1、1. 光电导长度对光电流的影响,知识回顾,提高增益的措施： 增加载流子的寿命,4. 光电导惰性,弱光,强光,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。,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：,4. 金属半导体接触：半导体器件必须与外
2、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：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
3、量差。,肖特基接触,肖特基接触,肖特基接触,肖特基接触,欧姆基接触,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,e,e,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； 3.5 PIN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
4、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。,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,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,（一）热平衡状态下的PN结,P型材料和N型材料紧密接
5、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结的电流方程为ID与外加电压有关,热平衡状态下的PN结,PN 结,在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN 结。,1PN结的形成,P型半导体,N型半导体,+,+,+,+,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。,内
6、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,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V,V0,（1）.PN 结正向偏置,P,N,+,_,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,N,P,+,_,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。,R,E,（）PN结的电流方程,PN结V- I 特性表达式,其中：,在常温下（T=300K）：,当外加正向电压，uDUT时， ，PN结为
7、正向导通状态。,(二).光照下的PN结,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。,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,当负载电阻RL断开(IL0)时，P端对N端的电压称为开路电压，用Uoc表示,开路电压和短路电流,不同光照下的伏安特性曲线,跟反向饱和
8、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,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
9、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。,跟反向饱和电流方向相同,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
10、。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?,（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
11、对入射光的吸收,（1）按基底材料来分：,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,（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。,（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：
12、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0.20.3 m,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
13、)时，光电池的开路电压，以Voc表示,当RL0 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。,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
14、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，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
15、Uoc随着温度的升高而减小,其值约为23mV/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10-510-3mA/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。,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
