第四讲 半导体光电检测器件
第一节 光敏电阻
第二节 光电池
第三节 光敏二极管
第一节 光敏电阻
?原理及结构
?特性参数
?特点
?典型电路
一、原理及结构
? 1,原理：
?光敏电阻阻值对光照特别敏感, 是一种典
型的利用 光电导效应 制成的光电探测器件 。
?对于本征型, 可用来检测可见光和近红外
辐射
?对于非本征型可以检测波长很长的辐射
? 2、结构：
? 组成：它由一块涂在绝缘
基底上的光电导材料薄膜
和两端接有两个引线，封
装在带有窗口的金属或塑
料外壳内 。电极和光电导
体之间呈 欧姆接触。
? 三种形式
? ⑴梳状式
? 玻璃基底上蒸镀梳状金属膜而制成；或在
玻璃基底上面蚀刻成互相交叉的梳状槽, 在
槽内填入黄金或 石墨 等导电物质, 在表面再
敷上一层光敏材料 。 如图所示 。
绝缘基底
光电导体膜
? ⑵ 刻线式
? 在玻璃基片上镀制一层薄的金属箔, 将其刻
划成栅状槽, 然后在槽内填入光敏电阻材料
层后制成 。 其结构如下图所示 。
注意,与梳状式的区别
? ⑶ 涂膜式
? 在玻璃基片上直接涂上光敏材料膜后而制成 。
其结构如右下图所示 。
? 2,光敏电阻在电路中的符号
pR
二、特性参数
? 1、光电流及增益
无光照时流过器件的电流称暗电流，由入射光
引起的称光电流。
LU
增益可理解为：样品中每产生一个光生载流
子所构成的流入外电路的载流子数 。
若 G>1,即单位时间流过器件的电荷数大于器
件内光激发的电荷, 从而使电流得到放大 。
? 增益系数：光电流与入射光引起的单位时
间电荷量的比值。
?e
IG p?
LU
2)( L
UG
ppnn ??? ????
由上式可知：
①、减小样品长度可以大大提高增益；
②、增加载流子的寿命也可提高增益。
光敏面作成 蛇形,电极作成梳状是因为
这样即可以保证有较大的受光表面，也可
以减小电极之间距离，从而既可减小极间
电子渡越时间，也有利于提高灵敏度。
? 2.光电导灵敏度
? 定义为光电导 与输入光照度 E之比。
?
?
?, 光电导（西门子 S）
? E, 照度（勒克斯 lx）
?, 入射通量（流明 lm)
?
?
?
??
Ag
A
g
E
g
S pppg
gS
pg
?
pg
? 注意,灵敏度与光电增益的区别
（ 1）灵敏度是光电导体在光照下产生光电导
能力的大小。
（ 2）增益指在工作状态下，各参数对光电导
效应的增强能力。
材料特性
结构参数
? 3、光电特性：
? 光电流与照度的关系：
,光照指数
?,电压指数
由图可知：（ 1）弱光时,与照度 成线性关系
? 即得
? （ 2) 强光时，光电流与照度成抛物线，
? 即得
ar
g UESI ?光
r
a
光I E
1r ?
5.0r ?
? 强光照 下光电特性的分析：
? 光照增强的同时，载流子浓度不断的增加，
同时光敏电阻的温度也在升高，从而导致载
流子运动加剧，因此复合几率也增大，光电
流呈饱和趋势。（冷却可以改善）
? 4、伏安特性：
? 在一定的光照下，光电流 与所加电压 的关系
?
