結(jié)型光電器件

結(jié)型光電器件第1頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二2.光電導(dǎo)靈敏度定義光電導(dǎo)靈敏度為Sg:單位入射的光功率所產(chǎn)生的光電導(dǎo)提高增益的措施：增加載流子的壽命光電導(dǎo)增益：表示長度為L的光電導(dǎo)體兩端加上電壓后，單位時間內(nèi)流過外電路的載流子數(shù)與內(nèi)部產(chǎn)生的載流子數(shù)比值。3.光電導(dǎo)增益第2頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二4.光電導(dǎo)惰性弱光強光穩(wěn)定前：撤光后：穩(wěn)定前：撤光后：光電導(dǎo)材料從光照開始到獲得穩(wěn)定的光電流是要經(jīng)過一定時間的。同樣光照停止后光電流也是逐漸消失的。這些現(xiàn)象稱為弛豫過程或惰性。第3頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二5.前歷效應(yīng)

是指光敏電阻的響應(yīng)特性與工作前的“歷史”有關(guān)的一種現(xiàn)象。前歷效應(yīng)有暗態(tài)前歷效應(yīng)與亮態(tài)前歷效應(yīng)之分。第4頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二知識準備1.費米能級EF：反映電子的填充水平，是電子統(tǒng)計規(guī)律的一個基本概念。2.費米分布函數(shù)：電子達到熱平衡時，能量為E的能級被電子占據(jù)的幾率。3.金屬，半導(dǎo)體和絕緣體的能帶及費米能級在能帶中的位置：第5頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二4.金屬半導(dǎo)體接觸：半導(dǎo)體器件必須與外部電路相連接，這種連接是通過金屬—半導(dǎo)體結(jié)來實現(xiàn)的，這種金屬—半導(dǎo)體結(jié)稱為金屬半導(dǎo)體接觸。

4.1金屬的功函數(shù)Wm：金屬的功函數(shù)表示為一個起始能量等于費米能級的電子，由金屬內(nèi)部逸出到真空中所需要的最小能量。功函數(shù)的大小標志著電子在金屬中束縛的強弱，功函數(shù)越大，電子越不容易離開金屬。4.2真空能級E0：電子達到完全自由而不受核的作用時所具有的能級。

4.3半導(dǎo)體的功函數(shù)Ws：半導(dǎo)體的功函數(shù)是把一個起始能量等于費米能級的電子，由內(nèi)部逸出到真空中所需要的最小能量。

4.4半導(dǎo)體的電子親和能χ：親和能表示要使半導(dǎo)體導(dǎo)帶底的電子逸出體外所需的最小能量。對半導(dǎo)體而言，二者之差是指導(dǎo)帶底部與費米能級的能量差。第6頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二E0Wm(EF)mEv(EF)SE0EnχWsEc金屬中的電子勢阱半導(dǎo)體的功函數(shù)和電子親合力肖特基接觸第7頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二Ev(EF)SEnχWsEcWm(EF)mE0金屬和n型半導(dǎo)體接觸能帶圖(Wm>Ws)(a)接觸前(a)肖特基接觸第8頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二WmEFq(V’s-Vm)EvEnχWsEcD金屬和n型半導(dǎo)體接觸能帶圖(Wm>Ws)(b)間隙很大(b)肖特基接觸第9頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二qVDqфnsEcEFEvEnEcqVDqфnsEFq(V’s-Vm)EvEnχWm金屬和n型半導(dǎo)體接觸能帶圖(Wm>Ws)(c)緊密接觸；(d)忽略間隙(c)(d)肖特基接觸第10頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二金屬和n型半導(dǎo)體接觸能帶圖(Wm<Ws)EcEvχ

-WmEFWs-Wm歐姆基接觸第11頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二半導(dǎo)體-金屬正壓，反偏，勢壘增大，無電流；金屬-半導(dǎo)體正壓，正偏，勢壘減小，有電流。肖特基接觸所以柵極一般情況下加負偏壓第12頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二歐姆接觸金屬-半導(dǎo)體正壓，正偏半導(dǎo)體-金屬正壓，反偏ee第13頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二本章主要內(nèi)容：3.1結(jié)型光電器件的工作原理3.2光電池;3.3光電二極管，光電晶體管；3.4象限式光電器件；3.5PIN管；3.6位置敏感探測器(PSD)；3.7雪崩光電二極管；第14頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二

