光电子器件_第二章结型光电探测器.pptx
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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。
这样，即可达到减小流过负载的暗电流、减小噪声的目的 。
如果使用时环极悬空，除了暗电流、噪声大些外，其它性 能均不受影响。 膜中2也CU含管有子少，量因的为正是离以子N，-Si而为它衬的底静，电虽感然应受不光会面使的NS-iSOi2表防面反产射 生一个和P-Si导电类型相同的导电层，从而也就不可能出现表 面漏电流，所以不需要加环极。
光电池的输出功率与入射辐射通量之比定义为光电池 的光电转换效率，记为η。当负载电阻为最佳负载电阻 Ropt时，光电池输出最大功率Pm与入射辐射通量之比定 义为光电池的最大光电转换效率，记为ηm。
显然，光电池的最大光电转换效率ηm为
m
Pm Φe
(0.6 ~
0.7)qU oc
0
Φe,λ
(1
-
e-d
当以输出电流的IL为电流和电压的正方向时，可以 得到如图3-11所示的伏安特性曲线。
从曲线可以看出，负载电阻RL所获得的功率为
PL=ILU
（3-17）
其中，光电池输出电流IL应包括光生电流IP、扩散电流与 暗电流等三部分，即
quL
I L I P I d (e KT 1)
I L －－光电池的输出短路电流
1.用途
a. 作光电探测器使用 红外辐射探测器 光电读出 光电耦合
b. 作为电源使用 人造卫星 野外灯塔 微波站
§2.2 光电池
• 光电池能直接将光通量转变为电动势，实际为电压源 结构和工作原理
硼扩散层 P型电极
I
N型硅片
P-N结
电极
光电池的结构原理图
光 膜
N
－
＋
RL
光电池有方形 圆形 三角形 环形等
P－ － －
＋N ＋ ＋
P
N
mA
＋
－
＋ P
－ N
Voc
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。
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。
)d
hc
0
Φe,λ
d
（3-24）
式中是于材料有关的光谱光电转换效率，表明光电池的
最大光电转换效率与入射光的波长及材料的性质有关。
2.3 光电二极管
外形
光变化－电流变化 光电转换器
光敏特性
光输入
+
或
U
R 输出
-
（a）
（b）
光电二极管的符号与光电特性的测量电路
（a）符号 （b）光电特性的测量电路
硅光电二极管
光电二极管的伏安特性
无光 暗电流
有光 光电接收二极管
反偏状态 光电流（恒流） 光电流与照度线性关系
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。
2CU系列以N-Si为衬底， 2DU系列以P-Si为衬底 2CU系列光电二极管只有两个引出线， 而2DU系列光电二极管有三条引出线，除了前极、后极外，
这个电子层与N-Si的导电类型相同，可以使P-Si表面与N－ Si连通起来。
当管子加反偏压时，从前极流出的暗电子流，除了有PN 结的反向漏电子流外，还有通过表面感应电子层产生的漏电 子流，从而使从前极流出的暗电子流增大。
为了减小暗电流，设置一个N+-Si的环把受光面（N-Si）包 围起来，并从N+-Si环上引出一条引线（环极），使它接到比前 极电位更高的电位上，为表面漏电子流提供一条不经过负载即 可达到电源的通路。
ISO －－无光照时PN结反向饱和电流
q0 －－电子电量
K －－玻尔兹曼常数
T －－热力学温度
Voc －－光电池开路输出电压
1.光电特性
100
1.0
80
0.8
60
0.6
40
0.4
20
0.2
0
2000
4000
Ge光电池光电特性
300
0.6
200
0.4
100
0.2
0
2000
4000
Si光电池光电特性
第2章 结型光电探测器
Βιβλιοθήκη Baidu.1、光伏效应
光伏现象——半导体材料的“结” 效应例如：雪崩二极管
id is0 eeu / kBT 1
m
1.24
Ei eV
光照零偏pn结产生开路电压的效应
光伏效应
光电池
光照反偏
光电信号是光电流
结型光电探测 器的工作原理
光电二极管
2.2. 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。
2.光电池的光谱特性
相对灵敏度/％
100
80
硒
硅
60
40
20
0 4000 6000 8000 10000
波长
光电池的光谱特性
3.光电池的频率特性
100 硅光电池 80
相对光电流/％
60
40
20
硒光电池
0 1500 3000 4500 6000 7500 /Hz 光电池的频率特性
4.光电池的光电转换效率
光电二极管的用法： 光电二极管的用法只能有两种。 一种是不加外电压，直接与负载相接。 另一种是加反向电压，如图所示。
a) 不加外电源 b) 加反向外电源 c) 2DU环极接法 实际上，不是不能加正向电压，只是正接以后就与普通二
2. 硅光电池工作原理
如图3-10所示，当光作用于PN结时，耗尽区内的光生电子与空穴在内建电场力的 作用下分别向N区和P区运动，在闭合的电路中将产生如图所示的输出电流IL，且负载电 阻RL上产生电压降为U。显然，PN结获得的偏置电压U与光电池输出电流IL与负载电阻RL 有关，即
U=ILRL
（3-16）
还设了一个环极。 硅光电二极管结构示意图 2DU管加环极的目的是为了减少暗电
流和噪声。
光电二极管的受光面一般都涂有SiO2防反射膜，而SiO2中 又常含有少量的钠、钾、氢等正离子。
