光敏三极管光电特性最全word资料.docx

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光敏三极管光电特性最全word资料

光敏三极管光电特性（最全）word资料

第19卷第4期半　导　体　光　电Vol.19No.41998年8月SemiconductorOptoelectronicsAug.1998

光敏三极管光电特性①

石仲斌

（中国舰船研究院微电子中心,武汉430072

摘　要:

　给出理想光敏三极管的一种等效电路计算模型,在一维条件下得到理想光敏三极管的电流-电压（I-V关系式。

这些式子比较全面地描述了器件的基本特性,可以用作计算机辅助分析和设计的基本模型。

利用所得方程计算光敏三极管在不同工作状态下光电流的计算结果与实验值符合较好。

同时,利用所得结果对近年报道的“注入光敏器件”进行了分析讨论,指出“注入光敏器件”是光敏三极管诸多工作状态中的一种,且这种工作方式的器件的灵敏度和探测率并未提高。

关键词:

　光敏三极管　注入光敏器件　光敏二极管

中图法分类号:

　TN15;TN32

Photoelectricpropertiesofphototransistors

SHIZhongbin

（WuhanMicroelectronicTechnologyResearchCenter,CSRDA,Wuhan430072,CHN

Abstract:

　AgroupofnewequationsaregiveninthisreportdescribingthebasicDCandlowfrequencycurrent-voltagecharacteristicsofdesirablephototransistorsforone-dimensionalmodel.NotonlytheseequationscanbeusedasabasicmodelofCADforphototransistors,buttheycanalsogenerallydescribephotoelectricpropertiesofphototransistors.Theexperimentalre2sultsagreequitewellwiththecalculatedvaluederivedfromthesenewequations.Thephotocur2rentchangeinphototransistorsunderdifferentvoltagebiasedconditionsisalsodiscussed.Analy2sisshowsthattheinjectionphotosensitivedeviceisoneofthephototransistorswiththeoperationmodes.Itisfoundthatphotocurrentoftheinjectionphotosensitivedevicesislowerthanthatinthephotodiodes.

Keywords:

　Phototransistor,InjectionPhotosensitiveDevice,Photodiode

1　引言

光敏三极管自身具有光电信号放大作用和应用电路简单等优点,已被广泛使用。

但有关光敏三极管各极I-V与光强度（光电流的普遍关系至今未见有全面详细报道。

图1（a为光敏三极管剖面图,由如图1（b所示的简单模型可得到基极开路时的输出光电流[1]

IphCEO=（1+ΒIphCBO（1式中,IphCBO是光敏三极管收集结作光电二极管使用时产生的光电流,Β是光照时的集电极电流对应的共射极直流短路电流放大系数。

