第五章光伏探测器

第五章光伏探测器光电子技术一、光伏效应定义光子照射PN结产生了电压（光生电动势），当两端短接时会产生短路电流。（内光电效应，photovoltagePV）光伏效应是基于p－S、n－S两种材料相接触时形成的内建势垒内建电场扫向势垒两边产生载流子形成光生电动势光辐射§5-1光生伏特效应N型半导体和P型半导体N型+5+4+4+4+4+4磷原子自由电子电子为多数载流子空穴为少数载流子载流子数电子数P型+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴—多子电子—少子载流子数空穴数施主离子受主离子二、由势垒效应产生的光生伏特效应PN结(PNJunction)的形成1.载流子的浓度差引起多子的扩散2.复合使交界面形成空间电荷区(耗尽区、势垒区)空间电荷区特点:无载流子，阻止扩散进行，利于少子的漂移。3.扩散和漂移达到动态平衡扩散电流等于漂移电流，总电流I=0。内建电场PN结形成光照p区（p区极薄），当光波长激发光生电子——空穴对光生电子向p区体内扩散，p区极薄小于电子扩散长度Ln，内建电场将光生电子扫向n区，空穴留在p区，此时，pn结两端有电压，称为开路电压uoc。当将p区n区用导线短接，电流表读数不为零；此电流称为短路电流isc。gcEhc2．零偏压,光照p区P区的光生电子和N区的光生空穴和结区的电子空穴（少子）扩散到结电场附近入射光能转变成流过P-N结的电流----光电流光生电子---N区，光生空穴---P区N区边界附近---光生电子积累；P区边界附近---光生空穴积累---产生一个与热平衡P-N结的内建电场方向相反的光生电场（方向：P--N）电场引起势垒降低---减小量（光生电动势）---P端正，N端负电子空穴被内建电场分离内建电场漂移通过结3．零偏压,光照结区P-N结受到垂直于P-N结面的光照射，并且光子能量大于材料的禁带宽度结两边产生电子-空穴对少子浓度变化，多数载流子浓度不变光生伏特效应由上面分析可以看出，为使半导体光电器件能产生光生电动势（或光生积累电荷），它们应该满足以下两个条件：1.只有光子能量h大于材料禁带宽度Eg的入射光才能激发出电子空穴对，使材料产生光生伏特效应的现象gvcEEEh故探测器能吸收光波长为gcEhcc为截止波长)(24.1)(eVEmgc2.具有光伏结构,即有一个内建电场所对应的势垒区。势垒区的重要作用是分离了两种不同电荷的光生非平衡载流子,在p区内积累了非平衡空穴,而在n区内积累起非平衡电子。产生了一个与平衡pn结内建电场相反的光生电场,于是在p区和n区建立起了光生电动势(或称光生电压)。除了上述pn结能产生光生伏特效应外,金属—半导体形成的肖特基势垒层等其它许多结构都能产生光生伏特效应。其过程和pn结相类似,都是使适当波长的光照射材料后在半导体的界面或表面产生光生载流子,在势垒区电场的作用下,光生电子和空穴向相反的方向飘移从而互相分离,在器件两端积累产生光生电动势。§5-2光伏探测器的工作原理一、光电转换原理光生伏特效应指光照使PN结产生电位差的现象。光生电流Is:N区P区光生电场:P区N区PN结电流Ip:P区N区PN结光电效应光照激发，电一空对电一空对在E内作以下分离产生光电流，由光电转换定律产生开路电压光伏探测器内电流增益G等于1，这与光电导探测器明显不同。