SiO2是电介质，这些正离子在SiO2中是不能移动的，但是 它们的静电感应却可以使P-Si表面产生一个感应电子层。
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。
这样，即可达到减小流过负载的暗电流、减小噪声的目的 。
如果使用时环极悬空，除了暗电流、噪声大些外，其它性 能均不受影响。 膜中2也CU含管有子少，量因的为正是离以子N，-Si而为它衬的底静，电虽感然应受不光会面使的NS-iSOi2表防面反产射 生一个和P-Si导电类型相同的导电层，从而也就不可能出现表 面漏电流，所以不需要加环极。
光电池的输出功率与入射辐射通量之比定义为光电池 的光电转换效率，记为η。当负载电阻为最佳负载电阻 Ropt时，光电池输出最大功率Pm与入射辐射通量之比定 义为光电池的最大光电转换效率，记为ηm。
显然，光电池的最大光电转换效率ηm为
m
Pm Φe
(0.6 ~
0.7)qU oc
0
Φe,λ
(1
-
e-d
当以输出电流的IL为电流和电压的正方向时，可以 得到如图3-11所示的伏安特性曲线。
从曲线可以看出，负载电阻RL所获得的功率为
PL=ILU
（3-17）
其中，光电池输出电流IL应包括光生电流IP、扩散电流与 暗电流等三部分，即
quL
I L I P I d (e KT 1)
I L －－光电池的输出短路电流
1.用途
a. 作光电探测器使用 红外辐射探测器 光电读出 光电耦合
b. 作为电源使用 人造卫星 野外灯塔 微波站
§2.2 光电池
• 光电池能直接将光通量转变为电动势，实际为电压源 结构和工作原理
硼扩散层 P型电极
I
N型硅片
P-N结
电极
光电池的结构原理图
光 膜
N
－
＋
RL
光电池有方形 圆形 三角形 环形等
P－ － －
＋N ＋ ＋
P
N
mA
＋
－
＋ P
－ N
Voc
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。
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。
)d
hc
0
Φe,λ
d
（3-24）
式中是于材料有关的光谱光电转换效率，表明光电池的
最大光电转换效率与入射光的波长及材料的性质有关。
2.3 光电二极管
外形
光变化－电流变化 光电转换器
光敏特性
光输入
+
或
U
R 输出
-
（a）
（b）
光电二极管的符号与光电特性的测量电路
（a）符号 （b）光电特性的测量电路
硅光电二极管
光电二极管的伏安特性
无光 暗电流
有光 光电接收二极管
反偏状态 光电流（恒流） 光电流与照度线性关系
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。
2CU系列以N-Si为衬底， 2DU系列以P-Si为衬底 2CU系列光电二极管只有两个引出线， 而2DU系列光电二极管有三条引出线，除了前极、后极外，
这个电子层与N-Si的导电类型相同，可以使P-Si表面与N－ Si连通起来。
当管子加反偏压时，从前极流出的暗电子流，除了有PN 结的反向漏电子流外，还有通过表面感应电子层产生的漏电 子流，从而使从前极流出的暗电子流增大。
为了减小暗电流，设置一个N+-Si的环把受光面（N-Si）包 围起来，并从N+-Si环上引出一条引线（环极），使它接到比前 极电位更高的电位上，为表面漏电子流提供一条不经过负载即 可达到电源的通路。
ISO －－无光照时PN结反向饱和电流
q0 －－电子电量
K －－玻尔兹曼常数
T －－热力学温度
Voc －－光电池开路输出电压
1.光电特性
100
1.0
80
0.8
60
0.6
40
0.4
20
0.2
0
2000
4000
Ge光电池光电特性
300
0.6
200
0.4
100
0.2
0
2000
4000
Si光电池光电特性
第2章 结型光电探测器
Βιβλιοθήκη Baidu.1、光伏效应
光伏现象——半导体材料的“结” 效应例如：雪崩二极管
id is0 eeu / kBT 1
m
1.24
Ei eV
光照零偏pn结产生开路电压的效应
光伏效应
光电池
光照反偏
光电信号是光电流
结型光电探测 器的工作原理
光电二极管
2.2. 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。
2.光电池的光谱特性
相对灵敏度/％
100
80
硒
硅
60
40
20
0 4000 6000 8000 10000
波长
光电池的光谱特性
3.光电池的频率特性
100 硅光电池 80
相对光电流/％
60
40
20
硒光电池
0 1500 3000 4500 6000 7500 /Hz 光电池的频率特性
4.光电池的光电转换效率
光电二极管的用法： 光电二极管的用法只能有两种。 一种是不加外电压，直接与负载相接。 另一种是加反向电压，如图所示。
a) 不加外电源 b) 加反向外电源 c) 2DU环极接法 实际上，不是不能加正向电压，只是正接以后就与普通二
2. 硅光电池工作原理
如图3-10所示，当光作用于PN结时，耗尽区内的光生电子与空穴在内建电场力的 作用下分别向N区和P区运动，在闭合的电路中将产生如图所示的输出电流IL，且负载电 阻RL上产生电压降为U。显然，PN结获得的偏置电压U与光电池输出电流IL与负载电阻RL 有关，即
U=ILRL
（3-16）
还设了一个环极。 硅光电二极管结构示意图 2DU管加环极的目的是为了减少暗电
流和噪声。
光电二极管的受光面一般都涂有SiO2防反射膜，而SiO2中 又常含有少量的钠、钾、氢等正离子。
SiO2是电介质，这些正离子在SiO2中是不能移动的，但是 它们的静电感应却可以使P-Si表面产生一个感应电子层。