硅光電池(硅光二極管)應用講訴課件

1、4.6 光電池硅光電池結構示意如圖-+RLpn防反射膜(SiO2）pn+-SiO2pn結硅光電池光電池按材料分，有硅、硒、硫化鎘、砷化鎵和無定型材料的光電池等。按結構分，有同質結和異質結光電池等。光電池中最典型的是同質結硅光電池。國產同質結硅光電池因襯底材料導電類型不同而分成2CR系列和2DR系列兩種。2CR系列硅光電池是以N型硅為襯底，P型硅為受光面的光電池。受光面上的電極稱為前極或上電極，為了減少遮光，前極多作成梳狀。襯底方面的電極稱為后極或下電極。為了減少反射光，增加透射光，一般都在受光面上涂有SiO2或MgF2，Si3N4，SiO2MgF2等材料的防反射膜，同時也可以起到防潮，防腐蝕的

2、保護作用。 幾種國產硅光電池的特性 光電池驅動的涼帽4.7 光電二極管外形 （a） （b） 光電二極管的符號與光電特性的測量電路（a）符號 （b）光電特性的測量電路光電二極管的伏安特性無光照暗電流國產硅光電二極管按襯底材料的導電類型不同，分為2CU和2DU兩種系列。2CU系列以N-Si為襯底， 2DU系列以P-Si為襯底2CU系列光電二極管只有兩個引出線，而2DU系列光電二極管有三條引出線，除了前極、后極外，還設了一個環(huán)極。硅光電二極管結構示意圖2DU管加環(huán)極的目的是為了減少暗電 流和噪聲。4.7.1 Si 光電二極管 光電二極管的受光面一般都涂有SiO2防反射膜，而SiO2中又常含有少量的鈉

3、、鉀、氫等正離子。 SiO2是電介質，這些正離子在SiO2中是不能移動的，但是它們的靜電感應卻可以使P-Si表面產生一個感應電子層。 這個電子層與N-Si的導電類型相同，可以使P-Si表面與NSi連通起來。 當管子加反偏壓時，從前極流出的暗電子流，除了有PN結的反向漏電子流外，還有通過表面感應電子層產生的漏電子流，從而使從前極流出的暗電子流增大。 為了減小暗電流，設置一個N+-Si的環(huán)把受光面（N-Si）包圍起來，并從N+-Si環(huán)上引出一條引線（環(huán)極），使它接到比前極電位更高的電位上，為表面漏電子流提供一條不經過負載即可達到電源的通路。 這樣，即可達到減小流過負載的暗電流、減小噪聲的目的。 如

4、果使用時環(huán)極懸空，除了暗電流、噪聲大些外，其它性能均不受影響。 2CU管子，因為是以N-Si為襯底，雖然受光面的SiO2防反射膜中也含有少量的正離子，而它的靜電感應不會使N-Si表面產生一個和P-Si導電類型相同的導電層，從而也就不可能出現(xiàn)表面漏電流，所以不需要加環(huán)極。 光電二極管的用法：光電二極管的用法只能有兩種。一種是不加外電壓，直接與負載相接。另一種是加反向電壓，如圖所示。 a) 不加外電源 b) 加反向外電源 c) 2DU環(huán)極接法實際上，不是不能加正向電壓，只是正接以后就與普通二極管一樣，只有單向導電性，而表現(xiàn)不出它的光電效應。 加反向電壓時，伏安特性曲線常畫成如下圖所示的形式。與硅光

5、電池的伏安特性曲線圖比較，有兩點不同。一是把硅光電池的伏安特性曲線圖中、象限里的圖線對于縱軸反轉了一下，變?yōu)樯蠄D(a)。這里是以橫軸的正向代表負電壓，這樣處理對于以后的電路設計很方便。二是因為開路電壓UOC一般都比外加的反向電壓小很多，二者比較可略而不計，所以實用曲線常畫為上圖(b)的形式。 幾種國產2CU型硅光電二極管的特性 幾種國產2DU型硅光電二極管的特性 4.7.2 PIN管 PIN管是光電二極管中的一種。是在P型半導體和N型半導體之間夾著一層（相對）很厚的本征半導體。 這樣，PN結的內電場就基本上全集中于I層中，從而使PN結雙電層的間距加寬，結電容變小。 由式 = CfRL與f =

6、1/2知，Cf小，則小，頻帶將變寬。因此，這種管子最大的特點是頻帶寬，可達10GHz。另一個特點是，因為I層很厚，在反偏壓下運用可承受較高的反向電壓，線性輸出范圍寬。 由耗盡層寬度與外加電壓的關系可知，增加反向偏壓會使耗盡層寬度增加，從而結電容要進一步減小，使頻帶寬度變寬。所不足的是，I層電阻很大，管子的輸出電流小，一般多為零點幾微安至數微安。目前有將PIN管與前置運算放大器集成在同一硅片上并封裝于一個管殼內的商品出售。 4.7.3 雪崩光電二極管 雪崩光電二極管是利用PN結在高反向電壓下產生的雪崩效應來工作的一種二極管。 這種管子工作電壓很高，約100200V，接近于反向擊穿電壓。結區(qū)內電場

7、極強，光生電子在這種強電場中可得到極大的加速，同時與晶格碰撞而產生電離雪崩反應。因此，這種管子有很高的內增益，可達到幾百。 當電壓等于反向擊穿電壓時，電流增益可達106，即產生所謂的自持雪崩。 這種管子響應速度特別快，帶寬可達100GHz，是目前響應速度最快的一種光電二極管。 噪聲大是這種管子目前的一個主要缺點。 由于雪崩反應是隨機的，所以它的噪聲較大，特別是工作電壓接近或等于反向擊穿電壓時，噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以至無法使用。 4.7.4 光伏探測器使用要點1）極性結型器件都有確定的極性，如要加電壓使用時，光電結必須加反向電壓，即P端與外電源的低電位相接。2）使用時對入射光強范圍的選

8、擇應視用途而定。用于開關電路或邏輯電路時光照可以強些。用于模擬量測量時，光照不宜過強。因為一般器件都有這樣的性質：光照弱些，負載電阻小些，加反偏壓使用時，光電線性好，反之則差。3）靈敏度主要決定于器件，但也與使用條件和方法有關，例如光源和接收器在光譜特性上是否匹配；入射光的方向與器件光敏面法線是否一致等。4）結型器件的響應速度都很快。它主要決定于負載電阻和結電容所構成的時間常數（RC）。負載電阻大，輸出電壓可以大，但會變大，響應變慢。相反，負載電阻小些，輸出電壓要減小，但會變小，響應速度變快。5）靈敏度與頻帶寬度之積為一常數的結論，對結型光電器件也適用。 6）器件的各種參量差不多都與溫度有關，但其中受溫度影響