文档介绍：第五章
光伏效应及器件
光伏探测器的基本部分是一个P-N结
第一节 光生伏特效应
1．半导体P-N结的形成和特性
载流子扩散在接触区附近留下了正离子（N区）和负离子（P区）
组成了偶极层，产生了内建电场
远离交界面的区域提高量子产额的途径
① 在
的条件下，缩短探测器的长度；
② 减小反射损失；
③ 提高载流子的扩散长度
2. 入射辐射垂直于结平面照射
量子产额
增量电阻
电压响应率
表面复合的速率
减小反射损失
减小受光照一侧材料的厚度
减小表面复合系数
增大L
减小无信号时载流子浓度
减小器件几何尺寸
第二节：PN结光伏探测器件的工作模式
第一象限是正偏压状态，iD本来就很大，所以光电流不起主要作用，在这一区域工作没有意义。
第三象限是反偏压状态，这时，它是普通二极管中的反向饱和电流，现在称为暗电流（对应于光功率P=0），数值很小。
光电流（等于i－is）是通过探测器的主要电流。
外回路特性与光电导探测器十分相似，所以反偏压下的工作方式称为光导模式，相应的探测器称为光电二极管。
在第四象限中，外偏压为零时，流过探测器的电流仍为光电流，这时探测器的输出是通过负载电阻RL上的电压或流过RL上的电流来体现的，因此称为光伏工作模式。相应的探测器称为光电池。
p-n结光伏探测器的电路符号(a)及等效电路(b)
p-n结光伏探测器的工作模式：(c)光伏；(d)光导
第三节 P-N结光伏器件的响应时间
影响光伏探测器时间响应特性的三个因素
光生载流子在准中性N或P区扩散到耗尽区所需的时间
产生在耗尽区外边的光生载流子扩散到结区需要较长的时间，故结应尽可能紧靠器件表面，即要求浅结
光生载流子漂移通过耗尽区所需要的时间
结应尽可能薄
耗尽区的电容，即结电容
结越薄，结电容越大
光伏探测器受光照一侧为p型可提高探测频率
1）扩散时间
P型Si
电子扩散进行距离为5μm，ⅹ10-3m2/s
尽量减小这个时间。一般把光敏面做得很薄。
上限频率：43MHz
2）渡越耗尽区的时间
：光生载流子漂移速度
：耗尽区的长度
若l长为1μm，vd在晶格散射限制下约为3×107cm/s
约为1×10-11 s
由渡越时间限制的高频限约为1/2πtr
=16GHz
减小耗尽区的长度，可减小渡越时间（但会增大结电容）
3）结区电容的影响
Cj：结电容
RL：外负载电阻
频率上限
Aj：结区面积
l：耗尽区宽度
对突变结有
应尽可能地选取较高的反偏压
掺杂浓度越高，结区深度越小，结电容越大，截止频率越低
三种影响因素对比
影响因素
典型值
上限频率
扩散时间
10-9s
107Hz
渡越时间
10-11s
1010Hz
结电容
108~109Hz
载流子扩散时间和电路时间常数是决定光电二极管响应速度的主要因素
尽可能减小受光面厚度
减小结电容（如PIN）
第四节 P-N结光伏探测器件的噪声
主要噪声是散粒噪声
零偏压情况
ID+
ID-
流过P-N结的电流包含正向和反向的暗电流ID
无光照时
有光照时
Iφ
弱光照时
负偏压情况（弱光）
ID-
Iφ
负偏置的P-N结光伏探测器件的噪声功率为零偏时的一半。
第五节 PIN光电二极管
为了提高PN结硅光电二极管的时间响应，消除在PN结外光生载流子的扩散运动时间，常采用在P区与N区之间生成I型层
PIN结构的光电二极管与PN结型的光电二极管在外形上没有什么区别
1. PIN光电二极管
I层的作用
（1）相对于N区和P区而言，本征层是高阻区，外加反向偏压的大部分降落在本征层。
（2）I层的存在增大了光电转换的有效工作区域，提高了器件的灵敏度
（3）本征层的高电阻使PIN二极管暗电流也明显减小
（4）取得高的反向击穿电压的同时器件的串联电阻和时间常数可以大大减小
（5）器件的光电转换过程主要发生在本征层内，有利于缩短载流子的扩散过程
（6）PIN管通常在比较高的反向偏压下工作，它的耗尽区宽度比普通扩散型P-N结光电二极管大得多，从而使结电容减小，提高了器件的响应速度，降低了噪声
（7）本征层厚度和渡越时间应兼顾考虑。一般耗尽层宽度(本征层厚度)使渡越时间相应于调制频率的一半。
p-i-n 光电二极管的截面图
p-i-n 光电二极管反偏状态下
的能带图和光子产生过程
结电容小
渡越时间短——反向偏压
灵敏度高
PIN管特点：
10GHz
2. 雪崩光电二极管 ——APD管
借助强电场作用产生载流子倍增效应(即雪崩倍增效应) 而具有内增益的一种