1、第七章第七章 太陽電池和光電二極太陽電池和光電二極管管 7.1 7.1 半導體中的光吸收半導體中的光吸收7.1 7.1 半導體中的光吸收半導體中的光吸收 假設半導體被一光子能量假設半導體被一光子能量 大于禁帶寬度的光源大于禁帶寬度的光源均勻均勻照射。光子通量為照射。光子通量為 。 圖圖7-1 7-1 從紫外區到紅外區的電磁波譜圖從紫外區到紅外區的電磁波譜圖 h07.1 7.1 半導體中的光吸收半導體中的光吸收 當光子在半導體中傳播時，在距表面當光子在半導體中傳播時，在距表面x x處單位時間、單位距離上被吸收的光子數應當正比處單位時間、單位距離上被吸收的光子數應當正比于該處的光子通量于該處的光子

2、通量即即 在在 時，時， 。方程（。方程（7-17-1）的解為）的解為 在半導體的另一端（圖在半導體的另一端（圖7-37-3b b） 處，光子通量為處，光子通量為 式中比例系數式中比例系數 叫做吸收系數它是叫做吸收系數它是 的函數。光吸收在截止波長的函數。光吸收在截止波長 處急劇下降。處急劇下降。 x xdxxd（7-7-2 2）0 x 0 x xex0（7-7-3 3）Wx weW0hcmeVEgc24. 1（7-47-4）7.1 7.1 半導體中的光吸收半導體中的光吸收 圖圖7-4 7-4 幾種半導體的吸收系數幾種半導體的吸收系數7.1 7.1 半導體中的光吸收半導體中的光吸收 教學要求教

3、學要求v 作業：作業：7.17.1、7.37.3 7.2 7.2 P-NP-N結的光生伏特效應結的光生伏特效應7.2 7.2 P-NP-N結的光生伏特效應結的光生伏特效應 P-NP-N結光生伏打效應就是半導體吸收光能后在結光生伏打效應就是半導體吸收光能后在P-NP-N結上產生光生電動勢的效應。光結上產生光生電動勢的效應。光生伏打效應涉及到以下三個主要的物理過程：生伏打效應涉及到以下三個主要的物理過程：第一、半導體材料吸收光能產生出非平衡的電子第一、半導體材料吸收光能產生出非平衡的電子空穴對；空穴對；第二、非平衡電子和空穴從產生處向非均勻勢場區運動，這種運動可以是擴散運動，也第二、非平衡電子和空

4、穴從產生處向非均勻勢場區運動，這種運動可以是擴散運動，也 可以是漂移運動；可以是漂移運動；第三、非平衡電子和空穴在非均勻勢場作用下向相反方向運動而分離。這種非均勻勢場第三、非平衡電子和空穴在非均勻勢場作用下向相反方向運動而分離。這種非均勻勢場 可以是結的空間電荷區，也可以是金屬可以是結的空間電荷區，也可以是金屬半導體的肖特基勢壘或異質結勢壘等。半導體的肖特基勢壘或異質結勢壘等。 7.2 7.2 P-NP-N結結的光生伏特效應應 圖圖 7-5 7-5 P-NP-N結能帶圖：（結能帶圖：（a a）無光照平衡無光照平衡P-N結，（結，（b b）光照光照P-N結開路狀態，結開路狀態，（c c）光照光照

5、P-NP-N結有串聯電阻時的狀態結有串聯電阻時的狀態 。7.2 7.2 P-NP-N結的光生伏特效應結的光生伏特效應 對于在整個器件中均勻吸收的情形，短路光電流可以用下式表示對于在整個器件中均勻吸收的情形，短路光電流可以用下式表示 式中式中 為光照電子為光照電子 空穴對的產生率空穴對的產生率 為為P-N結面積結面積 為光生載流子的體積。為光生載流子的體積。 由式（由式（7-57-5）可知短路光電流取決于光照強度和）可知短路光電流取決于光照強度和P-NP-N結的性質。結的性質。 PnLLLLqAGI（7-7-5 5）LGA)(pnLLA7.2 7.2 P-NP-N結的光生伏特效應結的光生伏特效應

