《光生伏特器》PPT課件

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1、第3章光生伏特器件光生伏特器件:利用光生伏特效應(yīng)工作的光電敏感器件。光生伏特效應(yīng)是少數(shù)載流子導(dǎo)電的光電效應(yīng)，在性能上與光敏電阻有很大差異。光生伏特器件特點(diǎn)：暗電流小、噪聲低、響應(yīng)速度快、光電特性的線性好、受溫度的影響小等。具有光生伏特效應(yīng)的半導(dǎo)體材料有很多，例如硅（Si）、鍺（Ge）、硒（Se）、砷化鎵（GaAs）等。其中硅器件具有制造工藝簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)成為目前應(yīng)用最廣泛的光生伏特器件。光生伏特器件的種類:光電二極管、PIN型光電二極管、雪崩光電二極管、硅光電池、光電三極管，等等。3.1硅光電二極管:工作原理、基本特性。主要內(nèi)容3.2其他光生伏特器件：PIN型光電二極管、

2、雪崩光電二極管、硅光電池、光電三極管等。3.3光生伏特器件的偏置電路：反向偏置、零伏偏置。3.4半導(dǎo)體光電器件的特性及參數(shù)選擇：比較不同光電器件的特性參數(shù)、選擇應(yīng)用的技巧和方法。1、基本結(jié)構(gòu)光電二極管可分為以P型硅為襯底的2DU型與以N型硅為襯底的2CU型兩種結(jié)構(gòu)形式。如圖3-1（a）所示的為2DU型光電二極管的原理結(jié)構(gòu)圖。圖3-1(b)為光電二極管的工作原理圖。圖3-1(c)為光電二極管的電路符號(hào)。小箭頭表示正向電流的方向，光電流的方向與之相反。圖中的前極為光照面，后極為背光面。3.1.1硅光電二極管的工作原理3.1硅光電二極管2、電流方程在無輻射作用的情況下，PN結(jié)硅光電

3、二極管的正、反向特性與普通PN結(jié)二極管的特性一樣，如圖3-2所示。其電流方程為（3-1）正向?qū)?，反向截止。ID為U取負(fù)值（反向偏置時(shí)）但不超過反向擊穿電壓時(shí)的電流，稱為反向飽和電流或暗電流。當(dāng)光輻射作用到如圖3-1（b）所示的光電二極管上時(shí)，光生電流為：光電二極管的全電流方程為：式中η為光電材料的光電轉(zhuǎn)換效率，α為材料對(duì)光的吸收系數(shù)。（3-2）光生電流的方向?yàn)樨?fù)方向。3.1.2光電二極管的基本特性由式（3-2）光電二極管的全電流方程可以得到如圖3-3所示的光電二極管在不同偏置電壓下的輸出特性曲線，這些曲線反應(yīng)了光電二極管的基本特性。普通二極管工作在正向電壓大于0.7V的情況

4、下，而光電二極管則必須工作在0.7V以下（圖3-3所示的第3象限與第4象限），否則，不會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)。當(dāng)光電二極管工作在反向偏置下，近似有在光電技術(shù)中常采用重新定義電流與電壓正方向的方法把特性曲線旋轉(zhuǎn)成如圖3-4所示。重新定義的電流與電壓的正方向與PN結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的方向相同。1.光電二極管的靈敏度（3-3）定義光電二極管的電流靈敏度為入射到光敏面上輻射量的變化的引起電流變化dI與輻射量的變化之比。當(dāng)某波長(zhǎng)λ的輻射作用于光電二極管時(shí)，其電流靈敏度為與材料有關(guān)的常數(shù)，表征光電二極管的光電轉(zhuǎn)換特性是線性關(guān)系：電流靈敏度與入射輻射波長(zhǎng)λ的關(guān)系是復(fù)雜的，定義光電二極管的電流靈敏度時(shí)通常定

5、義其峰值響應(yīng)波長(zhǎng)的電流靈敏度為光電二極管的電流靈敏度。在式（3-3）中，表面上看它與波長(zhǎng)λ成正比，但是，材料的吸收系數(shù)α還隱含著與入射輻射波長(zhǎng)的關(guān)系。因此，常把光電二極管的電流靈敏度與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線稱為光譜響應(yīng)。2.光譜響應(yīng)光電二極管的光譜響應(yīng)定義為以等功率的不同單色輻射波長(zhǎng)的光作用于光電二極管時(shí)，其響應(yīng)程度或電流靈敏度與波長(zhǎng)的關(guān)系稱為其光譜響應(yīng)。圖3-5為幾種典型材料的光電二極管光譜響應(yīng)曲線。典型的硅光電二極管光譜響應(yīng)長(zhǎng)波限為1.1μm左右，短波限接近0.4μm，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為0.9μm左右。3.時(shí)間響應(yīng)以f頻率調(diào)制的輻射作用于PN結(jié)硅光電二極管光敏面時(shí)，PN結(jié)硅光電二極管

6、的電流產(chǎn)生要經(jīng)過下面3個(gè)過程：1)在PN結(jié)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光生載流子渡越結(jié)區(qū)的時(shí)間，稱為漂移時(shí)間記為τdr；2)在PN結(jié)區(qū)外產(chǎn)生的光生載流子擴(kuò)散到PN結(jié)區(qū)內(nèi)所需要的時(shí)間，稱為擴(kuò)散時(shí)間記為τp；3)由PN結(jié)電容Cj和管芯電阻Ri及負(fù)載電阻RL構(gòu)成的RC延遲時(shí)間。設(shè)載流子在結(jié)區(qū)內(nèi)的漂移速度為vd，PN結(jié)區(qū)的寬度為W，載流子在結(jié)區(qū)內(nèi)的最長(zhǎng)漂移時(shí)間為（3-4）一般的PN結(jié)硅光電二極管，內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度Ei都在105V/cm以上，載流子的平均漂移速度要高于107cm/s，PN結(jié)區(qū)的寬度常在100μm左右，由式（3-4）可知，漂移時(shí)間為ns數(shù)量級(jí)。對(duì)于PN結(jié)硅光電二極管，入射輻射在PN結(jié)勢(shì)壘區(qū)以外激

7、發(fā)的光生載流子必須經(jīng)過擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)到勢(shì)壘區(qū)內(nèi)才能受內(nèi)建電場(chǎng)作用，并分別拉向P區(qū)與N區(qū)。載流子的擴(kuò)散往往很慢，擴(kuò)散時(shí)間τp很長(zhǎng)，約為100ns，它是限制PN結(jié)硅光電二極管時(shí)間響應(yīng)的主要因素。另一個(gè)因素是PN結(jié)電容Cj和管芯電阻Ri及負(fù)載電阻RL構(gòu)成的時(shí)間常數(shù)τRC：（3-5）普通PN結(jié)硅光電二極管的管芯內(nèi)阻Ri約為250Ω，PN結(jié)電容Cj常為幾個(gè)Pf，在負(fù)載電阻RL低于500Ω時(shí)，時(shí)間常數(shù)也在ns數(shù)量級(jí)。但是，當(dāng)負(fù)載電阻RL很大時(shí)，時(shí)間常數(shù)將成為影響硅光電二極管時(shí)間響應(yīng)的一個(gè)重要因素，應(yīng)用時(shí)必須注意。由以上分