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1、光电信号检测光电信号检测第五章第五章 光伏探光伏探测器器光伏探光伏探光伏探光伏探测测器是利用半器是利用半器是利用半器是利用半导导体的光生伏特效体的光生伏特效体的光生伏特效体的光生伏特效应应制成的探制成的探制成的探制成的探测测器。分器。分器。分器。分为为有有有有结结型常用和无型常用和无型常用和无型常用和无结结型不常用。型不常用。型不常用。型不常用。有有有有结结型光伏探型光伏探型光伏探型光伏探测测器。按照器。按照器。按照器。按照 “ “结结的种的种的种的种类类不同，又可不同，又可不同，又可不同，又可分分分分为为pnpn结结型、型、型、型、pinpin结结型、金属半型、金属半型、金属半型、金属半导导
2、体体体体结结型肖特基型肖特基型肖特基型肖特基势垒势垒型和异型和异型和异型和异质结质结型等。型等。型等。型等。最常用的光伏探最常用的光伏探最常用的光伏探最常用的光伏探测测器有光器有光器有光器有光电电池、光池、光池、光池、光电电二极管、光二极管、光二极管、光二极管、光电电三极管、三极管、三极管、三极管、pinpin管、雪崩二极管等。管、雪崩二极管等。管、雪崩二极管等。管、雪崩二极管等。概述概述光伏探光伏探光伏探光伏探测测器与光器与光器与光器与光电导电导探探探探测测器相比器相比器相比器相比较较，主要特点在于：，主要特点在于：，主要特点在于：，主要特点在于：(1)(1)(1)(1)产产生光生光生光生光
3、电变换电变换的部位不同，光的部位不同，光的部位不同，光的部位不同，光电导电导探探探探测测器是均器是均器是均器是均值值型；而有型；而有型；而有型；而有结结型光伏探型光伏探型光伏探型光伏探测测器，只需到达器，只需到达器，只需到达器，只需到达结结区附近的光才区附近的光才区附近的光才区附近的光才产产生光伏效生光伏效生光伏效生光伏效应应。(2)(2)(2)(2)光光光光电导电导探探探探测测器没有极性，任器没有极性，任器没有极性，任器没有极性，任务时务时必需外加偏必需外加偏必需外加偏必需外加偏压压；而光伏探；而光伏探；而光伏探；而光伏探测测器有确定的正器有确定的正器有确定的正器有确定的正负负极，可以不加偏
4、极，可以不加偏极，可以不加偏极，可以不加偏压压任任任任务务。(3)(3)(3)(3)光光光光电导电导探探探探测测器的光器的光器的光器的光电电效效效效应应主要依主要依主要依主要依赖赖于非平衡于非平衡于非平衡于非平衡载载流子中的多流子中的多流子中的多流子中的多子子子子产产生与复合运生与复合运生与复合运生与复合运动动，驰驰豫豫豫豫时间较时间较大，呼大，呼大，呼大，呼应应速度慢，速度慢，速度慢，速度慢，频频率呼率呼率呼率呼应应性能性能性能性能较较差；而有差；而有差；而有差；而有结结型光伏探型光伏探型光伏探型光伏探测测器的光伏效器的光伏效器的光伏效器的光伏效应应主要依主要依主要依主要依赖赖于于于于结结区
5、区区区非平衡非平衡非平衡非平衡载载流子中的少子漂移运流子中的少子漂移运流子中的少子漂移运流子中的少子漂移运动动，弛豫，弛豫，弛豫，弛豫时间较时间较小，呼小，呼小，呼小，呼应应速度速度速度速度快，快，快，快，频频率呼率呼率呼率呼应应特性好。特性好。特性好。特性好。(4)(4)(4)(4)雪崩二极管和光雪崩二极管和光雪崩二极管和光雪崩二极管和光电电三极管三极管三极管三极管还还有很大的内增益作用，不有很大的内增益作用，不有很大的内增益作用，不有很大的内增益作用，不仅仅灵灵灵灵敏度高，敏度高，敏度高，敏度高，还还可以可以可以可以经过较经过较大的大的大的大的电电流。流。流。流。 光生伏特效光生伏特效光生
6、伏特效光生伏特效应应是光照使不均匀半是光照使不均匀半是光照使不均匀半是光照使不均匀半导导体或均匀半体或均匀半体或均匀半体或均匀半导导体体体体中光生中光生中光生中光生电电子和空穴在空子和空穴在空子和空穴在空子和空穴在空间间分开而分开而分开而分开而产产生生生生电电位差的景象。位差的景象。位差的景象。位差的景象。对对于不均匀半于不均匀半于不均匀半于不均匀半导导体，由于同体，由于同体，由于同体，由于同质质的半的半的半的半导导体不同的体不同的体不同的体不同的掺杂掺杂构成的构成的构成的构成的pnpnpnpn结结、不同、不同、不同、不同质质的半的半的半的半导导体体体体组组成的异成的异成的异成的异质结质结或金
7、属或金属或金属或金属与半与半与半与半导导体接触构成的肖特基体接触构成的肖特基体接触构成的肖特基体接触构成的肖特基势垒势垒都存在内建都存在内建都存在内建都存在内建电场电场。当光照当光照当光照当光照这这种半种半种半种半导导体体体体时时，由于半，由于半，由于半，由于半导导体体体体对对光的吸收而光的吸收而光的吸收而光的吸收而产产生了光生生了光生生了光生生了光生电电子和空穴，它子和空穴，它子和空穴，它子和空穴，它们们在内建在内建在内建在内建电场电场的作用下就的作用下就的作用下就的作用下就会向相反的方向挪会向相反的方向挪会向相反的方向挪会向相反的方向挪动动和和和和积积聚而聚而聚而聚而产产生生生生电电位差，
8、位差，位差，位差，这这种景种景种景种景象是最重要的一象是最重要的一象是最重要的一象是最重要的一类类光生伏特效光生伏特效光生伏特效光生伏特效应应。5-1 5-1 光生伏特效光生伏特效应P PN N阻阻阻阻挠层挠层E E内内内内对于均匀半导体，由于体内没有内建电场，当光照这对于均匀半导体，由于体内没有内建电场，当光照这对于均匀半导体，由于体内没有内建电场，当光照这对于均匀半导体，由于体内没有内建电场，当光照这种半导体一部分时，由于光生载流子浓度梯度的不同种半导体一部分时，由于光生载流子浓度梯度的不同种半导体一部分时，由于光生载流子浓度梯度的不同种半导体一部分时，由于光生载流子浓度梯度的不同而引起载
9、流子的分散运动。但电子和空穴的迁移率不而引起载流子的分散运动。但电子和空穴的迁移率不而引起载流子的分散运动。但电子和空穴的迁移率不而引起载流子的分散运动。但电子和空穴的迁移率不等，由于两种载流子分散速度的不同而导致两种电荷等，由于两种载流子分散速度的不同而导致两种电荷等，由于两种载流子分散速度的不同而导致两种电荷等，由于两种载流子分散速度的不同而导致两种电荷的分开，从而出现光生电势。的分开，从而出现光生电势。的分开，从而出现光生电势。的分开，从而出现光生电势。hVh假设存在外加磁场，也可使得分散中的两种载流子假设存在外加磁场，也可使得分散中的两种载流子假设存在外加磁场，也可使得分散中的两种载流
10、子假设存在外加磁场，也可使得分散中的两种载流子向相反方向偏转，从而产生光生电势，称为光磁电向相反方向偏转，从而产生光生电势，称为光磁电向相反方向偏转，从而产生光生电势，称为光磁电向相反方向偏转，从而产生光生电势，称为光磁电效应。效应。效应。效应。通常把丹倍效应和光磁电效应称为体积光生伏特效通常把丹倍效应和光磁电效应称为体积光生伏特效通常把丹倍效应和光磁电效应称为体积光生伏特效通常把丹倍效应和光磁电效应称为体积光生伏特效应。应。应。应。BBB一、由一、由势垒效效应产生的光生伏特效生的光生伏特效应电位差的位差的产活力理是利用活力理是利用势垒构成的内建构成的内建电场将光生将光生电子和光生空穴分开。子
11、和光生空穴分开。当光未照射当光未照射时，p区和区和n区的多数区的多数载流子就会向流子就会向对方分散，方分散，这样在两种在两种资料的接界料的接界处构成由构成由n区指向区指向p区的内建区的内建电场。该电场阻止两阻止两边载流子的分散，在界面流子的分散，在界面处构成一个构成一个稳定的内建定的内建电场E内。内。从能量角度看，在从能量角度看，在热平衡平衡时，内建，内建电场E内引内引起的起的电子和空穴的漂移子和空穴的漂移电流和分散流和分散电流相平流相平衡，在衡，在pn结区构成了一个区构成了一个势垒。P PN N阻阻阻阻挠层挠层E E内内内内电势电势能能能能对对空穴空穴空穴空穴对电对电子子子子x x无光照，多
12、数无光照，多数无光照，多数无光照，多数载载流子分散流子分散流子分散流子分散内建内建内建内建电场电场热热平衡平衡平衡平衡时时，分散，分散，分散，分散电电流和漂移流和漂移流和漂移流和漂移电电流平衡流平衡流平衡流平衡在恒定光照下，只需入射光子的能量比半在恒定光照下，只需入射光子的能量比半在恒定光照下，只需入射光子的能量比半在恒定光照下，只需入射光子的能量比半导导体禁体禁体禁体禁带宽带宽度大度大度大度大(hvEg)(hvEg)，在，在，在，在结结区、区、区、区、p p区和区和区和区和n n区都会引起本征激区都会引起本征激区都会引起本征激区都会引起本征激发发而而而而产产生生生生电电子子子子空穴空穴空穴空
13、穴对对。光生。光生。光生。光生载载流子会分散，在每个区域，非平衡的光生流子会分散，在每个区域，非平衡的光生流子会分散，在每个区域，非平衡的光生流子会分散，在每个区域，非平衡的光生少数少数少数少数载载流子起主要作用，流子起主要作用，流子起主要作用，流子起主要作用，p p区的少数区的少数区的少数区的少数载载流子是流子是流子是流子是电电子，只需在此子，只需在此子，只需在此子，只需在此区域所区域所区域所区域所产产生的光生生的光生生的光生生的光生电电子离子离子离子离结结区的区的区的区的间间隔隔隔隔x x小于小于小于小于电电子的分散子的分散子的分散子的分散长长度度度度Ln(Ln(光生光生光生光生电电子从子
