半导体器件物理课件-第七章.ppt

第七章第七章 太阳电池和光电二极太阳电池和光电二极管管 7.1 7.1 半导体中的光吸收半导体中的光吸收7.1 7.1 半导体中的光吸收半导体中的光吸收 假设半导体被一光子能量假设半导体被一光子能量 大于禁带宽度的光源大于禁带宽度的光源均匀均匀照射。光子通量为照射。光子通量为 。图图7-1 7-1 从紫外区到红外区的电磁波谱图从紫外区到红外区的电磁波谱图 7.1 7.1 半导体中的光吸收半导体中的光吸收 当光子在半导体中传播时，在距表面当光子在半导体中传播时，在距表面x x处单位时间、单位距离上被吸收的光子数应当正比处单位时间、单位距离上被吸收的光子数应当正比于该处的光子通量于该处的光子通量即即 在在 时，时，。方程（。方程（7-17-1）的解为）的解为 在半导体的另一端（图在半导体的另一端（图7-37-3b b）处，光子通量为处，光子通量为 式式中中比比例例系系数数 叫叫做做吸吸收收系系数数它它是是 的的函函数数。光光吸吸收收在在截截止止波波长长 处处急急剧剧下下降降。（7-7-2 2）（7-7-3 3）（7-47-4）7.1 7.1 半导体中的光吸收半导体中的光吸收 图图7-4 7-4 几种半导体的吸收系数几种半导体的吸收系数7.1 7.1 半导体中的光吸收半导体中的光吸收 教学要求教学要求v 7.2 7.2 P-NP-N结的光生伏特效应结的光生伏特效应7.2 7.2 P-NP-N结的光生伏特效应结的光生伏特效应 P-NP-N结结光光生生伏伏打打效效应应就就是是半半导导体体吸吸收收光光能能后后在在P-NP-N结结上上产产生生光光生生电电动动势势的的效效应应。光光生伏打效应涉及到以下三个主要的物理过程：生伏打效应涉及到以下三个主要的物理过程：第一、半导体材料吸收光能产生出非平衡的电子第一、半导体材料吸收光能产生出非平衡的电子空穴对；空穴对；第二、非平衡电子和空穴从产生处向非均匀势场区运动，这种运动可以是扩散运动，也第二、非平衡电子和空穴从产生处向非均匀势场区运动，这种运动可以是扩散运动，也可以是漂移运动；可以是漂移运动；第三、非平衡电子和空穴在非均匀势场作用下向相反方向运动而分离。这种非均匀势场第三、非平衡电子和空穴在非均匀势场作用下向相反方向运动而分离。这种非均匀势场 可以是结的空间电荷区，也可以是金属可以是结的空间电荷区，也可以是金属半导体的肖特基势垒或异质结势垒等。半导体的肖特基势垒或异质结势垒等。7.2 7.2 P-NP-N结结的光生伏特效的光生伏特效应应 图图7-5 7-5 P-NP-N结结能能带带图图：（a a）无无光光照照平平衡衡P-N结结，（b b）光光照照P-N结结开开路路状状态态，（c c）光照光照P-NP-N结有串联电阻时的状态结有串联电阻时的状态 。7.2 7.2 P-NP-N结的光生伏特效应结的光生伏特效应 对于在整个器件中均匀吸收的情形，短路光电流可以用下式表示对于在整个器件中均匀吸收的情形，短路光电流可以用下式表示 式中式中为光照电子为光照电子 空穴对的产生率空穴对的产生率为为P-N结面积结面积为光生载流子的体积。为光生载流子的体积。由式（由式（7-57-5）可知短路光电流取决于光照强度和）可知短路光电流取决于光照强度和P-NP-N结的性质。结的性质。（7-7-5 5）7.2 7.2 P-NP-N结的光生伏特效应结的光生伏特效应 小结小结 概念：光生伏打效应、暗电流概念：光生伏打效应、暗电流 PNPN结光生伏特效应的基本过程：结光生伏特效应的基本过程：第一，半导体材料吸收光能产生出非平衡的电子第一，半导体材料吸收光能产生出非平衡的电子空穴对；空穴对；第二，非平衡电子和空穴从产生处向非均匀势场区运动，这种运动可以是扩散运动，第二，非平衡电子和空穴从产生处向非均匀势场区运动，这种运动可以是扩散运动，也可以是漂移运动；也可以是漂移运动；第三，非平衡电子和空穴在非均匀势场作用下向相反方向运动而分离。