第三章 半导体光电器件32势垒型光电探测器

1、光子电极电极耗尽层SiO2p+nn+NPEi光子空穴电子idipEcEFEv光生空穴- - -+ + +-pnxoLpn光子Ei电离受主电离施主光生电子耗尽层-eQQQnpVRLRLuiid(a)(b)(c)(d)ip) 1(/kTeuSOdeiidipipdiiipkTeuSOiei) 1(/iuiun二、符号、连接电路、等效电路二、符号、连接电路、等效电路n三、光电池的特性参数三、光电池的特性参数n四、用途四、用途零偏状态零偏状态N（P）P（Si）P（B）N（Si）上电极（前极）下电极（后极）（a）2DR（b）2CRn目前最受重视的是硅光电池与硒光电池。目前最受重视的是硅光电池与硒光电池。

2、n硅光电池硅光电池：n硒光电池硒光电池：-+RLPN防反射膜(SiO2)pn+-SiO2pn结二、二、符号、连接电路、等效电路符号、连接电路、等效电路n光电池等效为一个普通晶体二极管和一个光电池等效为一个普通晶体二极管和一个恒流源（光电流源）的并联。恒流源（光电流源）的并联。pII光电流光电流 Ij普通二极管的结电流普通二极管的结电流IURLURLIpIj符号符号 连接电路连接电路 等效电路等效电路三、光电池的特性参数三、光电池的特性参数n伏安特性伏安特性n光照特性（光电特性）光照特性（光电特性）n光谱特性光谱特性n频率特性频率特性n温度特性温度特性伏安特性伏安特性n二极管的伏安特性二极管的伏

3、安特性n开路电压开路电压：n短路电流短路电流：灵敏度，灵敏度，E入射光照度。入射光照度。jKTeUsoIeII1LR1lnsopIIeKTUsopIIeKTUlnipRII1KTeUsoijpeIRIIIIUIpIjRL1KTeUsojeII伏安特性伏安特性E0Voc2Voc4I（A）I0Isc1 E1Isc2 E2Isc3 E3Isc4 E4RL1RL2RL3RL4RL5RL6Voc1Voc3LRV(v)硅光电池的伏安特性曲线硅光电池的伏安特性曲线a、当光电池短路时，即当光电池短路时，即U=0，则，则 此此时时I称为短路电流，用称为短路电流，用 表示。值得注意的是短路表示。值得注意的是短路电

4、流等于光电流，且与入射光照呈线性关系。电流等于光电流，且与入射光照呈线性关系。ipRIIscIb、当光电池开路时，即、当光电池开路时，即I=0, 时，时，则则此时此时U称为开路电压，用称为开路电压，用 表示。表示。) 1ln(SPIIekTUocUc、一般而言，、一般而言， 约为约为0.45 0.6V, 电流密度约电流密度约为为150 300A/m2在实际工作中，两者是通过测量获在实际工作中，两者是通过测量获得，当光电池在一定光照下，使其两端开路，用高得，当光电池在一定光照下，使其两端开路，用高内阻的直流毫伏表或电位差计接在其两端，测内阻的直流毫伏表或电位差计接在其两端，测出出 ，用低电阻电流

5、表短接，其示值为，用低电阻电流表短接，其示值为ocUscIocUscILRsopIIeKTUln光照特性光照特性硅光电池光照特性硅光电池光照特性与负载电阻的关系硅光电池光照特性是指光生硅光电池光照特性是指光生电动势（开路电压）、光电电动势（开路电压）、光电流、与照度之间的关系流、与照度之间的关系1、光生电动势（开路电、光生电动势（开路电压）、与照度呈非线性关系压）、与照度呈非线性关系2、光电流、与照度之间呈、光电流、与照度之间呈线性的关系线性的关系3、光照特性与负载大小关、光照特性与负载大小关系：系：E相同，负载增大，光相同，负载增大，光电流变小，光照特性的线性电流变小，光照特性的线性区也变小

6、。区也变小。光谱特性光谱特性光谱特性主要取决于光谱特性主要取决于所用材料与制作工艺所用材料与制作工艺（如结的深浅），也（如结的深浅），也与使用温度有关。与使用温度有关。、硒光电池与人眼、硒光电池与人眼特性很接近特性很接近、硅蓝光电池的结、硅蓝光电池的结的深比较浅，结的深比较浅，结距受光面很近，减少距受光面很近，减少了短波长的光在透过了短波长的光在透过受光表面时的吸收损受光表面时的吸收损耗，提高了短波长到耗，提高了短波长到达结的几率。达结的几率。频率特性频率特性光电池的响应时间由光电池的响应时间由PN结的电容和结的电容和RL决定，在决定，在要求更高的频率特性探测电路中，选用小面积的要求更高的频率

