光电子器件介绍

1.光电导长度对光电流的影响()ppnpAAIUgUUqnLLout2()npqUNLininNN=:outoutVnpgNNV，：入射的光子数，：量子效率，产生的载流子数知识回顾EgSpg2=(1)=pgPgASqbEhvVXX（）（总照度ES）EWL2.光电导灵敏度定义光电导灵敏度为Sg:单位入射的光功率所产生的光电导提高增益的措施：增加载流子的寿命光电导增益：表示长度为L的光电导体两端加上电压后，单位时间内流过外电路的载流子数与内部产生的载流子数比值。drMt3.光电导增益2()()ppnnppoutIIUMorqNLqh4.光电导惰性弱光t0(off)0(on)n上升下降0n双曲线强光0[1exp()][1exp()]nnntngtn0exp()ntnn稳定前：撤光后：11221122()tanh[()]()tanh[()]gngrtrggrtrtgrrgrtgrn212121)(11)()(1稳定前：撤光后：光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流是要经过一定时间的。同样光照停止后光电流也是逐渐消失的。这些现象称为弛豫过程或惰性。5.前历效应是指光敏电阻的响应特性与工作前的“历史”有关的一种现象。前历效应有暗态前历效应与亮态前历效应之分。第三章结型光电器件知识准备1.费米能级EF：反映电子的填充水平，是电子统计规律的一个基本概念。2.费米分布函数：电子达到热平衡时，能量为E的能级被电子占据的几率。3.金属，半导体和绝缘体的能带及费米能级在能带中的位置：()/1()1FEEkTfEe4.金属半导体接触：半导体器件必须与外部电路相连接，这种连接是通过金属—半导体结来实现的，这种金属—半导体结称为金属半导体接触。4.1金属的功函数Wm：金属的功函数表示为一个起始能量等于费米能级的电子，由金属内部逸出到真空中所需要的最小能量。功函数的大小标志着电子在金属中束缚的强弱，功函数越大，电子越不容易离开金属。4.2真空能级E0：电子达到完全自由而不受核的作用时所具有的能级。4.3半导体的功函数Ws：半导体的功函数是把一个起始能量等于费米能级的电子，由内部逸出到真空中所需要的最小能量。4.4半导体的电子亲和能χ：亲和能表示要使半导体导带底的电子逸出体外所需的最小能量。对半导体而言，二者之差是指导带底部与费米能级的能量差。半导体-金属正压，反偏，势垒增大，无电流；金属-半导体正压，正偏，势垒减小，有电流。肖特基接触所以栅极一般情况下加负偏压欧姆接触金属-半导体正压，正偏半导体-金属正压，反偏ee本章主要内容：3.1结型光电器件的工作原理3.2光电池;3.3光电二极管，光电晶体管；3.4象限式光电器件；3.5PIN管；3.6位置敏感探测器(PSD)；3.7雪崩光电二极管；利用半导体PN结光伏效应制成的器件称为光伏器件，也称结型光电器件。光电池、光电二极管、光电晶体管、光电场效应管、PIN管、雪崩光电二极管、光可控硅、阵列式光电器件、象限式光电器件、位置敏感探测器、光电耦合器件等。光伏探测器的工作特性要复杂一些。通常有光电池和光电二极管之分，也就是说光伏探测器有着不同的工作模式。因此在具体讨论光伏探测器的工作特性之前，首先必须弄清楚它的工作模式问题。2.1结型光电器件的工作原理为了便于理解在后面将要引入的光伏探测器的等效电路，有必要先讨论一下光伏探测器的光电转换规律。PN结光伏探测器的典型结构如图所示。2.1结型光电器件工作原理mA为了说明光功率转换成光电流的关系，设想光伏探测器两端被短路，并用一理想电流表记录光照下流过回路的电流，该电流为短路光电流0IeIIkTqUoD（一）热平衡状态下的PN结P型材料和N型材料紧密接触，在交界处就形成PN结在热平衡条件下，PN结中净电流为零如果有外加电压时结内平衡被破坏，此时流经PN结的电流方程？ID与外加电压有关当U=0时？当U0时？当U0时？P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。PN结的形成漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区电位VV0－－－－++++RE（1）.PN结正向偏置内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。（2）.PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。RE（３）PN结的电流方程PN结V-I特性表达式其中：iD/mA1.00.5–0.5–1.00.501.0D/VPN结的伏安特性)e(I)e(IiTVSkTqSDDDuu11在常温下（T=300K）：V026.0qkTVTmV26uD——外加电压VT=kT/q——温度的电压当量IS——反向饱和电流（其中玻尔兹曼常数k=1.38×10-23J/K，电子电量q=1.6×10-9C，则VT=T/11600V）当外加正向电压，uDUT时，，PN结为正向导通状态。TVSDTVDDuueIi,e1当外加反向电压，uDUT时，，PN结为反向截止状态。SDTVIi,eDu1NPRL1)(e0PDPLkTqUIIIII(二).光照下的PN结ID假定光生电子-空穴对在PN结的结区内产生。由于内电场作用，电子从P区向N区漂移运动，被内电场分离的电子和空穴就在外回路中形成电流。UIP+-流过负载的电流产生的压降，对PN结来说就好像是一个正偏置，从而产生正向电流！