第 3 章光生伏特器件

第3章光生伏特器件

3.1 硅光电二极管 硅光电二极管是最简单、最具有代表性的光生伏特器件，其中，PN结硅光电二极管为最基本的光生伏特器件。 3.1.1 硅光电二极管的工作原理

1.光电二极管的基本结构 2DU型--以P型硅为衬底的光电二极管 2CU型--以N型硅为衬底的光电二极管

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。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，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。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。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。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。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。 2CU管子，因为是以N-Si为衬底，虽然受光面的SiO2防反射膜中也含有少量的正离子，而它的静电感应不会使N-Si表面产生一个和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极管一样，只有单向导电性，而表现不出它的光电效应。

2.光电二极管的电流方程 无辐射时，电流方程为 ID为U为负值（反向偏置时）且 >> 时(室温下kT/q≈0.26mV，很容易满足这个条件)的电流，称为反向电流或暗电流。

光辐射时，光电二极管的全电流方程为： 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。

3.1.2 光电二极管的基本特性 光电二极管的工作区域：第3象限与第4象限光生伏特器件的工作模式: 第三象限：光电导模式第四象限：光伏模式

在光电技术中常采用重新定义电流与电压正方向的方法把特性曲线旋转成如图3-4所示。重新定义的电流与电压的正方向均以PN结内建电场的方向相同的方向为正向。在光电技术中常采用重新定义电流与电压正方向的方法把特性曲线旋转成如图3-4所示。重新定义的电流与电压的正方向均以PN结内建电场的方向相同的方向为正向。 1.光电二极管的灵敏度定义：光电二极管的光电转换特性的线性关系。（3-3）

必须指出，电流灵敏度与入射辐射波长λ的关系是复杂的，定义光电二极管的电流灵敏度时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度。上式表面上看它与波长λ成正比，但是，材料的吸收系数α还隐含着与入射辐射波长的关系。因此，常把光电二极管的电流灵敏度与波长的关系曲线称为光谱响应。必须指出，电流灵敏度与入射辐射波长λ的关系是复杂的，定义光电二极管的电流灵敏度时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度。上式表面上看它与波长λ成正比，但是，材料的吸收系数α还隐含着与入射辐射波长的关系。因此，常把光电二极管的电流灵敏度与波长的关系曲线称为光谱响应。

光电二极管的光谱响应定义为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称为其光谱响应。光电二极管的光谱响应定义为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称为其光谱响应。 • 3. 光谱响应图3-5为几种典型材料的光电二极管光谱响应曲线。典型硅光电二极管光谱响应长波限为1.1μm左右，短波限接近0.4μm，峰值响应波长为0.9μm左右。

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：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： • 4. 时间响应 1) 在PN结区内产生的光生载流子渡越结区的时间，称为漂移时间记为τdr=W/Vd；ns数量级。 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，称为扩散时间记为τp；约为100ns，它是限制PN结硅光电二极管时间响应的主要因素。 3) 由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τRC。 ns数量级

（3-5） 由以上分析可见，影响PN结硅光电二极管时间响应的主要因素是PN结区外载流子的扩散时间τp，如何扩展PN结区是提高硅光电二极管时间响应重要措施。增高反向偏置电压会提高内建电场的强度，扩展PN结的耗尽区，但是反向偏置电压的提高也会加大结电容，使RC时间常数τRC增大。因此，必须从PN结的结构设计方面考虑如何在不使偏压增大的情况下使耗尽区扩展到整个PN结器件，才能消除扩散时间。

低频噪声Inf、散粒噪声Ins和热噪声InT等3种噪声。低频噪声Inf、散粒噪声Ins和热噪声InT等3种噪声。散粒噪声是光电二极管的主要噪声，低频噪声和热噪声为其次要因素。 • 4. 噪声散粒噪声是由于电流在半导体内的散粒效应引起的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，因此散粒噪声应为

根据电流方程，并考虑反向偏置情况，光电二极管电流与入射辐射的关系 ，得到再考虑负载电阻RL的热噪声目前，用来制造PN结型光电二极管的半导体材料主要有硅、锗、硒和砷化镓等，用不同材料制造的光电二极管具有不同的特性。

3.2 其他类型的光生伏特器件 • 3.2.1 PIN(Positive-Intrinsic-Negative)型光电二极管为了提高PN结硅光电二极管的时间响应，消除在PN结外光生载流子的扩散运动时间，常采用在P区与N区之间生成I型层，PIN结构的光电二极管与PN结型的光电二极管在外形上没有什么区别。 PIN光电二极管在反向电压作用下，耗尽区扩展到整个半导体，光生载流子只产生漂移电流，因此它的时间响应只取决于τ与τRC，在10-9s左右。

