《光伏探测器》PPT课件

1、光伏探测器,利用半导体光伏效应制作的器件称为光伏探测器，简称PV（Photovoltaic）探测器，也称结型光电器件,PN结受到光照时，可在PN结的两端产生光生电势差，这种现象则称为光伏效应,光伏效应,光伏探测器,光伏器件 简称PV（Photovolt,单元器件,线阵器件,四象限器件,第04章 光伏探测器,4.1 光伏探测器的原理和特性,4.2 常用光伏探测器,4.3 光伏探测器组合器件,4.4 光伏探测器的偏置电路,4.1 光伏探测器的原理和特性,1. 光照下的PN结电流方程及伏安特性,2. 开路电压Uoc和短路电流Isc,3暗电流和温度特性,4噪声、信噪比和噪声等效功率,5. 光谱特性,6

2、. 响应时间和频率特性,4.1 光伏探测器的原理和特性,1. 光照下的PN结电流方程及伏安特性,电流方程,伏安特性,伏安特性,第一象限：普通二极管 光电探测器 这个区域没有意义,1. 光照下的PN结电流方程及伏安特性,伏安特性,第三象限：光电导模式 光电二极管 这个区域重要意义,反向偏压可以减小载流子的渡越时间和二极管的极间电容，有利于提高器件的响应灵敏度和响应频率,1. 光照下的PN结电流方程及伏安特性,第四象限：光伏模式 光电池 工作区域,伏安特性,1. 光照下的PN结电流方程及伏安特性,伏安特性,光电二极管,光电池,普通二极管,1. 光照下的PN结电流方程及伏安特性,等效电路 （意义：分

3、析与计算,1. 光照下的PN结电流方程及伏安特性,电流源,普通二极管,4.1 光伏探测器的原理和特性,2. 开路电压Uoc和短路电流Isc,负载电阻RL，光伏探测器两端的电压称为开路电压,负载电阻RL=0，流过光伏探测器称为短路电流,开路电压短路电流,4.1 光伏探测器的原理和特性,电流方程,暗电流,常温条件下，暗电流 硅光电二极管 100nA 硅PIN光电二极管1nA,3. 暗电流,4.1 光伏探测器的原理和特性,3. 暗电流,电流方程,暗电流,暗电流的影响： 1.弱光的测量 2.增大散粒噪声,暗电流减小方法： 1.降低温度 2.偏压为零或为负,4.1 光伏探测器的原理和特性,4噪声、信噪比

4、和噪声等效功率,光伏探测器的噪声主要包括器件中光电流的散粒噪声、暗电流的散粒噪声和PN结漏电阻Rsh的热噪声,噪声等效功率,特别注意： 一般产品手册中给出的探测器的NEP值仅考虑了暗电流对散粒噪声的贡献,光电二极管噪声等效功率计算,PIN PD 10-14W/Hz1/2,4.1 光伏探测器的原理和特性,4.1 光伏探测器的原理和特性,5. 光谱特性,光伏探测器波长响应范围,紫外光,可见光,红外远红外光,P86 紫外 光电二极管 200nm,4.1 光伏探测器的原理和特性,5. 光谱特性,光伏探测器波长响应范围,紫外光,可见光,近红外远红外光,光电导探测器波长响应范围,紫外光,可见光,近红外 极

5、远红外光,二者光谱响应范围的差别？为什么,4.1 光伏探测器的原理和特性,6. 响应时间和频率特性,光伏效应示意图,响应时间,扩散时间10-9s,漂移时间10-11s,电路时间常数 1.5109 s,光敏区薄，缩短扩散时间；边注入技术，？扩散时间,4.1 光伏探测器的原理和特性,6. 响应时间和频率特性,频率特性,仅考虑电路时间常数,硅光电二极管几百兆赫，上千兆赫的响应频率; PIN光电二极管10GHz,雪崩光电二极管100GHz,4.1 光伏探测器的原理和特性,比较：频率特性,光伏探测器,光电导探测器,光伏探测器频率特性由电路时间常数决定,光电导探测器频率特性由载流子寿命决定,4.2 常用光

6、伏探测器,4.2.1 硅光电池,4.2.2 硅光电二极管,4.2.3 硅光电三极管,4.2.4 PIN光电二极管,4.2.5 雪崩光电二极管,4.2.6 紫外光电二极管,4.2.7 碲镉汞、碲锡铅红外光电二极管,4.2 常用光伏探测器,4.2.1 硅光电池,工作区域：第四象限,4.2 常用光伏探测器,结构,分类,主要功能是作为光电探测用，光照特性的线性度好,太阳能光电池,测量光电池,主要用作电源，转换效率高、成本低,Solar Cells,4.2.1 硅光电池,4.2 常用光伏探测器,光电特性,照度电流电压特性,照度负载特性,4.2.1 硅光电池,伏安特性,光电池伏安特性,4.2 常用光伏探测

