結(jié)型光電器件演示文稿

結(jié)型光電器件演示文稿目前一頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)（優(yōu)選）結(jié)型光電器件目前二頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)4.光電導(dǎo)惰性弱光強(qiáng)光穩(wěn)定前：撤光后：穩(wěn)定前：撤光后：光電導(dǎo)材料從光照開始到獲得穩(wěn)定的光電流是要經(jīng)過一定時(shí)間的。同樣光照停止后光電流也是逐漸消失的。這些現(xiàn)象稱為弛豫過程或惰性。目前三頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)5.前歷效應(yīng)

是指光敏電阻的響應(yīng)特性與工作前的“歷史”有關(guān)的一種現(xiàn)象。前歷效應(yīng)有暗態(tài)前歷效應(yīng)與亮態(tài)前歷效應(yīng)之分。目前四頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)知識(shí)準(zhǔn)備1.費(fèi)米能級(jí)EF：反映電子的填充水平，是電子統(tǒng)計(jì)規(guī)律的一個(gè)基本概念。2.費(fèi)米分布函數(shù)：電子達(dá)到熱平衡時(shí)，能量為E的能級(jí)被電子占據(jù)的幾率。3.金屬，半導(dǎo)體和絕緣體的能帶及費(fèi)米能級(jí)在能帶中的位置：目前五頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)4.金屬半導(dǎo)體接觸：半導(dǎo)體器件必須與外部電路相連接，這種連接是通過金屬—半導(dǎo)體結(jié)來實(shí)現(xiàn)的，這種金屬—半導(dǎo)體結(jié)稱為金屬半導(dǎo)體接觸。

4.1金屬的功函數(shù)Wm：金屬的功函數(shù)表示為一個(gè)起始能量等于費(fèi)米能級(jí)的電子，由金屬內(nèi)部逸出到真空中所需要的最小能量。功函數(shù)的大小標(biāo)志著電子在金屬中束縛的強(qiáng)弱，功函數(shù)越大，電子越不容易離開金屬。

4.2真空能級(jí)E0：電子達(dá)到完全自由而不受核的作用時(shí)所具有的能級(jí)。

4.3半導(dǎo)體的功函數(shù)Ws：半導(dǎo)體的功函數(shù)是把一個(gè)起始能量等于費(fèi)米能級(jí)的電子，由內(nèi)部逸出到真空中所需要的最小能量。

4.4半導(dǎo)體的電子親和能χ：親和能表示要使半導(dǎo)體導(dǎo)帶底的電子逸出體外所需的最小能量。對(duì)半導(dǎo)體而言，二者之差是指導(dǎo)帶底部與費(fèi)米能級(jí)的能量差。目前六頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)E0Wm(EF)mEv(EF)SE0EnχWsEc金屬中的電子勢阱半導(dǎo)體的功函數(shù)和電子親合力肖特基接觸目前七頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)Ev(EF)SEnχWsEcWm(EF)mE0金屬和n型半導(dǎo)體接觸能帶圖(Wm>Ws)(a)接觸前(a)肖特基接觸目前八頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)WmEFq(V’s-Vm)EvEnχWsEcD金屬和n型半導(dǎo)體接觸能帶圖(Wm>Ws)(b)間隙很大(b)肖特基接觸目前九頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)qVDqфnsEcEFEvEnEcqVDqфnsEFq(V’s-Vm)EvEnχWm金屬和n型半導(dǎo)體接觸能帶圖(Wm>Ws)(c)緊密接觸；(d)忽略間隙(c)(d)肖特基接觸目前十頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)金屬和n型半導(dǎo)體接觸能帶圖(Wm<Ws)EcEvχ

-WmEFWs-Wm歐姆基接觸目前十一頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)半導(dǎo)體-金屬正壓，反偏，勢壘增大，無電流；金屬-半導(dǎo)體正壓，正偏，勢壘減小，有電流。肖特基接觸所以柵極一般情況下加負(fù)偏壓目前十二頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)歐姆接觸金屬-半導(dǎo)體正壓，正偏半導(dǎo)體-金屬正壓，反偏ee目前十三頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)本章主要內(nèi)容：3.1結(jié)型光電器件的工作原理3.2光電池;3.3光電二極管，光電晶體管；3.4象限式光電器件；3.5PIN管；3.6位置敏感探測器(PSD)；3.7雪崩光電二極管；目前十四頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)

