光伏型探测器
硅光伏探测器工作原理
硅光伏探测器工作原理
硅光伏探测器是一种基于硅材料的光电转换器件，其工作原理主要基于光电效应。
以下是硅光伏探测器的工作原理的简要描述：
1. 光吸收：当光线照射到硅光伏探测器的表面时，光子能量被硅材料吸收。
硅材料对光的吸收与其能带结构有关，只有能量大于硅的禁带宽度的光子才能被吸收。
2. 电子激发：吸收的光能将硅中的电子从价带激发到导带，形成电子-空穴对。
这个过程是光电效应的核心，实现了光能到电能的转换。
3. 载流子分离：由于硅具有半导体特性，存在内建电场或外加电场的作用下，电子和空穴会被分离开来。
内建电场通常存在于PN结中，由P型区和N型区的掺杂差异形成。
外加电场则可以通过在探测器上施加电压来产生。
4. 电流产生：分离的电子和空穴在电场的作用下沿着导体形成电流。
这个电流可以被外部电路检测和测量，从而实现对光信号的探测和转换。
总结来说，硅光伏探测器的工作原理是通过光电效应将光能转化为电能，利用硅材料的特性实现光子的吸收、电子的激发、载流子的分离和电流的产生。
这种探测器在光纤通信、光学传感器、星载探测和医学成像等领域有广泛的应用。
光电探测器的几种类型
光电探测器的几种类型红外辐射光子在半导体材料中激发非平衡载流子电子或空穴、，引起电学性能变化。
因为载流子不逸出体外，所以称内光电效应。
量子光电效应灵敏度高，响应速度比热探测器快得多，是选择性探测器。
为了达到性能，一般都需要在低温下工作。
光电探测器可分为：1、光导型：又称光敏电阻。
入射光子激发均匀半导体中的价带电子越过禁带进入导带并在价带留下空穴，引起电导增加，为本征光电导。
从禁带中的杂质能级也可激发光生载流子进入导带或价带，为杂质光电导。
截止波长由杂质电离能决定。
量子效率低于本征光导，而且要求更低的工作温度。
2、光伏型：主要是p－n结的光生伏特效应。
能量大于禁带宽度的红外光子在结区及其附近激发电子空穴对。
存在的结电场使空穴进入p区，电子进入n区，两部分出现电位差。
外电路就有电压或电流信号。
与光导探测器比较，光伏探测器背影限探测率大于40％；不需要外加偏置电场和负载电阻，不消耗功率，有高的阻抗。
这些特性给制备和使用焦平面阵列带来很大好处。
3、光发射－Schottky势垒探测器：金属和半导体接触，典型的有PtSi/Si结构，形成Schottky势垒，红外光子透过Si层为PtSi吸收，电子获得能量跃上Fermi能级，留下空穴越过势垒进入Si衬底，PtSi层的电子被收集，完成红外探测。
充分利用Si集成技术，便于制作，具有成本低、均匀性好等优势，可做成大规模1024×1024甚至更大、焦平面阵列来弥补量子效率低的缺陷。
有严格的低温要求。
用这类探测器，国内外已生产出具有像质良好的热像仪。
PtSi/Si结构FPA是早制成的IRFPA。
4、量子阱探测器QWIP：将两种半导体材料A和B用人工方法薄层交替生长形成超晶格，在其界面，能带有突变。
电子和空穴被限制在低势能阱A层内，能量量子化，称为量子阱。
利用量子阱中能级电子跃迁原理可以做红外探测器。
90年代以来发展很快，已有512×512、640×480规模的QWIPGaAs/AlGaAs焦平面制成相应的热像仪诞生。
光伏探测器PPT演示课件
I (%)
I (%) Si蓝 Si
Se
Si
100
100
80
80
60
60
40
40
20
20
2000 4000 6000 8000 10000 12000
2000 4000 6000 8000 10000 12000
光电池的光谱响应特性曲线
硅蓝光电池的光谱响应曲线
19
（4）频率特性
当光照射光电池时，由于载流子在结区内扩 散、漂移都要有一个时间过程，所以产生的 光电流有滞后于光照变化的现象。
加的很小。如
Ip
ID ，则
U oc
kT ln( I p ) e I0
14
一般而言， 约为0.45~ 0.6V, 电流密度约 为150 ~300A/m2。在实际工作中，两者是通过测 量获得，当光电池在一定光照下，使其两端开路， 用高内阻的直流毫伏表或电位差计接在其两端，
测出 ，用低电阻电流表短接，其示值为 。
PN结的零偏状态
光照零偏p-n结产生光
生载流子，少子在内 电场的作用下，电子 向N区漂移、使在N区 的边界呈负极性，空 穴向P区漂移，使在P 区的边界呈正极性， 此时产生开路电压， 短路光电流。此为光
电池的工作原理。
4
PN结反偏状态
