裝配圖光信號(hào)示波器接收頭研制的設(shè)計(jì),裝配,信號(hào),示波器,接收,接管,研制,設(shè)計(jì)
重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
光信號(hào)示波器接收頭研制
的設(shè)計(jì)
學(xué) 生：羅 剛
學(xué) 號(hào)：20032625
指導(dǎo)教師：鄒 建
專 業(yè)：信息工程
重慶大學(xué)光電工程學(xué)院
二OO七年六月
Graduation Design(Thesis) of Chongqing University
Design of Light signal oscilloscope
receiver development
Undergraduate: Luo gang
Supervisor:Assistant Prof.Zou jian
Major: Information Engineering
Opto-electronic Engineering College
Chongqing University
June 2007
重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 中文摘要
摘 要
光電傳感器是將光轉(zhuǎn)化成電的器件。由于它的精度高，反應(yīng)快，在軍事、民用電器和工業(yè)控制上的應(yīng)用十分廣泛。本文首先分析了光電傳感器的特點(diǎn)、分類和發(fā)展現(xiàn)狀，提出使用PIN光電二極管的原因，并詳細(xì)介紹其特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)要求下，分析實(shí)現(xiàn)的方法和途徑。由于PIN光電二極管輸出為電流，而示波器顯示一般用電壓，所以用電流-電壓轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換。這樣就能實(shí)現(xiàn)在示波器上顯示光信號(hào)了，即達(dá)到了目的。
在整個(gè)電路中也要考慮放大的問(wèn)題。但是在實(shí)現(xiàn)電流-電壓轉(zhuǎn)換的時(shí)候，用的電流-電壓反饋電路，我們可以在反饋電阻的使用上達(dá)到目的，即在光電二極管的光電流一定的前提下，反饋電阻越大，電壓越大。同時(shí)，我們還可以根據(jù)示波器本身電壓倍數(shù)可以調(diào)節(jié)，來(lái)達(dá)到放大電路的目的。
任何電路都不能離開(kāi)電源。在本設(shè)計(jì)中，要使用到集成運(yùn)放CA3140。我們使用220V-9V的變壓器，再利用交流直流轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)交流到直流的轉(zhuǎn)換，并用電容調(diào)整波形，最后提供直流電源。
當(dāng)然，上面所提到的只是設(shè)計(jì)的思路，我們還需要仿真模擬。在本設(shè)計(jì)中，我們使用了電路仿真軟件multisim。在該軟件中，我們得到了理想的仿真結(jié)果，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。
關(guān)鍵詞： PIN光電二極管，電流電壓轉(zhuǎn)換，multisim仿真軟件
IV
重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 英文摘要
ABSTRACT
The electro-optical sensor is the component which convertes the light into electricity. Because it’s highly precision, responds quickly, it is extremely widespread in the military, the civil electric appliance and the industry control application .This article has first analyzed the electro-optical characteristic, the classification and the present situation of development, then proposed the reason using the PIN photodiode, and gave details of its features. Under the design request, analysis realization method and way. Because the PIN photodiode outputs for the electric current, but the oscilloscope demonstrated generally uses the voltage, therefore uses the current - voltage switching transform the electric current to the voltage. This will achieve the oscilloscope showing the optical signal, which is to achieve its purpose.
In the entire electric circuit also must consider the problem of amplification. But in achieving the current-voltage conversion, with the current-voltage feedback circuit we may reach the goal in the feedback resistance using, namely premise the photoelectric current certainly, the feedback resistance is bigger, the voltage is greater. Meanwhile, we can also adjusted oscilloscope itself multiple voltage to achieve the purpose amplifier.
Any electric circuit needs the power source. In this design, integrated operational amplifier CA3140 needs power. we use 220V-9V transformer, AC to DC conversion, and capacitance adjustment the wave.
Certainly, above mentioned is only the design mentality, we also need the simulation. In this design, we have used circuit simulation software 'multisim'. In this software, we obtained the ideal simulation result, has met the design requirements.
