1、第五章 光伏探測器,概述： 1.定義：利用半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)而制成的探測器。 2.分類：pn結(jié)型、pin結(jié)型、金屬-半導(dǎo)體結(jié)型和異質(zhì)結(jié)型 光電池、光電二極管、光電三極管、pin管、雪崩二極管。 3.主要特點： 結(jié)型器件，只有到達(dá)結(jié)區(qū)附近的光才會產(chǎn)生光電效應(yīng)。 光電導(dǎo)器件：均值型，光不論照在它的哪一個部分，受光 部分的電導(dǎo)率都要增大。 有確定的極性，不需外加偏壓也可以把光信號變?yōu)殡娦盘?光電導(dǎo)探測器沒有極性，工作時必須外加偏壓。 光伏效應(yīng)主要依賴于結(jié)區(qū)非平衡載流子中的少子漂移運 弛豫時間較小，響應(yīng)速度快，頻率響應(yīng)特別好。 特例：光電三極管、雪崩二極管內(nèi)有內(nèi)增益，靈敏度較高,第五章 光伏探測器,光

2、電導(dǎo)探測器：主要依賴非平衡載流子中多子的產(chǎn)生與復(fù)合 運動，弛豫時間較大。響應(yīng)速度慢，頻率響應(yīng)性能較差。 4.主要用途：光度測量、光開關(guān)、報警系統(tǒng)、圖像識別、自 動控制等n個方向。 5-1光生伏特響應(yīng)與光伏探測器的工作原理 定義： 光生伏特效應(yīng)：光照使不均勻半導(dǎo)體或均勻半導(dǎo)體中光生電 子和空穴在空間分開而產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。,第五章 光伏探測器,情況1：不均勻半導(dǎo)體 PN結(jié)：同質(zhì)摻雜 異質(zhì)結(jié)：不同質(zhì)的半導(dǎo)體 肖特基勢壘：金屬和半導(dǎo)體 內(nèi)在電場： 光半導(dǎo)體電子空穴對 運動積聚電位差 情況2：均勻半導(dǎo)體 體積光生伏特效應(yīng)，沒有內(nèi)電場。 光半導(dǎo)體的一部分電子空穴對濃度不同擴散擴散 速度不同電荷分開光生電

3、伏（丹信效應(yīng)） 電子空穴對 兩種電荷分開（光磁電效應(yīng)） 丹信效應(yīng) 體積光生伏特效應(yīng) 光磁電效應(yīng),第五章 光伏探測器,一、由勢壘效應(yīng)產(chǎn)生的光生伏特效應(yīng) 圖5-1 (a)勢壘形成圖 (b)能級圖 當(dāng)光照時，在p，n和勢壘區(qū)產(chǎn)生光生 載流子。 P中電子，N中空穴，只要擴散長度大 于到阻擋層距離，成為少子在電場中 加速到對方 降低了阻擋層的勢壘 有外電路電流流過。,第五章 光伏探測器,公式推導(dǎo)： 經(jīng)5.1-1-5 :pn結(jié)反向飽和電流（pn結(jié)的伏安特性） :光生電流：和入射單色輻射的功率P有關(guān)系: (由量子效率的定義） pn結(jié)伏安特性在V=0處的動態(tài)電阻： 電壓響應(yīng)率:,第五章 光伏探測器,二、由光生

4、載流子濃度梯度引起的光生伏特效應(yīng) 對于均勻的半導(dǎo)體： 光半導(dǎo)體: 表面:濃度高 體內(nèi):濃度低 載流子沿光照方向體內(nèi)擴散： 一般 ：電流方向和光照方向相反 形成光生電場少子的漂移運動 總電流密度：,第五章 光伏探測器,平衡時： 此時 5.1-14式=0 于是： 積分： 結(jié)論： 和 成正比，只有 時才可以產(chǎn)生光生伏特 效應(yīng)。 小信號時： 大信號時： 均勻半導(dǎo)體放于磁場中，將會產(chǎn)生空穴和電子分離，引起 光磁電效應(yīng)。 由此產(chǎn)生的光生載流子 短路電流：,第五章 光伏探測器,圖5-3 用途： 測量載流子的壽命 用作紅外探測器 需要大磁鐵 在相當(dāng)大的光強度范圍內(nèi)，開路電壓和光強度成正比,第五章 光伏探測器,

5、三、光照下理想p-n結(jié)方程及特性曲線 由固體物理可知： p-n結(jié)上的電壓V和流過它的電流Ip 的伏安特性： 光照時光電流： 流過p-n結(jié)外回路的總電流I： 分析：見圖5-4,第五章 光伏探測器,情況1： 第一象限：p-n結(jié)加正偏壓。 此時pn結(jié)的暗電流ID即是p-n結(jié)的正向電流，很大，大于光 生電流，非工作區(qū)。 第三象限：p-n結(jié)反偏。,第五章 光伏探測器,一、響應(yīng)率 在弱光照射情況下，上式可近似為 將光電流 代入得 反向飽和電流為 由此可知，光伏探測器的響應(yīng)率與器件的工作溫度T及少數(shù)載流子濃度和擴散有關(guān)，而與器件的外偏壓無關(guān)，這與光電導(dǎo)探測器是不同的。,5-2光伏探測器的性能參數(shù),第五章 光

