第七章光伏探測器

第五章光伏探測器光電導探測器：主要依賴非平衡載流子中多子的產(chǎn)生與復合運動，弛豫時間較大。響應速度慢，頻率響應性能較差。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?！?-1光生伏特響應與光伏探測器的工作原理定義：光生伏特效應：光照使不均勻半導體或均勻半導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。本文檔共51頁；當前第1頁；編輯于星期三\9點25分第五章光伏探測器情況1：不均勻半導體

PN結(jié)：同質(zhì)摻雜異質(zhì)結(jié)：不同質(zhì)的半導體肖特基勢壘：金屬和半導體內(nèi)在電場：光→半導體→電子空穴對運動→積聚→電位差情況2：均勻半導體體積光生伏特效應，沒有內(nèi)電場。光→半導體的一部分→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）電子空穴對兩種電荷分開→（光磁電效應）丹信效應體積光生伏特效應光磁電效應本文檔共51頁；當前第2頁；編輯于星期三\9點25分第五章光伏探測器一、由勢壘效應產(chǎn)生的光生伏特效應圖5-1(a)勢壘形成圖(b)能級圖當光照時，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。本文檔共51頁；當前第3頁；編輯于星期三\9點25分第五章光伏探測器公式推導：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：電壓響應率:本文檔共51頁；當前第4頁；編輯于星期三\9點25分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對于均勻的半導體：光→半導體: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：本文檔共51頁；當前第5頁；編輯于星期三\9點25分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。②小信號時：大信號時：③均勻半導體放于磁場中，將會產(chǎn)生空穴和電子分離，引起光磁電效應。由此產(chǎn)生的光生載流子短路電流：本文檔共51頁；當前第6頁；編輯于星期三\9點25分第五章光伏探測器

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在相當大的光強度范圍內(nèi)，開路電壓和光強度成正比本文檔共51頁；當前第7頁；編輯于星期三\9點25分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本文檔共51頁；當前第8頁；編輯于星期三\9點25分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。本文檔共51頁；當前第9頁；編輯于星期三\9點25分第五章光伏探測器一、響應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)，這與光電導探測器是不同的。§5-2光伏探測器的性能參數(shù)本文檔共51頁；當前第10頁；編輯于星期三\9點25分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本文檔共51頁；當前第11頁；編輯于星期三\9點25分第五章光伏探測器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，有則當光伏探測器工作于負偏壓時，，則本文檔共51頁；當前第12頁；編輯于星期三\9點25分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本文檔共51頁；當前第13頁；編輯于星期三\9點25分第五章光伏探測器考慮到實際探測器系統(tǒng)中負載電阻對噪聲的貢獻，所以噪聲等效電路通常應包含散粒噪聲和負載電阻的熱噪聲本文檔共51頁；當前第14頁；編輯于星期三\9點25分第五章光伏探測器三、比探測率（1）零偏壓工作時（2）反偏壓工作時本文檔共51頁；當前第15頁；編輯于星期三\9點25分第五章光伏探測器四、光譜特性本文檔共51頁；當前第16頁；編輯于星期三\9點25分第五章光伏探測器五、頻率響應及響應時間光伏探測器的頻率響應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)電容的影響本文檔共51頁；當前第17頁；編輯于星期三\9點25分第五章光伏探測器光伏探測器總的響應時間為由等效電路可求得負載電阻上的輸出電壓為相應的電壓有效值為可見輸出電壓隨著頻率增高而下降，當時，電壓幅值下降為最大值的0.707，此時對應的頻率又稱為高頻截止頻率或3dB頻率，同光電導探測器一樣，其相應的可表示為本文檔共51頁；當前第18頁；編輯于星期三\9點25分第五章光伏探測器六、溫度特性本文檔共51頁；當前第19頁；編輯于星期三\9點25分第五章光伏探測器§5-3光電池與光電二極管一、光電池本文檔共51頁；當前第20頁；編輯于星期三\9點25分第五章光伏探測器1.光電池的結(jié)構(gòu)本文檔共51頁；當前第21頁；編輯于星期三\9點25分第五章光伏探測器2.光電池的特性參數(shù)（1）光照特性本文檔共51頁；當前第22頁；編輯于星期三\9點25分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)槠渲挟擨=0時，得到開路電壓當V=0時，得到短路電流從開路電壓公式看來由于。故，因而本文檔共51頁；當前第23頁；編輯于星期三\9點25分第五章光伏探測器本文檔共51頁；當前第24頁；編輯于星期三\9點25分第五章光伏探測器本文檔共51頁；當前第25頁；編輯于星期三\9點25分第五章光伏探測器本文檔共51頁；當前第26頁；編輯于星期三\9點25分第五章光伏探測器（2）光譜特性本文檔共51頁；當前第27頁；編輯于星期三\9點25分第五章光伏探測器（3）溫度特性本文檔共51頁；當前第28頁；編輯于星期三\9點25分第五章光伏探測器（4）頻率特性本文檔共51頁；當前第29頁；編輯于星期三\9點25分第五章光伏探測器3.光電池的應用①作為光電探測器件②將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔鼙疚臋n共51頁；當前第30頁；編輯于星期三\9點25分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)及工作原理本文檔共51頁；當前第31頁；編輯于星期三\9點25分第五章光伏探測器本文檔共51頁；當前第32頁；編輯于星期三\9點25分第五章光伏探測器本文檔共51頁；當前第33頁；編輯于星期三\9點25分第五章光伏探測器（2）伏安特性本文檔共51頁；當前第34頁；編輯于星期三\9點25分第五章光伏探測器本文檔共51頁；當前第35頁；編輯于星期三\9點25分第五章光伏探測器2.PIN光電二極管本文檔共51頁；當前第36頁；編輯于星期三\9點25分第五章光伏探測器本文檔共51頁；當前第37頁；編輯于星期三\9點25分第五章光伏探測器3.雪崩光電二極管（APD）（1）工作原理——雪崩效應本文檔共51頁；當前第38頁；編輯于星期三\9點25分第五章光伏探測器（2）雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)本文檔共51頁；當前第39頁；編輯于星期三\9點25分第五章光伏探測器本文檔共51頁；當前第40頁；編輯于星期三\9點25分第五章光伏探測器（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，只是倍增系數(shù)稍小

本文檔共51頁；當前第41頁；編輯于星期三\9點25分第五章光伏探測器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載電阻的熱噪聲，雪崩光電二極管的總噪聲電流均方值為本文檔共51頁；當前第42頁；編輯于星期三\9點25分第五章光伏探測器本文檔共51頁；當前第43頁；編輯于星期三\9點25分第五章光伏探測器③響應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時間一般只有0.5～1ns，相應的響應頻率可達幾十吉赫（GHz）本文檔共51頁；當前第44頁；編輯于星期三\9點25分第五章光伏探測器§5-4光電三極管及其它光伏探測器1.結(jié)構(gòu)與工作原理本文檔共51頁；當前第45頁；編輯于星期三\9點25分第五章光伏探測器2.光電三極管的等效電路由等效電路可得負載電阻的輸出電壓為選擇合適的負載使得則本文檔共51頁；當前第46頁；編輯于星期三\9點25分第五章光伏探測器3.光電三