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《第2章___結(jié)型光電探測器》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫。
1、第2章結(jié)型光電探測器2.1光生伏特效應(yīng)勢壘型光電探測器是對光照敏感的“結(jié)”構(gòu)成的，故也稱結(jié)型光電探測器。光生伏特效應(yīng)：兩種半導(dǎo)體材料或金屬/半導(dǎo)體相接觸形成勢壘，當(dāng)外界光照射時(shí)，激發(fā)光生載流子，注入到勢壘附近形成光生電壓的現(xiàn)象。光生伏特效應(yīng)屬于內(nèi)光電效應(yīng)。利用光生伏特效應(yīng)制成的光電探測器叫做勢壘型光電探測器.根據(jù)所用結(jié)的種類的不同，可分為PN結(jié)型、PIN結(jié)型、異質(zhì)結(jié)型和肖特基結(jié)型等。最常用的器件有光電池、光電二極管、PIN管、雪崩光電二極管、光電三極管和光電場效應(yīng)管等。勢壘型光電探測器與光電導(dǎo)探測器相比較，主要區(qū)
2、別:(1)產(chǎn)生光電變換的部位不同。(2)光電導(dǎo)型探測器沒有極性，工作時(shí)必須有外加電壓，而結(jié)型探測器有確定的正負(fù)極，不需要外加電壓也可把光信號變?yōu)殡娦盘枴?3)光電導(dǎo)探測器為均質(zhì)型探測器，均質(zhì)型探測器的載流子馳豫時(shí)間比較長，響應(yīng)速度慢、頻率響應(yīng)特性差。而結(jié)型探測器響應(yīng)速度快、頻率響應(yīng)特性好。另外，雪崩式光電二極管和光電三極管還有很大的內(nèi)增益作用，不僅靈敏度高，還可以通過較大的電流。勢壘型光電探測器的應(yīng)用非常廣泛，廣泛應(yīng)用于光度測量、光開關(guān)報(bào)警系統(tǒng)、光電檢測、圖象獲取、光通訊、自動控制等方面。2.1.1PN結(jié)當(dāng)P型與
3、N型半導(dǎo)體相接觸，電子和空穴相互擴(kuò)散在接觸區(qū)附近形成空間電荷區(qū)和耗盡層，結(jié)區(qū)兩邊形成內(nèi)建電場。接觸電勢差UD取決于P型和N型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級EFp、EFn之差：加正向電壓的結(jié)構(gòu)與能帶加反向電壓的結(jié)構(gòu)與能帶PN結(jié)的單向?qū)щ娦栽O(shè)擴(kuò)散電流I1，一般都規(guī)定PN結(jié)中的擴(kuò)散電流方向?yàn)榱鬟^PN結(jié)電流的正方向，即由P區(qū)通過PN結(jié)指向N區(qū)，如圖2-3。反向飽和漂移電流I0，與擴(kuò)散電流方向相反，也稱反向電流。I1=I0eeU/kT其中，k為波爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。PN結(jié)加上外加電壓，流過PN結(jié)的電流為：Ij=I1-I0=I0(
4、eeU/kT-1)U為正，即P區(qū)電壓高于N區(qū)，即常說的正向電壓，此時(shí)電流由P區(qū)流到N區(qū)，電流為正值，如圖2-3。U為負(fù)，即N區(qū)電壓高于P區(qū)，即通常所說的負(fù)向電壓，電流由N區(qū)流到P區(qū)，電流為負(fù)值，如圖2-4。PN結(jié)的電流電壓特性如圖2-5中的無光照的I-U曲線。不同光照下的伏安特性曲線一般硅光電池工作在第四象限。若硅光電池工作在反偏置狀態(tài)，則伏安特性將延伸到第三象限普通二極管工作在第一象限；光電二極管工作在第三象限，否則沒有光電效應(yīng)。2.1.2PN結(jié)光生伏特效應(yīng)外接電路開路時(shí)，光生載流子積累在PN結(jié)兩側(cè)，光生電壓最
5、大，即光生電勢Uoc，等于費(fèi)米能級分開的距離，稱Uoc為開路電壓。外接電路短路時(shí)，流過電路的電流為短路時(shí)的光生電流，稱Isc為短路電流，短路電流在PN結(jié)中N→P（電流方向），在外回路中由P→N。PN結(jié)在有光照的電流電壓曲線，與普通的二極管的電流電壓特性相區(qū)別:相當(dāng)于在回路中加了一個反向電勢，所以產(chǎn)生了光生伏特效應(yīng)的光電二極管的電流電壓特性發(fā)生了移動。當(dāng)I=0時(shí)，U=Uoc，即光生電勢。當(dāng)U=0時(shí)，I=Isc，即光生電流。比較圖2-5的曲線Ⅰ和Ⅱ，隨著光照的增強(qiáng)，曲線向下移動，光生電勢和電流增加。2.2光電池光電池
6、是直接把光變成電的光電器件，由于它是利用各種勢壘的光生伏特效應(yīng)制成的，故稱為光生伏特電池，簡稱光電池。按用途分：太陽能光電池、測量光電池。按材料分：硅光電池、鍺光電池、硒光電池、硫化鎘光電池、砷化鎵光電池。其中最受重視的是硅光電池、硒光電池。硅材料研究得最充分，硅光電池具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，如性能穩(wěn)定、壽命長、光譜響應(yīng)范圍寬、頻率特性好、能耐高溫。硒光電池的光譜響應(yīng)曲線與人眼的光視效率曲線相似。應(yīng)用：應(yīng)用于光能轉(zhuǎn)換、光度學(xué)、輻射測量、光學(xué)計(jì)量和測試、激光參數(shù)測量等方面。2.2.1光電池的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)有兩種：一種是金屬—半
7、導(dǎo)體接觸型，硒光電池即屬此類。另一種是PN結(jié)型，硅光電池屬PN結(jié)型。硅光電池的結(jié)構(gòu)形式有多種，按基底材料可分為2DR型和2CR型。PN結(jié)光電池的結(jié)構(gòu)圖受光表面上涂保護(hù)膜，減小反射損失，增加對入射光的吸收，同時(shí)又可以防潮，防腐蝕如鍍SiO2，MgF2。上電極一般多做成柵指狀，其目的是便于透光和減小串聯(lián)電阻。除典型結(jié)構(gòu)型式的硅光電池以外，按不同用途，還有些特殊的結(jié)構(gòu)型式光電池的符號、連接電路測量用的光電池太陽能光電池2.2.2光電池的電流與電壓PN結(jié)中有三種電流：擴(kuò)散電流I1、漂移電流I0、光生電流Ip光照引起電壓和
8、勢壘的變化開路電壓Uoc：短路電流Isc：外電路的電流I：結(jié)電流=擴(kuò)散電流-漂移電流IP與單色輻射的光功率P可寫成：Ip=RλPRλ——光譜靈敏度。光譜靈敏度與光的入射方式有關(guān)，是一個復(fù)雜的關(guān)系式。為了計(jì)算使用簡單，光生電流IP與入射單色輻射的功率P可簡寫為如下的關(guān)系：2.2.3光電池的主要特性1．光照特性是指光電池的光生電動勢，光電流與照度的關(guān)系。硅光電池硒化電池當(dāng)RL