6、 小結小結 概念：光生伏打效應、暗電流概念：光生伏打效應、暗電流 PNPN結光生伏特效應的基本過程：結光生伏特效應的基本過程： 第一，半導體材料吸收光能產生出非平衡的電子第一，半導體材料吸收光能產生出非平衡的電子空穴對；空穴對； 第二，非平衡電子和空穴從產生處向非均勻勢場區運動，這種運動可以是擴散運動，第二，非平衡電子和空穴從產生處向非均勻勢場區運動，這種運動可以是擴散運動， 也可以是漂移運動；也可以是漂移運動； 第三，非平衡電子和空穴在非均勻勢場作用下向相反方向運動而分離。分離的電子第三，非平衡電子和空穴在非均勻勢場作用下向相反方向運動而分離。分離的電子 和空穴在半導體中產生了光生電動勢。和

7、空穴在半導體中產生了光生電動勢。 利用能帶圖分析了光生電動勢的產生：非平衡載流子的產生預示著熱平衡的統一費米利用能帶圖分析了光生電動勢的產生：非平衡載流子的產生預示著熱平衡的統一費米能級分開，開路時電子和空穴的準費米能級之差等于光生電動勢。能級分開，開路時電子和空穴的準費米能級之差等于光生電動勢。 7.2 7.2 P-NP-N結的光生伏特效應結的光生伏特效應 小結小結 在半導體均勻吸收的情況下，短路光電流為在半導體均勻吸收的情況下，短路光電流為 （7-57-5） 串聯電阻和負載電阻上的電壓降加在串聯電阻和負載電阻上的電壓降加在PNPN結上，對結上，對PNPN結來說這是一個正偏壓結來說這是一個正

8、偏壓, ,它它 使使PNPN結產生正向電流結產生正向電流 這個電流的方向與光生電流的方向正好相反，稱為暗電流，是太陽電池中的不利因素。這個電流的方向與光生電流的方向正好相反，稱為暗電流，是太陽電池中的不利因素。PnLLLLqAGI10TVVDeII7.2 7.2 P-NP-N結的光生伏特效應結的光生伏特效應 教學要求教學要求 掌握概念：光生伏打效應、暗電流掌握概念：光生伏打效應、暗電流 分析了分析了PNPN結光生伏特效應的基本過程結光生伏特效應的基本過程 利用能帶圖分析光生電動勢的產生利用能帶圖分析光生電動勢的產生 解釋短路光電流公式（解釋短路光電流公式（7-57-5）的含義）的含義 暗電流是

9、怎么產生的？能否去除？暗電流是怎么產生的？能否去除？ 7.3 7.3 太陽電池的太陽電池的I-VI-V特性特性7.3 7.3 太陽電池的太陽電池的I-VI-V特性特性 圖圖7-6 7-6 太陽電池理想等效電路太陽電池理想等效電路 h LI V LR LR DI I 7.3 7.3 太陽電池的太陽電池的I-VI-V特性特性 首先考慮串聯電阻首先考慮串聯電阻 =0 =0 的理想情況。在這種情況下，太陽電池的等效電路如圖的理想情況。在這種情況下，太陽電池的等效電路如圖7-67-6所所示。圖中電流源為短路光電流示。圖中電流源為短路光電流 。 V-I V-I特性可以簡單地由圖特性可以簡單地由圖7-67-

10、6所示的等效電路寫出。所示的等效電路寫出。 式中式中 為為P-N P-N 結正向電流結正向電流 為為P-N P-N 結飽和電流結飽和電流 P-N P-N 結的結電壓即為負載結的結電壓即為負載R R上的電壓降。上的電壓降。SRLITVVeIIIIILDL1010TVVDeII0I（7-67-6）7.3 7.3 太陽電池的太陽電池的I-VI-V特性特性 P-N結上的電壓為結上的電壓為 在開路情況下，在開路情況下，I=0，得到開路電壓（這是太陽電池能提供的最大電壓得到開路電壓（這是太陽電池能提供的最大電壓 ） 在短路情況下（在短路情況下（V=0），）， 這是太陽電池能提供的最大電流。這是太陽電池能提

11、供的最大電流。太陽電池向負載提供的功率為太陽電池向負載提供的功率為 1ln0IIIVVLT01IIlVVLnTOCLII 10TVVLeVIVIIVP（7-97-9）（7-77-7）（7-87-8）（7-107-10）7.3 7.3 太陽電池的太陽電池的I-VI-V特性特性 圖圖7-7 7-7 一個典型的太陽電池在一級氣團（一個典型的太陽電池在一級氣團（AM1AM1）光照下的光照下的I-V特性，特性，AM1AM1即即 太陽在天頂時及測試器件在晴朗天空下海平面上的太陽能太陽在天頂時及測試器件在晴朗天空下海平面上的太陽能7.3 7.3 太陽電池的太陽電池的I-VI-V特性特性 實際的太陽電池存在著

