第三章 半導體光電器件

1、第三章第三章 半導體光電器件半導體光電器件3.13.1光電導型光電探測器件光電導型光電探測器件3.23.2勢壘型光電探測器件勢壘型光電探測器件3.1光電導型光電探測器件光電導型光電探測器件一、概述一、概述二、光敏電阻的結構二、光敏電阻的結構三、光敏電阻的工作原理三、光敏電阻的工作原理四、光敏電阻的特性四、光敏電阻的特性五、光敏電阻的特點五、光敏電阻的特點六、注意事項六、注意事項一、概述一、概述光電導型光電探測器件是光電導型光電探測器件是利用利用光電導效應光電導效應制制成的均質型光電探測器件。成的均質型光電探測器件。典型的光電導器件典型的光電導器件為為光敏電阻光敏電阻。常用的光敏電阻有常用的光敏

2、電阻有CdSCdS硫化鎘、硫化鎘、CdSeCdSe硒化鎘、硒化鎘、以及以及TeCdHgTeCdHg碲鎘汞等。其中碲鎘汞等。其中CdSCdS是是工業(yè)應用工業(yè)應用最最多的多的，而，而PbSPbS硫化鉛主要用于硫化鉛主要用于軍事裝備軍事裝備。HgHg1-x1-xCdCdx xTeTe碲鎘汞系列光敏電阻碲鎘汞系列光敏電阻是目前所有探是目前所有探測器中性能最優(yōu)良最有前途的探測器。測器中性能最優(yōu)良最有前途的探測器。光電導效應光電導效應：半導體受到光照射后，：半導體受到光照射后，其內部其內部產(chǎn)生光生載流子產(chǎn)生光生載流子，使半導體，使半導體中載流子數(shù)中載流子數(shù)顯著增加顯著增加, ,在外電場的在外電場的作用下，

3、半導體的電流增大，電導作用下，半導體的電流增大，電導增大而電阻減小的現(xiàn)象。增大而電阻減小的現(xiàn)象。一、概述一、概述在光電導體中，由于配制在光電導體中，由于配制CdCd組分組分(x(x量量) )的不同的不同，可得到不同的禁帶寬度可得到不同的禁帶寬度Eg，從而制造出波長響應，從而制造出波長響應范圍不同的范圍不同的HgHg1-x1-xCdCdx xTeTe碲鎘汞碲鎘汞探測器。常用的有探測器。常用的有1-1-3m3m、3-5m3-5m、8-14m8-14m三種波長范圍的探測器，三種波長范圍的探測器，所以對所以對大氣窗口波段大氣窗口波段的探測非常重要的探測非常重要 。光敏電阻在光照下會光敏電阻在光照下會改

4、變自身的電阻率改變自身的電阻率，且沒，且沒有極性，只要把它當作有極性，只要把它當作阻值隨光照強度而變化的阻值隨光照強度而變化的可變電阻可變電阻來對待即可，因此在來對待即可，因此在電子電路、儀器儀電子電路、儀器儀表、光電控制、計量分析以及光電制導表、光電控制、計量分析以及光電制導等領域得等領域得到了廣泛的應用。到了廣泛的應用。二、光敏電阻的結構二、光敏電阻的結構光敏電阻電路符號光敏電阻電路符號三、光敏電阻的工作原理三、光敏電阻的工作原理無光照射時：無光照射時： 導帶基本為空，電阻導帶基本為空，電阻率很高。率很高。有光照時：有光照時： 本征半導體本征半導體 ： a 雜質半導體雜質半導體 : b本征

5、半導體本征半導體雜質半導體雜質半導體四、光敏電阻的特性四、光敏電阻的特性1 1、光電導靈敏度、光電導靈敏度 R2 2、光譜響應特性、光譜響應特性3 3、光照特性、光照特性4 4、伏安特性、伏安特性5 5、響應特性（頻率特性）、響應特性（頻率特性）6 6、前歷效應、前歷效應7 7、溫度特性、溫度特性8 8、暗電阻和亮電阻、暗電阻和亮電阻9 9、噪聲、噪聲按靈敏度定義（響應的變化量與輸入的變化按靈敏度定義（響應的變化量與輸入的變化量之比），可得量之比），可得 其中：其中： g：光電導，單位為西門子：光電導，單位為西門子 S（-1）。）。 E：光照度，單位為勒克斯（：光照度，單位為勒克斯（lx）。）

