第六章：光伏探測器光伏探測器：利用半導體p-n結光伏效應制作的探測器;探測器類型：根據內建電場形成的結勢壘的不同，有p-n結勢壘，PIN結勢壘,

金屬－半導體的肖特基勢壘等。主要內容:光電池、光電二極管、PIN光電二極管、雪崩二極管、光電三極管等6.1光伏探測器的工作原理

---+++p

n

無光照

光照

(-)

+

___++

+

___++

+

(-)(+)

光照

內建電場p-n結光生載流子形成光生電動勢在外回路形成電流1、光生電動勢的產生過程2、光照后產生的電流：兩部分電流：①光電流Ip

②光生電壓產生的正向電流I＋

（6.1）

(沒有內增益)

結區的總電流I為：V為光生電動勢，Iso反向飽和電流

3、光照后的伏安特性曲線

第一象限：加正向偏壓，p-n結暗電流ID>>光生電流，光探測器不工作在這個區域。第三象限：p-n結加反向偏壓，此時p-n結暗電流ID＝Iso<<Ip,I≈Ip+Iso=Ip,光探測器多工作在這個區域。總結：光伏探測器工作于反偏電壓狀態4、光伏探測器的兩個重要參數：

(1)開路電壓;(2)短路電流;

（1）光伏探測器p-n結開路電壓Voc(光電池的重要參數)

開路時，即I=0時，由公式(6.1)得到電壓為：(6.2)

（2）短路電流（光電二極管的參數）短路時，V=0,I+=0I短

（6.3）

§6.2.,光伏探測器的噪聲噪聲主要有：（1）散粒噪聲（2）熱噪聲

總噪聲為：

反偏工作時，Rd非常大，因熱噪聲可忽略不計。

總噪聲為：I

主要由暗電流和光電流組成，因此,（6.4）

（1）無光照時：①在零偏置時：流過p-n結的電流包含熱激發產生的正向和反向的暗電流，它們對總電流的貢獻為零，而對噪聲的貢獻是疊加的，因此總噪聲為：②當器件處于負偏壓工作時：由于ID＋→0，上式寫成：★總結：無光照時，負偏壓可以抑制噪聲（2）有光照時：①偏壓為0時，流過p-n結的電流有三部分，總噪聲為：②當器件處于負偏壓工作時，由于由于ID＋→0，因此總噪聲為：總結：為降低暗電流噪聲，探測器需工作在負偏壓§6.3光伏探測器的性能參數（1）響應率：由6.2式，可得電壓響應率為：

在弱光照射下，即Ip<<Iso時，上式可以寫為：（6.5）

反向飽和電流為：npo和pno為少數載流子濃度；Dn和Dp分別為電子和空穴的擴散系數，Ln、Lp分別為電子和空穴的擴散長度，Ad為探測器的光敏面積。(6.2)

(2)探測率：Rv與器件工作溫度、光敏面的面積、少數載流子的濃度和擴散有關；而與與外偏壓無關。只考慮散粒噪聲且在弱光條件下：零偏壓時弱光條件下有：

因此探測率為

：b）反偏壓工作時弱光條件下有：

●反偏壓工作時的探測率為零偏壓工作時的倍，因此光伏探測器一般工作于反偏壓。

●探測率與負載電阻有關，要適當選取負載電阻。(3)光譜特性硅和鍺材料：近紅外和可見光波段鍺光電二極管：響應峰值波長1.4um—1.5um，長波限為1.8um，短波限為0.41um，硅光電二極管：峰值波長0.8—0.9umHgCdTe、PbSnTe等光伏探測：通過控制溫度及組分可以到1—3um和8—14um。●(4)溫度特性光伏探測器的噪聲特性和光電流都與溫度有關系