12、串聯電阻和分流電阻。考慮到串聯電阻和分流電阻作用的特性實際的太陽電池存在著串聯電阻和分流電阻?？紤]到串聯電阻和分流電阻作用的特性公式公式 圖圖 7-8 7-8 包括串聯電阻和分流電阻的太陽電池等效電路包括串聯電阻和分流電阻的太陽電池等效電路01STVIRVSLShVIRIIIeR7.3 7.3 太陽電池的太陽電池的I-VI-V特性特性 結論結論 根據等效電路寫出了太陽電池的根據等效電路寫出了太陽電池的I IV V特性方程。特性方程。 給出了一個典型太陽電池的給出了一個典型太陽電池的I-VI-V特性曲線（圖特性曲線（圖7.77.7），根據太陽電池的），根據太陽電池的I IV V特性方程解特性方程

13、解釋了該曲線所包含的物理意義。釋了該曲線所包含的物理意義。 實際的太陽電池存在著串聯電阻實際的太陽電池存在著串聯電阻 和分流電阻和分流電阻 。考慮到串聯電阻和分流電阻作用?？紤]到串聯電阻和分流電阻作用的的V-I特性公式為特性公式為 理想太陽電池向負載提供的功率為理想太陽電池向負載提供的功率為 TVVeIIIIILDL1001STVIRVSLShVIRIIIeR10TVVLeVIVIIVPSRShR（7-67-6）（7-117-11）（7-107-10）7.3 7.3 太陽電池的太陽電池的I-VI-V特性特性 教學要求教學要求 畫出理想太陽電池等效電路圖畫出理想太陽電池等效電路圖 根據電池等效電

14、路圖寫出了太陽電池的根據電池等效電路圖寫出了太陽電池的I IV V特性方程（特性方程（7-67-6） 了解太陽電池的了解太陽電池的I-VI-V特性曲線（圖特性曲線（圖7.77.7），根據太陽電池的），根據太陽電池的I IV V特性方程解釋該曲線所特性方程解釋該曲線所 包含的物理意義。包含的物理意義。 畫出實際太陽電池等效電路圖根據等效電路圖寫出畫出實際太陽電池等效電路圖根據等效電路圖寫出I IV V特性方程（特性方程（7-117-11）v 5.5.作業：作業： 7.4 7.4 太陽電池的效率太陽電池的效率7.4 7.4 太陽電池的效率太陽電池的效率 太陽電池的效率指的是太陽電池的功率轉換效率。

15、它是太陽電池的最大輸出電功率與太陽電池的效率指的是太陽電池的功率轉換效率。它是太陽電池的最大輸出電功率與入光功率的百分比：入光功率的百分比： 式中式中 為輸入光功率，為陽電池的最大輸出功率：為輸入光功率，為陽電池的最大輸出功率： 對于理想太陽電池根據（對于理想太陽電池根據（7.107.10）式，時得最大功率條件）式，時得最大功率條件 %100inmPPmPmPmIVP 011IIeVVLVVTmPTmP（7-127-12）（7-137-13）（7-147-14）inP7.4 7.4 太陽電池的效率太陽電池的效率 從式（從式（7.147.14）中解出，再將其代入式（）中解出，再將其代入式（7-6

16、7-6）得）得 于是太陽電池最大輸出功率于是太陽電池最大輸出功率 引進占空因數這一概念，太陽電池的效率可寫作引進占空因數這一概念，太陽電池的效率可寫作 （7-17-17 7）（7-17-18 8）（7-17-19 9）TmPTmPVVLmpVVeIVVeIIITmP001LTmPLmPmPmPmIIVVIVIVP021%100inLocPIFFV7.4 7.4 太陽電池的效率太陽電池的效率 小結小結 太陽電池的效率指的是太陽電池的功率轉換效率。它是太陽電池的最大輸出太陽電池的效率指的是太陽電池的功率轉換效率。它是太陽電池的最大輸出功率與輸入光功率的百分比：功率與輸入光功率的百分比： 太陽電池的

