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1、LOGO光电检测技术光电检测技术1成都信息工程学院 光电技术学院第4章 光伏特探测器第4章 光伏特探测器习题作业习题作业光生伏特器件光生伏特器件光伏探测器的工作模式光伏探测器的工作模式光伏特效应光伏特效应光生伏特器件的偏置电路光生伏特器件的偏置电路2成都信息工程学院 光电技术学院1.结的单向导电性结的单向导电性 （1） 外加正向电压 （正偏） 外加正向电压 （正偏）PN结上加正向电压，外电 场与内电场方向相反，扩散与PN结上加正向电压，外电 场与内电场方向相反，扩散与 漂移运动平衡被破坏。外电场漂移运动平衡被破坏。外电场 驱使P区空穴进入空间电荷区 抵消一部分负电荷，同时N区 自由电子进入空间
2、电荷区抵消 一部分正电荷，则空间电荷区 变窄，内电场被削弱，多子的 扩散运动增强，形成较大的扩 散电流（由P区流向N区的正向 电流）。在一定范围内，外电驱使P区空穴进入空间电荷区 抵消一部分负电荷，同时N区 自由电子进入空间电荷区抵消 一部分正电荷，则空间电荷区 变窄，内电场被削弱，多子的 扩散运动增强，形成较大的扩 散电流（由P区流向N区的正向 电流）。在一定范围内，外电 场愈强，正向电流愈大，这时场愈强，正向电流愈大，这时 PN结呈现的电阻很低，即PN结 处于PN结呈现的电阻很低，即PN结 处于导通状态导通状态。一、光伏特效应一、光伏特效应3成都信息工程学院 光电技术学院（2） 外加反向电
3、压 （反偏） 外加反向电压 （反偏）在PN结上加反向电压，外在PN结上加反向电压，外 电场与内电场的方向一致， 扩散与漂移运动的平衡同样 被破坏。外电场驱使空间电电场与内电场的方向一致， 扩散与漂移运动的平衡同样 被破坏。外电场驱使空间电 荷区两侧的空穴和自由电子荷区两侧的空穴和自由电子 移走，于是空间电荷区变宽， 内电场增强，使多数载流子 的扩散运动难于进行，同时移走，于是空间电荷区变宽， 内电场增强，使多数载流子 的扩散运动难于进行，同时 加强了少数载流子的漂移运加强了少数载流子的漂移运 动，形成由N区流向P区的动，形成由N区流向P区的反 向电流反 向电流。由于少数载流子数 量很少，因此反
4、向电流不大，。由于少数载流子数 量很少，因此反向电流不大， PN结的反向电阻很高，即PNPN结的反向电阻很高，即PN 结处于结处于截止状态截止状态。一、光伏特效应一、光伏特效应4成都信息工程学院 光电技术学院光伏效应：光伏效应：指光照使不均匀半导体或半导体指光照使不均匀半导体或半导体 与金属组合的不同部位之间产生电位差的现与金属组合的不同部位之间产生电位差的现 象。也称光生伏特效应。象。也称光生伏特效应。 产生这种电位差的产生这种电位差的机理机理有多种，主要的一种有多种，主要的一种 是由于阻挡层的存在。是由于阻挡层的存在。势垒效应势垒效应丹倍效应丹倍效应光磁电光磁电 效应效应2.光伏效应2.光
5、伏效应一、光伏特效应一、光伏特效应5成都信息工程学院 光电技术学院势垒效应：势垒效应：PN结受光照时，样品对光子的本征吸收和非本 征吸收都产生光生载流子。PN结受光照时，样品对光子的本征吸收和非本 征吸收都产生光生载流子。因P区产生的光生空穴，N区产生的光生电子属多子，都被 势垒阻挡而不能过结。只有P区的光生电子和N区的光生空 穴和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在因P区产生的光生空穴，N区产生的光生电子属多子，都被 势垒阻挡而不能过结。只有P区的光生电子和N区的光生空 穴和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在 内建电场作用下漂移过结。内建电场作用下漂移过结。光生电子被拉
