《光生伏特器》课件.ppt

第3章 光生伏特器件,光电池、光电二极管、光电晶体管、PIN管、雪崩光电二极管、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（PSD）等,利用半导体PN结光生伏特效应制成的器件称为光生伏特器件，也称结型光电器件。,光生伏特效应是基于两种材料相接触形成内建势垒，光子激发的光生载流子被内建电场扫向势垒的两边，从而形成了光生电动势。,光生伏特效应是少数载流子导电的光电效应，而光电导效应是多数载流子导电的光电效应。,结型光电器件与光电导器件的区别：,（1）产生光电变换的部位不同（2）光敏电阻没有极性，而结型光电器件有确定的正负极性（3）光敏电阻驰豫时间较大，结型器件驰豫时间相应较小，因此响应速度较快（4）有些结型光电器件灵敏较高，可以通过较大的电流,一、光生伏特器件的基本工作原理,1、p-n结电流方程,在热平衡条件下，由于p-n结中漂移电流等于扩散电流，净电流为零。,如果有外加电压时结内平衡被破坏，这时流过p-n结的电流方为：,一、光生伏特器件的基本工作原理,1、p-n结电流方程,代表正向电流，方向从p端经过p-n结指向n端，它与外电压有关，时它将迅速增大；时等于零，即平衡状态，时它趋向于零。,第二项 代表反向饱和电流，它的方向与正向电流方向相反，它随反向偏压的增大而增大，渐渐趋向饱和值，故称反向饱和电流，也是温度的函数，即随温度升高有所增大。,一、光生伏特器件的基本工作原理,2、光照下的p-n结,当光照射p-n结，只要入射光子能量大于材料禁带宽度，就会在结区激发电子-空穴对。这些非平衡载流子在内建电场的作用下，空穴顺着电场运动，电子逆着电场运动，在开路状态，最后在n区边界积累光生电子，在p区边界积累光生空穴，产生一个与内建电场方向相反的光生电场，即在p区和n区之间产生了光生电压UOC，这就是p-n结的光生伏特效应。只要光照不停止，这个光生电压将永远存在。,(1)光生伏特效应,一、光生伏特器件的基本工作原理,2、光照下的p-n结,(2)光照下p-n结的电流方程,一种是光激发产生的电子-空穴对在内建电场作用下，形成的光生电流，它与光照有关，其方向与p-n结反向饱和电流相同。,另一种是光生电流 流过负载电阻 产生电压降，相当于在p-n结施加正向偏置电压，从而产生正向电流。,一、光生伏特器件的基本工作原理,2、光照下的p-n结,(2)光照下p-n结的电流方程,流过p-n结的总电流为：,其中光生电流与光照有关，并随光照的增大而增大，有,或者写成：,一、光生伏特器件的基本工作原理,2、光照下的p-n结,(2)光照下p-n结的电流方程,三、硅光电二极管,光电二极管通常在反偏置条件下工作，即光电导工作模式。优点是可以减小光生载流子渡越时间及结电容，可获得较宽的线性输出和较高的响应频率。,制作光电二极管的材料很多，有硅、锗、砷化镓、碲化铅等，在可见光区应用最多的是硅光电二极管。,1、硅光电二极管的工作原理,硅光电二极管工作在光电导工作模式。在无光照时，若给p-n结加上一个适当的反向电压，流过p-n结的电流称反向饱和电流或暗电流。,三、硅光电二极管,当硅光电二极管被光照时，则在结区产生的光生载流子将被内建电场拉开，在外加电场的作用下形成了以少数载流子漂移运动为主的光电流。光照越强，光电流就越大。,1、硅光电二极管的工作原理,硅光电二极管可分为以P型硅为衬底的2DU型与以N型硅为衬底的2CU型两种结构形式。,三、硅光电二极管,2、硅光电二极管的电流方程,在无光照时，PN结硅光电二极管的伏安特性曲线与普通PN结二极管的特性一样，其电流方程为,三、硅光电二极管,反向偏置时，ID和U均为负值且 时的电流，称为反向电流或暗电流。,2、硅光电二极管的电流方程,三、硅光电二极管,当有光照射光电二极管时，光生电流为，其方向为反向。,光电二极管的全电流方程为,式中为光电材料的光电转换效率，为材料对光的吸收系数。,波长 的光辐射作用于光电二极管时，定义其电流灵敏度为入射到光敏面上辐射量的变化（例如通量变化d）引起电流变化dI与辐射量变化之比,3、光电二极管的特性参数,电流随光辐射的变化是线性的。