? 一定的光照下,与 电压 的关系 ;
相同的电压下,与光照 的关系
光I U
50 100
5
10
)(VV
0?E
Lx10
Lx100
Lx1000
)(mAI
0
光I U
光I E
? 说明：
? （ 1) 光敏电阻为纯电阻，符合欧姆定律，对
多数 半导体，当 电场强度超过
（强光时），不遵守欧姆 定律。硫化镉例
外，其伏安特性在 100多伏就不成线性了。
厘米伏410
? （ 2）光照使光敏电阻发热，使得在额定
功耗内工作，其最高使用电压由其耗散
功率所决定，而功耗功率又和其面积大
小、散热情况有关。
? （ 3）伏安特性曲线和负载线的交点即为
光敏电阻的工作点。
? 5、温度特性：
? 温度的变化，引起温度噪声，导致其灵敏度、
光照特性、响应率等都发生变化。为了提高灵
敏度，必须采用冷却装置，尤其是杂质型半导
体受温度影响更明显。
20 40 60 80 100
T
50
100
150
200
0
I
? 6．前历效应
? 指光敏电阻的时间特性与工作前, 历史, 有关的一
种现象。即测试前光敏电阻所处状态对光敏电阻特性
的影响。
? 暗态前历效应,指光敏电阻测试或工作前处于暗态，
当它突然受到光照后光电流上升的越慢程度。一般，
工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越重。
1-黑暗放置 3分钟后
2-黑暗放置 60分钟后
3-黑暗放置 24小时后
? 亮态前历效应：
? 光敏电阻测试或工作前已处于亮态，当照度与工作
时所要达到的照度不同时，所出现的一种滞后现象。
其效应曲线如下图所示。
? 7、暗电阻和暗电流：
? 光敏电阻在黑暗时的阻值称为暗电阻，
一般情况下，暗电阻都大于 10兆，受光
照时的阻值称为亮阻。暗阻与亮阻的比
值也可作为衡量灵敏度的高低，比值越
大，灵敏度越高。
? 8,时间频率响应：
时间特性与光照度, 工作温度有明显的依赖关系 。
37.0
63.0
1
2t
Lx100
Lx10
1t
1t?
2t?
I
t
? 9、噪声特性：
? 热噪声、产生复合噪声,
? 噪声与调制频率的关系如下所示：
? （ 1) 红外：减小温漂，使信号放大，可调制较高的
（ 2）制冷可降低热噪声
（ 3）恰当的偏置电路，可使信噪比最大
f1
2NI
flg0
躁声f1
复合躁声产生 ?
热躁声
f
? 10、光谱特性,相对灵敏度与波长的关系
?
?
?
? 可见光区光敏电阻的光谱特性
光谱特性曲线覆盖了整个可见光区，峰值波长在 515～
600nm之间。尤其硫化镉的峰值波长与人眼的很敏感
的峰值波长（ 555nm）是很接近的，因此可用于与人
眼有关的仪器，例如照相机、照度计、光度计等。
? 红外区光敏电阻的光谱特性
? 注明：此特性与所用材料的光谱响应、制造
工艺、掺杂浓度和使用的环境温度有关。
三、光敏电阻的特点
? 1、优点：
? 灵敏度高，光电导增益大于 1，工作电流
大，无极性之分
? 光谱响应范围宽，尤其对红外有较高的
灵敏度
? 所测光强范围宽，可测强光、弱光
? 2、不足：
? 强光下光电转换线性差
? 光电导弛豫时间长
? 受温度影响大
? 由伏安特性知，设计负载时，应考虑额定功耗
? 进行动态设计时，应考虑光敏电阻的前历效应
四、光敏电阻的电路
? 1、基本偏置电路：
? （ 1） 第一种：
? 将第一种电路中的 与 互换位置，即另一种偏
置电路。
? （ 2）分析两种情况下输出电压的变化,
? （ 3） 和电源 的选取原则：
a.光通量 连续变化时，
b.光通量 跳跃变化时，
c., 为最大允许功耗
pR lR
GR E
?
）（ G m i nG m a xG
G m i nG m a x
G
RRR
2
RRR
??
??
?
