第2章---結(jié)型光電探測(cè)器.ppt

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1、第2章結(jié)型光電探測(cè)器2.1光生伏特效應(yīng)勢(shì)壘型光電探測(cè)器是對(duì)光照敏感的“結(jié)”構(gòu)成的，故也稱(chēng)結(jié)型光電探測(cè)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(shì)壘，當(dāng)外界光照射時(shí)，激發(fā)光生載流子，注入到勢(shì)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(cè)器叫做勢(shì)壘型光電探測(cè)器.根據(jù)所用結(jié)的種類(lèi)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(chǎng)效應(yīng)管等。勢(shì)壘型光電探測(cè)器與光電導(dǎo)探測(cè)器相比較，主要區(qū)別:(1)產(chǎn)生光電變換的部位不同。

2、(2)光電導(dǎo)型探測(cè)器沒(méi)有極性，工作時(shí)必須有外加電壓，而結(jié)型探測(cè)器有確定的正負(fù)極，不需要外加電壓也可把光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)。(3)光電導(dǎo)探測(cè)器為均質(zhì)型探測(cè)器，均質(zhì)型探測(cè)器的載流子馳豫時(shí)間比較長(zhǎng)，響應(yīng)速度慢、頻率響應(yīng)特性差。而結(jié)型探測(cè)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(guò)較大的電流。勢(shì)壘型光電探測(cè)器的應(yīng)用非常廣泛，廣泛應(yīng)用于光度測(cè)量、光開(kāi)關(guān)報(bào)警系統(tǒng)、光電檢測(cè)、圖象獲取、光通訊、自動(dòng)控制等方面。2.1.1PN結(jié)當(dāng)P型與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

3、層，結(jié)區(qū)兩邊形成內(nèi)建電場(chǎng)。接觸電勢(shì)差UD取決于P型和N型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)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^(guò)PN結(jié)電流的正方向，即由P區(qū)通過(guò)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(chēng)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(guò)PN結(jié)的電流為：Ij=I1-I0=I0(eeU/kT-1)U為正，即P區(qū)電壓高于N區(qū)，即常說(shuō)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

4、圖2-3。U為負(fù)，即N區(qū)電壓高于P區(qū)，即通常所說(shuō)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(wú)光照的I-U曲線。2.1.2PN結(jié)光生伏特效應(yīng)外接電路開(kāi)路時(shí)，光生載流子積累在PN結(jié)兩側(cè)，光生電壓最大，即光生電勢(shì)Uoc，等于費(fèi)米能級(jí)分開(kāi)的距離，稱(chēng)Uoc為開(kāi)路電壓。外接電路短路時(shí)，流過(guò)電路的電流為短路時(shí)的光生電流，稱(chēng)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(gè)反向電勢(shì)，所以產(chǎn)生了光生伏特效

5、應(yīng)的光電二極管的電流電壓特性發(fā)生了移動(dòng)。當(dāng)I=0時(shí)，U=Uoc，即光生電勢(shì)。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(dòng)，光生電勢(shì)和電流增加。2.2光電池光電池是直接把光變成電的光電器件，由于它是利用各種勢(shì)壘的光生伏特效應(yīng)制成的，故稱(chēng)為光生伏特電池，簡(jiǎn)稱(chēng)光電池。按用途分：太陽(yáng)能光電池、測(cè)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(zhǎng)、光譜響應(yīng)范圍寬、頻率特性好、能耐高溫。

6、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(cè)量、光學(xué)計(jì)量和測(cè)試、激光參數(shù)測(cè)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—半導(dǎo)體接觸型，硒光電池即屬此類(lèi)。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(duì)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(hào)

7、、連接電路測(cè)量用的光電池太陽(yáng)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光照引起電壓和勢(shì)壘的變化開(kāi)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(xiě)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(gè)復(fù)雜的關(guān)系式。為了計(jì)算使用簡(jiǎn)單，光生電流IP與入射單色輻射的功率P可簡(jiǎn)寫(xiě)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(dòng)勢(shì)，光電流與照度的關(guān)系。硅光電池硒化電池當(dāng)RL=0時(shí)，外電路短路，電流全部流過(guò)外電路I

8、p=Isc，光電流隨著光照而變化，故I與光照E成正比。一定負(fù)載下，隨著E增加，I出現(xiàn)非線性，負(fù)載越大，線性范圍愈小，非線性愈嚴(yán)重。因此，