利用半導(dǎo)體PN結(jié)光伏效應(yīng)制成的器件稱為光伏器件，也稱結(jié)型光電器件。

光電池、光電二極管、光電晶體管、光電場效應(yīng)管、PIN管、雪崩光電二極管、光可控硅、陣列式光電器件、象限式光電器件、位置敏感探測器、光電耦合器件等。

光伏探測器的工作特性要復(fù)雜一些。

通常有光電池和光電二極管之分，也就是說光伏探測器有著不同的工作模式。

因此在具體討論光伏探測器的工作特性之前，首先必須弄清楚它的工作模式問題。

2.1結(jié)型光電器件的工作原理目前十五頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)

為了便于理解在后面將要引入的光伏探測器的等效電路，有必要先討論一下光伏探測器的光電轉(zhuǎn)換規(guī)律。PN結(jié)光伏探測器的典型結(jié)構(gòu)如圖所示。2.1結(jié)型光電器件工作原理mA

為了說明光功率轉(zhuǎn)換成光電流的關(guān)系，設(shè)想光伏探測器兩端被短路，并用一理想電流表記錄光照下流過回路的電流，該電流為短路光電流目前十六頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)（一）熱平衡狀態(tài)下的PN結(jié)P型材料和N型材料緊密接觸，在交界處就形成PN結(jié)在熱平衡條件下，PN結(jié)中凈電流為零

如果有外加電壓時(shí)結(jié)內(nèi)平衡被破壞，此時(shí)流經(jīng)PN結(jié)的電流方程？ID與外加電壓有關(guān)當(dāng)U=0時(shí)？當(dāng)U>0時(shí)？當(dāng)U<0時(shí)？目前十七頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)P型材料和N型材料緊密接觸，在交界處就形成PN結(jié)在熱平衡條件下，PN結(jié)中凈電流為零。如果有外加電壓時(shí)結(jié)內(nèi)平衡被破壞，此時(shí)流經(jīng)PN結(jié)的電流方程為ID與外加電壓有關(guān)熱平衡狀態(tài)下的PN結(jié)目前十八頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)PN

結(jié)在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。1．PN結(jié)的形成目前十九頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場E漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。內(nèi)電場越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄?？臻g電荷區(qū)，也稱耗盡層。PN結(jié)的形成目前二十頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)漂移運(yùn)動(dòng)P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場E所以擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡，相當(dāng)于兩個(gè)區(qū)之間沒有電荷運(yùn)動(dòng)，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。目前二十一頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)電位VV0目前二十二頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)－－－－++++RE（1）.PN

結(jié)正向偏置內(nèi)電場外電場變薄PN+_內(nèi)電場被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)能夠形成較大的擴(kuò)散電流。目前二十三頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)（2）.PN結(jié)反向偏置－－－－++++內(nèi)電場外電場變厚NP+_內(nèi)電場被被加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散受抑制。少子漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。RE目前二十四頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)（３）PN結(jié)的電流方程

PN結(jié)V-I特性表達(dá)式其中：PN結(jié)的伏安特性在常溫下（T=300K）：uD——外加電壓VT=kT/q——溫度的電壓當(dāng)量IS——反向飽和電流（其中玻爾茲曼常數(shù)k=1.38×10-23J/K，電子電量q=1.6×10-9C，則VT=T/11600V）當(dāng)外加正向電壓，uD>>UT時(shí)，，PN結(jié)為正向?qū)顟B(tài)。當(dāng)外加反向電壓，uD>>UT時(shí)，，PN結(jié)為反向截止?fàn)顟B(tài)。目前二十五頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)NPRL(二).光照下的PN結(jié)ID

