第04章-光伏探測器A 20141030教材

第04章光伏探測器利用半導(dǎo)體光伏效應(yīng)制作的器件稱為光伏探測器，簡稱PV（Photovoltaic）探測器，也稱結(jié)型光電器件。PN結(jié)受到光照時，可在PN結(jié)的兩端產(chǎn)生光生電勢差，這種現(xiàn)象則稱為光伏效應(yīng)。光伏效應(yīng)：光伏探測器：光伏器件簡稱PV（Photovolt）單元器件線陣器件四象限器件在零偏條件下，如用光照射p區(qū)、n區(qū)或PN結(jié)，只要照射光的波長滿足λ

λc，都會激發(fā)出光生電子---空穴對。光照p區(qū)，由于p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，因此光生空穴對p區(qū)空穴濃度影響很小。

相反，光生電子對p區(qū)的電子濃度影響很大，從p區(qū)表面(吸收光能多，光生電子多)向p區(qū)內(nèi)自然形成電子擴散趨勢。如果p區(qū)厚度小于電子擴散長度，那么大部分光生電子都能擴散進入P-n結(jié)。

因P區(qū)產(chǎn)生的光生空穴，N區(qū)產(chǎn)生的光生電子屬多子，都被勢壘阻擋而不能過結(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)，即電子空穴對被內(nèi)建電場分離。2024/3/204這導(dǎo)致在N區(qū)邊界附近有光生電子積累，在P區(qū)邊界附近有光生空穴積累。它們產(chǎn)生一個與熱平衡PN結(jié)的內(nèi)建電場方向相反的光生電場，其方向由P區(qū)指向N區(qū)。此電場使勢壘降低，其減小量即光生電勢差，P端正，N端負(fù)。只要光照不停止，這個光生電壓將永遠(yuǎn)存在。這時用電壓表就能測量出p區(qū)正,n區(qū)負(fù)的開路電壓un，稱為光生伏特效應(yīng)。如果用一個理想電流表接通p-n結(jié)，則有電流i0通過．稱為短路電流。綜上所述，光照零偏p-n結(jié)產(chǎn)生開路電壓的效應(yīng)，稱為光伏效應(yīng)。這也是光電池的工作原理。4.1光伏探測器的原理和特性1.光照下的PN結(jié)電流方程及伏安特性2.開路電壓Uoc和短路電流Isc3．暗電流和溫度特性4.光譜特性5.響應(yīng)時間和頻率特性

4.1光伏探測器的原理和特性1.光照下的PN結(jié)電流方程及伏安特性電流方程

伏安特性

（1）電流公式與IV曲線圖

（4-1）由于Ip與光照有關(guān)，并隨光照的增大而增大。因此，Ip可表示為Ip＝SE，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，曲線將沿電流軸向下平移，平移的幅度與光照的變化成正比，即ΔIp=SΔE。第一象限：普通二極管,iD本來就很大，所以光電流不起重要作用。表現(xiàn)不出它的光電效應(yīng),作為光電探測器這個區(qū)域沒有意義?。。?）IV曲線的分析

4.1光伏探測器的原理和特性第三象限PN結(jié)外加反向偏壓。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I0，其值遠(yuǎn)小于光電流Ip；總電流I=Id－Ip≈－SE與光照的變化成正比。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變化。這一特性與光電導(dǎo)探測器工作機理類似，因此稱這種工作模式為光電導(dǎo)模式。第三象限：光電導(dǎo)模式(反偏壓狀態(tài),

iD=iS0，它是普通二極管中的反向飽和電流，現(xiàn)在稱為暗電流(對應(yīng)于光功率P=0)，數(shù)值很小，這時的光電流是流過探測器的主要電流)

這個區(qū)域重要意義??！反向偏壓可以減小載流子的渡越時間和二極管的極間電容，有利于提高器件的響應(yīng)靈敏度和響應(yīng)頻率。4.1光伏探測器的原理和特性

通常把光導(dǎo)工作模式的光伏探測器稱為光電二極管。第四象限：光伏模式

光電池的工作區(qū)域4.1光伏探測器的原理和特性PN結(jié)無外加偏壓；流過光伏探測器的電流隨著光照變化，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。伏安特性光電二極管光電池普通二極管4.1光伏探測器的原理和特性（3）等效電路（意義：分析與計算）電流源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光伏探測器的原理和特性2.開路電壓Uoc和短路電流Isc負(fù)載電阻RL→∞，光伏探測器兩端的電壓稱為開路電壓opencircuit

I=0

負(fù)載電阻RL=0，流過光伏探測器稱為短路電流shortcircuitU=0--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流源(光電流源)的并聯(lián)，如圖(b)所示。它的工作模式則由外偏壓回路決定。在零偏壓時(圖(c))，稱為光伏工作模式。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。VuiiD(a)(b)(c)(d)i4.1光伏探測器的原理和特性暗電流暗電流的影響：1.弱光的測量

