第3章-光生伏特器件PPT资料.ppt
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,图3-1(b)为光电二极管的工作原理图。
图3-1(c)所示为光电二极管的电路符号。
9,2.光电二极管的电流方程,在无辐射作用的情况下(暗室中),PN结硅光电二极管的正、反向特性与普通PN结二极管的特性一样,如图3-2所示。
其电流方程为,(3-1),ID在U为负值(反向偏置时)且时(室温下kT/q25mV,很容易满足这个条件)的电流,称为反向电流或暗电流。
10,当光辐射作用到如图3-1(b)所示的光电二极管上时,光生电流为:
光电二极管的全电流方程为,式中为光电材料的光电转换效率,为材料对光的吸收系数。
(3-2),11,3.1.2光电二极管的基本特性,由式(3-2)光电二极管的全电流方程可以得到如图3-3所示的光电二极管在不同偏置电压下的输出特性曲线,这些曲线反应了光电二极管的基本特性。
普通二极管工作在正向电压大于0.7V的情况下,而光电二极管则必须工作在这个电压以下,否则,不会产生光电效应。
光电二极管的工作区域应在图3-3所示的第3象限与第4象限,很不方便。
12,在光电技术中常采用重新定义电流与电压正方向的方法把特性曲线旋转成如图3-4所示。
重新定义的电流与电压的正方向均以PN结内建电场的方向相同的方向为正向。
1.光电二极管的灵敏度,定义光电二极管的光电流灵敏度为入射到光敏面上辐射量的变化(例如通量变化d)引起电流变化dI与辐射量变化之比。
13,2.光谱响应,光电二极管的光谱响应定义:
以等功率的不同单色辐射波长的光作用于光电二极管时,其响应程度或电流灵敏度与波长的关系称为其光谱响应。
图3-5为几种典型材料的光电二极管光谱响应曲线。
典型硅光电二极管光谱响应长波限为1.1m左右,短波限接近0.4m,峰值响应波长为0.9m左右.,14,3.时间响应,以频率f调制的辐射作用于PN结硅光电二极管光敏面时,PN结硅光电二极管的电流产生要经过下面3个过程:
(1)在PN结区内产生的光生载流子渡越结区的时间,称为漂移时间记为dr;
(2)在PN结区外产生的光生载流子扩散到PN结区内所需要的时间,称为扩散时间记为p;
(3)由PN结结电容Cj和管芯电阻Ri及负载电阻RL构成的RC延迟时间记为RC。
设载流子在结区内的漂移速度为vd,PN结区的宽度为W,载流子在结区内的最长漂移时间为,15,(3-4),一般的PN结硅光电二极管,内电场强度Ei都在105V/cm以上,载流子的平均漂移速度要高于107cm/s,PN结区的宽度常在100m左右,由式(3-4)可知漂移时间dr=10-9s,为ns数量级。
对于PN结硅光电二极管,入射辐射在PN结势垒区以外激发的光生载流子必须经过扩散运动到势垒区内才能受内建电场作用,并分别拉向P区与N区。
载流子的扩散运动往往很慢,因此,扩散时间p很长,约为100ns,它是限制PN结硅光电二极管时间响应的主要因素。
16,另一个因素是PN结电容Cj和管芯电阻Ri及负载电阻RL构成的时间常数RC,RC为,(3-5),普通PN结硅光电二极管的管芯内阻Ri约为250,PN结电容Cj常为几个PF,在负载电阻RL低于500时,时间常数也在ns数量级。
但是,当负载电阻RL很大时,时间常数将成为影响硅光电二极管时间响应的一个重要因素,应用时必须注意。
17,4.噪声,光电二极管的噪声包含低频噪声Inf、散粒噪声Ins和热噪声InT等3种噪声。
其中,散粒噪声是光电二极管的主要噪声,低频噪声和热噪声为其次要因素。