14、从子从子从产产生到与空穴复合的生到与空穴复合的生到与空穴复合的生到与空穴复合的时间时间内挪内挪内挪内挪动动的平均的平均的平均的平均间间隔隔隔隔) )，便可靠分散从，便可靠分散从，便可靠分散从，便可靠分散从p p区区区区进进入入入入结结区而被内建区而被内建区而被内建区而被内建电场电场E E内加速内加速内加速内加速趋趋向向向向n n区；区；区；区；光照光照光照光照时时，光生，光生，光生，光生载载流子少数流子少数流子少数流子少数载载流子在内建流子在内建流子在内建流子在内建电场电场作作作作用下分散，降低用下分散，降低用下分散，降低用下分散，降低势垒势垒，减弱内建，减弱内建，减弱内建，减弱内建电场电场光
15、生光生光生光生电动势电动势P PN N阻阻阻阻挠层挠层E E内内内内入射光入射光入射光入射光同理，在同理，在同理，在同理，在n n区，空穴是少区，空穴是少区，空穴是少区，空穴是少数数数数载载流子，只需光生空流子，只需光生空流子，只需光生空流子，只需光生空穴离穴离穴离穴离结结区区区区间间隔隔隔隔x x小于空穴小于空穴小于空穴小于空穴的分散的分散的分散的分散长长度度度度LpLp，便可靠，便可靠，便可靠，便可靠分散分散分散分散进进入入入入结结区，被内建区，被内建区，被内建区，被内建电场电场加速加速加速加速趋趋向向向向p p区；在区；在区；在区；在结结区区区区产产生的生的生的生的电电子空穴子空穴子空穴
16、子空穴对对，被内建被内建被内建被内建电场电场加速分加速分加速分加速分别别到到到到两两两两边边。在三个区域的光生载流子，靠分散和内建电场实现了正负在三个区域的光生载流子，靠分散和内建电场实现了正负在三个区域的光生载流子，靠分散和内建电场实现了正负在三个区域的光生载流子，靠分散和内建电场实现了正负电荷的分别，使电荷累积到结两边电荷的分别，使电荷累积到结两边电荷的分别，使电荷累积到结两边电荷的分别，使电荷累积到结两边 p p 侧带正电侧带正电侧带正电侧带正电 n n 侧带负电，侧带负电，侧带负电，侧带负电，从而减弱了内建电场，降低了势垒高度。从而减弱了内建电场，降低了势垒高度。从而减弱了内建电场，降
17、低了势垒高度。从而减弱了内建电场，降低了势垒高度。这犹如在这犹如在这犹如在这犹如在pnpn结上施加正向电压一样，这就是光生电动势。结上施加正向电压一样，这就是光生电动势。结上施加正向电压一样，这就是光生电动势。结上施加正向电压一样，这就是光生电动势。假设将这样的假设将这样的假设将这样的假设将这样的pnpn结与外电路相连，就有电流流过外电路，结与外电路相连，就有电流流过外电路，结与外电路相连，就有电流流过外电路，结与外电路相连，就有电流流过外电路，所以所以所以所以pnpn结起了电池的作用。结起了电池的作用。结起了电池的作用。结起了电池的作用。光照光照光照光照时时，光生，光生，光生，光生载载流子少
18、数流子少数流子少数流子少数载载流子在内建流子在内建流子在内建流子在内建电场电场作作作作用下分散，降低用下分散，降低用下分散，降低用下分散，降低势垒势垒，减弱内建，减弱内建，减弱内建，减弱内建电场电场光生光生光生光生电动势电动势P PN N阻阻阻阻挠层挠层E E内内内内入射光入射光入射光入射光假设在外部把假设在外部把假设在外部把假设在外部把p p p p区和区和区和区和n n n n区短接，那么由结区势垒分开的光区短接，那么由结区势垒分开的光区短接，那么由结区势垒分开的光区短接，那么由结区势垒分开的光生载流子就会全部流经外电路，于是在电路中就产生了生载流子就会全部流经外电路，于是在电路中就产生了
19、生载流子就会全部流经外电路，于是在电路中就产生了生载流子就会全部流经外电路，于是在电路中就产生了光电流，称为短路电流。光电流，称为短路电流。光电流，称为短路电流。光电流，称为短路电流。短路电流和光生电动势可由短路电流和光生电动势可由短路电流和光生电动势可由短路电流和光生电动势可由pnpnpnpn结的根本特性求得。结的根本特性求得。结的根本特性求得。结的根本特性求得。R0V0处的的动态电阻阻光生电流：光生电流：光生光生电动势：电压呼呼应率：率：二、由二、由二、由二、由载载流子流子流子流子浓浓度梯度引起的光生伏特效度梯度引起的光生伏特效度梯度引起的光生伏特效度梯度引起的光生伏特效应应当用当用当用当
20、用hhhh足足足足够够大的光照射一均匀半大的光照射一均匀半大的光照射一均匀半大的光照射一均匀半导导体的外表体的外表体的外表体的外表时时，由，由，由，由于半于半于半于半导导体体体体对对光的吸收，在半光的吸收，在半光的吸收，在半光的吸收，在半导导体的近外表体的近外表体的近外表体的近外表层层中中中中产产生高生高生高生高浓浓度的光生非平衡度的光生非平衡度的光生非平衡度的光生非平衡电电子空穴子空穴子空穴子空穴对对。这样这样就呵斥从半就呵斥从半就呵斥从半就呵斥从半导导体近外表指向体内的体近外表指向体内的体近外表指向体内的体近外表指向体内的载载流子流子流子流子浓浓度度度度梯度。在梯度。在梯度。在梯度。在浓浓
21、度梯度推度梯度推度梯度推度梯度推进进下，两种下，两种下，两种下，两种载载流于都沿光照流于都沿光照流于都沿光照流于都沿光照的方向向半的方向向半的方向向半的方向向半导导体内部分散。按分散定律，体内部分散。按分散定律，体内部分散。按分散定律，体内部分散。按分散定律，电电子和子和子和子和空穴构成的分散空穴构成的分散空穴构成的分散空穴构成的分散电电流密度分流密度分流密度分流密度分别为别为总总的分散的分散的分散的分散电电流密度流密度流密度流密度为为hVh Dn Dn、DpDp分分分分别别表示表示表示表示电电子和空穴分散系数。由于子和空穴分散系数。由于子和空穴分散系数。由于子和空穴分散系数。由于电电子和空穴
22、子和空穴子和空穴子和空穴带电带电的符号相反，的符号相反，的符号相反，的符号相反，假假假假设设DnDnDpDp那么二者的分散那么二者的分散那么二者的分散那么二者的分散电电流完全抵消。流完全抵消。流完全抵消。流完全抵消。 现实现实上普通上普通上普通上普通DnDpDnDp，即，即，即，即电电子分散得比空穴快，并且分散到子分散得比空穴快，并且分散到子分散得比空穴快，并且分散到子分散得比空穴快，并且分散到较较深的半深的半深的半深的半导导体内体内体内体内部。部。部。部。 总总的分散的分散的分散的分散电电流将沿光照的流将沿光照的流将沿光照的流将沿光照的负负方向，引起方向，引起方向，引起方向，引起电电荷部分累
23、荷部分累荷部分累荷部分累积积而突破而突破而突破而突破电电中性形状，从中性形状，从中性形状，从中性形状，从而使半而使半而使半而使半导导体光照外表体光照外表体光照外表体光照外表带带正正正正电电而内部而内部而内部而内部带负电带负电，构成了沿，构成了沿，构成了沿，构成了沿x x方向的光生方向的光生方向的光生方向的光生电动势电动势。hVh假假假假设设将均匀半将均匀半将均匀半将均匀半导导体放在与光体放在与光体放在与光体放在与光辐辐照方向相垂直的磁照方向相垂直的磁照方向相垂直的磁照方向相垂直的磁场场中，将有中，将有中，将有中，将有洛洛洛洛仑兹仑兹力作用于分散的力作用于分散的力作用于分散的力作用于分散的电电子
24、和空穴，使它子和空穴，使它子和空穴，使它子和空穴，使它们们向垂直于分散方向垂直于分散方向垂直于分散方向垂直于分散方向的不同方向偏向的不同方向偏向的不同方向偏向的不同方向偏转转，从而在半，从而在半，从而在半，从而在半导导体的两体的两体的两体的两侧侧端面端面端面端面间产间产生生生生电电位差，位差，位差，位差，这这种效种效种效种效应应称称称称为为光磁光磁光磁光磁电电效效效效应应。产产生生生生该该机理：光在机理：光在机理：光在机理：光在样样品中品中品中品中产产生了非平衡生了非平衡生了非平衡生了非平衡载载流子流子流子流子浓浓度，度，度，度，浓浓度梯度梯度梯度梯度使度使度使度使载载流子出流子出流子出流子出
25、现现了沿了沿了沿了沿x x方向的定向分散速度，磁方向的定向分散速度，磁方向的定向分散速度，磁方向的定向分散速度，磁场场作用在作用在作用在作用在载载流子上的洛流子上的洛流子上的洛流子上的洛仑兹仑兹力，使正力，使正力，使正力，使正负载负载流子分流子分流子分流子分别别，在两个端面的，在两个端面的，在两个端面的，在两个端面的电电荷荷荷荷积积累构成累构成累构成累构成电电位差。位差。位差。位差。B光磁光磁电效效应与霍与霍尔效效应类似，但它与具有两种似，但它与具有两种载流子的半流子的半导体中的霍体中的霍尔效效应有所不同。有所不同。在霍在霍尔效效应中，中，载流子的定向运流子的定向运动是外加是外加电场引起的。两
