第04章光伏探測器A2014.10.30

1、第第0404章章 光伏探測器光伏探測器利用半導(dǎo)體光伏效應(yīng)制作的器件稱為利用半導(dǎo)體光伏效應(yīng)制作的器件稱為光伏探光伏探測器測器，簡稱，簡稱PV（Photovoltaic）探測器，也）探測器，也稱稱結(jié)型結(jié)型光電器件。光電器件。 PNPN結(jié)受到光照結(jié)受到光照時，可在時，可在PNPN結(jié)的兩端產(chǎn)生結(jié)的兩端產(chǎn)生光生光生電勢差電勢差，這種現(xiàn)象則稱為，這種現(xiàn)象則稱為光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)。 光伏效應(yīng)：光伏效應(yīng)：光伏探測器：光伏探測器：光伏器件光伏器件簡稱簡稱PV（Photovolt）單元器件線陣器件四象限器件光電子技術(shù)研究所 在零偏條件下，如在零偏條件下，如用光照射用光照射p區(qū)、區(qū)、 n區(qū)或區(qū)或PN結(jié)結(jié)，只要照射光的

2、波長滿足，只要照射光的波長滿足 c，都會都會激激發(fā)出光生電子發(fā)出光生電子-空穴對空穴對。 光照光照p區(qū)，由于區(qū)，由于p區(qū)的多數(shù)載流子是空穴，光照前熱平衡區(qū)的多數(shù)載流子是空穴，光照前熱平衡空穴濃度本來就比較大，因此空穴濃度本來就比較大，因此光生空穴對p區(qū)空穴濃度影響很小。 相反，相反，光生電子對光生電子對p區(qū)的電子濃度影響很大區(qū)的電子濃度影響很大，從，從p區(qū)表面區(qū)表面(吸收光能多，光生電子多吸收光能多，光生電子多)向向p區(qū)內(nèi)自然形成電子擴散趨勢。如果區(qū)內(nèi)自然形成電子擴散趨勢。如果p區(qū)厚度區(qū)厚度小于電子擴散長度小于電子擴散長度，那么，那么大部分光生電子大部分光生電子都能擴散進(jìn)入都能擴散進(jìn)入P-n結(jié)

3、結(jié)。 因P區(qū)產(chǎn)生的光生空穴光生空穴，N區(qū)產(chǎn)生的光生電子光生電子屬多子，都被勢壘阻擋勢壘阻擋而不能過結(jié)不能過結(jié)。只有P區(qū)的光生電子和N區(qū)的光生空穴和結(jié)區(qū)的電子空穴對（少子）擴散到結(jié)電場附近時能在內(nèi)建電場內(nèi)建電場作用下作用下漂移過結(jié)。光生電子被拉向N區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū)，即電子空穴電子空穴對被內(nèi)建電場對被內(nèi)建電場分離分離。2022-6-14這導(dǎo)致在這導(dǎo)致在N區(qū)邊界附近有光生電子積累，在區(qū)邊界附近有光生電子積累，在P區(qū)邊界附近有光區(qū)邊界附近有光生空穴積累。它們產(chǎn)生一個與熱平衡生空穴積累。它們產(chǎn)生一個與熱平衡PN結(jié)的內(nèi)建電場方向相結(jié)的內(nèi)建電場方向相反的反的光生電場光生電場，其方向由，其方向由P區(qū)指向

4、區(qū)指向N區(qū)。此電場使區(qū)。此電場使勢壘降低，勢壘降低，其減小量即光生電勢差，其減小量即光生電勢差，P端正，端正，N端負(fù)。端負(fù)。只要光照不停止，這個光生電壓將永遠(yuǎn)存在。只要光照不停止，這個光生電壓將永遠(yuǎn)存在。光電子技術(shù)研究所 這時這時用電壓表就能測量出用電壓表就能測量出p區(qū)正區(qū)正, n區(qū)負(fù)的區(qū)負(fù)的開路電壓開路電壓un，稱為光生伏特效應(yīng)。稱為光生伏特效應(yīng)。如如果用一個理想電流表接通果用一個理想電流表接通p-n結(jié)，則有結(jié)，則有電流電流i0通過稱為通過稱為短路電流短路電流。 綜上所述，綜上所述， 光照光照零偏零偏p-n結(jié)結(jié)產(chǎn)生產(chǎn)生開路電壓的效應(yīng)，稱為開路電壓的效應(yīng)，稱為光伏效應(yīng)。光伏效應(yīng)。 這也是這也是