光照反偏条件：当 入射光波照射于反 偏置PN结时，产生 光生载流子，少子 在增强的内电场的 作用下，形成了大 于反向饱和电流的 光电流。此为光电 二极管的工作原理。
9
1、光电池的结构原理
扩散
光照
由光照产生的电子和空穴在内电 场的作用下才形成光生电动势和光电 流。但光电池的光电效率非常低，最 高也只能是百分之十几。
光伏探测器的原理与应用
光伏探测器的原理与应用1. 原理介绍光伏探测器（Photovoltaic Detector）是一种将光能直接转化为电能的器件。
它利用光电效应原理，将吸收的光子能量转化为电荷或电压信号。
光伏探测器是光电探测器的一种重要类型，广泛应用于光通信、光谱分析、环境监测、太阳能电池等领域。
主要的光伏探测器类型包括：光电二极管、光电导、光电晶体管、光电效应晶体管、光电倍增管等。
下面将逐一介绍这些光伏探测器的原理和应用。
1.1 光电二极管光电二极管是一种最简单的光伏探测器，它基于PN结的正常工作原理。
当光线照射到PN结上时，光子能量会激发光伏效应，产生电子-空穴对。
这些电子-空穴对将会在电场的作用下分离，形成电流。
在应用方面，光电二极管常用于光通信、显示器亮度控制、光照度测量等领域。
由于光电二极管的结构简单，成本低廉，并且灵敏度较高，因此被广泛应用于各种光电设备中。
1.2 光电导光电导（Photocunductor）是利用半导体材料的光电效应原理制成的光伏探测器。
它的结构类似于晶体管，但没有PN结。
光电导的导电性随着入射光的强度而改变，当光照射到光电导的表面时，导电性增加，产生电流。
光电导具有光响应速度快、灵敏度高的优点。
它常用于图像传感、光谱仪、精密测量等领域。
1.3 光电晶体管光电晶体管（Phototransistor）是一种将光信号转化为电信号的光伏探测器。
它由普通晶体管和光敏元件组成。
当光照射到光电晶体管的敏感区域时，光子能量被转化为电子信号，通过晶体管的放大作用，得到较大的电流输出。
光电晶体管具有灵敏度高、应用范围广的特点。
它常用于光照度测量、光谱分析、自动控制等领域。
1.4 光电效应晶体管光电效应晶体管（Photovoltaic Transistor）是将光电二极管和晶体管相结合的光伏探测器。
它不仅能够将光能转化为电能，还可以放大信号。
光电效应晶体管的输出可以直接连接到数字电路或模拟电路中使用。
光电效应晶体管广泛应用于光通信、图像传感、光电测量等领域。
3-4 光伏探测器
3.4 光伏探测器（PV——Photovoltaic ）光伏探测器——利用光生伏特效应制成的光电探测器，是结型探测器。
原理：在内建电场的作用下，电子——空穴对漂移至两端，形成电压。
§3.4.1 光伏探测器的工作原理一、热平衡下的PN 结 1.几个物理参数 势垒高度 2lnA DD iN N qV kT n ⋅= 结区宽度 1/22[()]A DL A DN N W V q N N V εε+=⋅−⋅ PN 结电容 1/201[()()]2A D j A D D qN N C A N N V Vεε⋅=⋅+−2.PN 结电流方程（伏安特性曲线）1：正向导通部分2：反向截止部分3：反向击穿部分/00qV KT D I I e I =−I D ：流过PN 结的电流 I 0：PN 结的反向饱和电流 V ：加在PN 结上的正向电压 二、有光照下的PN 结1.光照下PN 结的两种工作模式当光照射PN 结时，只要入射光子能量大于材料禁带宽度，就会在结区产生电子－空穴对。
这些非平衡载流子在内建电场的作用下，空穴顺着电场运动，电子逆电场运动；在开路状态，最后在N 区边界积累光生电子，P 区积累光生空穴，产生了一个与内建电场方向相反的光生电场，即P 区和N 区之间产生了光生电压V oc２.光照下PN 结的电流方程 零偏置的光伏工作模式:光照PN 结工作原理有光照射时，若PN 结电路接负载电阻R L ,如图，在PN 结内出现两种方向相反的电流：光激发产生的电子－空穴对，在内建电场作用下，形成的光生电流I p ，它与光照有关，其方向与PN 结反向饱和电流I 0相同。