散粒噪声是由于电流在半导体内的散粒效应引起的,它与电流的关系,(3-6),光电二极管的电流应包括暗电流ID、信号电流Is和背景辐射引起的背景光电流Ib,因此散粒噪声应为,18,根据电流方程,并考虑反向偏置情况,光电二极管电流与入射辐射的关系,得到,(3-8),再考虑负载电阻RL的热噪声,(3-9),目前,用来制造PN结型光电二极管的半导体材料主要有硅、锗、硒和砷化镓等,用不同材料制造的光电二极管具有不同的特性。
(3-7),19,3.2其他类型的光生伏特器件,3.2.1PIN型(快速)光电二极管,光敏二极管中PN结光生电流主要由耗尽层电子空穴在内建电场的作用下的漂移运动形成的。
因电场主要分布在耗尽区,所以耗尽区的载流子漂移运动速度很快,而在扩散区,由于场的分布为零,因此载流子的扩散运动速度很慢。
这就影响了光电检测器件的响应速度的提高。
20,为了使光电检测器有更快的响应速度和效率,应设法减少零电场P区和N区厚度,增加耗尽区厚度,并且应尽量避免光生电子-空穴对在零电场产生,将N层做成轻掺杂,使耗尽区变宽或变厚。
这种掺杂很轻的N层,称作本征I层;
另外,为了制成低电阻的接触,在I层的两端再做成重掺杂的P层和N层,并且它们的厚度很薄。
21,这种管子的最大特点是频带宽、线性输出范围宽。
缺点是输出电流小,一般多为零点几微安至数微安。
22,23,PIN管的缺点:
耗尽区加宽但反向偏压又不能很高(容易反向击穿),故载流子的漂移时间要拉长其光电流很微弱,使用时要多次放大,容易将放大器的噪声引入光电系统,为了克服PIN管的缺点,使光电流在内部先进行放大。
APD的工作原理:
在加很高的反向偏压后,P-N结内形成了很强的电场区。
光照后初始载流子在强电场下获得很大的动能,因此在其高速运动过程中要与晶体中的晶格发生碰撞作用,于是产生新的电子-空穴对。
经过多次碰撞电离后,便使载流子迅速增加,从而反向电流也迅速增大形成雪崩倍增效应。
3.2.2雪崩光电二极管(APD),24,25,由于PIN型光电二极管在较高的反向偏置电压的作用下耗尽区扩展到整个PN结结区,形成自身保护(具有很强的抗击穿功能),因此,雪崩光电二极管不必设置保护环。
图3-7(b)所示为在N型硅基片上扩散杂质浓度大的P+层,制成N型P结构的雪崩光电二极管;
图3-7(c)所示为PIN型雪崩光电二极管。
图3-7(a)所示为在P型硅基片上扩散杂质浓度大的N+层,制成P型N结构;
1.结构,26,2.工作原理,雪崩光电二极管为具有内增益的一种光生伏特器件。
它利用光生载流子在强电场内的定向运动,产生的雪崩效应获得光电流的增益。
电离产生的载流子数远大于光激发产生的光生载流子数,这时雪崩光电二极管的输出电流迅速增加,其电流倍增系数M定义为,(3-10),式中,I为倍增输出的电流,I0为倍增前输出的电流。
27,28,雪崩倍增系数M与碰撞电离率有密切的关系。
碰撞电离率表示一个载流子在电场作用下,漂移单位距离所产生的电子空穴对数目。
实际上电子电离率n和空穴电离率P是不完全一样的,它们都与电场强度有密切关系。
由实验确定,电离率与电场强度E可以近似的写成以下关系,(3-11),式中,A、b、m都为与材料有关系数。
假定=n=P时,可以推导出倍增系数与电离率的关系为,29,(3-12),XD为耗尽层的宽度。
上式表明,当,(3-13),这时,M。
称上式为发生雪崩击穿条件。
在强电场作用下,当通过耗尽区的每个载流子平均能产生一对电子空穴对,就发生雪崩击穿现象。
当M时,PN结上所加的反向偏压就是雪崩击穿电压UBR。
30,(3-14),实验发现,在略低于击穿电压时,也发生雪崩倍增现象,不过M较小,这时M随反向偏压U的变化可用经验公式近似表示为,31,3.噪声,由于雪崩光电二极管中载流子的碰撞电离是不规则的,碰撞后的运动方向更是随机的,所以它的噪声比一般光电二极管要大些。