假定光生電子-空穴對(duì)在PN結(jié)的結(jié)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生。由于內(nèi)電場作用，電子從P區(qū)向N區(qū)漂移運(yùn)動(dòng)，被內(nèi)電場分離的電子和空穴就在外回路中形成電流。UIP+-

流過負(fù)載的電流產(chǎn)生的壓降，對(duì)PN結(jié)來說就好像是一個(gè)正偏置，從而產(chǎn)生正向電流！自偏置IP與光照有關(guān)，隨著光照增大而增大開路電壓短路電流不同光照下的伏安特性曲線目前二十六頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)光伏效應(yīng)有兩個(gè)重要參數(shù):

當(dāng)負(fù)載電阻短路(即RL=0)時(shí)，光生電壓接近于零，流過器件的電流叫短路電流，用Isc表示

當(dāng)負(fù)載電阻RL斷開(IL＝0)時(shí)，P端對(duì)N端的電壓稱為開路電壓，用Uoc表示

開路電壓和短路電流目前二十七頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)不同光照下的伏安特性曲線跟反向飽和電流方向相同第一象限是正偏壓狀態(tài)，id本來就很大，所以光電流不起重要作用。作為光電探測器，工作在這一區(qū)域沒有意義。第三象限，是反偏壓狀態(tài)。這時(shí)id=iO，它是普通二極管中的反向飽和電流，現(xiàn)在稱為暗電流(對(duì)應(yīng)于光功率P=0)，數(shù)值很小，這時(shí)的光電流(等于i-iO)是流過探測器的主要電流，這對(duì)應(yīng)于光導(dǎo)工作模式。目前二十八頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)不同光照下的伏安特性曲線跟反向飽和電流方向相同在外偏壓為零或第四象限。流過探測器的電流仍為反向光電流，隨著光功率的不同，出現(xiàn)明顯的非線性。這時(shí)探測器的輸出是通過負(fù)載電阻RL上的電壓或流過RL上的電流來體現(xiàn)，因此，稱為光伏工作模式。通常把光伏工作模式的光伏探測器稱為光電池。目前二十九頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)通常把光伏工作模式的光伏探測器稱為光電池。

在零偏置的開路狀態(tài)，結(jié)型光電器件產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)，稱為光伏工作模式。

在反偏置狀態(tài)，無光照時(shí)結(jié)電阻很大，結(jié)電流很小；有光照時(shí)，結(jié)電阻變小，電流變大，而且流過它的光電流隨照度變化而變化，稱為光電導(dǎo)工作模式。

通常把光導(dǎo)工作模式的光伏探測器稱為光電二極管，因?yàn)樗耐饣芈诽匦耘c光電導(dǎo)探測器十分相似。目前三十頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)不同光照下的伏安特性曲線

一般硅光電池工作在第三四象限的交界處。若反偏，則伏安特性將延伸到第三象限；

普通二極管工作在第一象限；光電二極管工作在第三象限，否則沒有光電效應(yīng)。跟反向飽和電流方向相同目前三十一頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)二、硅光電池

光電池主要功能是在零偏置的情況下能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。按用途光電池可分為太陽能光電池和測量光電池20世紀(jì)以來，人類在太陽能的利用方面，主要開發(fā)3項(xiàng)技術(shù)：1.把太陽能轉(zhuǎn)換為熱能技術(shù)，如太陽能熱水器、取暖器等；2.太陽能電池和太陽能電站等；3.正在進(jìn)行可行性研究技術(shù)，如太陽能衛(wèi)星（太空電站）。由衛(wèi)星組成的太空電站可在高空軌道上大面積聚集陽光，并轉(zhuǎn)換成電能，再通過微波發(fā)生器轉(zhuǎn)換成微波發(fā)回地面，地面接收天線再把微波整流并送往相關(guān)電力網(wǎng)，供用戶使用。

兩種轉(zhuǎn)換方式?目前三十二頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)（二）分類：1、金屬-半導(dǎo)體接觸型（肖特基結(jié)）（硒光電池）；2、PN結(jié)型（硅光電池）。2DR（P型Si為基底）2CR（N型Si為基底）透明的二氧化硅保護(hù)膜：防潮、增加對(duì)入射光的吸收（1）按基底材料來分：2.2硅光電池的基本結(jié)構(gòu)和工作原理目前三十三頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)

