第五章 光伏型探测器
光伏探测器
一、光伏探测器的工作原理光生伏特效应是光照度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。
对于不均匀半导体，由于同质的半导体不同的掺杂形成的PN 结、不同质的半导体组成的异质结或半导体接触形成的肖特基势垒都存在内建电场，当光照这种半导体时由于半导体对光的吸收而产生了光生电子-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，这种现象是最重要的一类光生伏特效应。
对于均匀半导体，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而引起载流子扩散运动。
但电子-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的分开，从而出现光生电势。
这种现象称为丹倍效应。
此外，如果存在外加磁场，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，称为光磁效应。
通常把丹倍效应和光磁电效应称为体积光生伏特效应。
二、光伏探测器的伏安特性有光照时，若PN 结外电路接上负载电阻L R ,如图所示，在PN 结内将出现两种方向相反的电流：一种是光激发产生的电子-空穴对形成的光生电流P I ,它与光照有关，其方向与PN 结方向饱和电流o I 相同;另一种是光生电流D I 流过负载电阻P R 产生电压降，相当于在PN 结施加正向偏置电压，从而产生正向电流D I ，总电流L I 是两者之差，即流过负载的总电流为：)1(/--=-=kTqV o P D P L eI I I I I (A)上式中的光电流P I 正比于光照度E ，比例常数E S 称为光照灵敏度，即E S I E P = (A)当负载电阻L R 断开时，0=L I ，称P 端对N 端电压为开路电压oc V ，且由于，则近似地有 )l n (oE oc I ES q kTV =（V ）当负载电阻L R 短路时，0=L R ，称流过回路的电流为短路电流sc I ，短路电流就是光生电流P I 。
P I 与光照度E 或光通量Φ成正比，从而得到最大线性区，这在线性测量中被广泛应用。
第5章 光伏探测器
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46
1．短路或线性电流放大区
光电池自偏置电路
3．功率放大区 2．空载电压输出区
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47
5.3.1自偏置电路
1．短路或线性电流放大区 RL0=0 (运放虚短) 放大器的输入电阻为：
ri ≈
Rf 1＋A
ri =0～10Ω
线性放大区：线性好、输出光电流大，暗电流近 似为零、信噪比好，适合弱光信号检测。
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1） 光照下的PN结电流方程及伏安特性
电流方程 伏安特性
= I
I 0 e eU / kT − 1 − I p
(
)
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第一象限：普通二极管 光电探测器 这个区域没有意义！！
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第三象限：光电导模式 光电二极管 这个区域重要意义！！
摘自教育部新世纪 网络课程《电子技 术》—大连海事大 学制作
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2)PN结能带与势垒 结合前
费米能级与导带或价带的相对位置由材料掺杂决定
结合后
一个平衡系统只能有一个费米能级
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2)PN结能带与势垒*
E
电场力
类比: 小球滚上山坡
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零伏偏置电路实例
例1：自偏置_负载电阻为零 例2：反偏置_反偏压为零
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《基于二维钙钛矿的光伏型光电探测器性能研究》
