《光伏探測(cè)器》ppt課件

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1、光電信號(hào)檢測(cè)第五章光伏探測(cè)器光伏探測(cè)器是利用半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)制成的探測(cè)器。分為有結(jié)型（常用）和無(wú)結(jié)型（不常用）。有結(jié)型光伏探測(cè)器。按照“結(jié)”的種類不同，又可分為pn結(jié)型、pin結(jié)型、金屬－半導(dǎo)體結(jié)型（肖特基勢(shì)壘型）和異質(zhì)結(jié)型等。最常用的光伏探測(cè)器有光電池、光電二極管、光電三極管、pin管、雪崩二極管等。概述7/3/20212光伏探測(cè)器與光電導(dǎo)探測(cè)器相比較，主要特點(diǎn)在于：(1)產(chǎn)生光電變換的部位不同，光電導(dǎo)探測(cè)器是均值型；而有結(jié)型光伏探測(cè)器，只有到達(dá)結(jié)區(qū)附近的光才產(chǎn)生光伏效應(yīng)。(2)光電導(dǎo)探測(cè)器沒(méi)有極性，工作時(shí)必須外加偏壓；而光伏探測(cè)器有確定的正負(fù)極，可以不加偏壓工作。(3)光電導(dǎo)

2、探測(cè)器的光電效應(yīng)主要依賴于非平衡載流子中的多子產(chǎn)生與復(fù)合運(yùn)動(dòng)，馳豫時(shí)間較大，響應(yīng)速度慢，頻率響應(yīng)性能較差；而有結(jié)型光伏探測(cè)器的光伏效應(yīng)主要依賴于結(jié)區(qū)非平衡載流子中的少子漂移運(yùn)動(dòng)，弛豫時(shí)間較小，響應(yīng)速度快，頻率響應(yīng)特性好。(4)雪崩二極管和光電三極管還有很大的內(nèi)增益作用，不僅靈敏度高，還可以通過(guò)較大的電流。7/3/20213光生伏特效應(yīng)是光照使不均勻半導(dǎo)體或均勻半導(dǎo)體中光生電子和空穴在空間分開而產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。對(duì)于不均勻半導(dǎo)體，由于同質(zhì)的半導(dǎo)體不同的摻雜形成的pn結(jié)、不同質(zhì)的半導(dǎo)體組成的異質(zhì)結(jié)或金屬與半導(dǎo)體接觸形成的肖特基勢(shì)壘都存在內(nèi)建電場(chǎng)。當(dāng)光照這種半導(dǎo)體時(shí)，由于半導(dǎo)體對(duì)光的吸收而

3、產(chǎn)生了光生電子和空穴，它們?cè)趦?nèi)建電場(chǎng)的作用下就會(huì)向相反的方向移動(dòng)和積聚而產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象是最重要的一類光生伏特效應(yīng)?！?-1光生伏特效應(yīng)PN阻擋層E內(nèi)7/3/20214對(duì)于均勻半導(dǎo)體，由于體內(nèi)沒(méi)有內(nèi)建電場(chǎng)，當(dāng)光照這種半導(dǎo)體一部分時(shí)，由于光生載流子濃度梯度的不同而引起載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。但電子和空穴的遷移率不等，由于兩種載流子擴(kuò)散速度的不同而導(dǎo)致兩種電荷的分開，從而出現(xiàn)光生電勢(shì)。hνVhν7/3/20215如果存在外加磁場(chǎng)，也可使得擴(kuò)散中的兩種載流子向相反方向偏轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生光生電勢(shì)，稱為光磁電效應(yīng)。通常把丹倍效應(yīng)和光磁電效應(yīng)稱為體積光生伏特效應(yīng)。BBB7/3/20216一、由勢(shì)壘效應(yīng)