2)R4P(E Lm a x? maxP
? 2、恒流、恒压偏置电路：
? （ 1）恒流偏置电路：采用稳压管 D,故 不
变，所以 不变，因此 也不变。
? （ 2）恒压偏置电路：
? 同样 不变，故 不变，由 于 减小，
故 增大。导致 变化。而输出电压
不变。
bV
bI cI
cI
bV eV GR
eI o
V
第二节 光电池
? 光电池是一种利用光生伏特效应制成的不需
加偏压就能将光能转化成电能的光电器件。
简单的说，其本质就是一个 PN结。
N
?h
P
N
LR
GE
表示电子
表示空穴
I
（一）结构原理
? 1、金属 -半导体接触型（硒光电池）
? 2,PN结型
结型光电池，是在 N型（或 P型）半导体表面上
扩散一层 P型（或 N型）杂质，形成 PN结。
（ 1）按基底材料不同分 2DR（ P型 Si为基底）
2CR（ N型 Si为基底）
N
P
)(?电极
)(?电极
入射光线
? 注意：
? 1、上、下电极区分
? 2、上电极栅指状目的
? 3、受光表面涂保护膜的目的
)(PN
)(SiP
)(前极上电极
)(后极下电极
)(a
)(BP
)(SiN
)(b
（ 2）、按用途
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
阵列式 象限式
（二）分类
? 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）
? 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结 0.2~0.3 μm,短波峰值 600nm
（三）符号及电路
符号 连接电路 等效电路
LR
I
U LR
pI
jI
I
U
（四）特性参数
? 1、光照特性：
0I
kT
h
PU
oc ?? ?
?
0 2000 4000 6000 8000 10000
1
2
3
4
5 4.0
3.0
2.0
1.0
scI
ocU
)/( 2cmmAIsc )(VU
oc
)(LxE
?
?
h
PeII
pSC ??
? 2、输出电流与负载大小的关系：
? 3、伏安特性：光电流与电压的关系：
? 4,VLS,ILS, PL与负载 RL的关系：
? 据伏安特性先求负载线，再求负载功率；
? 据开路电压、短路电流求最佳负载线
? 5、光谱特性：电路电流随波长变化情况
? 取决于所用材料与工艺
2000 4000 6000 8000 10000 12000
20
40
60
80
100
(%)I
Si蓝Si
?
? 6、温度特性：
T
0.2
9.1
8.1200
400
600
ocU sc
I
)(mVU oc )(mAIsc
20? 0 20 40 60 80 100
（五）应用
? 1、光电池用作太阳能电池
把光能直接转化成电能，需要最大的输
出功率和转化效率。即把受光面做得较大，
或把多个光电池作串、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。
? 2、光电池用作检测元件
? 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。
第三节 光敏二极管
? 1、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保护层
（ 3）外加负偏压
? 2、与光电池相比：
? 共同点：均为一个 PN结，利用光生伏特效
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，更常在反偏压下工
作
? 3、性能参数
? 光照下 PN结电压与光电流之间 关系
（ 1）伏安特性：
? 反向偏压与光电流之间的关系
（ 2）光照特性：光电流与照度的关系
15V反向偏压时的光照特性曲线
0 250 500 750 1000 1250
10
20
30
40
50
60
E
)( AI ?
（ 3）、光谱特性
? 影响因素：
材料：禁带宽度
设计工艺,PN结深度及表面处理
（ 4）暗电流与噪声：
在直流偏压下，暗电流是噪声的主要来 源；
暗电流主要包括反向饱和电流，势垒区的复
合（或产生）电流以及表面漏电流。
环极的作用是：克制由于 SiO2保护膜中的杂质
正离子静电感应。
（ 5）频率特性：
? 是半导体光电器件中最好的一种，与下列
因素有关：
? 结电容（小于 20μμF) 和杂散电容
? 光生载流子在薄层中的扩散时间及 PN结中
的漂移时间
要提高频率响应必须做到以下几点：
1、合理的结面积（小的结面积可使 Cj减小，但
相同光照下，光电流也较小）；
2、尽可能大的耗尽层厚度；
3、适当加大使用电压；
4、减小结构所造成的分布电容。
? 4、电路：
? 光敏二极管的输出电路及等效电路：由等效
图可知：
? 计算上限频率
?? Si?
?i
jC
LR
LLL RSRiU ??? ?
