3-4-2光伏探测器

硅光伏探测器工作原理
硅光伏探测器是一种基于硅材料的光电转换器件，其工作原理主要基于光电效应。

以下是硅光伏探测器的工作原理的简要描述：
1. 光吸收：当光线照射到硅光伏探测器的表面时，光子能量被硅材料吸收。

硅材料对光的吸收与其能带结构有关，只有能量大于硅的禁带宽度的光子才能被吸收。

2. 电子激发：吸收的光能将硅中的电子从价带激发到导带，形成电子-空穴对。

这个过程是光电效应的核心，实现了光能到电能的转换。

3. 载流子分离：由于硅具有半导体特性，存在内建电场或外加电场的作用下，电子和空穴会被分离开来。

内建电场通常存在于PN结中，由P型区和N型区的掺杂差异形成。

外加电场则可以通过在探测器上施加电压来产生。

4. 电流产生：分离的电子和空穴在电场的作用下沿着导体形成电流。

这个电流可以被外部电路检测和测量，从而实现对光信号的探测和转换。

总结来说，硅光伏探测器的工作原理是通过光电效应将光能转化为电能，利用硅材料的特性实现光子的吸收、电子的激发、载流子的分离和电流的产生。

这种探测器在光纤通信、光学传感器、星载探测和医学成像等领域有广泛的应用。

半导体光电探测器之阳早格格创做纲要：本文介绍了光电与系统的组成、一些半导体光电探测器的处事本理及其个性，末尾叙述了光电导探测器与光伏探测器的辨别.闭键词汇：半导体光电探测器，光电系统，光电导探测器，光伏探测器弁止光电探测器是一种受光器件,具备光电变更功能.光敏器件的种类繁琐,有光敏电阻、光电二极管、光电三极管、光晶闸管、集成光敏器件等;有雪崩型的及非雪崩型的;有PN 结型、PIN结型及同量结型的等.由于光电探测器的赞同速度快,体积小,暗电流小,使之正在光纤通讯系统、光纤尝试系统、光纤传感器、光断绝器、彩电光纤传输、电视图象传输、赶快光源的光探测器、微小光旗号的探测、激光测距仪的接支器件、下压电路中的光电丈量及光电互感器、估计机数据传输、光电自动统造及光丈量等圆里得到了广大应用.半导体光电探测器是用半导体资料创造的能接支战探测光辐射的器件.光映照到器件的光敏区时，它便能将光旗号转形成电旗号，是一种光电变更功能的测光元件.它正在国防战工农业死产中有着要害战广大的应用.半导体光电探测器可分为光电导型战光伏型二种.光电导型是指百般半导体光电导管，即光敏电阻；光伏型包罗光电池、P-N结光电二极管、PIN光电二级管、雪崩光电二极管、光电三级管等.本文最先介绍了光电系统的组成，而后分别介绍其处事本理及其个性，末尾将那二类探测器举止比较.一、光电子系统的组成系统又称为收射天线，果为光波是一种电磁波，收射光教系统所起的效率战无线电收射天线所起的效率真足相共.收支进去的光旗号通过传输介量，如大气等，到达接支端.由接支光教系统或者接支天线将光散焦到光电探测器上，光电过少距离传输后会衰减，使接支到的旗号普遍很强，果此需要用前置搁大器将其搁大，而后举止解码，还本成收支端本初的待传递旗号，末尾由末端隐现器隐现出去.图1-1光电子系统图二、半导体探测器的本理1、光电导探测器光电导探测器主假如通过电阳值的变更去检测，以下尔将以光敏电阻为例介绍其处事本理.光敏电阻又称光导管, 它不极性, 杂粹是一个电阻器件, 使用时既可加曲流电压, 也不妨加接流电压.无光照时, 光敏电阻值（暗电阻）很大, 电路中电流（暗电流）很小. 当光敏电阻受到一定波少范畴的光照时, 它的阻值（明电阻）慢遽缩小, 电路中电流赶快删大. 普遍期视暗电阻越大越佳, 明电阻越小越佳,此时光敏电阻的敏捷度下. 本量光敏电阻的暗电阻值普遍正在兆欧级, 明电阻正在几千欧以下.它的处事本理图如2-1图当不光照时，Rd=10断路当有光照时，Rd= 导通2、光伏探测器光伏探测器鉴于光照爆收电势好，用测电势好的本理.它分为光电池与光电二极管二种典型，光电池主假如把光能变更为电能的器件，暂时有硒光电池、硅光电池、砷化镓及锗光电池等，但是暂时使用最广的是硅光电池.光电二级管分为P-N结光电二极管、PIN光电二级管、雪崩光电二极管、光电三级管等.以下尔将分别介绍其处事本理及其个性. 