Key words： PIN photodiode, Current—voltage conversion
Multisim Simulation Software
重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目錄
目 錄
中文摘要 Ⅰ
ABSTRACT Ⅱ
1緒論 1
1.1 光電傳感器 1
1.1.1光電傳感器的原理 1
1.1.2 光電傳感器的分類 1
1.1.3光電傳感器的應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀 2
1.2 光探測(cè)器 2
1.3主要工作 4
1.4實(shí)現(xiàn)途徑 4
2 PIN光電二極管 6
2.1光電效應(yīng) 6
2.1.1光電導(dǎo)效應(yīng) 6
2.1.2光伏效應(yīng) 8
2.2 PIN光電二極管結(jié)構(gòu) 9
2.3 PIN光電二極管的主要特性………………………………………………………………10
2.3.1 伏安特性2.3 PIN光電二極管的主要特性…………………………………………10
2.3.2量子效率η 11
2.3.3響應(yīng)度R0 11
2.3.4響應(yīng)速度 11
3 PIN光電檢測(cè)電路 12
3.1基本電路分析 12
3.2噪聲分析 13
3.2.1散粒噪聲 14
3.2.2熱噪聲 14
3.3減小噪聲的改進(jìn)電路 16
3.4設(shè)計(jì)PIN光電檢測(cè)電路的一般原則 17
4設(shè)計(jì)與仿真 18
4.1設(shè)計(jì)的檢測(cè)電路 18
4.2集成運(yùn)放CA3140 19
4.3 電路的仿真 20
4.3.1 仿真軟件介紹 20
4.3.2仿真實(shí)驗(yàn) 20
5驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì) 24
5.1 整流電路的設(shè)計(jì) 24
5.1.1半波整流電路 24
5.1.2全波整流電路 26
5.1.3橋式整流電路 27
5.2電容濾波電路 29
5.2.1濾波的基本概念 29
5.2.2電容濾波電路 30
5.2.3濾波原理 30
5.2.4電容濾波電路參數(shù)的計(jì)算 31
6 硬件制作與調(diào)試 32
6.1硬件制作 32
6.2硬件調(diào)試 32
7 結(jié)束語(yǔ) 35
7.1 本論文工作總結(jié) 35
7.2 有待完善之處 35
參考文獻(xiàn) 37
重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 緒論
1 緒論
本設(shè)計(jì)是本科生教育改革中的前期探索。在本科生教育開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)中，有許多的實(shí)驗(yàn)是根據(jù)本科生自身的要求和特點(diǎn)展開(kāi)的。本設(shè)計(jì)做的是探測(cè)光信號(hào)的波形情況，它主要用于在其他實(shí)驗(yàn)中，將某信號(hào)如電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的轉(zhuǎn)換效率或失真程度的判定上。本設(shè)計(jì)的要求雖然簡(jiǎn)單，但意義是十分巨大的。
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)十分明確：學(xué)習(xí)multisim軟件，并了解其在電子設(shè)計(jì)中的使用，掌握基本操作規(guī)程。設(shè)計(jì)光電接收前置單元并且在multisim 中進(jìn)行模擬仿真。最終制作硬件系統(tǒng)，調(diào)試及改進(jìn)。
在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)中，鍛煉了學(xué)生解決問(wèn)題的設(shè)計(jì)思路，又掌握了一門很好的電子線路仿真和設(shè)計(jì)的EDA工具軟件。在硬件制作中，鍛煉了自身的動(dòng)手能力和實(shí)際解決電子線路板常見(jiàn)問(wèn)題的能力，這為實(shí)際工作奠定了基礎(chǔ)。
1.1光電傳感器
1.1.1光電傳感器的原理
光電傳感器又叫光傳感器，是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一種傳感器。敏感波長(zhǎng)在可見(jiàn)光（0.38~0.76um）附近，包括紅外線光（0.76~1000um）和紫外線光（0.005~0.4um）。其工作原理是基于一些物質(zhì)的光電效應(yīng)。光敏二極管是最常見(jiàn)的光傳感器。光敏二極管的外型與一般二極管一樣，只是它的管殼上開(kāi)有一個(gè)嵌著玻璃的窗口，以便于光線射入，為增加受光面積，PN結(jié)的面積做得較大，光敏二極管工作在反向偏置的工作狀態(tài)下，并與負(fù)載電阻相串聯(lián)，當(dāng)無(wú)光照時(shí) ，它與普通二極管一樣，反向電流很小（＜μA），稱為光敏二極管的暗電流；當(dāng)有光照時(shí)，載流子被激發(fā)，產(chǎn)生電子-空穴，稱為光電載流子。在外電場(chǎng)的作用下，光電載流子參于導(dǎo)電，形成比暗電流大得多的反向電流，該反向電流稱為光電流。光電流的大小與光照強(qiáng)度成正比，于是在負(fù)載電阻上就能得到隨光照強(qiáng)度變化而變化的電信號(hào)。?
