第三章 半导体光电器件

1、第三章第三章 半导体光电器件半导体光电器件3.13.1光电导型光电探测器件光电导型光电探测器件3.23.2势垒型光电探测器件势垒型光电探测器件3.1光电导型光电探测器件光电导型光电探测器件一、概述一、概述二、光敏电阻的结构二、光敏电阻的结构三、光敏电阻的工作原理三、光敏电阻的工作原理四、光敏电阻的特性四、光敏电阻的特性五、光敏电阻的特点五、光敏电阻的特点六、注意事项六、注意事项一、概述一、概述光电导型光电探测器件是光电导型光电探测器件是利用利用光电导效应光电导效应制制成的均质型光电探测器件。成的均质型光电探测器件。典型的光电导器件典型的光电导器件为为光敏电阻光敏电阻。常用的光敏电阻有常用的光敏

2、电阻有CdSCdS硫化镉、硫化镉、CdSeCdSe硒化镉、硒化镉、以及以及TeCdHgTeCdHg碲镉汞等。其中碲镉汞等。其中CdSCdS是是工业应用工业应用最最多的多的，而，而PbSPbS硫化铅主要用于硫化铅主要用于军事装备军事装备。HgHg1-x1-xCdCdx xTeTe碲镉汞系列光敏电阻碲镉汞系列光敏电阻是目前所有探是目前所有探测器中性能最优良最有前途的探测器。测器中性能最优良最有前途的探测器。光电导效应光电导效应：半导体受到光照射后，：半导体受到光照射后，其内部其内部产生光生载流子产生光生载流子，使半导体，使半导体中载流子数中载流子数显著增加显著增加, ,在外电场的在外电场的作用下，

3、半导体的电流增大，电导作用下，半导体的电流增大，电导增大而电阻减小的现象。增大而电阻减小的现象。一、概述一、概述在光电导体中，由于配制在光电导体中，由于配制CdCd组分组分(x(x量量) )的不同的不同，可得到不同的禁带宽度可得到不同的禁带宽度Eg，从而制造出波长响应，从而制造出波长响应范围不同的范围不同的HgHg1-x1-xCdCdx xTeTe碲镉汞碲镉汞探测器。常用的有探测器。常用的有1-1-3m3m、3-5m3-5m、8-14m8-14m三种波长范围的探测器，三种波长范围的探测器，所以对所以对大气窗口波段大气窗口波段的探测非常重要的探测非常重要 。光敏电阻在光照下会光敏电阻在光照下会改

4、变自身的电阻率改变自身的电阻率，且没，且没有极性，只要把它当作有极性，只要把它当作阻值随光照强度而变化的阻值随光照强度而变化的可变电阻可变电阻来对待即可，因此在来对待即可，因此在电子电路、仪器仪电子电路、仪器仪表、光电控制、计量分析以及光电制导表、光电控制、计量分析以及光电制导等领域得等领域得到了广泛的应用。到了广泛的应用。二、光敏电阻的结构二、光敏电阻的结构光敏电阻电路符号光敏电阻电路符号三、光敏电阻的工作原理三、光敏电阻的工作原理无光照射时：无光照射时： 导带基本为空，电阻导带基本为空，电阻率很高。率很高。有光照时：有光照时： 本征半导体本征半导体 ： a 杂质半导体杂质半导体 : b本征

5、半导体本征半导体杂质半导体杂质半导体四、光敏电阻的特性四、光敏电阻的特性1 1、光电导灵敏度、光电导灵敏度 R2 2、光谱响应特性、光谱响应特性3 3、光照特性、光照特性4 4、伏安特性、伏安特性5 5、响应特性（频率特性）、响应特性（频率特性）6 6、前历效应、前历效应7 7、温度特性、温度特性8 8、暗电阻和亮电阻、暗电阻和亮电阻9 9、噪声、噪声按灵敏度定义（响应的变化量与输入的变化按灵敏度定义（响应的变化量与输入的变化量之比），可得量之比），可得 其中：其中： g：光电导，单位为西门子：光电导，单位为西门子 S（-1）。）。 E：光照度，单位为勒克斯（：光照度，单位为勒克斯（lx）。）