利用半導(dǎo)體PN結(jié)光伏效應(yīng)制成的器件稱為光伏器件，也稱結(jié)型光電器件。

光電池、光電二極管、光電晶體管、光電場效應(yīng)管、PIN管、雪崩光電二極管、光可控硅、陣列式光電器件、象限式光電器件、位置敏感探測器、光電耦合器件等。

光伏探測器的工作特性要復(fù)雜一些。

通常有光電池和光電二極管之分，也就是說光伏探測器有著不同的工作模式。

因此在具體討論光伏探測器的工作特性之前，首先必須弄清楚它的工作模式問題。

2.1結(jié)型光電器件的工作原理第15頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二

為了便于理解在后面將要引入的光伏探測器的等效電路，有必要先討論一下光伏探測器的光電轉(zhuǎn)換規(guī)律。PN結(jié)光伏探測器的典型結(jié)構(gòu)如圖所示。2.1結(jié)型光電器件工作原理mA

為了說明光功率轉(zhuǎn)換成光電流的關(guān)系，設(shè)想光伏探測器兩端被短路，并用一理想電流表記錄光照下流過回路的電流，該電流為短路光電流第16頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二（一）熱平衡狀態(tài)下的PN結(jié)P型材料和N型材料緊密接觸，在交界處就形成PN結(jié)在熱平衡條件下，PN結(jié)中凈電流為零

如果有外加電壓時結(jié)內(nèi)平衡被破壞，此時流經(jīng)PN結(jié)的電流方程？ID與外加電壓有關(guān)當U=0時？當U>0時？當U<0時？第17頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二P型材料和N型材料緊密接觸，在交界處就形成PN結(jié)在熱平衡條件下，PN結(jié)中凈電流為零。如果有外加電壓時結(jié)內(nèi)平衡被破壞，此時流經(jīng)PN結(jié)的電流方程為ID與外加電壓有關(guān)熱平衡狀態(tài)下的PN結(jié)第18頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二PN

結(jié)在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。1．PN結(jié)的形成第19頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E漂移運動擴散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。空間電荷區(qū)，也稱耗盡層。PN結(jié)的形成第20頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二漂移運動P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴散運動內(nèi)電場E所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，相當于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。第21頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)電位VV0第22頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二－－－－++++RE（1）.PN

結(jié)正向偏置內(nèi)電場外電場變薄PN+_內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強能夠形成較大的擴散電流。第23頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二（2）.PN結(jié)反向偏置－－－－++++內(nèi)電場外電場變厚NP+_內(nèi)電場被被加強，多子的擴散受抑制。少子漂移加強，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。RE第24頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二（３）PN結(jié)的電流方程

PN結(jié)V-I特性表達式其中：PN結(jié)的伏安特性在常溫下（T=300K）：uD——外加電壓VT=kT/q——溫度的電壓當量IS——反向飽和電流（其中玻爾茲曼常數(shù)k=1.38×10-23J/K，電子電量q=1.6×10-9C，則VT=T/11600V）當外加正向電壓，uD>>UT時，，PN結(jié)為正向?qū)顟B(tài)。當外加反向電壓，uD>>UT時，，PN結(jié)為反向截止狀態(tài)。第25頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二NPRL(二).光照下的PN結(jié)ID

假定光生電子-空穴對在PN結(jié)的結(jié)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生。由于內(nèi)電場作用，電子從P區(qū)向N區(qū)漂移運動，被內(nèi)電場分離的電子和空穴就在外回路中形成電流。UIP+-

流過負載的電流產(chǎn)生的壓降，對PN結(jié)來說就好像是一個正偏置，從而產(chǎn)生正向電流！自偏置IP與光照有關(guān)，隨著光照增大而增大開路電壓短路電流不同光照下的伏安特性曲線第26頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二光伏效應(yīng)有兩個重要參數(shù):

