第04章光伏探测器(zm2014秋)
光伏探测器详解PPT课件
第四象限：零偏压光伏工作模式。
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有光照时，若PN结外电路接上负载电阻 ,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 ,它与光照有关， 其方向与PN结方向饱和电流 相同;另一种是光生电流 流过负载电阻 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 ，总电流 是两者之差， 可编即辑课流件 过负载的总电流为： 10
在p-n结施加正向偏置电压，从而产生电 流ID。
流过负载的总电流是两者之差：
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（2）反向偏置的光电导工作模式 无光照时电阻很大，电流很小；有光照时，电阻 变小，电流变大，而且流过它的光电流随照度变 化而变化。类似光电导器件。
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（3）正向偏置的工作模式 呈单向导电性，和普通二极管一样，光电 效应无法体现。
当光伏探测器受热噪声限制时提高探测率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ppt精选版19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
光电子技术课堂展示 ——光电探测器
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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，
zm光伏探测器
SE为光照灵敏度
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Figure. Current vs. voltage characteristic 9
讨论：
1）负载电阻RL断开时IL=0，pn结两端的电压 为开路电压V0c
V0c
kT ln(1 I p )
q
I0
通常Ip》I0
V0c
kT q
ln(
Ip I0
)
kT q
ID
Ip
P
N
IL
RL
正偏工作原理
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无光照时，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，产 生光电流，方向与I0相同， 因此曲线将沿电流轴向下 平移，平移的幅度与光照 度的变化成正比。当pn结 加反偏压时，暗电流随之 增大，而光电流Ip几乎与 反压的高低无关。
第一象限：正向偏置工作 模式，光电流不起作用， 这一区域工作没有意义。
3
3.3.1 光伏器件原理
4
一、热平衡下的p-n结
pn结中电子向P区，空穴向n区扩散，使p区带负电，
n区带正电，形成由不能移动离子组成的空间电荷区
（耗尽区），同时出现由耗尽层引起的内建电场，并阻
止电子和空穴继续扩散，达到平衡。在热平衡下，由于
pn结中漂移电流等于扩散电流，净电流为零。但是如果
有外加电压时结内平衡被破坏，这时流过pn结的电流方
光伏模式时，因是无偏压工作，暗电流产生的散粒噪声 小，无低频噪声。无光照时仅有热噪声，故信噪比较高。 在低频工作时具有优势。但截止频率较低，长波灵敏度 略小一些。
15
三、微变等效电路
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3.3.2 光伏器件性能参量
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一、响应率 二、噪声 三、光谱特性 四、频率特性 五、背景限
第04章_光伏探测器A 20141030
Cj 与负载电阻 RL 所决定的
扩散时间～10-9s
电路时间常数 τe。
漂移时间～10-11s
电路时间常数 1.5×10－9 s
光伏效应示意图
如何计算？ 光敏区薄，缩短扩散时间
4.1 光伏探测器的原理和特性
（2）频率特性： 仅考虑电路时间常数
e RLCj
哪些因素决定？
1
fHC 2π e
在反向偏置状态，PN结势垒区加宽，有利于光生载
反的光生电场，其方向由P区指向N区。此电场使势垒降低，
其减小量即光生电势差，P端正，N端负。
♥ 只要光照不停止，这个光生电压将永远存在。
2021/6/24
4
这时用电压表就能测量出p区正, n区负的 开路电压un，称为光生伏特效应。如 果用一个理想电流表接通p-n结，则有 电流i0通过．称为短路电流。
2DR: N型硅为受光面
2CR：P型硅为受光面
防反射膜，同时也可以起到防 潮、防腐蚀的保护作用
（2）光电特性
伏安特性 硅光电池的伏安特性，表示输出电流和电压随负载电阻变 化的曲线。伏安特性曲线是在某一光照下，取不同的负载电 阻所测得的输出电流和电压画成的曲线。
（2）光电特性
4.2 常用光伏探测器
第四象限：光伏模式 光电池的工作区域
