1.引

言能：儲量無限性（40億年）、存在普遍性、清潔性、經(jīng)濟(jì)性。電池：長、效率高、性能可靠、成本低、無污染等優(yōu)點(diǎn)。電池效率：單晶硅電池24％、非晶硅電池13.2％、InGaAs/GaAs疊層41.4

％電池和光電二極管基本工作原理相同，用途不同。2.3.4.第八章

半導(dǎo)體 電池和光電二極管§8.1半導(dǎo)體中的光吸收圖8-1

從紫外區(qū)到紅外區(qū)的電磁波譜圖(m)1.24h

h

(eV

)

hc

圖8-3

光吸收的特性§8.1半導(dǎo)體中的光吸收假設(shè)半導(dǎo)體被光子能量hν>Eg光源均勻照射，光子通量為Φ0，則：d

(

x

)

/

dx

(

x

)

(8-1-2)比例系數(shù)α稱為吸收系數(shù)。其解為：

x(

x

)

0e(8-1-3)即：在半導(dǎo)體另一端處光子通量為：

W

(

x

)

0e(8-1-4)截止波長附近的吸收曲線稱為吸收邊。圖8-4幾種半導(dǎo)體的吸收系數(shù)§8.1半導(dǎo)體中的光吸收E

eV

mgc

1.24吸收系數(shù)是光子能量的函數(shù)。禁帶寬度為Eg的半導(dǎo)體的吸收截止波長為：(8-1-5)§8.2

P-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)教學(xué)要求：掌握概念：光生伏特效應(yīng)、光電壓、光電流、短路光電流、暗電流。掌握PN結(jié)光生伏特效應(yīng)的基本過程。利用能帶圖分析光生伏特效應(yīng)。8.2.1§8.2

P-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)電池的基本結(jié)構(gòu)上電極為柵格形狀，這種結(jié)構(gòu)能夠有大的面積，而同時又使串聯(lián)電阻保持合理的數(shù)值。8.2.2

P-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)P-N結(jié)光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體吸收光能后在P-N結(jié)上產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象。光生伏特效應(yīng)涉及到以下三個主要的物理過程：半導(dǎo)體材料吸收光能產(chǎn)生出非平衡的電子—空穴對；非平衡電子和空穴從產(chǎn)生處向非均勻勢場區(qū)運(yùn)動，這種運(yùn)動可以是擴(kuò)散運(yùn)動，也可以是漂移運(yùn)動；非平衡電子和空穴在非均勻勢場作用下向相反方向運(yùn)動而分離。這種非均勻勢場可以是結(jié)的空間電荷區(qū)，也可以是金屬—半導(dǎo)體的肖特基勢壘或異質(zhì)結(jié)勢壘等?！?.2

P-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)圖

8-6

P-N結(jié)能帶圖PN結(jié)為開路狀態(tài)，光生載流子將積累于PN結(jié)兩側(cè)，這時PN結(jié)兩端測得的電位差（開路電壓）就是光生電動勢，記為Voc，此時有：EFN

–EFP

=q

Voc

.若PN結(jié)從外部短路，則PN結(jié)附近的光生載流子將通過這個途徑流通。這時流過 電池的電流叫短路電流，用IL表示。其方向從PN結(jié) 看是從N區(qū)指向P區(qū)的。此時光電壓為零，能帶圖恢復(fù)為圖8-6(a).§8.2

P-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)8.2.2 P-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)IL

qAGL

Ln

LP

（8-2-1）§8.2

P-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)8.2.2 P-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)1.

設(shè)光在整個器件中被均勻吸收，短路光電流可以表示為:式中GL為光生電子空穴對的產(chǎn)生率，A為P-N結(jié)的結(jié)面積，A(Ln+Lp)為半導(dǎo)體產(chǎn)生光生載流子的體積。由式（8-2-1）可知短路光電流IL取決于光照強(qiáng)度和P-N結(jié)的性質(zhì)。2.

