第6章半导体结型器件

《第6章半导体结型器件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第6章半导体结型器件（43页珍藏版）》请在文档大全上搜索。

1、第六章 半导体结型光电器件光电子技术教研室 光生伏特效应是指：当两种半导体材料光生伏特效应是指：当两种半导体材料或金属或金属/ /半导体相接触形成势垒，当外界光照半导体相接触形成势垒，当外界光照射时，激发光生载流子，注入到势垒附近形射时，激发光生载流子，注入到势垒附近形成光生电压的现象。成光生电压的现象。 利用光生伏特效应制成的光电探测器叫利用光生伏特效应制成的光电探测器叫做势垒型光电探测器。势垒型光电探测器是做势垒型光电探测器。势垒型光电探测器是对光照敏感的对光照敏感的“结结”构成的，故也称结型光构成的，故也称结型光电探测器。电探测器。 根据所用结的种类的不同，可分为根据所用结的种类的不同，

2、可分为PNPN结结型、型、PINPIN结型、异质结型和肖特基势垒型等。结型、异质结型和肖特基势垒型等。最常用的器件有光电池、光电二极管、最常用的器件有光电池、光电二极管、PINPIN管、管、雪崩光电二极管、光电三极管和光电场效应雪崩光电二极管、光电三极管和光电场效应管等。管等。结型光电探测器与光电导探测器相比较，主要结型光电探测器与光电导探测器相比较，主要区别在于：区别在于：1 1、产生光电变换的部位不同。、产生光电变换的部位不同。2 2、光电导型探测器没有极性，工作时必须有、光电导型探测器没有极性，工作时必须有外加电压，而结型探测器有确定的正负极，外加电压，而结型探测器有确定的正负极，不需要

3、外加电压也可把光信号变为电信号。不需要外加电压也可把光信号变为电信号。3 3、均质型探测器的载流子驰豫时间比较长，、均质型探测器的载流子驰豫时间比较长，响应速度慢、频率响应特性差。而结型响应速度慢、频率响应特性差。而结型探测器响应速度快、频率响应特性好。探测器响应速度快、频率响应特性好。4 4、雪崩式光电二极管和光电三极管还有很、雪崩式光电二极管和光电三极管还有很大的内增益作用，不仅灵敏度高，还可大的内增益作用，不仅灵敏度高，还可以通过较大的电流。以通过较大的电流。6-1 6-1 结型光电器件原理结型光电器件原理1 1、PNPN结光生伏特效应结光生伏特效应 离离PNPN结较近的由光产生的少数载

4、流子，结较近的由光产生的少数载流子，N N区中的空穴，区中的空穴，P P区中的电子，受到内建电场的区中的电子，受到内建电场的分离，电子移向分离，电子移向N N区，空穴移向区，空穴移向P P区，区，PNPN结区结区的光生电子的光生电子- -空穴对被空穴对被PNPN结势垒区较强的内建结势垒区较强的内建电场分离，空穴被移向电场分离，空穴被移向P P区，电子被移向区，电子被移向N N区。区。 结果在结果在N N区将积累电子，区将积累电子，P P区将积累区将积累空穴，产生了一个与内建电场方向相反空穴，产生了一个与内建电场方向相反的光生电场，于是在的光生电场，于是在P P区和区和N N区之间造成区之间造成

5、光生电势差；如果光照保持不变，积累光生电势差；如果光照保持不变，积累过程达到动态平衡状态，从而给出一个过程达到动态平衡状态，从而给出一个与光照度相应的稳定的电势差，称为光与光照度相应的稳定的电势差，称为光生电动势，光强越强，光生电动势也就生电动势，光强越强，光生电动势也就越大。越大。 2 2、工作模式、工作模式 结型光电器件在有光照条件下，从理论结型光电器件在有光照条件下，从理论上说，可使用于上说，可使用于正偏置、零偏置和反偏置正偏置、零偏置和反偏置。但理论和实践证明，当使用于正偏置时，呈但理论和实践证明，当使用于正偏置时，呈现单向导电性现单向导电性( (和普通二极管一样和普通二极管一样) )

