第3章光生伏特器件光电技术教学课件

1、第3章 光生伏特器件,教学内容： 3-1 硅光电二极管 3-2 其他类型的光生伏特器件 3-3 光生伏特器件的偏置电路 3-4 半导体光电器件的特性参数与选择,教学基本要求： 一 了解 硅光电二极管的基本特性。 二 了解 其他类型的光生伏特器件的特点和特性。 三 了解 硅光电池和光电三极管的特点和特性。 四 掌握光生伏特器件的偏置电路，会熟练进行电路的设计与计算。 五 了解半导体光电器件的特性。能正确选择合适的半导体光电器件。,光生伏特器件暗电流小、噪声低、响应速度快、光电特性线性好、受温度的影响小。 少子导电 光电导器件微弱辐射探测、光谱响应范围宽。多子导电 3.1 硅光电二极管 具有光生伏

2、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。 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。,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。,图中的前极为光照面，后极为背光面。,光电二极管探测光辐射的基本过程： 吸收光辐射产生载流子，即半导体价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带,产生电子-空穴对； 光生载流子在二极管内输运形成电流，若光子在耗尽层内被吸收，产生的电子和空穴在电场的作用下作漂移运动；若光子的吸收发

3、生在耗尽层外扩散长度之内，少子靠扩散运动可到达耗尽层边界，进入耗尽层之后再作漂移运动； 载流子向电极输运时，在外电路中形成电流，产生输出信号。 通过测量电信号的强度，达到探测光信号的目的。,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。其电流方程为,反向偏置时：,I反向电流（暗电流）,室温下kT/q26mV,当光辐射作用到如图3-1（b）所示的光电二极管上，光电二极管的全电流方程：,3.1.2 光电二极管的基本特性 光电二极管的基本特性光电二极管在不同偏置电压下的输出特性曲线。,偏置电压特点反偏 光电二极管必须工作在0.

4、7V电压以下。,工作区域第3象限与第4象限,重新定义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 电流灵敏度入射到光敏面上辐射量的变化（例如通量变化d）引起电流变化dI与辐射量变化之比。,电流灵敏度与入射辐射波长的关系复杂。 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。,2. 光谱响应 光谱响应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其光谱响应。,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。,3. 时间响应 以f频率调制的辐射作用于PN结硅光

5、电二极管光敏面： 漂移时间dr 在PN结区内产生的光生载流子渡越结区的时间； 扩散时间p 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； RC延迟时间RC 由PN结电容Cj和管芯电阻Ri及负载电阻RL构成的。 dr p RC 最关键？,dr 载流子在结区内的最长漂移时间 设载流子在结区内的漂移速度为vd，PN结区的宽度为W,载流子的平均漂移速度要高于107cm/s，PN结区的宽度常在100m左右， dr为ns数量级。,p 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。 载流子的扩散运动很慢，扩散时间p约为100ns。 RC,Ri约为2

6、50，PN结电容Cj常为几个pF。 负载电阻RL低于500时， RC ns数量级。,p对PN结硅光电二极管时间响应的影响最大。 如何提高硅光电二极管时间响应扩展PN结区 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； 反向偏置电压提高加大结电容，使RC时间常数RC增大。 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 低频噪声Inf 散粒噪声Ins 热噪声InT 散粒噪声是由于电流在半导体内的散粒效应引起的，是光电二极管的主要噪声。与频率无关（低频和中频） 它与电流的关系,3.2 其他类型的光生

7、伏特器件 3.2.1 PIN型光电二极管 PIN结构光电二极管在P区与N区之间生成I型层。 为了提高PN结硅光电二极管的时间响应，消除在PN结外光生载流子的扩散运动时间。,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。 它的时间响应只取决于dr 与RC，10ns左右。,特点： P型、N型半导体掺杂浓度高； I层高阻本征半导体，较厚； 内电场基本上集中于I层，PN结间距离拉大，结电容变小； 反偏电压加大，结电容变得更小。 提高频率响应。 频带宽：10GHz I层厚，优点：可承受较高反向电压，线性输出范围宽；缺点：电阻大，输出电流小，几微安。,3.2.2 雪崩光电二极管（AP

8、D） 雪崩光电二极管为了提高光电二极管的灵敏度。 1.结构,PIN型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，具有很强的抗击穿功能。,2.工作原理 雪崩光电二极管具有内增益的一种光生伏特器件。 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，输出电流迅速增加，电流倍增系数M定义：,I为倍增输出的电流； I0为倍增前输出的电流。,碰撞电离率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。,A、b、m都为与材料有关系数。,假定n=p=，倍增系数与电离率的关系：,XD为耗尽层的宽度。,发生雪崩击穿的条件：,

9、物理意义在强电场作用下，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。,在略低于击穿电压时，也发生雪崩倍增现象,n与PN结的结构有关,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 噪声比一般光电二极管要大 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。 在无倍增的情况下，噪声电流主要是散粒噪声。,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。,随着M增加，噪声电流比信号电流增加得更快。,应用： 激光测距 高速接收机

10、 光纤通信系统高带宽接收机，提供更大的信噪比 单光子计数 光通量电平可低至每秒几十个光子,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。 分为两大类： 太阳能光电池（太阳电池）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。 测量光电池 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. 硅光电池的基本结构 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2

11、DR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。,2. 硅光电池工作原理 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输出电流IL。,PN结获得的偏置电压U,U=ILRL,当以输出电流的IL为电流和电压的正方向时的伏安特性曲线。,RL所获得的功率 PL=ILU,光电池输出电流IL包括光生电流IP、扩散电流与暗电流。,3. 硅光电池的输出功率 负载所获得的功率为 PL=RLIL2 RL=0（电路为短路） U=0，输出功率PL=0； RL=（电路为开路） IL

