第04章-光伏探測器

第04章光伏探測器利用半導體光伏效應制作的器件稱為光伏探測器，簡稱PV（Photovoltaic）探測器，也稱結(jié)型光電器件。PN結(jié)受到光照時，可在PN結(jié)的兩端產(chǎn)生光生電勢差，這種現(xiàn)象則稱為光伏效應。光伏效應：光伏探測器：光伏器件簡稱PV（Photovolt）單元器件線陣器件四象限器件PN結(jié)的形成擴散==漂移平衡PN結(jié)PN結(jié)能帶與勢壘結(jié)合前結(jié)合后費米能級與導帶或價帶的相對位置由材料摻雜決定一個平衡系統(tǒng)只能有一個費米能級PN結(jié)能帶與勢壘*

E電場力偏壓：外加在PN結(jié)兩端的電壓方向由P區(qū)指向N區(qū)正向電流：正向偏壓:負離子數(shù)減少正離子數(shù)減少外加電場正向偏壓作用下，耗盡區(qū)寬度變小電流方程：正向偏壓繼續(xù)增大，耗盡層越來越薄·······反向偏壓:負離子數(shù)增加正離子數(shù)增加外加電場反向偏壓作用下，耗盡區(qū)寬度變大反向偏壓:負離子數(shù)增加正離子數(shù)增加外加電場反向電流:－－數(shù)值較??？？？電流方程：正向電流和反向電流：第04章光伏探測器4.1光伏探測器的原理和特性4.2常用光伏探測器4.3光伏探測器組合器件4.4光伏探測器的偏置電路4.1光伏探測器的原理和特性1.光照下的PN結(jié)電流方程及伏安特性2.開路電壓Uoc和短路電流Isc3．暗電流和溫度特性4．噪聲、信噪比和噪聲等效功率5.光譜特性6.響應時間和頻率特性

4.1光伏探測器的原理和特性1.光照下的PN結(jié)電流方程及伏安特性電流方程

伏安特性

伏安特性第一象限：普通二極管光電探測器這個區(qū)域沒有意義??！1.光照下的PN結(jié)電流方程及伏安特性伏安特性第三象限：光電導模式

光電二極管這個區(qū)域重要意義！！反向偏壓可以減小載流子的渡越時間和二極管的極間電容，有利于提高器件的響應靈敏度和響應頻率。1.光照下的PN結(jié)電流方程及伏安特性第四象限：光伏模式

光電池工作區(qū)域伏安特性1.光照下的PN結(jié)電流方程及伏安特性伏安特性光電二極管光電池普通二極管1.光照下的PN結(jié)電流方程及伏安特性等效電路（意義：分析與計算）1.光照下的PN結(jié)電流方程及伏安特性電流源普通二極管4.1光伏探測器的原理和特性2.開路電壓Uoc和短路電流Isc負載電阻RL→∞，光伏探測器兩端的電壓稱為開路電壓負載電阻RL=0，流過光伏探測器稱為短路電流--開路電壓短路電流4.1光伏探測器的原理和特性電流方程

暗電流硅光電二極管暗電流的溫度特性常溫條件下，暗電流硅光電二極管～100nA硅PIN光電二極管～1nA3.暗電流4.1光伏探測器的原理和特性3.暗電流電流方程

暗電流暗電流的影響：1.弱光的測量2.增大散粒噪聲暗電流減小方法：1.降低溫度2.偏壓為零或為負4.1光伏探測器的原理和特性4．噪聲、信噪比和噪聲等效功率光伏探測器的噪聲主要包括器件中光電流的散粒噪聲、暗電流的散粒噪聲和PN結(jié)漏電阻Rsh的熱噪聲。噪聲等效功率特別注意：一般產(chǎn)品手冊中給出的探測器的NEP值僅考慮了暗電流對散粒噪聲的貢獻。光電二極管噪聲等效功率計算PINPD～10-14W/Hz1/24.1光伏探測器的原理和特性4.1光伏探測器的原理和特性5.光譜特性光伏探測器波長響應范圍紫外光可見光紅外－－遠紅外光P86紫外光電二極管200nm4.1光伏探測器的原理和特性5.光譜特性光伏探測器波長響應范圍紫外光可見光近紅外－－遠紅外光光電導探測器波長響應范圍紫外光可見光近紅外－－極遠紅外光二者光譜響應范圍的差別？為什么？4.1光伏探測器的原理和特性6.響應時間和頻率特性

