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1、3.4.3 光伏器件光电二极管,一、光电二极管,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。,材料硅、锗、砷化铟、锑化钢、砷化镓、碲镉汞等材料制作，但目前应用最多的还是硅光电二极管。,2,1.光电二极管与光电池的比较相同点工作原理相同，都是基于pn结工作的不同点1.结区面积小2.通常工作于反偏置状态3.内建电场强，结区厚，结电容小，频率特性好4.光电流小，在微安量级,2.光电二极管的基本结构,光电二极管可分为两种结构形式：以P型硅为衬底的2DU型 以N型硅为衬底的2CU型,图（b）为光电二极管的工作原理图,图（c）所示为光电二极管的电路符号,
2、图（a）为2DU型光电二极管的原理结构图。,4,两种管子的电极数不同。2CU型管子只有前后两个电极，而2DU型管子除有前后极外还有一个环极。设环极的目的是为了减少表面漏电流，减小噪声，提高探测极限力。设环极的原因1.反型层：成为pn结表面漏电流的通道，使通过负载的暗电流增大，从而会影响器件的探测极限。2.环极为了减小这种表面漏电流，采用的方法是在受光面的四周加上一个环极把受光面包围起来。在接电源时，使环极电势始终保持高于前极电势，给表面漏电流提供一条直接流入电源的通道。如果不用环极，除了前级暗电流大，噪声大一些外，对其它性能均无影响。,3.光电二极管的电流方程,在无辐射作用的情况下（暗室中），
3、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。其电流方程为：,I0为称为反向电流或暗电流。,当光辐射作用到光电二极管上时，,光电二极管的全电流方程为：,式中Ip为光电流：Ip=RiP,二、光电二极管的基本特性,1.伏安特性由光电二极管的电流方程可以得到光电二极管在不同偏置电压下的输出特性曲线。,光电二极管的工作区域应在图的第3象限与第4象限。,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下面右图所示。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。,9,工作区的选择,低反偏压下光电流随光电压变化非常敏感，这是由于反偏压增加使耗尽层加宽。
4、结电场增强，这对于结区光的吸收率及光生载流子的收集效率影响很大。当反偏压进一步增加时，光生载流子的收集已达极限，光电流就趋于饱和，特性曲线近似于乎直，而且在低照度部分比较均匀。利用光电二极管作线性测量时，主要是用特性曲线平直、均匀的这部分。通过选取适当的负载电阻，可得较大的线性输出范围。,灵敏度与入射辐射波长有关。光电二极管的电流灵敏度(峰值波长下的灵敏度)与波长的关系曲线称为光谱响应。,2.光电二极管的灵敏度,定义光电二极管的灵敏度为入射到光敏面上辐射量的变化引起电流变化dI与辐射量变化之比。,3.光谱响应,光电二极管的光谱响应定义：以等功率的不同单色辐射波长的光作用于光电二极管时，其电流灵
5、敏度与波长的关系称为其光谱响应。,4.噪声,低频噪声Inf、散粒噪声Ins和热噪声InT散粒噪声是光电二极管的主要噪声,散粒噪声:,光电二极管的电流应包括暗电流Id、信号电流Is和背景辐射引起的背景光电流Ib，因此散粒噪声为:,5.时间响应,PN结硅光电二极管的电流产生要经过三个过程：,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dr；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p；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RC。,一般的PN结硅光电二极管，漂移时间，为ns数量级。,扩散时间p很长，约为100ns，它
6、是限制PN结硅光电二极管时间响应的主要因素。,当负载电阻RL不大时，时间常数也在ns量级。,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p。扩展PN结区增高反向偏置电压改进结构：PIN APD,二、PIN型光电二极管 PIN管,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（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，如图（b）。,结电容小渡越时间短灵敏度高,特点：,10GHz 10-10s,17,1.结构与工作原理,1.本征半导体近似于介质，
