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1、第第第第5 5 5 5章章章章 光伏探测器光伏探测器光伏探测器光伏探测器第5章光伏探测器 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望光伏探测器是利用半导体的光伏探测器是利用半导体的光伏探测器是利用半导体的光伏探测器是利用半导体的光生伏特效应光生伏特效应光生伏特效应光生伏特效应制成的探制成的探制成的探制成的探测器。分为有结型（常用）和无结型（不常用）。测器。分为有结型（常用）和无结型（不常用）。测器。分为有结型（常用）和无结型（不常用）。测器。分为有结型（常用）
2、和无结型（不常用）。有结型光伏探测器。按照有结型光伏探测器。按照有结型光伏探测器。按照有结型光伏探测器。按照“结结结结”的种类不同，又可的种类不同，又可的种类不同，又可的种类不同，又可分为分为分为分为pnpn结型、结型、结型、结型、pinpin结型、金属半导体结型（肖特基结型、金属半导体结型（肖特基结型、金属半导体结型（肖特基结型、金属半导体结型（肖特基势垒型）和异质结型等。势垒型）和异质结型等。势垒型）和异质结型等。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、光电最常用的光伏探测器有光电池、光电二极管、光电最常用的光伏探测器有光电池、光电二极管、光电最常用的光伏探测器有光电
3、池、光电二极管、光电三极管、三极管、三极管、三极管、pinpin管、雪崩二极管等。管、雪崩二极管等。管、雪崩二极管等。管、雪崩二极管等。概述概述2022/11/142022/11/142 2光伏探测器与光电导探测器相比较，主要光伏探测器与光电导探测器相比较，主要光伏探测器与光电导探测器相比较，主要光伏探测器与光电导探测器相比较，主要特点特点特点特点在于：在于：在于：在于：(1)(1)(1)(1)产生光电变换的产生光电变换的产生光电变换的产生光电变换的部位不同部位不同部位不同部位不同，光电导探测器是均值型；而，光电导探测器是均值型；而，光电导探测器是均值型；而，光电导探测器是均值型；而有结型光伏
4、探测器，只有到达结区附近的光才产生光伏效有结型光伏探测器，只有到达结区附近的光才产生光伏效有结型光伏探测器，只有到达结区附近的光才产生光伏效有结型光伏探测器，只有到达结区附近的光才产生光伏效应。应。应。应。(2)(2)(2)(2)光电导探测器没有光电导探测器没有光电导探测器没有光电导探测器没有极性极性极性极性，工作时必须外加偏压；而光伏，工作时必须外加偏压；而光伏，工作时必须外加偏压；而光伏，工作时必须外加偏压；而光伏探测器有确定的正负极，可以不加偏压工作。探测器有确定的正负极，可以不加偏压工作。探测器有确定的正负极，可以不加偏压工作。探测器有确定的正负极，可以不加偏压工作。(3)(3)(3)
5、(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光电导探测器的光电效应主要依赖于非平衡载流子中的光电导探测器的光电效应主要依赖于非平衡载流子中的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多子多子多子产生与复合运动，驰豫时间较大，产生与复合运动，驰豫时间较大，产生与复合运动，驰豫时间较大，产生与复合运动，驰豫时间较大，响应速度响应速度响应速度响应速度慢，频率慢，频率慢，频率慢，频率响应性能较差；而有结型光伏探测器的光伏效应主要依赖响应性能较差；而有结型光伏探测器的光伏效应主要依赖响应性能较差；而有结型光伏探测器的光伏效应主要依赖响应性能较差；而有结型光伏探测器的光伏效应主要依赖于
6、结区非平衡载流子中的于结区非平衡载流子中的于结区非平衡载流子中的于结区非平衡载流子中的少子少子少子少子漂移运动，弛豫时间较小，漂移运动，弛豫时间较小，漂移运动，弛豫时间较小，漂移运动，弛豫时间较小，响应速度快，频率响应特性好。响应速度快，频率响应特性好。响应速度快，频率响应特性好。响应速度快，频率响应特性好。(4)(4)(4)(4)雪崩二极管和光电三极管还有很大的内增益作用，不仅雪崩二极管和光电三极管还有很大的内增益作用，不仅雪崩二极管和光电三极管还有很大的内增益作用，不仅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。灵敏度高，还可以通过较大的电流。灵敏度高，
