第5章 光伏探测器ppt课件.ppt

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1、光电信号检测第五章光伏探测器9/1/20211光伏探测器是利用半导体p-n结光生伏特效应制成的探测器。属于“结”型光伏探测器。按照“结”的种类不同，又可分为pn结型、pin结型、金属－半导体结型（肖特基势垒型）和异质结型等。最常用的光伏探测器有光电池、光电二极管、光电三极管、pin管、雪崩二极管等。第五章光伏探测器9/1/20212光伏探测器与光电导探测器相比较，主要特点在于：(1)产生光电变换的部位不同，光电导探测器是均值型；而光伏探测器是结型，只有到达结区附近的光才产生光伏效应。(2)光电导探测器没有极性，工作时必须外加偏压；而光伏探测器有确定的正负极，可

2、以加也可以不加偏压工作。(3)光电导探测器的光电效应主要依赖于非平衡载流子中的多子产生与复合运动，驰豫时间较大，响应速度慢，频率响应性能较差；而光伏探测器的光伏效应主要依赖于结区非平衡载流子中的少子漂移运动，弛豫时间较小，响应速度快，频率响应特性好。(4)雪崩二极管和光电三极管还有很大的内增益作用，不仅灵敏度高，还可以通过较大的电流。9/1/20213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。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金属与半导体接触形成的肖待基势垒都存

3、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和空穴，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的扩散运动。但电子和空穴的迁移率不等，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。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，称为光磁电效应。通常把丹倍效应和光磁电效应称为体积光生伏特效应。§5-1光生伏特效

4、应9/1/20214一、由势垒效应产生的光生伏特效应产生这种电位差的机理是利用势垒形成的内建电场将光生电子和光生空穴分开，这种势垒可以是pn结、异质结或者是肖特基势垒。当光未照射时，p区和n区的多数载流子就会向对方扩散，这样在两种材料的接界处形成正负离子组成的空间电荷层及相应的由n区指向p区的内建电场。该电场阻止两边载流子的扩散，在界面处形成一个稳定的内建电场E内。从能量角度看，在热平衡时，内建电场E内引起的电子和空穴的漂移电流和扩散电流相平衡，在pn结区形成了—个势垒，电子在n区具有较低的势能，在p区有较高的势能，空穴则反之。因此，n区电子和p区的空穴要想从

5、一区进入另一区都需要提供能量。PN阻挡层E内电势能对空穴对电子x无光照，多数载流子扩散→内建电场热平衡时，扩散电流和漂移电流平衡→势垒9/1/20215在恒定光照下，只要入射光子的能量比半导体禁带宽度大(hv≥Eg)，在结区、p区和n区都会引起本征激发而产生电子——空穴对。光生载流子会扩散，在每个区域，非平衡的光生少数载流子起主要作用，p区的少数载流子是电子，只要在此区域所产生的光生电子离结区的距离x小于电子的扩散长度Ln(光生电子从产生到与空穴复合的时间内移动的平均距离)，便可靠扩散从p区进入结区而被内建电场E内加速趋向n区；光照时，光生载流子（少数载流子）

6、在内建电场作用下扩散，降低势垒，削弱内建电场→光生电动势PN阻挡层E内入射光在三个区域的光生载流子，靠扩散和内建电场实现了正负电荷的分离，使电荷累积到结两边p侧带正电n侧带负电，从而削弱了内建电场，降低了势垒高度，这犹如在pn结上施加正向电压一样，这就是光生电动势。如果将这样的pn结与外电路相连，就有电流流过外电路，所以pn结起了电池的作用。同理，在n区，空穴是少数载流子，只要光生空穴离结区距离x小于空穴的扩散长度Lp，便可靠扩散进入结区，被内建电场加速趋向p区；在结区产生的电子空穴对，被内建电场加速分离到两边。9/1/20216如果在外部把p区和n区短接，则

7、由结区势垒分开的光生载流子就会全部流经外电路，于是在电路中就产生了光电流，称为短路电流。短路电流和光生电动势可由pn结的基本特性求得。R0——V＝0处的动态电阻光生电流：光生电动势：电压响应率：9/1/20217二、由载流子浓度梯度引起的光生伏特效应当用hν足够大的光照射一均匀半导体的表面时，由于半导体对光的吸收，在半导体的近表面层中产生高浓度的光生非平衡电子空穴对。这样就造成从半导体近表面指向体内的载流子浓度梯度。在浓度梯度推动下，两种载流于都沿光照的方向向半导体内部扩散。按扩散定律，电子和空穴形成的扩散电流密度分别为总的扩散电流密度为9/1/20218Dn

8、、Dp分别表示电子和空穴扩散系数。由于