第04章光伏探测器A2014.10.30
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1、第第0404章章 光伏探测器光伏探测器利用半导体光伏效应制作的器件称为利用半导体光伏效应制作的器件称为光伏探光伏探测器测器，简称，简称PV（Photovoltaic）探测器，也）探测器，也称称结型结型光电器件。光电器件。 PNPN结受到光照结受到光照时，可在时，可在PNPN结的两端产生结的两端产生光生光生电势差电势差，这种现象则称为，这种现象则称为光伏效应光伏效应。 光伏效应：光伏效应：光伏探测器：光伏探测器：光伏器件光伏器件简称简称PV（Photovolt）单元器件线阵器件四象限器件光电子技术研究所 在零偏条件下，如在零偏条件下，如用光照射用光照射p区、区、 n区或区或PN结结，只要照射光的
2、波长满足，只要照射光的波长满足 c，都会都会激激发出光生电子发出光生电子-空穴对空穴对。 光照光照p区，由于区，由于p区的多数载流子是空穴，光照前热平衡区的多数载流子是空穴，光照前热平衡空穴浓度本来就比较大，因此空穴浓度本来就比较大，因此光生空穴对p区空穴浓度影响很小。 相反，相反，光生电子对光生电子对p区的电子浓度影响很大区的电子浓度影响很大，从，从p区表面区表面(吸收光能多，光生电子多吸收光能多，光生电子多)向向p区内自然形成电子扩散趋势。如果区内自然形成电子扩散趋势。如果p区厚度区厚度小于电子扩散长度小于电子扩散长度，那么，那么大部分光生电子大部分光生电子都能扩散进入都能扩散进入P-n结
3、结。 因P区产生的光生空穴光生空穴，N区产生的光生电子光生电子属多子，都被势垒阻挡势垒阻挡而不能过结不能过结。只有P区的光生电子和N区的光生空穴和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场内建电场作用下作用下漂移过结。光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区，即电子空穴电子空穴对被内建电场对被内建电场分离分离。2022-6-14这导致在这导致在N区边界附近有光生电子积累，在区边界附近有光生电子积累，在P区边界附近有光区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡生空穴积累。它们产生一个与热平衡PN结的内建电场方向相结的内建电场方向相反的反的光生电场光生电场，其方向由，其方向由P区指向
4、区指向N区。此电场使区。此电场使势垒降低，势垒降低，其减小量即光生电势差，其减小量即光生电势差，P端正，端正，N端负。端负。只要光照不停止，这个光生电压将永远存在。只要光照不停止，这个光生电压将永远存在。光电子技术研究所 这时这时用电压表就能测量出用电压表就能测量出p区正区正, n区负的区负的开路电压开路电压un，称为光生伏特效应。称为光生伏特效应。如如果用一个理想电流表接通果用一个理想电流表接通p-n结，则有结，则有电流电流i0通过称为通过称为短路电流短路电流。 综上所述，综上所述， 光照光照零偏零偏p-n结结产生产生开路电压的效应，称为开路电压的效应，称为光伏效应。光伏效应。 这也是这也是
5、光电池的工作光电池的工作原理原理。4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性1. 光照下的光照下的PN结电流方程及伏安特性结电流方程及伏安特性2. 开路电压开路电压Uoc和短路电流和短路电流Isc3暗电流暗电流和温度特性和温度特性4. 光谱特性光谱特性5. 响应时间和频率特性响应时间和频率特性 4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性1. 光照下的光照下的PN结电流方程结电流方程及伏安特性及伏安特性电流方程电流方程 /0p1e Uk TIIeI伏安特性伏安特性 （1 1）电流公式与）电流公式与IVIV曲线图曲线图 （4-1）由于Ip 与光照有关，并随光照的
