第6章光电效应及应用

1、光子学与光电子学 原荣 邱琪 1第第6章章 光电效应及应用光电效应及应用 光电效应是半导体晶体材料吸收入射光子的能量光电效应是半导体晶体材料吸收入射光子的能量后，产生电子的效应。后，产生电子的效应。 光电效应的主要应用是光探测器和光伏电池等。光电效应的主要应用是光探测器和光伏电池等。 光探测器是吸收入射光子能量后把光信号转变为光探测器是吸收入射光子能量后把光信号转变为电信号，产生光生电流；电信号，产生光生电流； 光伏电池是将太阳能转换为电能。光伏电池是将太阳能转换为电能。光子学与光电子学 原荣 邱琪 2第第6章章 光电效应及应用光电效应及应用 6.1 光探测概述光探测概述 6.2 光探测器光探

2、测器 6.3 光伏电池光伏电池光子学与光电子学 原荣 邱琪 3 假如入射光子的能量超过禁带能量假如入射光子的能量超过禁带能量 Eg，耗尽区每次吸收一个光子，将产生一个耗尽区每次吸收一个光子，将产生一个电子空穴对，发生受激吸收。电子空穴对，发生受激吸收。光探测原理光探测原理-受激吸收受激吸收Ec c吸收光子后吸收光子后产生电子产生电子Ev光子光子h 输入输入(输出电流)(输出电流)光子学与光电子学 原荣 邱琪 4在在 PN 结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子 空穴空穴对在电场的作用下对在电场的作用下, 分别离开耗尽区，电子向分别离开耗尽区

3、，电子向 N 区漂移，空穴向区漂移，空穴向 P 区漂移，空穴和从负电极进入的电子复合，电子则离开区漂移，空穴和从负电极进入的电子复合，电子则离开 N 区进入区进入正电极。从而在外电路形成光生电流。正电极。从而在外电路形成光生电流。当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转变成电流信号。变成电流信号。图图6.1.2a PN结光检测原理说明结光检测原理说明入入射射光光hvEgSiO2P+h+e-+ERIpVoutW抗抗反反射射膜膜电电极极电电极极耗耗尽尽区区Pin空空穴穴h+e-电电子子负负载载电电阻阻RIp光光生生电电流流输输

4、出出电电压压L LL LN(a) 反反向向偏偏置置的的 PN 结结, ,当当光光入入射射时时, ,光光生生电电子子空空穴穴对对分分别别向向N N区区和和P P区区漂漂移移，在在外外电电路路产产生生光光生生电电流流W= = m几几光子学与光电子学 原荣 邱琪 56.1.2 响应度和量子效率响应度和量子效率光子学与光电子学 原荣 邱琪 66.1.3 响应带宽响应带宽光子学与光电子学 原荣 邱琪 7受受RC时间常数限制的带宽时间常数限制的带宽 光子学与光电子学 原荣 邱琪 8 上升时间定义为输入阶跃光功率时，探测器输出上升时间定义为输入阶跃光功率时，探测器输出光电流最大值的光电流最大值的 10 %

5、到到 90 % 所需的时间。所需的时间。上升时间定义上升时间定义090%10%Tr=0.7 00.90.1tVoutTr01.0tVin线性系统线性系统RCVinVouti(a) 阶跃脉冲作用于线性系统阶跃脉冲作用于线性系统(b)方波作用于方波作用于 线性系统线性系统光子学与光电子学 原荣 邱琪 96.2 光探测器光探测器 6.2.1 PIN光敏二极管光敏二极管 6.2.2 雪崩光敏二极管雪崩光敏二极管 6.2.3 单行载流子光敏探测器单行载流子光敏探测器 6.2.4 波导探测器（波导探测器（WD-PD） 6.2.5 行波探测器（行波探测器（TW-PD） 6.2.6 肖特基结光敏探测器肖特基结

6、光敏探测器 6.2.7 紫外光探测器紫外光探测器 6.2.8 光敏晶体管光敏晶体管 6.2.9 光敏二极管负载线及前置放大器光敏二极管负载线及前置放大器光子学与光电子学 原荣 邱琪 10光探测器光探测器光子学与光电子学 原荣 邱琪 11 一种一种43Gb/s DQPSK双平衡接收机双平衡接收机光子学与光电子学 原荣 邱琪 126.2.1 PIN光敏二极管光敏二极管1. 工作原理工作原理简单的简单的 PN 结光敏二极管具有两个主结光敏二极管具有两个主要的缺点。要的缺点。 结电容或耗尽区电容较大结电容或耗尽区电容较大 RC 时间常数较大，不利于高频调制。时间常数较大，不利于高频调制。 耗尽层宽度窄

7、，最大也只有几微米耗尽层宽度窄，最大也只有几微米 长波长的穿透深度比耗尽层宽度长波长的穿透深度比耗尽层宽度 W 还大，还大，所以大多数光子没有被耗尽层吸收，因此所以大多数光子没有被耗尽层吸收，因此长波长的量子效率很低。长波长的量子效率很低。光子学与光电子学 原荣 邱琪 13为了克服为了克服 PN 管存在的问题，人们采用管存在的问题，人们采用 PIN 光敏二极管光敏二极管PIN 二极管与二极管与 PN 二极管的主要区别是，在二极管的主要区别是，在 P 和和 N 层之间加入了层之间加入了一个一个 I 层，作为耗尽层。层，作为耗尽层。I 层的宽度较宽，约有层的宽度较宽，约有5 50 m，可吸可吸收绝

8、大多数光子，使光生电流增加。收绝大多数光子，使光生电流增加。图图6.2.1 PIN光敏二极管光敏二极管入入射射光光hvEgSiO2P+h+e-+EIpVout抗抗反反射射膜膜电电极极电电极极耗耗尽尽区区Pin输输出出电电压压RL反反向向偏偏置置的的 PIN,因因耗耗尽尽区区较较宽宽, ,可可以以吸吸收收绝绝大大多多数数光光生生电电子子和和空空穴穴对对, ,使使量量子子效效率率提提高高I-SiWN+Vr-RLCdIpVout空空穴穴h+e-电电子子负负载载电电阻阻RIp光光生生电电流流L LW= = m550EVr/WCdP PI IN N管管分分布布电电容容光子学与光电子学 原荣 邱琪 14P