7、这就相当于增大了pn结结电容两个电极之间的距离，使结电容变得很小。2.p型半导体和n型半导体中耗尽层的宽度是随反向电压增加而加宽的，随着反偏压的增大，结电容也要变得很小。3.由于i层的存在，而p区一般做得很簿，入射光子只能在i层内被吸收，而反向偏压主要集中在i区，形成高电场区，i区的光生载波子在强电场作用下加速运动，所以载流子渡越时间非常短，即使i层较厚，对渡越时间影响也不大，这样使电路时间常量减小，从而改善了光电二极管的频率响应。4.i层的引入加大了耗尽区，展宽了光电转换的有效工作区域，从而使灵敏度得以提高。,18,19,2.时间特性,由于耗尽层宽度小，度越时间小但量子效率将变低，决定了频率
8、特性（带宽）与响应度之间的矛盾关系。耗尽层宽度的选取，在保证响应度的情况下，Si和Ge材料，一般为20-50m，渡越时间大于200ps；InGaAs材料，一般为3-5m，渡越时间30-50ps。,20,几种常见的PIN比较,21,3.应用及常用器件介绍,PIN及组件由于工作电压较低、性价比好，在数据通信、电信业务以及一般的应用如工业控制等领域有着广泛的应用。国内外著名的光通信公司，如Mitel公司、AMP公司、Prilli公司、飞通光电有限公司和武汉电信器件公司等都有相应的产品。,22,三、雪崩光电二极管 APD管,PIN光电二极管：提高了时间响应，器件的光电灵敏度仍然较低。雪崩光电二极管：提
9、高光电二极管的灵敏度。,由于PIN型光电二极管在较高的反向偏置电压的作用下耗尽区扩展到整个PN结结区，形成自身保护（具有很强的抗击穿功能），因此，PIN型雪崩光电二极管不必设置保护环。,1.结构,25,2.雪崩倍增过程,当光电二极管的pn结加相当大的反向偏压时，在耗尽层内将产生一个很高的电场，它足以使在强电场区漂移的光生载流子于获得充分的动能，通过与晶格原子碰撞将产生新的电子空穴对。新的电子空穴对在强电场作用下。分别向相反的方向运动，在运动过程中又可能与原子碰撞再一次产生新的电子空穴对。如此反复，形成雪崩式的载流子倍增。这个过程就是APD的工作基础。,26,2.工作原理,雪崩光电二极管为具有内
10、增益的一种光生伏特器件。它利用光生载流子在强电场内的定向运动，产生的雪崩效应获得光电流的增益。,电离产生的载流子数远大于光激发产生的光生载流子数，这时雪崩光电二极管的输出电流迅速增加，其电流倍增系数M定义为：,式中，I为倍增输出的电流，I0为倍增前输出的电流。,28,3.偏压设置,APD一般在略低于反向击穿电压值的反偏压下工作。在无光照时，pn结不会发生雪崩倍增效应。有光照射，激发出的光生载流于就被临界强电场加速而导致雪崩倍增。若反向偏压大于反向击穿电压时，光电流的增益可达106，即发生“自持雪崩倍增”。由于这时出现的散粒噪声可增大到放大器的噪声水平，以致使器件无法使用。,实验发现，在略低于击
11、穿电压时，发生雪崩倍增现象，M随反向偏压U的变化可用经验公式近似表示：,3.噪声,由于雪崩光电二极管中载流子的碰撞电离是不规则的，碰撞后的运动方向更是随机的，所以它的噪声比一般光电二极管要大些。雪崩光电二极管的噪声可近似由下式计算：,式中指数n与雪崩光电二极管的材料有关。对于锗管，n=3；对于硅管为2.3n2.5。,31,4.线性区,当入射光功率在1nw到几个w时，倍增电流与入射光具有较好的线性。当入射光功率过大时，倍增系数凡反而会降低，从而引起光电流的畸变。当入射光功率较小时，多采用APD。在入射光功率较大时，采用PIN管更为恰当。,32,5.应用,雪崩光电二极管在光纤通信、激光测距及光纤传
12、感等光电变换系统中得到了广泛应用。由于具有内增益，大大降低了对前置放大器的要求。但APD管需要上百伏的工作电压影响了它的推广使用。,33,常用的APD特性,34,通信用PIN与APD比较,35,课堂练习1,1.有Si基光伏探测器，圆形光敏面直径0.4mm，有波长700nm光波入射，光敏面辐照度为0.1mW/cm2，此时输出光电流为Ip56.6nA，求该探测器此时的灵敏度和量子效率？,36,课堂练习2,2.有InGaAs APD探测器，量子效率为60，有波长1550nm 光波入射，入射通量为20nW，求1）电流倍增系数为1时的光电流。2）当电流倍增系数为12时，该探测器此时的响应率。,37,光电
13、三极管(Photo triode),一、光敏三极管的结构与工作原理,npn称3DU型光电三极管,pnp称3CU型光电三极管,光电三极管是一种相当于在基极和集电极之间接有光电二极管的普通三极管，其结构和普通三极管相似。光电三极管有三根引线的也有两根引线的，管型分为pnp和npn型两种硅光电三极管。,38,（npn）型,结构：以n型硅片作为衬底，扩散硼而形成p型，再扩散磷而形成重掺杂n层，并涂sio作为保护层。在重掺杂n+引出一个电极称为集电极，由中间的p型层引出一个基极b，也可以不引出，而在n型硅片的衬底上引出发射极e。,39,3DU型光电三极管是以p型硅为基极的三极管。结构和普通晶体管类似，只