分离的电子第三，非平衡电子和空穴在非均匀势场作用下向相反方向运动而分离。分离的电子 和空穴在半导体中产生了光生电动势。和空穴在半导体中产生了光生电动势。利利用用能能带带图图分分析析了了光光生生电电动动势势的的产产生生：非非平平衡衡载载流流子子的的产产生生预预示示着着热热平平衡衡的的统统一一费费米米能级分开，开路时电子和空穴的准费米能级之差等于光生电动势。能级分开，开路时电子和空穴的准费米能级之差等于光生电动势。7.2 7.2 P-NP-N结的光生伏特效应结的光生伏特效应 小结小结 在半导体均匀吸收的情况下，短路光电流为在半导体均匀吸收的情况下，短路光电流为 （7-57-5）串联电阻和负载电阻上的电压降加在串联电阻和负载电阻上的电压降加在PNPN结上，对结上，对PNPN结来说这是一个正偏压结来说这是一个正偏压,它它 使使PNPN结产生正向电流结产生正向电流 这个电流的方向与光生电流的方向正好相反，称为暗电流，是太阳电池中的不利因素。这个电流的方向与光生电流的方向正好相反，称为暗电流，是太阳电池中的不利因素。7.2 7.2 P-NP-N结的光生伏特效应结的光生伏特效应 教学要求教学要求掌握概念：光生伏打效应、暗电流掌握概念：光生伏打效应、暗电流分析了分析了PNPN结光生伏特效应的基本过程结光生伏特效应的基本过程利用能带图分析光生电动势的产生利用能带图分析光生电动势的产生解释短路光电流公式（解释短路光电流公式（7-57-5）的含义）的含义暗电流是怎么产生的？能否去除？暗电流是怎么产生的？能否去除？7.3 7.3 太阳电池的太阳电池的I-VI-V特性特性7.3 7.3 太阳电池的太阳电池的I-VI-V特性特性 图图7-6 7-6 太阳电池理想等效电路太阳电池理想等效电路 7.3 7.3 太阳电池的太阳电池的I-VI-V特性特性 首先考虑串联电阻首先考虑串联电阻 =0 =0 的理想情况。在这种情况下，太阳电池的等效电路如图的理想情况。在这种情况下，太阳电池的等效电路如图7-67-6所所示。图中电流源为短路光电流示。图中电流源为短路光电流 。V-I V-I特性可以简单地由图特性可以简单地由图7-67-6所示的等效电路写出。所示的等效电路写出。式中式中 为为P-N P-N 结正向电流结正向电流 为为P-N P-N 结饱和电流结饱和电流 P-N P-N 结的结电压即为负载结的结电压即为负载R R上的电压降。上的电压降。（7-67-6）7.3 7.3 太阳电池的太阳电池的I-VI-V特性特性 P-N结上的电压为结上的电压为 在开路情况下，在开路情况下，I=0，得到开路电压（这是太阳电池能提供的最大电压得到开路电压（这是太阳电池能提供的最大电压）在短路情况下（在短路情况下（V=0），），这是太阳电池能提供的最大电流。这是太阳电池能提供的最大电流。太阳电池向负载提供的功率为太阳电池向负载提供的功率为 （7-97-9）（7-77-7）（7-87-8）（7-107-10）7.3 7.3 太阳电池的太阳电池的I-VI-V特性特性 图图7-7 7-7 一个典型的太阳电池在一级气团（一个典型的太阳电池在一级气团（AM1AM1）光照下的光照下的I-V特性，特性，AM1AM1即即太阳在天顶时及测试器件在晴朗天空下海平面上的太阳能太阳在天顶时及测试器件在晴朗天空下海平面上的太阳能7.3 7.3 太阳电池的太阳电池的I-VI-V特性特性 实际的太阳电池存在着串联电阻和分流电阻。考虑到串联电阻和分流电阻作用的特性实际的太阳电池存在着串联电阻和分流电阻。考虑到串联电阻和分流电阻作用的特性公式公式 图图7-8 7-8 包括串联电阻和分流电阻的太阳电池等效电路包括串联电阻和分流电阻的太阳电池等效电路7.3 7.3 太阳电池的太阳电池的I-VI-V特性特性 结论结论根据等效电路写出了太阳电池的根据等效电路写出了太阳电池的I IV V特性方程。