6、。 R：單位為西門子：單位為西門子/勒克斯（勒克斯（S/lx） A: 光敏面積光敏面積 :光通量光通量gggg AREE1、光電導靈敏度、光電導靈敏度 R2、光譜響應特性、光譜響應特性光譜響應特性是指光敏電阻的光譜響應特性是指光敏電阻的輸出光電流輸出光電流I I與與入射光波長入射光波長 之間的關系。之間的關系。不同的制作材料不同的制作材料對同一入射波長的光吸收是不對同一入射波長的光吸收是不同的；同的；即使是同一材料，即使是同一材料，對不同波長對不同波長的光吸收也是不的光吸收也是不同的。同的?？梢?，可見，輸出光電流值輸出光電流值與與光波長光波長密切相關。密切相關。各種光敏電阻的光譜特性可查閱有關

7、的各種光敏電阻的光譜特性可查閱有關的手冊和產(chǎn)品說明書。手冊和產(chǎn)品說明書。不同材料的光譜相應特性不同材料的光譜相應特性在在可可見見光光區(qū)區(qū)靈靈敏敏的的幾幾種種光光敏敏電電阻阻的的光光譜譜特特性性曲曲線線 1-硫化鎘單晶 2-硫化鎘多晶 3-硒化鎘多晶 4-硫化鎘與硒化鎘混合多晶 在在紅紅外外區(qū)區(qū)靈靈敏敏的的幾幾種種光光敏敏電電阻阻的的光光譜譜特特性性曲曲線線 3、光照特性、光照特性光敏電阻的光照特性：指的是光敏電阻的光照特性：指的是光電流與光光電流與光通量或照度之間的關系。通量或照度之間的關系。光電流光電流I與外加直流電壓與外加直流電壓V和和入射光通量入射光通量 或照度或照度E之間的關系可用下面

8、關系式表示之間的關系可用下面關系式表示 或或 K為光敏電阻材料決定的常數(shù)為光敏電阻材料決定的常數(shù)V為為外加直流電源電壓外加直流電源電壓為系數(shù)，其值一般在為系數(shù)，其值一般在0.5-1。IkVkVEI 4、伏安特性、伏安特性伏安特性：在一定光照下，光敏電阻的伏安特性：在一定光照下，光敏電阻的光光電流電流與與所加電壓所加電壓的曲線關系的曲線關系暗電導暗電導Gd，即無光照射時，該曲線的斜率。，即無光照射時，該曲線的斜率。其倒數(shù)為暗電阻其倒數(shù)為暗電阻Rd。電源電壓和負載電阻決定的負載線電源電壓和負載電阻決定的負載線與伏安與伏安特性的交點，就是不同光照情況下的光敏電特性的交點，就是不同光照情況下的光敏電阻

9、的工作點。阻的工作點。工作負載線的確定工作負載線的確定基本偏置電流基本偏置電流無光照時的情況無光照時的情況5、響應特性（頻率特性）、響應特性（頻率特性）光敏電阻受光照后或被遮光后，回路電流并不立即增光敏電阻受光照后或被遮光后，回路電流并不立即增大或減小，大或減小，而是有一定響應時間而是有一定響應時間。原因原因：光敏電阻是依靠非平衡載流子效應工作的，非：光敏電阻是依靠非平衡載流子效應工作的，非平衡載流子的產(chǎn)生與復合平衡載流子的產(chǎn)生與復合都有一個時間過程都有一個時間過程，這個時間，這個時間過程在一定程度上影響了過程在一定程度上影響了光敏電阻對變化光照的響應。光敏電阻對變化光照的響應。照度愈強，響應

10、時間愈短；暗處放置的時間愈長，響照度愈強，響應時間愈短；暗處放置的時間愈長，響應時間也相應延長。應時間也相應延長。實際應用中，盡量實際應用中，盡量提高使用照明度提高使用照明度，降低所加電壓、，降低所加電壓、施加適當偏置光照、使光敏電阻不是從完全暗狀態(tài)開始施加適當偏置光照、使光敏電阻不是從完全暗狀態(tài)開始受光照，都可以使光敏電阻的時間響應特性得到一定的受光照，都可以使光敏電阻的時間響應特性得到一定的改善。改善。5、響應特性（頻率特性）、響應特性（頻率特性）光照度越大，其光照度越大，其幾種光敏電阻的頻率特性曲線幾種光敏電阻的頻率特性曲線 1-硒 2-硫化鎘 3-硫化鉈 4-硫化鉛 6、前歷效應、前歷

