第七章 太阳电池和光电二极管

1、第七章第七章 太阳电池和光电二极太阳电池和光电二极管管 7.1 7.1 半导体中的光吸收半导体中的光吸收7.1 7.1 半导体中的光吸收半导体中的光吸收 假设半导体被一光子能量假设半导体被一光子能量 大于禁带宽度的光源大于禁带宽度的光源均匀均匀照射。光子通量为照射。光子通量为 。 图图7-1 7-1 从紫外区到红外区的电磁波谱图从紫外区到红外区的电磁波谱图 h07.1 7.1 半导体中的光吸收半导体中的光吸收 当光子在半导体中传播时，在距表面当光子在半导体中传播时，在距表面x x处单位时间、单位距离上被吸收的光子数应当正比处单位时间、单位距离上被吸收的光子数应当正比于该处的光子通量于该处的光子

2、通量即即 在在 时，时， 。方程（。方程（7-17-1）的解为）的解为 在半导体的另一端（图在半导体的另一端（图7-37-3b b） 处，光子通量为处，光子通量为 式中比例系数式中比例系数 叫做吸收系数它是叫做吸收系数它是 的函数。光吸收在截止波长的函数。光吸收在截止波长 处急剧下降。处急剧下降。 x xdxxd（7-7-2 2）0 x 0 x xex0（7-7-3 3）Wx weW0hcmeVEgc24. 1（7-47-4）7.1 7.1 半导体中的光吸收半导体中的光吸收 图图7-4 7-4 几种半导体的吸收系数几种半导体的吸收系数7.1 7.1 半导体中的光吸收半导体中的光吸收 教学要求教

3、学要求v 作业：作业：7.17.1、7.37.3 7.2 7.2 P-NP-N结的光生伏特效应结的光生伏特效应7.2 7.2 P-NP-N结的光生伏特效应结的光生伏特效应 P-NP-N结光生伏打效应就是半导体吸收光能后在结光生伏打效应就是半导体吸收光能后在P-NP-N结上产生光生电动势的效应。光结上产生光生电动势的效应。光生伏打效应涉及到以下三个主要的物理过程：生伏打效应涉及到以下三个主要的物理过程：第一、半导体材料吸收光能产生出非平衡的电子第一、半导体材料吸收光能产生出非平衡的电子空穴对；空穴对；第二、非平衡电子和空穴从产生处向非均匀势场区运动，这种运动可以是扩散运动，也第二、非平衡电子和空

4、穴从产生处向非均匀势场区运动，这种运动可以是扩散运动，也 可以是漂移运动；可以是漂移运动；第三、非平衡电子和空穴在非均匀势场作用下向相反方向运动而分离。这种非均匀势场第三、非平衡电子和空穴在非均匀势场作用下向相反方向运动而分离。这种非均匀势场 可以是结的空间电荷区，也可以是金属可以是结的空间电荷区，也可以是金属半导体的肖特基势垒或异质结势垒等。半导体的肖特基势垒或异质结势垒等。 7.2 7.2 P-NP-N结结的光生伏特效应应 图图 7-5 7-5 P-NP-N结能带图：（结能带图：（a a）无光照平衡无光照平衡P-N结，（结，（b b）光照光照P-N结开路状态，结开路状态，（c c）光照光照

5、P-NP-N结有串联电阻时的状态结有串联电阻时的状态 。7.2 7.2 P-NP-N结的光生伏特效应结的光生伏特效应 对于在整个器件中均匀吸收的情形，短路光电流可以用下式表示对于在整个器件中均匀吸收的情形，短路光电流可以用下式表示 式中式中 为光照电子为光照电子 空穴对的产生率空穴对的产生率 为为P-N结面积结面积 为光生载流子的体积。为光生载流子的体积。 由式（由式（7-57-5）可知短路光电流取决于光照强度和）可知短路光电流取决于光照强度和P-NP-N结的性质。结的性质。 PnLLLLqAGI（7-7-5 5）LGA)(pnLLA7.2 7.2 P-NP-N结的光生伏特效应结的光生伏特效应

