第七章光伏探測器

第五章光伏探測器光電導(dǎo)探測器：主要依賴非平衡載流子中多子的產(chǎn)生與復(fù)合運動，弛豫時間較大。響應(yīng)速度慢，頻率響應(yīng)性能較差。4.主要用途：光度測量、光開關(guān)、報警系統(tǒng)、圖像識別、自動控制等n個方向。§5-1光生伏特響應(yīng)與光伏探測器的工作原理定義：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?，F(xiàn)在是1頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器情況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)體肖特基勢壘：金屬和半導(dǎo)體內(nèi)在電場：光→半導(dǎo)體→電子空穴對運動→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。光→半導(dǎo)體的一部分→電子空穴對→濃度不同→擴散→擴散速度不同→電荷分開→光生電伏（丹信效應(yīng)）電子空穴對兩種電荷分開→（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)現(xiàn)在是2頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器一、由勢壘效應(yīng)產(chǎn)生的光生伏特效應(yīng)圖5-1(a)勢壘形成圖(b)能級圖當(dāng)光照時，在p，n和勢壘區(qū)產(chǎn)生光生載流子。P中電子，N中空穴，只要擴散長度大于到阻擋層距離，成為少子在電場中加速到對方→降低了阻擋層的勢壘→有外電路→電流流過?，F(xiàn)在是3頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器公式推導(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處的動態(tài)電阻：電壓響應(yīng)率:現(xiàn)在是4頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器二、由光生載流子濃度梯度引起的光生伏特效應(yīng)對于均勻的半導(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)擴散：一般：電流方向和光照方向相反→形成光生電場→少子的漂移運動總電流密度：現(xiàn)在是5頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器平衡時：此時5.1-14式=0于是：積分：結(jié)論：和成正比，只有時才可以產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)。②小信號時：大信號時：③均勻半導(dǎo)體放于磁場中，將會產(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：現(xiàn)在是6頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器

圖5-3用途：⑴測量載流子的壽命⑵用作紅外探測器⑶需要大磁鐵⑷在相當(dāng)大的光強度范圍內(nèi)，開路電壓和光強度成正比現(xiàn)在是7頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器三、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：光照時光電流：流過p-n結(jié)外回路的總電流I：分析：見圖5-4現(xiàn)在是8頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器情況1：第一象限：p-n結(jié)加正偏壓。此時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?，F(xiàn)在是9頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器一、響應(yīng)率在弱光照射情況下，上式可近似為將光電流代入得反向飽和電流為由此可知，光伏探測器的響應(yīng)率與器件的工作溫度T及少數(shù)載流子濃度和擴散有關(guān)，而與器件的外偏壓無關(guān)，這與光電導(dǎo)探測器是不同的。§5-2光伏探測器的性能參數(shù)現(xiàn)在是10頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器二、噪聲光伏探測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，其均方噪聲電流為光電流和暗電流引起的散粒噪聲是主要的現(xiàn)在是11頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器1.無光照時2.有光照時流過p-n結(jié)的電流有?？偟脑肼曤娏骶街禐橛腥豕庹丈鋾r，有則當(dāng)光伏探測器工作于負(fù)偏壓時，，則現(xiàn)在是12頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器引入無光照時零偏電阻其定義為或器件的零偏電阻越大，暗電流越小，對散粒噪聲貢獻也越小現(xiàn)在是13頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器考慮到實際探測器系統(tǒng)中負(fù)載電阻對噪聲的貢獻，所以噪聲等效電路通常應(yīng)包含散粒噪聲和負(fù)載電阻的熱噪聲現(xiàn)在是14頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器三、比探測率（1）零偏壓工作時（2）反偏壓工作時現(xiàn)在是15頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器四、光譜特性現(xiàn)在是16頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器五、頻率響應(yīng)及響應(yīng)時間光伏探測器的頻率響應(yīng)主要由三個因素決定：1.擴散時間2.耗盡層中的漂移時間3.結(jié)電容的影響現(xiàn)在是17頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器光伏探測器總的響應(yīng)時間為由等效電路可求得負(fù)載電阻上的輸出電壓為相應(yīng)的電壓有效值為可見輸出電壓隨著頻率增高而下降，當(dāng)時，電壓幅值下降為最大值的0.707，此時對應(yīng)的頻率又稱為高頻截止頻率或3dB頻率，同光電導(dǎo)探測器一樣，其相應(yīng)的可表示為現(xiàn)在是18頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器六、溫度特性現(xiàn)在是19頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器§5-3光電池與光電二極管一、光電池現(xiàn)在是20頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器1.光電池的結(jié)構(gòu)現(xiàn)在是21頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器2.光電池的特性參數(shù)（1）光照特性現(xiàn)在是22頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器上圖是光電池的等效電路。其伏安特性曲線方程為通常很小，可忽略，上式變?yōu)槠渲挟?dāng)I=0時，得到開路電壓當(dāng)V=0時，得到短路電流從開路電壓公式看來由于。故，因而現(xiàn)在是23頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器現(xiàn)在是24頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器現(xiàn)在是25頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器現(xiàn)在是26頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器（2）光譜特性現(xiàn)在是27頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器（3）溫度特性現(xiàn)在是28頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器（4）頻率特性現(xiàn)在是29頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器3.光電池的應(yīng)用①作為光電探測器件②將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔墁F(xiàn)在是30頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器二、光電二極管1.p-n結(jié)光電二極管（1）硅光電二極管的結(jié)構(gòu)及工作原理現(xiàn)在是31頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器現(xiàn)在是32頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器現(xiàn)在是33頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器（2）伏安特性現(xiàn)在是34頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器現(xiàn)在是35頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器2.PIN光電二極管現(xiàn)在是36頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器現(xiàn)在是37頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器3.雪崩光電二極管（APD）（1）工作原理——雪崩效應(yīng)現(xiàn)在是38頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器（2）雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)現(xiàn)在是39頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器現(xiàn)在是40頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器（3）雪崩光電二極管的特性參數(shù)①倍增系數(shù)（雪崩增益）M實驗發(fā)現(xiàn)，在外加電壓V略低于擊穿電壓時，也會發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)，只是倍增系數(shù)稍小

現(xiàn)在是41頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器②雪崩光電二極管的噪聲由雪崩過程引起的散粒噪聲為式中k與雪崩光電二極管材料有關(guān)。對于鍺管，k=3，硅管k為2.3～2.5上式又可改寫為式中考慮到負(fù)載電阻的熱噪聲，雪崩光電二極管的總噪聲電流均方值為現(xiàn)在是42頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器現(xiàn)在是43頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器③響應(yīng)時間由于雪崩光電二極管工作時所加的反向偏壓高，光生載流子在結(jié)區(qū)的渡越時間短，結(jié)電容只有幾個皮法，甚至更小，所以雪崩光電二極管的響應(yīng)時間一般只有0.5～1ns，相應(yīng)的響應(yīng)頻率可達幾十吉赫（GHz）現(xiàn)在是44頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器§5-4光電三極管及其它光伏探測器1.結(jié)構(gòu)與工作原理現(xiàn)在是45頁\一共有51頁\編輯于星期四第五章光伏探測器2.光電三極管的等效電路由等效電路可得負(fù)載電阻的輸出電壓為選擇合適的負(fù)載使得則現(xiàn)在是46頁\一共有51頁\編輯于星期四