1、结型光电器件（优选）结型光电器件01 exp()1 exp()nnntngtn 0exp()ntnn 11221122()tanh()()tanh()gngrtrggrtr tgrrgrtgrn212121)(11)()(1 光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流是要经过一定时间的。同样光照停止后光电流也是逐渐消失的。这些现象称为弛豫过程或惰性。是指光敏电阻的响应特性与工作前的“历史”有关的一种现象。前历效应有暗态前历效应与亮态前历效应之分。知识准备1.费米能级费米能级EF：反映电子的填充水平，是电子统计规律的一个基本概念。反映电子的填充水平，是电子统计规律的一个基本概念。2.费米分布函数：费
2、米分布函数：电子达到热平衡时，能量为电子达到热平衡时，能量为E的能级被电子占据的几率。的能级被电子占据的几率。3.金属，半导体和绝缘体的能带及费米能级在能带中的位置：金属，半导体和绝缘体的能带及费米能级在能带中的位置：()/1()1FE EkTf Ee 4.金属半导体接触：金属半导体接触：半导体器件必须与外部电路相连接，这种连接是通过半导体器件必须与外部电路相连接，这种连接是通过金属金属半导体结来实现的，这种金属半导体结来实现的，这种金属半导体结称为金属半导体接触。半导体结称为金属半导体接触。4.1 金属的功函数金属的功函数Wm：金属的功函数表示为一个起始能量等于费米能级金属的功函数表示为一个
3、起始能量等于费米能级的电子，的电子，由金属内部逸出到真空中所需要的最小能量。功函数的大小标志着电子由金属内部逸出到真空中所需要的最小能量。功函数的大小标志着电子在金属中束缚的强弱，功函数越大，电子越不容易离开金属。在金属中束缚的强弱，功函数越大，电子越不容易离开金属。4.2 真空能级真空能级E0：电子达到完全自由而不受核的作用时所具有的能级。电子达到完全自由而不受核的作用时所具有的能级。4.3 半导体的功函数半导体的功函数Ws：半导体的功函数是把一个起始能量等于费米能半导体的功函数是把一个起始能量等于费米能级的电子，由内部逸出到真空中所需要的最小能量。级的电子，由内部逸出到真空中所需要的最小能
4、量。4.4 半导体的电子亲和能半导体的电子亲和能：亲和能表示要使半导体导带底的电子逸出亲和能表示要使半导体导带底的电子逸出体外所需的最小能量。对半导体而言，二者之差是指导带底部与费米能级的能量差。体外所需的最小能量。对半导体而言，二者之差是指导带底部与费米能级的能量差。mFm)(EEW 0sFsEEW)(0 nsFcsEEEW )(cEE 0 E0Wm(EF)mEv(EF)SE0EnWsEc金属中的电子势阱金属中的电子势阱半导体的功函数和电子亲合力半导体的功函数和电子亲合力sFcnEEE)(肖特基接触肖特基接触Ev(EF)SEnWsEcWm(EF)mE0金属和金属和n型半导体接触能带图型半导体
5、接触能带图(WmWs)(a)接触前接触前(a)肖特基接触肖特基接触smmsWWVVq )(WmEFq(Vs-Vm)EvEnWsEcD金属和金属和n型半导体接触能带图型半导体接触能带图(WmWs)(b)间隙很大间隙很大(b)qWWVVVmssmms 肖特基接触肖特基接触smsmsVVqWW smsDWWqVqV qVDqnsEcEFEvEnEcqVDqnsEFq(Vs-Vm)EvEnWm金属和金属和n型半导体接触能带图型半导体接触能带图(WmWs)(c)紧密接触；紧密接触；(d)忽略间隙忽略间隙(c)(d)mnsmnsnDnsWEWWEqVEqVq肖特基接触肖特基接触金属和金属和n型半导体接触能
6、带图型半导体接触能带图(WmWs)(a)接触前实际上，不是不能加正向电压，只是正接以后但是负载电阻RL的减小会使输出电压降低，实际使用时根据具体要求而定。一般硅光电池工作在第四象限。稳定的电势差。2 真空能级E0：电子达到完全自由而不受核的作用时所具有的能级。可作为卫星、微波站等无输电线路地区的电源供给。PSD器件的工作原理 为了便于理解在后面将要引入的光伏探测器的等效电路，有必要先讨论为了便于理解在后面将要引入的光伏探测器的等效电路，有必要先讨论一下光伏探测器的光电转换规律。一下光伏探测器的光电转换规律。PN结光伏探测器的典型结构如图所示。结光伏探测器的典型结构如图所示。2.12.1 结型光