4.1 光伏探测器的原理和特性
PN 结无外加偏压；流过光伏探测 器的电流随着光照变化，其电流与 电压出现明显的非线性。光伏探测 器的输出电流流过外电路负载电阻 产生的压降就是它自身的正向偏压， 故称为自（生）偏压，这种工作模 式通常称为光伏模式。
伏安特性
4.1 光伏探测器的原理和特性
反向偏置之分；而结型器件因p-n结的存在， 有正向偏置、反向偏置之分，且无外加电压， 也可工作，也能实现光电转换。 • 3、光敏电阻的光电流依赖于光生载流子的产 生—复合运动，弛豫时间常数大，频率响应差。 结型器件的光电流依赖于结区部分光生载流子 的漂移运动，弛豫过程时间常数小，响应速度 快。
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。
光伏探测器PPT演示课件
I (%)
I (%) Si蓝 Si
Se
Si
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
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（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。
加的很小。如
Ip
ID ，则
U oc
kT ln( I p ) e I0
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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 。
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。
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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。
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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。
光伏探测器的原理与应用
光伏探测器的原理与应用1. 原理介绍光伏探测器（Photovoltaic Detector）是一种将光能直接转化为电能的器件。
它利用光电效应原理，将吸收的光子能量转化为电荷或电压信号。
光伏探测器是光电探测器的一种重要类型，广泛应用于光通信、光谱分析、环境监测、太阳能电池等领域。
主要的光伏探测器类型包括：光电二极管、光电导、光电晶体管、光电效应晶体管、光电倍增管等。
下面将逐一介绍这些光伏探测器的原理和应用。
1.1 光电二极管光电二极管是一种最简单的光伏探测器，它基于PN结的正常工作原理。
当光线照射到PN结上时，光子能量会激发光伏效应，产生电子-空穴对。
这些电子-空穴对将会在电场的作用下分离，形成电流。
在应用方面，光电二极管常用于光通信、显示器亮度控制、光照度测量等领域。
由于光电二极管的结构简单，成本低廉，并且灵敏度较高，因此被广泛应用于各种光电设备中。
1.2 光电导光电导（Photocunductor）是利用半导体材料的光电效应原理制成的光伏探测器。
它的结构类似于晶体管，但没有PN结。
光电导的导电性随着入射光的强度而改变，当光照射到光电导的表面时，导电性增加，产生电流。
光电导具有光响应速度快、灵敏度高的优点。
它常用于图像传感、光谱仪、精密测量等领域。
1.3 光电晶体管光电晶体管（Phototransistor）是一种将光信号转化为电信号的光伏探测器。
它由普通晶体管和光敏元件组成。
当光照射到光电晶体管的敏感区域时，光子能量被转化为电子信号，通过晶体管的放大作用，得到较大的电流输出。
光电晶体管具有灵敏度高、应用范围广的特点。
它常用于光照度测量、光谱分析、自动控制等领域。
1.4 光电效应晶体管光电效应晶体管（Photovoltaic Transistor）是将光电二极管和晶体管相结合的光伏探测器。
它不仅能够将光能转化为电能，还可以放大信号。
光电效应晶体管的输出可以直接连接到数字电路或模拟电路中使用。
光电效应晶体管广泛应用于光通信、图像传感、光电测量等领域。
第五章 光伏型探测器
eV kT x d , p p0 e 1
微分方程的解为
eV xd x Dp x kT Qs sh p0 e 1 Sv sh ch Lp Lp Lp Lp p d Dp d Sv sh ch Lp Lp Lp
空穴电流密度为
dp j p Dpe dx x d eV Dp d d kT Sv sh Qs p0 e 1 ch Lp Lp Lp eDp d Dp d Lp Sv sh ch Lp Lp Lp
假设
d L p
第五章
光伏型探测器
第一节 光伏探测器的响应度
一、光伏型探测器的工作原理
光伏探测器的基本部分 是一个P-N结
在pn结光电二极管中的光吸收、电子-空穴
对产生和光诱导电流的示意图
波长比材料截止波长短的红外辐射被光电二极管吸收后将产生电子-空穴对
如果吸收发生在空间电荷区(结区)，电子和空穴立刻被强电场分开并在外 电路中产生光电流