1.1.2光電傳感器的分類
常見(jiàn)的光電傳感器有光電管、光敏電阻、光敏晶體管、光電偶合器、顏色傳感器、紅外光傳感器、紫外光傳感器、光纖傳感器和CCD圖象傳感器。
我們按光電效應(yīng)把傳感器分為3類：（1）在光線作用下能使電子逸出物體表面的外光電效應(yīng)，如光電管、光電倍增管等；（2）在光線作用下能使物體的電阻率改變的內(nèi)光電效應(yīng)，如光敏電阻、光敏晶體管等；（3）在光線作用下物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的光生伏特效應(yīng)，如光電池等。在本次設(shè)計(jì)中，光信號(hào)接收頭接收的是微弱快速的光信號(hào)，在靈敏度、光譜響應(yīng)范圍及頻率特性等方面的要求很高，故采用光生伏特型。常用的光生伏特型有Si光電二極管、PIN光電二極管和APD光電二極管。由于Si光電二管的光—電轉(zhuǎn)換速度較慢、探測(cè)調(diào)極制頻率較低（光脈沖頻率太高時(shí)，出現(xiàn)漏掉光脈沖的現(xiàn)象）等缺點(diǎn)；APD光電二極管響應(yīng)時(shí)間極短，即上千兆的響應(yīng)頻率，主要用于紅外激光探測(cè)。故我們選用PIN光電二極管。它是
在P—n結(jié)之間加一本征層(I層)。只要適當(dāng)控制本征層厚度，使它近似等于反偏壓下耗盡層的寬度，就可使響應(yīng)波長(zhǎng)范圍和頻率響應(yīng)得到改善，且本征層對(duì)提高器件靈敏度和頻率響應(yīng)起著十分重要的作用。由于本征層的存在，使載流子渡越時(shí)間非常短，響應(yīng)速度很快，可以檢測(cè)調(diào)制頻率較高(109Hz級(jí))的光信號(hào)。
1.1.3光電傳感器的應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀
光電式傳感器可用于檢測(cè)直接引起光量變化的非電量，如光強(qiáng)、光照度、輻射測(cè)量、氣體成分分析等；也可以用于檢測(cè)能轉(zhuǎn)化成光量變化的其它非電量，如直徑、表面粗糙度、應(yīng)變位移、振動(dòng)、速度、加速度以及物體形狀、工作狀態(tài)的識(shí)別等。光電傳感器，由于反應(yīng)快、精度好、無(wú)接觸測(cè)量，因此在軍事、工業(yè)控制和民用電器中的應(yīng)用十分廣泛。在軍事上主要包括：水下探測(cè)、航空監(jiān)測(cè)、核輻射檢測(cè)等；在工業(yè)控制上，能檢測(cè)零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動(dòng)、速度、加速度、以及物體形狀、工作狀態(tài)的識(shí)別等；在民事上，其應(yīng)用更是不勝枚舉，如打印機(jī)、傳真機(jī)、色度計(jì)、醫(yī)療診斷儀器等。美國(guó)是最早將光電傳感器用于民用領(lǐng)域的國(guó)家。20世紀(jì)90年代，日本由東芝、日本電氣等15家公司和研究機(jī)構(gòu)，研究開(kāi)發(fā)出多種具有一流水平的民用光電傳感器。西歐各國(guó)的大型企業(yè)和公司也積極參與光電傳感器的研發(fā)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。我國(guó)對(duì)光電傳感器研發(fā)的起步時(shí)間與國(guó)際相差不遠(yuǎn)。目前，已有上百個(gè)單位在光電溫度傳感器、壓力計(jì)、流量計(jì)、液位計(jì)、電流計(jì)等領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究，取得了上百項(xiàng)科研成果，有的達(dá)到了世界先進(jìn)水平。但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的研究水平還有不小的差距，主要表現(xiàn)在商品化和產(chǎn)業(yè)化方面，大多數(shù)品種仍處于實(shí)驗(yàn)研制階段，還無(wú)法投入批量生產(chǎn)和工程化應(yīng)用。
1.2光探測(cè)器
