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1、光电信号检测光电信号检测第五章第五章 光伏探测器光伏探测器钠至字窍萧暴煽仿搁劲伦咒泼除数字遍含柳部浚幸艺竭臂伴集基凉馅馁鸯第5章光伏探测器第5章光伏探测器光伏探测器是利用半导体的光伏探测器是利用半导体的光伏探测器是利用半导体的光伏探测器是利用半导体的光生伏特效应光生伏特效应光生伏特效应光生伏特效应制成的探制成的探制成的探制成的探测器。分为有结型（常用）和无结型（不常用）。测器。分为有结型（常用）和无结型（不常用）。测器。分为有结型（常用）和无结型（不常用）。测器。分为有结型（常用）和无结型（不常用）。有结型光伏探测器。按照有结型光伏探测器。按照有结型光伏探测器。按照有结型光伏探测器。按照 “
2、“结结结结” ”的种类不同，又可的种类不同，又可的种类不同，又可的种类不同，又可分为分为分为分为pnpn结型、结型、结型、结型、pinpin结型、金属半导体结型（肖特基结型、金属半导体结型（肖特基结型、金属半导体结型（肖特基结型、金属半导体结型（肖特基势垒型）和异质结型等。势垒型）和异质结型等。势垒型）和异质结型等。势垒型）和异质结型等。最常用的光伏探测器有光电池、光电二极管、光电最常用的光伏探测器有光电池、光电二极管、光电最常用的光伏探测器有光电池、光电二极管、光电最常用的光伏探测器有光电池、光电二极管、光电三极管、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、
3、雪崩二极管等。管、雪崩二极管等。概述概述诡规星迷悬礁二巨颠瘟毅蹬氟痪叼驱情便鞘浮迹会伦茂砚儒株酪笋起幢例第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20242 2光伏探测器与光电导探测器相比较，主要光伏探测器与光电导探测器相比较，主要光伏探测器与光电导探测器相比较，主要光伏探测器与光电导探测器相比较，主要特点特点特点特点在于：在于：在于：在于：(1)(1)(1)(1)产生光电变换的产生光电变换的产生光电变换的产生光电变换的部位不同部位不同部位不同部位不同，光电导探测器是均值型；而，光电导探测器是均值型；而，光电导探测器是均值型；而，光电导探测器是均值型；而有结型光伏探测器，只有
4、到达结区附近的光才产生光伏效有结型光伏探测器，只有到达结区附近的光才产生光伏效有结型光伏探测器，只有到达结区附近的光才产生光伏效有结型光伏探测器，只有到达结区附近的光才产生光伏效应。应。应。应。(2)(2)(2)(2)光电导探测器没有光电导探测器没有光电导探测器没有光电导探测器没有极性极性极性极性，工作时必须外加偏压；而光伏，工作时必须外加偏压；而光伏，工作时必须外加偏压；而光伏，工作时必须外加偏压；而光伏探测器有确定的正负极，可以不加偏压工作。探测器有确定的正负极，可以不加偏压工作。探测器有确定的正负极，可以不加偏压工作。探测器有确定的正负极，可以不加偏压工作。(3)(3)(3)(3)光电导
5、探测器的光电效应主要依赖于非平衡载流子中的光电导探测器的光电效应主要依赖于非平衡载流子中的光电导探测器的光电效应主要依赖于非平衡载流子中的光电导探测器的光电效应主要依赖于非平衡载流子中的多子多子多子多子产生与复合运动，驰豫时间较大，产生与复合运动，驰豫时间较大，产生与复合运动，驰豫时间较大，产生与复合运动，驰豫时间较大，响应速度响应速度响应速度响应速度慢，频率慢，频率慢，频率慢，频率响应性能较差；而有结型光伏探测器的光伏效应主要依赖响应性能较差；而有结型光伏探测器的光伏效应主要依赖响应性能较差；而有结型光伏探测器的光伏效应主要依赖响应性能较差；而有结型光伏探测器的光伏效应主要依赖于结区非平衡载
6、流子中的于结区非平衡载流子中的于结区非平衡载流子中的于结区非平衡载流子中的少子少子少子少子漂移运动，弛豫时间较小，漂移运动，弛豫时间较小，漂移运动，弛豫时间较小，漂移运动，弛豫时间较小，响应速度快，频率响应特性好。响应速度快，频率响应特性好。响应速度快，频率响应特性好。响应速度快，频率响应特性好。(4)(4)(4)(4)雪崩二极管和光电三极管还有很大的内增益作用，不仅雪崩二极管和光电三极管还有很大的内增益作用，不仅雪崩二极管和光电三极管还有很大的内增益作用，不仅雪崩二极管和光电三极管还有很大的内增益作用，不仅灵敏度高，还可以通过较大的电流。灵敏度高，还可以通过较大的电流。灵敏度高，还可以通过较
7、大的电流。灵敏度高，还可以通过较大的电流。 苛势州测妈憋浪在颅蒙葛绊狙版用蝇冉滑摘覆慎怀椭炊争傀她握斤鄙染些第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20243 3光生伏特效应光生伏特效应光生伏特效应光生伏特效应是光照使是光照使是光照使是光照使不均匀不均匀不均匀不均匀半导体半导体半导体半导体或均匀或均匀或均匀或均匀半导体半导体半导体半导体中光生电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象。中光生电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象。中光生电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象。中光生电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象。对于对于对于对于不均匀半导体不均匀半导体不均匀半导体不均匀
8、半导体，由于，由于，由于，由于同质同质同质同质的半导体不同的掺杂的半导体不同的掺杂的半导体不同的掺杂的半导体不同的掺杂形成的形成的形成的形成的pnpn结结结结、不同质不同质不同质不同质的半导体组成的的半导体组成的的半导体组成的的半导体组成的异质结异质结异质结异质结或金属或金属或金属或金属与半导体接触形成的与半导体接触形成的与半导体接触形成的与半导体接触形成的肖特基势垒肖特基势垒肖特基势垒肖特基势垒都存在都存在都存在都存在内建电场。内建电场。内建电场。内建电场。当光照这种半导体时，由于半导体对光的吸收而产当光照这种半导体时，由于半导体对光的吸收而产当光照这种半导体时，由于半导体对光的吸收而产当光
9、照这种半导体时，由于半导体对光的吸收而产生了光生电子和空穴，它们在内建电场的作用下就生了光生电子和空穴，它们在内建电场的作用下就生了光生电子和空穴，它们在内建电场的作用下就生了光生电子和空穴，它们在内建电场的作用下就会向相反的方向移动和积聚而产生电位差，这种现会向相反的方向移动和积聚而产生电位差，这种现会向相反的方向移动和积聚而产生电位差，这种现会向相反的方向移动和积聚而产生电位差，这种现象是最重要的一类光生伏特效应。象是最重要的一类光生伏特效应。象是最重要的一类光生伏特效应。象是最重要的一类光生伏特效应。5-1 5-1 光生伏特效应光生伏特效应P PN N阻挡层阻挡层阻挡层阻挡层E E内内内
10、内椎蔑氖厄铜芭振储酥眠胸迎然豢一刮蚊店谐虾咱趟改晰纶某城优玖阜讹咨第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20244 4对于对于对于对于均匀半导体均匀半导体均匀半导体均匀半导体，由于体内没有内建电场，当光照这，由于体内没有内建电场，当光照这，由于体内没有内建电场，当光照这，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流子的扩散运动。但电子和空穴的迁移率不而引起载流子的扩散运动。但电子和空穴的迁移率不
11、而引起载流子的扩散运动。但电子和空穴的迁移率不而引起载流子的扩散运动。但电子和空穴的迁移率不等，由于两种载流子扩散速度的不同而导致两种电荷等，由于两种载流子扩散速度的不同而导致两种电荷等，由于两种载流子扩散速度的不同而导致两种电荷等，由于两种载流子扩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恨撩鄂肾擂胜槐塞传甲晕吻鸳会扼眺笼禾境瘴楔扑籽炙籽浓互逢预俩鳃斡第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20245 5如果存在如果存在如果存在如果存在外加磁场外加磁场外加磁场外加磁场，也可使得扩
12、散中的两种载流子，也可使得扩散中的两种载流子，也可使得扩散中的两种载流子，也可使得扩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通常把丹倍效应和光磁电效应称为通常把丹倍效应和光磁电效应称为通常把丹倍效应和光磁电效应称为体积光生伏特效体积光生伏特效体积光生伏特效体积光生伏特效应应应应。BBB真羌辕泅凤勿越滥达粟桔赡咸瓶惋因剑母者硼哲铀宦淤颧祖寒缚吹乃呛读第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/2
13、0248/31/20246 6一、由势垒效应产生的光生伏特效应一、由势垒效应产生的光生伏特效应电位差的产生电位差的产生电位差的产生电位差的产生机理机理机理机理是利用势垒形成的内建电场将光生电是利用势垒形成的内建电场将光生电是利用势垒形成的内建电场将光生电是利用势垒形成的内建电场将光生电子和光生空穴分开。子和光生空穴分开。子和光生空穴分开。子和光生空穴分开。当光未照射时，当光未照射时，当光未照射时，当光未照射时，p p区和区和区和区和n n区的多数载流子就会向对方扩散，区的多数载流子就会向对方扩散，区的多数载流子就会向对方扩散，区的多数载流子就会向对方扩散，这样在两种材料的接界处形成由这样在两种
14、材料的接界处形成由这样在两种材料的接界处形成由这样在两种材料的接界处形成由n n区指向区指向区指向区指向p p区的内建电场。区的内建电场。区的内建电场。区的内建电场。该电场阻止两边载流子的扩散，在界面处形成一个稳定该电场阻止两边载流子的扩散，在界面处形成一个稳定该电场阻止两边载流子的扩散，在界面处形成一个稳定该电场阻止两边载流子的扩散，在界面处形成一个稳定的内建电场的内建电场的内建电场的内建电场E E内内内内。从能量角度看，在热平衡时，内建电场从能量角度看，在热平衡时，内建电场从能量角度看，在热平衡时，内建电场从能量角度看，在热平衡时，内建电场E E内内内内引起的电子引起的电子引起的电子引起的
15、电子和空穴的漂移电流和扩散电流相平衡，在和空穴的漂移电流和扩散电流相平衡，在和空穴的漂移电流和扩散电流相平衡，在和空穴的漂移电流和扩散电流相平衡，在pnpn结区形成了结区形成了结区形成了结区形成了一个势垒。一个势垒。一个势垒。一个势垒。P PN N阻挡层阻挡层阻挡层阻挡层E E内内内内电势能电势能电势能电势能对空穴对空穴对空穴对空穴对电子对电子对电子对电子x x无光照，多数载流子无光照，多数载流子无光照，多数载流子无光照，多数载流子扩散扩散扩散扩散内建电场内建电场内建电场内建电场热平衡时，扩散电流和漂移电流平衡热平衡时，扩散电流和漂移电流平衡热平衡时，扩散电流和漂移电流平衡热平衡时，扩散电流和
16、漂移电流平衡佑芍涂废系尾尤愿爬痈膝苛骆镣衷穿裙漆筒脯愧莉抒镍咙添宙署祷逮渝姆第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20247 7在恒定光照下，只要入射光子的能量比半导体禁带宽度大在恒定光照下，只要入射光子的能量比半导体禁带宽度大在恒定光照下，只要入射光子的能量比半导体禁带宽度大在恒定光照下，只要入射光子的能量比半导体禁带宽度大( (hvhv E Eg g) )，在结区、，在结区、，在结区、，在结区、p p区和区和区和区和n n区都会引起本征激发而产生电子区都会引起本征激发而产生电子区都会引起本征激发而产生电子区都会引起本征激发而产生电子空穴对。光生载流子会扩散，在每个区域
17、，非平衡的光空穴对。光生载流子会扩散，在每个区域，非平衡的光空穴对。光生载流子会扩散，在每个区域，非平衡的光空穴对。光生载流子会扩散，在每个区域，非平衡的光生少数载流子起主要作用，生少数载流子起主要作用，生少数载流子起主要作用，生少数载流子起主要作用，p p区的少数载流子是电子，只要在区的少数载流子是电子，只要在区的少数载流子是电子，只要在区的少数载流子是电子，只要在此区域所产生的光生电子离结区的距离此区域所产生的光生电子离结区的距离此区域所产生的光生电子离结区的距离此区域所产生的光生电子离结区的距离x x小于电子的扩散长度小于电子的扩散长度小于电子的扩散长度小于电子的扩散长度L Ln n(
18、(光生电子从产生到与空穴复合的时间内移动的平均距离光生电子从产生到与空穴复合的时间内移动的平均距离光生电子从产生到与空穴复合的时间内移动的平均距离光生电子从产生到与空穴复合的时间内移动的平均距离) )，便可靠扩散从，便可靠扩散从，便可靠扩散从，便可靠扩散从p p区进入结区而被内建电场区进入结区而被内建电场区进入结区而被内建电场区进入结区而被内建电场E E内内内内加速趋向加速趋向加速趋向加速趋向n n区；区；区；区；光照时，光生载流子（光照时，光生载流子（光照时，光生载流子（光照时，光生载流子（少数载流子少数载流子少数载流子少数载流子）在内建电场作）在内建电场作）在内建电场作）在内建电场作用下扩
19、散，降低势垒，削弱内建电场用下扩散，降低势垒，削弱内建电场用下扩散，降低势垒，削弱内建电场用下扩散，降低势垒，削弱内建电场光生电动势光生电动势光生电动势光生电动势P PN N阻挡层阻挡层阻挡层阻挡层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，空穴是少数载流子，只要光生空数载流子，只要光生空数载流子，只要光生空数载流子，只要光生空穴离结区距离穴离结区距离穴离结区距离穴离结区距离x x小于空穴小于空穴小于空穴小于空穴的扩散长度的扩散长度的扩散长度的扩散长度L Lp p，便可靠，便可靠，便可靠，便可靠扩散进入结区，被内建扩散进入
