第10章 光電探測器和太陽能電池

1、半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理本章內(nèi)容本章內(nèi)容 光電探測器光電探測器 太陽能電池太陽能電池1第第1010章章 光電探測器和太陽能電池光電探測器和太陽能電池半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理第第1010章章 光電探測器和太陽能電池光電探測器和太陽能電池2n 光電探測器光電探測器：能夠?qū)⒐庑盘栟D(zhuǎn)換為電信號的半導(dǎo)體器件能夠?qū)⒐庑盘栟D(zhuǎn)換為電信號的半導(dǎo)體器件。n 光電探測器的工作過程包括三個(gè)步驟：光電探測器的工作過程包括三個(gè)步驟： 入射光產(chǎn)生載流子入射光產(chǎn)生載流子； 載流子輸運(yùn)及通過某種電流增益機(jī)制而倍增載流子輸運(yùn)及通過某種電流增益機(jī)制而倍增； 電流與外部電路作用，以提供輸出信號電流

2、與外部電路作用，以提供輸出信號。n 應(yīng)用：應(yīng)用：光隔離器中的紅外傳感器光隔離器中的紅外傳感器、光纖通信中的探測器等光纖通信中的探測器等。n 器件要求：在其工作波長處具有高靈敏度、高響應(yīng)速度及低器件要求：在其工作波長處具有高靈敏度、高響應(yīng)速度及低噪聲；結(jié)構(gòu)緊湊、偏置電壓或電流低，可靠性高。噪聲；結(jié)構(gòu)緊湊、偏置電壓或電流低，可靠性高。10.1 光電探測器光電探測器半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理3光照條件下，電導(dǎo)率的增加主要是由載流子數(shù)的增加引起的。光照條件下，電導(dǎo)率的增加主要是由載流子數(shù)的增加引起的。本征光敏電阻的長截止波長可由本征光敏電阻的長截止波長可由c=1.24/Eg得到得到。非本征光敏電阻非

3、本征光敏電阻，帶邊與禁帶內(nèi)的能級之間會(huì)產(chǎn)生光激發(fā)。在，帶邊與禁帶內(nèi)的能級之間會(huì)產(chǎn)生光激發(fā)。在這種情況下，這種情況下，長截止波長則取決于禁帶能級的深度長截止波長則取決于禁帶能級的深度。本征光敏電阻本征光敏電阻，電導(dǎo)率為，電導(dǎo)率為 npqnp10.1.1 光敏電阻光敏電阻光敏電阻僅包含一光敏電阻僅包含一半導(dǎo)體平板半導(dǎo)體平板，其兩，其兩端具有端具有歐姆接觸歐姆接觸，如右圖所示。入射，如右圖所示。入射光照到光敏電阻表面時(shí)，會(huì)通過帶至光照到光敏電阻表面時(shí)，會(huì)通過帶至帶躍遷（本征）或通過禁帶能級的躍帶躍遷（本征）或通過禁帶能級的躍遷（非本征）產(chǎn)生電子遷（非本征）產(chǎn)生電子-空穴對，從而空穴對，從而導(dǎo)致電導(dǎo)率

4、增加。導(dǎo)致電導(dǎo)率增加。hWLD歐姆接觸歐姆接觸半導(dǎo)體hWLD歐姆接觸歐姆接觸半導(dǎo)體圖8.30由一半導(dǎo)體平板與兩端的接觸所構(gòu)成的光敏電阻的示意圖第第1010章章 光電探測器和太陽能電池光電探測器和太陽能電池半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理4n 光電二極管基本上是一個(gè)工作于光電二極管基本上是一個(gè)工作于反向偏壓的反向偏壓的p-n結(jié)結(jié)。n 當(dāng)光信號入射至光電二極管的耗盡區(qū)時(shí)，耗盡區(qū)電場會(huì)使光當(dāng)光信號入射至光電二極管的耗盡區(qū)時(shí)，耗盡區(qū)電場會(huì)使光生電子生電子-空穴對分離，同時(shí)產(chǎn)生流至外部電路的電流，即光電空穴對分離，同時(shí)產(chǎn)生流至外部電路的電流，即光電流流Ip。n 為了能在高頻下工作，為了能在高頻下工作，器件耗

