光电传感技术第四章-光生伏特器件.pdf

§4 光生伏特器件 光生伏特器件 光生伏特效应：是指暴露在光线下的半导体或半导 体与金属组合的部位间产生 电势差的现象（内光电效应）。 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， 并在结区形成由正负离子组 成的空间电荷区或耗尽区。 光生伏特器件 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 下分开，并分别向如图所示的方向运动，形成光生伏特电 压或光生电流的现象。 光生伏特器件 光电导效应：本征吸收或杂质吸收光改变电导率，多数载流 子导电，内光电效应。 光生伏特效应：光入射使PN 结产生电势差，少数载流子导 电，内光电效应。 光电导器件：微弱辐射的探测能力强、光谱响应范围宽。 光生伏特器件：暗电流小、噪声低、响应速度快、光电特性 的线性受温度的影响小。 光生伏特器件 具有光生伏特效应的半导体材料有很多，如硅（Si）、 锗（Ge）、硒（Se）、砷化镓（GaAs）等半导体材料。利 用这些材料能够制造出具有各种特点的光生伏特器件。 主要包括：光敏二极管、光敏三极管、光电池、半导体位置 敏感器件等。 硅光生伏特器件具有制造工艺简单、成本低等特点使它 成为目前应用最广泛的光生伏特器件。 硅光敏二极管是最简单、最具有代表性的光生伏特器件， 其中，PN 结硅光敏二极管为最基本的光生伏特器件。 1.硅光敏二极管 1)硅光敏二极管的工作原理-基本结构 光敏二极管（photo diode ）可分为以P型硅为衬底的2DU型 与以N 型硅为衬底的2CU型两种结构形式。 在高阻轻掺杂的P型硅片上通过扩散或注入的方式生成很 浅的N 型层。在N型层的上面氧化生成极薄的SiO 保护膜，保 2 护光敏面并增加器件对光的吸收。 1.硅光敏二极管 光敏二极管实物图1 光敏二极管实物图2 各种式样的光敏二极管 1.硅光敏二极管 1.硅光敏二极管 1)硅光敏二极管的工作原理-电流方程 在无辐射作用的情况下，PN 结硅光敏二极管的正、反 向特性与普通PN 结二极管的特性一样。其电流方程为  qU kT  I I D e −1    ID 为U 为负值（反向偏置时）且 |U| KT/q 时(室温下 kT/q≈0.26mV ，很容易满足这个 条件) 的电流，称为反向电流或暗 电流。 1.硅光敏二极管 当光辐射作用到光敏二极管上时， ηq −αd I Φ=− (1−e ) e, Φ λ ν h 光敏二极管的全电流方程为 I ΦI ηq −αd qU / kT =− (1−e ) e,λ + d (e −1) hν 式中η 为光电材料的光电转换效率