技术研发
TECHNOLOGY AND MARKET
Vol.23, No.12,2016
光电二极管的工作原理及应用特性分析
胡静
(贵州职业技术学院，贵州贵阳550023)
摘要：光电二极管是一种重要的光伏探测器件，详细分析了它的工作原理和伏安特性，并简要介绍了它的应用。关键词：光伏效应；光电二极管；伏安特性；应用
doi：10.3969/j.issn.1006 - 8554. 2016. 12.015
1光电二极管的工作原理
光照射到半导体时，如果入射光子的能量E小于半导体的 禁带宽度Eg，光会透射过此物质，半导体表现为透明状;反之，光子将被半导体吸收，光子流和半导体内的电子相互作用，从 而改变电子的能量状态，引起各种电学效应，统称为光子效应。
P型半导体和N型半导体接触时会产生PN结，又称为空 间电荷区、势垒区等，这些空间电荷在结区形成了一个从N区指向P区的电场，称为内建电场。PN结开路时(零偏状态），在 热平衡下，由于浓度梯度而产生的扩散电流与由于内电场作用 而产生的漂移电流相互抵消，总电流为零，也就是说没有净电 流流过PN结。这时如果有光辐射到半导体上，且E> E g，光子 将被吸收，光子流强度随着深入半导体材料的距离指数衰减。定义单位距离内所吸收的相对光子数为吸收系数a它是入射 光能和禁带宽度的函数。随着入射光能增加吸收系数迅速增 大，以至于在半导体表面很薄的一层内光能就被完全吸收。以娃为例，如果入射光波长\ = 1.0 ，则对应的吸收系数a= 102cm-1，可以算出入射光子流被吸收90%处的距离是0.23 mm;如果人=0. 5 jxm，则对应的吸收系数a。104cm_1，入射光子流被吸收90%处的距离是2.3 jxm，表明光的吸收实 际上集中在半导体很薄的表层内。
光辐射到半导体时，入射光子流与价电子相互作用，把电 子激发到导带，在价带里产生空穴，形成电子一空穴对，称为非 平衡载流子或过剩少子，其产生率与光强有关。由于入射光强 随着深入半导体材料的距离指数衰减，电子一空穴对的产生率 也迅速下降。再以硅为例，如果入射光强为0.1 wcnT2,波长 入=0.6 jxm，假设少子寿命为10_7s，则距表面5 jxm和20 jxm 处的光子通量分别为0•013 5 wcm_2、3.35 x10_5wcm_2，电子一空穴对的产生率分别为1. 63 x 1020cnT3s'4. 05 x 1017cm_3s_1，过剩载流子浓度分别为 1.63 x1013cm-3，4. 05 x 1010c T3。可见，有光照时半导体表面薄层内产生了大量的过 剩载流子，光辐射越强，过剩少子数目越多（与入射光强成正 比），并且随着距离的深入迅速衰减。这样，半导体材料的表面 和体内就形成了浓度梯度，自然会引起扩散。光照前多子的热 平衡浓度本来就很高，光生载流子对多子的浓度影响很小，而 少子的热平衡浓度本来就很低，光生载流子对其浓度的影响就 很大，表面附近的少子浓度会急剧增加。在P区，光生电子向 体内扩散，如果P区厚度小于电子扩散长度，那么大部分光生 电子将能穿过P区到达PN结(少部分被复合）。一旦进入PN 结，将在内建电场作用下被迅速扫到N区；同样，在N区，光生40空穴向体内扩散到PN结，也因电场力作用被迅速扫到P区。这样，光生电子一空穴对就被内建电场分开，空穴集中在P区，电子集中在N区，半导体两端就会产生P区正N区负的开路 电压，如果将P区和N区短接，就会有反向电流流过PN结。这种光照零偏PN结产生开路电压的现象就称为光伏效应。
事实上，不仅光照零偏PN结会产生光伏效应，光照反偏 PN结、PIN结或肖特基势垒都能产生光伏效应。典型的应用
器件有光电池和光电二极管两类，光电池是利用光生伏特效应
制成的无偏压光电转换器件。而光电二极管是在反向偏压下 工作的光伏器件，它在微弱、快速光信号探测方面有着非常重 要的作用。
光电二极管可以等效为一个普通二极管和一个恒流源的
并联（入射光强恒定时光电流也恒定可以看作恒流源），利用理
想二极管的特性方程可得
I=ID~h =I sr(^p(^/k T) -1)--s
其伏安特性如图1所示，PN结正偏情况不作讨论，因为正 偏时正向电流很大，光电流几乎不起作用。
, ^7=0Jlj
______________________
图1光伏探测器的伏安特性
光电二极管是工作在光导模式的结型光伏探测器，它工作 于第三象限，此时二极管加反偏电压，内电场增强，PN结加宽，少子的漂移运动增强，多子的扩散运动减弱，扩散电流小于漂 移电流，热平衡被打破，但由于少子数量少，无光照时光功率P =0,这时/s= 0, = ^就是PN结的反向饱和电流，称为暗电 流，曲线是普通二极管的反向特性;当有光辐射时，若入射光能 量五大于半导体禁带宽度^，A < A。，光子被半导体吸收，从而