PIN管是光电二极管中的一种。是在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。这样，PN结的内电场就基本上全集中于I层中，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小。由式τ = CjRL与f = 1/2πτ知，Cj小，τ则小，频带将变宽。因此，这种管子最大的特点是频带宽，可达10GHz。另一个特点是，因为I层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，线性输出范围宽。加入I层目的：（1）产生尽可能高的响应速度（2）产生尽可能高的响应度，产生尽可能多得电子-空穴对

由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会使耗尽层宽度增加，从而结电容要进一步减小，使频带宽度变宽。由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会使耗尽层宽度增加，从而结电容要进一步减小，使频带宽度变宽。 • 所不足的是，I层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安，灵敏度低。 • 目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅片上并封装于一个管壳内的商品出售。

3.2.2 雪崩光电二极管（Avalanche Photodetector:APD） 1.结构（a）在P型硅基片上扩散杂质浓度大的N+层，制成P型N结构；（b）在N型硅基片上扩散杂质浓度大的P+层，制成N型P结构（c）PIN型雪崩光电二极管： PIN型雪崩光电二极管是在PN结之间除了I层之外还增加了一个很薄的p层，这就是雪崩增益区。

由于PIN型光电二极管在较高的反向偏置电压的作用下耗尽区扩展到整个PN结结区，形成自身保护（具有很强的抗击穿功能），因此，雪崩光电二极管不必设置保护环。市场上的型雪崩光电二极管基本上都是PIN型雪崩光电二极管

2.工作原理 光吸收区雪崩区电离产生的载流子数远大于光激发产生的光生载流子数，这时雪崩光电二极管的输出电流迅速增加，其电流倍增系数M定义为 I---倍增输出的电流，I0---倍增前输出的电流。

M ∞ 雪崩倍增系数M与碰撞电离率有密切的关系。碰撞电离率表示一个载流子在电场作用下，漂移单位距离所产生的电子—空穴对数目。实际上电子电离率α和空穴电离率α 是不完全一样的，它们都与电场强度有密切关系。由实验确定，电离率与电场强度E可以近似的写成以下关系式中,A、b、m都为与材料有关系数。假定α=α=α时， XD为耗尽层的宽度。上式表明，当

雪崩击穿条件： 物理意义：在强电场作用下，当通过耗尽区的每个载流子平均能产生一对电子—空穴时，就发生雪崩击穿现象。当M—∞时，PN结上所加的反向偏压就是雪崩击穿电压UBR。实验发现，在略低于击穿电压时，也发生雪崩倍增现象，不过M 较小，这时M随反向偏压U的变化可用经验公式近似表示

当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生所谓的自持雪崩。当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生所谓的自持雪崩。这种管子响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光电二极管。噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无法使用。

从图3-8所示的伏-安特性曲线可以看出，在雪崩击穿点附近电流随偏压变化的曲线较陡，当反向偏压有较小变化时，光电流将有较大变化。从图3-8所示的伏-安特性曲线可以看出，在雪崩击穿点附近电流随偏压变化的曲线较陡，当反向偏压有较小变化时，光电流将有较大变化。

由于雪崩光电二极管中载流子的碰撞电离是不规则的，碰撞后的运动方向更是随机的，所以它的噪声比一般光电二极管要大些。在无倍增的情况下，其噪声电流主要为如式（3-6）所示的散粒噪声。当雪崩倍增M倍后，雪崩光电二极管的噪声电流的均方根值可近似由下式计算。由于雪崩光电二极管中载流子的碰撞电离是不规则的，碰撞后的运动方向更是随机的，所以它的噪声比一般光电二极管要大些。在无倍增的情况下，其噪声电流主要为如式（3-6）所示的散粒噪声。当雪崩倍增M倍后，雪崩光电二极管的噪声电流的均方根值可近似由下式计算。 • 3.噪声式中指数n与雪崩光电二极管的材料有关。对于锗管，n=3；对于硅管为2.3<n<2.5。显然，由于信号电流按M倍增加，而噪声电流按Mn/2倍增加。因此，随着M增加，噪声电流比信号电流增加得更快。

3.2.3 硅光电池（不需要加偏压的PN结） 硅光电池的类型（按功能分）：太阳能光电池和测量光电池。硅光电池的类型（衬按底材料）：2DR型和2CR型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。

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。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。 • 1. 硅光电池的基本结构和工作原理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。

2. 硅光电池工作原理 光电二极管的工作区域：第3象限与第4象限光生伏特器件的工作模式: 第三象限：光电导模式第四象限：光伏模式

2. 硅光电池工作原理 U=ILRL 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。

负载电阻RL所获得的功率： PL=ILU 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

3. 硅光电池的输出功率 负载所获得的功率为PL=IL2RL 当RL=0（电路为短路）时，U=0，输出功率PL=0；当RL=∞（电路为开路）时，IL=0，输出功率PL=0； ∞>RL>0时，输出功率PL＞0。存在最佳负载电阻Ropt情况下,负载可以获得最大的输出功率Pmax。

