第2章 结型光电探测器
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第2章 结型光电探测器
2.1 光生伏特效应
光生伏特效应：两种半导体材料或金属/半导体相接 触形成势垒，当外界光照射时，激发光生载流子， 注入到势垒附近形成光生电压的现象。
光生伏特效应属于内光电效应。
利用光生伏特效应制成的光电探测器叫做势垒型光电 探测器.
势垒型光电探测器是对光照敏感的“结”构成的，
故也称结型光电探测器。
❖ 应用：应用于光能转换、光度学、辐射测量、光学计量和测 试、激光参数测量等方面。
2.2.1 光电池的结构
❖ 结构有两种：一种是金属—半导体接触型， 硒光电池即属此类。另一种是PN结型，硅光 电池属PN结型。
❖ 硅光电池的结构形式有多种，按基底材料可 分为2DR型和2CR型。
❖
PN结光电池的结构图
❖ 按用途分：太阳能光电池、测量光电池。
❖ 按材料分：硅光电池、锗光电池、硒光电池、硫化镉光电池、 砷化镓光电池。
❖ 其中最受重视的是硅光电池、硒光电池。
❖ 硅材料研究得最充分，硅光电池具有一系列的优点，如性能 稳定、寿命长、光谱响应范围宽、频率特性好、能耐高温。
❖ 硒光电池的光谱响应曲线与人眼的光视效率曲线相似。
外接电路短路时，流过电路的电流为短路时的光生电流，称Isc为 短路电流，短路电流在PN结中N→P（电流方向），在外回路中由
P→N。
❖ PN结在有光照的电流电压曲线， 与普通的二极管的电流电压特性 相区别:
❖ 相当于在回路中加了一个反向电 饱和电流 势，所以产生了光生伏特效应的 光电二极管的电流电压特性发生 光电流 了移动。
❖ 当I=0时，U=Uoc，即光生电势。
❖ 当U=0时，I= Isc，即光生电流。 比较图2-5的曲线Ⅰ和Ⅱ，随着 光照的增强，曲线向下移动，光 生电势和电流增加。
电流I
无光照 有光照Ⅰ 有光照Ⅱ
暗电流
电压U 开路光电压Uoc
短路光电流Isc
2.2 光电池
❖ 光电池是直接把光变成电的光电器件，由于它是利用各种势 垒的光生伏特效应制成的，故称为光生伏特电池，简称光电 池。
(3) 光电导探测器为均质型探测器，均质型探测器的载流子驰 豫时间比较长，响应速度慢、频率响应特性差。而结型探测 器响应速度快、频率响应特性好。
另外，雪崩式光电二极管和光电三极管还有很大的内增 益作用，不仅灵敏度高，还可以通过较大的电流。
势垒型光电探测器的应用非常广泛，广泛应用于光度测量、光 开关报警系统、光电检测、图象获取、光通讯、自动控制等方 面。
N
电流方向+
加电场时的 势垒宽度
e(UD-U) eUD
2.1.2 PN结光生伏特效应 光
Ec
Ec EFn
EFp
Ev
Ev
Ec
漂移
扩散
eUD
EF Ev
EF
漂移 扩散 内建电场E
Eg P
eUD EF
N
P PN结 内建电场
N
e(UD-U)
h
eU
h
外接电路开路时，光生载流子积累在PN结两侧，光生电压最大， 即光生电势Uoc，等于费米能级分开的距离，称Uoc为开路电压。
2.1.1 PN结
❖ 当P型与N型半导体相接 触，电子和空穴相互扩 散在接触区附近形成空 间电荷区和耗尽层，结 区两边形成内建电场。
❖ 接触电势差UD取决于P 型和N型半导体的费米 能级EFp、EFn之差：
UD 1e(EFn EFp)
P
N
电子扩散运动 空穴扩散运动 内建电场 E
空穴漂移
电子漂移
Ec
I1
EF
I0
加反向电场时 的势垒宽度
加反向电压的结构与能带
❖ 设扩散电流I1，一般都规定 PN结中的扩散电流方向为流 过PN结电流的正方向，即由 P区通过PN结指向N区，如 图2-3。反向饱和漂移电流I0， 与扩散电流方向相反，也称
反向电流。
❖
I1=I0eeU/kT
❖ 其中，k为波尔兹曼常数，T
为热力学温度。
外电路电流
光照引起电压和势垒的变化
+ 产生电势 -
P
N
光生电流 漂移电流 扩散电流
外电路电流
结电流=扩散电流-漂移电流 IjI0 eeU /kTI0I0(eeU /kT 1 )
P
N
Hale Waihona Puke Baidu
电子扩散运动 空穴扩散运动 内建电场 E
空穴漂移
电子漂移
外加电场 内建电场
P
N
电流方向+
+U
加电场时的
势垒宽度 e(UD-U)
eUD
❖ PN结加上外加电压，流过 PN结的电流为：
