第三章_光生伏特器件.
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（3）时间响应
光电二极管的时间响应（频率响应）主要由载流子的 渡越时间和RC时间常数决定。
（1）载流子的渡越时间 ①漂移时间：在p-n结区内光生载流子渡越结区的时间
dr 109 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 p 。
三、硅光电二极管
3、光电二极管的特性参数
五、特殊光电二极管
2、雪崩光电二极管（APD，Avalanche Photodiode）
（2）结构
五、特殊光电二极管
2、雪崩光电二极管（APD，Avalanche Photodiode）
（3）倍增系数和噪声 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
3、硅光电池的输出功率
2 RL 负载获得的功率为 PL I L
功率与负载电阻的阻值有关，当RL 0 （电路为短路）时， P I R（电路为开路）时， 输出功率 ；当 ，输出功 L 0 L 0 L PL。 0 P 0 RL时，输出功率 率 ； L 0 当负载电阻为最佳负载电阻时，输出电压 U Um (0.6 ~ 0.7)Uoc
一、光生伏特器件的基本工作原理
2、光照下的p-n结
(2)光照下p-n结的电流方程
Ip
I
流过p-n结的总电流为：
I L I I p I D (e
qU KT
RL
1) I p
其中光生电流与光照有关，并随光照的增大而增大，有
q IP (1 exp( d )) e, h
三、硅光电二极管
1、硅光电二极管的工作原理
硅光电二极管工作在光电导工作模式。在无光照时，若给 p-n结加上一个适当的反向电压，流过p-n结的电流称反向饱和 电流或暗电流。 当硅光电二极管被光照时，则 在结区产生的光生载流子将被内 建电场拉开，在外加电场的作用 下形成了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。
或者写成：
I p SI E
一、光生伏特器件的基本工作原理
2、光照下的p-n结
(2)光照下p-n结的电流方程
I I S I D (e
qU / kT
1)
q
hc
(1 e d )Φe,
I p SI E
三、硅光电二极管 光电二极管通常在反偏置条件下工作，即光 电导工作模式。优点是可以减小光生载流子渡越 时间及结电容，可获得较宽的线性输出和较高的 响应频率。 制作光电二极管的材料很多，有硅、锗、砷化 镓、碲化铅等，在可见光区应用最多的是硅光电 二极管。
五、特殊光电二极管
2、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。
五、特殊光电二极管
2、雪崩光电二极管（APD，Avalanche Photodiode）
显然，由于信号电流按M倍增加，而噪声电流按Mn/2倍增加。 因此，随着M增加，噪声电流比信号电流增加得更快。
二、硅光电池
光电池是一种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。 按光电池的用途可分为两类：即太阳能光电池 和测量光电池 光电池的基本结构就是一个p-n结，由于制作pn结的材料不同，目前有硒光电池、硅光电池、 砷化镓光电池和锗光电池。
一、光生伏特器件的基本工作原理
1、p-n结电流方程
在热平衡条件下，由于p-n结中漂移电流等于扩 散电流，净电流为零。 如果有外加电压时结内平衡被破坏，这时流过 p-n 结的电流方为： qU
I I D e KT I D
一、光生伏特器件的基本工作原理
1、p-n结电流方程
I I De
qU KT
反向偏置时，ID和U均为负值 且 U >> kT q 时的电流，称为反 向电流或暗电流。
三、硅光电二极管
2、硅光电二极管的电流方程
当有光照射光电二极管时，光生电流为 I p S ，其方向 为反向。 光电二极管的全电流方程为
I I S I D (e
qU / kT
1)
q
qU KT
ID
I De 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 0 时它趋向于零。
代表正向电流，方向从p端经过p-n结指向n端，它与
第二项I D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，故称反 向饱和电流，也是温度的函数，即随温度升高有所增大。
一、光生伏特器件的基本工作原理
2、光照下的p-n结
(2)光照下p-n结的电流方程
Ip
I
RL
