文本教程第三章

1、第3章 光生伏特器件 3.1 硅光電二極管 具有光生伏特效應(yīng)的半導(dǎo)體材料有很多，例如硅（Si）、鍺（Ge）、硒（Se）、砷化鎵（GaAs）等半導(dǎo)體材料。利用這些材料能夠制造出具有各種特點(diǎn)的光生伏特器件，其中硅光生伏特器件具有制造工藝簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)使它成為目前應(yīng)用最廣泛的光生伏特器件。 硅光電二極管是最簡(jiǎn)單、最具有代表性的光生伏特器件，其中，PN結(jié)硅光電二極管為最基本的光生伏特器件。 3.1.1 硅光電二極管的工作原理 1、光電二極管的基本結(jié)構(gòu) 光電二極管可分為以P型硅為襯底的2DU型與以N型硅為襯底的2CU型兩種結(jié)構(gòu)形式。如圖3-1（a）所示的為2DU型光電二極管的原理結(jié)構(gòu)圖。 圖3-1（

2、b）為光電二極管的工作原理圖 圖3-1（c）所示為光電二極管的電路符號(hào)，其中的小箭頭表示正向電流的方向（普通整流二極管中規(guī)定的正方向），光電流的方向與之相反。圖中的前極為光照面，后極為背光面。 2、光電二極管的電流方程 在無輻射作用的情況下（暗室中），PN結(jié)硅光電二極管的正、反向特性與普通PN結(jié)二極管的特性一樣，如圖3-2所示。其電流方程為 （3-1）ID為U為負(fù)值（反向偏置時(shí)）且 時(shí)(室溫下kT/q0.26mV，很容易滿足這個(gè)條件)的電流，稱為反向電流或暗電流。 當(dāng)光輻射作用到如圖3-1（b）所示的光電二極管上時(shí)， 光電二極管的全電流方程為 式中為光電材料的光電轉(zhuǎn)換效率，為材料對(duì)光的吸收系數(shù)

3、。 （3-2）3.1.2 光電二極管的基本特性 由式（3-2）光電二極管的全電流方程可以得到如圖3-3所示的光電二極管在不同偏置電壓下的輸出特性曲線，這些曲線反應(yīng)了光電二極管的基本特性。 普通二極管工作在正向電壓大于0.7V的情況下，而光電二極管則必須工作在這個(gè)電壓以下，否則，不會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)。 光電二極管的工作區(qū)域應(yīng)在圖3-3所示的第3象限與第4象限，很不方便。 在光電技術(shù)中常采用重新定義電流與電壓正方向的方法把特性曲線旋轉(zhuǎn)成如圖3-4所示。重新定義的電流與電壓的正方向均以PN結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的方向相同的方向?yàn)檎颉?1.光電二極管的靈敏度 定義光電二極管的電流靈敏度為入射到光敏面上輻射量的變化（

4、例如通量變化d）引起電流變化dI與輻射量變化之比。 （3-3） 顯然，當(dāng)某波長(zhǎng)的輻射作用于光電二極管時(shí)，其電流靈敏度為與材料有關(guān)的常數(shù)，表征光電二極管的光電轉(zhuǎn)換特性的線性關(guān)系。必須指出，電流靈敏度與入射輻射波長(zhǎng)的關(guān)系是復(fù)雜的，定義光電二極管的電流靈敏度時(shí)通常定義其峰值響應(yīng)波長(zhǎng)的電流靈敏度為光電二極管的電流靈敏度。在式（3-3）中，表面上看它與波長(zhǎng)成正比，但是，材料的吸收系數(shù)還隱含著與入射輻射波長(zhǎng)的關(guān)系。因此，常把光電二極管的電流靈敏度與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線稱為光譜響應(yīng)。 3. 光譜響應(yīng) 光電二極管的光譜響應(yīng)定義為以等功率的不同單色輻射波長(zhǎng)的光作用于光電二極管時(shí)，其響應(yīng)程度或電流靈敏度與波長(zhǎng)的關(guān)系稱為

