光电子器件_第二章结型光电探测器

雪崩光电二极管
雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪 崩效应来工作的一种二极管。 这种管子工作电压很高，约100～200V，接近于反向击 穿电压。结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得到 极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此， 这种管子有很高的内增益，可达到几百。
雪崩二极管

光电二极管的受光面一般都涂有SiO2防反射膜，而SiO2中 又常含有少量的钠、钾、氢等正离子。 SiO2是电介质，这些正离子在SiO2中是不能移动的，但是
它们的静电感应却可以使P-Si表面产生一个感应电子层。
这个电子层与N-Si的导电类型相同，可以使P-Si表面与N－ Si连通起来。 当管子加反偏压时，从前极流出的暗电子流，除了有PN 结的反向漏电子流外，还有通过表面感应电子层产生的漏电
IL的模量为
IL
1 1 2 2
Ip
可见，IL是频率的函数，随着入射光调制频率的增加而减小。 当ω=1/τ时，
IL
这时f = 1/2πτ
1 2
Ip
称为上限截止频率，或称为带宽。
几种国产2CU型硅光电二极管的特性
几种国产2DU型硅光电二极管的特性
2.4 其他类型的光生伏特器件
• PIN型光电二极管
加反向电压时，伏安特性曲线常画成如下图所示的形式。

与硅光电池的伏安特性曲线图比较，有两点不同。 一是把硅光电池的伏安特性曲线图中Ⅰ、Ⅱ象限里的图线对 于纵轴反转了一下，变为上图(a)。这里是以横轴的正向代表
负电压，这样处理对于以后的电路设计很方便。

二是因为开路电压UOC一般都比外加的反向电压小很多，二 者比较可略而不计，所以实用曲线常画为上图(b)的形式。
2.3 光电二极管
光变化－电流变化 外形 光电转换器 光敏特性
光输入
+
或
U
R
输出
-
（a） （b） 光电二极管的符号与光电特性的测量电路 （a）符号 （b）光电特性的测量电路
硅光电二极管
光电二极管的伏安特性
无光 暗电流 有光 光电接收二极管 反偏状态 光电流（恒流） 光电流与照度线性关 系

第2章 结型光电探测器
2.1、光伏效应
光伏现象——半导体材料的“结” 效应 例如：雪崩二极管
id is 0 e

eu / k BT
1

1.24 m Ei eV
光照零偏pn结产生开路电压的效应
光伏效应
光照反偏 结型光电探测 器的工作原理
光电池
光电信号是光电流
光电二极管
2.2. 硅光电池
子流，从而使从前极流出的暗电子流增大。
为了减小暗电流，设置一个N+-Si的环把受光面（N-Si）包 围起来，并从N+-Si环上引出一条引线（环极），使它接到比前 极电位更高的电位上，为表面漏电子流提供一条不经过负载即 可达到电源的通路。 这样，即可达到减小流过负载的暗电流、减小噪声的目的 。 如果使用时环极悬空，除了暗电流、噪声大些外，其它性 能均不受影响。 2CU管子，因为是以N-Si为衬底，虽然受光面的SiO2防反射 膜中也含有少量的正离子，而它的静电感应不会使N-Si表面产 生一个和P-Si导电类型相同的导电层，从而也就不可能出现表 面漏电流，所以不需要加环极。
2. 硅光电池工作原理
如图3-10所示，当光作用于PN结时，耗尽区内的光生电子与空穴在内建电场力的 作用下分别向N区和P区运动，在闭合的电路中将产生如图所示的输出电流IL，且负载电 阻RL上产生电压降为U。显然，PN结获得的偏置电压U与光电池输出电流IL与负载电阻RL 有关，即
U=ILRL
（3-16）
按硅光电池衬底材料的不同可分为2DR型和2CR型。如图3-9（a）所示为2DR型硅 光电池，它是以P型硅为衬底(即在本征型硅材料中掺入三价元素硼或镓等)，然后在衬底 上扩散磷而形成N型层并将其作为受光面。
硅光电池的受光面的输出电极多做成如图3-9（b）所示为硅光电池的外形图，图中所示的 梳齿状或“E”字型电极，其目的是减小硅光电池的内电阻。
微变等效电路与频率特性： 光电二极管的等效电路可表达如下： 其中图a为实际电路； 图b为考虑到光电二极管结构、功能后画出的微变等效电路
，其中Ip为光电流，V为理想二极管，Cf为结电容，Rsh为漏 电阻，Rs为体电阻，RL为负载电阻；
图c是从图b简化来的，因为正常运用时，光电二极管要加
反向电压，Rsh很大，Rs很小，所以图b中的V、Rsh、Rs都可 以不计，因而有图c的形式；
最大特点：频带宽，可达 10GHz 。另一个特点是，因为 I 层很 厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，线性输出范围 宽。由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会 使耗尽层宽度增加，从而结电容要进一步减小，使频带宽度 变宽。
不足：I层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零点几微 安至数微安。目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅 片上并封装于一个管壳内的商品出售。
于τ
与τ
dr
，在10-9s左右。
dr
RC
PIN光电二级管
P型层很薄使光子很快进入I区
I区电阻很大可加较高电压
高的电阻使暗电流明显减小， 这些产生的光生电子－
P
I
N
空穴对将立刻被电场分离并 作快速漂移运动
I区加入增大了耗尽层厚度 减小了结电容CJ，提高了量 子效率 漂移时间约为 f=１KMHz 相当于
PIN管
PIN管是光电二极管中的一种。是在P型半导体和N型半 导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。 这样，PN结的内电场就基本上全集中于I层中，从而使 PN结双电层的间距加宽，结电容变小。
由式τ = CfRL与f = 1/2πτ知，Cf小，τ则小，频带将变宽。 因此，这种管子最大的特点是频带宽，可达10GHz。另一个 特点是，因为I层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电 压，线性输出范围宽。
义为光电池的最大光电转换效率，记为ηm。 显然，光电池的最大光电转换效率η
m
Pm Φe (0.6 ~ 0.7)qU oc 0 Φe, λ (1 - e-d )d hc0 Φe, λ d

