第三章 光生伏特器件2-1

I IDe
qU
kT
1
（3-1）
ID是U为负值（反向偏置时）
kT U 且 >> q 时(室温下
kT/q≈0.26mV，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，
I
q
hc
(1 e
利用半导体PN结光伏效应制成的器件称为光伏器件，也 称结型光电器件。 这类器件品种很多，包括：
光电池、 光电二极管、 光电晶体管、 光电场效应管、 PIN管、 雪崩光电二极管、 光可控硅、 阵列式光电器件、象限式光电器件、 位置敏感探测器（PSD）、 光电耦合器件等。
和光电导探测器不同，光伏探测器的工作特性要复杂一 些。通常有光电池和光电二极管之分。
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。
提高材料中的载流子收集效率
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，增大受光面。
其中的小箭头表示正向电流的方向（普通整流二极管中规 实际上，不是不能加正向电压，只是正 定的正方向），光电流的方向与之相反。图中的前极为光 接以后就与普通二极管一样，只有单向 导电性，而表现不出它的光电效应。 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
材料的吸收系数α还隐含着与入射辐射波长的关系。因此，
2. 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 1.1μm左右，短波限 接近0.4μm，峰值响 应波长为0.9μm左右。
d
)Φe, I D (e
qU kT
1)
（3-2）
式中η为光电材料的光电转换效 率，α为材料对光的吸收系数。
硅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。
dr
为了减小表面半导体层对光的吸收作用，应该采用禁带宽 度较大的窗口材料（例如在GaInAs体系中采用InP作为光 照区，见图示）
这种管子最大的特点是频带宽，可达10GHz； 所不足的是，I层电阻很大，管子的输出电流小，一般多 为零点几微安至数微安。
雪崩光电二极管Avalanche Photo Diode
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τ 与τ ， dr -9s左右。 在 10 RC
第三章、光生伏特器件
利用光生伏特效应的光电敏感器件称为光生伏特器件。 光生伏特效应与光电导效应同属于内光电效应，但二者导 电机理差别很大。 简单来说，光生伏特效应是基于少数载流子导电的光 电效应；光电导效应是多数载流子导电的光电效应。 这两类器件在性能上有很大差别：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、受温度影 响小；光电导器件在微弱辐射探测能力和光谱响应范围方 面有优势。
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下图所示。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（例如通 量变化dΦ）引起电流变化 dI与辐射量变化之比。
dI q Si (1 e d ) d hc
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
W dr vd
（3-4）
一般的PN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100μm左右，由式（3-4）可知漂移时间，为 ns数量级。
雪崩光电二极管为具有内增益的一种光生伏特器件。 这种管子工作电压很高，约100～200V，接近于反向击 穿电压。结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得 到极大的加速，同时与晶格碰撞而产生新的电子空穴对， 称为碰撞电离过程。此过程多次重复。从而反向电流也迅 速增大形成雪崩倍增效应。因此，这种管子有很高的内增 益，达到几百
（3-3）
Si光电二极管光谱响应 显然，当某波长λ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λ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λ成正比，但是， 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。
硅光电池：光谱响应宽，频率特性好
按材料
硒光电池：波谱峰值位于人眼视觉内 ……… 阵列式：分立的受光面
按结构 象限式：参数相同的独立光电池
硅蓝光电池：PN结距受光面很近
太阳能光电池：用作电源（效率高，成本低） 按用途 测量用光电池：探测器件（线性、灵敏度高等）
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τp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τRC，τRC为
c ( R R ) （3-5） RC j i L PN结电容由势垒电容C 和扩散电容C 组成。
b d
普通 PNC 结硅光电二极管的管芯内阻 Ri 约为 250Ω， PN 结 势垒电容 是由空间电荷区引起的。空间电荷区内有不能移动的正 b 电容 Cj常为几个 Pf ，在负载电阻RL低于500Ω时，时间常 负离子，各具有一定的电量。当外加反向电压变大时，空间电荷区 数也在 ns 数量级。但是，当负载电阻 RL 很大时，时间常 变宽，存储的电荷量增加；当外加反向电压变小时，空间电荷区变 窄，存储的电荷量减小，这样就形成了电容效应。垫垒电容大小随 数将成为影响硅光电二极管时间响应的一个重要因素，应 外加电压改变而变化。 用时必须注意。
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，称 为漂移时间，记为τdr；
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τp； 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。
+
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 保护环的作用是增加高阻区宽度,减小表面漏电流,避免边 强的抗击穿功能），因此，雪崩光电二极管不必设置保护 缘过早击穿 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
硅光电二极管的工作原理
1、光电二极管的基本结构 • 与普通二极管相比 共同点：一个PN结，单向导电性 不同点： （1）受光面大，PN结面积更大，PN结深度较浅 （ 2）表面有防反射的SiO 为了便于接受入射光照， PN 结面积尽量做的大一些，电 2保护层 极面积尽量小些，而且 PN结的结深很浅，一般小于1微米 （3）外加负偏压 •与光电池相比： 共同点：均为一个PN结，利用光生伏特效应， SiO2保护膜 不同点： （1）结面积比光电池的小，频率特性好
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 示为在P型硅基片上扩散杂质浓度大的 N+层，制成P型N结构的雪崩光电二极管； 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。
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 综上可知，势垒电容和扩散电容是同时存在的。 PN结正偏时，扩 数τRC增大。因此，必须从 PN结的结构设计方面考虑如 散电容远大于势垒电容；PN结反偏时，扩散电容远小于势垒电容。 势垒电容和扩散电容的大小都与 PN结面积成正比 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。
扩散电容 Cd是载流子在扩散过程中的积累而引起的。 PN结加正向 由以上分析可见，影响 PN结硅光电二极管时间响应 电压时， N区的电子向 P区扩散，在P区形成一定的电子浓度 (Np)分 的主要因素是 PN结区外载流子的扩散时间 τp，如何扩展到 布， PN结边缘处浓度大，离结远的地方浓度小，电子浓度按指数规 PN结区是提高硅光电二极管时间响应重要措施。增高反 律变化。
（2）常在反偏压下工作 （3）衬底材料的掺杂浓度不同，光电池高 •国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为 2CU和2DU两种系列。
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3-1（a）所示的为2DU型光电二极管的原理结构图。
图3-1（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
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。
影响雪崩光电二极管工作的因素: a) 雪崩过程伴有一定的噪声，并受温度的影响较大 b)表面材料的缺陷使PN结各电场分布不均，增强了噪声 c)工作偏压必须适当
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。
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。