20、结区，被内建扩散进入结区，被内建扩散进入结区，被内建电场加速趋向电场加速趋向电场加速趋向电场加速趋向p p区；在结区；在结区；在结区；在结区产生的电子空穴对，区产生的电子空穴对，区产生的电子空穴对，区产生的电子空穴对，被内建电场加速分离到被内建电场加速分离到被内建电场加速分离到被内建电场加速分离到两边。两边。两边。两边。尺栖业牧寸谚捎绥剐炳呀掉卿扑扯光冒锡刁驳侣舜增纲锹闻艘侩裴杯圣呼第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20248 8在三个区域的光生载流子，靠扩散和内建电场实现了正负在三个区域的光生载流子，靠扩散和内建电场实现了正负在三个区域的光生载流子，靠扩散和内建电场
21、实现了正负在三个区域的光生载流子，靠扩散和内建电场实现了正负电荷的分离，使电荷累积到结两边电荷的分离，使电荷累积到结两边电荷的分离，使电荷累积到结两边电荷的分离，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，从而削弱了内建电场，降低了势垒高度。从而削弱了内建电场，降低了势垒高度。从而削弱了内建电场，降低了势垒高度。从而削弱了内建电场，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
22、就是光生电动势。如果将这样的如果将这样的如果将这样的如果将这样的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。光照时，光生载流子（光照时，光生载流子（光照时，光生载流子（光照时，光生载流子（少数载流子少数载流子少数载流子少数载流子）在内建电场作）在内建电场作）在内建电场作）在内建电场作用下扩散，降低势垒，削弱内建电场用下扩散，降低势垒，削弱内建电场用下扩散，降低势垒，削弱内建电场用下扩散，降低势
23、垒，削弱内建电场光生电动势光生电动势光生电动势光生电动势P PN N阻挡层阻挡层阻挡层阻挡层E E内内内内入射光入射光入射光入射光拄捏媳潦拣殊捅成躯提药炔胁典锭亨略们瑶惺梢氯靡区掸役莆抿焕糙便欢第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20249 9如果在外部把如果在外部把如果在外部把如果在外部把p p区和区和区和区和n n区短接，则由结区势垒分开的光生区短接，则由结区势垒分开的光生区短接，则由结区势垒分开的光生区短接，则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载流子就会全部流经外电路，于是在电路中就产生了载流子就会全部流经外电路，于是在电路中就产生
24、了载流子就会全部流经外电路，于是在电路中就产生了光光光光电流，电流，电流，电流，称为短路电流。称为短路电流。称为短路电流。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pnpn结的基本特性求得。结的基本特性求得。结的基本特性求得。结的基本特性求得。R0V0处的动态电阻处的动态电阻光生电流：光生电流：光生电动势：光生电动势：电压响应率：电压响应率：漠煌毋嚷另畔萨总您义吗作吸绿续湃踌碎慑阳颓拄尊汾棠儒酚吝稻屉寒判第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20241010二、由载流子浓度梯度引起的光生伏特效应二、由载流
25、子浓度梯度引起的光生伏特效应二、由载流子浓度梯度引起的光生伏特效应二、由载流子浓度梯度引起的光生伏特效应当用当用当用当用hh足够大的光照射一均匀半导体的表面时，由于半导体对光的吸足够大的光照射一均匀半导体的表面时，由于半导体对光的吸足够大的光照射一均匀半导体的表面时，由于半导体对光的吸足够大的光照射一均匀半导体的表面时，由于半导体对光的吸收，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。收，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。收，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。收，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。这样就造成从半导体近表面指向
26、体内的载流子浓度梯度。在浓度梯度这样就造成从半导体近表面指向体内的载流子浓度梯度。在浓度梯度这样就造成从半导体近表面指向体内的载流子浓度梯度。在浓度梯度这样就造成从半导体近表面指向体内的载流子浓度梯度。在浓度梯度推动下，两种载流于都沿光照的方向向半导体内部扩散。按扩散定律，推动下，两种载流于都沿光照的方向向半导体内部扩散。按扩散定律，推动下，两种载流于都沿光照的方向向半导体内部扩散。按扩散定律，推动下，两种载流于都沿光照的方向向半导体内部扩散。按扩散定律，电子和空穴形成的扩散电流密度分别为电子和空穴形成的扩散电流密度分别为电子和空穴形成的扩散电流密度分别为电子和空穴形成的扩散电流密度分别为总的
27、扩散电流密度为总的扩散电流密度为总的扩散电流密度为总的扩散电流密度为hVh邯理勾彪待爪荧煮叙嗡碱褂荆瓤哎韶宜弱妹肯筋却泼危筋着咯肥因链卿桅第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20241111 D Dn n、D Dp p分别表示电子和空穴扩散系数。由于电子和空穴带电的符号分别表示电子和空穴扩散系数。由于电子和空穴带电的符号分别表示电子和空穴扩散系数。由于电子和空穴带电的符号分别表示电子和空穴扩散系数。由于电子和空穴带电的符号相反，如果相反，如果相反，如果相反，如果D Dn nD Dp p则二者的扩散电流完全抵消。则二者的扩散电流完全抵消。则二者的扩散电流完全抵消。则二者的
28、扩散电流完全抵消。 事实上一般事实上一般事实上一般事实上一般D Dn nDDp p，即电子扩散得比空穴快，并且扩散到较深的半，即电子扩散得比空穴快，并且扩散到较深的半，即电子扩散得比空穴快，并且扩散到较深的半，即电子扩散得比空穴快，并且扩散到较深的半导体内部。导体内部。导体内部。导体内部。 总的扩散电流将沿光照的负方向，引起电荷局部累积而打破电中性总的扩散电流将沿光照的负方向，引起电荷局部累积而打破电中性总的扩散电流将沿光照的负方向，引起电荷局部累积而打破电中性总的扩散电流将沿光照的负方向，引起电荷局部累积而打破电中性状态，从而使半导体光照表面带正电而内部带负电，形成了沿状态，从而使半导体光照
29、表面带正电而内部带负电，形成了沿状态，从而使半导体光照表面带正电而内部带负电，形成了沿状态，从而使半导体光照表面带正电而内部带负电，形成了沿x x方向的方向的方向的方向的光生电动势。光生电动势。光生电动势。光生电动势。hVh犁济几缨卓维撒躺楚廖扫姓憋兆甩峦评脚愉窗崖冤纫肪悠噎妈岳砧酵季岿第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20241212如果将均匀半导体放在与光辐照方向相垂直的磁场中，将有如果将均匀半导体放在与光辐照方向相垂直的磁场中，将有如果将均匀半导体放在与光辐照方向相垂直的磁场中，将有如果将均匀半导体放在与光辐照方向相垂直的磁场中，将有洛仑兹力作用于扩散的电子和空
30、穴，使它们向垂直于扩散方洛仑兹力作用于扩散的电子和空穴，使它们向垂直于扩散方洛仑兹力作用于扩散的电子和空穴，使它们向垂直于扩散方洛仑兹力作用于扩散的电子和空穴，使它们向垂直于扩散方向的不同方向偏转，从而在半导体的两侧端面间产生电位差，向的不同方向偏转，从而在半导体的两侧端面间产生电位差，向的不同方向偏转，从而在半导体的两侧端面间产生电位差，向的不同方向偏转，从而在半导体的两侧端面间产生电位差，这种效应称为这种效应称为这种效应称为这种效应称为光磁电效应光磁电效应光磁电效应光磁电效应。产生该产生该产生该产生该机理机理机理机理：光在样品中产生了非平衡载流子浓度，浓度梯：光在样品中产生了非平衡载流子浓
31、度，浓度梯：光在样品中产生了非平衡载流子浓度，浓度梯：光在样品中产生了非平衡载流子浓度，浓度梯度使载流子出现了沿度使载流子出现了沿度使载流子出现了沿度使载流子出现了沿x x方向的定向扩散速度，磁场作用在载方向的定向扩散速度，磁场作用在载方向的定向扩散速度，磁场作用在载方向的定向扩散速度，磁场作用在载流子上的洛仑兹力，使正负载流子分离，在两个端面的电荷流子上的洛仑兹力，使正负载流子分离，在两个端面的电荷流子上的洛仑兹力，使正负载流子分离，在两个端面的电荷流子上的洛仑兹力，使正负载流子分离，在两个端面的电荷积累形成电位差积累形成电位差积累形成电位差积累形成电位差。B九肥莽郎潞聪袱住贺撞驳戈罕壁瞻咱
32、闭野房藕勒宅邹诡由筑椭碍非房彪慕第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20241313光磁电效应与霍尔效应类似，但它与具有两种光磁电效应与霍尔效应类似，但它与具有两种载流子的半导体中的霍尔效应有所不同。载流子的半导体中的霍尔效应有所不同。在霍尔效应中，载流子的定向运动是外加电场在霍尔效应中，载流子的定向运动是外加电场引起的。两种载流子的运动方向相反，二者形引起的。两种载流子的运动方向相反，二者形成的电流方向相同。垂直的磁场使两种载流子成的电流方向相同。垂直的磁场使两种载流子向同一方向偏转。向同一方向偏转。而在光磁电效应中，定向运动是扩散引起的。而在光磁电效应中，定向运动是
33、扩散引起的。两种载流子扩散方向相同，二者形成的电流方两种载流子扩散方向相同，二者形成的电流方向相反。在垂直磁场作用下，向相反方向偏转。向相反。在垂直磁场作用下，向相反方向偏转。驱覆肃秦逗笨炔碳谴签杠逮槽葱詹亏狗盐记固潞禄涟邯乳邦闯柄叶郸篇墅第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20241414三、三、pn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，没有光照时，没有光照时，p pn n结上的电压结上的电压结上的电压结上的电压V V和通过的电流的关系为：和通过的电流的关系为：和通过的电流的关系为：和通过的电流的关系为：p pn n结反向饱和电流结反向饱和电流结反向
34、饱和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 pn 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，则流经上述两部分电流反向，则流经上述两部分电流反向，则流经上述两部分电流反向，则流经p pn 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：鞠赁奉续蹭闲憨凶盏滔个油其珠兜观草挝贺搔龋闸舷要荣款病乘塞程谣物第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20241515光照越强，光电流越大，曲线愈往下移。光照越强，光电流越大，曲线愈往下移。光照越强，光电流越大，曲线愈往下移。光
35、照越强，光电流越大，曲线愈往下移。第一象限为第一象限为第一象限为第一象限为pnpn结加正偏压状态，此时结加正偏压状态，此时结加正偏压状态，此时结加正偏压状态，此时pnpn结暗电流结暗电流结暗电流结暗电流I ID D远大于光远大于光远大于光远大于光生电流，作为光电探测器工作在这个区域是生电流，作为光电探测器工作在这个区域是生电流，作为光电探测器工作在这个区域是生电流，作为光电探测器工作在这个区域是没有意义没有意义没有意义没有意义的。的。的。的。第三象限里，第三象限里，第三象限里，第三象限里，pnpn结处于反偏压状态，这时暗电流结处于反偏压状态，这时暗电流结处于反偏压状态，这时暗电流结处于反偏压状
36、态，这时暗电流I ID DI ISOSO( (反向反向反向反向饱和电流饱和电流饱和电流饱和电流) )，数值很小，远小于光生电流，故光伏探测器输出回，数值很小，远小于光生电流，故光伏探测器输出回，数值很小，远小于光生电流，故光伏探测器输出回，数值很小，远小于光生电流，故光伏探测器输出回路中的总电流路中的总电流路中的总电流路中的总电流I II IS SI ISOSOI IS S，称工作于这个区域的光伏探测器，称工作于这个区域的光伏探测器，称工作于这个区域的光伏探测器，称工作于这个区域的光伏探测器为为为为光导工作模式光导工作模式光导工作模式光导工作模式。V VO OI IP P0 0P P1 1P
37、P2 2P 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I IS0S0光伏探测器的伏安特性光伏探测器的伏安特性光伏探测器的伏安特性光伏探测器的伏安特性P P1 1 P P2 2I IDD在第四象限中，流过探测在第四象限中，流过探测在第四象限中，流过探测在第四象限中，流过探测器的电流仍为反向光电流，器的电流仍为反向光电流，器的电流仍为反向光电流，器的电流仍为反向光电流，但随着光功率不同，探测但随着光功率不同，探测但随着光功率不同，探测但随着光功率不同，探测器的输出电流与电压出现器的输出电流与电压出现器的输出电流与电压出现器的输出电流与电压出现明显的非线性，这时光伏明显的非线性，这时光伏明显
38、的非线性，这时光伏明显的非线性，这时光伏探测器的输出电压就是外探测器的输出电压就是外探测器的输出电压就是外探测器的输出电压就是外电路负载电阻电路负载电阻电路负载电阻电路负载电阻R RL L上的电压。上的电压。上的电压。上的电压。这种工作模式为这种工作模式为这种工作模式为这种工作模式为光伏工作光伏工作光伏工作光伏工作模式模式模式模式。茂论娇剂沁映烛甩殷对亚匹平踊帽刚躬跑倍位互蛊呆面护赛拥哀绕玻沥仪第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20241616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：开路电压：开路电压：开路电压：开路电压： (