7、还可以通过较大的电流。灵敏度高，还可以通过较大的电流。2022/11/142022/11/143 3光生伏特效应光生伏特效应光生伏特效应光生伏特效应是光照使是光照使是光照使是光照使不均匀不均匀不均匀不均匀半导体半导体半导体半导体或均匀或均匀或均匀或均匀半导体半导体半导体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。中光生电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象。中光生电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象。中光生电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象。对于对于对于对于不均匀半导体不均匀半导体不均匀半导体不均匀半导体，由于，由于，由于，由于同质同质同质同质的半导体不同的掺杂的半导体不同的掺杂
8、的半导体不同的掺杂的半导体不同的掺杂形成的形成的形成的形成的pnpn结结结结、不同质不同质不同质不同质的半导体组成的的半导体组成的的半导体组成的的半导体组成的异质结异质结异质结异质结或金属或金属或金属或金属与半导体接触形成的与半导体接触形成的与半导体接触形成的与半导体接触形成的肖特基势垒肖特基势垒肖特基势垒肖特基势垒都存在都存在都存在都存在内建电场。内建电场。内建电场。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当光照这种半导体时，由于半导体对光的吸收而产当光照这种半导体时，由于半导体对光的吸收而产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
9、就生了光生电子和空穴，它们在内建电场的作用下就生了光生电子和空穴，它们在内建电场的作用下就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，这种现会向相反的方向移动和积聚而产生电位差，这种现会向相反的方向移动和积聚而产生电位差，这种现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。象是最重要的一类光生伏特效应。象是最重要的一类光生伏特效应。象是最重要的一类光生伏特效应。5-1 5-1 光生伏特效应光生伏特效应P PN N阻挡层阻挡层阻挡层阻挡层E E内内内内2022/11/142022/11/144 4对于对于对于对于均匀半导体均匀半导
10、体均匀半导体均匀半导体，由于体内没有内建电场，当光照这，由于体内没有内建电场，当光照这，由于体内没有内建电场，当光照这，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种半导体一部分时，由于光生载流子浓度梯度的不同种半导体一部分时，由于光生载流子浓度梯度的不同种半导体一部分时，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而引起载流子的扩散运动。但电子和空穴的迁移率不而引起载流子的扩散运动。但电子和空穴的迁移率不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等，由于两种载流子扩散速度的不同而导
11、致两种电荷等，由于两种载流子扩散速度的不同而导致两种电荷等，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。的分开，从而出现光生电势。的分开，从而出现光生电势。的分开，从而出现光生电势。hVh2022/11/142022/11/145 5如果存在如果存在如果存在如果存在外加磁场外加磁场外加磁场外加磁场，也可使得扩散中的两种载流子，也可使得扩散中的两种载流子，也可使得扩散中的两种载流子，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，称为光磁电向相反方向偏转，从而产生光生电势，称为光磁电向相反方向偏转，从而产生光生电势，称为光磁电向相反方向偏转，从而产生光生电势，
12、称为光磁电效应。效应。效应。效应。通常把丹倍效应和光磁电效应称为通常把丹倍效应和光磁电效应称为通常把丹倍效应和光磁电效应称为通常把丹倍效应和光磁电效应称为体积光生伏特效体积光生伏特效体积光生伏特效体积光生伏特效应应应应。BBB2022/11/142022/11/146 6一、由势垒效应产生的光生伏特效应一、由势垒效应产生的光生伏特效应电位差的产生电位差的产生电位差的产生电位差的产生机理机理机理机理是利用势垒形成的内建电场将光生电是利用势垒形成的内建电场将光生电是利用势垒形成的内建电场将光生电是利用势垒形成的内建电场将光生电子和光生空穴分开。子和光生空穴分开。子和光生空穴分开。子和光生空穴分开。
