第5章 光生伏特器件 5.1节
《光生伏特器》课件
发展趋势
高效化
追求更高的光电转换效率，以满足市场需求 和提高竞争力。
智能化
结合物联网、大数据等技术，实现光生伏特 器的智能化管理和监控。
轻量化
降低光生伏特器的重量和尺寸，便于安装和 维护，扩大应用范围。
环保化
采用环保材料和工艺，降低生产过程中的环 境污染，符合可持续发展要求。
未来挑战与机遇
挑战
随着市场规模的扩大，竞争将更加激 烈，同时政策支持和市场需求变化也 将带来不确定性。
利用光生伏特器将太阳能转换 为直流电能，用于太阳能电池
板发电系统。
光伏电站
将多个太阳能电池板连接起来 ，形成光伏电站，为电力系统 提供可再生能源。
分布式能源系统
利用光生伏特器与储能系统相 结合，为建筑物、设施等提供 可再生能源和备用能源。
移动能源
为电动汽车、无人机等移动设 备提供动力或充电服务。
02
光电二极管常用于光信号的接收 和转换，如光纤通信、光谱分析
等。
光电二极管具有响应速度快、灵 敏度高和稳定性种将光信号转换为电 信号的半导体器件，具有放大和开关 功能。
光电晶体管具有响应速度快、灵敏度 高和噪声低等优点。
光电晶体管在光通信、光检测和光控 制等领域有广泛应用。
光生伏特器的种类
01
02
03
单晶硅光生伏特器
利用单晶硅片作为感光面 ，转换效率较高，但制造 成本也较高。
多晶硅光生伏特器
利用多晶硅片作为感光面 ，制造成本较低，但转换 效率略低于单晶硅。
非晶硅光生伏特器
利用非晶硅材料作为感光 面，制造成本低，但稳定 性较差，转换效率较低。
光生伏特器的应用领域
太阳能电池板
表示在没有光照的情况下，光生伏特 器产生的电流大小。
第五讲：光生伏特器件
由于硅光生伏特器件具有制造工艺简单,成本低等特点, 由于硅光生伏特器件具有制造工艺简单,成本低等特点,使其 成为目前应用最广泛的光生伏特器件. 成为目前应用最广泛的光生伏特器件.
3.1硅光电二极管 3.1硅光电二极管
1. 结构与原理:
2. 基本特性:
伏安特性与普通半导体二极管相同
以等功率的不同单色光辐射波长的光作用于光电二极管时,其响应程度或电 以等功率的不同单色光辐射波长的光作用于光电二极管时 其响应程度或电 流与波长的关系称为光电二极管的光谱响应. 流与波长的关系称为光电二极管的光谱响应
工作原理图
伏安特性
4. 光电三极管:
光电三极管与普通三极管一样有两种结构:NPN结构 型硅为衬底 光电三极管与普通三极管一样有两种结构:NPN结构(N型硅为衬底,称 结构(N型硅为衬底, 为3DU型)和PNP结构(P型硅为衬底,称为3CU型); 3DU型 PNP结构 型硅为衬底 称为3CU型 结构(P型硅为衬底,
2. 雪崩光电二极管:
工作原理:利用光生载流子在强电场内的定向运动产生雪崩效应,以获 强电场内的定向运动产生雪崩效应 工作原理:利用光生载流子在强电场内的定向运动产生雪崩效应, 得光电流的增益. 得光电流的增益. 结构: PIN型 结构:P+N型,PN+型,PIN型 特性:结电容小(～pf),响应频率高(几十GHz),光电流增益大 (～pf),响应频率高 GHz),光电流增益大( 特性:结电容小(～pf),响应频率高(几十GHz),光电流增益大(灵 敏度很高) 但噪声较大. 敏度很高),但噪声较大.
