光伏探測器

　　利用半導(dǎo)體PN結(jié)光伏效應(yīng)制成的器件稱為光伏器件，也稱結(jié)型光電器件。這類器件品種很多，其中包括：

　　光電池、光電二極管、光電晶體管、光電場效應(yīng)管、PIN管、雪崩光電二極管、光可控硅、陣列式光電器件、象限式光電器件、位置敏感探測器（PSD）、光電耦合器件等

　　工作原理

　　熱平衡下的p-n結(jié)

　　pn結(jié)中電子向P區(qū)，空穴向n區(qū)擴(kuò)散，使p區(qū)帶負(fù)電，n區(qū)帶正電，形成由不能移動(dòng)離子組成的空間電荷區(qū)（耗盡區(qū)），同時(shí)出現(xiàn)由耗盡層引起的內(nèi)建電場，使少子漂移，并阻止電子和空穴繼續(xù)擴(kuò)散，達(dá)到平衡。在熱平衡下，由于pn結(jié)中漂移電流等于擴(kuò)散電流，凈電流為零。

　　如果有外加電壓時(shí)結(jié)內(nèi)平衡被破壞，這時(shí)流過pn結(jié)的電流方程為：

　　ID：流過PN結(jié)的電流

　　I0：PN結(jié)的反向飽和電流（暗電流）

　　V：加在PN結(jié)上的正向電壓

　　光照下的p-n結(jié)

　　1.p-n結(jié)光電效應(yīng)

　　當(dāng)光照射p-n結(jié)時(shí)，只要入射光子能量大于材料禁帶寬度，就會(huì)在結(jié)區(qū)產(chǎn)生電子－空穴對(duì)。這些非平衡載流子在內(nèi)建電場的作用下運(yùn)動(dòng)；

　　在開路狀態(tài)，最后在n區(qū)邊界積累光生電子，p區(qū)積累光生空穴，產(chǎn)生了一個(gè)與內(nèi)建電場方向相反的光生電場，即p區(qū)和n區(qū)之間產(chǎn)生了光生電壓Voc

　　2.三種工作模式

　?。?）零偏置的光伏工作模式

　　若p-n結(jié)電路接負(fù)載電阻RL，如圖，有光照射時(shí)，則在p-n結(jié)內(nèi)出現(xiàn)兩種相反的電流：

　　光激發(fā)產(chǎn)生的電子－空穴對(duì)，在內(nèi)建電場作用下形成的光生電流Ip，它與光照有關(guān)，其方向與p-n結(jié)反向飽和電流I0相同；

　　光生電流流過負(fù)載產(chǎn)生電壓降，相當(dāng)于在p-n結(jié)施加正向偏置電壓，從而產(chǎn)生電流ID。

　　流過負(fù)載的總電流是兩者之差：

　?。?）反向偏置的光電導(dǎo)工作模式

　　無光照時(shí)電阻很大，電流很?。挥泄庹諘r(shí)，電阻變小，電流變大，而且流過它的光電流隨照度變化而變化。類似光電導(dǎo)器件。

　　3）正向偏置的工作模式

　　呈單向?qū)щ娦?，和普通二極管一樣，光電效應(yīng)無法體現(xiàn)。

　　無光照時(shí)，伏安特性曲線與一般二極管的伏安特性曲線相同；受光照后，產(chǎn)生光電流，方向與I0相同，因此曲線將沿電流軸向下平移，平移的幅度與光照度的變化成正比。

　　第一象限：正向偏置工作模式，光電流不起作用，這一區(qū)域工作沒有意義。

　　第三象限：反向偏置光電導(dǎo)工作模式，

　　第四象限：零偏壓光伏工作模式。

　　光伏探測器的性能參數(shù)

　　1、響應(yīng)率

　　光伏探測器的響應(yīng)率與器件的工作溫度及少數(shù)載流子濃度和擴(kuò)散有關(guān)，而與器件的外偏壓無關(guān)，這是與光電導(dǎo)探測器的不相同的。

　　2、噪聲

　　光伏探測器的噪聲主要包括器件中光生電流的散粒噪聲、暗電流噪聲和器件的熱噪聲，其均方噪聲電流為：

　　式中，為流過P-N結(jié)的總電流，它與器件的工作及光照有關(guān)，為器件電阻，因反偏工作時(shí)相當(dāng)大，熱噪聲可忽略不計(jì)，故光電流和暗電流引起的散粒噪聲是主要的.

　　下面著重討論光伏探測器在有無光照情況下的暗電流噪聲

　　a、光照時(shí)

　　通過器件的電流只有熱激發(fā)暗電流。同理，可以寫出負(fù)偏壓工作的光伏探測器的暗電流噪聲，顯然它只有零偏壓工作時(shí)的一半。

　　b、無光照時(shí)

　　3、比探測率

　　光伏探測器工作于零偏時(shí)，比探測率與成正比。當(dāng)入射波長一定，器件量子效率相同時(shí)，越大，就越高。所以，零偏電阻往往也是光伏探測器的一個(gè)重要參數(shù)，它直接反應(yīng)了器件性能的優(yōu)劣。當(dāng)光伏探測器受熱噪聲限制時(shí)，提高探測率的關(guān)鍵在于提高結(jié)電阻和界面積的乘積和降低探測器的工作溫度，同時(shí)式也說明，當(dāng)光伏探測器受背景噪聲限制時(shí)，提高探測率主要在與采用減小探測器視場角等辦法來減少探測器接收的背景光子數(shù)。

　　4、光譜特性

　　和其他選擇性光子探測器一樣，光伏探測器的響應(yīng)率隨人射光波長而變化。

　　通常用硅能很好的光伏探測器。但其最佳響應(yīng)波長在0.8-1.0，對(duì)于1.3或1.55紅外輻射不能響應(yīng)。鍺制成的光伏探測器雖能響應(yīng)到1.7，但它的暗電流偏高，因而噪聲較大，也不是理想的材料。對(duì)于接收大于1的輻射需要采用Ⅲ—Ⅴ和Ⅱ—Ⅵ族化合物半導(dǎo)體。

　　擴(kuò)散時(shí)間

　　假設(shè)光從P-N結(jié)的N側(cè)垂直入射，且穿透深度不超過結(jié)區(qū)，則光電流主要是N區(qū)及結(jié)區(qū)光生空穴電流所成。N區(qū)光生空穴擴(kuò)散至結(jié)區(qū)所需要的時(shí)間與擴(kuò)散長度和擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)。以N型硅為例，當(dāng)空穴擴(kuò)散距離為幾微米時(shí)，則需擴(kuò)散時(shí)間約s。對(duì)于高速響應(yīng)器件，這個(gè)量是不能滿足要求的。因此，在制造工藝上將器件光敏面作得很薄，以便得到更小的擴(kuò)散時(shí)間。

　　耗盡層中的漂移時(shí)間

　　由半導(dǎo)體物理學(xué)可知，耗盡層中截流子的漂移速度與耗盡層寬度及其間電場有關(guān)。在一般的光電二極管中，不是限制器件頻率響應(yīng)特性的主要因素。

　　5、頻率響應(yīng)及響應(yīng)時(shí)間

　　光伏探測器的頻率響應(yīng)主要有三個(gè)因素決定(1)光生截流子擴(kuò)散至結(jié)區(qū)的時(shí)間；(2)光生截流子在電場作用下通過結(jié)區(qū)的漂移時(shí)間；(3)由結(jié)電容與負(fù)載電阻所決定的電路常數(shù)。

　　6、溫度特性

　　光伏探測器和其他半導(dǎo)體器件一樣，其光電流及噪聲與器件工作溫度有密切關(guān)系。