《基于二维钙钛矿的光伏型光电探测器性能研究》篇一一、引言随着科技的发展，光电探测器已成为光电技术的重要组件。
特别是近年来，基于二维钙钛矿材料的光伏型光电探测器因其高效的光电转换性能和低成本的制备工艺，受到了广泛的关注。
本文旨在研究基于二维钙钛矿的光伏型光电探测器的性能，包括其工作原理、制备方法以及性能指标的优化等方面。
二、二维钙钛矿光伏型光电探测器的工作原理二维钙钛矿光伏型光电探测器的工作原理主要基于光生电效应。
当光照射在钙钛矿材料上时，钙钛矿材料会吸收光子并激发出电子-空穴对。
这些电子和空穴在电场的作用下分别向电极移动，从而产生电流。
通过这种方式，二维钙钛矿光伏型光电探测器能够将光信号转换为电信号。
三、制备方法与实验过程（一）制备方法二维钙钛矿光伏型光电探测器的制备主要包括钙钛矿层的制备和电极的制备。
首先，通过溶液法或气相沉积法制备出高质量的钙钛矿层。
然后，在钙钛矿层上制备电极，形成光伏结构。
（二）实验过程在实验过程中，我们采用了不同的制备工艺参数，如钙钛矿层的厚度、电极材料等，以探究这些参数对光电探测器性能的影响。
同时，我们还对光电探测器的光谱响应、响应速度等性能进行了测试和分析。
四、性能指标与优化（一）性能指标二维钙钛矿光伏型光电探测器的性能指标主要包括光谱响应、响应速度、量子效率等。
光谱响应表示光电探测器在不同波长下的响应能力；响应速度表示光电探测器对光信号的响应速度；量子效率表示光电探测器将光子转换为电子-空穴对的效率。
（二）性能优化为了进一步提高二维钙钛矿光伏型光电探测器的性能，我们采取了多种优化措施。
首先，通过优化钙钛矿层的厚度和成分，提高光吸收效率和载流子传输效率。
其次，采用高性能的电极材料，降低电极与钙钛矿层之间的界面电阻。
此外，我们还通过改善制备工艺和后处理工艺，提高光电探测器的稳定性和可靠性。
五、结果与讨论（一）实验结果通过实验，我们发现优化后的二维钙钛矿光伏型光电探测器在光谱响应、响应速度和量子效率等方面均得到了显著提高。
华中科技大学《光电探测》5.1光伏探测器光电池
有光照下的伏安特性曲线
讨论：
开路电压Voc
负载电阻RL断开时IL=0，
PN结两端的电压为开路电压，用Voc表示
I L I D I p I0e
Voc
qV / KT
I0 I p
Ip kT ln( 1 ) q I0
kT I p kT S E E ) 通常Ip>>I0；则： V0c ln( ) ln( q I0 q I0
正向电流ID
2
1
V
I D I 0e
qV / KT
I0
3
ID：流过PN结的电流 I0：PN结的反向饱和电流 V：加在PN结上的正向电压
1：正向导通部分 2：反向截止部分 3：反向击穿部分
二、有光照下的PN结
1.光照下PN结的两种工作模式 扩散：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；
漂移：在开路状态，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Voc
零偏置的光伏工作模式 工作模式 反向偏置的光电导工作模式
２.光照下PN结的电流方程
零偏置的光伏工作模式——无外加电压
有光照射时，若PN结电路接 负载电阻RL,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Ip，它与光照有关，其方向与 PN结反向饱和电流I0相同。
N A ND qVD kT ln ni2 2 N A N D W [ ( )(VL V )]1/ 2 q N A ND N A ND 1 C j A[ ( )( )]1/ 2 2 N A N D VD V
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。
光伏探测器光电特性实验讲义
光伏探测器光电特性实验讲义光伏探测器光电特性实验光电二极管与光电池是根据光伏效应制成的pn 结光电器件，短路电流与入射光强成正比是其一个突出优点，在精确测量光强时常用作光探测器。
光敏电阻是基于光电导效应原理工作的半导体光电器件，灵敏度高，体积小，重量轻，常用于自动化技术中的光控电路。
【实验目的】1. 观测光电二极管的光电特性；2. 观测光电池的光电特性。
【仪器仪器】光电二极管，光电池，直流电源，小灯泡（6V ，0.15A ），数字万用电表两块（其中一块表有直流电流200A μ量程），电阻箱，实验暗箱等。
如图1所示。