特性方程。给给出出了了一一个个典典型型太太阳阳电电池池的的I-VI-V特特性性曲曲线线（图图），根根据据太太阳阳电电池池的的I IV V特特性性方方程程解解释释了了该曲线所包含的物理意义。该曲线所包含的物理意义。实实际际的的太太阳阳电电池池存存在在着着串串联联电电阻阻和和分分流流电电阻阻。考考虑虑到到串串联联电电阻阻和和分分流流电电阻阻作作用用的的V-I特性公式为特性公式为理想太阳电池向负载提供的功率为理想太阳电池向负载提供的功率为 （7-67-6）（7-117-11）（7-107-10）7.3 7.3 太阳电池的太阳电池的I-VI-V特性特性 教学要求教学要求画出理想太阳电池等效电路图画出理想太阳电池等效电路图根据电池等效电路图写出了太阳电池的根据电池等效电路图写出了太阳电池的I IV V特性方程（特性方程（7-67-6）了解太阳电池的了解太阳电池的I-VI-V特性曲线（图特性曲线（图），根据太阳电池的），根据太阳电池的I IV V特性方程解释该曲线所特性方程解释该曲线所包含的物理意义。包含的物理意义。画出实际太阳电池等效电路图根据等效电路图写出画出实际太阳电池等效电路图根据等效电路图写出I IV V特性方程（特性方程（7-117-11）v5.5.作业：作业：7.4 7.4 太阳电池的效率太阳电池的效率7.4 7.4 太阳电池的效率太阳电池的效率 太阳电池的效率指的是太阳电池的功率转换效率。它是太阳电池的最大输出电功率与太阳电池的效率指的是太阳电池的功率转换效率。它是太阳电池的最大输出电功率与入光功率的百分比：入光功率的百分比：式中式中为输入光功率，为阳电池的最大输出功率：为输入光功率，为阳电池的最大输出功率：对于理想太阳电池根据（）式，时得最大功率条件对于理想太阳电池根据（）式，时得最大功率条件 （7-127-12）（7-137-13）（7-147-14）7.4 7.4 太阳电池的效率太阳电池的效率 从式（）中解出，再将其代入式（从式（）中解出，再将其代入式（7-67-6）得）得 于是太阳电池最大输出功率于是太阳电池最大输出功率 引进占空因数这一概念，太阳电池的效率可写作引进占空因数这一概念，太阳电池的效率可写作 （7-17-17 7）（7-17-18 8）（7-17-19 9）7.4 7.4 太阳电池的效率太阳电池的效率 小结小结 太太阳阳电电池池的的效效率率指指的的是是太太阳阳电电池池的的功功率率转转换换效效率率。它它是是太太阳阳电电池池的的最最大大输输出出功率与输入光功率的百分比：功率与输入光功率的百分比：太阳电池的最大输出功率太阳电池的最大输出功率引进占空因数这一概念，给出了太阳电池的效率公式引进占空因数这一概念，给出了太阳电池的效率公式 （7-127-12）（7-187-18）（7-197-19）7.4 7.4 太阳电池的效率太阳电池的效率 教学要求教学要求 了解概念：转换效率、占空因数了解概念：转换效率、占空因数导出太阳电池的最大输出功率公式（导出太阳电池的最大输出功率公式（7-187-18）。）。v作业：作业：7.67.6、7.10 7.10 7.5 7.5 光产生电流和收集效率光产生电流和收集效率7.5 7.5 光产生电流和收集效率光产生电流和收集效率 考考虑虑通通量量为为的的光光子子入入射射到到“P在在N上上”的的结结构构的的表表面面。忽忽略略表表面面反反射射，则则吸吸收收率率正正比比于于光光通量：通量：假设吸收每个光子产生一个电子假设吸收每个光子产生一个电子空穴对，则电子空穴对，则电子空穴对的产生率为空穴对的产生率为 （7-207-20）产生率是表面深度的函数。稳定条件下产生率是表面深度的函数。