3.1 硅光电二极管

硅光电二极管是最简单、最具有代表性的光生伏特器件。其中PN结硅光电二极管为最基本的光生伏特器件，其他光生伏特器件是在它的基础上为提高某方面的特性而发展起来的。学习硅光电二极管的原理与特性可为学习其他光生伏特器件打下基础。

3.1.1 硅光电二极管的工作原理

1．光电二极管的基本结构

光电二极管可分为以P型硅为衬底的2DU型与以N型硅为衬底的2CU型两种结构形式。图3-1（a）所示为2DU型光电二极管的结构原理图。在高阻轻掺杂P型硅片上通过扩散或注入的方式生成很浅（约为1 μm）的N型层，形成PN结。为保护光敏面，在N型硅的上面氧化生成极薄的SiO2保护膜，它既可保护光敏面，又可增加器件对光的吸收。

图3-1（b）所示为光电二极管的工作原理图。当光子入射到PN结形成的耗尽层内时，PN结中的原子吸收了光子能量，并产生本征吸收，激发出电子-空穴对，在耗尽区内建电场的作用下，空穴被拉到P区，电子被拉到N区，形成反向电流即光电流。光电流在负载电阻RL上产生与入射光度量相关的信号输出。

图3-1（c）所示为光电二极管的电路符号，其中的小箭头表示正向电流的方向（普通整流二极管中规定的正方向），光电流的方向与之相反。图中的前极为光照面，后极为背光面。

2．光电二极管的电流方程

在无辐射作用的情况下（暗室中）, PN结硅光电二极管的伏安特性曲线与普通PN结二极管的伏安特性曲线一样，如图3-2所示。其电流方程为

式中，U为加在光电二极管两端的电压，T为器件的温度，k为玻尔兹曼常数，q为电子电荷量。显然ID和U均为负值（反向偏置时），且 U ≫kT/q时（室温下kT/q≈26 mV，很容易满足这个条件）的电流，称为反向电流或暗电流。

当光辐射作用到如图3-1（b）所示的光电二极管上时，根据式（1-90）可得光生电流为

其方向应为反向。这样，光电二极管的全电流方程为

式中，η为光电材料的光电转换效率，α为材料对光的吸收系数。

3.1.2 光电二极管的基本特性

由式（3-2）所示的光电二极管全电流方程可以得到如图3-3所示的硅光电二极管在不同偏置电压下的输出特性曲线，这些曲线反映了光电二极管的基本特性。

普通二极管工作在正向电压大于0.7V的情况下，而光电二极管则必须工作在0.7V以下，否则，不会产生光电效应。即光电二极管的工作区域应在图3-3所示的第3象限与第4象限，很不方便。为此，在光电技术中常采用重新定义电流与电压正方向的方法把特性曲线旋转成如图3-4所示。重新定义的电流与电压的正方向均与PN结内建电场的方向相同。

1．光电二极管的灵敏度

定义光电二极管的电流灵敏度为入射到光敏面上辐射量的变化（例如通量变化dΦ）引起的电流变化dI与辐射量变化之比。通过对式（3-2）进行微分可以得到

显然，当某波长λ的辐射作用于光电二极管时，其电流灵敏度为与材料有关的常数，表明光电二极管的光电转换特性的线性关系。必须指出，电流灵敏度与入射辐射波长λ的关系是很复杂的，因此在定义光电二极管的电流灵敏度时，通常将其峰值响应波长的电流灵敏度作为光电二极管的电流灵敏度。在式（3-3）中，表面上看它与波长λ成正比，但是，材料的吸收系数α还隐含着与入射辐射波长的关系。因此，常把光电二极管的电流灵敏度与波长的关系曲线称为光谱响应。

2．光谱响应

以等功率的不同单色辐射波长的光作用于光电二极管时，其响应程度或电流灵敏度与波长的关系称为光电二极管的光谱响应。图3-5所示为几种典型材料的光电二极管光谱响应曲线。由光谱响应曲线可以看出，典型硅光电二极管光谱响应长波限约为1.1 μm，短波限接近0.4 μm，峰值响应波长约为0.9 μm。硅光电二极管光谱响应长波限受硅材料的禁带宽度Eg的限制，短波限受材料PN结厚度对光吸收的影响，减薄PN结的厚度可提高短波限的光谱响应。GaAs材料的光谱响应范围小于硅材料的光谱响应，锗（Ge）的光谱响应范围较宽。

3．时间响应

以频率f调制的辐射作用于PN结硅光电二极管光敏面时，PN结硅光电二极管电流的产生要经过下面3个过程：

（1）在PN结区内产生的光生载流子渡越结区的时间τdr，称为漂移时间；

（2）在PN结区外产生的光生载流子扩散到PN结区内所需要的时间τp，称为扩散时间；

（3）由PN结电容Cj、管芯电阻Ri及负载电阻RL构成的RC延迟时间τRC。

设载流子在结区内的漂移速度为vd, PN结区的宽度为W，载流子在结区内的最长漂移时间为

一般的PN结硅光电二极管，内电场强度Ei都在105V/cm以上，载流子的平均漂移速度要高于107cm/s, PN结区的宽度一般约为100 μm。由式（3-4）可知，漂移时间τdr=10 -9s，为ns数量级。

对于PN结硅光电二极管，入射辐射在PN结势垒区以外激发的光生载流子必须经过扩散运动到势垒区内，才能受内建电场的作用，并分别拉向P区与N区。载流子的扩散运动往往很慢，因此扩散时间τp很长，约为100 ns，它是限制PN结硅光电二极管时间响应的主要因素。

另一个因素是PN结电容Cj和管芯电阻Ri及负载电阻RL构成的时间常数τRC，有

普通PN结硅光电二极管的管芯内阻Ri约为250 Ω, PN结电容Cj常为几个pF，在负载电阻RL低于500 Ω时，时间常数τRC也在ns数量级。但是，当负载电阻RL很大时，时间常数τRC将成为影响硅光电二极管时间响应的一个重要因素，应用时必须注意。

由以上分析可见，影响PN结硅光电二极管时间响应的主要因素是PN结区外载流子的扩散时间τp，如何扩展PN结区是提高硅光电二极管时间响应的重要措施。增高反向偏置电压会提高内建电场的强度，扩展PN结的耗尽区。但是反向偏置电压的提高也会加大结电容，使RC时间常数τRC增大。因此，必须从PN结的结构设计方面考虑如何在不使偏压增大的情况下使耗尽区扩展到整个PN结器件，才能消除扩散时间。

4．噪声

与光敏电阻一样，光电二极管的噪声也包含低频噪声Inf、散粒噪声Ins和热噪声InT等三种噪声。其中，散粒噪声是光电二极管的主要噪声。散粒噪声是由于电流在半导体内的散粒效应引起的，它与电流的关系为

光电二极管的电流应包括暗电流ID、信号电流Is和背景辐射引起的背景光电流Ib，因此散粒噪声应为

根据电流方程，将反向偏置的光电二极管电流与入射辐射的关系，即式（3-2）代入式（3-7）得

另外，当考虑负载电阻RL的热噪声时，光电二极管的噪声应为

目前，用来制造PN结型光电二极管的半导体材料主要有硅、锗、硒和砷化镓等，用不同材料制造的光电二极管具有不同的特性。表3-1所示为几种不同材料光电二极管的基本特性参数，供实际应用时选用。