光伏探测器

5、光敏二极管的类型
（2）扩散型PN结光敏二极管
结构：
耗尽层厚度比结的任何一边的扩散 长度都要小，它的工作区主要是结两边 的扩散区。
特点：
产生复合噪声大，频率响应特性差。
（3）耗尽层型光敏二极管
结构：
势垒为金属和半导体构成的肖特基势 垒，耗尽区比结的任一边的扩散长度大， 光电转换区域主要在耗尽层内。
硅光电池的用途大致可分为两类:
(1)当作光电探测器件使用；(2)用作电源。
作为光电探测器件，广泛用于近红外辐射探测 器，光电读出，光电耦合，激光准直，光电开 关以及电影还声等。这类应用要求光电池照度 特性的线性度好。
作为电源，广泛用作太阳能电池，作为人造卫 星、野外灯塔、无人气象站、微波站等设备的 电源使用。此类应用要求价廉，输出功率大。
B、伏安特性
a、当不加反偏压时，与光电池相同的作用。 b、光生电流随外加反偏压的增大趋向饱 和，此时，光电流大小仅取决与光照强度。
C、光谱特性
I (%)
100
Si
Ge
80
60
40
20
4000 8000 12000 16000
影响因素：
表面层中的吸收与反射 材料：禁带宽度 设计工艺：PN结深度及表面处理
i2 ns
和电阻热噪声
i2 nT
in2 in2s in2T
i2 ns
Cj
RL
i2 nT f
2eis
ib
id
f
4 K BTf RL
1
un inRL 2e is ib id RL2f 4KBTRLf 2
5、光敏二极管的类型
（1）点接触光敏二极管
特点：
光敏面很小，势垒 电容很小，时间响 应快，频率特性很 好。
2、当电压等于反向击穿电压时，电流增益可 达106，即产生所谓的自持雪崩。
3、管子响应速度特别快，带宽可达100GHz， 是目前响应速度最快的一种光电二极管。
4、噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。
N+P型硅光电池具有较强的抗辐射能力，适合空间应用， 作为航天的太阳能电池，即国产2DR。
2、光电池的特性参数
（1）伏安特性（输出特性）
PN结作光电池使用时，在有光照 条件下，光电流与输出电压的关系。
等效电路
光电池等效为一个普通晶体二极管 和一个恒流源（光电流源）的并联。
符号
连接电路
其中：
qU
I(%)
光电池的频率响应曲线
100
1K
80
60
40
100K 10K
20
f (Hz)
102
103
104
硅光电池频率特性与负载关系曲线
在交变光照射下，光电池的响应时间R=CRL ，而 结电容C与器件面积成正比，故要 f 较好，需选用小面 积光电池。
（5）温度特性
光电池的温度特性曲线是描述开路电压与短路电流随温 度变化的情况 。当光电池接受强光照射时必须考虑工作 温度。如硒光电池超过50C或硅光电池超过200C时， 它们会因晶格被破坏而导致器件的破坏。
Isc (mA / cm2 )
U oc 5
U oc (V ) 0.4
4 0.3
3
I sc
0.2
2
1
0.1
0 2000 4000 6000 8000 10000
E(Lx)
I (mA)
10
100 101 102 103 104
10
10 100
1000
E(Lx) 100 101 102 103 104
硅光电池光照特性
PIN管的结构特点：在P型层和N型层之间 夹着一层（相对）很厚的本征半导体。
前极（）
SiO2
P
I N
后极（）
优点：
（1）使PN结的结间距拉大，结电容变小， 频带宽，可达10GHz，提高了频率响应， 响应时间1~10ns，最高可达0.1ns。 （2）由于内间电场集中于本征层，使耗尽 层厚度增加，增大了对光的吸收和光电转 换，提高了转换效率。
ຫໍສະໝຸດ Baidu特点：
响应时间短，频率响应高，灵敏度高。
缺点：金属面为入射面，金属反射率 高，所以必须涂一层抗反射层。
（4）异质结光敏二极管
结构：
带隙不同的两种半导体材料做成异质 PN结，通常以Eg较大的材料作为光敏面。
特点：
具有滤波作用，可作窄带自滤波探测 器。另外背景噪声低，量子效率高。
四、 PIN硅光电二极管
①结面积比光电池小，因而输出电流普遍比光 电池小，一般为几μA几十μA。 。