5、其光譜響應(yīng)。 圖3-5為幾種典型材料的光電二極管光譜響應(yīng)曲線。 典型硅光電二極管光譜響應(yīng)長(zhǎng)波限為1.1m左右，短波限接近0.4m，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為0.9m左右。 4. 時(shí)間響應(yīng) 以f頻率調(diào)制的輻射作用于PN結(jié)硅光電二極管光敏面時(shí)，PN結(jié)硅光電二極管的電流產(chǎn)生要經(jīng)過下面3個(gè)過程： 1) 在PN結(jié)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光生載流子渡越結(jié)區(qū)的時(shí)間，稱為漂移時(shí)間記為； 2) 在PN結(jié)區(qū)外產(chǎn)生的光生載流子擴(kuò)散到PN結(jié)區(qū)內(nèi)所需要的時(shí)間，稱為擴(kuò)散時(shí)間記為p； 3) 由PN結(jié)電容Cj和管芯電阻Ri及負(fù)載電阻RL構(gòu)成的RC延遲時(shí)間。 設(shè)載流子在結(jié)區(qū)內(nèi)的漂移速度為vd，PN結(jié)區(qū)的寬度為W，載流子在結(jié)區(qū)內(nèi)的最長(zhǎng)漂移時(shí)間為 （3-4

6、） 一般的PN結(jié)硅光電二極管，內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度Ei都在105V/cm以上，載流子的平均漂移速度要高于107cm/s，PN結(jié)區(qū)的寬度常在100m左右，由式（3-4）可知漂移時(shí)間，為ns數(shù)量級(jí)。 對(duì)于PN結(jié)硅光電二極管，入射輻射在PN結(jié)勢(shì)壘區(qū)以外激發(fā)的光生載流子必須經(jīng)過擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)到勢(shì)壘區(qū)內(nèi)才能在內(nèi)建電場(chǎng)作用，并分別拉向P區(qū)與N區(qū)。載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)往往很慢，因此，擴(kuò)散時(shí)間p很長(zhǎng)，約為100ns，它是限制PN結(jié)硅光電二極管時(shí)間響應(yīng)的主要因素。 另一個(gè)因素是PN結(jié)電容Cj和管芯電阻Ri及負(fù)載電阻RL構(gòu)成的時(shí)間常數(shù)RC，RC為 （3-5） 普通PN結(jié)硅光電二極管的管芯內(nèi)阻Ri約為250，PN結(jié)電容Cj常為幾個(gè)Pf

7、，在負(fù)載電阻RL低于500時(shí)，時(shí)間常數(shù)也在ns數(shù)量級(jí)。但是，當(dāng)負(fù)載電阻RL很大時(shí)，時(shí)間常數(shù)將成為影響硅光電二極管時(shí)間響應(yīng)的一個(gè)重要因素，應(yīng)用時(shí)必須注意。 由以上分析可見，影響PN結(jié)硅光電二極管時(shí)間響應(yīng)的主要因素是PN結(jié)區(qū)外載流子的擴(kuò)散時(shí)間p，如何擴(kuò)展PN結(jié)區(qū)是提高硅光電二極管時(shí)間響應(yīng)重要措施。增高反向偏置電壓會(huì)提高內(nèi)建電場(chǎng)的強(qiáng)度，擴(kuò)展PN結(jié)的耗盡區(qū)，但是反向偏置電壓的提高也會(huì)加大結(jié)電容，使RC時(shí)間常數(shù)RC增大。因此，必須從PN結(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面考慮如何在不使偏壓增大的情況下使耗盡區(qū)擴(kuò)展到整個(gè)PN結(jié)器件，才能消除擴(kuò)散時(shí)間。 4. 噪聲 光電二極管的噪聲包含低頻噪聲Inf、散粒噪聲Ins和熱噪聲In

8、T等3種噪聲。其中，散粒噪聲是光電二極管的主要噪聲，低頻噪聲和熱噪聲為其次要因素。 散粒噪聲是由于電流在半導(dǎo)體內(nèi)的散粒效應(yīng)引起的，它與電流的關(guān)系 (3-6) 光電二極管的電流應(yīng)包括暗電流Id、信號(hào)電流Is和背景輻射引起的背景光電流Ib，因此散粒噪聲應(yīng)為 (3-7) 根據(jù)電流方程，并考慮反向偏置情況，光電二極管電流與入射輻射的關(guān)系 ，得到(3-8)再考慮負(fù)載電阻RL的熱噪聲 (3-9) 目前，用來制造PN結(jié)型光電二極管的半導(dǎo)體材料主要有硅、鍺、硒和砷化鎵等，用不同材料制造的光電二極管具有不同的特性。 3.2 其他類型的光生伏特器件 3.2.1 PIN型光電二極管 為了提高PN結(jié)硅光電二極管的時(shí)間