? 5、光敏二极管的分类
? 按材料
? 硅光敏二极管
? 锗光敏二极管
? 化合物光敏二极管
? 按结特性：
PN结（扩散层、耗尽层）,PIN结,异质
结、肖特基结
? 6、几种常见的光敏二极管
（ 1）肖特基结光敏二极管：
光敏面小，势垒电容小，响应快，但工艺困难。
（ 2）扩散层 PN结光敏二极管：
耗尽层厚度小于结的任一边的扩散长度，工作
区是结两边的扩散区，光电流主要由扩散流
引起。
(3) 耗尽层型 PN结光敏二极管：
耗尽层厚度大于结的任一边的扩散长度，
光电转换主要在耗尽层内，光电流主要由
漂移电流引起的。有很高的频率响应。
（ 4） PIN型（ 2DUL型）光电二极管
PIN管结构示意图
? 在 P,N型之间加进了较厚的本征半导体 I型层,
内电场基本上集中于 I层上, PN结间距拉大, 结
电容变小；提高响应速度；
? 由于耗尽层变宽, 从而展宽了光电转换的
有效工作范围；
? 增加了吸收层厚度, 改善了对长波光的吸
收, 提高了灵敏度, 增大了长波响应率 。
（ 5） 雪崩型光电二极管
? APD是具有内部倍增放大作用的光电二极管, 利
用 PN结势垒区的 高反向电压下 强电场作用产生
载流子的雪崩倍增而得到 。
? 工作过程：
初始的载流子在强电场的作用下获得很大
的动能, 其在高速运动过程总与晶体的晶格碰
撞, 产生新的电子空穴对, 称为碰撞电离过程 。
此过程多次重复 。 从而反向电流也迅速增大形
成雪崩倍增效应 。
? 结构：为了实现雪崩过程, 基片杂质浓度
很高, 使之容易碰撞电离；
? 片子厚度较薄, 保证较高的电场强度
? 影响雪崩光敏二极管工作的因素,
( a) 雪崩过程伴有一定的噪声，并受温度的
影响较大；
(b)表面材料的缺陷使 PN结各电场分布不均，
局部先击穿使漏电流变大，增强了噪声；
（ c)工作偏压必须适当
作 业
用已经学知识，分别根据
一种型号的光敏电阻、光电池
和光电二极管的特性参数，解
释其物理意义。
预 习
?光敏三极管
?器件的性能比较和应用选择
?热电检测器件的原理
第一节 光敏电阻
第二节 光电池
第三节 光敏二极管
第一节 光敏电阻
?原理及结构
?特性参数
?特点
?典型电路
一、原理及结构
? 1,原理：
?光敏电阻阻值对光照特别敏感, 是一种典
型的利用 光电导效应 制成的光电探测器件 。
?对于本征型, 可用来检测可见光和近红外
辐射
?对于非本征型可以检测波长很长的辐射
? 2、结构：
? 组成：它由一块涂在绝缘
基底上的光电导材料薄膜
和两端接有两个引线，封
装在带有窗口的金属或塑
料外壳内 。电极和光电导
体之间呈 欧姆接触。
? 三种形式
? ⑴梳状式
? 玻璃基底上蒸镀梳状金属膜而制成；或在
玻璃基底上面蚀刻成互相交叉的梳状槽, 在
槽内填入黄金或 石墨 等导电物质, 在表面再
敷上一层光敏材料 。 如图所示 。
绝缘基底
光电导体膜
? ⑵ 刻线式
? 在玻璃基片上镀制一层薄的金属箔, 将其刻
划成栅状槽, 然后在槽内填入光敏电阻材料
层后制成 。 其结构如下图所示 。
注意,与梳状式的区别
? ⑶ 涂膜式
? 在玻璃基片上直接涂上光敏材料膜后而制成 。
其结构如右下图所示 。
? 2,光敏电阻在电路中的符号
pR
二、特性参数
? 1、光电流及增益
无光照时流过器件的电流称暗电流，由入射光
引起的称光电流。
LU
增益可理解为：样品中每产生一个光生载流
子所构成的流入外电路的载流子数 。
若 G>1,即单位时间流过器件的电荷数大于器
件内光激发的电荷, 从而使电流得到放大 。
? 增益系数：光电流与入射光引起的单位时
间电荷量的比值。
?e
IG p?
LU
2)( L
UG
ppnn ??? ????
