3.0+光生伏特效应

1、第3章 光生伏特器件 3.0 光生伏特效应 3.1 硅光电二极管 3.2 其他类型的光生伏特器件 3.3 光生伏特器件的偏置电路 3.4 半导体光电器件的特性参数与选择13.0 光生伏特效应 3.0.1 光生伏特效应 3.0.2 其它内光电效应 23.0.1 光生伏特效应 一、光生伏特电压现象 二、短路电流 三、开路电压 四、光生电流3一、光生伏特电压现象：1、光生伏特电压现象 光生伏特效应是基于半导体PN结基础上的一种将光能转换成电能的效应。 当入射辐射作用在半导体PN结上产生本征吸收时，价带中的光生空穴与导带中的光生电子在PN结内建电场的作用下作漂移运动，如图1-11所示。 电子和空穴分别

2、向相反的方向运动。电子被内建场拉到N区，空穴被拉到P区 。 结果：P区带正电，N区带负电，形成光生伏特电压现象。 42、半导体PN结的能带结构 如图1-12所示。 当P型与N型半导体形成PN结时，P区和N区的多数载流子要进行相对的扩散运动，以便平衡它们的费米能级差，扩散运动平衡时，它们具有如图所示的同一费米能级EF，并在结区形成由正负离子组成的空间电荷区或耗尽区。53、流过负载电阻的电流： 当设定内建电场的方向（ N 区指向P区）为电压与电流的正方向时，将PN结两端接入适当的负载电阻RL，若入射辐射通量为e,的辐射作用于PN结上，则有电流I 流过负载电阻，并在负载电阻RL的两端产生压降U，流过

3、负载电阻的电流应为 （1-89） 式中，为光生电流;ID为暗电流。（1-68）式6 从（1-89）式也可以获得光生电流I 的另一种定义，当PN结被短路，即U=0时，输出电流ISC 即短路电流，有 （1-90） 二、短路电流可见，短路电流的大小与入射辐射的大小成正比。如下图示。7短路电流曲线、开路电压曲线如图示 图 短路电流曲线、开路电压曲线8三、开路电压 当PN结开路，即I=0 时，由电流方程得（1-91） PN结两端的开路电压UOC为如上图示9I=I+ID （1-92） 光电二极管的暗电流ID一般要远远小于光电流I，因此，常将其忽略。（1-93）得输出的电流为四、光生电流 光电二极管在反向偏

4、置的情况下，负电压U的绝对值kt/q （室温下kt/q26 mv），有代入光电二极管的电流与入射辐射成线性关系 103.0.2 其它内光电效应 一、丹培（Dember）效应 二、光磁电效应 三、光子牵引效应11丹培（Dember）效应 1、丹培（Dember）效应原理 如图1-13所示当半导体材料的一部分被遮蔽，另一部分被光均匀照射时，在曝光区产生本征吸收的情况下，将产生高密度的电子与空穴载流子， 在遮蔽区的载流子浓度很低，形成浓度差。形成载流子扩散运动。 3.0.2 其它内光电效应12 电子从受照区向遮光区快速运动，使遮蔽区积累大量电子；空穴扩散速度慢，使得受照区积累了空穴，这样，形成了光生

5、伏特现象。的载流子浓度很低，形成浓度差。 这种由于载流子迁移率的差别产生受照面与遮光面之间的伏特现象称为丹培效应。 13丹培效应产生的光生电压可由下式计算 式中，n0与p0为热平衡载流子的浓度；n0为半导体表面处的光生载流子浓度；n与p分别为电子与空穴的迁移率。n=1400cm2/(Vs)，而p=500 cm2/(Vs)，显然，np。 14 对半导体材料，若吸收系数远大于1/d,则半导体材料的背光面相当于被遮面，迎光面产生光电效应。由于载流子浓度差而形成双极性扩散运动。结果，使半导体的迎光面带正电，背光面带负电，产生光生伏特电压。 这种由于双极性载流子扩散运动速率不同而产生的光生伏特现象也称为

6、丹培效应。 2、半导体材料丹培效应15二、 光磁电效应 1、光磁电效应原理 如下图所示，外加磁场与入射光方向垂直。16 在半导体上外加磁场，磁场的方向与光照方向垂直，当半导体受光照射产生丹培效应时，由于电子和空穴在磁场中的运动必然受到洛伦兹力的作用，使它们的运动轨迹发生偏转，空穴向半导体的上方偏转，电子偏向下方。 结果在垂直于光照方向与磁场方向的半导体上下表面上产生伏特电压，称为光磁电场。这种现象称为半导体的光磁电效应。 172、光磁电场 光磁电场为 （1-95） 式中，p0，pd分别为x=0，x=d处n型半导体在光辐射作用下激发出的少数载流子（空穴）的浓度；D为双极性载流子的扩散系数，在数值上等于 （1-96） 其中，Dn与Dp分别为电子与空穴的扩散系数。 18三、光子牵引效应 当光子与半导体中的自由载流子作用时，光子把动量传递给自由载流子，