16、 触,所以栅极一般情况下加负偏压,1. 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。,知识回顾,欧姆接触,金属-半导体正压，正偏,半导体-金属正压，反偏,e,e,2.光电效应,光与物质作用产生的光电效应分为内光电效应与外光电效应两类。内光电效应是被光激发所产生的载流子（自由电子或空穴）仍在物质内部运动，使物质的电导率发生变化或产生光生伏特的现象。外光电效应被光激发产生的电子逸出物质表面，形成真空中的电子的现象称为外光电效应。,2.1 光电导效应,光电导效应可分为本征光电导效应与杂质光电导效应两种。本征半导体价带中的电
17、子吸收光子能量跃入导带产生本征吸收，导带中产生光生自由电子，价带中产生光生自由空穴。光生电子与空穴使半导体的电导率发生变化。这种在光的作用下由本征吸收引起的半导体电导率的变化现象称为本征光电导效应。,2.2 PN结光伏效应,光生伏特效应是基于半导体PN结基础上的一种将光能转换成电能的效应。当入射辐射作用在半导体PN结上产生本征吸收时，价带中的光生空穴与导带中的光生电子在PN结内建电场的作用下分开，并分别向如下图所示的方向运动，形成光生伏特电压或光生电流的现象。,2.3 光电发射效应 （外光电效应）,当物质中的电子吸收足够高的光子能量，电子将逸出物质表面成为真空中的自由电子，这种现象称为光电发射
18、效应或称为外光电效应。外光电效应中光电能量转换的基本关系为,表明，具有能量的光子被电子吸收后，只要光子的能量大于光电发射材料的光电发射阈值A0，则质量为m的电子的初始动能便大于0。,光电发射存在长波限,3.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。,4. 光电池的结构 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,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； 3.5 PIN管； 3.6位置敏感
19、探测器(PSD)； 3.7雪崩光电二极管；,（一）、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。,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,2018/10/23,55,光敏二极管演示,当光敏电阻
20、受到光照时，光生电子空穴对增加，阻值减小，电流增大。,暗电流（越小越好）,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,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,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
21、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。,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”。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。,（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N型硅片作衬底，扩散硼而形成P型，
22、再扩散磷而形成重掺杂N+层。,以3DU型为例讨论硅光电三极管的结构和工作原理,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,这就构成一个光电三极管,注：需保证发射结正偏， 集电结反偏。,当晶体管处在发射结正偏、集电结反偏的放大状态下，管内载流子的运动情况可用下图说明。,.发射区向基区注入电子,.电子在基区中边扩散边复合,. 电子被集电区收集,根据电荷守衡有 ICN+IBN=IEN,IEP IEN ， 发射极电流IEIEN。,形成基区复合电流IBN ,为基极电流IB的主要部分,形成集电区收集电流ICN ,为集电极电流IC的主要部分。,. 集电结少子漂移 集电结反偏，
23、两边少子飘移形成反向饱和电流ICBO。,知识回顾：双极性晶体管-载流子的传输过程,通过对管内载流子传输的讨论可以看出，在晶体管中，窄的基区将发射结和集电结紧密地联系在一起。从而把正偏下发射结的正向电流几呼全部地传输到反偏的集电结回路中去。这是晶体管能实现放大功能的关键所在。,. 集电结少子漂移 集电结反偏，两边少子飘移形成反向饱和电流ICBO。,由以上分析可知，晶体管三个电极上的电流与内部载流子传输形成的电流之间有如下关系：,知识回顾：双极性晶体管-电流分配关系,由以上分析可知，晶体管三个电极上的电流与内部载流子传输形成的电流之间有如下关系：,c,I,C,e,I,E,N,P,N,I,B,R,C
24、,U,CC,U,BB,R,B,15V,b,I,BN,I,EN,I,CN,定义共发射极直流电流放大系数为,知识回顾：双极性晶体管-电流分配关系,c,I,C,e,I,E,N,P,N,R,C,U,CC,15V,b,光电三极管-电流分配关系,Ip,根据共发射极电流关系有：IbIpIe （1+） IbIc = Ie = （1+） Ip = （1+） ESE,利用光刻技术，将一个圆形或方形的光敏面窗口分隔成几个有一定规律的的区域(但背面仍为整片)，每一个区域相当于一个光电二极管。理想情况下，每个光电二极管应有完全相同的性能参数。实际上它们的转换效率往往不一致，使用时必须精心挑选。,象限探测器实质是一个面积
