有机光电倍增探测器的原理

与有机太阳能电池类似，有机光电倍增探测器的结构主要包含单质结及体异质结两种类型。最早提出的有机光电倍增探测器包含了阳极、活性层及阴极三个部分，夹在两电极之间的活性层由单一的N型或P型有机化合物构成，这种类型的器件被称为单质结器件。另外一种器件的活性层为给/受体(D/A)混合材料，被称为体异质结器件。

有机光电倍增探测器的两种典型结构：(a)单质结(b)体异质结

除了这两种经典结构外，有机太阳能电池还有第三种典型结构，即双层异质结结构，其活性层由N型半导体膜与P型半导体膜堆叠而成，而在关于有机光电倍增探测器的报道中却没有对双异质活性层的研究。而实际中，大量的工作是在电极和单质结或体异质结活性层之间引入界面修饰层来实现光电倍增性能从无到有的转变或者是光电倍增性能的进一步改善。另外，在活性层中掺杂其它材料，也是改善器件光电倍增性能的一种重要手段。

有机光电倍增探测器是利用电子陷阱辅助空穴形成隧穿效应，或利用空穴陷阱辅助电子形成隧穿效应，从而使得外电路中的载流子大量注入回路，最终实现远超过100%的外量子效率。具体地，当金属电极与有机半导体层接触时，由于两者费米能级不同，导致在其界面处产生能带弯曲，即形成肖特基(Schottky)结。当金属电极的费米能级高于有机半导体材料的费米能级时，形成了从电极指向有机半导体层的内建电场，即在有机材料界面处形成一个向下的弯曲，阻碍了有机半导体中的空穴向电极中扩散。当金属电极的费米能级低于有机半导体材料的费米能级时，形成了从有机半导体层指向电极的内建电场，即在有机材料界面处形成一个向上的弯曲，这会阻碍有机半导体中的电子向电极中扩散。

当有机半导体材料内部存在大量的空穴或电子陷阱时，这些陷阱所俘获的载流子在外加电压的作用下传输到有机半导体与电极的交界区域，引起肖特基结区势垒窄化，实现电流倍增。例如，对于有机半导体中存在大量电子陷阱的情形，光照后，光生电子被电子陷阱俘获。当在电极端施加正向偏压时，陷阱电子在外加电场的作用下向肖特基结区传输。电子到达结区窄化了肖特基结，提高了结区的电场强度，引起外电路的空穴从电极隧穿注入有机半导体，实现电流倍增效应。这是利用电子陷阱辅助空穴实现隧穿效应的原因。

而对于有机半导体中存在大量空穴陷阱的情形，光照后，光生空穴首先会被空穴陷阱俘获，当在电极一端施加反向偏压时，光生空穴被陷阱俘获后会在外加电场的作用下向肖特基结区传输。空穴到达结区窄化了肖特基结，引起外电路的电子从电极大量隧穿注入有机半导体。以上所述为有机光电倍增探测器中空穴陷阱辅助实现的电子隧穿效应。具体原理过程如图所示。

有机光电倍增探测器的工作原理图
 

审核编辑：汤梓红