第七章.-光伏探测器PPT课件

.,1,第五章光伏探测器,概述：1.定义：利用半导体光生伏特效应而制成的探测器。2.分类：pn结型、pin结型、金属-半导体结型和异质结型光电池、光电二极管、光电三极管、pin管、雪崩二极管。3.主要特点：结型器件，只有到达结区附近的光才会产生光电效应。光电导器件：均值型，光不论照在它的哪一个部分，受光部分的电导率都要增大。有确定的极性，不需外加偏压也可以把光信号变为电信号光电导探测器没有极性，工作时必须外加偏压。光伏效应主要依赖于结区非平衡载流子中的少子漂移运弛豫时间较小，响应速度快，频率响应特别好。特例：光电三极管、雪崩二极管内有内增益，灵敏度较高,.,2,第五章光伏探测器,光电导探测器：主要依赖非平衡载流子中多子的产生与复合运动，弛豫时间较大。响应速度慢，频率响应性能较差。4.主要用途：光度测量、光开关、报警系统、图像识别、自动控制等n个方向。5-1光生伏特响应与光伏探测器的工作原理定义：光生伏特效应：光照使不均匀半导体或均匀半导体中光生电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象。,.,3,第五章光伏探测器,情况1：不均匀半导体PN结：同质掺杂异质结：不同质的半导体肖特基势垒：金属和半导体内在电场：光半导体电子空穴对运动积聚电位差情况2：均匀半导体体积光生伏特效应，没有内电场。光半导体的一部分电子空穴对浓度不同扩散扩散速度不同电荷分开光生电伏（丹信效应）电子空穴对两种电荷分开（光磁电效应）丹信效应体积光生伏特效应光磁电效应,.,4,第五章光伏探测器,一、由势垒效应产生的光生伏特效应图5-1(a)势垒形成图(b)能级图当光照时，在p，n和势垒区产生光生载流子。P中电子，N中空穴，只要扩散长度大于到阻挡层距离，成为少子在电场中加速到对方降低了阻挡层的势垒有外电路电流流过。,.,5,第五章光伏探测器,公式推导：经5.1-1-5:pn结反向饱和电流（pn结的伏安特性）:光生电流：和入射单色辐射的功率P有关系:(由量子效率的定义）pn结伏安特性在V=0处的动态电阻：电压响应率:,.,6,第五章光伏探测器,二、由光生载流子浓度梯度引起的光生伏特效应对于均匀的半导体：光半导体:表面:浓度高体内:浓度低载流子沿光照方向体内扩散：一般：电流方向和光照方向相反形成光生电场少子的漂移运动总电流密度：,.,7,第五章光伏探测器,平衡时：此时5.1-14式=0于是：积分：结论：和成正比，只有时才可以产生光生伏特效应。小信号时：大信号时：均匀半导体放于磁场中，将会产生空穴和电子分离，引起光磁电效应。由此产生的光生载流子短路电流：,.,8,第五章光伏探测器,图5-3用途：测量载流子的寿命用作红外探测器需要大磁铁在相当大的光强度范围内，开路电压和光强度成正比,.,9,第五章光伏探测器,三、光照下理想p-n结方程及特性曲线由固体物理可知：p-n结上的电压V和流过它的电流Ip的伏安特性：光照时光电流：流过p-n结外回路的总电流I：分析：见图5-4,.,10,第五章光伏探测器,情况1：第一象限：p-n结加正偏压。此时pn结的暗电流ID即是p-n结的正向电流，很大，大于光生电流，非工作区。第三象限：p-n结反偏。,.,11,第五章光伏探测器,一、响应率在弱光照射情况下，上式可近似为将光电流代入得反向饱和电流为由此可知，光伏探测器的响应率与器件的工作温度T及少数载流子浓度和扩散有关，而与器件的外偏压无关，这与光电导探测器是不同的。