m为
（3-24）
式中是于材料有关的光谱光电转换效率，表明光电池的
最大光电转换效率与入射光的波长及材料的性质有关。
3.光电池的频率特性
100 硅光电池
相 对 光 电 流 / ％
80 60 40 20 硒光电池
0
1500
3000
4500 6000
7500
/Hz
光电池的频率特性
4.光电池的光电转换效率
光电池的输出功率与入射辐射通量之比定义为光电池
的光电转换效率，记为η。当负载电阻为最佳负载电阻
Ropt时，光电池输出最大功率Pm与入射辐射通量之比定
当以输出电流的IL为电流和电压的正方向时，可以 得到如图3-11所示的伏安特性曲线。
从曲线可以看出，负载电阻RL所获得的功率为 PL=ILU
（3-17）
其中，光电池输出电流IL应包括光生电流IP、扩散电流与 暗电流等三部分，即
quL KT
I L I P I d (e
1)
IL
－－光电池的输出短路电流

图d又是从图c简化来的，因为Cf很小，除了高频情况要考虑
它的分流作用外，在低频情况下，它的阻抗很大，可不计。 因此具体应用时多用图d和图c两种形式。 流过负载的交变电流复振幅为 ： I L ＝ I p· 1/(1+jωτ)

ω：入射光的调制圆频率，ω＝2πf，f为入射光的调制频率。 τ = CfRL
光电池是一种不需加偏置电压就能把光能直接转换成电能的PN结光电器件，按光 电池的功用可将其分为两大类：即太阳能光电池和测量光电池。
太阳能光电池主要用作向负载提供电源，对它的要求主要是光电转换效率高、成本
低。由于它具有结构简单、体积小、重量轻、高可靠性、寿命长、可在空间直接将太阳能
转换成电能的特点，因此成为航天工业中的重要电源，而且还被广泛地应用于供电困难的 场所和一些日用便携电器中。
测量光电池的主要功能是作为光电探测，即在不加偏置的情况下将光信号转换 成电信号，此时对它的要求是线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性高、寿 命长等。它常被应用在光度、色度、光学精密计量和测试设备中。
1.用途
a. 作光电探测器使用 红外辐射探测器 光电读出 光电耦合
b.
作为电源使用 人造卫星 野外灯塔 微波站
40
20
0.4
0.2
0
2000
4000
Ge光电池光电特性
I L mA
UOC V
300
0.6
200
0.4
100
0.2
0
2000
4000
Si光电池光电特性
2.光电池的光谱特性
相 对 灵 敏 度 ％
100 80 60 硒 硅
40
20
/
0
4000
6000
8000
10000

波长 A
光电池的光谱特性
I I L I SO e qu / KT 1
I SO －－无光照时PN结反向饱和电流
q0
－－电子电量
Voc
KT q0
ln

IL I SO
1

K
－－玻尔兹曼常数
T
－－热力学温度
Voc －－光电池开路输出电压
1.光电特性 I mA
L
UOC mV
100 80 60
1.0 0.8 0.6
§2.2 光电池
• 光电池能直接将光通量转变为电动势，实际为电压源