第3章结型光电器件--自己做的
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1、第3章 结型光电器件概述：半导体结型光电器件是利用光生伏特效应来工作的光电探测器件。 结型光电器件包括光电池、光电二极管、光电晶体管、PIN光电二极管、雪崩光电二极管、光可控硅、象限式光电器件、位置敏感探测器（PSD）、光电耦合器件等。按结的种类不同，可分为PN结型，PIN结型和肖特基结型等。 3.1 3.1 结型光电器件工作原理结型光电器件工作原理3.1.1.3.1.1.热平衡状态下的热平衡状态下的P-NP-N结结 在热平衡条件下，PN结中净电流为零。如果有外加电压时结内平衡被破坏，这时流过PN结的电流方程为0/0IeIIkTqVD3.1.2.3.1.2.光照下的光照下的p-n p-n 结结
2、1.PN结光伏效应 PN结受光照射时，就会在结区产生电子-空穴对。受内建电场的作用漂移少数载流子，最后在结区两边产生一个与内建电场方向相反的光生电动势，形成光生伏特效应。 两种工作模式:光伏工作模式（无偏置）和光电导工作模式（反偏置状态）。2.光照下PN结的电流方程) 1/(0kTqVeIpIDIpILI 当负载电阻RL断开(IL0)时，p端对n端的电压称为开路电压，用Voc表示。 ESIEp) 1(/0kTqVELeIESI)01ln(IpIqkTocV)ln()ln(00IESqkTIIqkTVEpocIpI0 当负载电阻短路(即RL=0)时，光生电压接近于零，流过器件的电流叫短路电流，用
3、Isc表示。SE为光电灵敏系数。ESIIEpsc图3-1 光照PN节工作原原理图图3-2 等效电路图 图3-3为光照PN节连接负载后的伏安特性曲线。其中，第一象象限为二极管无光照时正向导通工作时的伏安特性曲线。第三象限为二极管在光照条件下反向偏置工作时的伏安特性曲线，第四象限为二极管在光照条件下利用光生伏特效应工作时的伏安特性曲线。 图3-3 光照PN节连接负载后的伏安特性曲线3.2 3.2 硅光电池硅光电池 光电池的主要功能是在不加偏置的情况下能将光信号转换成电信号。按用途光电池可分为太阳能光电池和测量光电池 光电池是一个PN结，根据制作PN结材料的不同分成四种。硅光电池按结构示意图如图3-
4、4，符号如图3-5，电极结构如图3-6。 工作原理如图3-7。硅光电池的电流方程： 图3-4 光电池结构示意图图3-5 光电池符号图3-6 光电池电极结构图3-7 硅光电池工作原原理图) 1/(0kTqVeIpIDIpILI3.2.2.3.2.2.硅光电池的特性参数硅光电池的特性参数 1.光照特性 光照特性主要有伏安特性、照度-电流电压特性和照度-负载特性。 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。) 1() 1(/0/0kTqVEkTqVpDpLeIESeIIIIIDkTqVLIeII) 1(/0图3-8 硅光电池伏安特性曲线 图3-8为硅光电池伏安特性曲线。由公式可得，
5、硅光电池的电流的电流方程式。令E=0可得没有光照情况下硅光电池的电流。当IL0时，RL=(开路)时，光电池的开路电压，以Voc表示。当Ip远大于Io时可近似计算)1ln(0IIqkTVpoc)/ln()/(0IIqkTVpocESIIEpsc 式中，SE表示光电池的光电灵敏度，E 表示入射光照度。可知光电池短路电流与入射光照度成正比，如图3-9。开路时与入射光照度的对数成正比。图3-9 硅光电池的Uoc、Isc与照度的关系图3-10 硅光电池光照-负载特性 2.光谱特性 硅光电池的光谱响应特性表示在入射光能量保持一定的条件下，光电池所产生的短路电流与入射光波长之间的关系，一般用相对响应表示。