稳定条件下PN结结N侧的空穴扩散方程为侧的空穴扩散方程为 （7-217-21a a）7.5 7.5 光产生电流和收集效率光产生电流和收集效率 与此类似，描述结的与此类似，描述结的P侧电子的扩散方程为侧电子的扩散方程为 在在P-N结处每单位面积电子和空穴电流分量分别为结处每单位面积电子和空穴电流分量分别为 光子吸收效率定义为光子吸收效率定义为 （7-237-23）（7-217-21b b）（7-227-22a a）（7-227-22b b）7.5 7.5 光产生电流和收集效率光产生电流和收集效率 例例题题：推推导导出出P P在在上上N N长长P P+N N电电池池的的N N侧侧内内光光生生少少数数载载流流子子密密度度和和电电流流的的表表达达式式，假假设设在在背背面面接接触触处处的的表表面面复复合合速速度度为为S S，入入射射光光是是单单色色的的。P P+层层内内的的吸吸收收可可以以忽略不计。忽略不计。解：解：方程（方程（7-217-21a a）的边界条件为的边界条件为 方程（方程（7-217-21a a）的解为：的解为：7.5 7.5 光产生电流和收集效率光产生电流和收集效率 （7-27-24 4）从从P P+侧流到侧流到N N侧的电子电流用同样方法可以求得。侧的电子电流用同样方法可以求得。（7-257-25）7.5 7.5 光产生电流和收集效率光产生电流和收集效率 图图7-9 7-9 入入射射光光为为和和的的归归一一化化少少数数载载流流子子分分布布。器器件件参参数数为为xjs,=10ns,s,=10ns,以及以及S=100cm/s=100cm/s7.5 7.5 光产生电流和收集效率光产生电流和收集效率 根据少子空穴浓度表达式可以看到，在短波（根据少子空穴浓度表达式可以看到，在短波（550nm）时，由于吸收系数比较大，大多数时，由于吸收系数比较大，大多数光光子子在在接接近近表表面面的的一一个个薄薄层层内内被被吸吸收收而而产产生生电电子子空空穴穴对对。在在较较长长时时（900nm），较较小小，吸收多发生在吸收多发生在P-N结的结的N侧。所形成的少数载流子分布绘于图侧。所形成的少数载流子分布绘于图7-97-9中。中。收集效率：收集效率：入射光为单色光且光子数已知，把（入射光为单色光且光子数已知，把（7-257-25）式代入（）式代入（7-237-23）式，可以得到在）式，可以得到在N侧每一侧每一波长的收集效率。波长的收集效率。收集效率受到少数载流子扩散长度和吸收系数的影响，扩散长度应尽可能地长以收集所收集效率受到少数载流子扩散长度和吸收系数的影响，扩散长度应尽可能地长以收集所有光生载流子。在有些太阳电池中，通过杂质梯度建立自建场以改进载流子的收集。就有光生载流子。在有些太阳电池中，通过杂质梯度建立自建场以改进载流子的收集。就吸收系数的影响来说，大的吸收系数的影响来说，大的 值导致接近表面处的大量吸收，造成在表面层内的强烈值导致接近表面处的大量吸收，造成在表面层内的强烈收集。小的收集。小的 值使光子能向深处穿透，以致太阳电池的基底在载流子的收集当中更为重值使光子能向深处穿透，以致太阳电池的基底在载流子的收集当中更为重要。一般的要。一般的GaAsGaAs电池属于前者，硅太阳电池属于后一种类型。电池属于前者，硅太阳电池属于后一种类型。7.5 7.5 光产生电流和收集效率光产生电流和收集效率 图7-10 图7-9中太阳电池的收集效率与波长的对应关系 7.5 7.5 光产生电流和收集效率光产生电流和收集效率小结小结考虑半导体吸收，电子考虑半导体吸收，电子空穴对的产生率为空穴对的产生率为产生率是表面深度的函数。产生率是表面深度的函数。定义了光子收集效率：定义了光子收集效率：举例分析了电子空穴对的产生率与光子频率和透入深度的关系：举例分析了电子空穴对的产生率与光子频率和透入深度的关系：在在短短波波（500nm）时时，由由于于吸吸收收系系数数比比较较大大大大多多数数光光子子在在接接近近表表面面的的一一个个薄薄层层内内被被吸吸收而产生电子收而产生电子空穴对。在较长时长时（空穴对。