反向偏置的光电导工作模式:另一种在PN 结施加反向偏置电压，总电流是两者之差：/00qV KT L D p p I I I I e I I =−=−−光生电流: p E I S E =⋅ S E 为光照灵敏度 有光照下的伏安特性曲线如下：/00qV KT L D p p I I I I e I I =−=−−有光照下的伏安特性曲线讨论：开路电压V oc负载电阻R L 断开时I L =0，PN 结两端的电压为开路电压，用V oc 表示/00qV KT L D p p I I I I e I I =−=−− 0ln(1)p oc I kTV q I =+ 通常I p 》I 0；则：000ln()ln(p E c I S E kT kT V q I q I ⋅≈= 短路电流负载电阻短路时R L =0, 短路电流：sc p E I I S E ==⋅频率特性如果给PN 结加上一个反向电压V b ，外加电压所建电场和PN 结内建电场方向相同，使得结势垒由qV D 增加到q(V D +V b )，使光照产生的电子－空穴对在强电场作用下更容易产生漂移运动，提高了器件的频率特性。
光伏型自驱动光电探测器性能的研究
光伏型自驱动光电探测器性能的研究光伏型自驱动光电探测器性能的研究摘要：随着太阳能的广泛应用，光伏型自驱动光电探测器作为一种重要的太阳能利用设备，具有自动转换太阳能为电能的能力，在各种光照环境下均能正常工作。
本文通过实验研究，探讨了光伏型自驱动光电探测器的性能表现，并分析了其优缺点和未来发展方向。
在研究中，我们使用了一种基于光伏效应的太阳能电池，将其作为自驱动光电探测器的核心元件。
在实验中，我们分别在室内和室外环境下对其性能进行测试。
首先，我们测试了设备的光暴发响应能力。
实验结果表明，光伏型自驱动光电探测器具有快速响应的特点，能够在短时间内将光信号转换为电信号，并输出到外部电路中。
此外，我们还测试了该设备在不同光照强度下的工作状态。
实验结果显示，光伏型自驱动光电探测器在强光照射下工作稳定，具有较高的输出功率；而在弱光照射下，其输出功率较低，但仍能保持一定的工作能力。
这说明光伏型自驱动光电探测器具有较好的光电转换效率和适应不同光照条件的能力。
通过以上实验数据的分析，我们可以得出以下结论：光伏型自驱动光电探测器具有快速响应、较高的光电转换效率以及适应不同光照条件的特点。
然而，也存在一些不足之处。
首先，该设备对光源的定向性要求较高，对于均匀光照条件下的应用具有一定限制；其次，光伏型自驱动光电探测器在弱光照射下输出功率较低，需要进一步提高其低光照工作能力。
针对这些问题，我们提出了一些解决方案和优化措施。
首先，可以通过优化太阳能电池的结构和材料，提高其光吸收能力和光电转换效率，使其在较低光照条件下仍能正常工作。
其次，可以引入聚光系统，将光线集中到太阳能电池表面，增强其接收光能力。
此外，还可以开发智能光伏型自驱动光电探测器，利用传感器和控制器实现对光照条件的自动调节，以适应不同应用环境下的光照变化。
最后，还可以加强对光电探测器性能的仿真和模拟研究，为进一步优化设备提供理论支持。
综上所述，光伏型自驱动光电探测器作为一种具有自动转换太阳能为电能能力的太阳能利用设备，具有快速响应、较高的光电转换效率和适应不同光照条件的优点。
第5章 光伏探测器
如果在外部把p区和n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光 电流，称为短路电流。 短路电流和光生电动势可由pn结的基本特性求得。 光生电流：
P I s q h
P 光生电动势： Vs qR0 h
R0 电压响应率： RV q h
光伏探测器与光电导探测器相比较，主要特点在于： (1)产生光电变换的部位不同，光电导探测器是均值型；而 光伏探测器是结型，只有到达结区附近的光才产生光伏效 应。 (2)光电导探测器没有极性，工作时必须外加偏压；而光伏 探测器有确定的正负极，可以加也可以不加偏压工作。 (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 多子产生与复合运动，驰豫时间较大，响应速度慢，频率 响应性能较差；而光伏探测器的光伏效应主要依赖于结区 非平衡载流子中的少子漂移运动，弛豫时间较小，响应速 度快，频率响应特性好。
当器件在零偏置（VA＝0）时，流过p-n结的电流除光电流 Is外，还包含正向和反向的暗电流ID-与ID+，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 应为
i 2e( I I I s )f 2q(2 I D I s )f
2 N
D
D
当器件工作在负偏压时，ID+→0，则均方噪声电流为
I P1<P2
无光照 O V IS0
ID
有光照
光伏探测器的伏安特性
(Voc)max
Isc线性增加；
光伏器件的输出电压：