降在負(fù)載電阻上的電壓也加在PN結(jié)上，使PN結(jié)產(chǎn)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，是電池中的不利因素。（8-2-2）TV

/VID

I0

(e

1)小結(jié)：半導(dǎo)體吸收光能后在PN結(jié)上產(chǎn)生光生電動勢的效應(yīng)稱為PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)。如果PN結(jié)處于開路狀態(tài)，光生載流子只能積累于PN結(jié)兩側(cè)。非平衡載流子的出現(xiàn)意味著N區(qū)電子的 能級升高，P區(qū)空穴的 能級降低。P區(qū)和N區(qū) 能級分開的距離就等于光生電動勢qVoc。PN結(jié)的勢壘高度將由熱平衡的qψ0 降低為 q(ψ0 –Voc

)。如果把PN結(jié)從外部短路，會產(chǎn)生短路電流，這時非平衡載流子不再積累在PN結(jié)兩側(cè)，光電壓為零。P區(qū)和N區(qū) 能級相等，能帶圖恢復(fù)為圖8-6(a)。一般情況下，PN結(jié)材料和引線總有一定電阻，這時有電流通過時，光生載流子只有一部分積累于PN結(jié)上，使勢壘降低qV，V是電流在串聯(lián)電阻RS上產(chǎn)生的電壓降?！?.2

P-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)IL

qAGL

Ln

LP

ID

I0

e

T

1V

V§8.2

P-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)小結(jié)：3.在半導(dǎo)體均勻吸收的情況下，短路光電流為：4.負(fù)載電阻上的電壓降加在PN結(jié)上，使PN結(jié)產(chǎn)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，是電池中的不利因素。（8-2-1）（8-2-2）§

8.3電池的I-V特性教學(xué)要求：畫出理想

電池等效電路圖，根據(jù)電池等效電路圖寫出

電池的I－V特性方程（8-3-1）式。了解 電池的I-V特性曲線（圖8-8），解釋該曲線所包含的物理意義。畫出實(shí)際 電池等效電路圖，根據(jù)等效電路圖寫出I－V特性方程（8-3-6）式。圖8-7理想電池的I-V特性：電池等效電路§

8.3電池的I-V特性一、理想情況（RS

=0）

TV

/VL

0I

IL

ID

I

I

1

e（8-3-1）電流源IL為短路光電流，ID=I0（eV/VT

-1)為PN

結(jié)正向電流。1.

理想

1

0

I

I

L

I

V

VT

lnOC

TI

IL

V

V

ln

1

0

I

I

LTV

Ve

1P

IV

I

LV

I

0V（8-3-2）（8-3-3）（8-3-4）（8-3-5）§

8.3電池的I-V特性一、理想情況（RS

=0）2.由（8-3-1）式，可得PN結(jié)上的電壓為：3.

在開路情況下，I=0，得到開路電壓（這是 電池能提供的最大電壓）4.

在短路情況下（V=0），得到短路電流，這是 電池能提供的最大電流。5.

電池向負(fù)載提供的功率為§

8.3一、理想情況（RS

=0）電池的I-V特性AM1定義為

在天頂以及測試器件在晴朗天空下的海平面上。在AM1條件下到達(dá)

電池的能量略高于100mW/cm2.

如果把器件放到大氣層外（如在

上）則稱為AM0條件，此時

能量約為135mW/cm2.

AM0和AM1的差別在于大氣對

光的衰減。衰減的主要原因是臭氧層對紫外光的吸收，水蒸氣對紅外光的吸收以及空氣中塵埃和懸浮物對光的散射等。圖8-8

典型的

電池在一級氣團(tuán)（AM1）光照下的I-V特性圖8-9

包括串聯(lián)電阻和分流電阻的

電池等效電路圖（8-3-6）ShRI

I

I

1

eV

IRS

/VT

V

IRSL

0

§

8.3

電池的I-V特性二、實(shí)際情況（RS

≠0，RSh

≠0）實(shí)際的 電池存在著串聯(lián)電阻RS和分流電阻RSh

，考慮到串聯(lián)電阻和分流電阻作用的特性，等效電路圖如圖8-9所示，I-V特性修正為（8-3-6）式。實(shí)際

電池的I-V特性：TV

VL

0P

IV

I

V

I

V

e

1開路電壓Voc是 電池能提供的最大電壓，短路電流IL是 電池能提供的最大電流。理想

電池向負(fù)載提供的功率為§

8.3電池的I-V特性小結(jié)：1.