7、电器件工作原理结型光电器件工作原理mA 为了说明光功率为了说明光功率转换成光电流的关系，转换成光电流的关系，设想光伏探测器两端设想光伏探测器两端被短路，并用一理想被短路，并用一理想电流表记录光照下流电流表记录光照下流过回路的电流，该电过回路的电流，该电流为短路光电流流为短路光电流0IeIIkTqUoD（一）热平衡状态下的（一）热平衡状态下的PNPN结结P P型材料和型材料和N N型材料紧密接触，在交界处就形成型材料紧密接触，在交界处就形成PNPN结结在热平衡条件下，在热平衡条件下，PNPN结中净电流为零结中净电流为零 如果有外加电压时结内平衡被破坏，此时流经如果有外加电压时结内平衡被破坏，此时
8、流经PNPN结的电流方程？结的电流方程？I ID D与外加电压与外加电压有关有关当当U=0时？时？当当U0时？时？当当UUT时，时，PN结为正向导通状态。结为正向导通状态。TVSDTVDDuueIi,e 1当外加反向电压，当外加反向电压，uD UT时，时，PN结为反向截止状态。结为反向截止状态。SDTVIi,eDu 1NPRL1)(e0PDPLkTqUIIIII(二二).).光照下的光照下的PNPN结结ID 假定光生电子假定光生电子-空穴对空穴对在在PNPN结的结区内产生。由于结的结区内产生。由于内电场作用，电子从内电场作用，电子从P P区向区向N N区漂移运动，被内电场分离区漂移运动，被内电
9、场分离的电子和空穴就在外回路中的电子和空穴就在外回路中形成电流。形成电流。UIP+-流过负载的电流产生的压降，对流过负载的电流产生的压降，对PNPN结来说就好结来说就好像是一个正偏置，从而产生正向电流！像是一个正偏置，从而产生正向电流！自偏置自偏置开路电压开路电压 短路电流短路电流 不同光照下的伏安特性曲线不同光照下的伏安特性曲线光伏效应有两个重要参数光伏效应有两个重要参数:当负载电阻短路当负载电阻短路(即即RL=0)时，光生电压接近于时，光生电压接近于零，流过器件的电流叫短路电流，用零，流过器件的电流叫短路电流，用Isc表示表示ESIIEpsc 当负载电阻当负载电阻RL断开断开(IL0)时，
10、时，P端对端对N端的电压端的电压称为开路电压，用称为开路电压，用Uoc表示表示 )1ln(0IIqkTUpoc)ln()ln(00IESqkTIIqkTUEpoc开路电压和短路电流开路电压和短路电流 不同光照下的伏安特性曲线不同光照下的伏安特性曲线1)(e0PDPLkTqUIIIII跟反向饱和电流方向相同第一象限是正偏压状态，第一象限是正偏压状态，id本来就很本来就很大，所以光电流不起重要作用。作大，所以光电流不起重要作用。作为光电探测器，工作在这一区域没为光电探测器，工作在这一区域没有意义。有意义。第三象限，是反偏压状态。这时第三象限，是反偏压状态。这时id=iO，它是普通二极管中的反向饱，
11、它是普通二极管中的反向饱和电流，现在称为暗电流和电流，现在称为暗电流(对应于光对应于光功率功率P=0)，数值很小，这时的光电，数值很小，这时的光电流流(等于等于i-iO)是流过探测器的主要电是流过探测器的主要电流，这对应于光导工作模式。流，这对应于光导工作模式。当RL=(开路)时，光电池的开路电压，以Voc表示1、光电池用作太阳能电池1、金属-半导体接触型（肖特基结）（硒光电池）；4.可把受光面做得较大，或把多个光电池作串联或并联组成电池组，与镍镉蓄电池配合；下，光电池所产生的短路电流与入射光波长之间的关速出电压总是小于开路电压？一般硅光电池工作在第三四象限的交界处。有光照射：在二极管的PN结