11、效應前歷效應：是指光敏電阻的時間特性與工前歷效應：是指光敏電阻的時間特性與工作前作前“歷史歷史”有關的一種現(xiàn)象。前歷效應有有關的一種現(xiàn)象。前歷效應有暗態(tài)前歷與亮態(tài)前歷暗態(tài)前歷與亮態(tài)前歷之分。之分。暗態(tài)前歷效應是指暗態(tài)前歷效應是指光敏電阻測試或工作前光敏電阻測試或工作前處于暗態(tài)，當它突然受到光照后表現(xiàn)為暗態(tài)處于暗態(tài)，當它突然受到光照后表現(xiàn)為暗態(tài)前歷越長，光電流上升越慢前歷越長，光電流上升越慢，其效應曲線如，其效應曲線如下圖所示。一般，工作電壓越低，光照度越下圖所示。一般，工作電壓越低，光照度越低，則暗態(tài)前歷效應就越嚴重。低，則暗態(tài)前歷效應就越嚴重。硫硫化化鎘鎘光光敏敏電電阻阻的的暗暗態(tài)態(tài)前前歷歷

12、效效應應曲曲線線 1-黑暗放置3分鐘后 2-黑暗放置60分鐘后 3-黑暗放置24小時后 亮態(tài)前歷效應是指亮態(tài)前歷效應是指光敏電阻測試或工作前已處光敏電阻測試或工作前已處于亮態(tài)于亮態(tài)，當照度與工作時所要達到的照度不同時，當照度與工作時所要達到的照度不同時，所出現(xiàn)的所出現(xiàn)的一種滯后現(xiàn)象一種滯后現(xiàn)象，其效應曲線如下圖所示。，其效應曲線如下圖所示。一般，亮電阻由一般，亮電阻由高照度高照度狀態(tài)變?yōu)榈驼斩葼顟B(tài)達到狀態(tài)變?yōu)榈驼斩葼顟B(tài)達到穩(wěn)定值時所需的時間要比由穩(wěn)定值時所需的時間要比由低照度低照度狀態(tài)變?yōu)楦哒諣顟B(tài)變?yōu)楦哒斩葼顟B(tài)時短。度狀態(tài)時短。7、溫度特性、溫度特性靈敏度、光照特性、靈敏度、光照特性、響應率、

13、光譜響應響應率、光譜響應率、峰值波長、長率、峰值波長、長波限波限都將發(fā)生變化，都將發(fā)生變化，而且這種變化缺乏而且這種變化缺乏一定的規(guī)律。一定的規(guī)律。隨著溫度的升高光隨著溫度的升高光電導值下降，隨著電導值下降，隨著溫度的下降光電導溫度的下降光電導值增大，而與照度值增大，而與照度無關。無關。光敏電阻的溫度特性光敏電阻的溫度特性8、暗電阻和亮電阻、暗電阻和亮電阻暗電阻：無光照射時，光敏電阻值的大暗電阻：無光照射時，光敏電阻值的大小。其值一般為幾十千歐到幾兆歐。小。其值一般為幾十千歐到幾兆歐。亮電阻：有光照射時的電阻值，其值與亮電阻：有光照射時的電阻值，其值與光照大小有關。光照大小有關。 9、噪聲、噪

14、聲光敏電阻的固有光敏電阻的固有噪聲主要有三種：噪聲主要有三種：熱噪聲（熱噪聲（1000Hz左右）、左右）、產(chǎn)生產(chǎn)生-復合噪聲復合噪聲（100Hz以上）、以上）、 及噪聲及噪聲（100Hz以下）以下）1 f噪聲隨調制頻率的分布關系噪聲隨調制頻率的分布關系 五、光敏電阻的特點五、光敏電阻的特點1、體積小，偏置電壓低，光譜響應范圍寬；、體積小，偏置電壓低，光譜響應范圍寬；2、測光范圍寬，靈敏度高，無極性之分。、測光范圍寬，靈敏度高，無極性之分。3、時間常數(shù)一般為、時間常數(shù)一般為10-210-7秒，特制的可達秒，特制的可達 10-10秒；響應時間長，頻率特性差。秒；響應時間長，頻率特性差。4、強光線性