1）P-N结光电二级管2）PIN光电二级管PIN光电二极管又称赶快光电二极管，与普遍的光电二极管相比，它具备不的时间常量，并使光谱赞同范转背少波目标移动，其峰值波少可移至1.04~1.06um而与YAG激光器的收射波少相对于应.它具备敏捷度下的便宜，所以通时常使用于强光检测（线性）.它的结构图如2-3所示，它是由P型半导体战N型半导体之间夹了一层本征半导体形成的.果为本征半导体近似于介量，那便相称于删大了P-N结结电容二个电极之间的距离，使结电容变得很小.其次，P型半导体战N型半导体中耗尽层的宽度是随反背电压减少而加宽的，随着反偏偏压的删大，结电容也要变得很小.由于I层的存留，而P区普遍干得很薄，进射光子只可正在I层内被吸支，而反背偏偏压主要集结正在I区，产死下电场区，I区的光死载流子正在强电场效率下加速疏通，所以载流子渡越时间常量（）减小，进而革新了光电二极管的频次赞同.共时I层的引进加大了耗尽区，展宽了光电变更的灵验处事地区，进而使敏捷度得以普及.3）雪崩光电二级管雪崩光电二级管（APD）是得用光死载流子正在下电场区内的雪崩效力而赢得光电流删益，具备敏捷度下、赞同快等便宜，通时常使用于激光测距、激光雷达、强光检测（非线性）.APD雪崩倍删的历程是：当光电二极管的p-n结加相称大的反背偏偏压时，正在耗尽层内将爆收一个很下的电场，它脚以使正在强电场区漂移的光死载流子赢得充分的动能，通过与晶格本子碰碰将爆收新的电子-空穴对于.新的电子-空穴对于正在强电场效率下，分别背好同的目标疏通，正在疏通历程中又大概与本子碰碰再一次爆收新的电子-空穴对于.如许反复，产死雪崩式的载流子倍减少.那个历程便是APD的处事前提.APD普遍正在略矮于反背北脱电压值的反偏偏压下处事.正在无光照时，p-n结不会爆收雪崩倍删效力.但是结区一朝有光映照，激励出的光死载流子便被临界强电场加速而引导雪崩倍删.若反背偏偏压大于反背打脱电压时，光电流的删益可达（十的六次圆）即爆收“自持雪崩倍删”.由于那时出现的集粒噪声可删大到搁大器的噪声火仄，以以致器件无法使用.4）光电三级管光电三级管与光电二极管比较，光电三级管输出电流较大，普遍正在毫安级，但是光照个性较好，多用于央供输出电流较大的场合.光电三极管有pnp战npn型二种结构，时常使用资料有硅战锗.比圆用硅资料创造的npn型结有3DU型，pnp型有3CU型.采与硅npn型光电三极管，其暗电流比锗光电三极管小，且受温度变更效率小，所以得到位广大应用.底下以3DU型光电三极管为例证明它的结构、处事本理与主要个性.3DU型光电三极管是以p型硅为基极的三极管，如图2-4（a）所示.由图可知，3DU管的结媾战一般晶体管类似，不过正在资料的掺杂情况、结里积的大小战基极引线的树立上战一般晶体管分歧.果为光电三极管要赞同光辐射，受光里即集电结（bc结）里积比普遍晶体管大.其余，它是利用光统造集电极电流的，所以正在基极上既可树立引线举止电统造，也不妨不设，真足共光一统造.它的处事本理是处事时各电极所加的电压与一般晶体管相共，即要包管集电结反偏偏置，收射正偏偏听偏偏置.由于集电结是反偏偏压，正在结区有很强的内修电场，对于3DU管去道，内修电场目标是由c到b的.战光电二极管处事本理相共，如果有光照到集电结上，激励电子-空穴对于，接着那些载流子被内修电场分散，电子流背集电极，空穴流背基极，相称于中界背基极注进一个统造电流Ib=Ip.果为收射打队结是正偏偏置的，空穴则留正在基区，使基极电位降下，收射极便有洪量电子经基极流背集电极，总的集电极电流为Ic=Ip+βIp=(1+β)Ip，式中β为电流删益系数.由此可睹，光电三极管的集电结是光电变更部分.共时集电极、基极、收射极形成一个有搁大效率的晶体管.所以正在本理上不妨把它瞅万里一个由光电二极管与一般晶体管分散而成的拉拢件，如图2-4(b)所示.光电三级管另一个个性是它的明暗电流比要比光电二极管、光电池、光电导探测器大，所以光电三极管是用去做光启闭的理念元件.3．光电导探测器与电伏探测器的辨别1）光电导探测器是均值的，而光伏探测器是结型的.2）光。