由上式可知：
①、减小样品长度可以大大提高增益；
②、增加载流子的寿命也可提高增益。
光敏面作成 蛇形,电极作成梳状是因为
这样即可以保证有较大的受光表面，也可
以减小电极之间距离，从而既可减小极间
电子渡越时间，也有利于提高灵敏度。
? 2.光电导灵敏度
? 定义为光电导 与输入光照度 E之比。
?
?
?, 光电导（西门子 S）
? E, 照度（勒克斯 lx）
?, 入射通量（流明 lm)
?
?
?
??
Ag
A
g
E
g
S pppg
gS
pg
?
pg
? 注意,灵敏度与光电增益的区别
（ 1）灵敏度是光电导体在光照下产生光电导
能力的大小。
（ 2）增益指在工作状态下，各参数对光电导
效应的增强能力。
材料特性
结构参数
? 3、光电特性：
? 光电流与照度的关系：
,光照指数
?,电压指数
由图可知：（ 1）弱光时,与照度 成线性关系
? 即得
? （ 2) 强光时，光电流与照度成抛物线，
? 即得
ar
g UESI ?光
r
a
光I E
1r ?
5.0r ?
? 强光照 下光电特性的分析：
? 光照增强的同时，载流子浓度不断的增加，
同时光敏电阻的温度也在升高，从而导致载
流子运动加剧，因此复合几率也增大，光电
流呈饱和趋势。（冷却可以改善）
? 4、伏安特性：
? 在一定的光照下，光电流 与所加电压 的关系
?
? 一定的光照下,与 电压 的关系 ;
相同的电压下,与光照 的关系
光I U
50 100
5
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)(VV
0?E
Lx10
Lx100
Lx1000
)(mAI
0
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光I E
? 说明：
? （ 1) 光敏电阻为纯电阻，符合欧姆定律，对
多数 半导体，当 电场强度超过
（强光时），不遵守欧姆 定律。硫化镉例
外，其伏安特性在 100多伏就不成线性了。
厘米伏410
? （ 2）光照使光敏电阻发热，使得在额定
功耗内工作，其最高使用电压由其耗散
功率所决定，而功耗功率又和其面积大
小、散热情况有关。
? （ 3）伏安特性曲线和负载线的交点即为
光敏电阻的工作点。
? 5、温度特性：
? 温度的变化，引起温度噪声，导致其灵敏度、
光照特性、响应率等都发生变化。为了提高灵
敏度，必须采用冷却装置，尤其是杂质型半导
体受温度影响更明显。
20 40 60 80 100
T
50
100
150
200
0
I
? 6．前历效应
? 指光敏电阻的时间特性与工作前, 历史, 有关的一
种现象。即测试前光敏电阻所处状态对光敏电阻特性
的影响。
? 暗态前历效应,指光敏电阻测试或工作前处于暗态，
当它突然受到光照后光电流上升的越慢程度。一般，
工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越重。
1-黑暗放置 3分钟后
2-黑暗放置 60分钟后
3-黑暗放置 24小时后
? 亮态前历效应：
? 光敏电阻测试或工作前已处于亮态，当照度与工作
时所要达到的照度不同时，所出现的一种滞后现象。
其效应曲线如下图所示。
? 7、暗电阻和暗电流：
? 光敏电阻在黑暗时的阻值称为暗电阻，
一般情况下，暗电阻都大于 10兆，受光
照时的阻值称为亮阻。暗阻与亮阻的比
值也可作为衡量灵敏度的高低，比值越
大，灵敏度越高。
? 8,时间频率响应：
时间特性与光照度, 工作温度有明显的依赖关系 。
37.0
63.0
1
2t
Lx100
Lx10
1t
1t?
2t?
I
t
? 9、噪声特性：
? 热噪声、产生复合噪声,
? 噪声与调制频率的关系如下所示：
? （ 1) 红外：减小温漂，使信号放大，可调制较高的
（ 2）制冷可降低热噪声
（ 3）恰当的偏置电路，可使信噪比最大
f1
2NI
flg0
躁声f1
复合躁声产生 ?
热躁声
f
? 10、光谱特性,相对灵敏度与波长的关系
?
?
?
