第2章___结型光电探测器

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1、第2章结型光电探测器2.1光生伏特效应势垒型光电探测器是对光照敏感的“结”构成的，故也称结型光电探测器。光生伏特效应：两种半导体材料或金属/半导体相接触形成势垒，当外界光照射时，激发光生载流子，注入到势垒附近形成光生电压的现象。光生伏特效应属于内光电效应。利用光生伏特效应制成的光电探测器叫做势垒型光电探测器.根据所用结的种类的不同，可分为PN结型、PIN结型、异质结型和肖特基结型等。最常用的器件有光电池、光电二极管、PIN管、雪崩光电二极管、光电三极管和光电场效应管等。势垒型光电探测器与光电导探测器相比较，主要区

2、别:(1)产生光电变换的部位不同。(2)光电导型探测器没有极性，工作时必须有外加电压，而结型探测器有确定的正负极，不需要外加电压也可把光信号变为电信号。(3)光电导探测器为均质型探测器，均质型探测器的载流子驰豫时间比较长，响应速度慢、频率响应特性差。而结型探测器响应速度快、频率响应特性好。另外，雪崩式光电二极管和光电三极管还有很大的内增益作用，不仅灵敏度高，还可以通过较大的电流。势垒型光电探测器的应用非常广泛，广泛应用于光度测量、光开关报警系统、光电检测、图象获取、光通讯、自动控制等方面。2.1.1PN结当P型与

3、N型半导体相接触，电子和空穴相互扩散在接触区附近形成空间电荷区和耗尽层，结区两边形成内建电场。接触电势差UD取决于P型和N型半导体的费米能级EFp、EFn之差：加正向电压的结构与能带加反向电压的结构与能带PN结的单向导电性设扩散电流I1，一般都规定PN结中的扩散电流方向为流过PN结电流的正方向，即由P区通过PN结指向N区，如图2-3。反向饱和漂移电流I0，与扩散电流方向相反，也称反向电流。I1=I0eeU/kT其中，k为波尔兹曼常数，T为热力学温度。PN结加上外加电压，流过PN结的电流为：Ij=I1-I0=I0(

4、eeU/kT-1)U为正，即P区电压高于N区，即常说的正向电压，此时电流由P区流到N区，电流为正值，如图2-3。U为负，即N区电压高于P区，即通常所说的负向电压，电流由N区流到P区，电流为负值，如图2-4。PN结的电流电压特性如图2-5中的无光照的I-U曲线。不同光照下的伏安特性曲线一般硅光电池工作在第四象限。若硅光电池工作在反偏置状态，则伏安特性将延伸到第三象限普通二极管工作在第一象限；光电二极管工作在第三象限，否则没有光电效应。2.1.2PN结光生伏特效应外接电路开路时，光生载流子积累在PN结两侧，光生电压最

5、大，即光生电势Uoc，等于费米能级分开的距离，称Uoc为开路电压。外接电路短路时，流过电路的电流为短路时的光生电流，称Isc为短路电流，短路电流在PN结中N→P（电流方向），在外回路中由P→N。PN结在有光照的电流电压曲线，与普通的二极管的电流电压特性相区别:相当于在回路中加了一个反向电势，所以产生了光生伏特效应的光电二极管的电流电压特性发生了移动。当I=0时，U=Uoc，即光生电势。当U=0时，I=Isc，即光生电流。比较图2-5的曲线Ⅰ和Ⅱ，随着光照的增强，曲线向下移动，光生电势和电流增加。2.2光电池光电池

6、是直接把光变成电的光电器件，由于它是利用各种势垒的光生伏特效应制成的，故称为光生伏特电池，简称光电池。按用途分：太阳能光电池、测量光电池。按材料分：硅光电池、锗光电池、硒光电池、硫化镉光电池、砷化镓光电池。其中最受重视的是硅光电池、硒光电池。硅材料研究得最充分，硅光电池具有一系列的优点，如性能稳定、寿命长、光谱响应范围宽、频率特性好、能耐高温。硒光电池的光谱响应曲线与人眼的光视效率曲线相似。应用：应用于光能转换、光度学、辐射测量、光学计量和测试、激光参数测量等方面。2.2.1光电池的结构结构有两种：一种是金属—半

7、导体接触型，硒光电池即属此类。另一种是PN结型，硅光电池属PN结型。硅光电池的结构形式有多种，按基底材料可分为2DR型和2CR型。PN结光电池的结构图受光表面上涂保护膜，减小反射损失，增加对入射光的吸收，同时又可以防潮，防腐蚀如镀SiO2，MgF2。上电极一般多做成栅指状，其目的是便于透光和减小串联电阻。除典型结构型式的硅光电池以外，按不同用途，还有些特殊的结构型式光电池的符号、连接电路测量用的光电池太阳能光电池2.2.2光电池的电流与电压PN结中有三种电流：扩散电流I1、漂移电流I0、光生电流Ip光照引起电压和

8、势垒的变化开路电压Uoc：短路电流Isc：外电路的电流I：结电流=扩散电流-漂移电流IP与单色辐射的光功率P可写成：Ip=RλPRλ——光谱灵敏度。光谱灵敏度与光的入射方式有关，是一个复杂的关系式。为了计算使用简单，光生电流IP与入射单色辐射的功率P可简写为如下的关系：2.2.3光电池的主要特性1．光照特性是指光电池的光生电动势，光电流与照度的关系。硅光电池硒化电池当RL