3.4 光伏探测器（PV——Photovoltaic ）光伏探测器——利用光生伏特效应制成的光电探测器，是结型探测器。

原理：在内建电场的作用下，电子——空穴对漂移至两端，形成电压。

§3.4.1 光伏探测器的工作原理一、热平衡下的PN 结 1.几个物理参数 势垒高度 2lnA DD iN N qV kT n ⋅= 结区宽度 1/22[()]A DL A DN N W V q N N V εε+=⋅−⋅ PN 结电容 1/201[()()]2A D j A D D qN N C A N N V Vεε⋅=⋅+−2.PN 结电流方程（伏安特性曲线）1：正向导通部分2：反向截止部分3：反向击穿部分/00qV KT D I I e I =−I D ：流过PN 结的电流 I 0：PN 结的反向饱和电流 V ：加在PN 结上的正向电压 二、有光照下的PN 结1.光照下PN 结的两种工作模式当光照射PN 结时，只要入射光子能量大于材料禁带宽度，就会在结区产生电子－空穴对。

这些非平衡载流子在内建电场的作用下，空穴顺着电场运动，电子逆电场运动；在开路状态，最后在N 区边界积累光生电子，P 区积累光生空穴，产生了一个与内建电场方向相反的光生电场，即P 区和N 区之间产生了光生电压V oc２.光照下PN 结的电流方程 零偏置的光伏工作模式:光照PN 结工作原理有光照射时，若PN 结电路接负载电阻R L ,如图，在PN 结内出现两种方向相反的电流：光激发产生的电子－空穴对，在内建电场作用下，形成的光生电流I p ，它与光照有关，其方向与PN 结反向饱和电流I 0相同。

反向偏置的光电导工作模式:另一种在PN 结施加反向偏置电压，总电流是两者之差：/00qV KT L D p p I I I I e I I =−=−−光生电流: p E I S E =⋅ S E 为光照灵敏度 有光照下的伏安特性曲线如下：/00qV KT L D p p I I I I e I I =−=−−有光照下的伏安特性曲线讨论：开路电压V oc负载电阻R L 断开时I L =0，PN 结两端的电压为开路电压，用V oc 表示/00qV KT L D p p I I I I e I I =−=−− 0ln(1)p oc I kTV q I =+ 通常I p 》I 0；则：000ln()ln(p E c I S E kT kT V q I q I ⋅≈= 短路电流负载电阻短路时R L =0, 短路电流：sc p E I I S E ==⋅频率特性如果给PN 结加上一个反向电压V b ，外加电压所建电场和PN 结内建电场方向相同，使得结势垒由qV D 增加到q(V D +V b )，使光照产生的电子－空穴对在强电场作用下更容易产生漂移运动，提高了器件的频率特性。

光电探测器摘要本文研究了近期崛起的高科技新秀：光电探测器。

本文从光电探测器的分类、原理、主要参数、典型产品与应用、前景市场等方面简单介绍了光电探测器，使大家对光电探测器有一个初步的理解。

了解光电探测材料的原理不仅有利于选择正确适宜的光电探测材料，而且对研发新的光电探测器有所帮助一、简单介绍引入光电探测器是指一类当有辐射照射在表面时，性质会发生各种变化的材料。