6、。 R：单位为西门子：单位为西门子/勒克斯（勒克斯（S/lx） A: 光敏面积光敏面积 :光通量光通量gggg AREE1、光电导灵敏度、光电导灵敏度 R2、光谱响应特性、光谱响应特性光谱响应特性是指光敏电阻的光谱响应特性是指光敏电阻的输出光电流输出光电流I I与与入射光波长入射光波长 之间的关系。之间的关系。不同的制作材料不同的制作材料对同一入射波长的光吸收是不对同一入射波长的光吸收是不同的；同的；即使是同一材料，即使是同一材料，对不同波长对不同波长的光吸收也是不的光吸收也是不同的。同的。可见，可见，输出光电流值输出光电流值与与光波长光波长密切相关。密切相关。各种光敏电阻的光谱特性可查阅有关

7、的各种光敏电阻的光谱特性可查阅有关的手册和产品说明书。手册和产品说明书。不同材料的光谱相应特性不同材料的光谱相应特性在在可可见见光光区区灵灵敏敏的的几几种种光光敏敏电电阻阻的的光光谱谱特特性性曲曲线线 1-硫化镉单晶 2-硫化镉多晶 3-硒化镉多晶 4-硫化镉与硒化镉混合多晶 在在红红外外区区灵灵敏敏的的几几种种光光敏敏电电阻阻的的光光谱谱特特性性曲曲线线 3、光照特性、光照特性光敏电阻的光照特性：指的是光敏电阻的光照特性：指的是光电流与光光电流与光通量或照度之间的关系。通量或照度之间的关系。光电流光电流I与外加直流电压与外加直流电压V和和入射光通量入射光通量 或照度或照度E之间的关系可用下面

8、关系式表示之间的关系可用下面关系式表示 或或 K为光敏电阻材料决定的常数为光敏电阻材料决定的常数V为为外加直流电源电压外加直流电源电压为系数，其值一般在为系数，其值一般在0.5-1。IkVkVEI 4、伏安特性、伏安特性伏安特性：在一定光照下，光敏电阻的伏安特性：在一定光照下，光敏电阻的光光电流电流与与所加电压所加电压的曲线关系的曲线关系暗电导暗电导Gd，即无光照射时，该曲线的斜率。，即无光照射时，该曲线的斜率。其倒数为暗电阻其倒数为暗电阻Rd。电源电压和负载电阻决定的负载线电源电压和负载电阻决定的负载线与伏安与伏安特性的交点，就是不同光照情况下的光敏电特性的交点，就是不同光照情况下的光敏电阻

9、的工作点。阻的工作点。工作负载线的确定工作负载线的确定基本偏置电流基本偏置电流无光照时的情况无光照时的情况5、响应特性（频率特性）、响应特性（频率特性）光敏电阻受光照后或被遮光后，回路电流并不立即增光敏电阻受光照后或被遮光后，回路电流并不立即增大或减小，大或减小，而是有一定响应时间而是有一定响应时间。原因原因：光敏电阻是依靠非平衡载流子效应工作的，非：光敏电阻是依靠非平衡载流子效应工作的，非平衡载流子的产生与复合平衡载流子的产生与复合都有一个时间过程都有一个时间过程，这个时间，这个时间过程在一定程度上影响了过程在一定程度上影响了光敏电阻对变化光照的响应。光敏电阻对变化光照的响应。照度愈强，响应

10、时间愈短；暗处放置的时间愈长，响照度愈强，响应时间愈短；暗处放置的时间愈长，响应时间也相应延长。应时间也相应延长。实际应用中，尽量实际应用中，尽量提高使用照明度提高使用照明度，降低所加电压、，降低所加电压、施加适当偏置光照、使光敏电阻不是从完全暗状态开始施加适当偏置光照、使光敏电阻不是从完全暗状态开始受光照，都可以使光敏电阻的时间响应特性得到一定的受光照，都可以使光敏电阻的时间响应特性得到一定的改善。改善。5、响应特性（频率特性）、响应特性（频率特性）光照度越大，其光照度越大，其几几种种光光敏敏电电阻阻的的频频率率特特性性曲曲线线 1-硒 2-硫化镉 3-硫化铊 4-硫化铅 6、前历效应、前历