12、附近产生的电子-空当光敏电阻受到光照时，光生电子空穴对增加，阻值减小，电流增大。（）PN结的电流方程在反偏置状态，无光照时结电阻很大，结电流很小；通常把光伏工作模式的光伏探测器称为光电池。Ic =Ie=（1+）Ip=（1+）ESE在同一块非晶体硅基片上制作三个深浅不同的PN结，并分别配上红、绿、蓝三块滤色片而构成一个整体得到近似于1931CIE-RGB系统光谱三刺激值曲线.可把受光面做得较大，或把多个光电池作串联或并联组成电池组，与镍镉蓄电池配合；没有光照时:由于二极管反光电池的温度特性曲线主要指光照射时它的开路Ie（1+）Ib可把受光面做得较大，或把多个光电池作串联或并联组成电池组，与镍镉蓄
13、电池配合；当外加正向电压，uDUT时，PN结为正向导通状态。不同光照下的伏安特性曲线不同光照下的伏安特性曲线1)(e0PDPLkTqUIIIII跟反向饱和电流方向相同在外偏压为零或第四象限。流过探测在外偏压为零或第四象限。流过探测器的电流仍为反向光电流，随着光功器的电流仍为反向光电流，随着光功率的不同，出现明显的非线性。率的不同，出现明显的非线性。这时探测器的输出是通过负载电阻这时探测器的输出是通过负载电阻RL上的电压或流过上的电压或流过RL上的电流来体上的电流来体现，因此，称为光伏工作模式。通常现，因此，称为光伏工作模式。通常把光伏工作模式的光伏探测器称为光把光伏工作模式的光伏探测器称为光电
14、池。电池。通常把光伏工作模式的光伏探测器称为光电池。通常把光伏工作模式的光伏探测器称为光电池。在零偏置的开路状态，结型光电器件产生光生在零偏置的开路状态，结型光电器件产生光生伏特效应，称为光伏工作模式。伏特效应，称为光伏工作模式。在反偏置状态，无光照时结电阻很大，结电流在反偏置状态，无光照时结电阻很大，结电流很小；有光照时，结电阻变小，电流变大，而且流很小；有光照时，结电阻变小，电流变大，而且流过它的光电流随照度变化而变化过它的光电流随照度变化而变化，称为光电导工作称为光电导工作模式。模式。通常把光导工作模式的光伏探测器称为光电二极通常把光导工作模式的光伏探测器称为光电二极管，因为它的外回路特
15、性与光电导探测器十分相似。管，因为它的外回路特性与光电导探测器十分相似。不同光照下的伏安特性曲线不同光照下的伏安特性曲线 一般硅光一般硅光电池工作在第电池工作在第三四象限的交三四象限的交界处。若反偏，界处。若反偏，则伏安特性将则伏安特性将延伸到第三象延伸到第三象限；限；普通二极管工作在第一象限；光普通二极管工作在第一象限；光电二极管工作在第三象限，否则没有电二极管工作在第三象限，否则没有光电效应。光电效应。1)(e0PDPLkTqUIIIII跟反向饱和电流方向相同二、硅光电池二、硅光电池 光电池主要功能是在零偏置的情况下能将光信号转换成电信号。按用途光电池光电池主要功能是在零偏置的情况下能将光
16、信号转换成电信号。按用途光电池可分为太阳能光电池和测量光电池可分为太阳能光电池和测量光电池 20 20世纪以来，人类在太阳能的利用方面，主要世纪以来，人类在太阳能的利用方面，主要开发开发3 3项技术：项技术：1.1.把太阳能转换为热能技术，如太阳能热水器、取把太阳能转换为热能技术，如太阳能热水器、取暖器等；暖器等；2.2.太阳能电池和太阳能电站等太阳能电池和太阳能电站等；3.3.正在进行可行性研究技术，如太阳能卫星（太空正在进行可行性研究技术，如太阳能卫星（太空电站）。由卫星组成的太空电站可在高空轨道上大面积聚集阳光，并转电站）。由卫星组成的太空电站可在高空轨道上大面积聚集阳光，并转换成电能，
17、再通过微波发生器转换成微波发回地面，地面接收天线再把换成电能，再通过微波发生器转换成微波发回地面，地面接收天线再把微波整流并送往相关电力网，供用户使用。微波整流并送往相关电力网，供用户使用。两种转换方式两种转换方式?（二）分类：（二）分类：1 1、金属、金属-半导体接触型（半导体接触型（肖特基结肖特基结）（硒光电池）；）（硒光电池）；2 2、PNPN结型（硅光电池）。结型（硅光电池）。2DR（P型型Si为基底）为基底）2CR（N型型Si为基底）为基底）透明的二氧化透明的二氧化硅保护膜：防硅保护膜：防潮、增加对入潮、增加对入射光的吸收射光的吸收（1）按基底材料来分：）按基底材料来分：2.2 2.