U o = U bb RL I L
反向偏置电路的设计与计算: 反向偏置电路的设计与计算: 例: 已知某光电三极管的伏安特性 曲线( 如图) 曲线 ( 如图 ) , 当入射光通量为正 弦调制量, 弦调制量,即 Φ v ,λ = 55 + 40 sinwt lm时 要得到5 的输出电压, lm 时 , 要得到 5V 的输出电压 , 试设 计该光电三极管的变换电路, 计该光电三极管的变换电路 , 分析 输入与输出信号间的相位关系. 输入与输出信号间的相位关系.
光生伏特效应及原理ppt课件
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光生伏特效应
光电池的电流电压特性：
1.P-N结电流方程
qV
I IL IF IL IS (e kT 1)
I：负载电流；
IL：光生电流； Is：P-N结反向饱和电流； V：P-N结两端电压；
光电池：利用半导体的光生伏特效应，而将光能转换成电能的装置。即将p-n结与外电路接通，只要光照不停止， 就会有源源不断的电流流过电路，p-n结起到了电源的作用。这类装置叫光电池。
7/总页数
光生伏特效应
光电池的电流电压特性：
2.开路电压 ➢ 负载电流I=0,即IL=IF： 3.短路电流
Voc kT ln( I L 1) q IS
I I ➢ 将p-n短路V=0,则IF=0，所得电流为短路电流ISC：
SC
L
8/总页数
光生伏特效应
光电池的电流电压特性：
4.特性曲线
9/总页数
e P e e n e 浅结
太阳光
在光激发下多数载流子浓度一般改变很小，
而少数载流子浓度却变化很大，因此应主要研 究光生少数载流子的运动.
3/总页数
光生伏特效应
P-N结的内建电场：
p
n
e e
e e
空穴
电子
p 耗尽层 n
---- ---- ++++ ++++
x0
U0
x
x0
动平衡时 p 型与 n 型接触区域的电势变化
光生伏特效应
光电池的电流电压特性：
5.光电池的实际结构
栅指形状（减少接触电阻，尽量少挡住阳光）
10/总页数
Thanks
光生伏特效应及原理
培训人：
1/总页数
光生伏特效应
光生伏特效应：当阳光照射到PN结上，产生电子——空穴对，在半导体内部结附生成载流子没有被复合而达到空间电 荷区，受内建电场的吸引（不加外电场），电子流入N区，空穴流入P区，结果使N区存储了过剩的电子，P区有过剩的 空穴。它们在PN结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了抵消势垒电场作用外，还使P区带正电，N区带 负电，在N区和P区之前就的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。
栅指形状（减少接触电阻，尽量少挡住阳光）
10/总页数
Thanks
此时，如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能成正比的电流流过，这个电流称作短路电流。另一方面，若 将PN结两端开路，则由于电子和空穴分别流入N区和P区，使N区费米能级比P区费米能级高，在这两个费米能级之间 就产生了电位差Voc，可以测得这个值，值称为开路电压。
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光生伏特效应
P-N的结光生伏特效应：
n区运动，使p端电势升高，n端电势降低； 所以，光生电场由p端指向n端，使势垒降低，产生正向电流IF； 由于空穴向p区运动，所以在p-n结内部形成自n区向p区的光
生电流IL
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光生伏特效应
光电池的电流电压特性：
1.P-N结电流方程
qV
I IL IF IL IS (e kT 1)
I：负载电流；
IL：光生电流； Is：P-N结反向饱和电流； V：P-N结两端电压；
光电池：利用半导体的光生伏特效应，而将光能转换成电能的装置。即将p-n结与外电路接通，只要光照不停止， 就会有源源不断的电流流过电路，p-n结起到了电源的作用。这类装置叫光电池。
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光生伏特效应
光生伏特的条件
光生伏特的条件
哎，各位领导，同仁们，咱今儿聊点专业的事儿，说说光生伏特的条件。
光生伏特嘛，说白了就是光照能让某些材料产生电压，从而转换成电能。
那想要实现这光生伏特，得满足几个条件。
一得说光照，这光照得是足够强的，得能让材料里的电子活跃起来。
咱得保证光源稳定，光照强度得达到一定程度，这样才能让光电转换效率上去。
二就是得选对材料。
不是啥材料都能光生伏特的，得是那种半导体材料，比如硅、硒、铜铟镓硒等。
这些材料在光照下，内部的电子和空穴才能被有效分离，从而产生电压。
三就是材料得纯净。
材料里要是掺了杂质，那电子和空穴的运动就会受影响，光电转换效率就得打折扣。
所以咱得保证材料的高纯度，这样才能提高光电转换效率。
最后还得说说结构。
光生伏特效应不只是材料的事儿，还得看材料怎么组成电池，电池的结构得合理，才能让电子和空穴有效分离，形成稳定的电流。
咱就是说啊，这光生伏特的条件，得光照强、材料对、纯度高、结构好，四者缺一不可。
这样咱才能充分利用光能，转换成电能，实现绿色、环保的能源利用。
光生伏特效应及原理PPT课件
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e P e e n e 浅结
太阳光
在光激发下多数载流子浓度一般改变很小，
而少数载流子浓度却变化很大，因此应主要研 究光生少数载流子的运动.
