1.基本结构
与有机太阳能电池类似［410-412］，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，它们的示意图参见图7.1。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［203，409，413-415］，其结构如图7.1（a）所示。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［193，416-418］，其结构如图7.1（b）所示。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［419-421］或者是光电倍增性能的进一步改善［407，422，423］。另外，在活性层中掺杂其他材料，也是改善器件光电倍增性能的一种重要手段［424-428］。
图7.1 （a）有机光电倍增探测器的单质结；（b）有机光电倍增探测器的体异质结。
2.工作原理
无机雪崩光电二极管基于碰撞电离效应实现了光电信号的倍增放大。与此不同，有机光电倍增探测器的工作原理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，由于金属电极的费米能级与有机半导体材料的费米能级不同，导致在其界面处产生能带弯曲，即形成肖特基（Schottky）结［429-431］。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，电子会从金属流入有机半导体，形成了从电极指向有机半导体层的内建电场，其能带弯曲如图7.2（a）所示，即在有机材料界面处形成一个向下的弯曲，这阻碍了有机半导体中的空穴向电极中扩散。要实现图7.2（a）所示的能带弯曲，通常需要使用低功函数电极，如Ag，Al，Mg等。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，电子会从有机半导体流入电极，形成了从有机半导体层指向电极的内建电场，其能带弯曲如图7.2（e）所示，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。利用Au，ITO，Pt等高功函数金属可以构造图7.2（e）所示的能带弯曲。实际中，可以对电极进行表面修饰，从而实现调节电极功函数并进一步调控能带弯曲的目的［402，422］。
图7.2 （a）～（d）电子陷阱辅助空穴隧穿及；（e）～（h）空穴陷阱辅助电子隧穿的有机光电倍增探测器原理示意图，EFM金属费米能级，ELUMO有机半导体LUMO能级，EHOMO有机半导体HOMO能级；（a）（e）不加偏压时的能带弯曲图；（b）（f）光生载流子被陷阱俘获；（c）（g）施加偏压后陷阱载流子向结区传输；（d）（h）陷阱载流子到达结区引起外电路中的载流子隧穿进入半导体从而形成电流倍增效应。
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会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，如图7.2（a）所示，光照后，光生电子首先会被电子陷阱俘获，如图7.2（b）所示。当在电极端施加正向偏压时，陷阱电子会在外加电场的作用下向肖特基结区传输，如图7.2（c）所示。在肖特基结区，这些电子的到达窄化了肖特基结，提高了结区的电场强度，从而引起外电路的空穴从电极大量隧穿进入有机半导体中，最终实现了电流倍增效应，如图7.2（d）所示。这种利用电子陷阱辅助空穴形成的隧穿效应正是有机光电倍增探测器实现量子效率超过100%的原理所在。而对于有机半导体中存在大量空穴陷阱的情形，如图7.2（e）所示，光照后，光生空穴首先会被空穴陷阱俘获，如图7.2（f）所示，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，正如图7.2（g）所示。在肖特基结区，这些空穴的到达窄化了肖特基结，加大了结区的电场强度，从而引起外电路的电子从电极大量隧穿进入有机半导体中，如图7.2（h）所示。以上所述为有机光电倍增探测器中空穴陷阱辅助下的电子隧穿效应。
有机光电倍增探测器由于其活性层的材料不同，可分为小分子基及聚合物基两种不同类型。
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