硅光电池(硅光二极管)应用讲诉课件

1、4.6 光电池硅光电池结构示意如图-+RLpn防反射膜(SiO2）pn+-SiO2pn结硅光电池光电池按材料分，有硅、硒、硫化镉、砷化镓和无定型材料的光电池等。按结构分，有同质结和异质结光电池等。光电池中最典型的是同质结硅光电池。国产同质结硅光电池因衬底材料导电类型不同而分成2CR系列和2DR系列两种。2CR系列硅光电池是以N型硅为衬底，P型硅为受光面的光电池。受光面上的电极称为前极或上电极，为了减少遮光，前极多作成梳状。衬底方面的电极称为后极或下电极。为了减少反射光，增加透射光，一般都在受光面上涂有SiO2或MgF2，Si3N4，SiO2MgF2等材料的防反射膜，同时也可以起到防潮，防腐蚀的

2、保护作用。 几种国产硅光电池的特性 光电池驱动的凉帽4.7 光电二极管外形 （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光电二极管的伏安特性无光照暗电流国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和2DU两种系列。2CU系列以N-Si为衬底， 2DU系列以P-Si为衬底2CU系列光电二极管只有两个引出线，而2DU系列光电二极管有三条引出线，除了前极、后极外，还设了一个环极。硅光电二极管结构示意图2DU管加环极的目的是为了减少暗电 流和噪声。4.7.1 Si 光电二极管 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

3、、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NSi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

4、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。 光电二极管的用法：光电二极管的用法只能有两种。一种是不加外电压，直接与负载相接。另一种是加反向电压，如图所示。 a) 不加外电源 b) 加反向外电源 c) 2DU环极接法实际上，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，而表现不出它的光电效应。 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

5、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、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。 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 4.7.2 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 = CfRL与f =

6、1/2知，Cf小，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。 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。所不足的是，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。 4.7.3 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100200V，接近于反向击穿电压。结区内电场

7、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。 当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生所谓的自持雪崩。 这种管子响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光电二极管。 噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。 由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无法使用。 4.7.4 光伏探测器使用要点1）极性结型器件都有确定的极性，如要加电压使用时，光电结必须加反向电压，即P端与外电源的低电位相接。2）使用时对入射光强范围的选

8、择应视用途而定。用于开关电路或逻辑电路时光照可以强些。用于模拟量测量时，光照不宜过强。因为一般器件都有这样的性质：光照弱些，负载电阻小些，加反偏压使用时，光电线性好，反之则差。3）灵敏度主要决定于器件，但也与使用条件和方法有关，例如光源和接收器在光谱特性上是否匹配；入射光的方向与器件光敏面法线是否一致等。4）结型器件的响应速度都很快。它主要决定于负载电阻和结电容所构成的时间常数（RC）。负载电阻大，输出电压可以大，但会变大，响应变慢。相反，负载电阻小些，输出电压要减小，但会变小，响应速度变快。5）灵敏度与频带宽度之积为一常数的结论，对结型光电器件也适用。 6）器件的各种参量差不多都与温度有关，但其中受温度影响