自偏置IP与光照有关，随着光照增大而增大开路电压短路电流不同光照下的伏安特性曲线光伏效应有两个重要参数:当负载电阻短路(即RL=0)时，光生电压接近于零，流过器件的电流叫短路电流，用Isc表示ESIIEpsc当负载电阻RL断开(IL＝0)时，P端对N端的电压称为开路电压，用Uoc表示)1ln(0IIqkTUpoc)ln()ln(00IESqkTIIqkTUEpoc开路电压和短路电流不同光照下的伏安特性曲线1)(e0PDPLkTqUIIIII跟反向饱和电流方向相同•第一象限是正偏压状态，id本来就很大，所以光电流不起重要作用。作为光电探测器，工作在这一区域没有意义。•第三象限，是反偏压状态。这时id=iO，它是普通二极管中的反向饱和电流，现在称为暗电流(对应于光功率P=0)，数值很小，这时的光电流(等于i-iO)是流过探测器的主要电流，这对应于光导工作模式。不同光照下的伏安特性曲线1)(e0PDPLkTqUIIIII跟反向饱和电流方向相同•在外偏压为零或第四象限。流过探测器的电流仍为反向光电流，随着光功率的不同，出现明显的非线性。•这时探测器的输出是通过负载电阻RL上的电压或流过RL上的电流来体现，因此，称为光伏工作模式。通常把光伏工作模式的光伏探测器称为光电池。通常把光伏工作模式的光伏探测器称为光电池。在零偏置的开路状态，结型光电器件产生光生伏特效应，称为光伏工作模式。在反偏置状态，无光照时结电阻很大，结电流很小；有光照时，结电阻变小，电流变大，而且流过它的光电流随照度变化而变化，称为光电导工作模式。通常把光导工作模式的光伏探测器称为光电二极管，因为它的外回路特性与光电导探测器十分相似。不同光照下的伏安特性曲线一般硅光电池工作在第三四象限的交界处。若反偏，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。1)(e0PDPLkTqUIIIII跟反向饱和电流方向相同（二）分类：1、金属-半导体接触型（肖特基结）（硒光电池）；2、PN结型（硅光电池）。2DR（P型Si为基底）2CR（N型Si为基底）透明的二氧化硅保护膜：防潮、增加对入射光的吸收（1）按基底材料来分：2.2硅光电池的基本结构和工作原理)(电极)(电极NP硅光电池的受光面的输出电极多做成梳齿状或“E”字型电极，其目的是便于透光和减小硅光电池的内电阻。图2DR型硅光电池，它是以P型硅为衬底，然后在衬底上扩散磷而形成N型层并将其作为受光面。•注意：•1、上、下电极区分•2、上电极栅指状目的•3、受光表面涂保护膜的目的)(PN)(SiP)(前极上电极)(后极下电极)(a)(BP)(SiN)(b（2）按结构阵列式：分立的受光面；象限式（激光制导）：参数相同的独立光电池；硅蓝光电池（探测蓝紫光）：PN结距受光面很近。光敏面光电池外形能提供较大电流的大面积光电池外形（3）按用途太阳能光电池：用作电源（效率高，成本低）；测量用光电池：探测器件（线性、灵敏度高等）。（4）按材料硅光电池：光谱响应宽，频率特性好；硒光电池：波谱峰值位于人眼视觉内；薄膜光电池：CdS增强抗辐射能力；紫光电池：PN结0.2~0.3µm,短波峰值600nm。硅光电池的特性参数光照特性有伏安特性、照度-电流电压特性和照度-负载特性。1.光照特性特性参数主要有：光照特性、光谱特性、频率特性、温度特性不同照度时的伏-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伏安特性：表示输出电流和电压随负载电阻变化的曲线。在线性测量中,光电池常以电流形式使用,因此短路电流的这种线性关系是光电池重要的光照特性这就是硅光电池的开路电压和短路电流与光照的关系,由此图可看出什麽?当RL=∞(开路)时，光电池的开路电压，以Voc表示)1ln(0IIqkTVpoc)/ln()/(0IIqkTVpocESIIEpsc当RL＝0时所得的电流称为光电池短路电流，以Isc表示实际应用时，都接负载，光电池光照与负载的特性曲线在要求输出电流与光照度成线性关系时，负载电阻在条件许可的情况下越小越好，并限制(禁止)在强光照范围内使用几种常见光电池的相对光谱响应曲线:硒光电池与人眼视见函数相似，砷化镓量子效率高，噪声低，响应在紫外区和可见光区。2CR型硅光电池的光谱曲线，其响应范围为0.4～1.1μm，峰值波长为0.8～0.9μm，是非常适合人眼的光电池2.光谱特性光谱响应特性表示在入射光能量保持一定的条件下，光电池所产生的短路电流与入射光波长之间的关系，一般用相对响应表示。线性测量中，要求光电池有高的灵敏度和稳定性，同时要求与人眼视见函数有相似的光谱响应特性。锗光电池长波响应宽，适合作红外探测器由图可见：负载大时频率特性变差，减小负载可减小时间常数τ，提高频响。但是负载电阻RL的减小会使输出电压降低，实际使用时根据具体要求而定。3.频率特性对矩形脉冲光，用光电流上升时间常数tr和下降时间常数tf来表征光电流滞后于光照的程度；对正弦型光照常用频率特性曲线表示结型光电器件，PN结内载流子的扩散、漂移，产生与复合都需要一定的时间，当光照变化很快时，光电流变化就滞后于光照变化。右图为硅光电池的频率特性曲线。4．温度特性光电池的温度特性曲线主要指光照射时它的开路电压Uoc与短路电流Isc随温度变化的情况。光电池的温度特性曲线如图所示从图知：开路电压Uoc随着温度的升高而减小,其值约为2～3mV/oC;从图知：短路电流Isc随着温度的升高而增大，增大比例约为10-5～10-3mA/oC数量级。为什么？因为反向饱和电流也增大。光电池应用把光能直接转化成电能，需要最大的输出功率