5、光電池的工作光電池的工作原理原理。4.1 4.1 光伏探測器的原理和特性光伏探測器的原理和特性1. 光照下的光照下的PN結(jié)電流方程及伏安特性結(jié)電流方程及伏安特性2. 開路電壓開路電壓Uoc和短路電流和短路電流Isc3暗電流暗電流和溫度特性和溫度特性4. 光譜特性光譜特性5. 響應(yīng)時間和頻率特性響應(yīng)時間和頻率特性 4.1 4.1 光伏探測器的原理和特性光伏探測器的原理和特性1. 光照下的光照下的PN結(jié)電流方程結(jié)電流方程及伏安特性及伏安特性電流方程電流方程 /0p1e Uk TIIeI伏安特性伏安特性 （1 1）電流公式與）電流公式與IVIV曲線圖曲線圖 （4-1）由于Ip 與光照有關(guān)，并隨光照的

6、增大而增大。因此，Ip 可表示為IpSE，式中S 為光電靈敏度，E 為輻射照度。所以，式（4-1）可改寫為按式（4-1）或（4-3）可畫出光伏探測器在不同不同照度下照度下的伏安特性曲線，如圖4-1 所示。無光照時，伏安特性曲線與一般二極管的伏安特性曲線相同；受光照后，曲線將沿電流軸向受光照后，曲線將沿電流軸向下平移，下平移，平移的幅度與光照的變化成正比平移的幅度與光照的變化成正比，即Ip=SE。e,) )exp(1 (dhqIP第一象限第一象限：普通二極管普通二極管, ,iD本來就很大，所以光電流本來就很大，所以光電流不起重要作用。不起重要作用。表現(xiàn)不出它的光電效應(yīng),作為作為光電探測器光電探測

7、器 這個區(qū)域沒有意義！這個區(qū)域沒有意義！ （2 2）IVIV曲線的分析曲線的分析 4.1 4.1 光伏探測器的原理和特性光伏探測器的原理和特性 第三象限PN 結(jié)外加反向偏壓反向偏壓。暗電流Id 隨反向偏壓的增大有所增大，最后等于反向飽和電流反向飽和電流I0，其值遠(yuǎn)小于光電流遠(yuǎn)小于光電流Ip；總電流I=IdIp SE 與光照的變化成正比與光照的變化成正比。從外表上看從外表上看，無光照時光伏探測器電阻很大，因而電流很??；而有光照時，電阻變小，電流就變大，而且流過它的光電流隨照度變化而流過它的光電流隨照度變化而變化變化。這一特性與光電導(dǎo)探測器工作機理類似與光電導(dǎo)探測器工作機理類似，因此稱這種工作模式

8、為光電導(dǎo)模式光電導(dǎo)模式。第三象限第三象限：光電導(dǎo)模式光電導(dǎo)模式( (反偏壓狀態(tài)反偏壓狀態(tài), iD=iS0，它是，它是普通二極管中的反向飽和電流，現(xiàn)在稱為普通二極管中的反向飽和電流，現(xiàn)在稱為暗電流暗電流(對應(yīng)于對應(yīng)于光功率光功率P=0)，數(shù)值很小，這時的，數(shù)值很小，這時的光電流是流過探測器的主光電流是流過探測器的主要電流要電流) ) 這個區(qū)域重要意義！這個區(qū)域重要意義！ 反向偏壓反向偏壓可以減小可以減小載流子的渡越時間載流子的渡越時間和二極管的極間電和二極管的極間電容容，有利于提高器，有利于提高器件的響應(yīng)靈敏度和件的響應(yīng)靈敏度和響應(yīng)頻率。響應(yīng)頻率。 4.1 4.1 光伏探測器的原理和特性光伏探測

9、器的原理和特性 通常把通常把光導(dǎo)工作光導(dǎo)工作模式模式的光伏探測器的光伏探測器稱為稱為光電二極管光電二極管。第四象限：第四象限：光伏模式光伏模式 光電池光電池的工作區(qū)域的工作區(qū)域4.1 4.1 光伏探測器的原理和特性光伏探測器的原理和特性PN 結(jié)無外加偏壓無外加偏壓；流過光伏探測器的電流電流隨著光照變化隨著光照變化，其電流與電壓出現(xiàn)明顯的非線性。光伏探測器的輸出電流流過外電路負(fù)載電阻流過外電路負(fù)載電阻產(chǎn)生的壓降就是它自身的正向偏壓產(chǎn)生的壓降就是它自身的正向偏壓，故稱為自（生）偏壓，這種工作模式通常稱為光伏模式。伏安特性伏安特性光電二極管光電二極管 光電池光電池 普通二極管普通二極管 4.1 4.