4、產(chǎn)生的光生伏特效應(yīng)電位差的產(chǎn)生機(jī)理是利用勢(shì)壘形成的內(nèi)建電場(chǎng)將光生電子和光生空穴分開。當(dāng)光未照射時(shí)，p區(qū)和n區(qū)的多數(shù)載流子就會(huì)向?qū)Ψ綌U(kuò)散，這樣在兩種材料的接界處形成由n區(qū)指向p區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)。該電場(chǎng)阻止兩邊載流子的擴(kuò)散，在界面處形成一個(gè)穩(wěn)定的內(nèi)建電場(chǎng)E內(nèi)。從能量角度看，在熱平衡時(shí)，內(nèi)建電場(chǎng)E內(nèi)引起的電子和空穴的漂移電流和擴(kuò)散電流相平衡，在pn結(jié)區(qū)形成了一個(gè)勢(shì)壘。PN阻擋層E內(nèi)電勢(shì)能對(duì)空穴對(duì)電子x無(wú)光照，多數(shù)載流子擴(kuò)散→內(nèi)建電場(chǎng)熱平衡時(shí)，擴(kuò)散電流和漂移電流平衡7/3/20217在恒定光照下，只要入射光子的能量比半導(dǎo)體禁帶寬度大(hv≥Eg)，在結(jié)區(qū)、p區(qū)和n區(qū)都會(huì)引起本征激發(fā)而產(chǎn)生電子——

5、空穴對(duì)。光生載流子會(huì)擴(kuò)散，在每個(gè)區(qū)域，非平衡的光生少數(shù)載流子起主要作用，p區(qū)的少數(shù)載流子是電子，只要在此區(qū)域所產(chǎn)生的光生電子離結(jié)區(qū)的距離x小于電子的擴(kuò)散長(zhǎng)度Ln(光生電子從產(chǎn)生到與空穴復(fù)合的時(shí)間內(nèi)移動(dòng)的平均距離)，便可靠擴(kuò)散從p區(qū)進(jìn)入結(jié)區(qū)而被內(nèi)建電場(chǎng)E內(nèi)加速趨向n區(qū)；光照時(shí)，光生載流子（少數(shù)載流子）在內(nèi)建電場(chǎng)作用下擴(kuò)散，降低勢(shì)壘，削弱內(nèi)建電場(chǎng)→光生電動(dòng)勢(shì)PN阻擋層E內(nèi)入射光同理，在n區(qū)，空穴是少數(shù)載流子，只要光生空穴離結(jié)區(qū)距離x小于空穴的擴(kuò)散長(zhǎng)度Lp，便可靠擴(kuò)散進(jìn)入結(jié)區(qū)，被內(nèi)建電場(chǎng)加速趨向p區(qū)；在結(jié)區(qū)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)，被內(nèi)建電場(chǎng)加速分離到兩邊。7/3/20218在三個(gè)區(qū)域的光生載流子

6、，靠擴(kuò)散和內(nèi)建電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了正負(fù)電荷的分離，使電荷累積到結(jié)兩邊p側(cè)帶正電n側(cè)帶負(fù)電，從而削弱了內(nèi)建電場(chǎng)，降低了勢(shì)壘高度。這猶如在pn結(jié)上施加正向電壓一樣，這就是光生電動(dòng)勢(shì)。如果將這樣的pn結(jié)與外電路相連，就有電流流過(guò)外電路，所以pn結(jié)起了電池的作用。光照時(shí)，光生載流子（少數(shù)載流子）在內(nèi)建電場(chǎng)作用下擴(kuò)散，降低勢(shì)壘，削弱內(nèi)建電場(chǎng)→光生電動(dòng)勢(shì)PN阻擋層E內(nèi)入射光7/3/20219如果在外部把p區(qū)和n區(qū)短接，則由結(jié)區(qū)勢(shì)壘分開的光生載流子就會(huì)全部流經(jīng)外電路，于是在電路中就產(chǎn)生了光電流，稱為短路電流。短路電流和光生電動(dòng)勢(shì)可由pn結(jié)的基本特性求得。R0——V＝0處的動(dòng)態(tài)電阻光生電流：光生電動(dòng)勢(shì)：電壓響

7、應(yīng)率：7/3/202110二、由載流子濃度梯度引起的光生伏特效應(yīng)當(dāng)用hν足夠大的光照射一均勻半導(dǎo)體的表面時(shí)，由于半導(dǎo)體對(duì)光的吸收，在半導(dǎo)體的近表面層中產(chǎn)生高濃度的光生非平衡電子空穴對(duì)。這樣就造成從半導(dǎo)體近表面指向體內(nèi)的載流子濃度梯度。在濃度梯度推動(dòng)下，兩種載流于都沿光照的方向向半導(dǎo)體內(nèi)部擴(kuò)散。按擴(kuò)散定律，電子和空穴形成的擴(kuò)散電流密度分別為總的擴(kuò)散電流密度為hνVhν7/3/202111Dn、Dp分別表示電子和空穴擴(kuò)散系數(shù)。由于電子和空穴帶電的符號(hào)相反，如果