§6.4光伏探測器實例---光電池及光伏探測器光電池：能源和探測器件；光伏探測器：光電信號變換；在微弱快速信號探測方面有重要的應用一、光電池光電池：不需加偏壓就能把光能轉換成電能；按用途分類為：太陽能電池(轉換效率高，結構簡單、體積小、重量輕、可靠性強、成本低)；測量光電池(線性范圍寬、靈敏度高、光譜響應合適、穩定性好）：在光度學、色度學、光學精密計量和測試中有廣泛的應用。硅光電池：工藝最成熟，應用最廣泛，具有高效率、寬的光譜響應、良好的頻率響應特性、高穩定性及耐高能輻射等優點。單晶硅：變換效率最高，已達２０％以上，但價格也最貴；非晶態硅：變換效率最低，但價格最便宜，最有希望用于一般發電。光電池材料：硅、硒、鍺、砷化鎵等四大類；硒光電池：光譜響應與人的視覺函數很相似，由于穩定性很差，目前已經被硅光電池取代；砷化鎵光電池：量子效率高，噪聲小，光譜響應在紫外和可見區域，適用于光度測量；鍺光電池：長波響應寬，適合作近紅外探測器；(1)硅光電池結構▲國產為2DR和2CR型兩種系列2DR結構特點：P型硅為基片，擴散磷形成n型薄膜，構成p-n結。有較強的抗輻射能力，適合空間使用2CR結構特點：n型硅為基片，擴散硼形成p型薄膜，構成p-n結。一般在地面上作光電探測器使用。柵狀電極：可以有效增大光敏面積和減少電極與光敏面的接觸電阻.光電池工作于有負載的情況,其工作原理：負載電壓為：

工作特點：光電池工作特性與負載關系很大。I與P線性關系要求不高，只要求IV最大。因此不同的入射光功率要求不同的電阻值。

最佳負載電阻的確定方法VocV/mVI/mAIsc50403020100RM（2）光譜特性：光電池的光譜響應取決于材料的性能。Se:峰值響應波長0.57um，可見光波段的敏感元件Si:光譜相應在0.4－1.1um，峰值響應波長0.85um(3)頻率特性：光電池的響應頻率一般不太高，硅光電池最高截止頻率僅為幾十千赫。原因：光敏面大→極間電容大→電路時間常數

RLC較大(4)溫度特性：強光照射或聚焦光束照射情況下，更要考慮光電池工作的溫度二、硅光電二極管

硅光電二極管制作工藝成熟，暗電流和溫度系數遠小于鍺，目前使用的多是硅光電二極管。圖b：是采用單晶硅及磷擴散工藝，稱n＋p結構，型號為2DU。圖a：是用n型單晶硅及硼擴散工藝制成，稱p＋n結構，型號為2CU。特點：環形p-n結，為了消除表面漏電流，工作于較小的負偏壓；通常用平面鏡和聚焦透鏡作為入射窗口；聚焦透鏡：提高靈敏度，由于了聚焦位置與入射光方向有關，因此能減小雜散背景光的干擾。伏安特性：工作于反向偏壓下，無光照射時的暗電流ID=Iso；光照時Ip，Iso同一方向光電二極管工作于線性區域

曲線分析：反偏壓增加，耗盡層加寬，結電場增強，對結區光的吸收及光生載流子的收集效率影響很大，當反偏壓進一步增加時，光生載流子的收集已達極限，光電流飽和。性能參數：響應率在：0.4－0.6uA/uW的量級。光譜響應：可見光+近紅外在0.8－1um波段響應率最高，采用視覺補償濾波器后，峰值響應波長可轉移到560nm左右，但響應率下降。噪聲：主要是散粒噪聲和熱噪聲，弱光時，散粒噪聲小于熱噪聲，強光時，散粒噪聲大于熱噪聲。頻率響應：光電二極管的頻率響應遠比硅光電池高，達到MHz量級。典型光電二極管--濱松(HAMAMATSU)公司產品:

Si—PhotodiodeS1087/S1133Series三、ＰＩＮ光電二極管(1)本征層厚度近似等于反偏壓下耗盡層的厚度，厚度為500um左右(2)本征層相對于n區和p區是高阻區，高電阻使暗電流明顯減小。反向偏電主要集中于這個區域，形成高電場區，由于p區很薄，光電變換主要集中在本征層，強電場使光生載流子渡越時間變短，改善了頻率響應(3)本征層的引入使得耗盡層加寬，減少了結電容，使電容時間常數變小，響應時間更快；引入本征層對提高器件靈敏度和頻率響應起非常重要的作用。現有產品的PIN光電二極管性能參數濱松SiPINPhotodiode大光敏面的PIN光電二極管噪聲：硅PIN中，熱噪聲占優勢。鍺PIN中，暗電流散粒噪聲相比較大

