第04章光伏探测器(zm2014秋)

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。

光伏探测器的原理与应用1. 原理介绍光伏探测器（Photovoltaic Detector）是一种将光能直接转化为电能的器件。

它利用光电效应原理，将吸收的光子能量转化为电荷或电压信号。

光伏探测器是光电探测器的一种重要类型，广泛应用于光通信、光谱分析、环境监测、太阳能电池等领域。

主要的光伏探测器类型包括：光电二极管、光电导、光电晶体管、光电效应晶体管、光电倍增管等。

下面将逐一介绍这些光伏探测器的原理和应用。

1.1 光电二极管光电二极管是一种最简单的光伏探测器，它基于PN结的正常工作原理。

当光线照射到PN结上时，光子能量会激发光伏效应，产生电子-空穴对。

这些电子-空穴对将会在电场的作用下分离，形成电流。

在应用方面，光电二极管常用于光通信、显示器亮度控制、光照度测量等领域。

由于光电二极管的结构简单，成本低廉，并且灵敏度较高，因此被广泛应用于各种光电设备中。

1.2 光电导光电导（Photocunductor）是利用半导体材料的光电效应原理制成的光伏探测器。

它的结构类似于晶体管，但没有PN结。

光电导的导电性随着入射光的强度而改变，当光照射到光电导的表面时，导电性增加，产生电流。

光电导具有光响应速度快、灵敏度高的优点。

它常用于图像传感、光谱仪、精密测量等领域。

1.3 光电晶体管光电晶体管（Phototransistor）是一种将光信号转化为电信号的光伏探测器。

它由普通晶体管和光敏元件组成。

当光照射到光电晶体管的敏感区域时，光子能量被转化为电子信号，通过晶体管的放大作用，得到较大的电流输出。

光电晶体管具有灵敏度高、应用范围广的特点。

它常用于光照度测量、光谱分析、自动控制等领域。

1.4 光电效应晶体管光电效应晶体管（Photovoltaic Transistor）是将光电二极管和晶体管相结合的光伏探测器。

它不仅能够将光能转化为电能，还可以放大信号。

光电效应晶体管的输出可以直接连接到数字电路或模拟电路中使用。

光电效应晶体管广泛应用于光通信、图像传感、光电测量等领域。

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。

光伏探测器的原理与应用光伏探测器是一种利用光电效应将光能转化为电能的器件。

光电效应是指当光照射到物质上时，能够使该物质中的电子获得足够的能量，从而从固体表面逸出的现象。

光伏探测器通常由半导体材料制成，具有高灵敏度和快速响应的特点，因此被广泛应用于光学系统、光通信、太阳能电池等领域。

光伏探测器的工作原理基于光电效应。

当光照射到探测器表面时，光子打击材料中的电子，使得电子跃迁到导带中，从而在导电材料中形成电子空穴对。

这样产生的电子空穴对将导致光伏探测器两端的电压产生偏移，产生电流。

探测器的材料结构和器件结构会决定其特性参数，如响应速度、灵敏度等。

1.光通信和光网络：光伏探测器被用作光通信系统中的光检测器，用于接收和转换光信号为电信号。

它们具有高速响应和低噪声的特性，可以实现高速、远距离的光信号传输。

2.光谱分析：光伏探测器可以用于分析物质的光谱特性。

根据材料对不同波长光的吸收特性，可以测量物质的组成、浓度、结构等信息。

3.激光测距和测速：光伏探测器可以用于通过测量光信号的时间延迟来实现精确的激光测距。

它们也可以用于测量移动物体的速度，通过测量多次接收到的光信号的时间差来计算速度。

4.太阳能电池：光伏探测器的最重要应用之一是太阳能电池。

太阳能电池利用光电效应将太阳能转化为电能。

光伏探测器在太阳能电池中起到接收太阳光并产生电流的作用。

5.红外成像：红外光伏探测器可以用于红外成像系统，用于检测和测量热量辐射，用于热成像、夜视、安防等领域。

总之，光伏探测器的原理是基于光电效应，将光能转化为电能。

它们具有高灵敏度和快速响应的特点，并且在光学系统、光通信、太阳能电池等领域有着广泛的应用。

随着技术的进一步发展，光伏探测器的性能还将不断提高，并且在更多的领域中得到应用。

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。