17、最大輸出功率太陽電池的最大輸出功率 引進占空因數這一概念，給出了太陽電池的效率公式引進占空因數這一概念，給出了太陽電池的效率公式 （7-127-12）（7-187-18）（7-197-19）%100inmPPLTmPLmPmPmPmIIVVIVIVP021%100inLocPIFFVinP7.4 7.4 太陽電池的效率太陽電池的效率 教學要求教學要求 了解概念：轉換效率、占空因數了解概念：轉換效率、占空因數 導出太陽電池的最大輸出功率公式（導出太陽電池的最大輸出功率公式（7-187-18）。）。v 作業：作業：7.67.6、7.10 7.10 7.5 7.5 光產生電流和收集效率光產生電流和收

18、集效率7.5 7.5 光產生電流和收集效率光產生電流和收集效率 考慮通量考慮通量 為的光子入射到為的光子入射到“P在在N上上”的結構的表面。忽略表面反射，則吸收率正比于的結構的表面。忽略表面反射，則吸收率正比于光通量：光通量：假設吸收每個光子產生一個電子假設吸收每個光子產生一個電子空穴對，則電子空穴對，則電子空穴對的產生率為空穴對的產生率為 （7-207-20） 產生率是表面深度的函數。穩定條件下產生率是表面深度的函數。穩定條件下PN結結N側的空穴擴散方程為側的空穴擴散方程為 xdxxd0 xexLeG00022 xpnonnpePPdxPdD（7-217-21a a）7.5 7.5 光產生電

19、流和收集效率光產生電流和收集效率 與此類似，描述結的與此類似，描述結的P側電子的擴散方程為側電子的擴散方程為 在在P-N結處每單位面積電子和空穴電流分量分別為結處每單位面積電子和空穴電流分量分別為 光子吸收效率定義為光子吸收效率定義為 （7-237-23）00022 xnpppnenndxndD（7-217-21b b）jxxnppdxdPqDJjxxnnpdxdPqDJ（7-227-22a a）（7-227-22b b）0qJJnpcol7.5 7.5 光產生電流和收集效率光產生電流和收集效率 例題：例題： 推導出推導出P P在上在上N N長長P P+ +N N電池的電池的N N側內光生少數

20、載流子密度和電流的表達式，側內光生少數載流子密度和電流的表達式，假設在背面接觸處的表面復合速度為假設在背面接觸處的表面復合速度為S S，入射光是單色的。入射光是單色的。 P P+ +層內的吸收可層內的吸收可以忽略不計。以忽略不計。解：解： 方程（方程（7-217-21a a）的邊界條件為的邊界條件為 方程（方程（7-217-21a a）的解為：的解為： 000nnP,PxWx ,nnnopx WdPS PPDdx 7.5 7.5 光產生電流和收集效率光產生電流和收集效率 ppnppWppppxpppnonLxLWLDLWSeSDLWLDLWSeLxLPPsinhcoshsinhsinhcosh

21、cosh1220pppppWppppppppLLWLDLWSesDLWLDLWSLLqJcoshsinhsinhcosh1220（7-27-24 4）從從P P+ +側流到側流到N N側的電子電流用同樣方法可以求得。側的電子電流用同樣方法可以求得。 （7-257-25）7.5 7.5 光產生電流和收集效率光產生電流和收集效率 p圖圖7-9 7-9 入射光為入射光為 和和 的歸一化少數載流子分布。器件參數為的歸一化少數載流子分布。器件參數為 xj=2.8=2.8 m,W=20mils, =4.2m,W=20mils, =4.2 s, =10ns,s, =10ns,以及以及 S =100cm/s=

22、100cm/sm55. 00.90 mn7.5 7.5 光產生電流和收集效率光產生電流和收集效率 根據少子空穴濃度表達式可以看到，在短波（根據少子空穴濃度表達式可以看到，在短波（550nm）時，由于吸收系數比較大，大多數時，由于吸收系數比較大，大多數光子在接近表面的一個薄層內被吸收而產生電子光子在接近表面的一個薄層內被吸收而產生電子空穴對。在較長時（空穴對。在較長時（900nm），）， 較小，較小，吸收多發生在吸收多發生在P-N結的結的N側。所形成的少數載流子分布繪于圖側。所形成的少數載流子分布繪于圖7-97-9中。中。收集效率：收集效率： 入射光為單色光且光子數已知，把（入射光為單色光且光子

