第10章 光電探測器及太陽能電池

1、半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件鄧洪海電子信息學院電子信息學院-電子工程系電子工程系半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件 光電探測器光電探測器太陽能電池太陽能電池半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件 光探測器是一種能夠?qū)⒐獾男盘栟D(zhuǎn)換為電的信號光的信號轉(zhuǎn)換為電的信號的半導(dǎo)體器件。光探測器的工作包括三個步驟：由入射光產(chǎn)生載流子；通過任何可行的電由入射光產(chǎn)生載流子；通過任何可行的電流增益機制，使載流子傳導(dǎo)及倍增；流增益機制，使載流子傳導(dǎo)及倍增；電流與外部電路相互作用，以提供電流與外部電路相互作用，以提供輸出信號。輸出信號。 光探測器廣泛應(yīng)用于包括光隔離器的紅外傳感器以及光纖通信的探測器。在這些應(yīng)用中，光探測器必須在所工作的波長中所工作的波長中

2、具有高靈敏度、高響應(yīng)速度及低噪聲。另外，光探測器必須輕薄短小、使用低電壓或低電流，并具有高可靠度。 1. 光敏電阻光敏電阻 光敏電阻包含一個簡單的半導(dǎo)體平板，而在平板兩端則具有歐姆接觸，如圖。當入當入射光照到光敏電阻表面時，會發(fā)生從能帶到射光照到光敏電阻表面時，會發(fā)生從能帶到能帶能帶(本征本征)或包含禁帶能級的躍遷或包含禁帶能級的躍遷(非本征非本征)，從而產(chǎn)生電子從而產(chǎn)生電子-空穴對，導(dǎo)致電導(dǎo)率增加?？昭▽?，導(dǎo)致電導(dǎo)率增加。 hWLD歐姆接觸歐姆接觸半導(dǎo)體hWLD歐姆接觸歐姆接觸半導(dǎo)體圖8.30由一半導(dǎo)體平板與兩端的接觸所構(gòu)成的光敏電阻的示意圖光電探測器光電探測器半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件()npq

3、np半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件2. 光電二極管光電二極管 光電二極管基本上是一個工作于反向偏壓工作于反向偏壓的p-n結(jié)或金屬-半導(dǎo)體接觸。由光產(chǎn)生的電子-空穴對在耗盡區(qū)內(nèi)建電場的作用下分離，因此有電流流至外部電路。 為了能在高頻下工作，耗盡區(qū)必須盡可能地變薄以減少渡越時間。另一方面，為了增加量子效率，耗盡層必須足夠厚，以使大部分入射光都被吸收，因此在響應(yīng)速度響應(yīng)速度與量子效率量子效率之間必須有所取舍。 半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件3. p-i-n光電二極管光電二極管半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件0102030405060708090100020004000600080001000012000F23ILBICmax/e

4、 LBIC signal (nA)Position (m) 296K 123K半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件4. 金屬金屬半導(dǎo)體光電二極管半導(dǎo)體光電二極管半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件太陽能電池太陽能電池半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件圖(a)和(b)分別為太陽輻射下的p-n結(jié)能帶圖及其等效電路。根據(jù)上述模型，其I-V特性可表示為LsIkTqVII1exp其中有一恒定電流源與結(jié)并聯(lián)。此電流源IL是由于太陽輻射產(chǎn)生的多余 載流子的激發(fā)所造成的，IS是二極管飽和電流，而R是負載電阻。 半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件 下圖是太陽能電池的I-V特性曲線。選擇適當?shù)呢撦d，可以得到接近80的ISCVOC乘積。其中ISC是短路電流，等于IL，而VOC是電池的開路電壓；圖中的陰影面積就是最大功率。圖中也分別定義了在最大輸出功率Pm(=ImVm)時的電流Im與電壓Vm。 因此，固定一IL