11、效应前历效应：是指光敏电阻的时间特性与工前历效应：是指光敏电阻的时间特性与工作前作前“历史历史”有关的一种现象。前历效应有有关的一种现象。前历效应有暗态前历与亮态前历暗态前历与亮态前历之分。之分。暗态前历效应是指暗态前历效应是指光敏电阻测试或工作前光敏电阻测试或工作前处于暗态，当它突然受到光照后表现为暗态处于暗态，当它突然受到光照后表现为暗态前历越长，光电流上升越慢前历越长，光电流上升越慢，其效应曲线如，其效应曲线如下图所示。一般，工作电压越低，光照度越下图所示。一般，工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越严重。低，则暗态前历效应就越严重。硫硫化化镉镉光光敏敏电电阻阻的的暗暗态态前前历历

12、效效应应曲曲线线 1-黑暗放置3分钟后 2-黑暗放置60分钟后 3-黑暗放置24小时后 亮态前历效应是指亮态前历效应是指光敏电阻测试或工作前已处光敏电阻测试或工作前已处于亮态于亮态，当照度与工作时所要达到的照度不同时，当照度与工作时所要达到的照度不同时，所出现的所出现的一种滞后现象一种滞后现象，其效应曲线如下图所示。，其效应曲线如下图所示。一般，亮电阻由一般，亮电阻由高照度高照度状态变为低照度状态达到状态变为低照度状态达到稳定值时所需的时间要比由稳定值时所需的时间要比由低照度低照度状态变为高照状态变为高照度状态时短。度状态时短。7、温度特性、温度特性灵敏度、光照特性、灵敏度、光照特性、响应率、

13、光谱响应响应率、光谱响应率、峰值波长、长率、峰值波长、长波限波限都将发生变化，都将发生变化，而且这种变化缺乏而且这种变化缺乏一定的规律。一定的规律。随着温度的升高光随着温度的升高光电导值下降，随着电导值下降，随着温度的下降光电导温度的下降光电导值增大，而与照度值增大，而与照度无关。无关。光敏电阻的温度特性光敏电阻的温度特性8、暗电阻和亮电阻、暗电阻和亮电阻暗电阻：无光照射时，光敏电阻值的大暗电阻：无光照射时，光敏电阻值的大小。其值一般为几十千欧到几兆欧。小。其值一般为几十千欧到几兆欧。亮电阻：有光照射时的电阻值，其值与亮电阻：有光照射时的电阻值，其值与光照大小有关。光照大小有关。 9、噪声、噪

14、声光敏电阻的固有光敏电阻的固有噪声主要有三种：噪声主要有三种：热噪声（热噪声（1000Hz左右）、左右）、产生产生-复合噪声复合噪声（100Hz以上）、以上）、 及噪声及噪声（100Hz以下）以下）1 f噪声随调制频率的分布关系噪声随调制频率的分布关系 五、光敏电阻的特点五、光敏电阻的特点1、体积小，偏置电压低，光谱响应范围宽；、体积小，偏置电压低，光谱响应范围宽；2、测光范围宽，灵敏度高，无极性之分。、测光范围宽，灵敏度高，无极性之分。3、时间常数一般为、时间常数一般为10-210-7秒，特制的可达秒，特制的可达 10-10秒；响应时间长，频率特性差。秒；响应时间长，频率特性差。4、强光线性

15、差，受温度影响大。、强光线性差，受温度影响大。5、实际应用中，在紫外和可见光区，光敏电、实际应用中，在紫外和可见光区，光敏电阻的优点不突出，主要用在自动相机和控光系阻的优点不突出，主要用在自动相机和控光系统中。在统中。在红外区红外区它的响应相对比较快、响应率它的响应相对比较快、响应率较高，机械性能好，因而得到广泛应用。较高，机械性能好，因而得到广泛应用。六、使用中应注意：六、使用中应注意： 1）当用于模拟量测量时，因光照指数）当用于模拟量测量时，因光照指数与光照强弱有关，只有在与光照强弱有关，只有在弱光照弱光照下光电流与下光电流与入射光通量成线性关系。入射光通量成线性关系。 2）用于）用于光度