,三、硅光电二极管,（1）光电二极管的灵敏度,用不同波长的光照射光电二极管时，电流灵敏度与波长的关系曲线称为光谱响应。,3、光电二极管的特性参数,三、硅光电二极管,（2）光谱响应,典型硅光电二极管光谱响应长波限为1.1m左右，短波限0.4m，峰值响应波长为0.9m左右。,光电二极管的时间响应（频率响应）主要由载流子的渡越时间和RC时间常数决定。,3、光电二极管的特性参数,三、硅光电二极管,（3）时间响应,（1）载流子的渡越时间,漂移时间：在p-n结区内光生载流子渡越结区的时间,扩散时间：在p-n结外产生的光生载流子扩散到结区内所需要的时间。,影响光电二极管时间响应的主要因素是扩散时间，为了减少扩散时间，如何扩展p-n结的结区？,3、光电二极管的特性参数,三、硅光电二极管,（3）时间响应,（1）增大反向偏压，使RC时间常数增大；,（2）从p-n结的结构设计方面考虑，在不使偏压增大的情况下，使耗尽层扩展到整个p-n结器件。,3、光电二极管的特性参数,三、硅光电二极管,（4）噪声,光电二极管的噪声包含低频噪声Inf、散粒噪声Ins和热噪声InT等3种噪声。其中，散粒噪声是光电二极管的主要噪声，低频噪声和热噪声为其次要因素。,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，因此散粒噪声应为,1、PIN光电二极管,五、特殊光电二极管,PIN光电二极管又称快速光电二极管。它的结构特点是，在P型半导体和N型半导体之间夹着一层很厚的本征半导体。,1、PIN光电二极管,五、特殊光电二极管,（1）PIN光电二极管因有较厚的I层，因此p-n结的内电场就基本上全集中于I层，使p-n结间距离拉大，结电容变小。由于工作在反向偏压下，随着反偏电压的增大，结电容变得更小，从而提高了PIN光电二极管的频率响应。（2）由于I层较厚，又工作在反偏，使结区耗尽层厚度增加，提高了对光的吸收和光电变化区域，使量子效率提高。（3）同时还增加了对长波的吸收，提高了长波灵敏度。（4）由于I层较厚，在反偏下工作可承受较高的反向偏压，这使线性输出范围变宽。,2、雪崩光电二极管（APD，Avalanche Photodiode）,五、特殊光电二极管,APD是借助强电场作用产生载流子雪崩倍增效应的一种高速、高灵敏度的光电器件。它广泛应用于光纤通信、弱信号检测、激光测距等领域。,2、雪崩光电二极管（APD，Avalanche Photodiode）,五、特殊光电二极管,（1）工作原理,APD工作过程：在光电二极管的p-n结加一相当高的反向偏压，使结区产生一个很强的电场。当光激发的光生载流子进入结区后，在强电场的加速下获得很大的能量，与晶格原子碰撞而使晶格原子发生电离，产生新的电子-空穴对，新产生的电子-空穴对在向电极运动过程中，又获得足够能量，再次与晶格原子碰撞，又产生新的电子-空穴对，这一过程不断重复，使p-n结内电流成倍急剧增加，这种现象称为雪崩倍增。APD利用这种效应而具有电流的放大作用。,2、雪崩光电二极管（APD，Avalanche Photodiode）,五、特殊光电二极管,（2）结构,2、雪崩光电二极管（APD，Avalanche Photodiode）,五、特殊光电二极管,（3）倍增系数和噪声,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。,雪崩倍增系数M与碰撞电离率有密切的关系。碰撞电离率表示一个载流子在电场作用下，漂移单位距离所产生的电子空穴对数目。由实验确定，电离率与电场强度E可以近似的写成以下关系,（3-10）,式中,A、b、m都为与材料有关系数。,假定=时，可以推导出倍增系数与电离率的关系为,n,p,（3-11）,XD为耗尽层的宽度。上式表明，当,（3-12）,时，M。（3-12）式为发生雪崩击穿的条件。,2、雪崩光电二极管（APD，Avalanche Photodiode）,五、特殊光电二极管,（3）倍增系数和噪声,据推导，倍增系数与p-n结上所加的方向偏压及p-n结的材料有关：,2、雪崩光电二极管（APD，Avalanche Photodiode）,五、特殊光电二极管,雪崩光电二极管中噪声电流主要为散粒噪声。