第七章 光伏探測(cè)器

1、概述：1.定義：利用半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)而制成的探測(cè)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(diǎn)：結(jié)型器件，只有到達(dá)結(jié)區(qū)附近的光才會(huì)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(gè)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(hào)變?yōu)殡娦盘?hào) 光電導(dǎo)探測(cè)器沒有極性，工作時(shí)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(yùn) 弛豫時(shí)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，靈敏度較高光電導(dǎo)探測(cè)器：主要依賴非平衡載流子中多子的產(chǎn)生與復(fù)合運(yùn)動(dòng)，弛

2、豫時(shí)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(cè)量、光開關(guān)、報(bào)警系統(tǒng)、圖像識(shí)別、自動(dòng)控制等n個(gè)方向。5-1光生伏特響應(yīng)與光伏探測(cè)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。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(shì)壘：金屬和半導(dǎo)體內(nèi)在電場(chǎng)：光半導(dǎo)體電子空穴對(duì) 運(yùn)動(dòng)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(chǎng)。光半導(dǎo)體的一部分電子空穴對(duì)濃度不同擴(kuò)散擴(kuò)散速度不同電荷分開光生電伏（丹信效應(yīng)） 電子空穴對(duì) 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) 內(nèi)電場(chǎng) 外

3、加磁場(chǎng)一、由勢(shì)壘效應(yīng)產(chǎn)生的光生伏特效應(yīng)圖5-1 (a)勢(shì)壘形成圖 (b)能級(jí)圖當(dāng)光照時(shí)，在p，n和勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生光生載流子。P中電子，N中空穴，只要擴(kuò)散長(zhǎng)度大于到阻擋層距離，成為少子在電場(chǎng)中加速到對(duì)方 降低了阻擋層的勢(shì)壘有外電路電流流過。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(dòng)態(tài)電阻：電壓響應(yīng)率:ssn VpV sspIVIln(1)sssrIkTVqIsrI()ssrIIsPIqhsI01()oVsrdVkTRdIq I1sosrkTPPVqR qqhIhosVRVRqhPss

4、srIkTVq I二、由光生載流子濃度梯度引起的光生伏特效應(yīng)對(duì)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(kuò)散：一般 ：電流方向和光照方向相反形成光生電場(chǎng)少子的漂移運(yùn)動(dòng) 總電流密度：()()nnppJdpJq DDJdx擴(kuò)總npDDxJJJ漂擴(kuò)+J漂平衡時(shí)： 此時(shí) 5.1-14式=0于是：積分：結(jié)論：和 成正比，只有 時(shí)才可以產(chǎn)生光生伏特 效應(yīng)。小信號(hào)時(shí)： 大信號(hào)時(shí)：均勻半導(dǎo)體放于磁場(chǎng)中，將會(huì)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：0J x()npxnpDDdpEnpdx ()()ln1npnpoxnpnoponkTVqnpxVnp/

5、xkTVDq/xkTVDqnp 圖5-3用途：測(cè)量載流子的壽命用作紅外探測(cè)器需要大磁鐵在相當(dāng)大的光強(qiáng)度范圍內(nèi)，開路電壓和光強(qiáng)度成正比() ()szpnpoIDbp ()op 有關(guān)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(shí)光電流：流過p-n結(jié)外回路的總電流I：分析：見圖5-4/(1):qv kTpsosoIIeIpn 結(jié)反向飽和電流pqhsIqv/kTosI(e-1)IsI情況1：第一象限：p-n結(jié)加正偏壓。此時(shí)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。一、響應(yīng)率一、響應(yīng)率 在弱

