第5章 光生伏特器件 5.1节

1、第5章 光生伏特器件,光生伏特器件-利用光生伏特效应制造的光电敏感器件。 光生伏特器件的优点暗电流小、噪声低、响应速度快、光电 特性为线性、受温度影响小。 5.1 硅光电二极管 5.1.1硅光电二极管的工作原理 1.光电二极管的基本结构和工作原理 光电二极管可分为 以P型硅为衬底的2DU型 以N型硅为衬底的2CU型,工作原理当光子入射到PN结形成的耗尽层内时，PN结中的 原子吸收光子能量，并产生本征吸收，激发出电子-空穴对， 在耗尽区内建电场的作用下，形成反向光电流。光电流在负载 RL上产生与入射光度量相关的信号输出。,图5-1 硅光电二极管,2.光电二极管的电流方程 在无辐射作用的情况下（暗

2、室中），PN结硅光电二极管的 电流方程为 （5-1）,图5-2 硅光电二极管伏安特性曲线,反向电流或暗电流光电二极管反向偏置，且 kT/q 时 的电流 当光辐射作用到光电二极管上时，可得光生电流为 其方向应为反向，光电二极管的全电流方程为 （5-2） 式中为光电材料的光电转换效率，为材料对光的吸收系数,5.1.2光电二极管的基本特性,图5-3 硅光电二极管输出特性曲线,1.光电二极管的电流灵敏度 光电二极管的电流灵敏度入射到光敏面上辐射量的变化引 起电流变化dI 与辐射量变化d 之比。 对(5-2)微分可以得到 （5-3） 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。,图5

3、-4 硅光电二极管输出特性曲线,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。 硅光电二极管 光谱响应短波限受 材料PN结厚度对光 吸收的影响，减薄 PN结厚度可提高短 波限光谱响应。,图3-5 典型材料的光电二极管光谱响应曲线,3.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dr，称 为漂移时间； (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p ，称为扩散时间； (3) 由PN结电容C

4、j、管芯电阻Ri及负载电阻RL构成的RC 延迟 时间RC 。,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 （5-4） 一般的PN结硅光电二极管，漂移时间dr =10-9s。 影响PN结硅光电二极管时间响应的主要因素 扩散时间p很长，约为100ns； 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 常数RC,RC为 （5-5） 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RL低于500时，时间常数RC 也为ns数量级。但是，当负载电阻R L 很大时，时间常数RC 将成为影响硅光电二极管时间响应的一个重要因素。 提高硅光电二极管时间响应 在不使偏压增大的情况下使耗尽区扩展到整个PN结.,4.噪声 光电二极管的噪声包含 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，它与 电流的关系为 （5-6） 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，散粒噪声应为 （5-7）,根据电流方程，并考虑反向偏置情况，光电二极管电流与