第5章 光伏探測器ppt課件.ppt

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1、光電信號檢測第五章光伏探測器9/1/20211光伏探測器是利用半導體p-n結(jié)光生伏特效應制成的探測器。屬于“結(jié)”型光伏探測器。按照“結(jié)”的種類不同，又可分為pn結(jié)型、pin結(jié)型、金屬－半導體結(jié)型（肖特基勢壘型）和異質(zhì)結(jié)型等。最常用的光伏探測器有光電池、光電二極管、光電三極管、pin管、雪崩二極管等。第五章光伏探測器9/1/20212光伏探測器與光電導探測器相比較，主要特點在于：(1)產(chǎn)生光電變換的部位不同，光電導探測器是均值型；而光伏探測器是結(jié)型，只有到達結(jié)區(qū)附近的光才產(chǎn)生光伏效應。(2)光電導探測器沒有極性，工作時必須外加偏壓；而光伏探測器有確定的正負極，可

2、以加也可以不加偏壓工作。(3)光電導探測器的光電效應主要依賴于非平衡載流子中的多子產(chǎn)生與復合運動，馳豫時間較大，響應速度慢，頻率響應性能較差；而光伏探測器的光伏效應主要依賴于結(jié)區(qū)非平衡載流子中的少子漂移運動，弛豫時間較小，響應速度快，頻率響應特性好。(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，還可以通過較大的電流。9/1/20213光生伏特效應是光照使不均勻半導體或均勻半導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。對于不均勻半導體，由于同質(zhì)的半導體不同的摻雜形成的pn結(jié)、不同質(zhì)的半導體組成的異質(zhì)結(jié)或金屬與半導體接觸形成的肖待基勢壘都存

3、在內(nèi)建電場，當光照這種半導體時，由于半導體對光的吸收而產(chǎn)生了光生電子和空穴，它們在內(nèi)建電場的作用下就會向相反的方向移動和積聚而產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象是最重要的一類光生伏特效應。對于均勻半導體，由于體內(nèi)沒有內(nèi)建電場，當光照這種半導體一部分時，由于光生載流子濃度梯度的不同而引起載流子的擴散運動。但電子和空穴的遷移率不等，由于兩種載流子擴散速度的不同而導致兩種電荷的分開，從而出現(xiàn)光生電勢。這種現(xiàn)象稱為丹倍效應。如果存在外加磁場，也可使得擴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，稱為光磁電效應。通常把丹倍效應和光磁電效應稱為體積光生伏特效應?！?-1光生伏特效

4、應9/1/20214一、由勢壘效應產(chǎn)生的光生伏特效應產(chǎn)生這種電位差的機理是利用勢壘形成的內(nèi)建電場將光生電子和光生空穴分開，這種勢壘可以是pn結(jié)、異質(zhì)結(jié)或者是肖特基勢壘。當光未照射時，p區(qū)和n區(qū)的多數(shù)載流子就會向?qū)Ψ綌U散，這樣在兩種材料的接界處形成正負離子組成的空間電荷層及相應的由n區(qū)指向p區(qū)的內(nèi)建電場。該電場阻止兩邊載流子的擴散，在界面處形成一個穩(wěn)定的內(nèi)建電場E內(nèi)。從能量角度看，在熱平衡時，內(nèi)建電場E內(nèi)引起的電子和空穴的漂移電流和擴散電流相平衡，在pn結(jié)區(qū)形成了—個勢壘，電子在n區(qū)具有較低的勢能，在p區(qū)有較高的勢能，空穴則反之。因此，n區(qū)電子和p區(qū)的空穴要想從

5、一區(qū)進入另一區(qū)都需要提供能量。PN阻擋層E內(nèi)電勢能對空穴對電子x無光照，多數(shù)載流子擴散→內(nèi)建電場熱平衡時，擴散電流和漂移電流平衡→勢壘9/1/20215在恒定光照下，只要入射光子的能量比半導體禁帶寬度大(hv≥Eg)，在結(jié)區(qū)、p區(qū)和n區(qū)都會引起本征激發(fā)而產(chǎn)生電子——空穴對。光生載流子會擴散，在每個區(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小于電子的擴散長度Ln(光生電子從產(chǎn)生到與空穴復合的時間內(nèi)移動的平均距離)，便可靠擴散從p區(qū)進入結(jié)區(qū)而被內(nèi)建電場E內(nèi)加速趨向n區(qū)；光照時，光生載流子（少數(shù)載流子）

6、在內(nèi)建電場作用下擴散，降低勢壘，削弱內(nèi)建電場→光生電動勢PN阻擋層E內(nèi)入射光在三個區(qū)域的光生載流子，靠擴散和內(nèi)建電場實現(xiàn)了正負電荷的分離，使電荷累積到結(jié)兩邊p側(cè)帶正電n側(cè)帶負電，從而削弱了內(nèi)建電場，降低了勢壘高度，這猶如在pn結(jié)上施加正向電壓一樣，這就是光生電動勢。如果將這樣的pn結(jié)與外電路相連，就有電流流過外電路，所以pn結(jié)起了電池的作用。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小于空穴的擴散長度Lp，便可靠擴散進入結(jié)區(qū)，被內(nèi)建電場加速趨向p區(qū)；在結(jié)區(qū)產(chǎn)生的電子空穴對，被內(nèi)建電場加速分離到兩邊。9/1/20216如果在外部把p區(qū)和n區(qū)短接，則

7、由結(jié)區(qū)勢壘分開的光生載流子就會全部流經(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勢可由pn結(jié)的基本特性求得。R0——V＝0處的動態(tài)電阻光生電流：光生電動勢：電壓響應率：9/1/20217二、由載流子濃度梯度引起的光生伏特效應當用hν足夠大的光照射一均勻半導體的表面時，由于半導體對光的吸收，在半導體的近表面層中產(chǎn)生高濃度的光生非平衡電子空穴對。這樣就造成從半導體近表面指向體內(nèi)的載流子濃度梯度。在濃度梯度推動下，兩種載流于都沿光照的方向向半導體內(nèi)部擴散。按擴散定律，電子和空穴形成的擴散電流密度分別為總的擴散電流密度為9/1/20218Dn

8、、Dp分別表示電子和空穴擴散系數(shù)。由于