9、IN光敏二极管的响应时间光敏二极管的响应时间例题例题6.2.1光子学与光电子学 原荣 邱琪 152. 光敏二极管的响应波长光敏二极管的响应波长光子学与光电子学 原荣 邱琪 16图图6.2.2(a) PIN光敏二极管光敏二极管的波长响应曲线的波长响应曲线6008001000120014001600180000.20.40.60.81.090%70%50%30%10%InGaAsPGeInGaAsSi(nm)波波长长( )R响响应应度度量量子子效效率率光子学与光电子学 原荣 邱琪 17图图6.2.2（b） APD 波长响应曲线波长响应曲线600800100012001400160018001247

10、10010357050403020InGaAsGeSi(nm)波波长长( )R响响应应度度光子学与光电子学 原荣 邱琪 18半导体材料的吸收系数半导体材料的吸收系数 和穿透深度和穿透深度 波长比截止波长短的入射光子，当它们在半导体内传波长比截止波长短的入射光子，当它们在半导体内传输时被吸收，所以与光子数成正比的光强在半导体内输时被吸收，所以与光子数成正比的光强在半导体内随距离的增加按指数式衰减。光强随距离的增加按指数式衰减。光强I与从半导体表面开与从半导体表面开始的距离始的距离x的关系是的关系是（6.2.4） 式中，式中，I0是入射光的强度，是入射光的强度， 是吸收系数，它是材料的是吸收系数，

11、它是材料的特性，与光子能量和波长有关。特性，与光子能量和波长有关。63 %的光子吸收发生的光子吸收发生在距离在距离1/ 内，称内，称1/ 为穿透厚度或吸收深度为穿透厚度或吸收深度 。图。图6.3.7表示各种半导体材料吸收系数表示各种半导体材料吸收系数 与波长的关系，图中也与波长的关系，图中也表示出各种典型半导体材料的截止波长。表示出各种典型半导体材料的截止波长。xIxIexp)(0光子学与光电子学 原荣 邱琪 19图图6.3.7 半导体材料吸收系数半导体材料吸收系数 与波长与波长 的关系的关系 光子学与光电子学 原荣 邱琪 20光敏二极管下截止波长光敏二极管下截止波长 当入射光波长太短时，光敏

12、转换效率也会大大下降，当入射光波长太短时，光敏转换效率也会大大下降， 当入射波长很短时，材料对光的吸收系数变得很大，当入射波长很短时，材料对光的吸收系数变得很大， 入射光子在光敏二极管的表面层就被吸收入射光子在光敏二极管的表面层就被吸收 反向偏压主要是加在反向偏压主要是加在PN结的耗尽层里结的耗尽层里 光敏二极管的表面层里存在着一个零电场区域光敏二极管的表面层里存在着一个零电场区域 在零电场区域里产生的在零电场区域里产生的 电子电子-空穴对不能有效地空穴对不能有效地 转换成光电流，从而使转换成光电流，从而使 光电转换效率降低。光电转换效率降低。 不同种类材料制作的光敏二极管对光波长的响应也不不

13、同种类材料制作的光敏二极管对光波长的响应也不同。同。 Si光敏二极管的波长响应范围为光敏二极管的波长响应范围为0.61.0 m，适用于短，适用于短波长波段；波长波段；Ge和和InGaAs光敏二极管的波长响应范围为光敏二极管的波长响应范围为1.11.6 m，适应于长波长波段，各种光敏探测器的波，适应于长波长波段，各种光敏探测器的波长响应曲线如图长响应曲线如图6.2.2所示。所示。光子学与光电子学 原荣 邱琪 21光子学与光电子学 原荣 邱琪 22图图6.2.3 光在不同种类半导体光在不同种类半导体材料带隙中的吸收材料带隙中的吸收在直接带隙半导体中，吸收光子能量在直接带隙半导体中，吸收光子能量hv

14、后，只要后，只要Eg hv ，电子从价带上就，电子从价带上就直接激发到导带上。直接激发到导带上。但在间接带隙半导体中，由于价带的峰值能量与导带的低谷能量并不像图但在间接带隙半导体中，由于价带的峰值能量与导带的低谷能量并不像图6.2.3（a）表示的直接带隙半导体材料那样直接对应，所以电子从价带峰值）表示的直接带隙半导体材料那样直接对应，所以电子从价带峰值点跃迁到导带的低谷点所需的光子能量点跃迁到导带的低谷点所需的光子能量hv大于大于Eg，其能量差要有声子能量，其能量差要有声子能量h 来填充，即来填充，即hv = Eg h 。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 23PIN光敏二极管的性能参数光敏二极管

15、的性能参数 量子效率量子效率 响应度响应度 R 暗电流暗电流, 表示无光照时出现的反向电流，表示无光照时出现的反向电流，它影响接收机的信噪比它影响接收机的信噪比; 响应速度响应速度, 它表示对光信号的反应能力，它表示对光信号的反应能力，常用对光脉冲响应的上升或下降沿表示常用对光脉冲响应的上升或下降沿表示; 结电容结电容 (pF), 它影响响应速度。它影响响应速度。例题例题6.2.2光子学与光电子学 原荣 邱琪 246.2.2 雪崩光敏二极管雪崩光敏二极管 雪崩光敏二极管（雪崩光敏二极管（APD）是利用雪崩倍增效应是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度探测器。使光电流得到倍增的高灵敏度探测