39、( ( (即负载电阻即负载电阻即负载电阻即负载电阻R RL L，I I0 0，与外光强成正指与外光强成正指与外光强成正指与外光强成正指数关系，趋于数关系，趋于数关系，趋于数关系，趋于PNPN结势垒高度结势垒高度结势垒高度结势垒高度) ) ) )短路电流：短路电流：短路电流：短路电流： ( (R RL L00，V V0 0，I ID D0 0，与外光强成正比例关与外光强成正比例关与外光强成正比例关与外光强成正比例关系系系系) )光强度光强度光强度光强度V Vococ( (V Vococ) )maxmaxI Iscsc I Iscsc线性增加；线性增加；线性增加；线性增加；V Vococ对数规律增
40、加，并不随光强对数规律增加，并不随光强对数规律增加，并不随光强对数规律增加，并不随光强无限增大，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结势垒结势垒结势垒结势垒消失时，即得到最大光生电压。消失时，即得到最大光生电压。消失时，即得到最大光生电压。消失时，即得到最大光生电压。因此，因此，因此，因此， （V Vococ）maxmax应等于应等于应等于应等于pnpn结结结结势垒高度势垒高度势垒高度势垒高度V VD D，并与材料掺杂程度，并与材料掺杂程度，并与材料掺杂程度，并与材料掺杂程度有关，实际上与带隙有关，实际上与带隙有关，实际上与带隙有关，实际上与带隙E E
41、g g相当。相当。相当。相当。喻脯峨寺战霞祁搽离嚣拄淋佩烯查瓶闯柬烬伯氦才诽淄畏憋尿逮秘巧字化第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20241717四、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可以视为一个普通光伏探测器可以视为一个普通光伏探测器可以视为一个普通光伏探测器可以视为一个普通二极管二极管二极管二极管( ( ( (包括暗电流包括暗电流包括暗电流包括暗电流I ID D、结电、结电、结电、结电阻阻阻阻R Rd d，结电容，结电容，结电容，结电容C Cd d) ) ) )及一个及一个及一个及一个恒流源恒流源恒流源恒流源( ( ( (光电流光电流光电流光电流
42、) ) ) )I Ip p的并联。的并联。的并联。的并联。其中暗电流其中暗电流其中暗电流其中暗电流I ID D通常作为噪声源来处理。通常作为噪声源来处理。通常作为噪声源来处理。通常作为噪声源来处理。I Ip pI IDDR Rd dC Cd d前前前前置置置置放放放放大大大大器器器器R RL LV Vs s光伏探测器等效电路光伏探测器等效电路光伏探测器等效电路光伏探测器等效电路不同器件的不同器件的不同器件的不同器件的R Rd d值相差很值相差很值相差很值相差很大，例如硅光电二极管大，例如硅光电二极管大，例如硅光电二极管大，例如硅光电二极管的的的的R Rd d可达可达可达可达10106 6，而光
43、，而光，而光，而光伏碲镉汞探测器的伏碲镉汞探测器的伏碲镉汞探测器的伏碲镉汞探测器的R Rd d仅仅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的数的数的数量级。根据不同光伏探量级。根据不同光伏探量级。根据不同光伏探量级。根据不同光伏探测器测器测器测器R Rd d的取值，需要设的取值，需要设的取值，需要设的取值，需要设计相应的低噪声前置放计相应的低噪声前置放计相应的低噪声前置放计相应的低噪声前置放大器。大器。大器。大器。吞访墓寥梯锁啸璃图斤湾蟹部借儡颠析射慧淄腺大凡妒笛算菏愧戍徊蔗癌第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20241818等效电路：等效电路：等效电
44、路：等效电路：光伏工作模式，相当于一个恒压源（光伏工作模式，相当于一个恒压源（光伏工作模式，相当于一个恒压源（光伏工作模式，相当于一个恒压源（R Rd dR RL L）I Is sI ID DR RL L光伏工作模式光伏工作模式光伏工作模式光伏工作模式I Is sI ID DR RL LV VA A光导工作模式光导工作模式光导工作模式光导工作模式模饿厘汐碱杯萨掺遏若帐烤蜜擦届篇牵警肮比妥朗炕梨忧饱箔鼎神狸噬闲第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20241919 一、响应率一、响应率光伏探测器开路时响应率表达式为：光伏探测器开路时响应率表达式为：光伏探测器开路时响应率表达
45、式为：光伏探测器开路时响应率表达式为：在弱光照射情况下，上式可近似为：在弱光照射情况下，上式可近似为：在弱光照射情况下，上式可近似为：在弱光照射情况下，上式可近似为： 将光电流公式代入得：将光电流公式代入得：将光电流公式代入得：将光电流公式代入得： 其中，反向饱和电流为：其中，反向饱和电流为：其中，反向饱和电流为：其中，反向饱和电流为：由此可知，光伏探测器的响应率与器件的由此可知，光伏探测器的响应率与器件的由此可知，光伏探测器的响应率与器件的由此可知，光伏探测器的响应率与器件的工作温度工作温度工作温度工作温度T T及少数及少数及少数及少数载流子载流子载流子载流子浓度浓度浓度浓度和和和和扩散扩散
46、扩散扩散有关，而与器件的外偏压无关，这与光电有关，而与器件的外偏压无关，这与光电有关，而与器件的外偏压无关，这与光电有关，而与器件的外偏压无关，这与光电导探测器是不相同的。导探测器是不相同的。导探测器是不相同的。导探测器是不相同的。52 52 光伏探测器的性能参数光伏探测器的性能参数弄砧殉眼彭诸卸哎蒲牌谅厨益秩次脾挚碰墒谬蛰旭汹啮坷弄渐毡埃元谷魔第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20242020二、噪声特性二、噪声特性光伏探测器的噪声主要包括器件中光生电流的散粒噪声和光伏探测器的噪声主要包括器件中光生电流的散粒噪声和光伏探测器的噪声主要包括器件中光生电流的散粒噪声和光
47、伏探测器的噪声主要包括器件中光生电流的散粒噪声和器件的热噪声，其均方噪声电流为器件的热噪声，其均方噪声电流为器件的热噪声，其均方噪声电流为器件的热噪声，其均方噪声电流为R Rd d为器件电阻，因反偏工作时为器件电阻，因反偏工作时为器件电阻，因反偏工作时为器件电阻，因反偏工作时R Rd d相当大，热噪声可忽略不相当大，热噪声可忽略不相当大，热噪声可忽略不相当大，热噪声可忽略不计，故光电流和暗电流引起的散粒噪声是主要的，则有计，故光电流和暗电流引起的散粒噪声是主要的，则有计，故光电流和暗电流引起的散粒噪声是主要的，则有计，故光电流和暗电流引起的散粒噪声是主要的，则有猖谬薄吗溶炬贿獭韩郎旗厦软搐歌啊
48、砷饭惶撬末冻功烈灼稼递压斧痉尤神第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20242121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（V VA A0 0）时，流过）时，流过）时，流过）时，流过p-np-n结的电流除光电流结的电流除光电流结的电流除光电流结的电流除光电流I Is s外，还包含正向和反向的暗电流外，还包含正向和反向的暗电流外，还包含正向和反向的暗电流外，还包含正向和反向的暗电流I ID-D-与与与与I ID+D+，它们对总电流，它们对总电流，它们对总电流，它们对总电流的贡献为零，而对噪声的贡献是叠加的，则均方噪声电流的贡献为零，而对噪声的贡献是
49、叠加的，则均方噪声电流的贡献为零，而对噪声的贡献是叠加的，则均方噪声电流的贡献为零，而对噪声的贡献是叠加的，则均方噪声电流应为应为应为应为当器件工作在负偏压时，当器件工作在负偏压时，当器件工作在负偏压时，当器件工作在负偏压时，I ID+D+00，则均方噪声电流为，则均方噪声电流为，则均方噪声电流为，则均方噪声电流为让囱盟添披蕴韶凑咀搽缕引憎北沉譬陆求征币滔潮团熔阻医绢赖铆钦烙坛第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20242222考虑到实际探测器系统中负载电阻考虑到实际探测器系统中负载电阻考虑到实际探测器系统中负载电阻考虑到实际探测器系统中负载电阻R RL L对噪声的贡献
50、，所以对噪声的贡献，所以对噪声的贡献，所以对噪声的贡献，所以噪声等效电路通常应包含散粒噪声和噪声等效电路通常应包含散粒噪声和噪声等效电路通常应包含散粒噪声和噪声等效电路通常应包含散粒噪声和R RL L的热噪声，即的热噪声，即的热噪声，即的热噪声，即相应的噪声电压均方值相应的噪声电压均方值相应的噪声电压均方值相应的噪声电压均方值款卓案仁乓锄尖河既芳鹿梯月宽较窗象霄炕孺飞勿褪屿姚湖缴铜陈赁异搐第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20242323三、比探测率三、比探测率光伏探测器光伏探测器光伏探测器光伏探测器D D* *可表示为可表示为可表示为可表示为光伏探光伏探光伏探光伏探
51、测测测测器以散粒噪声为主器以散粒噪声为主器以散粒噪声为主器以散粒噪声为主零偏压工作时零偏压工作时零偏压工作时零偏压工作时反偏压工作时反偏压工作时反偏压工作时反偏压工作时D D* *与与与与R R0 0关系关系关系关系零偏电阻是光伏探测器的一个重要参数，它直接反映了零偏电阻是光伏探测器的一个重要参数，它直接反映了器件性能的优劣。器件性能的优劣。当光伏探测器受热噪声限制时，提高探测率当光伏探测器受热噪声限制时，提高探测率D*的关键在的关键在于提高于提高结电阻结电阻和和结面积结面积的乘积和降低探测器的的乘积和降低探测器的工作温度工作温度。吕阵渐佰呆魂动锗旬八贫耍程陛剁逊凤贞召糠饼引斩运屡方逼逊述象澳
52、侣第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20242424四、光谱特性四、光谱特性通常用通常用通常用通常用SiSi可做成性能很好的光伏探测器（例如可做成性能很好的光伏探测器（例如可做成性能很好的光伏探测器（例如可做成性能很好的光伏探测器（例如PINPIN光电二极光电二极光电二极光电二极管和雪崩光电二极管）。但其最佳响应波长在管和雪崩光电二极管）。但其最佳响应波长在管和雪崩光电二极管）。但其最佳响应波长在管和雪崩光电二极管）。但其最佳响应波长在0.80.81.01.0mm，对于，对于，对于，对于1.3 m 1.3 m 或或或或1.55 m 1.55 m 红外辐射不能响应。红外
53、辐射不能响应。红外辐射不能响应。红外辐射不能响应。0.4 0.8 1.2 1.60.4 0.8 1.2 1.60.40.40.20.20 0 硅硅硅硅锗锗锗锗 /m/m锗制成的光伏探测器虽能响锗制成的光伏探测器虽能响锗制成的光伏探测器虽能响锗制成的光伏探测器虽能响应到应到应到应到1.7 m1.7 m，但它的暗电流，但它的暗电流，但它的暗电流，但它的暗电流偏高，偏高，偏高，偏高，噪声较大噪声较大噪声较大噪声较大，也不是理，也不是理，也不是理，也不是理想的材料。想的材料。想的材料。想的材料。对于接收波长大于对于接收波长大于对于接收波长大于对于接收波长大于1m 1m 的辐的辐的辐的辐射，需要采用射，
54、需要采用射，需要采用射，需要采用IIIIIIV V和和和和IIIIVIVI族化合物半导体。族化合物半导体。族化合物半导体。族化合物半导体。葫曝契音掖堵冰缘缚瞒我笔揖寞曳图硝匪晚伏暖否阻搬粘屏煮湾垣谭夸臂第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20242525五、频率响应特性五、频率响应特性光伏探测器的频率响应主要由三个因素决定：光伏探测器的频率响应主要由三个因素决定：光伏探测器的频率响应主要由三个因素决定：光伏探测器的频率响应主要由三个因素决定：(1)(1)光生载流子光生载流子光生载流子光生载流子扩散扩散扩散扩散至结区（势垒区）的时间至结区（势垒区）的时间至结区（势垒区）的
55、时间至结区（势垒区）的时间 n n；(2)(2)光生载流子在电场作用下通过结区的光生载流子在电场作用下通过结区的光生载流子在电场作用下通过结区的光生载流子在电场作用下通过结区的漂移漂移漂移漂移时间时间时间时间 d d；(3)(3)由结电容由结电容由结电容由结电容C Cd d与负载电阻与负载电阻与负载电阻与负载电阻R RL L所决定的电路所决定的电路所决定的电路所决定的电路时间常数时间常数时间常数时间常数 c c。于是光伏探测器总的响应时间为于是光伏探测器总的响应时间为于是光伏探测器总的响应时间为于是光伏探测器总的响应时间为埋飘瓮们迪沮讲搂伙皋似谨短期厨穷凑垃跪胀摊柑矛夸赊赵媚榨妮缀泽即第5章光
56、伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20242626(1)(1)扩散时间扩散时间扩散时间扩散时间 n n：光生载流子扩散至结区所需的时间与扩散长：光生载流子扩散至结区所需的时间与扩散长：光生载流子扩散至结区所需的时间与扩散长：光生载流子扩散至结区所需的时间与扩散长度和扩散系数有关。以度和扩散系数有关。以度和扩散系数有关。以度和扩散系数有关。以n n型硅为例，当空穴扩散距离为几微型硅为例，当空穴扩散距离为几微型硅为例，当空穴扩散距离为几微型硅为例，当空穴扩散距离为几微米时，则需扩散时间米时，则需扩散时间米时，则需扩散时间米时，则需扩散时间约约约约1010-9-9s s，对于高速响
57、应器件，这是不，对于高速响应器件，这是不，对于高速响应器件，这是不，对于高速响应器件，这是不能满足要求的。因此，在制造工艺上将器件光敏面作得很能满足要求的。因此，在制造工艺上将器件光敏面作得很能满足要求的。因此，在制造工艺上将器件光敏面作得很能满足要求的。因此，在制造工艺上将器件光敏面作得很薄，以便得到更小的扩散时间。薄，以便得到更小的扩散时间。薄，以便得到更小的扩散时间。薄，以便得到更小的扩散时间。(2)(2)漂移时间漂移时间漂移时间漂移时间 d d：耗尽层中载流子的漂移速度与耗尽层宽度及：耗尽层中载流子的漂移速度与耗尽层宽度及：耗尽层中载流子的漂移速度与耗尽层宽度及：耗尽层中载流子的漂移速