当雪崩倍增M倍后，雪崩光电二极管的噪声电流的均方根值可近似由下式计算。,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。显然，由于信号电流按M倍增加，而噪声电流按Mn/2倍增加。因此，随着M增加，噪声电流比信号电流增加得更快。,（3）倍增系数和噪声,二、硅光电池,光电池是一种不需加偏压就能把光能直接转换成电能的p-n结光电器件。,按光电池的用途可分为两类：即太阳能光电池和测量光电池,光电池的基本结构就是一个p-n结，由于制作p-n结的材料不同，目前有硒光电池、硅光电池、砷化镓光电池和锗光电池。,结区面积 大 小光电特性 非线性 线性偏置状态 零偏压 反偏压内建电场 弱 强结区厚度 薄 厚结电容 大 小频率特性 较弱 较好,光电池与光电二极管的区别,光电池,光电二极管,二、硅光电池,1、硅光电池的基本结构,硅光电池按衬底材料的不同可分为2DR型和2CR型。2DR型硅光电池是以p型硅为衬底(即在本征型硅材料中掺入三价元素硼或镓等)，然后在衬底上扩散磷而形成n型层并将其作为受光面。构成p-n结后，再经过各种工艺处理，分别在衬底和光敏面上制作输出电极，涂上二氧化硅做保护膜，即成光电池。,二、硅光电池,2、硅光电池的工作原理,硅光电池的工作原理是光照中p-n结开路状态时的物理过程，它的主要功能是在不加偏置电压情况下将光信号转换成电信号。,硅光电池的电流方程为,二、硅光电池,3、硅光电池的输出功率,负载获得的功率为,功率与负载电阻的阻值有关，当（电路为短路）时，输出功率；当（电路为开路）时，输出功率；时，输出功率。,当负载电阻为最佳负载电阻时，输出电压,此时，输出电流,得到硅光电池的最佳负载电阻为,负载电阻所获得的最大功率为,二、硅光电池,3、硅光电池的特性参数,（1）伏安特性,硅光电池的伏安特性，表示输出电流和电压随负载电阻变化的曲线。伏安特性曲线是在某一光照下，取不同的负载电阻所测得的输出电流和电压画成的曲线。,二、硅光电池,（1）伏安特性,3、硅光电池的特性参数,二、硅光电池,（2）光照特性,开路电压,当负载电阻断开（IL=0）时，p端对n端的电压称为开路电压，用UOC表示,一般情况，所以,UOC表示在一定温度下，开路电压与光电流的对数成正比，也可以说与照度或光通量的对数成正比。,二、硅光电池,（2）光照特性,短路电流,这时p-n结光电器件的短路电流 与照度或光通量成正比，从而得到最大线性区，这在线性测量中被广泛应用。,当负载电阻短路，光生电压接近于零，流过器件的电流叫短路电流，用ISC表示，其方向从p-n结内部看从n区指向p区,（2）光照特性,3、硅光电池的特性参数,L/klx,L/klx,5,4,3,2,1,0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,2,4,6,8,10,开路电压,Uoc/V,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.3,0.1,0,1,2,3,4,5,Uoc/V,Isc/mA,Isc/mA,(a)硅光电池,(b)硒光电池,开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线；短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线,开路电压,短路电流,短路电流,短路电流，指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的。光电池在不同照度下，其内阻也不同，因而应选取适当的外接负载近似地满足“短路”条件。下图表示硒光电池在不同负载电阻时的光照特性。从图中可以看出，负载电阻RL越小，光电流与强度的线性关系越好，且线性范围越宽。