6、光照射情況下，上式可近似為在弱光照射情況下，上式可近似為 將光電流將光電流 代入得代入得 反向飽和電流為反向飽和電流為 由此可知，光伏探測(cè)器的響應(yīng)率與器件的工作溫由此可知，光伏探測(cè)器的響應(yīng)率與器件的工作溫度度T及少數(shù)載流子濃度和擴(kuò)散有關(guān)，而與器件的外及少數(shù)載流子濃度和擴(kuò)散有關(guān)，而與器件的外偏壓無關(guān)，這與光電導(dǎo)探測(cè)器是不同的。偏壓無關(guān)，這與光電導(dǎo)探測(cè)器是不同的。00ln(1)csVsVIkTRPqPI0sVsIkTRqP I01VskTRhI000()ehspndehDDIqnPALL(/)sIqhP5-2光伏探測(cè)器的性能參數(shù)光伏探測(cè)器的性能參數(shù)二、噪聲二、噪聲 光伏探測(cè)器的噪聲主要包括器件中光

7、生電流的散光伏探測(cè)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，其均方噪粒噪聲、暗電流噪聲和器件的熱噪聲，其均方噪聲電流為聲電流為 光電流和暗電流引起的散粒噪聲是主要的光電流和暗電流引起的散粒噪聲是主要的242NdkT fiqI fR 22 ()NDsiq IIf1.無光照時(shí)無光照時(shí)2.有光照時(shí)有光照時(shí)流過流過p-n結(jié)的電流有結(jié)的電流有 。總的噪聲電流均?？偟脑肼曤娏骶街禐榉街禐橛腥豕庹丈鋾r(shí)，有有弱光照射時(shí)，有 則則當(dāng)光伏探測(cè)器工作于負(fù)偏壓時(shí)，當(dāng)光伏探測(cè)器工作于負(fù)偏壓時(shí)， ，則，則22 ()DNSiq IIf24NDiqIf22 ()2 (2)DNDsDsiq IIIf

8、qIIf 24NDiqIf22NDiqIfDDsIII、及DsII0DI 引入無光照時(shí)零偏電阻引入無光照時(shí)零偏電阻 其定義為其定義為 或或器件的零偏電阻器件的零偏電阻 越大，暗電流越小，對(duì)散粒噪聲越大，暗電流越小，對(duì)散粒噪聲貢獻(xiàn)也越小貢獻(xiàn)也越小001VdIRdV01DqIRkT01DkTRq I01DkTIq R0R0R242 ()NDsLkT fiq IIfR 22222 ()4NNLDsLLvi Rq II RfkTRf 考慮到實(shí)際探測(cè)器系統(tǒng)中負(fù)載電阻對(duì)噪聲的貢獻(xiàn)，考慮到實(shí)際探測(cè)器系統(tǒng)中負(fù)載電阻對(duì)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)載電阻所以噪聲等效電路通常應(yīng)包含散粒噪聲和負(fù)

9、載電阻的熱噪聲的熱噪聲三、比探測(cè)率三、比探測(cè)率（1）零偏壓工作時(shí)）零偏壓工作時(shí)（2）反偏壓工作時(shí)）反偏壓工作時(shí)*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、光譜特性四、光譜特性五、頻率響應(yīng)及響應(yīng)時(shí)間五、頻率響應(yīng)及響應(yīng)時(shí)間光伏探測(cè)器的頻率響應(yīng)主要由三個(gè)因素決定：光伏探測(cè)器的頻率響應(yīng)主要由三個(gè)因素決定：1.擴(kuò)散時(shí)間擴(kuò)散時(shí)間2.耗盡層中的漂移時(shí)間耗盡層中的漂移時(shí)間3.結(jié)電容的影響結(jié)電容的影響nd光

10、伏探測(cè)器總的響應(yīng)時(shí)間為光伏探測(cè)器總的響應(yīng)時(shí)間為由等效電路可求得負(fù)載電阻上的輸出電壓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)可見輸出電壓隨著頻率增高而下降，當(dāng) 時(shí)，電時(shí)，電壓幅值下降為最大值的壓幅值下降為最大值的0.707，此時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率又，此時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率又稱為高頻截止頻率或稱為高頻截止頻率或3dB頻率，同光電導(dǎo)探測(cè)器一頻率，同光電導(dǎo)探測(cè)器一樣，其相應(yīng)的樣，其相應(yīng)的 可表示為可表示為0111SLSLddLI RVIj R Cj CR022222(1)1sLsLrmsLdcI RI RVR C 312dBLdfR Cdnc1c3

