硅光電池(硅光二極管)應(yīng)用講訴課件

1、4.6 光電池硅光電池結(jié)構(gòu)示意如圖-+RLpn防反射膜(SiO2）pn+-SiO2pn結(jié)硅光電池光電池按材料分，有硅、硒、硫化鎘、砷化鎵和無定型材料的光電池等。按結(jié)構(gòu)分，有同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)光電池等。光電池中最典型的是同質(zhì)結(jié)硅光電池。國產(chǎn)同質(zhì)結(jié)硅光電池因襯底材料導(dǎo)電類型不同而分成2CR系列和2DR系列兩種。2CR系列硅光電池是以N型硅為襯底，P型硅為受光面的光電池。受光面上的電極稱為前極或上電極，為了減少遮光，前極多作成梳狀。襯底方面的電極稱為后極或下電極。為了減少反射光，增加透射光，一般都在受光面上涂有SiO2或MgF2，Si3N4，SiO2MgF2等材料的防反射膜，同時(shí)也可以起到防潮，防腐蝕的

2、保護(hù)作用。 幾種國產(chǎn)硅光電池的特性 光電池驅(qū)動(dòng)的涼帽4.7 光電二極管外形 （a） （b） 光電二極管的符號(hào)與光電特性的測(cè)量電路（a）符號(hào) （b）光電特性的測(cè)量電路光電二極管的伏安特性無光照暗電流國產(chǎn)硅光電二極管按襯底材料的導(dǎo)電類型不同，分為2CU和2DU兩種系列。2CU系列以N-Si為襯底， 2DU系列以P-Si為襯底2CU系列光電二極管只有兩個(gè)引出線，而2DU系列光電二極管有三條引出線，除了前極、后極外，還設(shè)了一個(gè)環(huán)極。硅光電二極管結(jié)構(gòu)示意圖2DU管加環(huán)極的目的是為了減少暗電 流和噪聲。4.7.1 Si 光電二極管 光電二極管的受光面一般都涂有SiO2防反射膜，而SiO2中又常含有少量的鈉

3、、鉀、氫等正離子。 SiO2是電介質(zhì)，這些正離子在SiO2中是不能移動(dòng)的，但是它們的靜電感應(yīng)卻可以使P-Si表面產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電子層。 這個(gè)電子層與N-Si的導(dǎo)電類型相同，可以使P-Si表面與NSi連通起來。 當(dāng)管子加反偏壓時(shí)，從前極流出的暗電子流，除了有PN結(jié)的反向漏電子流外，還有通過表面感應(yīng)電子層產(chǎn)生的漏電子流，從而使從前極流出的暗電子流增大。 為了減小暗電流，設(shè)置一個(gè)N+-Si的環(huán)把受光面（N-Si）包圍起來，并從N+-Si環(huán)上引出一條引線（環(huán)極），使它接到比前極電位更高的電位上，為表面漏電子流提供一條不經(jīng)過負(fù)載即可達(dá)到電源的通路。 這樣，即可達(dá)到減小流過負(fù)載的暗電流、減小噪聲的目的。 如

4、果使用時(shí)環(huán)極懸空，除了暗電流、噪聲大些外，其它性能均不受影響。 2CU管子，因?yàn)槭且訬-Si為襯底，雖然受光面的SiO2防反射膜中也含有少量的正離子，而它的靜電感應(yīng)不會(huì)使N-Si表面產(chǎn)生一個(gè)和P-Si導(dǎo)電類型相同的導(dǎo)電層，從而也就不可能出現(xiàn)表面漏電流，所以不需要加環(huán)極。 光電二極管的用法：光電二極管的用法只能有兩種。一種是不加外電壓，直接與負(fù)載相接。另一種是加反向電壓，如圖所示。 a) 不加外電源 b) 加反向外電源 c) 2DU環(huán)極接法實(shí)際上，不是不能加正向電壓，只是正接以后就與普通二極管一樣，只有單向?qū)щ娦裕憩F(xiàn)不出它的光電效應(yīng)。 加反向電壓時(shí)，伏安特性曲線常畫成如下圖所示的形式。與硅光