光伏效應示意圖響應時間：擴散時間～10-9s漂移時間～10-11s電路時間常數(shù)1.5×10－9s光敏區(qū)薄，縮短擴散時間；邊注入技術(shù)，？擴散時間4.1光伏探測器的原理和特性6.響應時間和頻率特性

頻率特性：僅考慮電路時間常數(shù)硅光電二極管~幾百兆赫，~上千兆赫的響應頻率;PIN光電二極管~10GHz,雪崩光電二極管100GHz4.1光伏探測器的原理和特性比較：頻率特性光伏探測器光電導探測器光伏探測器頻率特性由電路時間常數(shù)決定光電導探測器頻率特性由載流子壽命決定例.若PN結(jié)在照度E1下的開路電壓為Uoc1，求照度為E2下的開路電壓Uoc2？4.2常用光伏探測器4.2.1硅光電池4.2.2硅光電二極管4.2.3硅光電三極管4.2.4PIN光電二極管4.2.5雪崩光電二極管4.2.6紫外光電二極管4.2.7碲鎘汞、碲錫鉛紅外光電二極管4.2常用光伏探測器4.2.1硅光電池工作區(qū)域：第四象限：4.2常用光伏探測器結(jié)構(gòu)：分類：－－主要功能是作為光電探測用，光照特性的線性度好太陽能光電池測量光電池－－主要用作電源，轉(zhuǎn)換效率高、成本低(SolarCells)4.2.1硅光電池4.2常用光伏探測器光電特性照度—電流電壓特性照度—負載特性4.2.1硅光電池伏安特性光電池伏安特性4.2常用光伏探測器4.2.1硅光電池伏安特性4.2常用光伏探測器－－表示輸出電流和電壓隨負載電阻變化的曲線無外加偏壓（自偏壓）4.2.1硅光電池硅光電池的伏安特性4.2常用光伏探測器硅光電池的光譜特性入射光能量一定的條件下，光電池所產(chǎn)生的短路電流和入射波長的關(guān)系4.2常用光伏探測器硅光電池的頻率響應要得到短的響應時間，選擇小的負載電阻面積越大，響應時間越長提高頻響的方法：在光導模式下使用4.2常用光伏探測器硅光電池變換電路負載電阻RL所獲得的功率PL與負載電阻的阻值有關(guān)，當RL=0（電路為短路）時，U=0，輸出功率PL=0；當RL=∞（電路為開路）時，IL=0，輸出功率PL=0；∞＜RL＜0時，輸出功率PL＞0。顯然，存在著最佳負載電阻Ropt，在最佳負載電阻情況下負載可以獲得最大的輸出功率Pmax。

4.2常用光伏探測器光電池線性工作時負載電阻的選擇最佳負載電阻4.2常用光伏探測器4.2常用光伏探測器Ⅰ區(qū)（RL<Rj)1電流輸出：要求硅光電池的負載電阻上的電流與光照度成線性關(guān)系電流放大器4.2常用光伏探測器Ⅰ區(qū)（RL<Rj)2電壓輸出：要求硅光電池的負載電阻上的電壓與光照度成線性關(guān)系電壓放大器負載電阻大，輸出電壓大滿足RL<=Rj4.2常用光伏探測器Ⅱ區(qū)（RL>