14、是在材料的掺杂情况、结面积的大小和基极引线的设置上和普通晶体管不同。因为光电三极管要响应光辐射，受光面即集电结(bc结)面积比一般晶体管大。另外，它是利用光控制集电极电流的，所以在基极上既可设置引线进行电控制，也可以不设，完全由光来控制。光电三极管输出电流较大，一般在毫安级，但光照特性较差，多用于要求输出电流较大的场合。,40,工作原理：工作时，各个电极所加的电压与普通晶体管相同，即需要保证集电极反偏置，发射集正偏置。由于集电极是反偏置，在结区内有很强的内建电场，对npn来讲，内建电场的方向由c指向b，与光电二极管相同。有光照射到基极集电极结区上时，产生光电子空穴对，载流子在内建电场的作用下，
15、电子流向集电极，空穴流向基极，相当于外界向基极注入了一个控制电流。集电极电流：,工作原理分为两个过程：一是光电转换；二是光电流放大。光转换过程和一般光电二极管是相同的，在集基结区进行。光激发电子空穴对，电子流向集电区被集电极所吸收,而空穴作为基极电流被晶体管放大。,41,42,二、硅光电三极管与硅光电二极管特性比较,.光照特性,光电流与照度之间的关系曲线,2.伏安特性,光电三极管在偏置电压为零时，无论光照度有多强，集电极电流都为零。偏置电压要保证光电三极管的发射结处于正向偏置，而集电结处于反向偏置。随着偏置电压的增高伏安特性曲线趋于平坦。,光电三极管的伏安特性曲线向上偏斜，间距增大。这是因为光
16、电三极管除具有光电灵敏度外，还具有电流增益，并且，值随光电流的增大而增大。,44,与光电二极管的不同,1.在相同照度下，由于光电三极管的放大作用，使三极管的输出电流要比二极管大得多。2.在零偏置下，光电三级管没有电流输出，而二极管有电流输出。3.是在照度低时比较均匀，而随照度增加，曲线变密。这主要是光照特性的反映，这种现象二极管也有，但不如三极管严重，这是因为三极管的电流增益是信号电流的函数。4.工作电压低时，光电三极管的集电极电流与照度有非线性关系。这是由于电流增益与工作电压有关所造成的。为了避免输出的非线性，三极管的工作电压应尽可能地高些。,3.时间响应（频率特性）,光电三极管的时间响应常
17、与PN结的结构及偏置电路等参数有关。,光电三极管的时间响应由以下四部分组成：光生载流子对发射结电容Cbe和集电结电容Cbc的充放电时间；光生载流子渡越基区所需要的时间；光生载流子被收集到集电极的时间；输出电路的等效负载电阻RL与等效电容Cce所构成的RC时间；总时间常数为上述四项和。比光电二极管的时间响应长。,4.温度特性,硅光电二极管和硅光电三极管的暗电流Id和光电流IL均随温度而变化，由于硅光电三极管具有电流放大功能，所以硅光电三极管的暗电流Id和亮电流IL受温度的影响要比硅光电二极管大得多。,5.光谱响应,光电二极管与光电三极管具有相同的光谱响应。,它的响应范围为0.41.1m，峰值波长
18、为0.85m。,48,一、碲镉汞、碲锡铅红外光伏探测器,主要用于红外波段通过改变配比改变光谱响应,其它光伏探测器,49,二、光子牵引探测器,利用光子牵引效应制成的光探测器称为光子牵引探测器，它是一种非势垒光伏探测器。1.原理该器件通常用重掺杂p型Ge材料作成。当强激光功率辐照时，具有动量(光压)的光子与空穴相互作用，使空穴不仅得到能量而且获得动量，在光传播方向上产生运动，就好像光子在牵引着空穴前进。由于光子的牵引作用，在样品入射表面的空穴数目减少，而出光端空穴数目增加，这样在样品两端产生出电位差，称为光子牵引电压，而光子牵引电压正比于入射光功率。,50,2.优点,1.响应速度快(10-10s)
19、。2.损伤阈值高3.室温下就可以工作，不需要偏置电源。4.其光电灵敏度可由材料参量直接计算出来，原则上不需用其它探测器校准，因而可用作CO2激光器的绝对监控，兼作CO2激光器的输出窗口，一般透过率为75，吸收率25。,51,3.缺点,灵敏度低。光电灵敏度与空穴的浓度无关，仅与材料的电阻率、吸收系统和器件尺寸有关。当器件制作后这些参量就固定不变，因此光电灵敏度是一个常量，从而可测出激光输出的绝对功率。,52,小结,1.光伏探测器根据内建电场形成的结势垒不同，有pn结PIN结、金属半导体的肖持基势垒等不同结构。根据工作条件不同，可有光电导和光伏两种工作模式。2.APD管具有内增益，它可以大大提高探
20、测器的灵敏度和响应频率，以适合于微弱光信号探测。3.光伏探测器的噪声主要包括器件中光生电流的散粒噪声、暗电流噪声和器件热噪声。器件的总噪声与所加的工作偏压有关。在反偏压工作时，热噪声可忽略不计。,53,4.光伏探测器可以工作于零偏与反偏两种状态。零偏工作时，不会引入偏置电路噪声，还可简化前级电子电路。反偏工作时，可以降低器件的热噪声及散粒噪声，并可减小器件电容，此外可得到较高的探测率和响应频率。5.光伏探测器的响应速度比光电导探测器快，它主要取决于负载电阻和结电容所构成的时间常量。6.与光电导探测器一样，光伏探测器的灵敏度与频带宽度之积为一常量，在使用时要综合考虑。同时，器件的各种参量基本上都与温度有关。降低探测器工作温度会减小暗电流和噪声，提高电路的稳定性。,