16、器。 APD的结构设计，使它能承受高的反向偏压，的结构设计，使它能承受高的反向偏压，从而在从而在 PN 结内部形成一个高电场区。结内部形成一个高电场区。 APD能提供内部增益能提供内部增益 工作速度高工作速度高已广泛应用于光通信系统中已广泛应用于光通信系统中光子学与光电子学 原荣 邱琪 25 与光敏二极管不同，与光敏二极管不同，APD的光敏面是的光敏面是N+区，紧接区，紧接着是掺杂浓度逐渐加大的三个着是掺杂浓度逐渐加大的三个P区，分别标记为区，分别标记为P、 和和P+，如图，如图6.2.4（a）所示。）所示。APD的这种结构设的这种结构设计，使它能承受高的反向偏压，从而在计，使它能承受高的反向

17、偏压，从而在PN结内部结内部形成一个高电场区，如图形成一个高电场区，如图6.2.4（c）所示。）所示。 APD结构结构光子学与光电子学 原荣 邱琪 26图图6.2.5 APD雪崩倍增原理图雪崩倍增原理图光生的电子光生的电子 空穴对经过高电场区时被加速。从而获得足够的能量，空穴对经过高电场区时被加速。从而获得足够的能量，它们在高速运动中与它们在高速运动中与 P 区晶格上的原子碰撞，使晶格中的原子电离，区晶格上的原子碰撞，使晶格中的原子电离，从而产生新的电子从而产生新的电子 空穴对。这种通过碰撞电离产生的电子空穴对。这种通过碰撞电离产生的电子 空穴对，空穴对，称为二次电子称为二次电子 空穴对。空穴

18、对。新产生的二次电子和空穴在高电场区里运动时又被加速，又可能碰新产生的二次电子和空穴在高电场区里运动时又被加速，又可能碰撞别的原子，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加，反向撞别的原子，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加，反向电流迅速加大，形成雪崩倍增效应。电流迅速加大，形成雪崩倍增效应。光子学与光电子学 原荣 邱琪 272. 平均雪崩增益平均雪崩增益光子学与光电子学 原荣 邱琪 28光电混装模块照片光电混装模块照片 光子学与光电子学 原荣 邱琪 296.2.3 单行载流子光敏探测器单行载流子光敏探测器 在在PIN光敏二极管中，对光电流作出贡献的包括电子光敏二极管中，对光电流作出贡献

19、的包括电子和空穴两种载流子。和空穴两种载流子。 电子和空穴速度不同，总的载流子迁移时间主要取决电子和空穴速度不同，总的载流子迁移时间主要取决于空穴。于空穴。 当输出电流或功率增大时，其响应速度和带宽会进一当输出电流或功率增大时，其响应速度和带宽会进一步下降步下降 低迁移率的空穴在输运过程中形成堆积低迁移率的空穴在输运过程中形成堆积 电位分布发生变形，阻碍载流子从吸收层向外运动电位分布发生变形，阻碍载流子从吸收层向外运动 新结构的单行载流子光敏探测器（新结构的单行载流子光敏探测器（UTC-PD）。）。 只有电子充当载流子，空穴不参与导电，电子的迁移只有电子充当载流子，空穴不参与导电，电子的迁移率

20、远高于空穴，因而其载流子渡越时间比率远高于空穴，因而其载流子渡越时间比PIN的小。的小。光子学与光电子学 原荣 邱琪 30图图6.2.6 电子载流子光敏探测器（电子载流子光敏探测器（UTC-PD） （a）PIN能带结构图能带结构图 （ b）UTC-PD能带结构图能带结构图 由于外加电压的作用，在收集层产生强电场，有利于光生电子从吸收由于外加电压的作用，在收集层产生强电场，有利于光生电子从吸收层向收集层的运动。在收集层，光电流完全由从吸收层漂移扩散过来层向收集层的运动。在收集层，光电流完全由从吸收层漂移扩散过来的电子产生。在吸收层，电子由于扩散阻挡层（势垒层）的阻挡，只的电子产生。在吸收层，电子

21、由于扩散阻挡层（势垒层）的阻挡，只有极少数电子越过势垒层，而空穴不能扩散形成光生电流。因此称这有极少数电子越过势垒层，而空穴不能扩散形成光生电流。因此称这种探测器为单行光敏探测器。种探测器为单行光敏探测器。光子学与光电子学 原荣 邱琪 31吸收层(c) WG-PD入射光吸收层PIN(a) PIN-PD6.2.4 波导光敏探测器（波导光敏探测器（WG-PD）按光的入射方式，探测器可以分为按光的入射方式，探测器可以分为: 面入射光敏探测器面入射光敏探测器 (a) , 如一般的如一般的PIN, 响应速度慢；响应速度慢； 边耦合光敏探测器边耦合光敏探测器 (c) ，如，如UTC-PD/TW-PD, 效

22、应速度快。效应速度快。光子学与光电子学 原荣 邱琪 32100 GHz 波导光敏探测器波导光敏探测器光子学与光电子学 原荣 邱琪 33 在面入射光探测器在面入射光探测器中，光从正面或背中，光从正面或背面入射到探测器的面入射到探测器的光吸收层中，产生光吸收层中，产生电子空穴对，并激电子空穴对，并激发价带电子跃迁到发价带电子跃迁到导带，产生光电流，导带，产生光电流，如图如图6.2.7(a)和和(b)。 所以，在面入射光所以，在面入射光探测器中，光行进探测器中，光行进方向与载流子的渡方向与载流子的渡越方向平行，如一越方向平行，如一般的般的PIN探测器。探测器。 PIN的响应速度受到的响应速度受到PN

23、结结RC数值、数值、I 吸收层厚度和载流吸收层厚度和载流子渡越时间等的限制。子渡越时间等的限制。 最高光响应速率小于最高光响应速率小于20 Gb/s。 为此提出了高速光探测器解为此提出了高速光探测器解决方案决方案边耦合光探测器。边耦合光探测器。 入射光吸收层PIN(a) PIN-PD面入射面入射光探测光探测器器光子学与光电子学 原荣 邱琪 34 在（侧）边耦合在（侧）边耦合光探测器中，光光探测器中，光行进方向与载流行进方向与载流子的渡越方向互子的渡越方向互相垂直；相垂直； 很好地解决了吸很好地解决了吸收效率和电学带收效率和电学带宽之间对吸收区宽之间对吸收区厚度要求的矛盾。厚度要求的矛盾。 边耦