6、 小结小结 概念：光生伏打效应、暗电流概念：光生伏打效应、暗电流 PNPN结光生伏特效应的基本过程：结光生伏特效应的基本过程： 第一，半导体材料吸收光能产生出非平衡的电子第一，半导体材料吸收光能产生出非平衡的电子空穴对；空穴对； 第二，非平衡电子和空穴从产生处向非均匀势场区运动，这种运动可以是扩散运动，第二，非平衡电子和空穴从产生处向非均匀势场区运动，这种运动可以是扩散运动， 也可以是漂移运动；也可以是漂移运动； 第三，非平衡电子和空穴在非均匀势场作用下向相反方向运动而分离。分离的电子第三，非平衡电子和空穴在非均匀势场作用下向相反方向运动而分离。分离的电子 和空穴在半导体中产生了光生电动势。和

7、空穴在半导体中产生了光生电动势。 利用能带图分析了光生电动势的产生：非平衡载流子的产生预示着热平衡的统一费米利用能带图分析了光生电动势的产生：非平衡载流子的产生预示着热平衡的统一费米能级分开，开路时电子和空穴的准费米能级之差等于光生电动势。能级分开，开路时电子和空穴的准费米能级之差等于光生电动势。 7.2 7.2 P-NP-N结的光生伏特效应结的光生伏特效应 小结小结 在半导体均匀吸收的情况下，短路光电流为在半导体均匀吸收的情况下，短路光电流为 （7-57-5） 串联电阻和负载电阻上的电压降加在串联电阻和负载电阻上的电压降加在PNPN结上，对结上，对PNPN结来说这是一个正偏压结来说这是一个正

8、偏压, ,它它 使使PNPN结产生正向电流结产生正向电流 这个电流的方向与光生电流的方向正好相反，称为暗电流，是太阳电池中的不利因素。这个电流的方向与光生电流的方向正好相反，称为暗电流，是太阳电池中的不利因素。PnLLLLqAGI10TVVDeII7.2 7.2 P-NP-N结的光生伏特效应结的光生伏特效应 教学要求教学要求 掌握概念：光生伏打效应、暗电流掌握概念：光生伏打效应、暗电流 分析了分析了PNPN结光生伏特效应的基本过程结光生伏特效应的基本过程 利用能带图分析光生电动势的产生利用能带图分析光生电动势的产生 解释短路光电流公式（解释短路光电流公式（7-57-5）的含义）的含义 暗电流是

9、怎么产生的？能否去除？暗电流是怎么产生的？能否去除？ 7.3 7.3 太阳电池的太阳电池的I-VI-V特性特性7.3 7.3 太阳电池的太阳电池的I-VI-V特性特性 图图7-6 7-6 太阳电池理想等效电路太阳电池理想等效电路 h LI V LR LR DI I 7.3 7.3 太阳电池的太阳电池的I-VI-V特性特性 首先考虑串联电阻首先考虑串联电阻 =0 =0 的理想情况。在这种情况下，太阳电池的等效电路如图的理想情况。在这种情况下，太阳电池的等效电路如图7-67-6所所示。图中电流源为短路光电流示。图中电流源为短路光电流 。 V-I V-I特性可以简单地由图特性可以简单地由图7-67-

10、6所示的等效电路写出。所示的等效电路写出。 式中式中 为为P-N P-N 结正向电流结正向电流 为为P-N P-N 结饱和电流结饱和电流 P-N P-N 结的结电压即为负载结的结电压即为负载R R上的电压降。上的电压降。SRLITVVeIIIIILDL1010TVVDeII0I（7-67-6）7.3 7.3 太阳电池的太阳电池的I-VI-V特性特性 P-N结上的电压为结上的电压为 在开路情况下，在开路情况下，I=0，得到开路电压（这是太阳电池能提供的最大电压得到开路电压（这是太阳电池能提供的最大电压 ） 在短路情况下（在短路情况下（V=0），）， 这是太阳电池能提供的最大电流。这是太阳电池能提

11、供的最大电流。太阳电池向负载提供的功率为太阳电池向负载提供的功率为 1ln0IIIVVLT01IIlVVLnTOCLII 10TVVLeVIVIIVP（7-97-9）（7-77-7）（7-87-8）（7-107-10）7.3 7.3 太阳电池的太阳电池的I-VI-V特性特性 图图7-7 7-7 一个典型的太阳电池在一级气团（一个典型的太阳电池在一级气团（AM1AM1）光照下的光照下的I-V特性，特性，AM1AM1即即 太阳在天顶时及测试器件在晴朗天空下海平面上的太阳能太阳在天顶时及测试器件在晴朗天空下海平面上的太阳能7.3 7.3 太阳电池的太阳电池的I-VI-V特性特性 实际的太阳电池存在着

