第六章--光电子技术

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1、第六章：第六章： 光伏探测器光伏探测器光伏探测器光伏探测器：利用半导体利用半导体p-np-n结光伏效应制作结光伏效应制作 的探测器的探测器; ;探测器类型探测器类型：根据内建电场形成的结势垒的不根据内建电场形成的结势垒的不 同，有同，有p-np-n结势垒，结势垒，PINPIN结势垒结势垒, , 金属半导体的肖特基势垒金属半导体的肖特基势垒 等。等。主要内容主要内容: :光电池、光电二极管、光电池、光电二极管、PINPIN光电二极光电二极 管、雪崩二极管、光电三极管等管、雪崩二极管、光电三极管等6.1 6.1 光伏探测器的工作原理光伏探测器的工作原理 -+p n 无光照无光照 光照光照 (-)

2、+ _+ + + _+ + + (-)(+) 光照光照 内建电场内建电场p-n结结 光生载流子光生载流子 形成光生电动势形成光生电动势 在外回路形成电流在外回路形成电流1 1、光生电动势的产生过程、光生电动势的产生过程2 2、光照后产生的电流：、光照后产生的电流：两部分电流：光电流两部分电流：光电流I Ip p 光生电压产生的正向电流光生电压产生的正向电流I I PkTevsoIeII) 1(/（6.1） PIheP(没有内增益没有内增益) ) 1(/kTeVsoeII结区的总电流结区的总电流I I为：为：V为光生电动势，为光生电动势，Iso反向饱和电流反向饱和电流 3、光照后的伏安特性曲线、

3、光照后的伏安特性曲线 第一象限：第一象限：加正向偏压，p-n结暗电流ID光生电流，光探测器不工作在这个区域。第三象限：第三象限：p-n结加反向偏压，此时p-n结暗电流IDIsoIp, IIp+Iso= Ip, 光探测器多工作在这个区域。总结：光伏探测器工作于总结：光伏探测器工作于 反偏电压状态反偏电压状态 l4 4、光伏探测器的两个重要参数：、光伏探测器的两个重要参数： (1)(1)开路电压开路电压;(2);(2)短路电流短路电流; ; （1 1）光伏探测器）光伏探测器p-np-n结开路电压结开路电压V Vococ( (光电池的重要参数光电池的重要参数) ) 开路时，即开路时，即I=0I=0时

4、，由公式时，由公式(6.1)(6.1)得到电压为得到电压为：) 1ln() 1ln(sohPesopocIekTIIekTV(6.2) （2 2）短路电流（光电二极管的参数）短路电流（光电二极管的参数） 短路时，短路时，V=0, IV=0, I+ +=0=0PheIPI短 （6.3） PkTevsoIeII) 1(/6. 2.,6. 2.,光伏探测器的噪声光伏探测器的噪声l 噪声主要有：（噪声主要有：（1 1）散粒噪声（）散粒噪声（2 2）热噪声）热噪声 总噪声为：总噪声为： dNRfkTfeIi422反偏工作时，反偏工作时，R Rd d非常大，因热噪声可忽略不计。非常大，因热噪声可忽略不计。

5、 总噪声为：总噪声为：feIiN 22I 主要由暗电流和光电流组成，因此主要由暗电流和光电流组成，因此, ,fIIeiPDN)(22（6.4） （1 1）无光照时：）无光照时： 在零偏置时：流过在零偏置时：流过p-np-n结的电流包含热激发产结的电流包含热激发产生的正向和反向的暗电流，它们对总电流的贡献为生的正向和反向的暗电流，它们对总电流的贡献为零，而对噪声的贡献是叠加的，因此总噪声为：零，而对噪声的贡献是叠加的，因此总噪声为：feIfeIfeIiiiDDDNNN422222当器件处于负偏压工作时：由于当器件处于负偏压工作时：由于I ID D0 0 ，上式写，上式写成：成：feIiDN 22