在无倍增的情况下,其噪声电流主要为如式(3-6)所示的散粒噪声。
当雪崩倍增M倍后,雪崩光电二极管的噪声电流的均方根值可近似由下式计算。
(3-15),式中指数n与雪崩光电二极管的材料有关。
对于锗管,n=3;
对于硅管为2.3n2.5。
32,33,光电池是一种不需加偏置电压(自偏置)就能把光能直接转换成电能的PN结光电器件,其本质就是一个PN结。
分两大类:
即太阳能光电池和测量光电池。
太阳能光电池:
主要用作向负载提供电源,对它的要求主要是光电转换效率高、成本低。
具有结构简单、体积小、重量轻、高可靠性、寿命长、等特点,如今越来越广泛地应用。
测量光电池:
主要功能是在不加偏置的情况下将光信号转换成电信号,要求线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性高、寿命长等。
它常被应用在光度、色度、光学精密计量和测试设备中。
3.2.3硅光电池,34,1.硅光电池的基本结构,按硅光电池衬底材料的不同可分为P型Si为基底的2DR型和N型Si为基底2CR型。
2DR型,光电池是在N(P)型硅基底上扩散P(N)型杂质并作为受光面,构成P-N结后,再经过各种工艺处理,分别在基底和光敏面上制作输出电极,涂上二氧化硅作保护膜(一方面起防潮保护作用,另一方面对入射光起抗反射作用),即成光电池。
35,阵列式:
分立的受光面象限式:
参数相同的独立光电池硅蓝光电池:
PN结距受光面很近,硅光电池按功能分:
阵列式,象限式,硅蓝光电池,36,2.硅光电池工作原理,当光作用于PN结时,耗尽区内的光生电子与空穴在内建电场力的作用下分别向N区和P区运动,在闭合的电路中将产生输出电流IL,且负载电阻RL上产生电压降为U。
显然有:
U=ILRL,37,光电池的符号以及内部结构等效电路如图所示,光电池可以等效为一个理想电流源(光照所产生光电流的电流源)、电容、和一个二极管并联,二极管内阻为rD,38,由于光照产生的电子和空穴在内电场的作用下才形成光生电动势和光电流,由于内电场是由掺杂的P区和N区自由扩散形成的,故内建电场的强度是非常有限的,这就导致了光电池的光电转换效率非常低,最高也只能是百分之十几。
无光照时,Ip=0,PN结就是一个二极管,39,短路(U=0)电流Isc:
开路(IL=0)电压:
由算出:
(1)当RL=0(短路)时,U=0,输出功率PL=0;
(2)当RL=(开路)时,IL=0,输出功率PL=0;
(3)RL0时,存在着最佳负载电阻Ropt,在最佳负载电阻情况下负载可以获得最大的输出功率Pmax。
小电阻线性好,2000lx,Uoc不变,负载所获得的功率为:
PL=IL2RL,40,3.硅光电池最大功率,负载所获得的功率为:
PL=IL2RL,(3-19),通过对式(3-19)求关于RL的1阶导数,令求得最佳负载电阻Ropt的阻值。
41,在实际工程计算中,常通过分析图3-11所示的输出特性曲线得到经验公式,即,当负载电阻为最佳负载电阻时,输出电压U=Um,Um=(0.60.7)Uoc(3-20),而此时的输出电流近似等于光电流,即,(3-21),式中,Si为硅光电池的电流灵敏度。
42,硅光电池的最佳负载电阻Ropt为,从上式可以看出硅光电池的最佳负载电阻Ropt与入射辐射通量有关,它随入射辐射通量的增加而减小。
负载电阻所获得的最大功率为P
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- 伏特 器件