15、差，受溫度影響大。、強光線性差，受溫度影響大。5、實際應用中，在紫外和可見光區(qū)，光敏電、實際應用中，在紫外和可見光區(qū)，光敏電阻的優(yōu)點不突出，主要用在自動相機和控光系阻的優(yōu)點不突出，主要用在自動相機和控光系統(tǒng)中。在統(tǒng)中。在紅外區(qū)紅外區(qū)它的響應相對比較快、響應率它的響應相對比較快、響應率較高，機械性能好，因而得到廣泛應用。較高，機械性能好，因而得到廣泛應用。六、使用中應注意：六、使用中應注意： 1）當用于模擬量測量時，因光照指數(shù)）當用于模擬量測量時，因光照指數(shù)與光照強弱有關，只有在與光照強弱有關，只有在弱光照弱光照下光電流與下光電流與入射光通量成線性關系。入射光通量成線性關系。 2）用于）用于光度

16、量測試儀器光度量測試儀器時，必須對光譜時，必須對光譜特性曲線進行修正，保證其與人眼的光譜光特性曲線進行修正，保證其與人眼的光譜光視效率曲線符合。視效率曲線符合。 3）光敏電阻的）光敏電阻的光譜特性光譜特性與與溫度溫度有關，溫有關，溫度低時，度低時，靈敏范圍靈敏范圍和峰值波長都向和峰值波長都向長波長波方向方向移動，可采取冷卻靈敏面的辦法來提高光敏移動，可采取冷卻靈敏面的辦法來提高光敏電阻在長波區(qū)的靈敏度。電阻在長波區(qū)的靈敏度。六、使用中應注意：六、使用中應注意： 4）光敏電阻的）光敏電阻的溫度特性溫度特性很復雜，電阻溫很復雜，電阻溫度系數(shù)有正有負，一般說，光敏電阻不適于在度系數(shù)有正有負，一般說，

17、光敏電阻不適于在高溫下使用，溫度高時輸出將明顯減小，甚至高溫下使用，溫度高時輸出將明顯減小，甚至無輸出。無輸出。 5）光敏電阻頻帶寬度都比較窄，在室溫）光敏電阻頻帶寬度都比較窄，在室溫下只有少數(shù)品種能超過下只有少數(shù)品種能超過1000Hz。 6）設計負載電阻時，應考慮到光敏電阻）設計負載電阻時，應考慮到光敏電阻的的額定功耗額定功耗，負載電阻值不能很小。，負載電阻值不能很小。 7）進行動態(tài)設計時，應意識到光敏電阻）進行動態(tài)設計時，應意識到光敏電阻的前歷效應。的前歷效應。第三章第三章 半導體光電器件半導體光電器件3.2勢壘型光電探測器件勢壘型光電探測器件3.2勢壘型光電勢壘型光電(光伏光伏) 探測器

18、件探測器件v3.2.1 3.2.1 概述概述v3.2.2 3.2.2 光電池光電池v3.2.3 3.2.3 光電二極管光電二極管v3.2.4 3.2.4 光伏探測器的使用要點光伏探測器的使用要點3.2.1概述概述v利用半導體利用半導體PNPN結光伏效應制成的器件稱為結光伏效應制成的器件稱為光光伏器件伏器件，也稱結型光電器件，也稱結型光電器件( (光敏電阻為勻質光敏電阻為勻質型型) )。v常見的光伏器件：常見的光伏器件：光電池、光電池、 光電二極管、光電二極管、 光電晶體管、光電場效應管、光電晶體管、光電場效應管、PINPIN管、雪崩光管、雪崩光電二極管電二極管v和光電導探測器不同，和光電導探測

19、器不同，光伏探測器光伏探測器的工作特的工作特性要性要復雜復雜一些。通常有一些。通常有光電池光電池和和光電二極管光電二極管之分，也就是說，光伏探測器有著之分，也就是說，光伏探測器有著不同不同的工的工作模式。作模式。3.2.2光電池光電池v一、概述一、概述v二、符號、連接電路、等效電路二、符號、連接電路、等效電路v三、光電池的特性參數(shù)三、光電池的特性參數(shù)一、概述一、概述v光電池的基本結構就是一個光電池的基本結構就是一個PN結結（零偏狀（零偏狀態(tài)）。態(tài)）。v按按材料材料分，有硅、硒、硫化鎘、砷化鎵和無分，有硅、硒、硫化鎘、砷化鎵和無定型材料的光電池等。按定型材料的光電池等。按結構結構分，有同質結和分