25、很大的结型光电器件，很像一个光电池；,光斑偏向P2区，则输出电压U0，其大小反映光斑偏离程度；,光斑偏向P1区，则输出电压U0，其大小反映光斑偏离程度,存在缺点：,1、存在死区，光斑越小死区的影响越明显；,2、若光斑全在一个象限，输出电信号无法表示其精确位置,3、精度易受光强变化影响，分辨率不高,什么是死区？,=,=,PIN型光电二极管又称快速光电二极管，它的结构分三层。,PIN光电二极管的优点,由于I层比PN结宽的多，光生电流增大，灵敏度提高。,由于耗尽层变宽，从而展宽了光电转换的有效工作 范围，提高了量子效率；,在P型半导体和N型半 导体之间夹着较厚的本征 半导体I层。,由于耗尽层变宽，结
26、电容变小；提高响应速度；,由于I层电阻率很高，故能承受的电压增大，电场增强，从而缩短了载流子的渡越时间，频带宽度可以达到10GHz,PSD包含有三层，上面为P层，下面为N层，中间为I层，它们全被制作在同一硅片上，P层既是光敏层，也是一个均匀的电阻层。,光电位置传感器是一种对入射到光敏面上的光点 位置敏感的PIN型光电二极管，面积较大，其输出信号 与光点在光敏面上的位置有关。一般称为PSD。,P层,I层,N层,PSD是利用离子注入技术制成的一种可确定光的 能量中心位置的结型光电器件，有一维的和二维的两 种。,由于P层的电阻是均匀的，由两极输出的电流分别与光点到两电极的距离成反比。,光射到PSD的
27、光敏面上时，在入射位置表面下就产生与光强成比例的电荷，此电荷通过P层向电极流动形成光电流。,设两电极间距离为2L，经电极和电极输出的光电流分别为I1和I2 ，电极输出的电流为I0,PSD器件的工作原理,I0= I1+I2,若以PSD的中心点为原点建立坐标系(坐标轴)，设光点离中心点的距离为xA，于是有：,雪崩倍增效应:当在光电二极管上加（100-200V）反向偏压时，在结区产生一个很强的电场。结区的光生载流子受强电场的加速获得很大的能量，与原子碰撞时可使原子电离，新生的电子-空穴对在向电极运动过程中又获得足够能量，再次与原子碰撞，又产生新的电子-空穴对。这一过程不断重复，使PN结内电流急剧增加
28、，,雪崩光电二极管有以下特征： 1）灵敏度很高:电流增益可达102103； 2）响应速度快:响应时间只有0.5ns，响应频率可达100GHz； 3）噪声等效功率很小:约为10-15W。 4）反偏压高,可达200V,接近于反向击穿电压。 广泛用于光纤通讯、弱信号检测、激光测距等领域。,雪崩光电二极管是借助强电场产生载流子倍增效应工作的一种高速光电二极管。,雪崩倍增效应,从图可见：在同一块硅片上制造两个深浅不同的PN结。,光谱响 应特性,浅结,深结,半导体色敏器件是根据人眼视觉的三色原理，利用不同结深的光电二极管对各种波长的光谱响应率不同的现象制成的。,（1）半导体色敏器件的工作原理,半导体色敏器
29、件的结构示意图和等效电路。,PD1为深结:对长波长的光响应率高； PD2为浅结:对波长短的光响应率高。又称为双结光电二极管。,根据色度学理论，已经研制出可以识别混合色光 的三色色敏器件,在同一块非晶体硅基片上制作三个深浅不同的PN结，并分别配上红、绿、蓝三块滤色片而构成一个整体得到近似于1931CIE-RGB系统光谱三刺激值曲线.,通过R、G、B三个不同结输出电流的大小比较识别各种物体颜色。,半导体色敏器件具有结构简单、体积小、成本低 等特点，被广泛用于与颜色鉴别有关的各个领域中。,2. 简述光电池与光电二极管的基本工作原理，并说明两个的区别（结构、原理）,7.试述PSD的工作原理。与象限探测
30、器相比，PSD有什么优点？,6.说明PIN管、雪崩光电管的工作原理和各自特点?PIN管的频率特性为什么比普通光电管好？,5. 硅光电池的开路电压为当照度增大到一定程度时，为什么不在随着入射照度的增加而增加，UOC,只是接近0.6V？在同一照度下，为什么加负载后速出电压总是小于开路电压？,8.简述光电色敏传感器的工作原理?（课件）,思考题,4. 光伏探测器的频率特性优于光电导探测器，试从二者的机理上解释？,3. 证明光电二极管的输出电流为 IP=e 0/（h ） ,式中： 0为入射辐射功率，e为电子电量， 为量子效率，h 为入射光能量；通常光电二极管内增益M=1，不会出现M1，试从光伏效应的机理
31、上加以解释。,1.光伏组件要成功运作需满足的条件？,光电池的基本原理：在pn结开路的情况下，光生电流和正向电流相等时，PN结两端建立起稳定的电势差。如将pn结与外电路通，只要光照不停止，就会有源源不断的电流通过电路，p-n结起了电源的作用。这就是光电池的基本原理。光敏二极管的工作原理与光电池的工作原理很相似。当光不照射时，光敏二极管处于截止状态，这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流即暗电流；受光照射时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下， P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区， N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，这就形成了光电流。光敏二极管的光电流 I 与照度之间呈线性关系。光敏二极管的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。,光伏组件要成功运作需满足：（1）入射光子被吸收产生电子-空穴对-h Eg；（2）电子-空 穴对在复合之前被分开-p-n结存在内建电场；（3）分开的电子和空穴传输至负载-连接导线。,3.,4.,5.,6.,7.,