當負載電阻短路(即RL=0)時，光生電壓接近于零，流過器件的電流叫短路電流，用Isc表示

當負載電阻RL斷開(IL＝0)時，P端對N端的電壓稱為開路電壓，用Uoc表示

開路電壓和短路電流第27頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二不同光照下的伏安特性曲線跟反向飽和電流方向相同第一象限是正偏壓狀態(tài)，id本來就很大，所以光電流不起重要作用。作為光電探測器，工作在這一區(qū)域沒有意義。第三象限，是反偏壓狀態(tài)。這時id=iO，它是普通二極管中的反向飽和電流，現(xiàn)在稱為暗電流(對應(yīng)于光功率P=0)，數(shù)值很小，這時的光電流(等于i-iO)是流過探測器的主要電流，這對應(yīng)于光導(dǎo)工作模式。第28頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二不同光照下的伏安特性曲線跟反向飽和電流方向相同在外偏壓為零或第四象限。流過探測器的電流仍為反向光電流，隨著光功率的不同，出現(xiàn)明顯的非線性。這時探測器的輸出是通過負載電阻RL上的電壓或流過RL上的電流來體現(xiàn)，因此，稱為光伏工作模式。通常把光伏工作模式的光伏探測器稱為光電池。第29頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二通常把光伏工作模式的光伏探測器稱為光電池。

在零偏置的開路狀態(tài)，結(jié)型光電器件產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)，稱為光伏工作模式。

在反偏置狀態(tài)，無光照時結(jié)電阻很大，結(jié)電流很??；有光照時，結(jié)電阻變小，電流變大，而且流過它的光電流隨照度變化而變化，稱為光電導(dǎo)工作模式。

通常把光導(dǎo)工作模式的光伏探測器稱為光電二極管，因為它的外回路特性與光電導(dǎo)探測器十分相似。第30頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二不同光照下的伏安特性曲線

一般硅光電池工作在第三四象限的交界處。若反偏，則伏安特性將延伸到第三象限；

普通二極管工作在第一象限；光電二極管工作在第三象限，否則沒有光電效應(yīng)。跟反向飽和電流方向相同第31頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二二、硅光電池

光電池主要功能是在零偏置的情況下能將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。按用途光電池可分為太陽能光電池和測量光電池20世紀以來，人類在太陽能的利用方面，主要開發(fā)3項技術(shù)：1.把太陽能轉(zhuǎn)換為熱能技術(shù)，如太陽能熱水器、取暖器等；2.太陽能電池和太陽能電站等；3.正在進行可行性研究技術(shù)，如太陽能衛(wèi)星（太空電站）。由衛(wèi)星組成的太空電站可在高空軌道上大面積聚集陽光，并轉(zhuǎn)換成電能，再通過微波發(fā)生器轉(zhuǎn)換成微波發(fā)回地面，地面接收天線再把微波整流并送往相關(guān)電力網(wǎng)，供用戶使用。

兩種轉(zhuǎn)換方式?第32頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二（二）分類：1、金屬-半導(dǎo)體接觸型（肖特基結(jié)）（硒光電池）；2、PN結(jié)型（硅光電池）。2DR（P型Si為基底）2CR（N型Si為基底）透明的二氧化硅保護膜：防潮、增加對入射光的吸收（1）按基底材料來分：2.2硅光電池的基本結(jié)構(gòu)和工作原理第33頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二

硅光電池的受光面的輸出電極多做成梳齒狀或“E”字型電極，其目的是便于透光和減小硅光電池的內(nèi)電阻。

圖2DR型硅光電池，它是以P型硅為襯底，然后在襯底上擴散磷而形成N型層并將其作為受光面。第34頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二注意：1、上、下電極區(qū)分2、上電極柵指狀目的3、受光表面涂保護膜的目的第35頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二（2）按結(jié)構(gòu)陣列式：分立的受光面；象限式（激光制導(dǎo)）：參數(shù)相同的獨立光電池；硅藍光電池（探測藍紫光）：PN結(jié)距受光面很近。第36頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二（3）按用途太陽能光電池：用作電源（效率高，成本低）；測量用光電池：探測器件（線性、靈敏度高等）。（4）按材料硅光電池：光譜響應(yīng)寬，頻率特性好；硒光電池：波譜峰值位于人眼視覺內(nèi)；薄膜光電池：CdS增強抗輻射能力；紫光電池：PN結(jié)0.2~0.3μm,短波峰值600nm。第37頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二硅光電池的特性參數(shù)

