几种各具特色的硅光敏器件

光敏器件是敏感器件中的重要类型，在光学测量、光纤通信、光探测、自动控制、仪器仪表等科学技术和工业生产领域有十分广泛的应用。而硅光敏器件则是目前使用最为广泛的光敏器件。近几年来，我国半导体硅光敏器件的研制与生产又有了多方面的进展。这些进展，不仅表现在器件性能的提高和器件功能的扩展，而且表现在新型原理的提出与实施。

传统的结型光敏器件，是直接利用PN结光生伏特效应产生的光电流工作的。通常，还要通过内部增益或外部放大电路来放大这一光电流，以便提高对光的敏感程度。但是，在光电流获得增大的同时，器件的暗电流也得到相同倍率的增大，因而信噪比不会提高，这使得对极微弱光的探测受到限制；换一句话说，器件对光的探测率不高。

“注入光敏器件”的开发，从根本上改变了上述局面。与传统方法不同的是，这种器件利用PN结注入电流工作，采用间接耦合的方式使注入电流直接输出或放大后输出。由于采用崭新的原理与新颖的结构，所以，当光引起的信号电流被放大时，受光PN结的暗电流却不会被放大。所以，一方面可以使器件具有很高的内部增益而使它有极高的光电灵敏度，另一方面又可使暗电流仍然很小。这样就使信噪比大为提高，使得注入光敏器件特别适用于探测极微弱的光，即探测率高。

现将注入光敏器件WGT－1型光敏管的性能简介如下。在工作电压为7伏，照度为0.1勒克司时，可获得数毫安至数十毫安的光电流，而其暗电流小于10\(^{－8}\)安。最小探测限为4×10－13瓦。在光照度约为 4×10\(^{－2}\)勒克司的上弦月月光下，也能输出毫安级大小的光电流。由此可见，WGT—1可用于夜视装置和光纤传感器中。其光电灵敏度比日本的PN204光敏管要高得多，暗电流却小些。

WGT—1型光敏管的问世，使得过去某些必须使用雪崩光电二极管或光电倍增管的场合，可以用这种价格低廉、使用方便、体积甚小的光敏管代替。

如果被探测的光并非十分微弱，那么由于WGT－1特别高的灵敏度，便会因输出电流过大而烧毁器件；为避免器件损坏，有必要加较大的限流电阻，但这又会发生因限流电阻较大而引起的电流饱和现象。为了避免上述二种情况，适应探测弱光的需要，开发了另一类注入光敏器件RGT—1光敏管。该器件的参数为：在10伏工作电压，2勒克司光照条件下，光电流大于0.5毫安至大于3毫安（分档）。相当于光电灵敏度为每100勒克司25毫安至150毫安。10伏电压下的暗电流小于0.1微安。其主要参数与日本的PN204相当。由于RGT—1在弱光下也能提供较大电流，故可以方便地用于光探测、光电转换和自动控制设备中。不必再行放大，其输出电流即能带动灵敏继电器。该器件比采用普通光敏管技术制作的达林顿光敏管有更高的灵敏度而暗电流却较小。

近几年来，各种宽光谱辐射计、照度计、电子快门等测光、控制仪表，以及紫外医疗消毒、食品加工及生物化学分析装置上，都迫切地需要对紫外光和蓝紫光等短波长光敏感的光敏器件。新近研究开发的适于探测紫外光和蓝紫光的新结构硅光伏二极管——高低结发射区硅光伏二极管，就是为适应这种需要而发展起来的。普通的N+P或P＋N结硅光二极管对短波长光的灵敏度很低，在波长400纳米（即4000埃）的紫光处，其相对灵敏度在峰值的10％以下。新颖的高低结发射区结构，对硅光二极管的紫光灵敏度有显著的增强作用。采用这种结构研制出的UV－1至UV110系列硅光二极管，在400纳米波长处的相对灵敏度达50％左右；在254纳米波长处，仍高达30％左右。UV－1器件的光敏面积为4.2mm\(^{2}\)，光谱范围为190纳米至1100纳米，在紫外灵敏度方面，达到了具有国际先进水平的日本HAMAMATSU公司的相同类型产品1226－5BQ的水平。而UV110器件的光敏面积为102mm2，光谱范围为185纳米至1100纳米，在紫外灵敏度方面，达到了被认为是国际上紫外光敏性能最好的美国产品UV—444BQ的水平。

紫外光伏二极管有高的紫外光电灵敏度和优良的光电线性，但因输出电信号较小，需要有另外的放大系统加以放大。3DU—UV紫外光敏二极管在保持优良紫外性能基础上，实现了器件内部增益，给使用者带来了方便。以该系列产品中的3DU—UV110B为例，其最高工作电压大于15伏，6伏下暗电流小于0.01微安，平的石英透光窗口，光谱范围230纳米至1100纳米，100勒克司光照下光电流大于1毫安，254纳米汞线波长处光电灵敏度大于2微安／微瓦。该器件可用于各种光电开关，特别是紫外光电开关，如电弧打火控制装置及紫外光电探测控制系统等方面。

