半導體結(jié)型光電器件課件

1、關(guān)于半導體結(jié)型光電器件第1頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四 結(jié)型器件與均質(zhì)型器件（如PC探測器）比較，主要區(qū)別在于： 1、產(chǎn)生光電轉(zhuǎn)換的部位不同。光電導器件不管那一部分受光，電導率都會增大；而結(jié)型器件只有光照到其結(jié)區(qū)，所產(chǎn)生的光生載流子才能產(chǎn)生有效作用。 2、光電導器件無極性，工作時必須加偏壓；而光伏器件有確定的正負極性，工作時可以加偏壓，也可以不加偏壓都能把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。第2頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四 3、光電導器件的光電效應(yīng)主要依賴于非平衡載流子中多數(shù)載流子的產(chǎn)生與復合運動，馳豫時間大，響應(yīng)速度慢，頻率響應(yīng)性能較差。而光伏器件主要

2、依賴于結(jié)區(qū)非平衡載流子中少數(shù)載流子的漂移運動，馳豫時間短，頻率特性好。 4、有些器件如APD（雪崩二極管）、光電三極管等具有很大的內(nèi)增益，不僅靈敏度高，還可以通過較大的電流。 基于上述特點，PV探測器應(yīng)用非常廣泛，多用于光度測量、光開關(guān)、圖象識別、自動控制等方面。第3頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四一、結(jié)型光電器件工作原理 1、平衡下的P-N結(jié) 由半導體理論可得： 勢壘高度 結(jié)區(qū)寬度 第4頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四 結(jié)電容 結(jié)電流 其方向從P區(qū)經(jīng)P-N結(jié)指向n區(qū)。 是反向飽和電流，A是結(jié)區(qū)面積，V是結(jié)區(qū)電壓。第5頁，共61頁，2022年，5

3、月20日，1點59分，星期四2、光照下的PN結(jié) P-N結(jié)光電效應(yīng)和P-N結(jié)工作模式 當光照射P-N結(jié)時，只要光子能量大于材料禁帶寬度，就會在結(jié)區(qū)產(chǎn)生電子空穴對。這些非平衡載流子在內(nèi)建電場作用下發(fā)生漂移，在n區(qū)邊界積累光生電子，在P區(qū)邊界積累光生空穴，在P-N結(jié)上產(chǎn)生一個由積累的光生載流子產(chǎn)生的光生電場，即在P區(qū)與n區(qū)之間產(chǎn)生光生電壓。這就是第三章所講的光生伏特效應(yīng)。第6頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四 原則上，P-N結(jié)可工作于正偏、零偏與反偏狀態(tài)。但在正偏置時，外偏置電壓產(chǎn)生的電流遠大于光生載流子產(chǎn)生的電流，看不到明顯的光電效應(yīng)。P-N結(jié)處于零偏置或反偏置時，光生電流在

4、外電路形成光電流，具有明顯的光電效應(yīng)。所以結(jié)型光電器件一般都工作于零偏或反偏狀態(tài)。第7頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四 光照下的電流方程光照 未受光照時，結(jié)電流方程是 受到光照時，光激發(fā)載流子在P-n結(jié)上內(nèi)電場作用下形成光生電流IP，總電流是兩者之差， 此處V是外電路加到P-n結(jié)上的電壓，正向是P區(qū)為正，n區(qū)為負。第8頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四光電流在P-n結(jié)上是由n區(qū)指向P區(qū)，故與外電壓產(chǎn)生電流方向相反。如以光電流 方向為電流正方向，則：第9頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四二、光電池 光電池是根據(jù)光生伏特效應(yīng)制成的

5、將光能轉(zhuǎn)換成電能的一種器件。 PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)：當用適當波長的光照射PN結(jié)時，由于內(nèi)建場的作用（不加外電場），光生電子拉向n區(qū)，光生空穴拉向p區(qū)，相當于PN結(jié)上加一個正電壓。 半導體內(nèi)部產(chǎn)生電動勢（光生電壓）；如將PN結(jié)短路，則會出現(xiàn)電流（光生電流）。第10頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四1、光電池的結(jié)構(gòu)特點 光電池核心部分是一個PN結(jié)，一般作成面積大的薄片狀，來接收更多的入射光。 在N型硅片上擴散P型雜質(zhì)（如硼），受光面是P型層 或在P型硅片上擴散N型雜質(zhì)（如磷）， 受光面是N型層第11頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四 受光面有二氧化硅抗反