在较长时长时（900nm），），较小，吸收多发生在较小，吸收多发生在PN结的结的N侧侧（7-207-20）（7-237-23）7.5 7.5 光产生电流和收集效率光产生电流和收集效率小结小结给出了在不同波长上收集效率的理论值（图给出了在不同波长上收集效率的理论值（图7-107-10）。）。收集效率与少数载流子扩散长度和吸收系数有关：收集效率与少数载流子扩散长度和吸收系数有关：扩散长度应尽可能地长以收集所有光生载流子。在有些太阳电池中，通过杂质梯度建扩散长度应尽可能地长以收集所有光生载流子。在有些太阳电池中，通过杂质梯度建立自建场以改进载流子的收集。立自建场以改进载流子的收集。吸收系数的影响是：大的吸收系数的影响是：大的值导致接近表面处的大量吸收，造成在表面层内的强烈收值导致接近表面处的大量吸收，造成在表面层内的强烈收集。小的集。小的值使光子能向深处穿透，以至太阳电池的基底在载流子的收集当中更为重要。值使光子能向深处穿透，以至太阳电池的基底在载流子的收集当中更为重要。一般地一般地GaAs电池属于前者，硅太阳电池属于后一种类型。电池属于前者，硅太阳电池属于后一种类型。以上分析为太阳电池的设计提供了重要参考。以上分析为太阳电池的设计提供了重要参考。7.6 7.6 提高太阳电池效率的考虑提高太阳电池效率的考虑7.6 7.6 提高太阳电池效率的考虑提高太阳电池效率的考虑 在在实实际际的的太太阳阳电电池池中中，多多种种因因素素限限制制着着器器件件的的性性能能，因因而而在在太太阳阳电电池池的的设设计计中中必必须须考考虑虑这这些限制因素。些限制因素。图图7-11在在AM0AM0和和AM1AM1条件下下的太阳光谱及其在条件下下的太阳光谱及其在GaAsGaAs和中和中SiSi的能量截止点的能量截止点7.6 7.6 提高太阳电池效率的考虑提高太阳电池效率的考虑 只有大于只有大于的那部分能量可以被吸收。的那部分能量可以被吸收。可见，可见，越小越小越大从而越大从而越大。可被吸收的最大光子数在硅中为：越大。可被吸收的最大光子数在硅中为：,在在GaAs中为：中为：最大功率考虑最大功率考虑太阳电池的最大输出功率由开路电压和短路电流所决定。由光谱考虑，发现太阳电池的最大输出功率由开路电压和短路电流所决定。由光谱考虑，发现随着的随着的增加而减小。开路电压增加而减小。开路电压 乘积会出现一极大值。乘积会出现一极大值。由由（7-57-5）（7-277-27）7.6 7.6 提高太阳电池效率的考虑提高太阳电池效率的考虑 图图7-12最大转换效率的理论值与禁带能量之间的对应关系最大转换效率的理论值与禁带能量之间的对应关系7.6 7.6 提高太阳电池效率的考虑提高太阳电池效率的考虑 串联电阻考虑串联电阻考虑图图7-137-13串联电阻和分流电阻对串联电阻和分流电阻对I-VI-V曲线的影响曲线的影响 7.6 7.6 提高太阳电池效率的考虑提高太阳电池效率的考虑 达到最佳设计，需要对掺杂浓度和结深采取折衷。达到最佳设计，需要对掺杂浓度和结深采取折衷。实际的接触是采用示于图实际的接触是采用示于图7-147-14中的栅格形式。这种结构能够有大的曝光面积，而同中的栅格形式。这种结构能够有大的曝光面积，而同时又使串联电阻保持合理的数值。时又使串联电阻保持合理的数值。图图7-14 7-14 P P上扩散上扩散N N的硅电池的简单结构的硅电池的简单结构 7.6 7.6 提高太阳电池效率的考虑提高太阳电池效率的考虑 表面反射采用表面反射采用抗反射层抗反射层理想的抗反射层材料折射率应为理想的抗反射层材料折射率应为。聚光聚光聚聚光光是是用用聚聚光光器器面面积积代代替替许许多多太太阳阳能能电电池池的的面面积积，从从而而降降低低太太阳阳能能电电池池造造价价。它它的的另一个优点是增加效率。另一个优点是增加效率。因此一个电池在因此一个电池在1000个太阳强度的聚光度下工作产生的输出功率相当于个太阳强度的聚光度下工作产生的输出功率相当于1300个电池个电池在一个太阳强度下工作的输出功率。