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1、第七章光伏探测器第1页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器光电导探测器：主要依赖非平衡载流子中多子的产生与复合运动，弛豫时间较大。响应速度慢，频率响应性能较差。4.主要用途：光度测量、光开关、报警系统、图像识别、自动控制等n个方向。5-1光生伏特响应与光伏探测器的工作原理定义：光生伏特效应：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。第2页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器情况1：不均匀半导体 PN结：同质掺杂 异质结：不同质的半导体 肖特基势垒：金属和半导体内在电场：光半导体电子空穴对 运动积聚电位差 情况2：均匀半导体 体积
2、光生伏特效应，没有内电场。光半导体的一部分电子空穴对浓度不同扩散扩散速度不同电荷分开光生电伏（丹信效应）电子空穴对 两种电荷分开（光磁电效应）丹信效应 体积光生伏特效应光磁电效应第3页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器一、由势垒效应产生的光生伏特效应图5-1(a)势垒形成图(b)能级图当光照时，在p，n和势垒区产生光生载流子。P中电子，N中空穴，只要扩散长度大于到阻挡层距离，成为少子在电场中加速到对方 降低了阻挡层的势垒有外电路电流流过。第4页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器公式推导：经5.1-1-5 :pn结反向饱和电流（pn结的伏安特性）:光生电流：和
3、入射单色辐射的功率P有关系:(由量子效率的定义）pn结伏安特性在V=0处的动态电阻：电压响应率:第5页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器二、由光生载流子浓度梯度引起的光生伏特效应对于均匀的半导体：光半导体:表面:浓度高 体内:浓度低载流子沿光照方向体内扩散：一般 ：电流方向和光照方向相反形成光生电场少子的漂移运动 总电流密度：第6页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器平衡时：此时 5.1-14式=0于是：积分：结论：和 成正比，只有 时才可以产生光生伏特 效应。小信号时：大信号时：均匀半导体放于磁场中，将会产生空穴和电子分离，引起 光磁电效应。由此产生的光生载
4、流子 短路电流：第7页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器 图5-3用途：测量载流子的寿命用作红外探测器需要大磁铁在相当大的光强度范围内，开路电压和光强度成正比第8页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器三、光照下理想p-n结方程及特性曲线由固体物理可知：p-n结上的电压V和流过它的电流Ip的伏安特性：光照时光电流：流过p-n结外回路的总电流I：分析：见图5-4第9页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器情况1：第一象限：p-n结加正偏压。此时pn结的暗电流ID即是p-n结的正向电流，很大，大于光生电流，非工作区。第三象限：p-n结反偏。第10页，此
5、课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器一、响应率一、响应率 在弱光照射情况下，上式可近似为在弱光照射情况下，上式可近似为 将光电流将光电流 代入得代入得 反向饱和电流为反向饱和电流为 由此可知，光伏探测器的响应率与器件的工作温度由此可知，光伏探测器的响应率与器件的工作温度T及少数载流子浓度和扩散有关，而与器件的外偏压及少数载流子浓度和扩散有关，而与器件的外偏压无关，这与光电导探测器是不同的。无关，这与光电导探测器是不同的。5-2光伏探测器的性能参数光伏探测器的性能参数第11页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器二、噪声二、噪声 光伏探测器的噪声主要包括器件中光生电流的
6、散粒光伏探测器的噪声主要包括器件中光生电流的散粒噪声、暗电流噪声和器件的热噪声，其均方噪声电噪声、暗电流噪声和器件的热噪声，其均方噪声电流为流为 光电流和暗电流引起的散粒噪声是主要的光电流和暗电流引起的散粒噪声是主要的第12页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器1.无光照时无光照时2.有光照时有光照时流过流过p-n结的电流有结的电流有 。总的噪声电流均方值为。总的噪声电流均方值为有弱光照射时，有有弱光照射时，有 则则当光伏探测器工作于负偏压时，当光伏探测器工作于负偏压时，则，则第13页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器引入无光照时零偏电阻引入无光照时零偏电阻
7、其定义为其定义为 或或器件的零偏电阻器件的零偏电阻 越大，暗电流越小，对散粒噪声贡献越大，暗电流越小，对散粒噪声贡献也越小也越小第14页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器考虑到实际探测器系统中负载电阻对噪声的贡献，所以噪声考虑到实际探测器系统中负载电阻对噪声的贡献，所以噪声等效电路通常应包含散粒噪声和负载电阻的热噪声等效电路通常应包含散粒噪声和负载电阻的热噪声第15页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器三、比探测率三、比探测率（1）零偏压工作时）零偏压工作时（2）反偏压工作时）反偏压工作时第16页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器四、光谱特性
8、四、光谱特性第17页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器五、频率响应及响应时间五、频率响应及响应时间光伏探测器的频率响应主要由三个因素决定：光伏探测器的频率响应主要由三个因素决定：1.扩散时间扩散时间2.耗尽层中的漂移时间耗尽层中的漂移时间3.结电容的影响结电容的影响第18页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器光伏探测器总的响应时间为光伏探测器总的响应时间为由等效电路可求得负载电阻上的输出电压为由等效电路可求得负载电阻上的输出电压为相应的电压有效值为相应的电压有效值为可见输出电压随着频率增高而下降，当可见输出电压随着频率增高而下降，当 时，电压幅时，电压幅值下降