5、電池的伏安特性曲線圖比較，有兩點(diǎn)不同。一是把硅光電池的伏安特性曲線圖中、象限里的圖線對(duì)于縱軸反轉(zhuǎn)了一下，變?yōu)樯蠄D(a)。這里是以橫軸的正向代表負(fù)電壓，這樣處理對(duì)于以后的電路設(shè)計(jì)很方便。二是因?yàn)殚_路電壓UOC一般都比外加的反向電壓小很多，二者比較可略而不計(jì)，所以實(shí)用曲線常畫為上圖(b)的形式。 幾種國產(chǎn)2CU型硅光電二極管的特性 幾種國產(chǎn)2DU型硅光電二極管的特性 4.7.2 PIN管 PIN管是光電二極管中的一種。是在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層（相對(duì)）很厚的本征半導(dǎo)體。 這樣，PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)就基本上全集中于I層中，從而使PN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小。 由式 = CfRL與f =

6、1/2知，Cf小，則小，頻帶將變寬。因此，這種管子最大的特點(diǎn)是頻帶寬，可達(dá)10GHz。另一個(gè)特點(diǎn)是，因?yàn)镮層很厚，在反偏壓下運(yùn)用可承受較高的反向電壓，線性輸出范圍寬。 由耗盡層寬度與外加電壓的關(guān)系可知，增加反向偏壓會(huì)使耗盡層寬度增加，從而結(jié)電容要進(jìn)一步減小，使頻帶寬度變寬。所不足的是，I層電阻很大，管子的輸出電流小，一般多為零點(diǎn)幾微安至數(shù)微安。目前有將PIN管與前置運(yùn)算放大器集成在同一硅片上并封裝于一個(gè)管殼內(nèi)的商品出售。 4.7.3 雪崩光電二極管 雪崩光電二極管是利用PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來工作的一種二極管。 這種管子工作電壓很高，約100200V，接近于反向擊穿電壓。結(jié)區(qū)內(nèi)電場(chǎng)

7、極強(qiáng)，光生電子在這種強(qiáng)電場(chǎng)中可得到極大的加速，同時(shí)與晶格碰撞而產(chǎn)生電離雪崩反應(yīng)。因此，這種管子有很高的內(nèi)增益，可達(dá)到幾百。 當(dāng)電壓等于反向擊穿電壓時(shí)，電流增益可達(dá)106，即產(chǎn)生所謂的自持雪崩。 這種管子響應(yīng)速度特別快，帶寬可達(dá)100GHz，是目前響應(yīng)速度最快的一種光電二極管。 噪聲大是這種管子目前的一個(gè)主要缺點(diǎn)。 由于雪崩反應(yīng)是隨機(jī)的，所以它的噪聲較大，特別是工作電壓接近或等于反向擊穿電壓時(shí)，噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以至無法使用。 4.7.4 光伏探測(cè)器使用要點(diǎn)1）極性結(jié)型器件都有確定的極性，如要加電壓使用時(shí)，光電結(jié)必須加反向電壓，即P端與外電源的低電位相接。2）使用時(shí)對(duì)入射光強(qiáng)范圍的選

8、擇應(yīng)視用途而定。用于開關(guān)電路或邏輯電路時(shí)光照可以強(qiáng)些。用于模擬量測(cè)量時(shí)，光照不宜過強(qiáng)。因?yàn)橐话闫骷加羞@樣的性質(zhì)：光照弱些，負(fù)載電阻小些，加反偏壓使用時(shí)，光電線性好，反之則差。3）靈敏度主要決定于器件，但也與使用條件和方法有關(guān)，例如光源和接收器在光譜特性上是否匹配；入射光的方向與器件光敏面法線是否一致等。4）結(jié)型器件的響應(yīng)速度都很快。它主要決定于負(fù)載電阻和結(jié)電容所構(gòu)成的時(shí)間常數(shù)（RC）。負(fù)載電阻大，輸出電壓可以大，但會(huì)變大，響應(yīng)變慢。相反，負(fù)載電阻小些，輸出電壓要減小，但會(huì)變小，響應(yīng)速度變快。5）靈敏度與頻帶寬度之積為一常數(shù)的結(jié)論，對(duì)結(jié)型光電器件也適用。 6）器件的各種參量差不多都與溫度有關(guān)，但其中受溫度影響