Rj)為了獲得最大的輸出電壓，應用在開路狀態(tài)，要求后級放大器的輸入阻抗高。應用于開關(guān)電路中4.2常用光伏探測器4.2常用光伏探測器4.2.2硅光電二極管結(jié)構(gòu)：摻雜濃度較低；電阻率較高；結(jié)區(qū)面積小；通常多工作于反偏置狀態(tài)；結(jié)電容小，頻率特性好；光電流比光電池小得多，一般多在微安級比較：光電二極管與光電池表4－2和表4－1（Photodiode，簡稱PD）4.2常用光伏探測器4.2.3硅光電三極管－－又稱為光電晶體管（Phototransistor，簡稱PT）光電三極管在電子線路中的符號4.2常用光伏探測器4.2.3硅光電三極管原理性結(jié)構(gòu)圖：又稱為光電晶體管（Phototransistor，簡稱PT）光電三極管的結(jié)構(gòu)和普通晶體管類似，但它的外殼留有光窗4.2常用光伏探測器4.2.3硅光電三極管原理圖：又稱為光電晶體管（Phototransistor，簡稱PT）NPN光電三極管可等效為一個硅光電二極管和一個普通晶體管組合而成。4.2常用光伏探測器4.2.3硅光電三極管比較：光電三極管與光電二極管表4－3和表4－2硅光電二極管光電特性硅光電三極管光電特性光電三極管：輸出光電流大

光電特性“非線性”，頻率特性較差光電池E0QRL1E1E2RL3RL2RL6VIRL4RL5內(nèi)阻小，光敏面大，小負載時線性好光電二級管線性好，光敏面小，頻響好光電三級管弱光和強光時非線性Ip光電器件與運算放大器的連接+-RfVo光電器件與運算放大器的連接+-R2RLR1Vo光電器件與運算放大器的連接+-RfRRLVoJVcA光電三極管電路VcJA光電三極管電路AB輸出yVc光電三極管電路B輸出yVcA光電三極管電路AB輸出yVcC光電三極管電路硅光電池零偏壓光伏工作模式響應速度慢幾十微秒硅光電二極管反向偏壓光電導工作模式響應速度快0.1us硅光電三極管集電極反偏，發(fā)射極正偏光電導工作模式響應速度較慢5～10us4.2常用光伏探測器4.2.4PIN光電二極管結(jié)構(gòu)：(PINPhotodiode，簡稱PINPD)在摻雜濃度很高的P型半導體和N型半導體之間夾著一層較厚的高阻本征半導體I結(jié)電容變得更小，頻率響應高，帶寬可達10GHz；線性輸出范圍寬特點：應用：光通信、光雷達等快速光檢測領(lǐng)域

光經(jīng)波導從I層進入4.2常用光伏探測器PIN光電二極管結(jié)構(gòu)摘自國家精品課程《光纖通信技術(shù)》--深圳職業(yè)技術(shù)學院制作PIN光電二極管工作原理摘自國家精品課程《光纖通信技術(shù)》--深圳職業(yè)技術(shù)學院制作4.2常用光伏探測器4.2.4PIN光電二極管(PINPhotodiode，簡稱PINPD)美國AT&T貝爾實驗室：帶微諧振腔的InP／InGaAs光電二極管，。同時獲得了高量子效率和大的帶寬?？朔顺Ｒ?guī)PIN光電二極管兩者不可兼得的缺點．該光電二極管光敏面Φ＝150μm．峰值波長1.48μm、暗電流為14nA．量子效率為82％時,結(jié)電容為0.757PF。PIN光電二極管

實例：4.2常用光伏探測器4.2.5雪崩光電二極管(AvalanchePhotodiode，簡稱APD)內(nèi)增益：M<1；M>1；M>>1外電路單位時間內(nèi)的電子數(shù)器件內(nèi)單位時間內(nèi)的光電子數(shù)APD內(nèi)增益：102～103