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光生伏特效应
P-N结的内建电场：
p
n
e e
e e
空穴
电子
p 耗尽层 n
---- ---- ++++ ++++
x0
U0
x0
动平衡时 p 型与 n 型接触区域的电势变化
IL：光生电流； Is：P-N结反向饱和电流； V：P-N结两端电压；
光电池：利用半导体的光生伏特效应，而将光能转换成电能的装置。即将p-n结与外电路接通，只要光照不停止， 就会有源源不断的电流流过电路，p-n结起到了电源的作用。这类装置叫光电池。
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光生伏特效应
光电池的电流电压特性：
2.开路电压 负载电流I=0,即IL=IF： 3.短路电流
VockTln(IL 1) q IS
I I 将p-n短路V=0,则IF=0，所得电流为短路电流ISC：
SC
L
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光生伏特效应
光电池的电流电压特性：
4.特性曲线
9/总页数
光生伏特效应
光电池的电流电压特性：
5.光电池的实际结构
栅指形状（减少接触电阻，尽量少挡住阳光）
10/总页数
Thanks
光生伏特效应
培训人：
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光生伏特效应
光生伏特效应：当阳光照射到PN结上，产生电子——空穴对，在半导体内部结附生成载流子没有被复合而达到空间电 荷区，受内建电场的吸引（不加外电场），电子流入N区，空穴流入P区，结果使N区存储了过剩的电子，P区有过剩的 空穴。它们在PN结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了抵消势垒电场作用外，还使P区带正电，N区带 负电，在N区和P区之前就的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。
光生伏特效应的原理与应用
光生伏特效应的原理与应用1. 简介光生伏特效应是指光照射在半导体表面时，由于光的能量激励了半导体中的电子，使其从价带跃迁到导带，从而产生电流的现象。
该效应具有很高的照度响应、长寿命、低噪声等特点，被广泛应用于光电器件、太阳能电池等领域。
2. 原理•光照射：当光线照射到半导体表面时，光子的能量激发了半导体中的电子。
这些光子可以激发价带中的电子，使其跃迁到导带中。
•电子跃迁：当电子从价带跃迁到导带时，产生了电子-空穴对。
电子位于导带，具有负电荷；空穴位于价带，具有正电荷。
•电流产生：由于导带中的电子具有负电荷，它们可以在电场的作用下向电极移动。
当外电路连接到半导体上时，电子会从半导体中流出，形成电流。
3. 应用3.1 光电器件光生伏特效应在光电器件中得到广泛应用，如光电二极管、光电晶体管等。
•光电二极管：光电二极管是一种将光能转换为电能的器件。
它利用光生伏特效应，在半导体中产生电流。
光电二极管广泛应用于光通信、激光测距等领域。
•光电晶体管：光电晶体管是一种具有放大功能的器件。
它利用光生伏特效应，在半导体中产生的电流被放大，从而实现信号放大的功能。
光电晶体管常用于光学放大器、高速光通信等领域。
3.2 太阳能电池光生伏特效应是太阳能电池的基本原理之一。
太阳能电池利用光生伏特效应将太阳光能转化为电能。
•光电导带：太阳能电池中的光电导带是由材料特殊处理得到的。
当光线照射在导带中时，光子的能量激发了导带中的电子，使其跃迁到导带中，产生电流。
•外电路：太阳能电池将产生的电流通过外电路导出，可以用来给电子设备供电。
•应用领域：太阳能电池广泛应用于家庭光伏发电系统、太阳能电动车等领域。
3.3 环境监测光生伏特效应可以被应用于环境监测领域，例如光生伏特效应传感器可以用于测量光照强度、温度等环境参数。
•光照强度测量：光生伏特效应传感器可以通过测量产生的电流来确定光照强度的大小。