2016年第23卷第12期
技术与市场技术研发
产生额外的电子——空穴对，也叫光生载流子，光照越强，产生 的电子——空穴对越多。此时4不为零，且随人射光功率的 增大而增加。/ =心-4，反向特性曲线随之下移，光照越强 (P3 >^2 >A)下移越多，反向电流也越大，光生电流与光功率 P成正比，人射光功率越大，产生的电子——空穴对越多，光生
电流也就越大，与外加电压几乎无关。
2光电二极管的特性
2. 1光谱特性
光电二极管只能对大于禁带宽度的光子能量产生响应，不 同材料的光谱响应范围也不一样，如图2是硅和锗的光谱响应 曲线。对每一种探测器件，都有一个响应的峰值，其对应的光 子能量E稍大于禁带宽度Es。当E = hv < Es时，响应呈迅速 下降的趋势，而hv>Es时，响应也降低，如图2中所示。人射 光从短波长逐渐增加到峰值波长时，响应度逐渐增大。由于人 射光所产生的光生载流子只有进人到结区才能形成光电流，所 以，为了提高人射光的量子效率，应使人射光尽量照射在PN结 势垒区内。
2.2 频率响应
光电二极管同样存在PN结的势垒电容，会影响到它的频 率特性，主要因素是载流子的渡越时间和RC时间常数。光生 载流子在向结区扩散和漂移过势垒区都需要一定的渡越时间，它限制了光电二极管对高频调制的响应能力，由于漂移速度远 比扩散速度快，所以耗尽层型光电二极管在频率响应上要优于 扩散型。RC时间常数主要取决于结电容和负载电阻，要使结 电容尽量小，可减小结面积，增大耗尽层厚度并适当加大反偏电压，这样可以提高频率上限。
2.3 噪声特性
光电二极管工作时，所吸收的光辐射不仅有信号光还有背
景光，同时反偏PN结还存在暗电流，它会产生散粒噪声和热噪声，同时光信号本身也有量子噪声。
3其他结构类型的光电二极管
3.1PIN型光电二极管
它是在P型和N型半导体之间夹有一层相当厚度的高电
阻率的本征半导体—
—I层。反偏时，耗尽层可在整个I区展开，它扩了光电转换的有效工作区域，对提高量子效率有利。
与普通PN结光电二极管相比，PIN型提高了频率响应能力，有
利于高频运用，同时击穿电压更高，主要运用于光通信、光测
距、光度测量和光电控制方面。利用PIN结构制作的四象限光
电二极管，可以对运动目标进行探测，实行跟踪、定位和制导。
3.2雪崩光电二极管
它是在PN结或PIN结加上足够大的反偏电压，引起雪崩
式的碰撞电离，产生大量的电子——空穴对。其电流增益可达
102 ~104。这种器件结电容小，响应速度快，灵敏度高，常用于
探测高频，低强度的可见光和近红外辐射，也能响应调制在微
波频率的光波。
3.3肖特基势垒光电二极管
这是一种非结型（没有PN结）器件，它是利用金属与半导
体接触形成势垒，也产生耗尽层。势垒中发生的光电效应与PN结中一样。利用不同的金属与半导体材料接触，可以制成
多种肖特基势垒光电二极管。因为并非所有的半导体材料都能
既制成P型又能制成N型，从而形成PN结，所以肖特基势垒光
电二极管对那些不能形成PN结的半导体材料特别有意义。
此外，还有金属-氧化物-金属结构的点接触光电二极管
和光电三极管等光伏探测器件。
参考文献：
[1]杨小丽.光电子技术基础[M].北京：北京邮电大学出版
社，2005.
[2]D o n al d A.N ea m e n.半导体物理与器件[M].北京：电子
工业出版社，2005.
[3]杨经国，冉瑞江，杜定旭，等.光电子技术[M].四川：四川
大学出版社，1990.
作者简介：
胡静（1972 -),女，贵州龙里人，贵州职业技术学院副教
授,从事电工电子教学及研究。
(上接第39页）
4)综合上述分析焊管辊槽开裂的原因是：回炉坯料再次人 炉后，因是凉坯与热坯混装，回炉坯料中心温度未达到设定的 开坯温度值，导致出现轧制温度、终轧温度偏低，形成带状组 织。另外轧后冷却手段缺乏，卷曲温度偏高，在长时间高温堆 冷时晶粒长大，最终形成表层脱碳、带状组织严重、晶粒度粗大 的带钢。这些组织缺陷降低了带钢的性能指标，导致在辊槽变 形量大(应力大）时，出现开裂。
4改进措施
通过以上实验跟踪和分析得出，晶粒粗大加上带状组织严 重，是造成加工开裂的主要原因。改进措施：
1) 加热炉温度控制在1150丈~ 1 250丈和开坯温度1 050T ±15^，加大终轧后的冷却速度，降低卷取温度在650T
以内，抑制碳在原始带状基础上的长距离扩散，从而消除或减
轻带状组织。
2) 确保人库带钢的合理码放，避免带钢长时间堆冷，红带 码垛时不超过两层，确保带钢的自然冷却效果。
3)回炉钢人炉集中轧制，避免与热坯混装，便于对加热炉 炉内温度、开轧温度等的控制。
参考文献：
[1]任颂赞，张静江，陈质如，等.钢铁金相图谱[M].上海:上
海科学技术文献出版社，2003:122 -146.
41