13、当光未照射时，当光未照射时，当光未照射时，当光未照射时，p p区和区和区和区和n n区的多数载流子就会向对方扩散，区的多数载流子就会向对方扩散，区的多数载流子就会向对方扩散，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由这样在两种材料的接界处形成由这样在两种材料的接界处形成由这样在两种材料的接界处形成由n n区指向区指向区指向区指向p p区的内建电场。区的内建电场。区的内建电场。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该电场阻止两边载流子的扩散，在界面处形成一个稳定该电场阻止两边载流子的扩散，在界面处形成一个稳定该电场阻止两边载流子的扩散，在界面处形成一个稳定
14、的内建电场的内建电场的内建电场的内建电场E E内内内内。从能量角度看，在热平衡时，内建电场从能量角度看，在热平衡时，内建电场从能量角度看，在热平衡时，内建电场从能量角度看，在热平衡时，内建电场E E内内内内引起的电子引起的电子引起的电子引起的电子和空穴的漂移电流和扩散电流相平衡，在和空穴的漂移电流和扩散电流相平衡，在和空穴的漂移电流和扩散电流相平衡，在和空穴的漂移电流和扩散电流相平衡，在pnpn结区形成了结区形成了结区形成了结区形成了一个势垒。一个势垒。一个势垒。一个势垒。P PN N阻挡层阻挡层阻挡层阻挡层E E内内内内电势能电势能电势能电势能对空穴对空穴对空穴对空穴对电子对电子对电子对电子
15、x x无光照，多数载流子无光照，多数载流子无光照，多数载流子无光照，多数载流子扩散扩散扩散扩散内建电场内建电场内建电场内建电场热平衡时，扩散电流和漂移电流平衡热平衡时，扩散电流和漂移电流平衡热平衡时，扩散电流和漂移电流平衡热平衡时，扩散电流和漂移电流平衡2022/11/142022/11/147 7在恒定光照下，只要入射光子的能量比半导体禁带宽度大在恒定光照下，只要入射光子的能量比半导体禁带宽度大在恒定光照下，只要入射光子的能量比半导体禁带宽度大在恒定光照下，只要入射光子的能量比半导体禁带宽度大(hvhv E Eg g)，在结区、，在结区、，在结区、，在结区、p p区和区和区和区和n n区都会
16、引起本征激发而产生电子区都会引起本征激发而产生电子区都会引起本征激发而产生电子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，非平衡的光空穴对。光生载流子会扩散，在每个区域，非平衡的光空穴对。光生载流子会扩散，在每个区域，非平衡的光空穴对。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，生少数载流子起主要作用，生少数载流子起主要作用，生少数载流子起主要作用，p p区的少数载流子是电子，只要在区的少数载流子是电子，只要在区的少数载流子是电子，只要在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此区域所产生的光生电子离结区的距离此区域所产生的光生电
17、子离结区的距离此区域所产生的光生电子离结区的距离x x小于电子的扩散长度小于电子的扩散长度小于电子的扩散长度小于电子的扩散长度L Ln n(光生电子从产生到与空穴复合的时间内移动的平均距离光生电子从产生到与空穴复合的时间内移动的平均距离光生电子从产生到与空穴复合的时间内移动的平均距离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，便可靠扩散从，便可靠扩散从，便可靠扩散从p p区进入结区而被内建电场区进入结区而被内建电场区进入结区而被内建电场区进入结区而被内建电场E E内内内内加速趋向加速趋向加速趋向加速趋向n n区；区；区；区；光照时，光生载流子（光照时，光生载流子（光照时，
18、光生载流子（光照时，光生载流子（少数载流子少数载流子少数载流子少数载流子）在内建电场作）在内建电场作）在内建电场作）在内建电场作用下扩散，降低势垒，削弱内建电场用下扩散，降低势垒，削弱内建电场用下扩散，降低势垒，削弱内建电场用下扩散，降低势垒，削弱内建电场光生电动势光生电动势光生电动势光生电动势P PN N阻挡层阻挡层阻挡层阻挡层E E内内内内入射光入射光入射光入射光同理，在同理，在同理，在同理，在n n区，空穴是少区，空穴是少区，空穴是少区，空穴是少数载流子，只要光生空数载流子，只要光生空数载流子，只要光生空数载流子，只要光生空穴离结区距离穴离结区距离穴离结区距离穴离结区距离x x小于空穴小