•温度测量：光生伏特效应传感器的电流与温度呈反相关关系，通过测量产生的电流可以间接测量环境的温度。
光生伏特效应的光电器件
光生伏特效应的光电器件
光生伏特效应的光电器件主要包括光电池、光电二极管和光电倍增管。
1. 光电池（Photovoltaic Cell）是利用光生伏特效应将光能转化为电能的器件。
光电池的工作原理是光照射到半导体材料上，激发电子跃迁到导带，产生电流。
光电池广泛应用于太阳能电池板中，将太阳光转化为电能。
2. 光电二极管（Photodiode）是一种具有光电效应的二极管。
当光照射到光电二极管上时，被吸收的光子能量足够大以至于可以将价带中的电子激发到导带中，形成电流。
由于光电二极管对光的敏感度较高，因此可用于光电检测、通信、遥感等领域。
3. 光电倍增管（Photomultiplier Tube）是一种利用光电子倍增效应将光转化为电信号的器件。
光照射到光电倍增管的光阴极上，引起光电子的发射，然后通过倍增电子倍增管中的电子倍增器件被倍增，最终形成一个可观测的电信号。
光电倍增管对低强度光信号具有较高的灵敏度和放大能力，因此可用于光谱分析、荧光检测等领域。
光生伏特效应及原理
1/总页数
光生伏特效应
P-N的结光生伏特效应：
x
3/总页数
光生伏特效应
P-N结的能带图：
P型
N型
P型
N型
Ef
Efp
Efn
无光照 能级弯曲的原因： 在热平衡条件下，同一体系具有相同的费米能级
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光生伏特效应
P-N结的能带图：
有光照
光照时n区产生少子空穴，p区产生少子电子； 在内建电场的作用下，n区的空穴向p区运动，而p区的电子向
n区运动，使p端电势升高，n端电势降低； 所以，光生电场由p端指向n端，使势垒降低，产生正向电流IF； 由于空穴向p区运动，所以在p-n结内部形成自n区向p区的光
光电池的电流电压特性：
5.光电池的实际结构
栅指形状（减少接触电阻，尽量少挡住阳光）
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Thanks
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6.开路电压 ➢ 负载电流I=0,即IL=IF： 3.短路电流
VockTln(IL 1) q IS
I I ➢ 将p-n短路V=0,则IF=0，所得电流为短路电流ISC：
SC
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光生伏特效应
光电池的电流电压特性：
4.特性曲线
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光生伏特效应
光生伏特效应
光生伏特效应：当阳光照射到PN结上，产生电子——空穴对，在半导体内部结附生成载流子没有被复合而达到空间电 荷区，受内建电场的吸引（不加外电场），电子流入N区，空穴流入P区，结果使N区存储了过剩的电子，P区有过剩的 空穴。它们在PN结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了抵消势垒电场作用外，还使P区带正电，N区带 负电，在N区和P区之前就的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。
光生伏特效应定义
光生伏特效应定义光生伏特效应是指在半导体材料中，当光照射到PN结时，会产生电子-空穴对，电子和空穴会被PN结的电场分别引导到P区和N区，从而产生电压。
这种现象被称为光生伏特效应。
光生伏特效应的原理PN结是半导体器件的基本结构，它由P型半导体和N型半导体组成。
P型半导体中的掺杂原子是三价的，如硼(B)，它会在晶体中留下一个正电荷。
N型半导体中的掺杂原子是五价的，如磷(P)，它会在晶体中留下一个负电荷。
PN结的P区和N区之间存在电场，这个电场是由掺杂原子的电势差引起的。