❖
Ij=I1-I0=I0(eeU/kT-1) 饱和电流
❖ U为正，即P区电压高于N区，
即常说的正向电压，此时电 光电流
❖ 根据所用结的种类的不同，可分为PN结型、PIN结 型、异质结型和肖特基结型等。
❖最常用的器件有光电池、光电二极管、PIN管、 雪崩光电二极管、光电三极管和光电场效应管等。
❖ 势垒型光电探测器与光电导探测器相比较，主要区别:
(1) 产生光电变换的部位不同。
(2) 光电导型探测器没有极性，工作时必须有外加电压， 而结型探测器有确定的正负极，不需要外加电压也可把 光信号变为电信号。
阵列式
激光 象限式
❖ 光电池的符号、连接电路
I
P
N
RL
I
Ip
Ij RL U
符号
连结电路
等效电路 用一个电流源与二极管并联
测量用的光电池
太阳能光电池
2.2.2 光电池的电流与电压
❖ PN结中有三种电流：扩散电流I1、漂移电流 I0、光生电流Ip
+ 光生电势 -
P
N
光生电流 漂移电流 扩散电流
RL
流由P区流到N区，电流为正
值，如图2-3。
❖ U为负，即N区电压高于P区，
即通常所说的负向电压，电
流由N区流到P区，电流为负
P
值，如图2-4。
❖ PN结的电流电压特性如图2-
5中的无光照的I-U曲线。
+U
EF
电流I
无光照 有光照Ⅰ 有光照Ⅱ
暗电流
电压U 开路光电压Uoc
短路光电流Isc
外加电场 内建电场
栅状
上电极 前极
SiO2保护膜
N
N-Si
P
P
P-Si
N
2DR
下电极Al 后极
2CR
受光表面上涂保护膜，减小反射损失，增加对入射光
的吸收，同时又可以防潮，防腐蚀如镀SiO2，MgF2。 上电极一般多做成栅指状，其目的是便于透光和减小
串联电阻。
❖ 除典型结构型式的硅光电池以外，按不同用 途，还有些特殊的结构型式
Ec EFn
EFp
Ev
Ev
Ec
漂移
扩散
eUD
EF Ev
EF
漂移 扩散 内建电场E
PN结的单向导电性
外加电场 内建电场
P
N
+U EF
电流方向+
加电场时的 势垒宽度
e(UD-U) eUD
I1 I0
不加电场时 的势垒宽度
❖ 加正向电压的结构与能带
外加电场 内建电场
P
N
电流方向不加电场时
-U 的势垒宽度
eUD e(UD+U)
2.1 光生伏特效应
光生伏特效应：两种半导体材料或金属/半导体相接 触形成势垒，当外界光照射时，激发光生载流子， 注入到势垒附近形成光生电压的现象。
光生伏特效应属于内光电效应。
利用光生伏特效应制成的光电探测器叫做势垒型光电 探测器.
势垒型光电探测器是对光照敏感的“结”构成的，
故也称结型光电探测器。
❖ 应用：应用于光能转换、光度学、辐射测量、光学计量和测 试、激光参数测量等方面。
2.2.1 光电池的结构
❖ 结构有两种：一种是金属—半导体接触型， 硒光电池即属此类。另一种是PN结型，硅光 电池属PN结型。
❖ 硅光电池的结构形式有多种，按基底材料可 分为2DR型和2CR型。
❖
PN结光电池的结构图
❖ 按用途分：太阳能光电池、测量光电池。
❖ 按材料分：硅光电池、锗光电池、硒光电池、硫化镉光电池、 砷化镓光电池。
❖ 其中最受重视的是硅光电池、硒光电池。
❖ 硅材料研究得最充分，硅光电池具有一系列的优点，如性能 稳定、寿命长、光谱响应范围宽、频率特性好、能耐高温。
❖ 硒光电池的光谱响应曲线与人眼的光视效率曲线相似。
外接电路短路时，流过电路的电流为短路时的光生电流，称Isc为 短路电流，短路电流在PN结中N→P（电流方向），在外回路中由
P→N。
❖ PN结在有光照的电流电压曲线， 与普通的二极管的电流电压特性 相区别:
❖ 相当于在回路中加了一个反向电 饱和电流 势，所以产生了光生伏特效应的 光电二极管的电流电压特性发生 光电流 了移动。
❖ 当I=0时，U=Uoc，即光生电势。
❖ 当U=0时，I= Isc，即光生电流。 比较图2-5的曲线Ⅰ和Ⅱ，随着 光照的增强，曲线向下移动，光 生电势和电流增加。
电流I
无光照 有光照Ⅰ 有光照Ⅱ
暗电流
电压U 开路光电压Uoc
短路光电流Isc
2.2 光电池
❖ 光电池是直接把光变成电的光电器件，由于它是利用各种势 垒的光生伏特效应制成的，故称为光生伏特电池，简称光电 池。
(3) 光电导探测器为均质型探测器，均质型探测器的载流子驰 豫时间比较长，响应速度慢、频率响应特性差。而结型探测 器响应速度快、频率响应特性好。