26、种引起的。两种载流子的运流子的运动方向相反，二者构方向相反，二者构成的成的电流方向一流方向一样。垂直的磁。垂直的磁场使两种使两种载流子流子向同一方向偏向同一方向偏转。而在光磁而在光磁电效效应中，定向运中，定向运动是分散引起的。是分散引起的。两种两种载流子分散方向一流子分散方向一样，二者构成的，二者构成的电流方流方向相反。在垂直磁向相反。在垂直磁场作用下，向相反方向偏作用下，向相反方向偏转。三、三、p pn n结伏安特性及曲线结伏安特性及曲线没有光照时，没有光照时，p pn n结上的电压结上的电压V V和经过的电流和经过的电流的关系为：的关系为：p pn n结反向饱和电流结反向饱和电流结反向饱和
27、电流结反向饱和电流当有光照时，当有光照时，当有光照时，当有光照时，p p p pn n n n结上的光生电流为：结上的光生电流为：结上的光生电流为：结上的光生电流为：上述两部分电流反向，那么流经上述两部分电流反向，那么流经上述两部分电流反向，那么流经上述两部分电流反向，那么流经p p p pn n n n结外回路的总电流为：结外回路的总电流为：结外回路的总电流为：结外回路的总电流为：光照越光照越光照越光照越强强，光，光，光，光电电流越大，曲流越大，曲流越大，曲流越大，曲线线愈往下移。愈往下移。愈往下移。愈往下移。第一象限第一象限第一象限第一象限为为pnpn结结加正偏加正偏加正偏加正偏压压形状，
28、此形状，此形状，此形状，此时时pnpn结结暗暗暗暗电电流流流流IDID远远大于大于大于大于光生光生光生光生电电流，作流，作流，作流，作为为光光光光电电探探探探测测器任器任器任器任务务在在在在这这个区域是没有意个区域是没有意个区域是没有意个区域是没有意义义的。的。的。的。第三象限里，第三象限里，第三象限里，第三象限里，pnpn结处结处于反偏于反偏于反偏于反偏压压形状，形状，形状，形状，这时这时暗暗暗暗电电流流流流IDIDISO(ISO(反反反反向向向向饱饱和和和和电电流流流流) )，数，数，数，数值值很小，很小，很小，很小，远远小于光生小于光生小于光生小于光生电电流，故光伏探流，故光伏探流，故光
29、伏探流，故光伏探测测器器器器输输出出出出回路中的回路中的回路中的回路中的总电总电流流流流I IISISISOISOISIS，称任，称任，称任，称任务务于于于于这这个区域的光伏探个区域的光伏探个区域的光伏探个区域的光伏探测测器器器器为为光光光光导导任任任任务务方式。方式。方式。方式。V VO OI IP P0 0P1P1P2P2P P无光照无光照无光照无光照有光照有光照有光照有光照IS0IS0光伏探光伏探光伏探光伏探测测器的伏安特性器的伏安特性器的伏安特性器的伏安特性P1P2P1P2IDID在第四象限中，流在第四象限中，流在第四象限中，流在第四象限中，流过过探探探探测测器的器的器的器的电电流仍流
30、仍流仍流仍为为反向光反向光反向光反向光电电流，流，流，流，但随着光功率不同，探但随着光功率不同，探但随着光功率不同，探但随着光功率不同，探测测器的器的器的器的输输出出出出电电流与流与流与流与电压电压出出出出现现明明明明显显的非的非的非的非线线性，性，性，性，这这光阴伏光阴伏光阴伏光阴伏探探探探测测器的器的器的器的输输出出出出电压电压就是外就是外就是外就是外电电路路路路负载电负载电阻阻阻阻RLRL上的上的上的上的电压电压。这这种任种任种任种任务务方式方式方式方式为为光伏任光伏任光伏任光伏任务务方式。方式。方式。方式。光伏器件的输出电压：光伏器件的输出电压：光伏器件的输出电压：光伏器件的输出电压：
31、开路开路开路开路电压电压： ( ( ( (即即即即负载电负载电阻阻阻阻RLRLRLRL，I I I I0 0 0 0，与外光，与外光，与外光，与外光强强成正指成正指成正指成正指数关系，数关系，数关系，数关系，趋趋于于于于PNPNPNPN结势垒结势垒高度高度高度高度) ) ) )短路短路短路短路电电流：流：流：流： (RL0 (RL0，V V0 0，IDID0 0，与外光，与外光，与外光，与外光强强成正比例成正比例成正比例成正比例关系关系关系关系) )光光光光强强度度度度VocVoc(Voc)max(Voc)maxIscIsc Isc Isc线线性添加；性添加；性添加；性添加；VocVoc对对数
32、数数数规规律添加，并不随光律添加，并不随光律添加，并不随光律添加，并不随光强强无限增大，当其增大到无限增大，当其增大到无限增大，当其增大到无限增大，当其增大到pnpn结势垒结势垒消逝消逝消逝消逝时时，即得到最大光生，即得到最大光生，即得到最大光生，即得到最大光生电压电压。因此，因此，因此，因此， VocVocmaxmax应应等于等于等于等于pnpn结势垒结势垒高度高度高度高度VDVD，并与，并与，并与，并与资资料料料料掺杂掺杂程度有关，程度有关，程度有关，程度有关，实实践上与践上与践上与践上与带带隙隙隙隙EgEg相当。相当。相当。相当。四、光伏探测器的等效电路四、光伏探测器的等效电路光伏探测器
33、可以视为一个普通二极管光伏探测器可以视为一个普通二极管( (包括暗包括暗电流电流IDID、结电阻、结电阻RdRd，结电容，结电容Cd)Cd)及一个恒流及一个恒流源源( (光电流光电流)Ip)Ip的并联。的并联。其中暗电流其中暗电流IDID通常作为噪声源来处置。通常作为噪声源来处置。IpIpIDIDRdRdCdCd前前前前置置置置放放放放大大大大器器器器RLRLVsVs光伏探光伏探光伏探光伏探测测器等效器等效器等效器等效电电路路路路不同器件的不同器件的不同器件的不同器件的RdRd值值相差相差相差相差很大，例如硅光很大，例如硅光很大，例如硅光很大，例如硅光电电二极二极二极二极管的管的管的管的RdR
34、d可达可达可达可达106106，而，而，而，而光伏碲光伏碲光伏碲光伏碲镉镉汞探汞探汞探汞探测测器的器的器的器的RdRd仅仅几十几十几十几十至几十千至几十千至几十千至几十千的数量的数量的数量的数量级级。根据不同光。根据不同光。根据不同光。根据不同光伏探伏探伏探伏探测测器器器器RdRd的取的取的取的取值值，需求需求需求需求设计设计相相相相应应的低噪声的低噪声的低噪声的低噪声前置放大器。前置放大器。前置放大器。前置放大器。等效电路：等效电路：等效电路：等效电路：光伏任务方式，相当于一个恒压源光伏任务方式，相当于一个恒压源光伏任务方式，相当于一个恒压源光伏任务方式，相当于一个恒压源RdRLRdRLRd
35、RLRdRLRdRLRdRLRdRLIsIsIDIDRLRL光伏任光伏任光伏任光伏任务务方式方式方式方式IsIsIDIDRLRLVAVA光光光光导导任任任任务务方式方式方式方式 一、呼一、呼应率率光伏探光伏探测器开路器开路时呼呼应率表达式率表达式为：在弱光照射情况下，上式可近似在弱光照射情况下，上式可近似为： 将光将光电流公式代入得：流公式代入得： 其中，反向其中，反向饱和和电流流为：由此可知，光伏探由此可知，光伏探测器的呼器的呼应率与器件的任率与器件的任务温度温度T T及少数及少数载流子流子浓度和分散有关，而与器度和分散有关，而与器件的外偏件的外偏压无关，无关，这与光与光电导探探测器是不一器
36、是不一样的。的。52 52 光伏探光伏探测器的性能参数器的性能参数二、噪声特性二、噪声特性光伏探光伏探测器的噪声主要包括器件中光生器的噪声主要包括器件中光生电流流的散粒噪声和器件的的散粒噪声和器件的热噪声，其均方噪声噪声，其均方噪声电流流为Rd为器件器件电阻，因反偏任阻，因反偏任务时Rd相当大，相当大，热噪声可忽略不噪声可忽略不计，故光，故光电流和暗流和暗电流引起流引起的散粒噪声是主要的，那么有的散粒噪声是主要的，那么有当器件在零偏置当器件在零偏置当器件在零偏置当器件在零偏置VAVA0 0时时，流，流，流，流过过p-np-n结结的的的的电电流除光流除光流除光流除光电电流流流流IsIs外，外，外
37、，外，还还包含正向和反向的暗包含正向和反向的暗包含正向和反向的暗包含正向和反向的暗电电流流流流ID-ID-与与与与ID+ID+，它，它，它，它们对总电们对总电流的奉献流的奉献流的奉献流的奉献为为零，而零，而零，而零，而对对噪声的奉献是叠加的，那么均方噪声噪声的奉献是叠加的，那么均方噪声噪声的奉献是叠加的，那么均方噪声噪声的奉献是叠加的，那么均方噪声电电流流流流应为应为当器件任当器件任当器件任当器件任务务在在在在负负偏偏偏偏压时压时，ID+0ID+0，那么均方噪声，那么均方噪声，那么均方噪声，那么均方噪声电电流流流流为为思索到思索到思索到思索到实实践探践探践探践探测测器系器系器系器系统统中中中中
38、负载电负载电阻阻阻阻RLRL对对噪声的奉献，所以噪噪声的奉献，所以噪噪声的奉献，所以噪噪声的奉献，所以噪声等效声等效声等效声等效电电路通常路通常路通常路通常应应包含散粒噪声和包含散粒噪声和包含散粒噪声和包含散粒噪声和RLRL的的的的热热噪声，即噪声，即噪声，即噪声，即相相相相应应的噪声的噪声的噪声的噪声电压电压均方均方均方均方值值三、比探三、比探测率率光伏探光伏探测器器D*D*可表示可表示为光伏探光伏探测器以散粒噪声器以散粒噪声为主主零偏零偏压任任务时反偏反偏压任任务时D*D*与与R0R0关系关系零偏零偏电阻是光伏探阻是光伏探测器的一个重要参数，它直接反映了器的一个重要参数，它直接反映了器件性