在一个太阳强度下工作的输出功率。阅读：第、节阅读：第、节7-9 7-9 光电二极管光电二极管光电二极管工作原理：光照反偏光电二极管工作原理：光照反偏PNPN结，产生的光生载流子结，产生的光生载流子被空间电荷区电场漂移形成反向电流。光电二极管把光信被空间电荷区电场漂移形成反向电流。光电二极管把光信号转换成了电信号。反向的光电流的大小与入射光的强度号转换成了电信号。反向的光电流的大小与入射光的强度和波长有关。光电二极管用于探测光信号。和波长有关。光电二极管用于探测光信号。7-9 7-9 光电二极管光电二极管 P-I-N光电二极管光电二极管图图7-20P-I-N光电二极管的工作原理，（光电二极管的工作原理，（a）光电二极管的剖面图；光电二极管的剖面图；(b）反向偏置时的能带图；（反向偏置时的能带图；（c）光吸收特性光吸收特性7-9 7-9 光电二极管光电二极管 在长距离的光纤通信系统中多采用在长距离的光纤通信系统中多采用 的双异质的双异质结结P-I-NP-I-N光电二极管中，光电二极管中，P-InPeVP-InPeV，对波长大于对波长大于 的光不吸收。的光不吸收。eVeV（对应截止时波长对应截止时波长 ），在），在 波段波段上表现出较强的吸收。这样，对于光通信的低损耗波段，光吸收只发生在上表现出较强的吸收。这样，对于光通信的低损耗波段，光吸收只发生在I I层，完全消了层，完全消了扩散电流的影响，几微米厚的扩散电流的影响，几微米厚的I I层，就可就可以获得很高的响应度。具有良好的频率层，就可就可以获得很高的响应度。具有良好的频率响应。响应。阅读：、7.9.3 7-9 7-9 光电二极管光电二极管小结小结光光电电二二极极管管的的工工作作原原理理：光光电电二二极极管管和和太太阳阳电电池池一一样样，都都是是利利用用光光生生伏伏特特效效应应工工作作的的器器件件。与与太太阳阳电电池池不不同同之之处处在在于于，光光电电二二极极管管工工作作时时要要加加上上反反向向偏偏压压。光光电电二二极极管管接接受受光光照照之之后后，产产生生与与入入射射光光强强度度成成正正比比的的光光生生电电流流，所所以以能能把把光光信信号号变变成成电电信信号号达达到到探测光信号的目的。探测光信号的目的。介绍了介绍了P-I-NP-I-N光电二极管的工作原理的基本结构、能带图和工作原理。光电二极管的工作原理的基本结构、能带图和工作原理。I I层也叫耗尽层层也叫耗尽层起到增加耗尽层宽度的作用。在足够高的反偏压下，起到增加耗尽层宽度的作用。在足够高的反偏压下，I I层完全变成耗尽层，其中产生层完全变成耗尽层，其中产生的电子的电子空穴对立刻被电场分离而形成光电流。空穴对立刻被电场分离而形成光电流。7-9 7-9 光电二极管光电二极管教学要求教学要求了解光电二极管的工作原理。了解光电二极管的工作原理。了解了解P-I-N光电二极管的工作原理的基本结构、能带图和工作原理。光电二极管的工作原理的基本结构、能带图和工作原理。P-I-NP-I-N光电二极管中。光电二极管中。I I层的作用是什么？层的作用是什么？光电二极管中有哪两种电流？它们的形成机制和特点是什么？光电二极管中有哪两种电流？它们的形成机制和特点是什么？的双异质结光电二极管中为什么不出现扩散电流？的双异质结光电二极管中为什么不出现扩散电流？7.10 7.10 光电二极管的特性参数光电二极管的特性参数7.10 7.10 光电二极管的特性参数光电二极管的特性参数 量子效率和响应度量子效率和响应度 即单位入射光子所产生的电子空穴对数。即单位入射光子所产生的电子空穴对数。产生明显光电流的波长是有限制的：产生明显光电流的波长是有限制的：长波限长波限由禁带宽度决由禁带宽度决定。光响应也有短波极限。定。光响应也有短波极限。图图7-257-25示示出出了了一一些些高高速速光光电电二二极极管管量量子子效效率率和和波波长长关关系系的的典典型型曲曲线线。