6、射膜，起到增透作用和保護作用。 上電極做成柵狀，便于更多的光入射。 由于光子入射深度有限，為使光照到PN結(jié)上，實際使用的光電池制成薄P型或薄N型。第12頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四第13頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四2、光電池等效電路第14頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四第15頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四第16頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四3、光電池的特性 （ 1）伏安特性 無光照時，光電池伏安特性曲線與普通半導體二極管相同。 有光照時，沿電流軸方向平移，平移幅度

7、與光照度成正比。 曲線與電壓軸交點稱為開路電壓VOC，與電流軸交點稱為短路電流ISC。第17頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四光電池伏安特性曲線第18頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四反向電流隨光照度的增加而上升IU照度增加第19頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四 （2）時間和頻率響應(yīng) 硅光電池頻率特性好 硒光電池頻率特性差 硅光電池是目前使用最廣泛的光電池 第20頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四 要得到短的響應(yīng)時間，必須選用小的負載電阻RL； 光電池面積越大則響應(yīng)時間越大，因為光電池面積越大則結(jié)電容Cj

8、越大，在給定負載時，時間常數(shù)就越大。故要求短的響應(yīng)時間，必須選用小面積的光電池。第21頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四開路電壓下降大約 23mV/度短路電流上升大約 10-510-3mA/度 （3）溫度特性 隨著溫度的上升，硅光電池的光譜響應(yīng)向長波方向移動，開路電壓下降，短路電流上升。光電池做探測器件時，測量儀器應(yīng)考慮溫度的漂移，要進行補償。第22頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四（4）光譜響應(yīng)度 硅光電池： 響應(yīng)波長0.4-1.1微米， 峰值波長0.8-0.9微米。 硒光電池：響應(yīng)波長0.34-0.75微米， 峰值波長0.54微米。第23頁，共6

9、1頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四（5）光電池的光照特性 連接方式：開路電壓輸出-(a) 短路電流輸出-(b)光電池在不同的光強照射下可產(chǎn)生不同的光電流和光生電動勢。第24頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四短路電流在很大范圍內(nèi)與光強成線性關(guān)系。開路電壓隨光強變化是非線性的，并且當照度在2000lx時趨于飽和。 光照特性- 開路電壓輸出：非線性(電壓-光強)，靈敏度高 短路電流輸出：線性好(電流-光強) ，靈敏度低第25頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四 開關(guān)測量（開路電壓輸出）。 線性檢測（短路電流輸出）第26頁，共61頁，2022年，

10、5月20日，1點59分，星期四 隨著負載RL的增大，線性范圍將越來越小。因此，在要求輸出電流與光照度成線性關(guān)系時，負載電阻在條件許可的情況下越小越好，并限制在適當?shù)墓庹辗秶鷥?nèi)使用。第27頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四4、光電池的應(yīng)用 （1）光電探測器件 利用光電池做探測器有頻率響應(yīng)高，光電流隨光照度線性變化等特點。 （2）將太陽能轉(zhuǎn)化為電能 實際應(yīng)用中，把硅光電池經(jīng)串聯(lián)、并聯(lián)組成電池組。第28頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四硅太陽能電池 硅太陽能電池包括單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池。 單晶硅太陽能電池在實驗室里最高的轉(zhuǎn)換

11、效率為23%,而規(guī)模生產(chǎn)的單晶硅太陽能電池,其效率為15%。 多晶硅半導體材料的價格比較低廉,但是由于它存在著較多的晶粒間界而有較多的弱點。多晶硅太陽能電池的實驗室最高轉(zhuǎn)換效率為18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10%。第29頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四非晶硅太陽能電池 非晶硅薄膜太陽能電池組件的制造采用薄膜工藝, 具有較多的優(yōu)點,例如:沉積溫度低、襯底材料價格較低廉,能夠?qū)崿F(xiàn)大面積沉積。 非晶硅的可見光吸收系數(shù)比單晶硅大,是單晶硅的40倍,1微米厚的非晶硅薄膜,可以吸引大約90%有用的太陽光能。 非晶硅太陽能電池的穩(wěn)定性較差, 從而影響了它的迅速發(fā)展。 第30頁，共

12、61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四化合物太陽能電池 三五族化合物電池和二六族化合物電池。 三五族化合物電池主要有GaAs電池、InP電池、GaSb電池等; 二六族化合物電池主要有CaS/CuInSe電池、CaS/CdTe電池等。 在三五族化合物太陽能電池中,GaAs電池的轉(zhuǎn)換效率最高,可達28%;第31頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四GaAs 化合物太陽能電池Ga是其它產(chǎn)品的副產(chǎn)品,非常稀少珍貴;As 不是稀有元素,有毒。GaAs化合物材料尤其適用于制造高效電池和多結(jié)電池,這是由于GaAs具有十分理想的光學帶隙以及較高的吸收效率。 GaAs 化合物太陽能