光照特性有伏安特性、照度-電流電壓特性和照度-負載特性。1.光照特性

特性參數(shù)主要有：光照特性、光譜特性、頻率特性、溫度特性不同照度時的伏-安特性曲線.一般硅光電池工作在第四象限。若硅光電池工作在反偏置狀態(tài)，則伏安特性將延伸到第三象限

伏安特性：表示輸出電流和電壓隨負載電阻變化的曲線。第38頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二

在線性測量中,光電池常以電流形式使用,因此短路電流的這種線性關(guān)系是光電池重要的光照特性這就是硅光電池的開路電壓和短路電流與光照的關(guān)系,由此圖可看出什麼?當RL=∞(開路)時，光電池的開路電壓，以Voc表示當RL＝0時所得的電流稱為光電池短路電流，以Isc表示

實際應(yīng)用時，都接負載，光電池光照與負載的特性曲線

在要求輸出電流與光照度成線性關(guān)系時，負載電阻在條件許可的情況下越小越好，并限制(禁止)在強光照范圍內(nèi)使用

第39頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二

幾種常見光電池的相對光譜響應(yīng)曲線:硒光電池與人眼視見函數(shù)相似，砷化鎵量子效率高，噪聲低，響應(yīng)在紫外區(qū)和可見光區(qū)。2.光譜特性

光譜響應(yīng)特性表示在入射光能量保持一定的條件下，光電池所產(chǎn)生的短路電流與入射光波長之間的關(guān)系，一般用相對響應(yīng)表示。

線性測量中，要求光電池有高的靈敏度和穩(wěn)定性，同時要求與人眼視見函數(shù)有相似的光譜響應(yīng)特性。鍺光電池長波響應(yīng)寬，適合作紅外探測器第40頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二

由圖可見：負載大時頻率特性變差，減小負載可減小時間常數(shù)τ，提高頻響。但是負載電阻RL的減小會使輸出電壓降低，實際使用時根據(jù)具體要求而定。3.頻率特性

對矩形脈沖光，用光電流上升時間常數(shù)tr和下降時間常數(shù)tf來表征光電流滯后于光照的程度；對正弦型光照常用頻率特性曲線表示

結(jié)型光電器件，PN結(jié)內(nèi)載流子的擴散、漂移，產(chǎn)生與復(fù)合都需要一定的時間，當光照變化很快時，光電流變化就滯后于光照變化。右圖為硅光電池的頻率特性曲線。第41頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二4．溫度特性

光電池的溫度特性曲線主要指光照射時它的開路電壓Uoc與短路電流Isc隨溫度變化的情況。光電池的溫度特性曲線如圖所示從圖知：開路電壓Uoc隨著溫度的升高而減小,其值約為2～3mV/oC;從圖知：短路電流Isc隨著溫度的升高而增大，增大比例約為10-5～10-3mA/oC數(shù)量級。為什么？因為反向飽和電流也增大。第42頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二光電池應(yīng)用

把光能直接轉(zhuǎn)化成電能，需要最大的輸出功率和轉(zhuǎn)化效率。1、光電池用作太陽能電池

利用其光敏面大，頻率響應(yīng)高，光電流與照度線性變化，適用于開關(guān)和線性測量等。2、光電池用作檢測元件

可把受光面做得較大，或把多個光電池作串聯(lián)或并聯(lián)組成電池組，與鎳鎘蓄電池配合；可作為衛(wèi)星、微波站等無輸電線路地區(qū)的電源供給。第43頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二半導(dǎo)體-金屬正壓，反偏，勢壘增大，無電流；金屬-半導(dǎo)體正壓，正偏，勢壘減小，有電流。肖特基接觸所以柵極一般情況下加負偏壓1.金屬半導(dǎo)體接觸：半導(dǎo)體器件必須與外部電路相連接，這種連接是通過金屬—半導(dǎo)體結(jié)來實現(xiàn)的，這種金屬—半導(dǎo)體結(jié)稱為金屬半導(dǎo)體接觸。

知識回顧第44頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二歐姆接觸金屬-半導(dǎo)體正壓，正偏半導(dǎo)體-金屬正壓，反偏ee第45頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二2.光電效應(yīng)