10、1 光伏探測器的原理和特性光伏探測器的原理和特性（3）等效電路）等效電路 （意義：分析與計算）（意義：分析與計算）/0p1e Uk TIIeI電流源電流源普通二極管普通二極管等效于一個電流源（光電流） Ip 和一個普通二極管的并聯(lián)。普通二極管包括暗電流Id、結(jié)電阻Rsh、結(jié)電容Cj 及串聯(lián)電阻Rs。Rsh 為PN 結(jié)的漏電阻（結(jié)電阻），它比RL 和PN 結(jié)的正向電阻大得多，流過電流很小，可以略去；Rs 為引線電阻、接觸電阻等之和，其值一般可忽略。4.1 4.1 光伏探測器的原理和特性光伏探測器的原理和特性 2. 開路電壓開路電壓Uoc和短路電流和短路電流Iscp/01IeIIkTeU負(fù)載電阻R

11、L，光伏探測器兩端的電壓稱為開路電壓 open circuit I=0 ocp0ln/1kTUIIe（）負(fù)載電阻RL=0，流過光伏探測器稱為短路電流 short circuitU=0scpIIS E -短路電流 -開路電壓光伏探測器的工作模式 一個PN結(jié)光伏探測器就等效為一個普通二極管和一個恒等效為一個普通二極管和一個恒流源流源(光電流源光電流源)的并聯(lián)的并聯(lián)，如圖 (b)所示。它的工作模式則由外偏壓回路決定。在零偏壓零偏壓時(圖 (c)，稱為光伏工作模式光伏工作模式。當(dāng)外回路采用反偏壓V時(圖 (d)，即外加P端為負(fù)n端為正的電壓時，稱為光導(dǎo)工作模式光導(dǎo)工作模式。 VuiiD(a)(b)(c

12、)(d)iiLRLR4.1 4.1 光伏探測器的原理和特性光伏探測器的原理和特性/d01eU kTIIe暗電流暗電流暗電流的暗電流的影響影響： 1.弱光的測量弱光的測量 2.增大噪聲增大噪聲暗電流減小方法：暗電流減小方法： 1.降低溫度降低溫度 2.偏壓為零或為負(fù)偏壓為零或為負(fù) 硅光電二極管暗電流的溫度特性 常溫條件下，暗電流常溫條件下，暗電流硅光電二極管硅光電二極管 100nA硅硅PIN光電二極管光電二極管1nA偏壓？偏壓？3. 暗電流暗電流（無光照無光照時流過PN 結(jié)的電流，由熱激發(fā)熱激發(fā)的載流子引起的，與偏壓U、溫度T 及反向飽和電流I0 密切相關(guān)）4. 光譜特性光譜特性一般基于半導(dǎo)體材

13、料對光的本征吸收來工作;4.1 4.1 光伏探測器的原理和特性光伏探測器的原理和特性光伏探測器光伏探測器波長響應(yīng)范圍波長響應(yīng)范圍紫外光紫外光可見光可見光近紅外近紅外遠(yuǎn)遠(yuǎn)紅外光紅外光光電導(dǎo)探測器光電導(dǎo)探測器波長響應(yīng)范圍波長響應(yīng)范圍紫外光紫外光可見光可見光近紅外近紅外 極遠(yuǎn)極遠(yuǎn)紅外光紅外光二者光譜響應(yīng)范圍的差別？二者光譜響應(yīng)范圍的差別？為什么？為什么？目前，用作光伏探測器的主要材料有硅、鍺、族和V 族化合物。近紅外和可見光波段多是采用硅和鍺等材料；中紅外和遠(yuǎn)紅外波段可以采用一族元素的三元系碲鎘 汞（HgCdTe）、碲錫鉛（PbSnTe）等材料。 5. 響應(yīng)時間和頻率特性響應(yīng)時間和頻率特性 光伏效應(yīng)