通过对PL求关于RL的1阶倒数，当RL=Ropt时，求得最佳负载电阻Ropt的阻值。通过对PL求关于RL的1阶倒数，当RL=Ropt时，求得最佳负载电阻Ropt的阻值。在实际工程计算中，常通过分析图3-11所示的输出特性曲线得到经验公式，即，当负载电阻为最佳负载电阻时，输出电压U=Um Um =(0.6~0.7)Uoc 而此时的输出电流近似等于光电流，即 S -------硅光电池的电流灵敏度。 i

硅光电池的最佳负载电阻Ropt为 (3-22) 从上式可以看出硅光电池的最佳负载电阻Ropt与入射辐射通量有关，它随入射辐射通量的增加而减小。负载电阻所获得的最大功率为 Pm= ImUm=(0.6~0.7)UocIp (3-23)

4.光电池的光电转换效率 （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。

3.2.4 光电三极管 NPN结构：用N型硅材料为衬底制作（3DU型）， PNP结构：用P型硅材料为衬底制作（3CU型）

1. 工作原理 光电转换：光照射在集电极上产生电子－空穴对，集电极反向偏置，光生电子漂移到集电极，光生空穴漂移到基区，形成光电流。光电流放大：光生电动势是基极与发射极间电压升高，于是发射极有大量电子经基极流向集电极，实现光电流的放大。

光生电流为 集电极输出的电流为光电三极管的电流灵敏度是光电二极管的β倍。光电二极管的电流Ip被三极管放大β倍。为提高光电三极管的增益，减小体积，常将光电二极管或光电三极管及三极管制作到一个硅片上构成集成光电器件。

2. 光电三极管特性 1）伏安特性

２）光电特性 • 呈现一定的非线性，原因是　　不是常数，在小电流和大电流时　　都要下降

３）时间响应（频率特性）

表明光电三极管的等效电路是在光电二极管的等效电路基础上增加了电流源Ic和基射结电阻Rce、电容Cce、输出负载电阻RL。表明光电三极管的等效电路是在光电二极管的等效电路基础上增加了电流源Ic和基射结电阻Rce、电容Cce、输出负载电阻RL。选择适当的负载电阻，使其满足RL＜Rce，这时可以导出光电三极管电路的输出电压为光电三极管的时间响应由以下四部分组成： ① 光生载流子对发射结电容Cbe和集电结电容Cbc的充放电时间； ② 光生载流子渡越基区所需要的时间； ③ 光生载流子被收集到集电极的时间； ④输出电路的等效负载电阻RL与等效电容Cce所构成的RC时间；总时间常数为上述四项和。

由于硅光电三极管具有电流放大功能，所以硅光电三极管的暗电流Id和亮电流IL受温度的影响要比硅光电二极管大得多，随着温度的升高暗电流增长很快；由于硅光电三极管具有电流放大功能，所以硅光电三极管的暗电流Id和亮电流IL受温度的影响要比硅光电二极管大得多，随着温度的升高暗电流增长很快； • ４）温度特性光电三极管亮电流IL随温度的变化比光电二极管亮电流IL随温度的变化快。

硅光电二极管与硅光电三极管具有相同的光谱响应。图3-18所示为典型的硅光电三极管3DU3的光谱响应特性曲线，它的响应范围为0.4~1.0μm，峰值波长为0.85μm。对于光电二极管，减薄PN结的厚度可以使短波段波长的光谱响应得到提高，因为PN结的厚度减薄后，长波段的辐射光谱很容易穿透PN结，而没有被吸收。硅光电二极管与硅光电三极管具有相同的光谱响应。图3-18所示为典型的硅光电三极管3DU3的光谱响应特性曲线，它的响应范围为0.4~1.0μm，峰值波长为0.85μm。对于光电二极管，减薄PN结的厚度可以使短波段波长的光谱响应得到提高，因为PN结的厚度减薄后，长波段的辐射光谱很容易穿透PN结，而没有被吸收。 • ５）光谱响应短波段的光谱容易被减薄的PN结吸收。因此，可以制造出具有不同光谱响应的光伏器件，例如蓝敏器件和色敏器件等。蓝敏器件是在牺牲长波段光谱响应为代价获得的（减薄PN结厚度，减少了长波段光子的吸收）。

3.2.5 色敏光生伏特器件 色敏光生伏特器件是根据人眼视觉的三原色原理，利用不同结深PN结光电二极管对不同波长光谱灵敏度的差别，实现对彩色光源或物体进行颜色的测量。色敏光生伏特器件具有结构简单、体积小、重量轻，变换电路容易掌握，成本低等特点被广泛应用于颜色测量与颜色识别等领域。例如彩色印刷生产线中色标位置的判别，颜料、染料的颜色测量与判别，彩色电视机荧光屏彩色的测量与调整等等，是一种非常有发展前途的新型半导体光电器件。

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