19、于空穴小于空穴小于空穴的扩散长度的扩散长度的扩散长度的扩散长度L Lp p，便可靠，便可靠，便可靠，便可靠扩散进入结区，被内建扩散进入结区，被内建扩散进入结区，被内建扩散进入结区，被内建电场加速趋向电场加速趋向电场加速趋向电场加速趋向p p区；在结区；在结区；在结区；在结区产生的电子空穴对，区产生的电子空穴对，区产生的电子空穴对，区产生的电子空穴对，被内建电场加速分离到被内建电场加速分离到被内建电场加速分离到被内建电场加速分离到两边。两边。两边。两边。2022/11/142022/11/148 8在三个区域的光生载流子，靠扩散和内建电场实现了正负在三个区域的光生载流子，靠扩散和内建电场实现了正
20、负在三个区域的光生载流子，靠扩散和内建电场实现了正负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电荷的分离，使电荷累积到结两边电荷的分离，使电荷累积到结两边电荷的分离，使电荷累积到结两边 p p 侧带正电侧带正电侧带正电侧带正电 n n 侧带负电，侧带负电，侧带负电，侧带负电，从而削弱了内建电场，降低了势垒高度。从而削弱了内建电场，降低了势垒高度。从而削弱了内建电场，降低了势垒高度。从而削弱了内建电场，降低了势垒高度。这犹如在这犹如在这犹如在这犹如在pnpn结上施加正向电压一样，这就是光生电动势。结上施加正向电压一样，这就是光生电动势。结上施加正向电压一样，
21、这就是光生电动势。结上施加正向电压一样，这就是光生电动势。如果将这样的如果将这样的如果将这样的如果将这样的pnpn结与外电路相连，就有电流流过外电路，结与外电路相连，就有电流流过外电路，结与外电路相连，就有电流流过外电路，结与外电路相连，就有电流流过外电路，所以所以所以所以pnpn结起了电池的作用。结起了电池的作用。结起了电池的作用。结起了电池的作用。光照时，光生载流子（光照时，光生载流子（光照时，光生载流子（光照时，光生载流子（少数载流子少数载流子少数载流子少数载流子）在内建电场作）在内建电场作）在内建电场作）在内建电场作用下扩散，降低势垒，削弱内建电场用下扩散，降低势垒，削弱内建电场用下扩
22、散，降低势垒，削弱内建电场用下扩散，降低势垒，削弱内建电场光生电动势光生电动势光生电动势光生电动势P PN N阻挡层阻挡层阻挡层阻挡层E E内内内内入射光入射光入射光入射光2022/11/142022/11/149 9如果在外部把如果在外部把如果在外部把如果在外部把p p区和区和区和区和n n区短接，则由结区势垒分开的光生区短接，则由结区势垒分开的光生区短接，则由结区势垒分开的光生区短接，则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载流子就会全部流经外电路，于是在电路中就产生了载流子就会全部流经外电路，于是在电路中就产生了载流子就会全部流经外电路，于是在电路中就产生了光
23、光光光电流，电流，电流，电流，称为短路电流。称为短路电流。称为短路电流。称为短路电流。短路电流和光生电动势可由短路电流和光生电动势可由短路电流和光生电动势可由短路电流和光生电动势可由pnpn结的基本特性求得。结的基本特性求得。结的基本特性求得。结的基本特性求得。R0V0处的动态电阻处的动态电阻光生电流：光生电流：光生电动势：光生电动势：电压响应率：电压响应率：2022/11/142022/11/141010二、由载流子浓度梯度引起的光生伏特效应二、由载流子浓度梯度引起的光生伏特效应二、由载流子浓度梯度引起的光生伏特效应二、由载流子浓度梯度引起的光生伏特效应当用当用当用当用hh足够大的光照射一均
24、匀半导体的表面时，由于半导体对光的吸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。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。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。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。在浓度梯度这样就造成从半导体近表面指向体内的载流子浓度梯度。