58、度与耗尽层宽度及其间电场有关。例如，对硅光电二极管，当耗尽层宽度为其间电场有关。例如，对硅光电二极管，当耗尽层宽度为其间电场有关。例如，对硅光电二极管，当耗尽层宽度为其间电场有关。例如，对硅光电二极管，当耗尽层宽度为几微米，电场为几几微米，电场为几几微米，电场为几几微米，电场为几kVkVmm，载流子漂移时间约为，载流子漂移时间约为，载流子漂移时间约为，载流子漂移时间约为1010-11-11s s，比，比，比，比扩散时间短近两个数量级。因此，在一般的光伏探测器中扩散时间短近两个数量级。因此，在一般的光伏探测器中扩散时间短近两个数量级。因此，在一般的光伏探测器中扩散时间短近两个数量级。因此，在一般
59、的光伏探测器中 d d不是限制器件频率响应特性的主要因素。不是限制器件频率响应特性的主要因素。不是限制器件频率响应特性的主要因素。不是限制器件频率响应特性的主要因素。釉秒侠腥隅找夫溃筹质抓芥攘荣愚棚瑶弃蓉站岩舒寥逸耕辅则葛歌飞偷欧第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20242727(3)(3) 电路时间常数电路时间常数电路时间常数电路时间常数 c c：由于反偏光电二极管：由于反偏光电二极管：由于反偏光电二极管：由于反偏光电二极管R Rd d很大，在并联回很大，在并联回很大，在并联回很大，在并联回路中可略去。则光伏探测器的电路时间常数路中可略去。则光伏探测器的电路时间常数
60、路中可略去。则光伏探测器的电路时间常数路中可略去。则光伏探测器的电路时间常数 c c= =R RL LC Cd d。 若设若设若设若设C Cd d=30pF=30pF，R RL L=50=50，则电路时间常数，则电路时间常数，则电路时间常数，则电路时间常数 c c=1.5=1.51010-9-9s s，由，由，由，由此可知，由此可知，由此可知，由此可知，由结电容结电容结电容结电容引起的电路时间常数与光电二极管扩散时引起的电路时间常数与光电二极管扩散时引起的电路时间常数与光电二极管扩散时引起的电路时间常数与光电二极管扩散时间同数量级，是决定光电二极管频率响应特性的重要参数。间同数量级，是决定光电
61、二极管频率响应特性的重要参数。间同数量级，是决定光电二极管频率响应特性的重要参数。间同数量级，是决定光电二极管频率响应特性的重要参数。减小结电容减小结电容减小结电容减小结电容C Cd d是改善光伏探测器频响特性的重要措施。是改善光伏探测器频响特性的重要措施。是改善光伏探测器频响特性的重要措施。是改善光伏探测器频响特性的重要措施。减小减小减小减小R RL L也可减小也可减小也可减小也可减小 c c，但输出电压会降低，不实用。，但输出电压会降低，不实用。，但输出电压会降低，不实用。，但输出电压会降低，不实用。普通的硅光电二极管可以工作于几百兆赫，若要得到响应更普通的硅光电二极管可以工作于几百兆赫，
62、若要得到响应更普通的硅光电二极管可以工作于几百兆赫，若要得到响应更普通的硅光电二极管可以工作于几百兆赫，若要得到响应更快的器件，必须进一步减小快的器件，必须进一步减小快的器件，必须进一步减小快的器件，必须进一步减小 c c和和和和 n n，才能达到上千兆赫的响，才能达到上千兆赫的响，才能达到上千兆赫的响，才能达到上千兆赫的响应频率。应频率。应频率。应频率。脯舜纪老赞忍控汲铭亏撂渣武万老勤着啪娃界沏饭鸿鳞曼臻眼襄枫磷驮城第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20242828六、温度特性六、温度特性光伏探测器和其他半导体器件一样，其光电流及噪声与器光伏探测器和其他半导体器件一
63、样，其光电流及噪声与器光伏探测器和其他半导体器件一样，其光电流及噪声与器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工作温度有密切关系。件工作温度有密切关系。件工作温度有密切关系。件工作温度有密切关系。 25 50 75 100 25 50 75 1001010-2-2I ID D / /AAT T / / 1010-1-11 11010光伏探测器在反偏光伏探测器在反偏光伏探测器在反偏光伏探测器在反偏( (V V15V)15V)时暗电流与时暗电流与时暗电流与时暗电流与温度的关系曲线温度的关系曲线温度的关系曲线温度的关系曲线-40 -20 0 20 40 60-40 -20 0 20 4
64、0 601010I ID D / /AAT T / / 20203030在电压恒定和光照恒定条件下光电流随在电压恒定和光照恒定条件下光电流随在电压恒定和光照恒定条件下光电流随在电压恒定和光照恒定条件下光电流随器件工作温度的变化曲线器件工作温度的变化曲线器件工作温度的变化曲线器件工作温度的变化曲线胡蚁双垃罢蚂欧捶攻标账述苛再排鸵佃球廷负匀酬黔砷赃硬垮挫畸戳疙禽第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20242929为了提高光伏探测器的工作性能，人们做了大量的为了提高光伏探测器的工作性能，人们做了大量的为了提高光伏探测器的工作性能，人们做了大量的为了提高光伏探测器的工作性能，人
65、们做了大量的研究工作，出现了许多性能优良的新品种。研究工作，出现了许多性能优良的新品种。研究工作，出现了许多性能优良的新品种。研究工作，出现了许多性能优良的新品种。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光电二极管、光电二极管、光电二极管、光电二极管、雪崩光电二极管、异质结光电二极管、肖特基势垒光电二雪崩光电二极管、异质结光电二极管、肖特基势垒光电二雪崩光电二极管、异质结光电二极管、肖特基势
66、垒光电二雪崩光电二极管、异质结光电二极管、肖特基势垒光电二极管等）极管等）极管等）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等等5 53 3 实用光伏探测器（实用光伏探测器（光电池光电池与光电二极管与光电二极管）励肥粤叮兴搐皿蕴伦展宫辛掇校邀夷煎领核右远肤尖傻曼芳茵谢达桓努佛第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20243030一、光电池一、光电池光电池工作在光电池工作在光电池工作在光电池工作在零偏压零偏压零偏压零偏压状态。由于光电池常
67、常用于把太阳光状态。由于光电池常常用于把太阳光状态。由于光电池常常用于把太阳光状态。由于光电池常常用于把太阳光能直接变成电能，因此又称为能直接变成电能，因此又称为能直接变成电能，因此又称为能直接变成电能，因此又称为太阳能电池太阳能电池太阳能电池太阳能电池。光电池的光电池的光电池的光电池的种类种类种类种类很多，如硒光电池、氧化亚铜光电池、硫化很多，如硒光电池、氧化亚铜光电池、硫化很多，如硒光电池、氧化亚铜光电池、硫化很多，如硒光电池、氧化亚铜光电池、硫化锡光电池、锗光电池、砷化镓光电池、硅光电池等等。锡光电池、锗光电池、砷化镓光电池、硅光电池等等。锡光电池、锗光电池、砷化镓光电池、硅光电池等等。
68、锡光电池、锗光电池、砷化镓光电池、硅光电池等等。目前，应用最广，最受重视的是目前，应用最广，最受重视的是目前，应用最广，最受重视的是目前，应用最广，最受重视的是硅光电池硅光电池硅光电池硅光电池。硅光电池的价。硅光电池的价。硅光电池的价。硅光电池的价格便宜、光电转换效率高、光谱响应宽格便宜、光电转换效率高、光谱响应宽格便宜、光电转换效率高、光谱响应宽格便宜、光电转换效率高、光谱响应宽( ( ( (很适合近红外探很适合近红外探很适合近红外探很适合近红外探测测测测) ) ) )、寿命长、稳定性好、频率特性好、且能耐高能辐射。、寿命长、稳定性好、频率特性好、且能耐高能辐射。、寿命长、稳定性好、频率特性
69、好、且能耐高能辐射。、寿命长、稳定性好、频率特性好、且能耐高能辐射。硅光电池的硅光电池的硅光电池的硅光电池的用途用途用途用途大致可分为两类：大致可分为两类：大致可分为两类：大致可分为两类： 1 1 1 1）当作光电探测器件使用（要线性度好）；）当作光电探测器件使用（要线性度好）；）当作光电探测器件使用（要线性度好）；）当作光电探测器件使用（要线性度好）； 2 2 2 2）用作太阳能电源（要输出功率大）。）用作太阳能电源（要输出功率大）。）用作太阳能电源（要输出功率大）。）用作太阳能电源（要输出功率大）。清涕联发饲尽狰疤必企巫耐辕松遁祖擦假醉狭伪人秒讲蓄国萍病父一篱窑第5章光伏探测器第5章光伏探
70、测器8/31/20248/31/20243131 1 1 1 1光电池的结构光电池的结构光电池的结构光电池的结构 硒光电池硒光电池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，然后蒸发一层镉，加型硒，然后蒸发一层镉，加型硒，然后蒸发一层镉，加型硒，然后蒸发一层镉，加热后生长热后生长热后生长热后生长n n型硒化镉，与原来型硒化镉，与原来型硒化镉，与原来型硒化镉，与原来p p型硒形成一个大面积型硒形成一个大面积型硒形成一个大面积型硒形成一个大面积p-np-n结，最结，最结，最结，最后涂上半透明保护层，焊上
71、电极。后涂上半透明保护层，焊上电极。后涂上半透明保护层，焊上电极。后涂上半透明保护层，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。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型硒型硒菠抢府投丸雷踞绸曝蛾埔冯走丹幸罐叛睁芍箍庶苹追欲痒忌膏杏央窖扳赖第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20243232SiSi光电池光电池光电池光电池的结构的结构的结构的结构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（SiOSiO2 2）p pn nR
72、 RL Lpnpn结结结结由单晶硅组成，在一块由单晶硅组成，在一块n型硅片上扩散型硅片上扩散p型杂质型杂质(如硼如硼)，形成扩散，形成扩散p+n结。结。 p+n型多在地面上作光电探测器应用；型多在地面上作光电探测器应用；在在p型硅片扩散型硅片扩散n型杂质型杂质(如磷如磷)，形成，形成n+p结，再焊上两个电极。结，再焊上两个电极。p端为光电端为光电池正圾，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能力，适合空间应用，型硅光电池具有较强的抗辐射能力，适合空间应用，作为航天器的太阳能电池。作为航天器的太阳能电池。磷仲热冒隙促枝赚行壤坤圭航垮靶铡贾摈焰婆溅犊吠悲轰脉堆膳酱浇辫都第5
73、章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/202433332. 2. 光电池的特性参数光电池的特性参数（1 1 1 1）光照特性）光照特性）光照特性）光照特性 光电池的光照特性主要有伏安特性、入射光强光电池的光照特性主要有伏安特性、入射光强光电池的光照特性主要有伏安特性、入射光强光电池的光照特性主要有伏安特性、入射光强电流电压电流电压电流电压电流电压特性以及入射光功率特性以及入射光功率特性以及入射光功率特性以及入射光功率负载特性。负载特性。负载特性。负载特性。无光照无光照有光照有光照 pn结光电池伏安特性结光电池伏安特性曲线在无光照时与普通半曲线在无光照时与普通半导体二极管相同，
74、有光照导体二极管相同，有光照时沿电流轴向方向平移。时沿电流轴向方向平移。平移幅度与光照度成正比。平移幅度与光照度成正比。曲线与电压轴的交点称曲线与电压轴的交点称为开路电压，与电流轴的为开路电压，与电流轴的交点称为短路电流。交点称为短路电流。砰诧伪庚撅醋主墟邪铬胳榴唐柴逛键评痛伐皋炭裁贫器渍甜眯版酱得绰诬第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20243434I Iscsc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，V Vococ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。在同一片光电池上
75、，当光照在同一片光电池上，当光照在同一片光电池上，当光照在同一片光电池上，当光照强度一定时，强度一定时，强度一定时，强度一定时， I Iscsc与受光面积与受光面积与受光面积与受光面积成正比，成正比，成正比，成正比，V Vococ与受光面积的对与受光面积的对与受光面积的对与受光面积的对数成正比。数成正比。数成正比。数成正比。漠败焚砰衷敷艇煌旬逸巴忙肌隐燥怕鞘仪给湍缠愈江肮赞劈毛去竖急驮椰第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20243535把光电池用作探测器时，需选取合适的负载，以保把光电池用作探测器时，需选取合适的负载，以保把光电池用作探测器时，需选取合适的负载，以保把
76、光电池用作探测器时，需选取合适的负载，以保证用作探测器时，光电流和光强保持线性关系。证用作探测器时，光电流和光强保持线性关系。证用作探测器时，光电流和光强保持线性关系。证用作探测器时，光电流和光强保持线性关系。负负负负载电阻越小，线性度越好，且线性范围越广载电阻越小，线性度越好，且线性范围越广载电阻越小，线性度越好，且线性范围越广载电阻越小，线性度越好，且线性范围越广。随着随着随着随着R RL L变化，输出功率变化，输出功率变化，输出功率变化，输出功率P PL L也变化，当也变化，当也变化，当也变化，当R RL LR RMM时，时，时，时，P PL L为最大值为最大值为最大值为最大值P PMM
77、，即在负载电阻上获得最大功率输出，即在负载电阻上获得最大功率输出，即在负载电阻上获得最大功率输出，即在负载电阻上获得最大功率输出，R RMM称为最佳负载。称为最佳负载。称为最佳负载。称为最佳负载。钻技隔乎啃迁且筒鬃彻贾姨徐凸芍上崇窒唁保枯驱挠廉宫番沦腥诛虑怠侯第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20243636（2 2）光谱特性）光谱特性）光谱特性）光谱特性 硅光电池的光谱响应范围为硅光电池的光谱响应范围为硅光电池的光谱响应范围为硅光电池的光谱响应范围为0.40.41.1m1.1m，峰值波长为，峰值波长为，峰值波长为，峰值波长为0.80.80.9m0.9m。硒光电池的光