光电探测器能把辐射信号转换为电信号。

辐射信号所携带的信息有：光强分布、温度分布、光谱能量分布、辐射通量等，其进过电子线路处理后可供分析、记录、储存和显示，从而进行探测。

光电探测器的发展历史：1826年，热电偶探测器→1880，金属薄膜测辐射计→1946，热敏电阻→20世纪50年代，热释电探测器→20世纪60年代，三元合金光探测器→20世纪70年代，光子牵引探测器→20世纪80年代，量子阱探测器→近年来，阵列光电探测器、电荷耦合器件（CCD）这个被誉为“现代火眼金睛”的光电探测材料无论在经济、生活还是军事方面，都有着不可或缺的作用。

二、光电探测材料的分类。

由于器件对辐射响应的方式不一样，以此可将光电探测器分为两大类，分别是光1子探测器和热探测器。

○1光子探测器：光子，是光的最小能量量子。

单光子探测技术，是近些年刚刚起步的一种新式光电探测技术，其原理是利用新式光电效应，可对入射的单个光子进行计数，以实现对极微弱目标信号的探测。

光子计数也就是光电子计数，是微弱光（低于10－14W）信号探测中的一种新技术。

○2利用光热效应制作的元件叫做热探测器，同时也叫热电探测器。

（光热效应指的是当材料受光照射后，光子能量会同晶格相互作用，振动变得剧烈，温度逐渐升高，由于温度的变化，而逐渐造成物质的电学特性变化）。

若将光电探测器按其他种类分类，则按应用分类：金属探测器，非成像探测器（多为四成像探测器），成像探测器（摄像管等）。

按波段分类：红外光探测器（硫化铅光电探测器），可见光探测器（硫化镉、硒化镉光敏电阻），紫外光探测器。

可见光波探测器分类标准可以从多个角度进行，如原理、材料、响应波长等。

以下从不同角度对可见光波探测器进行分类：按原理分类：1. 光伏探测器：利用光子导致半导体材料产生电动势，如硅探测器。

2. 量子点探测器：利用量子点的能带结构，使其对可见光具有高灵敏度。

3. 量子点/光伏混合探测器：结合了光伏探测器和量子点的优点，具有高性能和宽响应谱。

4. 光电导探测器：利用光子激发电子-空穴对，分离电子和空穴并导电，如硫化锌探测器。

5. 雪崩二极管探测器：利用雪崩效应提高响应速度和线性范围。

6. 成像探测器：包含电荷耦合器件（CCD）和CMOS等，可以获取可见光的图像信息。

按材料分类：1. 硅基探测器：是最早也是目前使用最广泛的可见光波探测器。

2. 硫化镉基探测器：具有宽的响应光谱和低的暗电流。

3. 硒基探测器：具有高的量子效率和宽的响应光谱。

4. 量子点探测器：具有高的光子响应、快速响应和低温工作等优点。

按响应波长分类：1. 普通可见光探测器：响应范围在400-700nm。

2. 超高光谱探测器：具有小于100nm的分辨率，可以感知更丰富的颜色信息。

3. 红外光探测器：响应范围在700nm以上，通常用于夜视设备和温度测量。

除了以上分类标准，可见光波探测器还可以根据其他因素进行分类，如工作温度、是否具有制冷装置、是否可集成到相机中、是否具有主动光源等。

在实际应用中，可根据具体需求选择合适的可见光波探测器。

至于具体的选择标准和使用方法，建议您咨询专业人士，如光学工程师或相关领域的专家学者。

他们可以根据您的具体需求和预期，提供更具体和实用的建议。

同时，他们也可以帮助您了解各种可见光波探测器的优缺点和应用范围，帮助您做出明智的选择。

光伏探测器光电特性实验讲义光伏探测器光电特性实验光电二极管与光电池是根据光伏效应制成的pn 结光电器件，短路电流与入射光强成正比是其一个突出优点，在精确测量光强时常用作光探测器。