7、特性探测电路中，选用小面积的光电池较有利，同时选择合适的负载电阻。光电池较有利，同时选择合适的负载电阻。温度特性温度特性、温度特性、温度特性Uoc 和和Isc随温度的变化情况。随温度的变化情况。、一般、一般Uoc（负温度系（负温度系数）下降约数）下降约23mv/ 。C、Isc （正温度系数）（正温度系数）上升约上升约78uA/ 。C、值得注意的是，光、值得注意的是，光电池受强光照射时，必电池受强光照射时，必须考虑光电池的工作温须考虑光电池的工作温度。度。Se50。C，Si200 。C时，器件损坏。时，器件损坏。4、用途、用途光电二极管光电二极管n一、概述一、概述n二、分类二、分类n三、工作模式

8、三、工作模式n四、表示符号及电路接法四、表示符号及电路接法n五、工作特性五、工作特性一、概述一、概述二、分类二、分类三、工作模式三、工作模式n硅光电二极管是硅光电二极管是工作模式。工作模式。n无光照射时，给结加适当的无光照射时，给结加适当的结的电流结的电流（称反向饱和电流）很小，它（反向电流）是由（称反向饱和电流）很小，它（反向电流）是由少数载流子的漂移运动形成的，称之为光电二极少数载流子的漂移运动形成的，称之为光电二极管的管的暗电流。暗电流。n有光照射时，当满足条件有光照射时，当满足条件 时时 ，则在，则在结产生光生载流子被结产生光生载流子被加电场的作用下形成了加电场的作用下形成了以少数载流

9、子漂移运动为主的光电流，光电流比以少数载流子漂移运动为主的光电流，光电流比无光照射时的反向饱和电流大得多。光照越强，无光照射时的反向饱和电流大得多。光照越强，光生载流子越多，光电流越大；反之则越小。光生载流子越多，光电流越大；反之则越小。gEhPN PN +-PN -+无光照射时，暗电流无光照射时，暗电流有光照射时，光电流有光照射时，光电流四、表示符号及电路接法四、表示符号及电路接法电路接法电路接法 1、硅光电二极管在电路图中的、硅光电二极管在电路图中的表示符号表示符号电路接法电路接法电路接法电路接法表示符号表示符号RLV电路接法电路接法RLV后极前极环极五、工作特性五、工作特性n等效电路等效

10、电路n光照特性光照特性n伏安特性伏安特性n频率特性频率特性n噪声噪声n用法用法 等效电路等效电路实际电路等效电路（加反向电压）等效电路（加反向电压）RLCPIp低频工作时的等效电路低频工作时的等效电路RLIp光照特性光照特性n负载电阻负载电阻R较小较小，且，且外加外加反向偏压也较小反向偏压也较小时，光电时，光电流与入射光功率呈现较好流与入射光功率呈现较好的线性关系。的线性关系。n光生电流随外加反偏压的光生电流随外加反偏压的增大趋向饱和，此时，光增大趋向饱和，此时，光电流大小仅取决于光照强电流大小仅取决于光照强度度。n光照特性线性好，适用于光照特性线性好，适用于检测检测51015200 50 1

11、00 150 200 250 照度/lxIp/A硅光电二极管反向偏压硅光电二极管反向偏压（15V）时的）时的光照特性光照特性伏安特性伏安特性n伏安特性指反向偏压与光电流之伏安特性指反向偏压与光电流之间的关系间的关系n当不加反向偏压时，与光电池的当不加反向偏压时，与光电池的作用相同。作用相同。n反向偏压较低时，光电流随光电反向偏压较低时，光电流随光电压变化非常敏感，这是由于反向压变化非常敏感，这是由于反向偏压增强了内建电场，对结区光偏压增强了内建电场，对结区光生载流子的收集率影响很大；生载流子的收集率影响很大；0 E1 E2反向电压反向电压反向电流反向电流E2 E1I(A)U(V)硅光电二极管的

12、硅光电二极管的伏安特性伏安特性n反向偏压进一步反向偏压进一步加大时，光生载流加大时，光生载流子的收集已达极限，子的收集已达极限，光电流就趋于饱和，光电流就趋于饱和，此时光电流与外加此时光电流与外加反向偏压几乎无关，反向偏压几乎无关，仅取决于入射光功仅取决于入射光功率。率。光电二极管的光电二极管的0 4000 8000 12000 16000 20406080I（%）100SiGe光电二极管的光电二极管的-40 -20 0 20 40 60 T（0C）20406080I（A）02CU2DU光电二极管光电流与光电二极管光电流与10-310-210-1100 50 100 150 200 T（0C）Id（A）2DU2CU光电二极管暗电流与光电二极管暗电流与温度特性是指光电二极管在偏压（温度特性是指光电二极管在偏压（-50V）和照度不变）和照度不变的情况下，光电流和暗电流随的情况下，光电流和暗电流随变化情况。变化情况。光电二极管受温度影响最大的是暗电流。