另外，雪崩式光电二极管和光电三极管还有很大的内增 益作用，不仅灵敏度高，还可以通过较大的电流。
势垒型光电探测器的应用非常广泛，广泛应用于光度测量、光 开关报警系统、光电检测、图象获取、光通讯、自动控制等方 面。
N
电流方向+
加电场时的 势垒宽度
e(UD-U) eUD
2.1.2 PN结光生伏特效应 光
Ec
Ec EFn
EFp
Ev
Ev
Ec
漂移
扩散
eUD
EF Ev
EF
漂移 扩散 内建电场E
Eg P
eUD EF
N
P PN结 内建电场
N
e(UD-U)
h
eU
h
外接电路开路时，光生载流子积累在PN结两侧，光生电压最大， 即光生电势Uoc，等于费米能级分开的距离，称Uoc为开路电压。
2.1.1 PN结
❖ 当P型与N型半导体相接 触，电子和空穴相互扩 散在接触区附近形成空 间电荷区和耗尽层，结 区两边形成内建电场。
❖ 接触电势差UD取决于P 型和N型半导体的费米 能级EFp、EFn之差：
UD 1e(EFn EFp)
P
N
电子扩散运动 空穴扩散运动 内建电场 E
空穴漂移
电子漂移
Ec
I1
EF
I0
加反向电场时 的势垒宽度
加反向电压的结构与能带
❖ 设扩散电流I1，一般都规定 PN结中的扩散电流方向为流 过PN结电流的正方向，即由 P区通过PN结指向N区，如 图2-3。反向饱和漂移电流I0， 与扩散电流方向相反，也称
反向电流。
❖
I1=I0eeU/kT
❖ 其中，k为波尔兹曼常数，T
为热力学温度。
外电路电流
光照引起电压和势垒的变化
+ 产生电势 -
P
N
光生电流 漂移电流 扩散电流
外电路电流
结电流=扩散电流-漂移电流 IjI0 eeU /kTI0I0(eeU /kT 1 )
P
N
Hale Waihona Puke Baidu
电子扩散运动 空穴扩散运动 内建电场 E
空穴漂移
电子漂移
外加电场 内建电场
P
N
电流方向+
+U
加电场时的
势垒宽度 e(UD-U)
eUD
❖ PN结加上外加电压，流过 PN结的电流为：
❖
Ij=I1-I0=I0(eeU/kT-1) 饱和电流
❖ U为正，即P区电压高于N区，
即常说的正向电压，此时电 光电流
❖ 根据所用结的种类的不同，可分为PN结型、PIN结 型、异质结型和肖特基结型等。
❖最常用的器件有光电池、光电二极管、PIN管、 雪崩光电二极管、光电三极管和光电场效应管等。
❖ 势垒型光电探测器与光电导探测器相比较，主要区别:
(1) 产生光电变换的部位不同。
(2) 光电导型探测器没有极性，工作时必须有外加电压， 而结型探测器有确定的正负极，不需要外加电压也可把 光信号变为电信号。
阵列式
激光 象限式
❖ 光电池的符号、连接电路
I
P
N
RL
I
Ip
Ij RL U
符号
连结电路
等效电路 用一个电流源与二极管并联
测量用的光电池
太阳能光电池
2.2.2 光电池的电流与电压
❖ PN结中有三种电流：扩散电流I1、漂移电流 I0、光生电流Ip
+ 光生电势 -
P
N
光生电流 漂移电流 扩散电流
RL
流由P区流到N区，电流为正
值，如图2-3。
❖ U为负，即N区电压高于P区，
即通常所说的负向电压，电
流由N区流到P区，电流为负
P
值，如图2-4。
❖ PN结的电流电压特性如图2-
5中的无光照的I-U曲线。
+U
EF
电流I
无光照 有光照Ⅰ 有光照Ⅱ
暗电流
电压U 开路光电压Uoc
短路光电流Isc
外加电场 内建电场
栅状
上电极 前极
SiO2保护膜
N
N-Si
P
P
P-Si
N
2DR
下电极Al 后极
2CR
受光表面上涂保护膜，减小反射损失，增加对入射光
的吸收，同时又可以防潮，防腐蚀如镀SiO2，MgF2。 上电极一般多做成栅指状，其目的是便于透光和减小
串联电阻。
❖ 除典型结构型式的硅光电池以外，按不同用 途，还有些特殊的结构型式
Ec EFn
EFp
Ev
Ev
Ec
漂移
扩散
eUD
EF Ev
EF
漂移 扩散 内建电场E
PN结的单向导电性
外加电场 内建电场
P
N
+U EF
电流方向+
加电场时的 势垒宽度
e(UD-U) eUD
I1 I0
不加电场时 的势垒宽度
❖ 加正向电压的结构与能带
外加电场 内建电场
P
N
电流方向不加电场时
-U 的势垒宽度
eUD e(UD+U)