12、串联电阻和分流电阻。考虑到串联电阻和分流电阻作用的特性实际的太阳电池存在着串联电阻和分流电阻。考虑到串联电阻和分流电阻作用的特性公式公式 图图 7-8 7-8 包括串联电阻和分流电阻的太阳电池等效电路包括串联电阻和分流电阻的太阳电池等效电路01STVIRVSLShVIRIIIeR7.3 7.3 太阳电池的太阳电池的I-VI-V特性特性 结论结论 根据等效电路写出了太阳电池的根据等效电路写出了太阳电池的I IV V特性方程。特性方程。 给出了一个典型太阳电池的给出了一个典型太阳电池的I-VI-V特性曲线（图特性曲线（图7.77.7），根据太阳电池的），根据太阳电池的I IV V特性方程解特性方程

13、解释了该曲线所包含的物理意义。释了该曲线所包含的物理意义。 实际的太阳电池存在着串联电阻实际的太阳电池存在着串联电阻 和分流电阻和分流电阻 。考虑到串联电阻和分流电阻作用。考虑到串联电阻和分流电阻作用的的V-I特性公式为特性公式为 理想太阳电池向负载提供的功率为理想太阳电池向负载提供的功率为 TVVeIIIIILDL1001STVIRVSLShVIRIIIeR10TVVLeVIVIIVPSRShR（7-67-6）（7-117-11）（7-107-10）7.3 7.3 太阳电池的太阳电池的I-VI-V特性特性 教学要求教学要求 画出理想太阳电池等效电路图画出理想太阳电池等效电路图 根据电池等效电

14、路图写出了太阳电池的根据电池等效电路图写出了太阳电池的I IV V特性方程（特性方程（7-67-6） 了解太阳电池的了解太阳电池的I-VI-V特性曲线（图特性曲线（图7.77.7），根据太阳电池的），根据太阳电池的I IV V特性方程解释该曲线所特性方程解释该曲线所 包含的物理意义。包含的物理意义。 画出实际太阳电池等效电路图根据等效电路图写出画出实际太阳电池等效电路图根据等效电路图写出I IV V特性方程（特性方程（7-117-11）v 5.5.作业：作业： 7.4 7.4 太阳电池的效率太阳电池的效率7.4 7.4 太阳电池的效率太阳电池的效率 太阳电池的效率指的是太阳电池的功率转换效率。

15、它是太阳电池的最大输出电功率与太阳电池的效率指的是太阳电池的功率转换效率。它是太阳电池的最大输出电功率与入光功率的百分比：入光功率的百分比： 式中式中 为输入光功率，为阳电池的最大输出功率：为输入光功率，为阳电池的最大输出功率： 对于理想太阳电池根据（对于理想太阳电池根据（7.107.10）式，时得最大功率条件）式，时得最大功率条件 %100inmPPmPmPmIVP 011IIeVVLVVTmPTmP（7-127-12）（7-137-13）（7-147-14）inP7.4 7.4 太阳电池的效率太阳电池的效率 从式（从式（7.147.14）中解出，再将其代入式（）中解出，再将其代入式（7-6

16、7-6）得）得 于是太阳电池最大输出功率于是太阳电池最大输出功率 引进占空因数这一概念，太阳电池的效率可写作引进占空因数这一概念，太阳电池的效率可写作 （7-17-17 7）（7-17-18 8）（7-17-19 9）TmPTmPVVLmpVVeIVVeIIITmP001LTmPLmPmPmPmIIVVIVIVP021%100inLocPIFFV7.4 7.4 太阳电池的效率太阳电池的效率 小结小结 太阳电池的效率指的是太阳电池的功率转换效率。它是太阳电池的最大输出太阳电池的效率指的是太阳电池的功率转换效率。它是太阳电池的最大输出功率与输入光功率的百分比：功率与输入光功率的百分比： 太阳电池的