16、量测试仪器光度量测试仪器时，必须对光谱时，必须对光谱特性曲线进行修正，保证其与人眼的光谱光特性曲线进行修正，保证其与人眼的光谱光视效率曲线符合。视效率曲线符合。 3）光敏电阻的）光敏电阻的光谱特性光谱特性与与温度温度有关，温有关，温度低时，度低时，灵敏范围灵敏范围和峰值波长都向和峰值波长都向长波长波方向方向移动，可采取冷却灵敏面的办法来提高光敏移动，可采取冷却灵敏面的办法来提高光敏电阻在长波区的灵敏度。电阻在长波区的灵敏度。六、使用中应注意：六、使用中应注意： 4）光敏电阻的）光敏电阻的温度特性温度特性很复杂，电阻温很复杂，电阻温度系数有正有负，一般说，光敏电阻不适于在度系数有正有负，一般说，

17、光敏电阻不适于在高温下使用，温度高时输出将明显减小，甚至高温下使用，温度高时输出将明显减小，甚至无输出。无输出。 5）光敏电阻频带宽度都比较窄，在室温）光敏电阻频带宽度都比较窄，在室温下只有少数品种能超过下只有少数品种能超过1000Hz。 6）设计负载电阻时，应考虑到光敏电阻）设计负载电阻时，应考虑到光敏电阻的的额定功耗额定功耗，负载电阻值不能很小。，负载电阻值不能很小。 7）进行动态设计时，应意识到光敏电阻）进行动态设计时，应意识到光敏电阻的前历效应。的前历效应。第三章第三章 半导体光电器件半导体光电器件3.2势垒型光电探测器件势垒型光电探测器件3.2势垒型光电势垒型光电(光伏光伏) 探测器

18、件探测器件v3.2.1 3.2.1 概述概述v3.2.2 3.2.2 光电池光电池v3.2.3 3.2.3 光电二极管光电二极管v3.2.4 3.2.4 光伏探测器的使用要点光伏探测器的使用要点3.2.1概述概述v利用半导体利用半导体PNPN结光伏效应制成的器件称为结光伏效应制成的器件称为光光伏器件伏器件，也称结型光电器件，也称结型光电器件( (光敏电阻为匀质光敏电阻为匀质型型) )。v常见的光伏器件：常见的光伏器件：光电池、光电池、 光电二极管、光电二极管、 光电晶体管、光电场效应管、光电晶体管、光电场效应管、PINPIN管、雪崩光管、雪崩光电二极管电二极管v和光电导探测器不同，和光电导探测

19、器不同，光伏探测器光伏探测器的工作特的工作特性要性要复杂复杂一些。通常有一些。通常有光电池光电池和和光电二极管光电二极管之分，也就是说，光伏探测器有着之分，也就是说，光伏探测器有着不同不同的工的工作模式。作模式。3.2.2光电池光电池v一、概述一、概述v二、符号、连接电路、等效电路二、符号、连接电路、等效电路v三、光电池的特性参数三、光电池的特性参数一、概述一、概述v光电池的基本结构就是一个光电池的基本结构就是一个PN结结（零偏状（零偏状态）。态）。v按按材料材料分，有硅、硒、硫化镉、砷化镓和无分，有硅、硒、硫化镉、砷化镓和无定型材料的光电池等。按定型材料的光电池等。按结构结构分，有同质结和分

20、，有同质结和异质结光电池等。异质结光电池等。v光电池中最典型的是光电池中最典型的是同质结硅光电池同质结硅光电池。v国产同质结硅光电池因衬底材料导电类型不国产同质结硅光电池因衬底材料导电类型不同而分成同而分成2CR系列和系列和2DR系列两种。系列两种。 v2CR系列硅光电池是以系列硅光电池是以N型硅为衬底型硅为衬底，P型型硅为受光面的光电池。受光面上的电极称为硅为受光面的光电池。受光面上的电极称为前极或上电极前极或上电极，为了，为了减少遮光减少遮光，前极多作成，前极多作成梳状。衬底方面的电极称为后极或下电极。梳状。衬底方面的电极称为后极或下电极。v为了为了减少反射光，增加透射光减少反射光，增加透

21、射光，一般都在，一般都在受光面上受光面上涂有涂有SiO2或或MgF2，Si3N4，SiO2MgF2等材料的防反射膜，同时也可以起到防等材料的防反射膜，同时也可以起到防潮，防腐蚀的保护作用潮，防腐蚀的保护作用N（P）P（Si）P（B）N（Si）上电极（前极）下电极（后极）（a）2DR（b）2CRv目前最受重视的是目前最受重视的是硅光电池硅光电池与与硒光电池硒光电池。v硅光电池硅光电池：硅光电池具有：硅光电池具有性能稳定，寿命长，光谱性能稳定，寿命长，光谱响应范围宽响应范围宽，频率特性好频率特性好和能和能耐高温耐高温等优点。因此硅等优点。因此硅光电池在光度学、辐射测量、光学精密计量和测试及光电池在

