光生伏特器件-1016

光生伏特器件

2013-10-16

上节回顾

光敏电阻的基本特性 几种典型的光敏电阻

光敏电阻的偏置电路 光敏电阻使用注意事项

光敏电阻偏置电路的计算

目录

1

2 3 4 5 6

光生伏特器件工作原理 光电池 光电二极管 光电三极管/晶体管 特殊光电二极管 光生伏特偏置电路

光生伏特器件的工作原理

光生伏特器件:

利用光生伏特效应工作的光电敏感器件。 光生伏特效应是少数载流子导电的光电效应 结型光电器件 光电导效应是多数载流子导电的光电效应

光生伏特器件特点:

暗电流小、噪声低、响应速度快、光电特性的线性好、受温度的影响小等

光生伏特器件的种类:

硅光电池、光电二极管、PIN型光电二极管、 雪崩光电二极管、光电三极管等等

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。其中硅器件具有制造工艺简单、成本低等特点 成为目前应用最广泛的光生伏特器件。

光生伏特器件的工作原理

结型光电器件与光电导器件的区别：

（1）产生光电变换的部位不同

（2）光敏电阻没有极性，而结型光电器件有确定的正负极性

（3）光敏电阻驰豫时间较大，结型器件驰豫时间相应较小， 因此响应速度较快

（4）有些结型光电器件灵敏较高，可以通过较大的电流

光生伏特器件的工作原理

热平衡状态下p-n结电流方程

热平衡条件 外加电压 漂移电流等于扩散电流 结内平衡被破坏

qU kT

净电流为零

i

I  I D (e

外加电压下 的结内电流

 1)

 I De

qU kT

击穿电压UBR

0

 ID

反向饱和电流

死区 电压

导通压降

u

多数载流子形成的扩散电流

随反向偏压的增大而增大， 渐渐趋向饱和值

少数载流子形成的反向漂移电流

U—光生伏特器件两端电压 k—玻尔兹曼常数 T—器件的温度

光生伏特器件的工作原理

热平衡状态下p-n结电流方程

热平衡条件 外加电压 漂移电流等于扩散电流 结内平衡被破坏

qU kT

净电流为零

I  I D (e  I De

 1)

qU kT

 ID

代表反向饱和电流，它的方向与正向电流 方向相反，它随反向偏压的增大而增大， 渐渐趋向饱和值，也是温度的函数，随温 度升高有所增大。

代表正向电流，方向从p端经过p-n结指向n端， 它与外电压有关，U>0时它将迅速增大； U=0时 等于零，即平衡状态， U

光生伏特器件的工作原理

光照下的p-n结

◆p-n结光伏效应

≥Eg P N

内建电场 内建电流

空穴顺着电场运动，电子逆着电场运动 开路状态，在结区两边产生一个内建电场方向相反的光生电动势 只要光照不停止，这个光生电压将永远存在

光生伏特器件的工作原理

光照下的p-n结

◆p-n结光伏效

应

≥Eg

光生空穴

P

N

光生电子

内建电场 内建电流

光生电场 光生电流

光生伏特器件的工作原理

光照下的p-n结

◆p-n结光伏效应

光生空穴

光生电场

≥Eg P N

光生电子

内建电场

I 光生电流 Ip

内建电流

以光生电流方向为正

Ip>>I

RL

IL

光生伏特器件的工作原理

光照下的p-n结

◆光照下p-n结的电流方程

P

≥Eg N

内建电场 Ip I RL U

流过p-n结/负载的总电流为：

I L  I p  I  I p  I 0 (e

qU kT

 1)

光生伏特器件的工作原理

光照下的p-n结

◆光照下p-n结的电流方程

IL

I

流过p-n结/负载的总电流为：

I L  I p  I  I p  I 0 (e

qU kT

 1)

光生伏特器件的工作原理

光照下的p-n结

◆光照下p-n结的电流方程

I L  I p  I  I p  I 0 (e

光电灵敏度

qU kT

 1)

SI 

光照灵敏度

dI dE

qU kT

I L  I p  I  S I  E  I 0 (e

 1)