18、2 硅光电池的基本结构和工作原理硅光电池的基本结构和工作原理)(电极)(电极NP 硅光电池的受光面的输出电极多做成梳齿状或硅光电池的受光面的输出电极多做成梳齿状或“E E”字型电极，其目的是便于透光和减小硅光电池字型电极，其目的是便于透光和减小硅光电池的内电阻。的内电阻。图图2DR型硅光电池，它是以型硅光电池，它是以P型硅为衬底，然后在型硅为衬底，然后在衬底上扩散磷而形成衬底上扩散磷而形成N型层并将其作为受光面。型层并将其作为受光面。注意：注意：1、上、下电极区分、上、下电极区分 2、上电极栅指状目的、上电极栅指状目的 3、受光表面涂保护膜的目的、受光表面涂保护膜的目的)(PN)(SiP)(前
19、极上电极)(后极下电极)(a)(BP)(SiN)(b（2 2）按结构）按结构阵列式：分立的受光面；阵列式：分立的受光面；象限式（激光制导）：参数相同的独立光电池；象限式（激光制导）：参数相同的独立光电池；硅蓝光电池（探测蓝紫光）：硅蓝光电池（探测蓝紫光）：PNPN结距受光面很近。结距受光面很近。（3 3）按用途）按用途太阳能光电池：用作电源（效率高，成本低）；太阳能光电池：用作电源（效率高，成本低）；测量用光电池：探测器件（线性、灵敏度高等）。测量用光电池：探测器件（线性、灵敏度高等）。（4 4）按材料）按材料硅光电池：光谱响应宽，频率特性好；硅光电池：光谱响应宽，频率特性好；硒光电池：波谱峰
20、值位于人眼视觉内；硒光电池：波谱峰值位于人眼视觉内；薄膜光电池：薄膜光电池：CdSCdS增强抗辐射能力；增强抗辐射能力；紫光电池：紫光电池：PNPN结结0.20.3 m,短波峰值短波峰值600nm600nm。硅光电池的特性参数硅光电池的特性参数 光照特性有伏安特性、照度光照特性有伏安特性、照度-电流电压特性和照电流电压特性和照度度-负载特性。负载特性。1.1.光照特性光照特性 特性参数主要有：光照特性、光谱特性、频率特性参数主要有：光照特性、光谱特性、频率特性、温度特性特性、温度特性不同照度时的伏不同照度时的伏-安特性安特性曲线曲线.一般硅光电池工作一般硅光电池工作在第四象限。若硅光电池在第四
21、象限。若硅光电池工作在反偏置状态，则伏工作在反偏置状态，则伏安特性将延伸到第三象限安特性将延伸到第三象限 伏安特性：表示输出电流和电压随负载电阻伏安特性：表示输出电流和电压随负载电阻变化的曲线。变化的曲线。在线性测量中在线性测量中,光电池常以电流形式使光电池常以电流形式使用用,因此短路电流的这种线性关系是光电池因此短路电流的这种线性关系是光电池重要的光照特性重要的光照特性这就是硅光电池的开路电压和短这就是硅光电池的开路电压和短路电流与光照的关系路电流与光照的关系,由此图可看由此图可看出什麽出什麽?当当RL=(开路开路)时，光电池的开路电压，以时，光电池的开路电压，以Voc表示表示)1ln(0I
22、IqkTVpoc)/ln()/(0IIqkTVpocESIIEpsc当当RL0 时所得的电流称为光电池短路电流，以时所得的电流称为光电池短路电流，以Isc表示表示 实际应用时，都接实际应用时，都接负载，负载，光电池光照与负光电池光照与负载的特性曲线载的特性曲线 在要求输出电流与光照度成线性关系时，负载电阻在条在要求输出电流与光照度成线性关系时，负载电阻在条件许可的情况下越小越好，并限制件许可的情况下越小越好，并限制(禁止禁止)在强光照范围内使在强光照范围内使用用 光电池的基本原理：在pn结开路的情况下，光生电流和正向电流相等时，PN结两端建立起光电位置传感器(PSD)（一）热平衡状态下的PN结