13、電池雖然具有諸多優(yōu)點,但是GaAs材料的價格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs電池的普及。 第32頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四太陽能 太陽能特點： 無枯竭危險；絕對干凈；不受資源分布地域的限制；可在用電處就近發(fā)電；能源質(zhì)量高；使用者從感情上容易接受；獲取能源花費的時間短。 要使太陽能發(fā)電真正達到實用水平，一是要提高太陽能光電變換效率并降低成本；二是要實現(xiàn)太陽能發(fā)電同現(xiàn)在的電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。第33頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四三、光敏二極管 光敏二極管與普通二極管一樣有一個PN結(jié)，屬于單向?qū)щ娦缘姆蔷€形元件。外形不同之處是在光電二極管的外殼上有一

14、個透明的窗口以接收光線照射，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。 為了獲得盡可能大的光生電流，需要較大的工作面，即PN結(jié)面積比普通二極管大得多，以擴散層作為它的受光面。 為了提高光電轉(zhuǎn)換能力，PN結(jié)的深度較普通二極管淺。1、光敏二極管結(jié)構(gòu)第34頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四2、光電二極管（光敏二極管）符號光敏二極管符號 光敏二極管接法 第35頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四3、光敏二極管的偏置 （1）可以不加偏壓，與光電池不同，光敏二極管一般在負偏壓情況下使用。 （2）大反偏壓的施加，增加了耗盡層的寬度和結(jié)電場，電子空穴在耗盡層復合機會少，提高了光敏二極管的靈敏度。

15、 （3）增加了耗盡層的寬度，結(jié)電容減小，提高器件的頻響特性。 但是，為了提高靈敏度及頻響特性，卻不能無限地加大反向偏壓，因為它還受到PN結(jié)反向擊穿電壓等因素的限制。第36頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四 光敏二極管體積小，靈敏度高，響應(yīng)時間短，光譜響應(yīng)在可見到近紅外區(qū)中，光電檢測中應(yīng)用多。 擴散型P-i-N硅光敏二極管和雪崩光敏二極管擴散型P-i-N硅光敏二極管第37頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四 選擇一定厚度的i層，具有高速響應(yīng)特性。 i層所起的作用: (1)為了取得較大的PN結(jié)擊穿電壓，必須選擇高電阻率的基體材料，這樣勢必增加了串聯(lián)電阻，使

16、時間常數(shù)增大，影響管子的頻率響應(yīng)。 而i層的存在，使擊穿電壓不再受到基體材料的限制，從而可選擇低電阻率的基體材料。這樣不但提高了擊穿電壓，還減少了串聯(lián)電阻和時間常數(shù)。 (2)反偏下，耗盡層較無i層時要大得多，從而使結(jié)電容下降，提高了頻率響應(yīng)。四、擴散型PIN硅光敏二極管第38頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四PIN管的最大特點是 頻帶寬，可達10GHz。 另一特點是線性輸出范圍寬。缺點: 由于I層的存在，管子的輸出電流小，一般多為零點幾微安至數(shù)微安。第39頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四五、雪崩光敏二極管 1. 工作原理 由于存在因碰撞電離引起的內(nèi)

17、增益機理，雪崩管具有高的增益帶寬乘積和極快的時間響應(yīng)特性。 通過一定的工藝可以使它在1.06微米波長處的量子效率達到30，非常適于可見光及近紅外區(qū)域的應(yīng)用。第40頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四 當光敏二極管的PN結(jié)上加相當大的反向偏壓時，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生一個很高的電場，使進入場區(qū)的光生載流子獲得足夠的能量，通過碰撞使晶格原子電離，而產(chǎn)生新的電子空穴對。 新的電子空穴對在強電場的作用下分別向相反方向運動在運動過程中，又有可能與原子碰撞再一次產(chǎn)生電子空穴對。 只要電場足夠強，此過程就將繼續(xù)下去，達到載流子的雪崩倍增。通常，雪崩光敏二極管的反向工作偏壓略低于擊穿電壓。第41頁，共

18、61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四雪崩光電二極管的倍增電流、噪聲與偏壓的關(guān)系曲線第42頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四 在偏置電壓較低時的A點以左，不發(fā)生雪崩過程；隨著偏壓的逐漸升高，倍增電流逐漸增加。從B點到c點增加很快，屬于雪崩倍增區(qū)；偏壓再繼續(xù)增大，將發(fā)生雪崩擊穿；同時噪聲也顯著增加，如圖中c點以右的區(qū)域。因此，最佳的偏壓工作區(qū)是c點以左，否則進入雪崩擊穿區(qū)燒壞管子。 由于擊穿電壓會隨溫度漂移，必須根據(jù)環(huán)境溫度變化相應(yīng)調(diào)整工作電壓。第43頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四 2. 雪崩光電二極管特點 雪崩光電二極管具有電流增益大