光探測(cè)器是由光傳感器和信號(hào)處理器組成的光信號(hào)探測(cè)器件。光探測(cè)器的波長(zhǎng)要求與光源的波長(zhǎng)匹配，并能可靠的用于光纖傳輸系統(tǒng)。目前常用的有兩種半導(dǎo)體光探測(cè)器，即具有本征層的光電二極管（PIN）和雪崩光電二極管（APD）。
半導(dǎo)體光探測(cè)器都是利用光電效應(yīng)的原理制成的。所謂光電效應(yīng)是指一定波長(zhǎng)的光照射到半導(dǎo)體的PN結(jié)時(shí)，價(jià)帶上的電子吸收光子能量而躍遷到導(dǎo)帶，使導(dǎo)帶中有了電子，價(jià)帶中有了空穴，從而使PN結(jié)中產(chǎn)生光生載流子的一種現(xiàn)象。
為提高光探測(cè)器的響應(yīng)速度和轉(zhuǎn)換率，在PN結(jié)中P型材料和N型材料之間增加一層輕摻雜的N型材料（即I層，也稱為本征半導(dǎo)體層），就構(gòu)成了PIN管。APD管是利用光生載流子在耗盡區(qū)內(nèi)的雪崩倍增效應(yīng)產(chǎn)生光電流的倍增作用（即內(nèi)部電流放大作用）的光電二極管。所謂雪崩倍增效應(yīng)是指PN結(jié)外加高反向偏壓后，在耗盡層內(nèi)形成一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)，在耗盡層吸收光子時(shí)，光源發(fā)出的光生載流子被強(qiáng)電場(chǎng)加速，以極高的速度與耗盡層的晶格發(fā)生碰撞，產(chǎn)生新的光生載流子，并形成連鎖反應(yīng)，從而使光電流在光電二極管內(nèi)部獲得倍增。
衡量光探測(cè)器光/電轉(zhuǎn)換效率的特征參數(shù)有量子效率和響應(yīng)度。量子效率η定義為轉(zhuǎn)換形成光電流的電子-空穴對(duì)數(shù)同入射光子數(shù)之比，即：
式（1.1）
式中，η—量子效應(yīng); n1—入射光子數(shù)； n2—光生載流子數(shù)；
IP—光生電流（A）；P—入射光功率（W）；h f—光子能量（J）；
h—普朗克常數(shù)，h=6.626×10-34j/Hz;
f—入射光頻率（Hz）；e—電子電荷，e=1.6×10-19C。
響應(yīng)度表示單位入射光功率所產(chǎn)生的光電源，即光探測(cè)器的平均輸出電流與入射光功率之比，具體表示為：
式（1.2）
式中，R—光探測(cè)器的響應(yīng)度（A/W）；IP—光生電流（A）；
P—入射光功率（W）；hf—光子能量（J）；η—量子效率；
e—電子電荷，e=1.6×10-19C；λ—入射光波長(zhǎng)（um）。
光探測(cè)器的響應(yīng)度是入射光波長(zhǎng)的函數(shù)。入射光波長(zhǎng)太短時(shí)，材料對(duì)光的吸收系數(shù)變得很大，光探測(cè)器的光/電轉(zhuǎn)換效率會(huì)大大降低。另一方面，入射光波長(zhǎng)必須小于半導(dǎo)體光探測(cè)器材料的禁帶能級(jí)所要求的截止波長(zhǎng)，以保證入射光滿足發(fā)生光電效應(yīng)的條件。
不同材料的典型響應(yīng)度特性
表1.1
半導(dǎo)體材料
符號(hào)
工作波長(zhǎng)范圍/NM
峰值波長(zhǎng)范圍/NM
典型響應(yīng)度/（A/W）
硅
Si
400~1100
800~1000
0.65(800nm)
鍺
Ge
1000~1600
1300~1500
0.75(1310nm)
銦鎵砷
InGeAs
900~1700
1300~1600
0.90(1550nm)
PIN管和APD管的性能比較
表1.2
項(xiàng)目
本征層的光電二極管（PIN）
雪崩光電二極管（APD）
制作工藝
簡(jiǎn)單
復(fù)雜
成本
低
高
靈敏度
稍差
可比PIN管高3db~10db
偏置電壓
低
高
暗電流
小（最大數(shù)納安培）
高（數(shù)十至數(shù)百安培）
適用范圍
中低速中短距離、高速短距離傳輸
中高速中長(zhǎng)距離傳輸
所以選用PIN光電二極管
1.3主要工作
1、 學(xué)習(xí)multisim軟件，掌握基本操作規(guī)程；
2、 設(shè)計(jì)光電接收前置單元并仿真運(yùn)行；