? 可见光区光敏电阻的光谱特性
光谱特性曲线覆盖了整个可见光区，峰值波长在 515～
600nm之间。尤其硫化镉的峰值波长与人眼的很敏感
的峰值波长（ 555nm）是很接近的，因此可用于与人
眼有关的仪器，例如照相机、照度计、光度计等。
? 红外区光敏电阻的光谱特性
? 注明：此特性与所用材料的光谱响应、制造
工艺、掺杂浓度和使用的环境温度有关。
三、光敏电阻的特点
? 1、优点：
? 灵敏度高，光电导增益大于 1，工作电流
大，无极性之分
? 光谱响应范围宽，尤其对红外有较高的
灵敏度
? 所测光强范围宽，可测强光、弱光
? 2、不足：
? 强光下光电转换线性差
? 光电导弛豫时间长
? 受温度影响大
? 由伏安特性知，设计负载时，应考虑额定功耗
? 进行动态设计时，应考虑光敏电阻的前历效应
四、光敏电阻的电路
? 1、基本偏置电路：
? （ 1） 第一种：
? 将第一种电路中的 与 互换位置，即另一种偏
置电路。
? （ 2）分析两种情况下输出电压的变化,
? （ 3） 和电源 的选取原则：
a.光通量 连续变化时，
b.光通量 跳跃变化时，
c., 为最大允许功耗
pR lR
GR E
?
）（ G m i nG m a xG
G m i nG m a x
G
RRR
2
RRR
??
??
?
2)R4P(E Lm a x? maxP
? 2、恒流、恒压偏置电路：
? （ 1）恒流偏置电路：采用稳压管 D,故 不
变，所以 不变，因此 也不变。
? （ 2）恒压偏置电路：
? 同样 不变，故 不变，由 于 减小，
故 增大。导致 变化。而输出电压
不变。
bV
bI cI
cI
bV eV GR
eI o
V
第二节 光电池
? 光电池是一种利用光生伏特效应制成的不需
加偏压就能将光能转化成电能的光电器件。
简单的说，其本质就是一个 PN结。
N
?h
P
N
LR
GE
表示电子
表示空穴
I
（一）结构原理
? 1、金属 -半导体接触型（硒光电池）
? 2,PN结型
结型光电池，是在 N型（或 P型）半导体表面上
扩散一层 P型（或 N型）杂质，形成 PN结。
（ 1）按基底材料不同分 2DR（ P型 Si为基底）
2CR（ N型 Si为基底）
N
P
)(?电极
)(?电极
入射光线
? 注意：
? 1、上、下电极区分
? 2、上电极栅指状目的
? 3、受光表面涂保护膜的目的
)(PN
)(SiP
)(前极上电极
)(后极下电极
)(a
)(BP
)(SiN
)(b
（ 2）、按用途
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
阵列式 象限式
（二）分类
? 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）
? 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结 0.2~0.3 μm,短波峰值 600nm
（三）符号及电路
符号 连接电路 等效电路
LR
I
U LR
pI
jI
I
U
（四）特性参数
? 1、光照特性：
0I
kT
h
PU
oc ?? ?
?
0 2000 4000 6000 8000 10000
1
2
3
4
5 4.0
3.0
2.0
1.0
scI
ocU
)/( 2cmmAIsc )(VU
oc
)(LxE
?
?
h
PeII
pSC ??
? 2、输出电流与负载大小的关系：
? 3、伏安特性：光电流与电压的关系：
? 4,VLS,ILS, PL与负载 RL的关系：
? 据伏安特性先求负载线，再求负载功率；
? 据开路电压、短路电流求最佳负载线
? 5、光谱特性：电路电流随波长变化情况
? 取决于所用材料与工艺
2000 4000 6000 8000 10000 12000
20
40
60
80
100
(%)I
Si蓝Si
?