17、最大输出功率太阳电池的最大输出功率 引进占空因数这一概念，给出了太阳电池的效率公式引进占空因数这一概念，给出了太阳电池的效率公式 （7-127-12）（7-187-18）（7-197-19）%100inmPPLTmPLmPmPmPmIIVVIVIVP021%100inLocPIFFVinP7.4 7.4 太阳电池的效率太阳电池的效率 教学要求教学要求 了解概念：转换效率、占空因数了解概念：转换效率、占空因数 导出太阳电池的最大输出功率公式（导出太阳电池的最大输出功率公式（7-187-18）。）。v 作业：作业：7.67.6、7.10 7.10 7.5 7.5 光产生电流和收集效率光产生电流和收

18、集效率7.5 7.5 光产生电流和收集效率光产生电流和收集效率 考虑通量考虑通量 为的光子入射到为的光子入射到“P在在N上上”的结构的表面。忽略表面反射，则吸收率正比于的结构的表面。忽略表面反射，则吸收率正比于光通量：光通量：假设吸收每个光子产生一个电子假设吸收每个光子产生一个电子空穴对，则电子空穴对，则电子空穴对的产生率为空穴对的产生率为 （7-207-20） 产生率是表面深度的函数。稳定条件下产生率是表面深度的函数。稳定条件下PN结结N侧的空穴扩散方程为侧的空穴扩散方程为 xdxxd0 xexLeG00022 xpnonnpePPdxPdD（7-217-21a a）7.5 7.5 光产生电

19、流和收集效率光产生电流和收集效率 与此类似，描述结的与此类似，描述结的P侧电子的扩散方程为侧电子的扩散方程为 在在P-N结处每单位面积电子和空穴电流分量分别为结处每单位面积电子和空穴电流分量分别为 光子吸收效率定义为光子吸收效率定义为 （7-237-23）00022 xnpppnenndxndD（7-217-21b b）jxxnppdxdPqDJjxxnnpdxdPqDJ（7-227-22a a）（7-227-22b b）0qJJnpcol7.5 7.5 光产生电流和收集效率光产生电流和收集效率 例题：例题： 推导出推导出P P在上在上N N长长P P+ +N N电池的电池的N N侧内光生少数

20、载流子密度和电流的表达式，侧内光生少数载流子密度和电流的表达式，假设在背面接触处的表面复合速度为假设在背面接触处的表面复合速度为S S，入射光是单色的。入射光是单色的。 P P+ +层内的吸收可层内的吸收可以忽略不计。以忽略不计。解：解： 方程（方程（7-217-21a a）的边界条件为的边界条件为 方程（方程（7-217-21a a）的解为：的解为： 000nnP,PxWx ,nnnopx WdPS PPDdx 7.5 7.5 光产生电流和收集效率光产生电流和收集效率 ppnppWppppxpppnonLxLWLDLWSeSDLWLDLWSeLxLPPsinhcoshsinhsinhcosh

21、cosh1220pppppWppppppppLLWLDLWSesDLWLDLWSLLqJcoshsinhsinhcosh1220（7-27-24 4）从从P P+ +侧流到侧流到N N侧的电子电流用同样方法可以求得。侧的电子电流用同样方法可以求得。 （7-257-25）7.5 7.5 光产生电流和收集效率光产生电流和收集效率 p图图7-9 7-9 入射光为入射光为 和和 的归一化少数载流子分布。器件参数为的归一化少数载流子分布。器件参数为 xj=2.8=2.8 m,W=20mils, =4.2m,W=20mils, =4.2 s, =10ns,s, =10ns,以及以及 S =100cm/s=

22、100cm/sm55. 00.90 mn7.5 7.5 光产生电流和收集效率光产生电流和收集效率 根据少子空穴浓度表达式可以看到，在短波（根据少子空穴浓度表达式可以看到，在短波（550nm）时，由于吸收系数比较大，大多数时，由于吸收系数比较大，大多数光子在接近表面的一个薄层内被吸收而产生电子光子在接近表面的一个薄层内被吸收而产生电子空穴对。在较长时（空穴对。在较长时（900nm），）， 较小，较小，吸收多发生在吸收多发生在P-N结的结的N侧。所形成的少数载流子分布绘于图侧。所形成的少数载流子分布绘于图7-97-9中。中。收集效率：收集效率： 入射光为单色光且光子数已知，把（入射光为单色光且光子

