光电技术(第2版)第3章第1节

1、第3章 光生伏特器件 3.1 硅光电二极管 具有光生伏特效应的半导体材料有很多，例如硅（Si）、锗（Ge）、硒（Se）、砷化镓（GaAs）等半导体材料。利用这些材料能够制造出具有各种特点的光生伏特器件，其中硅光生伏特器件具有制造工艺简单、成本低等特点使它成为目前应用最广泛的光生伏特器件。 硅光电二极管是最简单、最具有代表性的光生伏特器件，其中，PN结硅光电二极管为最基本的光生伏特器件。 3.1.1 硅光电二极管的工作原理 1、光电二极管的基本结构 光电二极管可分为以P型硅为衬底的2DU型与以N型硅为衬底的2CU型两种结构形式。如图3-1（a）所示的为2DU型光电二极管的原理结构图。 图3-1（

2、b）为光电二极管的工作原理图 图3-1（c）所示为光电二极管的电路符号，其中的小箭头表示正向电流的方向（普通整流二极管中规定的正方向），光电流的方向与之相反。图中的前极为光照面，后极为背光面。 2、光电二极管的电流方程 在无辐射作用的情况下（暗室中），PN结硅光电二极管的正、反向特性与普通PN结二极管的特性一样，如图3-2所示。其电流方程为 （3-1）ID为U为负值（反向偏置时）且 时(室温下kT/q0.26mV，很容易满足这个条件)的电流，称为反向电流或暗电流。 当光辐射作用到如图3-1（b）所示的光电二极管上时， 光电二极管的全电流方程为 式中为光电材料的光电转换效率，为材料对光的吸收系数

3、。 （3-2）3.1.2 光电二极管的基本特性 由式（3-2）光电二极管的全电流方程可以得到如图3-3所示的光电二极管在不同偏置电压下的输出特性曲线，这些曲线反应了光电二极管的基本特性。 普通二极管工作在正向电压大于0.7V的情况下，而光电二极管则必须工作在这个电压以下，否则，不会产生光电效应。 光电二极管的工作区域应在图3-3所示的第3象限与第4象限，很不方便。 在光电技术中常采用重新定义电流与电压正方向的方法把特性曲线旋转成如图3-4所示。重新定义的电流与电压的正方向均以PN结内建电场的方向相同的方向为正向。 1.光电二极管的灵敏度 定义光电二极管的电流灵敏度为入射到光敏面上辐射量的变化（

4、例如通量变化d）引起电流变化dI与辐射量变化之比。 （3-3） 显然，当某波长的辐射作用于光电二极管时，其电流灵敏度为与材料有关的常数，表征光电二极管的光电转换特性的线性关系。必须指出，电流灵敏度与入射辐射波长的关系是复杂的，定义光电二极管的电流灵敏度时通常定义其峰值响应波长的电流灵敏度为光电二极管的电流灵敏度。在式（3-3）中，表面上看它与波长成正比，但是，材料的吸收系数还隐含着与入射辐射波长的关系。因此，常把光电二极管的电流灵敏度与波长的关系曲线称为光谱响应。 3. 光谱响应 光电二极管的光谱响应定义为以等功率的不同单色辐射波长的光作用于光电二极管时，其响应程度或电流灵敏度与波长的关系称为

5、其光谱响应。 图3-5为几种典型材料的光电二极管光谱响应曲线。 典型硅光电二极管光谱响应长波限为1.1m左右，短波限接近0.4m，峰值响应波长为0.9m左右。 4. 时间响应 以f频率调制的辐射作用于PN结硅光电二极管光敏面时，PN结硅光电二极管的电流产生要经过下面3个过程： 1) 在PN结区内产生的光生载流子渡越结区的时间，称为漂移时间记为； 2) 在PN结区外产生的光生载流子扩散到PN结区内所需要的时间，称为扩散时间记为p； 3) 由PN结电容Cj和管芯电阻Ri及负载电阻RL构成的RC延迟时间。 设载流子在结区内的漂移速度为vd，PN结区的宽度为W，载流子在结区内的最长漂移时间为 一般的P

6、N结硅光电二极管，内电场强度Ei都在105V/cm以上，载流子的平均漂移速度要高于107cm/s，PN结区的宽度常在100m左右，由式（3-4）可知漂移时间，为ns数量级。 对于PN结硅光电二极管，入射辐射在PN结势垒区以外激发的光生载流子必须经过扩散运动到势垒区内才能在内建电场作用，并分别拉向P区与N区。载流子的扩散运动往往很慢，因此，扩散时间p很长，约为100ns，它是限制PN结硅光电二极管时间响应的主要因素。 另一个因素是PN结电容Cj和管芯电阻Ri及负载电阻RL构成的时间常数RC，RC为 （3-5） 普通PN结硅光电二极管的管芯内阻Ri约为250，PN结电容Cj常为几个Pf，在负载电阻