78、谱响应范围为硒光电池的光谱响应范围为硒光电池的光谱响应范围为硒光电池的光谱响应范围为0.340.340.75m0.75m，峰值波长为，峰值波长为，峰值波长为，峰值波长为0.54m0.54m左右。左右。左右。左右。光电池光谱范围的长波阈取决于材料的禁带宽度，短波阈受光电池光谱范围的长波阈取决于材料的禁带宽度，短波阈受光电池光谱范围的长波阈取决于材料的禁带宽度，短波阈受光电池光谱范围的长波阈取决于材料的禁带宽度，短波阈受材料表面反射损失的限制。其材料表面反射损失的限制。其材料表面反射损失的限制。其材料表面反射损失的限制。其峰值波长峰值波长峰值波长峰值波长不仅和不仅和不仅和不仅和材料材料材料材料有关
79、，而有关，而有关，而有关，而且随且随且随且随制造工艺制造工艺制造工艺制造工艺及使用及使用及使用及使用环境温度环境温度环境温度环境温度不同而有所移动。不同而有所移动。不同而有所移动。不同而有所移动。0.4 0.8 1.2 1.60.4 0.8 1.2 1.61.01.0相对响应率相对响应率相对响应率相对响应率GeGe /m/m0.80.80.60.60.40.40.20.20 0SiSiGaAsGaAsSeSe入射光波长入射光波长/m2CR1133-01普通普通2CR相相对对响响应应度度药梆嵌竞痞肄罪蘸举毙恳蔽找毗很悠跨等刨掐析迫桶哩映苍骤晾惭豫寺傍第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20
80、248/31/20243737 （3 3）温度特性）温度特性）温度特性）温度特性 光电池的温度特性曲线是描述光电池的温度特性曲线是描述光电池的温度特性曲线是描述光电池的温度特性曲线是描述V Vococ及及及及I Iscsc随温度变化情况。随温度变化情况。随温度变化情况。随温度变化情况。随着温度的升高，硅光电池的光谱响应向长波方向移动，随着温度的升高，硅光电池的光谱响应向长波方向移动，随着温度的升高，硅光电池的光谱响应向长波方向移动，随着温度的升高，硅光电池的光谱响应向长波方向移动，开路电压开路电压开路电压开路电压V Vococ将下降，短路电流将下降，短路电流将下降，短路电流将下降，短路电流I
81、Iscsc略有上升。略有上升。略有上升。略有上升。国产硅光电池的温度特性为温度每升高国产硅光电池的温度特性为温度每升高国产硅光电池的温度特性为温度每升高国产硅光电池的温度特性为温度每升高1 1o oC C， V Vococ下降约下降约下降约下降约23mV23mV， I Iscsc上升约上升约上升约上升约7878 A A。当光电池作为探侧器件时，当光电池作为探侧器件时，当光电池作为探侧器件时，当光电池作为探侧器件时，测量仪器应考虑温度的漂移测量仪器应考虑温度的漂移测量仪器应考虑温度的漂移测量仪器应考虑温度的漂移或进行补偿，以保证测量精或进行补偿，以保证测量精或进行补偿，以保证测量精或进行补偿，以
82、保证测量精度。度。度。度。温度升高，转换效率略有下温度升高，转换效率略有下温度升高，转换效率略有下温度升高，转换效率略有下降。降。降。降。 短桓我顽堡臀众丸此处抢邻茧荆搜计盂购颖济录镍苞咎袭辗狐撅边整躲惨第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20243838（4）频率特性）频率特性 光电池作为探测器件在交变光照下使用时，由于载光电池作为探测器件在交变光照下使用时，由于载光电池作为探测器件在交变光照下使用时，由于载光电池作为探测器件在交变光照下使用时，由于载流子在流子在流子在流子在pnpn结区内的扩散、漂移，产生与复合都需结区内的扩散、漂移，产生与复合都需结区内的扩散、漂移
83、，产生与复合都需结区内的扩散、漂移，产生与复合都需一定的时间，所以当光照变化很快时，光电流就滞一定的时间，所以当光照变化很快时，光电流就滞一定的时间，所以当光照变化很快时，光电流就滞一定的时间，所以当光照变化很快时，光电流就滞后于光照变化。后于光照变化。后于光照变化。后于光照变化。在对频率特性要求严格的探测电路中，选用小面积在对频率特性要求严格的探测电路中，选用小面积在对频率特性要求严格的探测电路中，选用小面积在对频率特性要求严格的探测电路中，选用小面积光电池较有利。如果负载选择得当，也可以获得较光电池较有利。如果负载选择得当，也可以获得较光电池较有利。如果负载选择得当，也可以获得较光电池较有
84、利。如果负载选择得当，也可以获得较高的频率特性。高的频率特性。高的频率特性。高的频率特性。 硅光电池硅光电池硒光电池硒光电池频率频率/Hz相相对对输输出出屠锹就喻垫腔严锹刘乖痞钓呵沟孤风裹羔劲辰海葱晶霸持藕滦诌丰锄惯赎第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20243939 3 3光电池的应用光电池的应用 光电池的应用主要有两个方面：一是作为光电池的应用主要有两个方面：一是作为光电池的应用主要有两个方面：一是作为光电池的应用主要有两个方面：一是作为光电探测器件光电探测器件光电探测器件光电探测器件，二是将二是将二是将二是将太阳能转变为电能太阳能转变为电能太阳能转变为电能太阳能
85、转变为电能。利用光电池作为探测器件，有利用光电池作为探测器件，有利用光电池作为探测器件，有利用光电池作为探测器件，有光敏面积大光敏面积大光敏面积大光敏面积大，频率响应高频率响应高频率响应高频率响应高，光电流随照度线性变化光电流随照度线性变化光电流随照度线性变化光电流随照度线性变化等特点。因此，它既可作为开关应等特点。因此，它既可作为开关应等特点。因此，它既可作为开关应等特点。因此，它既可作为开关应用，也可用于线性测量。如用在光电读数、光电开关、光用，也可用于线性测量。如用在光电读数、光电开关、光用，也可用于线性测量。如用在光电读数、光电开关、光用，也可用于线性测量。如用在光电读数、光电开关、光
86、栅测量技术、激光准直，电影还音等装置上。栅测量技术、激光准直，电影还音等装置上。栅测量技术、激光准直，电影还音等装置上。栅测量技术、激光准直，电影还音等装置上。利用光电池将太阳能变成电能，目前主要是使用利用光电池将太阳能变成电能，目前主要是使用利用光电池将太阳能变成电能，目前主要是使用利用光电池将太阳能变成电能，目前主要是使用硅硅硅硅光电池，光电池，光电池，光电池，因为它能因为它能因为它能因为它能耐辐射耐辐射耐辐射耐辐射、转换效率转换效率转换效率转换效率较其它光电池较其它光电池较其它光电池较其它光电池高高高高。实际应用中，把硅光电池单体经串联、并联组成电池组，实际应用中，把硅光电池单体经串联、
87、并联组成电池组，实际应用中，把硅光电池单体经串联、并联组成电池组，实际应用中，把硅光电池单体经串联、并联组成电池组，与镍镉蓄电池配合，可作为卫星、微波站、野外灯塔、航与镍镉蓄电池配合，可作为卫星、微波站、野外灯塔、航与镍镉蓄电池配合，可作为卫星、微波站、野外灯塔、航与镍镉蓄电池配合，可作为卫星、微波站、野外灯塔、航标灯、无人气象站等无输电线路地区的电源供给。标灯、无人气象站等无输电线路地区的电源供给。标灯、无人气象站等无输电线路地区的电源供给。标灯、无人气象站等无输电线路地区的电源供给。硼瘪祸叭轩挥州懦泪掂续诲坝眠援糙究忠隘喊片乱谷淘掉耪摹舟凭宴览棉第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/2
88、0248/31/20244040二、光电二极管二、光电二极管 1 1pnpn结光电二极管结光电二极管结光电二极管结光电二极管 光电二极管与普通二极管相比，有共同之处：它们都有一个光电二极管与普通二极管相比，有共同之处：它们都有一个光电二极管与普通二极管相比，有共同之处：它们都有一个光电二极管与普通二极管相比，有共同之处：它们都有一个pnpn结，因此，它们均属单向导电性的非线性元件。结，因此，它们均属单向导电性的非线性元件。结，因此，它们均属单向导电性的非线性元件。结，因此，它们均属单向导电性的非线性元件。但光电二极管是一种光电器件，在结构上有它特殊的地方。但光电二极管是一种光电器件，在结构上有
89、它特殊的地方。但光电二极管是一种光电器件，在结构上有它特殊的地方。但光电二极管是一种光电器件，在结构上有它特殊的地方。例如：例如：例如：例如：光电二极管光电二极管光电二极管光电二极管p p p pn n n n结势垒很薄；结势垒很薄；结势垒很薄；结势垒很薄； 光生载流子的产生主要在光生载流子的产生主要在光生载流子的产生主要在光生载流子的产生主要在p p p pn n n n结两边的扩散区，光电流主结两边的扩散区，光电流主结两边的扩散区，光电流主结两边的扩散区，光电流主要来自扩散电流，而不是漂移电流，故又称为要来自扩散电流，而不是漂移电流，故又称为要来自扩散电流，而不是漂移电流，故又称为要来自扩
90、散电流，而不是漂移电流，故又称为扩散型扩散型扩散型扩散型p p p pn n n n结结结结光电二极管；光电二极管；光电二极管；光电二极管； 为了获得尽可能大的光电流，为了获得尽可能大的光电流，为了获得尽可能大的光电流，为了获得尽可能大的光电流，p p p pn n n n结面积结面积结面积结面积比普通二极管要比普通二极管要比普通二极管要比普通二极管要大大大大得多，且通常都以扩散层作为它的受光面。为此，得多，且通常都以扩散层作为它的受光面。为此，得多，且通常都以扩散层作为它的受光面。为此，得多，且通常都以扩散层作为它的受光面。为此，受光面受光面受光面受光面上的上的上的上的电极电极电极电极做得较
91、做得较做得较做得较小小小小。 为了提高光电转换能力，为了提高光电转换能力，为了提高光电转换能力，为了提高光电转换能力，p p p pn n n n结结结结的的的的深度深度深度深度较普通二极管较普通二极管较普通二极管较普通二极管浅浅浅浅。光电二极管采用硅或锗制成，但锗器件暗电流温度系数远大光电二极管采用硅或锗制成，但锗器件暗电流温度系数远大光电二极管采用硅或锗制成，但锗器件暗电流温度系数远大光电二极管采用硅或锗制成，但锗器件暗电流温度系数远大于硅器件。工艺也不如硅器件成熟，虽然它的响应波长大于于硅器件。工艺也不如硅器件成熟，虽然它的响应波长大于于硅器件。工艺也不如硅器件成熟，虽然它的响应波长大于
92、于硅器件。工艺也不如硅器件成熟，虽然它的响应波长大于硅器件，但实际应用尚不及硅广泛。硅器件，但实际应用尚不及硅广泛。硅器件，但实际应用尚不及硅广泛。硅器件，但实际应用尚不及硅广泛。余奋刷饭傈粹妈呢轩膜切陈纠帚佳味身烧龚噎碳翟雍鹅蟹胀兴裁穷毫蔡睁第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20244141 (1)(1)硅光电二极管的结构及工作原理硅光电二极管的结构及工作原理结构：结构：结构：结构：(a)(a)是采用是采用是采用是采用n n型单晶硅及硅扩散工艺，称型单晶硅及硅扩散工艺，称型单晶硅及硅扩散工艺，称型单晶硅及硅扩散工艺，称p pn n结构；结构；结构；结构；(b)(b)
93、是采用单晶硅及磷扩散工艺，称是采用单晶硅及磷扩散工艺，称是采用单晶硅及磷扩散工艺，称是采用单晶硅及磷扩散工艺，称n np p结构。结构。结构。结构。入射光入射光入射光入射光 电极电极电极电极SiOSiO2 2 电极电极电极电极p p+ +n nn n型单晶硅及硅扩散工艺，型单晶硅及硅扩散工艺，型单晶硅及硅扩散工艺，型单晶硅及硅扩散工艺，p p+ +n n结构结构结构结构 入射光入射光入射光入射光 电极电极电极电极SiOSiO2 2 电极电极电极电极p p电极电极电极电极n n+ +n n+ +n n+ +n n型单晶硅及磷扩散工艺，型单晶硅及磷扩散工艺，型单晶硅及磷扩散工艺，型单晶硅及磷扩散工
94、艺，n n+ +p p结构结构结构结构V VR RL L- -V VR RL L前极前极前极前极后极后极后极后极环极环极环极环极-阁草代剧才冀驹漏动鸳腔辣位智幸掣蕉舰秆蓑硬咳电驻颈遏企践卖语柱赵第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20244242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
95、用凸透镜有聚光作用，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姬之甘愚陇菲誉薄圾避静送耘瓶沈愈桂揣橡续谎烈索彼阳扭咏番肯诡艺辟第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20244343(2)(2)(2)(2)伏安特性伏安特性伏安特性伏安特性 硅光电二极管在硅光电二极管在硅光电二极管在硅光电二极管在反向偏压反向偏压反向偏压反向偏压下工作，这样可以减小载流子渡越时间及二下工作，这样可以减小载流子渡越时间及二下工作，这样可以减小载流子渡越时间及二下工作，这样可以减小载流子渡越时间及二极管的极间电容，以提高探测器的响应灵敏度和频率。光电二极管在极管的极间电容，以提高探
96、测器的响应灵敏度和频率。光电二极管在极管的极间电容，以提高探测器的响应灵敏度和频率。光电二极管在极管的极间电容，以提高探测器的响应灵敏度和频率。光电二极管在无光照时的暗电流无光照时的暗电流无光照时的暗电流无光照时的暗电流I ID D D D就是二极管的反向饱和电流就是二极管的反向饱和电流就是二极管的反向饱和电流就是二极管的反向饱和电流I Isoso；有光照时产生的；有光照时产生的；有光照时产生的；有光照时产生的光电流光电流光电流光电流I Ip p与与与与I Isoso同一方向。同一方向。同一方向。同一方向。在低压下电流随光电压变化非常敏感。在低压下电流随光电压变化非常敏感。在低压下电流随光电压