式（1不能全面地描述光敏三极管的光电特性,许多光电现象得不到相应的理论解释,不能满足设计和实际应用的需要。

因而,有必要如同普通晶体管一样,给出光敏三极管各极I-V关系式来全面描述器件不同工作状态下的光电特性。

本文根据光敏三极管的结构和工作方式提出一种新的等效电路模型,由此得到一组描述光敏三极管不同工作状态下各极I-V与光强（光生电流的关系式。

利用这些式子可以全面地描述光敏三极管的一般光电特性。

它们不仅包含了旧模型的结果,

①1997-09-04收稿;1997-12-08定稿

（a

（b

图1　光敏三极管剖面图（a及　　　　光敏三极管传统等效电路（b

Fig.1　（aSectionaldiagramand（bconventional

equivalentcircuitofphototransistor

而且能在更普遍的场合下描述光敏三极管的光电特

性,其结果能与实验较好地一致。

特别是,利用这些关系式可以对近年报道的PNP（或NPN结构注入光敏器件[2~5]的光电特性进行深入地分析。

结果表明,作为光敏三极管其中一种工作状态的注入光敏器件并不能提高其灵敏度和探测率。

这些新关系式不但便于分析光敏三极管的有关特性,而且新方程也适用作CAD的基本模型。

如果进一步考虑各区电阻、引线接触电阻和结电容等的影响,则可进一步得到工作于高频时的关系式,用作光敏三极管的时间常数分析。

2　模型与方程

为简化分析,本文采用如图2的理想晶体管一

维结构,且只讨论小注入情况。

无光照时,光敏三极管有如图3所示的与同普通晶体管相同的等效电路[6]。

图中,ΑF和ΑR分别为正向和反向共基极直流

短路电流放大系数;IF=IES（eVBEVT

-1为集电极短路时的发射极电流,这时发射结相当于一个理想二

极管,IES为反向饱和电流;IR=ICS（eVBCVT

-1为发射极短路时的集电极电流,

这时收集结相当于一个

图2　理想NPN光敏三极管一维结构示意图

Fig.2　One-dimensionstructureofideaNPNphototransisto

r

图3　NPN三极管Ebers-Moll模型

Fig.3　Ebers-Mollmodeloftransistor

理想二极管,ICS为反向饱和电流;VT=kTq为温度的电压当量,VBE和VBC分别表示发射结和收集结电压;ΑRIR表示收集结对发射结的影响,ΑFIF表示发射结对收集结的影响,它们均是受控电流源。

IE,IC和

IB分别表示发射极电流、

集电极电流和基极电流。

与该模型对应的晶体管I-V方程[6]

IE=IES（eVBEVT-1-ΑRICS（e

VBCVT

-1　　（2IC=ΑFIES（e

VBEVT

-1-ICS（e

VBCVT

-1　　（3

IB=（1-

ΑFIES（eVBEV

T-

1+（1-ΑRICS（eVBCV

T-

1（4

　　当光敏三极管受光照射时,在P-N结中,少数

载流子仍遵循准平衡分布和扩散运动规律,产生的光生短路电流与P-N结的正向电流反向,因此流过发射结和收集结等效理想二极管的电流可用P-N结光电特性方程描述,它们分别为

I3F=IES（eVBEV

T-1-ILE

（5I3

R=ICS（e

VBCVT

-1-

ILC

（6

　　这时光敏三极管的等效电路如图4

。

图4　受光NPN光敏三极管等效电路

Fig.4　Equivalentcircuitofphototransistorunderlight

872半　导　体　光　电1998年8月　

同样道理,可以写出光敏三极管I-V的新方程

IE=[IES（eVBEVT-1-ILE]-　

ΑR[ICS（eVBCVT-1-ILC]（7

IC=ΑF[IES（eVBEVT-1-ILE]-

[ICS（eVBCVT-1-ILC]（8

IB=（1-ΑF[IES（eVBEVT-1-ILE]+

（1-ΑR[ICS（eVBCVT-1-ILC]（9这里结电压为外加偏压与光生电压的代数和。

ILE和ILC分别为发射结和收集结的光生短路电流,它们与入射光功率有如下关系

ILE+ILC=Γ（ΚF（ΚA（10式中,Γ（Κ为量子效率,F（Κ为入射光功率的波长函数,A为光敏面积。

在恒定光照下,（ILE+ILC为一常数。

此外,ILE和ILC各自还与光敏三极管的工作状态相关。

当收集结开路,发射结短路时,ILE=-IE;当发射结开路,收集结短路时ILC=IC。

显然,无光照时（ILE,ILC均为零,上面三个式子分别变成式（2、式（3和式（4。

另有,式（8乘ΑR减式（7,同时将式（7乘ΑF减式（8,可得光敏三极管I-V方程另一种表达形式

IE=ΑRIC+（1-ΑRΑF[IES（eVBEVT-1-ILE]

（11

IC=ΑFIF-（1-ΑFΑR[ICS（eVBCVT-1-ILC]

（12　　下面,利用上述方程分别讨论光敏三极管在直流或低频条件下不同工作状态的I-V特性。

2.1　集电极开路,发射结反向偏置时的发射极电流

（IEBO

这时光敏三极管等效于一个注入光敏器件,其收集结等效于注入光敏器件的开路大P-N结,发射结等效于加反向偏压的小输出P-N结[2~5]。

由式（11得发射极电流

IEBO=（1-ΑFΑR[IES（eVBEVT-1-ILE]