光PhveisOCu设由P区流向N区的电流为正，流过P-N结的总电流为有光照---P-N结内产生一个附加电流（光电流）Is(方向与P-N结饱和电流Iso相同)无光照时P-N节的电流（暗电流）---热平衡状态二、光照下的P-N结正向电流（方向：P端经过P-N结指向N端）反向饱和电流1/KTqVsopeIIsKTqVsospIeIIII1/光照下的P-N结的伏安特性曲线横轴的截距---开路电压U---与光照度E成对数关系（最大值不超过P-N结势垒高度VD）纵轴的截距---短路电流---两个重要参数弱光照下，Isc与光照度E有线性关系第一象限---非工作区（P-N结加正电压，光电流远小于暗电流）第三象限---光导模式（P-N结反偏，暗电流远小于光生电流，总电流-Is）第四象限---光伏工作模式（外加偏压为零，反向光电流，与电压呈明显非线性，输出电压为外电路负载电阻上的电压)由光照下的P-N结输出的总电流的表达式可以求得光伏器件的输出电压:1lnsosIIIqKTV当I=0时（PN结开路），PN结两端的开路电压VOC为)1ln(OCsosIIqKTV当V=0（PN结被短路）时的输出电流ISC即短路电流，并有PhqIIsscU---与光强度成对数关系（最大值不超过P-N结内建电场的势垒高度VD）Isc与光强度有线性关系,随光强增加线形上升三、光伏探测器的等效电路pn结光伏探测器的工作模式外电路的偏置电压来决定零偏压V=0，光伏工作模式外加反偏压V≠0，光导工作模式等效电路一个暗电流为ID的普通二极管和一个光电流为Is的电流源的并联RL—负载电阻；VA---外接偏置电源光伏模式---恒压源（器件内阻远低于负载电阻）光导模式---恒流源（器件内阻远大于负载电阻）§5-2光伏探测器的性能参数一、响应率电压响应率:1lnsosVIIIqPKTPVR开路时电压响应率:1lnsosocVIIqPKTPVR弱光时,近似为:sosVIIqPKTR又:PhqIs则:soVIhKTR1PN结伏安特性在V=0处的动态电阻R0是:soVIqKTdIdVR100弱光,开路时电压响应率:hRqRV0理论分析可得出反向饱和电流为dnoppponnsoApLDnLDqI光伏探测器响应率与器件的工作温度T及少数载流子浓度和扩散有关,与器件的外偏压无关光伏探测器响应率等于电子电荷量、量子效率和V=0时的动态电阻R0三者之积与一个入射光子能量之比二、噪声光伏探测器的噪声主要由光生电流和暗电流引起的散粒噪声和器件的热噪声组成。均方噪声电流为:dNRfKTfqIi422Rd为器件电阻,反偏工作时Rd相当大,热噪声可忽略不计,故散粒噪声是主要的fIIqispN221.无光照时正向的扩散电流和反向的漂移电流大小相等,方向相反fqIfIIqipppN4222.有光照时当偏压VA=0时,光伏工作模式fqIfqIispN242弱光照射时,只考虑暗电流引起的散粒噪声fqIipN42当偏压VA0时,反偏置,光导工作模式fqIipN22负偏置的光伏探测器的噪声功率为零偏时的一半PN结在无光照时V=0处的零偏动态电阻R0是:psoVIqKTIqKTdIdVR1100暗电流Ip改写为:01RqKTIp器件的零偏电阻R0愈大,暗电流愈小,对散粒噪声贡献也愈小。当外接负载电阻输出信号时,应实际考虑负载电阻RL引起的热噪声LspNRfKTfIIqi422相应的噪声电压均方值fKTRfRIIqRivLLspLNN422222三、比探测率21*fAVRDdNV(1)零偏压工作时弱光照射时:2224LpLNNfRqIRiV212120*4fAfRqIRDdLpVV(2)反偏压工作时212120*2fAfRqIRDdLpVV利用光伏探测器的电流响应率RI可得到零偏置时的比探测率与零偏电阻R0的关系式PN结在无光照时V=0处的零偏动态电阻R0是光伏探测器的一个重要参数,它直接反映了器件性能的优劣提高比探测率的关键在于提高结电阻和结面积的乘积和降低探测器的工作温度当光伏探测器受背景噪声限制时,提高探测率主要在于采用减少探测器视场角等办法来减少探测器接收的背景光子数KThcRAqRfKThcfAqfAIRDdddNI2421002121*四、光谱特性光伏探测器和其他选择性的光子探测器一样响应率随如射光波长而变化HgCdTe、PbSnTe、GaInAsP等化合物半导体适用于制作探测长波长波段的光伏探测器五、频率响应及响应时间光伏探测器的响应时间主要由扩散时间τn、光生少数载流子在耗尽层中的漂移时间τd和由结电容Cd与负载电阻RL所决定的电路延迟时间τccnddACd0上限截止频率fc---输出信号功率降到零频时的一半（信号幅度下降到0.707）cLdcRCf2121式中:ε0为真空介电常数A为P-N结结面积,d为耗尽层宽度。