39、能的器件性能的优劣。劣。当光伏探当光伏探测器受器受热噪声限制噪声限制时，提高探，提高探测率率D*D*的关的关键在在于提高于提高结电阻和阻和结面面积的乘的乘积和降低探和降低探测器的任器的任务温度。温度。四、光四、光谱特性特性通常用通常用Si可做成性能很好的光伏探可做成性能很好的光伏探测器例如器例如PIN光光电二极管和雪崩光二极管和雪崩光电二极管。但其二极管。但其最正确呼最正确呼应波波长在在0.81.0m，对于于1.3 m 或或1.55 m 红外外辐射不能呼射不能呼应。0.4 0.8 1.2 1.60.4 0.8 1.2 1.60.40.40.20.20 0 硅硅硅硅锗锗/m/m锗锗制成的光伏探制
40、成的光伏探制成的光伏探制成的光伏探测测器器器器虽虽能呼能呼能呼能呼应应到到到到1.7 m1.7 m，但它的暗，但它的暗，但它的暗，但它的暗电电流流流流偏高，噪声偏高，噪声偏高，噪声偏高，噪声较较大，也不是理大，也不是理大，也不是理大，也不是理想的想的想的想的资资料。料。料。料。对对于接于接于接于接纳纳波波波波长长大于大于大于大于1m 1m 的的的的辐辐射，需求采用射，需求采用射，需求采用射，需求采用IIIIIIV V和和和和IIIIVIVI族化合物半族化合物半族化合物半族化合物半导导体。体。体。体。五、五、频率呼率呼应特性特性光伏探光伏探测器的器的频率呼率呼应主要由三个要素决主要由三个要素决议
41、：(1)光生光生载流子分散至流子分散至结区区势垒区的区的时间n；(2)光生光生载流子在流子在电场作用下作用下经过结区的漂移区的漂移时间d；(3)由由结电容容Cd与与负载电阻阻RL所决所决议的的电路路时间常数常数c。于是光伏探于是光伏探测器器总的呼的呼应时间为(1)(1)分散分散分散分散时间时间nn：光生：光生：光生：光生载载流子分散至流子分散至流子分散至流子分散至结结区所需的区所需的区所需的区所需的时间时间与分散与分散与分散与分散长长度和分散系数有关。以度和分散系数有关。以度和分散系数有关。以度和分散系数有关。以n n型硅型硅型硅型硅为为例，当空穴分散例，当空穴分散例，当空穴分散例，当空穴分散
42、间间隔隔隔隔为为几微几微几微几微米米米米时时，那么需分散，那么需分散，那么需分散，那么需分散时间约时间约10-9s10-9s，对对于高速呼于高速呼于高速呼于高速呼应应器件，器件，器件，器件，这这是是是是不能不能不能不能满满足要求的。因此，在制造工足要求的。因此，在制造工足要求的。因此，在制造工足要求的。因此，在制造工艺艺上将器件光敏面作得上将器件光敏面作得上将器件光敏面作得上将器件光敏面作得很薄，以便得到更小的分散很薄，以便得到更小的分散很薄，以便得到更小的分散很薄，以便得到更小的分散时间时间。(2)(2)漂移漂移漂移漂移时间时间dd：耗尽：耗尽：耗尽：耗尽层层中中中中载载流子的漂移速度与耗尽
43、流子的漂移速度与耗尽流子的漂移速度与耗尽流子的漂移速度与耗尽层宽层宽度及度及度及度及其其其其间电场间电场有关。例如，有关。例如，有关。例如，有关。例如，对对硅光硅光硅光硅光电电二极管，当耗尽二极管，当耗尽二极管，当耗尽二极管，当耗尽层宽层宽度度度度为为几微米，几微米，几微米，几微米，电场为电场为几几几几kVkVmm，载载流子漂移流子漂移流子漂移流子漂移时间约为时间约为10-11s10-11s，比分散比分散比分散比分散时间时间短近两个数量短近两个数量短近两个数量短近两个数量级级。因此，在普通的光伏探。因此，在普通的光伏探。因此，在普通的光伏探。因此，在普通的光伏探测测器器器器中中中中dd不是限制
44、器件不是限制器件不是限制器件不是限制器件频频率呼率呼率呼率呼应应特性的主要要素。特性的主要要素。特性的主要要素。特性的主要要素。(3) (3) 电电路路路路时间时间常数常数常数常数cc：由于反偏光：由于反偏光：由于反偏光：由于反偏光电电二极管二极管二极管二极管RdRd很大，在并很大，在并很大，在并很大，在并联联回回回回路中可略去。那么光伏探路中可略去。那么光伏探路中可略去。那么光伏探路中可略去。那么光伏探测测器的器的器的器的电电路路路路时间时间常数常数常数常数c=RLCdc=RLCd。 假假假假设设设设Cd=30pFCd=30pF，RL=50RL=50，那么，那么，那么，那么电电路路路路时间时
45、间常数常数常数常数c=1.510-9sc=1.510-9s，由此可知，由由此可知，由由此可知，由由此可知，由结电结电容引起的容引起的容引起的容引起的电电路路路路时间时间常数与光常数与光常数与光常数与光电电二极管分散二极管分散二极管分散二极管分散时间时间同数量同数量同数量同数量级级，是决，是决，是决，是决议议光光光光电电二极管二极管二极管二极管频频率呼率呼率呼率呼应应特性的重要参数。特性的重要参数。特性的重要参数。特性的重要参数。减小减小减小减小结电结电容容容容CdCd是改善光伏探是改善光伏探是改善光伏探是改善光伏探测测器器器器频频响特性的重要措施。响特性的重要措施。响特性的重要措施。响特性的重
46、要措施。减小减小减小减小RLRL也可减小也可减小也可减小也可减小cc，但，但，但，但输输出出出出电压电压会降低，不适用。会降低，不适用。会降低，不适用。会降低，不适用。普通的硅光普通的硅光普通的硅光普通的硅光电电二极管可以任二极管可以任二极管可以任二极管可以任务务于几百兆赫，假于几百兆赫，假于几百兆赫，假于几百兆赫，假设设要得到呼要得到呼要得到呼要得到呼应应更更更更快的器件，必需快的器件，必需快的器件，必需快的器件，必需进进一步减小一步减小一步减小一步减小cc和和和和nn，才干到达上千兆赫的呼，才干到达上千兆赫的呼，才干到达上千兆赫的呼，才干到达上千兆赫的呼应频应频率。率。率。率。六、温度特性
47、六、温度特性光伏探测器和其他半导体器件一样，其光电流光伏探测器和其他半导体器件一样，其光电流及噪声与器件任务温度有亲密关系。及噪声与器件任务温度有亲密关系。 25 50 75 100 25 50 75 10010-210-2ID /AID /AT / T / 10-110-11 11010光伏探光伏探光伏探光伏探测测器在反偏器在反偏器在反偏器在反偏(V(V15V)15V)时时暗暗暗暗电电流与流与流与流与温度的关系曲温度的关系曲温度的关系曲温度的关系曲线线-40 -20 0 20 40 60-40 -20 0 20 40 601010ID /AID /AT / T / 20203030在在在在电
48、压电压恒定和光照恒定条件下光恒定和光照恒定条件下光恒定和光照恒定条件下光恒定和光照恒定条件下光电电流随流随流随流随器件任器件任器件任器件任务务温度的温度的温度的温度的变变化曲化曲化曲化曲线线为了提高光伏探测器的任务性能，人们做了大量的为了提高光伏探测器的任务性能，人们做了大量的为了提高光伏探测器的任务性能，人们做了大量的为了提高光伏探测器的任务性能，人们做了大量的研讨任务，出现了许多性能优良的新种类。研讨任务，出现了许多性能优良的新种类。研讨任务，出现了许多性能优良的新种类。研讨任务，出现了许多性能优良的新种类。常用的光伏探测器有：常用的光伏探测器有：常用的光伏探测器有：常用的光伏探测器有：光
49、电池光电池光电池光电池光电二极管光电二极管光电二极管光电二极管SiSi、GeGe结型光电二极管、结型光电二极管、结型光电二极管、结型光电二极管、PINPIN光电二光电二光电二光电二极管、雪崩光电二极管、异质结光电二极管、肖特极管、雪崩光电二极管、异质结光电二极管、肖特极管、雪崩光电二极管、异质结光电二极管、肖特极管、雪崩光电二极管、异质结光电二极管、肖特基势垒光电二极管等基势垒光电二极管等基势垒光电二极管等基势垒光电二极管等HgCdTeHgCdTe光伏探测器光伏探测器光伏探测器光伏探测器光子牵引探测器光子牵引探测器光子牵引探测器光子牵引探测器光电三极管等等光电三极管等等光电三极管等等光电三极管
50、等等553 3 适用光伏探适用光伏探测器光器光电池池与光与光电二极管二极管一、光一、光电池池光光电池任池任务在零偏在零偏压形状。由于光形状。由于光电池池经常常用于把太阳光能直接用于把太阳光能直接变成成电能，因此又称能，因此又称为太阳能太阳能电池。池。光光电池的种池的种类很多，如硒光很多，如硒光电池、氧化池、氧化亚铜光光电池、硫化池、硫化锡光光电池、池、锗光光电池、砷化池、砷化镓光光电池、硅光池、硅光电池等等。池等等。目前，运用最广，最受注重的是硅光目前，运用最广，最受注重的是硅光电池。池。硅光硅光电池的价池的价钱廉价、光廉价、光电转换效率高、效率高、光光谱呼呼应宽( (很适宜近很适宜近红外探外
51、探测) )、寿命、寿命长、稳定性好、定性好、频率特性好、且能耐高能率特性好、且能耐高能辐射。射。硅光硅光电池的用途大致可分池的用途大致可分为两两类： 1 1当作光当作光电探探测器件运用要器件运用要线性度性度好；好； 2 2用作太阳能用作太阳能电源要源要输出功率大。出功率大。 1 1光电池的构造光电池的构造 硒光电池硒光电池制造工艺：先在铝片上覆盖一层制造工艺：先在铝片上覆盖一层p p型硒，然后蒸发一层型硒，然后蒸发一层镉，加热后生长镉，加热后生长n n型硒化镉，与原来型硒化镉，与原来p p型硒构成一个大型硒构成一个大面积面积p-np-n结，最后涂上半透明维护层，焊上电极。结，最后涂上半透明维护