（13当发射结反向偏压,且VBEµVT时

IEBO=-（1-ΑFΑR（IES+ILE（14无光照时,ILE=0,得发射极暗电流

IDEBO=-（1-ΑFΑRIES（15因此发射极光电流为

IphEBO=-（1-ΑFΑRILE（16　　在实际器件中,注意到此工作状态下,上式括号内第二项的（ΑFΑRν1,则有

IphEBO≈-ILE（17　　此式表明,集电极开路,发射结反向偏压（即注入光敏器件工作方式时,器件输出光电流等于发射结的光生短路电流,负号表示此时的光电流与发射极正向电流反向。

由此可见,当注入光敏器件的开路大P-N结和小输出P-N结都受到光照时,它的输出光电流等于与其输出结面积相等的光电二极管光电流。

这时注入光敏器件的灵敏度和单个光电二极管的灵敏度相等。

当加反向偏压的发射结收集不到光生载流子时ILE=0,由式（17知,IphEBO=0,它与开路收集结的光生电压和回注电流无关。

这个结果与文献[7]的分析和光点扫描实验相一致。

2.2　发射极开路,收集结反向偏压时的集电极电流

（ICBO

由式（12得

ICBO=-（1-ΑFΑR[ICS（eVBCVT-1-ILC]

（18当VBC<0,且VBCµVT时

ICBO=（1-ΑFΑR（ICS+ILC（19其光电流

IphCBO=（1-ΑFΑRILC（20同理,在实际器件中,这时有

IphCBO≈ILC（21　　此结果与式（17相同,说明在一个加反向偏压的P-N结近邻设置一个开路P-N结并不能提高光敏器件的灵敏度。

这与文献[7]的论述相一致。

2.3　基极开路（IB=0,通常称为两端子光敏三极管时的集电极和发射极电流（ICEO

此时,ICEO=IC=IE,由式（12得

ICEO=-

1-ΑFΑR

1-ΑF

[ICS（eVBCVT-1-ILC]

（22将式（18代入上式

ICEO=ICBO（1-ΑF（23注意到（1+Β=1（1-ΑF关系,则

ICEO=（1+ΒICBO（24因此,基极开路的输出光电流

IphCEO=（1+ΒIphCBO（25此式表明,由新模型计算得到的基极开路输出光电流方程与过去由图1传统模型得到的方程相一致。

2.4　三端子光敏三极管（基极偏置的共射极输出特性

以基极电流（iB为参变量,输出电流（iC随输出端电压（VCE变化的特性,其函数关系为

972

第19卷第4期　　　　　　　　　　　　　　　　石仲斌:

　光敏三极管光电特性　　　　　　　　　　　　　　　

iC=f（VCE

iDB=常数

（26

这里iDB为无光照的基极电流。

注意到Β与ΑF的关系和iE=iC+iB,VBC=-（VCE-VBE,上述函数可由式（12写成

iC=ΒiB-1-ΑFΑR1-ΑF

[ICS（e-（VEC-VEEVT

-1-ILC]

（27

将式（22代入上式

iC=ΒiB+iCEO（28放大区中,VCEµVBE和VT,可以得到集电极输出光

电流

iphC=ΒiphB+（1+ΒIphCBO

（29由式（4和式（9同理得基极光生电流

iphB=（1-ΑF[IES（e

VBEVT-eVDBEVT

]-[（1-ΑRILC+（1-ΑFILE]