电位时间流过 P - N结的光生载流子 单位 单位时间入射的光子数 I e Ps h
PN结增 量电阻：
kT kT V Ri I V 0 eJ s Ad eIs
eRi R h
提高量子产额（光生电流）
故：
提高增量电阻，即降低反向饱和电流
第二节 光伏型探测器工作方式分析
d 1 sh Lp
减小反射损失 减小受光照一侧材料的厚度d 提高载流子的扩散长度（提高少子的寿命）
sh x
x
(2) 减小反向饱和电流及增大增量电阻
Ri
第4章 光伏特探测器 (1)
课堂测验
1.解: Si光电二极管等效电路图
RL
根据公式
g ' u" gu" SP' '
SP' ' gu" 0.5 8 0.005 10 g' 0.405 ( s) u" 10
最大线性输出下，负载线正好通过M’点
(Hale Waihona Puke u" )GL g ' u"
u" 10 GL g' 0.405 0.135 V u" 40 10
课堂测验
1、用Si光电二极管测缓变光辐射，伏安特性曲线如 图所示，在入射光最大功率 P' ' 为8μW时，转折电 压为10V，反向偏置电压为40V, Si光电二极管的灵 敏度S为0.5μA/μW,结间漏电导g为0.005μS. 求:（1）画出光电二极管的等效电路图； （2）计算光电二极管的初始电导 g ' （3）计算最大线性输出时的负载RL
VM 0.6V
0.6 418mV 250mV
30A (300lx 50lx) 1 100lx 0.2 2 250mV K
计算直流偏置电阻Rb
Gb 0 (2 E0 Em ) 2VM Gb 0
Rb
1 5K RL Gb
计算输出电信号：
1 1 1 30A 7.5A I Lm Em I Lm 50lx 7.5A VLm I Lm / Gb 37.5mV PLm I LmVLm 142W 2 2 2 100lx 0.2ms
课堂测验
0 AW 5 2、已知某Si光电二极管的灵敏度为 S . ， 结间漏电导G=0.01us，转折电压U0=10V，入射光功 率P从15uW ---> 25uW，偏压Ub=50V，求最大负载 RL，输出电流ΔI，输出电压ΔU。
3-4 光伏探测器
3.4 光伏探测器（PV——Photovoltaic ）光伏探测器——利用光生伏特效应制成的光电探测器，是结型探测器。
原理：在内建电场的作用下，电子——空穴对漂移至两端，形成电压。
§3.4.1 光伏探测器的工作原理一、热平衡下的PN 结 1.几个物理参数 势垒高度 2lnA DD iN N qV kT n ⋅= 结区宽度 1/22[()]A DL A DN N W V q N N V εε+=⋅−⋅ PN 结电容 1/201[()()]2A D j A D D qN N C A N N V Vεε⋅=⋅+−2.PN 结电流方程（伏安特性曲线）1：正向导通部分2：反向截止部分3：反向击穿部分/00qV KT D I I e I =−I D ：流过PN 结的电流 I 0：PN 结的反向饱和电流 V ：加在PN 结上的正向电压 二、有光照下的PN 结1.光照下PN 结的两种工作模式当光照射PN 结时，只要入射光子能量大于材料禁带宽度，就会在结区产生电子－空穴对。
这些非平衡载流子在内建电场的作用下，空穴顺着电场运动，电子逆电场运动；在开路状态，最后在N 区边界积累光生电子，P 区积累光生空穴，产生了一个与内建电场方向相反的光生电场，即P 区和N 区之间产生了光生电压V oc２.光照下PN 结的电流方程 零偏置的光伏工作模式:光照PN 结工作原理有光照射时，若PN 结电路接负载电阻R L ,如图，在PN 结内出现两种方向相反的电流：光激发产生的电子－空穴对，在内建电场作用下，形成的光生电流I p ，它与光照有关，其方向与PN 结反向饱和电流I 0相同。
反向偏置的光电导工作模式:另一种在PN 结施加反向偏置电压，总电流是两者之差：/00qV KT L D p p I I I I e I I =−=−−光生电流: p E I S E =⋅ S E 为光照灵敏度 有光照下的伏安特性曲线如下：/00qV KT L D p p I I I I e I I =−=−−有光照下的伏安特性曲线讨论：开路电压V oc负载电阻R L 断开时I L =0，PN 结两端的电压为开路电压，用V oc 表示/00qV KT L D p p I I I I e I I =−=−− 0ln(1)p oc I kTV q I =+ 通常I p 》I 0；则：000ln()ln(p E c I S E kT kT V q I q I ⋅≈= 短路电流负载电阻短路时R L =0, 短路电流：sc p E I I S E ==⋅频率特性如果给PN 结加上一个反向电压V b ，外加电压所建电场和PN 结内建电场方向相同，使得结势垒由qV D 增加到q(V D +V b )，使光照产生的电子－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。
光伏探测器的原理和应用
光伏探测器的未来发展
多光谱光伏探测器
目前的光伏探测器大多只能响应特定波长的光。然而， 在实际应用中，往往需要同时响应多种波长的光。因此， 发展多光谱光伏探测器将成为未来的一个重要方向