光敏电阻是基于光电导效应原理工作的半导体光电器件，灵敏度高，体积小，重量轻，常用于自动化技术中的光控电路。

【实验目的】1. 观测光电二极管的光电特性；2. 观测光电池的光电特性。

【仪器仪器】光电二极管，光电池，直流电源，小灯泡（6V ，0.15A ），数字万用电表两块（其中一块表有直流电流200A μ量程），电阻箱，实验暗箱等。

如图1所示。

图1 光伏探测器光电特性实验仪实验装置技术指标1．直流电源 0-4V 连续可调，显示分辨率0.01V ； 2．电阻箱0-99999.9Ω可调，分辨率0.1Ω；3．数字万用表电流测量分辨率0.01A μ（20A μ档）； 4．光敏电阻暗电阻大于4M Ω；5．小灯泡额定电压6.3V ，额定电流0.1A 。

6. 传感器移动范围约17cm【实验原理】1. 光伏效应当光照射在pn 结上时，由光子所产生的电子与空穴将分别向n 区和p 区集结，使pn 结两端产生电动势。

这一现象称为光伏效应，如图2所示。

利用半导体pn 结光伏效应可制成光伏探测器，常用的光伏探测器有光电池、光电二极管、光电三极管等。

光电池是根据光伏效应制成的pn 结光电器件。

不需要加偏压就可以把光能转化为电能。

光电池的用途，一是用作探测器；二是作为太阳能电池，将太阳能转化为电能。

光电池的结构示意图及应用电路如图3所示。

光电池的光照特性主要有伏安特性、入射光强-电流（电压）特性和入射光功率-负载特性。

2.光照下的pn 结特性光照下pn 结的伏安特性曲线如图4所示。

无光照时，pn 结的伏安特性曲线和普通二极管的一样。

有光照时，pn 结吸收光能，产生反向光电流，光照越强，光电流越大。

光伏器件用作探测器时，需要加反偏压或是不加偏压。

不加偏压时，光伏器件工作在图4的第四象限，称为光伏图2 pn 结光伏效应原理图（b ）（a ）图3 光电池的结构示意图（a ）及基本应用电路（b ）图4 光伏探测器的伏安特性曲线工作模式。

一、光伏探测器的工作原理光生伏特效应是光照度使不均匀半导体或均匀半导体中光生电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象。

对于不均匀半导体，由于同质的半导体不同的掺杂形成的PN 结、不同质的半导体组成的异质结或半导体接触形成的肖特基势垒都存在内建电场，当光照这种半导体时由于半导体对光的吸收而产生了光生电子-空穴，它们在内建电场的作用下就会向相反的方向移动和积聚而产生电位差，这种现象是最重要的一类光生伏特效应。

对于均匀半导体，由于体内没有内建电场，当光照这种半导体一部分时，由于光生载流子浓度梯度的不同而引起载流子扩散运动。

但电子-空穴的迁移率不等，由于两种载流子扩散速度的不同而导致两种电荷的分开，从而出现光生电势。

这种现象称为丹倍效应。

此外，如果存在外加磁场，也可使得扩散中的两种载流子向相反方向偏转从而产生光生电势，称为光磁效应。

通常把丹倍效应和光磁电效应称为体积光生伏特效应。

二、光伏探测器的伏安特性有光照时，若PN 结外电路接上负载电阻L R ,如图所示，在PN 结内将出现两种方向相反的电流：一种是光激发产生的电子-空穴对形成的光生电流P I ,它与光照有关，其方向与PN 结方向饱和电流o I 相同;另一种是光生电流D I 流过负载电阻P R 产生电压降，相当于在PN 结施加正向偏置电压，从而产生正向电流D I ，总电流L I 是两者之差，即流过负载的总电流为：)1(/--=-=kTqV o P D P L eI I I I I (A)上式中的光电流P I 正比于光照度E ，比例常数E S 称为光照灵敏度，即E S I E P = (A)当负载电阻L R 断开时，0=L I ，称P 端对N 端电压为开路电压oc V ，且由于，则近似地有 )l n (oE oc I ES q kTV =（V ）当负载电阻L R 短路时，0=L R ，称流过回路的电流为短路电流sc I ，短路电流就是光生电流P I 。

P I 与光照度E 或光通量Φ成正比，从而得到最大线性区，这在线性测量中被广泛应用。

3-4-3 光伏探测器——光电二极管 一、 硅光电二极管硅光电二极管是最简单、最具有代表性的光生伏特器件，其中，PN 结硅光电二极管为最基本的光生伏特器件。

1.1 硅光电二极管的工作原理 1、光电二极管的基本结构光电二极管可分为两种结构形式：以P 型硅为衬底的2DU 型 以N 型硅为衬底的2CU 型图（a ）为2DU 型光电二极管的原理结构图。

