《结型光电器件》PPT课件.ppt
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1、第三章 结型光电器件,利用半导体PN结光伏效应制成的器件称为光伏器件,也称结型光电器件。,光电池、光电二极管、光电晶体管、光电场效应管、PIN管、雪崩光电二极管、光可控硅、阵列式光电器件、象限式光电器件、位置敏感探测器、光电耦合器件等。,光伏探测器的工作特性要复杂一些。,通常有光电池和光电二极管之分,也就是说光伏探测器有着不同的工作模式。,因此在具体讨论光伏探测器的工作特性之前,首先必须弄清楚它的工作模式问题。,为了便于理解在后面将要引入的光伏探测器的等效电路,有必要先讨论一下光伏探测器的光电转换规律。,PN结光伏探测器的典型结构如图所示。,一、结型光电器件工作原理,为了说明光功率转换成光电流
2、的关系,设想光伏探测器两端被短路,并用一理想电流表记录光照下流过回路的电流,该电流为短路光电流,(一)热平衡状态下的PN结,P型材料和N型材料紧密接触,在交界处就形成PN结,在热平衡条件下,PN结中净电流为零,如果有外加电压时结内平衡被破坏,此时流经PN结的电流方程?,ID与外加电压有关,当U=0时?,当U0时?,当U0时?,(1).PN 结正向偏置,P,N,+,_,内电场被削弱,多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,(2).PN结反向偏置,N,P,+,_,内电场被被加强,多子的扩散受抑制。少子漂移加强,但少子数量有限,只能形成较小的反向电流。,R,E,(二).光照下的PN结,假定光生电子-
3、空穴对在PN结的结区内产生。由于内电场作用,电子从P区向N区漂移运动,被内电场分离的电子和空穴就在外回路中形成电流。,流过负载的电流产生的压降,对PN结来说就好像是一个正偏置,从而产生正向电流!,自偏置,IP与光照有关,随着光照增大而增大,开路电压,短路电流,不同光照下的伏安特性曲线,光伏效应有两个重要参数:,当负载电阻短路(即RL=0)时,光生电压接近于零,流过器件的电流叫短路电流,用Isc表示,当负载电阻RL断开(IL0)时,P端对N端的电压称为开路电压,用Uoc表示,开路电压和短路电流,不同光照下的伏安特性曲线,一般硅光电池工作在第四象限。若硅光电池工作在反偏置状态,则伏安特性将延伸到第
4、三象限,普通二极管工作在第一象限;光电二极管工作在第三象限,否则没有光电效应。,通常把光伏工作模式的光伏探测器称为光电池。,在零偏置的开路状态,结型光电器件产生光生伏特效应,称为光伏工作模式。,在反偏置状态,无光照时结电阻很大,结电流很小;有光照时,结电阻变小,电流变大,而且流过它的光电流随照度变化而变化,称为光电导工作模式。,通常把光导工作模式的光伏探测器称为光电二极管,因为它的外回路特性与光电导探测器十分相似。,二、硅光电池,光电池主要功能是在零偏置的情况下能将光信号转换成电信号。按用途光电池可分为太阳能光电池和测量光电池,20世纪以来,人类在太阳能的利用方面,主要开发3项技术:,1.把太
5、阳能转换为热能技术,如太阳能热水器、取暖器等;,2.太阳能电池和太阳能电站等;,3.正在进行可行性研究技术,如太阳能卫星(太空电站)。,由卫星组成的太空电站可在高空轨道上大面积聚集阳光,并转换成电能,再通过微波发生器转换成微波发回地面,地面接收天线再把微波整流并送往相关电力网,供用户使用。,两种转换方式?,(二)分类:,(一)硅光电池的基本结构和工作原理,1、金属-半导体接触型(肖特基结)(硒光电池);,2、PN结型(硅光电池)。,2DR(P型Si为基底),2CR(N型Si为基底),透明的二氧化硅保护膜:防潮、增加对入射光的吸收,(1)按基底材料来分:,硅光电池的受光面的输出电极多做成梳齿状或
6、“E”字型电极,其目的是便于透光和减小硅光电池的内电阻。,图2DR型硅光电池,它是以P型硅为衬底,然后在衬底上扩散磷而形成N型层并将其作为受光面。,注意:,1、上、下电极区分2、受光表面涂保护膜的目的,(2)按结构,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。,光敏面,光电池外形,能提供较大电流的大面积光电池外形,(3)按用途,太阳能光电池:用作电源(效率高,成本低);,测量用光电池:探测器件(线性、灵敏度高等)。,(4)按材料,硅光电池:光谱响应宽,频率特性好;,硒光电池:波谱峰值位于人眼视觉内;,薄膜光电池:CdS增强抗辐射能力;,紫光电池:PN