52、层，焊上电极。铝片为正极，硒化镉为负极。铝片为正极，硒化镉为负极。电极引线电极引线-半透明金属电极半透明金属电极n型硒化镉型硒化镉pn结结电极引线电极引线+p型硒型硒SiSi光电池的构造光电池的构造光电池的构造光电池的构造入射光入射光入射光入射光防反射膜防反射膜防反射膜防反射膜SiO2SiO2p pn nRLRLpnpn结结由单晶硅组成，在一块由单晶硅组成，在一块n型硅片上分散型硅片上分散p型杂质型杂质(如硼如硼)，构成分散，构成分散p+n结。结。 p+n型多在地面上作光电探测器运用；型多在地面上作光电探测器运用；在在p型硅片分散型硅片分散n型杂质型杂质(如磷如磷)，构成，构成n+p结，再焊上
53、两个电极。结，再焊上两个电极。p端为光端为光电池正圾，电池正圾，n端为负极。端为负极。n+p型硅光电池具有较强的抗辐射才干，适宜空间型硅光电池具有较强的抗辐射才干，适宜空间运用，作为航天器的太阳能电池。运用，作为航天器的太阳能电池。2. 2. 光光电池的特性参数池的特性参数1 1光照特性光照特性 光光电池的光照特性主要有伏安特性、入射光池的光照特性主要有伏安特性、入射光强电流流电压特性以及入射光功率特性以及入射光功率负载特性。特性。无光照无光照有光照有光照 pn结光电池伏安特性曲线在无光照时与普通半导体二极管一样，有光照时沿电流轴向方向平移。平移幅度与光照度成正比。曲线与电压轴的交点称为开路电
54、压，与电流轴的交点称为短路电流。IscIsc与光照强度成正比，与光照强度成正比，与光照强度成正比，与光照强度成正比，VocVoc与入射光强度的对与入射光强度的对与入射光强度的对与入射光强度的对数成正比。数成正比。数成正比。数成正比。在同一片光在同一片光在同一片光在同一片光电电池上，当光照池上，当光照池上，当光照池上，当光照强强度一定度一定度一定度一定时时， Isc Isc与受光面与受光面与受光面与受光面积积成正比，成正比，成正比，成正比，VocVoc与受光面与受光面与受光面与受光面积积的的的的对对数成正比。数成正比。数成正比。数成正比。把光把光把光把光电电池用作探池用作探池用作探池用作探测测器
55、器器器时时，需，需，需，需选选取适宜的取适宜的取适宜的取适宜的负载负载，以保，以保，以保，以保证证用作探用作探用作探用作探测测器器器器时时，光，光，光，光电电流和光流和光流和光流和光强坚强坚持持持持线线性关系。性关系。性关系。性关系。负负载电载电阻越小，阻越小，阻越小，阻越小，线线性度越好，且性度越好，且性度越好，且性度越好，且线线性范性范性范性范围围越广。越广。越广。越广。随着随着随着随着RLRL变变化，化，化，化，输输出功率出功率出功率出功率PLPL也也也也变变化，当化，当化，当化，当RLRLRMRM时时，PLPL为为最大最大最大最大值值PMPM，即在，即在，即在，即在负载电负载电阻上阻上
56、阻上阻上获获得最大功率得最大功率得最大功率得最大功率输输出，出，出，出，RMRM称称称称为为最正确最正确最正确最正确负载负载。2 2光光光光谱谱特性特性特性特性 硅光硅光硅光硅光电电池的光池的光池的光池的光谱谱呼呼呼呼应应范范范范围为围为0.40.41.1m1.1m，峰，峰，峰，峰值值波波波波长为长为0.80.80.9m0.9m。硒光硒光硒光硒光电电池的光池的光池的光池的光谱谱呼呼呼呼应应范范范范围为围为0.340.340.75m0.75m，峰，峰，峰，峰值值波波波波长为长为0.54m0.54m左右。左右。左右。左右。光光光光电电池光池光池光池光谱谱范范范范围围的的的的长长波波波波阈阈取决于取
57、决于取决于取决于资资料的禁料的禁料的禁料的禁带宽带宽度，短波度，短波度，短波度，短波阈阈受受受受资资料外表反射料外表反射料外表反射料外表反射损损失的限制。其峰失的限制。其峰失的限制。其峰失的限制。其峰值值波波波波长长不不不不仅仅和和和和资资料有关，而且料有关，而且料有关，而且料有关，而且随制造工随制造工随制造工随制造工艺艺及运用及运用及运用及运用环环境温度不同而有所挪境温度不同而有所挪境温度不同而有所挪境温度不同而有所挪动动。0.4 0.8 1.2 1.60.4 0.8 1.2 1.61.01.0相相相相对对呼呼呼呼应应率率率率GeGe/m/m0.80.80.60.60.40.40.20.20
58、 0SiSiGaAsGaAsSeSe入射光波入射光波长/m2CR1133-01普通普通2CR相相对呼呼应度度 3 3温度特性温度特性温度特性温度特性 光光光光电电池的温度特性曲池的温度特性曲池的温度特性曲池的温度特性曲线线是描画是描画是描画是描画VocVoc及及及及IscIsc随温度随温度随温度随温度变变化化化化情况。情况。情况。情况。随着温度的升高，硅光随着温度的升高，硅光随着温度的升高，硅光随着温度的升高，硅光电电池的光池的光池的光池的光谱谱呼呼呼呼应应向向向向长长波方向波方向波方向波方向挪挪挪挪动动，开路，开路，开路，开路电压电压VocVoc将下降，短路将下降，短路将下降，短路将下降，短
59、路电电流流流流IscIsc略有上略有上略有上略有上升。升。升。升。国国国国产产硅光硅光硅光硅光电电池的温度特性池的温度特性池的温度特性池的温度特性为为温度每升高温度每升高温度每升高温度每升高1oC1oC， Voc Voc下下下下降降降降约约23mV23mV， Isc Isc上升上升上升上升约约78A78A。当光当光当光当光电电池作池作池作池作为为探探探探侧侧器件器件器件器件时时，丈量丈量丈量丈量仪仪器器器器应应思索温度的漂移思索温度的漂移思索温度的漂移思索温度的漂移或或或或进进展展展展补偿补偿，以保，以保，以保，以保证证丈量精丈量精丈量精丈量精度。度。度。度。温度升高，温度升高，温度升高，温度
60、升高，转换转换效率略有下效率略有下效率略有下效率略有下降。降。降。降。 4频率特性率特性 光光电池作池作为探探测器件在交器件在交变光照下运用光照下运用时，由，由于于载流子在流子在pn结区内的分散、漂移，区内的分散、漂移，产生生与复合都需一定的与复合都需一定的时间，所以当光照，所以当光照变化很化很快快时，光，光电流就滞后于光照流就滞后于光照变化。化。在在对频率特性要求率特性要求严厉的探的探测电路中，路中，选用小用小面面积光光电池池较有利。假有利。假设负载选择得当，也得当，也可以可以获得得较高的高的频率特性。率特性。 硅光电池硅光电池硒光电池硒光电池频率频率/Hz相相对输出出 3 3光光电池的运用
61、池的运用 光光电池的运用主要有两个方面：一是作池的运用主要有两个方面：一是作为光光电探探测器件，二是将太阳能器件，二是将太阳能转变为电能。能。利用光利用光电池作池作为探探测器件，有光敏面器件，有光敏面积大，大，频率呼率呼应高，光高，光电流随照度流随照度线性性变化等特点。化等特点。因此，它既可作因此，它既可作为开关运用，也可用于开关运用，也可用于线性性丈量。如用在光丈量。如用在光电读数、光数、光电开关、光开关、光栅丈丈量技量技术、激光准直，、激光准直，电影影还音等安装上。音等安装上。利用光利用光电池将太阳能池将太阳能变成成电能，目前主要是运能，目前主要是运用硅光用硅光电池，由于它能耐池，由于它能
62、耐辐射、射、转换效率效率较其它光其它光电池高。池高。实践运用中，把硅光践运用中，把硅光电池池单体体经串串联、并、并联组成成电池池组，与，与镍镉蓄蓄电池配合，可作池配合，可作为卫星、星、微波站、野外灯塔、航微波站、野外灯塔、航标灯、无人气候站等灯、无人气候站等无无输电线路地域的路地域的电源供源供应。二、光二、光电二极管二极管 1pn结光光电二极管二极管 光光电二极管与普通二极管相比，有共同之二极管与普通二极管相比，有共同之处：它它们都有一个都有一个pn结，因此，它，因此，它们均属均属单导游游电性的非性的非线性元件。性元件。但光但光电二极管是一种光二极管是一种光电器件，在构造上有它器件，在构造上有
63、它特殊的地方。例如：光特殊的地方。例如：光电二极管二极管pn结势垒很薄；很薄； 光生光生载流子的流子的产生主要在生主要在pn结两两边的分的分散区，光散区，光电流主要来自分散流主要来自分散电流，而不是漂流，而不是漂移移电流，故又称流，故又称为分散型分散型pn结光光电二极管；二极管； 为了了获得尽能得尽能够大的光大的光电流，流，pn结面面积比普通二极管要大得多，且通常都以分散比普通二极管要大得多，且通常都以分散层作作为它的受光面。它的受光面。为此，受光面上的此，受光面上的电极做极做得得较小。小。 为了提高光了提高光电转换才干，才干，pn结的深度的深度较普通二极管浅。普通二极管浅。光光电二极管采用硅