3、 制作硬件系統(tǒng)，調(diào)試及改進(jìn)。
1.4實(shí)現(xiàn)途徑
1、設(shè)計(jì)準(zhǔn)備：在研制光信號(hào)接收頭前，首先要對(duì)本課題現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查，了解現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，查詢并翻譯相關(guān)技術(shù)資料，學(xué)習(xí)multisim軟件，掌握基本操作規(guī)程。再進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)、零件選擇和方案分析論證，對(duì)系統(tǒng)的復(fù)雜程度、完成的功能、系統(tǒng)的成本、布線的合理性、工作的速度、失真情況等進(jìn)行權(quán)衡，選擇合理的設(shè)計(jì)方案。
2、設(shè)計(jì)輸入：打開(kāi)multisim軟件，在元件庫(kù)里尋找合適的元件放置到主窗口上，連線創(chuàng)建仿真電路原理圖。
3、設(shè)計(jì)處理：在完成電路原理圖后，設(shè)置電路圖選項(xiàng)，選擇使用仿真儀器，設(shè)定仿真分析方法 ，啟動(dòng)multisim2001仿真。
4、設(shè)計(jì)校驗(yàn)：在仿真分析結(jié)果窗口上查看仿真圖，是否符合預(yù)測(cè)值，如果不符合，那需要檢查電路零件和連線情況，或修改邏輯設(shè)計(jì)方案，直到得到正確的結(jié)果。
5、實(shí)物制作：按照設(shè)計(jì)的原理圖，在印刷電路板上制作硬件系統(tǒng)，并與示波器連接，調(diào)試接收頭，查看其接收效果。如果需要，做適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。制作系統(tǒng)外殼及接口。
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重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 PIN光電二極管
2 PIN光電二極管
2.1光電效應(yīng)
簡(jiǎn)單的說(shuō)，在光的照射下，使物體中的電子脫出的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)(Photoelectric effect)。金屬表面在光輻照作用下發(fā)射電子的效應(yīng)，發(fā)射出來(lái)的電子叫做光電子。光波長(zhǎng)小于某一臨界值時(shí)方能發(fā)射電子，即極限頻率和極限波長(zhǎng)。臨界值取決于金屬材料,而發(fā)射電子的能量取決于光的波長(zhǎng)而與光強(qiáng)度無(wú)關(guān)，光電效應(yīng)分為光電子發(fā)射、光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏打效應(yīng)。前一種現(xiàn)象發(fā)生在物體表面，又稱外光電效應(yīng)。后兩種現(xiàn)象發(fā)生在物體內(nèi)部，稱為內(nèi)光電效應(yīng)。
光電效應(yīng)有四個(gè)實(shí)驗(yàn)規(guī)律：a．陰極 (發(fā)射光電子的金屬材料)發(fā)射的光電子數(shù)和照射發(fā)光強(qiáng)度成正比。 b．光電子脫出物體時(shí)的初速度和照射光的頻率有關(guān)而和發(fā)光強(qiáng)度無(wú)關(guān)。這就是說(shuō)，光電子的初動(dòng)能只和照射光的頻率有關(guān)而和發(fā)光強(qiáng)度無(wú)關(guān)。 c．僅當(dāng)照射物體的光頻率不小于某個(gè)確定值時(shí)，物體才能發(fā)出光電子，這個(gè)頻率叫做極限頻率(或叫做截止頻率)，相應(yīng)的波長(zhǎng)λ。叫做紅限波長(zhǎng)。不同物質(zhì)的極限頻率和相應(yīng)的紅限波長(zhǎng)λ。是不同的。d．從實(shí)驗(yàn)知道，產(chǎn)生光電流的過(guò)程非常快，一般不超過(guò)lO-9秒；停止用光照射，光電流也就立即停止。這表明，光電效應(yīng)是瞬時(shí)的。