11、dBf六、溫度特性六、溫度特性5-3 5-3 光電池與光電二極管光電池與光電二極管一、光電池一、光電池1.光電池的結(jié)構(gòu)光電池的結(jié)構(gòu)2.光電池的特性參數(shù)光電池的特性參數(shù)（1）光照特性）光照特性上圖是光電池的等效電路。其伏安特性曲線方程為上圖是光電池的等效電路。其伏安特性曲線方程為通常通常 很小，可忽略，上式變?yōu)楹苄。珊雎?，上式變?yōu)槠渲衅渲挟?dāng)當(dāng)I=0時(shí)，得到開路電壓時(shí)，得到開路電壓當(dāng)當(dāng)V=0時(shí)，得到短路電流時(shí)，得到短路電流從開路電壓公式看來由于從開路電壓公式看來由于 。故。故 ，因而因而()1dqVIRkTLsIII e/(1)qV kTLsIII eLISL0ln(1)LcsIkTVqIscL

12、IISL0lnlnlnscLcsssIIkTkTkTSLVqIqIqIdRLsII/1LsII （2）光譜特性）光譜特性（3）溫度特性）溫度特性（4）頻率特性）頻率特性3.光電池的應(yīng)用光電池的應(yīng)用作為光電探作為光電探測(cè)器件測(cè)器件將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茏優(yōu)殡娔芏⒐怆姸O管二、光電二極管1.p-n結(jié)光電二極管結(jié)光電二極管（1）硅光電二極）硅光電二極管的結(jié)構(gòu)及工作原管的結(jié)構(gòu)及工作原理理（2）伏安特性）伏安特性2.PIN光電二極管光電二極管3.雪崩光電二極管（雪崩光電二極管（APD）（1）工作原理）工作原理雪崩效應(yīng)雪崩效應(yīng)（2）雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)（3）雪崩光電二極管的特性參數(shù)）雪崩光電二極管

13、的特性參數(shù)倍增系數(shù)（雪崩增益）倍增系數(shù)（雪崩增益）M實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在外加電壓實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在外加電壓V略略低于擊穿電壓時(shí)，也會(huì)發(fā)生低于擊穿電壓時(shí)，也會(huì)發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)，只是倍增系雪崩倍增效應(yīng)，只是倍增系數(shù)稍小數(shù)稍小 MRIMI11 ()nBRMVV雪崩光電二極管的噪聲雪崩光電二極管的噪聲由雪崩過程引起的散粒噪聲為由雪崩過程引起的散粒噪聲為式中式中k與雪崩光電二極管材料有關(guān)。對(duì)于鍺管，與雪崩光電二極管材料有關(guān)。對(duì)于鍺管，k=3，硅管硅管k為為2.32.5 上式又可改寫為上式又可改寫為式中式中考慮到負(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電流均方值

14、為222 ()kkNMDPieIMfe IIMf 222 ()NMDPie IIM F f2111 (1)() MFMrM2242 ()NDPLkT fie IIM F fR 響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間 由于雪崩光電二極管工作時(shí)所加的反向偏由于雪崩光電二極管工作時(shí)所加的反向偏壓高，光生載流子在結(jié)區(qū)的渡越時(shí)間短，壓高，光生載流子在結(jié)區(qū)的渡越時(shí)間短，結(jié)電容只有幾個(gè)皮法，甚至更小，所以雪結(jié)電容只有幾個(gè)皮法，甚至更小，所以雪崩光電二極管的響應(yīng)時(shí)間一般只有崩光電二極管的響應(yīng)時(shí)間一般只有0.51ns，相應(yīng)的響應(yīng)頻率可達(dá)幾十吉赫，相應(yīng)的響應(yīng)頻率可達(dá)幾十吉赫（GHz）5-4 5-4 光電三極管及其它光伏探測(cè)器光電三極管及其它光伏探測(cè)器1.1.結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)與工作原理2.光電三極管的等效電路光電