64、或二极管采用硅或锗制成，但制成，但锗器件暗器件暗电流流温度系数温度系数远大于硅器件。工大于硅器件。工艺也不如硅器件也不如硅器件成熟，成熟，虽然它的呼然它的呼应波波长大于硅器件，但大于硅器件，但实践运用尚不及硅广泛。践运用尚不及硅广泛。 (1)硅光电二极管的构造及任务原理构造：(a)是采用n型单晶硅及硅分散工艺，称pn构造；(b)是采用单晶硅及磷分散工艺，称np构造。入射光入射光入射光入射光 电电极极极极SiO2SiO2 电电极极极极p+p+n nn n型型型型单单晶硅及硅分散工晶硅及硅分散工晶硅及硅分散工晶硅及硅分散工艺艺，p+np+n构造构造构造构造 入射光入射光入射光入射光 电电极极极极S
65、iO2SiO2 电电极极极极p p电电极极极极n+n+n+n+n n+ +n n型型型型单单晶硅及磷分散工晶硅及磷分散工晶硅及磷分散工晶硅及磷分散工艺艺，n+pn+p构造构造构造构造V VRLRL- -V VRLRL前极前极前极前极后极后极后极后极环环极极极极-硅光电二极管的封装可采用平面镜和聚焦透镜作硅光电二极管的封装可采用平面镜和聚焦透镜作硅光电二极管的封装可采用平面镜和聚焦透镜作硅光电二极管的封装可采用平面镜和聚焦透镜作入射窗口。入射窗口。入射窗口。入射窗口。采用凸透镜有聚光作用，有利于提高灵敏度。采用凸透镜有聚光作用，有利于提高灵敏度。采用凸透镜有聚光作用，有利于提高灵敏度。采用凸透镜
66、有聚光作用，有利于提高灵敏度。光敏面光敏面光敏面光敏面光窗光窗光窗光窗(2)(2)(2)(2)伏安特性伏安特性伏安特性伏安特性 硅光硅光硅光硅光电电二极管在反向偏二极管在反向偏二极管在反向偏二极管在反向偏压压下任下任下任下任务务，这样这样可以减小可以减小可以减小可以减小载载流子流子流子流子渡越渡越渡越渡越时间时间及二极管的极及二极管的极及二极管的极及二极管的极间电间电容，以提高探容，以提高探容，以提高探容，以提高探测测器的呼器的呼器的呼器的呼应应灵敏度和灵敏度和灵敏度和灵敏度和频频率。光率。光率。光率。光电电二极管在无光照二极管在无光照二极管在无光照二极管在无光照时时的暗的暗的暗的暗电电流流流
67、流IDIDIDID就就就就是二极管的反向是二极管的反向是二极管的反向是二极管的反向饱饱和和和和电电流流流流IsoIsoIsoIso；有光照；有光照；有光照；有光照时产时产生的光生的光生的光生的光电电流流流流IpIpIpIp与与与与IsoIsoIsoIso同一方向。同一方向。同一方向。同一方向。在低在低在低在低压压下下下下电电流随光流随光流随光流随光电压变电压变化非常敏感。化非常敏感。化非常敏感。化非常敏感。当反向偏当反向偏当反向偏当反向偏压进压进一步添加一步添加一步添加一步添加时时，光生，光生，光生，光生载载流子的搜集已达极限，流子的搜集已达极限，流子的搜集已达极限，流子的搜集已达极限，光光光
68、光电电流就流就流就流就趋趋于于于于饱饱和。和。和。和。这时这时，光，光，光，光电电流与外加反向偏流与外加反向偏流与外加反向偏流与外加反向偏压压几几几几乎无关，而乎无关，而乎无关，而乎无关，而仅仅取决于入射光功率。取决于入射光功率。取决于入射光功率。取决于入射光功率。光光光光电电二极管在二极管在二极管在二极管在较较小小小小负载电负载电阻下入射光功率与阻下入射光功率与阻下入射光功率与阻下入射光功率与电电流之流之流之流之间间呈呈呈呈现较现较好的好的好的好的线线性关系。性关系。性关系。性关系。3 3呼呼呼呼应应率率率率硅光硅光硅光硅光电电二极管的二极管的二极管的二极管的电电流呼流呼流呼流呼应应率通常在
69、率通常在率通常在率通常在0.40.40.5A0.5AWW量量量量级级。常用的常用的常用的常用的2DU2DU和和和和2DUL2DUL系列光系列光系列光系列光电电二极管的光二极管的光二极管的光二极管的光谱谱呼呼呼呼应应从可从可从可从可见见光不断到近光不断到近光不断到近光不断到近红红外区，在外区，在外区，在外区，在0.80.9m0.80.9m波段呼波段呼波段呼波段呼应应率率率率最高。最高。最高。最高。(4)(4)噪声噪声硅光电二极管的噪声主要来自散粒噪声与热硅光电二极管的噪声主要来自散粒噪声与热噪声。噪声。在弱光照射时，散粒噪声小于热噪声。在弱光照射时，散粒噪声小于热噪声。在强光照射时，散粒噪声大于
70、热噪声。在强光照射时，散粒噪声大于热噪声。 pnpn结结光光光光电电二极管，由于它的呼二极管，由于它的呼二极管，由于它的呼二极管，由于它的呼应时间应时间主要取决于主要取决于主要取决于主要取决于pnpn结结两两两两侧侧的光生少数的光生少数的光生少数的光生少数载载流子分散到流子分散到流子分散到流子分散到结结区所需的区所需的区所需的区所需的时时间间。因此，遭到分散因此，遭到分散因此，遭到分散因此，遭到分散时间时间与分散与分散与分散与分散过过程中的复合所呵斥的程中的复合所呵斥的程中的复合所呵斥的程中的复合所呵斥的噪声的影响。噪声的影响。噪声的影响。噪声的影响。这这些影响限制了些影响限制了些影响限制了些
71、影响限制了这这种光种光种光种光电电二极管的运二极管的运二极管的运二极管的运用才干，特用才干，特用才干，特用才干，特别别是在是在是在是在长长波波段的呼波波段的呼波波段的呼波波段的呼应应速度。速度。速度。速度。要要要要顺应顺应光探光探光探光探测测系系系系统统中中中中宽带宽带、高速的运用，必需、高速的运用，必需、高速的运用，必需、高速的运用，必需进进一一一一步提高步提高步提高步提高f3dBf3dB，除了可添加反向偏，除了可添加反向偏，除了可添加反向偏，除了可添加反向偏压压减小减小减小减小结电结电容外，容外，容外，容外，主要主要主要主要还还必需改良二必需改良二必需改良二必需改良二级级管的构造。管的构造
72、。管的构造。管的构造。2 2PINPIN光光电二极管二极管分散型分散型PINPIN硅光硅光电二极管二极管频率呼率呼应可达上千兆赫可达上千兆赫兹。在在pnpn结之之间加一本征加一本征层I I层，这种器件称种器件称为PINPIN光光电二极管，又称耗尽型光二极管，又称耗尽型光电二二级管。管。只需适当控制本征只需适当控制本征层厚度，使它近似等于反偏厚度，使它近似等于反偏压下耗尽下耗尽层宽度，就可使呼度，就可使呼应波波长范范围和和频率呼率呼应得到改善。得到改善。PINPIN硅光硅光电二极管是常用的二极管是常用的耗尽耗尽层光伏探光伏探测器。器。它是采用高阻它是采用高阻它是采用高阻它是采用高阻纯纯硅硅硅硅资
73、资料及离子漂移技料及离子漂移技料及离子漂移技料及离子漂移技术术构成一个没有构成一个没有构成一个没有构成一个没有杂质杂质的本征的本征的本征的本征层层，厚度，厚度，厚度，厚度为为500m500m左右。左右。左右。左右。PINPIN管中的本征管中的本征管中的本征管中的本征层对层对提高器件灵敏度和提高器件灵敏度和提高器件灵敏度和提高器件灵敏度和频频率的呼率的呼率的呼率的呼应应起起起起着非常重要的作用。由于本征着非常重要的作用。由于本征着非常重要的作用。由于本征着非常重要的作用。由于本征层层相相相相对对于于于于p p区和区和区和区和n n区是区是区是区是高阻区，反向偏高阻区，反向偏高阻区，反向偏高阻区，
74、反向偏压压主要集中在主要集中在主要集中在主要集中在这这一区域，构成高一区域，构成高一区域，构成高一区域，构成高电电场场区。高区。高区。高区。高电电阻使暗阻使暗阻使暗阻使暗电电流明流明流明流明显显减小。本征减小。本征减小。本征减小。本征层层的引入加的引入加的引入加的引入加大了耗尽大了耗尽大了耗尽大了耗尽层层区，展区，展区，展区，展宽宽了光了光了光了光电转换电转换的有效任的有效任的有效任的有效任务务区域，区域，区域，区域，从而使灵敏度得以提高。从而使灵敏度得以提高。从而使灵敏度得以提高。从而使灵敏度得以提高。I I层层n n基片基片基片基片p p增透膜增透膜增透膜增透膜p+p+n+n+n nI I
75、由于由于由于由于I I层层的存在，而的存在，而的存在，而的存在，而p p区又非常薄，入射光子只能在区又非常薄，入射光子只能在区又非常薄，入射光子只能在区又非常薄，入射光子只能在I I层层内被吸收，内被吸收，内被吸收，内被吸收，产产生生生生电电子一空穴子一空穴子一空穴子一空穴对对。I I区区区区产产生的光生生的光生生的光生生的光生载载流子在流子在流子在流子在强电场强电场作用下速运作用下速运作用下速运作用下速运动动，所以，所以，所以，所以载载流子渡越流子渡越流子渡越流子渡越时间时间非常短。非常短。非常短。非常短。同同同同时时，耗尽，耗尽，耗尽，耗尽层层的加的加的加的加宽宽也明也明也明也明显显地减小
76、了地减小了地减小了地减小了结电结电容容容容CdCd，使，使，使，使电电容容容容时间时间常数常数常数常数ccCdRLCdRL减小，从而改善了光减小，从而改善了光减小，从而改善了光减小，从而改善了光电电二极二极二极二极管的管的管的管的频频率呼率呼率呼率呼应应。性能良好的性能良好的性能良好的性能良好的PINPIN光光光光电电二极管，分散与漂移二极管，分散与漂移二极管，分散与漂移二极管，分散与漂移时间时间普通在普通在普通在普通在10101010量量量量级级，相当于千兆，相当于千兆，相当于千兆，相当于千兆(GHz)(GHz)的的的的频频率呼率呼率呼率呼应应。I I层层n n基片基片基片基片p p增透膜增