,0,2,4,6,8,10,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,I/mA,L/klx,50,100,1000,5000,RL=0,（2）光照特性,3、硅光电池的特性参数,20,40,60,80,100,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,0.2,I/%,1,2,/m,光电池的光谱特性决定于材料。硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在540nm附近，适宜测可见光。硅光电池应用的范围400nm1100nm，峰值波长在850nm附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内应用。,1硒光电池2硅光电池,（3）光谱特性,3、硅光电池的特性参数,光电池作为测量、计数、接收元件时常用调制光输入。光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频率变化的关系。由于光电池PN结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。图示为光电池的频率响应曲线。硅光电池具有较高的频率响应;而硒光电池则较差。,20,40,60,80,100,0,I/%,1,2,3,4,5,1,2,f/kHz,1硒光电池2硅光电池,（4）频率特性,3、硅光电池的特性参数,光电池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化的关系。开路电压与短路电流均随温度而变化，它将关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响到测量或控制精度等主要指标，因此，当光电池作为测量元件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补偿措施。,20,0,40,60,90,40,60,UOC/mV,T/C,ISC,UOC,ISC/A,600,400,200,UOC开路电压,ISC 短路电流,硅光电池在1000lx照度下的温度特性曲线,（5）温度特性,3、硅光电池的特性参数,四、硅光电三极管（光电晶体管）,硅光电三极管与普通晶体三极管相似具有电流放大作用，只是它的集电极电流不只受基极电流控制，还受光的控制。所以硅光电三极管的外型有光窗。管型分为pnp型和npn型两种，npn型称3DU型硅光电三极管，pnp型称为3CU型硅光电三极管。,1、光电三极管的结构和工作原理,1、光电三极管的结构和工作原理,四、硅光电三极管（光电晶体管）,工作时要保证集电极反偏，发射极正偏。,当基极没有引线时，集电极电流为,1、光电三极管的结构和工作原理,四、硅光电三极管（光电晶体管）,光电三极管的工作原理分为两个过程：一是光电转换；二是光电流放大。光电转换 部分是在集-基结区内进行，而集电极、基极、发射极构成了一个有放大作用的晶体管。,2、光电三极管的基本特性,四、硅光电三极管（光电晶体管）,（1）伏安特性,2、光电三极管的基本特性,四、硅光电三极管（光电晶体管）,（1）伏安特性,在相同照度下，硅光电三极管的光电流比二极管的大得多，一般硅光电三极管的光电流在毫安量级，硅光电二极管的光电流在微安量级；,2、光电三极管的基本特性,四、硅光电三极管（光电晶体管）,（1）伏安特性,光电二极管伏安特性曲线,2、光电三极管的基本特性,四、硅光电三极管（光电晶体管）,（1）伏安特性,在零偏压时硅光电二极管仍然有光电流输出，而硅光电三极管没有光电流输出；,2、光电三极管的基本特性,四、硅光电三极管（光电晶体管）,（1）伏安特性,光电二极管伏安特性曲线,2、光电三极管的基本特性,四、硅光电三极管（光电晶体管）,（1）伏安特性,当工作电压较低时输出的光电流为非线性，即光电流与偏压有关，但硅光电三极管的非线性较严重；,2、光电三极管的基本特性,四、硅光电三极管（光电晶体管）,（1）伏安特性,光电二极管伏安特性曲线,2、光电三极管的基本特性,四、硅光电三极管（光电晶体管）,（1）