24、合探测器比面入射探测边耦合探测器比面入射探测器可以获得更高的器可以获得更高的3 dB响应响应带宽。带宽。 边耦合探测器分：边耦合探测器分： 波导型探测器（波导型探测器（WG-PD） 行波型探测器（行波型探测器（TW-PD ）。）。 边入射边入射光探测光探测器器吸收层(c) WG-PD光子学与光电子学 原荣 邱琪 35波导探测器波导探测器 (WD-PD) 波导探测器正好解除了波导探测器正好解除了PIN探测器的内量子效率探测器的内量子效率和响应速度之间的制约关和响应速度之间的制约关系系; 极大地改善了其性能，在极大地改善了其性能，在一定程度上满足了光通信一定程度上满足了光通信对高性能探测器的要求对

25、高性能探测器的要求 面入射光探测器的固有弱面入射光探测器的固有弱点是量子效率和响应速度点是量子效率和响应速度相互制约；相互制约； 一方面可以采用减小其结一方面可以采用减小其结面积来提高它的响应速度，面积来提高它的响应速度，但是这会降低器件的耦合但是这会降低器件的耦合效率。效率。 另一方面也可以采用减小另一方面也可以采用减小本征层（吸收层）的厚度本征层（吸收层）的厚度来提高器件的响应速度。来提高器件的响应速度。但是这会减小光吸收长度，但是这会减小光吸收长度，降低内量子效率，因此这降低内量子效率，因此这些参数需折衷考虑。些参数需折衷考虑。吸收层(c) WG-PD光子学与光电子学 原荣 邱琪 36波

26、导探测器波导探测器 光垂直于电流方向入射到光垂直于电流方向入射到探测器的光波导中，然后探测器的光波导中，然后在波导中传播，传播过程在波导中传播，传播过程中光不断被吸收，光强逐中光不断被吸收，光强逐渐减弱，同时激发价带电渐减弱，同时激发价带电子跃迁到导带，产生光生子跃迁到导带，产生光生电子空穴对，实现了对光电子空穴对，实现了对光信号的探测。信号的探测。 WG-PD的光吸收是沿波导的光吸收是沿波导方向进行的，其光吸收长方向进行的，其光吸收长度远大于传统型光探测器。度远大于传统型光探测器。WG-PD的吸收长度是探测的吸收长度是探测器波导的长度，一般可大器波导的长度，一般可大于于10 m，而传统型探测

27、器，而传统型探测器的吸收长度是的吸收长度是InGaAs本征本征层的厚度，仅为层的厚度，仅为1 m。所。所以以WG-PD结构的内量子效结构的内量子效率高于传统型结构率高于传统型结构PD的。的。 另外，另外，WG-PD还很容易与还很容易与其他器件集成。其他器件集成。 但是，和面入射探测器相但是，和面入射探测器相比，比，WD-PD的光耦合面积的光耦合面积非常小，导致光耦合效率非常小，导致光耦合效率较低，同时也增加了和光较低，同时也增加了和光纤耦合的难度。可采用斜纤耦合的难度。可采用斜边入射分支波导结构克服。边入射分支波导结构克服。吸收层(c) WG-PD光子学与光电子学 原荣 邱琪 37分支波导探测

28、器分支波导探测器(Tapered WG-PD) 光进入折射率为光进入折射率为n1的单模波导，当传输到的单模波导，当传输到n2光匹配层的下光匹配层的下面时，由于面时，由于n2n1，所以光向多模波导匹配层偏转（见，所以光向多模波导匹配层偏转（见2.3.1节）节）; 又因又因 n3n2，所以光就进入，所以光就进入PD的吸收层，转入光生电子的吸收层，转入光生电子的过程。的过程。吸收层(e) Tapered WD-PD单模波导(多模波导)光匹配层n1n2n3n1n2n3PD 长吸收区L单模波导光经过光匹配层进入 吸收层PD(f)折射率光子学与光电子学 原荣 邱琪 38图图6.2.9 边入射平面折射波导边

29、入射平面折射波导RF UTC-PD光入射到斜面上产生折射，改变方向后到达吸收光敏区。耦合面积非光入射到斜面上产生折射，改变方向后到达吸收光敏区。耦合面积非常大，垂直方向和水平方向的耦合长度分别达到了常大，垂直方向和水平方向的耦合长度分别达到了9.5 m和和47 m，即，即使在没有偏压的情况下，外部量子效率也达到了使在没有偏压的情况下，外部量子效率也达到了91 %。在在0.5 V偏压下，它的响应度达到了偏压下，它的响应度达到了0.96 A/W。RF-PD和和WG-PD相比，前者的耦合面积要远大于后者，外量子效率也相比，前者的耦合面积要远大于后者，外量子效率也要比后者高。要比后者高。从结构图中可以

30、看出，器件的另外一个显著特征是光在斜面上折射后从结构图中可以看出，器件的另外一个显著特征是光在斜面上折射后斜入射到光吸收区，增大了光吸收长度和光吸收面积，提高了内量子斜入射到光吸收区，增大了光吸收长度和光吸收面积，提高了内量子效率，同时分散光吸收可以增大探测器的饱和光电流。效率，同时分散光吸收可以增大探测器的饱和光电流。 角度刻面入射光吸收层InGaAs电极P电极NInP收集层 折射光光子学与光电子学 原荣 邱琪 395.2.5 行波探测器（行波探测器（TW-PD）行波探测器波导长度等于探测行波探测器波导长度等于探测信号的波长信号的波长响应不受与有源面积有关的响应不受与有源面积有关的RC常数的