9、響應(yīng)，消除在PN結(jié)外光生載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)時(shí)間，常采用在P區(qū)與N區(qū)之間生成I型層，構(gòu)成如圖3-6（a）所示的PIN結(jié)構(gòu)光電二極管，PIN結(jié)構(gòu)的光電二極管與PN結(jié)型的光電二極管在外形上沒有什么區(qū)別，都如圖3-6（b）所示。 PIN光電二極管在反向電壓作用下，耗盡區(qū)擴(kuò)展到整個(gè)半導(dǎo)體，光生載流子只產(chǎn)生漂移電流，因此， 它的時(shí)間響應(yīng)只取決于 與 ，在10-9s左右。 drRC3.2.2 雪崩光電二極管 PIN光電二極管提高了PN結(jié)光電二極管的時(shí)間響應(yīng)，但未能提高器件的光電靈敏度，為了提高光電二極管的靈敏度，人們?cè)O(shè)計(jì)了雪崩光電二極管，使光電二極管的光電靈敏度提高到需要的程度。 1.結(jié)構(gòu) 圖3-7（a）所示

10、為在P型硅基片上擴(kuò)散雜質(zhì)濃度大的N+層，制成P型N結(jié)構(gòu)； 圖3-7（b）所示為在N型硅基片上擴(kuò)散雜質(zhì)濃度大的P+層，制成N型P結(jié)構(gòu)的雪崩光電二極管； 圖3-7（c）所示為PIN型雪崩光電二極管。 由于PIN型光電二極管在較高的反向偏置電壓的作用下耗盡區(qū)擴(kuò)展到整個(gè)PN結(jié)結(jié)區(qū)，形成自身保護(hù)（具有很強(qiáng)的抗擊穿功能），因此，雪崩光電二極管不必設(shè)置保護(hù)環(huán)。 市場(chǎng)上的型雪崩光電二極管基本上都是PIN型雪崩光電二極管。 APD芯片結(jié)構(gòu)常用APD封裝結(jié)構(gòu)2.工作原理 雪崩光電二極管為具有內(nèi)增益的一種光生伏特器件。它利用光生載流子在強(qiáng)電場(chǎng)內(nèi)的定向運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)獲得光電流的增益。 電離產(chǎn)生的載流子數(shù)遠(yuǎn)大于光

11、激發(fā)產(chǎn)生的光生載流子數(shù)，這時(shí)雪崩光電二極管的輸出電流迅速增加，其電流倍增系數(shù)M定義為 （3-10） 式中，I為倍增輸出的電流，I0為倍增前輸出的電流。 APD載流子雪崩式倍增示意圖(只畫出電子） 雪崩倍增系數(shù)M與碰撞電離率有密切的關(guān)系。碰撞電離率表示一個(gè)載流子在電場(chǎng)作用下，漂移單位距離所產(chǎn)生的電子空穴對(duì)數(shù)目。實(shí)際上電子電離率和空穴電離率 是不完全一樣的，它們都與電場(chǎng)強(qiáng)度有密切關(guān)系。由實(shí)驗(yàn)確定，電離率與電場(chǎng)強(qiáng)度E可以近似的寫成以下關(guān)系 np（3-10） 式中,A、b、m都為與材料有關(guān)系數(shù)。 假定=時(shí)，可以推導(dǎo)出倍增系數(shù)與電離率的關(guān)系為 np（3-11） XD為耗盡層的寬度。上式表明，當(dāng) （3-1

12、2） 在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，當(dāng)通過耗盡區(qū)的每個(gè)載流子平均能產(chǎn)生一對(duì)電子空穴時(shí)，就發(fā)生雪崩擊穿現(xiàn)象。當(dāng)M時(shí)，PN結(jié)上所加的反向偏壓就是雪崩擊穿電壓UBR。 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在略低于擊穿電壓時(shí)，也發(fā)生雪崩倍增現(xiàn)象，不過M較小，這時(shí)M隨反向偏壓U的變化可用經(jīng)驗(yàn)公式近似表示 從圖3-8所示的伏-安特性曲線可以看出，在雪崩擊穿點(diǎn)附近電流隨偏壓變化的曲線較陡，當(dāng)反向偏壓有較小變化時(shí)，光電流將有較大變化。 雪崩光電二極管的工作偏壓必須適當(dāng)。過小時(shí)，增益太??；過大時(shí)，噪聲大，且電壓過高可能使管子被擊穿燒毀。由于擊穿電壓會(huì)隨溫度漂移，必須根據(jù)環(huán)境溫度變化相應(yīng)調(diào)整工作電壓。3.噪聲 由于雪崩光電二極管中載流子的碰撞電離是不規(guī)

