光电子器件课件 第2章 结型光电探测器

5．频率特性

100 80
I(%)
RL=1kΩ 10kΩ 100kΩ

光电池作为探测器使用时，由于载流 子在PN结区内扩散、漂移、产生、复 合都要有一个时间驰豫过程，所以当 光照变化很快时，光电流就有滞后于 光照变化的现象。 光电池的频率响应除了载流子运动的 内在因素外，还与材料、结构、光敏 面的大小及使用条件有关。
第2章 结型光电探测器
2.1 光生伏特效应
光生伏特效应：两种半导体材料或金属/半导体相接 触形成势垒，当外界光照射时，激发光生载流子， 注入到势垒附近形成光生电压的现象。 光生伏特效应属于内光电效应。 利用光生伏特效应制成的光电探测器叫做势垒型光电 探测器.
势垒型光电探测器是对光照敏感的“结”构成的， 故也称结型光电探测器。
2CR
受光表面上涂保护膜，减小反射损失，增加对入射光 的吸收，同时又可以防潮，防腐蚀如镀SiO2，MgF2。 上电极一般多做成栅指状，其目的是便于透光和减小 串联电阻。
除典型结构型式的硅光电池以外，按不同用
途，还有些特殊的结构型式
激光
阵列式
象限式
光电池的符号、连接电路
I I P N RL Ip Ij
N
eUD EF
Eg eUD EF
h
e(UD-U)
h
eU
外接电路开路时，光生载流子积累在PN结两侧，光生电压最大， 即光生电势Uoc，等于费米能级分开的距离，称Uoc为开路电压。 外接电路短路时，流过电路的电流为短路时的光生电流，称Isc为 短路电流，短路电流在PN结中N→P（电流方向），在外回路中由 P→N。
光敏面积越大，频率特性变差，
60 40 20 102 103
f(Hz)
104
如图2-16，负载电阻越大，时间响应越差。 光照越弱，频率特性越差，因为在高频交变光照下，光电
池的响应时间由PN结电容和负载电阻所决定， PN结阻挡层的面积越大，极间电容越大，因而频率特性变 差。 如要求有较好频率特性，需选用小面积的光电池，以使它 的结电容减小或者减小负载电阻。
(3) 光电导探测器为均质型探测器，均质型探测器的载流子驰 豫时间比较长，响应速度慢、频率响应特性差。而结型探测 器响应速度快、频率响应特性好。 另外，雪崩式光电二极管和光电三极管还有很大的内增 益作用，不仅灵敏度高，还可以通过较大的电流。 势垒型光电探测器的应用非常广泛，广泛应用于光度测量、光 开关报警系统、光电检测、图象获取、光通讯、自动控制等方 面。

电流I
无光照 有光照Ⅰ 有光照Ⅱ
暗电流 电压U 开路光电压Uoc 短路光电流Isc
外加电场 内建电场
N
电流方向+ 加电场时的 势垒宽度
e(UD-U) eUD
EF
2.1.2 PN结光生伏特效应
光 P
Ec EFp Ev Ec EF Ev 漂移 扩散 内建电场E
P N
Ec EFn Ev 漂移 扩散
PN结 内建电场

600
2.0
Uoc(mV)
1.9
200
1.8
-20
0
20
40 60 T( oC)
80
100
Isc(mA)
400
7．太阳能光电源装置
由于太阳能量的重要性，光电池要将太阳能直
接转变成电能供给负载。 单片光电池的电压很低，输出电流很小，因此 不能直接用作负载的电源。一般要把很多片光 电池组装成光电池组作为电源使用。
通常在用单片光电池组装成电池组时，可以
采用增加串联片数的方法来提高输出电压， 用增加并联片数的方法来增大输出电流。 为了在无光照时仍能正常供电，往往把光电 池组和蓄电池装在一起使用，通常，把这种 组合装置称为太阳能电源。
D RL
D RL

RL是负载电阻，D是防逆流二极管。因为辐照度减 弱会造成光电池组输出电压降低，加了防逆流二极 管可以阻止蓄电池对光电池放电。



PN结在有光照的电流电压曲线， 与普通的二极管的电流电压特性 相区别: 相当于在回路中加了一个反向电 势，所以产生了光生伏特效应的 光电二极管的电流电压特性发生 了移动。 当I=0时，U=Uoc，即光生电势。 当U=0时，I= Isc，即光生电流。 比较图2-5的曲线Ⅰ和Ⅱ，随着 光照的增强，曲线向下移动，光 生电势和电流增加。
结电流=扩散电流-漂移电流
I j I0eeU / kT I0 I0 (eeU / kT 1)
外电路的电流I： 开路电压Uoc： 短路电流Isc：
I I p I 0 (e eu / kT 1)
uoc Ip kT ln( 1) e I0
I sc I p R
IP与单色辐射的光功率P可写成：Ip=RλP
2.2.1 光电池的结构
结构有两种：一种是金属—半导体接触型，
硒光电池即属此类。另一种是PN结型，硅光 电池属PN结型。
硅光电池的结构形式有多种，按基底材料可
分为2DR型和2CR型。

