光垂直照射P-N结 平面的光伏探测器
eV kT x d , p p0 e 1
微分方程的解为
eV xd x Dp x kT Qs sh p0 e 1 Sv sh ch Lp Lp Lp Lp p d Dp d Sv sh ch Lp Lp Lp
空穴电流密度为
dp j p Dpe dx x d eV Dp d d kT Sv sh Qs p0 e 1 ch Lp Lp Lp eDp d Dp d Lp Sv sh ch Lp Lp Lp
假设
d L p
第五章
光伏型探测器
第一节 光伏探测器的响应度
一、光伏型探测器的工作原理
光伏探测器的基本部分 是一个P-N结
在pn结光电二极管中的光吸收、电子-空穴
对产生和光诱导电流的示意图
波长比材料截止波长短的红外辐射被光电二极管吸收后将产生电子-空穴对
如果吸收发生在空间电荷区(结区)，电子和空穴立刻被强电场分开并在外 电路中产生光电流
电位时间流过 P - N结的光生载流子 单位 单位时间入射的光子数 I e Ps h
PN结增 量电阻：
kT kT V Ri I V 0 eJ s Ad eIs
eRi R h
提高量子产额（光生电流）
故：
提高增量电阻，即降低反向饱和电流
第二节 光伏型探测器工作方式分析
d 1 sh Lp
减小反射损失 减小受光照一侧材料的厚度d 提高载流子的扩散长度（提高少子的寿命）
sh x
x
(2) 减小反向饱和电流及增大增量电阻
Ri
kT p0 D p d n0 De d e Sv p0 th cth lw LP Lp Le Le
x d L, n 0
eV d Lx kT n0 e 1sh Le n L sh Le
dn jjp e eDe dx x d
eV eDe kT L n0 e 1cth Le L散长度区域内，则光生电子-空穴对必定
首先扩散到空间电荷区，然后在那里被电场分开，并对外电路贡献光电流 如果光电二极管是开路，则在P-N结两端出现开路电压，即产生光生伏特效
应
如果在P端和N端间连接一很低的电阻，则光电二极管被短路且有短路电流 流动
二、光电二极管的基本结构
kT 1 Le L p
2L
增量电阻
Ri
kT n0 De p0 D p wde L Lp e
2
提高量子产额和增量电阻 ① ② ③ 在
L Le ( Lp ) 的条件下，缩短探测器的长度；
减小反射损失； 减小P-N结的结面积
归纳： 提高响应度的措施（光平行于PN结入射时）
je eDe
dn dx x0
eV n0 kT L L L cth eQLe csc h cth eDe e 1 L Le Le Le e
同理，ＰＮ结结处的空穴电流密度
eV L L L e kT 1cth eQLp csc h cth L Lp Lp e
反向饱和电流密度
n0 De p0 D p J s e L L p e
J eQLe L p e 1 E0 Le Lp hd
光生电流密度
当P-N结开路时， j 0
kT J kTJ V ln 1 e J s eJ s
2
① 减小d可降低Js，提高Ri ② 减小表面复合系数也可以降低Js，提高Ri ③ 增大L ④减小无信号时载流子浓度n0和p0 ⑤ 减小器件几何尺寸
第三节 光伏探测器的时间响应特性
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
且表面复合又不太大 E I
eV Dp d d kT Sv j p e 1 sh ep0 e 1 th h Lp L L p p
P区的厚度L远大于Le
d 2 n n De 0 2 dx
x=d
d 2 n n De 0 dx2
2
讨论
(1)

如何提高响应度？？？
V kTJ 降低反向饱和电流 R
考虑：
n0 n0t
Ps
Ps eJ s
Js e p0 p0t p L L 0 b p e
n0 De p0 D p 2ehwdL n b n00 L L p D D e p 0 p e
Js：反向饱和电流密度
光生电压为
kT J V ln 1 e Js
弱光照情况下：
J J s
kT J V e Js
四、光伏探测器响应度的普遍表达式 光伏探测器的响应度为光生电压与探测器所接受的功率之比
V kTJ R Ps Ps eJ s
量子产额：

方程的解为：
2 n n De Q 0 2 x
eV xL L x x L kT n0 e 1sh L Q e sh L sh L sh L e e e e n L sh Le
ＰＮ结结处的电子电流密度
通过制冷降低探测器的温度 N区、P区重掺杂 缩短探测器的长度（L>>Ln(Lp)） 镀抗反射膜 减小PN结面积 钝化处理
2）光垂直于P-N结平面照射 N区的厚度ｄ远小于扩散长度Ｌｐ
N区内少子空穴的稳态方程
d 2 p p Dp 0 2 dx
x 0, D p dp Qs Sv p dx
响应度为
V kTJ R Ps eJ s Elw kT 1 sh d Lp
p0 D p d n0 De d eh Sv p0 th cth lw L L L L P p e e
讨论
如何提高响应度？？？
(1)提高量子产额，增大光生电流密度
p j p eDp 0 Lp
L Le ( Lp )
je eDe
je
eV n0 kT eDe Le e Le
dn eV endx Dx0
0 e kT
e eQL 1 e L L L 1cth eQL csc h cth L L L
响应度
n0 De p0 Dp eV kT e 1 eQLe Lp je L L e p eV kT J s e 1 J
V kTJ R Ps Ps eJ s
kT 1 Le L p n0 De p0 D p 2 e ehwdL L L e p
光照情况下
在光照情况下，P-N结的势垒高度由原来的eV0变为e(V0-V) N区中少数载流子浓度获得的增量∆p为
eV kT p p0 e 1
结区附近N区中少数载流子浓度为
p0无光照时N区中少数载流子浓度
p p0 p p0e
eV kT
光照射P-N结时，P区中的少子电子浓度的增量和电子浓度分别为
e e e e
ep0 D p eV kT e 1 eQLp jp Lp
结处的总电流密度
n0 De p0 Dp eV kT je e 1 eQLe Lp L Lp e JS：反向饱和电流密度 eV kT J s e 1 J J: 光生电流密度
eV kT n n0 e 1
结区附近N区中少数载流子浓度为
n0为无光照时P区中少数载流子浓度
n n0e
eV kT
非平衡载流子在结区引起空穴电流密度和电子电流密度分别为
Jp
eDp Lp
p
eDp Lp
eV kT p0 e 1
eV eDe eDe kT Je n n0 e 1 Le Le
总的光生电流密度J为
eV kT J J p Je J s e 1
其中：
De Dp J s e n0 p0 L L e p
可通过制冷降低探测器
ni2 降低，进而降低Ｊｓ
② 通过适当重掺杂，即增加ＮＡ或ＮＤ来降低ＪＳ
(2)
V 提高量子产额及增大增量电阻
量子产额
n0 De p0 D p Le Lp2ehwdL L Lp 1 e
kTJ R Ps Ps eJ s
在温度不太低时
N An0t n
ND p0t ni2
2 i
De D p n0b De p0b D p e J s en N L L N L L A e D p e p
2 i
结论： ①在温度不太低时， 的温度，使
n0t n0b
1） 光平行于P-N结平面照射 P区少子基本方程 w d
n 2 n n De Q 2 t x
稳态方程
光平行于结平面照射 光伏探测器
P区及N区的长度大于电子和空穴的 扩散长度
2 n n De Q 0 2 x
边界条件
eV kT x 0, n n0 e 1 x L, n 0
p0 D p d n D L 0 e th cth 反向饱和电流密度 J s e S v p0 LP Lp Le Le