半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)取決于半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)光束投射到半導(dǎo)體表面時(shí)，進(jìn)入體內(nèi)的光子如果直接與電子作用（吸收、動(dòng)量傳遞等），引起電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，則半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)隨之發(fā)生改變，這類現(xiàn)象統(tǒng)稱為半導(dǎo)體的光電效應(yīng)。
光電效應(yīng)有許多種，按照是否發(fā)射電子，光電效應(yīng)分為內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又包括光電導(dǎo)效應(yīng)、光伏效應(yīng)、光子牽引效應(yīng)和光磁電效應(yīng)等。
在光電效應(yīng)中，光子直接與物質(zhì)中的電子相互作用。物質(zhì)吸收光子后，將引起物質(zhì)內(nèi)部電子能態(tài)的改變。這種改變與光子的能量大小有關(guān)，所以光電效應(yīng)是一種波長(zhǎng)選擇性物理效應(yīng)。
2.1.1光電導(dǎo)效應(yīng)
半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能與其中的自由載流子濃度有關(guān)，某一溫度下，由于熱激發(fā)電子從不斷振動(dòng)的晶格中獲得能量，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生自由載流子。同時(shí)由于復(fù)合作用自由載流子不斷減少。在一定溫度下，上述兩個(gè)過(guò)程達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，這時(shí)半導(dǎo)體中的自由載流子成為“熱平衡載流子”。如果半導(dǎo)體受到光照，則入射光子將激發(fā)出新的載流子，該半導(dǎo)體的電導(dǎo)率增大。半導(dǎo)體材料吸收光輻射而產(chǎn)生載流子，從而使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。根據(jù)半導(dǎo)體材料對(duì)光輻射吸收類型不同，光電導(dǎo)效應(yīng)又分為本征光電導(dǎo)效應(yīng)和非本征光電導(dǎo)效應(yīng)。
對(duì)本征半導(dǎo)體，當(dāng)無(wú)光照時(shí)，由于熱激發(fā)只有少數(shù)電子從價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶。這時(shí)半導(dǎo)體的電導(dǎo)率很低，并定義為：
式（2.1）
n0和p0分別為無(wú)光照射時(shí)電子和空穴濃度，un和up分別為電子和空穴的遷移率，σ稱為半導(dǎo)體材料的暗電導(dǎo)。
當(dāng)光入射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，半導(dǎo)體價(jià)帶中的電子吸收光子后從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，從而使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率增大，這種現(xiàn)象稱為本征光電導(dǎo)效應(yīng)。光電導(dǎo)效應(yīng)實(shí)際上是非平衡多數(shù)載流子過(guò)程。
使電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，入射光子能量至少要和本征半導(dǎo)體的禁帶寬度一樣大，因此要求：
式（2.2）
或?qū)憺椋?