PN结光电池的结构图
栅状 上电极 前极 SiO2保护膜 N P
N-Si P-Si
下电极Al 后极
P N
2DR
I0
加反向电场时 的势垒宽度

加正向电压的结构与能带
加反向电压的结构与能带
P
N
设扩散电流I1，一般都规定 PN结中的扩散电流方向为流 过PN结电流的正方向，即由 P区通过PN结指向N区，如 图2-3。反向饱和漂移电流I0， 与扩散电流方向相反，也称 反向电流。 I1=I0eeU/kT 其中，k为波尔兹曼常数，T 为热力学温度。
6．温度特性
光电池许多参数都与温度有 关，一般光电池的参数都是 在30℃条件下测得的。T升 高，Uoc减小到3mV/℃，具 有负温度系数，T升高，Isc 上升到10-5 ~ 10-3mA/℃，具 有正的温度系数，如图2-17。 光电池受强光照射时，必须 考虑光电池的工作温度。因 为硒光电池的结温超过50℃， 硅光电池超过200℃时，它们 的晶格就受到破坏，导致器 件的破坏。

10 100 10-1 10-2 10-3 10-4
10 102 103
I(mA)
10
100
101102103源自104E (lx)
2．光谱特性
光电池的光谱特性主要取决于所采用的材料与制作工 艺，同时也与温度有关，
1 硒光电池的光谱特性 2 硅光电池的光谱特性
1 硅蓝光电池的光谱特性曲线 2 硅普通光电池的光谱特性曲线

根据所用结的种类的不同，可分为PN结型、PIN结 型、异质结型和肖特基结型等。
最常用的器件有光电池、光电二极管、PIN管、
雪崩光电二极管、光电三极管和光电场效应管等。

势垒型光电探测器与光电导探测器相比较，主要区别:
(1) 产生光电变换的部位不同。
(2) 光电导型探测器没有极性，工作时必须有外加电压， 而结型探测器有确定的正负极，不需要外加电压也可把 光信号变为电信号。
太阳能光电池材料有：单晶硅、多晶硅、非
晶硅、CdS、GaAlAs/GaAs等太阳能光电池， 现在单晶硅太阳能电池的效率达10%~22%， 并聚光后，效率可达26%~28%，已获得了广 泛的应用。
2.3 光电二极管
光电二极管是一种重要的光电探测器，广泛
用于可见光和红外辐射的探测，本质是二极 管，根据光生伏特效应工作，属于结型器件。
连续改变负载电阻值， 就得到一条输出电压与 电流的关系曲线，这就 是伏安特性曲线。 交点(Uoc, 0)代表开路情 况，RL=∞，Uoc称为开 路电压，交点（0，Isc） 代表短路情况，Isc称为 短路电流。

I Isc E4 E3 E2 E1 Uoc U
4．转换效率
当RL增大，输出电压增大，RL愈大，
主要区别
它与光电池的光电转换有许多相似之处，而与光电 池的主要区别： (1) 结面积大小不同，光电二极管的结面积远比光 电池小。 (2) PN结工作状态不同,光电池PN结工作在零偏置 状态下，而光电二极管工作于反偏工作状态下，需 外加电压。 因此光电二极管的内建电场强，结区较宽，结电容 很小，所以频率特性比较好。由于势垒宽，光电流 比光电池小，一般在μA量级。
电流I
无光照 有光照Ⅰ 有光照Ⅱ
饱和电流
暗电流 电压U 开路光电压Uoc
光电流 短路光电流Isc
2.2 光电池


光电池是直接把光变成电的光电器件，由于它是利用各种势 垒的光生伏特效应制成的，故称为光生伏特电池，简称光电 池。 按用途分：太阳能光电池、测量光电池。 按材料分：硅光电池、锗光电池、硒光电池、硫化镉光电池、 砷化镓光电池。 其中最受重视的是硅光电池、硒光电池。 硅材料研究得最充分，硅光电池具有一系列的优点，如性能 稳定、寿命长、光谱响应范围宽、频率特性好、能耐高温。 硒光电池的光谱响应曲线与人眼的光视效率曲线相似。 应用：应用于光能转换、光度学、辐射测量、光学计量和测 试、激光参数测量等方面。
Ec EFn Ev
1 U D ( EFn EFp ) e
eUD EF
PN结的单向导电性
外加电场 内建电场 外加电场 内建电场
P
N
电流方向+
P
N
电流方向-
+U
加电场时的 势垒宽度
e(UD-U) eUD
-U
不加电场时 的势垒宽度
eUD I1
EF I1 I0
不加电场时 的势垒宽度
e(UD+U) EF
Rλ——光谱灵敏度。 光谱灵敏度与光的入射方式有关，是一个复
杂的关系式。 为了计算使用简单，光生电流IP与入射单色 辐射的功率P可简写为如下的关系： P I p e hv