光伏探测器详解

1、光电子技术课堂展示光电子技术课堂展示 光电探测器光电探测器 光伏探测器光伏探测器 利用半导体PN结光伏效应制成的器件 称为光伏探测器，也称结型光电器件。探 测器主要用于测量检查, 控制跟踪, 图像测 量和分析等方面。 这类器件品种众多，但它们的原 理都是相同的，所以在性质上有许多 相近的地方。这类器件品种很多，其 中包括：光电池、光电二极管、光电 晶体管、光电场效应管、PIN管、雪崩 光电二极管、光可控硅、阵列式光电 器件、象限式光电器件、位置敏感探 测器（PSD）、光电耦合器件等。 一、三种工作模式 （1）零偏置的光伏工作模式 若p-n结电路接负载电阻RL，如图，有光照射 时，则在p-n结内

2、出现两种相反的电流： 光激发产生的电子空穴对，在内建电 场作用下形成的光生电流Ip，它与光照有 关，其方向与p-n结反向饱和电流I0相同； 光生电流流过负载产生电压降，相当于 在p-n结施加正向偏置电压，从而产生电 流ID。 流过负载的总电流是两者之差： （2）反向偏置的光电导工作模式 无光照时电阻很大，电流很小；有光照时，电阻 变小，电流变大，而且流过它的光电流随照度变 化而变化。类似光电导器件。 （3）正向偏置的工作模式 呈单向导电性，和普通二极管一样，光电 效应无法体现。 无光照时，伏安特 性曲线与一般二极管 的伏安特性曲线相同； 受光照后，产生光电 流，方向与I0相同， 因此曲线将沿电

3、流轴 向下平移，平移的幅 度与光照度的变化成 正比。 二、光伏探测器的伏安特性 第一象限： 正向偏置工作模式，光电流不 起作用，这一区域工作没有意义。 第三象限：反向偏置光电导工作模式 第四象限：零偏压光伏工作模式。 有光照时，若PN结外电路接上负载电阻 ,如图所示， 在PN结内将出现两种方向相反的电流：一种是光激 发产生的电子-空穴对形成的光生电流 ,它与光照有关， 其方向与PN结方向饱和电流 相同;另一种是光生电流 流过负载电阻 产生电压降，相当于在PN结施加正向 偏置电压，从而产生正向电流 ，总电流 是两者之差， 即流过负载的总电流为： 上式中的光电流 正比于光照度 ，比例常数 称为光照

4、 灵敏度，即： 当负载电阻 断开时， ，称 端对 端电压为开路 电压 ，则近似地有 三、三、光光伏探测器的偏置电路伏探测器的偏置电路 1、自偏置电路 光电池工作时无外加偏压，直接与负载电阻连接。 其输出电流I流过外加电路负载电阻产生的压降 就是它 自身的正向偏压，故称为自偏压，其电路称为自偏置电 路，电路图如下图所示。因此光电池回路方程为： 2、零伏偏置电路 光伏探测器在自偏置的情况下，若负载电阻为零， 自偏压为零；或者在光伏探测器在反偏置的情况下， 反偏压很小或接近零。这两种情况下都是零伏偏置或 接近于零伏偏置，对应的偏置电路都称为零伏偏置电 路。 光伏探测器采用零伏偏置电路时，它的 1/f

5、噪声最 小，暗电流为零，可以获得较高的信噪比。因此反向 饱和电流小，正、反向特性好的光伏探测器也常用零 偏置电路，可避免偏置电路引入的噪声。 四、光四、光伏探测器的性能参数伏探测器的性能参数 1、响应率 2、噪声 3、比探测率 4、光谱特性 5、频率响应及响应时间 6、温度特性 1、响应率、响应率 由此可知，光伏探测器的响应率与器件的工作温度 及少数载流子浓度和扩散有 关，而与器件的外偏压无关，这是与光电导探测器的不相同的。 2、噪声、噪声 3、比比探测率探测率 光伏探测器 可表示为 零偏电阻往往也是光伏探测器的一个重要参数， 它直接反应了器件性能的优劣。 当光伏探测器受热噪声限制时，提高探测