23、数已知，把（7-257-25）式代入（）式代入（7-237-23）式，可以得到在）式，可以得到在N侧每一侧每一波长的收集效率。波长的收集效率。收集效率受到少数载流子扩散长度和吸收系数的影响，扩散长度应尽可能地长以收集所收集效率受到少数载流子扩散长度和吸收系数的影响，扩散长度应尽可能地长以收集所有光生载流子。在有些太阳电池中，通过杂质梯度建立自建场以改进载流子的收集。就有光生载流子。在有些太阳电池中，通过杂质梯度建立自建场以改进载流子的收集。就吸收系数的影响来说，大的吸收系数的影响来说，大的 值导致接近表面处的大量吸收，造成在表面层内的强烈值导致接近表面处的大量吸收，造成在表面层内的强烈收集。小

24、的收集。小的 值使光子能向深处穿透，以致太阳电池的基底在载流子的收集当中更为重值使光子能向深处穿透，以致太阳电池的基底在载流子的收集当中更为重要。一般的要。一般的GaAsGaAs电池属于前者，硅太阳电池属于后一种类型。电池属于前者，硅太阳电池属于后一种类型。 7.5 7.5 光产生电流和收集效率光产生电流和收集效率 图7-10 图7-9中太阳电池的收集效率与波长的对应关系 col ( m) 100 80 60 40 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 20 总的收集 N 型层收集 P 型层收集 7.5 7.5 光产生电流和收集效率光产生电流和收集效率小结小结 考虑半导体吸收，电子考虑半导体

25、吸收，电子空穴对的产生率为空穴对的产生率为 产生率是表面深度的函数。产生率是表面深度的函数。 定义了光子收集效率：定义了光子收集效率： 举例分析了电子空穴对的产生率与光子频率和透入深度的关系：举例分析了电子空穴对的产生率与光子频率和透入深度的关系： 在短波（在短波（500nm）时，由于吸收系数比较大大多数光子在接近表面的一个薄层内被吸时，由于吸收系数比较大大多数光子在接近表面的一个薄层内被吸收而产生电子收而产生电子空穴对。在较长时长时（空穴对。在较长时长时（900nm），）， 较小，吸收多发生在较小，吸收多发生在PN结的结的N侧侧xLeG00qJJnpcol（7-207-20）（7-237-2

26、3）7.5 7.5 光产生电流和收集效率光产生电流和收集效率小结小结 给出了在不同波长上收集效率的理论值（图给出了在不同波长上收集效率的理论值（图7-10）。）。 收集效率与少数载流子扩散长度和吸收系数有关：收集效率与少数载流子扩散长度和吸收系数有关： 扩散长度应尽可能地长以收集所有光生载流子。在有些太阳电池中，通过杂质梯度建扩散长度应尽可能地长以收集所有光生载流子。在有些太阳电池中，通过杂质梯度建立自建场以改进载流子的收集。立自建场以改进载流子的收集。 吸收系数的影响是：大的吸收系数的影响是：大的 值导致接近表面处的大量吸收，造成在表面层内的强烈收值导致接近表面处的大量吸收，造成在表面层内的

27、强烈收集。小的集。小的 值使光子能向深处穿透，以至太阳电池的基底在载流子的收集当中更为重要。值使光子能向深处穿透，以至太阳电池的基底在载流子的收集当中更为重要。一般地一般地GaAs电池属于前者，硅太阳电池属于后一种类型。电池属于前者，硅太阳电池属于后一种类型。 以上分析为太阳电池的设计提供了重要参考。以上分析为太阳电池的设计提供了重要参考。7.6 7.6 提高太阳电池效率的考虑提高太阳电池效率的考虑7.6 7.6 提高太阳电池效率的考虑提高太阳电池效率的考虑 在实际的太阳电池中，多种因素限制着器件的性能，因而在太阳电池的设计中必须考虑在实际的太阳电池中，多种因素限制着器件的性能，因而在太阳电池

28、的设计中必须考虑这些限制因素。这些限制因素。 图图7-11 在在AM0AM0和和AM1AM1条件下下的太阳光谱及其在条件下下的太阳光谱及其在GaAsGaAs和中和中SiSi的能量截止点的能量截止点 7.6 7.6 提高太阳电池效率的考虑提高太阳电池效率的考虑 只有大于只有大于 的那部分能量可以被吸收。的那部分能量可以被吸收。可见，可见， 越小越小 越大从而越大从而 越大。可被吸收的最大光子数在硅中为：越大。可被吸收的最大光子数在硅中为： ,在在GaAs中为：中为：最大功率考虑最大功率考虑太阳电池的最大输出功率由开路电压和短路电流所决定。由光谱考虑，发现太阳电池的最大输出功率由开路电压和短路电流