硅光電池的受光面的輸出電極多做成梳齒狀或“E”字型電極，其目的是便于透光和減小硅光電池的內(nèi)電阻。

圖2DR型硅光電池，它是以P型硅為襯底，然后在襯底上擴(kuò)散磷而形成N型層并將其作為受光面。目前三十四頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)注意：1、上、下電極區(qū)分2、上電極柵指狀目的3、受光表面涂保護(hù)膜的目的目前三十五頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)（2）按結(jié)構(gòu)陣列式：分立的受光面；象限式（激光制導(dǎo)）：參數(shù)相同的獨(dú)立光電池；硅藍(lán)光電池（探測藍(lán)紫光）：PN結(jié)距受光面很近。目前三十六頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)（3）按用途太陽能光電池：用作電源（效率高，成本低）；測量用光電池：探測器件（線性、靈敏度高等）。（4）按材料硅光電池：光譜響應(yīng)寬，頻率特性好；硒光電池：波譜峰值位于人眼視覺內(nèi)；薄膜光電池：CdS增強(qiáng)抗輻射能力；紫光電池：PN結(jié)0.2~0.3μm,短波峰值600nm。目前三十七頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)硅光電池的特性參數(shù)

光照特性有伏安特性、照度-電流電壓特性和照度-負(fù)載特性。1.光照特性

特性參數(shù)主要有：光照特性、光譜特性、頻率特性、溫度特性不同照度時(shí)的伏-安特性曲線.一般硅光電池工作在第四象限。若硅光電池工作在反偏置狀態(tài)，則伏安特性將延伸到第三象限

伏安特性：表示輸出電流和電壓隨負(fù)載電阻變化的曲線。目前三十八頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)

在線性測量中,光電池常以電流形式使用,因此短路電流的這種線性關(guān)系是光電池重要的光照特性這就是硅光電池的開路電壓和短路電流與光照的關(guān)系,由此圖可看出什麼?當(dāng)RL=∞(開路)時(shí)，光電池的開路電壓，以Voc表示當(dāng)RL＝0時(shí)所得的電流稱為光電池短路電流，以Isc表示

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，都接負(fù)載，光電池光照與負(fù)載的特性曲線

在要求輸出電流與光照度成線性關(guān)系時(shí)，負(fù)載電阻在條件許可的情況下越小越好，并限制(禁止)在強(qiáng)光照范圍內(nèi)使用

目前三十九頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)

幾種常見光電池的相對(duì)光譜響應(yīng)曲線:硒光電池與人眼視見函數(shù)相似，砷化鎵量子效率高，噪聲低，響應(yīng)在紫外區(qū)和可見光區(qū)。2.光譜特性

光譜響應(yīng)特性表示在入射光能量保持一定的條件下，光電池所產(chǎn)生的短路電流與入射光波長之間的關(guān)系，一般用相對(duì)響應(yīng)表示。

線性測量中，要求光電池有高的靈敏度和穩(wěn)定性，同時(shí)要求與人眼視見函數(shù)有相似的光譜響應(yīng)特性。鍺光電池長波響應(yīng)寬，適合作紅外探測器目前四十頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)

由圖可見：負(fù)載大時(shí)頻率特性變差，減小負(fù)載可減小時(shí)間常數(shù)τ，提高頻響。但是負(fù)載電阻RL的減小會(huì)使輸出電壓降低，實(shí)際使用時(shí)根據(jù)具體要求而定。3.頻率特性

對(duì)矩形脈沖光，用光電流上升時(shí)間常數(shù)tr和下降時(shí)間常數(shù)tf來表征光電流滯后于光照的程度；對(duì)正弦型光照常用頻率特性曲線表示

結(jié)型光電器件，PN結(jié)內(nèi)載流子的擴(kuò)散、漂移，產(chǎn)生與復(fù)合都需要一定的時(shí)間，當(dāng)光照變化很快時(shí)，光電流變化就滯后于光照變化。右圖為硅光電池的頻率特性曲線。目前四十一頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)4．溫度特性

