光电检测技术 第四章讲解

如图4-3所示，一个PN结光伏探测器就等效为一个普 通二极管和一个电流源（光电流源）的并联，它的工作模 式则由外偏压回路决定。如图（c）所示，在零偏压的开 路状态，为光伏工作模式。如图（d）所示，当外回路采 用反偏电压Ub，即外加P端为负，N端为正的电压时。无光 照时的电阻很大，电流很小；有光照时，电阻变小，电流 就变大，而且流过它的光电流随照度变化而变化。从外表 看，PN结光伏探测器与光敏电阻一样，同样也具有光电导 工作模式，所以称为光导工作模式.
光电池的特性参数
第4章
光伏特探测器
掌握内容
光伏特探测器原理和特性。
理解内容
光伏探测器的电路偏置
了解内容
第四章
主要内容
§4.1光伏特效应 §4.2光伏探测器的工作模式 §4.3光电池 §4.4硅光电二极管和三极管
§4.1光生伏特效应
内光电效应 光生伏特效应： 光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在 PN 结上产生电动势的效应。 为什么PN结会因光照产生光生伏特效应呢？

具有这种性能的器件有： 光敏二极管、光敏晶体管.
有光照反偏压流过PN结的电流方程：
I=Is0(eqU/KT1) Ip
如果给PN结加上一个反向偏置电压U，外加电压 所建的电场方向与PN结内建电场方向相同，则PN 结的势垒高度由eVD增加到eVD＋eU，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。 在光照反偏条件下工作时，观察到的光电信号是 光电流，而不是光电压，这便是结型光电探测器 的工作原理。从这个意义上说，反偏PN结在光照 下好像是以光电导方式工作，但实质上两者的工 作原理是不同的。
光电池工作原理图
光电池结构
光电池的工作原理
（a）光电池工作原理图 （b）光电池等效电路图 （Baidu Nhomakorabea）进一步简化 图4-7 光电池的工作原理图和等效电路
I L I P I D I P I s 0 (e
qv / KT
1)
光电池的特性参数
①光照特性 • 开路电压，光生电动势与照度之间关系称开 路电压曲线，开路电压与光照度关系是非线 性关系，在照度2000lx下趋于饱和。 • 短路电流，短路电流与照度之间关系称短路 电流曲线，短路电流是指外接负载RL相对内 阻很小时的光电流。
有下面两种情况： • 不加偏压的PN结 • 处于反偏的PN结
§4.1光生伏特效应
一、半导体P-N结
无光照P-N结
无光照流过PN结的电流方程：
I d I s 0 (e
qU / KT
1)
一、半导体P-N结
光照射P-N结
• 不加偏压的光照PN结
当光照射在PN结时，如果电子能量大于半导体禁带 宽度（E0 ＞ Eg）,可激发出电子——空穴对，在 PN结内电场作用下空穴移向P区，而电子移向N区， 使P区和N区之间产生电压，这个电压就是光生电动 势。如果用一个理想电流表接通PN结，则有由N区 流向P区的电流Ip通过，称为短路光电流。 基于这种效应的器件有 光电池
下图示出了p-n结在光伏工作模式下的等效电路：
4.3 光电池（有源器件）
光电池工作原理也是基于光生伏特效应，可以直 接将光能转换成电能的器件。有光线作用时就是电 源，广泛用于宇航电源，另一类用于检测和自动控 制等。 光电池种类很多，有硒光电池、锗光电池、硅光 电池、砷化镓、氧化铜等等。
光 电 池 符 号
光电池（有源器件）
太 阳 电能 警供 示
太阳能手机充电器
LED
太 阳 能 电 池
光电池（有源器件）
结构：光电池实质是一个大面积PN结，上电极为栅 状受光电极，下电极是一层衬底铝。 原理：当光照射PN结的一个面时，电子——空穴对 迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关 的电动势。一般可产生0.2V～0.6V电压50mA电流。
I=Is0(eqU/KT1) Ip
有光照无偏压流过PN结的电流方程： 有光照时，若p-n结外电路接上负载电阻 RL ，如 下图所示，此时p-n结内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，在内建电场 Ip 作用下，形成的光生电流 ，它与光照有关，其 I 方向与p-n结反向饱和电流 相同；另一种是光 Ip 生电流 流过负载 产生电压降，相当于在p-n RL ID 结施加正向偏置电压，从而产生正向电流 。
(另解)有光照无偏压流过PN结的电流方程： PN结中光生电子与空穴的流动，使P区的电势增高， 这相当于在PN结上加一正向偏压U，这个正向电压使 PN结势垒由eVD降至eVD－eU。同时，这个正向电压还 引起电流Id＝Is0(eqU/KT1)流过PN结，Id的方向正好 与上述光电流Ip的方向相反。所以，在入射光辐射 作用下流过PN结的总电流为
P-N结的电流电压特性
–
– –
正向偏置：无光电效应 反向偏置：光电导工作模式 零偏置：光伏特工作模式
图4-2 光照下PN结及其伏安特性曲线
§4.2 工作模式
根据光照PN结时流过p-n结的电流，可画出在不同照 度下PN结光电器件的伏安特性曲线。
第一象限正偏压， Id本来就很大，所 以光电流Ip不起重 要作用。第三象限 反向偏压，这时Id ＝Is0，它是普通二 极管中的反向饱和 电流，现在称为暗 电流（对应于光照 度E＝0），数值很 小，这时的光电流 （等于I-Is0）是流 过探测器的主要电 流，对应于光导工 作模式。 在第四象限中， 外偏压为0，流 过探测器的电 流仍为反向光 电流。随着光 功率的不同， 出现明显的非 线性。这时探 测器的输出通 过负载电阻RL 上的电压或流 过RL上的电流 来体现，因此 称为光伏工作 模式。
s0
流过p-n结的总电流是两者之差：
I L I D I P I s 0 (e
qv / KT
1) I P
以p-n结的正向电流 I D 的方向为 正方向
一、半导体P-N结
• 处于反偏的PN结：
无光照时，反向电阻很大，反向电流很小； 有光照时，光子能量足够大产生光生电子 —空穴对， 在PN结电场作用下，形成光电流， 电流方向与反向电流一致，光照越大光电流越大。