22、光度学、辐射测量、光学精密计量和测试及激光参数测量等方面得到了广泛应用。激光参数测量等方面得到了广泛应用。v硒光电池硒光电池：光谱响应曲线和人眼的光谱光视效率曲：光谱响应曲线和人眼的光谱光视效率曲线的形状很相似，其线的形状很相似，其光谱响应峰值波长与人眼的光谱光谱响应峰值波长与人眼的光谱光视效率的峰值相重合光视效率的峰值相重合，且硒光电池价廉，因而在一，且硒光电池价廉，因而在一些与人眼视觉有关系的光学器件中，在测量与控制应些与人眼视觉有关系的光学器件中，在测量与控制应用中，多用硒光电池。但应指出，硒光电池用中，多用硒光电池。但应指出，硒光电池稳定性很稳定性很差。差。 硅光电池硅光电池:它是在它

23、是在N型硅片上扩散硼形成型硅片上扩散硼形成P型层型层，并，并用电极引线把用电极引线把P型和型和N型层引出，形成正负电极。型层引出，形成正负电极。SiO2为防止表面反射光，提高转换效率。为防止表面反射光，提高转换效率。-+RLPN防反射膜(SiO2)pn+-SiO2PN 结硅光电池结构示意硅光电池结构示意二、符号、连接电路、等效电路二、符号、连接电路、等效电路光电池等效为一个光电池等效为一个普通晶体二极管普通晶体二极管和一个和一个恒流源恒流源（光电流源）的并联。（光电流源）的并联。pII光电流光电流 I Ij j普通二极管的结普通二极管的结电流电流IURLURLIpIj符号符号 连接电路连接电路

24、 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v伏安特性伏安特性v光照特性（光电特性）光照特性（光电特性）v光谱特性光谱特性v频率特性频率特性v温度特性温度特性伏安特性伏安特性v输出电流和电压和负载电阻的变化曲线。输出电流和电压和负载电阻的变化曲线。v二极管的伏安特性二极管的伏安特性v由等效电路图可知由等效电路图可知v暗电流：当光通量为零时，是光电池加反向偏压后出暗电流：当光通量为零时，是光电池加反向偏压后出现的暗电流现的暗电流1eU KTscjIIeI 1eU KTpjiscIIIRIe1eU KTjscIIeE0Voc2Voc4I（A）I0Isc1 E1Isc2 E2Isc3

25、E3Isc4 E4RL1RL2RL3RL4RL5RL6Voc1Voc3LRV(v)硅光电池的伏安特性曲硅光电池的伏安特性曲线线va、当光电池、当光电池短路短路时，即时，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。ipRIIscIvb、当光电池、当光电池开路开路时，即时，即I=0, 时，时，则则v此时此时U称为开路电压，用称为开路电压，用 表示。表示。) 1ln(SPIIekTUocULRsopIIeKTUlnUIpIjRLI光照特性光照特性硅光电池光照特

26、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与负载电阻的关系v硅光电池硅光电池光照特性光照特性是指是指光光生电动势（开路电压）、光生电动势（开路电压）、光电流、与照度电流、与照度之间的关系之间的关系v1、光生电动势（开路电、光生电动势（开路电压）、与照度呈压）、与照度呈非线性非线性关系关系v2、光电流、与照度之间、光电流、与照度之间呈呈线性线性的关系的关系v3、光照特性与负载大小、光照特性与负载大小关系：关系：E相同，负载增大，相同，负载增大，光电流变小，光照特性的线光电流变小，光照特性的线性区也变小。性区也变小。光谱特性光谱特性v光谱特性主要取决光谱特性主要取决于所用于

27、所用材料与制作工材料与制作工艺艺（如结的深浅），（如结的深浅），也与使用温度有关。也与使用温度有关。v、硒光电池与人、硒光电池与人眼特性很接近眼特性很接近v、硅蓝光电池的、硅蓝光电池的结深比较浅，结结深比较浅，结距受光面很近，距受光面很近，减少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受光表面时的吸收损损耗耗，提高了短波长到，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，在要求决定，在要求更高的频率特性探测电路中，选用小面积的光电池更高的频率特性探测电路中，选用小面积的光电池较有利，同时选择合适的负载电