2.增大噪聲暗電流減小方法：1.降低溫度

2.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，暗電流硅光電二極管～100nA硅PIN光電二極管～1nA偏壓？3.暗電流（無光照時流過PN結(jié)的電流，由熱激發(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.光譜特性一般基于半導(dǎo)體材料對光的本征吸收來工作;4.1光伏探測器的原理和特性光伏探測器波長響應(yīng)范圍紫外光可見光近紅外－－遠(yuǎn)紅外光光電導(dǎo)探測器波長響應(yīng)范圍紫外光可見光近紅外－－極遠(yuǎn)紅外光二者光譜響應(yīng)范圍的差別？為什么？目前，用作光伏探測器的主要材料有硅、鍺、Ⅱ—Ⅵ族和Ⅲ—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Ⅱ一Ⅵ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

光伏效應(yīng)示意圖（1）響應(yīng)時間：

擴散時間～10-9s漂移時間～10-11s電路時間常數(shù)

1.5×10－9s光敏區(qū)薄，縮短擴散時間如何計算？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τn；（2）通過結(jié)區(qū)的漂移時間τd；（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)τe。4.1光伏探測器的原理和特性（2）頻率特性：僅考慮電路時間常數(shù)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，有利于光生載流子的漂移運動，使光生伏特器件的響應(yīng)頻率提高。RLPNILRLUbbu反向偏置電路4.1光伏探測器的原理和特性比較：頻率特性光伏探測器光電導(dǎo)探測器光伏探測器頻率特性由電路時間常數(shù)決定光電導(dǎo)探測器頻率特性由載流子壽命決定1、光電轉(zhuǎn)換部位不同2、光敏電阻需外加電壓，沒有極性，無正向、反向偏置之分；而結(jié)型器件因p-n結(jié)的存在，有正向偏置、反向偏置之分，且無外加電壓，也可工作，也能實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。3、光敏電阻的光電流依賴于光生載流子的產(chǎn)生—復(fù)合運動，弛豫時間常數(shù)大，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4.2常用光伏探測器4.2.1硅光電池工作區(qū)域：第四象限4.2常用光伏探測器分類：－－主要功能是作為光電探測用，光照特性的線性度好例如：硒光電池太陽能光電池測量光電池－－主要用作電源，轉(zhuǎn)換效率高、成本低例如：硅光電池(SolarCells)4.2常用光伏探測器（1）結(jié)構(gòu)：4.2.1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，同時也可以起到防潮、防腐蝕的保護作用伏安特性

硅光電池的伏安特性，表示輸出電流和電壓隨負(fù)載電阻變化的曲線。伏安特性曲線是在某一光照下，取不同的負(fù)載電阻所測得的輸出電流和電壓畫成的曲線。（2）光電特性光電池伏安特性4.2常用光伏探測器（2）光電特性光電特性主要有照度—電流電壓特性和照度—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Isc和開路電壓Uoc與入射光照度之間的關(guān)系。從式（4-5）和式（4-6）可知，光電池的短路光電流Isc與入射光照度成正比，而開路電壓Uoc與光照度的對數(shù)成正比4.2常用光伏探測器光電特性照度—電流電壓特性硅光電池，Uoc一般為0.45~0.6V，最大不超過0.756V4.2常用光伏探測器光電特性照度—負(fù)載特性做線性測量時需注意照度—負(fù)載特性是指光電池在不同外接負(fù)載電阻條件下光電池短路電流與入射光照度之間的關(guān)系。光電池的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，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)生的短路電流與入射光波長之間的關(guān)系，一般用相對響應(yīng)表示。普通2CR型硅光電池光譜響應(yīng)范圍為0.4～1.1μm，峰值波長為0.8～0.9μm；已研制的2CR1133—01型和2CR1133型藍(lán)硅光電池，其光譜響應(yīng)特性在0.48μm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。（3）頻率特性4.2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一般較大，故其極間電容較大，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，相應(yīng)的內(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)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)模式下使用，例如只要加1～2伏的反向偏置電壓，則響應(yīng)時間就可以從微秒下降到幾百納秒。?4溫度特性光電池的參數(shù)都是在室溫（25℃～30℃）下測得的，參數(shù)值隨工作環(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Uoc具有負(fù)溫度系數(shù)，即隨著溫度的升高Uoc值反而減小，其值約為2～3mV／℃，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10-5～10-3mA／℃數(shù)量級。硅光電池——太陽電池光電池也稱光伏電池，實質(zhì)上就是大面積的PN結(jié)，工作在光伏模式。由于光電池常常用于把太陽光