20、，有同質結和異質結光電池等。異質結光電池等。v光電池中最典型的是光電池中最典型的是同質結硅光電池同質結硅光電池。v國產(chǎn)同質結硅光電池因襯底材料導電類型不國產(chǎn)同質結硅光電池因襯底材料導電類型不同而分成同而分成2CR系列和系列和2DR系列兩種。系列兩種。 v2CR系列硅光電池是以系列硅光電池是以N型硅為襯底型硅為襯底，P型型硅為受光面的光電池。受光面上的電極稱為硅為受光面的光電池。受光面上的電極稱為前極或上電極前極或上電極，為了，為了減少遮光減少遮光，前極多作成，前極多作成梳狀。襯底方面的電極稱為后極或下電極。梳狀。襯底方面的電極稱為后極或下電極。v為了為了減少反射光，增加透射光減少反射光，增加透

21、射光，一般都在，一般都在受光面上受光面上涂有涂有SiO2或或MgF2，Si3N4，SiO2MgF2等材料的防反射膜，同時也可以起到防等材料的防反射膜，同時也可以起到防潮，防腐蝕的保護作用潮，防腐蝕的保護作用N（P）P（Si）P（B）N（Si）上電極（前極）下電極（后極）（a）2DR（b）2CRv目前最受重視的是目前最受重視的是硅光電池硅光電池與與硒光電池硒光電池。v硅光電池硅光電池：硅光電池具有：硅光電池具有性能穩(wěn)定，壽命長，光譜性能穩(wěn)定，壽命長，光譜響應范圍寬響應范圍寬，頻率特性好頻率特性好和能和能耐高溫耐高溫等優(yōu)點。因此硅等優(yōu)點。因此硅光電池在光度學、輻射測量、光學精密計量和測試及光電池在

22、光度學、輻射測量、光學精密計量和測試及激光參數(shù)測量等方面得到了廣泛應用。激光參數(shù)測量等方面得到了廣泛應用。v硒光電池硒光電池：光譜響應曲線和人眼的光譜光視效率曲：光譜響應曲線和人眼的光譜光視效率曲線的形狀很相似，其線的形狀很相似，其光譜響應峰值波長與人眼的光譜光譜響應峰值波長與人眼的光譜光視效率的峰值相重合光視效率的峰值相重合，且硒光電池價廉，因而在一，且硒光電池價廉，因而在一些與人眼視覺有關系的光學器件中，在測量與控制應些與人眼視覺有關系的光學器件中，在測量與控制應用中，多用硒光電池。但應指出，硒光電池用中，多用硒光電池。但應指出，硒光電池穩(wěn)定性很穩(wěn)定性很差。差。 硅光電池硅光電池:它是在它

23、是在N型硅片上擴散硼形成型硅片上擴散硼形成P型層型層，并，并用電極引線把用電極引線把P型和型和N型層引出，形成正負電極。型層引出，形成正負電極。SiO2為防止表面反射光，提高轉換效率。為防止表面反射光，提高轉換效率。-+RLPN防反射膜(SiO2)pn+-SiO2PN 結硅光電池結構示意硅光電池結構示意二、符號、連接電路、等效電路二、符號、連接電路、等效電路光電池等效為一個光電池等效為一個普通晶體二極管普通晶體二極管和一個和一個恒流源恒流源（光電流源）的并聯(lián)。（光電流源）的并聯(lián)。pII光電流光電流 I Ij j普通二極管的結普通二極管的結電流電流IURLURLIpIj符號符號 連接電路連接電路

24、 等效電路等效電路三、光電池的特性參數(shù)三、光電池的特性參數(shù)v伏安特性伏安特性v光照特性（光電特性）光照特性（光電特性）v光譜特性光譜特性v頻率特性頻率特性v溫度特性溫度特性伏安特性伏安特性v輸出電流和電壓和負載電阻的變化曲線。輸出電流和電壓和負載電阻的變化曲線。v二極管的伏安特性二極管的伏安特性v由等效電路圖可知由等效電路圖可知v暗電流：當光通量為零時，是光電池加反向偏壓后出暗電流：當光通量為零時，是光電池加反向偏壓后出現(xiàn)的暗電流現(xiàn)的暗電流1eU KTscjIIeI 1eU KTpjiscIIIRIe1eU KTjscIIeE0Voc2Voc4I（A）I0Isc1 E1Isc2 E2Isc3