19、，靈敏度高，頻率響應(yīng)快，帶寬可達100GHz。是目前響應(yīng)最快的一種光敏二極管。 不需要后續(xù)龐大的放大電路等特點。因此它在微弱輻射信號的探測方向被廣泛地應(yīng)用。 在設(shè)計雪崩光敏二極管時，要保證載流子在整個光敏區(qū)的均勻倍增，這就需要選擇無缺陷的材料，必須保持更高的工藝和保證結(jié)面的平整。 其缺點是工藝要求高，穩(wěn)定性差，受溫度影響大。第44頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四 3. 雪崩光電二極管與光電倍增管比較體積小結(jié)構(gòu)緊湊工作電壓低使用方便但其暗電流比光電倍增管的暗電流大，相應(yīng)的噪聲也較大故光電倍增管更適宜于弱光探測第45頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四六

20、、光敏二極管陣列 將光敏二極管以線列或面陣形式集合在一起，用來同時探測被測物體各部位提供的不同光信息，并將這些信息轉(zhuǎn)換為電信號的器件。第46頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四七、象限探測器 象限探測器有二象限和四象限探測器，又分光電二極管象限探測器和硅光電池象限探測器。 象限探測器是在同一塊芯片上制成兩或四個探測器，中間有溝道將它們隔開，因而這兩或四個探測器有完全相同性能參數(shù)。 當被測體位置發(fā)生變化時，來自目標的輻射量使象限間產(chǎn)生差異，這種差異會引起象限間信號輸出變化，從而確定目標方位，同時可起制導、跟蹤、搜索、定位等作用。第47頁，共61頁，2022年，5月20日，1點

21、59分，星期四八、光敏三極管（光電三極管） 光電三極管是由光電二極管和一個晶體三極管構(gòu)成，相當于在晶體三極管的基極和集電極間并聯(lián)一個光電二極管。 同光電二極管一樣，光電三極管外殼也有一個透明窗口，以接收光線照射。 日前用得較多的是NPN和PNP兩種平面硅光電三極管。第48頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四1、NPN光電三極管結(jié)構(gòu)原理簡圖第49頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四2、光電三極管工作原理 NPN光電三極管（3DU型），使用時光電二極管的發(fā)射極接電源負極，集電極接電源正極。 光電三極管不受光時，相當于普通三極管基極開路的狀態(tài)。集電結(jié)(基集結(jié))

22、處于反向偏置，基極電流等于0，因而集電極電流很小，為光電三極管的暗電流。 當光子入射到集電結(jié)時，就會被吸收而產(chǎn)生電子空穴對，處于反向偏置的集電結(jié)內(nèi)建電場使電子漂移到集電極，空穴漂移到基極，形成光生電壓，基極電位升高。第50頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四發(fā)射結(jié)集電結(jié)BECNNP基極發(fā)射極集電極第51頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四 如同普通三極管的發(fā)射結(jié)(基發(fā)結(jié))加上了正向偏置，當基極沒有引線時，集電極電流就等于發(fā)射極電流。 這樣晶體三極管起到電流放大的作用。 由于光敏三極管基極電流是由光電流供給，因此一般基極不需外接點，所以通常只有集電極和發(fā)射

23、極兩個引腳線。第52頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四 光電三極管與光電二極管相比，具有較高的輸出光電流，但線性差。 線性差主要是由電流放大倍數(shù)的非線性所致 在大照度時，光敏三極管不能作線性轉(zhuǎn)換元件，但可以作開關(guān)元件使用。光電三極管的光照特性3、光電三極管特性第53頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四（1）光敏三極管的伏安特性 硅光電三極管的光電流在毫安量級，硅光電二極管的光電流在微安量級。 在零偏壓時硅光電三極管沒有光電流輸出，但硅光電二極管有光電流輸出。 工作電壓較低時輸出電流有非線性，硅光電三極管的非線性更嚴重。（因為放大倍數(shù)與工作電壓有關(guān)）。 在一定的偏壓下，硅光電三極管的伏安曲線在低照度時間隔 較均勻，在高照度時曲線越來越密。第54頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四硅光電三極管硅光電二極管第55頁，共61頁，2022年，5月20日，1點59分，星期四 （2）光敏三極管的溫度特性 溫度特性反映了光敏三極管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。 溫度變化對光電流和暗電流都有影響，對暗電流的影響更大。精密測量