14、示意圖光伏效應(yīng)示意圖（1 1）響應(yīng)時間：）響應(yīng)時間： 擴散時間擴散時間10-9s 漂移時間漂移時間10-11s 電路時間常數(shù)電路時間常數(shù) 1.5109 s光敏區(qū)薄，光敏區(qū)薄，縮短縮短擴散時間擴散時間如何計算？如何計算？響應(yīng)時間由三個因素決定1） 光生載流子擴散至結(jié)區(qū)的時間 n；（2）通過結(jié)區(qū)的漂移 時間 d；（3）由結(jié)電容 Cj 與負(fù)載電阻 RL 所決定的電路時間常數(shù) e。4.1 4.1 光伏探測器的原理和特性光伏探測器的原理和特性（2 2）頻率特性：）頻率特性： 僅考慮電路時間常數(shù)僅考慮電路時間常數(shù)eLjR CHCe12f哪些因素決定？哪些因素決定？原理示意圖在反向偏置狀態(tài)，PN結(jié)勢壘區(qū)加寬

15、，結(jié)勢壘區(qū)加寬，有利于有利于光生載光生載流子的漂移運動，流子的漂移運動，使光生伏特器件的響應(yīng)頻率提高。RLPNILRLUbbu反向偏置電路4.1 4.1 光伏探測器的原理和特性光伏探測器的原理和特性比較比較：頻率特性頻率特性HCe12f光伏探測器光伏探測器光電導(dǎo)探測器光電導(dǎo)探測器HCc12f光伏探測器頻率特性由光伏探測器頻率特性由電路時間常數(shù)電路時間常數(shù)決定決定光電導(dǎo)探測器頻率特性由光電導(dǎo)探測器頻率特性由載流子壽命載流子壽命決定決定 1 1、光電、光電轉(zhuǎn)換部位不同轉(zhuǎn)換部位不同 2 2、光敏電阻需外加電壓光敏電阻需外加電壓，沒有極性沒有極性，無正向、，無正向、反向偏置之分；而結(jié)型器件因反向偏置之

16、分；而結(jié)型器件因p-np-n結(jié)的存在，結(jié)的存在，有正向偏置、反向偏置之分，且有正向偏置、反向偏置之分，且無外加電壓，無外加電壓，也可工作也可工作，也能實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。，也能實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。 3 3、光敏電阻的光電流依賴于光生載流子的產(chǎn)、光敏電阻的光電流依賴于光生載流子的產(chǎn)生生復(fù)合運動，復(fù)合運動，弛豫時間常數(shù)大弛豫時間常數(shù)大，頻率響應(yīng)差。，頻率響應(yīng)差。結(jié)型器件的光電流依賴于結(jié)區(qū)部分光生載流子結(jié)型器件的光電流依賴于結(jié)區(qū)部分光生載流子的漂移運動，弛豫過程時間常數(shù)小，響應(yīng)速度的漂移運動，弛豫過程時間常數(shù)小，響應(yīng)速度快?？?。與光敏電阻的比較與光敏電阻的比較4.2 4.2 常用光伏探測器常用光伏探測器 4.2

17、.1 4.2.1 硅光電池硅光電池工作區(qū)域：工作區(qū)域：第四象限第四象限4.2 4.2 常用光伏探測器常用光伏探測器分類：分類：主要功能是作為光電探主要功能是作為光電探測用，光照特性的測用，光照特性的線性度好線性度好例如：硒光電池例如：硒光電池太陽能光電池太陽能光電池測量光電池測量光電池主要用作電源，轉(zhuǎn)換效主要用作電源，轉(zhuǎn)換效率高、成本低率高、成本低例如：硅光電池例如：硅光電池(Solar Cells) 4.2 4.2 常用光伏探測器常用光伏探測器（1）結(jié)構(gòu)：）結(jié)構(gòu)： 4.2.1 4.2.1 硅光電池硅光電池 2DR: N型硅為受光面2CR：P型硅為受光面做成梳齒狀以便透光和減小電阻防反射膜，同

18、時也可以起到防潮、防腐蝕的保護(hù)作用伏安特性伏安特性 硅光電池的伏安特性，表示輸出電流和電壓隨負(fù)載電阻硅光電池的伏安特性，表示輸出電流和電壓隨負(fù)載電阻變化的曲線。伏安特性曲線是變化的曲線。伏安特性曲線是在某一光照下在某一光照下，取，取不同的負(fù)載不同的負(fù)載電阻所測得的輸出電流和電壓畫成的曲線電阻所測得的輸出電流和電壓畫成的曲線。（2 2）光電特性）光電特性 光電池伏安特性光電池伏安特性 4.2 4.2 常用光伏探測器常用光伏探測器（2 2）光電特性）光電特性 光電特性主要有照度照度電流電壓特性和照度電流電壓特性和照度負(fù)載電阻特性負(fù)載電阻特性 光電池的照度電流電壓特性是指光電池的短路光電流短路光電流