7、RL低于500时，时间常数也在ns数量级。但是，当负载电阻RL很大时，时间常数将成为影响硅光电二极管时间响应的一个重要因素，应用时必须注意。 由以上分析可见，影响PN结硅光电二极管时间响应的主要因素是PN结区外载流子的扩散时间p，如何扩展PN结区是提高硅光电二极管时间响应重要措施。增高反向偏置电压会提高内建电场的强度，扩展PN结的耗尽区，但是反向偏置电压的提高也会加大结电容，使RC时间常数RC增大。因此，必须从PN结的结构设计方面考虑如何在不使偏压增大的情况下使耗尽区扩展到整个PN结器件，才能消除扩散时间。 4. 噪声 光电二极管的噪声包含低频噪声Inf、散粒噪声Ins和热噪声InT等3种噪声

8、。其中，散粒噪声是光电二极管的主要噪声，低频噪声和热噪声为其次要因素。 散粒噪声是由于电流在半导体内的散粒效应引起的，它与电流的关系 (3-6) 光电二极管的电流应包括暗电流Id、信号电流Is和背景辐射引起的背景光电流Ib，因此散粒噪声应为 (3-7) 根据电流方程，并考虑反向偏置情况，光电二极管电流与入射辐射的关系 ，得到(3-8)再考虑负载电阻RL的热噪声 (3-9) 目前，用来制造PN结型光电二极管的半导体材料主要有硅、锗、硒和砷化镓等，用不同材料制造的光电二极管具有不同的特性。 3.2 其他类型的光生伏特器件 3.2.1 PIN型光电二极管 为了提高PN结硅光电二极管的时间响应，消除在

9、PN结外光生载流子的扩散运动时间，常采用在P区与N区之间生成I型层，构成如图3-6（a）所示的PIN结构光电二极管，PIN结构的光电二极管与PN结型的光电二极管在外形上没有什么区别，都如图3-6（b）所示。 PIN光电二极管在反向电压作用下，耗尽区扩展到整个半导体，光生载流子只产生漂移电流，因此， 它的时间响应只取决于 与 ， 在10-9s左右。 drRC3.2.2 雪崩光电二极管 PIN光电二极管提高了PN结光电二极管的时间响应，但未能提高器件的光电灵敏度，为了提高光电二极管的灵敏度，人们设计了雪崩光电二极管，使光电二极管的光电灵敏度提高到需要的程度。 1.结构 图3-7（a）所示为在P型硅

10、基片上扩散杂质浓度大的N+层，制成P型N结构； 图3-7（b）所示为在N型硅基片上扩散杂质浓度大的P+层，制成N型P结构的雪崩光电二极管； 图3-7（c）所示为PIN型雪崩光电二极管。 由于PIN型光电二极管在较高的反向偏置电压的作用下耗尽区扩展到整个PN结结区，形成自身保护（具有很强的抗击穿功能），因此，雪崩光电二极管不必设置保护环。 市场上的型雪崩光电二极管基本上都是PIN型雪崩光电二极管。 2.工作原理 雪崩光电二极管为具有内增益的一种光生伏特器件。它利用光生载流子在强电场内的定向运动，产生的雪崩效应获得光电流的增益。 电离产生的载流子数远大于光激发产生的光生载流子数，这时雪崩光电二极管

11、的输出电流迅速增加，其电流倍增系数M定义为 （3-10） 式中，I为倍增输出的电流，I0为倍增前输出的电流。 雪崩倍增系数M与碰撞电离率有密切的关系。碰撞电离率表示一个载流子在电场作用下，漂移单位距离所产生的电子空穴对数目。实际上电子电离率 和空穴电离率 是不完全一样的，它们都与电场强度有密切关系。由实验确定，电离率与电场强度E可以近似的写成以下关系 np（3-10） 式中,A、b、m都为与材料有关系数。 假定= = 时，可以推导出倍增系数与电离率的关系为 Np（3-11） XD为耗尽层的宽度。上式表明，当 （3-12） 在强电场作用下，当通过耗尽区的每个载流子平均能产生一对电子空穴时，就发生

