第14次 光电转换-了解

1、 第七章第七章 光电转换器件光电转换器件概述：概述：光电转换器件：光电转换器件： 光光 转换转换 电电 光信号光信号 控制转换为控制转换为 电信号电信号光电效应光电效应外光电效应：光电子发射器件外光电效应：光电子发射器件 （光电管、光电倍增管）（光电管、光电倍增管）内光电效应：内光电效应： 光电导效应光电导效应光电导器件光电导器件 （光敏电阻）（光敏电阻） 光伏效应光伏效应光伏器件光伏器件 （属于结型器件，如：光电池、光电二极管）（属于结型器件，如：光电池、光电二极管）2022-2-21 7-1 光电导探测器光电导探测器 光电导探测器是利用光电导效应制作的光探测器，光电导探测器是利用光电导效应

2、制作的光探测器，简称简称PC探测器。主要特征是受到光照后，器件的电阻探测器。主要特征是受到光照后，器件的电阻发生变化。这种器件包括光敏电阻和光导管等类型。发生变化。这种器件包括光敏电阻和光导管等类型。一、原理一、原理光电导效应：光照射到半导体上，电子吸收光子能量光电导效应：光照射到半导体上，电子吸收光子能量产生跃迁，形成自由电子和自由空穴，使载流子浓度产生跃迁，形成自由电子和自由空穴，使载流子浓度增大，致使电导率增大的现象。增大，致使电导率增大的现象。2022-2-22 跃迁跃迁跃迁物质对光的吸收，产生光电导效应的跃迁包括：本征吸收杂质吸收能级的跃迁包括：价带导带杂质能级导带价带杂质能级结果：

3、在导带中产生自由电子，或在价带中产生自由空穴，导致电导率增大。2022-2-23II-VICdS ()IIIVInP ()族化合物:硫化镉光电导材料族化合物:磷化铟硅、锗实际应用中，用的最多的、最典型的器件就是光敏电阻。本征型光敏电阻光敏电阻P型掺杂型光敏电阻N型2022-2-24 光敏电阻是在一块匀质光电导体两端加上电极，光敏电阻是在一块匀质光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃或者云母等绝缘材料基板上，电极贴在硬质玻璃或者云母等绝缘材料基板上，电极上加装引线，用带有入射窗口的金属或塑料封装上加装引线，用带有入射窗口的金属或塑料封装而成的。而成的。2022-2-251A/WV/W:IVIIRPV

4、IRRR RPPR二、工作特性、响应度：光探测器的输出电压或输出电流与入射光功率之比单位：单位：输出电阻2022-2-26GdIVPPIeeGh TheRGheRG Rh光生电流：光电导增益。2022-2-27G影响响应度的因素:1）与入射光频率成反比， 越大，响应度越小2）与量子效率 成正比3）与 成正比，即与光生载流子寿命成正比，与渡越时间成反比。为便于比较不同的光敏电阻对不同波长的响应程度，把响应度的最大值取为1，称为归一化光谱响应曲线。2、光谱特性、光谱特性 光敏电阻只对一定范围内的光波才有响应，对有光敏电阻只对一定范围内的光波才有响应，对有的波长响应度较大，有的波长响应度小，甚至为零

5、。的波长响应度较大，有的波长响应度小，甚至为零。2022-2-28CdS0.3 0.8CdS5206802.4ePbS,1.0 3.2mmmmmnmmnmm峰值响应波长 响应波长，可见光波段响应波长，红外波段2022-2-293,ddTIPTIPEIKV EVEK 、照度特性在光强较小时， 、不变， 与 成正比，为线性关系。但当光比较强时， 与电子浓度有关，也会随电子浓度变大， 与 为非线性关系。由实验测得的光电流与入射光照度 的关系可归纳为这样一个公式：外加电压， 入射光照度， ,都是常数2022-2-21011=1.1到1.2 电压指数1.0 弱光照照度指数0.5 强光照弱光：，为线性关系

6、2022-2-211463%rfrftttt、响应速度上升响应时间 ：光生载流子从零上升到稳定值的所需要的时间。下降响应时间 ：光照停止后，光生载流子下降到稳定值的37%所需要的时间。2022-2-2120022 1/222 1/20(1)(1)vvnnRRn 入射光正弦变化，光生载流子浓度随光调制频率变化的关系为：低频时稳定光生载流子浓度， 调制频率，响应时间。对调制频率低的入射光，具有较好的响应度，对调制频率高的入射光，响应度变差。具有低通特性，光电导驰豫限制了器件对调制频率高的光信号的响应。2022-2-21300220.7072121112vvvvRRRR 截截响应度下降为最大值的0.