光電池的溫度特性曲線主要指光照射時(shí)它的開路電壓Uoc與短路電流Isc隨溫度變化的情況。光電池的溫度特性曲線如圖所示從圖知：開路電壓Uoc隨著溫度的升高而減小,其值約為2～3mV/oC;從圖知：短路電流Isc隨著溫度的升高而增大，增大比例約為10-5～10-3mA/oC數(shù)量級(jí)。為什么？因?yàn)榉聪蝻柡碗娏饕苍龃蟆Ｄ壳八氖揬總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)光電池應(yīng)用

把光能直接轉(zhuǎn)化成電能，需要最大的輸出功率和轉(zhuǎn)化效率。1、光電池用作太陽能電池

利用其光敏面大，頻率響應(yīng)高，光電流與照度線性變化，適用于開關(guān)和線性測量等。2、光電池用作檢測元件

可把受光面做得較大，或把多個(gè)光電池作串聯(lián)或并聯(lián)組成電池組，與鎳鎘蓄電池配合；可作為衛(wèi)星、微波站等無輸電線路地區(qū)的電源供給。目前四十三頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)半導(dǎo)體-金屬正壓，反偏，勢壘增大，無電流；金屬-半導(dǎo)體正壓，正偏，勢壘減小，有電流。肖特基接觸所以柵極一般情況下加負(fù)偏壓1.金屬半導(dǎo)體接觸：半導(dǎo)體器件必須與外部電路相連接，這種連接是通過金屬—半導(dǎo)體結(jié)來實(shí)現(xiàn)的，這種金屬—半導(dǎo)體結(jié)稱為金屬半導(dǎo)體接觸。

知識(shí)回顧目前四十四頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)歐姆接觸金屬-半導(dǎo)體正壓，正偏半導(dǎo)體-金屬正壓，反偏ee目前四十五頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)2.光電效應(yīng)

光與物質(zhì)作用產(chǎn)生的光電效應(yīng)分為內(nèi)光電效應(yīng)與外光電效應(yīng)兩類。內(nèi)光電效應(yīng)是被光激發(fā)所產(chǎn)生的載流子（自由電子或空穴）仍在物質(zhì)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，使物質(zhì)的電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生伏特的現(xiàn)象。外光電效應(yīng)被光激發(fā)產(chǎn)生的電子逸出物質(zhì)表面，形成真空中的電子的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。目前四十六頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)2.1光電導(dǎo)效應(yīng)光L面積A+VgE導(dǎo)帶禁帶價(jià)帶本征導(dǎo)帶價(jià)帶施主能級(jí)受主能級(jí)雜質(zhì)EiEi-電子-空穴

光電導(dǎo)效應(yīng)可分為本征光電導(dǎo)效應(yīng)與雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)兩種。本征半導(dǎo)體價(jià)帶中的電子吸收光子能量躍入導(dǎo)帶產(chǎn)生本征吸收，導(dǎo)帶中產(chǎn)生光生自由電子，價(jià)帶中產(chǎn)生光生自由空穴。光生電子與空穴使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生變化。這種在光的作用下由本征吸收引起的半導(dǎo)體電導(dǎo)率的變化現(xiàn)象稱為本征光電導(dǎo)效應(yīng)。

目前四十七頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)2.2PN結(jié)光伏效應(yīng)

光生伏特效應(yīng)是基于半導(dǎo)體PN結(jié)基礎(chǔ)上的一種將光能轉(zhuǎn)換成電能的效應(yīng)。當(dāng)入射輻射作用在半導(dǎo)體PN結(jié)上產(chǎn)生本征吸收時(shí)，價(jià)帶中的光生空穴與導(dǎo)帶中的光生電子在PN結(jié)內(nèi)建電場的作用下分開，并分別向如下圖所示的方向運(yùn)動(dòng)，形成光生伏特電壓或光生電流的現(xiàn)象。目前四十八頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)2.3光電發(fā)射效應(yīng)（外光電效應(yīng)）