光與物質(zhì)作用產(chǎn)生的光電效應(yīng)分為內(nèi)光電效應(yīng)與外光電效應(yīng)兩類。內(nèi)光電效應(yīng)是被光激發(fā)所產(chǎn)生的載流子（自由電子或空穴）仍在物質(zhì)內(nèi)部運動，使物質(zhì)的電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生伏特的現(xiàn)象。外光電效應(yīng)被光激發(fā)產(chǎn)生的電子逸出物質(zhì)表面，形成真空中的電子的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。第46頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二2.1光電導(dǎo)效應(yīng)光L面積A+VgE導(dǎo)帶禁帶價帶本征導(dǎo)帶價帶施主能級受主能級雜質(zhì)EiEi-電子-空穴

光電導(dǎo)效應(yīng)可分為本征光電導(dǎo)效應(yīng)與雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)兩種。本征半導(dǎo)體價帶中的電子吸收光子能量躍入導(dǎo)帶產(chǎn)生本征吸收，導(dǎo)帶中產(chǎn)生光生自由電子，價帶中產(chǎn)生光生自由空穴。光生電子與空穴使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生變化。這種在光的作用下由本征吸收引起的半導(dǎo)體電導(dǎo)率的變化現(xiàn)象稱為本征光電導(dǎo)效應(yīng)。

第47頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二2.2PN結(jié)光伏效應(yīng)

光生伏特效應(yīng)是基于半導(dǎo)體PN結(jié)基礎(chǔ)上的一種將光能轉(zhuǎn)換成電能的效應(yīng)。當入射輻射作用在半導(dǎo)體PN結(jié)上產(chǎn)生本征吸收時，價帶中的光生空穴與導(dǎo)帶中的光生電子在PN結(jié)內(nèi)建電場的作用下分開，并分別向如下圖所示的方向運動，形成光生伏特電壓或光生電流的現(xiàn)象。第48頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二2.3光電發(fā)射效應(yīng)（外光電效應(yīng)）

當物質(zhì)中的電子吸收足夠高的光子能量，電子將逸出物質(zhì)表面成為真空中的自由電子，這種現(xiàn)象稱為光電發(fā)射效應(yīng)或稱為外光電效應(yīng)。外光電效應(yīng)中光電能量轉(zhuǎn)換的基本關(guān)系為

表明，具有能量的光子被電子吸收后，只要光子的能量大于光電發(fā)射材料的光電發(fā)射閾值A(chǔ)0，則質(zhì)量為m的電子的初始動能便大于0。

光電發(fā)射存在長波限第49頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二3.不同光照下的伏安特性曲線

一般硅光電池工作在第四象限。若反偏，則伏安特性將延伸到第三象限；

普通二極管工作在第一象限；光電二極管工作在第三象限，否則沒有光電效應(yīng)。第50頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二4.光電池的結(jié)構(gòu)1、上、下電極區(qū)分2、上電極柵指狀目的3、受光表面涂保護膜的目的第51頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二3.1結(jié)型光電器件的工作原理3.2光電池;3.3光電二極管，光電晶體管；3.4象限式光電器件；3.5PIN管；3.6位置敏感探測器(PSD)；3.7雪崩光電二極管；第52頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二（一）、光電二極管1.硅光電二極管結(jié)構(gòu)及工作原理

光電二極管是基于PN結(jié)的光電效應(yīng)工作的，它主要用于可見光及紅外光譜區(qū)。光電二極管通常在反偏置條件下工作，也可用在零偏置狀態(tài)。

沒有光照：由于二極管反向偏置，所以反向電流很小，這時的電流稱為暗電流，相當于普通二極管的反向飽和漏電流。

有光照射：在二極管的PN結(jié)附近產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)量也隨之增加，光電流也相應(yīng)增大，光電流與照度成正比。

3.3光電二極管和光電三極管第53頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二

沒有光照時:由于二極管反向偏置，反向電流（暗電流）很小

光照增加時:光電流Ip與光照度成正比關(guān)系

第54頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二2023/4/1655光敏二極管演示

當光敏電阻受到光照時，光生電子—空穴對增加，阻值減小，電流增大。暗電流（越小越好）第55頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二光敏二極管符號

實際上，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?，而表現(xiàn)不出它的光電效應(yīng)。