97、变化非常敏感。在低压下电流随光电压变化非常敏感。当反向偏压进一步增加时，光生载流子的收集已达极限，光电流就趋当反向偏压进一步增加时，光生载流子的收集已达极限，光电流就趋当反向偏压进一步增加时，光生载流子的收集已达极限，光电流就趋当反向偏压进一步增加时，光生载流子的收集已达极限，光电流就趋于饱和。这时，光电流与外加反向偏压几乎无关，而仅取决于入射光于饱和。这时，光电流与外加反向偏压几乎无关，而仅取决于入射光于饱和。这时，光电流与外加反向偏压几乎无关，而仅取决于入射光于饱和。这时，光电流与外加反向偏压几乎无关，而仅取决于入射光功率。功率。功率。功率。光电二极管在较小负载电阻下入射光功率与电流之间呈
98、现较好的线性光电二极管在较小负载电阻下入射光功率与电流之间呈现较好的线性光电二极管在较小负载电阻下入射光功率与电流之间呈现较好的线性光电二极管在较小负载电阻下入射光功率与电流之间呈现较好的线性关系。关系。关系。关系。抖钉狱甘传今委淆将面拣铲数私叁叉蔑咎微乞湿贞掷径谈描不唤返决击勋第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20244444（3 3 3 3）响应率）响应率）响应率）响应率硅光电二极管的电流响应率通常在硅光电二极管的电流响应率通常在硅光电二极管的电流响应率通常在硅光电二极管的电流响应率通常在0.40.40.5A0.5AWW量级。量级。量级。量级。常用的常用的常用的常
99、用的2DU2DU和和和和2DUL2DUL系列光电二极管的光谱响应从可见光系列光电二极管的光谱响应从可见光系列光电二极管的光谱响应从可见光系列光电二极管的光谱响应从可见光一直到近红外区，在一直到近红外区，在一直到近红外区，在一直到近红外区，在0.80.9m0.80.9m波段响应率最高。波段响应率最高。波段响应率最高。波段响应率最高。藏诀暇箍炮驳院掷人橇募食僻挥赊歧喉湍炙疗悲柑甫况海获轿乳园句搬唆第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20244545(4)(4)噪声噪声硅光电二极管的噪声主要来自硅光电二极管的噪声主要来自硅光电二极管的噪声主要来自硅光电二极管的噪声主要来自散粒
100、噪声散粒噪声散粒噪声散粒噪声与与与与热噪声热噪声热噪声热噪声。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，散粒噪声大于热噪声。在强光照射时，散粒噪声大于热噪声。在强光照射时，散粒噪声大于热噪声。在强光照射时，散粒噪声大于热噪声。 笨知咆堪氨铰驳淄四悔句狸耕码冲坷驴吏醇具虱爷陡算否陛括趴员幼地埠第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20244646pnpn结光电二极管，由于它的结光电二极管，由于它的结光电二极管，由于它的结光电二极管，由于它的响应时间响应时间响应时间响应
101、时间主要取决于主要取决于主要取决于主要取决于pnpn结两侧的光生少数载流子扩散到结区所需的时结两侧的光生少数载流子扩散到结区所需的时结两侧的光生少数载流子扩散到结区所需的时结两侧的光生少数载流子扩散到结区所需的时间。间。间。间。因此，受到因此，受到因此，受到因此，受到扩散时间扩散时间扩散时间扩散时间与扩散过程中的复合所造成的与扩散过程中的复合所造成的与扩散过程中的复合所造成的与扩散过程中的复合所造成的噪声噪声噪声噪声的影响。这些影响限制了这种光电二极管的应的影响。这些影响限制了这种光电二极管的应的影响。这些影响限制了这种光电二极管的应的影响。这些影响限制了这种光电二极管的应用能力，特别是在长波
102、波段的用能力，特别是在长波波段的用能力，特别是在长波波段的用能力，特别是在长波波段的响应速度响应速度响应速度响应速度。要适应光探测系统中宽带、高速的应用，必须进一要适应光探测系统中宽带、高速的应用，必须进一要适应光探测系统中宽带、高速的应用，必须进一要适应光探测系统中宽带、高速的应用，必须进一步提高步提高步提高步提高f f3dB3dB，除了可增加反向偏压减小结电容外，主，除了可增加反向偏压减小结电容外，主，除了可增加反向偏压减小结电容外，主，除了可增加反向偏压减小结电容外，主要还必须要还必须要还必须要还必须改进二级管的结构改进二级管的结构改进二级管的结构改进二级管的结构。咏坪强拍一苫朵招售嘶房
103、阻窿镰据岩贮附嘱椭蚁撼篡抖酗嗅色握艰炎悠岸第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/202447472 2PIN光电二极管光电二极管扩散型扩散型扩散型扩散型PINPIN硅光电二极管频率响应可达上千兆赫兹。硅光电二极管频率响应可达上千兆赫兹。硅光电二极管频率响应可达上千兆赫兹。硅光电二极管频率响应可达上千兆赫兹。在在在在pnpn结之间加一本征层（结之间加一本征层（结之间加一本征层（结之间加一本征层（I I层），这种器件称为层），这种器件称为层），这种器件称为层），这种器件称为PINPIN光电二极管，又称光电二极管，又称光电二极管，又称光电二极管，又称耗尽型耗尽型耗尽型耗尽型光电
104、二级管。光电二级管。光电二级管。光电二级管。只要适当控制本征层厚度，使它近似等于反偏压下只要适当控制本征层厚度，使它近似等于反偏压下只要适当控制本征层厚度，使它近似等于反偏压下只要适当控制本征层厚度，使它近似等于反偏压下耗尽层宽度，就可使响应波长范围和频率响应得到耗尽层宽度，就可使响应波长范围和频率响应得到耗尽层宽度，就可使响应波长范围和频率响应得到耗尽层宽度，就可使响应波长范围和频率响应得到改善。改善。改善。改善。PINPIN硅光电二极管是常用的耗尽层光伏探测硅光电二极管是常用的耗尽层光伏探测硅光电二极管是常用的耗尽层光伏探测硅光电二极管是常用的耗尽层光伏探测器。器。器。器。旋隅溪颗佰值夜鳃
105、虹榷隋张烯佐狸脓沧颈均渊罗砷淳螺气寄逐千蚕帚此椎第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20244848它是采用高阻纯硅材料及离子漂移技术形成一个没有它是采用高阻纯硅材料及离子漂移技术形成一个没有它是采用高阻纯硅材料及离子漂移技术形成一个没有它是采用高阻纯硅材料及离子漂移技术形成一个没有杂质的本征层，厚度为杂质的本征层，厚度为杂质的本征层，厚度为杂质的本征层，厚度为500m500m左右。左右。左右。左右。PINPIN管中的本征层对提高器件灵敏度和频率的响应起管中的本征层对提高器件灵敏度和频率的响应起管中的本征层对提高器件灵敏度和频率的响应起管中的本征层对提高器件灵敏度和频率
106、的响应起着十分着十分着十分着十分重要重要重要重要的的的的作用作用作用作用。因为本征层相对于。因为本征层相对于。因为本征层相对于。因为本征层相对于p p区和区和区和区和n n区是区是区是区是高阻区高阻区高阻区高阻区，反向偏压主要集中在这一区域，形成，反向偏压主要集中在这一区域，形成，反向偏压主要集中在这一区域，形成，反向偏压主要集中在这一区域，形成高电高电高电高电场区场区场区场区。高电阻使。高电阻使。高电阻使。高电阻使暗电流明显减小暗电流明显减小暗电流明显减小暗电流明显减小。本征层的引入加。本征层的引入加。本征层的引入加。本征层的引入加大了耗尽层区，展宽了光电转换的有效工作区域，大了耗尽层区，展
107、宽了光电转换的有效工作区域，大了耗尽层区，展宽了光电转换的有效工作区域，大了耗尽层区，展宽了光电转换的有效工作区域，从而使从而使从而使从而使灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度得以得以得以得以提高提高提高提高。I I层层层层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臭都允强岩违嘲和衫客炉车盎大壮症是朔栋瞳浸攀骋尊肝碴惭硒嚣慧笺捷第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20244949由于由于由于由于I I层的存在，而层的存在，而层的存在，而层的存在，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
108、常薄，入射光子只能在I I层内被吸收，产生电子一空穴对。层内被吸收，产生电子一空穴对。层内被吸收，产生电子一空穴对。层内被吸收，产生电子一空穴对。I I区产生的光生载流子在强电场作用下速运动，所以区产生的光生载流子在强电场作用下速运动，所以区产生的光生载流子在强电场作用下速运动，所以区产生的光生载流子在强电场作用下速运动，所以载流子载流子载流子载流子渡越时间非常短渡越时间非常短渡越时间非常短渡越时间非常短。同时，耗尽层的加宽也明显地减小了结电容同时，耗尽层的加宽也明显地减小了结电容同时，耗尽层的加宽也明显地减小了结电容同时，耗尽层的加宽也明显地减小了结电容C Cd d，使电，使电，使电，使电容
109、时间常数容时间常数容时间常数容时间常数 c cC Cd dR RL L减小，从而改善了光电二极管的减小，从而改善了光电二极管的减小，从而改善了光电二极管的减小，从而改善了光电二极管的频率响应。频率响应。频率响应。频率响应。性能良好的性能良好的性能良好的性能良好的PINPIN光电二极管，扩散与漂移时间一般在光电二极管，扩散与漂移时间一般在光电二极管，扩散与漂移时间一般在光电二极管，扩散与漂移时间一般在10101010量级，相当于千兆量级，相当于千兆量级，相当于千兆量级，相当于千兆(GHz)(GHz)的频率响应。的频率响应。的频率响应。的频率响应。I I层层层层n n基片基片基片基片p p增透膜增
110、透膜增透膜增透膜连汲妮喷蝇泪察隧训加携玉杠安舶颂茫牺键瘫户行抬眯常芜程篮杆煮陕隋第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/202450503 3 3 3雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（APDAPD) ) ) ) 普通的光电二极管和普通的光电二极管和普通的光电二极管和普通的光电二极管和PINPIN光电二极管没有内增益。光电二极管没有内增益。光电二极管没有内增益。光电二极管没有内增益。对微弱光信号进行探测，采用具有内增益的光探测器将有对微弱光信号进行探测，采用具有内增益的光探测器将有对微弱光信号进行探测，采用具有内增益的光探测器将有对微弱光信号进行
111、探测，采用具有内增益的光探测器将有助于对微弱光信号的探测。助于对微弱光信号的探测。助于对微弱光信号的探测。助于对微弱光信号的探测。雪崩光电二极管是具有内增益的光伏探测器。它是利用光雪崩光电二极管是具有内增益的光伏探测器。它是利用光雪崩光电二极管是具有内增益的光伏探测器。它是利用光雪崩光电二极管是具有内增益的光伏探测器。它是利用光生载流子在高电场区内的雪崩效应而获得光电流增益的，生载流子在高电场区内的雪崩效应而获得光电流增益的，生载流子在高电场区内的雪崩效应而获得光电流增益的，生载流子在高电场区内的雪崩效应而获得光电流增益的，它具有灵敏度高、响应快等优点。它具有灵敏度高、响应快等优点。它具有灵敏
112、度高、响应快等优点。它具有灵敏度高、响应快等优点。雪崩光电二极管与光电倍增管相比，具有体积小，结构紧雪崩光电二极管与光电倍增管相比，具有体积小，结构紧雪崩光电二极管与光电倍增管相比，具有体积小，结构紧雪崩光电二极管与光电倍增管相比，具有体积小，结构紧凑，工作电压低，使用方便等优点。凑，工作电压低，使用方便等优点。凑，工作电压低，使用方便等优点。凑，工作电压低，使用方便等优点。但其暗电流比光电倍增管的暗电流大，相应的噪声也较大，但其暗电流比光电倍增管的暗电流大，相应的噪声也较大，但其暗电流比光电倍增管的暗电流大，相应的噪声也较大，但其暗电流比光电倍增管的暗电流大，相应的噪声也较大，故光电倍增管更
113、适宜于弱光探测。故光电倍增管更适宜于弱光探测。故光电倍增管更适宜于弱光探测。故光电倍增管更适宜于弱光探测。奇酷盲纪群赐绒低级氏挡寨淑恋荧陷甚恿都啦敦鹅炕籍享缉别哪隙变仟窍第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20245151 (1)(1)工作原理工作原理雪崩效应雪崩效应 在光电二极管的在光电二极管的在光电二极管的在光电二极管的pnpn结上加相当高的反向偏压，使结区产生结上加相当高的反向偏压，使结区产生结上加相当高的反向偏压，使结区产生结上加相当高的反向偏压，使结区产生很强的电场，当光照很强的电场，当光照很强的电场，当光照很强的电场，当光照pnpn结所激发的光生载流子进入结
114、区时，结所激发的光生载流子进入结区时，结所激发的光生载流子进入结区时，结所激发的光生载流子进入结区时，在强电场中将受到加速而获得足够的能量。在强电场中将受到加速而获得足够的能量。在强电场中将受到加速而获得足够的能量。在强电场中将受到加速而获得足够的能量。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，产生新的电子生新的电子生新的电子生新的电子空穴对。空穴对。空穴对。空穴对。新产生的电子新产生的电子新产生的电子新产生的电子空穴对在强
115、电场作用下分别沿相反方向运动，空穴对在强电场作用下分别沿相反方向运动，空穴对在强电场作用下分别沿相反方向运动，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，又产生出新的电子又获得足够能量，再次与晶格原子碰撞，又产生出新的电子又获得足够能量，再次与晶格原子碰撞，又产生出新的电子又获得足够能量，再次与晶格原子碰撞，又产生出新的电子空穴对。空穴对。空穴对。空穴对。这种过程不断重复，使这种过程不断重复，使这种过程不断重复，使这种过程不断重复，使pnpn结内电流急剧倍增放大，这种现结内电流急剧倍增放大，这种现结内电流急剧倍增放大，这种现结内电流急剧倍增放大，这种现象称为象称
116、为象称为象称为雪崩效应雪崩效应雪崩效应雪崩效应。猛彦坞饥型皆爱蚊两困香入肯坯衡颧纵谨磷尽媒褐柠巨罗换艘涕窑胶蛊维第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20245252雪崩光电二极管就是利用这种效应产生光电流的雪崩光电二极管就是利用这种效应产生光电流的雪崩光电二极管就是利用这种效应产生光电流的雪崩光电二极管就是利用这种效应产生光电流的放大作用的。放大作用的。放大作用的。放大作用的。雪崩光电二极管的反向工作偏压通常略低于雪崩光电二极管的反向工作偏压通常略低于雪崩光电二极管的反向工作偏压通常略低于雪崩光电二极管的反向工作偏压通常略低于pnpn结的击穿电压。结的击穿电压。结的击穿
