光伏探測(cè)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(chǎng)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(cè)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(chǎng)，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(guò)pn結(jié)的電流方程為：

　　ID：流過(guò)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(chǎng)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(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)，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

　　（1）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(chǎng)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(guò)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(guò)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(wú)光照時(shí)電阻很大，電流很小；有光照時(shí)，電阻變小，電流變大，而且流過(guò)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(wú)法體現(xiàn)。

　　無(wú)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(méi)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(cè)器的性能參數(shù)

　　1、響應(yīng)率

　　光伏探測(cè)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(wú)關(guān)，這是與光電導(dǎo)探測(cè)器的不相同的。

　　2、噪聲

　　光伏探測(cè)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(guò)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(cè)器在有無(wú)光照情況下的暗電流噪聲

　　a、光照時(shí)

　　通過(guò)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(cè)器的暗電流噪聲，顯然它只有零偏壓工作時(shí)的一半。

　　b、無(wú)光照時(shí)

　　3、比探測(cè)率

　　光伏探測(cè)器工作于零偏時(shí)，比探測(cè)率與成正比。當(dāng)入射波長(zhǎng)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(cè)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(cè)器受熱噪聲限制時(shí)，提高探測(cè)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(cè)器的工作溫度，同時(shí)式也說(shuō)明，當(dāng)光伏探測(cè)器受背景噪聲限制時(shí)，提高探測(cè)率主要在與采用減小探測(cè)器視場(chǎng)角等辦法來(lái)減少探測(cè)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(cè)器一樣，光伏探測(cè)器的響應(yīng)率隨人射光波長(zhǎng)而變化。

　　通常用硅能很好的光伏探測(cè)器。但其最佳響應(yīng)波長(zhǎng)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(cè)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(guò)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(zhǎng)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(chǎng)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(cè)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(chǎng)作用下通過(guò)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(cè)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。