理想

電池短路電流作為恒流源，負(fù)載RL上的電壓降作為正偏壓加在PN結(jié)上，構(gòu)建了

電池的等效電路。根據(jù)等效電路寫出了性方程。電池的I－V特（8-3-1）4.

考慮到串聯(lián)電阻和分流電阻的

電池I-V特性為（8-3-5）

TV

/VL

D

L

0I

I

I

I

I

1

e（8-3-6）ShRI

I

I

1

eV

IRS

/VT

V

IRSL

0

§8.4電池的效率教學(xué)要求：概念：轉(zhuǎn)換效率，占空因數(shù)；導(dǎo)出 電池的最大輸出功率公式（8-4-7）.Pin

Pm

100%

VmPImPPmmP

TV

/VmPVVTI0

1e

1

IL（8-4-1）電池的最大輸出功率，即：（8-4-2）（8-4-3）§8.4電池的效率一、定義：電池的效率指的是電池的功率轉(zhuǎn)換效率。它是

電池的最大輸出電功率與入射光功率的百分比：式中Pin為輸入光功率，Pm為對于理想

功率條件：電池，根據(jù)（8-3-5）式，令dP/dV

=0

時得最大（8-4-6）電池的效率可寫作:（8-4-8）VTV

/V

VmP

V

/VImp

IL

I0

1

e

mP T

I0e

mP

T20V

/VmmP

mPVV2

IVI

I

P

V

I

mP

I

e

mp T

mP

L

1

0

V

VT

mP T

L

100%

FFVoc

I

LPin（8-4-7）§8.4

電池的效率于是， 電池最大輸出功率為：二、最大輸出功率：從式（8-4-3）中解出IL，再將其代入式（8-3-1）得引進(jìn)占空因數(shù)FF=VmpImp

/ILVoc這一概念，其中，用到了從（8-4-3）式推出的關(guān)系式：eVmp

/VT1VmP

VT

I0

(VT（8-4-1）（8-4-7）（8-4-8）

Pm

100%Pin電池的最大輸出功率T

L

VmP

I

mPmPV

VI

0

2VmP

I

L1

IPm2.100%

FFVoc

I

LPin§8.4電池的效率小結(jié):1.

電池的效率指的是

電池的功率轉(zhuǎn)換效率。它是 電池的最大輸出功率與輸入光功率的百分比：3.

引進(jìn)占空因數(shù)FF這一概念，給出了電池的效率公式:§8.5

光產(chǎn)生電流和收集效率教學(xué)要求:

解例題8-1中的擴(kuò)散方程，求出少子分布公式和電流分布公式（8-5-5）。

根據(jù)圖8-10分析電子－空穴對的產(chǎn)生率與光子頻率和透入深度的關(guān)系。

根據(jù)收集效率的理論結(jié)果（圖8-11），分析少數(shù)載流子擴(kuò)散長度和吸收系數(shù)對收集效率的影響。

0

xd

x

x

edx

xGL

0e0 n

n no

dx2ppD

e

x

0d

2

P P

P（8-5-2a）§8.5

光產(chǎn)生電流和收集效率一、光生電子和空穴電流：考慮通量為Φ0的光子入射到“P在N上”的結(jié)構(gòu)的表面。忽略表面反射，則吸收率正比于光通量：假設(shè)每吸收一個光子產(chǎn)生一個電子—空穴對，則電子—空穴對的產(chǎn)生率為可見產(chǎn)生率是表面深度的函數(shù)。穩(wěn)定條件下PN結(jié)N側(cè)的空穴擴(kuò)散方（8-5-1）（8-5-4）p