31、限制。常数的限制。 响应主要由光的吸收响应主要由光的吸收系数以及光的群速度系数以及光的群速度和电的相速度不匹配和电的相速度不匹配决定。决定。 这种器件的长度远大这种器件的长度远大于吸收长度，但它的于吸收长度，但它的带宽基本与器件长度带宽基本与器件长度无关，所以具有更大无关，所以具有更大的响应带宽积。的响应带宽积。光子学与光电子学 原荣 邱琪 406.2.6 肖特基结光敏探测器肖特基结光敏探测器 肖特基结型光敏探测器是一种由金属和肖特基结型光敏探测器是一种由金属和半导体接触所制成的光探测器。半导体接触所制成的光探测器。 它的光电转换基本原理与它的光电转换基本原理与PIN光敏二极管光敏二极管的仍然

32、相同，即入射光子产生电子的仍然相同，即入射光子产生电子-空穴空穴对，电子对，电子-空穴对的流动就产生了光电流。空穴对的流动就产生了光电流。 肖特基结光敏二极管的一个主要优点是肖特基结光敏二极管的一个主要优点是响应时间比响应时间比PN结和结和PIN结光探测器的快结光探测器的快,更适合探测短波长光更适合探测短波长光 。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 41假如金属的功函数假如金属的功函数 m比半导体的功比半导体的功函数函数 n大大,当金属当金属和和N型半导体接触型半导体接触时，由于金属的费时，由于金属的费米能级米能级EFm比半导比半导体的费米能级体的费米能级EFn低，低，n型半导体内型半导体内的电子

33、便向金属内的电子便向金属内移动移动 。图图6.2.13 肖特基结型光敏探测器肖特基结型光敏探测器（a）金属和）金属和n型半导体接触前型半导体接触前光子学与光电子学 原荣 邱琪 42图图6.1.13（b）金属和）金属和n型半导体接触后形成势垒型半导体接触后形成势垒 结果是金属一侧带负电，半结果是金属一侧带负电，半导体一侧带正电，在结区形导体一侧带正电，在结区形成从正电荷到负电荷的内部成从正电荷到负电荷的内部电场电场Eo，在这一区域，电子，在这一区域，电子大部分已迁移到金属那边，大部分已迁移到金属那边，成为电子已耗尽的高阻区，成为电子已耗尽的高阻区，称为耗尽区。称为耗尽区。因为耗尽区的内电场将阻档

34、因为耗尽区的内电场将阻档电子迁移到金属，因此又称电子迁移到金属，因此又称为阻挡层，即形成接触势垒，为阻挡层，即形成接触势垒，称为肖特基势垒称为肖特基势垒 B，利用肖，利用肖特基势垒制成的光敏探测器特基势垒制成的光敏探测器称为肖特基光敏探测器。称为肖特基光敏探测器。在热平衡状态下在热平衡状态下,金属和半导金属和半导体组成一体的费米能级必须体组成一体的费米能级必须相同，即相同，即EFm = EFn，所以两，所以两条能级线必须对齐；同时，条能级线必须对齐；同时，因为因为 m n，所以相应的，所以相应的能带对齐时，就出现了如图能带对齐时，就出现了如图6.1.12（b）所示的形状。）所示的形状。 光子学

35、与光电子学 原荣 邱琪 43图图6.2.14 正向偏置肖特基结正向偏置肖特基结 图图6.2.15 肖特基结型器件的肖特基结型器件的 I-V 特性特性 肖特基结正向偏置时，外加的偏置电压肖特基结正向偏置时，外加的偏置电压U与内建电压与内建电压Uo相反，相反，与无偏压的情况相比，内建电压减小为与无偏压的情况相比，内建电压减小为Uo U， B保持不变。保持不变。因为从因为从n型半导体注入到金属的电流与型半导体注入到金属的电流与exp e(Uo U)/(kBT)有关（有关（kB为玻尔兹曼常数），所以正向偏置时的电流为玻尔兹曼常数），所以正向偏置时的电流I很大，很大，且随且随U成指数式增长，如图成指数式

36、增长，如图6.2.15所示。所示。光子学与光电子学 原荣 邱琪 44图图6.2.16 反偏肖特基结光敏探测器反偏肖特基结光敏探测器（a）金属电子跨越势垒产生暗电流）金属电子跨越势垒产生暗电流 （b）在耗尽区光生电子）在耗尽区光生电子 （c）肖特基结光敏探测器）肖特基结光敏探测器 作为光敏二极管，肖特基结处于反偏状态，耗尽区的电场（作为光敏二极管，肖特基结处于反偏状态，耗尽区的电场（Uo+Ur）就大）就大些。光从金属一侧入射，当光子能量些。光从金属一侧入射，当光子能量hv Eg ，半导体的耗尽区将产生电子，半导体的耗尽区将产生电子-空穴对（空穴对（EHP），如图），如图6.2.16（b）和（）和

37、（c）所示，该区的电场将把）所示，该区的电场将把EHP分开，分开，并使电子向半导体漂移，空穴向金属漂移。并使电子向半导体漂移，空穴向金属漂移。 在耗尽区，电子的能量处于电子势能的斜坡，就像斜坡上的球沿斜坡向在耗尽区，电子的能量处于电子势能的斜坡，就像斜坡上的球沿斜坡向下运动一样，该电子沿势能斜坡也快速滚下。因为下运动一样，该电子沿势能斜坡也快速滚下。因为UrUo，所以漂移速度，所以漂移速度很快，导致这种器件的响应速度很快。很快，导致这种器件的响应速度很快。光子学与光电子学 原荣 邱琪 45图图6.2.17 MSM探测器探测器（a）A和和B两个金属电极沉淀在半导体表面，施加足两个金属电极沉淀在半

38、导体表面，施加足够大的电压够大的电压 （b）指状电极）指状电极 肖特基结面对面连接，这就是说，不管是加正电压，肖特基结面对面连接，这就是说，不管是加正电压，还是加负电压，总有一个是反向偏置，另一个是正还是加负电压，总有一个是反向偏置，另一个是正向偏置。向偏置。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 46（c）A和和B两个方向相反的肖特基结端对端连接在一起，无两个方向相反的肖特基结端对端连接在一起，无偏置时能带图对称，光生电子偏置时能带图对称，光生电子-空穴对不能漂移空穴对不能漂移 （d）偏置电压足够大，）偏置电压足够大，A、B的的SCL连在一起，在合在一起连在一起，在合在一起的耗尽区完成光生电子的耗尽