7、结0.20.3 m,短波峰值600nm。,(三)硅光电池的特性参数,光照特性有伏安特性、照度-电流电压特性和照度-负载特性。,1.光照特性,特性参数主要有:光照特性、光谱特性、频率特性、温度特性,不同照度时的伏-安特性曲线.一般硅光电池工作在第四象限。若硅光电池工作在反偏置状态,则伏安特性将延伸到第三象限,伏安特性:表示输出电流和电压随负载电阻变化的曲线。,在线性测量中,光电池常以电流形式使用,因此短路电流的这种线性关系是光电池重要的光照特性,在要求输出电流与光照度成线性关系时,负载电阻在条件许可的情况下越小越好,并限制在强光照范围内使用,这就是硅光电池的开路电压和短路电流与光照的关系,由此图
8、可看出什麽?,当RL=(开路)时,光电池的开路电压,以Voc表示,当RL0 时所得的电流称为光电池短路电流,以Isc表示,实际应用时,都接负载,光电池光照与负载的特性曲线,几种常见光电池的相对光谱响应曲线:硒光电池与人眼视见函数相似,砷化镓量子效率高,噪声低,响应在紫外区和可见光区。,2CR型硅光电池的光谱曲线,其响应范围为0.41.1m,峰值波长为0.80.9m,是非常适合人眼的光电池,2.光谱特性,光谱响应特性表示在入射光能量保持一定的条件下,光电池所产生的短路电流与入射光波长之间的关系,一般用相对响应表示。,线性测量中,要求光电池有高的灵敏度和稳定性,同时要求与人眼视见函数有相似的光谱响
9、应特性。,锗光电池长波响应宽,适合作红外探测器,由图可见:负载大时频率特性变差,减小负载可减小时间常数,提高频响。但是负载电阻RL的减小会使输出电压降低,实际使用时根据具体要求而定。,3.频率特性,对矩形脉冲光,用光电流上升时间常数tr和下降时间常数tf来表征光电流滞后于光照的程度;对正弦型光照常用频率特性曲线表示,结型光电器件,PN结内载流子的扩散、漂移,产生与复合都需要一定的时间,当光照变化很快时,光电流变化就滞后于光照变化。,右图为硅光电池的频率特性曲线。,4温度特性,光电池的温度特性曲线主要指光照射时它的开路电压Uoc与短路电流Isc随温度变化的情况。,光电池的温度特性曲线如图所示,从
10、图知:开路电压Uoc随着温度的升高而减小,其值约为23mV/oC;,从图知:短路电流Isc随着温度的升高而增大,增大比例约为10-510-3mA/oC数量级。,光电池应用,把光能直接转化成电能,需要最大的输出功率和转化效率。,1、光电池用作太阳能电池,利用其光敏面大,频率响应高,光电流与照度线性变化,适用于开关和线性测量等。,2、光电池用作检测元件,可把受光面做得较大,或把多个光电池作串联或并联组成电池组,与镍镉蓄电池配合;可作为卫星、微波站等无输电线路地区的电源供给。,柔光罩下面为圆形光电池,其他光电池及在照度测量中的应用,太阳能赛车,太阳能电动机模型,太阳能硅光电池板,光电池在动力方面的应
11、用(1),太阳能发电,光电池在动力方面的应用(2),光电池在动力方面的应用(3),光电池在人造卫星上的应用,(一)、光电二极管,三 光电二极管和光电二极管,1.硅光电二极管结构及工作原理,光电二极管是基于PN结的光电效应工作的,它主要用于可见光及红外光谱区。光电二极管通常在反偏置条件下工作,也可用在零偏置状态。,没有光照:由于二极管反向偏置,所以反向电流很小,这时的电流称为暗电流,相当于普通二极管的反向饱和漏电流。,有光照射:在二极管的PN结附近产生的电子-空穴对数量也随之增加,光电流也相应增大,光电流与照度成正比。,没有光照时:由于二极管反向偏置,反向电流(暗电流)很小,光照增加时:光电流I
12、p与光照度成正比关系,UO,+,-,N,P,实际上,不是不能加正向电压,只是正接以后就与普通二极管一样,只有单向导电性,而表现不出它的光电效应。,光敏二极管接法,硅光电二极管符号和接法,国产硅光电二极管按衬底材料的不同分为:,2CU系列以N-Si为衬底;2DU系列以P-Si为衬底。,2CU系列光电二极管有两个引出线(前极、后极),2DU系列光电二极管有三条引出线(前极、后极和环极),2DU管加环极的目的是为了减少暗电流和噪声。,硅光电二极管结构示意图,2.与普通二极管相比,共同点:一个PN结,单向导电性,不同点:,(1)受光面大,PN结面积更大,PN结深度较浅,(2)表面有防反射的SiO2保护
13、层,(3)外加反偏置,3.与光电池相比,共同点:均为PN结,利用光伏效应,SiO2保护膜,不同点:,(1)结面积比光电池的小,频率特性好;,(2)光生电势与光电池相同,但电流比光电池小;,(3)可在零偏压下工作,常在反偏置下工作。,光敏二极管阵列,光敏二极管外形,包含1024个InGaAs元件的线性光电二极管阵列,可用于分光镜。,在N+侧开窗,引出一个电极作“集电极c”,中间的P型层引出“基极b”,也可以不引出来,在N型硅片的衬底上引出一个“发射极e”。,(二).硅光电三极管,硅光电三极管具有电流放大作用,它的集电极电流受基极的光强控制。,以3DU型为例讨论硅光电三极管的结构和工作原理,硅光电
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