第10章 光电探测器和太阳能电池

半导体器件
太阳能电池
半导体器件
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源自文库 半导体器件
图(a)和(b)分别为太阳辐射下的p-n结能带图及其等效电路。 其中有一恒定电流源与结并联。此电流源IL是由于太阳辐射产生的多 余 载流子的激发所造成的，IS是二极管饱和电流，而R是负载电阻。
根据上述模型，其I-V特性可表示为
qV I I s exp 1 I L kT
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下图是太阳能电池的I-V特性曲线。 选择适当的负载，可以得到接近80％的ISCVOC乘积。其中ISC是短路电流， 等于IL，而VOC是电池的开路电压；图中的阴影面积就是最大功率。图中也 分别定义了在最大输出功率Pm(=Im×Vm)时的电流Im与电压Vm。 开路电压
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邓洪海
denghonghai@ntu.edu.cn 电子信息学院-电子工程系
第10章 光电探测器和太阳能电池
光电探测器 太阳能电池
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光电探测器
光探测器是一种能够将光的信号转换为电的信号的半导体器件。光探 测器的工作包括三个步骤：①由入射光产生载流子；②通过任何可行的电 流增益机制，使载流子传导及倍增；③电流与外部电路相互作用，以提供 输出信号。 光探测器广泛应用于包括光隔离器的红外传感器以及光纤通信的探测 器。在这些应用中，光探测器必须在所工作的波长中具有高灵敏度、高响 应速度及低噪声。另外，光探测器必须轻薄短小、使用低电压或低电流， 并具有高可靠度。
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q(n n p p)
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2. 光电二极管 光电二极管基本上是一个工作于反向偏压的p-n结或金属半导体接触。由光产生的电子 - 空穴对在耗尽区内建电场的作 用下分离，因此有电流流至外部电路。 为了能在高频下工作，耗尽区必须尽可能地变薄以减少渡 越时间。另一方面，为了增加量子效率，耗尽层必须足够厚， 以使大部分入射光都被吸收，因此在响应速度与量子效率之间 必须有所取舍。
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h
1. 光敏电阻
光敏电阻包含一个简单的半导体平板， 而在平板两端则具有欧姆接触，如图。当入 射光照到光敏电阻表面时，会发生从能带到 能带(本征)或包含禁带能级的跃迁(非本征)， 从而产生电子-空穴对，导致电导率增加。
L
W
D
半导体 欧姆接触
欧姆接触
图 8.30
由一半导体平板与两端的接触所构成的光敏电阻的示意图
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3. p-i-n光电二极管
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12000 10000
LBIC signal (nA)
296K 123K
F23
8000 6000 4000 2000 0 0
ILBICmax/e
10
20
30
40
Position (m)
50
60
70
80
90
100
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4. 金属—半导体光电二极管
kT I L kT I L Voc ln 1 ln q Is q I s
因此，固定一 IL ，则VOC会随着饱和电 流IS的减少而呈对数增加，此输出功率 为
qV P IV I sV exp 1 I LV kT