39、区完成光生电子-空穴对分开、漂移，产生光电流空穴对分开、漂移，产生光电流 光子学与光电子学 原荣 邱琪 476.3 光伏电池光伏电池 6.3.1 光伏电池概述光伏电池概述 6.3.2 光伏电池发展历史光伏电池发展历史 6.3.3 光伏电池工作原理光伏电池工作原理 6.3.4 光伏电池光伏电池I-U特性特性 6.3.5 光伏电池的等效电路光伏电池的等效电路 6.3.6 光伏电池的并联和串联光伏电池的并联和串联 6.3.7 温度对光伏电池的影响温度对光伏电池的影响 6.3.8 光伏电池材料、器件和提高效率的措施光伏电池材料、器件和提高效率的措施 6.3.9 聚光太阳能电池聚光太阳能电池 6.3.1

40、0 商用光伏电池技术指标和特性曲线商用光伏电池技术指标和特性曲线光子学与光电子学 原荣 邱琪 486.3.1 光伏电池概述光伏电池概述 光伏器件（简称光伏电池）常用于把太光伏器件（简称光伏电池）常用于把太阳光能直接转化为电能，所以又称为太阳光能直接转化为电能，所以又称为太阳能电池。阳能电池。 通常，定义光的强度为单位时间单位面通常，定义光的强度为单位时间单位面积的能量流（积的能量流（W/m2），而光谱强度），而光谱强度I 定定义为单位波长单位面积的光强。因此义为单位波长单位面积的光强。因此I 是一小段波长范围内的光强，如果是一小段波长范围内的光强，如果对整个光谱的光强对整个光谱的光强I 积分，

41、则可以得到太积分，则可以得到太阳光整个光谱的强度阳光整个光谱的强度I。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 49图图6.3.1 辐射到地球表辐射到地球表面（面（AM1.5）与）与大气层表面大气层表面（AM0）的太）的太阳能光谱强度阳能光谱强度和波长的关系和波长的关系 图中表示三种不同入射情况太阳光的光谱强度与波长的关系，图中表示三种不同入射情况太阳光的光谱强度与波长的关系，AM0为入射到大气层上的情况，为入射到大气层上的情况，AM1为垂直入射到地球表面的情况，为垂直入射到地球表面的情况，AM1.5为斜射光线的情况，如图为斜射光线的情况，如图6.3.2所示。所示。光子学与光电子学 原荣 邱琪 50图图

42、6.3.2 太阳光线太阳光线入射角度入射角度 对光线路对光线路径长度的径长度的影响影响 对地球大气层上光强的积分就给出垂直太阳方向的单位面积的总功率流量，称该对地球大气层上光强的积分就给出垂直太阳方向的单位面积的总功率流量，称该值为太阳辐射常数（值为太阳辐射常数（AM0），大约为），大约为1.353 kW/m2。 地球表面实际的光谱强度取决于大气吸收和散射的影响，以及大气成分和通过大地球表面实际的光谱强度取决于大气吸收和散射的影响，以及大气成分和通过大气辐射的路径长度。这些大气的影响还与波长有关。云层增加了对太阳光的吸收气辐射的路径长度。这些大气的影响还与波长有关。云层增加了对太阳光的吸收和散

43、射，因此，也就减少了入射强度。和散射，因此，也就减少了入射强度。 在晴朗的天气，到达地球表面的的光强约为到达大气层上光强的在晴朗的天气，到达地球表面的的光强约为到达大气层上光强的70 %。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 51图图6.3.3 运行中的光伏电站和光伏组件运行中的光伏电站和光伏组件地面光伏系统大量使用的是以硅为基底的硅光伏电池，可分为单晶地面光伏系统大量使用的是以硅为基底的硅光伏电池，可分为单晶硅、多晶硅、非晶硅光伏电池。硅、多晶硅、非晶硅光伏电池。光伏组件是根据应用需求，将光伏电池组合成额定输出功率和输出光伏组件是根据应用需求，将光伏电池组合成额定输出功率和输出电压的一组光伏电池。

44、光伏组件，采用高效单晶硅或多晶硅光伏电电压的一组光伏电池。光伏组件，采用高效单晶硅或多晶硅光伏电池、高透光率钢化玻璃、抗腐蚀铝合金边框材料，使用先进的真空池、高透光率钢化玻璃、抗腐蚀铝合金边框材料，使用先进的真空层压及脉冲焊接工艺制造，即使在最严酷的环境中，也能保证长的层压及脉冲焊接工艺制造，即使在最严酷的环境中，也能保证长的使用寿命。使用寿命。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 52光伏电池的优缺点光伏电池的优缺点 利用太阳能的光伏电池不受资源分布地域的限制，无利用太阳能的光伏电池不受资源分布地域的限制，无枯竭危险，无污染，可在用电处就近快速发电，供电枯竭危险，无污染，可在用电处就近快速发电，供

45、电系统工作可靠。但缺点是照射能量分布密度小，获得系统工作可靠。但缺点是照射能量分布密度小，获得的能源与四季、昼夜及阴晴等气象条件有关，造价比的能源与四季、昼夜及阴晴等气象条件有关，造价比较高。较高。 夜间不能发电是光伏电池的一大缺点，为此，把光伏夜间不能发电是光伏电池的一大缺点，为此，把光伏电池当作补充电力，由于日间电力需求较大，光伏电电池当作补充电力，由于日间电力需求较大，光伏电池在日间提供服务可以让电厂电源负载更均匀，也减池在日间提供服务可以让电厂电源负载更均匀，也减少电网的尖峰负载。把白天的太阳光能转成其他的能少电网的尖峰负载。把白天的太阳光能转成其他的能量形式加以储存，例如蓄电池、飞轮

