R≈RL，式（2-17）可以簡化為

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與輸入信號之間沒有嚴格的線性關系，這是它的不足之處。

從式（2-16）可以看出，在交變光信號下，由于 Cbe的存在造成對信號電流的分流。如果頻率高，會使Cbe的阻抗等于rbe，則

即有一半信號被Cbe所旁路，使有用的信號大為減小。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，必須使時間常數rbeCbe和RLCce盡可能小，這與一般高頻三極管的考慮完全一致。但有一點需指出，式（2-18）中分子與分母同時包含有RL，因此一定有一個RL值使響應最佳。RL的增大，可以使輸出電壓的幅度增加。但是，時間常數 RLCce也增大，使頻率響應下降，從而使輸出幅度下降。因此，使用中必須從響應速度與輸出信號幅度兩個方面來折中選擇RL。

為了提高增益與頻率響應，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硅片上構成集成光電探測器件，如圖2-24所示，其中以達林頓光電三極管的電流增益最高，一般均可達到幾百。

2.2.5 光伏型與光電導型器件的區別及使用要點

1. 光伏型與光電導型器件的區別

光伏型（即光電池、光敏二極管、三極管等結型）光電探測器件與光電導型光電探測器件（光敏電阻）相比，主要區別是：

① 產生光電變換的部位不同。因光敏電阻不管哪一部分受光，其受光部分的電導率就增大，是一種多數載流子的光生伏特效應；而結型器件，只有照射到PN結區或結區附近的光才能產生非平衡載流子，是一種少數載流子的光生伏特效應。而光在其他部位產生的非平衡載流子，大部分在擴散中被復合掉，只有少部分通過結區，但又被結電場所分離，因此對光電流基本上沒有貢獻。

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

③ 響應時間與頻率特性不同。光敏電阻的光電導效應主要依賴于載流子的產生與復合運動，時間常數較大，頻率響應較差；而結型器件的電場主要加在結區，其光電效應主要依賴于結區的非平衡載流子的運動，弛豫過程的時間常數（可用結電容和電阻之積表示）相應較小，因此響應速度較快。

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（達數毫安）的特點；而結型器件一般較小，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 光譜響應與光電線性不同。光敏電阻有對微弱輻射的探測能力與光譜響應寬的特點。因為光敏電阻的光電特性不像光伏器件線性好，而是非線性的，但在很低照度下呈線性，且靈敏度高，因而有對微弱輻射的探測能力；并且光敏電阻的光譜響應比光伏器件寬，尤其在紅外波段，如PbS光敏電阻的光譜響應范圍為400～2800nm，因而常用于火點探測與火災預/報警系統。

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

顯然，結型器件和光電導型器件（光敏電阻）相比，各有優缺點，因此應用于不同場合。

2. 光伏型器件使用要點

在使用半導體光生伏特效應的光電探測器件時，必須注意以下的幾個要點：

● 注意確定器件引腳的 P、N 端。光伏器件的核心是 PN 結，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。

● 使用前要測試。光電器件在使用前要測試一下好壞，并分清是光敏二極管還是光敏三極管，這一點十分重要。因為它們的負載電阻有較大的差別，一般，光敏三極管的負載電阻為光敏二極管負載電阻的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，必須注意對 PN結加反向電壓，即用確定的P端連接外電源的低電位。

● 注意入射光強與器件的配合。在使用光伏型器件時，應視用途選擇入射光強的范圍。因為光電檢測器件一般光照弱些，負載電阻小些，加反偏壓使用時，其光電特性線性好些，反之則差一些。因此，在用于開關電路或邏輯電路時，光照可以選強些；如用于模擬量測量時，光照就不宜過強。

● 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。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。

● 注意選擇負載電阻。結型器件的響應速度都很快。它主要決定于負載電阻和結電容所構成的時間常數（τ=RC）。負載電阻大，輸出電壓可以大，但 τ 會變大，響應變慢。相反，負載電阻小些，輸出電壓要減小，但τ會變小，響應速度變快。

● 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的結論，對結型光電檢測器件也是適用的。

● 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，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定，同時噪聲也大。

● 注意電磁與光的干擾。除了溫度變化、電、磁場干擾可引起電路發生誤動作外，背景光或光反饋也是引起電路誤動作的重要因素，應注意設法避免與消除。

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

● 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別。光敏三極管使用時基極通常開路，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時間的使用區別。光敏二極管的光電流小，輸出特性線性好，響應時間快。光敏三極管光電流大，輸出特性線性差，響應時間慢。通常，要求靈敏度高、工作頻率低的開關電路，可選光敏三極管；要求線性好與工作頻率高時，則用光敏二極管。

2.2.6 半導體光電探測器件的檢測及應用電路

1. 光敏二極管的檢測及應用電路

（1）光敏二極管的檢測方法

①電阻測量法：這種測量法是用萬用表 R×1kΩ擋測量的。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，說明光敏二極管是好的（若反向電阻不為∞時，說明該光敏二極管的漏電流大）；當有光照時，反向電阻會隨光照強度的增加而減小，其阻值可達到幾kΩ或1kΩ以下，則管子是好的，如果反向電阻都是∞或為零，則管子是壞的。

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

③ 短路電流測量法：這種測量法是用萬用表50A擋或500VA擋測量的。用紅表筆接光敏二極管正極“+”，黑表筆接光敏二極管負極“-”，在白熾燈下（不能用日光燈），隨著光照強度的增加，其電流增加則管子是好的，短路電流可達數十至數百安。

（2）光敏二極管的基本應用電路

通常，光敏二極管可用做光信號放大電路及光開關電路。在使用時應注意，受光表面要保持清潔，必要時可使用棉球擦凈。

光敏二極管的基本應用電路如圖2-25所示，圖2-25（a）是常用的光信號放大電路的連接方法，輸出電壓VSC隨光照強度的增加而減小。為了保證入射光強度與輸出保持線性關系，反向電壓不低于5V。圖2-25（b）為開關電路的連接方法，光敏二極管的的光電流經兩級放大后，使繼電器吸合。

2. 光敏三極管的檢測及應用電路

（1）光敏三極管的檢測方法

① 電阻測量法：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，指針微動接近∞；若在白熾燈光照下，則指針隨光照變化而變化，光照強度大時電阻變小，可達1kΩ到幾kΩ，則管子是好的。若不論有無光照，電阻均為∞或表針微動接近∞，則管子己壞。

② 電流測量法：將萬用表打在50 μA擋，并串聯在電路中，使電路工作電壓為10V。在無光照時，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，長腳為e。實踐證明，用25W白熾燈時，在20cm距離時可達1000lx左右。

（2）光敏三極管的基本應用電路

光敏三極管可以用來以可見光或紅外光的形式控制報警器、測試儀、自動開關、繼電器等多種裝置或執行機構。光敏三極管的基本應用電路如圖2-26所示。其中圖2-26（a）為開關電路；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，因而只要一級三極管放大，即可驅動繼電器