12、雪崩击穿现象。当M时，PN结上所加的反向偏压就是雪崩击穿电压UBR。 实验发现，在略低于击穿电压时，也发生雪崩倍增现象，不过M较小，这时M随反向偏压U的变化可用经验公式近似表示 从图3-8所示的伏-安特性曲线可以看出，在雪崩击穿点附近电流随偏压变化的曲线较陡，当反向偏压有较小变化时，光电流将有较大变化。 3.噪声 由于雪崩光电二极管中载流子的碰撞电离是不规则的，碰撞后的运动方向更是随机的，所以它的噪声比一般光电二极管要大些。在无倍增的情况下，其噪声电流主要为如式（3-6）所示的散粒噪声。当雪崩倍增M倍后，雪崩光电二极管的噪声电流的均方根值可近似由下式计算。 （3-15） 式中指数n与雪崩光电二

13、极管的材料有关。对于锗管，n=3；对于硅管为2.3n2.5。 显然，由于信号电流按M倍增加，而噪声电流按Mn/2倍增加。因此，随着M增加，噪声电流比信号电流增加得更快。 3.2.3 硅光电池 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

14、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. 硅光电池的基本结构和工作原理 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。2. 硅光电池工作原理 如图3-10所示，当光

15、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） 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 3. 硅光电池的输出功率 将式（3-17）代入式（3-18）得到负载所获得的功率为 PL=RL （3-19）显然，

16、负载电阻RL所获得的功率PL与负载电阻的阻值有关，当RL=0（电路为短路）时，U=0，输出功率PL=0；当RL=（电路为开路）时，IL=0，输出功率PL=0；RL0时，输出功率PL0。显然，存在着最佳负载电阻Ropt，在最佳负载电阻情况下负载可以获得最大的输出功率Pmax。 通过对式（3-19）求关于RL的1阶倒数，当RL=Ropt时，求得最佳负载电阻Ropt的阻值。 在实际工程计算中，常通过分析图3-11所示的输出特性曲线得到经验公式，即，当负载电阻为最佳负载电阻时，输出电压U=Um Um =(0.60.7)Uoc （3-20）而此时的输出电流近似等于光电流，即（3-21）其中，S 为硅光电

17、池的电流灵敏度。 i硅光电池的最佳负载电阻Ropt为 从上式可以看出硅光电池的最佳负载电阻Ropt与入射辐射通量有关，它随入射辐射通量的增加而减小。负载电阻所获得的最大功率为 Pm= Im Um=(0.60.7)UocIp (3-23) (3-22)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。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义为光电池的最大光电转换效率，记为m。 显然，光电池的最大光电转换效率m为 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

18、-24） 3.2.4 光电三极管 光电三极管与普通半导体三极管一样有两种基本结构，NPN结构与PNP结构。用N型硅材料为衬底制作的 NPN结构，称为 3DU型；用P型硅材料为衬底制作的称为PNP结构，称为3CU型。图3-12所示为3DU型光电三极管的工作原理及其符号。 图 (a)所示为NPN型光电三极管的原理结构图； 图(b)所示为光电三极管的电路符号。 1. 工作原理 光电三极管的工作原理分为两个过程：一是光电转换；二是光电流放大。 集电极输出的电流为 (3-25) 光电三极管的电流灵敏度是光电二极管的倍。相当于将光电二极管与三极管接成如图3-12(c)所示的电路形式，光电二极管的电流Ip被

19、三极管放大倍。 为提高光电三极管的增益，减小体积，常将光电二极管或光电三极管及三极管制作到一个硅片上构成集成光电器件。 如图3-13所示为三种形式的集成光电器件。图3-13 (a)所示为光电二极管与三极管集成而构成的集成光电器件，它比图3-12(c)所示的光电三极管具有更大的动态范围，因为光电二极管的反向偏置电压不受三极管集电结电压的控制。图3-13(b)所示的电路为图3-12(c)所示的光电三极管与三极管集成构成的集成光电器件，它具有更高的电流增益（灵敏度更高）。 2. 光电三极管特性 1）伏安特性 图3-14所示为硅光电三极管在不同光照下的伏安特性曲线。光电三极管在偏置电压为零时，无论光照

20、度有多强，集电极电流都为零。偏置电压要保证光电三极管的发射结处于正向偏置，而集电结处于反向偏置。随着偏置电压的增高伏安特性曲线趋于平坦。 光电三极管的伏安特性曲线向上偏斜，间距增大。这是因为光电三极管除具有光电灵敏度外，还具有电流增益，并且，值随光电流的增大而增大。 2）时间响应（频率特性） 光电三极管的时间响应常与PN结的结构及偏置电路等参数有关。为分析光电三极管的时间响应，首先画出光电三极管输出电路的微变等效电路。图3-15（a）所示为光电三极管的输出电路，图3-15（b）为其等效电路。 分析等效电路图，不难看出，由电流源Ip、基-射结电电阻rbe、电容Cbe和基-集结电容Cbc构成的部分等效电路为光电二极管的等效电路。 表明光电三极管的等效电路是在光电二极管的等效电路基础上增加了电流源