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第六章 半导体结型光电器件 光电子技术教研室 光生伏特效应是指：当两种半导体材料或金属/半导体相接触形成势垒，当外界光照射时，激发光生载流子，注入到势垒附近形成光生电压的现象。 利用光生伏特效应制成的光电探测器叫做势垒型光电探测器。势垒型光电探测器是对光照敏感的“结”构成的，故也称结型光电探测器。 根据所用结的种类的不同，可分为PN结型、PIN结型、异质结型和肖特基势垒型等。最常用的器件有光电池、光电二极管、PIN管、雪崩光电二极管、光电三极管和光电场效应管等。 结型光电探测器与光电导探测器相比较，主要区别在于： 1、产生光电变换的部位不同。 2、光电导型探测器没有极性，工作时必须有外加电压，而结型探测器有确定的正负极，不需要外加电压也可把光信号变为电信号。 3、均质型探测器的载流子驰豫时间比较长，响应速度慢、频率响应特性差。而结型探测器响应速度快、频率响应特性好。 4、雪崩式光电二极管和光电三极管还有很大的内增益作用，不仅灵敏度高，还可以通过较大的电流。 6-1 结型光电器件原理 1、PN结光生伏特效应 离PN结较近的由光产生的少数载流子，N区中的空穴，P区中的电子，受到内建电场的分离，电子移向N区，空穴移向P区，PN结区的光生电子-空穴对被PN结势垒区较强的内建电场分离，空穴被移向P区，电子被移向N区。 结果在N区将积累电子，P区将积累空穴，产生了一个与内建电场方向相反的光生电场，于是在P区和N区之间造成光生电势差；如果光照保持不变，积累过程达到动态平衡状态，从而给出一个与光照度相应的稳定的电势差，称为光生电动势，光强越强，光生电动势也就越大。 2、工作模式 结型光电器件在有光照条件下，从理论上说，可使用于正偏置、零偏置和反偏置。但理论和实践证明，当使用于正偏置时，呈现单向导电性(和普通二极管一样)，没有光电效应产生，只有在反偏置或零偏置时，才产生明显的光电效应。 如果工作在零偏置的开路状态，pn结型光电器件产生光生伏持效应，这种工作原理称为光伏工作模式。 如果工作在反偏置状态，无光照时电阻很大，电流很小；有光照时，电阻变小，就变大，而且流过它的光电流随照度变化而变化。 从外表上看，与光敏电阻一样，同样也具有光电导工作模式，但它们的工作机理不同，所以在特性上有较大差别。因此，结型光电器件用作探测器时，可选用两种工作模式中的一种，即工作在反偏置的光电导下作模式或零偏置的光作模式。 3、光照下pn结电流 有光照时，pn结外电路接上负载电阻RL，此时在pn结内出现两种方向相反的电流： 一种是光激发产生的电子－空穴对，在内建电场作用下，形成的光生电流Ip，它与光照有关，其方向与pn结反向饱和电流I0相同； 另一种是光生电流Ip 流过负载电阻RL产生电压降，相当于在pn结施加正向偏置电压，从而产生正向电流入，总电流是两者之差。 6-2 光电池 光电池是直接把光变成电的光电器件，由于它是利用各种势垒的光生伏特效应制成的，故称为光生伏特电池，简称光电池。光电池是一种不需加偏压的能把光能直接转换成电能的pn结光电器件. 按用途分：太阳能光电池、测量光电池 按材料分：硅光电池、锗光电池、硒光电池、硫化镉光电池、砷化镓光电池 其中最受重视的是硅光电池、硒光电池。 太阳能光电池和测量光电池。 太阳能光电池主要用作电源，对它的要求是转换效率高、成本低，由于它具有结构简单、体积小、重量轻、可靠性高、寿命长、在空间能直接利用太阳能转换成电能的特点，因而不仅成为航天工业上的重要电源，还被广泛地应用于供电因难的场所和人们的日常生活中。 测量光电池的主要功能是作为光电探测用，即在不加偏置的情况下将光信号转换成电信号，对它的要求是线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性好、寿命长，被广泛地应用在光度、色度、光学精密计量和测试中。 太阳能光电池主要用作电源，对它的要求是转换效率高、成本低。 硅材料研究得最充分，硅光电池具有一系列的优点，如性能稳定、寿命长、光谱响应范围宽，频率特性好，能耐高温。 硒光电池其光谱响应曲线与人眼的光视效率曲线相似，且价格比硅光池便宜。很适合作光度测量的探测器，但由于稳定性很差。目前已被硅光电池所代替，砷化钵光电池 砷化镓光电池具有量子效率高、噪声小、光谱响应在紫外区和可见光区等优点，适用于光度仪器。 锗光电池由于长波响应宽，适合作近红外探测器。 硅光电池属PN结型，按基底材料可分为2DR型和2CR型。 2DR型是以P型硅为基底，在基底