6、总结：无光照时，负偏压可以抑制噪声总结：无光照时，负偏压可以抑制噪声（2 2）有光照时：）有光照时：偏压为偏压为0 0时，流过时，流过p-np-n结的电流有三部分，总噪声为：结的电流有三部分，总噪声为：fIIefIIIeiiiiPDPDDpNNNN)2(2 )(22222当器件处于负偏压工作时，由于由于当器件处于负偏压工作时，由于由于I ID D0 0，因此总，因此总噪声为：噪声为：fIIeiPDN)(22总结：为降低暗电流噪声，探测器需工作在负偏压总结：为降低暗电流噪声，探测器需工作在负偏压6.36.3光伏探测器的性能参数光伏探测器的性能参数l （1 1）响应率：）响应率： 由由6.26.2

7、式，可得电压响应率为：式，可得电压响应率为： ) 1ln(soPocvIIePkTPVR在弱光照射下，即在弱光照射下，即I Ip pIIsoso时，上式可以写为：时，上式可以写为：sosoPvIhkTIIePkTR1（6.5） 反向饱和电流为：反向饱和电流为：dnoPPponnsoAPLDnLDeI)(n npopo和和p pnono为少数载流子浓度；为少数载流子浓度；D Dn n和和D Dp p分别为电子和空穴的扩分别为电子和空穴的扩散系数，散系数，L Ln n、L Lp p分别为电子和分别为电子和空穴的扩散长度，空穴的扩散长度，A Ad d为探测器为探测器的光敏面积。的光敏面积。)1ln(

8、)1ln(sohPesopocIekTIIekTVl (2) 探测率：探测率：Rv与器件工作温度、光敏面的面积、少数载流子的浓与器件工作温度、光敏面的面积、少数载流子的浓度和扩散有关；而与与外偏压无关。度和扩散有关；而与与外偏压无关。21*)(fAVRDdNVl只考虑散粒噪声且在弱光条件下：只考虑散粒噪声且在弱光条件下：a)零偏压时零偏压时弱光条件下有：弱光条件下有： feIfIIIeiDPDDN4)(22sosoPvIhkTIIePkTR1因此探测率因此探测率为为 ：212210*)4()(LDdvvfReIfARDb b）反偏压工作）反偏压工作时时弱光条件下有：弱光条件下有： feIfII

9、eiDPDN2)(22212210*)2()(LDdvvfReIfARD 反偏压工作时的探测率为零偏压工作时的反偏压工作时的探测率为零偏压工作时的 倍，倍，因此光伏探测器一般工作于反偏压。因此光伏探测器一般工作于反偏压。 探测率与负载电阻有关，要适当选取负载电阻。探测率与负载电阻有关，要适当选取负载电阻。2(3)(3)光谱特性光谱特性硅和锗材料硅和锗材料：近红外和可见光波段：近红外和可见光波段锗光电二极管锗光电二极管：响应峰值波长：响应峰值波长1.4um1.5um，长波，长波 限为限为1.8um，短波限为，短波限为0.41um，硅光电二极管硅光电二极管：峰值波长：峰值波长0.80.9umHgC

10、dTe、PbSnTe等光伏探测等光伏探测：通过控制温度及组：通过控制温度及组 分可以到分可以到13um和和 814um。(4) 温度特性温度特性光伏探测器的噪声特性和光电流都与温度有关系光伏探测器的噪声特性和光电流都与温度有关系 6.46.4光伏探测器实例光伏探测器实例-光电池及光伏探测器光电池及光伏探测器光电池：光电池：能源和探测器件；能源和探测器件；光伏探测器：光伏探测器：光电信号变换；在微弱快速信号探光电信号变换；在微弱快速信号探 测方面有重要的应用测方面有重要的应用一、光电池一、光电池光电池：光电池：不需加偏压就能把光能转换成电能；按用途不需加偏压就能把光能转换成电能；按用途分类为：分

11、类为：太阳能电池太阳能电池(转换效率高，结构简单、体积小、转换效率高，结构简单、体积小、重量轻、可靠性强、成本低重量轻、可靠性强、成本低)；测量光电池测量光电池(线性范围线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性好）：在光度宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性好）：在光度学、色度学、光学精密计量和测试中有广泛的应用。学、色度学、光学精密计量和测试中有广泛的应用。硅光电池：硅光电池：工艺最成熟，应用最广泛，具有高效率、宽工艺最成熟，应用最广泛，具有高效率、宽的光谱响应、良好的频率响应特性、高稳定性及耐高能的光谱响应、良好的频率响应特性、高稳定性及耐高能辐射等优点。辐射等优点。单晶硅：单晶硅：变换效