77、透膜增透膜增透膜3 3 3 3雪崩光雪崩光雪崩光雪崩光电电二极管二极管二极管二极管APD) APD) APD) APD) 普通的光普通的光普通的光普通的光电电二极管和二极管和二极管和二极管和PINPINPINPIN光光光光电电二极管没有内增益。二极管没有内增益。二极管没有内增益。二极管没有内增益。对对微弱光信号微弱光信号微弱光信号微弱光信号进进展探展探展探展探测测，采器具有内增益的光探，采器具有内增益的光探，采器具有内增益的光探，采器具有内增益的光探测测器将有助于器将有助于器将有助于器将有助于对对微弱光信号的探微弱光信号的探微弱光信号的探微弱光信号的探测测。雪崩光雪崩光雪崩光雪崩光电电二极管是
78、具有内增益的光伏探二极管是具有内增益的光伏探二极管是具有内增益的光伏探二极管是具有内增益的光伏探测测器。它是器。它是器。它是器。它是利用光生利用光生利用光生利用光生载载流子在高流子在高流子在高流子在高电场电场区内的雪崩效区内的雪崩效区内的雪崩效区内的雪崩效应应而而而而获获得得得得光光光光电电流增益的，它具有灵敏度高、呼流增益的，它具有灵敏度高、呼流增益的，它具有灵敏度高、呼流增益的，它具有灵敏度高、呼应应快等快等快等快等优优点。点。点。点。雪崩光雪崩光雪崩光雪崩光电电二极管与光二极管与光二极管与光二极管与光电电倍增管相比，具有体倍增管相比，具有体倍增管相比，具有体倍增管相比，具有体积积小，小，
79、小，小，构造构造构造构造紧紧凑，任凑，任凑，任凑，任务电压务电压低，运用方便等低，运用方便等低，运用方便等低，运用方便等优优点。点。点。点。但其暗但其暗但其暗但其暗电电流比光流比光流比光流比光电电倍增管的暗倍增管的暗倍增管的暗倍增管的暗电电流大，相流大，相流大，相流大，相应应的噪声的噪声的噪声的噪声也也也也较较大，故光大，故光大，故光大，故光电电倍增管更适宜于弱光探倍增管更适宜于弱光探倍增管更适宜于弱光探倍增管更适宜于弱光探测测。 (1)任务原理雪崩效应 在光电二极管的pn结上加相当高的反向偏压，使结区产生很强的电场，当光照pn结所激发的光生载流子进入结区时，在强电场中将遭到加速而获得足够的能
80、量。在定向运动中与晶格原子发生碰撞，使晶格原子发生电离，产生新的电子空穴对。新产生的电子空穴对在强电场作用下分别沿相反方向运动，又获得足够能量，再次与晶格原子碰撞，又产生出新的电子空穴对。这种过程不断反复，使pn结内电流急剧倍增放大，这种景象称为雪崩效应。雪崩光雪崩光雪崩光雪崩光电电二极管就是利用二极管就是利用二极管就是利用二极管就是利用这这种效种效种效种效应产应产生光生光生光生光电电流的流的流的流的放大作用的。放大作用的。放大作用的。放大作用的。雪崩光雪崩光雪崩光雪崩光电电二极管的反向任二极管的反向任二极管的反向任二极管的反向任务务偏偏偏偏压压通常略低于通常略低于通常略低于通常略低于pnpn
81、结结的的的的击击穿穿穿穿电压电压。无光照无光照无光照无光照时时，pnpn结结不会不会不会不会发发生雪崩效生雪崩效生雪崩效生雪崩效应应；只需当外；只需当外；只需当外；只需当外界有光照界有光照界有光照界有光照时时，激，激，激，激发发出的光生出的光生出的光生出的光生载载流子才干引起雪崩流子才干引起雪崩流子才干引起雪崩流子才干引起雪崩效效效效应应。假假假假设设反向偏反向偏反向偏反向偏压压超越器件的超越器件的超越器件的超越器件的击击穿穿穿穿电压电压，那么器件将，那么器件将，那么器件将，那么器件将无法任无法任无法任无法任务务，甚至，甚至，甚至，甚至击击穿穿穿穿烧毁烧毁。 (2) (2)雪崩光雪崩光电电二极
82、管的构造二极管的构造 图图(a)(a)中以中以p p型硅作基片，分散型硅作基片，分散杂质浓杂质浓度大的度大的n n层层。图图(b)(b)为为PINPIN型雪崩二极管构造表示型雪崩二极管构造表示图图，其构造根本，其构造根本上上类类似于普通光似于普通光电电二极管，但任二极管，但任务务原理是不同的。原理是不同的。为为了了实现实现雪崩雪崩过过程，基片程，基片杂质浓杂质浓度高度高电电阻率低阻率低，容易，容易产产生碰撞生碰撞电电离。另外基片厚度比离。另外基片厚度比较较薄，薄，保保证证有高的有高的电场强电场强度，以便于度，以便于电电子子获获得足得足够够能量能量产产生雪崩效生雪崩效应应。(3)(3)雪崩光雪崩
83、光电二极管的特性参数二极管的特性参数 倍增系数倍增系数( (雪崩增益雪崩增益)M)M IRIR为无雪崩倍增无雪崩倍增时pnpn结的反向的反向电流，流，IMIM为有雪崩增益有雪崩增益时的反向的反向电流。流。倍增系数倍增系数M M的近似的近似阅历公式公式V VVBRVBR时，M M此此时pnpn结被被击穿穿 雪崩光雪崩光电二极管的噪声二极管的噪声 除了散粒噪声外，除了散粒噪声外，还有因雪崩有因雪崩过程引入的附程引入的附加散粒噪声。由于雪崩效加散粒噪声。由于雪崩效应是大量是大量载流子流子电离离过程的累加，程的累加，这本身就是一个随机本身就是一个随机过程，程，必然必然带来附加的噪声，由雪崩来附加的噪声
84、，由雪崩过程引起的散程引起的散粒噪声粒噪声为思索到思索到思索到思索到负载电负载电阻的阻的阻的阻的热热噪声，雪崩光噪声，雪崩光噪声，雪崩光噪声，雪崩光电电二极管的二极管的二极管的二极管的总总噪声噪声噪声噪声电电流均流均流均流均方方方方值为值为呼呼应时间 由于雪崩光由于雪崩光电二极管任二极管任务时所加的反向偏所加的反向偏压高，光生高，光生载流子在流子在结区的渡越区的渡越时间短，短，结电容只需几个皮法，甚至更小，所以雪崩容只需几个皮法，甚至更小，所以雪崩光光电二极管的呼二极管的呼应时间普通只需普通只需0.51ns0.51ns，相，相应的呼的呼应频率可达几十率可达几十GHzGHz。54 54 光光电三
85、极管及其它光伏探三极管及其它光伏探测器器一、光一、光电三极管三极管利用雪崩倍增效利用雪崩倍增效应可可获得具有内增益的得具有内增益的半半导体光体光电二极管二极管(APD)(APD)，而采用普通，而采用普通晶体管放大原理，可得到另一种具有晶体管放大原理，可得到另一种具有电流内增益的光伏探流内增益的光伏探测器，即光器，即光电三三极管。极管。它与普通双极晶体管非常它与普通双极晶体管非常类似，都是由似，都是由两个非常接近的两个非常接近的pnpn结发射射结和集和集电结构成，并均具有构成，并均具有电流放大作用。流放大作用。IpIpc ce e(1+)Ip(1+)Ipb bIpIp电电流放大作用流放大作用流放
86、大作用流放大作用RLRLhvhvc c c c集集集集e e e e发发b b b b基基基基VAVA+ +光光光光电变换电变换原理原理原理原理hvhvb be ec cp pn nn n构造表示构造表示构造表示构造表示图图1. 1. 构造与原理：构造与原理：光光电三极管的任三极管的任务有两个有两个过程，一是光程，一是光电转换；二是光二是光电流放大。流放大。等效于一个光等效于一个光电二极管与普通晶体管基极集二极管与普通晶体管基极集电极极结的并的并联。集集电结起双重作用，一是把光信号起双重作用，一是把光信号变成成电信号信号起光起光电二极管的作用；二是将光二极管的作用；二是将光电流放大，流放大，起
87、普通晶体三极管的集起普通晶体三极管的集电极的作用。极的作用。2. 2. 光光电三极管的特性参数三极管的特性参数(1)(1)伏安特性：伏安特性：类似于光似于光电二极管。但是，当有光照二极管。但是，当有光照时，光，光电三极管三极管输出出电流比同流比同样光照下光光照下光电二极二极管的管的输出出电流大流大倍；倍；在光功率等在光功率等间距增大的情况下，距增大的情况下，输出出电流并流并不等不等间距增大，距增大，这是由于是由于电流放大倍数流放大倍数多随信号光多随信号光电流的增大而增大所引起的流的增大而增大所引起的非非线性。性。(2)(2)频率呼率呼应少数少数载流子流子对发射射结和搜集和搜集结势垒电容容(Cb
88、e(Cbe和和Cb)Cb)的充放的充放电时间；少数少数载流子渡越基区所需流子渡越基区所需时间；少数少数载流子流子扫过搜集搜集结势垒区的渡越区的渡越时间；经过搜集搜集结到达搜集区的到达搜集区的电流流流流经搜集区搜集区及外及外负载电阻阻产生的生的结压降，使搜集降，使搜集结电荷量改荷量改动的的时间常数。常数。于是光于是光电三极管三极管总呼呼应时间应为上述各个上述各个时间之和。因此，光之和。因此，光电三极管的呼三极管的呼应时间比比光光电二极管的要二极管的要长得多。得多。由于光由于光电三极管广泛运用于各种光三极管广泛运用于各种光电控制系控制系统，其，其输入光信号多入光信号多为脉冲信号，即任脉冲信号，即任
89、务在大信号或开关形状，因此光在大信号或开关形状，因此光电三极管的三极管的呼呼应时间或呼或呼应频率将是光率将是光电三极管的重三极管的重要参数。要参数。(3)(3)光光谱特性：特性：光光电三极管的光三极管的光谱特性与光特性与光电二极管一二极管一样，取决于所用的半取决于所用的半导体体资料及制造工料及制造工艺。例。例如硅光如硅光电三极管，其光三极管，其光谱呼呼应仍仍为0.80.80.9m0.9m。(4)(4)温度特性：温度特性：光光电三极管的三极管的输出出电流随温度流随温度变化比光化比光电二二极管大。由于其极管大。由于其发射极集射极集电极的反向极的反向电流和流和电流放大倍数流放大倍数随任随任务温度温度