25、E3Isc4 E4RL1RL2RL3RL4RL5RL6Voc1Voc3LRV(v)硅光電池的伏安特性曲硅光電池的伏安特性曲線線va、當光電池、當光電池短路短路時，即時，即U=0，則，則 此此時時I稱為短路電流，用稱為短路電流，用 表示。值得注意的是短路表示。值得注意的是短路電流等于光電流，且與入射光照呈線性關系。電流等于光電流，且與入射光照呈線性關系。ipRIIscIvb、當光電池、當光電池開路開路時，即時，即I=0, 時，時，則則v此時此時U稱為開路電壓，用稱為開路電壓，用 表示。表示。) 1ln(SPIIekTUocULRsopIIeKTUlnUIpIjRLI光照特性光照特性硅光電池光照特

26、性硅光電池光照特性硅光電池光照特性與負載電阻的關系硅光電池光照特性與負載電阻的關系v硅光電池硅光電池光照特性光照特性是指是指光光生電動勢（開路電壓）、光生電動勢（開路電壓）、光電流、與照度電流、與照度之間的關系之間的關系v1、光生電動勢（開路電、光生電動勢（開路電壓）、與照度呈壓）、與照度呈非線性非線性關系關系v2、光電流、與照度之間、光電流、與照度之間呈呈線性線性的關系的關系v3、光照特性與負載大小、光照特性與負載大小關系：關系：E相同，負載增大，相同，負載增大，光電流變小，光照特性的線光電流變小，光照特性的線性區(qū)也變小。性區(qū)也變小。光譜特性光譜特性v光譜特性主要取決光譜特性主要取決于所用于

27、所用材料與制作工材料與制作工藝藝（如結的深淺），（如結的深淺），也與使用溫度有關。也與使用溫度有關。v、硒光電池與人、硒光電池與人眼特性很接近眼特性很接近v、硅藍光電池的、硅藍光電池的結深比較淺，結結深比較淺，結距受光面很近，距受光面很近，減少減少了短波長的光在透過了短波長的光在透過受光表面時的吸收受光表面時的吸收損損耗耗，提高了短波長到，提高了短波長到達結的幾率。達結的幾率。頻率特性頻率特性光電池的響應時間由光電池的響應時間由PN結的電容和結的電容和RL決定，在要求決定，在要求更高的頻率特性探測電路中，選用小面積的光電池更高的頻率特性探測電路中，選用小面積的光電池較有利，同時選擇合適的負載電

28、阻。較有利，同時選擇合適的負載電阻。溫度特性溫度特性v、溫度特性、溫度特性Uoc 和和Isc隨隨溫度溫度的變化情況。的變化情況。v、一般、一般Uoc（負溫度系（負溫度系數(shù)）下降約數(shù)）下降約23mv/ 。Cv、Isc （正溫度系數(shù)）（正溫度系數(shù)）上升約上升約78uA/ 。Cv、值得注意的是，光電、值得注意的是，光電池受強光照射時，必須考池受強光照射時，必須考慮光電池的工作溫度。慮光電池的工作溫度。Se50。C，Si200 。C時，時，器件損壞。器件損壞。3.2.3光電二極管光電二極管v一、概述一、概述v二、分類二、分類v三、工作模式三、工作模式v四、表示符號及電路接法四、表示符號及電路接法v五、

29、工作特性五、工作特性一、概述一、概述v光電二極管和光電池一樣，其基本結構也是一個光電二極管和光電池一樣，其基本結構也是一個PN結結。光電轉。光電轉換機理也是換機理也是光生伏特效應光生伏特效應。v它和光電池相比，重要的不同點是它和光電池相比，重要的不同點是結面積小結面積小，因此它的頻率特，因此它的頻率特性特別好；且結的工作狀態(tài)不同，光電池工作于性特別好；且結的工作狀態(tài)不同，光電池工作于零偏狀態(tài)零偏狀態(tài)，光電二極管工作于光電二極管工作于反偏狀態(tài)反偏狀態(tài)v光生電勢與光電池相同，但輸出電流比普遍光電池小，一般光生電勢與光電池相同，但輸出電流比普遍光電池小，一般為為數(shù)微安到數(shù)十微安數(shù)微安到數(shù)十微安。v光