23、2、若光斑全在一个象限，输出电信号无法表示其结区的光生载流子受强电场的加速获得很大的能量，与原子碰撞时可使原子电离，新生的电子-空穴对在向电极运动过程中又获得足够能量，再次与原子碰撞，又产生新的电子-空穴对。由于耗尽层变宽，从而展宽了光电转换的有效工作利用半导体PN结光伏效应制成的器件称为光伏器件，也称结型光电器件。说明PIN管、雪崩光电管的工作原理和各自特点?PIN管的频率特性为什么PN结V-I 特性表达式金属半导体结来实现的，这种金属半导体结称为金属半导体接触。IEP IEN，少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。如果有
24、外加电压时结内平衡被破坏，此时流经PN结的电流方程为同样光照停止后光电流也是逐渐消失的。内光电效应是被光激发所产生的载流子（自由电子或空穴）仍在物质内部运动，使物质的电导率发生变化或产生光生伏特的现象。6位置敏感探测器(PSD)；这些现象称为弛豫过程或惰性。几种常见光电池的几种常见光电池的相对光谱响应曲线相对光谱响应曲线:硒硒光电池与人眼视见函数光电池与人眼视见函数相似，砷化镓量子效率相似，砷化镓量子效率高，噪声低，响应在紫高，噪声低，响应在紫外区和可见光区。外区和可见光区。2.2.光谱特性光谱特性 光谱响应特性表示在入射光能量保持一定的条件光谱响应特性表示在入射光能量保持一定的条件下，光电池
25、所产生的短路电流与入射光波长之间的关下，光电池所产生的短路电流与入射光波长之间的关系，一般用相对响应表示。系，一般用相对响应表示。线性测量中，要求光电池有高的灵敏度和稳定线性测量中，要求光电池有高的灵敏度和稳定性，同时要求与人眼视见函数有相似的光谱响应特性，同时要求与人眼视见函数有相似的光谱响应特性。性。锗光电池长波响锗光电池长波响应宽，适合作红应宽，适合作红外探测器外探测器 由图可见：负载大时频由图可见：负载大时频率特性变差，减小负载可减率特性变差，减小负载可减小时间常数小时间常数，提高频响。，提高频响。但是负载电阻但是负载电阻RL的减小会使的减小会使输出电压降低，实际使用时输出电压降低，实
26、际使用时根据具体要求而定。根据具体要求而定。3.3.频率特性频率特性 对矩形脉冲光，用光电流上升时间常数对矩形脉冲光，用光电流上升时间常数t tr r和下降时间常数和下降时间常数t tf来表征光来表征光电流滞后于光照的程度；对正弦型光照常用频率特性曲线表电流滞后于光照的程度；对正弦型光照常用频率特性曲线表示示 结型光电器件，结型光电器件，PNPN结内载流子的扩散、漂移，产生与复合都需要一定结内载流子的扩散、漂移，产生与复合都需要一定的时间，当光照变化很快时，光电流变化就滞后于光照变化。的时间，当光照变化很快时，光电流变化就滞后于光照变化。右图为硅光右图为硅光电池的频率电池的频率特性曲线。特性曲
27、线。4 4温度特性温度特性 光电池的温度特性曲线主要指光照射时它的开路光电池的温度特性曲线主要指光照射时它的开路电压电压U Uococ与短路电流与短路电流I Iscsc随温度变化的情况。随温度变化的情况。光电池的温度特性曲线如图所示光电池的温度特性曲线如图所示从图知：开路电压从图知：开路电压Uoc随着温度的升高随着温度的升高而减小而减小,其值约为其值约为23mV/oC;从图知：从图知：短路短路电流电流I Iscsc随着温随着温度的升高而增度的升高而增大，增大比例大，增大比例约为约为1010-5-51010-3 3mA/mA/o oC C数量级。数量级。为什么？为什么？因为反向饱因为反向饱和电流