高反壓(100～200V)強電場載流子加速碰撞新載流子雪崩倍增－－光電流的放大APD內(nèi)增益：102～103

4.2常用光伏探測器4.2.5雪崩光電二極管1.結(jié)構(gòu)原理：4.2常用光伏探測器雪崩光電二極管工作原理摘自國家精品課程《光纖通信技術(shù)》--深圳職業(yè)技術(shù)學院制作4.2.5雪崩光電二極管2.雪崩增益M

：UB為擊穿電壓U增加到接近UB

－－得到很大的倍增U很低

－－沒有倍增現(xiàn)象U超過UB

－－噪聲電流很大APD合適工作點：

U接近UB，但不超過APD合適工作點：

U接近，但不超過UB與溫度的關(guān)系穩(wěn)定APD工作點：1.穩(wěn)壓2.恒溫4.2.5雪崩光電二極管2.雪崩增益M

：APD合適工作點：

U接近，但不超過穩(wěn)定APD工作點：1.穩(wěn)壓2.恒溫APD工作電路舉例：恒溫箱4.2.5雪崩光電二極管2.雪崩增益M

：4.2常用光伏探測器4.2.5雪崩光電二極管(AvalanchePhotodiode，簡稱APD)APD內(nèi)增益：102～103

3.噪聲特性4.響應時間（0.05~2.0ns）1.結(jié)構(gòu)原理2.雪崩增益M雪崩光電二極管實例：雪崩光電二極管PINPD～10-14W/Hz1/2APD～10-15W/Hz1/2Si-PD～10-13W/Hz1/2PMT～10-16W/Hz1/2PIN-PD,APD應用比較例1機載照射器光斑監(jiān)測系統(tǒng)4.2.5雪崩光電二極管PIN-PD,APD應用比較例1機載照射器光斑監(jiān)測系統(tǒng)總投資XXX萬元激光波長1.06μm4.2.5雪崩光電二極管例1

機載照射器光斑監(jiān)測系統(tǒng)地面光探測器點陣總投資XXX萬元：激光波長1.06μm光斑檢測陣列240個探頭APD：1800元／個40萬元PIN-PD：30～40元／個4萬元入射光較弱時，采用APD；入射光較強時，宜采用PIN管機載照射器照射光斑監(jiān)測系統(tǒng)探測器單元的電路原理圖4.2常用光伏探測器4.2.1硅光電池4.2.2硅光電二極管4.2.3硅光電三極管4.2.4PIN光電二極管4.2.5雪崩光電二極管4.2.6紫外光電二極管4.2.7碲鎘汞、碲錫鉛紅外光電二極管4.3光伏探測器組合器件光伏探測器的組合器件特點是：大多在一塊硅片上按一定要求制造出若干個光伏探測器，可用來代替由分立光伏探測器而組成的變換裝置，不僅具有光敏點密集量大，裝置結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、調(diào)節(jié)方便、精確度高等優(yōu)點，而且還可以擴大變換裝置的應用范圍。－－也稱為集成結(jié)型光電器件4.3光伏探測器組合器件－－也稱為集成結(jié)型光電器件4.3.1半導體色敏感器件4.3.2陣列式光電器件4.3.3象限式光電器件4.3.4光電位置探測器4.3.5光電耦合器4.3光伏探測器組合器件4.3.1半導體色敏感器件1.結(jié)構(gòu)原理

同一塊硅片上制造的兩個深淺不同的PN結(jié)：－－PD1為淺結(jié)，對波長短的光響應率高；－－PD2為深結(jié)，對波長長的光響應率高。雙結(jié)光電二極管半導體色敏器件4.3光伏探測器組合器件2.檢測電路

對應于不同顏色波長的輸出電壓值UT=kT/e，室溫條件下，UT≈26mV；Isc1和Isc2分別為PD1、PD2的短路電流對數(shù)放大器差動放大器4.3.1半導體色敏感器件4.3光伏探測器組合器件3.短路電流比