VVoc对数规律增加，并不随光强 ln S 1 I q S0 无限增大，当其增大到pn结势垒 消失时，即得到最大光生电压。
光伏探测器的原理和应用
光伏探测器的未来发展
多光谱光伏探测器
目前的光伏探测器大多只能响应特定波长的光。然而， 在实际应用中，往往需要同时响应多种波长的光。因此， 发展多光谱光伏探测器将成为未来的一个重要方向
安全监控：由于光伏探测器对光敏感， 因此它们可以用于安全监控系统。例 如，在机场或重要设施的安全检查中， 光伏探测器可以检测到隐藏的武器或 其他危险物品
医学成像：在医学成像中，光伏探测 器被用于各种成像技术，如光学层析 成像和荧光成像等。这些技术对于疾 病的诊断和治疗具有重要意义
空间探索：在空间探索中，光伏探测 器被用于各种目的，如测量太阳辐射、 检测星球表面的地形地貌以及研究大 气组成等
4
章节 PART
结论
结论
5
章节 PART
光伏探测器的未 来发展
光伏探测器的未来发展
Annual work summary
随着科技的进步和需求的增长，光伏探测器在未来将有更多的应用领域和更高的性能要求 。以下是几个可能的趋势
高效率光伏探测器：目前的光伏探测器转换效率已经相当高，但仍有提升空间。未来 的研究将致力于进一步提高光伏探测器的转换效率和稳定性，以实现更高效的能源利 用
集成化和智能化
将光伏探测器与其他电子器件集成在一起，实现智能化 控制和数据传输，将有助于提高光伏探测器的应用范围 和性能
环境适应性
在某些应用领域，如空间探索和海洋环境监测，光伏探 测器需要能够在极端环境下正常工作。因此，提高光伏 探测器的环境适应性也是未来发展的重要方向
光伏探测器的未来发展
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eV I Is[exp( kBT ) 1]
j
js
[exp(
eV kBT
)
1]
js
eDp pN 0 Lp
eDn nP 0 Ln
D kBT
e
反向击穿机理： 隧道击穿 雪崩击穿
L D
Page 5
hν
Semiconductor PN Junction
P
＋
e
＋
e
＋
e
＋
e
＋
e
＋
e
＋
e
＋
e
＋
e
N
p
灵敏度很高（比普通型光电二极管高出30-100倍），响应速度很
快，噪声较大
I
2 n
2e( I s
Ib
Id )G2f
4kBT f Rd
G IG I0
G[1 (1 1)(G 1)2 ] rG
Page 21
Heterogenous Junction Photoelectric Diode
异质结光电二极管
Ge:
800~1800 nm
InGaAs: 700~2600 nm
Page 12
Photovoltaic Detector
Page 13
Photovoltaic Detector
光伏探测器和光电导探测器的比较
– 光无论照在光电导的哪一部分，受光部分的电导率 都增大。只有到达结区附近的光子才能产生光伏效 应。
在P型和N型半导体之间夹着一层相对很厚的本征半导体（I层）。有利 于展宽光电转换有效工作区域，减小暗电流，减小结电容。
响应速度快，使用频带宽，线性输出范围宽，输出电流小。
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硅光电三极管
Silicon Photoelectric Triode
等效于一个光电二极管与一普通三极管基极、集电极并联。输 出电流比同样光照下的光敏二极管输出电流增大b倍。
主要用来探测紫外光。
Page 23
PSD位置传感器
PSD Position Transducer
一种对入射到光敏面上的光电位置敏感的光电传感器件，其 输出信号与光点在光敏面上的位置有关。
对光斑形状无严格要求，只与光的能量中心位置有关。
可以忽略不计） 结电容与负载电阻决定的时间常数τc 总响应时间： τ=τn+τc
经过精心设计的硅光伏二极管可以工作在几百兆赫兹的频 率下，甚至更高，这是光电导探测器所不及的。
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Photovoltaic Detector
光伏探测器的光谱特性
GaP: 150~550 nm
Si:
400~1100 nm
Semiconductor PN Junction
Page 2
P
e
N
p
e
p
e
p
e
p
e
p
e
p
e
p
e
p
e
p
第三章 光辐射探测器