（30VDBE表示无光照时的发射结电压。

理论和实验都表

明,如果基极偏置回路电阻很小,那么可以近似有发

射结的光生电压为零。

因而有VBE=VDBE,式（30可简化为

iphB=[（1-ΑRILC+（1-ΑFILE]（31式（29也就可写成

iphC=ILC-

ΑFILE（32

式（31表明,基极光生电流的方向与其暗电流的方

向相反,VDBE较小时,ΑF和ΑR小,基极光电流的绝对值较大。

随着放大系数的增大,基极光电流的绝对值变小。

在iC一定范围内,ΑF和ΑR近似为常数,这时iphB表现为一常数,测量结果如表1所示。

由式（29看出,由于iphB<0,所以理论上光敏三极管共射极的集电极输出光电流比二端子器件（无基极偏置小（ΒiphB。

但是,在实际器件中,由于无基极偏置时的Β值一般小于偏置时的Β值,而且实际器件的ILE很小,所以出现表1（a所示的现象。

在一恒定光照下,器件的基极开路输出电流ICEO=115ΛA,相应的Β可由无光照时等于该电流值的集电极电流所对应的Β得到。

从表1中不难发现,当有基极偏置的电流放大系数与基极开路电流放大系数相当时,带基极偏置的集电极光电流略小,而当基极偏置时的Β值大于基极开路的Β值时,开始出现集电极光电流大于ICEO的现象。

特别在弱光条件下这种差别会更大。

由式（10知,ILE大会使ILC变小,所以不难由式（20、式（25和式（29看出,ILE使器件光电流输出变小,所以,实际器件均把发射结面积做得尽可能小,且位于器件的边角,以减小发射结对光的有害吸收,这与文献[8]的论述是一致的

。

图5　光敏三极管共射极输出特性

Fig.5　Outputcharacteristicsofphototransistorincommon

em

itter

图6　测量光敏三极管共射极伏安特性原理电路

Fig.6　PrinciplecircuitformeasurementofI-Vcharacter2

isticsofphototransistorincommonemitter

由式（11同理可得发射极光电流

iphE=-Β3iphB+（1+Β3i3

phEBO

（33

式中

i3phEBO=（1-

ΑFΑR[IES（eVBEVT-

eVDBEVT

-1-ILE]（34

是集电极开路,发射结正偏时的发射极光电流。

Β3是光敏三极管反向使用时的共射极直流短路电流放

大系数。

若基极偏置回路电阻很小,则光照时的发射结电压接近外偏压,当VBE=VDBE时,式（33变为

iphE=ΑRILC-ILE（35显然,当光敏三极管基极加偏置使用时,基极偏置回路电阻越小,发射结的光生电压越小,则发射结正向

偏压越接近无光照时的偏压。

由式（29、式（30和式（33、式（34看出,此时集电极和发射极的光电流都变小,这一点也可从实际器件的测量中得到证实。

测

082半　导　体　光　电1998年8月　

量时光功率不变,ICEO=115ΛA,VCE=5.78V。

结果表明,偏置电阻（Rb为零的集电极光电流比Rb=500k8时的集电极光电流小得多。

所以基极加偏置使用的光敏三极管偏压电阻不能太小,否则将影响光电流输出。

光敏三极管共发射极的基极电流和集电极电流测量结果列于表1中。

表1　硅光敏三极管共发射极的基极电流和集电极电流测量值（a:

Rb=500k8;b:

Rb=0

　　　　　　　Tab.1　Measurementofthebasecurrentsandcolletorcurrentsforthesiliconphototransistor

inthecommonemitter（a:

Rb=500k8;b:

Rb=0

　　　　　（a

偏置条件

VDBEV0.0000.4430.4820.5600.6010.6110.6180.632

VBEV0.4710.5560.5610.5850.6110.6190.6250.636　总电流.028********2601807集电极电流（ΛA　暗电流.010*********　光电流4.594.3113.0180237252266291

　总电流-0.88-0.120.030.922.943.944.946.94基极电流（ΛA　　暗电流0.000.100.201.003.004.005.007.00　光电流-0.88-0.22-0.17-0.08-0.06-0.06-0.06-0.06

　　　　　（b

偏置条件

VDBEV0.0000.4420.4870.5570.6010.6100.6200.632

VBEV0.0110.4520.4970.5630.6030.6120.6210.633　总电流1.03.012.013557980810791620集电极电流（ΛA　暗电流.010*********　光电流1.02.04.028********

　总电流-1.03-0.90-0.780.112.233.174.246.26基极电流（ΛA　　暗电流0.000.100.200.983.053.985.057.08　光电流-1.03-1.00-0.98-0.87-0.82-0.81-0.81-0.82

