《光生伏特器》課件

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1、第3章光生伏特器件光電池、光電二極管、光電晶體管、PIN管、雪崩光電二極管、光可控硅、陣列式光電器件、象限式光電器件、位置敏感探測(cè)器（PSD）等利用半導(dǎo)體PN結(jié)光生伏特效應(yīng)制成的器件稱為光生伏特器件，也稱結(jié)型光電器件。光生伏特效應(yīng)是基于兩種材料相接觸形成內(nèi)建勢(shì)壘，光子激發(fā)的光生載流子被內(nèi)建電場(chǎng)掃向勢(shì)壘的兩邊，從而形成了光生電動(dòng)勢(shì)。光生伏特效應(yīng)是少數(shù)載流子導(dǎo)電的光電效應(yīng)，而光電導(dǎo)效應(yīng)是多數(shù)載流子導(dǎo)電的光電效應(yīng)。結(jié)型光電器件與光電導(dǎo)器件的區(qū)別：（1）產(chǎn)生光電變換的部位不同（2）光敏電阻沒(méi)有極性，而結(jié)型光電器件有確定的正負(fù)極性（3）光敏電阻馳豫時(shí)間較大，結(jié)型器件馳豫時(shí)間相應(yīng)較小，因此響應(yīng)速度較

2、快（4）有些結(jié)型光電器件靈敏較高，可以通過(guò)較大的電流一、光生伏特器件的基本工作原理1、p-n結(jié)電流方程在熱平衡條件下，由于p-n結(jié)中漂移電流等于擴(kuò)散電流，凈電流為零。如果有外加電壓時(shí)結(jié)內(nèi)平衡被破壞，這時(shí)流過(guò)p-n結(jié)的電流方為：一、光生伏特器件的基本工作原理1、p-n結(jié)電流方程代表正向電流，方向從p端經(jīng)過(guò)p-n結(jié)指向n端，它與外電壓有關(guān)，時(shí)它將迅速增大；時(shí)等于零，即平衡狀態(tài)，時(shí)它趨向于零。第二項(xiàng)代表反向飽和電流，它的方向與正向電流方向相反，它隨反向偏壓的增大而增大，漸漸趨向飽和值，故稱反向飽和電流，也是溫度的函數(shù)，即隨溫度升高有所增大。一、光生伏特器件的基本工作原理2、光照下的p-n結(jié)當(dāng)光

3、照射p-n結(jié)，只要入射光子能量大于材料禁帶寬度，就會(huì)在結(jié)區(qū)激發(fā)電子-空穴對(duì)。這些非平衡載流子在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，空穴順著電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，電子逆著電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，在開(kāi)路狀態(tài)，最后在n區(qū)邊界積累光生電子，在p區(qū)邊界積累光生空穴，產(chǎn)生一個(gè)與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)，即在p區(qū)和n區(qū)之間產(chǎn)生了光生電壓UOC，這就是p-n結(jié)的光生伏特效應(yīng)。只要光照不停止，這個(gè)光生電壓將永遠(yuǎn)存在。(1)光生伏特效應(yīng)一、光生伏特器件的基本工作原理2、光照下的p-n結(jié)(2)光照下p-n結(jié)的電流方程一種是光激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)在內(nèi)建電場(chǎng)作用下，形成的光生電流，它與光照有關(guān)，其方向與p-n結(jié)反向飽和電流相同。另一種是光生電流流過(guò)負(fù)載

4、電阻產(chǎn)生電壓降，相當(dāng)于在p-n結(jié)施加正向偏置電壓，從而產(chǎn)生正向電流。一、光生伏特器件的基本工作原理2、光照下的p-n結(jié)(2)光照下p-n結(jié)的電流方程流過(guò)p-n結(jié)的總電流為：其中光生電流與光照有關(guān)，并隨光照的增大而增大，有或者寫(xiě)成：一、光生伏特器件的基本工作原理2、光照下的p-n結(jié)(2)光照下p-n結(jié)的電流方程三、硅光電二極管光電二極管通常在反偏置條件下工作，即光電導(dǎo)工作模式。優(yōu)點(diǎn)是可以減小光生載流子渡越時(shí)間及結(jié)電容，可獲得較寬的線性輸出和較高的響應(yīng)頻率。制作光電二極管的材料很多，有硅、鍺、砷化鎵、碲化鉛等，在可見(jiàn)光區(qū)應(yīng)用最多的是硅光電二極管。1、硅光電二極管的工作原理硅光電二極管工作在光

5、電導(dǎo)工作模式。在無(wú)光照時(shí)，若給p-n結(jié)加上一個(gè)適當(dāng)?shù)姆聪螂妷?，流過(guò)p-n結(jié)的電流稱反向飽和電流或暗電流。三、硅光電二極管當(dāng)硅光電二極管被光照時(shí)，則在結(jié)區(qū)產(chǎn)生的光生載流子將被內(nèi)建電場(chǎng)拉開(kāi)，在外加電場(chǎng)的作用下形成了以少數(shù)載流子漂移運(yùn)動(dòng)為主的光電流。光照越強(qiáng)，光電流就越大。1、硅光電二極管的工作原理硅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。三、硅光電二極管2、硅光電二極管的電流方程在無(wú)光照時(shí)，PN結(jié)硅光電二極管的伏安特性曲線與普通PN結(jié)二極管的特性一樣，其電流方程為三、硅光電二極管反向偏置時(shí)，ID和U均為負(fù)值且>>時(shí)的電流，稱為反向電流或暗電流。2、硅光

6、電二極管的電流方程三、硅光電二極管當(dāng)有光照射光電二極管時(shí)，光生電流為，其方向?yàn)榉聪?。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)。波長(zhǎng)的光輻射作用于光電二極管時(shí)，定義其電流靈敏度為入射到光敏面上輻射量的變化（例如通量變化dΦ）引起電流變化dI與輻射量變化之比3、光電二極管的特性參數(shù)電流隨光輻射的變化是線性的。三、硅光電二極管（1）光電二極管的靈敏度用不同波長(zhǎng)的光照射光電二極管時(shí)，電流靈敏度與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線稱為光譜響應(yīng)。3、光電二極管的特性參數(shù)三、硅光電二極管（2）光譜響應(yīng)典型硅光電二極管光譜響應(yīng)長(zhǎng)波限為1.1μm左右，短波限0.4μm，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為0.

7、9μm左右。光電二極管的時(shí)間響應(yīng)（頻率響應(yīng)）主要由載流子的渡越時(shí)間和RC時(shí)間常數(shù)決定。3、光電二極管的特性參數(shù)三、硅光電二極管（3）時(shí)間響應(yīng)（1）載流子的渡越時(shí)間①漂移時(shí)間：在p-n結(jié)區(qū)內(nèi)光生載流子渡越結(jié)區(qū)的時(shí)間②擴(kuò)散時(shí)間：在p-n結(jié)外產(chǎn)生的光生載流子擴(kuò)散到結(jié)區(qū)內(nèi)所需要的時(shí)間。影響光電二極管時(shí)間響應(yīng)的主要因素是擴(kuò)散時(shí)間，為了減少擴(kuò)散時(shí)間，如何擴(kuò)展p-n結(jié)的結(jié)區(qū)？3、光電二極管的特性參數(shù)三、硅光電二極管（3）時(shí)間響應(yīng)（1）增大反向偏壓