一种是光激发产生的电子-空穴对在内建电场作用下，形 成的光生电流 I p ，它与光照有关，其方向与p-n结反向饱和电 流相同。 另一种是光生电流 I p 流过负载电阻 RL产生电压降，相当于 在p-n结施加正向偏置电压，从而产生正向电流。
（3）时间响应
影响光电二极管时间响应的主要因素是扩散时间，为 了减少扩散时间，如何扩展p-n结的结区？
（1）增大反向偏压，使RC时间常数增大； （2）从pwenku.baidu.comn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。
三、硅光电二极管
3、光电二极管的特性参数
（4）噪声
光电二极管的噪声包含低频噪声Inf、散粒噪声Ins和热噪声 InT等3种噪声。其中，散粒噪声是光电二极管的主要噪声，低频 噪声和热噪声为其次要因素。
三、硅光电二极管
1、硅光电二极管的工作原理
硅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。
三、硅光电二极管
2、硅光电二极管的电流方程
在无光照时，PN结硅光电二极管的伏安特性曲线与普通PN 结二极管的特性一样，其电流方程为
qU I I D e kT 1
I M I0
式中，I为倍增输出的电流，I0为倍增前输出的电流。
雪崩倍增系数M与碰撞电离率有密切的关系。碰撞电离
率表示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。由实验确定，电离率与电场强度E可
以近似的写成以下关系
Ae
-(
b m ) E
（3-10）
式中,A、b、m都为与材料有关系数。 假定α n=α=α p 时，可以推导出倍增系数与电离率的关系为
M 1
xD
1
xD
0
dx
（3-11）
（3-12）
XD为耗尽层的宽度。上式表明，当
0
时， M
d x 1
∞。（3-12）式为发生雪崩击穿的条件。
五、特殊光电二极管
2、雪崩光电二极管（APD，Avalanche Photodiode）
（3）倍增系数和噪声
据推导，倍增系数与p-n结上 所加的方向偏压及p-n结的材料有关：
hc
(1 e
d
)Φe,
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。
三、硅光电二极管
3、光电二极管的特性参数
（1）光电二极管的灵敏度
波长 的光辐射作用于光电二极管时，定义其电流 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
五、特殊光电二极管
1、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）由于I层较厚，又工作在反偏，使结区耗尽层厚度增加， 提高了对光的吸收和光电变化区域，使量子效率提高。 （3）同时还增加了对长波的吸收，提高了长波灵敏度。 （4）由于I层较厚，在反偏下工作可承受较高的反向偏压， 这使线性输出范围变宽。
光电池与光电二极管的区别
光电池
① ② ③ ④
光电二极管
小 线性 反偏压 强 厚 小 较好
⑤
⑥ ⑦
结区面积 光电特性 偏置状态 内建电场 结区厚度 结电容 频率特性
大 非线性 零偏压 弱 薄 大 较弱
二、硅光电池
1、硅光电池的基本结构
硅光电池按衬底材料的不同可分为2DR型和2CR型。2DR型硅 光电池是以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。 构成p-n结后，再经过各种工艺处理，分别在衬底和光敏面上 制作输出电极，涂上二氧化硅做保护膜，即成光电池。
一、光生伏特器件的基本工作原理
2、光照下的p-n结
(1)光生伏特效应 当光照射p-n结，只要入射光子能量大于材料禁带宽度，就 会在结区激发电子-空穴对。这些非平衡载流子在内建电场的作 用下，空穴顺着电场运动，电子逆着电场运动，在开路状态，最 后在n区边界积累光生电子，在p区边界积累光生空穴，产生一个 与内建电场方向相反的光生电场，即在p区和n区之间产生了光生 电压UOC，这就是p-n结的光生伏特效应。只要光照不停止，这个 光生电压将永远存在。
1 M 1 (U/U BR ) n
五、特殊光电二极管
2、雪崩光电二极管（APD，Avalanche Photodiode）
（3）倍增系数和噪声
雪崩光电二极管中噪声电流主要为散粒噪声。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。
I 2qIM f
2 n n
式中指数n与雪崩光电二极管的材料有关。对于锗管，n=3；对 于硅管为2.3<n<2.5。
电流随光辐射的变化是线性的。
三、硅光电二极管
3、光电二极管的特性参数
（2）光谱响应
用不同波长的光照射光电二极管时，电流灵敏度与波 长的关系曲线称为光谱响应。