四、雪崩光電二極管（APD）

雪崩二極管是具有內增益的光伏探測器，利用光生載流子在高電場區內的雪崩效應獲得光電流增益，具有高靈敏度，響應快等優點。工作原理-雪崩效應p-n結光生載流子產生獲得高能量，與晶格原子碰撞，晶格原子電離產生電子-空穴對

獲得高能量，再次與晶格原子碰撞產生新的電子-空穴對。上述過程不斷重復，使p-n結內電流急劇倍增放大，這就是雪崩效應。強電場作用下

加強反偏電壓和光照

強電場作用下2、雪崩光電二極管結構

n+

n+

p

SiO2

電極

特點：（1）基片雜質濃度高（電阻率低），容易產生碰撞電離；（2）基片厚度比較薄，保證有高的電場強度，以便于電子獲得足夠的能量產生雪崩效應；（3）結邊緣做成環狀，其作用是減小表面漏電，避免邊緣出現局部擊穿。材料：通常采用硅或鍺材料，也可用III-V族化合物半導體制作。

3、雪崩二極管的特征參數(1)倍增系數MIR：為無雪崩倍增時的p-n結的反向電流；IM：有雪崩增益時的反向電流；M與p-n結上所加的反向偏壓、p-n結材料和結構有關，可用經驗公式表示：VBR：p-n結擊穿電壓，與器件工作溫度有關，溫度升高時增大；n：與p-n結的材料和結構有關的常數，對于硅器件，

n=1.5-4，鍺，n=2.5-8。雪崩倍增系數M、暗電流ID與所加偏壓之間的關系：18014010060201816141210ID

M0154156158160162164VA(V)

▽反偏電壓低時，無雪崩效應，M=1，VA增加，倍增系數增大。▽反偏電壓接近擊穿電壓時（最佳工作偏壓：一般為幾十伏到幾百伏之間），倍增系數增加很快，暗電流增加也很快，這時雪崩增益系數為102-103。(2)雪崩光電二極管的噪聲同倍增管相似，除普通光電二極管的散粒噪聲之外還包含倍增過程引入的噪聲，雪崩過程的散粒噪聲為：對于硅，k=2.3-2.5；對于鍺，k=3）。上式可以寫成：其中（過量噪聲因子）

r：電子與空穴電離之比。對于硅材料，r=50左右，鍺材料，r=1左右。硅光電二極管噪聲小于鍺二極管

(3)現有產品的雪崩光電二極管性能參數(1)體積小，有較高的靈敏度，結構緊湊，工作電壓低，使用方便;(2)性能與入射光功率有關：通常當入射光功率在

1nW到幾uW時，倍增電流與入射光具有較好的線性關系，適合弱光探測。

(3)同PIN光電二極管相比，具有更高的靈敏度，由于有內增益，可大大降低對前置放大器的要求。

(4)由于偏壓較高，載流子在結區的渡越時間短，結電容很小，所以雪崩光電二極管的響應速度很快雪崩光電二極管的特點五、光電三極管特點：是有電流內增益的光伏探測器;(1)、光電三極管基本結構工作電壓：發射結正向電壓，集電結反向電壓材料：硅npn型居多，鍺pnp型居多功能：1、光電轉換，在集-基結內進行，與一般二極管相同；2、光電放大：共發射極放大。e：發射結b：基極c：集電極電位最高電位較高電位最低（2）光電三極管工作原理光照時：基區產生電子-空穴對，光生電子在電場作用下漂移到集電極，形成光電流，空穴則留在基區，使基極電位升高，發射極便有大量電子經基極流向集電極，對于共發射極的三極管，形成的集電極電流Ic為：因此，光電三極管主要有兩方面的作用：把光信號轉換成電信號，光電流放大。（β為共發射極電流放大倍數）（3）光電三極管特性A、伏安特性特點：光功率等間距增大情況下，輸出電流并不等間距增大；原因：電流放大倍數隨信號光電流的增大而增大所引起的。B頻率響應