6、率 的关 键在于提高结电阻和界面积的乘积和降低探测器的工 作温度 当光伏探测器受背景噪声限制时，提高探测率主 要在与采用减小探测器视场角等办法来减少探测器接 收的背景光子数 4、光谱光谱特性特性 和其他选择性光子探测器一样，光伏探测器的响应率随 人射光波长而变化。近红外和可见光波段所用的光伏探 测器材料多是硅和锗 5、频率响应频率响应及响应时间及响应时间 6、温度、温度特性特性 五光电探测器应用 1.光电池及应用 光电池是一种无需外加偏压就能将光能转换成电能的光伏探测 器。光电池可以分为两大类：太阳能光电池和测量光电池。太 阳能光电池主要用作电源，对它的要求是转换效率高、成本低， 由于它具有结

7、构简单、体积小、重量轻、可靠性高、寿命长、 在空间能直接利用太阳能转换电能的特点，因而不仅仅成为航 天工业上的重要电源，还被广泛地应用于供电困难的场所和人 们日常生活中。测量光电池的主要应用时作为光电探测用，即 在不加偏置的情况下将光信号转换成电信号，对它的要求是线 性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性好、寿命长，被 广泛应用在光度、色度、光学精密计量和测验试中 （1）光电池的结构 光电池是用单晶硅组成的，在一块N型硅片上扩散P型杂质，形成一个扩 散np结；或在P型硅片扩散N型杂质，形成pn结，在焊上两个电极。P端 为光电池正极，N端为负极，一般在地面上应用作光电探测器的多为np型。 pn

8、型硅光电池具有较强的抗辐射能力，适合空间应用，作为航天的太阳 能电池。下图为是硅光电池结 构示意图。 （2）光电池的应用 主要有两个方面，一是作为光电探测器件，二是将太阳能转变 为电能。 利用光电池作为探测器件，有着光敏面积打，频率响 应高，光电流随照度线性变化等特点。因此，它既能作为开关 应用，也可以用于线性测量。如用在光电读数、光电开关、光 栅测量技术、激光准直，电影还音等装置上。 利用光电池将太 阳能变成电能，目前主要是使用硅光电池，因为他能耐较强的 辐射，转换效率较其它光电池高。实际应用中，把硅光电池单 体经串联、并联组成电池组，与镍镉蓄电池配合，可作为卫星、 微波站、野外灯塔、航标灯

9、、无人气象站等无输电线路地区的 电源供给。 2.光电二极管 随着光电子技术的发展，光信号在探测灵敏度、光谱响 应范围及频率特性等方面要求越来越高。光电二极管的 工作原理同光电池一样，都是基于P-N结的光伏效应工 作的。但是，它与光电池相比有所不同：掺杂浓度较低， 电阻率较高，结区面积小，通常多工作于反偏置状态。 因此，光电二极管的内建电场很强，结区较厚，结电容 小，因而频率特性比光电池好，但其光电流比光电池肖 达多，一般多为微安级。 （1)硅光二极管的结构 。 (2) 其他应用： A、PIN光电二极管 在P-N结之间加一本征层（I 层）,这种器件称为PIN光电二极管，又称耗尽层 型光电二极管。

10、只要适当控制本征层厚度，使它 近似等于反偏压下耗尽层宽度，就可以使相应波 长范围和频率相应得到改善。PIN硅光电二极管使 常用的耗尽层光伏探测器。它是采用高阻纯硅材 料及离子漂移技术形成一个没有杂质的本征层， 厚度为500m左右其结构如下： 为了更好的使用方便及更好发挥光电二极管 在系统中的最佳性能，设计和制作PIN-FET微 型组件是发展趋势。这种器件是含有小面积、 小电容的光电二极管与高输入阻抗的场效益 管前置放大器组合体，其中所有引线长度及 杂散电容都做得非常小。由于电容小，输 入阻抗高，可以大大降低热噪声，这种组件 还具有供电电压低，工作十分稳定，使用方 便的特点。PIN光电二极管的上

