第3章第1节

Id
(1
exp(qU
/
k T))
（3-2）
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
由式（3-2）光电二极管的全电流方程可以得到如图 3-3所示的光电二极管在不同偏置电压下的输出特性曲线， 这些曲线反应了光电二极管的基本特性。
普通二极管工作在正向 电压大于0.7V的情况下，而 光电二极管则必须工作在这 个电压以下，否则，不会产 生光电效应。
RL构成的时间常数τRC，τRC为
RC c j (Ri RL )
（3-5）
普通PN结硅光电二极管的管芯内阻Ri约为250Ω，PN结电 容Cj常为几个Pf，在负载电阻RL低于500Ω时，时间常数 也在ns数量级。但是，当负载电阻RL很大时，时间常数将 成为影响硅光电二极管时间响应的一个重要因素，应用时 必须注意。
（2） 量子效率的光谱特性取决于半导体材料的吸收光谱α(λ)， 对长波长的限制由式(3.6)确定，即λc= hc /Eg。
图3.22示出量子效率η和响应度ρ的光谱特性，由图可见，Si 适用于0.8~0.9μm波段，Ge 和InGaAs 适用于1.3~1.6 μm波段。响 应度一般为0.5~0.6 (A/W)。
4. 时间响应
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： 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；
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；
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。
PIN光电二极管的结构、工作原理见下图。
中间的I层是N型掺杂浓度很低的本征半导体，用Π(N)表示； 两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体，用P+和N+表示。
I层很厚， 吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部被充 分吸收而产生大量电子 - 空穴对，因而大幅度提高了光电转换效 率。
两侧P+层和N+层很薄，吸收入射光的比例很小，I层几乎占 据整个耗尽层， 因而光生电流中漂移分量占支配地位，从而大 大提高了响应速度。
另外，可通过控制耗尽层的宽度w，来改变器件的响应速度。
光 抗 反 射膜
电极
P＋
(n )
N＋ E
电极
图3. 21 PIN光电二极管结构
PIN光电二极管具有如下主要特性： (一) 量子效率和光谱特性。 光电转换效率用量子效率η或响应度ρ表示。量子效率
η的定义为一次光生电子 -空穴对和入射光子数的比值
1.0
£½90£¥
0.8
InGaAs
70£¥
0.6
Si
50£¥
Ge
0.4 30£¥
(¡¤W £-1)
0.2 10£¥
0
0.7
0.9
1.1
1.3
1.5
1.7
m
图3-22 PIN光电二极管响应度、 量子效应率 与波长 的关系
(二) 响应时间和频率特性。
光电二极管对高速调制光信号的响应能力用脉冲响应时间τ或 截止频率fc(带宽B)表示。
形成漂移电流。
在耗尽层两侧是没有电场的中性区，由于热运动，部分光生 电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层，然后在电场作用下， 形成和漂移电流相同方向的扩散电流。
漂移电流分量和扩散电流分量的总和即为光生电流。当与P 层和N层连接的电路开路时，便在两端产生电动势，这种效应称 为光电效应。
当连接的电路闭合时，N区过剩的电子通过外部电路流向P 区。同样，P区的空穴流向N区， 便形成了光生电流。
光电二极管的工作区域 应在图3-3所示的第3象限与 第4象限，很不方便。
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
定义光电二极管的电 流灵敏度为入射到光敏面 上辐射量的变化（例如通
假设器件表面反射率为零，P层和N层对量子效率的贡献 可以忽略， 在工作电压下，I层全部耗尽，那么PIN光电二极 管的量子效率可以近似表示为
1 exp[()w]
(3.15)
式中，α(λ)和w分别为I层的吸收系数和厚度。由式(3.15)可 以看到，当α(λ)w>>1时，η→1，所以为提高量子效率η，I 层 的厚度w要足够大。
对于PN结硅光电二极管，入射辐射在PN结势垒区以 外激发的光生载流子必须经过扩散运动到势垒区内才能在 内建电场作用，并分别拉向P区与N区。载流子的扩散运
动往往很慢，因此，扩散时间τp很长，约为100ns，它是
限制PN结硅光电二极管时间响应的主要因素。 另一个因素是PN结电容Cj和管芯电阻Ri及负载电阻
(3.16)
对于幅度一定，频率为ω=2πf 的正弦调制信号，用光生 电流I(ω)下降3dB的频率定义为截止频率fc。当光电二极管具 有单一时间常数τ0时，
fc

