文档介绍：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, photovoltage PV)
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(PN Junction)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。
,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
,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:
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
故探测器能吸收光波长为
为截止波长
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。