46、装置、压缩空气、量形式加以储存，例如蓄电池、飞轮装置、压缩空气、抽蓄发电厂等，到夜间再把储存的能量释放出来。抽蓄发电厂等，到夜间再把储存的能量释放出来。 目前，光伏电池成本还较高，无法以合理成本提供大目前，光伏电池成本还较高，无法以合理成本提供大量需求。不过随着技术的进步，光伏电池的效率逐渐量需求。不过随着技术的进步，光伏电池的效率逐渐提高，光伏电站单位成本逐年下降，光伏电池的成本提高，光伏电站单位成本逐年下降，光伏电池的成本可望大幅降低。可望大幅降低。光子学与光电子学 原荣 邱琪 536.3.2 光伏电池发展历史光伏电池发展历史 1839年，光生伏特效应第一次由法国物理学家年，光生伏特效应第

47、一次由法国物理学家A. E. Becquerel发现。发现。 1954年美国贝尔实验室发现，在硅中掺入少量杂质后，硅年美国贝尔实验室发现，在硅中掺入少量杂质后，硅对光更加敏感，第一个有实际应用价值的光伏电池于对光更加敏感，第一个有实际应用价值的光伏电池于1954年诞生。太阳电池技术的时代终于到来。年诞生。太阳电池技术的时代终于到来。 第一代硅光伏电池，转换效率约为第一代硅光伏电池，转换效率约为18 %，由于发展早，生，由于发展早，生产技术较为成熟，占应用市场约产技术较为成熟，占应用市场约80 %的份额；的份额； 第二代薄膜光伏电池，已经产业化的主要有薄膜硅电池、第二代薄膜光伏电池，已经产业化的

48、主要有薄膜硅电池、铜铟镓硒（铜铟镓硒（CIGS）电池和碲化镉碲化镉（）电池和碲化镉碲化镉（CdTe）电池等，）电池等，占应用市场约占应用市场约19 %的份额，由于生产成本较低，预计到的份额，由于生产成本较低，预计到2015年市场占有率将超过年市场占有率将超过20 %； 第三代光伏电池主要包括聚光和有机光伏电池等。聚光光第三代光伏电池主要包括聚光和有机光伏电池等。聚光光伏组件最高转换效率达到伏组件最高转换效率达到40 %，但由于技术尚不成熟，聚，但由于技术尚不成熟，聚光光伏电池仅占市场份额的光光伏电池仅占市场份额的1 %（见（见6.3.9节）。节）。光子学与光电子学 原荣 邱琪 546.3.3

49、光伏电池工作原理光伏电池工作原理 光伏电池是通过光电效应直接把光能转光伏电池是通过光电效应直接把光能转化成电能的装置。化成电能的装置。 与普通光敏探测器一样，光伏电池也是与普通光敏探测器一样，光伏电池也是利用半导体材料的光电效应，但是光敏利用半导体材料的光电效应，但是光敏探测器要加反向偏压，探测器要加反向偏压，N端加正电压，端加正电压，P端加负电压，如图端加负电压，如图6.1.2所示，工作在光所示，工作在光导模式；而光电池不加偏压，工作在光导模式；而光电池不加偏压，工作在光伏模式。伏模式。光子学与光电子学 原荣 邱琪 55图图6.3.4 光伏电池有光照时吸收光子能量光伏电池有光照时吸收光子能量

50、hv后产生电子后产生电子-空穴空穴对，电子向对，电子向N区移动，空穴向区移动，空穴向P区移动区移动当太阳光照射在半导体当太阳光照射在半导体PN结上时，假如入射光子的能量超过结上时，假如入射光子的能量超过半导体材料的禁带能量（也叫带隙能量）半导体材料的禁带能量（也叫带隙能量）Eg，PN结每次吸收结每次吸收一个光子，就从价带（一个光子，就从价带（VB）上激发一个电子到导带（）上激发一个电子到导带（CB）上，）上，从而产生一个电子从而产生一个电子-空穴对，在空穴对，在P-N结内部电场的作用下，电结内部电场的作用下，电子由子由P区流向区流向N区，空穴由区，空穴由N区流向区流向P区，如图区，如图6.3.

51、4（b）和图）和图6.3.5（a）所示。）所示。光子学与光电子学 原荣 邱琪 56图图6.3.5 光伏电池的工作原理光伏电池的工作原理 在耗尽区产生的电子在耗尽区产生的电子-空穴对，立即被内部建立的电场空穴对，立即被内部建立的电场Eo分开，电子漂移到分开，电子漂移到N区，于是，区，于是，由于大量电子在由于大量电子在N区的堆积而变负；区的堆积而变负； 与此类似，空穴漂移到与此类似，空穴漂移到P区，使区，使P区变正。这样使区变正。这样使P区的电势高于区的电势高于N区的电势，在区的电势，在PN结外结外部产生的电场部产生的电场Uoc正好和内部电场正好和内部电场Eo的方向相反，相当于在的方向相反，相当于

52、在PN结上加了正向偏压，这一结上加了正向偏压，这一正向偏压就会引起正向偏压就会引起PN结的正向电流，这一电流的方向正好与漂移光生电流的方向相反。结的正向电流，这一电流的方向正好与漂移光生电流的方向相反。 如果外接一个负载电阻，则如果外接一个负载电阻，则N区的过剩电子就通过外部电路做功后，到达区的过剩电子就通过外部电路做功后，到达P区，与区，与P区的区的过剩空穴复合。过剩空穴复合。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 57（a）典型的典型的光伏电光伏电池池PN结结 光子学与光电子学 原荣 邱琪 58图图6.3.7 半导体半导体材料吸材料吸收系数收系数 与波与波长长 的的关系关系 任何一种材料制作的光伏

