硅光电二极管光谱响应度的分析

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1、万方数据第24卷第2期2011年4月大学物理实验PHYSICALEXPERI^dENT()FCOLI，EGEV。L24No．2Apr．201l文章编号：1007—2934(201i)02-0025-03硅光电二极管光谱响应度的分析张学骜，吴昊，张海良，王飞，贾红辉(国防科学技术大学，湖南长沙410073)摘要：从光电二极管的工作原理出发，对硅光电二极管的光谱响应度进行了论述。分析表明，入射光子的能量、材料的禁带宽度和吸收系数是光谱响应曲线具有波长选择性的主要原因。关键词：硅光电二极管；光谱响应；波长选择性中图分类号：04321．1文献标志码：A光电二极管是一种典型的光电效应探测器，具有

2、量子噪声低、响应快、使用方便等优点，广泛应用于多种光电器件[1]。光电二极管的基本特性包括灵敏度、光谱响应度、响应时间、噪声等。其中光谱响应度，又称光谱响应率，表征的是光电二极管对不同波长入射辐射的响应，在一定程度上决定了光电二极管的光谱使用范围。根据所采用的物理量不一样，光谱响应度可以分为电压光谱响应度Ry(A)和电流光谱响应度R，Q)[2。3]。电压光谱响应度Rv(又)定义为在波长为A的单位人射辐射功率PGl)的照射下，光电二极管输出的信号电压y(A)，用公式表示，则为Rv(A)一器，同理可得到电流光谱响应度R，(又)的表达式Rl∽=器。由于光电二极管结构、组成的不同，其光谱响应度

3、各不相同，响应范围和峰值波长都有所差异，从而应用的范围也不尽相同。因此，在基础物理实验阶段让学生了解光电二极管结构及原理、熟悉光电二极管的光谱响应度等基本性能很有必要。目前，国内许多高校的《大学物理实验》和《近代物理实验》课程都设计和安排了光电二极管的光谱响应度的测量。实验中一般采用热探测器作为基准探测器，利用比较法来测量硅光电二极管的光谱响应度。笔者在讲述该实验的时候发收稿日期：2010-11-06现，学生根据实验步骤很容易得出硅光电二极管的光谱响应曲线，但对于光谱响应曲线的理解存在一定疑问。在和有关老师讨论的时候，在一些问题的认识上也存在分歧。鉴于此，本文将从原理上对硅光电二极管的

4、光谱响应度加以分析，减少对这一问题认识的混淆。光电二极管工作原理光电二极管是基于半导体光伏效应而工作的[3]。在半导体材料中，使导电类型不同的两种材料相接触，形成PN结。无光照时，反向偏置的PN结只有很小的反向漏电流(暗电流)，形成内建电场。当光照射光电二极管，且光子能量大于PN结半导体材料的禁带宽度，PN结各区域中的价电子吸收光能后将挣脱价键的束缚而成为自由电子，与此同时也产生—个自由空穴，这些由光照产生的自由电子一空穴对统称为光生载流子。由于内建电场的作用，P区的光生空穴和N区的光生电子被PN结阻挡，不能进入结区。只有P区的光生电子可扩散到N区一侧的结边界，N区的光生空穴可扩散到P

5、区一侧的结边界。同时结区产生的光生电子一空穴对受结电场的作用而分开，电子移向N区，空穴移向P区。上述过程使得光生电子和空穴在PN结势垒区被分开，P区和N区各自获得光生正电荷和负电荷，PN结的势垒高度降低，形成光生电动势，人射的光能就变成了电能。万方数据硅光电二极管光谱响应度的分析2光谱响应曲线的分析课程设计中，一般采用硅光电二极管为实验对象。硅光电二极管是最简单、也最具代表性的光生伏特器件。其他光生伏特器件是在它的基础上为提高某方面的特性而发展起来的。因此，学习硅光电二极管的原理与特性可为学习其他光生伏特器件打下基础。图1给出了典型的硅光电二极管光谱响应曲线。从图中可以看出，硅光电二极

6、管的光谱特性呈现出明显的波长选择性，与热释电探测器等热探测器的光谱响应特征不同，后者没有波长选择性，其光谱响应曲线是一条平行于z轴的直线。表明硅光电二极管只对某一波段的光具有响应，有峰值波长和截止波长。典型的硅光电二极管光谱响应长波限约为1100nm，短波限接近于400nm，峰值波长约为900nn2。对此现象，王庆有等[4]解释为硅光电二极管光谱响应长波限受硅材料的禁带宽度的限制，短波限受材料PN结厚度对光吸收的影响，并认为减薄PN结的厚度可提高短波限的光谱响应。江文杰等[5]也基于材料对于光的吸收进行了分析，其出发点是光电材料对各波长光辐射的吸收系数不同，入射波长越长，材料的吸收系数

7、越小。在波长较长时，吸收系数小，一部分辐射容易穿透材料，量子效率较低，光谱响应度并不能在长波截止波长处达到理想的最大值；随着波长减小，吸收系数增大，光辐射几乎全部被材料吸收，量子效率将达到峰值，此时光谱响应曲线出现最大值；当波长在减小时，吸收系数进一步增加，靠近材料表面附近光生载流子比较密集，致使电子一空穴对复合增加，内增益减小，从而短波长方向的光谱响应显著下降，甚至无响应。图1典型的硅光电二极管光谱响应曲线上述解释虽然能够较好地解释硅光电二极