第七章 光伏探测器

1、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

2、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。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 内电场 外

3、加磁场一、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。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:ssn VpV sspIVIln(1)sssrIkTVqIsrI()ssrIIsPIqhsI01()oVsrdVkTRdIq I1sosrkTPPVqR qqhIhosVRVRqhPss

4、srIkTVq I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：()()nnppJdpJq DDJdx扩总npDDxJJJ漂扩+J漂平衡时： 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：0J x()npxnpDDdpEnpdx ()()ln1npnpoxnpnoponkTVqnpxVnp/

5、xkTVDq/xkTVDqnp 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() ()szpnpoIDbp ()op 有关三、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/(1):qv kTpsosoIIeIpn 结反向饱和电流pqhsIqv/kTosI(e-1)IsI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。一、响应率一、响应率 在弱

6、光照射情况下，上式可近似为在弱光照射情况下，上式可近似为 将光电流将光电流 代入得代入得 反向饱和电流为反向饱和电流为 由此可知，光伏探测器的响应率与器件的工作温由此可知，光伏探测器的响应率与器件的工作温度度T及少数载流子浓度和扩散有关，而与器件的外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。偏压无关，这与光电导探测器是不同的。00ln(1)csVsVIkTRPqPI0sVsIkTRqP I01VskTRhI000()ehspndehDDIqnPALL(/)sIqhP5-2光伏探测器的性能参数光伏探测器的性能参数二、噪声二、噪声 光伏探测器的噪声主要包括器件中光

7、生电流的散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，其均方噪粒噪声、暗电流噪声和器件的热噪声，其均方噪声电流为声电流为 光电流和暗电流引起的散粒噪声是主要的光电流和暗电流引起的散粒噪声是主要的242NdkT fiqI fR 22 ()NDsiq IIf1.无光照时无光照时2.有光照时有光照时流过流过p-n结的电流有结的电流有 。总的噪声电流均。总的噪声电流均方值为方值为有弱光照射时，有有弱光照射时，有 则则当光伏探测器工作于负偏压时，当光伏探测器工作于负偏压时， ，则，则22 ()DNSiq IIf24NDiqIf22 ()2 (2)DNDsDsiq IIIf

8、qIIf 24NDiqIf22NDiqIfDDsIII、及DsII0DI 引入无光照时零偏电阻引入无光照时零偏电阻 其定义为其定义为 或或器件的零偏电阻器件的零偏电阻 越大，暗电流越小，对散粒噪声越大，暗电流越小，对散粒噪声贡献也越小贡献也越小001VdIRdV01DqIRkT01DkTRq I01DkTIq R0R0R242 ()NDsLkT fiq IIfR 22222 ()4NNLDsLLvi Rq II RfkTRf 考虑到实际探测器系统中负载电阻对噪声的贡献，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所以噪声等效电路通常应包含散粒噪声和负

9、载电阻的热噪声的热噪声三、比探测率三、比探测率（1）零偏压工作时）零偏压工作时（2）反偏压工作时）反偏压工作时*1/2()VdNRDAfV*1/21/20()(4)VdVDLRDAfqIfR*1/21/20()(2)VdVDLRDAfqIfR*1/2()IdNRDAfI*1/21/201/201()(4/)()2ddqDAfhckT fRqA Rkc KT四、光谱特性四、光谱特性五、频率响应及响应时间五、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：光伏探测器的频率响应主要由三个因素决定：1.扩散时间扩散时间2.耗尽层中的漂移时间耗尽层中的漂移时间3.结电容的影响结电容的影响nd光

10、伏探测器总的响应时间为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，当可见输出电压随着频率增高而下降，当 时，电时，电压幅值下降为最大值的压幅值下降为最大值的0.707，此时对应的频率又，此时对应的频率又称为高频截止频率或称为高频截止频率或3dB频率，同光电导探测器一频率，同光电导探测器一样，其相应的样，其相应的 可表示为可表示为0111SLSLddLI RVIj R Cj CR022222(1)1sLsLrmsLdcI RI RVR C 312dBLdfR Cdnc1c3

11、dBf六、温度特性六、温度特性5-3 5-3 光电池与光电二极管光电池与光电二极管一、光电池一、光电池1.光电池的结构光电池的结构2.光电池的特性参数光电池的特性参数（1）光照特性）光照特性上图是光电池的等效电路。其伏安特性曲线方程为上图是光电池的等效电路。其伏安特性曲线方程为通常通常 很小，可忽略，上式变为很小，可忽略，上式变为其中其中当当I=0时，得到开路电压时，得到开路电压当当V=0时，得到短路电流时，得到短路电流从开路电压公式看来由于从开路电压公式看来由于 。故。故 ，因而因而()1dqVIRkTLsIII e/(1)qV kTLsIII eLISL0ln(1)LcsIkTVqIscL

12、IISL0lnlnlnscLcsssIIkTkTkTSLVqIqIqIdRLsII/1LsII （2）光谱特性）光谱特性（3）温度特性）温度特性（4）频率特性）频率特性3.光电池的应用光电池的应用作为光电探作为光电探测器件测器件将太阳能转将太阳能转变为电能变为电能二、光电二极管二、光电二极管1.p-n结光电二极管结光电二极管（1）硅光电二极）硅光电二极管的结构及工作原管的结构及工作原理理（2）伏安特性）伏安特性2.PIN光电二极管光电二极管3.雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（APD）（1）工作原理）工作原理雪崩效应雪崩效应（2）雪崩光电二极管的结构（3）雪崩光电二极管的特性参数）雪崩光电二极管

13、的特性参数倍增系数（雪崩增益）倍增系数（雪崩增益）M实验发现，在外加电压实验发现，在外加电压V略略低于击穿电压时，也会发生低于击穿电压时，也会发生雪崩倍增效应，只是倍增系雪崩倍增效应，只是倍增系数稍小数稍小 MRIMI11 ()nBRMVV雪崩光电二极管的噪声雪崩光电二极管的噪声由雪崩过程引起的散粒噪声为由雪崩过程引起的散粒噪声为式中式中k与雪崩光电二极管材料有关。对于锗管，与雪崩光电二极管材料有关。对于锗管，k=3，硅管硅管k为为2.32.5 上式又可改写为上式又可改写为式中式中考虑到负载电阻的热噪声，雪崩光电二极管的总噪声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电流均方值

14、为222 ()kkNMDPieIMfe IIMf 222 ()NMDPie IIM F f2111 (1)() MFMrM2242 ()NDPLkT fie IIM F fR 响应时间响应时间 由于雪崩光电二极管工作时所加的反向偏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，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，相应的响应频率可达几十吉赫（GHz）5-4 5-4 光电三极管及其它光伏探测器光电三极管及其它光伏探测器1.1.结构与工作原理结构与工作原理2.光电三极管的等效电路光电