安全监控：由于光伏探测器对光敏感， 因此它们可以用于安全监控系统。例 如，在机场或重要设施的安全检查中， 光伏探测器可以检测到隐藏的武器或 其他危险物品
医学成像：在医学成像中，光伏探测 器被用于各种成像技术，如光学层析 成像和荧光成像等。这些技术对于疾 病的诊断和治疗具有重要意义
空间探索：在空间探索中，光伏探测 器被用于各种目的，如测量太阳辐射、 检测星球表面的地形地貌以及研究大 气组成等
4
章节 PART
结论
结论
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章节 PART
光伏探测器的未 来发展
光伏探测器的未来发展
Annual work summary
随着科技的进步和需求的增长，光伏探测器在未来将有更多的应用领域和更高的性能要求 。以下是几个可能的趋势
高效率光伏探测器：目前的光伏探测器转换效率已经相当高，但仍有提升空间。未来 的研究将致力于进一步提高光伏探测器的转换效率和稳定性，以实现更高效的能源利 用
集成化和智能化
将光伏探测器与其他电子器件集成在一起，实现智能化 控制和数据传输，将有助于提高光伏探测器的应用范围 和性能
环境适应性
在某些应用领域，如空间探索和海洋环境监测，光伏探 测器需要能够在极端环境下正常工作。因此，提高光伏 探测器的环境适应性也是未来发展的重要方向
光伏探测器的未来发展
第4节 光伏探测器
－ － － － － － － － － － － － － － － － － － + + + + + + + + + + + + + + + + + +
P接负、N接正 接负、
内电场被加 强，少子的漂 移加强， 移加强，由于 少子数量很少， 少子数量很少， 形成很小的反 向电流。 向电流。
P
IR
内电场 外电场
PN结的电容效应 结的电容效应
(2) 势垒电容CB
第2章 光接收器件
第4节 光伏探测器
PN结的单向导电性 PN结的单向导电性
（1）. PN 结加正向电压（正向偏置） 结加正向电压（正向偏置） PN 结变窄 P接正、N接负 接正、 接负 接正
－－ － － － － －－ － － － － －－ － － － － + + + + + + + + + + + + + + + + + +
第2章 光接收器件
第4节 光伏探测器
光电二极管的特点
• 与光敏电阻比：微分电阻与光照无关 • 工作波长：本征、掺杂、可改变 • 量子效率
第2章 光接收器件
第4节 光伏探测器
第2章 光接收器件
第4节 光伏探测器
PN结的形成 PN结的形成
空间电荷区也称 PN 结
少子的漂移运动 P 型半导体
－ － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － －
内电场越强，漂移运 内电场越强， 动越强， 动越强，而漂移使空间 电荷区变薄。 电荷区变薄。
第七章. 光伏探测器
光电导探测器：主要依赖非平衡载流子中多子的产生与复合 运动，弛豫时间较大。响应速度慢，频率响应性能较差。 4.主要用途：光度测量、光开关、报警系统、图像识别、自 动控制等n个方向。
§5-1光生伏特响应与光伏探测器的工作原理
定义： 光生伏特效应：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。
概述： 1.定义：利用半导体光生伏特效应而制成的探测器。 2.分类：pn结型、pin结型、金属-半导体结型和异质结型 光电池、光电二极管、光电三极管、pin管、雪崩二极管。 3.主要特点： ①结型器件，只有到达结区附近的光才会产生光电效应。 光电导器件：均值型，光不论照在它的哪一个部分，受光 部分的电导率都要增大。 ②有确定的极性，不需外加偏压也可以把光信号变为电信号 光电导探测器没有极性，工作时必须外加偏压。 ③光伏效应主要依赖于结区非平衡载流子中的少子漂移运 弛豫时间较小，响应速度快，频率响应特别好。 特例：光电三极管、雪崩二极管内有内增益，灵敏度较高
IM IR
②雪崩光电二极管的噪声 由雪崩过程引起的散粒噪声为
i NM 2eIM k f 2e( I D I P ) M k f
2
式中k与雪崩光电二极管材料有关。对于锗管，k=3， 硅管k为2.3～2.5 上式又可改写为
i NM 2e( I D I P ) M 2 F f
2
情况1：不均匀半导体 PN结：同质掺杂 异质结：不同质的半导体 肖特基势垒：金属和半导体 内在电场： 光→半导体→电子空穴对 内电场 运动→积聚→电位差 情况2：均匀半导体 体积光生伏特效应，没有内电场。 光→半导体的一部分→电子空穴对→浓度不同→扩散→扩散 速度不同→电荷分开→光生电伏（丹信效应） 电子空穴对 外加磁场 两种电荷分开→（光磁电效应） 丹信效应 体积光生伏特效应 光磁电效应
《光伏探测器》课件
05
光伏探测器的未来发展前景
技术进步推动光伏探测器的发展
光伏探测器技术不断升级
随着新材料、新工艺和新技术的不断涌现，光伏探测器的光 电转换效率、稳定性、可靠性等性能指标得到显著提升。
光伏探测器智能化发展
结合物联网、大数据和人工智能等技术，光伏探测器将实现 智能化管理、远程监控和自适应调节等功能，提高能源利用 效率和系统稳定性。
此外，还有一批创新型企业通 过技术研发和产品创新，逐渐 在市场上占据一席之地。
主要参与者之间的竞争格局较 为激烈，市场集中度较高。
光伏探测器市场的发展趋势与未来展望