②光电池衬底材料掺杂浓度高（5个数量级左 右），因而光电池的电阻率低。
③光电池多工作在零偏，但光敏二极管更常在 反偏压下工作（光导型、光伏型结合)。
工作状态：PN结反偏
3、光电二极管的结构和原理
按组成材料分 ：硅光电二极管、锗光 电二极管、化合物型光电二极管
3、常见的光伏探测器
利用半导体PN结光伏效应制成的器件称为光 伏器件，也称结型光电器件。
这类器件品种很多，其中包括各种 光电池、 光电二极管、 光电晶体管、 光电场效应管、PIN管、雪崩光电二极管、 象限式光电器件、位置敏感探测器（PSD） 光电耦合器件等。
二、光电池
光电池是根据光生伏特效应制成的直接把光能转变 成电能的光电器件故称为光生伏特电池，简称光电 池。光电池核心部分是一个PN结，一般作成面积 大的薄片状，来接收更多的入射光。
PN结的零偏状态
光照零偏p-n结产生光
生载流子，少子在内 电场的作用下，电子 向N区漂移、使在N区 的边界呈负极性，空 穴向P区漂移，使在P 区的边界呈正极性， 此时产生开路电压， 短路光电流。此为光
电池的工作原理。
PN结反偏状态
光照反偏条件：当 入射光波照射于反 偏置PN结时，产生 光生载流子，少子 在增强的内电场的 作用下，形成了大 于反向饱和电流的 光电流。此为光电 二极管的工作原理。
1、光电池的结构原理
扩散
光照
由光照产生的电子和空穴在内电 场的作用下才形成光生电动势和光电 流。但光电池的光电效率非常低，最 高也只能是百分之十几。
国产同质结硅光电池按照基底材料的不 同，分为2DR与2CR型。
防反射膜
+
(SiO2)
P
N
SiO2
-
pn结
p
n
RL
+
-
在地面上用作光电探测器的多为P+N型，即国产2CR型。
100
100
80
80
60
60
40
40
20
20
2000 4000 6000 8000 10000 12000
2000 4000 6000 8000 10000 12000
光电池的光谱响应特性曲线
硅蓝光电池的光谱响应曲线
（4）频率特性
当光照射光电池时，由于载流子在结区内扩 散、漂移都要有一个时间过程，所以产生的 光电流有滞后于光照变化的现象。
三、光电二极管
1、光敏二极管与普通二极管比较
共同点： 都有一个PN结，具有单向导电性。
不同点：
①光敏二极管受光面大，PN结面积更大，PN结 深度较浅（提高光电转换能力）。表面有防 反射的SiO2保护层。
②光敏二极管工作在负偏压。二极管一般工作 在正向偏压。
2、光敏二极管与光电池相比
共同点：基本结构都是一个PN结 不同点：
2CU型光电二极管
前极
SiO2
P (B)
N (Si)
RL
Al
后极
２ＣＵ光电二极管结构示意图
光电二极管电路符号
Ip Cp
RL
光电二极管等效电路
4、工作特性
A、光照特性
I (A)
60 50 40 30 20 10
0 250 500 750 1000 1250 E
光电二极管的光照特性曲线
光照特性线性好，适用于检测
硅光电池光照特性与负载电阻关系
光电池光照特性：
负载RL上的输出电功 率与入射光功率之比：
PL U LS LLS
PP
1、Voc与光照E成对数关系；典型值在0.450.6V。作电源时，转化效率10%左右，最大 15.5-20%。
2、Isc与E成线性关系，常用于光电池检测， Isc典型值 35-45mA/cm2。 3、RL越小， I线性度越好，线性范围越宽。
五、雪崩光电二极管(APD)
雪崩光电二极管是借助强电场作用产生载流 子倍增效应(即雪崩倍增效应)的一种高速光 电器件。
由于存在因碰撞电离引起的内增益机理，雪崩 管具有高的增益和极快的时间响应特性。
雪崩倍增效应：在光电二极管的p-n结上
加一相当高的反向偏压，使结区产生一个很 强的电场，当光激发的载流子进入结区后， 在强电场的加速下获得很大的能量，与晶格 原子碰撞而使晶格原子发生电离，产生新的 电子-空穴对，新产生的电子-空穴对在向电 极运动过程中又获得足够能量，再次与晶格 原子碰撞，又产生新的电子-空穴对，这一过 程不断重复，使p-n结内电流急剧倍增。