典型硅光电二极管光 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。
三、硅光电二极管
3、光电二极管的特性参数
2 I ns 2qIf
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，因此散粒噪声应为
2 I ns 2q( I d I S I b ) f
五、特殊光电二极管
1、PIN光电二极管
PIN光电二极管又称快速光电二极管。它的结构特点是， 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。
（1）工作原理 APD工作过程：在光电二极管的p-n结加一相当高的反向 偏压，使结区产生一个很强的电场。当光激发的光生载流子 进入结区后，在强电场的加速下获得很大的能量，与晶格原 子碰撞而使晶格原子发生电离，产生新的电子-空穴对，新产 生的电子-空穴对在向电极运动过程中，又获得足够能量，再 次与晶格原子碰撞，又产生新的电子-空穴对，这一过程不断 重复，使p-n结内电流成倍急剧增加，这种现象称为雪崩倍增。 APD利用这种效应而具有电流的放大作用。
U m (0.6 ~ 0.7)U oc Im SI E 负载电阻所获得的最大功率为 P m I mUm (0.6 ~ 0.7)Uoc I p
此时，输出电流 I m I P SI E
第3章 光生伏特器件
光电池、 光电二极管、 光电晶体管、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）等
利用半导体PN结光生伏特效应制成的器件称 为光生伏特器件，也称结型光电器件。
光生伏特效应是基于两种材料相接触形成内 建势垒，光子激发的光生载流子被内建电场扫向 势垒的两边，从而形成了光生电动势。
二、硅光电池
2、硅光电池的工作原理
硅光电池的工作原理是光照中p-n结开路状态时的物理过程， 它的主要功能是在不加偏置电压情况下将光信号转换成电信号。 硅光电池的电流方程为
I L I P I D (e I P I D (e
qU kT
1) 1)
qI L R L kT
二、硅光电池
光生伏特效应是少数载流子导电的光电效应， 而光电导效应是多数载流子导电的光电效应。
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
光电二极管的时间响应（频率响应）主要由载流子的 渡越时间和RC时间常数决定。
（1）载流子的渡越时间 ①漂移时间：在p-n结区内光生载流子渡越结区的时间
dr 109 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 p 。
三、硅光电二极管
3、光电二极管的特性参数
五、特殊光电二极管
2、雪崩光电二极管（APD，Avalanche Photodiode）
（2）结构
五、特殊光电二极管
2、雪崩光电二极管（APD，Avalanche Photodiode）
（3）倍增系数和噪声 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
3、硅光电池的输出功率
2 RL 负载获得的功率为 PL I L
功率与负载电阻的阻值有关，当RL 0 （电路为短路）时， P I R（电路为开路）时， 输出功率 ；当 ，输出功 L 0 L 0 L PL。 0 P 0 RL时，输出功率 率 ； L 0 当负载电阻为最佳负载电阻时，输出电压 U Um (0.6 ~ 0.7)Uoc
一、光生伏特器件的基本工作原理
2、光照下的p-n结
(2)光照下p-n结的电流方程
Ip
I
流过p-n结的总电流为：
I L I I p I D (e
qU KT
RL
1) I p
其中光生电流与光照有关，并随光照的增大而增大，有
q IP (1 exp( d )) e, h
三、硅光电二极管
1、硅光电二极管的工作原理
硅光电二极管工作在光电导工作模式。在无光照时，若给 p-n结加上一个适当的反向电压，流过p-n结的电流称反向饱和 电流或暗电流。 当硅光电二极管被光照时，则 在结区产生的光生载流子将被内 建电场拉开，在外加电场的作用 下形成了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。
或者写成：
I p SI E
一、光生伏特器件的基本工作原理
2、光照下的p-n结
(2)光照下p-n结的电流方程
I I S I D (e
qU / kT
1)
q
hc
(1 e d )Φe,
I p SI E