25、在浓度梯度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，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，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，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电子和空穴形成的扩散电流密度分别为电子和空穴形成的扩散电流密度分别为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总的扩散电流密度为总的扩散电流密度为总的扩散电流密度为hVh2022/11/142022/11/141111 D Dn n、D
26、Dp p分别表示电子和空穴扩散系数。由于电子和空穴带电的符号分别表示电子和空穴扩散系数。由于电子和空穴带电的符号分别表示电子和空穴扩散系数。由于电子和空穴带电的符号分别表示电子和空穴扩散系数。由于电子和空穴带电的符号相反，如果相反，如果相反，如果相反，如果D Dn nD Dp p则二者的扩散电流完全抵消。则二者的扩散电流完全抵消。则二者的扩散电流完全抵消。则二者的扩散电流完全抵消。事实上一般事实上一般事实上一般事实上一般D Dn nDDp p，即电子扩散得比空穴快，并且扩散到较深的半，即电子扩散得比空穴快，并且扩散到较深的半，即电子扩散得比空穴快，并且扩散到较深的半，即电子扩散得比空穴快，并且
27、扩散到较深的半导体内部。导体内部。导体内部。导体内部。总的扩散电流将沿光照的负方向，引起电荷局部累积而打破电中性总的扩散电流将沿光照的负方向，引起电荷局部累积而打破电中性总的扩散电流将沿光照的负方向，引起电荷局部累积而打破电中性总的扩散电流将沿光照的负方向，引起电荷局部累积而打破电中性状态，从而使半导体光照表面带正电而内部带负电，形成了沿状态，从而使半导体光照表面带正电而内部带负电，形成了沿状态，从而使半导体光照表面带正电而内部带负电，形成了沿状态，从而使半导体光照表面带正电而内部带负电，形成了沿x x方向的方向的方向的方向的光生电动势。光生电动势。光生电动势。光生电动势。hVh2022/11
28、/142022/11/141212如果将均匀半导体放在与光辐照方向相垂直的磁场中，将有如果将均匀半导体放在与光辐照方向相垂直的磁场中，将有如果将均匀半导体放在与光辐照方向相垂直的磁场中，将有如果将均匀半导体放在与光辐照方向相垂直的磁场中，将有洛仑兹力作用于扩散的电子和空穴，使它们向垂直于扩散方洛仑兹力作用于扩散的电子和空穴，使它们向垂直于扩散方洛仑兹力作用于扩散的电子和空穴，使它们向垂直于扩散方洛仑兹力作用于扩散的电子和空穴，使它们向垂直于扩散方向的不同方向偏转，从而在半导体的两侧端面间产生电位差，向的不同方向偏转，从而在半导体的两侧端面间产生电位差，向的不同方向偏转，从而在半导体的两侧端面间
29、产生电位差，向的不同方向偏转，从而在半导体的两侧端面间产生电位差，这种效应称为这种效应称为这种效应称为这种效应称为光磁电效应光磁电效应光磁电效应光磁电效应。产生该产生该产生该产生该机理机理机理机理：光在样品中产生了非平衡载流子浓度，浓度梯：光在样品中产生了非平衡载流子浓度，浓度梯：光在样品中产生了非平衡载流子浓度，浓度梯：光在样品中产生了非平衡载流子浓度，浓度梯度使载流子出现了沿度使载流子出现了沿度使载流子出现了沿度使载流子出现了沿x x方向的定向扩散速度，磁场作用在载方向的定向扩散速度，磁场作用在载方向的定向扩散速度，磁场作用在载方向的定向扩散速度，磁场作用在载流子上的洛仑兹力，使正负载流子
30、分离，在两个端面的电荷流子上的洛仑兹力，使正负载流子分离，在两个端面的电荷流子上的洛仑兹力，使正负载流子分离，在两个端面的电荷流子上的洛仑兹力，使正负载流子分离，在两个端面的电荷积累形成电位差积累形成电位差积累形成电位差积累形成电位差。B2022/11/142022/11/141313光磁电效应与霍尔效应类似，但它与具有两种光磁电效应与霍尔效应类似，但它与具有两种载流子的半导体中的霍尔效应有所不同。载流子的半导体中的霍尔效应有所不同。在霍尔效应中，载流子的定向运动是外加电场在霍尔效应中，载流子的定向运动是外加电场引起的。两种载流子的运动方向相反，二者形引起的。两种载流子的运动方向相反，二者形成
31、的电流方向相同。垂直的磁场使两种载流子成的电流方向相同。垂直的磁场使两种载流子向同一方向偏转。向同一方向偏转。而在光磁电效应中，定向运动是扩散引起的。而在光磁电效应中，定向运动是扩散引起的。两种载流子扩散方向相同，二者形成的电流方两种载流子扩散方向相同，二者形成的电流方向相反。在垂直磁场作用下，向相反方向偏转。向相反。在垂直磁场作用下，向相反方向偏转。2022/11/142022/11/141414三、三、pn结伏安特性及曲线结伏安特性及曲线没有光照时，没有光照时，没有光照时，没有光照时，p pn n结上的电压结上的电压结上的电压结上的电压V V和通过的电流的关系为：和通过的电流的关系为：和通