28、也增大。和电流也增大。光电池应用光电池应用 把光能直接转化成电能，需要最大的输出功率把光能直接转化成电能，需要最大的输出功率和转化效率。和转化效率。1 1、光电池用作太阳能电池、光电池用作太阳能电池 利用其光敏面大，频率响应高，光电流与照利用其光敏面大，频率响应高，光电流与照度线性变化，适用于开关和线性测量等。度线性变化，适用于开关和线性测量等。2 2、光电池用作检测元件、光电池用作检测元件 可把受光面做得较大，或把多个光电池作串联可把受光面做得较大，或把多个光电池作串联或并联组成电池组，与镍镉蓄电池配合；可作为卫或并联组成电池组，与镍镉蓄电池配合；可作为卫星、微波站等无输电线路地区的电源供给
29、。星、微波站等无输电线路地区的电源供给。半导体半导体-金属正压，反偏，势垒增大，无电流；金属正压，反偏，势垒增大，无电流；金属金属-半导体正压，正偏，势垒减小，有电流。半导体正压，正偏，势垒减小，有电流。肖特基接触所以栅极一般情况下加负偏压所以栅极一般情况下加负偏压 1.金属半导体接触：金属半导体接触：半导体器件必须与外部电路相连接，这种连接是通过半导体器件必须与外部电路相连接，这种连接是通过金属金属半导体结来实现的，这种金属半导体结来实现的，这种金属半导体结称为金属半导体接触。半导体结称为金属半导体接触。欧姆接触金属金属-半导体正压，正偏半导体正压，正偏半导体半导体-金属正压，反偏金属正压，
30、反偏ee2.2.光电效应光电效应 光与物质作用产生的光电效应分为内光电效应与外光电效应光与物质作用产生的光电效应分为内光电效应与外光电效应两类。两类。内光电效应是被光激发所产生的载流子（自由电子或空穴）仍内光电效应是被光激发所产生的载流子（自由电子或空穴）仍在物质内部运动，使物质的电导率发生变化或产生光生伏特的现在物质内部运动，使物质的电导率发生变化或产生光生伏特的现象。象。外光电效应被光激发产生的电子逸出物质表面，形成真空中外光电效应被光激发产生的电子逸出物质表面，形成真空中的电子的现象称为外光电效应。的电子的现象称为外光电效应。2.1 2.1 光电导效应光电导效应光L面积A+VgE导带禁带
31、价带本征导带价带施主能级受主能级杂质EiEi-电子-空穴 光电导效应可分为本征光电导效应与杂质光电导效应两种。本征半导体价带中的电子吸收光子能量跃入导带产生本征吸收，导带中产生光生自由电子，价带中产生光生自由空穴。光生电子与空穴使半导体的电导率发生变化。这种在光的作用下由本征吸收引起的半导体电导率的变化现象称为本征光电导效应。2.2 PN2.2 PN结光伏效应结光伏效应 光生伏特效应是基于半导体PN结基础上的一种将光能转换成电能的效应。当入射辐射作用在半导体PN结上产生本征吸收时，价带中的光生空穴与导带中的光生电子在PN结内建电场的作用下分开，并分别向如下图所示的方向运动，形成光生伏特电压或光
32、生电流的现象。2.3 2.3 光电发射效应光电发射效应 （外光电效应）（外光电效应）当物质中的电子吸收足够高的光子能量，电子将逸出物质表面成为真空中的自由电子，这种现象称为光电发射效应或称为外光电效应。外光电效应中光电能量转换的基本关系为 02021Amvh表明，具有能量的光子被电子吸收后，只要光子的能量大于光电发射材料的光电发射阈值A0，则质量为m的电子的初始动能便大于0。光电发射存在长波限)(24.10mEEhcWW3.不同光照下的伏安特性曲线不同光照下的伏安特性曲线 一般硅光一般硅光电池工作在第电池工作在第四象限。若反四象限。若反偏，则伏安特偏，则伏安特性将延伸到第性将延伸到第三象限；三