I S E I s (e kT 1)
当 U 0 时 Isc I p S E
光电池短路时，短路电流等于光电流， 与入射光照呈线性关系。
当
I 0时
U oc
kT e
ln( I p I0
1)
光电池开路时，开路电压与光照之间
成对数关系，它随光照度的增加而增
加的很小。如
Ip
ID ，则
U oc
kT e
雪崩型光电二极管的光电流倍增系数即内增益Ｍ （倍增因子）定义为：倍增光电流 I L 与不发生倍 增效应时的光电流I L0之比。即
M IL
1
I L0 1 (U U B )n
n 为调整参数，它与半导体材料、器件结构和
入射光波长。
雪崩型光电二极管的特点：
1、管子工作电压很高，约100～200V，接近 于反向击穿电压。产生很高的内增益，灵敏度 高，适于弱光检测 。
按衬底材料的不同，硅光电二极管分 为2CU和2DU两种系列。
2DU型光电二极管
()
SiO2
N (P) P(Si)
()
前极
环极
RL
RL SiO2
N
N
N
P
后极
2DU 光电二极管结构示意图
2DU管加环极的目 的是为了减少暗电流 和噪声。
带环极的 2DU 型光电二极管结构示意图
前极
后极
环极
RL
带环极的简化电路图
光电池的伏安特性决定负载电阻的选取
（3）光谱特性
光电池的光谱特性主要取决于所用的材料与
制作工艺（如结的深浅），也与使用温度有 关。 硅光电池光谱响应范围0.4-1.1，峰值波 长0.8-0.9，硒光电池光谱响应范围0.34-0.75， 峰值波长0.54。
I (%)
I (%) Si蓝 Si
Se
Si
D、温度特性
温度特性是指光电二极管在偏压不变 和照度不变的情况下，光电流和暗电流随 温度的变化情况。
I (A)
80
2CU
60
2DU
40
20
0 40 20 0 20 40 60
I d (A)
100
101
2DU
2CU
T (C)
102 103
50 100 150 200
T (C)
光电二极管受温度影响最大的是暗电流。因此， 探测恒定光时，必须考虑温度的影响。
§3.4 半导体光伏型检测器件
一、光生伏特效应
光生伏特效应是光照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。这种现象称为光生伏 特效应。
如果光电导现象是半导体材料的体效应， 那么光伏现象则是半导体材料的“结”效 应。
1、PN结的光生伏特效应
2、PN结的工作状态
ln( I p ) I0
一般而言， 约为0.45~ 0.6V, 电流密度约 为150 ~300A/m2。在实际工作中，两者是通过测 量获得，当光电池在一定光照下，使其两端开路，
用高内阻的直流毫伏表或电位差计接在其两端，
测出 ，用低电阻电流表短接，其示值为 。
（2）光照特性
光电池的光照特性是指光生电动势、 光电流与照度之间的关系。
要提高频率响应必须做到以下几点：
1、合理的结面积（小的结面积可使Cj减小， 但相同光照下，光电流也较小）；
2、尽可能大的耗尽层厚度； 3、适当加大使用电压； 4、减小结构所造成的分布电容。
G、噪声特性
由于光电二极管常常用于微弱光信号的探测， 因此了解它的噪声性能是十分必要的。
对高频应用，两个主要的噪声源是散粒噪声
E、势垒区的厚度与电容
势垒区的厚度越大，结电容就越小， 从而二极管的频率响应特性越好。
结电容还与结面积有关，结面积越小， 电容越小。
F、频率特性
硅光电二极管的频率特性是半导体光 电器件中最好的一种，适宜于快速变化的 光电信号探测。
RC
RL
u
iφ
Rd
Cj
iC
iC
实际电路
(a)
光敏二极管的频率响应，主要由载流子 的渡越时间和RC时间常数决定。
按用途分为： 太阳能光电池：直接将太阳能转换成电能 测量光电池 ：将光信号转换成电信号
按材料分为： 硅光电池 硒光电池 砷化镓光电池 锗光电池 硫 化镉光电池
目前最受重视的是硅光电池与硒光电池。
硅光电池：价格便宜，光电转换效率高，光谱响 应范围宽，寿命长 ，稳定性好，频率特性好，耐 高温。
硒光电池：价格便宜，它的光谱响应曲线和人眼 的光谱光视效率曲线形状很相似，因此用在与人 眼视觉有关的测试中。