,5-2光伏探测器的性能参数,.,12,第五章光伏探测器,二、噪声光伏探测器的噪声主要包括器件中光生电流的散粒噪声、暗电流噪声和器件的热噪声，其均方噪声电流为光电流和暗电流引起的散粒噪声是主要的,.,13,第五章光伏探测器,1.无光照时2.有光照时流过p-n结的电流有。总的噪声电流均方值为有弱光照射时，有则当光伏探测器工作于负偏压时，则,.,14,第五章光伏探测器,引入无光照时零偏电阻其定义为或器件的零偏电阻越大，暗电流越小，对散粒噪声贡献也越小,.,15,第五章光伏探测器,考虑到实际探测器系统中负载电阻对噪声的贡献，所以噪声等效电路通常应包含散粒噪声和负载电阻的热噪声,.,16,第五章光伏探测器,三、比探测率（1）零偏压工作时（2）反偏压工作时,.,17,第五章光伏探测器,四、光谱特性,.,18,第五章光伏探测器,五、频率响应及响应时间光伏探测器的频率响应主要由三个因素决定：1.扩散时间2.耗尽层中的漂移时间3.结电容的影响,.,19,第五章光伏探测器,光伏探测器总的响应时间为由等效电路可求得负载电阻上的输出电压为相应的电压有效值为可见输出电压随着频率增高而下降，当时，电压幅值下降为最大值的0.707，此时对应的频率又称为高频截止频率或3dB频率，同光电导探测器一样，其相应的可表示为,.,20,第五章光伏探测器,六、温度特性,.,21,第五章光伏探测器,5-3光电池与光电二极管一、光电池,.,22,第五章光伏探测器,1.光电池的结构,.,23,第五章光伏探测器,2.光电池的特性参数（1）光照特性,.,24,第五章光伏探测器,上图是光电池的等效电路。其伏安特性曲线方程为通常很小，可忽略，上式变为其中当I=0时，得到开路电压当V=0时，得到短路电流从开路电压公式看来由于。故，因而,.,25,第五章光伏探测器,.,26,第五章光伏探测器,.,27,第五章光伏探测器,.,28,第五章光伏探测器,（2）光谱特性,.,29,第五章光伏探测器,（3）温度特性,.,30,第五章光伏探测器,（4）频率特性,.,31,第五章光伏探测器,3.光电池的应用作为光电探测器件将太阳能转变为电能,.,32,第五章光伏探测器,二、光电二极管1.p-n结光电二极管（1）硅光电二极管的结构及工作原理,.,33,第五章光伏探测器,.,34,第五章光伏探测器,.,35,第五章光伏探测器,（2）伏安特性,.,36,第五章光伏探测器,.,37,第五章光伏探测器,2.PIN光电二极管,.,38,第五章光伏探测器,.,39,第五章光伏探测器,3.雪崩光电二极管（APD）（1）工作原理雪崩效应,.,40,第五章光伏探测器,（2）雪崩光电二极管的结构,.,41,第五章光伏探测器,.,42,第五章光伏探测器,（3）雪崩光电二极管的特性参数倍增系数（雪崩增益）M实验发现，在外加电压V略低于击穿电压时，也会发生雪崩倍增效应，只是倍增系数稍小,.,43,第五章光伏探测器,雪崩光电二极管的噪声由雪崩过程引起的散粒噪声为式中k与雪崩光电二极管材料有关。对于锗管，k=3，硅管k为2.32.5上式又可改写为式中考虑到负载电阻的热噪声，雪崩光电二极管的总噪声电流均方值为,.,44,第五章光伏探测器,.,45,第五章光伏探测器,响应时间由于雪崩光电二极管工作时所加的反向偏压高，光生载流子在结区的渡越时间短，结电容只有几个皮法，甚至更小，所以雪崩光电二极管的响应时间一般只有0.51ns，相应的响应频率可达几十吉赫（GHz）,.,46,第五章光伏探测器,5-4光电三极管及其它光伏探测器1.结构与工作原理,.,47,第五章光伏探测器,2.光电三极管的等效电路由等效电路可得负载电阻的输出电压为选择合适的负载使得则,.,48,第五章光伏探测器,3