30、電二極管目前多用光電二極管目前多用硅或鍺硅或鍺制成，但鍺器件暗電流溫度系數(shù)遠制成，但鍺器件暗電流溫度系數(shù)遠大于硅器件。工藝也不如硅器件成熟，雖然他的響應波長大于硅大于硅器件。工藝也不如硅器件成熟，雖然他的響應波長大于硅器件，但實際應用仍不如硅器件。所以主要介紹硅光電二極管。器件，但實際應用仍不如硅器件。所以主要介紹硅光電二極管。二、分類二、分類v、按、按材料材料分，光電二極管有硅、砷化稼、銻化錮、鈰化分，光電二極管有硅、砷化稼、銻化錮、鈰化鉛光電二極管等許多種。鉛光電二極管等許多種。v、按、按結構結構分，也有同質結與異質結之分。其中最典型的分，也有同質結與異質結之分。其中最典型的還是同質結硅光

31、電二極管。還是同質結硅光電二極管。v、國產(chǎn)硅光電二極管按、國產(chǎn)硅光電二極管按襯底材料襯底材料的導電類型不同，分為的導電類型不同，分為2CU和和2DU兩種系列。兩種系列。2CU系列以系列以N-Si為襯底，為襯底， 2CU系列光電二極管只有兩個引系列光電二極管只有兩個引出線；出線；2DU系列以系列以P-Si為襯底，而為襯底，而2DU系列光電二極管有三條引出系列光電二極管有三條引出線，除了前極、后極外，還設了一個環(huán)極。線，除了前極、后極外，還設了一個環(huán)極。 2DU管加環(huán)極的管加環(huán)極的目的是為了減少暗電流和噪聲。目的是為了減少暗電流和噪聲。硅光電二極管結構示意圖硅光電二極管結構示意圖v反型層：光電二極

32、管的受光面一般都涂有反型層：光電二極管的受光面一般都涂有SiO2防防反射膜反射膜，而，而SiO2中又常含有少量的鈉、鉀、氫等正中又常含有少量的鈉、鉀、氫等正離子。而離子。而SiO2是電介質，這些正離子在是電介質，這些正離子在SiO2中是不中是不能移動的，但是它們的靜電感應卻可以使能移動的，但是它們的靜電感應卻可以使P-Si表面表面產(chǎn)生一個感應電子層。這個電子層與產(chǎn)生一個感應電子層。這個電子層與N-Si的導電類的導電類型相同，可以使型相同，可以使P-Si表面與表面與NSi連通起來。連通起來。當管子當管子加反偏壓加反偏壓時，從前極流出的暗電子流，除了時，從前極流出的暗電子流，除了有有PN結的結的反

33、向漏電子流反向漏電子流外，還有通過表面感應電子外，還有通過表面感應電子層產(chǎn)生的漏電子流，從而使從前極流出的暗電子流層產(chǎn)生的漏電子流，從而使從前極流出的暗電子流增大。增大。為了減小暗電流為了減小暗電流，設置一個，設置一個N+-Si的環(huán)把受光的環(huán)把受光面（面（N-Si）包圍起來，并從）包圍起來，并從N+-Si環(huán)上引出一條引線環(huán)上引出一條引線（環(huán)極），使它接到比前極電位更高的電位上，為（環(huán)極），使它接到比前極電位更高的電位上，為表面漏電子流提供一條不經(jīng)過負載即可達到電源的表面漏電子流提供一條不經(jīng)過負載即可達到電源的通路通路。減小流過負載的暗減小流過負載的暗電流、減小噪聲電流、減小噪聲2DU管子管子因

34、為是以因為是以N-Si為襯底，雖然受光面的為襯底，雖然受光面的SiO2防反射防反射膜中也膜中也含有少量的正離子含有少量的正離子，而它的靜電感應不會，而它的靜電感應不會使使N-Si表面產(chǎn)生一個和表面產(chǎn)生一個和P-Si導電類型相同的導電層，導電類型相同的導電層，從而也就不可能出現(xiàn)表面漏電流，所以不需要加從而也就不可能出現(xiàn)表面漏電流，所以不需要加環(huán)極。環(huán)極。2CU管子管子三、工作模式三、工作模式v硅光電二極管是硅光電二極管是反偏的光電導工作模式反偏的光電導工作模式。v無光照射時無光照射時，給結加適當?shù)姆聪螂妷?，反壓加強，給結加適當?shù)姆聪螂妷?，反壓加強了內建電場，勢壘增大，流過結的電流（稱反向了內建電

