《光生伏特器》PPT课件

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1、第3章光生伏特器件光生伏特器件:利用光生伏特效应工作的光电敏感器件。光生伏特效应是少数载流子导电的光电效应，在性能上与光敏电阻有很大差异。光生伏特器件特点：暗电流小、噪声低、响应速度快、光电特性的线性好、受温度的影响小等。具有光生伏特效应的半导体材料有很多，例如硅（Si）、锗（Ge）、硒（Se）、砷化镓（GaAs）等。其中硅器件具有制造工艺简单、成本低等特点成为目前应用最广泛的光生伏特器件。光生伏特器件的种类:光电二极管、PIN型光电二极管、雪崩光电二极管、硅光电池、光电三极管，等等。3.1硅光电二极管:工作原理、基本特性。主要内容3.2其他光生伏特器件：PIN型光电二极管、

2、雪崩光电二极管、硅光电池、光电三极管等。3.3光生伏特器件的偏置电路：反向偏置、零伏偏置。3.4半导体光电器件的特性及参数选择：比较不同光电器件的特性参数、选择应用的技巧和方法。1、基本结构光电二极管可分为以P型硅为衬底的2DU型与以N型硅为衬底的2CU型两种结构形式。如图3-1（a）所示的为2DU型光电二极管的原理结构图。图3-1(b)为光电二极管的工作原理图。图3-1(c)为光电二极管的电路符号。小箭头表示正向电流的方向，光电流的方向与之相反。图中的前极为光照面，后极为背光面。3.1.1硅光电二极管的工作原理3.1硅光电二极管2、电流方程在无辐射作用的情况下，PN结硅光电

3、二极管的正、反向特性与普通PN结二极管的特性一样，如图3-2所示。其电流方程为（3-1）正向导通，反向截止。ID为U取负值（反向偏置时）但不超过反向击穿电压时的电流，称为反向饱和电流或暗电流。当光辐射作用到如图3-1（b）所示的光电二极管上时，光生电流为：光电二极管的全电流方程为：式中η为光电材料的光电转换效率，α为材料对光的吸收系数。（3-2）光生电流的方向为负方向。3.1.2光电二极管的基本特性由式（3-2）光电二极管的全电流方程可以得到如图3-3所示的光电二极管在不同偏置电压下的输出特性曲线，这些曲线反应了光电二极管的基本特性。普通二极管工作在正向电压大于0.7V的情况

4、下，而光电二极管则必须工作在0.7V以下（图3-3所示的第3象限与第4象限），否则，不会产生光电效应。当光电二极管工作在反向偏置下，近似有在光电技术中常采用重新定义电流与电压正方向的方法把特性曲线旋转成如图3-4所示。重新定义的电流与电压的正方向与PN结内建电场的方向相同。1.光电二极管的灵敏度（3-3）定义光电二极管的电流灵敏度为入射到光敏面上辐射量的变化的引起电流变化dI与辐射量的变化之比。当某波长λ的辐射作用于光电二极管时，其电流灵敏度为与材料有关的常数，表征光电二极管的光电转换特性是线性关系：电流灵敏度与入射辐射波长λ的关系是复杂的，定义光电二极管的电流灵敏度时通常定

5、义其峰值响应波长的电流灵敏度为光电二极管的电流灵敏度。在式（3-3）中，表面上看它与波长λ成正比，但是，材料的吸收系数α还隐含着与入射辐射波长的关系。因此，常把光电二极管的电流灵敏度与波长的关系曲线称为光谱响应。2.光谱响应光电二极管的光谱响应定义为以等功率的不同单色辐射波长的光作用于光电二极管时，其响应程度或电流灵敏度与波长的关系称为其光谱响应。图3-5为几种典型材料的光电二极管光谱响应曲线。典型的硅光电二极管光谱响应长波限为1.1μm左右，短波限接近0.4μm，峰值响应波长为0.9μm左右。3.时间响应以f频率调制的辐射作用于PN结硅光电二极管光敏面时，PN结硅光电二极管

6、的电流产生要经过下面3个过程：1)在PN结区内产生的光生载流子渡越结区的时间，称为漂移时间记为τdr；2)在PN结区外产生的光生载流子扩散到PN结区内所需要的时间，称为扩散时间记为τp；3)由PN结电容Cj和管芯电阻Ri及负载电阻RL构成的RC延迟时间。设载流子在结区内的漂移速度为vd，PN结区的宽度为W，载流子在结区内的最长漂移时间为（3-4）一般的PN结硅光电二极管，内电场强度Ei都在105V/cm以上，载流子的平均漂移速度要高于107cm/s，PN结区的宽度常在100μm左右，由式（3-4）可知，漂移时间为ns数量级。对于PN结硅光电二极管，入射辐射在PN结势垒区以外激

7、发的光生载流子必须经过扩散运动到势垒区内才能受内建电场作用，并分别拉向P区与N区。载流子的扩散往往很慢，扩散时间τp很长，约为100ns，它是限制PN结硅光电二极管时间响应的主要因素。另一个因素是PN结电容Cj和管芯电阻Ri及负载电阻RL构成的时间常数τRC：（3-5）普通PN结硅光电二极管的管芯内阻Ri约为250Ω，PN结电容Cj常为几个Pf，在负载电阻RL低于500Ω时，时间常数也在ns数量级。但是，当负载电阻RL很大时，时间常数将成为影响硅光电二极管时间响应的一个重要因素，应用时必须注意。由以上分