32、过的电流的关系为：和通过的电流的关系为：p pn n结反向饱和电流结反向饱和电流结反向饱和电流结反向饱和电流当有光照时，当有光照时，当有光照时，当有光照时，p pn n结上的光生电流为：结上的光生电流为：结上的光生电流为：结上的光生电流为：上述两部分电流反向，则流经上述两部分电流反向，则流经上述两部分电流反向，则流经上述两部分电流反向，则流经p pn n结外回路的总电流为：结外回路的总电流为：结外回路的总电流为：结外回路的总电流为：2022/11/142022/11/141515光照越强，光电流越大，曲线愈往下移。光照越强，光电流越大，曲线愈往下移。光照越强，光电流越大，曲线愈往下移。光照越强
33、，光电流越大，曲线愈往下移。第一象限为第一象限为第一象限为第一象限为pnpn结加正偏压状态，此时结加正偏压状态，此时结加正偏压状态，此时结加正偏压状态，此时pnpn结暗电流结暗电流结暗电流结暗电流I ID D远大于光远大于光远大于光远大于光生电流，作为光电探测器工作在这个区域是生电流，作为光电探测器工作在这个区域是生电流，作为光电探测器工作在这个区域是生电流，作为光电探测器工作在这个区域是没有意义没有意义没有意义没有意义的。的。的。的。第三象限里，第三象限里，第三象限里，第三象限里，pnpn结处于反偏压状态，这时暗电流结处于反偏压状态，这时暗电流结处于反偏压状态，这时暗电流结处于反偏压状态，这
34、时暗电流I ID DI ISOSO(反向反向反向反向饱和电流饱和电流饱和电流饱和电流)，数值很小，远小于光生电流，故光伏探测器输出回，数值很小，远小于光生电流，故光伏探测器输出回，数值很小，远小于光生电流，故光伏探测器输出回，数值很小，远小于光生电流，故光伏探测器输出回路中的总电流路中的总电流路中的总电流路中的总电流I II IS SI ISOSOI IS S，称工作于这个区域的光伏探测器，称工作于这个区域的光伏探测器，称工作于这个区域的光伏探测器，称工作于这个区域的光伏探测器为为为为光导工作模式光导工作模式光导工作模式光导工作模式。V VO OI IP P0 0P P1 1P P2 2P P
35、无光照无光照无光照无光照有光照有光照有光照有光照I IS0S0光伏探测器的伏安特性光伏探测器的伏安特性光伏探测器的伏安特性光伏探测器的伏安特性P P1 1 P P2 2I IDD在第四象限中，流过探测在第四象限中，流过探测在第四象限中，流过探测在第四象限中，流过探测器的电流仍为反向光电流，器的电流仍为反向光电流，器的电流仍为反向光电流，器的电流仍为反向光电流，但随着光功率不同，探测但随着光功率不同，探测但随着光功率不同，探测但随着光功率不同，探测器的输出电流与电压出现器的输出电流与电压出现器的输出电流与电压出现器的输出电流与电压出现明显的非线性，这时光伏明显的非线性，这时光伏明显的非线性，这时
36、光伏明显的非线性，这时光伏探测器的输出电压就是外探测器的输出电压就是外探测器的输出电压就是外探测器的输出电压就是外电路负载电阻电路负载电阻电路负载电阻电路负载电阻R RL L上的电压。上的电压。上的电压。上的电压。这种工作模式为这种工作模式为这种工作模式为这种工作模式为光伏工作光伏工作光伏工作光伏工作模式模式模式模式。2022/11/142022/11/141616光伏器件的输出电压：光伏器件的输出电压：光伏器件的输出电压：光伏器件的输出电压：开路电压：开路电压：开路电压：开路电压：(即负载电阻即负载电阻即负载电阻即负载电阻R RL L，I I0 0，与外光强成正指，与外光强成正指，与外光强成
37、正指，与外光强成正指数关系，趋于数关系，趋于数关系，趋于数关系，趋于PNPN结势垒高度结势垒高度结势垒高度结势垒高度)短路电流：短路电流：短路电流：短路电流：(R RL L00，V V0 0，I ID D0 0，与外光强成正比例关，与外光强成正比例关，与外光强成正比例关，与外光强成正比例关系系系系)光强度光强度光强度光强度V Vococ(V Vococ)maxmaxI Iscsc I Iscsc线性增加；线性增加；线性增加；线性增加；V Vococ对数规律增加，并不随光强对数规律增加，并不随光强对数规律增加，并不随光强对数规律增加，并不随光强无限增大，当其增大到无限增大，当其增大到无限增大，当