5、盡區(qū)必須足夠薄，以縮短渡越器件耗盡區(qū)必須足夠薄，以縮短渡越時(shí)間時(shí)間；n 為了提高量子效率，器件耗盡層又必須足夠厚，以使大部分為了提高量子效率，器件耗盡層又必須足夠厚，以使大部分入射光能被吸收入射光能被吸收；n 因此，在因此，在響應(yīng)速度與量子效率之間必須有所取舍響應(yīng)速度與量子效率之間必須有所取舍。10.1.2 光電二極管光電二極管第第1010章章 光電探測器和太陽能電池光電探測器和太陽能電池半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理5一、量子效率一、量子效率：每個(gè)入射光子所產(chǎn)生的電子每個(gè)入射光子所產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)目。空穴對數(shù)目。決定決定的重要因素之一是的重要因素之一是吸收系數(shù)吸收系數(shù)。因?yàn)?。因?yàn)閷ΣㄩL有強(qiáng)

6、烈的依對波長有強(qiáng)烈的依賴關(guān)系，能產(chǎn)生可觀光電流的波長范圍是有限的。賴關(guān)系，能產(chǎn)生可觀光電流的波長范圍是有限的。 長截止波長長截止波長c是由帶隙寬度決定的，當(dāng)波長大于是由帶隙寬度決定的，當(dāng)波長大于c時(shí)，時(shí)，值太值太小以致無法產(chǎn)生明顯的本征吸收。小以致無法產(chǎn)生明顯的本征吸收。 短截止波長短截止波長，由于很短波長的，由于很短波長的值很大（約值很大（約105cm-1），絕大），絕大部分的輻射在很靠近表面的區(qū)域就被吸收，此處復(fù)合時(shí)間太部分的輻射在很靠近表面的區(qū)域就被吸收，此處復(fù)合時(shí)間太小，導(dǎo)致光生載流子在被小，導(dǎo)致光生載流子在被p-n結(jié)收集以前就被復(fù)合了。結(jié)收集以前就被復(fù)合了。第第1010章章 光電探測

7、器和太陽能電池光電探測器和太陽能電池半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理6響應(yīng)速度受到三個(gè)因素的限制：響應(yīng)速度受到三個(gè)因素的限制：載流子的擴(kuò)散，耗盡區(qū)內(nèi)的漂移時(shí)間，耗盡區(qū)電容。載流子的擴(kuò)散，耗盡區(qū)內(nèi)的漂移時(shí)間，耗盡區(qū)電容。二、響應(yīng)速度二、響應(yīng)速度 產(chǎn)生于耗盡區(qū)外的載流子必須擴(kuò)散至結(jié)，造成相當(dāng)大的時(shí)間產(chǎn)生于耗盡區(qū)外的載流子必須擴(kuò)散至結(jié)，造成相當(dāng)大的時(shí)間延遲。為了將擴(kuò)散效應(yīng)降到最小，延遲。為了將擴(kuò)散效應(yīng)降到最小，結(jié)必須非常接近表面結(jié)必須非常接近表面。 耗盡區(qū)夠?qū)挼脑?，絕大部分的光線都會(huì)被吸收；然而，耗盡耗盡區(qū)夠?qū)挼脑挘^大部分的光線都會(huì)被吸收；然而，耗盡區(qū)不能太寬，否則區(qū)不能太寬，否則渡越時(shí)間效應(yīng)會(huì)限制頻