人们在应用光敏器件时，有些场合需要器件有宽的光谱响应范围，因而发展了一类如紫外增强光伏型光敏二极管的光谱响应宽的器件。但是，有些情况则需要器件有较窄的光谱响应范围。例如，在与照度测量有关的场合及与人眼感知颜色有关的场合使用的光敏器件，往往要求器件的光谱响应逼近人眼视见函数。为适应这种需要，开发了光谱响应逼近视见函数的光敏三极管3DUKJ，其光谱响应范围为350纳米至750纳米，峰值波长为550纳米，在10伏工作电压1000勒克司条件下可提供几十微安至上千微安的光电流，10伏下暗电流小于10\(^{-}\)8安。3DUKJ备有基极引线，当使用基极引线与集电极引线，便是一只光谱响应逼近视见函数的光敏二极管，其灵敏度较三极管应用状态时为低，但其线性更好。

与3DUKJ相对应，在有些应用场合需要器件对可见光不敏感，只对近红外光敏感。因而开发了近红外光敏三极管3DUHW。其光谱范围为850纳米至1100纳米，峰值波长在940纳米左右，很适于与砷化镓发光二极管配对使用。由于器件对可见光不敏感，所以使用时非工作光引起的背景噪声水平就会显著降低。

通常，非达林顿结构的高灵敏度光敏三极管是用硅外延片制造的。但用硅单晶片制造光敏三极管难以实现高灵敏度。为此，开发了一种不用外延片而用单晶片制造的高灵敏度光敏三极管3DU84。在10伏工作电压100勒克司光照下，光电流可达10毫安以上；光照为1000勒克司时，光电流可达40毫安以上。在光电灵敏度方面达到了国际上最灵敏的日本产品PN101的水平。

“光晶闸管”通常又称“光激可控硅”，与其他光敏器件相比，它具有输出较大电流的能力，而且只要光照度大于一个不大的阈值便可工作。另一方面，在电源为直流的情况下，它具有记忆光脉冲的能力，即具有保持光致导通的能力。而当工作在交流电源情况，则是一种输出电流很大而功能与光敏管类似的器件。在某些应用场合使用这类器件，可以收到减少元器件数目、简化电路、缩小设备体积、节约成本的效果。作为光敏器件的光晶闸管，是中小功率的。 3CTU系列中小功率光晶闸管的工作电压可达几百伏，导通电流可达安培级。

通常的光敏三极管，虽然有灵敏度高、使用方便的优点，但响应时间却较长，一般均在2至10微秒的范围（10\(^{1}\)微秒级）。达林顿结构的光敏管则长达100微秒左右（102微秒级）。雪崩光电二极管、PIN光电二极管、光敏集成电路等有高的响应速度，响应时间为1至10纳秒（10\(^{－2}\)微秒级）。但是这几种器件或者价格昂贵，或者使用不便，或者灵敏度较低，须用外电路放大电信号而增加了电路复杂性。从上述10－2微秒、10\(^{1}\)微秒、102微秒的响应时间序列中可以看出，存在一个响应时间为10\(^{－1}\)微秒和100微秒的空档。也就是说，当对响应时间的要求为10\(^{－1}\)微秒或100微秒级时，不得不应用高档次的器件，增加许多不便，造成了浪费。这里所说的高速硅光敏三极管，在响应速度方面正好填补了上述10\(^{－1}\)微秒和100微秒空档。

影响光敏三极管响应时间的主要原因是对发射结和集电结的充电时间，而器件的光电灵敏度又与集电结面积有关，因而发生了灵敏度与响应时间的矛盾。采用光敏面与集电结面分离的办法，实现了在保持光敏面大小不变的情况下减小集电结面积，从而减小了集电结电容。加上发射结和材料的合理设计，终于实现了高速光电三极管3DUGS－1。已经实现了响应时间小于1微秒、小于0.7微秒、小于0.5微秒等不同档次的器件。在5伏工作电压、1000勒克司光照下，光电流大于0.5毫安。该器件可用于电传系统、激光测量系统等要求器件响应速度较高的场合，其管芯可用于高速光敏三极管输出型光耦合器中。

以上从灵敏度、工作波长范围、功能、响应速度等方面介绍了几种各具特色的硅光敏器件。另外，还有适于测定单色光波长的硅色敏器件，因本刊1987年第1期已刊载的《半导体颜色传感器》一文已有介绍，在此不做详述。总之，这些器件将在各相关的领域中获得广泛的应用。（武汉大学物理系 张君和）