图（b ）为光电二极管的工作原理图 图（c ）所示为光电二极管的电路符号2、光电二极管的电流方程在无辐射作用的情况下（暗室中），PN 结硅光电二极管的正、反向特性与普通PN 结二极管的特性一样。

其电流方程为：⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=10kTqUeI I0I 为称为反向电流或暗电流。

当光辐射作用到光电二极管上时，光电二极管的全电流方程为 ： ))/exp(1(0kT qU I I I p −+−=式中p I 为光电流：*p E I S E =3 光电二极管的基本特性由光电二极管的电流方程可以得到光电二极管在不同偏置电压下的输出特性曲线。

光电二极管的工作区域应在图的第3象限与第4象限。

在光电技术中常采用重新定义电流与电压正方向的方法把特性曲线旋转，如图所示。

重新定义的电流和电压的正方向：与PN 结内建电场的方向相同。

① 光电二极管的灵敏度定义光电二极管的电流灵敏度为入射到光敏面上辐射量的变化引起电流变化d I 与辐射量变化之比。

dPd S I =电流灵敏度与入射辐射波长λ有关。

光电二极管的电流灵敏度与波长的关系曲线称为光谱响应曲线。

② 光谱响应曲线以等功率的不同单色辐射波长的光作用于光电二极管时，其电流灵敏度与波长的关系称为其光谱响应。

③ 时间响应PN 结硅光电二极管的电流产生要经过三个过程：1) 在PN 结区内产生的光生载流子渡越结区的时间，称为漂移时间记为dr τ； 2) 在PN 结区外产生的光生载流子扩散到PN 结区内所需要的时间，称为扩散时间记为D τ；3) 由PN 结电容Cj 和管芯电阻Ri 及负载电阻L R 构成的RC 延迟时间RC τ 。

红外光伏探测器的分析与应用随着人类对于科技的不断追求，光学技术也得以得到了飞速地发展。

光学技术最常见的应用之一就是制作光学器件，其中，探测器是应用最为广泛的一种器件。

而在探测器中，红外光伏探测器的应用也越来越普遍。

那么，红外光伏探测器的原理是什么？它的应用又是什么呢？一、红外光伏探测器的原理红外光伏探测器是一种基于热电效应的探测器，也就是说，当红外光线与探测器材料相遇时，会产生一定的热电电荷。

其原理可以简单地分为以下几步：1.红外光线通过窗口进入到探测器内部，并被吸收；2.光线的能量会使得探测器材料中的电子变得充满能量；3.这些充满能量的电子会穿过PN结，并在结的两侧形成电位差；4.电位差会产生一个电流，从而使得信号被检测出来。

二、红外光伏探测器的应用红外光伏探测器在很多领域都有非常广泛的应用。

下面就来详细看一看它在几个领域中的具体应用。

1.安防领域红外光伏探测器可以应用于安防领域中的红外监控。

通过对于红外光线的检测，探测器可以准确地探测出行人、车辆等物体的位置，从而帮助安保人员实现更加有效的安全监控。

2.军事领域红外光伏探测器在军事领域中也有广泛的应用。

在夜间作战中，军方可以通过红外光伏探测器来探测敌方的位置，从而实现更加准确的作战计划。

3.医疗领域红外光伏探测器可以应用于医疗领域中的医疗诊断。

通过检测人体放出的红外线，探测器可以准确地检测出患者体内的变化，从而帮助医生实现更加准确的诊断。

4.环境监测领域红外光伏探测器可以应用于环境监测领域中的气体检测。

通过对于气体中的红外线的吸收程度的检测，探测器可以准确地检测出气体中的含量，从而实现更加准确的环境监测计划。

三、红外光伏探测器的未来发展红外光伏探测器作为一种高度应用的器件，在未来的发展中有着非常广泛的前景。

通过对于探测器制作技术的不断提升，红外光伏探测器的灵敏度、带宽等性能指标也将逐渐提高。

同时，探测器在不同领域的应用也将得到更加广泛的探索和应用，从而实现对于未来工业、军事、医学等领域的更好服务。