23、數已知，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側每一側每一波長的收集效率。波長的收集效率。收集效率受到少數載流子擴散長度和吸收系數的影響，擴散長度應盡可能地長以收集所收集效率受到少數載流子擴散長度和吸收系數的影響，擴散長度應盡可能地長以收集所有光生載流子。在有些太陽電池中，通過雜質梯度建立自建場以改進載流子的收集。就有光生載流子。在有些太陽電池中，通過雜質梯度建立自建場以改進載流子的收集。就吸收系數的影響來說，大的吸收系數的影響來說，大的 值導致接近表面處的大量吸收，造成在表面層內的強烈值導致接近表面處的大量吸收，造成在表面層內的強烈收集。小

24、的收集。小的 值使光子能向深處穿透，以致太陽電池的基底在載流子的收集當中更為重值使光子能向深處穿透，以致太陽電池的基底在載流子的收集當中更為重要。一般的要。一般的GaAsGaAs電池屬于前者，硅太陽電池屬于后一種類型。電池屬于前者，硅太陽電池屬于后一種類型。 7.5 7.5 光產生電流和收集效率光產生電流和收集效率 圖7-10 圖7-9中太陽電池的收集效率與波長的對應關系 col ( m) 100 80 60 40 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 20 總的收集 N 型層收集 P 型層收集 7.5 7.5 光產生電流和收集效率光產生電流和收集效率小結小結 考慮半導體吸收，電子考慮半導體

25、吸收，電子空穴對的產生率為空穴對的產生率為 產生率是表面深度的函數。產生率是表面深度的函數。 定義了光子收集效率：定義了光子收集效率： 舉例分析了電子空穴對的產生率與光子頻率和透入深度的關系：舉例分析了電子空穴對的產生率與光子頻率和透入深度的關系： 在短波（在短波（500nm）時，由于吸收系數比較大大多數光子在接近表面的一個薄層內被吸時，由于吸收系數比較大大多數光子在接近表面的一個薄層內被吸收而產生電子收而產生電子空穴對。在較長時長時（空穴對。在較長時長時（900nm），）， 較小，吸收多發生在較小，吸收多發生在PN結的結的N側側xLeG00qJJnpcol（7-207-20）（7-237-2

26、3）7.5 7.5 光產生電流和收集效率光產生電流和收集效率小結小結 給出了在不同波長上收集效率的理論值（圖給出了在不同波長上收集效率的理論值（圖7-10）。）。 收集效率與少數載流子擴散長度和吸收系數有關：收集效率與少數載流子擴散長度和吸收系數有關： 擴散長度應盡可能地長以收集所有光生載流子。在有些太陽電池中，通過雜質梯度建擴散長度應盡可能地長以收集所有光生載流子。在有些太陽電池中，通過雜質梯度建立自建場以改進載流子的收集。立自建場以改進載流子的收集。 吸收系數的影響是：大的吸收系數的影響是：大的 值導致接近表面處的大量吸收，造成在表面層內的強烈收值導致接近表面處的大量吸收，造成在表面層內的

27、強烈收集。小的集。小的 值使光子能向深處穿透，以至太陽電池的基底在載流子的收集當中更為重要。值使光子能向深處穿透，以至太陽電池的基底在載流子的收集當中更為重要。一般地一般地GaAs電池屬于前者，硅太陽電池屬于后一種類型。電池屬于前者，硅太陽電池屬于后一種類型。 以上分析為太陽電池的設計提供了重要參考。以上分析為太陽電池的設計提供了重要參考。7.6 7.6 提高太陽電池效率的考慮提高太陽電池效率的考慮7.6 7.6 提高太陽電池效率的考慮提高太陽電池效率的考慮 在實際的太陽電池中，多種因素限制著器件的性能，因而在太陽電池的設計中必須考慮在實際的太陽電池中，多種因素限制著器件的性能，因而在太陽電池

28、的設計中必須考慮這些限制因素。這些限制因素。 圖圖7-11 在在AM0AM0和和AM1AM1條件下下的太陽光譜及其在條件下下的太陽光譜及其在GaAsGaAs和中和中SiSi的能量截止點的能量截止點 7.6 7.6 提高太陽電池效率的考慮提高太陽電池效率的考慮 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?？梢姡梢?， 越小越小 越大從而越大從而 越大?？杀晃盏淖畲蠊庾訑翟诠柚袨椋涸酱蟆？杀晃盏淖畲蠊庾訑翟诠柚袨椋?,在在GaAs中為：中為：最大功率考慮最大功率考慮太陽電池的最大輸出功率由開路電壓和短路電流所決定。由光譜考慮，發現太陽電池的最大輸出功率由開路電壓和短路電流