當(dāng)物質(zhì)中的電子吸收足夠高的光子能量，電子將逸出物質(zhì)表面成為真空中的自由電子，這種現(xiàn)象稱為光電發(fā)射效應(yīng)或稱為外光電效應(yīng)。外光電效應(yīng)中光電能量轉(zhuǎn)換的基本關(guān)系為

表明，具有能量的光子被電子吸收后，只要光子的能量大于光電發(fā)射材料的光電發(fā)射閾值A(chǔ)0，則質(zhì)量為m的電子的初始動(dòng)能便大于0。

光電發(fā)射存在長波限目前四十九頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)3.不同光照下的伏安特性曲線

一般硅光電池工作在第四象限。若反偏，則伏安特性將延伸到第三象限；

普通二極管工作在第一象限；光電二極管工作在第三象限，否則沒有光電效應(yīng)。目前五十頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)4.光電池的結(jié)構(gòu)1、上、下電極區(qū)分2、上電極柵指狀目的3、受光表面涂保護(hù)膜的目的目前五十一頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)3.1結(jié)型光電器件的工作原理3.2光電池;3.3光電二極管，光電晶體管；3.4象限式光電器件；3.5PIN管；3.6位置敏感探測器(PSD)；3.7雪崩光電二極管；目前五十二頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)（一）、光電二極管1.硅光電二極管結(jié)構(gòu)及工作原理

光電二極管是基于PN結(jié)的光電效應(yīng)工作的，它主要用于可見光及紅外光譜區(qū)。光電二極管通常在反偏置條件下工作，也可用在零偏置狀態(tài)。

沒有光照：由于二極管反向偏置，所以反向電流很小，這時(shí)的電流稱為暗電流，相當(dāng)于普通二極管的反向飽和漏電流。

有光照射：在二極管的PN結(jié)附近產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)量也隨之增加，光電流也相應(yīng)增大，光電流與照度成正比。

3.3光電二極管和光電三極管目前五十三頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)

沒有光照時(shí):由于二極管反向偏置，反向電流（暗電流）很小

光照增加時(shí):光電流Ip與光照度成正比關(guān)系

目前五十四頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)2023/5/1355光敏二極管演示

當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，光生電子—空穴對(duì)增加，阻值減小，電流增大。暗電流（越小越好）目前五十五頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)光敏二極管符號(hào)

實(shí)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?qū)щ娦?，而表現(xiàn)不出它的光電效應(yīng)。

光敏二極管接法

硅光電二極管符號(hào)和接法目前五十六頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)國產(chǎn)硅光電二極管按襯底材料的不同分為:2CU系列以N-Si為襯底；2DU系列以P-Si為襯底。2CU系列光電二極管有兩個(gè)引出線(前極、后極)2DU系列光電二極管有三條引出線(前極、后極和環(huán)極)2DU管加環(huán)極的目的是為了減少暗電流和噪聲。硅光電二極管結(jié)構(gòu)示意圖目前五十七頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)2.與普通二極管相比共同點(diǎn)：一個(gè)PN結(jié)，單向?qū)щ娦圆煌c(diǎn)：（1）受光面大，PN結(jié)面積更大，PN結(jié)深度較淺（2）表面有防反射的SiO2保護(hù)層（3）外加反偏置3.與光電池相比共同點(diǎn)：均為PN結(jié)，利用光伏效應(yīng)，SiO2保護(hù)膜不同點(diǎn)：（1）結(jié)面積比光電池的小，頻率特性好;（2）光生電勢與光電池相同，但電流比光電池小;（3）可在零偏壓下工作，常在反偏置下工作。目前五十八頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)

在N+側(cè)開窗，引出一個(gè)電極作“集電極c”，中間的P型層引出“基極b”，也可以不引出來，在N型硅片的襯底上引出一個(gè)“發(fā)射極e”。硅光電三極管的外型有光窗,管腳有三根引線或二根引線,管型分為PNP型和NPN型。（二）.硅光電三極管