33、象限；普通二极管工作在第一象限；光普通二极管工作在第一象限；光电二极管工作在第三象限，否则没有电二极管工作在第三象限，否则没有光电效应。光电效应。4.光电池的结构光电池的结构1、上、下电极区分、上、下电极区分2、上电极栅指状目的、上电极栅指状目的3、受光表面涂保护膜的目的、受光表面涂保护膜的目的)(PN)(SiP)(前极上电极)(后极下电极)(a)(BP)(SiN)(b3.1 3.1 结型光电器件的工作原理结型光电器件的工作原理3.2 3.2 光电池光电池;3.33.3光电二极管，光电晶体管；光电二极管，光电晶体管；3.43.4象限式光电器件；象限式光电器件；3.5 PIN3.5 PIN管；管
34、；3.63.6位置敏感探测器位置敏感探测器(PSD)(PSD)；3.73.7雪崩光电二极管；雪崩光电二极管；（一）、光电二极管（一）、光电二极管1.1.硅光电二极管结构及工作原理硅光电二极管结构及工作原理 光电二极管是基于光电二极管是基于PNPN结的光电效应工作的，它主结的光电效应工作的，它主要用于可见光及红外光谱区。光电二极管通常在反偏要用于可见光及红外光谱区。光电二极管通常在反偏置条件下工作，也可用在零偏置状态。置条件下工作，也可用在零偏置状态。没有光照：由于二极管反向偏置，所以反向电没有光照：由于二极管反向偏置，所以反向电流很小，这时的电流称为暗电流，相当于普通二极流很小，这时的电流称为
35、暗电流，相当于普通二极管的反向饱和漏电流。管的反向饱和漏电流。有光照射：在二极管的有光照射：在二极管的PNPN结附近产生的电子结附近产生的电子-空空穴对数量也随之增加，光电流也相应增大，光电流与穴对数量也随之增加，光电流也相应增大，光电流与照度成正比。照度成正比。3.3 3.3 光电二极管和光电三极管光电二极管和光电三极管 没有光照时没有光照时:由于二极管反由于二极管反向偏置，反向电流（暗电流）向偏置，反向电流（暗电流）很小很小 光照增加时光照增加时:光电流光电流I Ip p与光与光照度成正比关系照度成正比关系 2023-1-1655光敏二极管演示光敏二极管演示 当光敏当光敏电阻受到光电阻受到
36、光照时，照时，光生光生电子电子空穴空穴对增加，对增加，阻阻值减小，电值减小，电流增大。流增大。暗电流（越小越好）暗电流（越小越好）光敏二极管符号光敏二极管符号 实际上，不是不能加正向电压，只是正接以后实际上，不是不能加正向电压，只是正接以后就与普通二极管一样，只有单向导电性，而表现就与普通二极管一样，只有单向导电性，而表现不出它的光电效应。不出它的光电效应。光敏二极管接法光敏二极管接法 硅光电二极管符号和接法硅光电二极管符号和接法国产硅光电二极管按衬底材料的不同分为国产硅光电二极管按衬底材料的不同分为:2CU2CU系列以系列以N-SiN-Si为衬底；为衬底；2DU2DU系列以系列以P-SiP-
37、Si为衬底。为衬底。2CU2CU系列光电二极管有两个引出线系列光电二极管有两个引出线(前极、后极前极、后极)2DU2DU系列光电二极管有三条引出线系列光电二极管有三条引出线(前极、后极和环极前极、后极和环极)2DU2DU管加环极的目的是为了减少暗电流和噪声。管加环极的目的是为了减少暗电流和噪声。硅光电二极管结构示意图硅光电二极管结构示意图2.2.与普通二极管相比与普通二极管相比共同点：一个共同点：一个PNPN结，单向导电性结，单向导电性不同点：不同点：（1 1）受光面大，）受光面大，PNPN结面积更大，结面积更大，PNPN结深度较浅结深度较浅（2 2）表面有防反射的）表面有防反射的SiOSiO