普通的硅光电二极管的截止频率通常在百兆赫量级。六、温度特性§5-3光电池---最简单的光伏器件（工作时无需外加偏压就能将光能转换为电能）太阳能电池---将太阳能转换为电能；光电池---测量光辐射用(弱光照射时光电流随照度线性变化)---光度计、线性测量基本结构---P-N结材料---硅、硒、锗、砷化镓一、硅光电池的类型和结构1.硅光电池的类型2.硅光电池的类型2CRN型硅为衬底，P型硅为受光面，受光面上的电极称为前极或上电极，为了减少遮光，前极多作成梳状。衬底方面的电极称为后极或下电极。为了减少反射光，增加透射光，一般都在受光面上涂有SiO2或MgF2，Si3N4，SiO2－MgF2等材料的防反射膜，同时也可以起到防潮，防腐蚀的保护作用。2DRP型硅为衬底，N型硅为受光面。衬底材料导电类型不同---2CR系列、2DR系列光照—光生电动势（光电流：结内N-P,节外P出N入）开路电压---0.45~0.6V(0.756V)；短路电流35~40mA/cm21、等效电路二、光电池的等效电路和电流电压方程IsRLRdCjIpIsVRLIp•光电转换效率:负载电阻RL上产生的电功率与入射的光功率之比PIVL从以上结构图可知,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,由于内电场是由掺杂的P区和n区自由扩散形成的，故内建电场的强度是非常有限的，这就导致了光电池的光电转换效率非常低，最高也只能是百分之十几。2、电流电压方程spIII)1(KTqVSOpeII光伏器件的输出电压为：)1ln(SOsIIIqKTVsKTqVsospIeIIII1/pn结短路，,u=0，输出电流为,电流为短路电流0LRSCISLPhveIIIIIsSCsSC光0pn结开路（负载）输出电压为，电流LRocV0IsoSOsSOsOCISLqKTIIqKTIIIqKTVln)1ln()1ln(S—光电流灵敏度；L—入射光照度---非线性光电池接上不同的负载电阻时，电流和电压随着光通量变化的情况是不同---负载电阻的选择会影响光电池的输出信号当负载电阻较小(RL1)时---随着光通量的变化，输出的电流值较大，电压值较小随着负载电阻RL的增大，电流逐渐变小，输出电压随之增大短路状态下（RL0=0），输出的电流值最大，电压值为零tan1LR不同负载电阻下的输出特性弱光照射---输出电流与光照度呈线性关系光照度增大到一定程度---输出电流出现饱和（与负载电阻有关）负载电阻大---容易出现饱和；负载小---能够在较宽的范围内保持线性关系获得大的光电线性范围----负载电阻不能过大三、光电池的光电特性--光电池开路电压和短路电流与入射光强度的关系开路电压---与入射光强的对数成正比短路电流---与入射光照度成线性关系（弱光照射）开路电压和短路电流与光电池受光面积的关系开路电压---与受光面积的对数成正比短路电流---与受光面积成正比光电池两端接负载电阻RL---流过负载的电流为IL，压降为UL光电流在RL上产生的电功率为ULIL电功率与入射的光功率之间的比值---量子效率UL随RL增大而增大RL为时，UL为开路电压输出电功率–随负载电阻变化：RL=RM