p

p00

0

xndx2d

2n

n

nnD

e（8-5-2b）jdPnJ

p

qDpx

xdx（8-5-3a）（8-5-3b）0

J

p

Jncolqxxjn

ndxJ

qD

dnp在P-N結(jié)處每單位面積電子和空穴電流分量分別為二、光子收集效率：光子吸收效率，或光子收集效率定義為：§8.5

光產(chǎn)生電流和收集效率一、光生電子和空穴電流：類似地，描述結(jié)的P側(cè)電子的擴(kuò)散方【例8-1】推導(dǎo)出“P在N上”結(jié)構(gòu)的長P+N電池的N側(cè)內(nèi)光生少數(shù)載流子密度和電流密度的表達(dá)式，假設(shè)在背面接觸處的表面復(fù)合速度為S，入射光是單色的，P+層內(nèi)的吸收可以忽略不計。x

0,

Pn

Pn0

0dPnpx

W

,

SP

S

Pn

Pno

DxWdx解：方程（8-5-2a）的一般解為：§8.5

光產(chǎn)生電流和收集效率Pn

Pno邊界條件為：

K

ex/

Lp

K

ex/

Lp1

2

0

p2

2pe

x

L

1

D

S

eW

p

ex0

ppnp

ppL

x

LWLL

W

DLpWLp

L

p

W

D

xPn

Pno

sinhSsinh

p

coshp

sinhScoshLcosh2

2

L

1

0

p

2

2pp

p

p

ppxWpLq

LdP

ndxJ

qD

Lp

DLpWWW

Dp

W

D

se

S

cosh

L

L

sinh

L

1

W

S

sinh

p

cosh（8-5-6）Lp

Lp（8-5-5）從P+側(cè)流到N側(cè)的電子電流用同樣方法可以求得。將邊界條件代入一般解中，解出積分常數(shù)K1和K2，再代入一般解中，可得：§8.5

光產(chǎn)生電流和收集效率圖8-10

入射光波長為和0.55

m和0.90

m時，歸一化少數(shù)載流子的分布。器件參數(shù)為xj=2.8m，W=20mil,

τp=4.2s,τ

n=10ns以及S=100cm/s.§8.5

光產(chǎn)生電流和收集效率兩種情況下歸一化載流子分布的區(qū)別源于不同波長下吸收系數(shù)不同。根據(jù)（8-1-3）式，在短波時，由于吸收系數(shù)α比較大（見圖8-4），因而光子衰減發(fā)生在近表面的一小段距離之間。也就是說，對于短的波長（550nm）大多數(shù)光子在接近表面的一個薄層內(nèi)被吸收而產(chǎn)生電子—空穴對。對于較長的波長（900nm),α較小，吸收多發(fā)生在PN結(jié)的N側(cè)。收集效率：若入射光為單色光且光子數(shù)已知，把（8-5-6）式代入（8-5-4）式，可以得到在N側(cè)每一波長的收集效率。收集效率受到少數(shù)載流子擴(kuò)散長度和吸收系數(shù)的影響，擴(kuò)散長度應(yīng)盡可能地長以收集所有光生載流子。在有些

電池中，通過雜質(zhì)梯度建立自建場以改進(jìn)載流子的收集。就吸收系數(shù)的影響來說，大的α值導(dǎo)致接近表面處的大量吸收，造成在表面層內(nèi)的強(qiáng)烈收集。小的α值使光子能向深處，以致電池的基底在載流子的收集當(dāng)中更為重要。一般的GaAs電池屬于前者，硅電池屬于后一種類型?！?.5

光產(chǎn)生電流和收集效率圖8-11

圖8-10中

電池的收集效率與波長的關(guān)系（wolf，1960）小結(jié)：1.考慮半導(dǎo)體吸收，電子—空穴對的產(chǎn)生率為產(chǎn)生率是表面深度和吸收系數(shù)的函數(shù)。電子－空穴對的產(chǎn)生率與光子頻率和透入深度有關(guān)，在短波時，由于吸收系數(shù)α比較大，大多數(shù)光子在接近