光電三極管的頻率響應與結的結構及外電路有關。三極管的響應時間比光電二極管的響應時間長得多。主要影響因素：1、結勢壘電容Cbe,Cbc的充放電時間；2、光生載流子渡越基區所需時間；3、電流流經收集區的時間。改進方法：減小結電容Cbe,Cbc，合理選擇負載電阻RL，減小基區的厚度，減少復合，使電子快速渡越基區。C光譜特性

硅光電三極管光譜響應峰值在：0.8－0.9umD應用領域

不適于高速、寬帶的光控測系統只應用于要求響應率不高的一般光電探測任務。六、碲鎘汞、碲錫鉛光伏探測器(光電二極管)

上面介紹的光伏探測器主要工作于可見和近紅外，利用II-VI族化合物可以得到對中紅外波段特別是8-14um波段靈敏的光伏探測器，例如Hg1-xCdxTe,Pb1-xSnxTe光伏探測器。1、HgCdTe光伏探測器結構：P型HgCdTe基片中擴散Hg形成n+特性：(1)工作于室溫（300K）時,光譜響應在1－3um,量子效率0.4－0.6，響應率103V/W；(2)工作于77k,光譜響應8－14um,峰值響應波長10.6um，是目前探測CO2激光靈敏度最高，響應最快的較理想的光子探測器,量子效率0.3－0.4,響應頻率700MH。頻率響應：主要取決于電路時間常數RLCd。偏壓：可以零偏壓，避免偏置電源引入的熱噪聲，反偏工作可增加量子效應和響應頻率。2、PbSnTe光伏探測器工作溫度：15k,77k,300k光譜響應范圍：8－14um，頻率響應：電路時間常數決定，在500MHz左右響應七、異質結光電二極管構成：p-n結由兩種不同禁帶寬度的半導體材料構成，這種器件又稱窄帶自濾波探測器工作原理：光照n-GaAs—p-Ge結面，能量大于n-GaAs禁帶寬度的光子被GaAs吸收，若GaAs材料的厚度大于光生載流子的擴散長度，則由能量大于GaAs禁帶寬度的短波光子所產生的電子-空穴對不能到達結區，對電流沒貢獻。能量小于GaAs禁帶寬度的長波光子能夠通過GaAs材料而在p-Ge中被吸收，產生光電流。優點：量子效率高，背景噪聲低，信號均勻。人有了知識，就會具備各種分析能力，明辨是非的能力。所以我們要勤懇讀書，廣泛閱讀，古人說“書中自有黃金屋。”通過閱讀科技書籍，我們能豐富知識，培養邏輯思維能力；通過閱讀文學作品，我們能提高文學鑒賞水平，培養文學情趣；通過閱讀報刊，我們能增長見識，擴大自己的知識面。有許多書籍還能培養我們的道德情操，給我們巨大的精神力量，鼓舞我們前進。附錄資料：不需要的可以自行刪除防曬霜生產工藝配方油相

A

硬脂酸5％十八醇2.5％棕櫚酸異丙酯1.5％凡士林5％防腐劑適量B石蠟油6％硅油Gy-2603.5％防曬劑POS-21％VE適量ME-40適量水相A鈦白粉3.5％丙二醇3％B三乙醇胺1％二氧化鈦其透過率小于氧化鋅。對紫外線有散射作用,能減小紫外線對人體皮膚的幅射。覆蓋力優良,增白皮膚。但涂抹性與透氣性均差。加入量大于等于５％時,增白色澤不自然,固選用百分3.5。丙二醇丙二醇在化妝品中作濕潤劑、保濕劑。三乙醇胺三乙醇胺在化妝品中還具有中和劑的作用，從而達到增稠和保濕的作用。硬脂酸

硬脂酸用于護膚品中起乳化作用，從而使其變成穩定潔白的膏體。十八醇化妝品中作為基質原料中的乳化劑、增稠劑應用棕櫚酸異丙酯具有優良的保濕和滋潤皮膚作用。皮膚對本品的吸收性很好，能在皮層內與毛囊有效接觸，滲入皮層深處，并將化妝品中的活性組分帶入，充分發