第四节 半导体结型光电器件讲解

（ａ）开路电压：
RL ,
IL 0
VOC
（ｂ）短路电流：
I kT ln( P 1) q I0
RL 0,
VL 0
I SC I P SE E
②照度－电流电压特性：
由上面分析可知： （ａ）光电池的短路电流Isc 与入射光照度正比．
I sc E
（ｂ）开路电压Voc与光照度 的源自数成正比．高低（3）光敏面积不同： 硅光电二极管的光敏面比光电池的光敏面小得多，因此 硅光电二极管的光电流小得多，通常在µA级。
3.工作原理：
E
（1）P-N结在反向电压偏置下，内建电场加强。P-N结空间电荷区 拉宽，势垒增大。 （2）无光照时，流过P-N结的电流（称为反向饱和电流或暗电流）很 小，它是少数载流子的漂移运动形成的，电导率很小。 （3）当有光照时，满足条件hγ≥ΔEg,在结区内产生的光生载流子被 内建电场拉开，电导率增大，在外加电场的作用下形成以少数载 流子漂移运动为主的光电流。光照越强，光生载流子越多，电导 率越大，光电流就越大。反之，则光电流越小。
电极：多做成梳齿状，目的便于透光和减小串联电阻； SiO2层: 1. 防潮保护， 2. 增透；
２、工作原理：
（１）开路状态：光生伏特效应。
Ｖoc：光生电压。
（２）外接负载ＲL：
光电池的电流方程：
I L I P I D I P I 0 eqV

kT
1

I0－反向饱和电流，是光电池反向偏压后出现的暗电流。
光电池：是一种不需外加偏压，能把光能直接转换成电能的Ｐ-Ｎ结
光电器件。
太阳能光电池： 主要用作电源，要求转换效率高，成本低。 按用途 分类 测量用光电池： 用于光电探测，要求：线性范围宽，灵敏度
高，光谱响应合适，稳定性好，寿命长。
（一）硅光电池的基本结构和工作原理
１、基本结构： 2DR：Ｐ型硅作基底，Ｎ型薄膜为受光面； 2CR：Ｎ型硅作基底，Ｐ型薄膜为受光面；
（二）硅光电池的特性参数
１、光照特性
伏安特性，照度－电流电压特性和照度－负载特性。
①伏安特性： 表示输出电流和电压随负载电阻变化的曲线。
硅光电池的电流方程为：
I L I P I0 (eqV / kT 1) SE E I0 (eqV / kT 1)
SE－光电灵敏度 E－光照度
SiO2层：①保护层
②增透；
电极：有三根引线的， 也有二根引线的；
．
３、频率特性：
(1)对于结型光电器件,由于载流子在P-N结区内的扩散、漂移、产生与 复合都要有一定时间,所以当光照变化很快时光电流就滞后于光照变化。 时间常数:
RL C j ,
Cj ù 0S SP N d
其中结型电容:
要获得快速响应,应使
小:
①使用小的负载; ②选用小面积光电池；
Se E Voc ln I 1 D
③照度－负载特性：
(a) 短路电流Isc与入射光照
度成线性关系，是光电池的
重要光照特性。 (b) 实际使用中接有负载，
RL≠0, 当Ｅ较大时，出现非
线性饱和。 (c) RL增大，线性范围减小。
因此，在线性测量中，负载
电阻在条件许可的情况下越 小越好。
４．基本输出：
（二）硅光电三极管的结构及工作原理：
１．基本结构：
硅光电三极管既具有光电二极管的作用，又具有普通晶体三极 管的电流放大作用，因而它内增益大，输出光电流大（mＡ级）。
３ＤＵ： ＮＰＮ型， 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；
３ＣＵ： ＰＮＰ型，以Ｐ型硅作基底材料；
２、光谱特性：
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。
长波限：取决于材料的禁带宽度Eg； 短波：受材料表面反射损失的限制；
①普通２ＣＲ型光电池：０.４～１.１ m ，峰值波长：０.８～０.９ m ②兰硅光电池２CR1133、 ２CR1133-01：在线性测量中，对硅光电池的要 求，不仅要有高的灵敏度和稳定性，同时还要求与人眼的视见函数有相似 的光谱响应特性．对紫兰光有较高的灵敏度．
(2)若光电池接收正弦型光照时，常用频率特性曲线表示：
RL
f 1 2
(3)负载的选择： ①RL小：线性好； ②RL小：频响提高； ③RL小：输出电压低； 综合考虑
三. 硅光电二极管和硅光电三极管
(一)硅光电二极管
1.基本结构:
{
2DU: 轻掺杂,高阻值的P型硅作基底，在基底上扩散五价 元素磷,形成重掺杂N 型层； 2CU: 以N型硅材作基底,在基底上扩散三价硼而生成重掺杂P型层；
２、光照下Ｐ-Ｎ结光电器件的伏安特性：
反向偏压Ｖｂ
Ｅ 增 大
３、结型器件的材料：
暗电流小,噪声低； 受温度影响小； 制造工艺简单；
硅Si
优点
Ｐ-Ｎ结材料种类
硒Se 砷化镓GaAs
锗Ge
硅器件是目前应用最广泛的结型器件，如硅光电池、硅光电二极管、 硅光电三极管、硅雪崩光电二极管、硅光电场效应管。
二、硅光电池
产生明显的光电效应。
（１）光伏工作模式：
如果工作在零偏置的开路状态，Ｐ-Ｎ结型光电器件产生光伏效应， 这种原理称为光伏工作模式。
（２）光电导工作模式：
ａ、在反偏置状态，无光照时电阻很大，电流很小；有光照时，电阻
变小，电流就变大，而且流过它的光电流随照度变化而变化。
ｂ、从外表上看，与光敏电阻一样，都是光电导作用，但它们的机理 不同，所以特性差别较大。
第四节
半导体结型光电器件
半导体结型光电器件是利用Ｐ-Ｎ结光电效应来工作的光电 探测器件。
一.半导体结型光电器件原理 １、Ｐ-Ｎ结的二种工作模式：
结型光电器件在有光照条件下，从表面上看可使用于正偏置、零
偏置和反偏置．但理论和实践证明当使用正偏置时，呈现单向导电性 （和普通二极管一样），没有光电效应产生，只有在反偏或另偏置时才
2.结构特点:
硅光电二极管在结构上和原理上与硅光电池相似，亦可应用于光伏
工作模式。但它与光电池比较，略有不同。
（1）衬底材料的掺杂浓度不同：
光电池：1016～1019原子数/厘米3 ；
硅光电二极管：1012～1013原子数/厘米3； （2）电阻率不同： 光电池：0.1~0.01 Ω/cm ； 硅光电二极管：1000Ω/cm；