表面的一個薄層內(nèi)被吸收而產(chǎn)生電子—空穴對。對于較長的波長，α較小，因而電子-空穴對的產(chǎn)生多發(fā)生在較深處。2.影響收集效率的主要因素是少數(shù)載流子擴(kuò)散長度和吸收系數(shù)。擴(kuò)散長度應(yīng)盡可能地長以收集所有光生載流子。在有些電池中，通過雜質(zhì)梯度建立自建場以改進(jìn)載流子的收集。吸收系數(shù)的影響是：大的α值導(dǎo)致接近表面處的大量吸收，造成在表面層內(nèi)的強(qiáng)烈收集。小的α值使光子能向深處，以致電池的基底在載流子的收集當(dāng)中更為重要。一般的GaAs電池屬于前者，Si

電池屬于后一種類型。

xGL

0e（8-5-1）§8.5

光產(chǎn)生電流和收集效率§

8.6

影響電池效率的因素圖8-12

在AM0和AM1條件下的

光譜及其在GaAs和中Si的能量截止點(diǎn)在實(shí)際的 電池中，多種因素限制著器件的性能，因而在

電池的設(shè)計中必須考慮這些限制因素。一、光譜因素：只有Hν>Eg

的光子可被吸收，故能產(chǎn)生電子空穴對的光子數(shù)=圖8-12中0.2→1.24/Eg

(m)的積分得到?？偣庾訑?shù)=4.5×1017cm-2s-1

(AM1)，Si中可被吸收的最大光子數(shù)=

3.7×1017cm-2s-1

,在GaAs中為2.5×1017cm-2s-1

。可見禁帶愈小的材料，電子—空穴對的產(chǎn)生率愈大。但被吸收光子能量只是部分被利用轉(zhuǎn)化為電能，其余部分以熱耗散的形式被浪費(fèi)掉。一般禁帶能量愈小，在 光譜峰值附近浪費(fèi)掉的功率就愈多。因此，常采用多結(jié)電池結(jié)構(gòu)。二、最大功率考慮：電池的最大輸出功率由開路電壓Voc和短路電流IL所決定。由光譜考慮，隨著Eg的增加，GL減小，因此IL減小。而理想情況下，Voc=VTln(1+IL/I0)，I0∝ni2

∝

e-Eg/kT故Voc

∝Eg，即：開路電壓隨著Eg的增加而增大，因此Voc

IL是Eg的函數(shù)，對應(yīng)某一Eg值，效率會出現(xiàn)一極大值?？紤]溫度等因素的影響，在一定禁帶寬度范圍內(nèi)

電池會具有最佳的效率?！?/p>

8.6

影響電池效率的因素圖8-13

最大轉(zhuǎn)換效率的理論值與禁帶能量之間的對應(yīng)關(guān)系三、串聯(lián)電阻的影響：串聯(lián)電阻=接觸電阻+薄層電阻。它增加

功率耗散并減少占空因數(shù)。分流電阻的影響不大。接觸電阻可

以很小，但小的薄層電阻對應(yīng)于重

摻雜的表面層，它會降低表面層的

載流子

和擴(kuò)散長度。因此需要

對摻雜濃度和結(jié)深采取折衷。此外，小的串聯(lián)電阻要求有大的金屬化接

觸面積，它限制了光吸收的面積。

可以采用柵格結(jié)構(gòu)，既有大的面積，又使串聯(lián)電阻保持合理數(shù)值。圖8-14串聯(lián)電阻和分流電阻對I-V曲線的影響§

8.6

影響電池效率的因素四、表面反射的影響：可以采用抗反射層的方法，減小電池的表面復(fù)合。理想n1和n2分別為空氣和半導(dǎo)體的抗反射層材料折射率應(yīng)為材料的折射率。五、聚光技術(shù)聚光技術(shù)是用聚光器面積代替許多能電池的面積，從而降低 能電池造價。它的另一個優(yōu)點(diǎn)是增加效率。聚光度每強(qiáng)度的聚光強(qiáng)度下增加10倍，效率約增加2%。一個電池在1000個度下工作產(chǎn)生的輸出功率相當(dāng)于1300個電池在一個工作的輸出功率。（閱讀：8.6.5節(jié)）n1n，2§

