光伏探测器

一、光伏探测器的工作原理光生伏特效应是光照度使不均匀半导体或均匀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。

对于不均匀半导体，由于同质的半导体不同的掺杂形成的PN 结、不同质的半导体组成的异质结或半导体接触形成的肖特基势垒都存在内建电场，当光照这种半导体时由于半导体对光的吸收而产生了光生电子-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，这种现象是最重要的一类光生伏特效应。

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而引起载流子扩散运动。

但电子-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的分开，从而出现光生电势。

这种现象称为丹倍效应。

此外，如果存在外加磁场，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，称为光磁效应。

通常把丹倍效应和光磁电效应称为体积光生伏特效应。

二、光伏探测器的伏安特性有光照时，若PN 结外电路接上负载电阻L R ,如图所示，在PN 结内将出现两种方向相反的电流：一种是光激发产生的电子-空穴对形成的光生电流P I ,它与光照有关，其方向与PN 结方向饱和电流o I 相同;另一种是光生电流D I 流过负载电阻P R 产生电压降，相当于在PN 结施加正向偏置电压，从而产生正向电流D I ，总电流L I 是两者之差，即流过负载的总电流为：)1(/--=-=kTqV o P D P L eI I I I I (A)上式中的光电流P I 正比于光照度E ，比例常数E S 称为光照灵敏度，即E S I E P = (A)当负载电阻L R 断开时，0=L I ，称P 端对N 端电压为开路电压oc V ，且由于，则近似地有 )l n (oE oc I ES q kTV =（V ）当负载电阻L R 短路时，0=L R ，称流过回路的电流为短路电流sc I ，短路电流就是光生电流P I 。

P I 与光照度E 或光通量Φ成正比，从而得到最大线性区，这在线性测量中被广泛应用。

如果给PN 结加上一个反向偏置电压b V ，外加电压所建的电场方向与PN 结内建电场方向相同，使光生电子-空穴对在强电场作用下更容易产生漂移运动，提高了器件的频率特性。

PN 结光电器件在不同的照度下的伏安特性曲线，如图所示。

无光照0=E 时,伏安特性曲线与一般二极管的伏安特性曲线相同；受光照后，光生电子-空穴对电场作用下形成大于反向饱和电流o I 的光电流P I ，并与o I 同向，因此曲线将电流轴向下平移，平移幅度与光照度...)3,2,1(=i E i 的变化成正比，当PN 结上加有反向偏压时，非光生的暗电流随反向偏压增大有所增大，最后等于反向饱和电流o I ，而光电流PI 几乎与反向电压的高低无关。

二、光伏探测器的偏置电路 1、自偏置电路光电池工作时无外加偏压，直接与负载电阻连接。

其输出电流I 流过外加电路负载电阻产生的压降L IR 就是它自身的正向偏压，故称为自偏压，其电路称为自偏置电路，电路图如下图（a ）。

因此光电池回路方程为： L IR U =光电池伏安特性曲线对应图（）中第四象限。

由于无外加偏压，其伏安特性实际上表示的是它在一光照度下输出电流和电压随负载电阻变化的关系。

为了分析和讨论的方便，将其伏安特性曲线旋转到第一象限，如下图（b ）。

根据L IR U =，图（b ）中作出不同负载电阻0L R 、1L R 、2L R 和Lopt R 的直流负载线。

在下图（b ）中这些负载线将光电池的工作状态分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个区域。

ⅡⅢⅣR L2R LoptR L1R L00E 4E 3E 2E 1U/VI/mAⅠIUUR L(b)(a)光电池自偏压电路 光电池伏安特性及直流负载线（1）短路或线性电流放大区光电池工作在一区域时，负载电阻较小，其输出电流与光照有较好的线性关系。

该区域称为短路或线性电流放大区。

负载电阻越小，电流的线性越好，当负载短路)0(0=L R 时，则输出短路电流为: E S I I p sc ∙-=-=左图给出了一种光电池的线性电流放大器。

根据电路理论中的密勒定理，图中放大器的输出电阻为: AR r f i +≈1式中f R 为反馈电阻；A 为放大器开环增益。

因410=A ,Ω〈k R f 100，所以Ω=10~0i r 。

i r 相当于光电池的负载L R ，可以认为光电池处于短路工作状态。

放大器的输出电压为： f sc R I U -=0这种电路不仅线性好，输出光电流大，而且暗电流近似于零，信噪比好，适合于弱光信号的检测。

(2)、空载电压输出区光电池工作在Ⅵ区域，负载电阻很大，近似于开路)(∞→L R ，光电池输出电流I=0。

该区域称为空载电压输出区。

由)1ln(0+=I I e kT U poc 可知，当入射光信号从“无”到“有”做跳跃式变化时，硅光电池输出电压从0跳跃到V 6.0~45.0。

在不要求电压随光通量线性变化的情况下，光电池开路输出具有很高的光电转换灵敏度，而且不需要任何偏置电源，适合于开关电路或继电器控制电路。

不足之处是频率特性不好，受温度影响也较大。

A ++-U 0R LR 1R 2光电池空载电压放大器电路（3）、功率放大区光电池工作在Ⅲ区域，当负载电阻取一电阻值Lopt R 时，可使光电池具有最大的输出功率，该区域为功率放大区。

