第10章 光电探测器和太阳能电池

1、半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理本章内容本章内容 光电探测器光电探测器 太阳能电池太阳能电池1第第1010章章 光电探测器和太阳能电池光电探测器和太阳能电池半导体器件物理半导体器件物理第第1010章章 光电探测器和太阳能电池光电探测器和太阳能电池2n 光电探测器光电探测器：能够将光信号转换为电信号的半导体器件能够将光信号转换为电信号的半导体器件。n 光电探测器的工作过程包括三个步骤：光电探测器的工作过程包括三个步骤： 入射光产生载流子入射光产生载流子； 载流子输运及通过某种电流增益机制而倍增载流子输运及通过某种电流增益机制而倍增； 电流与外部电路作用，以提供输出信号电流

2、与外部电路作用，以提供输出信号。n 应用：应用：光隔离器中的红外传感器光隔离器中的红外传感器、光纤通信中的探测器等光纤通信中的探测器等。n 器件要求：在其工作波长处具有高灵敏度、高响应速度及低器件要求：在其工作波长处具有高灵敏度、高响应速度及低噪声；结构紧凑、偏置电压或电流低，可靠性高。噪声；结构紧凑、偏置电压或电流低，可靠性高。10.1 光电探测器光电探测器半导体器件物理半导体器件物理3光照条件下，电导率的增加主要是由载流子数的增加引起的。光照条件下，电导率的增加主要是由载流子数的增加引起的。本征光敏电阻的长截止波长可由本征光敏电阻的长截止波长可由c=1.24/Eg得到得到。非本征光敏电阻非

3、本征光敏电阻，带边与禁带内的能级之间会产生光激发。在，带边与禁带内的能级之间会产生光激发。在这种情况下，这种情况下，长截止波长则取决于禁带能级的深度长截止波长则取决于禁带能级的深度。本征光敏电阻本征光敏电阻，电导率为，电导率为 npqnp10.1.1 光敏电阻光敏电阻光敏电阻仅包含一光敏电阻仅包含一半导体平板半导体平板，其两，其两端具有端具有欧姆接触欧姆接触，如右图所示。入射，如右图所示。入射光照到光敏电阻表面时，会通过带至光照到光敏电阻表面时，会通过带至带跃迁（本征）或通过禁带能级的跃带跃迁（本征）或通过禁带能级的跃迁（非本征）产生电子迁（非本征）产生电子-空穴对，从而空穴对，从而导致电导率

4、增加。导致电导率增加。hWLD欧姆接触欧姆接触半导体hWLD欧姆接触欧姆接触半导体图8.30由一半导体平板与两端的接触所构成的光敏电阻的示意图第第1010章章 光电探测器和太阳能电池光电探测器和太阳能电池半导体器件物理半导体器件物理4n 光电二极管基本上是一个工作于光电二极管基本上是一个工作于反向偏压的反向偏压的p-n结结。n 当光信号入射至光电二极管的耗尽区时，耗尽区电场会使光当光信号入射至光电二极管的耗尽区时，耗尽区电场会使光生电子生电子-空穴对分离，同时产生流至外部电路的电流，即光电空穴对分离，同时产生流至外部电路的电流，即光电流流Ip。n 为了能在高频下工作，为了能在高频下工作，器件耗

5、尽区必须足够薄，以缩短渡越器件耗尽区必须足够薄，以缩短渡越时间时间；n 为了提高量子效率，器件耗尽层又必须足够厚，以使大部分为了提高量子效率，器件耗尽层又必须足够厚，以使大部分入射光能被吸收入射光能被吸收；n 因此，在因此，在响应速度与量子效率之间必须有所取舍响应速度与量子效率之间必须有所取舍。10.1.2 光电二极管光电二极管第第1010章章 光电探测器和太阳能电池光电探测器和太阳能电池半导体器件物理半导体器件物理5一、量子效率一、量子效率：每个入射光子所产生的电子每个入射光子所产生的电子-空穴对数目。空穴对数目。决定决定的重要因素之一是的重要因素之一是吸收系数吸收系数。因为。因为对波长有强

6、烈的依对波长有强烈的依赖关系，能产生可观光电流的波长范围是有限的。赖关系，能产生可观光电流的波长范围是有限的。 长截止波长长截止波长c是由带隙宽度决定的，当波长大于是由带隙宽度决定的，当波长大于c时，时，值太值太小以致无法产生明显的本征吸收。小以致无法产生明显的本征吸收。 短截止波长短截止波长，由于很短波长的，由于很短波长的值很大（约值很大（约105cm-1），绝大），绝大部分的辐射在很靠近表面的区域就被吸收，此处复合时间太部分的辐射在很靠近表面的区域就被吸收，此处复合时间太小，导致光生载流子在被小，导致光生载流子在被p-n结收集以前就被复合了。结收集以前就被复合了。第第1010章章 光电探测