光敏二極管接法

硅光電二極管符號和接法第56頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二國產(chǎn)硅光電二極管按襯底材料的不同分為:2CU系列以N-Si為襯底；2DU系列以P-Si為襯底。2CU系列光電二極管有兩個引出線(前極、后極)2DU系列光電二極管有三條引出線(前極、后極和環(huán)極)2DU管加環(huán)極的目的是為了減少暗電流和噪聲。硅光電二極管結(jié)構(gòu)示意圖第57頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二2.與普通二極管相比共同點：一個PN結(jié)，單向?qū)щ娦圆煌c：（1）受光面大，PN結(jié)面積更大，PN結(jié)深度較淺（2）表面有防反射的SiO2保護層（3）外加反偏置3.與光電池相比共同點：均為PN結(jié)，利用光伏效應(yīng)，SiO2保護膜不同點：（1）結(jié)面積比光電池的小，頻率特性好;（2）光生電勢與光電池相同，但電流比光電池小;（3）可在零偏壓下工作，常在反偏置下工作。第58頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二

在N+側(cè)開窗，引出一個電極作“集電極c”，中間的P型層引出“基極b”，也可以不引出來，在N型硅片的襯底上引出一個“發(fā)射極e”。硅光電三極管的外型有光窗,管腳有三根引線或二根引線,管型分為PNP型和NPN型。（二）.硅光電三極管

硅光電三極管具有電流放大作用，它的集電極電流受基極的光強控制。

以N型硅片作襯底，擴散硼而形成P型，再擴散磷而形成重摻雜N+層。以3DU型為例討論硅光電三極管的結(jié)構(gòu)和工作原理NPN型稱3DU型,PNP型稱3CU型。1.硅光電三極管的結(jié)構(gòu)和工作原理NPN+這就構(gòu)成一個光電三極管注：需保證發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。UCIp第59頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二

當晶體管處在發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏的放大狀態(tài)下，管內(nèi)載流子的運動情況可用下圖說明。cICeIENPNIBRCUCCUBBRB15Vb

①.發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子②.電子在基區(qū)中邊擴散邊復(fù)合③.電子被集電區(qū)收集

IEP根據(jù)電荷守衡有ICN+IBN=IENIEP<<IEN，發(fā)射極電流IE≈IEN。形成基區(qū)復(fù)合電流IBN,為基極電流IB的主要部分形成集電區(qū)收集電流ICN,為集電極電流IC的主要部分。IENIBNICNICBO④.集電結(jié)少子漂移集電結(jié)反偏，兩邊少子飄移形成反向飽和電流ICBO。知識回顧：雙極性晶體管--載流子的傳輸過程第60頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二

通過對管內(nèi)載流子傳輸?shù)挠懻摽梢钥闯?，在晶體管中，窄的基區(qū)將發(fā)射結(jié)和集電結(jié)緊密地聯(lián)系在一起。從而把正偏下發(fā)射結(jié)的正向電流幾呼全部地傳輸?shù)椒雌募娊Y(jié)回路中去。這是晶體管能實現(xiàn)放大功能的關(guān)鍵所在。④.集電結(jié)少子漂移集電結(jié)反偏，兩邊少子飄移形成反向飽和電流ICBO。cICeIENPNIBRCUCCUBBRB15VbIBNIENICNICBO第61頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二由以上分析可知，晶體管三個電極上的電流與內(nèi)部載流子傳輸形成的電流之間有如下關(guān)系：cICeIENPNIBRCUCCUBBRB15VbIEPIENIBNICNICBO知識回顧：雙極性晶體管--電流分配關(guān)系第62頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二由以上分析可知，晶體管三個電極上的電流與內(nèi)部載流子傳輸形成的電流之間有如下關(guān)系：cICeIENPNIBRCUCCUBBRB15VbIBNIENICNICBO定義共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)為知識回顧：雙極性晶體管--電流分配關(guān)系第63頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二cICeIENPNRCUCC15VbIEPIENIBNICNICBO光電三極管--電流分配關(guān)系Ip第64頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二根據(jù)共發(fā)射極電流關(guān)系有：Ib＝IpIe＝（1+β）Ib

Ic=Ie=

（1+β）Ip=（1+β）E·SE第65頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二

利用光刻技術(shù)，將一個圓形或方形的光敏面窗口分隔成幾個有一定規(guī)律的的區(qū)域(但背面仍為整片)，每一個區(qū)域相當于一個光電二極管。理想情況下，每個光電二極管應(yīng)有完全相同的性能參數(shù)。實際上它們的轉(zhuǎn)換效率往往不一致，使用時必須精心挑選。