三、硅光电二极管 光电二极管通常在反偏置条件下工作，即光 电导工作模式。优点是可以减小光生载流子渡越 时间及结电容，可获得较宽的线性输出和较高的 响应频率。 制作光电二极管的材料很多，有硅、锗、砷化 镓、碲化铅等，在可见光区应用最多的是硅光电 二极管。
五、特殊光电二极管
2、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。
五、特殊光电二极管
2、雪崩光电二极管（APD，Avalanche Photodiode）
显然，由于信号电流按M倍增加，而噪声电流按Mn/2倍增加。 因此，随着M增加，噪声电流比信号电流增加得更快。
二、硅光电池
光电池是一种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。 按光电池的用途可分为两类：即太阳能光电池 和测量光电池 光电池的基本结构就是一个p-n结，由于制作pn结的材料不同，目前有硒光电池、硅光电池、 砷化镓光电池和锗光电池。
一、光生伏特器件的基本工作原理
1、p-n结电流方程
在热平衡条件下，由于p-n结中漂移电流等于扩 散电流，净电流为零。 如果有外加电压时结内平衡被破坏，这时流过 p-n 结的电流方为： qU
I I D e KT I D
一、光生伏特器件的基本工作原理
1、p-n结电流方程
I I De
qU KT
反向偏置时，ID和U均为负值 且 U >> kT q 时的电流，称为反 向电流或暗电流。
三、硅光电二极管
2、硅光电二极管的电流方程
当有光照射光电二极管时，光生电流为 I p S ，其方向 为反向。 光电二极管的全电流方程为
I I S I D (e
qU / kT
1)
q
qU KT
ID
I De 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 0 时它趋向于零。
代表正向电流，方向从p端经过p-n结指向n端，它与
第二项I D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，故称反 向饱和电流，也是温度的函数，即随温度升高有所增大。
一、光生伏特器件的基本工作原理
2、光照下的p-n结
(2)光照下p-n结的电流方程
Ip
I
RL
一种是光激发产生的电子-空穴对在内建电场作用下，形 成的光生电流 I p ，它与光照有关，其方向与p-n结反向饱和电 流相同。 另一种是光生电流 I p 流过负载电阻 RL产生电压降，相当于 在p-n结施加正向偏置电压，从而产生正向电流。
（3）时间响应
影响光电二极管时间响应的主要因素是扩散时间，为 了减少扩散时间，如何扩展p-n结的结区？
（1）增大反向偏压，使RC时间常数增大； （2）从pwenku.baidu.comn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。
三、硅光电二极管
3、光电二极管的特性参数
（4）噪声
光电二极管的噪声包含低频噪声Inf、散粒噪声Ins和热噪声 InT等3种噪声。其中，散粒噪声是光电二极管的主要噪声，低频 噪声和热噪声为其次要因素。
三、硅光电二极管
1、硅光电二极管的工作原理
硅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。
三、硅光电二极管
2、硅光电二极管的电流方程
在无光照时，PN结硅光电二极管的伏安特性曲线与普通PN 结二极管的特性一样，其电流方程为
qU I I D e kT 1
I M I0
式中，I为倍增输出的电流，I0为倍增前输出的电流。
雪崩倍增系数M与碰撞电离率有密切的关系。碰撞电离
率表示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。由实验确定，电离率与电场强度E可
以近似的写成以下关系
Ae
-(
b m ) E
（3-10）
式中,A、b、m都为与材料有关系数。 假定α n=α=α p 时，可以推导出倍增系数与电离率的关系为
M 1
xD
1
xD
0
dx
（3-11）
（3-12）
XD为耗尽层的宽度。上式表明，当
0
时， M
d x 1
∞。（3-12）式为发生雪崩击穿的条件。
五、特殊光电二极管
2、雪崩光电二极管（APD，Avalanche Photodiode）
（3）倍增系数和噪声
据推导，倍增系数与p-n结上 所加的方向偏压及p-n结的材料有关：
hc
(1 e
d
)Φe,
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。
三、硅光电二极管
3、光电二极管的特性参数
（1）光电二极管的灵敏度
波长 的光辐射作用于光电二极管时，定义其电流 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