29、所決定。由光譜考慮，發現 隨著的隨著的 增加而減小。開路電壓增加而減小。開路電壓 乘積會出現一極大值。乘積會出現一極大值。 gEPnLLLLqAGI由由（7-57-5）gELGLI1217103.7scm1217102.5scmLIgEgCEV0（7-277-27）LocIV7.6 7.6 提高太陽電池效率的考慮提高太陽電池效率的考慮 圖圖7-12 最大轉換效率的理論值與禁帶能量之間的對應關系最大轉換效率的理論值與禁帶能量之間的對應關系 7.6 7.6 提高太陽電池效率的考慮提高太陽電池效率的考慮 串聯電阻考慮串聯電阻考慮 圖圖7-137-13串聯電阻和分流電阻對串聯電阻和分流電阻對I-VI-

30、V曲線的影響曲線的影響 7.6 7.6 提高太陽電池效率的考慮提高太陽電池效率的考慮 達到最佳設計，需要對摻雜濃度和結深采取折衷。達到最佳設計，需要對摻雜濃度和結深采取折衷。實際的接觸是采用示于圖實際的接觸是采用示于圖7-147-14中的柵格形式。這種結構能夠有大的曝光面積，而同中的柵格形式。這種結構能夠有大的曝光面積，而同時又使串聯電阻保持合理的數值。時又使串聯電阻保持合理的數值。 圖圖7-14 7-14 P P上擴散上擴散N N的硅電池的簡單結構的硅電池的簡單結構 7.6 7.6 提高太陽電池效率的考慮提高太陽電池效率的考慮 表面反射采用表面反射采用抗反射層抗反射層理想的抗反射層材料折射率

31、應為理想的抗反射層材料折射率應為 。聚光聚光聚光是用聚光器面積代替許多太陽能電池的面積，從而降低太陽能電池造價。它的聚光是用聚光器面積代替許多太陽能電池的面積，從而降低太陽能電池造價。它的另一個優點是增加效率。另一個優點是增加效率。因此一個電池在因此一個電池在1000個太陽強度的聚光度下工作產生的輸出功率相當于個太陽強度的聚光度下工作產生的輸出功率相當于1300個電池個電池在一個太陽強度下工作的輸出功率。在一個太陽強度下工作的輸出功率。 閱讀：第閱讀：第7.7、7.8節節21nn7-9 7-9 光電二極管光電二極管光電二極管工作原理：光照反偏光電二極管工作原理：光照反偏PN結，產生的光生載流結

32、，產生的光生載流子被空間電荷區電場漂移形成反向電流。光電二極管把光子被空間電荷區電場漂移形成反向電流。光電二極管把光信號轉換成了電信號。反向的光電流的大小與入射光的強信號轉換成了電信號。反向的光電流的大小與入射光的強度和波長有關。光電二極管用于探測光信號。度和波長有關。光電二極管用于探測光信號。7-9 7-9 光電二極管光電二極管 P-I-N光電二極管光電二極管 N p I h 抗反射涂層 金屬接觸 2SiO LR RV + h h RqV h 漂移空間 空穴擴散 電子擴散 cE vE FnE FpE 吸收 PW WWP x 0 xe 1 圖圖7-20 P-I-N光電二極管的工作原理，（光電二

33、極管的工作原理，（a）光電二極管的剖面圖；光電二極管的剖面圖；(b）反向偏置時的能帶圖；（反向偏置時的能帶圖；（c）光吸收特性光吸收特性7-9 7-9 光電二極管光電二極管 在長距離的光纖通信系統中多采用在長距離的光纖通信系統中多采用 的雙異質的雙異質結結P-I-NP-I-N光電二極管中，光電二極管中，P-P-InPInP的禁帶寬度為的禁帶寬度為1.351.35eVeV，對波長大于對波長大于 的光不吸收。的光不吸收。 的禁帶寬度為的禁帶寬度為0.750.75eVeV（對應截止時波長對應截止時波長 ），在），在 波段波段上表現出較強的吸收。這樣，對于光通信的低損耗波段，光吸收只發生在上表現出較強