117、电压。结的击穿电压。无光照时，无光照时，无光照时，无光照时，pnpn结不会发生雪崩效应；只有当外结不会发生雪崩效应；只有当外结不会发生雪崩效应；只有当外结不会发生雪崩效应；只有当外界有光照时，激发出的光生载流子才能引起雪崩界有光照时，激发出的光生载流子才能引起雪崩界有光照时，激发出的光生载流子才能引起雪崩界有光照时，激发出的光生载流子才能引起雪崩效应。效应。效应。效应。若反向偏压超过器件的击穿电压，则器件将无法若反向偏压超过器件的击穿电压，则器件将无法若反向偏压超过器件的击穿电压，则器件将无法若反向偏压超过器件的击穿电压，则器件将无法工作，甚至击穿烧毁。工作，甚至击穿烧毁。工作，甚至击穿烧毁。
118、工作，甚至击穿烧毁。六筏扁酿寞圭九动迪搐愧浚任务帮砒卡宠姨屡孽而高燥豁彤馆记票涝赞堰第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20245353 (2)(2)(2)(2)雪崩光电二极管的结构雪崩光电二极管的结构雪崩光电二极管的结构雪崩光电二极管的结构 图图图图(a)(a)中以中以中以中以p p型硅作基片，扩散杂质浓度大的型硅作基片，扩散杂质浓度大的型硅作基片，扩散杂质浓度大的型硅作基片，扩散杂质浓度大的n n层。层。层。层。图图图图(b)(b)为为为为PINPIN型雪崩二极管结构示意图，其结构基本上类似型雪崩二极管结构示意图，其结构基本上类似型雪崩二极管结构示意图，其结构基本上
119、类似型雪崩二极管结构示意图，其结构基本上类似于普通光电二极管，但工作原理是不同的。为了实现雪崩于普通光电二极管，但工作原理是不同的。为了实现雪崩于普通光电二极管，但工作原理是不同的。为了实现雪崩于普通光电二极管，但工作原理是不同的。为了实现雪崩过程，基片过程，基片过程，基片过程，基片杂质浓度高杂质浓度高杂质浓度高杂质浓度高（电阻率低），容易产生碰撞电离。（电阻率低），容易产生碰撞电离。（电阻率低），容易产生碰撞电离。（电阻率低），容易产生碰撞电离。另外基片厚度比较薄，保证有高的电场强度，以便于电子另外基片厚度比较薄，保证有高的电场强度，以便于电子另外基片厚度比较薄，保证有高的电场强度，以便于电
120、子另外基片厚度比较薄，保证有高的电场强度，以便于电子获得足够能量产生雪崩效应。获得足够能量产生雪崩效应。获得足够能量产生雪崩效应。获得足够能量产生雪崩效应。夜爬酗则杖窍粒荷吊临谰客籽鼻邯唯飘毯溃衍颓焦沾金熙德之淘咬竞涎蕊第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20245454(3)(3)雪崩光电二极管的特性参数雪崩光电二极管的特性参数 倍增系数倍增系数倍增系数倍增系数( ( ( (雪崩增益雪崩增益雪崩增益雪崩增益) ) ) )MM I IR R为无雪崩倍增时为无雪崩倍增时为无雪崩倍增时为无雪崩倍增时pnpn结的反向电流，结的反向电流，结的反向电流，结的反向电流，I IMM为
121、有雪崩增益时的反向电流。为有雪崩增益时的反向电流。为有雪崩增益时的反向电流。为有雪崩增益时的反向电流。倍增系数倍增系数倍增系数倍增系数MM的近似经验公式的近似经验公式的近似经验公式的近似经验公式V VV VBRBR时，时，时，时，MM 此时此时此时此时pnpn结被击穿结被击穿结被击穿结被击穿市栈健矮岔摇脂盆复陕制登怜柯收训行巧害蔫樱划汇晴馁沧腋雍居驯冗列第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20245555 雪崩光电二极管的噪声雪崩光电二极管的噪声雪崩光电二极管的噪声雪崩光电二极管的噪声 除了散粒噪声外，还有因雪崩过程引入的附加散粒噪声。除了散粒噪声外，还有因雪崩过程引入
122、的附加散粒噪声。除了散粒噪声外，还有因雪崩过程引入的附加散粒噪声。除了散粒噪声外，还有因雪崩过程引入的附加散粒噪声。由于雪崩效应是大量载流子电离过程的累加，这本身就是由于雪崩效应是大量载流子电离过程的累加，这本身就是由于雪崩效应是大量载流子电离过程的累加，这本身就是由于雪崩效应是大量载流子电离过程的累加，这本身就是一个随机过程，必然带来附加的噪声，由雪崩过程引起的一个随机过程，必然带来附加的噪声，由雪崩过程引起的一个随机过程，必然带来附加的噪声，由雪崩过程引起的一个随机过程，必然带来附加的噪声，由雪崩过程引起的散粒噪声散粒噪声散粒噪声散粒噪声为为为为考虑到负载电阻的热噪声，雪崩光电二极管的总噪
123、声电流均考虑到负载电阻的热噪声，雪崩光电二极管的总噪声电流均考虑到负载电阻的热噪声，雪崩光电二极管的总噪声电流均考虑到负载电阻的热噪声，雪崩光电二极管的总噪声电流均方值为方值为方值为方值为州诽奴卯唆明逮垫戚学霉驹煽叉噶洞顷奋默盖戴育嘻赌廓塞涯扳惠汛辩粤第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20245656响应时间响应时间 由于雪崩光电二极管工作时所加的反向偏压高，光生载流由于雪崩光电二极管工作时所加的反向偏压高，光生载流由于雪崩光电二极管工作时所加的反向偏压高，光生载流由于雪崩光电二极管工作时所加的反向偏压高，光生载流子在结区的渡越时间短，结电容只有几个皮法，甚至更小，子
124、在结区的渡越时间短，结电容只有几个皮法，甚至更小，子在结区的渡越时间短，结电容只有几个皮法，甚至更小，子在结区的渡越时间短，结电容只有几个皮法，甚至更小，所以雪崩光电二极管的响应时间一般只有所以雪崩光电二极管的响应时间一般只有所以雪崩光电二极管的响应时间一般只有所以雪崩光电二极管的响应时间一般只有0.51ns0.51ns，相应，相应，相应，相应的响应频率可达几十的响应频率可达几十的响应频率可达几十的响应频率可达几十GHzGHz。秃嚼行故寥肿灸线夺浆筒敬衔今弧玖滓剐阮契野湃廊谨野甭漓仍袁评赌等第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/2024575754 54 光电三极管及其它
125、光伏探测器光电三极管及其它光伏探测器一、光电三极管一、光电三极管利用雪崩倍增效应可获得具有内增益的半导体光利用雪崩倍增效应可获得具有内增益的半导体光利用雪崩倍增效应可获得具有内增益的半导体光利用雪崩倍增效应可获得具有内增益的半导体光电二极管电二极管电二极管电二极管(APD)(APD)，而采用一般晶体管放大原理，可，而采用一般晶体管放大原理，可，而采用一般晶体管放大原理，可，而采用一般晶体管放大原理，可得到另一种具有电流内增益的光伏探测器，即光得到另一种具有电流内增益的光伏探测器，即光得到另一种具有电流内增益的光伏探测器，即光得到另一种具有电流内增益的光伏探测器，即光电三极管。电三极管。电三极管
126、。电三极管。它与普通双极晶体管十分相似，都是由两个十分它与普通双极晶体管十分相似，都是由两个十分它与普通双极晶体管十分相似，都是由两个十分它与普通双极晶体管十分相似，都是由两个十分靠近的靠近的靠近的靠近的pnpn结（结（结（结（发射结发射结发射结发射结和和和和集电结）集电结）集电结）集电结）构成，并均具构成，并均具构成，并均具构成，并均具有电流放大作用。有电流放大作用。有电流放大作用。有电流放大作用。臂琼春绷瞪怪生下登赚症詹肘认旱拖矮侩岩县粹庚皮扎匠风竣粒似胰试出第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20245858IIp pc ce e(1+(1+ ) )I Ip pb
127、 bI Ip p电流放大作用电流放大作用电流放大作用电流放大作用R RL Lhvhvc c c c（集）（集）（集）（集）e e e e（发）（发）（发）（发）b b b b（基）（基）（基）（基）V VA A+ +光电变换原理光电变换原理光电变换原理光电变换原理hvhvb be ec cp pn nn n结构示意图结构示意图结构示意图结构示意图1. 1. 结构与原理：结构与原理：光电三极管的工作有两个过程，光电三极管的工作有两个过程，光电三极管的工作有两个过程，光电三极管的工作有两个过程，一是光电转换；二是光电一是光电转换；二是光电一是光电转换；二是光电一是光电转换；二是光电流放大。流放大。
128、流放大。流放大。等效于一个光电二极管与一般晶体管基极集电极结的并等效于一个光电二极管与一般晶体管基极集电极结的并等效于一个光电二极管与一般晶体管基极集电极结的并等效于一个光电二极管与一般晶体管基极集电极结的并联。联。联。联。集电结起双重作用，一是把光信号变成电信号起光电二极集电结起双重作用，一是把光信号变成电信号起光电二极集电结起双重作用，一是把光信号变成电信号起光电二极集电结起双重作用，一是把光信号变成电信号起光电二极管的作用；二是将光电流放大，起一般晶体三极管的集电管的作用；二是将光电流放大，起一般晶体三极管的集电管的作用；二是将光电流放大，起一般晶体三极管的集电管的作用；二是将光电流放大
129、，起一般晶体三极管的集电极的作用。极的作用。极的作用。极的作用。绪书煞玫宴乙爵脊谁蓑闹登呻顷则博咽粥麦掂愤捷邑僚绅失点蹈瞎叼射键第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/202459592. 2. 光电三极管的特性参数光电三极管的特性参数(1)(1)(1)(1)伏安特性：伏安特性：伏安特性：伏安特性：类似于光电二极管。但是，当有光照时，光电三极管输出电流比同样类似于光电二极管。但是，当有光照时，光电三极管输出电流比同样类似于光电二极管。但是，当有光照时，光电三极管输出电流比同样类似于光电二极管。但是，当有光照时，光电三极管输出电流比同样光照下光电二极管的输出电流大光照下光电二
130、极管的输出电流大光照下光电二极管的输出电流大光照下光电二极管的输出电流大倍；倍；倍；倍；在光功率等间距增大的情况下，输出电流并不等间距增大，这是由于在光功率等间距增大的情况下，输出电流并不等间距增大，这是由于在光功率等间距增大的情况下，输出电流并不等间距增大，这是由于在光功率等间距增大的情况下，输出电流并不等间距增大，这是由于电流放大倍数电流放大倍数电流放大倍数电流放大倍数多随信号光电流的增大而增大所引起的多随信号光电流的增大而增大所引起的多随信号光电流的增大而增大所引起的多随信号光电流的增大而增大所引起的非线性。非线性。非线性。非线性。绥朴啤嫩绕盎嚣慎陷锭饼逮事瓷拭灾冉混妹靠酥谍氨圭矽桑竣鱼
131、烧业萤指第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20246060(2)(2)频率响应频率响应少数载流子对发射结和收集结势垒电容少数载流子对发射结和收集结势垒电容少数载流子对发射结和收集结势垒电容少数载流子对发射结和收集结势垒电容(C(C(C(Cbebebebe和和和和C C C Cb b b b) ) ) )的充放电的充放电的充放电的充放电时间；时间；时间；时间；少数载流子渡越基区所需时间；少数载流子渡越基区所需时间；少数载流子渡越基区所需时间；少数载流子渡越基区所需时间；少数载流子扫过收集结势垒区的渡越时间；少数载流子扫过收集结势垒区的渡越时间；少数载流子扫过收集结势垒区
132、的渡越时间；少数载流子扫过收集结势垒区的渡越时间；通过收集结到达收集区的电流流经收集区及外负载电阻产通过收集结到达收集区的电流流经收集区及外负载电阻产通过收集结到达收集区的电流流经收集区及外负载电阻产通过收集结到达收集区的电流流经收集区及外负载电阻产生的结压降，使收集结电荷量改变的时间常数。生的结压降，使收集结电荷量改变的时间常数。生的结压降，使收集结电荷量改变的时间常数。生的结压降，使收集结电荷量改变的时间常数。于是光电三极管总响应时间应为上述各个时间之和。因此，于是光电三极管总响应时间应为上述各个时间之和。因此，于是光电三极管总响应时间应为上述各个时间之和。因此，于是光电三极管总响应时间应
133、为上述各个时间之和。因此，光电三极管的响应时间比光电二极管的要长得多。光电三极管的响应时间比光电二极管的要长得多。光电三极管的响应时间比光电二极管的要长得多。光电三极管的响应时间比光电二极管的要长得多。由于光电三极管广泛应用于各种光电控制系统，其输由于光电三极管广泛应用于各种光电控制系统，其输由于光电三极管广泛应用于各种光电控制系统，其输由于光电三极管广泛应用于各种光电控制系统，其输入光入光入光入光信号多为脉冲信号，即工作在大信号或开关状态，因而光信号多为脉冲信号，即工作在大信号或开关状态，因而光信号多为脉冲信号，即工作在大信号或开关状态，因而光信号多为脉冲信号，即工作在大信号或开关状态，因而
134、光电三极管的响应时间或响应频率将是光电三极管的重要参电三极管的响应时间或响应频率将是光电三极管的重要参电三极管的响应时间或响应频率将是光电三极管的重要参电三极管的响应时间或响应频率将是光电三极管的重要参数。数。数。数。盟氏深辽吼刻椰滋德输汪焚霖恩谋镭若恼腻代某我热已泼吃练呢害拨恃诈第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20246161(3)(3)光谱特性：光谱特性：光电三极管的光谱特性与光电二极管一样，取决于所用光电三极管的光谱特性与光电二极管一样，取决于所用光电三极管的光谱特性与光电二极管一样，取决于所用光电三极管的光谱特性与光电二极管一样，取决于所用的半导体材料及制作
135、工艺。例如硅光电三极管，其光谱的半导体材料及制作工艺。例如硅光电三极管，其光谱的半导体材料及制作工艺。例如硅光电三极管，其光谱的半导体材料及制作工艺。例如硅光电三极管，其光谱响应仍为响应仍为响应仍为响应仍为0.80.80.80.80.90.90.90.9mmmm。(4)(4)温度特性：温度特性：光电三极管的输出电流随温度变化比光电二极管大。因光电三极管的输出电流随温度变化比光电二极管大。因光电三极管的输出电流随温度变化比光电二极管大。因光电三极管的输出电流随温度变化比光电二极管大。因为其发射极集电极的反向电流和电流放大倍数为其发射极集电极的反向电流和电流放大倍数为其发射极集电极的反向电流和电流