38、2 2保护层保护层（3 3）外加反偏置）外加反偏置3.3.与光电池相比与光电池相比共同点：均为共同点：均为PNPN结，利用光伏效应，结，利用光伏效应，SiOSiO2 2保护膜保护膜不同点：不同点：（1 1）结面积比光电池的小，频率特性好）结面积比光电池的小，频率特性好;（2 2）光生电势与光电池相同，但电流比光电池小）光生电势与光电池相同，但电流比光电池小;（3 3）可在零偏压下工作，常在反偏置下工作。）可在零偏压下工作，常在反偏置下工作。在在N N+侧开窗，引出一个电极作侧开窗，引出一个电极作“集电极集电极c c”，中间的，中间的P P型层引出型层引出“基极基极b b”，也可以不引出来，在也
39、可以不引出来，在N N型硅片的衬底上引出一个型硅片的衬底上引出一个 “发射极发射极e e”。硅光电三极管的。硅光电三极管的外型有光窗外型有光窗,管脚有三根引线或二根引线管脚有三根引线或二根引线,管型分为管型分为PNPPNP型和型和NPNNPN型。型。（二）（二）.硅光电三极管硅光电三极管 硅光电三极管具有电流放大作用，它的集电极电流受基极的光强控制。硅光电三极管具有电流放大作用，它的集电极电流受基极的光强控制。以以N N型硅片作衬底，扩散硼而形成型硅片作衬底，扩散硼而形成P P型，再扩散磷而形成重掺杂型，再扩散磷而形成重掺杂N N+层。层。以以3DU3DU型为例讨论硅光电三极管的结构和工作原理
40、型为例讨论硅光电三极管的结构和工作原理 NPN NPN型称型称3DU3DU型型,PNP,PNP型称型称3CU3CU型。型。1 1.硅光电三极管的结构和工作原理硅光电三极管的结构和工作原理NPN+这就构成一个这就构成一个光电三极管光电三极管注：需保证发射结正偏，注：需保证发射结正偏，集电结反偏。集电结反偏。UCIp 当晶体管处在发射结正偏、集电结反偏的放大状态下，管内载流子的运动情况可用下图说明。cICeIENPNIBRCUCCUBBRB15Vb .发射区向基区注入电子.电子在基区中边扩散边复合.电子被集电区收集 IEP根据电荷守衡有 ICN+IBN=IEN IEP 0U0，其大小反映光，其大小
41、反映光斑偏离程度；斑偏离程度；光斑偏向光斑偏向P P1 1区，则输出电压区，则输出电压U0U1，试从光伏效应的机理上加以解释。，试从光伏效应的机理上加以解释。1.光伏组件要成功运作需满足的条件？光伏组件要成功运作需满足的条件？光电池的基本原理：在pn结开路的情况下，光生电流和正向电流相等时，PN结两端建立起 稳定的电势差。如将pn结与外电路通，只要光照不停止，就会有源源不断的电流通过电路，p-n结起了电源的作用。这就是光电池的基本原理。光敏二极管的工作原理与光电池的工作原 理很相似。当光不照射时，光敏二极管处于截止状态，这时只有少数载流子在反向偏压的作用 下，渡越阻挡层形成微小的反向电流即暗电流；受光照射时，PN结附近受光子轰击，吸收其能 量而产生电子-空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内 电场的作用下，P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区，N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，这就形成了光电流。光敏二极管的光电流 I 与照度之间呈 线性关系。光敏二极管的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。光伏组件要成功运作需满足：（1）入射光子被吸收产生电子-空穴对-h Eg；（2）电子-空 穴对在复合之前被分开-p-n结存在内建电场；（3）分开的电子和空穴传输至负载-连接导线。3.