38、其增大到无限增大，当其增大到pnpn结势垒结势垒结势垒结势垒消失时，即得到最大光生电压。消失时，即得到最大光生电压。消失时，即得到最大光生电压。消失时，即得到最大光生电压。因此，因此，因此，因此，（V Vococ）maxmax应等于应等于应等于应等于pnpn结结结结势垒高度势垒高度势垒高度势垒高度V VD D，并与材料掺杂程度，并与材料掺杂程度，并与材料掺杂程度，并与材料掺杂程度有关，实际上与带隙有关，实际上与带隙有关，实际上与带隙有关，实际上与带隙E Eg g相当。相当。相当。相当。2022/11/142022/11/141717四、光伏探测器的等效电路四、光伏探测器的等效电路光伏探测器可以
39、视为一个普通光伏探测器可以视为一个普通光伏探测器可以视为一个普通光伏探测器可以视为一个普通二极管二极管二极管二极管(包括暗电流包括暗电流包括暗电流包括暗电流I ID D、结电、结电、结电、结电阻阻阻阻R Rd d，结电容，结电容，结电容，结电容C Cd d)及一个及一个及一个及一个恒流源恒流源恒流源恒流源(光电流光电流光电流光电流)I Ip p的并联。的并联。的并联。的并联。其中暗电流其中暗电流其中暗电流其中暗电流I ID D通常作为噪声源来处理。通常作为噪声源来处理。通常作为噪声源来处理。通常作为噪声源来处理。I Ip pI IDDR Rd dC Cd d前前前前置置置置放放放放大大大大器器
40、器器R RL LV Vs s光伏探测器等效电路光伏探测器等效电路光伏探测器等效电路光伏探测器等效电路不同器件的不同器件的不同器件的不同器件的R Rd d值相差很值相差很值相差很值相差很大，例如硅光电二极管大，例如硅光电二极管大，例如硅光电二极管大，例如硅光电二极管的的的的R Rd d可达可达可达可达10106 6，而光，而光，而光，而光伏碲镉汞探测器的伏碲镉汞探测器的伏碲镉汞探测器的伏碲镉汞探测器的R Rd d仅仅仅仅几十几十几十几十至几十千至几十千至几十千至几十千的数的数的数的数量级。根据不同光伏探量级。根据不同光伏探量级。根据不同光伏探量级。根据不同光伏探测器测器测器测器R Rd d的取值
41、，需要设的取值，需要设的取值，需要设的取值，需要设计相应的低噪声前置放计相应的低噪声前置放计相应的低噪声前置放计相应的低噪声前置放大器。大器。大器。大器。2022/11/142022/11/141818等效电路：等效电路：等效电路：等效电路：光伏工作模式，相当于一个恒压源（光伏工作模式，相当于一个恒压源（光伏工作模式，相当于一个恒压源（光伏工作模式，相当于一个恒压源（R Rd dR RL L）I Is sI ID DR RL L光伏工作模式光伏工作模式光伏工作模式光伏工作模式I Is sI ID DR RL LV VA A光导工作模式光导工作模式光导工作模式光导工作模式2022/11/1420
42、22/11/141919 一、响应率一、响应率光伏探测器开路时响应率表达式为：光伏探测器开路时响应率表达式为：光伏探测器开路时响应率表达式为：光伏探测器开路时响应率表达式为：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：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：将光电流公式代入得：将光电流公式代入得：将光电流公式代入得：将光电流公式代入得：其中，反向饱和电流为：其中，反向饱和电流为：其中，反向饱和电流为：其中，反向饱和电流为：由此可知，光伏探测器的响应率与器件的由此可知，光伏探测器的响应率与器件的由此可知，光伏探测器的响应率与器件的由此可知，光伏探测器的
43、响应率与器件的工作温度工作温度工作温度工作温度T T及少数及少数及少数及少数载流子载流子载流子载流子浓度浓度浓度浓度和和和和扩散扩散扩散扩散有关，而与器件的外偏压无关，这与光电有关，而与器件的外偏压无关，这与光电有关，而与器件的外偏压无关，这与光电有关，而与器件的外偏压无关，这与光电导探测器是不相同的。导探测器是不相同的。导探测器是不相同的。导探测器是不相同的。52 52 光伏探测器的性能参数光伏探测器的性能参数2022/11/142022/11/142020二、噪声特性二、噪声特性光伏探测器的噪声主要包括器件中光生电流的散粒噪声和光伏探测器的噪声主要包括器件中光生电流的散粒噪声和光伏探测器的
44、噪声主要包括器件中光生电流的散粒噪声和光伏探测器的噪声主要包括器件中光生电流的散粒噪声和器件的热噪声，其均方噪声电流为器件的热噪声，其均方噪声电流为器件的热噪声，其均方噪声电流为器件的热噪声，其均方噪声电流为R Rd d为器件电阻，因反偏工作时为器件电阻，因反偏工作时为器件电阻，因反偏工作时为器件电阻，因反偏工作时R Rd d相当大，热噪声可忽略不相当大，热噪声可忽略不相当大，热噪声可忽略不相当大，热噪声可忽略不计，故光电流和暗电流引起的散粒噪声是主要的，则有计，故光电流和暗电流引起的散粒噪声是主要的，则有计，故光电流和暗电流引起的散粒噪声是主要的，则有计，故光电流和暗电流引起的散粒噪声是主要