图1 光伏探测器光电特性实验仪实验装置技术指标1．直流电源 0-4V 连续可调，显示分辨率0.01V ； 2．电阻箱0-99999.9Ω可调，分辨率0.1Ω；3．数字万用表电流测量分辨率0.01A μ（20A μ档）； 4．光敏电阻暗电阻大于4M Ω；5．小灯泡额定电压6.3V ，额定电流0.1A 。
6. 传感器移动范围约17cm【实验原理】1. 光伏效应当光照射在pn 结上时，由光子所产生的电子与空穴将分别向n 区和p 区集结，使pn 结两端产生电动势。
这一现象称为光伏效应，如图2所示。
利用半导体pn 结光伏效应可制成光伏探测器，常用的光伏探测器有光电池、光电二极管、光电三极管等。
光电池是根据光伏效应制成的pn 结光电器件。
不需要加偏压就可以把光能转化为电能。
光电池的用途，一是用作探测器；二是作为太阳能电池，将太阳能转化为电能。
光电池的结构示意图及应用电路如图3所示。
光电池的光照特性主要有伏安特性、入射光强-电流（电压）特性和入射光功率-负载特性。
2.光照下的pn 结特性光照下pn 结的伏安特性曲线如图4所示。
无光照时，pn 结的伏安特性曲线和普通二极管的一样。
有光照时，pn 结吸收光能，产生反向光电流，光照越强，光电流越大。
光伏器件用作探测器时，需要加反偏压或是不加偏压。
不加偏压时，光伏器件工作在图4的第四象限，称为光伏图2 pn 结光伏效应原理图（b ）（a ）图3 光电池的结构示意图（a ）及基本应用电路（b ）图4 光伏探测器的伏安特性曲线工作模式。
光伏探测器详解
B、雪崩光电二极管（APD）
一般旳硅光电二极管和PIN光电二极管是没有内增益旳光 伏探测器，而在光探测器系统中旳实际应用中，大多是对微 光信号进行探测，采用具有内增益旳光探测器将有利于对薄 弱光信号旳探测。
雪崩光电二极管是具有内增益旳光伏探测器，它是利用 光生载流子在高电场区内旳雪崩效应而取得光电 料主要是硅和锗，实际旳器件具有极短旳响应时间，即数以 千兆旳相应频率，高达100到1000旳增益，所以在光纤通讯、 激光测距、激光雷达和光纤传感器等领域得到了广泛旳应用。
5、频率响应及响应时间 6、温度特征
五．光电探测器应用
1.光电池及应用 光电池是一种无需外加偏压就能将光能转换成电能旳光伏探测 器。光电池能够分为两大类：太阳能光电池和测量光电池。太 阳能光电池主要用作电源，对它旳要求是转换效率高、成本低， 因为它具有构造简朴、体积小、重量轻、可靠性高、寿命长、 在空间能直接利用太阳能转换电能旳特点，因而不但仅成为航 天工业上旳主要电源，还被广泛地应用于供电困难旳场合和人 们日常生活中。测量光电池旳主要应用时作为光电探测用，即 在不加偏置旳情况下将光信号转换成电信号，对它旳要求是线 性范围宽、敏捷度高、光谱响应合适、稳定性好、寿命长，被 广泛应用在光度、色度、光学精密计量和测验试中
一、三种工作模式
（1）零偏置旳光伏工作模式 若p-n结电路接负载电阻RL，如图，有光照射
时，则在p-n结内出现两种相反旳电流：
光激发产生旳电子－空穴对，在内建电
场作用下形成旳光生电流Ip，它与光照有 关，其方向与p-n结反向饱和电流I0相同；
光生电流流过负载产生电压降，相当于
在p-n结施加正向偏置电压，从而产生电 流ID。
（1）光电池旳构造 光电池是用单晶硅构成旳，在一块N型硅片上扩散P型杂质，形成一种扩 散np结；或在P型硅片扩散N型杂质，形成pn结，在焊上两个电极。P端 为光电池正极，N端为负极，一般在地面上应用作光电探测器旳多为np型。 pn型硅光电池具有较强旳抗辐射能力，适合空间应用，作为航天旳太阳 能电池。下图为是硅光电池结 构示意图。
[光电信号检测]第5章 光伏探测器
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d ( n ) J D ( q ) n n dx
d ( p ) Jp D q p dx
hν
总的扩散电流密度为 J J J q ( D D ) n p n p 扩
hνd ( p ) dxVhνhνV
Dn、Dp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
§5-1 光生伏特效应
光生伏特效应是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。 对于不均匀半导体，由于同质的半导体不同的掺杂 形成的pn结、不同质的半导体组成的异质结或金属 阻挡层 E 与半导体接触形成的肖特基势垒都存在内建电场。 当光照这种半导体时，由于半导体对光的吸收而产 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 P N 象是最重要的一类光生伏特效应。
