第三章结型光电器件ppt课件

精品课件第三章结型光电器件精品课件利用半导体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。精品课件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。一、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精品课件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？精品课件－－－－++++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。精品课件（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精品课件NPRL1)(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精品课件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精品课件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。精品课件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。精品课件二、硅光电池光电池主要功能是在零偏置的情况下能将光信号转换成电信号。按用途光电池可分为太阳能光电池和测量光电池20世纪以来，人类在太阳能的利用方面，主要开发3项技术：1.把太阳能转换为热能技术，如太阳能热水器、取暖器等；2.太阳能电池和太阳能电站等；3.正在进行可行性研究技术，如太阳能卫星（太空电站）。由卫星组成的太空电站可在高空轨道上大面积聚集阳光，并转换成电能，再通过微波发生器转换成微波发回地面，地面接收天线再把微波整流并送往相关电力网，供用户使用。两种转换方式?精品课件（二）分类：NP)(电极)(电极（一）硅光电池的基本结构和工作原理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：精品课件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、受光表面涂保护膜的目的精品课件（2）按结构阵列式：分立的受光面；象限式：参数相同的独立光电池；硅蓝光电池：PN结距受光面很近。精品课件光敏面光电池外形精品课件能提供较大电流的大面积光电池外形精品课件（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。精品课件（三）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。精品课件在线性测量中,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，并限制在强光照范围内使用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Voc精品课件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，适合作红外探测器精品课件由图可见：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。精品课件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。精品课件光电池应用把光能直接转化成电能，需要最大的输出功率和转化效率。1、光电池用作太阳能电池利用其光敏面大，频率响应高，光电流与照度线性变化，适用于开关和线性测量等。2、光电池用作检测元件可把受光面做得较大，或把多个光电池作串联或并联组成电池组，与镍镉蓄电池配合；可作为卫星、微波站等无输电线路地区的电源供给。精品课件柔光罩下面为圆形光电池其他光电池及在照度测量中的应用精品课件太阳能赛车太阳能电动机模型太阳能硅光电池板光电池在动力方面的应用（1）精品课件太阳能发电光电池在动力方面的应用（2）精品课件光电池在动力方面的应用（3）光电池在人造卫星上的应用精品课件（一）、光电二极管三光电二极管和光电二极管1.硅光电二极管结构及工作原理光电二极管是基于PN结的光电效应工作的，它主要用于可见光及红外光谱区。光电二极管通常在反偏置条件下工作，也可用在零偏置状态。没有光照：由于二极管反向偏置，所以反向电流很小，这时的电流称为暗电流，相当于普通二极管的反向饱和漏电流。有光照射：在二极管的PN结附近产生的电子-空穴对数量也随之增加，光电流也相应增大，光电流与照度成正比。精品课件没有光照时:由于二极管反向偏置，反向电流（暗电流）很小光照增加时:光电流Ip与光照度成正比关系UO+-NP精品课件光敏二极管符号实际上，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。光敏二极管接法硅光电二极管符号和接法精品课件国产硅光电二极管按衬底材料的不同分为:2CU系列以N-Si为衬底；2DU系列以P-Si为衬底。2CU系列光电二极管有两个引出线(前极、后极)2DU系列光电二极管有三条引出线(前极、后极和环极)2DU管加环极的目的是为了减少暗电流和噪声。硅光电二极管结构示意图精品课件2.与普通二极管相比共同点：一个PN结，单向导电性不同点：（1）受光面大，PN结面积更大，PN结深度较浅（2）表面有防反射的SiO2保护层（3）外加反偏置3.与光电池相比共同点：均为PN结，利用光伏效应，SiO2保护膜不同点：（1）结面积比光电池的小，频率特性好;（2）光生电势与光电池相同，但电流比光电池小;（3）可在零偏压下工作，常在反偏置下工作。精品课件光敏二极管阵列光敏二极管外形包含1024个InGaAs元件的线性光电二极管阵列，可用于分光镜。精品课件在N+侧开窗，引出一个电极作“集电极c”，中间的P型层引出“基极b”，也可以不引出来，在N型硅片的衬底上引出一个“发射极e”。（二）.硅光电三极管硅光电三极管具有电流放大作用，它的集电极电流受基极的光强控制。以3DU型为例讨论硅光电三极管的结构和工作原理硅光电三极管的外型有光窗,管脚有三根引线或二根引线,管型分为PNP型和NPN型。NPN型称3DU型,PNP型称3CU型。1.硅光电三极管的结构和工作原理以N型硅片作衬底，扩散硼而形成P型，再扩散磷而形成重掺杂N+层。NPN+这就构成一个光电三极管注：需保证集电结反偏，发射结正偏。UCIp精品课件集电结为反偏置发射结为正偏置Ic＝βIp＝βE·SE因此，光电晶体管的电流放大作用与普通晶体管在上偏流电路中接一个光电二极管的作用是完全相同的。发射结集电结becNNP基极发射极集电极精品课件光敏三极管外形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。精品课件四、结型光电器件的放大电路结型光电器件一般用三极管或集成运算放大器对输出信号进行放大和转换。1.结型光电器件与放大三极管的连接硅三极管和锗三极管导通时射极-基极电压大小不同，有三种不同的变换电路。锗三极管放大光电流硅三极管放大光电流注意:三种电路都以三极管发射结的正向电阻作为硅光电池的负载，因此硅光电池几乎是工作在短路状态，从而获得线性工作特性的。UO-10V1k3AX42CR2CRUO+10V1k3DG6UO+15V1k3DG72CR2AP71k精品课件2.结型光电器件与运算放大器的连接集成运算放大器因结构简单、使用方便而广泛应用于光电变换器件中。光电二极管与运算放大电路的连接方式有三种方式(1)电流放大型IC变换电路：运算放大器两输入端间的输入阻抗Zin是硅光电二极管的负载电阻；由于电流放大器输入阻抗低,响应速度快,噪声低,信噪比高,广泛用于弱光信号的变换中fRIUSCOUO-+ARfCf当运放的放大倍数和反馈电阻较大时,可以认为硅光电二极管是处于短路工作状态,能输出理想的短路电流,这时运算放大器输出为:精品课件(2)电压放大型IC变换电路OCOUAU121RRRA)/ln(OEOCIESqkTAURLR2R1UO-+A硅光电二极管与负载电阻RL并联且硅光电二极管的正端接在运算放大器的正端；放大器的漏电流比光电流小得多,具有很高的输入阻抗.当负载电阻大于1M时,运行于硅光电池下的光电二极管处