28、阻。较有利，同时选择合适的负载电阻。温度特性温度特性v、温度特性、温度特性Uoc 和和Isc随随温度温度的变化情况。的变化情况。v、一般、一般Uoc（负温度系（负温度系数）下降约数）下降约23mv/ 。Cv、Isc （正温度系数）（正温度系数）上升约上升约78uA/ 。Cv、值得注意的是，光电、值得注意的是，光电池受强光照射时，必须考池受强光照射时，必须考虑光电池的工作温度。虑光电池的工作温度。Se50。C，Si200 。C时，时，器件损坏。器件损坏。3.2.3光电二极管光电二极管v一、概述一、概述v二、分类二、分类v三、工作模式三、工作模式v四、表示符号及电路接法四、表示符号及电路接法v五、

29、工作特性五、工作特性一、概述一、概述v光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结结。光电转。光电转换机理也是换机理也是光生伏特效应光生伏特效应。v它和光电池相比，重要的不同点是它和光电池相比，重要的不同点是结面积小结面积小，因此它的频率特，因此它的频率特性特别好；且结的工作状态不同，光电池工作于性特别好；且结的工作状态不同，光电池工作于零偏状态零偏状态，光电二极管工作于光电二极管工作于反偏状态反偏状态v光生电势与光电池相同，但输出电流比普遍光电池小，一般光生电势与光电池相同，但输出电流比普遍光电池小，一般为为数微安到数十微安数微安到数十微安。v光

30、电二极管目前多用光电二极管目前多用硅或锗硅或锗制成，但锗器件暗电流温度系数远制成，但锗器件暗电流温度系数远大于硅器件。工艺也不如硅器件成熟，虽然他的响应波长大于硅大于硅器件。工艺也不如硅器件成熟，虽然他的响应波长大于硅器件，但实际应用仍不如硅器件。所以主要介绍硅光电二极管。器件，但实际应用仍不如硅器件。所以主要介绍硅光电二极管。二、分类二、分类v、按、按材料材料分，光电二极管有硅、砷化稼、锑化锢、铈化分，光电二极管有硅、砷化稼、锑化锢、铈化铅光电二极管等许多种。铅光电二极管等许多种。v、按、按结构结构分，也有同质结与异质结之分。其中最典型的分，也有同质结与异质结之分。其中最典型的还是同质结硅光

31、电二极管。还是同质结硅光电二极管。v、国产硅光电二极管按、国产硅光电二极管按衬底材料衬底材料的导电类型不同，分为的导电类型不同，分为2CU和和2DU两种系列。两种系列。2CU系列以系列以N-Si为衬底，为衬底， 2CU系列光电二极管只有两个引系列光电二极管只有两个引出线；出线；2DU系列以系列以P-Si为衬底，而为衬底，而2DU系列光电二极管有三条引出系列光电二极管有三条引出线，除了前极、后极外，还设了一个环极。线，除了前极、后极外，还设了一个环极。 2DU管加环极的管加环极的目的是为了减少暗电流和噪声。目的是为了减少暗电流和噪声。硅光电二极管结构示意图硅光电二极管结构示意图v反型层：光电二极

32、管的受光面一般都涂有反型层：光电二极管的受光面一般都涂有SiO2防防反射膜反射膜，而，而SiO2中又常含有少量的钠、钾、氢等正中又常含有少量的钠、钾、氢等正离子。而离子。而SiO2是电介质，这些正离子在是电介质，这些正离子在SiO2中是不中是不能移动的，但是它们的静电感应却可以使能移动的，但是它们的静电感应却可以使P-Si表面表面产生一个感应电子层。这个电子层与产生一个感应电子层。这个电子层与N-Si的导电类的导电类型相同，可以使型相同，可以使P-Si表面与表面与NSi连通起来。连通起来。当管子当管子加反偏压加反偏压时，从前极流出的暗电子流，除了时，从前极流出的暗电子流，除了有有PN结的结的反