未来几年，随着技术的不断进步 和应用领域的拓展，光伏探测器
市场将继续保持稳定增长。
智能化、高效化、多功能化是光 伏探测器的发展趋势，企业应加 大研发投入，提升产品竞争力。
性、耐腐蚀性等。
03
光伏探测器的市场现状与趋势
全球光伏探测器市场规模与增长趋势
01
全球光伏探测器市场规模持续增长，预计未来几年 将保持稳定增长态势。
02
增长趋势受到技术进步、政策支持和市场需求等多 重因素推动，其中技术进步是关键驱动力。
03
随着光伏产业的发展，光伏探测器的应用领域不断 拓展，市场规模有望进一步扩大。
智能电网建设
光伏探测器作为智能电网的重要组成部分，有助于提高电网的稳定 性和可靠性，优化能源资源配置。
新能源汽车及充电设施
光伏探测器可为新能源汽车及充电设施提供绿色能源，促进新能源 汽车产业的可持续发展。
THANKS
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主要地区的光伏探测器市场情况
欧洲、北美和亚太地区是全球光伏探测器市场的 主要地区。
这些地区的光伏产业发展较快，对光伏探测器的 需求量较大，市场占比也较高。
科学出版社 江文杰编著《光电技术》习题答案
4-7 说明 PIN 管、雪崩光电二极管的工作原理和各自特点。PIN 管的频率特性为什么比普通 光电二极管好? 答：（一）PIN 光电二极管
工作原理：PIN 光电二极管是一种快速光电二极管，PIN 光电二极管在掺杂浓度很高的 P 型半导体和 N 型半导体之间夹着一层较厚的高阻本征半导体 I，其基本原理与光电二极管 相同。但由于其结构特点，PIN 光电二极管具有其独特的特性。如下图所示。
=
SΦ m
R1 RL
=
SΦ m
Rb Rb + RL
=
0.6 × 5 × 125 125 + 125
= 1.5μA
交流输出电压 UL 的有效值
UL = ILmRL / 2 = 1.5μA ×125kΩ/ 2 = 132.6mV
(3)上限截止频率
f HC
=
1 2πR1C1
=
1 2 × 3.14 × 125 ×103 × 6 ×10−12
科学出版社《光电技术》第 1 版习题与思考题及参考解答
第 4 章 光伏探测器
4-1 （1）证明：光电二极管输出的光电流 Ip = eηΦ0 / (hν ) ，式中：Ф0 为入射辐射功率，e
为电子电量，η为量子效率，hv 为入射光子能量；（2）通常光电二极管的内增益 M=1，不会 出现 M>1。试从光伏效应的机理上加以解释。
压，负载电阻 50Ω 自身的噪声电压）：
U
2 in
=
2eiΔf
⋅
R2
+
4kT Δf
⋅
R
=
第4章光电导探测器
光谱响应率：
光电流
I
p
(
)
qNG
q
() h
G
S() I p () q G () h
增大增益系数G可以提高光谱响应率，实际上常用的光电 导探测器的光谱响应率小于1A／W，原因是：
① 产生高增益系数的光电导探测器电极间距需很小，致使光 电导探测器集光面积太小而不实用。
② 若延长载流子寿命也可提高增益系数，但这样会减慢响应 速度，因此，在光电导探测器中，增益与响应速度是相矛 盾的。
半导体在0K时，导电载流子浓度为0。在0K以上，由于热 激发而不断产生热生载流子(电子和空穴)，它在扩散过程 中又受到复合作用而消失。在热平衡下，单位时间内热生 载流子的产生数目正好等于因复合而消失的数目。因此在 导带和价带中维持着一个热平衡的电子浓度n和空穴浓度p， 它们的平均寿命分别用τn和τp表示。
但当入射光功率在较大范围内变化，即光电导变化范围很 大时，要始终保持匹配状态是困难的。
输出电流与电压讨论： 1）高频工作时要考虑电容影响； 2）光电流Ip与入射光功率的关系： 由于半导体对光
的吸收具有非线性特性。所以光电导探测器的光电流与 入射光功率也将呈现非线性关系。
弱入射辐射时，成简单线性 强入射辐射时，成非线性（抛物线型）
§4-2 光电导探测器的特性与性能参数
一、光电导探测器的光谱特性
1. 本征光电导的光谱分布： 特点： 单峰；两端下降；长波限不明显
相对灵敏度/%
100
ZnS CdS
80
60
40
CdSe
20
0 0.3 0.5
PbSe 90K PbS
Ge
PbTe CaAs 90K
InSb
光伏探测器的原理与应用
光伏探测器的原理与应用光伏探测器是一种利用光电效应将光能转化为电能的器件。
光电效应是指当光照射到物质上时，能够使该物质中的电子获得足够的能量，从而从固体表面逸出的现象。
光伏探测器通常由半导体材料制成，具有高灵敏度和快速响应的特点，因此被广泛应用于光学系统、光通信、太阳能电池等领域。
光伏探测器的工作原理基于光电效应。
当光照射到探测器表面时，光子打击材料中的电子，使得电子跃迁到导带中，从而在导电材料中形成电子空穴对。
这样产生的电子空穴对将导致光伏探测器两端的电压产生偏移，产生电流。
探测器的材料结构和器件结构会决定其特性参数，如响应速度、灵敏度等。
1.光通信和光网络：光伏探测器被用作光通信系统中的光检测器，用于接收和转换光信号为电信号。
它们具有高速响应和低噪声的特性，可以实现高速、远距离的光信号传输。
2.光谱分析：光伏探测器可以用于分析物质的光谱特性。
根据材料对不同波长光的吸收特性，可以测量物质的组成、浓度、结构等信息。
