结型光电探测器

e(UD+U) EF
I0
加反向电场时 的势垒宽度

加正向电压的结构与能带
加反向电压的结构与能带
P
N


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。

通常在用单片光电池组装成电池组时，可以采 用增加串联片数的方法来提高输出电压，用增 加并联片数的方法来增大输出电流。 为了在无光照时仍能正常供电，往往把光电池 组和蓄电池装在一起使用，通常，把这种组合 装置称为太阳能电源。
D RL
D RL

RL是负载电阻，D是防逆流二极管。因为辐照度减弱会 造成光电池组输出电压降低，加了防逆流二极管可以阻 止蓄电池对光电池放电。
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，此时电流 光电流 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，电流为负值， P 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。

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。


连续改变负载电阻值，就 得到一条输出电压与电流 的关系曲线，这就是伏安 特性曲线。 交点(Uoc, 0)代表开路情 况，RL=∞，Uoc称为开路 电压，交点（0，Isc）代 表短路情况，Isc称为短路 电流。
I Isc E4 E3 E2 E1 Uoc U
4．转换效率
当RL增大，输出电压增大，RL愈大，
U愈接近Uoc， 当RL→∞ 时，U= Uoc。 当RL→0时,即短路时，I=Isc。

I Isc E4 E3 E2 E1 Uoc U
负载电阻RL越小，输出的电流愈大，


对于输出的功率P=IU，对其求极值，可以 获得光电池存在一个最大输出功率Pm，此 时对应的最佳负载电阻RLm，对应的电流 Imp和电压为Ump。 Pm=Ump· Imp 通常定义光电池的转换效率η：光电池输 出的最大功率与入射光功率的比值。 它表示了光电池把光转变为电信号的能力。
3．伏安特性 PN结作光电池用时，在有光照条件下，光电流与电压 的关系，实际上是指输出I=Ip-Ij与输出电压u之间的函 数关系
I I P N RL 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
I U / RL I P I 0 (eeU / kT 1)
Ip I kT U ln(1 ) e I0
(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。
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
栅状 上电极 前极 SiO2保护膜 N P
N-Si P-Si
下电极Al 后极
P N
2DR
+U
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
N
电流方向+ 加电场时的 势垒宽度
e(UD-U) eUD
EF
不同光照下的伏安特性曲线 一般硅光 电池工作在第 四象限。若硅 光电池工作在 反偏置状态， 则伏安特性将 延伸到第三象 限 普通二极管工作在第一象限；光电二极 管工作在第三象限，否则没有光电效应。
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。
Ec EFn Ev
1 U D ( EFn EFp ) e
eUD EF
EF Ev 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 外加电场 内建电场
P
N
电流方向+
P
N
电流方向-
+U
加电场时的 势垒宽度
e(UD-U) eUD
-U
不加电场时 的势垒宽度
eUD I1
EF I1 I0
不加电场时 的势垒宽度
2.1.2 PN结光生伏特效应
光 P
Ec EFp Ev Ec EF Ev 漂移 扩散 内建电场E
P N
Ec EFn Ev 漂移 扩散
PN结 内建电场
N
eUD EF
Eg eUD EF
h
e(UD-U)
h
eU
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。 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。
输出最大功率 入射光功率
5．频率特性


100 80
I(%)
RL=1kΩ 10kΩ 100kΩ
光电池作为探测器使用时，由于载流子在 PN结区内扩散、漂移、产生、复合都要有 一个时间驰豫过程，所以当光照变化很快 时，光电流就有滞后于光照变化的现象。 光电池的频率响应除了载流子运动的内在 因素外，还与材料、结构、光敏面的大小 及使用条件有关。
Uoc(mV)
2.0
1.9
1.8
0
20
40 60 T( oC)
80
100
Isc(mA)
7．太阳能光电源装置

由于太阳能量的重要性，光电池要将太阳能直接转 变成电能供给负载。 单片光电池的电压很低，输出电流很小，因此不能 直接用作负载的电源。一般要把很多片光电池组装 成光电池组作为电源使用。

Fra Baidu bibliotek
10 100
10 102 103
I(mA)
10-1 10-2 10-3 10-4
10
100
101
102
103
104
E (lx)
2．光谱特性
光电池的光谱特性主要取决于所采用的材料与制作工 艺，同时也与温度有关，
1 硒光电池的光谱特性 2 硅光电池的光谱特性
1 硅蓝光电池的光谱特性曲线 2 硅普通光电池的光谱特性曲线
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
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

IP与单色辐射的光功率P可写成：Ip=RλP Rλ——光谱灵敏度。 光谱灵敏度与光的入射方式有关，是一个复杂 的关系式。 为了计算使用简单，光生电流IP与入射单色辐 射的功率P可简写为如下的关系：
P I p e hv
2.2.3 光电池的主要特性
1．光照特性 是指光电池的光生电动势，光电流与照度的关系。
2.1.1 PN结
P N


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：
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 EFp Ev Ec 漂移 扩散
结电流=扩散电流-漂移电流
I j I0eeU / kT I0 I0 (eeU / kT 1)
外电路的电流I： 开路电压Uoc： 短路电流Isc：
I I p I 0 (e eu / kT 1)
uoc Ip kT ln( 1) e I0
I sc I p R

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
激光
阵列式
象限式

光电池的符号、连接电路
I I P N RL Ip Ij

太阳能光电池材料有：单晶硅、多晶硅、非晶 硅、CdS、GaAlAs/GaAs等太阳能光电池， 现在单晶硅太阳能电池的效率达10%~22%， 并聚光后，效率可达26%~28%，已获得了广 泛的应用。
2.3 光电二极管

光电二极管是一种重要的光电探测器，广泛用 于可见光和红外辐射的探测，本质是二极管， 根据光生伏特效应工作，属于结型器件。




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。
60 40 20 102 103
f(Hz)
104
如图2-16，负载电阻越大，时间响应越差。 光敏面积越大，频率特性变差， 光照越弱，频率特性越差，因为在高频交变光照下，光电
池的响应时间由PN结电容和负载电阻所决定， PN结阻挡层的面积越大，极间电容越大，因而频率特性变 差。 如要求有较好频率特性，需选用小面积的光电池，以使它 的结电容减小或者减小负载电阻。
电流I
无光照 有光照Ⅰ 有光照Ⅱ
饱和电流
暗电流 电压U 开路光电压Uoc
光电流 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。 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。 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。
4 3 2 1 2000 Isc 6000 10000 E(lx) uoc 0.4 0.3 0.2 0.1 0.3 Isc 0.2 (mA/cm2) 0.1 0.4 0.3 u (V) oe 0.2 0.1 1000 3000 5000 E(lx)
硅光电池
硒化电池



当RL=0时，外电路短路，电流 全部流过外电路Ip=Isc，光电流 随着光照而变化，故I与光照E成 正比。 一定负载下，随着E增加，I出现 非线性，负载越大，线性范围愈 小，非线性愈严重。 因此，作为探测器用的光电池， 为保证测量呈较好的线性，应选 择较小的负载电阻，如5Ω的串 联电阻。
6．温度特性


光电池许多参数都与温度有关， 一般光电池的参数都是在30℃ 600 条件下测得的。T升高，Uoc减 小到3mV/℃，具有负温度系数， 400 T升高，Isc上升到10-5 ~ 103mA/℃，具有正的温度系数， 200 如图2-17。 光电池受强光照射时，必须考 -20 虑光电池的工作温度。因为硒 光电池的结温超过50℃，硅光 电池超过200℃时，它们的晶格 就受到破坏，导致器件的破坏。