11、述优点，使它 在光通信、光雷达及其它要求快速光电自动 控制系统中得到非常广泛的应用。 B、雪崩光电二极管（APD） 普通的硅光电二极管和PIN光电二极管是没有内增益的光 伏探测器，而在光探测器系统中的实际应用中，大多是对微 光信号进行探测，采用具有内增益的光探测器将有助于对微 弱光信号的探测。 雪崩光电二极管是具有内增益的光伏探测器，它是利用 光生载流子在高电场区内的雪崩效应而获得光电流增益的， 它具有灵敏度高，相应快等优点。 用于制作雪崩二极管的材 料主要是硅和锗，实际的器件具有极短的响应时间，即数以 千兆的相应频率，高达100到1000的增益，所以在光纤通讯、 激光测距、激光雷达和光纤传感

12、器等领域得到了广泛的应用。 3.光电三极管 利用雪崩倍增效应可获得具有增益的半导体光电二极管（APD）,而采用一 般晶体管放大原理，可得到另一种具有电流内增益的光伏探测器，即光电三 极管。它与普通的双极晶体管十分相似，都是有两个十分靠近的P-N结发 射结和集电结构成，并均具有电流放大作用。为了充分吸收光子，光电三极 管则需要一个较大的受光面，所以，它的响应频率远低于光电二极管。 光电三极管是一种相当于在基极和集电极之间接有光电二极管的普通三极管， 因此，结构与一般晶体管相类似，但也有特殊地方。如图所示，图e、b、c 分别表示光电三极管的发射极、基极和集电极。正常工作时保证基极集电 极结（b-c

13、结）为反偏压状态，并作为受光结 光电三极管的工作有两个过程：一个光电转换；二是 光电流放大。光电转换与一般光电二极管相同，当集电极 加上相对发射极为正向电压而基极开路时，则基极集电 极结处于反偏状态。无光照时由于激发而产生的少数载流 子，电阻从基极进入集电极，空穴则从集电极移向基极， 在外电路中有电流流过。当无光照射基区时，在该区产生 电子-空穴对，光生电子在内电场作用下漂移到集电极， 形成电流。与此同时，空穴则留在基区，使基极的电位升 高，发射极便有大量的电子经基极流向集电极。 应用：无基极引线的光电三极管。它是依靠光的 “注入”，把集电结光电二极管的光电流加以放 大，从而在集电极回路中得到

14、一个被放大的光生 电流。“注入”的光强不同，得到的光生电流不 同。无基极引线光电三极管实际应用时有电流控 制和电压控制两种电路。在无光照的情况下，其 暗电流很小，对于相应速度要求不高的开关电路， 可以直接将灵敏的继电器串联在基极回路上。即 可以比较方便地实现光电自动控制。 有基极引线 的光电三极管。有基极引线的光电三极管适用于 高速开关电路和调制光的探测。 六总结 （1）、利用半导体光伏效应制作的器件称 为光伏探测器。常用的有光电池、光电二 极管（PD）、PIN光电二极管（PIN PD）、 雪崩二极管(APD)和光电三极管等单元光伏 探测器。其中，PIN光电二极管和雪崩二极 管是高响应速度的光伏探测器，光电三极 管和雪崩二极管是具有内增益的光伏探测 器。 （2）、光伏探测器有光电导和光伏两种 工作模式，即分别对应反向偏压和自偏压 两种状态。光电二极管大多工作在光电导 模式，而光电池大多工作在光伏模式。模 式 （3）、光伏探测器的光电特性不仅与 材料有关，同时也