可可以以看看到到，在在紫紫外外和和可可见见光光区区，金金属属 半半导导体体光光电电二二极极管管有有很很高高的的量量子子效效率率；在在近近红红外外区区，硅硅光光电电二二极极管管（有有抗抗反反射射涂涂层层）在在到到附附近近，量量子子效效率率可可达达100%100%；在在到到的的区区域域，锗锗光光电电二二极极管管和和IIIIII V V族族光光电电二二极极管管（如如CaLnAS）有有很很高高的的量量子子效效率率。对对于于更更长长的的波波长长，为为了了获获得得高高的的量量子效率，光电二极管需进行冷却（例如用液氮冷却到子效率，光电二极管需进行冷却（例如用液氮冷却到77K）。）。（7-297-29）（7-307-30）7.10 7.10 光电二极管的特性参数光电二极管的特性参数 图图7-25不同光电二极管量子效率和波长的关系不同光电二极管量子效率和波长的关系7.10 7.10 光光电电二极管的特性参数二极管的特性参数 响应度响应度表征光电二极管的转换效率，定义为短路光电流与输入光功率之比：高的响应表征光电二极管的转换效率，定义为短路光电流与输入光功率之比：高的响应度要求有厚的度要求有厚的I层层 （7-317-31）7.10 7.10 光电二极管的特性参数光电二极管的特性参数 响应速度（带宽）响应速度（带宽）定义为当交流光电流下降到低频的时的定义为当交流光电流下降到低频的时的调制频率。它也称调制频率。它也称为为3dB频率或频率或3dB带宽。带宽。响应速度（带宽）主要受下列三个因素的控响应速度（带宽）主要受下列三个因素的控制：制：（1 1）载载流流子子的的扩扩散散。在在耗耗尽尽层层外外边边产产生生的的载载流流子子必必须须扩扩散散到到P-N结结，这这将将引引起起可可观观的的时时间延迟。为了将扩散效应减到最小，间延迟。为了将扩散效应减到最小，P-N结尽可能接近表面结尽可能接近表面。（2 2）在在耗耗尽尽层层内内的的漂漂移移时时间间。这这是是影影响响带带宽宽的的主主要要因因素素。减减少少耗耗尽尽层层渡渡越越时时间间要要求求耗耗尽尽层要尽可能地窄。但耗尽层太窄会使器件吸收光子减小而影响响应度。层要尽可能地窄。但耗尽层太窄会使器件吸收光子减小而影响响应度。7.10 7.10 光电二极管的特性参数光电二极管的特性参数 （3 3）耗尽层电容。耗尽层太窄，会使耗尽层电容过大，从而使时间常数）耗尽层电容。耗尽层太窄，会使耗尽层电容过大，从而使时间常数RCRC过大（这过大（这 里里R R是负载电阻），是负载电阻），因此耗尽层宽度要有一个最佳选择：因此耗尽层宽度要有一个最佳选择：它是当交流光电流下降到低频的它是当交流光电流下降到低频的 时的调制频率。时的调制频率。是耗尽层宽度，是耗尽层宽度，是饱是饱 和漂移速度，和漂移速度，为耗尽层渡越时间。为耗尽层渡越时间。（7-37-32 2）式中式中称为称为3dB频率或频率或3dB带宽。由下式确定带宽。由下式确定（7-337-33）7.10 7.10 光电二极管的特性参数光电二极管的特性参数 噪声特性噪声特性噪噪声声是是信信号号上上附附加加的的无无规规则则起起伏伏。它它可可使使信信号号变变得得模模糊糊甚甚至至被被淹淹没没。散散粒粒噪噪声声：是是由由一一个个个个入入射射光光子子产产生生的的不不均均匀匀的的或或杂杂乱乱的的电电子子 空空穴穴对对引引起起的的。也也就就是是说说是是由由通通过过器器件件的的粒粒子子（电电子子或或空空穴穴）数数无无规规则则起起伏伏引引起起的的。分分析析表表明，探测器散粒噪声电流即均方根噪声电流由下式估算。明，探测器散粒噪声电流即均方根噪声电流由下式估算。式中式中为电流强度，为电流强度，为测量的频率范围即带宽。为测量的频率范围即带宽。（7-357-35）7.10 7.10 光电二极管的特性参数光电二极管的特性参数 热热噪噪声声：来来自自电电阻阻值值为为R的的电电阻阻体体发发出出的的电电磁磁辐辐射射部部分分，由由载载流流子子无无规规则则散散射射引引起起。