29、所决定。由光谱考虑，发现 随着的随着的 增加而减小。开路电压增加而减小。开路电压 乘积会出现一极大值。乘积会出现一极大值。 gEPnLLLLqAGI由由（7-57-5）gELGLI1217103.7scm1217102.5scmLIgEgCEV0（7-277-27）LocIV7.6 7.6 提高太阳电池效率的考虑提高太阳电池效率的考虑 图图7-12 最大转换效率的理论值与禁带能量之间的对应关系最大转换效率的理论值与禁带能量之间的对应关系 7.6 7.6 提高太阳电池效率的考虑提高太阳电池效率的考虑 串联电阻考虑串联电阻考虑 图图7-137-13串联电阻和分流电阻对串联电阻和分流电阻对I-VI-

30、V曲线的影响曲线的影响 7.6 7.6 提高太阳电池效率的考虑提高太阳电池效率的考虑 达到最佳设计，需要对掺杂浓度和结深采取折衷。达到最佳设计，需要对掺杂浓度和结深采取折衷。实际的接触是采用示于图实际的接触是采用示于图7-147-14中的栅格形式。这种结构能够有大的曝光面积，而同中的栅格形式。这种结构能够有大的曝光面积，而同时又使串联电阻保持合理的数值。时又使串联电阻保持合理的数值。 图图7-14 7-14 P P上扩散上扩散N N的硅电池的简单结构的硅电池的简单结构 7.6 7.6 提高太阳电池效率的考虑提高太阳电池效率的考虑 表面反射采用表面反射采用抗反射层抗反射层理想的抗反射层材料折射率

31、应为理想的抗反射层材料折射率应为 。聚光聚光聚光是用聚光器面积代替许多太阳能电池的面积，从而降低太阳能电池造价。它的聚光是用聚光器面积代替许多太阳能电池的面积，从而降低太阳能电池造价。它的另一个优点是增加效率。另一个优点是增加效率。因此一个电池在因此一个电池在1000个太阳强度的聚光度下工作产生的输出功率相当于个太阳强度的聚光度下工作产生的输出功率相当于1300个电池个电池在一个太阳强度下工作的输出功率。在一个太阳强度下工作的输出功率。 阅读：第阅读：第7.7、7.8节节21nn7-9 7-9 光电二极管光电二极管光电二极管工作原理：光照反偏光电二极管工作原理：光照反偏PN结，产生的光生载流结

32、，产生的光生载流子被空间电荷区电场漂移形成反向电流。光电二极管把光子被空间电荷区电场漂移形成反向电流。光电二极管把光信号转换成了电信号。反向的光电流的大小与入射光的强信号转换成了电信号。反向的光电流的大小与入射光的强度和波长有关。光电二极管用于探测光信号。度和波长有关。光电二极管用于探测光信号。7-9 7-9 光电二极管光电二极管 P-I-N光电二极管光电二极管 N p I h 抗反射涂层 金属接触 2SiO LR RV + h h RqV h 漂移空间 空穴扩散 电子扩散 cE vE FnE FpE 吸收 PW WWP x 0 xe 1 图图7-20 P-I-N光电二极管的工作原理，（光电二

33、极管的工作原理，（a）光电二极管的剖面图；光电二极管的剖面图；(b）反向偏置时的能带图；（反向偏置时的能带图；（c）光吸收特性光吸收特性7-9 7-9 光电二极管光电二极管 在长距离的光纤通信系统中多采用在长距离的光纤通信系统中多采用 的双异质的双异质结结P-I-NP-I-N光电二极管中，光电二极管中，P-InPP-InP的禁带宽度为的禁带宽度为1.351.35eVeV，对波长大于对波长大于 的光不吸收。的光不吸收。 的禁带宽度为的禁带宽度为0.750.75eVeV（对应截止时波长对应截止时波长 ），在），在 波段波段上表现出较强的吸收。这样，对于光通信的低损耗波段，光吸收只发生在上表现出较强

