量子效率函数关系曲线及其影响因素

光电二极管产生的光电流大小主要取决于入射的光子数量和其本身的材料对光子的吸收与转化效率，入射的光子数量可以用入射光强Φinc(λ)来描述，而对光子的吸收与转化效率可以用量子效率来描述。量子效率是指某一特定波长单位时间内产生的平均光电子数与入射光子数之比，它是描述光电器件光电转换能力的一个重要参数。从量子效率的定义，我们可以得到：

其中h是普朗克常量，c是光速，λ是光子波长，q是电子电量，I p d是光电流，P op t是光功率。

图5.13　量子效率函数关系曲线

量子效率分为内量子效率与外量子效率。光子入射到光电二极管的表面时，被吸收的那部分光子会激发产生电子-空穴对，有一部分电子-空穴对又重新复合，在耗尽区能被收集起来的电子数（即形成光电流）与被吸收的光子数之比，就是内量子效率（IQE，Internal Quantum Eきciency）。内量子效率主要研究半导体原子通过吸收光子产生电子-空穴对后，最终能产生多大的光电流。外量子效率（EQE，External Quantum Eきciency）表示光电流中的电子数与所有入射的光子数之比。外量子效率主要由三个因素决定：材料表面对入射光的反射、半导体材料对入射光的吸收和电极对光生载流子的收集。因此外量子效率主要研究的是入射光照在光电二极管上时经过各种耗损后，最终能产生多大的光电流。很显然内量子效率不考虑光在二极管表面反射等方面的影响因素，因此内量子效率要高于外量子效率。外量子效率更具有实际意义，我们通常说的量子效率是指外量子效率。若只考虑半导体材料对入射光的吸收能力，量子效率可简化为：(www.xing528.com)

其中α(λ)为半导体材料的光吸收系数，d为吸收深度（假设从材料表面到深度d都是耗尽区）。光吸收系数α(λ)等于波长为λ的光被完全吸收所需要的深度的倒数，因此α(λ)与d的乘积就表示耗尽区的深度与光子完全被吸收所需深度的比值。在理想状态下，量子效率与上述深度比值的函数关系如图5.13所示。当α(λ)与d的乘积大于1时，表示耗尽区的深度大于光子完全被吸收所需的深度，因此量子效率接近1；当α(λ)与d的乘积小于1时，表示耗尽区的深度小于光子完全被吸收所需的深度，量子效率按指数关系衰减。没有被吸收的光子会穿透耗尽区，由它们生成的电子-空穴对较难被收集，因此会发生复合。

若进一步考虑光电二极管表面对入射光的反射影响，量子效率可用式(5.12)表示：

其中R为材料表面对入射光的反射率，因此(1R)表示可射入到材料内部的光的比例。光吸收系数可以直接通过实验得到比较确切的数据，图5.14为仿真得到的单晶硅的光吸收系数和吸收深度曲线，两者互为倒数。对于短波长光，硅具有很强的吸收能力，吸收深度很浅；随着波长的增加，光吸收系数大幅度降低，吸收深度随之增大，直到波长增加到1100 nm左右，光吸收系数接近为零，因为这时光子的能量不足以激发电子-空穴对。