热热噪声的电流（均方值）为噪声的电流（均方值）为 接有输入电阻为接有输入电阻为R R的放大器时的总噪声电流（均方值）为的放大器时的总噪声电流（均方值）为 入射光在光吸收层中产生的光电流，即信号电流。入射光在光吸收层中产生的光电流，即信号电流。暗电流。暗电流。放大器的噪声系数和绝对温度之积，称为有效温度。放大器的噪声系数和绝对温度之积，称为有效温度。（7-367-36）（7-377-37）7.10 7.10 光电二极管的特性参数光电二极管的特性参数 其它的几个概念其它的几个概念信噪比信噪比光电二极管的信噪比为光电二极管的信噪比为其中其中 为为光光电电二极管的信号二极管的信号电流（令电流（令 ）为在负载为在负载R R两端产生的信号功率两端产生的信号功率在忽略暗电流和热噪声的情况下，光电二极管的信噪比为在忽略暗电流和热噪声的情况下，光电二极管的信噪比为 （7-407-40）（7-397-39）（7-387-38）（7-417-41）7.10 7.10 光电二极管的特性参数光电二极管的特性参数 噪声等效功率（噪声等效功率（NEP）NEP定定义义为为产产生生与与探探测测器器噪噪声声输输出出大大小小相相等等的的信信号号所所需需要要的的入入射射光光功功率率。NEPNEP标志探测器可探测的最小功率。在式（标志探测器可探测的最小功率。在式（7-417-41）中令）中令 ，就得，就得到到 （7-427-42）7.10 7.10 光电二极管的特性参数光电二极管的特性参数 比探测率（比探测率（D）探测率定义为探测率定义为 D依赖于探测器的面积和带宽依赖于探测器的面积和带宽。为了排除这些影响，引入比探测率。为了排除这些影响，引入比探测率。探测率（探测率（）是探测器的常用优值。选探测器时，一旦带宽条件选定，就应当选用是探测器的常用优值。选探测器时，一旦带宽条件选定，就应当选用 高的器件。高的器件。（7-437-43）（7-447-44）7.10 7.10 光电二极管的特性参数光电二极管的特性参数 小结小结 量子效率量子效率 即单位入射光子所产生的电子空穴对数。即单位入射光子所产生的电子空穴对数。产产生生明明显显光光电电流流的的波波长长是是有有限限制制的的。长长波波限限 由由禁禁带带宽宽度度决决定定。短短波波限限制制是是由由于于波波长长短短的光被表面强烈吸收。的光被表面强烈吸收。响应度：定义为短路光电流与输入光功率之比：响应度：定义为短路光电流与输入光功率之比：（7-297-29）（7-317-31）7.10 7.10 光电二极管的特性参数光电二极管的特性参数 小结小结由由于于量量子子效效率率和和响响应应度度都都与与光光电电流流成成正正比比，示示意意要要求求P PI IN N光光电电二二极极管管的的I I层层要要尽尽可可能地宽。能地宽。响响应应速速度度（带带宽宽）定定义义为为当当交交流流光光电电流流下下降降到到低低频频的的时时的的调调制制频频率率。它它也也称称为为频频率率或或带宽。带宽。响响应应速速度度（带带宽宽）主主要要受受下下列列三三个个因因素素的的控控制制：在在耗耗尽尽层层外外边边产产生生的的载载流流子子扩扩散散到到P-P-N N结结空空间间电电荷荷区区所所需需的的时时间间、载载流流子子在在耗耗尽尽层层内内的的漂漂移移时时间间和和耗耗尽尽层层电电容容时时间间常常数数RCRC。因此耗尽层宽度要的最佳选择：因此耗尽层宽度要的最佳选择：或或其它需要了解的参数。其它需要了解的参数。（7-327-32）（7-337-33）7.10 7.10 光电二极管的特性参数光电二极管的特性参数 教学要求教学要求掌握概念：量子效率、响应度、响应速度。掌握概念：量子效率、响应度、响应速度。了解本节介绍的其它概念。了解本节介绍的其它概念。列出光电二极管与太阳电池的三个主要不同之处。列出光电二极管与太阳电池的三个主要不同之处。