6、伏探測器,二、噪聲 光伏探測器的噪聲主要包括器件中光生電流的散粒噪聲、暗電流噪聲和器件的熱噪聲，其均方噪聲電流為 光電流和暗電流引起的散粒噪聲是主要的,第五章 光伏探測器,1.無光照時 2.有光照時 流過p-n結(jié)的電流有 ?？偟脑肼曤娏骶街禐?有弱光照射時，有 則 當(dāng)光伏探測器工作于負(fù)偏壓時， ，則,第五章 光伏探測器,引入無光照時零偏電阻 其定義為 或 器件的零偏電阻 越大，暗電流越小，對散粒噪聲貢獻(xiàn)也越小,第五章 光伏探測器,考慮到實際探測器系統(tǒng)中負(fù)載電阻對噪聲的貢獻(xiàn)，所以噪聲等效電路通常應(yīng)包含散粒噪聲和負(fù)載電阻的熱噪聲,第五章 光伏探測器,三、比探測率 （1）零偏壓工作時 （2）反偏壓

7、工作時,第五章 光伏探測器,四、光譜特性,第五章 光伏探測器,五、頻率響應(yīng)及響應(yīng)時間 光伏探測器的頻率響應(yīng)主要由三個因素決定： 1.擴散時間 2.耗盡層中的漂移時間 3.結(jié)電容的影響,第五章 光伏探測器,光伏探測器總的響應(yīng)時間為 由等效電路可求得負(fù)載電阻上的輸出電壓為 相應(yīng)的電壓有效值為 可見輸出電壓隨著頻率增高而下降，當(dāng) 時，電壓幅值下降為最大值的0.707，此時對應(yīng)的頻率又稱為高頻截止頻率或3dB頻率，同光電導(dǎo)探測器一樣，其相應(yīng)的 可表示為,第五章 光伏探測器,六、溫度特性,第五章 光伏探測器,5-3 光電池與光電二極管 一、光電池,第五章 光伏探測器,1.光電池的結(jié)構(gòu),第五章 光伏探測器

8、,2.光電池的特性參數(shù) （1）光照特性,第五章 光伏探測器,上圖是光電池的等效電路。其伏安特性曲線方程為 通常 很小，可忽略，上式變?yōu)?其中 當(dāng)I=0時，得到開路電壓 當(dāng)V=0時，得到短路電流 從開路電壓公式看來由于 。故 ，因而,第五章 光伏探測器,第五章 光伏探測器,第五章 光伏探測器,第五章 光伏探測器,（2）光譜特性,第五章 光伏探測器,（3）溫度特性,第五章 光伏探測器,（4）頻率特性,第五章 光伏探測器,3.光電池的應(yīng)用 作為光電探 測器件 將太陽能轉(zhuǎn) 變?yōu)殡娔?第五章 光伏探測器,二、光電二極管 1.p-n結(jié)光電二極管 （1）硅光電二極 管的結(jié)構(gòu)及工作原 理,第五章 光伏探測器,

9、第五章 光伏探測器,第五章 光伏探測器,（2）伏安特性,第五章 光伏探測器,第五章 光伏探測器,2.PIN光電二極管,第五章 光伏探測器,第五章 光伏探測器,3.雪崩光電二極管（APD） （1）工作原理雪崩效應(yīng),第五章 光伏探測器,（2）雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu),第五章 光伏探測器,第五章 光伏探測器,（3）雪崩光電二極管的特性參數(shù) 倍增系數(shù)（雪崩增益）M 實驗發(fā)現(xiàn)，在外加電壓V略 低于擊穿電壓時，也會發(fā)生 雪崩倍增效應(yīng)，只是倍增系 數(shù)稍小,第五章 光伏探測器,雪崩光電二極管的噪聲 由雪崩過程引起的散粒噪聲為 式中k與雪崩光電二極管材料有關(guān)。對于鍺管，k=3，硅管k為2.32.5 上式又可改寫為 式中 考慮到負(fù)載電阻的熱噪聲，雪崩光電二極管的總噪聲電流均方值為,第五章 光伏探測器,第五章 光伏探測器,響應(yīng)時間 由于雪崩光電二極管工作時所加的反向偏壓高，光生載流子在結(jié)區(qū)的渡越時間短，結(jié)電容只有幾個皮法，甚至更小，所以雪崩光電二極管的響應(yīng)時間一般只有0.51ns，相應(yīng)的響應(yīng)頻率可達(dá)幾十吉赫（GHz）,第五章 光伏探測器,5-4 光電三極管及其它光伏探測器 1.結(jié)構(gòu)與工作原理,第五章 光伏探測器,2.光電三極管的等效電路 由等效電路可得負(fù)載電阻的輸出電壓為