光電檢測技術(shù)與光纖基礎(chǔ)：第三章 結(jié)型光電器件

1第三章結(jié)型光電器件結(jié)型光電器件主要包括：光電池（太陽能電池）、光電二極管、光電晶體管、PIN管、雪崩光電二極管、光可控硅、象限式光電器件、位置敏感探測器（PSD）、光電耦合器件等可以分為：PN結(jié)型、PIN結(jié)型、肖特基結(jié)型使用注意事項(xiàng)：1、有極性，P為正極；2、靈敏度取決于器件及使用條件；3、響應(yīng)速度快，與RC有關(guān)；4、有溫度效應(yīng)，但不明顯；5靈敏度與帶寬乘機(jī)為常數(shù)光伏效應(yīng)發(fā)生條件：結(jié)型材料或內(nèi)建電場材料；入射光波長Eth2PN3.1結(jié)型光電器件工作原理3.1.1熱平衡下的PN結(jié)內(nèi)建電場消弱擴(kuò)散、增強(qiáng)漂移，直到兩者達(dá)到平衡。內(nèi)部形成勢壘或內(nèi)建電場漂移擴(kuò)散E內(nèi)3pn結(jié)的能帶圖：形成pn結(jié)后（熱平衡狀態(tài)）自建勢：4外加偏壓UPN飽和正向E內(nèi)UID當(dāng)外加偏壓時：正向反向I0為反向飽和電流正偏時，外加電場方向與內(nèi)建電場方向相反，電阻減少，電流增大；反偏時，外加電場方向與內(nèi)建電場方向相同，電阻增大，電流很小。53.1.2光照下的PN結(jié)1.PN結(jié)光伏效應(yīng)PNNP光伏效應(yīng)----光生伏特效應(yīng)，是指光照射半導(dǎo)體的結(jié)區(qū)時，產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。NP光生電動勢方向與內(nèi)建電場方向相反。相當(dāng)于加了正偏壓。6光伏工作模式：光導(dǎo)工作模式：工作在零偏置狀態(tài)下工作在反偏狀態(tài)下RLNPRLUbNP7分類電池：結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、體積可大、可靠性高、使用方便、壽命長等探測器：體積小、靈敏度高、線性范圍寬、穩(wěn)定性好、光譜響應(yīng)合適、使用方便等3.2硅光電池太陽能電池（能量轉(zhuǎn)換）

測量光電池（探測器）按不同材料有：硅光電池、硒光電池、砷化鎵光電池、鍺光電池等8NPRLE=0E1E2UIIPIDSEE正向飽和正向電流飽和電流光電流UU---不加外電壓IDIPRLURsCjRshIL3.2硅光電池3.2.1—之--原理（PN結(jié)電流方程）9NPRLIPID擴(kuò)散電流漂移電流光電流U光伏工作區(qū)RL1RL2E=0E1E2UILPN結(jié)電流方程（重要）10UE=0E1E2IscUocI開路電壓UocISC短路電流開路電壓短路電流IscUocEUocIsc113.2.1硅光電池的基本結(jié)構(gòu)NERLILP123.2.2硅光電池的特性參數(shù)1.光照特性(1)開路時對數(shù)關(guān)系IUIsc4Isc1Isc2Isc3Uoc4Uoc2Uoc1Uoc3例：設(shè)一光電池，在入射輻照度為100W/m2時的開路電壓為0.412V，求該光電池在入射輻射照度變?yōu)?50W/m2時的開路電壓，已知環(huán)境溫度為T=300K(波耳茲曼常數(shù)k=1.38×10-23焦/度,kT≈26meV)。13IUUoc4Isc4Isc1Isc2Isc3Uoc2Uoc1Uoc32.4KΩ12KΩ120ΩФI硅光電池光照與負(fù)載特性負(fù)載電阻越小，線性范圍越大。這是光電池作為探測器時選擇負(fù)載的依據(jù)線性區(qū)RL1RL2(3)負(fù)載特性(2)短路時線性關(guān)系IscUocEUocIsc14Si光電池光譜響應(yīng)在0.4～1.1微米，Se光電池光譜響應(yīng)在0.3～0.8.更接近人眼的視見函數(shù)。與材料、結(jié)構(gòu)等有關(guān)2.光譜特性153.頻率特性tIs1.0t0.370.63上下對于矩形脈沖光照對于正弦形光照tEtIs164.溫度特性光電池外形：作為太陽能電池時，應(yīng)選擇輸出能力最大對應(yīng)的負(fù)載。17----外加反向偏壓光導(dǎo)工作區(qū)E=0E1E2UIUIPEPNRLUbID3.3硅光電二極管和硅光電三極管3.3.1硅光電二極管18電流方程：光電池工作區(qū)UbRLE=0E1E2UIL光敏二極管工作區(qū)URLUbIPRLUb=0RLEILPNRLUb硅光電二極管和光電池的區(qū)別①光電池?fù)诫s濃度高②光電池電阻率低③光電池零偏④光電二極管面積小，響