33、向漏电子流反向漏电子流外，还有通过表面感应电子外，还有通过表面感应电子层产生的漏电子流，从而使从前极流出的暗电子流层产生的漏电子流，从而使从前极流出的暗电子流增大。增大。为了减小暗电流为了减小暗电流，设置一个，设置一个N+-Si的环把受光的环把受光面（面（N-Si）包围起来，并从）包围起来，并从N+-Si环上引出一条引线环上引出一条引线（环极），使它接到比前极电位更高的电位上，为（环极），使它接到比前极电位更高的电位上，为表面漏电子流提供一条不经过负载即可达到电源的表面漏电子流提供一条不经过负载即可达到电源的通路通路。减小流过负载的暗减小流过负载的暗电流、减小噪声电流、减小噪声2DU管子管子因

34、为是以因为是以N-Si为衬底，虽然受光面的为衬底，虽然受光面的SiO2防反射防反射膜中也膜中也含有少量的正离子含有少量的正离子，而它的静电感应不会，而它的静电感应不会使使N-Si表面产生一个和表面产生一个和P-Si导电类型相同的导电层，导电类型相同的导电层，从而也就不可能出现表面漏电流，所以不需要加从而也就不可能出现表面漏电流，所以不需要加环极。环极。2CU管子管子三、工作模式三、工作模式v硅光电二极管是硅光电二极管是反偏的光电导工作模式反偏的光电导工作模式。v无光照射时无光照射时，给结加适当的反向电压，反压加强，给结加适当的反向电压，反压加强了内建电场，势垒增大，流过结的电流（称反向了内建电

35、场，势垒增大，流过结的电流（称反向饱和电流）很小，它（饱和电流）很小，它（反向电流反向电流）是由）是由少数载流子少数载流子的的漂移运动形成的，称之为光电二极管的漂移运动形成的，称之为光电二极管的暗电流暗电流。v有光照射时有光照射时，当满足条件，当满足条件 时时 ，则在结，则在结产生产生光生载流子光生载流子被内建电场拉开，被内建电场拉开，电子向电子向N区漂移区漂移，空空穴向穴向P区漂移区漂移，在外加电场的作用下形成了以少数载流，在外加电场的作用下形成了以少数载流子漂移运动为主的光电流，子漂移运动为主的光电流，光电流比无光照射时的反光电流比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，

36、光向饱和电流大得多。光照越强，光生载流子越多，光电流越大；反之则越小。电流越大；反之则越小。gEh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电路接法电路接法表示符号表示符号v 1、硅光电二极管在电路图中的表示符号、硅光电二极管在电路图中的表示符号v、2CU电路接法电路接法v、2DU电路接法电路接法五、工作特性五、工作特性v等效电路等效电路v光照特性光照特性v伏安特性伏安特性v光谱特性光谱特性v频率特性频率特性v噪声噪声v用法用法 等效电路等效电路实实际际电电路路等效电路（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

37、特性v负载电阻负载电阻R较小较小，且外加，且外加反向偏压也较小反向偏压也较小时，光电流时，光电流与入射光功率呈现较好的线与入射光功率呈现较好的线性关系。性关系。v光生电流随外加反偏压的增光生电流随外加反偏压的增大趋向饱和，此时，光电流大趋向饱和，此时，光电流大小仅取决与光照强度。大小仅取决与光照强度。v光照特性线性好，适用于光照特性线性好，适用于检检测测51015200 50 100 150 200 250 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）时的光照特性）时的光照特性伏安特性伏安特性v伏安特性指伏安特性指反向偏压与光反向偏压与光电流之间的关系电流之间的关系v当

38、当不加反向偏压不加反向偏压时，与光时，与光电池的作用相同。电池的作用相同。v反向偏压较低反向偏压较低时，光电流时，光电流随光电压变化非常敏感，这随光电压变化非常敏感，这是由于反向偏压增强了内建是由于反向偏压增强了内建电场，对结区光生载流子的电场，对结区光生载流子的收集率影响很大；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)硅光电二极管的硅光电二极管的伏安特性伏安特性v反向偏压进一步加大反向偏压进一步加大时，光生载流时，光生载流子的收集已达极限，光电流就趋于饱子的收集已达极限，光电流就趋于饱和，此时光电流与外加反向偏压几乎和，此时光电流与外加反向偏压几乎无关，仅取决于入射光功率。无关，仅取决于入射光功率。光谱特性光谱特性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温度特性温度特性-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频率特性频率特性v光电二极管的频率特性，主要由光电二极管的频率特性，