6、向N区，光生空光生电子被拉向N区，光生空 穴被拉向P区，即电子空穴对被内建电场分离。穴被拉向P区，即电子空穴对被内建电场分离。这导致在N区边界附近有光生电子积累，在P区边界附近有 光生空穴积累。它们产生一个与热平衡PN结的内建电场方 向相反的这导致在N区边界附近有光生电子积累，在P区边界附近有 光生空穴积累。它们产生一个与热平衡PN结的内建电场方 向相反的光生电场，其方向由P区指向N区光生电场，其方向由P区指向N区。此电场使势垒 降低，。此电场使势垒 降低，其减小量即光生电势差，其减小量即光生电势差，P端正，N端负。P端正，N端负。产生机理产生机理一、光伏特效应一、光伏特效应6成都信息工程学院
7、 光电技术学院丹倍效应：丹倍效应：由于半导体对光的吸收而在半导体的近 表面层中产生高浓度的光生非平衡电子空穴对。由 于载流子浓度梯度差，两种载流子都向半导体内部由于半导体对光的吸收而在半导体的近 表面层中产生高浓度的光生非平衡电子空穴对。由 于载流子浓度梯度差，两种载流子都向半导体内部 扩散。电子比空穴扩散得快，从而使半导体表面带扩散。电子比空穴扩散得快，从而使半导体表面带 正电而内部带负电，这种现象称为光电扩散效应或 丹倍效应。正电而内部带负电，这种现象称为光电扩散效应或 丹倍效应。电子比空穴扩散快，则扩散电流将沿光 照的负方向。电子比空穴扩散快，则扩散电流将沿光 照的负方向。dh vh v
8、dh vh vV VE EJ J扩一、光伏特效应一、光伏特效应7成都信息工程学院 光电技术学院光磁电效应：均匀半导体光磁电效应：均匀半导体放置与受足够大能量 的光照方向相垂直的磁场中，洛仑兹力作用下放置与受足够大能量 的光照方向相垂直的磁场中，洛仑兹力作用下 电子与空穴向垂直于扩散方向的不同方向偏转，电子与空穴向垂直于扩散方向的不同方向偏转， 从而在半导体侧面端面间产生电位差。从而在半导体侧面端面间产生电位差。dhdh v vh h v vV VE EB B一、光伏特效应一、光伏特效应8成都信息工程学院 光电技术学院二、 光伏探测器的工作模式二、 光伏探测器的工作模式一个PN结光伏探测器就等效
9、为一个PN结光伏探测器就等效为一个普通二极管一个普通二极管和和一一 个恒流源(光电流源)的并联个恒流源(光电流源)的并联。它的工作模式则由。它的工作模式则由外偏 压回路外偏 压回路决定。决定。在零偏压时，称为在零偏压时，称为光伏工作模式光伏工作模式。当外回路采用反偏压V时，即外加P端为负N端为正的 电压时，称为当外回路采用反偏压V时，即外加P端为负N端为正的 电压时，称为光导工作模式光导工作模式。(a)(a)R RL L(c)(c)V VR RL L(d)(d)u ui ii ip p(b)(b)i is s9成都信息工程学院 光电技术学院把上式中i和V为纵横坐标作成曲线，就是光伏探测器 的把
10、上式中i和V为纵横坐标作成曲线，就是光伏探测器 的伏安特性曲线伏安特性曲线。/ 0(1)BqV k T pSiie/ 0(1)BqV k T psSsiiiiei无光照时，普通二 极管的伏安特性为：无光照时，普通二 极管的伏安特性为：因此，光伏探测器的总伏安特性应为因此，光伏探测器的总伏安特性应为i ip p和光照时的和光照时的 光电流i光电流is s之和，考虑到二者的流动方向，则流过探测之和，考虑到二者的流动方向，则流过探测 器的总电流为：器的总电流为：q q是电子电荷是电子电荷V V是探测器 两端电压是探测器 两端电压k kB B是玻耳是玻耳 兹曼常数兹曼常数T T是器件的是器件的 绝对温
11、度绝对温度暗电流暗电流P-N光电流光电流IS:N-P二、 光伏探测器的工作模式二、 光伏探测器的工作模式10成都信息工程学院 光电技术学院光伏探测器的伏安特性曲线光伏探测器的伏安特性曲线第一象限第一象限是是正偏压正偏压状态，状态，i ip p本来就很大(暗电流)，所以光电流本来就很大(暗电流)，所以光电流i is s 不起重要作用。作为光电探测器，工作在这一区域不起重要作用。作为光电探测器，工作在这一区域没有意义没有意义。（LED）（LED）二、 光伏探测器的工作模式二、 光伏探测器的工作模式11成都信息工程学院 光电技术学院第三象限里第三象限里，是反，是反 偏压状态。这时的偏压状态。这时的光