3.激光测距和测速：光伏探测器可以用于通过测量光信号的时间延迟来实现精确的激光测距。
它们也可以用于测量移动物体的速度，通过测量多次接收到的光信号的时间差来计算速度。
4.太阳能电池：光伏探测器的最重要应用之一是太阳能电池。
太阳能电池利用光电效应将太阳能转化为电能。
光伏探测器在太阳能电池中起到接收太阳光并产生电流的作用。
5.红外成像：红外光伏探测器可以用于红外成像系统，用于检测和测量热量辐射，用于热成像、夜视、安防等领域。
总之，光伏探测器的原理是基于光电效应，将光能转化为电能。
它们具有高灵敏度和快速响应的特点，并且在光学系统、光通信、太阳能电池等领域有着广泛的应用。
随着技术的进一步发展，光伏探测器的性能还将不断提高，并且在更多的领域中得到应用。
第04章_光伏探测器B 2014.11.4
（2）从p-n结的结构设计方面考虑，在不使偏压增大的情 况下，使耗尽层扩展到整个p-n结器件。
频率特性优于光电导探测器,适宜于快速变化的光信 号探测。
2、 PIN光电二极管原理
4.2 常用光伏探测器
光电特性
照度—电流电压特性
硅光电池，Uoc 一般为0.45~0.6V，最大不超过0.756V
光电特性
4.2 常用光伏探测器 照度—负载特性是指光电池在不 同外接负载电阻条件下光电池短 路电流与入射光照度之间的关系。 光电池的短路条件是指外接负载 电阻相对于光电池内阻很小。因 光电池在不同照度下的内阻不同， 所以，在不同照度时可用不同大 小的负载近似满足短路条件。图 4-8 给出了光电池的光照与负载电 阻的特性关系：负载电阻越小， 光电流和照度的线性关系越好， 而且线性范围也越宽；此外，在 一定负载电阻的条件下，光照越 弱，其线性关系越好。
P-Si I-Si N-Si
PIN管结构示意图
PIN光电二极管原理
I 层很厚，吸收系数很小，入射光很容易进入材料内 部被充分吸收而产生大量电子 - 空穴对，因而大幅度 提高了光电转换效率，从而使灵敏度得以提高。两侧 P层和 N层很薄，吸收入射光的比例很小，I层几乎占 据整个耗尽层， 因而光生电流中漂移分量占支配地 位，从而大大提高了响应速度。
雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪 崩效应来工作的一种二极管。
雪崩光电二极管是具有内增益的一种光伏器件。它利 用光生载流子在强电场内的定向运动产生雪崩效应， 以获得光电流的增益。在雪崩过程中，光生载流子在 强电场的作用下高速定向运动，具有很高动能的光生 电子或空穴与晶格原子碰撞，使晶格原子电离产生二 次电子－空穴对；二次电子和空穴对在电场的作用下 获得足够的动能，又使晶格原子电离产生新的电子－ 空穴对，此过程像“雪崩”似地继续下去。电离产生 的载流子数远大于光激发产生的光生载流子数，这时 雪崩光电二极管的输出电流迅速增加。
光伏探测器光电特性实验讲义
光伏探测器光电特性实验光电二极管与光电池是根据光伏效应制成的pn 结光电器件，短路电流与入射光强成正比是其一个突出优点，在精确测量光强时常用作光探测器。
光敏电阻是基于光电导效应原理工作的半导体光电器件，灵敏度高，体积小，重量轻，常用于自动化技术中的光控电路。
【实验目的】1. 观测光电二极管的光电特性；2. 观测光电池的光电特性。
【仪器仪器】光电二极管，光电池，直流电源，小灯泡（6V ，0.15A ），数字万用电表两块（其中一块表有直流电流200A μ量程），电阻箱，实验暗箱等。
如图1所示。
图1 光伏探测器光电特性实验仪实验装置技术指标1．直流电源 0-4V 连续可调，显示分辨率0.01V ； 2．电阻箱0-99999.9Ω可调，分辨率0.1Ω； 3．数字万用表 电流测量分辨率0.01A μ（20A μ档）； 4．光敏电阻 暗电阻大于4M Ω；5．小灯泡额定电压6.3V ，额定电流0.1A 。
6. 传感器移动范围 约17cm【实验原理】1. 光伏效应当光照射在pn 结上时，由光子所产生的电子与空穴将分别向n 区和p 区集结，使pn 结两端产生电动势。
这一现象称为光伏效应，如图2所示。
利用半导体pn 结光伏效应可制成光伏探测器，常用的光伏探测器有光电池、光电二极管、光电三极管等。
光电池是根据光伏效应制成的pn 结光电器件。
不需要加偏压就可以把光能转化为电能。
光电池的用途，一是用作探测器；二是作为太阳能电池，将太阳能转化为电能。
光电池的结构示意图及应用电路如图3所示。
光电池的光照特性主要有伏安特性、入射光强-电流（电压）特性和入射光功率-负载特性。
2.光照下的pn 结特性 光照下pn 结的伏安特性曲线如图4所示。
无光照时，pn 结的伏安特性曲线和普通二极管的一样。
有光照时，pn 结吸收光能，产生反向光电流，光照越强，光电流越大。
光伏器件用作探测器时，需要加反偏压或是不加偏压。
不加偏压时，光伏器件工作在图4的第四象限，称为光伏图2 pn 结光伏效应原理图（b ）（a ）图3 光电池的结构示意图（a ）及基本应用电路（b ）图4 光伏探测器的伏安特性曲线工作模式。
第04章 光伏探测器
F A
B?
?
1 8
F
lP=
?
1 ? 100 ? 8
6
?
? 75kN ?m
M
F B
A?
1 8
F Pl?
7 5 k?N m
M
F BC
?
?
1 ql
8
2=
?