6、，没有光，没有光电效应产生，只有在反偏置或零偏置时，才电效应产生，只有在反偏置或零偏置时，才产生明显的光电效应。产生明显的光电效应。 如果工作在零偏置的开路状态，如果工作在零偏置的开路状态，pnpn结型光电器件产生光生伏持效应，这种结型光电器件产生光生伏持效应，这种工作原理称为工作原理称为光伏工作模式光伏工作模式。 如果工作在反偏置状态，无光照时如果工作在反偏置状态，无光照时电阻很大，电流很小；有光照时，电阻电阻很大，电流很小；有光照时，电阻变小，就变大，而且流过它的光电流随变小，就变大，而且流过它的光电流随照度变化而变化。照度变化而变化。 从外表上看，与光敏电阻一样，同样也具有光电从外表上看

7、，与光敏电阻一样，同样也具有光电导工作模式，但它们的工作机理不同，所以在特性导工作模式，但它们的工作机理不同，所以在特性上有较大差别。因此，结型光电器件用作探测器时，上有较大差别。因此，结型光电器件用作探测器时，可选用两种工作模式中的一种，即工作在反偏置的可选用两种工作模式中的一种，即工作在反偏置的光电导下作模式或零偏置的光作模式。光电导下作模式或零偏置的光作模式。3 3、光照下、光照下pnpn结电流结电流 有光照时，有光照时，pnpn结外电路接上负载电阻结外电路接上负载电阻RLRL，此时在此时在pnpn结内出现两种方向相反的电流：结内出现两种方向相反的电流： 一种是光激发产生的电子空穴对，在

8、内一种是光激发产生的电子空穴对，在内建电场作用下，形成的光生电流建电场作用下，形成的光生电流IpIp，它与光照，它与光照有关，其方向与有关，其方向与pnpn结反向饱和电流结反向饱和电流I I0 0相同；相同； 另一种是光生电流另一种是光生电流Ip Ip 流过负载电阻流过负载电阻RLRL产生产生电压降，相当于在电压降，相当于在pnpn结施加正向偏置电压，从结施加正向偏置电压，从而产生正向电流入，总电流是两者之差。而产生正向电流入，总电流是两者之差。6-2 光电池 光电池是直接把光变成电的光电器件，由于光电池是直接把光变成电的光电器件，由于它是利用各种势垒的光生伏特效应制成的，故称它是利用各种势垒

9、的光生伏特效应制成的，故称为光生伏特电池，简称光电池。光电池是一种不为光生伏特电池，简称光电池。光电池是一种不需加偏压的能把光能直接转换成电能的需加偏压的能把光能直接转换成电能的pnpn结光电结光电器件器件. .按用途分：按用途分：太阳能光电池、测量光电池太阳能光电池、测量光电池按材料分：按材料分：硅光电池、锗光电池、硒光电池、硫化硅光电池、锗光电池、硒光电池、硫化镉光电池、砷化镓光电池镉光电池、砷化镓光电池其中最受重视的是其中最受重视的是硅光电池、硒光电池硅光电池、硒光电池。太阳能光电池和测量光电池。太阳能光电池和测量光电池。 太阳能光电池主要用作电源，对它的要求是转太阳能光电池主要用作电源

10、，对它的要求是转换效率高、成本低，由于它具有结构简单、体积小、换效率高、成本低，由于它具有结构简单、体积小、重量轻、可靠性高、寿命长、在空间能直接利用太重量轻、可靠性高、寿命长、在空间能直接利用太阳能转换成电能的特点，因而不仅成为航天工业上阳能转换成电能的特点，因而不仅成为航天工业上的重要电源，还被广泛地应用于供电因难的场所和的重要电源，还被广泛地应用于供电因难的场所和人们的日常生活中。人们的日常生活中。 测量光电池的主要功能是作为光电探测用，即测量光电池的主要功能是作为光电探测用，即在不加偏置的情况下将光信号转换成电信号，对它在不加偏置的情况下将光信号转换成电信号，对它的要求是线性范围宽、灵

11、敏度高、光谱响应合适、的要求是线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性好、寿命长，被广泛地应用在光度、色度、稳定性好、寿命长，被广泛地应用在光度、色度、光学精密计量和测试中。光学精密计量和测试中。 太阳能光电池主要用作电源，对它的要太阳能光电池主要用作电源，对它的要求是求是转换效率高、成本低转换效率高、成本低。 硅材料研究得最充分，硅光电池具有硅材料研究得最充分，硅光电池具有一系列的优点，如性能稳定、寿命长、光一系列的优点，如性能稳定、寿命长、光谱响应范围宽，频率特性好，能耐高温。谱响应范围宽，频率特性好，能耐高温。 硒光电池其光谱响应曲线与人眼的光视硒光电池其光谱响应曲线与人眼的光视效率曲