34、的吸收。这样，对于光通信的低损耗波段，光吸收只发生在I I层，完全消层，完全消了扩散电流的影响，几微米厚的了扩散电流的影响，几微米厚的I I层，就可就可以获得很高的响应度。具有良好的频层，就可就可以获得很高的响应度。具有良好的频率响应。率响应。阅读：7.9.2、7.9.3 InPNInGaAsIInPP/m92. 0InGaAsI m65. 1m6 . 13 . 17-9 7-9 光电二极管光电二极管小结小结 光电二极管的工作原理：光电二极管和太阳电池一样，都是利用光生伏特效应工作光电二极管的工作原理：光电二极管和太阳电池一样，都是利用光生伏特效应工作的器件。与太阳电池不同之处在于，光电二极管

35、工作时要加上反向偏压。光电二极的器件。与太阳电池不同之处在于，光电二极管工作时要加上反向偏压。光电二极管接受光照之后，产生与入射光强度成正比的光生电流，所以能把光信号变成电信管接受光照之后，产生与入射光强度成正比的光生电流，所以能把光信号变成电信号达到探测光信号的目的。号达到探测光信号的目的。 介绍了介绍了P-I-NP-I-N光电二极管的工作原理的基本结构、能带图和工作原理。光电二极管的工作原理的基本结构、能带图和工作原理。I I层也叫耗尽层也叫耗尽层起到增加耗尽层宽度的作用。在足够高的反偏压下，层起到增加耗尽层宽度的作用。在足够高的反偏压下，I I层完全变成耗尽层，其中产层完全变成耗尽层，其

36、中产生的电子生的电子空穴对立刻被电场分离而形成光电流。空穴对立刻被电场分离而形成光电流。 7-9 7-9 光电二极管光电二极管教学要求教学要求 了解光电二极管的工作原理。了解光电二极管的工作原理。 了解了解P-I-N光电二极管的工作原理的基本结构、能带图和工作原理。光电二极管的工作原理的基本结构、能带图和工作原理。 P-I-NP-I-N光电二极管中。光电二极管中。I I层的作用是什么？层的作用是什么？ 光电二极管中有哪两种电流？它们的形成机制和特点是什么？光电二极管中有哪两种电流？它们的形成机制和特点是什么？ 的双异质结光电二极管中为什么不出现扩散电流？的双异质结光电二极管中为什么不出现扩散电

37、流？ InPNInGaAsIInPP/7.10 7.10 光电二极管的特性参数光电二极管的特性参数7.10 7.10 光电二极管的特性参数光电二极管的特性参数 量子效率和响应度量子效率和响应度1.1.量子效率量子效率 即单位入射光子所产生的电子空穴对数。即单位入射光子所产生的电子空穴对数。产生明显光电流的波长是有限制的：产生明显光电流的波长是有限制的：长波限长波限 由禁带宽度决由禁带宽度决定。光响应也有短波极限。定。光响应也有短波极限。图图7-257-25示出了一些高速光电二极管量子效率和波长关系的典型曲线。可以看到，示出了一些高速光电二极管量子效率和波长关系的典型曲线。可以看到，在紫外和可见

38、光区，金属在紫外和可见光区，金属 半导体光电二极管有很高的量子效率；在近红外半导体光电二极管有很高的量子效率；在近红外区，硅光电二极管（有抗反射涂层）在区，硅光电二极管（有抗反射涂层）在 到到 附近，量子效率附近，量子效率可达可达100%100%；在；在 到到 的区域，锗光电二极管和的区域，锗光电二极管和IIIIII V V族光电二极族光电二极管（如管（如CaLnAS）有很高的量子效率。对于更长的波长，为了获得高的量子有很高的量子效率。对于更长的波长，为了获得高的量子效率，光电二极管需进行冷却（例如用液氮冷却到效率，光电二极管需进行冷却（例如用液氮冷却到77K）。）。hPqIinLhRAPin

39、01（7-297-29）（7-307-30）cm8 . 0m9 . 0m0 . 1m6 . 17.10 7.10 光电二极管的特性参数光电二极管的特性参数 图图7-25不同光电二极管量子效率和波长的关系不同光电二极管量子效率和波长的关系 7.10 7.10 光电电二极极管的特性参数参数 响应度响应度表征光电二极管的转换效率，定义为短路光电流与输入光功率之比：高的响应表征光电二极管的转换效率，定义为短路光电流与输入光功率之比：高的响应度要求有厚的度要求有厚的 I 层层 （7-317-31）1.24qqAWhinLPIR 7.10 7.10 光电二极管的特性参数光电二极管的特性参数 响应速度（带宽

