第七章光伏探測(cè)器

第五章光伏探測(cè)器光電導(dǎo)探測(cè)器：主要依賴非平衡載流子中多子的產(chǎn)生與復(fù)合運(yùn)動(dòng)，弛豫時(shí)間較大。響應(yīng)速度慢，頻率響應(yīng)性能較差。4.主要用途：光度測(cè)量、光開(kāi)關(guān)、報(bào)警系統(tǒng)、圖像識(shí)別、自動(dòng)控制等n個(gè)方向?！?-1光生伏特響應(yīng)與光伏探測(cè)器的工作原理定義：光生伏特效應(yīng)：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(kāi)而產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第1頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器情況1：不均勻半導(dǎo)體

PN結(jié)：同質(zhì)摻雜異質(zhì)結(jié)：不同質(zhì)的半導(dǎo)體肖特基勢(shì)壘：金屬和半導(dǎo)體內(nèi)在電場(chǎng)：光→半導(dǎo)體→電子空穴對(duì)運(yùn)動(dòng)→積聚→電位差情況2：均勻半導(dǎo)體體積光生伏特效應(yīng)，沒(méi)有內(nèi)電場(chǎng)。光→半導(dǎo)體的一部分→電子空穴對(duì)→濃度不同→擴(kuò)散→擴(kuò)散速度不同→電荷分開(kāi)→光生電伏（丹信效應(yīng)）電子空穴對(duì)兩種電荷分開(kāi)→（光磁電效應(yīng)）丹信效應(yīng)體積光生伏特效應(yīng)光磁電效應(yīng)本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第2頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器一、由勢(shì)壘效應(yīng)產(chǎn)生的光生伏特效應(yīng)圖5-1(a)勢(shì)壘形成圖(b)能級(jí)圖當(dāng)光照時(shí)，在p，n和勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生光生載流子。P中電子，N中空穴，只要擴(kuò)散長(zhǎng)度大于到阻擋層距離，成為少子在電場(chǎng)中加速到對(duì)方→降低了阻擋層的勢(shì)壘→有外電路→電流流過(guò)。本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第3頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器公式推導(dǎo)：經(jīng)5.1-1-5:pn結(jié)反向飽和電流（pn結(jié)的伏安特性）

:光生電流：和入射單色輻射的功率P有關(guān)系:(由量子效率的定義）pn結(jié)伏安特性在V=0處的動(dòng)態(tài)電阻：電壓響應(yīng)率:本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第4頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器二、由光生載流子濃度梯度引起的光生伏特效應(yīng)對(duì)于均勻的半導(dǎo)體：光→半導(dǎo)體:表面:濃度高體內(nèi):濃度低載流子沿光照方向體內(nèi)擴(kuò)散：一般：電流方向和光照方向相反→形成光生電場(chǎng)→少子的漂移運(yùn)動(dòng)總電流密度：本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第5頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器平衡時(shí)：此時(shí)5.1-14式=0于是：積分：結(jié)論：和成正比，只有時(shí)才可以產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)。②小信號(hào)時(shí)：大信號(hào)時(shí)：③均勻半導(dǎo)體放于磁場(chǎng)中，將會(huì)產(chǎn)生空穴和電子分離，引起光磁電效應(yīng)。由此產(chǎn)生的光生載流子短路電流：本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第6頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器

