光伏探测器

利用半导体PN结光伏效应制成的器件

利用半导体PN结光伏效应制成的器件称为光伏探测器，也称结型光电器件。这类器件品种很多，其中包括：

工作原理

热平衡下的p-n结

pn结中电子向P区，空穴向n区扩散，使p区带负电，n区带正电，形成由不能移动离子组成的空间电荷区（耗尽区），同时出现由耗尽层引起的内建电场，使少子漂移，并阻止电子和空穴继续扩散，达到平衡。在热平衡下，由于pn结中漂移电流等于扩散电流，净电流为零。

如果有外加电压时结内平衡被破坏，这时流过pn结的电流方程为：

ID：流过PN结的电流

I0：PN结的反向饱和电流（暗电流）

V：加在PN结上的正向电压

光照下的p-n结

1. p-n结光电效应

当光照射p-n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Voc

2. 三种工作模式

（1）零偏置的光伏工作模式

若p-n结电路接负载电阻RL，有光照射时，则在p-n结内出现两种相反的电流：

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。

流过负载的总电流是两者之差：

（2）反向偏置的光电导工作模式

无光照时电阻很大，电流很小；有光照时，电阻变小，电流变大，而且流过它的光电流随照度变化而变化。类似光电导器件。

（3）正向偏置的工作模式

呈单向导电性，和普通二极管一样，光电效应无法体现。

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，产生光电流，方向与I0相同，因此曲线将沿电流轴向下平移，平移的幅度与光照度的变化成正比。

第一象限：正向偏置工作模式，光电流不起作用，这一区域工作没有意义。

第三象限：反向偏置光电导工作模式，

第四象限：零偏压光伏工作模式。

性能参数

1、响应率

光伏探测器的响应率与器件的工作温度及少数载流子浓度和扩散有关，而与器件的外偏压无关，这是与光电导探测器的不相同的。

2、噪声

光伏探测器的噪声主要包括器件中光生电流的散粒噪声、暗电流噪声和器件的热噪声，其均方噪声电流为：

式中，为流过P-N结的总电流，它与器件的工作及光照有关，为器件电阻，因反偏工作时相当大，热噪声可忽略不计，故光电流和暗电流引起的散粒噪声是主要的.

下面着重讨论光伏探测器在有无光照情况下的暗电流噪声

a、光照时

通过器件的电流只有热激发暗电流。　同理，可以写出负偏压工作的光伏探测器的暗电流噪声，显然它只有零偏压工作时的一半。

b、无光照时

3、比探测率

光伏探测器工作于零偏时，比探测率与成正比。当入射波长一定，器件量子效率相同时，越大，就越高。所以，零偏电阻往往也是光伏探测器的一个重要参数，它直接反应了器件性能的优劣。当光伏探测器受热噪声限制时，提高探测率的关键在于提高结电阻和界面积的乘积和降低探测器的工作温度，同时式也说明，当光伏探测器受背景噪声限制时，提高探测率主要在与采用减小探测器视场角等办法来减少探测器接收的背景光子数。

4、光谱特性

和其他选择性光子探测器一样，光伏探测器的响应率随入射光波长而变化。

通常用硅能很好的光伏探测器。但其最佳响应波长在0.8-1.0,对于1.3或1.55红外辐射不能响应。锗制成的光伏探测器虽能响应到1.7,但它的暗电流偏高，因而噪声较大，也不是理想的材料。对于接收大于1的辐射需要采用Ⅲ—Ⅴ和Ⅱ—Ⅵ族化合物半导体。

扩散时间

假设光从P-N结的N侧垂直入射，且穿透深度不超过结区，则光电流主要是N区及结区光生空穴电流所成。N区光生空穴扩散至结区所需要的时间与扩散长度和扩散系数有关。以N型硅为例，当空穴扩散距离为几微米时，则需扩散时间约s。对于高速响应器件，这个量是不能满足要求的。因此，在制造工艺上将器件光敏面作得很薄，以便得到更小的扩散时间。

耗尽层中的漂移时间

由半导体物理学可知，耗尽层中截流子的漂移速度与耗尽层宽度及其间电场有关。在一般的光电二极管中，不是限制器件频率响应特性的主要因素。

5、频率响应及响应时间

光伏探测器的频率响应主要有三个因素决定(1)光生截流子扩散至结区的时间;(2)光生截流子在电场作用下通过结区的漂移时间;(3)由结电容与负载电阻所决定的电路常数。

6、温度特性

光伏探测器和其他半导体器件一样，其光电流及噪声与器件工作温度有密切关系。

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