1 ?
8
30 ?
4
2? ? 60kN ?m
MF CB
?
0
（3）分配与传递计算（列表），
100kN
30kN/m
A
EI
B
EI
C
3m
3m
4m
分配系数 固端弯矩 分配与传递 最后弯矩
Δ 2P
?
? 1P
?
ql 4 24EI
（4）求解多余未知力： 将系数和自由项代入力法方程，得：
2l3
l3
ql 4
{
3EI X1 + 6EI X 2 + 24EI ? 0
l3
2l 3
ql 4
6EI X1 + 3EI X 2 + 24EI ? 0
解得：
1 X1 = X 2 ? ? 20 ql
（5）作最后弯矩图
q
X2
q
B
C
X1 B
C
E
E
EI=常量
EI= 常量
l
A
D
基本结构
A l
（2）写出力法方程如下：
{
δ 11 X1+δ 12 X2+Δ 1P= 0 δ 21 X1+δ 22 X2+Δ 2P= 0
（3）计算系数及自由项：
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雪崩倍增 －－光电流的放大
拉通型 RAPD（同质结）
Avalanche Absorption 雪崩区 region region 吸收区
VR
n
p
p
wabs
吸收区和倍增区分开
雪崩光电二极管工作原理动画
2.雪崩增益M
IM M I0 1 U 1 U B
n
U很低 －－没有倍增现象
结构：2CU，2DU
以P型硅为衬底的2DU型
2DU系列光电二极管 有三条引出线，除 了前极、后极外， 还设了一个环极， 减少暗电流和噪声。
以N型硅为衬底的2CU型
比较：光电二极管与光电池
表4－2和表4－1
掺杂浓度较低； 电阻率较高； 结区面积小； 通常多工作于反偏置状态； 结电容小，频率特性好； 光电流比光电池小得多，一般多在微安级
光伏探测器
载流子的漂移运动， 响应速度快 结型 有极性，可不加偏压
光电探测与信号处理
• 4.1 光伏探测器的原理和特性 • 4.2 常用光伏探测器
• 4.3 光伏探测器组合器件 • 4.4 光伏探测器的偏置电路
4.2 常用光伏探测器
4.2.1 硅光电池
4.2.2 硅光电二极管
4.2.3 硅光电三极管 4.2.4 PIN光电二极管 4.2.5 雪崩光电二极管 4.2.6 紫外光电二极管 4.2.7 碲镉汞、碲锡铅红外光电二极管
光电二极管噪声等效功率计算
仅考虑散粒噪声时
NEP
2（ e I D IW/Hz1/2
5. 光谱特性
紫外光
可见光
红外－－远红外光
光伏探测器波长响应范围
紫外光
可见光
近红外－－远红外光
光伏探测器波长响应范围
紫外光 可见光 近红外－－ 极远红外光
光电导探测器波长响应范围
U增加到接近UB －－得到很大的倍增 U超过UB －－噪声电流很大 UB为击穿电压
APD合适工作点： U接近UB，但不超过
3.噪声特性
雪崩光电二极管的噪声可近似由下式计算：
I 2qIM f
2 n k
对于锗管，k=3；对于硅管为2.3<k<2.5。 4.响应时间 （0.05~2.0ns）
响应（灵 敏）度明 显提高！
4.光伏探测器的噪声主要包括散粒噪声、暗电流噪声和热噪声。总噪声与所加偏 压有关。 5.光伏探测器的响应速度比光电导探测器快.
光电探测与信号处理
• 4.1 光伏探测器的原理和特性
• 4.2 常用光伏探测器
• 4.3 光伏探测器组合器件 • 4.4 光伏探测器的偏置电路
光伏探测器组合器件的特点： 大多在一块硅片上按一定要求制造出若干 个光伏探测器，可用来代替由分立光伏探测器 而组成的变换装置，不仅具有光敏点密集量大， 装置结构简单、紧凑、调节方便、精确度高等 优点，而且还可以扩大变换装置的应用范围。
2.短路电流比
短路电流比对应唯一单色光！
3.检测电路
U 0 U T lgI sc2 R2 lgI sc1 R1
表4－3和表4－2
光电三极管：
光照下有偏压才有输出; 输出亮、暗电流大； 光电特性“非线性”； 频率特性较差
光电开关理想元件！
光电三极管产品
光电三极管的结构和普通晶体管类似，但它的外壳留有光窗
3-3-5 QSB363-Phototransistor 技术参数参见技术文档
3-3-6 QSE113
3-3-7 集成光电器件 /
2.特性
(1)伏安特性
偏置电压：发射结正向偏置， 集电结反向偏置。偏压为零
时，无论光照度有多强， 集电极电流都为零。
(2)光电特性
硅光电三极管光电特性 硅光电二极管光电特性 光电三极管：光电特性“非线性”
(3)光电特性时间响应（频率特性）
光生载流子对发射结电容Cbe和集电结电容Cbc的充放电时间； 光生载流子渡越基区时间；
结构特点：PN之 间夹着一层（相 对）很厚的本征 半导体（I－ intrinsic）层或 轻掺杂层。
高阻、承担 大部分压降
P layer is very thin