3　结束语

由本文提出的光敏三极管等效电路模型得到的光敏三极管电流-电压关系式不但包含了旧模型得到的结果,而且新的关系式能在更普遍的情况下描述光敏三极管的I-V特性。

计算表明,近年报道的注入光敏器件的灵敏度比与其输出结面积相同的光电二极管灵敏度小。

利用本文所得关系式可对光敏三极管的研制和应用进行CAD。

进一步考虑结电容、电阻等因素则可对光敏三极管的高频响应（时间常数进行分析。

参　考　文　献

1　齐丕智.光敏器件及其应用.北京:

北京科学出版社,1991:

209

2　何民才,陈炳若,黄启俊等.间接耦合光电探测器.中国科学（A辑,1990;4:

423~438

3　何民才,黄启俊,陈炳若.一种能探测微弱光的硅光敏器件.半导体学报,1988;9（5:

540~543

4　HeM,ChenB,HuangQ.Ahighly-sensitivesiliconmi2crophotosensor.SensorsandActuators,1990;A22（1~

3:

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5　何民才,黄启俊,龙　理等.注入光敏器件是一种新型的光电探测器.固体电子学研究与进展,1995;15（4:

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6　EbersJJ,MollJL.Largesignalbehaveoffunctiontran2sistors.Proc.IRE,1954;42:

1761

7　石仲斌.一个开路大

p-n结对近邻p-n结光电特性的影响.固体电子学研究与进展,1994;14（2:

186

8　FraciscoH,MonedaDL,ChenetteER.Noiseinphoto2transistors.IEEETransactionsonElectron.Devices,1971;ED-18（6:

340

石仲斌　男,1943年9月生,

1966年毕业于武汉大学物理系

半导体物理专业。

1968年起在西

南技术物理研究所从事半导体

光电探测器研制开发工作,1979

年在武汉大学从事光敏器件及其应用研究。

现为中国航船研究院微电子中心高级工程师,从事半导体敏感元件与专用集成电路的研制和开发工作。

182

第19卷第4期　　　　　　　　　　　　　　　　石仲斌:

　光敏三极管光电特性　　　　　　　　　　　　　　　

§2光电成像原理

一、光电成像系统的基本结构

1.光机扫描方式

串联扫描并联扫描串并联混合扫描

2.电子束扫描方式

3.固体自扫描方式

上述的分类方法不是绝对的，有的光电成像系统是不同扫描方式的结合。

从目前情况看，光机扫描及固体自扫描方式的光电成像系统占主导地位。

二、光电成像系统的基本技术参数

1.光学系统的通光口径D和焦距f/

2.瞬时视场角α、β

3.观察视场角WH、WV

4.帧时Tf和帧速

5.扫描效率η

6.滞留时间

对光机扫描系统而言，物空间一点扫过单元探测器所经历的时间称为滞留时间

，探测器在观察视场中对应的分辨单元数为：

由

的定义，有:

光电成像系统的综合性能参数是在以上各基本技术参数的基础上作进一步的综合分析得出的。

§3红外成像光学系统

红外成像光学系统应满足以下几方面的基本要求：

物像共轭位置、成像放大率、一定的成像范围，以及在像平面上有一定的光能量和反映物体细节的能力（即分辨率）。

一、理想光学系统模型

牛顿公式：

，

高斯公式：

，

二、光学系统中的光阑

1.孔径光阑

2.视场光阑

3.渐晕光阑

4.消杂光光阑

三、红外成像光学系统的主要参数

1.焦距f′

决定光学系统的轴向尺寸，f′越大，所成的像越大，光学系统一般也越大。

2.相对孔径D/f′

相对孔径定义为光学系统的入瞳直径D与焦距f′之比，相对孔径的倒数叫F数，

。

相对孔径决定红外成像光学系统的衍射分辨率及像面上的辐照度。

衍射分辨率:

像面中心处的辐照度计算公式为：

3.视场

四、光学系统的像差

光学系统近轴区具有理想光学系统的性质，光学系统近轴区的成像被认为是理想像。

实际光学系统所成的像和近轴区所成的像的差异即为像差。

光学系统对单色光