光生伏特器件的工作原理

光照下的p-n结

反向偏压U E=0 E1 E2 E3

光电二极管、三极管

I/uA

普通二极管伏安特性

0 U/V E1 光电池 E2 E3 Ip与反向饱和电流I0方向相同，且大于I0

E

Ip=SI· E

U

I

I0

Ip几乎与反向电压的高低无关 E Ip=SI· E

目录

1

2 3 4 5 6

光生伏特器件工作原理 光电池 光电二极管 光电三极管/晶体管 特殊光电二极管 光生伏特偏置电路

半导体与光

与半导体有关的几组名词

PN 外加正向电压

又称正向偏置，简称正偏。 多数载流子形成的扩散电流起支配作用 少数载流子形成的漂移电流方向相反， 正 很小，可忽略。 向 电 流 扩散运动大于漂移运动 IF

PN结处于导通状态, 表现为一个很小的电阻 外电场 E P

正偏

耗尽区

N

内电场 ＋ U UB－U －

R

半导体与光

与半导体有关的几组名词

PN 外加反向电压

又称反向偏置，简称反偏。

漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流 在一定的温度条件下，由本征激发决 定的少子浓度是一定的,故少子形成 的漂移电流是恒定的，基本上与所加 反向电压的大小无关，这个电流也称 为 反向饱和电流IS。 P 耗尽区 N

反偏

－

U

内电场

＋

外电场

UB＋U

PN结处于截止状态,呈现出一个很大的电阻( 高达几百千欧以上)。

E

R

半导体与光

与半导体有关的几组名词 PN 外加正向电压 PN 外加反向电压

正偏

反偏

单向导电性

很小的电阻

很大的电阻

导通

截止

PN结具有单向导电性

光生伏特器件的工作原理

光照下的p-n结

◆p-n结光伏效应

光生空穴

光生电场

≥Eg P N

光生电子

内建电场

抵消

I 光生电流 Ip

内建电流

以光生电流方向为正

Ip>>I

icc

Ucc

光生伏特器件的工作原理

光照下的p-n结

◆p-n结光伏效应

光生空穴

光生电场

≥Eg P N

光生电子

内建电场

感应光强

I 光生电流 Ip

内建电流

以光生电流

方向为正

Ip>>I

icc

Ucc

光电池

光电池?

不需加偏压就能把光能直接转换成电能的p-n结光电器件

光电池的分类

太阳能光电池

为负载提供电源

用途 测量光电池

进行光电探测用

线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、 稳定性好、寿命长

结构简单、体积小、重量轻、可靠性高、 寿命长、环保

制作p-n结的材料

硒光电池 硅光电池 锗光电池 砷化镓光电池

光电池

硅光电池的基本结构

衬底材料的不同

2DR

2CR

保护膜

•防潮、防尘 •减少硅光电池表面对入射 光的反射，增加吸收

梳齿状、E型

•减小光电池内电阻

符号

光电池

硅光电池的工作原理

◆开路

RL  

I L  I p  I  I p  I 0 (e

qU kT

 1)

U OC 

kT I ln(1  P ) 开路电压 q I0

◆短路

RL  0

短路电流

I sc  I P  SI E

光电池

硅光电池的输出功率

负载功率为

RL  0

PL  0

2 PL  I L RL

RL  

IL  0

PL  0

0  RL   PL  0

最佳负载电阻

U  Um  (0.6 ~ 0.7)Uoc

Ropt 

I m  I P  SI  E

U m (0.6 ~ 0.7)U oc  Im SI  E

Pm  I mUm  (0.6 ~ 0.7)Uoc I p

光电池

硅光电池的特性参数

◆伏安特性

伏安特性曲线是在某一光照下，取不同的负载电阻所测得的输出电流和电压画成的曲线 I/uA UOC1 UOC2 UOC3 0 E=0 Isc1 Isc2 Isc3 E1 E2 E3 RL=0 RL1 RL=∞ U/V

I0

RL3

RL2

光电池

硅光电池的特性参数

◆光照特性

开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线 短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线

Uoc /V 开路电压 0.5 0.4

Isc/mA

5 4 3 2 1

Isc /mA

0.5

开路电压

Uoc/V

0.4

0.3 短路电流 0.3 0.2 0.1 0 1 2 3 L/klx 4 5

0.3

短路电流 0.2 0.1

0.1

0

2

4

6 L/klx

8

10

(a) 硅光电池

(b)硒光电池

光电池

硅光电池的特性参数

◆光照特性

I/mA

0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 2 4 6 RL=0 50Ω 100Ω 1000Ω 5000Ω 8 10 L/klx

负载电阻RL越小，光电流与强度的线性关 系越好，且线性范围越宽

硒光电池在不同负载电阻时的光照特性

光电池

硅光电池的特性参数

◆光谱特性

硅光电池 应用范围400~1100nm，峰值波长在850nm附近，可以在很宽的范围内应用。 硒光电池 在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在540nm附近，适宜测可见光。

