第04章_光伏探测器A 20141030

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。2022-7-34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

12、)(d)iiLRLR4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性/d01eU kTIIe暗电流暗电流暗电流的暗电流的影响影响： 1.弱光的测量弱光的测量 2.增大噪声增大噪声暗电流减小方法：暗电流减小方法： 1.降低温度降低温度 2.偏压为零或为负偏压为零或为负 硅光电二极管暗电流的温度特性 常温条件下，暗电流常温条件下，暗电流硅光电二极管硅光电二极管 100nA硅硅PIN光电二极管光电二极管1nA偏压？偏压？3. 暗电流暗电流（无光照无光照时流过PN 结的电流，由热激发热激发的载流子引起的，与偏压U、温度T 及反向饱和电流I0 密切相关）4. 光谱特性光谱特性一般基于半导体材

13、料对光的本征吸收来工作;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光伏探测器光伏探测器波长响应范围波长响应范围紫外光紫外光可见光可见光近红外近红外远远红外光红外光光电导探测器光电导探测器波长响应范围波长响应范围紫外光紫外光可见光可见光近红外近红外 极远极远红外光红外光二者光谱响应范围的差别？二者光谱响应范围的差别？为什么？为什么？目前，用作光伏探测器的主要材料有硅、锗、族和V 族化合物。近红外和可见光波段多是采用硅和锗等材料；中红外和远红外波段可以采用一族元素的三元系碲镉 汞（HgCdTe）、碲锡铅（PbSnTe）等材料。 5. 响应时间和频率特性响应时间和频率特性 光伏效应

14、示意图光伏效应示意图（1 1）响应时间：）响应时间： 扩散时间扩散时间10-9s 漂移时间漂移时间10-11s 电路时间常数电路时间常数 1.5109 s光敏区薄，光敏区薄，缩短缩短扩散时间扩散时间如何计算？如何计算？响应时间由三个因素决定1） 光生载流子扩散至结区的时间 n；（2）通过结区的漂移 时间 d；（3）由结电容 Cj 与负载电阻 RL 所决定的电路时间常数 e。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 2）频率特性：）频率特性： 仅考虑电路时间常数仅考虑电路时间常数eLjR CHCe12f哪些因素决定？哪些因素决定？原理示意图在反向偏置状态，PN结势垒区加宽

15、，结势垒区加宽，有利于有利于光生载光生载流子的漂移运动，流子的漂移运动，使光生伏特器件的响应频率提高。RLPNILRLUbbu反向偏置电路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比较比较：频率特性频率特性HCe12f光伏探测器光伏探测器光电导探测器光电导探测器HCc12f光伏探测器频率特性由光伏探测器频率特性由电路时间常数电路时间常数决定决定光电导探测器频率特性由光电导探测器频率特性由载流子寿命载流子寿命决定决定 1 1、光电、光电转换部位不同转换部位不同 2 2、光敏电阻需外加电压光敏电阻需外加电压，没有极性没有极性，无正向、，无正向、反向偏置之分；而结型器件因反向偏置之

16、分；而结型器件因p-np-n结的存在，结的存在，有正向偏置、反向偏置之分，且有正向偏置、反向偏置之分，且无外加电压，无外加电压，也可工作也可工作，也能实现光电转换。，也能实现光电转换。 3 3、光敏电阻的光电流依赖于光生载流子的产、光敏电阻的光电流依赖于光生载流子的产生生复合运动，复合运动，弛豫时间常数大弛豫时间常数大，频率响应差。，频率响应差。结型器件的光电流依赖于结区部分光生载流子结型器件的光电流依赖于结区部分光生载流子的漂移运动，弛豫过程时间常数小，响应速度的漂移运动，弛豫过程时间常数小，响应速度快。快。与光敏电阻的比较与光敏电阻的比较4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器 4.2

17、.1 4.2.1 硅光电池硅光电池工作区域：工作区域：第四象限第四象限4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器分类：分类：主要功能是作为光电探主要功能是作为光电探测用，光照特性的测用，光照特性的线性度好线性度好例如：硒光电池例如：硒光电池太阳能光电池太阳能光电池测量光电池测量光电池主要用作电源，转换效主要用作电源，转换效率高、成本低率高、成本低例如：硅光电池例如：硅光电池(Solar Cells) 4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器（1）结构：）结构： 4.2.1 4.2.1 硅光电池硅光电池 2DR: N型硅为受光面2CR：P型硅为受光面做成梳齿状以便透光和减小电阻防反射膜，同