7、707倍时，所对应的调制频率称为截止频率。即所对应的 。1此时， 响应时间增大下降， 下降增大说明光生载流子寿命越长，对高频调制响应越差。2022-2-214000000000002v10.707120.533/0.7072) 0.7070.707 (0.707)0.5103lg3/10lg 0.5vvvvvvvvvvvvvvvvvvvRRPPdB kmIIRRVVPI VI VPPPdB kmzPPPP截止频率的定义：）响应度为）信号功率下降为零频功率的一半）单位距离光损耗推算：）2022-2-215m1m0.52 mCdSlm三、常见光敏电阻、硫化镉光谱响应范围：可见光区0.3到0.8，峰

8、值响应波长光敏电阻是可见光波段内最灵敏的光电导器件。响应度50A/，响应时间几十毫秒。主要应用在：灯光自动控制，自动调光调焦，自动照相机。2022-2-216m2m2.4 m100300 s、硫化铅PbS是近红外波段最灵敏的光导探测器件响应波长范围：1.0到3.4，峰值波长响应时间：2022-2-2171m3mxmx=0.2814 m 10.6 mxxHgCd TexCdHg、碲镉汞（HgCdTe）系列光敏电阻碲镉汞系列光敏电阻是目前所有探测器中性能最优良、最有前途的一种。它由化合物CdTe和HgTe混合而成CdTe，HgTe是原子代替原子的比例x=0.39响应波长范围：1到3=0.28响应波

9、长范围：3到5响应波长范围： 到2022-2-2180.17100.2,15xmxm1-xx1-xxmm4、碲锡铅PbSn Te系列光敏电阻由PbTe和SnTe两种材料混合而成PbTePbSn TeSnTex表示Sn原子代替Pb原子的百分比这类光敏电阻x一般等于0.17和0.2,2022-2-219四、光敏电阻的应用照像机自动曝光光控开关路灯自动控制当光线较弱时，光敏电阻当光线较弱时，光敏电阻阻值很大，与光敏电阻并阻值很大，与光敏电阻并联的路灯电阻很小，所以联的路灯电阻很小，所以电流主要从路灯流过，流电流主要从路灯流过，流经继电器的电流很小，处经继电器的电流很小，处于关闭状态。路灯点亮。于关闭

10、状态。路灯点亮。当照射到当照射到CdS的光的光逐渐增大时，光敏逐渐增大时，光敏电阻变小，使流经电阻变小，使流经继电器的电流不断继电器的电流不断增大，达到一定值增大，达到一定值时，继电器由关闭时，继电器由关闭状态变为打开状态，状态变为打开状态，路灯与电源断开。路灯与电源断开。路灯熄灭。路灯熄灭。2022-2-220光电池光伏探测器件光电二极管光电池，在零偏置下工作。光电池的区分：太阳能光电池电源按用途区分测量光电池光电探测硅光电池按材料区分硒光电池砷化镓光电池 7-2 光电池2022-2-221PN金属半导体接触型按结构区分结型2022-2-2222DRP2CRN一、光电池的结构根据基底材料不同

11、，可以将硅光电池分为：（ 型硅为衬底）和（ 型硅为衬底）2022-2-223m=m=mm=0.54 m硅光电池：（光谱响应范围）0.41.1 （峰值响应波长）0.80.9硒光电池：（光谱响应范围与人眼的视觉接近） 0.40.7，二、光电池特性二、光电池特性1、光谱特性、光谱特性 材料、制作工艺材料、制作工艺()nm2022-2-224mPN=m=0.6 m结深 0.4，曲线1：蓝硅光电池曲线2：普通硅光电池(100)nm2022-2-2252PjSshshIICRRI、伏安特性本质上讲，光电池是一个二极管。在无光照时的伏安特性与二极管的类似。而在有光照时，产生感应电动势。：恒流源：正向电流：结

12、电容：管心电阻：等效漏电阻：等效漏电流2022-2-226Lsshsh(1)R0RR(1)(1)RPeVkTSSscPeVkTscPSsheVkTPSIIIIIeIIIIIIeIVIIe 正向电流：反向饱和电流当电阻时，短路 电流即光电流，实际电路上很小，很大短路电流： 2022-2-2270ln(1)PNln(1)PshocSPshSIIIkTVeIIIIkTVeI开路时， 开路电压：一般情况，结两端电压2022-2-228scpEEococscI =I =K E KA/lx VEV =0.450.6VI =150A23、光照特性指光生电流、以及光生电动势与入射光照度之间的关系光生电流 线性