12、电光电 流(等于i-i流(等于i-iS0S0) )是流过探 测器的主要电流，这对 应于是流过探 测器的主要电流，这对 应于光导工作模式。光导工作模式。通常把光导工作模通常把光导工作模 式的光伏探测器称式的光伏探测器称 为为光电二极管光电二极管，因 为它的外回路特性 与光电导探测器十 分相似。，因 为它的外回路特性 与光电导探测器十 分相似。二、 光伏探测器的工作模式二、 光伏探测器的工作模式12成都信息工程学院 光电技术学院在在第四象限第四象限中，外偏 压为零。流过探测器的 电流仍为中，外偏 压为零。流过探测器的 电流仍为反向光电流反向光电流， 随着光功率的不同，出随着光功率的不同，出 现明显
13、的非线性。探测 器的输出是通过现明显的非线性。探测 器的输出是通过负载电 阻R负载电 阻RL L上的电压或流过R上的电压或流过RL L 上的电流来体现，因此，上的电流来体现，因此， 称为称为光伏工作模式。光伏工作模式。通常把光伏工作通常把光伏工作 模式的光伏探测器称模式的光伏探测器称 为为光电池。光电池。二、 光伏探测器的工作模式二、 光伏探测器的工作模式13成都信息工程学院 光电技术学院 光电池是一种利用光生伏特效应制成的不需加 偏压就能将光能转化成电能的光电器件。简单光电池是一种利用光生伏特效应制成的不需加 偏压就能将光能转化成电能的光电器件。简单 的说，其本质就是一个的说，其本质就是一个
14、PN结。结。NhP NLRGE表示电子 表示空穴表示电子 表示空穴I14三、光生伏特器件三、光生伏特器件光电池光电池成都信息工程学院 光电技术学院光电池结构光电池结构光电池中最典型的是光电池中最典型的是同质结硅光电池同质结硅光电池。国产同质结硅光电池因衬底材料导。国产同质结硅光电池因衬底材料导 电类型不同而分成电类型不同而分成2CR系列和系列和2DR系列系列两种。两种。光电池的基本结构就是一个光电池的基本结构就是一个PN结。结。 按材料分有按材料分有硅、硒、硫化镉、砷化镓和无定型材料的光电池硅、硒、硫化镉、砷化镓和无定型材料的光电池等。等。 按结构分，有按结构分，有同质结同质结和和异质结异质结
15、光电池等。光电池等。-+-+RLPN防反射膜防反射膜 (SiO2)pn+-SiO2pn结结15三、光生伏特器件三、光生伏特器件成都信息工程学院 光电技术学院1、金属、金属-半导体接触型（肖特基型）半导体接触型（肖特基型）N P)(电极)(电极入射光线2DR（P型型Si为基底、为基底、 N型型Si为受光面）为受光面） 2CR（N型型Si为基底、为基底、 P型型Si为受光面）为受光面）（1）按基底材料不同分（1）按基底材料不同分（一）结构原理（一）结构原理2、PN结型结型结型光电池，是在结型光电池，是在N型（或型（或P型）半导体表 面上扩散一层型）半导体表 面上扩散一层P型（或型（或N型）杂质，形
16、成型）杂质，形成 PN结。结。 （比如：（比如：N型型Si上扩散上扩散B形成形成P型层，并用 电极引线把型层，并用 电极引线把P型和型和N型层引出，形成正负电 极。）型层引出，形成正负电 极。）16三、光生伏特器件三、光生伏特器件成都信息工程学院 光电技术学院1、上、下电极区分：1、上、下电极区分：受光面上的电极称为前极或上电极 衬底方面的电极称为后极或下电极受光面上的电极称为前极或上电极 衬底方面的电极称为后极或下电极 2、上电极栅指状目的：2、上电极栅指状目的：透光、减小串连电阻透光、减小串连电阻 3、受光表面涂保护膜的目的：3、受光表面涂保护膜的目的：为了减少反射光，增加透射 光，一般都在受光面上涂有为了减少反射光，增加透射 光，一般都在受光面上涂有SiO2或或MgF2，Si3N4，SiO2MgF2等材料的防反射膜，同时也可以起到防潮，防腐蚀的保护作用。等材料的防反射膜，同时也可以起到防潮，防腐蚀的保护作用。)(a)(PN