伏安特性,当工作电压较低时输出的光电流为非线性，即光电流与偏压有关，但硅光电三极管的非线性较严重；,在零偏压时硅光电二极管仍然有光电流输出，而硅光电三极管没有光电流输出；,在相同照度下，硅光电三极管的光电流比二极管的大得多；,2、光电三极管的基本特性,四、硅光电三极管（光电晶体管）,（1）伏安特性,光电二极管伏安特性曲线,2、光电三极管的基本特性,四、硅光电三极管（光电晶体管）,（1）伏安特性,在一定偏压下，硅光电三极管的伏安特性曲线在低照度时较均匀，在高照度时曲线向上倾斜，虽然光电二极管也有，但硅光电三极管严重得多。,2、光电三极管的基本特性,四、硅光电三极管（光电晶体管）,（1）伏安特性,在一定偏压下，硅光电三极管的伏安特性曲线在低照度时较均匀，在高照度时曲线向上倾斜，虽然光电二极管也有，但硅光电三极管严重得多。,当工作电压较低时输出的光电流为非线性，即光电流与偏压有关，但硅光电三极管的非线性较严重；,在零偏压时硅光电二极管仍然有光电流输出，而硅光电三极管没有光电流输出；,在相同照度下，硅光电三极管的光电流比二极管的大得多；,2、光电三极管的基本特性,四、硅光电三极管（光电晶体管）,（2）时间响应（频率特性）,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；光电三极管的响应时间比光电二极管的响应时间要长得多。,2、光电三极管的基本特性,四、硅光电三极管（光电晶体管）,（2）时间响应（频率特性）,要改善光电三极管的频率响应，应尽可能减小发射结阻容时间常数rbeCbe和时间常数RLCce。即：一方面在在工艺上设法减小结电容；另一方面选择合理的负载电阻RL。,2、光电三极管的基本特性,四、硅光电三极管（光电晶体管）,（3）温度特性,硅光电二极管和硅光电三极管的暗电流和光电流均随温度而变化，但硅光电三极管具有电流放大作用，所以硅光电三极管受温度的影响要大得多。由于暗电流的增加，使输出信噪比变差，不利于弱光信号的探测。,60,反向偏置光电导模式,零偏置光伏模式,正向偏置二极管模式,八、光生伏特器件的偏置电路,1、硅光电二极管（三极管）变换电路参数计算,八、光生伏特器件的偏置电路,（4）光电器件与集成运算放大器的连接,电流放大型,硅光电二极管和运算放大器的两个输入端同极性相连，运算放大器两输入端间的输入阻抗是硅光电二极管的负载电阻，即,1、硅光电二极管（三极管）变换电路参数计算,八、光生伏特器件的偏置电路,（4）光电器件与集成运算放大器的连接,电流放大型,当，得到,可以认为硅光电二极管处于短路状态，能输出近于理想的短路电流,（3）反向偏置电路的计算,例3-2 已知某光电三极管的伏安特性曲线如图所示。当入射光通量为正弦调制量v,=55+40sint lm时，今要得到5V的输出电压，试设计该光电三极管的变换电路，并画出输入输出的波形图，分析输入与输出信号间的相位关系。,解:首先根据题目的要求，找到入射光通量的最大值与最小值 max=55+40=95 lmmin=5540=15 lm在特性曲线中画出光通量的变化波形，补充必要的特性曲线。,（3）反向偏置电路的计算,例3-2 已知某光电三极管的伏安特性曲线如图所示。当入射光通量为正弦调制量v,=55+40sint lm时，今要得到5V的输出电压，试设计该光电三极管的变换电路，并画出输入输出的波形图，分析输入与输出信号间的相位关系。,由要得到5V的输出电压，则集电极电压变化峰峰值为,Uce14V,A,拐点电压UA3V,输出电压的最大值为UD17V,D,B,Q,负载线与横轴的交点为电源电压Ubb20V,（3）反向偏置电路的计算,例3-2 已知某光电三极管的伏安特性曲线如图所示。当入射光通量为正弦调制量v,=55+40sint lm时，今要得到5V的输出电压，试设计该光电三极管的变换电路，并画出输入输出的波形图，分析输入与输出信号间的相位关系。,得到RL=5k,A,最后画出输入光信号与输出电压的波形图，从图中可以看出输出信号与输入信号为反向关系。,D,B,Q,负载线与纵轴的交点为,作业题,习题3.8光导工作模式和光伏工作模式的不同,