第3章3.1节光生伏特器件.ppt

1、第三章光生螺栓组件、3.1硅光电二极管、具有光生螺栓效应的半导体材料有硅(Si)、锗(Ge)、硒(Se)、砷(GaAs)等半导体材料很多。其中硅光生螺栓组件具有制造工艺简单、成本低的特点，成为目前应用最广泛的光生螺栓组件。硅光电二极管是PN结光螺栓设备。3.1.1工作原理，1，基本结构(见图3-1)2DU型光电二极管的原理结构图。和图(B)是光电二极管的工作原理图，图(C)是光电二极管的电路符号。箭头指示正向电流方向(为一般整流二极管指定的正方向)，光电流的方向相反。2，光电二极管的电流方程，无纺线作用(暗室)，PN硅光电二极管的正负特性与一般PN结二极管特性相同，如图3-2所示。电流方程式为

2、，(3.1-1)，ID为反向电流或暗电流。当光作用于图3-1(b)所示的光电二极管时，光电二极管的整个电流方程，其表达式是光电转换效率，光的吸收系数。3.1.2光电二极管的基本特性，式(3.1-2)光电二极管的电流方程可以在各种偏压下获得光电二极管的输出特性曲线，如图3-3所示，反映了光电二极管的基本特性。(3.1-2)，1象限是正弦曲线，3和4象限具有光民特性，因此不方便。在光电技术中，通过重新定义电流和电压的正方向，特性曲线经常旋转到图3-4。全部以PN结内的电场的方向为电流，电压的正方向。1 .光电二极管的灵敏度，光电二极管的电流灵敏度是入射到光敏面的光通量所引起的电流变化dI与光通量变

3、化D之比。当特定波长的辐射作用于光电二极管时，电流灵敏度与材料常数相关，表征光电二极管的光电转换特性是线性的。电流灵敏度和入射辐射波长之间的关系很复杂，在定义光电二极管的电流灵敏度时，通常将峰值响应波长的电流灵敏度定义为光电二极管的电流灵敏度。表面上与波长成正比，但材料的吸收系数暗示了与入射辐射波长的关系。光电二极管的电流灵敏度和波长的关系称为光谱响应。3。光谱响应，图3-5是多个光电二极管的光谱响应曲线。光谱响应长波为1.1米，短波为0.4米，最大响应波长为0.9米左右。4 .时间响应，F频率调制的辐射作用于PN硅光电二极管感光面时，PN硅光电二极管的电流生成需要3个过程。1)在PN连接区域

4、内生成的光生载流子穿过连接区域的时间称为漂移时间。2)在PN节点区域外生成的光生载流子在PN节点区域内扩散所需的时间称为扩散时间(P)。3)RC延迟时间，由PN接合容量Cj、芯电阻Ri和负载电阻RL组成。将载流子在节点区域内的漂移速度设置为VD，PN节点区域的宽度为W，载流子在节点区域内的最大漂移时间为，普通PN硅光电二极管，内部电场强度Ei均为105V/cm以上，载流子的平均漂移速度为107cm/s，PS对于PN硅光电二极管，在PN结缔障区外发生的光生载体必须扩散到障区内，内置电场作用才能下降到P区和N区。(阿尔伯特爱因斯坦，Northern Exposure(美国电视剧)，扩散运动速度慢，

5、因此扩散时间P很长，限制了PN硅光电二极管的时间响应，约为100ns)。另一个因素是时间常数RC、RC(由PN连接容量Cj和感兴趣的阻力Ri和负载阻力RL组成)，但是，如果负载阻力RL很大，则应用时要小心，因为时间常数将成为时间响应的重要因素。影响时间响应的主要因素是扩散时间P。消除这种现象的方法是提高硅光电二极管时间响应的重要措施。增加反向偏移电压会提高内置电场的强度，扩展PN结的耗尽区域，但增加反向偏移会增加结电容，从而增加RC时间常数RC。因此，在PN接头的结构设计方面，必须考虑将耗尽区域扩展到整个PN接头装置，而不增加偏移，从而消除扩散时间。4 .噪声、光电二极管中的噪音包括低频噪声I

6、nf、散射噪声Ins和热噪声InT。在这里，散射噪音是主要噪音，低频噪音和热噪音其次是。散射噪音与电流有关。光电二极管电流包含暗电流Id、信号电流Is和背光电流Ib，因此散射噪音为、PIN结构与PN结光电二极管在外观上没有区别。图3-6(b)所示。PIN光电二极管在逆电压作用下耗尽区域扩展到整个半导体，光生载流子仅产生漂移电流，因此时间响应仅取决于dr和RC，10-9s。3.2.2雪崩光电二极管、pin光电二极管提高了时间响应，但未能提高设备的光电灵敏度。为了提高灵敏度，设计了雪崩光电二极管，大大提高了光电灵敏度。1 .结构，市场上的雪崩光电二极管基本上是大头针雪崩光电二极管。2 .工作原理，

7、雪崩光电二极管是我有磷的光生螺栓部件。利用光生油器在铁电场中高速运动，通过雪崩获得好处。电离产生的数量远远多于光生载流子的数量，快速增加雪崩光电二极管输出电流，将电流倍增系数定义为M，倍增系数M与碰撞电离率相关。一个电流载体在电场作用下漂流单位距离而产生的电子/空穴对数。电子电离率N和空穴电离率P不匹配，与电场强度E有关。实验结果表明，两种关系大致是a，b，m都是与材料相关的系数。设置=n=p，可以导出倍增系数和电离率之间的关系。雪崩与电场强度有关，添加到设备中的电压直接影响雪崩破坏的程度。乘数M反映了这种现象。实验结果表明，当低于屈服电压时，雪崩乘数M较小，随着反向偏置U的增加，M增大，经验公式在图3-8所示的特性曲线中可见。在雪崩断点附近，电流随偏移变化的曲线更陡，反向偏移变化更小，光电流发生了巨大变化。