18、时也可以起到防潮、防腐蚀的保护作用伏安特性伏安特性 硅光电池的伏安特性，表示输出电流和电压随负载电阻硅光电池的伏安特性，表示输出电流和电压随负载电阻变化的曲线。伏安特性曲线是变化的曲线。伏安特性曲线是在某一光照下在某一光照下，取，取不同的负载不同的负载电阻所测得的输出电流和电压画成的曲线电阻所测得的输出电流和电压画成的曲线。（2 2）光电特性）光电特性 光电池伏安特性光电池伏安特性 4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器（2 2）光电特性）光电特性 光电特性主要有照度照度电流电压特性和照度电流电压特性和照度负载电阻特性负载电阻特性 光电池的照度电流电压特性是指光电池的短路光电流短路光电流

19、Isc 和开路电压开路电压Uoc 与入射光与入射光照度之间的关系照度之间的关系。从式（4-5）和式（4-6）可知，光电池的短路光电流短路光电流Isc 与入射光照与入射光照度成正比度成正比，而开路电压开路电压Uoc 与光照度的对与光照度的对数成正比数成正比4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器光电特性光电特性照度照度电流电压特性电流电压特性硅光电池，Uoc 一般为0.450.6V，最大不超过0.756V4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器光电特性光电特性照度照度负载特性负载特性做线性测量时需注意做线性测量时需注意照度负载特性是指光电池在不不同外接负载电阻同外接负载电阻条件下光电池短

20、路电流与入射光照度之间的关系。光电池的短路条件短路条件是指外接负载电阻相对于光电池内阻很小。因光电池在不同照度下的内阻不同，所以，在不同照度时可用不同大小的负载近似满足短路条件。图4-8 给出了光电池的光照与负载电阻的特性关系：负载电阻越小，光电流和照度的线性关系越好线性关系越好，而且线性范围也越宽；此外，在一定负载电阻的条件下，光照越弱，其线性关系越好。2 光谱特性 表示在入射光能量保持一定的条件下，光电池所产生的短路短路电流与入射光波长之间的关系电流与入射光波长之间的关系，一般用相对响应相对响应表示。普通2CR 型硅光电池光谱响应范围为0.41.1 m，峰值波长为0.80.9 m；已研制的

21、2CR113301 型和2CR1133 型蓝硅光电池，其光谱响应特性在0.48m 处的相对响应度仍大于50%，可应用在视见函数或色探测器件中视见函数或色探测器件中。（3 3）频率特性）频率特性 4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器光电池的响应频率一般不太高。硅光电池的最高截止频率仅为数十kHz。其频率响应不高的主要原因是光敏面光敏面一般较大，故其极间电容较一般较大，故其极间电容较大，使电路时间常数较大大，使电路时间常数较大其次是光电池内阻随着光照功率而变化，当功率较小时功率较小时，相应的内阻较大内阻较大，频率特性变差。此外光电池的工作频率还受负载电阻RL 的限制。如图4-10 所示，当

22、RL 较大时，输出电压较大，但响应时间却增大，使频率特性变差。所以在实际使用时，特别是光电池在入射功率很小的条件下工作时，需折衷考虑。为了提高频率响应，可在光电导模式光电导模式下使用，例如只要加12 伏的反向偏反向偏置电压置电压，则响应时间就可以从微秒下降到几百纳秒。?4 温度特性温度特性 光电池的参数都是在室温（2530）下测得的，参数值随参数值随工作环境温度改变而变化工作环境温度改变而变化。光电池的温度特性曲线主要指光照射光电池时开路电压Uoc 与短路电流Isc 随温度变化的关系，如图4-11 所示。由图可以看出：开路电压开路电压Uoc 具有负温度系具有负温度系数数，即随着温度的升高Uoc 值反而减小，其值约为23mV，短路电流Isc具有正温度系数，即随着温度的升高，Isc 值增大，但增大比例很小，约为10-510-3mA数量级。硅光电池硅光电池太阳电池太阳电池光电池也称光伏电池，实质上就是大面积的实质上就是大面积的PN结结，工作在光伏模式。由于光电池常常用于把太阳光能直接变成电能，因此又称为太阳电池。光电池的种类很多，如有晒光电池晒光电池，氧化亚铜光电池，锗光电池，砷化镓光电池，硅光电池锗光电池，砷化镓光