相反，如果Dn＝Dp则二者的扩散电流完全抵消。 事实上一般Dn>>Dp，即电子扩散得比空穴快，并且扩散到较深的半 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 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方向的 光生电动势。
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 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， 这种效应称为光磁电效应。
光电信号检测
第五章 光伏探测器
概述
光伏探测器是利用半导体的光生伏特效应制成的探 测器。分为有结型（常用）和无结型（不常用）。 有结型光伏探测器。按照 “结”的种类不同，又可 分为pn结型、pin结型、金属－半导体结型（肖特基 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 三极管、pin管、雪崩二极管等。
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eV kT x d , p p0 e 1
微分方程的解为
eV xd x Dp x kT Qs sh p0 e 1 Sv sh ch Lp Lp Lp Lp p d Dp d Sv sh ch Lp Lp Lp
空穴电流密度为
dp j p Dpe dx x d eV Dp d d kT Sv sh Qs p0 e 1 ch Lp Lp Lp eDp d Dp d Lp Sv sh ch Lp Lp Lp
假设
d L p
第五章
光伏型探测器
第一节 光伏探测器的响应度
一、光伏型探测器的工作原理
光伏探测器的基本部分 是一个P-N结
在pn结光电二极管中的光吸收、电子-空穴
对产生和光诱导电流的示意图
波长比材料截止波长短的红外辐射被光电二极管吸收后将产生电子-空穴对
如果吸收发生在空间电荷区(结区)，电子和空穴立刻被强电场分开并在外 电路中产生光电流
电位时间流过 P - N结的光生载流子 单位 单位时间入射的光子数 I e Ps h
PN结增 量电阻：
kT kT V Ri I V 0 eJ s Ad eIs
eRi R h
提高量子产额（光生电流）
故：
提高增量电阻，即降低反向饱和电流
第二节 光伏型探测器工作方式分析
d 1 sh Lp
减小反射损失 减小受光照一侧材料的厚度d 提高载流子的扩散长度（提高少子的寿命）
sh x
x
(2) 减小反向饱和电流及增大增量电阻
Ri
kT p0 D p d n0 De d e Sv p0 th cth lw LP Lp Le Le
x d L, n 0
eV d Lx kT n0 e 1sh Le n L sh Le
dn jjp e eDe dx x d
eV eDe kT L n0 e 1cth Le L散长度区域内，则光生电子-空穴对必定
首先扩散到空间电荷区，然后在那里被电场分开，并对外电路贡献光电流 如果光电二极管是开路，则在P-N结两端出现开路电压，即产生光生伏特效
应
如果在P端和N端间连接一很低的电阻，则光电二极管被短路且有短路电流 流动
二、光电二极管的基本结构
kT 1 Le L p
2L
增量电阻
Ri
kT n0 De p0 D p wde L Lp e
2
提高量子产额和增量电阻 ① ② ③ 在
L Le ( Lp ) 的条件下，缩短探测器的长度；
减小反射损失； 减小P-N结的结面积
归纳： 提高响应度的措施（光平行于PN结入射时）
je eDe
dn dx x0
eV n0 kT L L L cth eQLe csc h cth eDe e 1 L Le Le Le e
同理，ＰＮ结结处的空穴电流密度
eV L L L e kT 1cth eQLp csc h cth L Lp Lp e
反向饱和电流密度
n0 De p0 D p J s e L L p e
J eQLe L p e 1 E0 Le Lp hd
光生电流密度
当P-N结开路时， j 0
kT J kTJ V ln 1 e J s eJ s
2
① 减小d可降低Js，提高Ri ② 减小表面复合系数也可以降低Js，提高Ri ③ 增大L ④减小无信号时载流子浓度n0和p0 ⑤ 减小器件几何尺寸
第三节 光伏探测器的时间响应特性
影响光伏探测器时间响应特性的三个因素 光生载流子在准中性N或P区扩散到耗尽区所需的时间