当光照射到PN结上时，光子会被吸收，产生电子-空穴对。
电子和空穴会被PN结的电场分别引导到P区和N区，从而产生电压。
如果将PN结连接到一个外部电路，就可以将这个电压输出到外部。
光生伏特效应的应用光生伏特效应在光电器件中有广泛的应用。
最常见的应用是太阳能电池，在太阳能电池中，PN结会将光能转化为电能。
当太阳光照射到太阳能电池上时，光子会被吸收，产生电子-空穴对，电子和空穴会被PN结的电场分别引导到P区和N区，从而产生电压。
这个电压可以被用来驱动电路或充电电池。
除了太阳能电池，光生伏特效应还可以应用于光电探测器、光电开关、光电继电器等光电器件中。
光生伏特效应的应用使得光能可以被转化为电能，从而扩展了光电技术的应用范围。
光生伏特效应的未来随着科技的发展，光生伏特效应在太阳能电池、光电器件中的应用越来越广泛。
未来，光生伏特效应还有很大的发展空间。
一方面，科学家们正在研究新型半导体材料，以提高光生伏特效应的效率和稳定性；另一方面，光生伏特效应还可以应用于光催化、光电化学等领域，从而实现更多的能量转化。
总之，光生伏特效应是一种重要的光电效应，它在太阳能电池、光电器件中有广泛的应用。
未来，随着科技的不断发展，光生伏特效应还将发挥更大的作用，为人类带来更多的便利和生活质量的提高。
光生伏特器件
图示为光电池的频率响应曲线。硅光电池具有较高的频率响
应;而硒光电池则较差。
I /% 100
80 60
2
1——硒光电池 2——硅光电池
40
1
20
0 1 2 3 4 5 f / kHz
3、硅光电池的特性参数
（5）温度特性 光电池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化的关 系。开路电压与短路电流均随温度而变化，它将关系到应用光电 池的仪器设备的温度漂移，影响到测量或控制精度等主要指标， 因此，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。
（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
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。
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。
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。
0lr?0lp?lr??0li?0lp?0lr???0lp?当负载电阻为最佳负载电阻时输出电压0607mocuuu??此时输出电流mpiiise???得到硅光电池的最佳负载电阻为0607mocoptmiuurise???负载电阻所获得的最大功率为0607mmmocppiuui??二硅光电池33硅光电池的特性参数11伏安特性硅光电池的伏安特性表示输出电流和电压随负载电阻变化的曲线
光生伏特原理
光生伏特原理
嘿，朋友们！今天咱来聊聊光生伏特原理。
这玩意儿啊，就像是大自然给我们的一个神奇魔法！
你想想看，阳光那可是无处不在的呀，它就像个超级能量源。
而光生伏特原理呢，就是能把这取之不尽的阳光转化成电，多厉害啊！这就好比是在阳光的海洋里捞取宝藏啊！
咱们平时用的电，很多都是通过各种复杂的方式产生的。
但光生伏特原理可不一样，它简单又直接。
就好像是太阳公公直接给我们送来了电，多贴心呀！
你看那些太阳能板，它们就像是一个个小魔术盒，把阳光吸进去，然后“噗”地一下就变出电来了。
这难道不神奇吗？这可比变戏法还让人惊叹呢！
而且啊，光生伏特原理还特别环保。
它不会产生那些污染环境的东西，对我们的地球妈妈特别友好。
这就像是给地球妈妈做了一次舒服的按摩，让她能更健康地陪伴我们。
要是没有光生伏特原理，我们的生活得失去多少便利呀！家里的电器可能就没那么容易运转起来了，那些靠太阳能驱动的小玩意儿也玩不转了。
那多无趣啊！
你再想想，如果我们能更好地利用光生伏特原理，那未来的世界会变成什么样呢？是不是到处都充满了清洁的能源，天空更蓝了，水更清了？那该有多美好啊！
