光电传感器应用技术王庆有第4章节第1节

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1、第4章光生伏特器件4.1硅光敏二极管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）等半导体材料。利用这些材料能够制造出具有各种特点的光生伏特器件，其中硅光生伏特器件具有制造工艺简单、成本低等特点使它成为目前应用最广泛的光生伏特器件。硅光敏二极管是最简单、最具有代表性的光生伏特器件，其中，PN结硅光敏二极管为最基本的光生伏特器件。4.1.1硅光敏二极管尚辅网http://shangfuwang.com/1、光敏二极管的基本结构光敏二极管可分为以P型硅为衬底的2DU型与以N型硅为衬底的2CU型

2、两种结构形式。如图4-1（a）所示的为2DU型光敏二极管的原理结构图。图4-1（b）为光电二极管的工作原理图图4-1（c）所示为光敏二极管的电路符号，其中的小箭头表示正向电流的方向（普通整流二极管中规定的正方向），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。尚辅网http://shangfuwang.com/2、光电二极管的电流方程在无辐射作用的情况下（暗室中），PN结硅光电二极管的正、反向特性与普通PN结二极管的特性一样，如图4-2所示。其电流方程为（4-1）ID为U为负值（反向偏置时）且>>时(室温下kT/q≈0.26m

3、V，很容易满足这个条件)的电流，称为反向电流或暗电流。尚辅网http://shangfuwang.com/当光辐射作用到如图4-1（b）所示的光电二极管上时，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。（4-2）尚辅网http://shangfuwang.com/4.1.2光电二极管的基本特性由式（4-2）光电二极管的全电流方程可以得到如图4-3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的情况下，而光电二极管则必须工作在这个

4、电压以下，否则，不会产生光电效应。光电二极管的工作区域应在图4-3所示的第3象限与第4象限，很不方便。尚辅网http://shangfuwang.com/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4-4所示。重新定义的电流与电压的正方向均以PN结内建电场的方向相同的方向为正向。1.光电二极管的灵敏度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（例如通量变化dΦ）引起电流变化dI与辐射量变化之比。（4-3）尚辅网http://shangfuwang.com/显然，当某波长λ的辐射作用于光电二极管时，其电

5、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的线性关系。必须指出，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（4-3）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。尚辅网http://shangfuwang.com/3.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

6、为其光谱响应。图4-5为几种典型材料的光电二极管光谱响应曲线。典型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。尚辅网http://shangfuwang.com/4.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；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

7、。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尚辅网http://shangfuwang.com/（4-5）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（4-5）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结势垒区以外激发的光生载流子必须经过扩散运动到势垒区内才能在内建电场作用，并分别拉向P区与N区。载流子的扩散运动往往很慢，因此，扩散时间τp很长，约为100ns，它是限制PN

8、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，τRC为尚辅网http://shangfuwang.com/（4-6）普通PN结硅光电二极管的管