CN105932090B - 一种基于侧向光伏效应的薄膜结构位置灵敏探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于侧向光伏效应的薄膜结构位置灵敏探测器，包括Si单晶基片衬底和在Si单晶基片衬底上生成的薄膜光响应层，在薄膜光响应层上设置有呈中心对称分布的第一电极和第二电极，第一电极和第二电极之间通过导线连接并串联有电压表，其特征在于：还包括设置在薄膜光响应层边缘的第三电极和第四电极，第三电极和第四电极在薄膜光响应层上呈中心对称分布，第三电极和第四电极通过导线短接并串联有开关，在Si单晶基片衬底的下表面还设置有底电极，在底电极上设置有第五电极，在第三电极和第四电极与第五电极之间通过导线接入直流稳压电源。改善了偏压调制下的探测器在激光高功率照射下线性度变差的情况，提高了探测器的探测范围和探测精度。
Description
技术领域
本发明涉及位置探测器的技术领域，特别是一种基于侧向光伏效应的薄膜结构位置灵敏探测器。
背景技术
当点光源照射PN结，半导体异质结或者金属半导体结时，利用结的同一表面上引出的两个电极可以测得电压值，这一效应称之为侧向光伏效应。随着点光源在两电极之间移动,电压差与点光源的位置呈现线性关系。这一特征使侧向光伏效应广泛应用于位置灵敏探测器。衡量一种位置灵敏探测器性能优劣主要有两个重要指标：位置灵敏度和非线性度。位置灵敏度定义为输出电压随光斑位移的改变量，决定了位置灵敏探测器的测量精度。非线性度是指测量结果与拟合直线之间的偏差。对于位置灵敏探测器来说线性度越小越好，实际应用中可接受的非线性度不能高于15％，最好小于5％。
目前基于侧向光伏效应的位置灵敏探测器普遍存在灵敏度低的问题，虽然通过加偏压调制可以很大程度上提高灵敏度，但是该方法也有一个很大的弊端，那就是在高功率激光照射下，线性度极度变差，换句话说也就是电压差随光照位置不再呈现线性关系。这种现象很大程度上限制了此类探测器的探测范围和探测精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种克服现有技术的不足，基于侧向光伏效应的薄膜结构位置灵敏探测器的改进方案，改善了偏压调制下的位置灵敏探测器在激光高功率照射下线性度变差的情况，极大提高了此类探测器的探测范围和探测精度。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术手段是：
一种基于侧向光伏效应的薄膜结构位置灵敏探测器，包括Si单晶基片衬底和在Si单晶基片衬底上生成的薄膜光响应层，在薄膜光响应层上设置有呈中心对称分布的第一电极和第二电极，第一电极和第二电极之间通过导线连接并串联有电压表，还包括设置在薄膜光响应层边缘的第三电极和第四电极，第三电极和第四电极在薄膜光响应层上呈中心对称分布，第三电极和第四电极通过导线短接并串联有开关，在Si单晶基片衬底的下表面还设置有底电极，在底电极上设置有第五电极，在第三电极和第四电极与第五电极之间通过导线接入直流稳压电源。
所述的薄膜光响应层为纳米半导体薄膜或纳米金属薄膜，薄膜光响应层为单层薄膜或多层复合薄膜。
所述的底电极为纳米Ag薄膜或纳米Al薄膜。
所述的第一电极、第二电极、第三电极、第四电极和第五电极的形状为圆形或正方形且直径都不大于1mm。
所述的导线为银导线或铜导线，导线的直径为100-250μm。
本发明的有益效果是：改善了偏压调制下的位置灵敏探测器在激光高功率照射下线性度变差的情况，极大提高了此类探测器的探测范围和探测精度。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明改进前的LPV随激光功率的变化。
图3是本发明改进前后LPVs对比图。
图4是本发明实施例2中改进前的LPV随激光功率的变化。
图5是本发明实施例2中改进前后LPVs对比图。
图中，1、第三电极，2、第一电极，3、第二电极，4、第四电极，5、第五电极，6、底电极，7、衬底，8、薄膜光响应层，9、电压表，10、直流稳压电源，11、开关，12、导线，13、光源。
具体实施方式
本发明为一种基于侧向光伏效应的薄膜结构位置灵敏探测器，
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
具体实施例，如图1所示，一种基于侧向光伏效应的薄膜结构位置灵敏探测器，包括Si单晶基片衬底7和在Si单晶基片衬底7上生成的薄膜光响应层8，在薄膜光响应层8上设置有呈中心对称分布的第一电极2和第二电极3，第一电极2和第二电极3之间通过导线12连接并串联有电压表9，关键在于：还包括设置在薄膜光响应层8边缘的第三电极1和第四电极4，第三电极1和第四电极4在薄膜光响应层8上呈中心对称分布，第三电极1和第四电极4通过导线12短接并串联有开关11，在Si单晶基片衬底7的下表面还设置有底电极6，在底电极6上设置有第五电极5，在第三电极1和第四电极4与第五电极5之间通过导线12接入直流稳压电源10。