8.6

影響電池效率的因素小結(jié)：提高

電池效率的措施如下：從 光譜考慮，禁帶愈窄的半導(dǎo)體材料可獲得更大的短路光電流；禁帶愈寬的半導(dǎo)體材料可產(chǎn)生更大的開路電壓；綜合1，2兩個因素，從獲得最大轉(zhuǎn)換效率考慮，硅和砷化鎵是制作 電池的上選材料；減小串聯(lián)電阻，蒸鍍抗反射膜，采用聚光技術(shù)都是提高電池效率的有力措施?！?/p>

8.6

影響

電池效率的因素§8.9

光電二極管的基本結(jié)構(gòu)與工作原理教學(xué)要求:說明光電二極管的基本工作原理。光電二極管和 電池的主要異同點(diǎn)。P-I-N光電二極管的工作原理。圖8-20

光電二極管的工作特性曲線一、PN結(jié)光電二極管工作原理：光電二極管的基本工作原理是基于反偏壓結(jié)（PN結(jié)、肖特基結(jié)、異質(zhì)結(jié)等）的少子抽取作用。光照反偏PN結(jié)，產(chǎn)生的光生載流子被空間電荷區(qū)電場漂移形成反向電流。光電二極管把光信號轉(zhuǎn)換成了電信號。反向的光電流的大小與入射光的強(qiáng)度和波長有關(guān)。光電二極管用于探測光信號。§8.9

光電二極管的基本結(jié)構(gòu)與工作原理圖8-21

PIN光電二極管的工作原理§8.9

光電二極管的基本結(jié)構(gòu)與工作原理二、PIN結(jié)光電二極管工作原理：為了提高光子收集效率，在P層和N層之間夾入一層本征（或低摻雜）的I層材料，稱為PIN光電二極管。在很高的反偏壓下，I層完全變成耗盡層，增加了耗盡層

的寬度，其中的電子—空穴對立刻被電場分離而形成光電流。I層之外的電子—空穴對擴(kuò)散到耗盡層邊緣后也被耗盡層收集。PIN光電二極管中存在漂移和擴(kuò)散兩種機(jī)制的電流。二、PIN結(jié)光電二極管工作原理：在長距離的光纖通信系統(tǒng)中多采用P-InP/I-InGaAs/N-InP的雙異質(zhì)結(jié)PIN光電二極管，InP的禁帶寬度為1.35eV，對波長大于0.92μm的光不吸收。InGaAs的禁帶寬度為0.75eV（對應(yīng)截止波長1.65μm），在1.3~1.6

μm波段上表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸收。幾微米厚的I層，就可以獲得很高的響應(yīng)度。這樣，對于光通信的低損耗波段，光吸收只發(fā)生在I層，完全消除了較慢的擴(kuò)散電流的影響，具有良好的頻率響應(yīng)。（自行閱讀：8.9.2、8.9.3

）三、光電二極管與

電池的主要異同點(diǎn)：相同點(diǎn)：都是利用光生伏特效應(yīng)工作的器件。不同點(diǎn)：i>用途不同；ii>光電二極管工作時要加上反向偏壓，而

電池不用?！?.9

光電二極管的基本結(jié)構(gòu)與工作原理小結(jié)：光電二極管受光照后，產(chǎn)生與入射光強(qiáng)成正比的光生電流。光電流含有入射光的信息，所以能達(dá)到探測光信號的目的。

PIN光電二極管的I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，I層完全變成耗盡層，其中產(chǎn)生的電子—空穴對立刻被電場分離而形成光電流。光電二極管中有兩種電流：i>

耗盡層中產(chǎn)生的電子—空穴對立刻被電場分離而形成的電流，稱為漂移電流。漂移電流是快電流。ii>在I層之外擴(kuò)散區(qū)產(chǎn)生的電子—空穴對以擴(kuò)散方式向耗盡層邊緣擴(kuò)散然后被耗盡層收集，稱為擴(kuò)散電流。擴(kuò)散電流是慢電流，影響光電二極管的頻率響應(yīng)。§8.9