12、=0，输出功率PL=0； RL0时，输出功率PL0。 最佳负载电阻Ropt, 可以获得最大的输出功率Pmax。,在实际工程计算中经验公式： 当负载电阻为最佳负载电阻时，输出电压 Um =(0.60.7)Uoc 输出电流近似等于光电流：,S为硅光电池的电流灵敏度。,硅光电池的最佳负载电阻Ropt为,负载电阻所获得的最大功率为 Pm=ImUm=(0.60.7)UocIp,4.光电池的光电转换效率 光电转换效率光电池的输出功率与入射辐射通量之比。 最大光电转换效率m 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。,3.2.4 光电三极管 光电三极管两种基本结构：NPN结

13、构与PNP结构。用N型硅材料为衬底制作的NPN结构3DU型；用P型硅材料为衬底制作的PNP结构，3CU型。,1. 工作原理 两个过程： 光电转换； 光电流放大 集电极输出的电流,光电三极管的电流灵敏度是光电二极管的倍。,为提高光电三极管的增益，减小体积，集成光电器件。,(a) 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。 (b) 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,光电三极管在偏置电压为零时，无论光照度有多强，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。,值随光电流的增大而增大。,2

14、）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。,光电三极管输出电路的微变等效电路,选择适当的负载电阻，使其满足RLRce，光电三极管电路的输出电压:,光电三极管的时间响应由以下四部分组成： 光生载流子对发射结电容Cbe和集电结电容Cbc的充放电时间； 光生载流子渡越基区所需要的时间； 光生载流子被收集到集电极的时间； 输出电路的等效负载电阻RL与等效电容Cce所构成的RC时间。,3）温度特性 硅光电二极管和硅光电三极管的暗电流Id和光电流IL均随温度而变化. 硅光电三极管的暗电流Id和亮电流IL受温度的影响要比硅光电二极管大得多硅光电三极管具有电流放大功能。

15、,4）光谱响应 硅光电三极管与光电二极管具有相同的光谱响应。,响应范围为0.41.0m 峰值波长为0.85m,3.3 光生伏特器件的偏置电路 自偏置电路 具有输出功率，最佳负载有最大输出功率； 输出电流（电压）与入射辐射间的线性关系很差。,3.3.1 反向偏置电路,光生伏特器件在反向偏置状态，PN结势垒区加宽，有利于光生载流子的漂移运动，使光生伏特器件的线性范围和光电变换的动态范围加宽。,1.反向偏置电路的输出特性 在如图3-40所示的反向偏置电路中，Ubb KT/q时，流过负载电阻RL的电流IL为,二极管两端的电压可以写成,输出电压或电流的动态特性问题,2.输出电流、电压与辐射量间的关系,暗

16、电流忽略不计,反向偏置电路的输出电压与入射辐射量的关系,输出电压信号U,3.反向偏置电路的设计与计算 反向偏置电路常用图解法，根据光电三极管（或光伏器件）的反向偏置电路图与其输出特性曲线，可以求解出任何入射辐射作用下的输出电压信号。 也可以根据要求，设计出偏置电路的各种参数。,例3-2 已知某光电三极管的伏安特性曲线如图3-42所示。当入射光通量为正弦调制量v,=55 +40sint lm时，今要得到5V的输出电压，试设计该光电三极管的变换电路，并画出输入输出的波形图，分析输入与输出信号间的相位关系。,解 : 首先根据题目的要求，找到入射光通量的最大值与最小值 max=55+40=95 lm

17、min=5540=15 lm 在特性曲线中画出光通量的变化波形，补充必要的特性曲线。 根据题目对输出信号电压的要求，确定光电三极管集电极电压的变化范围，本题要求输出5V，指的是有效值，集电极电压变化范围应为双峰值。即,入射为最大时输出电压应最小，但不能进入饱和区。为此，在特性曲线的“拐点”右侧找一点“A”并做垂线交横轴于“C”点，从“C” 向右量14V，找“D”点。由“D”做垂线交入射为最小的特性曲线与“B”。通过“A”、 “B”做直线，此线即为负载线。由负载线可以得到负载电阻RL和电源电压Ubb。,“C”点电压 3.7V； “D”点电压17.7V 。 电源电压Ubb 近似为19V，取标称电压

18、20V。 电源电压Ubb取标称电压20V后可以适当地修正负载线。 根据入射光通量正弦变化关系可以在特性曲线的电压坐标轴上画出输出信号的波形。 由输出波形可以看出入射辐射与输出电压信号为反向关系。,3.3.2 零伏偏置电路 零伏偏置电路 PN结光生伏特器件在自偏置的情况下，负载电阻为零的偏置电路。 如图3-43所示为采用高输入阻抗放大器构成的近似零伏偏置电路。图中Isc为短路光电流，Ri为光生伏特器件的内阻，集成运算放大器的开环放大倍数Ao很高，使得放大器的等效输入电阻很低，光生伏特器件相当于被短路。,反馈电阻Rf很高，电路的放大倍率和灵敏度都很大。,3.4 半导体光电器件的特性参数与选择 1.半导体光电器件的特性参数 （1）光电变换的线性 光电二极管 零伏或反向偏置的光电三极管等 光敏电阻（最差） （2）动态范围 线性：反向偏置的光电二极管 光电池、光电三极管、复合光电三极管 光敏电阻（最差） 非线性：光敏电阻动态范围宽,（3）灵敏度 光敏电阻 雪崩光电二极管 复合光电三极管、光电三极管 光电二极管（最差） （4）时间响应 PIN、雪崩光电二极管 光电三极管、复合光电三极管、光电池 光敏电阻（最差） （5）