硅光電三極管具有電流放大作用，它的集電極電流受基極的光強(qiáng)控制。

以N型硅片作襯底，擴(kuò)散硼而形成P型，再擴(kuò)散磷而形成重?fù)诫sN+層。以3DU型為例討論硅光電三極管的結(jié)構(gòu)和工作原理NPN型稱3DU型,PNP型稱3CU型。1.硅光電三極管的結(jié)構(gòu)和工作原理NPN+這就構(gòu)成一個(gè)光電三極管注：需保證發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。UCIp目前五十九頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)

當(dāng)晶體管處在發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏的放大狀態(tài)下，管內(nèi)載流子的運(yùn)動(dòng)情況可用下圖說明。cICeIENPNIBRCUCCUBBRB15Vb

①.發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子②.電子在基區(qū)中邊擴(kuò)散邊復(fù)合③.電子被集電區(qū)收集

IEP根據(jù)電荷守衡有ICN+IBN=IENIEP<<IEN

，發(fā)射極電流IE≈IEN。形成基區(qū)復(fù)合電流IBN,為基極電流IB的主要部分形成集電區(qū)收集電流ICN,為集電極電流IC的主要部分。IENIBNICNICBO④.集電結(jié)少子漂移集電結(jié)反偏，兩邊少子飄移形成反向飽和電流ICBO。知識(shí)回顧：雙極性晶體管--載流子的傳輸過程目前六十頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)

通過對(duì)管內(nèi)載流子傳輸?shù)挠懻摽梢钥闯?，在晶體管中，窄的基區(qū)將發(fā)射結(jié)和集電結(jié)緊密地聯(lián)系在一起。從而把正偏下發(fā)射結(jié)的正向電流幾呼全部地傳輸?shù)椒雌募娊Y(jié)回路中去。這是晶體管能實(shí)現(xiàn)放大功能的關(guān)鍵所在。④.集電結(jié)少子漂移集電結(jié)反偏，兩邊少子飄移形成反向飽和電流ICBO。cICeIENPNIBRCUCCUBBRB15VbIBNIENICNICBO目前六十一頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)由以上分析可知，晶體管三個(gè)電極上的電流與內(nèi)部載流子傳輸形成的電流之間有如下關(guān)系：cICeIENPNIBRCUCCUBBRB15VbIEPIENIBNICNICBO知識(shí)回顧：雙極性晶體管--電流分配關(guān)系目前六十二頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)由以上分析可知，晶體管三個(gè)電極上的電流與內(nèi)部載流子傳輸形成的電流之間有如下關(guān)系：cICeIENPNIBRCUCCUBBRB15VbIBNIENICNICBO定義共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)為知識(shí)回顧：雙極性晶體管--電流分配關(guān)系目前六十三頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)cICeIENPNRCUCC15VbIEPIENIBNICNICBO光電三極管--電流分配關(guān)系Ip目前六十四頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)根據(jù)共發(fā)射極電流關(guān)系有：

Ib＝IpIe＝（1+β）

Ib

Ic=Ie=

（1+β）

Ip=（1+β）

E·SE目前六十五頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)

利用光刻技術(shù)，將一個(gè)圓形或方形的光敏面窗口分隔成幾個(gè)有一定規(guī)律的的區(qū)域(但背面仍為整片)，每一個(gè)區(qū)域相當(dāng)于一個(gè)光電二極管。理想情況下，每個(gè)光電二極管應(yīng)有完全相同的性能參數(shù)。實(shí)際上它們的轉(zhuǎn)換效率往往不一致，使用時(shí)必須精心挑選。

象限探測器實(shí)質(zhì)是一個(gè)面積很大的結(jié)型光電器件，很像一個(gè)光電池；2.4象限探測器目前六十六頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)

光斑偏向P2區(qū)，則輸出電壓U>0，其大小反映光斑偏離程度；

光斑偏向P1區(qū)，則輸出電壓U<0，其大小反映光斑偏離程度存在缺點(diǎn)：1、存在死區(qū)，光斑越小死區(qū)的影響越明顯；2、若光斑全在一個(gè)象限，輸出電信號(hào)無法表示其精確位置3、精度易受光強(qiáng)變化影響，分辨率不高什么是死區(qū)？==目前六十七頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)

