文档介绍：光伏探测器
利用半导体PN结光伏效应制成的器件称为光伏器件,也称结型光电器件。
这类器件品种很多,其中包括各种
光电池、光电二极管、光电晶体管、
光电场效应管、PIN管、雪崩光电二极管、
光可控硅、阵列式光电器件、
象限式光电器件、位置敏感探测器(PSD)
光电耦合器件等。
和光电导探测器不同,光伏探测器的工作特性要复杂一些。通常有光电池和光电二极管之分,也就是说,光伏探测器有着不同的工作模式。因此在具体讨论光伏探测器的工作特性之前,首先我们必须弄清楚它的工作模式问题。
光电转换原理
为了便于理解在后面将要引入的光伏探测器的等效电路,我们先讨论一下光伏探测器的光电转换规律是十分必要的。
PN结光伏探测器的典型结构如图所示。
为了说明光功率转换成光电流的关系,
我们设想光伏探测器两端被短路,
并用一理想电流表记录光照下
流过回路的电流,这个电流常常
称为短路光电流。
光子
电极
电极
耗尽层
SiO
2
p
+
n
n
+
PN结光伏探测器的作用原理如图所示:
假定光生电子-空穴对在结的结区,即耗尽区内产生。由于内电场作用,电子从n区向p区漂移运动,被内电场分离的电子和空穴就在外回路中形成电流。
E
c
E
F
E
v
光生空穴
- -
- -
+ +
+ +
+
+
-
p
n
x
o
L
p
n
光子
E
i
电离受主
电离施主
光生电子
耗尽层
-
就光电流形成的过程而言,光伏探测器和光电导探测器有十分类似的情况。
可以证明:在光伏情况下一个光生电子—空穴对对外回路所贡献的总电荷量:
光伏探测器的内电流增益等于1。
光伏探测器光电转换关系为
这是和光电导探测器明显不同的地方。
光伏探测器的工作模式
现在我们可以说,一个PN结光伏探测器就等效为一个普通二极管和一个恒流源(光电流源)的并联,如图(b)所示。
它的工作模式则由外偏压回路决定。
在零偏压时(图(c)),称为光伏工作模式。
当外回路采用反偏压V时(图(d)),即外加P端为负n端为正的电压时,称为光导工作模式。
V
R
L
R
L
u
i
i
d
(a)
(b)
(c)
(d)
ip
我们知道,普通二极管的伏安特性为
因此,光伏探测器的总伏安特性应为和之和,考虑到二者的流动方向,我们有:
式中i是流过探测器的总电流,e是电子电荷,u是探测器两端电压,KB是玻耳兹曼常数,T是器件的绝对温度。
把上式中i和u为纵横坐标作成曲线,就是光伏探测器的伏安特性曲线。
光伏探测器的伏安特性曲线如图所示。
从图可见,第一象限是正偏压状态,id本来就很大,所以光电流不起重要作用。作为光电探测器,工作在这一区域没有意义。
第三象限里,是反偏压状态。
这时id=iSO,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,
这时的光电流(等于i-iSO)
是流过探测器的主要电流,
这对应于光导工作模式。
i
u
通常把光导工作模式的光伏探测器称为光电二极管,因为它的外回路特性与光电导探测器十分相似。
在第四象限中,外偏压为零。
流过探测器的电流仍为反向光电流,随着光功率的不同,出现明显的非线性。
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,因此,称为光伏工作模式。通常把光伏工作模式的光伏探测器称为光电池。
应特别注意,光电流总是反向电流,而光电流在RL上的电压降,对探测器产生正向偏置称为自偏压,当然要产生正向电流。最终两个电流抵消,伏安曲线中止于横轴上。
光电池
光电池的基本结构就是一个PN结。
按材料分,有硅、硒、硫化镉、砷化镓和无定型材料的光电池等。按结构分,有同质结和异质结光电池等。
光电池中最典型的是同质结硅光电池。
国产同质结硅光电池因衬底材料导电类型不同而分成2CR系列和2DR系列两种。
2CR系列硅光电池是以N型硅为衬底,P型硅为受光面的光电池。受光面上的电极称为前极或上电极,为了减少遮光,前极多作成梳状。衬底方面的电极称为后极或下电极。为了减少反射光,增加透射光,一般都在受光面上涂有SiO2或MgF2,Si3N4,SiO2-MgF2等材料的防反射膜,同时也可以起到防潮,防腐蚀的保护作用。