90、变化而最化而最敏感。在适用中，必需非常留意敏感。在适用中，必需非常留意环境温度境温度的的变化，必要化，必要时需在需在电路中加以温度路中加以温度补偿措施。措施。光光电三极管主要运用于开关控制三极管主要运用于开关控制电路及路及逻辑电路。路。二、碲二、碲二、碲二、碲镉镉汞汞汞汞(HgCdTe)(HgCdTe)、碲、碲、碲、碲锡铅锡铅(PbSnTe)(PbSnTe)光伏探光伏探光伏探光伏探测测器器器器 利用利用利用利用 族化合物可以得到呼族化合物可以得到呼族化合物可以得到呼族化合物可以得到呼应应于中于中于中于中红红外波段的光外波段的光外波段的光外波段的光伏探伏探伏探伏探测测器。如碲器。如碲器。如碲器。
91、如碲镉镉汞汞汞汞(Hg1-xCdxTe)(Hg1-xCdxTe)、碲、碲、碲、碲锡铅锡铅(Pb1-(Pb1-xSnxTe)xSnxTe)探探探探测测器。器。器。器。改改改改动动化合物化合物化合物化合物组组分分分分x x，即可改，即可改，即可改，即可改动带动带隙，从而得到不同光隙，从而得到不同光隙，从而得到不同光隙，从而得到不同光谱谱呼呼呼呼应应的器件。的器件。的器件。的器件。碲碲碲碲镉镉汞汞汞汞(HgCdTe)(HgCdTe)光伏探光伏探光伏探光伏探测测器任器任器任器任务务于室温于室温于室温于室温300K300K，呼呼呼呼应应波波波波长为长为1 14m4m；液氮温度；液氮温度；液氮温度；液氮温
92、度77K77K，呼，呼，呼，呼应应波波波波长长为为8 814m14m。频频率呼率呼率呼率呼应应特性与普通光特性与普通光特性与普通光特性与普通光电电二极管一二极管一二极管一二极管一样样。三、异三、异质结光光电二极管二极管假假设将将带隙不同的两种半隙不同的两种半导体体资料作成异料作成异质pn结，即可构成异，即可构成异质结光光电二极管，以二极管，以带隙隙Eg大大的的资料作光接料作光接纳面。面。当有光照当有光照当有光照当有光照时时，能量大于，能量大于，能量大于，能量大于nGaAsnGaAs带带隙隙隙隙EgEg的光子将被的光子将被的光子将被的光子将被GaAsGaAs吸收，吸收，吸收，吸收，假假假假设设G
93、aAsGaAs资资料厚度大于光生料厚度大于光生料厚度大于光生料厚度大于光生载载流子的分散流子的分散流子的分散流子的分散长长度将不能到达度将不能到达度将不能到达度将不能到达结结区。区。区。区。假假假假设设光子能量光子能量光子能量光子能量满满足：足：足：足：Eg Eg GeGe hEg hEg GaAsGaAs，光子将穿，光子将穿，光子将穿，光子将穿过过GaAsGaAs资资料，而被料，而被料，而被料，而被GeGe资资料吸收，料吸收，料吸收，料吸收，产产生光子效生光子效生光子效生光子效应应。因此，异因此，异因此，异因此，异质结质结光光光光电电二极管的二极管的二极管的二极管的宽带资宽带资料起着料起着料
94、起着料起着滤滤波作用，把短波波作用，把短波波作用，把短波波作用，把短波成分成分成分成分滤滤掉，掉，掉，掉，这这种器件又称窄种器件又称窄种器件又称窄种器件又称窄带带自自自自滤滤波探波探波探波探测测器。其光器。其光器。其光器。其光谱谱呼呼呼呼应应半半半半宽宽度度度度很窄，能很窄，能很窄，能很窄，能较较好地控制背景噪声。好地控制背景噪声。好地控制背景噪声。好地控制背景噪声。这这种器件种器件种器件种器件还还具有量子效率高，背景噪声低，信号均匀等特点，具有量子效率高，背景噪声低，信号均匀等特点，具有量子效率高，背景噪声低，信号均匀等特点，具有量子效率高，背景噪声低，信号均匀等特点，因此它具有因此它具有因
95、此它具有因此它具有宽宽广的运用前景。广的运用前景。广的运用前景。广的运用前景。四、金属一半四、金属一半导体光体光电二极管二极管又称肖特基又称肖特基势垒光光电二极管，其二极管，其势垒不是不是pn结，而是金属和半，而是金属和半导体接触构成的阻体接触构成的阻挠层，即肖特基即肖特基势垒。当金属与半当金属与半导体体(n型或型或p型型)接触接触时，由于，由于载流子所流子所处能能级不同，它不同，它们将向低能将向低能级方向方向挪挪动，从而在接触区构成阻，从而在接触区构成阻挠层(耗尽耗尽层)，阻阻挠层内的正内的正电荷与金属接触面的荷与金属接触面的负电荷荷构成构成电偶极偶极层接触接触势垒，即肖特基，即肖特基势垒。
96、当受光照后，阻当受光照后，阻挠层吸收光子，吸收光子，产生生电子子空穴空穴对，在内，在内电场作用下，作用下，电子移向半子移向半导体，空穴移向金属，构成光生体，空穴移向金属，构成光生电势。由于肖特基由于肖特基势垒区在半区在半导体附近外表体附近外表处金金属属层厚度厚度为几十几十nm，光直接在，光直接在势垒区区产生生载流子，不像流子，不像pn结那那样载流子必需流子必需经过分散才干到达分散才干到达结区，区，这样可以减少可以减少载流流子分散子分散时间以及在分散中的复合以及在分散中的复合损失。因失。因此，肖特基光此，肖特基光电二极管具有呼二极管具有呼应时间短，短，可探可探测510ns的光脉冲信号。的光脉冲信
97、号。五、光子五、光子牵引探引探测器器强激光脉冲激光脉冲( (波波长大于大于带间吸收吸收) )辐照到照到p p型型GeGe上上时，具有，具有辐射射压力的光子和自在空穴力的光子和自在空穴相互作用，使空穴得到能量和相互作用，使空穴得到能量和动量，从而量，从而沿光沿光传播方向运播方向运动。好似光子。好似光子牵着空穴前着空穴前进，即光子，即光子牵引作用。引作用。电电极极极极电电极极极极CO2CO2激光激光激光激光信号信号信号信号输输出出出出p p型型型型GeGe在激光脉冲前在激光脉冲前在激光脉冲前在激光脉冲前进进的同的同的同的同时时，入射端空穴数目将减小，入射端空穴数目将减小，入射端空穴数目将减小，入射
98、端空穴数目将减小，输输出端空穴出端空穴出端空穴出端空穴数目添加，于是在数目添加，于是在数目添加，于是在数目添加，于是在GeGeGeGe棒两端棒两端棒两端棒两端产产生生生生电电位差，位差，位差，位差，这这就是光子就是光子就是光子就是光子牵牵引引引引电电压压，该电压该电压正比于入射光功率。正比于入射光功率。正比于入射光功率。正比于入射光功率。当入射光方向相反当入射光方向相反当入射光方向相反当入射光方向相反时时，光子，光子，光子，光子牵牵引引引引电压电压也相反。也相反。也相反。也相反。特点：特点：特点：特点： 呼呼呼呼应应速率很高速率很高速率很高速率很高( ( ( (约约10-10s)10-10s)
99、10-10s)10-10s) 室温下任室温下任室温下任室温下任务务，运用方便，不需求外，运用方便，不需求外，运用方便，不需求外，运用方便，不需求外电电源，噪声小源，噪声小源，噪声小源，噪声小 呼呼呼呼应应率低，每千瓦率低，每千瓦率低，每千瓦率低，每千瓦级级光功率光功率光功率光功率辐辐照照照照仅仅有几毫伏有几毫伏有几毫伏有几毫伏输输出，适于出，适于出，适于出，适于强强激光激光激光激光探探探探测测电电极极极极电电极极极极CO2CO2激光激光激光激光信号信号信号信号输输出出出出p p型型型型GeGe电电极极极极电电极极极极CO2CO2激光激光激光激光p p型型型型GeGe光子光子光子光子牵牵引探引探
100、引探引探测测器是一种器是一种器是一种器是一种红红外光子探外光子探外光子探外光子探测测器，目前主要用于器，目前主要用于器，目前主要用于器，目前主要用于CO2CO2CO2CO2激光探激光探激光探激光探测测，已用，已用，已用，已用锗锗、砷化、砷化、砷化、砷化铟铟和碲等和碲等和碲等和碲等资资料制出光子料制出光子料制出光子料制出光子牵牵引探引探引探引探测测器。器。器。器。与前面与前面与前面与前面讨论讨论的光的光的光的光电导电导或光伏探或光伏探或光伏探或光伏探测测器完全不同，光子器完全不同，光子器完全不同，光子器完全不同，光子牵牵引探引探引探引探测测器是一种非器是一种非器是一种非器是一种非势垒势垒光伏探光
101、伏探光伏探光伏探测测器。器。器。器。光子光子光子光子牵牵引效引效引效引效应应是光子与半是光子与半是光子与半是光子与半导导体中自在体中自在体中自在体中自在载载流子之流子之流子之流子之间发间发生生生生动动量量量量传传送，送，送，送，载载流子从光子流子从光子流子从光子流子从光子获获得得得得动动量而作相量而作相量而作相量而作相对对于晶格的运于晶格的运于晶格的运于晶格的运动动。在开路条件下，在开路条件下，在开路条件下，在开路条件下，样样品两端品两端品两端品两端产产生生生生电电荷荷荷荷积积累，构成累，构成累，构成累，构成电场电场，样样品两品两品两品两端建立起端建立起端建立起端建立起电电位差，位差，位差，位差，积积累累累累电电荷建立的荷建立的荷建立的荷建立的电电位差称位差称位差称位差称为为光子光子光子光子牵牵引引引引电压电压，它反映了入射光功率的大小，基于它反映了入射光功率的大小，基于它反映了入射光功率的大小，基于它反映了入射光功率的大小，基于这这种原理制造的光探种原理制造的光探种原理制造的光探种原理制造的光探测测器器器器称称称称为为光子光子光子光子牵牵引探引探引探引探测测器。器。器。器。