圖5-3用途：⑴測(cè)量載流子的壽命⑵用作紅外探測(cè)器⑶需要大磁鐵⑷在相當(dāng)大的光強(qiáng)度范圍內(nèi)，開(kāi)路電壓和光強(qiáng)度成正比本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第7頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器三、光照下理想p-n結(jié)方程及特性曲線由固體物理可知：p-n結(jié)上的電壓V和流過(guò)它的電流Ip的伏安特性：光照時(shí)光電流：流過(guò)p-n結(jié)外回路的總電流I：分析：見(jiàn)圖5-4本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第8頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器情況1：第一象限：p-n結(jié)加正偏壓。此時(shí)pn結(jié)的暗電流ID即是p-n結(jié)的正向電流，很大，大于光生電流，非工作區(qū)。第三象限：p-n結(jié)反偏。本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第9頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器一、響應(yīng)率在弱光照射情況下，上式可近似為將光電流代入得反向飽和電流為由此可知，光伏探測(cè)器的響應(yīng)率與器件的工作溫度T及少數(shù)載流子濃度和擴(kuò)散有關(guān)，而與器件的外偏壓無(wú)關(guān)，這與光電導(dǎo)探測(cè)器是不同的?！?-2光伏探測(cè)器的性能參數(shù)本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第10頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器二、噪聲光伏探測(cè)器的噪聲主要包括器件中光生電流的散粒噪聲、暗電流噪聲和器件的熱噪聲，其均方噪聲電流為光電流和暗電流引起的散粒噪聲是主要的本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第11頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器1.無(wú)光照時(shí)2.有光照時(shí)流過(guò)p-n結(jié)的電流有?？偟脑肼曤娏骶街禐橛腥豕庹丈鋾r(shí)，有則當(dāng)光伏探測(cè)器工作于負(fù)偏壓時(shí)，，則本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第12頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器引入無(wú)光照時(shí)零偏電阻其定義為或器件的零偏電阻越大，暗電流越小，對(duì)散粒噪聲貢獻(xiàn)也越小本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第13頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器考慮到實(shí)際探測(cè)器系統(tǒng)中負(fù)載電阻對(duì)噪聲的貢獻(xiàn)，所以噪聲等效電路通常應(yīng)包含散粒噪聲和負(fù)載電阻的熱噪聲本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第14頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器三、比探測(cè)率（1）零偏壓工作時(shí)（2）反偏壓工作時(shí)本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第15頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器四、光譜特性本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第16頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器五、頻率響應(yīng)及響應(yīng)時(shí)間光伏探測(cè)器的頻率響應(yīng)主要由三個(gè)因素決定：1.擴(kuò)散時(shí)間2.耗盡層中的漂移時(shí)間3.結(jié)電容的影響本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第17頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器光伏探測(cè)器總的響應(yīng)時(shí)間為由等效電路可求得負(fù)載電阻上的輸出電壓為相應(yīng)的電壓有效值為可見(jiàn)輸出電壓隨著頻率增高而下降，當(dāng)時(shí)，電壓幅值下降為最大值的0.707，此時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率又稱為高頻截止頻率或3dB頻率，同光電導(dǎo)探測(cè)器一樣，其相應(yīng)的可表示為本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第18頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器六、溫度特性本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第19頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器§5-3光電池與光電二極管一、光電池本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第20頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器1.光電池的結(jié)構(gòu)本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第21頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器2.光電池的特性參數(shù)（1）光照特性本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第22頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器上圖是光電池的等效電路。其伏安特性曲線方程為通常很小，可忽略，上式變?yōu)槠渲挟?dāng)I=0時(shí)，得到開(kāi)路電壓當(dāng)V=0時(shí)，得到短路電流從開(kāi)路電壓公式看來(lái)由于。故，因而本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第23頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第24頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第25頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第26頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器（2）光譜特性本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第27頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器（3）溫度特性本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第28頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器（4）頻率特性本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第29頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器3.光電池的應(yīng)用①作為光電探測(cè)器件②將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔鼙疚臋n共51頁(yè)；當(dāng)前第30頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器二、光電二極管1.p-n結(jié)光電二極管（1）硅光電二極管的結(jié)構(gòu)及工作原理本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第31頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第32頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第33頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器（2）伏安特性本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第34頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第35頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器2.PIN光電二極管本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第36頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第37頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器3.雪崩光電二極管（APD）（1）工作原理——雪崩效應(yīng)本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第38頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器（2）雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第39頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第40頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器（3）雪崩光電二極管的特性參數(shù)①倍增系數(shù)（雪崩增益）M實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在外加電壓V略低于擊穿電壓時(shí)，也會(huì)發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)，只是倍增系數(shù)稍小

本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第41頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器②雪崩光電二極管的噪聲由雪崩過(guò)程引起的散粒噪聲為式中k與雪崩光電二極管材料有關(guān)。對(duì)于鍺管，k=3，硅管k為2.3～2.5上式又可改寫為式中考慮到負(fù)載電阻的熱噪聲，雪崩光電二極管的總噪聲電流均方值為本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第42頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第43頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器③響應(yīng)時(shí)間由于雪崩光電二極管工作時(shí)所加的反向偏壓高，光生載流子在結(jié)區(qū)的渡越時(shí)間短，結(jié)電容只有幾個(gè)皮法，甚至更小，所以雪崩光電二極管的響應(yīng)時(shí)間一般只有0.5～1ns，相應(yīng)的響應(yīng)頻率可達(dá)幾十吉赫（GHz）本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第44頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器§5-4光電三極管及其它光伏探測(cè)器1.結(jié)構(gòu)與工作原理本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第45頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器2.光電三極管的等效電路由等效電路可得負(fù)載電阻的輸出電壓為選擇合適的負(fù)載使得則本文檔共51頁(yè)；當(dāng)前第46頁(yè)；編輯于星期三\9點(diǎn)25分第五章光伏探測(cè)器3.光電三