式（2.3）
式中，v是入射光頻率，λ是光波長(zhǎng)，c是光速，h是普朗克常量。
本征半導(dǎo)體的截止波長(zhǎng)為：λ0=1.24/Eg (ev),波長(zhǎng)大于λ0的光輻射不能產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)。
上式表明，本征半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg越小，則λ0越大。選擇Eg不同的半導(dǎo)體材料可制成截止波長(zhǎng)不同的光電導(dǎo)探測(cè)器。
入射光激發(fā)非本征半導(dǎo)體中雜質(zhì)能級(jí)上的束縛態(tài)電子或空穴而產(chǎn)生的光生載流子，從而使電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為非本征光電導(dǎo)效應(yīng)。非本征半導(dǎo)體材料的禁帶寬度遠(yuǎn)小于本征半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，所以非本征光電導(dǎo)的λ0遠(yuǎn)大于本征光電導(dǎo)的波長(zhǎng)λ0
2.1.2光伏效應(yīng)
由半導(dǎo)體理論可知，在半導(dǎo)體p-n結(jié)的n區(qū)導(dǎo)帶中有較多的電子，在P區(qū)價(jià)帶中有較多的空穴。p-n結(jié)中由于存在載流子濃度梯度，便發(fā)生電子向P區(qū)、空穴向n區(qū)的擴(kuò)散。擴(kuò)散的結(jié)果使p區(qū)帶負(fù)電，n區(qū)帶正電，中間形成耗盡區(qū)，同時(shí)產(chǎn)生由耗盡區(qū)引起的內(nèi)建電場(chǎng)，內(nèi)建電場(chǎng)將阻止電子繼續(xù)向P區(qū)擴(kuò)散，阻止空穴繼續(xù)向n區(qū)擴(kuò)散，這時(shí)p-n結(jié)處于平衡狀態(tài)。
在入射光作用下，如果光子能量大于禁帶寬度Eg，則在P區(qū)、結(jié)區(qū)和n區(qū)都會(huì)引起本征激發(fā)而產(chǎn)生電子空穴對(duì)，破壞原來(lái)的平衡狀態(tài)。結(jié)區(qū)中的光生載流子在結(jié)區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下向相反方向運(yùn)動(dòng)，P區(qū)的空穴穿過(guò)p-n結(jié)進(jìn)入n區(qū)，n區(qū)的電子進(jìn)入P區(qū)。若p-n結(jié)處于開(kāi)路狀態(tài)，這些光生載流子就積累在p-n結(jié)附近，使P區(qū)獲得附加的負(fù)電荷.n區(qū)獲得附加的正電荷。結(jié)果使P區(qū)電勢(shì)降低，n區(qū)電勢(shì)升高。于是在p-n結(jié)兩端形成了光生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)。由于光照產(chǎn)生的載流子各自向相反的方向運(yùn)動(dòng)，結(jié)果在p-n結(jié)內(nèi)部形成自n區(qū)向P區(qū)的光生電流Ip，它與漂移電流方向相同，與擴(kuò)散電流方向相反。
圖2.1 結(jié)構(gòu)示意圖
與光電導(dǎo)效應(yīng)相反，光伏效應(yīng)是一種少數(shù)載流子過(guò)程。少數(shù)載流子的壽命通常短于多數(shù)載流子的壽命，當(dāng)少數(shù)載流子復(fù)合掉時(shí)，光伏信號(hào)就終止了。由于這個(gè)原因，基于光伏效應(yīng)的光探測(cè)器通常比相同材料制作的光電導(dǎo)探測(cè)器的響應(yīng)更快。
圖2.2 能帶示意圖
2.2 PIN光電二極管結(jié)構(gòu)
PIN光電二極管開(kāi)始加工的硅片是一塊接近本征的單晶，稱為I層，它有很高的電阻率和很長(zhǎng)的載流子壽命。但完全沒(méi)有雜質(zhì)的本征層是很難實(shí)現(xiàn)的， P區(qū)和N區(qū)分別利用擴(kuò)散或離子注入加工到硅片表面，形成陽(yáng)極和陰極。這兩個(gè)極既可以做在硅片兩面，也可以做在同一面的不同區(qū)域。由于光敏二極管并非用于射頻狀態(tài)下，所以對(duì)特征頻率和傳輸時(shí)間無(wú)特殊要求，通常我們采用兩個(gè)極做在硅片同一面的方式，這樣的好處還可以增大光感應(yīng)的面積，提高感應(yīng)靈敏度。