所以说呀，光生伏特原理可真是个宝贝！我们可得好好珍惜它，让它为我们的生活带来更多的惊喜和便利。
让我们一起拥抱这个神奇的原理，为我们的未来创造更美好的明天吧！别小看这小小的原理，它可是有着大大的能量呢！
原创不易，请尊重原创，谢谢!。
光生伏特效应的条件
光生伏特效应的条件
“嘿，同学们，今天咱们来聊聊光生伏特效应的条件。
”
光生伏特效应简单来说，就是当光照射到半导体材料上时，会产生电动势的现象。
那要产生光生伏特效应，得具备哪些条件呢？
首先，得有合适的半导体材料。
这可不是随便什么半导体都行的哦。
常见的比如硅、锗等。
就拿硅来说吧，它在我们日常生活中的电子器件里广泛应用。
像太阳能电池板，很多就是用硅做的。
然后呢，光照强度得达到一定要求。
光照太弱了，产生的效应可能就不明显，就没法很好地发挥作用。
比如说，在一些光线不太好的环境下，太阳能设备的效率可能就会受到影响。
还有就是半导体材料的内部结构和特性也很重要。
它得有能让电子和空穴有效分离和传输的结构。
这就好比是一条通畅的道路，能让电子和空穴顺利地“跑起来”。
再说说实际应用的例子吧。
你们看那些太阳能路灯，白天太阳光照在上面，通过光生伏特效应产生电能储存起来，晚上就能用来照明了。
这就是光生伏特效应的一个很实际的应用。
而且，不同的半导体材料在不同的光照条件下，表现也会不一样。
这就需要我们根据具体的需求来选择合适的材料和条件。
比如说在一些太空探索的设备中，对半导体材料的性能要求就非常高，因为太空环境中的光照条件很特殊。
总之，要实现光生伏特效应，半导体材料、光照强度、材料内部结构等这些条件都很关键，它们相互配合，才能让光生伏特效应充分发挥作用，为我们的生活和科技发展带来便利和进步。
同学们，都听明白了吧？以后要是看到相关的设备和技术，就可以想到今天咱们讲的这些条件啦。
光生伏特效应及原理课件
光生伏特效应
光电池的电流电压特性：
2.开路电压 ➢ 负载电流I=0,即IL=IF： 3.短路电流
VockTln(IL 1) q IS
I I ➢ 将p-n短路V=0,则IF=0，所得电流为短路电流ISC：
SC
L
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光生伏特效应
光电池的电流电压特性：
4.特性曲线
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光生伏特效应
x
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光生伏特效应
P-N结的能带图：
P型
N型
P型
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无光照 能级弯曲的原因： 在热平衡条件下，同一体系具有相同的费米能级
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光生伏特效应
P-N结的能带图：
有光照
光照时n区产生少子空穴，p区产生少子电子； 在内建电场的作用下，n区的空穴向p区运动，而p区的电子向
n区运动，使p端电势升高，n端电势降低； 所以，光生电场由p端指向n端，使势垒降低，产生正向电流IF； 由于空穴向p区运动，所以在p-n结内部形成自n区向p区的光
生电流IL
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光生伏特效应
光电池的电流电压特性：
1.P-N结电流方程
qV
IILIFILIS(ekT1)
I：负载电流；
IL：光生电流； Is：P-N结反向饱和电流； V：P-N结两端电压；
光电池：利用半导体的光生伏特效应，而将光能转换成电能的装置。即将p-n结与外电路接通，只要光照不停止， 就会有源源不断的电流流过电路，p-n结起到了电源的作用。这类装置叫光电池。
e P e e n e 浅结
太阳光
在光激发下多数载流子浓度一般改变很小，
而少数载流子浓度却变化很大，因此应主要研 究光生少数载流子的运动.