短路電流比與入射波長關(guān)系入射波長與輸出電壓關(guān)系4.3.1半導體色敏感器件4.3光伏探測器組合器件4.應用舉例

半導體色敏器件特點：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低等。－－在工業(yè)上可以自動檢測紙、紙漿、染料的顏色；－－醫(yī)學上可以測定皮膚、牙齒等的顏色；－－用于家電中電視機的彩色調(diào)整、商品顏色及代碼的讀取等，它是非常有發(fā)展前途的一種新型半導體光電器件。半導體色敏器件是非常有發(fā)展前途的一種新型半導體光電器件。CCD攝像器件－－顏色識別功能4.3.1半導體色敏感器件4.3光伏探測器組合器件4.3.2陣列式光電器件10DP型光電二極管線陣器件結(jié)構(gòu)：4.3光伏探測器組合器件100以上，一維光學圖像、空間頻譜分析

--線陣CCD2個，光點移動方向用途：2～4個，相位信息4.3.2陣列式光電器件4.3光伏探測器組合器件4.3.3象限式光電器件——準直、定位、跟蹤、頻譜分析各種象限式光電器件示意圖4.3光伏探測器組合器件以四象限為例：若入射光為正中心O，4個PD的輸出均等；若偏于1象限，則PD1輸出較大，其余均較小工作原理缺點：光敏面上有象限分隔線，對光斑位置不能進行連續(xù)測量，位置分辨率受影響

4.3.3象限式光電器件4.3光伏探測器組合器件特點：光敏面上無象限分隔線，對光斑位置可進行連續(xù)測量，位置分辨率高

4.3.4光電位置探測器－－PositionSensitiveDetectors，簡稱PSD一維PSD結(jié)構(gòu)三層：－－上面為P層－－下面為N層－－中間為I層P層光敏層，電阻均勻象限探測器應用于激光制導利用激光目標指示器照射目標，反射回來的信號經(jīng)過接收處理，形成控制指令控制導彈飛行。若光斑正好落在中心：(VA+VB)－(VC+VD)＝0(VA+VC)－(VB+VD)＝0若未對準，輸出誤差信號去控制導彈。四象限PIN光電二極管4.3光伏探測器組合器件4.3.4光電位置探測器P層的電阻率分布均勻、負載及電極接觸電阻為零4.3光伏探測器組合器件4.3.5光電耦合器光電耦合器是發(fā)光器件與接收器件組合的一種元件。發(fā)光器件：常采用發(fā)光二極管接收器件：常用光電二極管、光電三極管、光集成電路等1.光電耦合器的結(jié)構(gòu)絕緣玻璃發(fā)光二極管透明絕緣體光電三極管采用金屬外殼和玻璃絕緣的結(jié)構(gòu)，在其中部對接，采用環(huán)焊以保證發(fā)光二極管和光電三極管對準，以此來提高靈敏度。(a)金屬密封型塑料發(fā)光二極管光電三極管透明樹脂(b)塑料密封型采用雙列直插式用塑料封裝的結(jié)構(gòu)。管心先裝于管腳上，中間再用透明樹脂固定，具有集光作用，故此種結(jié)構(gòu)靈敏度較高。4.3.5光電耦合器2.光電耦合器的分類光電耦合器件分類光電隔離器光電傳感器光敏元件集成功能塊功能：在電路間傳送信息，實現(xiàn)電路間的電氣隔離和消除噪聲。結(jié)構(gòu)：將輸入端的發(fā)光器件和輸出端的光電接收器件組裝在同一管殼內(nèi)，管心相對配置、互相靠近。透過型（光斷續(xù)器）反射型光隔離器的幾種類型二極管型三極管型達林頓型晶閘管驅(qū)動型發(fā)光器件光敏器件被測物體槽式光電耦合器示意圖槽式光電耦合器實物圖+EC4.3.5光電耦合器例1：用光電耦合器隔離的高壓穩(wěn)壓電路高壓區(qū)低壓區(qū)光4.3.5光電耦合器例2.計算機系統(tǒng)中終端設備