34、的吸收。這樣，對于光通信的低損耗波段，光吸收只發生在I I層，完全消層，完全消了擴散電流的影響，幾微米厚的了擴散電流的影響，幾微米厚的I I層，就可就可以獲得很高的響應度。具有良好的頻層，就可就可以獲得很高的響應度。具有良好的頻率響應。率響應。閱讀：7.9.2、7.9.3 InPNInGaAsIInPP/m92. 0InGaAsI m65. 1m6 . 13 . 17-9 7-9 光電二極管光電二極管小結小結 光電二極管的工作原理：光電二極管和太陽電池一樣，都是利用光生伏特效應工作光電二極管的工作原理：光電二極管和太陽電池一樣，都是利用光生伏特效應工作的器件。與太陽電池不同之處在于，光電二極管

35、工作時要加上反向偏壓。光電二極的器件。與太陽電池不同之處在于，光電二極管工作時要加上反向偏壓。光電二極管接受光照之后，產生與入射光強度成正比的光生電流，所以能把光信號變成電信管接受光照之后，產生與入射光強度成正比的光生電流，所以能把光信號變成電信號達到探測光信號的目的。號達到探測光信號的目的。 介紹了介紹了P-I-NP-I-N光電二極管的工作原理的基本結構、能帶圖和工作原理。光電二極管的工作原理的基本結構、能帶圖和工作原理。I I層也叫耗盡層也叫耗盡層起到增加耗盡層寬度的作用。在足夠高的反偏壓下，層起到增加耗盡層寬度的作用。在足夠高的反偏壓下，I I層完全變成耗盡層，其中產層完全變成耗盡層，其

36、中產生的電子生的電子空穴對立刻被電場分離而形成光電流?？昭▽α⒖瘫浑妶龇蛛x而形成光電流。 7-9 7-9 光電二極管光電二極管教學要求教學要求 了解光電二極管的工作原理。了解光電二極管的工作原理。 了解了解P-I-N光電二極管的工作原理的基本結構、能帶圖和工作原理。光電二極管的工作原理的基本結構、能帶圖和工作原理。 P-I-NP-I-N光電二極管中。光電二極管中。I I層的作用是什么？層的作用是什么？ 光電二極管中有哪兩種電流？它們的形成機制和特點是什么？光電二極管中有哪兩種電流？它們的形成機制和特點是什么？ 的雙異質結光電二極管中為什么不出現擴散電流？的雙異質結光電二極管中為什么不出現擴散電

37、流？ InPNInGaAsIInPP/7.10 7.10 光電二極管的特性參數光電二極管的特性參數7.10 7.10 光電二極管的特性參數光電二極管的特性參數 量子效率和響應度量子效率和響應度1.1.量子效率量子效率 即單位入射光子所產生的電子空穴對數。即單位入射光子所產生的電子空穴對數。產生明顯光電流的波長是有限制的：產生明顯光電流的波長是有限制的：長波限長波限 由禁帶寬度決由禁帶寬度決定。光響應也有短波極限。定。光響應也有短波極限。圖圖7-257-25示出了一些高速光電二極管量子效率和波長關系的典型曲線?？梢钥吹?，示出了一些高速光電二極管量子效率和波長關系的典型曲線。可以看到，在紫外和可見

38、光區，金屬在紫外和可見光區，金屬 半導體光電二極管有很高的量子效率；在近紅外半導體光電二極管有很高的量子效率；在近紅外區，硅光電二極管（有抗反射涂層）在區，硅光電二極管（有抗反射涂層）在 到到 附近，量子效率附近，量子效率可達可達100%100%；在；在 到到 的區域，鍺光電二極管和的區域，鍺光電二極管和IIIIII V V族光電二極族光電二極管（如管（如CaLnAS）有很高的量子效率。對于更長的波長，為了獲得高的量子有很高的量子效率。對于更長的波長，為了獲得高的量子效率，光電二極管需進行冷卻（例如用液氮冷卻到效率，光電二極管需進行冷卻（例如用液氮冷卻到77K）。）。hPqIinLhRAPin

39、01（7-297-29）（7-307-30）cm8 . 0m9 . 0m0 . 1m6 . 17.10 7.10 光電二極管的特性參數光電二極管的特性參數 圖圖7-25不同光電二極管量子效率和波長的關系不同光電二極管量子效率和波長的關系 7.10 7.10 光電電二極極管的特性參數參數 響應度響應度表征光電二極管的轉換效率，定義為短路光電流與輸入光功率之比：高的響應表征光電二極管的轉換效率，定義為短路光電流與輸入光功率之比：高的響應度要求有厚的度要求有厚的 I 層層 （7-317-31）1.24qqAWhinLPIR 7.10 7.10 光電二極管的特性參數光電二極管的特性參數 響應速度（帶寬