7、器和太阳能电池光电探测器和太阳能电池半导体器件物理半导体器件物理6响应速度受到三个因素的限制：响应速度受到三个因素的限制：载流子的扩散，耗尽区内的漂移时间，耗尽区电容。载流子的扩散，耗尽区内的漂移时间，耗尽区电容。二、响应速度二、响应速度 产生于耗尽区外的载流子必须扩散至结，造成相当大的时间产生于耗尽区外的载流子必须扩散至结，造成相当大的时间延迟。为了将扩散效应降到最小，延迟。为了将扩散效应降到最小，结必须非常接近表面结必须非常接近表面。 耗尽区够宽的话，绝大部分的光线都会被吸收；然而，耗尽耗尽区够宽的话，绝大部分的光线都会被吸收；然而，耗尽区不能太宽，否则区不能太宽，否则渡越时间效应会限制频

8、率响应渡越时间效应会限制频率响应。 耗尽区也不能太薄，因为过大的电容耗尽区也不能太薄，因为过大的电容C会导致会导致RC时间常数过时间常数过大（其中，大（其中，R为负载电阻）。为负载电阻）。最优化的折中办法是选择一个宽度，使耗尽层渡越时间大约为最优化的折中办法是选择一个宽度，使耗尽层渡越时间大约为调制周期的一半调制周期的一半。第第1010章章 光电探测器和太阳能电池光电探测器和太阳能电池半导体器件物理半导体器件物理710.1.3 p-i-n光电二极管光电二极管 p-i-n光电二极管是最常用的光电光电二极管是最常用的光电探测器之一，其探测器之一，其耗尽层厚度（本耗尽层厚度（本征层）可设计以优化量子

9、效率及征层）可设计以优化量子效率及频率响应频率响应。 图图(a)为为p-i-n光电二极管的截面图，光电二极管的截面图，它有一它有一抗反射层抗反射层用以提高量子效用以提高量子效率。率。 图图(b)为反向偏压条件下的为反向偏压条件下的p-i-n二二极管的能带图。极管的能带图。 图图(c)为为p-i-n二极管的光吸收特性。二极管的光吸收特性。金属接触2SiO抗反射层i+n+pLRRV+-金属接触i+n+phvRqVCEVE电子扩散空穴扩散漂移空间(b) 反向偏压下的能带图e-ax1/aPWWp+Wx吸收(c) 载流子吸收特性曲线(a) p-i-n 光电二极管的截面图hvhvhv第第1010章章 光电

10、探测器和太阳能电池光电探测器和太阳能电池半导体器件物理半导体器件物理8p-n结太阳能电池结太阳能电池p-n结太阳能电池包含一个结太阳能电池包含一个形成形成于上表面的浅于上表面的浅p-n结结、一个、一个条状条状和指状的正面欧姆接触和指状的正面欧姆接触、一个、一个覆覆盖整个背面的背欧姆接触盖整个背面的背欧姆接触，以及，以及一层一层覆盖于正面的抗反射层覆盖于正面的抗反射层。 光照下，能量小于光照下，能量小于Eg的光子对的光子对电池输出并无贡献；电池输出并无贡献； 能量大于能量大于Eg的光子会对电池输的光子会对电池输出贡献能量出贡献能量Eg，而，而大于大于Eg的能的能量会以热的形式消耗掉量会以热的形式

11、消耗掉。10.2 太阳能电池太阳能电池第第1010章章 光电探测器和太阳能电池光电探测器和太阳能电池正面条指状接触1cm2cmnpmhv抗反射涂层0.5mmmSipcm1型W背接触p-n结p型 Si1cmp半导体器件物理半导体器件物理图图(a)为为p-n结太阳能电池在太阳照射下的能带图。结太阳能电池在太阳照射下的能带图。上述器件的上述器件的理想理想I-V特性特性为为LsIkTqVII1exp图图(b)为太阳能电池理想化的为太阳能电池理想化的等效电路等效电路。其中，一恒流源。其中，一恒流源与结并联。此与结并联。此电流源电流源IL是由是由太阳辐射产生的过剩载流子太阳辐射产生的过剩载流子的激发造成的，的激发造成的，Is是二极管是二极管饱和电流饱和电流，RL是负载电阻是负载电阻。CEVEgEhvocqVhvCEVEgEocqV(a) p-n结太阳能电池在太阳照射下的能带图hvLRLRILI 1)exp(s-kTqVILI 1)exp(s-kTqVI(b) 太阳能电池的理想化等效电路第第1010章章 光电