Semiconductor PN Junction
Page 3
Semiconductor PN Junction
Page 4
Semiconductor PN Junction
灵敏度比光敏二极管高，输出电流大，多为mA量级。
响应时间长。在较强的光照下，光电流与辐射强度不成线性关 系。多用作光电开关元件或光电逻辑元件。
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Avalanche Photoelectric Diode
雪崩型光电二极管（APD)
在结构上类似普通光电二极管，但在高反偏压下工作，利用雪崩 倍增效应使光电流得到放大。
f
I
2 n
2e( I s
Ib
Id )f
4kBT Rd
f
I
2 n
2e( I s
Ib
Id )f
4kBT Rd
f
Rd 很大，探测器自身的热噪声可以忽略。
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Photovoltaic Detector
光伏探测器的频响特性
光生载流子扩散至结区的时间τn 光生载流子在电场作用下通过结区的漂移时间τd（通常
p
－
p
－
p
－
p
－
p
－
p
－
p
－
p
－
－
Page 6
Semiconductor PN Junction
Page 7
Semiconductor PN Junction
PN结的光电压和光电流
短路电流：
Il
I0 Il
Il
eA(Ln
Lp )n
e
P0
h
'
If
n P Ah
开路电压
V0
kBT e
ln( Il Is
Page 15
Silicon Photoelectric Cell
硅光电池
根据光生伏特效应制成的将光能转变成电能的器件， 光电池的基本结构就是一个PN结。
大面积的硅PN结。 光谱响应范围：0.4～1.1 m 响应时间：10－3～10－9 s 价格便宜、光电转换效率高（～10
％）、寿命长、稳定性好、能耐高 能辐射
– 光电导探测器没有极性，工作时必须外加偏压；光 伏探测器有确定的正负极，不需外加偏压也可以把 光信号变为电信号。
– 光电导探测器响应速度慢，频率响应差；光伏探测 器响应速度快，频率响应好。
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Photovoltaic Products
– 硅光电池 – 硅光电二极管 – 硅光电三极管 – PIN光电二极管 – 雪崩型光电二极管（APD） – 异质结光电二极管 – Schottky势垒光电二极管 – PSD位置传感器
1)
Iout
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光伏探测器的伏安特性
RL1>RL2
Photovoltaic Detector
Il
Is
光导模式
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光伏模式
Iout
I Il Is Il
Photovoltaic Detector
光伏探测器的噪声
光伏模式：
无光照：
有光照：
I
2 n
光 4导eI模d 式f ：4kRBdT
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光电二极管
Photoelectric Diode
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Silicon Photoelectric Diode
硅光电二极管
以光导模式工作的结型光伏探测器。总是在反偏压下工作。 频率响应非常好，输出电流普遍较小。
Page 18
PIN光电二极管
PIN Photoelectric Diode
异质结是由两种不同的半导体材料形成的PN结。 异质结的禁宽材料具有滤波作用 量子效率高、背景噪声较低，信号比较均匀，高频响应好，可
以有不同的波长响应范围。
Page 22
Schottky Barrier Photoelectric Diode
Schottky势垒光电二极管
金属和半导体接触也会形成势垒，叫做Schottky势垒。利 用Schottky势垒所制成的光电二极管就是Schottky势垒光 电二极管，也称为金属半导体光电二极管。可以把它看作 是一个结深为零，表面覆盖着薄而透明（几十Ǻ）金属膜的 PN结。