13、关系：（光电池的）光电灵敏度 与 非线性关系开路电压 : 短路电流 : 300 /cm2022-2-2291619312133P与光电池的差异： 光电池 光电二极管（1）掺杂浓度：10 10 /cm（高），10 10 /cm（2）电阻率： 低0.10.01 /cm ，高1000 /cm（3）光敏面积： 大（I 也大）， 小（4）工作状态： 零偏 ， 反偏 7-3 光电二极管2022-2-230LPNPNNPNPR一、工作原理在结的两端外加反偏电压，反偏电压与内建电场方向一致，使结更宽，势垒增大。当光电二极管被光照时，在结区产生的光生载流子被内建电场拉开，光生电子向 区流动，光生空穴向 区流动，

14、形成光生电流，。光照越强，产生的光生载流子越多，光电流就越大。在光电二极管外接一负载电阻串联，这样，在电阻两端就可以得到随光照度变化的电压信号，从而完成了将光信号到电信号的转变。2022-2-231p+000p+0pp0000IIIR =PPI +I =I RII hhe=RPP eeheeR =hhc二、（光电二极管）工作特性1、灵敏度（响应度）输出光电流与入射光功率之比光灵敏度、响应度 A/W( A/ W) (与量子效率 的关系)光生电子个数入射光子数或2022-2-2322hEgGaAs0.41.1 m He-Ne GaAsHe-Ne0.8 m、光谱响应 光电二极管只对能量大于禁带宽度的

15、光才有响应，即。硅光电二极管的光谱响应范围： 红宝石峰值响应波长左右(对激光波长的探测最值对及红宝石激光也有较高的灵敏度。2022-2-233PN响应时间快慢：载流子的运动速度扩散浓度不同引起载流子运动漂移电场作用引起结内：漂移PN结外：扩散3、响应时间、响应时间2022-2-234WC耗尽层宽度 影响响应速度结电容2022-2-235eVkTseVkTpsp041I=I e-1V2I=II e-1IP、伏安特性）无光照时（） 式中 0,反偏）有光照时 总电流-（）正比于 入射光功率越大，光电流越大2022-2-2361PINPNPNPNPNPN三、常见光电二极管 、光电二极管量子效率低普通结

16、型光电二极管的缺点：频率特性差原因：（1）光电流的产生是在内建电场的作用下，将吸收光子形成的电子和空穴分离，形成光电流。但由于结很窄，在 区和 区吸收光子而形成的自由电子和自由空穴，还没来得及分离，又复合掉了，而只有进入耗尽层的光子才有可能被利用，所以，量子效率低。（2）由于 区和 区载流子的扩散速度比结内载流子的漂移速度小的多，使得响应时间很长。2022-2-237PINPN光电二极管，就是在 区和 区之间加入一层本征层，厚度约为毫米量级。2022-2-238PN=ns0.91.11.06mmm优点： 结间距离大，结电容小，频率响应快，响应时间13。 量子效率高。由于耗尽层厚度增大为整个本征

17、区，光的吸收 区域以及光电转换区域增大。 长波灵敏度高。光谱响应范围向长波方向移动达到， 。 可承受更多的反向偏压，线性输出范围变宽。2022-2-2392PNPNPN、拉通型雪崩光电二极管原理：光电二极管外加很高的反向偏置电压，在结内形成很强的电场。当光照射到结上激发的电子进入结内，在强电场的作用下加速获得很大的能量，与晶格原子碰撞产生新的自由电子和自由空穴。自由电子在向电极运动的过程中再次加速，获得足2022-2-240+N PPPN PPN够的能量，再次与晶格原子碰撞，使其电离，产生新的电子和空穴。这种碰撞过程像雪崩一样，碰撞出大量的电子和空穴，形成很大的电流。这就是雪崩倍增效应。拉通型雪崩光电二极管的耗尽层在反向偏置电压的作用下，从结一直扩散到边界，区为高阻 型硅。其中，结是以 型硅材料作为基底，扩散五价磷形成重掺杂型层。从电场分布图上可以看出，电场强度越大，电压也就越大，单位距离的电压降