6、增大而增大。因此，Ip 可表示为IpSE，式中S 为光电灵敏度，E 为辐射照度。所以，式（4-1）可改写为按式（4-1）或（4-3）可画出光伏探测器在不同不同照度下照度下的伏安特性曲线，如图4-1 所示。无光照时，伏安特性曲线与一般二极管的伏安特性曲线相同；受光照后，曲线将沿电流轴向受光照后，曲线将沿电流轴向下平移，下平移，平移的幅度与光照的变化成正比平移的幅度与光照的变化成正比，即Ip=SE。e,) )exp(1 (dhqIP第一象限第一象限：普通二极管普通二极管, ,iD本来就很大，所以光电流本来就很大，所以光电流不起重要作用。不起重要作用。表现不出它的光电效应,作为作为光电探测器光电探测
7、器 这个区域没有意义！这个区域没有意义！ （2 2）IVIV曲线的分析曲线的分析 4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性 第三象限PN 结外加反向偏压反向偏压。暗电流Id 随反向偏压的增大有所增大，最后等于反向饱和电流反向饱和电流I0，其值远小于光电流远小于光电流Ip；总电流I=IdIp SE 与光照的变化成正比与光照的变化成正比。从外表上看从外表上看，无光照时光伏探测器电阻很大，因而电流很小；而有光照时，电阻变小，电流就变大，而且流过它的光电流随照度变化而流过它的光电流随照度变化而变化变化。这一特性与光电导探测器工作机理类似与光电导探测器工作机理类似，因此称这种工作模式
8、为光电导模式光电导模式。第三象限第三象限：光电导模式光电导模式( (反偏压状态反偏压状态, iD=iS0，它是，它是普通二极管中的反向饱和电流，现在称为普通二极管中的反向饱和电流，现在称为暗电流暗电流(对应于对应于光功率光功率P=0)，数值很小，这时的，数值很小，这时的光电流是流过探测器的主光电流是流过探测器的主要电流要电流) ) 这个区域重要意义！这个区域重要意义！ 反向偏压反向偏压可以减小可以减小载流子的渡越时间载流子的渡越时间和二极管的极间电和二极管的极间电容容，有利于提高器，有利于提高器件的响应灵敏度和件的响应灵敏度和响应频率。响应频率。 4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测
9、器的原理和特性 通常把通常把光导工作光导工作模式模式的光伏探测器的光伏探测器称为称为光电二极管光电二极管。第四象限：第四象限：光伏模式光伏模式 光电池光电池的工作区域的工作区域4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性PN 结无外加偏压无外加偏压；流过光伏探测器的电流电流随着光照变化随着光照变化，其电流与电压出现明显的非线性。光伏探测器的输出电流流过外电路负载电阻流过外电路负载电阻产生的压降就是它自身的正向偏压产生的压降就是它自身的正向偏压，故称为自（生）偏压，这种工作模式通常称为光伏模式。伏安特性伏安特性光电二极管光电二极管 光电池光电池 普通二极管普通二极管 4.1 4.
10、1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性（3）等效电路）等效电路 （意义：分析与计算）（意义：分析与计算）/0p1e Uk TIIeI电流源电流源普通二极管普通二极管等效于一个电流源（光电流） Ip 和一个普通二极管的并联。普通二极管包括暗电流Id、结电阻Rsh、结电容Cj 及串联电阻Rs。Rsh 为PN 结的漏电阻（结电阻），它比RL 和PN 结的正向电阻大得多，流过电流很小，可以略去；Rs 为引线电阻、接触电阻等之和，其值一般可忽略。4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性 2. 开路电压开路电压Uoc和短路电流和短路电流Iscp/01IeIIkTeU负载电阻R
11、L，光伏探测器两端的电压称为开路电压 open circuit I=0 ocp0ln/1kTUIIe（）负载电阻RL=0，流过光伏探测器称为短路电流 short circuitU=0scpIIS E -短路电流 -开路电压光伏探测器的工作模式 一个PN结光伏探测器就等效为一个普通二极管和一个恒等效为一个普通二极管和一个恒流源流源(光电流源光电流源)的并联的并联，如图 (b)所示。它的工作模式则由外偏压回路决定。在零偏压零偏压时(图 (c)，称为光伏工作模式光伏工作模式。当外回路采用反偏压V时(图 (d)，即外加P端为负n端为正的电压时，称为光导工作模式光导工作模式。 VuiiD(a)(b)(c