象限探測器實質(zhì)是一個面積很大的結(jié)型光電器件，很像一個光電池；2.4象限探測器第66頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二

光斑偏向P2區(qū)，則輸出電壓U>0，其大小反映光斑偏離程度；

光斑偏向P1區(qū)，則輸出電壓U<0，其大小反映光斑偏離程度存在缺點：1、存在死區(qū)，光斑越小死區(qū)的影響越明顯；2、若光斑全在一個象限，輸出電信號無法表示其精確位置3、精度易受光強變化影響，分辨率不高什么是死區(qū)？==第67頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二

PIN型光電二極管又稱快速光電二極管，它的結(jié)構(gòu)分三層。PIN光電二極管的優(yōu)點由于I層比PN結(jié)寬的多，光生電流增大，靈敏度提高。由于耗盡層變寬，從而展寬了光電轉(zhuǎn)換的有效工作范圍，提高了量子效率；

在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著較厚的本征半導(dǎo)體I層。2.5.PIN型光電二極管由于耗盡層變寬，結(jié)電容變?。惶岣唔憫?yīng)速度；由于I層電阻率很高，故能承受的電壓增大，電場增強，從而縮短了載流子的渡越時間，頻帶寬度可以達到10GHz第68頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二

PSD包含有三層，上面為P層，下面為N層，中間為I層，它們?nèi)恢谱髟谕还杵?，P層既是光敏層，也是一個均勻的電阻層。

光電位置傳感器是一種對入射到光敏面上的光點位置敏感的PIN型光電二極管，面積較大，其輸出信號與光點在光敏面上的位置有關(guān)。一般稱為PSD。

P層I層N層PSD是利用離子注入技術(shù)制成的一種可確定光的能量中心位置的結(jié)型光電器件，有一維的和二維的兩種。2.6.光電位置傳感器(PSD)第69頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二

由于P層的電阻是均勻的，由兩極輸出的電流分別與光點到兩電極的距離成反比。

光射到PSD的光敏面上時，在入射位置表面下就產(chǎn)生與光強成比例的電荷，此電荷通過P層向電極流動形成光電流。

設(shè)兩電極間距離為2L，經(jīng)電極①和電極②輸出的光電流分別為I1和I2

，電極③輸出的電流為I0PSD器件的工作原理

I0=I1+I2

若以PSD的中心點為原點建立坐標系(坐標軸)，設(shè)光點離中心點的距離為xA，于是有：OxA第70頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二

雪崩倍增效應(yīng):當在光電二極管上加（100-200V）反向偏壓時，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生一個很強的電場。結(jié)區(qū)的光生載流子受強電場的加速獲得很大的能量，與原子碰撞時可使原子電離，新生的電子-空穴對在向電極運動過程中又獲得足夠能量，再次與原子碰撞，又產(chǎn)生新的電子-空穴對。這一過程不斷重復(fù)，使PN結(jié)內(nèi)電流急劇增加，雪崩光電二極管有以下特征：1）靈敏度很高:電流增益可達102～103；2）響應(yīng)速度快:響應(yīng)時間只有0.5ns，響應(yīng)頻率可達100GHz；3）噪聲等效功率很小:約為10-15W。4）反偏壓高,可達200V,接近于反向擊穿電壓。廣泛用于光纖通訊、弱信號檢測、激光測距等領(lǐng)域。

雪崩光電二極管是借助強電場產(chǎn)生載流子倍增效應(yīng)工作的一種高速光電二極管。雪崩倍增效應(yīng)2.7雪崩光電二極管；第71頁，共77頁，2023年，2月20日，星期二

從圖可見：在同一塊硅片上制造兩個深淺不同的PN結(jié)。

光譜響應(yīng)特性淺結(jié)深結(jié)

半導(dǎo)體色敏器件是根據(jù)人眼視覺的三色原理，利用不同結(jié)深的光電二極管對各種波長的光譜響應(yīng)率不同的現(xiàn)象制成的。（1）．半導(dǎo)體色敏器件的工作原理半導(dǎo)體色敏器件的結(jié)構(gòu)示意圖和等效電路。

PD1為深結(jié):對長波長的光響應(yīng)率