光电池工作在这个区域，能将光能有效地转换成电能给负载供电。

这是太阳能光电池的功能。

2、零伏偏置电路光伏探测器在自偏置的情况下，若负载电阻为零，自偏压为零；或者在光伏探测器在反偏置的情况下，反偏压很小或接近零。

这两种情况下都是零伏偏置或接近于零伏偏置，对应的偏置电路都称为零伏偏置电路。

（1）、零伏偏置电路特点光伏探测器采用零伏偏置电路时，它的f 1噪声最小，暗电流为零，可以获得较高的信噪比。

因此反向饱和电流小，正、反向特性好的光伏探测器也常用零偏置电路，可避免偏置电路引入的噪声。

（2）三、光伏探测器的性能参数1、响应率根据定义知，由式)1ln(-=soS oc I I q kT V 可直接写出光伏探测器开路时响应率的表达式: )1ln(-==soS oc V I I qP kT PV R在弱光射情况下，上式可以近似为：soS oc V I I qPkT PV R ∙==将光电流P hvq I s ∙=)(η代人得: sooc V I hvkT PV R 1∙==η由于式sooc V I hvkT PV R 1∙==η可得出反向饱和电流为：dn hh p ee so A p L D n L D q I )(00+=式中0p n 、0n p 为少数载流子浓度，e D 、h D 分别为电子-空穴的扩散系数，e L 、h L 分别为电子-空穴的扩散长度，d A 为探测器的光敏面积。

由此可知，光伏探测器的响应率与器件的工作温度T 及少数载流子浓度和扩散有关，而与器件的外偏压无关，这是与光电导探测器的不相同的。

2、噪声光伏探测器的噪声主要包括器件中光生电流的散粒噪声、暗电流噪声和器件的热噪声，其均方噪声电流2N i 为：dNR f kT f qI i ∆+∆=422式中，I 为流过P-N 结的总电流，它与器件的工作及光照有关，d R 为器件电阻，因反偏工作时d R 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，则式可表示为: f I I q i s D N ∆+=)(22下面着重讨论光伏探测器在有无光照情况下的暗电流噪声a 、光照时通过器件的电流只有热激发暗电流D I 。

当器件在零偏置时，流过P-N结的电流包含正向和反向的暗电流+D I 与-D I 。

它们对总电流的贡献为零，而对噪声的贡献是叠加的，则均方噪声电流为：fI I q i D D N ∆+=-+)(22一般情况下D D D I I I ==-+,故f qI i N ∆=22同理，可以写出负偏压工作的光伏探测器的暗电流噪声，显然它只有零偏压工作时的一半。

b 、无光照时当偏压0=A V 时，流过P-N 结的电流有+D I 、-D I 及S I 。

因此，总的噪声电流均方值为: f I I I q i s D D N ∆++=-+)(22f I I q s D ∆+=)2(2有弱光照射是有D I >>S I ,则 f qI i D N ∆=42上式与无光照射时的结果相同.当光伏探测器工作在负偏压时, 0→+D I ,则式f qI i D N ∆=22即负偏压的光伏探测器的噪声功率为零偏压的一半。

3、比探测率光伏探测器*D 可表示为 2/1)(f A V R D d NV ∆=*式中N V 为光伏探测器噪声电压均方根值。

光伏探测器多以散粒噪声为主，当仅考虑散粒噪声时，在不同偏压情况下光伏探测器的比探测率可表示如下：（1）零偏压工作时，利用)1ln(-=soS oc I I q kT V 看得到光伏探测器的噪声电压均方值L D N fR qI V ∆=4，将代人2/1)(f A V R Dd NV ∆=*得fA fR qI R D d LD V V ∆∆==*4|0（2）反偏压工作时，利用式f qI i D N ∆=42得fA fR qIR D d LDV V ∆∆=<*2|0结果表明，零偏与反偏工作的光伏探测器的比探测率相差2倍。

利用光伏探测器的电流响应率I R 还可以得到*D 与零偏阻0R 的关系式， 由定义： 2/11)(f A I R D d N∆=*式中N I 为噪声电流均方值。

即： fA R f kT hcq D d ∆∆=*041ηλKTkcR A q d 20ηλ=上式表示，光伏探测器工作于零偏时，比探测率*D 与0R A d 成正比。

当入射波长一定，器件量子效率相同时，0R A d 越大，*D 就越高。

所以，零偏电阻往往也是光伏探测器的一个重要参数，它直接反应了器件性能的优劣。

当光伏探测器受热噪声限制时，提高探测率*D 的关键在于提高结电阻和界面积的乘积和降低探测器的工作温度，同时KTkcR A q D d 20ηλ=*式也说明，当光伏探测器受背景噪声限制时，提高探测率主要在与采用减小探测器视场角等办法来减少探测器接收的背景光子数。

4、光谱特性和其他选择性光子探测器一样，光伏探测器的响应率随人射光波长而变化。

近红外和可见光波段所用的光伏探测器材料多是硅和锗，其对光的吸收系数α和量子效率η与波长的关系分别如下图：通常用硅能很好的光伏探测器。

但其最佳响应波长在0.8-1.0m μ,对于1.3m μ或1.55m μ红外辐射不能响应。

锗制成的光伏探测器虽能响应到1.7m μ,但它的暗电流偏高，因而噪声较大，也不是理想的材料。