19、Isc 和開路電壓開路電壓Uoc 與入射光與入射光照度之間的關(guān)系照度之間的關(guān)系。從式（4-5）和式（4-6）可知，光電池的短路光電流短路光電流Isc 與入射光照與入射光照度成正比度成正比，而開路電壓開路電壓Uoc 與光照度的對與光照度的對數(shù)成正比數(shù)成正比4.2 4.2 常用光伏探測器常用光伏探測器光電特性光電特性照度照度電流電壓特性電流電壓特性硅光電池，Uoc 一般為0.450.6V，最大不超過0.756V4.2 4.2 常用光伏探測器常用光伏探測器光電特性光電特性照度照度負(fù)載特性負(fù)載特性做線性測量時需注意做線性測量時需注意照度負(fù)載特性是指光電池在不不同外接負(fù)載電阻同外接負(fù)載電阻條件下光電池短

20、路電流與入射光照度之間的關(guān)系。光電池的短路條件短路條件是指外接負(fù)載電阻相對于光電池內(nèi)阻很小。因光電池在不同照度下的內(nèi)阻不同，所以，在不同照度時可用不同大小的負(fù)載近似滿足短路條件。圖4-8 給出了光電池的光照與負(fù)載電阻的特性關(guān)系：負(fù)載電阻越小，光電流和照度的線性關(guān)系越好線性關(guān)系越好，而且線性范圍也越寬；此外，在一定負(fù)載電阻的條件下，光照越弱，其線性關(guān)系越好。2 光譜特性 表示在入射光能量保持一定的條件下，光電池所產(chǎn)生的短路短路電流與入射光波長之間的關(guān)系電流與入射光波長之間的關(guān)系，一般用相對響應(yīng)相對響應(yīng)表示。普通2CR 型硅光電池光譜響應(yīng)范圍為0.41.1 m，峰值波長為0.80.9 m；已研制的

21、2CR113301 型和2CR1133 型藍(lán)硅光電池，其光譜響應(yīng)特性在0.48m 處的相對響應(yīng)度仍大于50%，可應(yīng)用在視見函數(shù)或色探測器件中視見函數(shù)或色探測器件中。（3 3）頻率特性）頻率特性 4.2 4.2 常用光伏探測器常用光伏探測器光電池的響應(yīng)頻率一般不太高。硅光電池的最高截止頻率僅為數(shù)十kHz。其頻率響應(yīng)不高的主要原因是光敏面光敏面一般較大，故其極間電容較一般較大，故其極間電容較大，使電路時間常數(shù)較大大，使電路時間常數(shù)較大其次是光電池內(nèi)阻隨著光照功率而變化，當(dāng)功率較小時功率較小時，相應(yīng)的內(nèi)阻較大內(nèi)阻較大，頻率特性變差。此外光電池的工作頻率還受負(fù)載電阻RL 的限制。如圖4-10 所示，當(dāng)

22、RL 較大時，輸出電壓較大，但響應(yīng)時間卻增大，使頻率特性變差。所以在實際使用時，特別是光電池在入射功率很小的條件下工作時，需折衷考慮。為了提高頻率響應(yīng)，可在光電導(dǎo)模式光電導(dǎo)模式下使用，例如只要加12 伏的反向偏反向偏置電壓置電壓，則響應(yīng)時間就可以從微秒下降到幾百納秒。?4 溫度特性溫度特性 光電池的參數(shù)都是在室溫（2530）下測得的，參數(shù)值隨參數(shù)值隨工作環(huán)境溫度改變而變化工作環(huán)境溫度改變而變化。光電池的溫度特性曲線主要指光照射光電池時開路電壓Uoc 與短路電流Isc 隨溫度變化的關(guān)系，如圖4-11 所示。由圖可以看出：開路電壓開路電壓Uoc 具有負(fù)溫度系具有負(fù)溫度系數(shù)數(shù)，即隨著溫度的升高Uoc 值反而減小，其值約為23mV，短路電流Isc具有正溫度系數(shù)，即隨著溫度的升高，Isc 值增大，但增大比例很小，約為10-510-3mA數(shù)量級。硅光電池硅光電池太陽電池太陽電池光電池也稱光伏電池，實質(zhì)上就是大面積的實質(zhì)上就是大面積的PN結(jié)結(jié)，工作在光伏模式。由于光電池常常用于把太陽光能直接變成電能，因此又稱為太陽電池。光電池的種類很多，如有曬光電池曬光電池，氧化亞銅光電池，鍺光電池，砷化鎵光電池，硅光電池鍺光電池，砷化鎵光