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4.噪声 4.噪声
光电二极管的噪声包含 低频噪声Inf 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） 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， 散粒噪声是由于电流在半导体内的散粒效应引起的，它与
>>kT/q 时
当光辐射作用到光电二极管上时， 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 其方向应为反向， （5-2） 为光电材料的光电转换效率， 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
5.1.2光电二极管的基本特性 5.1.2光电二极管的基本特性
设载流子在结区内的漂移速度为vd，PN结区的宽度为 ， PN结区的宽度为W， 结区的宽度为 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τdr =10-9s。 一般的PN结硅光电二极管， PN结硅光电二极管 影响PN结硅光电二极管时间响应的主要因素 影响PN结硅光电二极管时间响应的主要因素 PN ⑴ 扩散时间τp很长，约为100ns； 很长，约为100ns； 100ns PN结电容 构成的RC RC延迟时间 ⑵ 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τRC
τRC为
（5-5） 普通PN结硅光电二极管的管芯内阻Ri 约为250Ω，PN结电 普通PN结硅光电二极管的管芯内阻 约为250Ω，PN结电 PN 250Ω 常为几个pF pF， 低于500Ω 500Ω时 容Cj 常为几个pF，在负载电阻RL低于500Ω时，时间常数τRC 也为ns数量级。但是， 很大时， 也为ns数量级。但是，当负载电阻R L 很大时，时间常数τRC ns数量级 将成为影响硅光电二极管时间响应的一个重要因素。 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 在不使偏压增大的情况下使耗尽区扩展到整个PN结 PN
图5-4 硅光电光谱响应--以等功率的不同单色辐射波长的光作用于光电二 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。 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 材料PN结厚度对光 PN 吸收的影响， 吸收的影响，减薄 PN结厚度可提高短 PN结厚度可提高短 波限光谱响应。 波限光谱响应。
工作原理——当光子入射到PN结形成的耗尽层内时，PN结中的 当光子入射到PN结形成的耗尽层内时，PN结中的 工作原理 当光子入射到PN结形成的耗尽层内时 原子吸收光子能量，并产生本征吸收，激发出电子--空穴对， 原子吸收光子能量，并产生本征吸收，激发出电子--空穴对， --空穴对 在耗尽区内建电场的作用下，形成反向光电流。 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 上产生与入射光度量相关的信号输出。 RL上产生与入射光度量相关的信号输出。
图3-5 典型材料的光电二极管光谱响应曲线
3.时间响应 3.时间响应 频率调制的辐射作用于PN结硅光电二极管光敏面时， PN结硅光电二极管光敏面时 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： PN结硅光电二极管的电流产生要经过下面3个过程： 结硅光电二极管的电流产生要经过下面 PN结区内产生的光生载流子渡越结区的时间 (1) 在PN结区内产生的光生载流子渡越结区的时间τdr，称 为漂移时间； 为漂移时间； PN结区外产生的光生载流子扩散到PN结区内所需要的 结区外产生的光生载流子扩散到PN (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τp ，称为扩散时间； 称为扩散时间； PN结电容 结电容C 管芯电阻R 及负载电阻R (3) 由PN结电容Cj、管芯电阻Ri及负载电阻RL构成的RC 延迟 时间τRC 。
根据电流方程，并考虑反向偏置情况，光电二极管电流与 根据电流方程，并考虑反向偏置情况， 入射辐射的关系， 入射辐射的关系，得到 （5-8） 当考虑负载电阻R 的热噪声时， 当考虑负载电阻RL的热噪声时，光电二极管的噪声应为 （5-9）
表5-1 几种不同材料光电二极管的基本特性参数
图5-1 硅光电二极管
2.光电二极管的电流方程 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 在无辐射作用的情况下（暗室中），PN结硅光电二极管的 ），PN 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 光电二极管反向偏置， 反向电流或暗电流 光电二极管反向偏置 的电流
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 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 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d 与辐射量变化d 起电流变化dI 与辐射量变化dΦ 之比。 之比。 对(5-2)微分可以得到 (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
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--利用光生伏特效应制造的光电敏感器件。 --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。 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 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 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 型硅为衬底的2DU型 2DU 以N型硅为衬底的2CU型 型硅为衬底的2CU型 2CU