? 6、温度特性：
T
0.2
9.1
8.1200
400
600
ocU sc
I
)(mVU oc )(mAIsc
20? 0 20 40 60 80 100
（五）应用
? 1、光电池用作太阳能电池
把光能直接转化成电能，需要最大的输
出功率和转化效率。即把受光面做得较大，
或把多个光电池作串、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。
? 2、光电池用作检测元件
? 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。
第三节 光敏二极管
? 1、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保护层
（ 3）外加负偏压
? 2、与光电池相比：
? 共同点：均为一个 PN结，利用光生伏特效
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，更常在反偏压下工
作
? 3、性能参数
? 光照下 PN结电压与光电流之间 关系
（ 1）伏安特性：
? 反向偏压与光电流之间的关系
（ 2）光照特性：光电流与照度的关系
15V反向偏压时的光照特性曲线
0 250 500 750 1000 1250
10
20
30
40
50
60
E
)( AI ?
（ 3）、光谱特性
? 影响因素：
材料：禁带宽度
设计工艺,PN结深度及表面处理
（ 4）暗电流与噪声：
在直流偏压下，暗电流是噪声的主要来 源；
暗电流主要包括反向饱和电流，势垒区的复
合（或产生）电流以及表面漏电流。
环极的作用是：克制由于 SiO2保护膜中的杂质
正离子静电感应。
（ 5）频率特性：
? 是半导体光电器件中最好的一种，与下列
因素有关：
? 结电容（小于 20μμF) 和杂散电容
? 光生载流子在薄层中的扩散时间及 PN结中
的漂移时间
要提高频率响应必须做到以下几点：
1、合理的结面积（小的结面积可使 Cj减小，但
相同光照下，光电流也较小）；
2、尽可能大的耗尽层厚度；
3、适当加大使用电压；
4、减小结构所造成的分布电容。
? 4、电路：
? 光敏二极管的输出电路及等效电路：由等效
图可知：
? 计算上限频率
?? Si?
?i
jC
LR
LLL RSRiU ??? ?
? 5、光敏二极管的分类
? 按材料
? 硅光敏二极管
? 锗光敏二极管
? 化合物光敏二极管
? 按结特性：
PN结（扩散层、耗尽层）,PIN结,异质
结、肖特基结
? 6、几种常见的光敏二极管
（ 1）肖特基结光敏二极管：
光敏面小，势垒电容小，响应快，但工艺困难。
（ 2）扩散层 PN结光敏二极管：
耗尽层厚度小于结的任一边的扩散长度，工作
区是结两边的扩散区，光电流主要由扩散流
引起。
(3) 耗尽层型 PN结光敏二极管：
耗尽层厚度大于结的任一边的扩散长度，
光电转换主要在耗尽层内，光电流主要由
漂移电流引起的。有很高的频率响应。
（ 4） PIN型（ 2DUL型）光电二极管
PIN管结构示意图
? 在 P,N型之间加进了较厚的本征半导体 I型层,
内电场基本上集中于 I层上, PN结间距拉大, 结
电容变小；提高响应速度；
? 由于耗尽层变宽, 从而展宽了光电转换的
有效工作范围；
? 增加了吸收层厚度, 改善了对长波光的吸
收, 提高了灵敏度, 增大了长波响应率 。
（ 5） 雪崩型光电二极管
? APD是具有内部倍增放大作用的光电二极管, 利
用 PN结势垒区的 高反向电压下 强电场作用产生
载流子的雪崩倍增而得到 。
? 工作过程：
初始的载流子在强电场的作用下获得很大
的动能, 其在高速运动过程总与晶体的晶格碰
撞, 产生新的电子空穴对, 称为碰撞电离过程 。
此过程多次重复 。 从而反向电流也迅速增大形
成雪崩倍增效应 。
? 结构：为了实现雪崩过程, 基片杂质浓度
很高, 使之容易碰撞电离；
? 片子厚度较薄, 保证较高的电场强度
? 影响雪崩光敏二极管工作的因素,
( a) 雪崩过程伴有一定的噪声，并受温度的
影响较大；
(b)表面材料的缺陷使 PN结各电场分布不均，
局部先击穿使漏电流变大，增强了噪声；
（ c)工作偏压必须适当
作 业
用已经学知识，分别根据
一种型号的光敏电阻、光电池
和光电二极管的特性参数，解
释其物理意义。
预 习
?光敏三极管
?器件的性能比较和应用选择
?热电检测器件的原理