决定于材料

100 80 60 40 20

I /% 1 2 1——硒光电池 2——硅光电池

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 λ/μm

光电池

硅光电池的特性参数

◆频率特性

光电池PN结面积较大，极间电容大，故频率特性较差 I /% 100 80 60 40 20 0 1

2

1 2 3 4 5

1——硒光电池 2——硅光电池

f / kHz

光电池

硅光电池的特性参数

◆温度特性

温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化的关系。

当光电池作为测量元件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补偿措施。

硅光电池在1000lx照度

下的温度特性曲线

光电池

硅光电池的应用

◆照度计

目录

1

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光生伏特器件工作原理 光电池 光电二极管 光电三极管/晶体管 特殊光电二极管 光生伏特偏置电路

光电二极管

硅光电二极管的工作原理

反偏置条件下工作

制作材料很多(硅、锗、砷化镓、碲化铅)等 可见光区应用最多的是硅光电二极管

反向电压 无光照 流过p-n结的电流称反向饱和电流或暗电流

有光照

形成以少数载流子漂移运动为主的光电流 光照越强，光电流就越大

光电二极管

硅光电二极管的工作原理

衬底的不同 2DU 2CU

保护膜 •防潮、防尘

•减少硅光电池表面对入射 光的反射，增加吸收

符号

光电二极管

二极管型号命名

第一部分：电极数目。 第二部分：汉语拼音表示器件材料和极性。 第三部分：汉语拼音表示器件的类型。 第四部分：器件序号。 第五部分：汉语拼音表示规格号。

第三部分 字 母 P 意 义 普通 X 字 母 意义 低频小功率 (fa3MHz Pc

第一部分 符号 意义 字 母 A 二 极 管

第二部分 意义 N型 锗材料

B

C D

2

P型 锗材料

N型 硅材料 P型 硅材料

W

Z U

稳压管

整流管 G 光电管

反映 二极 管的 差别

光电二极管

二极管型号命名

第一部分：电极数目。 第二部分：汉语拼音表示器件材料和极性。 第三部分：汉语拼音表示器件的类型。 第四部分：器件序号。 第五部分：汉语拼音表示规格号。

光电二极管

硅光电二极管的电流方程

◆无光照

伏安特性曲线与普通PN结二极管的特性一样

电流方程为

 e qU kT  1 I  ID    

◆有光照

光生电流

I P  S I  e ,

qU kT

qU kT

全电流方程为 I  I D (e

 I D (e

 1)  S I  e,  q  1)  (1  e d ) e , hc

α为材料对光的吸收系数

η为光电材料的光电转换效率

光电二极管

硅光电二极管的特性参数

◆灵敏度

dI  q Si   (1  e d ) d hc

电流随光辐射的变化是线性的

◆光谱响应

不同波长的光照射光电二极管时， 电流灵敏度与波长的关系曲线

硅光电二极管光谱响应长波限为 1.1μm左右，短波限0.4μm，峰值响应 波长为0.9μm左右。

光电二极管

硅光电二极管的特性参数

◆时间响应 光敏二极管电流的产生

①漂移时间：在p-n结区内光生载流子渡越结区的时间  dr  109 s ②扩散时间：在p-n结外产生的光生载流子扩散到结区内所 需要的时间 τ p 。

②RC延迟时间：由于结电容、管芯电阻和负载电阻构成  RC时间的延迟，RC 。

光

电二极管

硅光电二极管的特性参数

◆时间响应

减少扩散时间 （1）增大反向偏压，使RC时间常数增大；

加大结电容，增加RC延迟时间

（2）从p-n结的结构设计方面考虑，在不使偏压增大的情

况下，使耗尽层扩展到整个p-n结器件。

目录

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光生伏特器件工作原理 光电池 光电二极管 光电三极管/晶体管 特殊光电二极管 光生伏特偏置电路