136、放大倍数为其发射极集电极的反向电流和电流放大倍数随工随工随工随工作温度变化而最敏感。在实用中，必须十分注意环境温作温度变化而最敏感。在实用中，必须十分注意环境温作温度变化而最敏感。在实用中，必须十分注意环境温作温度变化而最敏感。在实用中，必须十分注意环境温度的变化，必要时需在电路中加以温度补偿措施。度的变化，必要时需在电路中加以温度补偿措施。度的变化，必要时需在电路中加以温度补偿措施。度的变化，必要时需在电路中加以温度补偿措施。光电三极管主要光电三极管主要光电三极管主要光电三极管主要应用应用应用应用于开关控制电路及逻辑电路。于开关控制电路及逻辑电路。于开关控制电路及逻辑电路。于开关控制电路及逻
137、辑电路。碎锁暂项阿孙肝纽敬掸羹汁间拥图碧灸蜘酉隆差搏凹苯台檬嵌梧兄沙巫炽第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20246262二、碲镉汞二、碲镉汞二、碲镉汞二、碲镉汞(HgCdTe)(HgCdTe)、碲锡铅、碲锡铅、碲锡铅、碲锡铅(PbSnTe)(PbSnTe)光伏探测器光伏探测器光伏探测器光伏探测器 利用利用利用利用 族化合物可以得到响应于中红外波段的光伏探族化合物可以得到响应于中红外波段的光伏探族化合物可以得到响应于中红外波段的光伏探族化合物可以得到响应于中红外波段的光伏探测器。如碲镉汞测器。如碲镉汞测器。如碲镉汞测器。如碲镉汞(Hg(Hg1-1-x xCdCdx x
138、Te)Te)、碲锡铅、碲锡铅、碲锡铅、碲锡铅(Pb(Pb1-1-x xSnSnx xTe)Te)探测器。探测器。探测器。探测器。改变化合物组分改变化合物组分改变化合物组分改变化合物组分x x，即可改变带隙，从而得到不同光谱响应，即可改变带隙，从而得到不同光谱响应，即可改变带隙，从而得到不同光谱响应，即可改变带隙，从而得到不同光谱响应的器件。的器件。的器件。的器件。碲镉汞碲镉汞碲镉汞碲镉汞(HgCdTe)(HgCdTe)光伏探测器工作于室温（光伏探测器工作于室温（光伏探测器工作于室温（光伏探测器工作于室温（300K300K），响应波），响应波），响应波），响应波长为长为长为长为1 14m4m；液
139、氮温度（；液氮温度（；液氮温度（；液氮温度（77K77K），响应波长为），响应波长为），响应波长为），响应波长为8 814m14m。频率响应特性与普通光电二极管相同。频率响应特性与普通光电二极管相同。频率响应特性与普通光电二极管相同。频率响应特性与普通光电二极管相同。岭饮仁啄广冈缔住娃经丑睹况皇圣箕亨达启蝇酷讳苞纶肠肌奠霸晌倾队统第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20246363三、异质结光电二极管三、异质结光电二极管若将带隙不同的两种半导体材料作若将带隙不同的两种半导体材料作若将带隙不同的两种半导体材料作若将带隙不同的两种半导体材料作成异质成异质成异质成异质pnpn
140、结，即可构成异质结光结，即可构成异质结光结，即可构成异质结光结，即可构成异质结光电二极管，以带隙电二极管，以带隙电二极管，以带隙电二极管，以带隙E Eg g大的材料作光大的材料作光大的材料作光大的材料作光接收面。接收面。接收面。接收面。当有光照时，能量大于当有光照时，能量大于当有光照时，能量大于当有光照时，能量大于nGaAsnGaAs带隙带隙带隙带隙E Eg g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，若若若若GaAsGaAs材料材料材料材料厚度厚度厚度厚度大于光生载流子的扩散长度将不能到达结区。大于光生载流子的扩散长度将不能到达结区。大于光生载流子的扩散
141、长度将不能到达结区。大于光生载流子的扩散长度将不能到达结区。若光子能量满足：若光子能量满足：若光子能量满足：若光子能量满足：E Eg g （GeGe） hE hEg g （GaAsGaAs），光子将穿过，光子将穿过，光子将穿过，光子将穿过GaAsGaAs材料，而被材料，而被材料，而被材料，而被GeGe材料吸收，产生光子效应。材料吸收，产生光子效应。材料吸收，产生光子效应。材料吸收，产生光子效应。因此，异质结光电二极管的宽带材料起着滤波作用，把短波因此，异质结光电二极管的宽带材料起着滤波作用，把短波因此，异质结光电二极管的宽带材料起着滤波作用，把短波因此，异质结光电二极管的宽带材料起着滤波作用，
142、把短波成分滤掉，这种器件又称成分滤掉，这种器件又称成分滤掉，这种器件又称成分滤掉，这种器件又称窄带自滤波探测器窄带自滤波探测器窄带自滤波探测器窄带自滤波探测器。其光谱响应半。其光谱响应半。其光谱响应半。其光谱响应半宽度宽度宽度宽度很窄，能较好地控制背景噪声。很窄，能较好地控制背景噪声。很窄，能较好地控制背景噪声。很窄，能较好地控制背景噪声。这种器件还具有量子效率高，背景噪声低，信号均匀等特点，这种器件还具有量子效率高，背景噪声低，信号均匀等特点，这种器件还具有量子效率高，背景噪声低，信号均匀等特点，这种器件还具有量子效率高，背景噪声低，信号均匀等特点，因此它具有广阔的应用前景。因此它具有广阔的
143、应用前景。因此它具有广阔的应用前景。因此它具有广阔的应用前景。赖惶女琉畏推撬缴锣举图烟试抚疾逐知检省铲韧滚糙装诞何番卢卷晓彰抛第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20246464四、金属一半导体光电二极管四、金属一半导体光电二极管又称肖特基势垒光电二极管，其势垒不是又称肖特基势垒光电二极管，其势垒不是又称肖特基势垒光电二极管，其势垒不是又称肖特基势垒光电二极管，其势垒不是pnpn结，而是金结，而是金结，而是金结，而是金属和半导体接触形成的阻挡层，即肖特基势垒。属和半导体接触形成的阻挡层，即肖特基势垒。属和半导体接触形成的阻挡层，即肖特基势垒。属和半导体接触形成的阻挡层，
144、即肖特基势垒。当金属与半导体当金属与半导体当金属与半导体当金属与半导体(n(n型或型或型或型或p p型型型型) )接触时，由于载流子所处能级接触时，由于载流子所处能级接触时，由于载流子所处能级接触时，由于载流子所处能级不同，它们将向低能级方向移动，从而在接触区形成阻挡不同，它们将向低能级方向移动，从而在接触区形成阻挡不同，它们将向低能级方向移动，从而在接触区形成阻挡不同，它们将向低能级方向移动，从而在接触区形成阻挡层层层层( (耗尽层耗尽层耗尽层耗尽层) )，阻挡层内的正电荷与金属接触面的负电荷形，阻挡层内的正电荷与金属接触面的负电荷形，阻挡层内的正电荷与金属接触面的负电荷形，阻挡层内的正电荷
145、与金属接触面的负电荷形成电偶极层成电偶极层成电偶极层成电偶极层接触势垒，即肖特基势垒。接触势垒，即肖特基势垒。接触势垒，即肖特基势垒。接触势垒，即肖特基势垒。当受光照后，阻挡层吸收光子，产生电子当受光照后，阻挡层吸收光子，产生电子当受光照后，阻挡层吸收光子，产生电子当受光照后，阻挡层吸收光子，产生电子空穴对，在内空穴对，在内空穴对，在内空穴对，在内电场作用下，电子移向半导体，空穴移向金属，形成光生电场作用下，电子移向半导体，空穴移向金属，形成光生电场作用下，电子移向半导体，空穴移向金属，形成光生电场作用下，电子移向半导体，空穴移向金属，形成光生电势。电势。电势。电势。由于肖特基势垒区在半导体附
146、近表面处（金属层厚度为几由于肖特基势垒区在半导体附近表面处（金属层厚度为几由于肖特基势垒区在半导体附近表面处（金属层厚度为几由于肖特基势垒区在半导体附近表面处（金属层厚度为几十十十十nmnm），光直接在势垒区产生载流子，不像），光直接在势垒区产生载流子，不像），光直接在势垒区产生载流子，不像），光直接在势垒区产生载流子，不像pnpn结那样结那样结那样结那样载流子必须经过扩散才能到达结区，这样可以减少载流子载流子必须经过扩散才能到达结区，这样可以减少载流子载流子必须经过扩散才能到达结区，这样可以减少载流子载流子必须经过扩散才能到达结区，这样可以减少载流子扩散时间以及在扩散中的复合损失。因此，肖特
147、基光电二扩散时间以及在扩散中的复合损失。因此，肖特基光电二扩散时间以及在扩散中的复合损失。因此，肖特基光电二扩散时间以及在扩散中的复合损失。因此，肖特基光电二极管具有极管具有极管具有极管具有响应时间短响应时间短响应时间短响应时间短，可探测，可探测，可探测，可探测5 510ns10ns的光脉冲信号。的光脉冲信号。的光脉冲信号。的光脉冲信号。货镣翟嗡热追冰捆疲寨瘴曙杀鲤抚锥锗砂缎必快诣荡成厘瘤聊呻官腰钓褂第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20246565五、光子牵引探测器五、光子牵引探测器强激光脉冲强激光脉冲强激光脉冲强激光脉冲( (波长大于带间吸收波长大于带间吸收波长大
148、于带间吸收波长大于带间吸收) )辐照到辐照到辐照到辐照到p p型型型型GeGe上时，具有上时，具有上时，具有上时，具有辐射压力的光子和自由空穴相互作用，使空穴得到能量和辐射压力的光子和自由空穴相互作用，使空穴得到能量和辐射压力的光子和自由空穴相互作用，使空穴得到能量和辐射压力的光子和自由空穴相互作用，使空穴得到能量和动量，从而沿光传播方向运动。好像光子牵着空穴前进，动量，从而沿光传播方向运动。好像光子牵着空穴前进，动量，从而沿光传播方向运动。好像光子牵着空穴前进，动量，从而沿光传播方向运动。好像光子牵着空穴前进，即即即即光子牵引作用光子牵引作用光子牵引作用光子牵引作用。电极电极电极电极电极电极
149、电极电极COCO2 2激光激光激光激光信号输出信号输出信号输出信号输出p p型型型型GeGe染竞计秽卞男姨喧迄撇撑随芜羔宾埋蚕荐嫁孽纽囱淀譬咎坐崔品融霓焚涩第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20246666在激光脉冲前进的同时，入射端空穴数目将减小，输出端空在激光脉冲前进的同时，入射端空穴数目将减小，输出端空在激光脉冲前进的同时，入射端空穴数目将减小，输出端空在激光脉冲前进的同时，入射端空穴数目将减小，输出端空穴数目增加，于是在穴数目增加，于是在穴数目增加，于是在穴数目增加，于是在GeGe棒两端产生电位差，这就是光子牵引棒两端产生电位差，这就是光子牵引棒两端产生电位差
150、，这就是光子牵引棒两端产生电位差，这就是光子牵引电压，该电压正比于入射光功率。电压，该电压正比于入射光功率。电压，该电压正比于入射光功率。电压，该电压正比于入射光功率。当入射光方向相反时，光子牵引电压也相反。当入射光方向相反时，光子牵引电压也相反。当入射光方向相反时，光子牵引电压也相反。当入射光方向相反时，光子牵引电压也相反。特点：特点：特点：特点：uu 响应速率很高响应速率很高响应速率很高响应速率很高( (约约约约1010-10-10s) s)uu 室温下工作，使用方便，不需要外电源，噪声小室温下工作，使用方便，不需要外电源，噪声小室温下工作，使用方便，不需要外电源，噪声小室温下工作，使用方
151、便，不需要外电源，噪声小uu 响应率低，每千瓦级光功率辐照仅有几毫伏输出，适于强激光探测响应率低，每千瓦级光功率辐照仅有几毫伏输出，适于强激光探测响应率低，每千瓦级光功率辐照仅有几毫伏输出，适于强激光探测响应率低，每千瓦级光功率辐照仅有几毫伏输出，适于强激光探测电极电极电极电极电极电极电极电极COCO2 2激光激光激光激光信号输出信号输出信号输出信号输出p p型型型型GeGe胰立姨溶锤疫馋贿船罪褂护砷唁蜂惕碳勃严潜云苔白咐逢好赎晾登开若僚第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20246767电极电极电极电极电极电极电极电极COCO2 2激光激光激光激光p p型型型型GeG
152、e光子牵引探测器是一种红外光子探测器，目前主要用于光子牵引探测器是一种红外光子探测器，目前主要用于光子牵引探测器是一种红外光子探测器，目前主要用于光子牵引探测器是一种红外光子探测器，目前主要用于COCOCOCO2 2 2 2激光探测，已用锗、砷化铟和碲等材料制出光子牵引探测器。激光探测，已用锗、砷化铟和碲等材料制出光子牵引探测器。激光探测，已用锗、砷化铟和碲等材料制出光子牵引探测器。激光探测，已用锗、砷化铟和碲等材料制出光子牵引探测器。与前面讨论的光电导或光伏探测器完全不同，光子牵引探测与前面讨论的光电导或光伏探测器完全不同，光子牵引探测与前面讨论的光电导或光伏探测器完全不同，光子牵引探测与前
153、面讨论的光电导或光伏探测器完全不同，光子牵引探测器是一种器是一种器是一种器是一种非势垒光伏探测器非势垒光伏探测器非势垒光伏探测器非势垒光伏探测器。光子牵引效应是光子与半导体中自由载流子之间发生光子牵引效应是光子与半导体中自由载流子之间发生光子牵引效应是光子与半导体中自由载流子之间发生光子牵引效应是光子与半导体中自由载流子之间发生动量传动量传动量传动量传递递递递，载流子从光子获得动量而作相对于晶格的运动。，载流子从光子获得动量而作相对于晶格的运动。，载流子从光子获得动量而作相对于晶格的运动。，载流子从光子获得动量而作相对于晶格的运动。在开路条件下，样品两端产生电荷积累，形成电场，样品两在开路条件
154、下，样品两端产生电荷积累，形成电场，样品两在开路条件下，样品两端产生电荷积累，形成电场，样品两在开路条件下，样品两端产生电荷积累，形成电场，样品两端建立起电位差，积累电荷建立的电位差称为端建立起电位差，积累电荷建立的电位差称为端建立起电位差，积累电荷建立的电位差称为端建立起电位差，积累电荷建立的电位差称为光子牵引电压光子牵引电压光子牵引电压光子牵引电压，它反映了入射光功率的大小，基于这种原理制作的光探测器它反映了入射光功率的大小，基于这种原理制作的光探测器它反映了入射光功率的大小，基于这种原理制作的光探测器它反映了入射光功率的大小，基于这种原理制作的光探测器称为光子牵引探测器。称为光子牵引探测器。称为光子牵引探测器。称为光子牵引探测器。华黄宝花盏桌吁旗憾录保翼哲栖拦咀则暴份创僚柱幕氖梢表简构雇缕眠枢第5章光伏探测器第5章光伏探测器8/31/20248/31/20246868