與主機的隔離運行大型計算機主機用戶終端設備光4.3.5光電耦合器課后查資料：實現(xiàn)隔離的接口電路3．用于邏輯門電路圖a為兩個光電耦合器組成的與門電路，如果在輸入端A和B同時輸入高電平“1”，則兩個發(fā)光二極管GY1和GY2都發(fā)光，兩個光敏三極管GG1，和GG2都導通，在輸出端C就呈現(xiàn)高電平“1”。在輸入端A或B中只要有一個為低電平“0”，則其中有一個光敏三極管不導通，輸出端C就為“0”，故為與門電路。

圖c為或門電路，它從發(fā)射極輸出，輸入端A或B中有一個或兩個為高電平“1”，則有一個或兩個光敏三極管被照亮而導通，輸出為高電平“1”，故為或門電路。圖d的原理與圖(c)相似，但從集電極輸出,輸入端A或B中有一個或兩個為高電平“1”，輸出就為低電平“0”，故為或非門電路。4.3光伏探測器組合器件總結(jié)：4.3.1半導體色敏感器件4.3.2陣列式光電器件4.3.3象限式光電器件4.3.4光電位置探測器4.3.5光電耦合器4.4光伏探測器的偏置電路－－為使器件正常工作，提供合適的電流或者電壓TRb+UCCcR偏置電路:例如：意義：1.提高探測靈敏度2.提高頻率響應3.降低噪聲－－偏置電壓－－偏置電阻反向偏置電路自偏置電路零伏偏置電路4.4光伏探測器的偏置電路4.4.1自偏置電路4.4光伏探測器的偏置電路1．短路或線性電流放大區(qū)2．空載電壓輸出區(qū)3．功率放大區(qū)4.4光伏探測器的偏置電路光電池自偏置電路4.4.1自偏置電路1．短路或線性電流放大區(qū)RL0=0(運放虛短)放大器的輸入電阻為：ri=0～10Ω線性放大區(qū)：線性好、輸出光電流大，暗電流近似為零、信噪比好，適合弱光信號檢測。4.4光伏探測器的偏置電路4.4.1自偏置電路2．空載電壓輸出區(qū)RL～1MΩ光電池處于接近開路狀態(tài)光照，輸出電壓從0跳躍到0.45～0.6V空載電壓輸出區(qū)：具有很高的光電轉(zhuǎn)換靈敏度，不需偏置電源，適合于開關(guān)或控制電路

4.4光伏探測器的偏置電路4.4.1自偏置電路4.4.2零伏偏置電路兩種零伏偏置電路：0自偏置：負載電阻為零反偏置：反偏壓很小或為零4.4光伏探測器的偏置電路1．零伏偏置電路特點中遠紅外波段光伏探測器：－－窄禁帶（Eg很?。軣峒ぐl(fā)影響較大，反向偏壓不能大(一般為幾百毫伏至一點幾伏)－－零伏偏置或接近于零伏偏置。質(zhì)量好的光伏探測器：零伏偏置，1／f噪聲最小，暗電流為零－－較高的信噪比。4.4.2零伏偏置電路2．零伏偏置電路實例例1：自偏置_負載電阻為零例2：反偏置_反偏壓為零4.4.2零伏偏置電路4.4.3反向偏置電路反向偏置電路特點：－－靈敏度、頻帶寬度和光電變換線性范圍4.4光伏探測器的偏置電路反向偏置電路4.4光伏探測器的偏置電路為了分析問題方便，將第三象限特性曲線旋轉(zhuǎn)到第一象限與晶體三極管輸出曲線類似1.基本反向偏置電路4.4.3反向偏置電路電路圖：回路方程：U(I)為光電二極管的端電壓Ub為偏置電壓負載電阻上的輸出信號：1.