13、則的，碰撞后的運(yùn)動(dòng)方向更是隨機(jī)的，所以它的噪聲比一般光電二極管要大些。在無倍增的情況下，其噪聲電流主要為如式（3-6）所示的散粒噪聲。當(dāng)雪崩倍增M倍后，雪崩光電二極管的噪聲電流的均方根值可近似由下式計(jì)算。 （3-15） 式中指數(shù)n與雪崩光電二極管的材料有關(guān)。對(duì)于鍺管，n=3；對(duì)于硅管為2.3n時(shí)，流過負(fù)載電阻RL的電流IL為 2.輸出電流、電壓與輻射量間的關(guān)系 暗電流都很小，可以忽略不計(jì)。 反向偏置電路的輸出電壓與入射輻射量的關(guān)系為 輸出電壓信號(hào)U為 例3-1 用2CU2D光電二極管探測(cè)激光器輸出的調(diào)制信號(hào)e,=20 +5sint（W）的輻射通量時(shí)，若已知電源電壓為15V，2CU2D的光電流靈

14、敏度Si=0.5A/W，結(jié)電容Cj=3 pF，引線分布電容Ci=7 pF，試求負(fù)載電阻RL=2M時(shí)該電路的偏置電阻RB為多少？并計(jì)算輸出最大電壓信號(hào)情況下的最高截止頻率為多少？ 解 首先找出入射輻射的峰值m m=20+5=25W再求出2CU2D的最大輸出光電流ImIm=Sim =12.5(A)設(shè)最大輸出電壓信號(hào)時(shí)的偏置電阻為RB，則RBRL=1.2M3.反向偏置電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 于是可以求出偏置電阻為RB值 RB=3 M此時(shí)，最大輸出的電壓時(shí)的最高截止頻率fb為 fb= 83kHz 反向偏置電路常用圖解法，根據(jù)光電三極管（或光伏器件）的反向偏置電路圖與其輸出特性曲線，可以求解出任何入射輻射作用

15、下的輸出電壓信號(hào)。也可以根據(jù)題目的要求，設(shè)計(jì)出偏置電路的各種參數(shù)。例3-2 已知某光電三極管的伏安特性曲線如圖3-42所示。當(dāng)入射光通量為正弦調(diào)制量v,=55 +40sint lm時(shí)，今要得到5V的輸出電壓，試設(shè)計(jì)該光電三極管的變換電路，并畫出輸入輸出的波形圖，分析輸入與輸出信號(hào)間的相位關(guān)系。 解 : 首先根據(jù)題目的要求，找到入射光通量的最大值與最小值 max=55+40=95 lm min=5540=15 lm在特性曲線中畫出光通量的變化波形，補(bǔ)充必要的特性曲線。 再根據(jù)題目對(duì)輸出信號(hào)電壓的要求，確定光電三極管集電極電壓的變化范圍，本題要求輸出5V，指的是有效值，集電極電壓變化范圍應(yīng)為雙峰值。即 Uce=2U14V 根據(jù)偏置電路可知，入射為最大時(shí)輸出電壓應(yīng)最小，但不能進(jìn)入飽和區(qū)。為此，在特性曲線的“拐點(diǎn)”右側(cè)找一點(diǎn)“A”并做垂線交橫軸于“C”點(diǎn)，從“C” 向右量14V，找“D”點(diǎn)。由“D”做垂線交入射為最小的特性曲線與“B”。通過“A”、 “B”做直線，此線即為負(fù)載線。由負(fù)載線可以得到負(fù)載電阻RL和電源電壓Ubb。 顯然， “C”點(diǎn)電壓為3.7V ， “D”點(diǎn)電壓為17.7V 。電源電壓Ubb 近似為19V，取標(biāo)稱電壓20V。 電源電壓Ubb取標(biāo)稱電壓20V后可以適當(dāng)?shù)匦拚?fù)載線。 根據(jù)入射光通量正弦變化關(guān)