1
2 0

0.35
r
（3.17）
PIN光电二极管响应时间或频率特性主要由光生载流子在 耗尽层的渡越时间τd和包括光电二极管在内的检测电路RC常 数所确定。
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
光电二极管可分为以P型硅为衬底的2DU型与以N型硅为衬底 的2CU型两种结构形式。如图3-1（a）所示的为2DU型光电二极管 的原理结构图。
图3-1（b）为光电二极管的工作原理图 图3-1（c）所示为光电 二极管的电路符号，其中的 小箭头表示正向电流的方向 （普通整流二极管中规定的 正方向），光电流的方向与 之相反。图中的前极为光照
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，构成如图3-6（a）所示的PIN结构光 电二极管，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，都如图3-6（b）所示。
PIN光电二极管在反向电
压作用下，耗尽区扩展到整
第3章 光生伏特器件
具有光生伏特效应的半导体材料有很多，例如硅 （Si）、锗（Ge）、硒（Se）、砷化镓（GaAs）等半导 体材料。利用这些材料能够制造出具有各种特点的光生 伏特器件，其中硅光生伏特器件具有制造工艺简单、成 本低等特点使它成为目前应用最广泛的光生伏特器件。
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。
量变化dΦ）引起电流变化
dI与辐射量变化之比。
Si

dI d

q
hc
(1 ed )
（3-3）
显然，当某波长λ的辐射作用于光电二极管时， 其电流灵敏度为与材料有关的常数，表征光电二 极管的光电转换特性的线性关系。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。 在式（3-3）中，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。
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
设载流子在结区内的漂移速度为vd，PN结区的宽度为W， 载流子在结区内的最长漂移时间为
dr

W vd
（3-4）
一般的PN结硅光电二极管，内电场强度Ei都在105V/cm以 上，载流子的平均漂移速度要高于107cm/s，PN结区的宽 度常在100μm左右，由式（3-4）可知漂移时间，为ns数
量级。
I ID eqU kT 1
（3-1）
ID为U为负值（反向偏置时）
且 >U>
k时T q(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。
当光辐射作用到如图3-1（b）所示的光电二极管上时， 光电二极管的全电流方程为
I

q
hc
(1
exp(d ))Φe,
当调制频率ω与渡越时间τd的倒数可以相比时， 耗尽层(I 层)对量子效率η(ω)的贡献可以表示为
由于载流子扩散运动比漂移运动慢得多，所以减小扩散分量 的比例便可显著提高响应速度。但是提高反向偏压，加宽耗尽层， 又会增加载流子漂移的渡越时间， 使响应速度减慢。
为了解决这一矛盾， 就需要改进PN结光电二极管的结构。
2、光电二极管的电流方程
在无辐射作用的情况下（暗室中），PN结硅光电二 极管的正、反向特性与普通PN结二极管的特性一样，如 图3-2所示。其电流方程为
当入射光变化时，光生电流随之作线性变化，从而把光信号 转换成电信号。
这种由PN结构成，在入射光作用下，由于受激吸收过程产 生的电子 - 空穴对的运动，在闭合电路中形成光生电流的器件， 就是简单的光电二极管(PD)。
光电二极管通常要施加适当的反向偏压，目的是增加耗尽层的宽 度，缩小耗尽层两侧中性区的宽度，从而减小光生电流中的扩散 分量。


光生电子对 空穴对 入射光子数

IP /e P0 / hf

IP P0
hf e
(3.13)
响应度的定义为一次光生电流IP和入射光功率P0的比值