45、的，则有2022/11/142022/11/142121当器件在零偏置（当器件在零偏置（当器件在零偏置（当器件在零偏置（V VA A0 0）时，流过）时，流过）时，流过）时，流过p-np-n结的电流除光电流结的电流除光电流结的电流除光电流结的电流除光电流I Is s外，还包含正向和反向的暗电流外，还包含正向和反向的暗电流外，还包含正向和反向的暗电流外，还包含正向和反向的暗电流I ID-D-与与与与I ID+D+，它们对总电流，它们对总电流，它们对总电流，它们对总电流的贡献为零，而对噪声的贡献是叠加的，则均方噪声电流的贡献为零，而对噪声的贡献是叠加的，则均方噪声电流的贡献为零，而对噪声的贡献是叠
46、加的，则均方噪声电流的贡献为零，而对噪声的贡献是叠加的，则均方噪声电流应为应为应为应为当器件工作在负偏压时，当器件工作在负偏压时，当器件工作在负偏压时，当器件工作在负偏压时，I ID+D+00，则均方噪声电流为，则均方噪声电流为，则均方噪声电流为，则均方噪声电流为2022/11/142022/11/142222考虑到实际探测器系统中负载电阻考虑到实际探测器系统中负载电阻考虑到实际探测器系统中负载电阻考虑到实际探测器系统中负载电阻R RL L对噪声的贡献，所以对噪声的贡献，所以对噪声的贡献，所以对噪声的贡献，所以噪声等效电路通常应包含散粒噪声和噪声等效电路通常应包含散粒噪声和噪声等效电路通常应包
47、含散粒噪声和噪声等效电路通常应包含散粒噪声和R RL L的热噪声，即的热噪声，即的热噪声，即的热噪声，即相应的噪声电压均方值相应的噪声电压均方值相应的噪声电压均方值相应的噪声电压均方值2022/11/142022/11/142323三、比探测率三、比探测率光伏探测器光伏探测器光伏探测器光伏探测器D D*可表示为可表示为可表示为可表示为光伏探光伏探光伏探光伏探测测测测器以散粒噪声为主器以散粒噪声为主器以散粒噪声为主器以散粒噪声为主零偏压工作时零偏压工作时零偏压工作时零偏压工作时反偏压工作时反偏压工作时反偏压工作时反偏压工作时D D*与与与与R R0 0关系关系关系关系零偏电阻是光伏探测器的一个重
48、要参数，它直接反映了零偏电阻是光伏探测器的一个重要参数，它直接反映了器件性能的优劣。器件性能的优劣。当光伏探测器受热噪声限制时，提高探测率当光伏探测器受热噪声限制时，提高探测率D*的关键在的关键在于提高于提高结电阻结电阻和和结面积结面积的乘积和降低探测器的的乘积和降低探测器的工作温度工作温度。2022/11/142022/11/142424四、光谱特性四、光谱特性通常用通常用通常用通常用SiSi可做成性能很好的光伏探测器（例如可做成性能很好的光伏探测器（例如可做成性能很好的光伏探测器（例如可做成性能很好的光伏探测器（例如PINPIN光电二极光电二极光电二极光电二极管和雪崩光电二极管）。但其最佳
49、响应波长在管和雪崩光电二极管）。但其最佳响应波长在管和雪崩光电二极管）。但其最佳响应波长在管和雪崩光电二极管）。但其最佳响应波长在0.80.81.01.0mm，对于，对于，对于，对于1.3 1.3 m m 或或或或1.55 m 1.55 m 红外辐射不能响应。红外辐射不能响应。红外辐射不能响应。红外辐射不能响应。0.4 0.8 1.2 1.60.4 0.8 1.2 1.60.40.40.20.20 0 硅硅硅硅锗锗锗锗/mm锗制成的光伏探测器虽能响锗制成的光伏探测器虽能响锗制成的光伏探测器虽能响锗制成的光伏探测器虽能响应到应到应到应到1.7 1.7 mm，但它的暗电流，但它的暗电流，但它的暗电
50、流，但它的暗电流偏高，偏高，偏高，偏高，噪声较大噪声较大噪声较大噪声较大，也不是理，也不是理，也不是理，也不是理想的材料。想的材料。想的材料。想的材料。对于接收波长大于对于接收波长大于对于接收波长大于对于接收波长大于1 1m m 的辐的辐的辐的辐射，需要采用射，需要采用射，需要采用射，需要采用IIIIIIV V和和和和IIIIVIVI族化合物半导体。族化合物半导体。族化合物半导体。族化合物半导体。2022/11/142022/11/142525五、频率响应特性五、频率响应特性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：光伏探测器的频率响应主要由三个因素决定：