9、为最大值的值下降为最大值的0.707，此时对应的频率又称为高频，此时对应的频率又称为高频截止频率或截止频率或3dB频率，同光电导探测器一样，其相应频率，同光电导探测器一样，其相应的的 可表示为可表示为第19页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器六、温度特性六、温度特性第20页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器5-3 5-3 光电池与光电二极管光电池与光电二极管一、光电池一、光电池第21页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器1.光电池的结构光电池的结构第22页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器2.光电池的特性参数光电池的特性参数
10、（1）光照特性）光照特性第23页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器上图是光电池的等效电路。其伏安特性曲线方程为上图是光电池的等效电路。其伏安特性曲线方程为通常通常 很小，可忽略，上式变为很小，可忽略，上式变为其中其中当当I=0时，得到开路电压时，得到开路电压当当V=0时，得到短路电流时，得到短路电流从开路电压公式看来由于从开路电压公式看来由于 。故。故 ，因而，因而第24页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器第25页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器第26页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器第27页，此课件共52页哦第五章第
11、五章 光伏探测器光伏探测器（2）光谱特性）光谱特性第28页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器（3）温度特性）温度特性第29页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器（4）频率特性）频率特性第30页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器3.光电池的应用光电池的应用作为光电探作为光电探测器件测器件将太阳能转将太阳能转变为电能变为电能第31页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器二、光电二极管二、光电二极管1.p-n结光电二极管结光电二极管（1）硅光电二极）硅光电二极管的结构及工作原管的结构及工作原理理第32页，此课件共52页哦第五章第五章
12、光伏探测器光伏探测器第33页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器第34页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器（2）伏安特性）伏安特性第35页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器第36页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器2.PIN光电二极管光电二极管第37页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器第38页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器3.雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（APD）（1）工作原理）工作原理雪崩效应雪崩效应第39页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器（2）雪崩光电二极管的
13、结构第40页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器第41页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器（3）雪崩光电二极管的特性参数）雪崩光电二极管的特性参数倍增系数（雪崩增益）倍增系数（雪崩增益）M实验发现，在外加电压实验发现，在外加电压V略略低于击穿电压时，也会发生低于击穿电压时，也会发生雪崩倍增效应，只是倍增系雪崩倍增效应，只是倍增系数稍小数稍小 第42页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器雪崩光电二极管的噪声雪崩光电二极管的噪声由雪崩过程引起的散粒噪声为由雪崩过程引起的散粒噪声为式中式中k与雪崩光电二极管材料有关。对于锗管，与雪崩光电二极管材料有关
14、。对于锗管，k=3，硅管硅管k为为2.32.5 上式又可改写为上式又可改写为式中式中考虑到负载电阻的热噪声，雪崩光电二极管的总噪声考虑到负载电阻的热噪声，雪崩光电二极管的总噪声电流均方值为电流均方值为第43页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器第44页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器响应时间响应时间 由于雪崩光电二极管工作时所加的反向偏压高，由于雪崩光电二极管工作时所加的反向偏压高，光生载流子在结区的渡越时间短，结电容只有光生载流子在结区的渡越时间短，结电容只有几个皮法，甚至更小，所以雪崩光电二极管的几个皮法，甚至更小，所以雪崩光电二极管的响应时间一般只有响
15、应时间一般只有0.51ns，相应的响应频率，相应的响应频率可达几十吉赫（可达几十吉赫（GHz）第45页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器5-4 5-4 光电三极管及其它光伏探测器光电三极管及其它光伏探测器1.1.结构与工作原理结构与工作原理第46页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器2.光电三极管的等效电路光电三极管的等效电路由等效电路可得负载电阻的输出电压为由等效电路可得负载电阻的输出电压为选择合适的负载使得选择合适的负载使得 则则第47页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器3.光电三极管的特性参数光电三极管的特性参数（1）伏安特性）伏安特性第48页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器（2）频率响应）频率响应第49页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器第50页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器（3）其它特性）其它特性第51页，此课件共52页哦第五章第五章 光伏探测器光伏探测器无基极引线的光电三极管无基极引线的光电三极管第52页，此课件共52页哦