40、）响应速度（带宽） 定义为当交流光电流下降到低频的时的定义为当交流光电流下降到低频的时的 调制频率。它也称调制频率。它也称 为为3dB频率或频率或3dB带宽。带宽。响应速度（带宽）主要受下列三个因素的控响应速度（带宽）主要受下列三个因素的控制：制：（1 1）载流子）载流子的扩散。在耗尽层外边产生的载流子必须扩散到的扩散。在耗尽层外边产生的载流子必须扩散到P-N结，这将引起可观的时结，这将引起可观的时间延迟。为了将扩散效应减到最小，间延迟。为了将扩散效应减到最小，P-N结尽可能接近表面结尽可能接近表面。（2 2）在耗尽层内的漂移时间。这是影响带宽的主要因素。减少耗尽层渡越时间要求耗）在耗尽层内的

41、漂移时间。这是影响带宽的主要因素。减少耗尽层渡越时间要求耗尽层要尽可能地窄。但耗尽层太窄会使器件吸收光子减小而影响响应度。尽层要尽可能地窄。但耗尽层太窄会使器件吸收光子减小而影响响应度。 217.10 7.10 光电二极管的特性参数光电二极管的特性参数 （3 3）耗尽层电容。耗尽层太窄，会使耗尽层电容过大，从而使时间常数）耗尽层电容。耗尽层太窄，会使耗尽层电容过大，从而使时间常数RCRC过大（这过大（这 里里R R是负载电阻），是负载电阻），因此耗尽层宽度要有一个最佳选择：因此耗尽层宽度要有一个最佳选择： 它是当交流光电流下降到低频的它是当交流光电流下降到低频的 时的调制频率。时的调制频率。

42、是耗尽层宽度，是耗尽层宽度， 是饱是饱 和漂移速度，和漂移速度， 为耗尽层渡越时间。为耗尽层渡越时间。 WfsdB44. 03（7-37-32 2）式中式中 称为称为3dB频率或频率或3dB带宽。由下式确定带宽。由下式确定4 . 223rdBtf（7-337-33）dBf321Wsvrt7.10 7.10 光电二极管的特性参数光电二极管的特性参数 噪声特性噪声特性 噪声是信号上附加的无规则起伏。它可使信号变得模糊甚至被淹没。散粒噪声是信号上附加的无规则起伏。它可使信号变得模糊甚至被淹没。散粒噪声：是由一个个入射光子产生的不均匀的或杂乱的电子噪声：是由一个个入射光子产生的不均匀的或杂乱的电子 空

43、穴对引起的。空穴对引起的。也就是说是由通过器件的粒子（电子或空穴）数无规则起伏引起的。分析表也就是说是由通过器件的粒子（电子或空穴）数无规则起伏引起的。分析表明，探测器散粒噪声电流即均方根噪声电流由下式估算。明，探测器散粒噪声电流即均方根噪声电流由下式估算。 式中式中 为电流强度，为电流强度， 为测量的频率范围即带宽。为测量的频率范围即带宽。（7-357-35）fqIins 22If7.10 7.10 光电二极管的特性参数光电二极管的特性参数 热噪声热噪声：来自电阻值为：来自电阻值为R的电阻体发出的电磁辐射部分，由载流子无规则散射引起。热的电阻体发出的电磁辐射部分，由载流子无规则散射引起。热噪

44、声的电流（均方值）为噪声的电流（均方值）为 接有输入电阻为接有输入电阻为R R的放大器时的总噪声电流（均方值）为的放大器时的总噪声电流（均方值）为 入射光在光吸收层中产生的光电流，即信号电流。入射光在光吸收层中产生的光电流，即信号电流。 暗电流。暗电流。 放大器的噪声系数和绝对温度之积，称为有效温度。放大器的噪声系数和绝对温度之积，称为有效温度。（7-367-36）RfKTint42RfKTfIIqiDLn422LIDIT（7-377-37）7.10 7.10 光电二极管的特性参数光电二极管的特性参数 其它的几个概念其它的几个概念信噪比信噪比 光电二极管的信噪比为光电二极管的信噪比为其中其中 为为光电电二极极管的信号号电流（令电流（令 ） 为在负载为在负载R R两端产生的信号功率两端产生的信