40、）響應速度（帶寬） 定義為當交流光電流下降到低頻的時的定義為當交流光電流下降到低頻的時的 調制頻率。它也稱調制頻率。它也稱 為為3dB頻率或頻率或3dB帶寬。帶寬。響應速度（帶寬）主要受下列三個因素的控響應速度（帶寬）主要受下列三個因素的控制：制：（1 1）載流子）載流子的擴散。在耗盡層外邊產生的載流子必須擴散到的擴散。在耗盡層外邊產生的載流子必須擴散到P-N結，這將引起可觀的時結，這將引起可觀的時間延遲。為了將擴散效應減到最小，間延遲。為了將擴散效應減到最小，P-N結盡可能接近表面結盡可能接近表面。（2 2）在耗盡層內的漂移時間。這是影響帶寬的主要因素。減少耗盡層渡越時間要求耗）在耗盡層內的

41、漂移時間。這是影響帶寬的主要因素。減少耗盡層渡越時間要求耗盡層要盡可能地窄。但耗盡層太窄會使器件吸收光子減小而影響響應度。盡層要盡可能地窄。但耗盡層太窄會使器件吸收光子減小而影響響應度。 217.10 7.10 光電二極管的特性參數光電二極管的特性參數 （3 3）耗盡層電容。耗盡層太窄，會使耗盡層電容過大，從而使時間常數）耗盡層電容。耗盡層太窄，會使耗盡層電容過大，從而使時間常數RCRC過大（這過大（這 里里R R是負載電阻），是負載電阻），因此耗盡層寬度要有一個最佳選擇：因此耗盡層寬度要有一個最佳選擇： 它是當交流光電流下降到低頻的它是當交流光電流下降到低頻的 時的調制頻率。時的調制頻率。

42、是耗盡層寬度，是耗盡層寬度， 是飽是飽 和漂移速度，和漂移速度， 為耗盡層渡越時間。為耗盡層渡越時間。 WfsdB44. 03（7-37-32 2）式中式中 稱為稱為3dB頻率或頻率或3dB帶寬。由下式確定帶寬。由下式確定4 . 223rdBtf（7-337-33）dBf321Wsvrt7.10 7.10 光電二極管的特性參數光電二極管的特性參數 噪聲特性噪聲特性 噪聲是信號上附加的無規則起伏。它可使信號變得模糊甚至被淹沒。散粒噪聲是信號上附加的無規則起伏。它可使信號變得模糊甚至被淹沒。散粒噪聲：是由一個個入射光子產生的不均勻的或雜亂的電子噪聲：是由一個個入射光子產生的不均勻的或雜亂的電子 空

43、穴對引起的。空穴對引起的。也就是說是由通過器件的粒子（電子或空穴）數無規則起伏引起的。分析表也就是說是由通過器件的粒子（電子或空穴）數無規則起伏引起的。分析表明，探測器散粒噪聲電流即均方根噪聲電流由下式估算。明，探測器散粒噪聲電流即均方根噪聲電流由下式估算。 式中式中 為電流強度，為電流強度， 為測量的頻率范圍即帶寬。為測量的頻率范圍即帶寬。（7-357-35）fqIins 22If7.10 7.10 光電二極管的特性參數光電二極管的特性參數 熱噪聲熱噪聲：來自電阻值為：來自電阻值為R的電阻體發出的電磁輻射部分，由載流子無規則散射引起。熱的電阻體發出的電磁輻射部分，由載流子無規則散射引起。熱噪

44、聲的電流（均方值）為噪聲的電流（均方值）為 接有輸入電阻為接有輸入電阻為R R的放大器時的總噪聲電流（均方值）為的放大器時的總噪聲電流（均方值）為 入射光在光吸收層中產生的光電流，即信號電流。入射光在光吸收層中產生的光電流，即信號電流。 暗電流。暗電流。 放大器的噪聲系數和絕對溫度之積，稱為有效溫度。放大器的噪聲系數和絕對溫度之積，稱為有效溫度。（7-367-36）RfKTint42RfKTfIIqiDLn422LIDIT（7-377-37）7.10 7.10 光電二極管的特性參數光電二極管的特性參數 其它的幾個概念其它的幾個概念信噪比信噪比 光電二極管的信噪比為光電二極管的信噪比為其中其中 為為光電電二極極管的信號號電流（令電流（令 ） 為在負載為在負載R R兩端產生的信號功率兩端產生的信