[工学]ch3 半导体光电探测器

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1、Ch3半导体光电探测器Ch3半导体光电探测器§3-1光电探测器性能参数§3-2光敏电阻(光电导)§3-3光电池(太阳电池)§3-4结型光电探测器§3-5CCD摄像器件基本结构；基本原理；基本电学特性。光信号转换成电信号光子与电子相互作用的那一个过程？光电探测器的物理效应光子效应和光热效应光电发射效应光电导效应光伏效应§3-1光电探测器性能参数一、基本性能参数1.量子效率-ηIp-光电流P-光强hv-光子能量#1）P：入射探测器表面光强-外量子效率2）P：探测器吸收光强-内量子效率2.响应度-R3.灵敏度-S4.光谱响

2、应率-单色Vp-输出电压Ip-输出电压#P-某光谱范围内光功率5.等效噪声功率-NEPIp(输出信号电流)=6.归一化探测率-D*探测率：归一化探测率：(噪声电流)光功率--习惯二、探测器噪声1.噪声表述特点：随机，不可预测；统计平均值为0。表征：均方值（方均值）表述。总噪声：噪声特性：与频率相关；or与频率无关-白噪声。tt2.噪声源1）热噪声--载流子无规则热运动（白噪声）2）散粒噪声--载流子渡越势垒区随机起伏（白噪声）3）产生--复合噪声：载流子复合随机起伏4）1/f噪声--低频（<1kHz）5）光子噪声—光

3、子随机起伏§3-2光敏电阻(光电导探测器)一、器件物理：半导体材料吸收光子能量—产生电子－空穴对；杂质电离产生电子或空穴。光生载流子使材料电导增大—光电导；光生载流子定向移动形成电信号—光电流。#光电导---本征光电导；杂质光电导(杂质密度比原子密度低光电导可略)。二.光电导-附加电导率无光照时电导率—暗电导率：光生非平衡载流子电导率(附加电导率)：总电导率：三.光电流-附加电流设材料光照面为单位面积，厚度L；偏置电压V。光照平衡状态，产生率=复合率：xL四.光电流灵敏度X截面光强：光子数及光生载流子产生率：xL入射

4、光子数#光电导增益：一个光生载流子对外电路贡献的载流子数。光生载流子存在寿命；光生载流子在材料二端电场作用下定向运动；一端流出，另一端补存，直至载流子复合；寿命期间向外电路提供的载流子数，即增益。五.光电导弛豫光照时光电导逐渐上升，光照停止后光电导逐渐下降的现象。#载流子寿命—小注入时常数；---大注入时非常数。1.单分子复合情况—小注入2.双分子复合情况—大注入3.噪声特性噪声源：产生-复合噪声；热噪声；低频(1/f)噪声.相对噪声功率譜频率1kHz1/f噪声产生-复合噪声热噪声工作物理机制；暗电导；光电导；量子

5、效率；光电导（光电流）增益？噪声源？1.基予物理概念给出用载流子寿命表述的光电导（光电流）增益，并解释其机理？2.将处于光照射状态的光电导体形成闭合回路，外电路中是否会有电流？§3-3光电池(太阳电池)一、太阳电池基本结构np金属电极防反射层hν二、光生伏特效应hν≥Ega.扩散区、势垒区、中性区吸收光子产生电子-空穴对；b.扩散区、势垒区：空穴漂移到p区，电子漂移到n区，形成光生电流与积累；c.积累的部分空穴和电子分别中和空间电荷区的正、负电荷，空间电荷区变窄---pn结正偏；d.光生电流与正向电流平衡时，达稳定状

6、态；e.开路时，呈现开路电压,短路时输出短路电流。LpLn+++---三.等效电路理想等效电路非理想等效电路RLRLRSRsh四、I-V方程开路(平衡)时电流关系开路电压有负载时I—V方程短路电流伏—安特性曲线ILVOC五、转换效率ηPOm=VOm×IOm(最大输出功率)；Pin:入射太阳光的功率由：因为：有式中六、寄生电阻影响(非理想I-V方程)RS=0RSh=∞RS=0RSh=100RS=5RSh=∞RS=5RSh=100寄生电阻影响大七、光谱响应高能光子主要被表面吸收；低能光子主要被深处吸收；空间电荷区光生

7、载流子少。?八、常规pn结太阳电池不足太阳电池关键参数—效率1.半导体复合:光生载流子在表面区复合；扩散至扩散长度外复合。2.串联电阻大:低的表面区掺杂接触电阻高。3.表面反射:表面反射降低光吸收。4.抗高能粒子能力差:高能粒子在半导体表面产生缺陷，降低载流子寿命。九、其它结构太阳电池1.异质结结构光子窄带区吸收；宽带表面高掺杂；抗辐射能力强。2.背面高掺杂结构控制扩散长度外载流子复合。3.绒面结构减小反射。------Eg1Eg2十、其它材料太阳电池多晶体；非晶体；有机薄膜；------。十一、其它转换效率：Si—

8、15~18%;GaAs—18~21%;GaInP/GaAs/Ge—26~29%(三结)电流容限：并联电压容限：串联十二、多节太阳能电池我国的三结GaInP/GaAs/Ge太阳能电池的实验室转换效率最高达到29.9%，非常接近国际最好水平。十二、多节太阳能电池电流匹配方案将量子阱结构引入到三结太阳能电池的中间子电池中提高其光生电流以改善电流匹配十