五、特殊光电二极管
1、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）由于I层较厚，又工作在反偏，使结区耗尽层厚度增加， 提高了对光的吸收和光电变化区域，使量子效率提高。 （3）同时还增加了对长波的吸收，提高了长波灵敏度。 （4）由于I层较厚，在反偏下工作可承受较高的反向偏压， 这使线性输出范围变宽。
光电池与光电二极管的区别
光电池
① ② ③ ④
光电二极管
小 线性 反偏压 强 厚 小 较好
⑤
⑥ ⑦
结区面积 光电特性 偏置状态 内建电场 结区厚度 结电容 频率特性
大 非线性 零偏压 弱 薄 大 较弱
二、硅光电池
1、硅光电池的基本结构
硅光电池按衬底材料的不同可分为2DR型和2CR型。2DR型硅 光电池是以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。 构成p-n结后，再经过各种工艺处理，分别在衬底和光敏面上 制作输出电极，涂上二氧化硅做保护膜，即成光电池。
一、光生伏特器件的基本工作原理
2、光照下的p-n结
(1)光生伏特效应 当光照射p-n结，只要入射光子能量大于材料禁带宽度，就 会在结区激发电子-空穴对。这些非平衡载流子在内建电场的作 用下，空穴顺着电场运动，电子逆着电场运动，在开路状态，最 后在n区边界积累光生电子，在p区边界积累光生空穴，产生一个 与内建电场方向相反的光生电场，即在p区和n区之间产生了光生 电压UOC，这就是p-n结的光生伏特效应。只要光照不停止，这个 光生电压将永远存在。
1 M 1 (U/U BR ) n
五、特殊光电二极管
2、雪崩光电二极管（APD，Avalanche Photodiode）
（3）倍增系数和噪声
雪崩光电二极管中噪声电流主要为散粒噪声。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。
I 2qIM f
2 n n
式中指数n与雪崩光电二极管的材料有关。对于锗管，n=3；对 于硅管为2.3<n<2.5。
电流随光辐射的变化是线性的。
三、硅光电二极管
3、光电二极管的特性参数
（2）光谱响应
用不同波长的光照射光电二极管时，电流灵敏度与波 长的关系曲线称为光谱响应。
典型硅光电二极管光 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。
三、硅光电二极管
3、光电二极管的特性参数
2 I ns 2qIf
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，因此散粒噪声应为
2 I ns 2q( I d I S I b ) f
五、特殊光电二极管
1、PIN光电二极管
PIN光电二极管又称快速光电二极管。它的结构特点是， 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。
（1）工作原理 APD工作过程：在光电二极管的p-n结加一相当高的反向 偏压，使结区产生一个很强的电场。当光激发的光生载流子 进入结区后，在强电场的加速下获得很大的能量，与晶格原 子碰撞而使晶格原子发生电离，产生新的电子-空穴对，新产 生的电子-空穴对在向电极运动过程中，又获得足够能量，再 次与晶格原子碰撞，又产生新的电子-空穴对，这一过程不断 重复，使p-n结内电流成倍急剧增加，这种现象称为雪崩倍增。 APD利用这种效应而具有电流的放大作用。
U m (0.6 ~ 0.7)U oc Im SI E 负载电阻所获得的最大功率为 P m I mUm (0.6 ~ 0.7)Uoc I p
此时，输出电流 I m I P SI E
第3章 光生伏特器件
光电池、 光电二极管、 光电晶体管、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）等
利用半导体PN结光生伏特效应制成的器件称 为光生伏特器件，也称结型光电器件。
光生伏特效应是基于两种材料相接触形成内 建势垒，光子激发的光生载流子被内建电场扫向 势垒的两边，从而形成了光生电动势。
二、硅光电池
2、硅光电池的工作原理
硅光电池的工作原理是光照中p-n结开路状态时的物理过程， 它的主要功能是在不加偏置电压情况下将光信号转换成电信号。 硅光电池的电流方程为
I L I P I D (e I P I D (e
qU kT
1) 1)
qI L R L kT
二、硅光电池
光生伏特效应是少数载流子导电的光电效应， 而光电导效应是多数载流子导电的光电效应。
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