光電二極管的基本結(jié)構(gòu)與工作原理§8.10

光電二極管的特性參數(shù)教學(xué)要求:掌握概念：量子效率、響應(yīng)度、響應(yīng)速度（帶寬）、信噪比、噪聲等效功率（NEP）、探測率、比探測率。影響響應(yīng)速度的主要因素有哪些？如何予以綜合考慮？一、量子效率和響應(yīng)度：1.量子效率量子效率定義為單位入射光子所產(chǎn)生的電子空穴對數(shù)，即：式中，Pin為入射光功率，它與入射光通量Φ0的關(guān)系為：產(chǎn)生明顯光電流的波長是有限制的，長波限λc由禁帶寬度決定。光響應(yīng)也有短波極限，因為波長很短時，大部分輻射在表面附近被吸收，產(chǎn)生的載流子在到達(dá)PN結(jié)被收集前就已經(jīng)被復(fù)合掉了。h

PinIL

qPin

A1

R0h（8-10-1）（8-10-2）§8.10

光電二極管的特性參數(shù)圖8-26

光電二極管量子效率和波長關(guān)系§8.10

光電二極管的特性參數(shù)在紫外和可見光區(qū)，金屬半導(dǎo)體光電二極管有很高的量子效率；在近紅外區(qū)，硅光電二極管（有抗反射涂層）在0.8~0.9μm附近，量子效率可達(dá)100%；在1.0

~1.6

μm的區(qū)域，鍺光電二極管和

IIIV族光電二極管（如GaInAs）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(jìn)行冷卻。2.量子效率與波長關(guān)系(

A/W

)h

1.24

q

qPinR

IL§8.10

光電二極管的特性參數(shù)3.響應(yīng)度響應(yīng)度表征光電二極管的轉(zhuǎn)換效率，定義為短路光電流與輸入光功率之比，意為單位入射光功率產(chǎn)生的短路電流，即：高的量子效率和響應(yīng)度要求有厚的I

層。二、響應(yīng)速度（帶寬）：1.定義：交流光電流下降到低頻值時的2-1/2時的調(diào)制頻率，即為響應(yīng)速度，也稱為3dB頻率或3dB帶寬。（8-10-3）2.影響響應(yīng)速度（帶寬）的主要因素：載流子的擴(kuò)散。在耗盡層外邊產(chǎn)生的載流子必須擴(kuò)散到P-N結(jié)，這將引起可觀的時間延遲。為了將擴(kuò)散效應(yīng)減到最小，P-N結(jié)盡可能接近表面。在耗盡層內(nèi)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盡層要盡可能地窄。但耗盡層太窄會使器件吸收光子的數(shù)量減小而影響響應(yīng)度。耗盡層電容。耗盡層太窄，則耗盡層電容過大，從而使時間常數(shù)RC過大（R是負(fù)載電阻）。因此耗盡層寬度要有一個最佳選擇：§8.10

光電二極管的特性參數(shù)式中，f3dB是3dB頻率，W是耗盡層寬度，vs是飽和漂移速度，tr為耗盡層渡越時間。2f3dBtr

2.4f3dB

0.4vs

/

W（8-10-4）（8-10-5）或者三、噪聲特性：

噪聲：噪聲是信號上附加的無規(guī)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(chǎn)生的不均勻的或雜亂的電子空穴對引起的。也就是說是由通過器件的粒子（電子或空穴）數(shù)無規(guī)則起伏引起的。分析表明，探測器散粒噪聲電流即均噪聲電流由下式估算。（8-10-7）

2qIfnsi2§8.10

光電二極管的特性參數(shù)式中I為電流強(qiáng)度，Δf

為測量的頻率范圍，即帶寬。3.

熱噪聲：來自電阻值為R的電阻體發(fā)出的電磁輻射部分，由載流子無規(guī)則散射引起。熱噪聲的電流（均方值）為接有輸入電阻為R的放大器時的總噪聲電流（均方值）為（8-10-8）R

4KTfnti2RIL

－入射光在光吸收層中產(chǎn)生的光電流，即信號電流。ID

－暗電流。T

－放大器的噪聲系數(shù)和絕對溫度之積，稱為有效溫度。n

L

Df

4KTf

2q