8、率響應(yīng)渡越時(shí)間效應(yīng)會(huì)限制頻率響應(yīng)。 耗盡區(qū)也不能太薄，因?yàn)檫^大的電容耗盡區(qū)也不能太薄，因?yàn)檫^大的電容C會(huì)導(dǎo)致會(huì)導(dǎo)致RC時(shí)間常數(shù)過時(shí)間常數(shù)過大（其中，大（其中，R為負(fù)載電阻）。為負(fù)載電阻）。最優(yōu)化的折中辦法是選擇一個(gè)寬度，使耗盡層渡越時(shí)間大約為最優(yōu)化的折中辦法是選擇一個(gè)寬度，使耗盡層渡越時(shí)間大約為調(diào)制周期的一半調(diào)制周期的一半。第第1010章章 光電探測器和太陽能電池光電探測器和太陽能電池半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理710.1.3 p-i-n光電二極管光電二極管 p-i-n光電二極管是最常用的光電光電二極管是最常用的光電探測器之一，其探測器之一，其耗盡層厚度（本耗盡層厚度（本征層）可設(shè)計(jì)以優(yōu)化量子

9、效率及征層）可設(shè)計(jì)以優(yōu)化量子效率及頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)。 圖圖(a)為為p-i-n光電二極管的截面圖，光電二極管的截面圖，它有一它有一抗反射層抗反射層用以提高量子效用以提高量子效率。率。 圖圖(b)為反向偏壓條件下的為反向偏壓條件下的p-i-n二二極管的能帶圖。極管的能帶圖。 圖圖(c)為為p-i-n二極管的光吸收特性。二極管的光吸收特性。金屬接觸2SiO抗反射層i+n+pLRRV+-金屬接觸i+n+phvRqVCEVE電子擴(kuò)散空穴擴(kuò)散漂移空間(b) 反向偏壓下的能帶圖e-ax1/aPWWp+Wx吸收(c) 載流子吸收特性曲線(a) p-i-n 光電二極管的截面圖hvhvhv第第1010章章 光電

10、探測器和太陽能電池光電探測器和太陽能電池半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理8p-n結(jié)太陽能電池結(jié)太陽能電池p-n結(jié)太陽能電池包含一個(gè)結(jié)太陽能電池包含一個(gè)形成形成于上表面的淺于上表面的淺p-n結(jié)結(jié)、一個(gè)、一個(gè)條狀條狀和指狀的正面歐姆接觸和指狀的正面歐姆接觸、一個(gè)、一個(gè)覆覆蓋整個(gè)背面的背歐姆接觸蓋整個(gè)背面的背歐姆接觸，以及，以及一層一層覆蓋于正面的抗反射層覆蓋于正面的抗反射層。 光照下，能量小于光照下，能量小于Eg的光子對的光子對電池輸出并無貢獻(xiàn)；電池輸出并無貢獻(xiàn)； 能量大于能量大于Eg的光子會(huì)對電池輸?shù)墓庾訒?huì)對電池輸出貢獻(xiàn)能量出貢獻(xiàn)能量Eg，而，而大于大于Eg的能的能量會(huì)以熱的形式消耗掉量會(huì)以熱的形式

11、消耗掉。10.2 太陽能電池太陽能電池第第1010章章 光電探測器和太陽能電池光電探測器和太陽能電池正面條指狀接觸1cm2cmnpmhv抗反射涂層0.5mmmSipcm1型W背接觸p-n結(jié)p型 Si1cmp半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理圖圖(a)為為p-n結(jié)太陽能電池在太陽照射下的能帶圖。結(jié)太陽能電池在太陽照射下的能帶圖。上述器件的上述器件的理想理想I-V特性特性為為LsIkTqVII1exp圖圖(b)為太陽能電池理想化的為太陽能電池理想化的等效電路等效電路。其中，一恒流源。其中，一恒流源與結(jié)并聯(lián)。此與結(jié)并聯(lián)。此電流源電流源IL是由是由太陽輻射產(chǎn)生的過剩載流子太陽輻射產(chǎn)生的過剩載流子的激發(fā)造成的，的激發(fā)造成的，Is是二極管是二極管飽和電流飽和電流，RL是負(fù)載電阻是負(fù)載電阻。CEVEgEhvocqVhvCEVEgEocqV(a) p-n結(jié)太陽能電池在太陽照射下的能帶圖hvLRLRILI 1)exp(s-kTqVILI 1)exp(s-kTqVI(b) 太陽能電池的理想化等效電路第第1010章章 光電