且表面复合又不太大 E I
eV Dp d d kT Sv j p e 1 sh ep0 e 1 th h Lp L L p p
P区的厚度L远大于Le
d 2 n n De 0 2 dx
x=d
d 2 n n De 0 dx2
2
讨论
(1)
如何提高响应度？？？
V kTJ 降低反向饱和电流 R
考虑：
n0 n0t
Ps
Ps eJ s
Js e p0 p0t p L L 0 b p e
n0 De p0 D p 2ehwdL n b n00 L L p D D e p 0 p e
Js：反向饱和电流密度
光生电压为
kT J V ln 1 e Js
弱光照情况下：
J J s
kT J V e Js
四、光伏探测器响应度的普遍表达式 光伏探测器的响应度为光生电压与探测器所接受的功率之比
V kTJ R Ps Ps eJ s
量子产额：
方程的解为：
2 n n De Q 0 2 x
eV xL L x x L kT n0 e 1sh L Q e sh L sh L sh L e e e e n L sh Le
ＰＮ结结处的电子电流密度
通过制冷降低探测器的温度 N区、P区重掺杂 缩短探测器的长度（L>>Ln(Lp)） 镀抗反射膜 减小PN结面积 钝化处理
2）光垂直于P-N结平面照射 N区的厚度ｄ远小于扩散长度Ｌｐ
N区内少子空穴的稳态方程
d 2 p p Dp 0 2 dx
x 0, D p dp Qs Sv p dx
响应度为
V kTJ R Ps eJ s Elw kT 1 sh d Lp
p0 D p d n0 De d eh Sv p0 th cth lw L L L L P p e e
讨论
如何提高响应度？？？
(1)提高量子产额，增大光生电流密度
p j p eDp 0 Lp
L Le ( Lp )
je eDe
je
eV n0 kT eDe Le e Le
dn eV endx Dx0
0 e kT
e eQL 1 e L L L 1cth eQL csc h cth L L L
响应度
n0 De p0 Dp eV kT e 1 eQLe Lp je L L e p eV kT J s e 1 J
V kTJ R Ps Ps eJ s
kT 1 Le L p n0 De p0 D p 2 e ehwdL L L e p
光照情况下
在光照情况下，P-N结的势垒高度由原来的eV0变为e(V0-V) N区中少数载流子浓度获得的增量∆p为
eV kT p p0 e 1
结区附近N区中少数载流子浓度为
p0无光照时N区中少数载流子浓度
p p0 p p0e
eV kT
光照射P-N结时，P区中的少子电子浓度的增量和电子浓度分别为
e e e e
ep0 D p eV kT e 1 eQLp jp Lp
结处的总电流密度
n0 De p0 Dp eV kT je e 1 eQLe Lp L Lp e JS：反向饱和电流密度 eV kT J s e 1 J J: 光生电流密度
eV kT n n0 e 1
结区附近N区中少数载流子浓度为
n0为无光照时P区中少数载流子浓度
n n0e
eV kT
非平衡载流子在结区引起空穴电流密度和电子电流密度分别为
Jp
eDp Lp
p
eDp Lp
eV kT p0 e 1
eV eDe eDe kT Je n n0 e 1 Le Le
总的光生电流密度J为
eV kT J J p Je J s e 1
其中：
De Dp J s e n0 p0 L L e p
可通过制冷降低探测器
ni2 降低，进而降低Ｊｓ
② 通过适当重掺杂，即增加ＮＡ或ＮＤ来降低ＪＳ
(2)
V 提高量子产额及增大增量电阻
量子产额
n0 De p0 D p Le Lp2ehwdL L Lp 1 e
kTJ R Ps Ps eJ s
在温度不太低时
N An0t n
ND p0t ni2
2 i
De D p n0b De p0b D p e J s en N L L N L L A e D p e p
2 i
结论： ①在温度不太低时， 的温度，使
n0t n0b
1） 光平行于P-N结平面照射 P区少子基本方程 w d
n 2 n n De Q 2 t x
稳态方程
光平行于结平面照射 光伏探测器
P区及N区的长度大于电子和空穴的 扩散长度
2 n n De Q 0 2 x
边界条件
eV kT x 0, n n0 e 1 x L, n 0
p0 D p d n D L 0 e th cth 反向饱和电流密度 J s e S v p0 LP Lp Le Le