53、电池都有上截止波长任何一种材料制作的光伏电池都有上截止波长见式（见式（6.2.3）。但是，当入射光。但是，当入射光波长太短（频率太高）时，光电转换效率也会大大下降，这是因为材料对光的吸波长太短（频率太高）时，光电转换效率也会大大下降，这是因为材料对光的吸收系数是波长的函数，如图收系数是波长的函数，如图6.3.7所示。所示。 当入射波长很短时，材料对光的吸收系数变得很大，结果使大量的入射光子在光当入射波长很短时，材料对光的吸收系数变得很大，结果使大量的入射光子在光伏电池的表面层里被吸收。伏电池的表面层里被吸收。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 59图图6.3.6 在距离（体积）在距离（体积）Lh

54、+ W + Le内光生电子内光生电子的漂移产生光生电流的漂移产生光生电流Iph，图上方也表示出光生电图上方也表示出光生电子子-空穴对与距离的关系，空穴对与距离的关系， 是给定波长的吸收系数是给定波长的吸收系数 在扩散长度在扩散长度Lh内光生的空穴可以到达耗尽区，然后在内部电场的作用下漂移到内光生的空穴可以到达耗尽区，然后在内部电场的作用下漂移到P区。因此，贡献给光伏效应的光生电子区。因此，贡献给光伏效应的光生电子-空穴对的总距离（体积）是空穴对的总距离（体积）是Lh + W + Le。 如果使光伏器件的电极短路，如图如果使光伏器件的电极短路，如图6.3.6所示，所示，N侧的过剩电子可以通过外电

55、路侧的过剩电子可以通过外电路流到流到P侧，与侧，与P侧的过剩空穴中和。这种由于光生电子的流动产生的电流就叫侧的过剩空穴中和。这种由于光生电子的流动产生的电流就叫做光生电流。做光生电流。例题：6.3.2光子学与光电子学 原荣 邱琪 606.3.4 光伏电池光伏电池I-U特性特性I-U 特性很重要：特性很重要： 从特性曲线可以得到工作点，它是负载从特性曲线可以得到工作点，它是负载线与光伏电池特性曲线的交点；线与光伏电池特性曲线的交点； 从工作点，可以求得光伏电池的工作电从工作点，可以求得光伏电池的工作电流和工作电压；流和工作电压； 输送给负载的功率是工作电流输送给负载的功率是工作电流I和工作电和工

56、作电压压U坐标围起来的矩形面积。坐标围起来的矩形面积。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 61光伏电池的短路电流光伏电池的短路电流 短接时，电路中只有入射光产生的电流，如图短接时，电路中只有入射光产生的电流，如图6.3.8（b）所示，称该电流为光电流所示，称该电流为光电流Iph ，其大小取决于光生的电，其大小取决于光生的电子子-空穴对数量（见图空穴对数量（见图6.3.5）。光照越强，产生的光子）。光照越强，产生的光子数就越多，光电流数就越多，光电流Iph也就越大。假如光强是也就越大。假如光强是ILi，那么，那么短路电流是短路电流是(6.3.6) 式中，式中，K是与器件有关的常数，由式（是与器件有关

57、的常数，由式（6.3.6）可见，光）可见，光电流与光强成正比，而与电流与光强成正比，而与PN结电压结电压U无关。无关。LiphscKIII光子学与光电子学 原荣 邱琪 62图图6.3.8 入射光使光伏电池产生光生电流入射光使光伏电池产生光生电流（a）对正向电压和正向电流的定义）对正向电压和正向电流的定义（b）短路的光伏电池，短路电流）短路的光伏电池，短路电流Isc等于光生电流等于光生电流Iph （c）开路时（）开路时（d）接负载的光伏电池）接负载的光伏电池光子学与光电子学 原荣 邱琪 63图图6.3.9 光照时光光照时光伏电池伏电池I-U曲线曲线 通过光伏电池的总电流是通过光伏电池的总电流是光

58、伏电池典型的光伏电池典型的I-U特性曲线，如图特性曲线，如图6.3.9所示，它工作在第四象限，由所示，它工作在第四象限，由图可见，它对应一条正常二极管的暗电流图可见，它对应一条正常二极管的暗电流Id特性曲线和向下移动一定特性曲线和向下移动一定距离的两条光电流距离的两条光电流Iph特性曲线特性曲线，光电流曲线移动的距离则取决于光光电流曲线移动的距离则取决于光强（光生电流与输入光强成正比）。光伏电池开路输出电压强（光生电流与输入光强成正比）。光伏电池开路输出电压Uoc（I = 0）由由I-U曲线与电压轴交会点决定。曲线与电压轴交会点决定。 1expophdphTnkeUIIIIIB光子学与光电子学

59、 原荣 邱琪 64图图6.3.10 光伏电池的伏安特性光伏电池的伏安特性负载线是一条直线，斜率是负载线是一条直线，斜率是1/R ，负载线与光伏电池特性曲线的交点是，负载线与光伏电池特性曲线的交点是P点，代表了光伏电池电路的工作点，由点，代表了光伏电池电路的工作点，由P点可求得电路的工作电流点可求得电路的工作电流 Iop和工作电压和工作电压Uop。输送给负载的功率是。输送给负载的功率是它是图它是图6.3.10（b）中的两条虚线和电流）中的两条虚线和电流I、电压、电压U坐标围起来的矩形面积。坐标围起来的矩形面积。当当Iop = Im，Uop = Um时，矩形面积最大，送给负载的功率也最大，这时，矩

60、形面积最大，送给负载的功率也最大，这可以通过改变负载和照射强度来实现。可以通过改变负载和照射强度来实现。 opopoutUIP光子学与光电子学 原荣 邱琪 65填充因子填充因子FF（Fill Factor） 填充因子填充因子 衡量光伏电池优劣的指数衡量光伏电池优劣的指数 Isc最大可能的电流最大可能的电流 Uoc开路电压开路电压 最大可能的电压最大可能的电压 Isc Uoc 期望最大功率期望最大功率 ImUm 实际最大功率实际最大功率 FF应尽可能接近应尽可能接近1 通常该值只有通常该值只有7085 % 由器件材料和结构决定。由器件材料和结构决定。 ocscmmFFUIUI例题例题6.3.3-