光电三极管/晶体管

光电三极管的结构和工作原理

光电转换

集-基（c-b）结区

+

光电流放大

c，b，e构成了一个 有放大作用的晶体管

集电极输出电流

q I C  I P   (1  e d )Φe , λ h

pnp型和npn型

3DU型 3CU型

工作时要保证集电极反偏，发射极正偏

光电三极管/晶体管

光电三极管的基本特性

◆伏安特性

①在相同照度下，硅光电三极管的 光电流比二极管的大得多；

光电三极管/晶体管

光电三极管的基本特性

◆伏安特性

②在零偏压时硅光电二极管仍然有 光电流输出，而硅光电三极管没有 光电流输出；

光电三极管/晶体管

光电三极管的基本特性

◆伏安特性

③当工作电压较低时输出的光电流 为非线性，即光电流与偏压有关， 但光电三极管的非线性较严重；

光电三极管/晶体管

光电三极管的基本特性

◆伏安特性

④在一定偏压下，硅光电三极管的 伏安特性曲线在低照度时较均匀， 在高照度时曲线向上倾斜，虽然光 电二极管也有，但硅光电三极管严 重得多。

光电三极管/晶体管

光电三极管的基本特性

◆时间特性

硅光电二极管的频率特性主要决定于光生载流子的渡越时间、 扩散时间、RC延迟时间。 硅光电三极管的频率特性除了与光电二极管相同外，还受基 区渡越时间和发射结电容的限制。

光电三极管/晶体管

光电三极管的基本特性

◆温度特性

硅光电三极管具有电流放大作用，所以硅光电三极管受温度的影响要大得多

由于暗电流的增加，使输出信噪比变差，不利于弱光信号的探测 必要时可采取恒温或温度补偿措施

光电三极管/晶体管

光电三极管的基本特性

◆光谱特性

硅光电二极管与硅光电三极管具有相同的光谱响应

对于光电二极管，减薄PN结厚度可以使短波段波长的光谱响应得到提高因

为PN结的厚度减薄后，长波段的辐射光谱很容易穿透PN结，而没有被吸收。 而短波段的光谱容易被减薄的PN结吸收。

因此，可以制造出具有不同光谱响应的 光伏器件，例如蓝敏器件和色敏器件等。 蓝敏器件以牺牲长波段光谱响应为代价

目录

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光生伏特器件工作原理 光电池 光电二极管 光电三极管/晶体管 特殊光电二极管 光生伏特偏置电路

特殊光电二极管

PIN光电二极管

PI

N光电二极管又称快速光电二极管。 结构特点：在P型半导体和N型半导体之间夹着一层很厚的 本征半导体（I）。

提高硅光敏二极管的时间响应

消除扩散运动时间

特殊光电二极管

PIN光电二极管

（1）PIN光电二极管因有较厚的I层，因此p-n结的内电场就 基本上全集中于I层，使p-n结间距离拉大，结电容变小。由 于工作在反向偏压下，随着反偏电压的增大，结电容变得更 小，从而提高了PIN光电二极管的频率响应。 （2）提高了对光的吸收和光电变化区域，使量子效率提高。

（3）增加了对长波的吸收，提高了长波灵敏度。 （4）线性输出范围变宽。

特殊光电二极管

雪崩光电二极管（APD，Avalanche Photodiode）

APD是借助强电场作用产生载流子雪崩倍增效应 的一种高速、高灵敏度的光电器件。它广泛应用于光 纤通信、弱信号检测、激光测距等领域。

提高的光电灵敏度

利用雪崩效应，形成具有内增益的探测器，有助于微弱光信号的探测

特殊光电二极管

雪崩光电二极管（APD，Avalanche Photodiode）

高反压(100～200 V)

APD内增益：102～103

强电场 载流子加速

碰撞

新载流子

雪崩倍增 －－光电流的放大

特殊光电二极管

雪崩光电二极管

◆结构

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， PIN型雪崩光电二 极管不必设置保护环。 市场上的雪崩光电二极管基本上都是PIN型雪崩光电二极管

特殊光电二极管

雪崩光电二极管

◆倍增系数 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 崩光电二极管的输出电流迅速增加，其电流倍增系数M定义为

倍增输出的电流

I M  I0

倍增前输出的电流 据推导，倍增系数与p-n结上所加的反向偏 压及p-n结的材料有关：

1 M 1  (U/U BR ) n

特殊光电二极管

雪崩光电二极管

◆特点

•具 有 电 流 增 益 大 、 灵 敏 度 高 、 频 率 响 应 快 、 带 宽 可 达 100GHz。是目前响应最快的一种光敏二极管。它在微弱辐射 信号的探测方向被广泛地应用。 •在设计雪崩光敏二极管时，要保证载流子在整个光敏区的 均匀倍增，这就需要选择无缺陷的材料，必须保持更高的工 艺和保证结面的平整。 •其缺点是工艺要求高，受温度影响大。

特殊光电二极管

雪崩光电二极管