圖2.3 PIN結(jié)構(gòu)圖
為了改善響應(yīng)速度和轉(zhuǎn)換效率，顯然，適當(dāng)?shù)募哟蠛谋M層寬度是有利的，為此在制造時(shí)，在P型材料和N型材料之間加一層輕摻雜的N型材料，稱為I( Intrinsic,本征的)層，由于是輕摻雜，故電子的濃度很低，經(jīng)擴(kuò)散作用后可形成一個(gè)很寬的耗盡層。另外，為了降低p-n結(jié)兩端的接觸電阻，以便與外電路連接，將兩端的材料做成重?fù)诫s的P+層和N十層，此即PIN光電二極管。PIN管在低頻狀態(tài)下的I-V特性類似于PN結(jié)的I-V特性。其兩端加反向偏壓，電源電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)同向，合成結(jié)電場(chǎng)使耗盡區(qū)在整個(gè)I區(qū)擴(kuò)展。當(dāng)能量大于材料禁帶寬度的光子射入時(shí)，生成光生載流子，進(jìn)入耗盡區(qū)，并向兩端漂移，形成光生電流。這樣由于本征區(qū)的引入而使得耗盡區(qū)長(zhǎng)度增加，光生載流子進(jìn)入耗盡區(qū)的幾率增大，且光生載流子獲得比擴(kuò)散速度高得多的漂移速度，使量子效率和響應(yīng)速度都得到很大提高。
圖2.4 PIN光電二極管結(jié)構(gòu)和能帶示意圖
當(dāng)P1N管兩端加上正向的偏壓后，PI結(jié)和NI結(jié)的勢(shì)壘降低，P區(qū)空穴和N區(qū)電子不斷注入到I區(qū)，不斷復(fù)合，注入的電子和空穴使I區(qū)電導(dǎo)增加，呈現(xiàn)出低阻抗。
2.3 PIN光電二極管的主要特性
2.3.1伏安特性
PIN光電二極管是反偏壓工作，其伏安特性可表現(xiàn)為：
式（2.4）
式中，I是流過(guò)二極管的總電流;I0為反向飽和電流; e為電子電荷；k為玻爾茲曼常數(shù);T為工作溫度;v為加在二極管兩端的電壓; IP是光電流。其特性曲線如圖：
圖2.5 PIN光電二極管的伏安特性曲線
在工作反便電壓一定的情況下，光電流IP正比與入射光功率P0，其關(guān)系式為：
式（2.5）
其中，hf是頻率為f的光子能量;h為普朗克常數(shù);η為量子效率。利用這線性關(guān)系，就可以對(duì)光信號(hào)進(jìn)行直接檢測(cè)，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
2.3.2量子效率η
量子效率η是光電二極管靈敏度的一個(gè)量度。它是指在光電二極管中產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)數(shù)與入射的光子數(shù)之比:
式（2.6）
國(guó)產(chǎn)光電二極管的量子效率一般在30~95%之間。
2.3.3響應(yīng)度R0
響應(yīng)度是表征光電二極管靈敏度的另一個(gè)物理量，它的定義是指光電檢測(cè)器的平均輸出電流IP與其平均入射光功率P0的比值:
（A/W） 式（2.7）
可見(jiàn)，檢測(cè)器的量子效率高，其響應(yīng)便越高，即光電轉(zhuǎn)換效率越高。國(guó)電光電管的響應(yīng)或靈敏度一般在0.3~0.5 A/ W范圍內(nèi)。
2.3.4響應(yīng)速度
光電二極管的響應(yīng)速度取決于它們的響應(yīng)時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間是指它的光電響應(yīng)時(shí)間，即從它接收到光子時(shí)起到它能夠有光生電流輸出的這段時(shí)間。光電二極管的響應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短反映了光電轉(zhuǎn)換速度的快慢。目前，國(guó)產(chǎn)光電檢測(cè)器件的響應(yīng)時(shí)間分別為:PIN
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