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文檔簡介

1、第3章 光生伏特器件 3.0 光生伏特效應(yīng) 3.1 硅光電二極管 3.2 其他類型的光生伏特器件 3.3 光生伏特器件的偏置電路 3.4 半導(dǎo)體光電器件的特性參數(shù)與選擇13.0 光生伏特效應(yīng) 3.0.1 光生伏特效應(yīng) 3.0.2 其它內(nèi)光電效應(yīng) 23.0.1 光生伏特效應(yīng) 一、光生伏特電壓現(xiàn)象 二、短路電流 三、開路電壓 四、光生電流3一、光生伏特電壓現(xiàn)象:1、光生伏特電壓現(xiàn)象 光生伏特效應(yīng)是基于半導(dǎo)體PN結(jié)基礎(chǔ)上的一種將光能轉(zhuǎn)換成電能的效應(yīng)。 當(dāng)入射輻射作用在半導(dǎo)體PN結(jié)上產(chǎn)生本征吸收時(shí),價(jià)帶中的光生空穴與導(dǎo)帶中的光生電子在PN結(jié)內(nèi)建電場的作用下作漂移運(yùn)動(dòng),如圖1-11所示。 電子和空穴分別

2、向相反的方向運(yùn)動(dòng)。電子被內(nèi)建場拉到N區(qū),空穴被拉到P區(qū) 。 結(jié)果:P區(qū)帶正電,N區(qū)帶負(fù)電,形成光生伏特電壓現(xiàn)象。 42、半導(dǎo)體PN結(jié)的能帶結(jié)構(gòu) 如圖1-12所示。 當(dāng)P型與N型半導(dǎo)體形成PN結(jié)時(shí),P區(qū)和N區(qū)的多數(shù)載流子要進(jìn)行相對的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),以便平衡它們的費(fèi)米能級差,擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)平衡時(shí),它們具有如圖所示的同一費(fèi)米能級EF,并在結(jié)區(qū)形成由正負(fù)離子組成的空間電荷區(qū)或耗盡區(qū)。53、流過負(fù)載電阻的電流: 當(dāng)設(shè)定內(nèi)建電場的方向( N 區(qū)指向P區(qū))為電壓與電流的正方向時(shí),將PN結(jié)兩端接入適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻RL,若入射輻射通量為e,的輻射作用于PN結(jié)上,則有電流I 流過負(fù)載電阻,并在負(fù)載電阻RL的兩端產(chǎn)生壓降U,流過

3、負(fù)載電阻的電流應(yīng)為 (1-89) 式中,為光生電流;ID為暗電流。(1-68)式6 從(1-89)式也可以獲得光生電流I 的另一種定義,當(dāng)PN結(jié)被短路,即U=0時(shí),輸出電流ISC 即短路電流,有 (1-90) 二、短路電流可見,短路電流的大小與入射輻射的大小成正比。如下圖示。7短路電流曲線、開路電壓曲線如圖示 圖 短路電流曲線、開路電壓曲線8三、開路電壓 當(dāng)PN結(jié)開路,即I=0 時(shí),由電流方程得(1-91) PN結(jié)兩端的開路電壓UOC為如上圖示9I=I+ID (1-92) 光電二極管的暗電流ID一般要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光電流I,因此,常將其忽略。(1-93)得輸出的電流為四、光生電流 光電二極管在反向偏

4、置的情況下,負(fù)電壓U的絕對值kt/q (室溫下kt/q26 mv),有代入光電二極管的電流與入射輻射成線性關(guān)系 103.0.2 其它內(nèi)光電效應(yīng) 一、丹培(Dember)效應(yīng) 二、光磁電效應(yīng) 三、光子牽引效應(yīng)11丹培(Dember)效應(yīng) 1、丹培(Dember)效應(yīng)原理 如圖1-13所示當(dāng)半導(dǎo)體材料的一部分被遮蔽,另一部分被光均勻照射時(shí),在曝光區(qū)產(chǎn)生本征吸收的情況下,將產(chǎn)生高密度的電子與空穴載流子, 在遮蔽區(qū)的載流子濃度很低,形成濃度差。形成載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。 3.0.2 其它內(nèi)光電效應(yīng)12 電子從受照區(qū)向遮光區(qū)快速運(yùn)動(dòng),使遮蔽區(qū)積累大量電子;空穴擴(kuò)散速度慢,使得受照區(qū)積累了空穴,這樣,形成了光生

5、伏特現(xiàn)象。的載流子濃度很低,形成濃度差。 這種由于載流子遷移率的差別產(chǎn)生受照面與遮光面之間的伏特現(xiàn)象稱為丹培效應(yīng)。 13丹培效應(yīng)產(chǎn)生的光生電壓可由下式計(jì)算 式中,n0與p0為熱平衡載流子的濃度;n0為半導(dǎo)體表面處的光生載流子濃度;n與p分別為電子與空穴的遷移率。n=1400cm2/(Vs),而p=500 cm2/(Vs),顯然,np。 14 對半導(dǎo)體材料,若吸收系數(shù)遠(yuǎn)大于1/d,則半導(dǎo)體材料的背光面相當(dāng)于被遮面,迎光面產(chǎn)生光電效應(yīng)。由于載流子濃度差而形成雙極性擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。結(jié)果,使半導(dǎo)體的迎光面帶正電,背光面帶負(fù)電,產(chǎn)生光生伏特電壓。 這種由于雙極性載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)速率不同而產(chǎn)生的光生伏特現(xiàn)象也稱為

6、丹培效應(yīng)。 2、半導(dǎo)體材料丹培效應(yīng)15二、 光磁電效應(yīng) 1、光磁電效應(yīng)原理 如下圖所示,外加磁場與入射光方向垂直。16 在半導(dǎo)體上外加磁場,磁場的方向與光照方向垂直,當(dāng)半導(dǎo)體受光照射產(chǎn)生丹培效應(yīng)時(shí),由于電子和空穴在磁場中的運(yùn)動(dòng)必然受到洛倫茲力的作用,使它們的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn),空穴向半導(dǎo)體的上方偏轉(zhuǎn),電子偏向下方。 結(jié)果在垂直于光照方向與磁場方向的半導(dǎo)體上下表面上產(chǎn)生伏特電壓,稱為光磁電場。這種現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的光磁電效應(yīng)。 172、光磁電場 光磁電場為 (1-95) 式中,p0,pd分別為x=0,x=d處n型半導(dǎo)體在光輻射作用下激發(fā)出的少數(shù)載流子(空穴)的濃度;D為雙極性載流子的擴(kuò)散系數(shù),在數(shù)值上等于 (1-96) 其中,Dn與Dp分別為電子與空穴的擴(kuò)散系數(shù)。 18三、光子牽引效應(yīng) 當(dāng)光子與半導(dǎo)體中的自由載流子作用時(shí),光子把動(dòng)量傳遞給自由載流子,

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