薄膜光响应层8采用纳米半导体薄膜或纳米金属薄膜，薄膜光响应层8为单层薄膜或多层复合薄膜，由常规的热蒸发，磁控溅射或脉冲激光沉积得到。
底电极6为纳米Ag薄膜或纳米Al薄膜，易与第五电极5形成良好的欧姆接触。
将第一电极2、第二电极3、第三电极1、第四电极4和第五电极5的形状设计为圆形或正方形且直径都不大于1mm，在理想情况下电极与薄膜样品为欧姆接触，但实际中存在一定势垒，会影响载流子的运动，表现为信号在电极处有一定的弯曲，此时电极越小，这种影响越小。
所述的导线12为银导线或铜导线，导线12的直径为100-250μm，导线太粗不易连接到样品表面，同时电阻较大，影响测量精度，导线太细又会增加不必要的成本，且容易断裂。
具体实施例1，在n型晶硅上生长多层复合薄膜，形成异质结结构位置灵敏探测器，加偏压调制后灵敏度明显提高，但随着激光功率增加，线性度急剧下降。衬底7为n型单晶硅基片，厚度约为500μm，表面存在自然氧化的SiO2层，薄膜光响应层8为多层复合薄膜，从下往上分别是本征非晶硅薄膜、p型非晶硅薄膜和ITO薄膜，厚度分别为5nm、9nm和80nm。将薄膜光响应层8表面用酒精擦拭干净，自然晾干后待用。
在薄膜光响应层8上表面左右两侧对称地压上4个In电极分别为第一电极2、第二电极3、第三电极1和第四电极4，如图1所示，中间的第一电极2和第二电极3间距为2cm，第三电极1和第一电极2以及第二电极3和第四电极4之间间隔3mm。利用导线12将第一电极2和第二电极3引出接入电压表9，第三电极1和第四电极4直接接入开关11，方便随时断开和连接。
打开直流稳压电源10，输出电源为0.2V，薄膜光响应层8表面接负极，第五电极5接正极。
先断开薄膜光响应层8表面的开关11，此时位置灵敏探测器结构为传统结构，将聚焦点光源13照射在薄膜光响应层8表面，步进电机驱动探测器匀速移动，532nm的激光光斑从第一电极2连续扫到第二电极3，用电压表9记录下侧向光电压LPV的变化，逐渐增大激光输出功率，线性度明显变差，如图2所示。
连接开关11，即短接第三电极1和第四电极4，将聚焦点光源13照射在薄膜光响应层8表面，步进电机驱动探测器匀速移动，532nm的激光光斑从第一电极2连续扫到第二电极3，用电压表9记录下侧向光电压LPVs的变化，短接前后对比结果如图2和图3所示。可以看出，改进之后的位置灵敏探测器的线性度明显变好。将薄膜表面边缘短接之后，线性度明显提高。
具体实施例2，在n型晶硅上生长单层复合薄膜，形成异质结结构位置灵敏探测器，加偏压调制后灵敏度明显提高，但随着激光功率增加，线性度急剧下降。连接开关11，即短接第三电极1和第四电极4，将聚焦点光源13照射在薄膜光响应层8表面，步进电机驱动探测器匀速移动，532nm的激光光斑从第一电极2连续扫到第二电极3，用电压表9记录下侧向光电压LPVs的变化，短接前后对比结果如图4和图5所示。可以看出，改进之后的位置灵敏探测器的线性度明显变好。将薄膜表面边缘短接之后，线性度明显提高。
Claims (5)
1.一种基于侧向光伏效应的薄膜结构位置灵敏探测器，包括Si单晶基片衬底(7)和在Si单晶基片衬底(7)上生成的薄膜光响应层(8)，在薄膜光响应层(8)上设置有呈中心对称分布的第一电极(2)和第二电极(3)，第一电极(2)和第二电极(3)之间通过导线(12)连接并串联有电压表(9)，其特征在于：还包括设置在薄膜光响应层(8)边缘的第三电极(1)和第四电极(4)，第三电极(1)和第四电极(4)在薄膜光响应层(8)上呈中心对称分布，第三电极(1)和第四电极(4)通过导线(12)短接并在第三电极(1)和第四电极(4)之间串联有开关(11)，在Si单晶基片衬底(7)的下表面还设置有底电极(6)，在底电极(6)上设置有第五电极(5)，在第三电极(1)和第四电极(4)与第五电极(5)之间通过导线(12)接入直流稳压电源(10)。
2.根据权利要求1所述的一种基于侧向光伏效应的薄膜结构位置灵敏探测器，其特征在于：所述的薄膜光响应层(8)为纳米半导体薄膜或纳米金属薄膜，薄膜光响应层(8)为单层薄膜或多层复合薄膜。
3.根据权利要求1所述的一种基于侧向光伏效应的薄膜结构位置灵敏探测器，其特征在于：所述的底电极(6)为纳米Ag薄膜或纳米Al薄膜。
4.根据权利要求1所述的一种基于侧向光伏效应的薄膜结构位置灵敏探测器，其特征在于：所述的第一电极(2)、第二电极(3)、第三电极(1)、第四电极(4)和第五电极(5)的形状为圆形或正方形且直径都不大于1mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于侧向光伏效应的薄膜结构位置灵敏探测器，其特征在于：所述的导线(12)为银导线或铜导线，导线(12)的直径为100-250μm。
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