PIN型光電二極管又稱快速光電二極管，它的結(jié)構(gòu)分三層。PIN光電二極管的優(yōu)點(diǎn)由于I層比PN結(jié)寬的多，光生電流增大，靈敏度提高。由于耗盡層變寬，從而展寬了光電轉(zhuǎn)換的有效工作范圍，提高了量子效率；

在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著較厚的本征半導(dǎo)體I層。2.5.PIN型光電二極管由于耗盡層變寬，結(jié)電容變小；提高響應(yīng)速度；由于I層電阻率很高，故能承受的電壓增大，電場增強(qiáng)，從而縮短了載流子的渡越時(shí)間，頻帶寬度可以達(dá)到10GHz目前六十八頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)

PSD包含有三層，上面為P層，下面為N層，中間為I層，它們?nèi)恢谱髟谕还杵?，P層既是光敏層，也是一個(gè)均勻的電阻層。

光電位置傳感器是一種對(duì)入射到光敏面上的光點(diǎn)位置敏感的PIN型光電二極管，面積較大，其輸出信號(hào)與光點(diǎn)在光敏面上的位置有關(guān)。一般稱為PSD。

P層I層N層PSD是利用離子注入技術(shù)制成的一種可確定光的能量中心位置的結(jié)型光電器件，有一維的和二維的兩種。2.6.光電位置傳感器(PSD)目前六十九頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)

由于P層的電阻是均勻的，由兩極輸出的電流分別與光點(diǎn)到兩電極的距離成反比。

光射到PSD的光敏面上時(shí)，在入射位置表面下就產(chǎn)生與光強(qiáng)成比例的電荷，此電荷通過P層向電極流動(dòng)形成光電流。

設(shè)兩電極間距離為2L，經(jīng)電極①和電極②輸出的光電流分別為I1和I2

，電極③輸出的電流為I0PSD器件的工作原理

I0=I1+I2

若以PSD的中心點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系(坐標(biāo)軸)，設(shè)光點(diǎn)離中心點(diǎn)的距離為xA，于是有：OxA目前七十頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)

雪崩倍增效應(yīng):當(dāng)在光電二極管上加（100-200V）反向偏壓時(shí)，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的電場。結(jié)區(qū)的光生載流子受強(qiáng)電場的加速獲得很大的能量，與原子碰撞時(shí)可使原子電離，新生的電子-空穴對(duì)在向電極運(yùn)動(dòng)過程中又獲得足夠能量，再次與原子碰撞，又產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)。這一過程不斷重復(fù)，使PN結(jié)內(nèi)電流急劇增加，雪崩光電二極管有以下特征：1）靈敏度很高:電流增益可達(dá)102～103；2）響應(yīng)速度快:響應(yīng)時(shí)間只有0.5ns，響應(yīng)頻率可達(dá)100GHz；3）噪聲等效功率很小:約為10-15W。4）反偏壓高,可達(dá)200V,接近于反向擊穿電壓。廣泛用于光纖通訊、弱信號(hào)檢測、激光測距等領(lǐng)域。

雪崩光電二極管是借助強(qiáng)電場產(chǎn)生載流子倍增效應(yīng)工作的一種高速光電二極管。雪崩倍增效應(yīng)2.7雪崩光電二極管；目前七十一頁\總數(shù)七十五頁\編于十二點(diǎn)

從圖可見：在同一塊硅片上制造兩個(gè)深淺不同的PN結(jié)。

光譜響應(yīng)特性淺結(jié)深結(jié)

半導(dǎo)體色敏器件是根據(jù)人眼視覺的三色原理，利用不同結(jié)深的光電二極管對(duì)各種波長的光譜響應(yīng)率不同的現(xiàn)象制成的。（1）．半導(dǎo)體色敏器件的工作原理半導(dǎo)體色敏器件的結(jié)構(gòu)示意圖和等效電路。