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1、光电检测技术3剖析§3.1结型光电器件工作原理3.1.1.热平衡状态下的PN结在热平衡条件下，PN结中净电流为零。有外加电压时结内平衡被破坏，这时流过PN结的电流方程为?3.1.2.光照下的PN结1.PN结光伏效应PN结受光照射时，在结区产生电子-空穴对。受内建电场的作用，空穴顺着电场运动，电子逆电场运动，最后在结区两边产生一个与内建电场方向相反的光生电动势称为光生伏特效应。想一想方程的表达形式?PN结反偏,耗尽层变宽,内电场加强,漂移运动增强,形成漂移电流.漂移电流方向为:电源正-N-P-电源负,方向正好和扩散电流相反,所以
2、叫反向电流.反向电流由少数载流子产生,而少数载流子低且环境温度不变时,其浓度也不变;更需要注意的是外加反向电压达一定值后,因少子有限,这时,反向电流基本不随外加电压增加而增加,这时反向电流叫反向饱和电流,其值小,但随温度变化剧烈.2.光照下PN结的电流方程结型光电器件有两种工作模式:光伏工作模式和光电导工作模式在零偏置的开路状态，结型光电器件产生光生伏特效应，称为光伏工作模式。在反偏置状态，无光照时结电阻很大，结电流很小；有光照时，结电阻变小，电流变大，而且流过它的光电流随照度变化而变化，称为光电导工作模式。?2DR型硅光电池
3、是以P型硅作基底，2CR型光电池则是以N型硅作基底，然后在基底上扩散磷（或硼）作为受光面。构成PN结后，分别在基底和光敏面上制作输出电极，涂上二氧化硅作保护膜，即成光电池。结构示意图符号电极结构为便于透光和减小串联电阻3.2.1.硅光电池的基本结构和工作原理硅光电池按基底材料不同分为2DR型和2CR型。工作原理如下图所示硅光电池的电流方程光照特性有伏安特性、照度-电流电压特性和照度-负载特性。3.2.2.硅光电池的特性参数1.光照特性特性参数主要有：光照特性、光谱特性、频率特性、温度特性式中，ID是结电流，I0是反向饱和电流，
4、是光电池加反向偏压后出现的暗电流。不同照度时的伏-安特性曲线.一般硅光电池工作在第四象限。若硅光电池工作在反偏置状态，则伏安特性将延伸到第三象限硅光电池电流方程式当E=0时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。在要求输出电流与光照度成线性关系时，负载电阻在条件许可的情况下越小越好，并限制在强光照范围内使用当RL=∞(开路)时，光电池的开路电压，以Voc表示当RL＝0时所得的电流称为光电池短路电流，以Isc表示实际应用时，都接负载，光电池光照与负载的特性曲线Voc在线性测量中,光电池常以电流形式使用,因此短
5、路电流的这种线性关系是光电池重要的光照特性这就是硅光电池的开路电压和短路电流与光照的关系,由此图可看出什麽?2CR型硅光电池的光谱曲线，其响应范围为0.4～1.1μm，峰值波长为0.8～0.9μm，是非常适合人眼的光电池2.光谱特性光谱响应特性表示在入射光能量保持一定的条件下，光电池所产生的短路电流与入射光波长之间的关系，一般用相对响应表示。线性测量中，要求光电池有高的灵敏度和稳定性，同时要求与人眼视见函数有相似的光谱响应特性。锗光电池长波响应宽，适合作红外探测器几种常见光电池的相对光谱响应曲线:硒光电池与人眼视见函数相似，砷
6、化镓量子效率高，噪声低，响应在紫外区和可见光区。由图可见，负载大时频率特性变差，减小负载可减小时间常数τ，提高频响。但是负载电阻RL的减小会使输出电压降低，实际使用时根据具体要求而定。3.频率特性对矩形脉冲光，用光电流上升时间常数tr和下降时间常数tf来表征光电流滞后于光照的程度；对正弦型光照常用频率特性曲线表示结型光电器件，PN结内载流子的扩散、漂移，产生与复合都需要一定的时间，当光照变化很快时，光电流变化就滞后于光照变化。右图为硅光电池的频率特性曲线。4．温度特性光电池的温度特性曲线主要指光照射时它的开路电压Uoc与短路电
7、流Isc随温度变化的情况。光电池的温度特性曲线如下图所示从图知开路电压Uoc随着温度的升高而减小,其值约为2～3mV/oC;短路电流Isc随着温度的升高而增大，但增大比例很小，约为10-5～10-3mA/oC数量级。3.3.1.硅光电二极管结构及工作原理§3.3硅光电二极管和硅光电三极管制作光电二极管的材料有硅、锗、砷化镓、碲化铅等，目前在可见光区应用最多的是硅光电二极管。光电二极管是基于PN结的光电效应工作的，它主要用于可见光及红外光谱区。光电二极管通常在反偏置条件下工作，也可用在零偏置状态。硅光电二极管的结构和工作原理与硅
8、光电池相似，不同的地方是：④光电池的光敏面面积比硅光电二极管的光敏面大得多，因此硅光电二极管的光电流小得多，通常在微安级。①制作光电池衬底材料的掺杂浓度比硅光电二极管高:光电池为1016～1019原子数／厘米3，硅光电二极管为1012～1013原子数／厘米3；②光电池的电阻率