p+
near the surface
VR
i
w
i-layer is thick about 100~101μm
n+
n layer is thin
利用高反向偏压下发生雪崩倍增效应而提高灵敏度（具
有内部增益102～104），且响应速度特别快，频带带宽可达 100GHz，足目前响应速度最快的一种光电二极管。
1.结构原理： 碰撞电离和雪崩倍增
高反压(100～200 V)
强电场 载流子加速 碰撞 新载流子
q Ip M h
APD内增益：102～103
光伏模式(零偏)
适用低频工作
长波灵敏度略小 散粒噪声小，信噪比 较高
5）等效电路 （意义：分析与计算）
I I0 e
eU / kT
1 Ip
电流源
普通二极管
2. 开路电压Uoc和短路电流Isc
I I0 e
qU / kT
1 I p
负载电阻RL→∞，开路电压 负载电阻RL=0，短路电流
4.2.1 硅光电池
工作区域：第四象限：
结构： 2CR，2DR
分类： 太阳能光电池 －－主要用作电源，转换效 (Solar Cells) 率高、成本低
测量光电池 －－主要功能是作为光电探 测用，光照特性的线性度好
光电特性
照度—负载特性
照度—电流电压特性
4.2.2 硅光电二极管 （Photodiode，简称PD）
I L I D I p I 0 (e
qV / kT
1) I p
ID
Ip
IL ID I p ID
IL
P
RL
N
正偏工作原理
正向偏置二极管模式
反向偏置光电导模式
零偏置光伏模式
4） 光伏和光导工作模式比较
光导模式(反偏)
频率特性 频率特性提高
灵敏度 噪声 长波灵敏度增加；扩展线性 区上限 散粒噪声较大
kT Uoc ln （I p / I 0 1 ） e
Isc I p S E
3. 暗电流和温度特性
电流方程
I I0 e
eU / kT
1 I p Id I p
影响：1.弱光的测量 2. 散粒噪声 减小方法： 1.降低温度 2.偏压为零 常温条件下，暗电流 硅光电二极管 ～100nA 硅PIN光电二极管～1nA
4.2.3 硅光电三极管
－－又称为光电晶体管（Phototransistor，简称PT）
光电三极管在电子线路中的符号
1.工作原理
光电转换 集电极输出电流： 光电流放大
I C I P
•NPN结构，称为 3DU型； •PNP结构，称为3CU型。
三种形式的集成光电器件
提高光电三极管的增益，减小体积
光生载流子被收集到集电极的时间；
输出电路的等效负载电阻RL与等效电容Cce所构成的RC时间。 通常，硅光电二极管的时间常数一般在0.1µ s以内，PIN和雪崩 光电二极管为ns数量级，硅光电三极管比光电二极管的时间 响应长，长达5～10µ s。
(4)温度特性
影响要比硅光电二极管大得多！
比较：光电三极管与光电二极管
4.2.7 碲镉汞、碲锡铅红外光电二极管
Hg1-xCdxTe
同一种半导体材料作光伏探测器！
思考题
思考题
小结：
1．光伏探测器根据内建电场形成的结势垒不同，有pn结、pin结、肖特基结等不 同结构。 2.APD管具有内增益，可大大提高探测器的灵敏度和响应频率，适合微弱光信号 的探测。
3.光伏探测器可以工作于零偏和反偏两种状态。
5.其它APD
（1）SAM-APD（异质结）
吸收区和倍 增区分开并 分别位于不 同材料，有 效减少隧道 电流。
（2）SAGM-APD（异质结）
SAM-APD
SAGM-APD
减少InGaAs/InP异质结大的价带不连续处电荷堆积的限制，提高内 量子效率和响应速度！
（3）新型APD
Resonate－cavity APD Waveguide APD
I p SE E
P
IL
＋
N
RL
v
-
问题：如果外电路没有 负载RL，电流怎样变化？
零偏工作原理
2）反向偏置的光电导工作模式
=0 I L I D I p I 0 (e qV / kT 1) I p
ID
Ip
I L I p
IL
P
RL
N
反偏工作原理
3）正向偏置的工作模式
很大
几种PIN型光电二极管特性参数
PIN光电二极管工作原理
PIN 原理动画 PIN 原理动画 PIN 原理动画 PIN 原理动画 PIN 原理动画 PIN 原理动画
4.2.5 雪崩光电二极管
PIN光电二极管：
(Avalanche Photodiode-APD)
提高了时间响应，未能显著提高器件的光电灵敏度。 雪崩光电二极管：
…… 高的带宽增益积 暗电流低 寄生参量小 响应速率高
控制超晶格 薄层的厚度， 可以改变探 测器响应波 长。
4.2.6 紫外光电二极管 1）蓝、紫增强型硅光电二极管
PN结浅 电子扩散长度长 表面复合速率小
190~1100nm
2）肖特基结光电二极管
金属与半导体结 量子效率高 速率高
190~760nm
二者光谱响应范围的差别？为什么？