35、場，勢壘增大，流過結的電流（稱反向飽和電流）很小，它（飽和電流）很小，它（反向電流反向電流）是由）是由少數(shù)載流子少數(shù)載流子的的漂移運動形成的，稱之為光電二極管的漂移運動形成的，稱之為光電二極管的暗電流暗電流。v有光照射時有光照射時，當滿足條件，當滿足條件 時時 ，則在結，則在結產(chǎn)生產(chǎn)生光生載流子光生載流子被內建電場拉開，被內建電場拉開，電子向電子向N區(qū)漂移區(qū)漂移，空空穴向穴向P區(qū)漂移區(qū)漂移，在外加電場的作用下形成了以少數(shù)載流，在外加電場的作用下形成了以少數(shù)載流子漂移運動為主的光電流，子漂移運動為主的光電流，光電流比無光照射時的反光電流比無光照射時的反向飽和電流大得多。光照越強，光生載流子越多，

36、光向飽和電流大得多。光照越強，光生載流子越多，光電流越大；反之則越小。電流越大；反之則越小。gEh四、表示符號及電路接法四、表示符號及電路接法電路接法電路接法電路接法電路接法表示符號表示符號v 1、硅光電二極管在電路圖中的表示符號、硅光電二極管在電路圖中的表示符號v、2CU電路接法電路接法v、2DU電路接法電路接法五、工作特性五、工作特性v等效電路等效電路v光照特性光照特性v伏安特性伏安特性v光譜特性光譜特性v頻率特性頻率特性v噪聲噪聲v用法用法 等效電路等效電路實實際際電電路路等效電路（加反向電壓）等效電路（加反向電壓）RLCPIp低頻工作時的等效電路低頻工作時的等效電路RLIp光照特性光照

37、特性v負載電阻負載電阻R較小較小，且外加，且外加反向偏壓也較小反向偏壓也較小時，光電流時，光電流與入射光功率呈現(xiàn)較好的線與入射光功率呈現(xiàn)較好的線性關系。性關系。v光生電流隨外加反偏壓的增光生電流隨外加反偏壓的增大趨向飽和，此時，光電流大趨向飽和，此時，光電流大小僅取決與光照強度。大小僅取決與光照強度。v光照特性線性好，適用于光照特性線性好，適用于檢檢測測51015200 50 100 150 200 250 照度/lxIp/A硅光電二極管反向偏壓硅光電二極管反向偏壓（15V）時的光照特性）時的光照特性伏安特性伏安特性v伏安特性指伏安特性指反向偏壓與光反向偏壓與光電流之間的關系電流之間的關系v當

38、當不加反向偏壓不加反向偏壓時，與光時，與光電池的作用相同。電池的作用相同。v反向偏壓較低反向偏壓較低時，光電流時，光電流隨光電壓變化非常敏感，這隨光電壓變化非常敏感，這是由于反向偏壓增強了內建是由于反向偏壓增強了內建電場，對結區(qū)光生載流子的電場，對結區(qū)光生載流子的收集率影響很大；收集率影響很大；0 E1 E2反向電壓反向電壓反向電流反向電流E2 E1I(A)U(V)硅光電二極管的硅光電二極管的伏安特性伏安特性v反向偏壓進一步加大反向偏壓進一步加大時，光生載流時，光生載流子的收集已達極限，光電流就趨于飽子的收集已達極限，光電流就趨于飽和，此時光電流與外加反向偏壓幾乎和，此時光電流與外加反向偏壓幾乎無關，僅取決于入射光功率。無關，僅取決于入射光功率。光譜特性光譜特性光電二極管的光電二極管的0 4000 8000 12000 16000 20406080I（%）100SiGe光電二極管的光電二極管的溫度特性溫度特性-40 -20 0 20 40 60 T（0C）20406080I（A）02CU2DU光電二極管光電流與光電二極管光電流與10-310-210-1100 50 100 150 200 T（0C）Id（A）2DU2CU光電二極管暗電流與光電二極管暗電流與頻率特性頻率特性v光電二極管的頻率特性，主要由光電二極管的頻率特性，