6、在线性测量中，不仅要求光电池有高的灵敏度和稳定性，同时还要求与人眼视见函数有相似的光谱响应特性。图3-11是2CR型硅光电池的光谱曲线。图3-12为集中光电池的光谱响应曲线，类似于视觉函数。3.频率特性 下图是硅光电池的频率特性曲线。由图可见，负载大时频率特性变差，减小负载可减小时间常数，提高频响。但是负载电阻RL的减小会使输出电压降低，实际使用时视具体要求而定。 图3-11 硅光电池光谱响应曲线图3-12 硅光电池的光谱响应曲线图3-13 硅光电池的频率响应曲线4温度特性 光电池的温度特性曲线主要指光照射时它的开路电压Voc与短路电流Isc随温度变化的情况。光电池的温度曲线如图3-14所示。
7、 它的开路电压Voc随着温度的升高而减小，其值约为23mVoC；短路电流Isc随着温度的升高而增大，但增大比例很小，约为10-510-3mA/oC数量级。 图3-14 硅光光电池的温度曲线3.3 硅光电二极管和硅光电三极管 光电二极管是基于PN结的光电效应工作的，它主要用于可见光及红外光谱区。光电二极管通常在反偏置条件下工作，也可用在零偏置状态。 制作光电二极管的材料有硅、锗、砷化镓、碲化铅等，目前在可见光区应用最多的是硅光电二极管。3.3.1.3.3.1.硅光电二极管结构及工作原理硅光电二极管结构及工作原理 硅光电二极管的结构和工作原理与硅光电池相似，不同的地方是：衬底材料的掺杂浓度低于光电
8、池；硅光电二极管电阻率远高于光电池光电池在零偏置下工作，而硅光电二极管在反向偏置下工作；硅光电二极管的光电流小得多，通常在微安级。 光电二极管同样是利用光生伏特效应，利用反向偏置电压促进少数载流子的漂移，相当于两个电源串接。 3.3.2.3.3.2.硅光电三极管硅光电三极管 硅光电三极管具有电流放大作用，它的集电极电流受基极电路的电流控制，也受光的控制。所以硅光电三极管的外型有光窗，管脚有三根引线的也有二根引线的，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。 以3DU型为例说明硅光电三极管的结构和工作原理，见图3-15中工作时需要保证集电极
9、反偏置，发射极正偏置。其内电场方向有集电极到基极在光激发下，光生少数载流子在电场作用下漂移向集电极。和三极管类似，射极电流是基极电流（+1）倍。 3CU型硅光电三极管它的基底材料是p型硅，工作时集电极加负电压，发射极加正电压。 为改善频率响应，减少体积，提高增益，光电晶体管已经集成化。具体如图3-16和3-17。图3-15 3DU硅光三极管原理结构图、符号图3-16 光电二极管晶体管图3-17 达林顿光电三极管3.3.3.3.3.3.硅光电三极管与硅光电二极管特性比较硅光电三极管与硅光电二极管特性比较 1.光照特性 光照特性是指硅光电二极管和硅光电三极管的光电流与照度之间的关系曲线，图3-18
10、是硅光电二极管和硅光电三极管的光照特性曲线。 可见，硅光电二极管的光照特性的线性较好。 而硅光电三极管的光电流在弱光照时有弯曲，强光照时又趋向于饱和，只有在中间一段光照范围内线性较好，这是由于硅光电三极管的电流放大倍数在小电流或大电流时都要下降而造成的。图3-18 硅光电管的伏安特性曲线2.伏安特性 伏安特性表示为当入射光的照度(或光通量)一定时，光电二极管（图3-19）和光电三极管（图3-20）输出的光电流与所加偏压的关系。由于光电三极管能放大电流，故其光电流属于毫安级，无偏置电压时电流属于微安级可忽略不计。由于硅光三极管的放大倍数不稳定，故线性不好。 图3-19 硅光二极管伏安特性与照度关
11、系图3-20 硅光三极管伏安特性与照度关系3温度特性 硅光电二极管和硅光电三极管的光电流和暗电流均随温度而变化，但硅光电三极管因有电流放大作用，所以它的光电流和暗电流受温度影响比硅光电二极管大得多，见图3-21和图3-22。由于暗电流的增加，使输出信噪比变差，必要时要采取恒温或补偿措施。图3-21 硅光二极管温度特性图3-22 硅光三极管温度特性4.频率响应特性 硅光电二极管的频率特性主要决定于光生载流子的渡越时间。在实际使用时，应根据频率响应要求选择最佳的负载电阻。 图3-23为用脉冲光源测出的2CU型硅光电二极管的响应时间与负载RL的关系曲线，从图中可以看出当负载超过104以后，响应时间增