7、器,4.2.1 硅光电池,伏安特性,4.2 常用光伏探测器,表示输出电流和电压随负载电阻变化的曲线,无外加偏压 （自偏压,4.2.1 硅光电池,4.2 常用光伏探测器,4.2.2 硅光电二极管,结构,掺杂浓度较低； 电阻率较高； 结区面积小； 通常多工作于反偏置状态； 结电容小，频率特性好； 光电流比光电池小得多，一般多在微安级,比较：光电二极管与光电池 表42和表41,Photodiode，简称PD,4.2 常用光伏探测器,4.2.3 硅光电三极管,又称为光电晶体管（Phototransistor，简称PT,光电三极管在电子线路中的符号,4.2 常用光伏探测器,4.2.3 硅光电三极管,原理

8、性结构图,又称为光电晶体管（Phototransistor，简称PT,光电三极管的结构和普通晶体管类似，但它的外壳留有光窗,4.2 常用光伏探测器,4.2.3 硅光电三极管,原理图,又称为光电晶体管（Phototransistor，简称PT,NPN光电三极管可等效为一个硅光电二极管和一个普通晶体管组合而成,4.2 常用光伏探测器,4.2.3 硅光电三极管,比较：光电三极管与光电二极管 表43和表42,硅光电二极管光电特性,硅光电三极管光电特性,光电三极管：输出光电流大 光电特性“非线性” ，频率特性较差,4.2 常用光伏探测器,4.2.4 PIN光电二极管,结构,PIN Photodiode，

9、简称PIN PD,在掺杂浓度很高的P型半导体和N型半导体之间夹着一层较厚的高阻本征半导体I,结电容变得更小，频率响应高，带宽可达10GHz； 线性输出范围宽,特点,应用,光通信、光雷达等快速光检测领域,光经波导从I层进入,4.2 常用光伏探测器,PIN光电二极管结构,摘自国家精品课程光纤通信技术 -深圳职业技术学院制作,PIN光电二极管工作原理,摘自国家精品课程光纤通信技术 -深圳职业技术学院制作,4.2 常用光伏探测器,4.2.4 PIN光电二极管,PIN Photodiode，简称PIN PD,美国AT&T贝尔实验室：带微谐振腔的InPInGaAs光电二极管，。同时获得了高量子效率和大的带

10、宽。克服了常规PIN光电二极管两者不可兼得的缺点 该光电二极管光敏面150m峰值波长1.48m、暗电流为14nA量子效率为82时, 结电容为0.757PF,PIN光电二极管实例,4.2 常用光伏探测器,4.2.5 雪崩光电二极管,Avalanche Photodiode，简称APD,内增益： M1； M1,外电路单位时间内的电子数,器件内单位时间内的光电子数,APD内增益：102103,高反压(100200 V,强电场 载流子加速,碰撞 新载流子,雪崩倍增 光电流的放大,APD内增益：102103,4.2 常用光伏探测器,4.2.5 雪崩光电二极管,1.结构原理,4.2 常用光伏探测器,雪崩光

11、电二极管工作原理,摘自国家精品课程光纤通信技术 -深圳职业技术学院制作,4.2.5雪崩光电二极管,2.雪崩增益M,UB为击穿电压,U增加到接近UB 得到很大的倍增,U很低 没有倍增现象,U超过UB 噪声电流很大,APD合适工作点： U接近UB，但不超过,APD合适工作点： U接近，但不超过,UB与温度的关系,稳定APD工作点： 1. 稳压 2. 恒温,4.2.5雪崩光电二极管,2.雪崩增益M,APD合适工作点： U接近，但不超过,稳定APD工作点： 1. 稳压 2. 恒温,APD工作电路举例,恒温箱,4.2.5雪崩光电二极管,2.雪崩增益M,4.2 常用光伏探测器,4.2.5雪崩光电二极管,A

12、valanche Photodiode，简称APD,APD内增益：102103,3.噪声特性,4.响应时间 （0.052.0ns,1.结构原理,2.雪崩增益M,雪崩光电二极管 实例,雪崩光电二极管,PIN PD 10-14W/Hz1/2,APD 10-15W/Hz1/2,Si-PD 10-13W/Hz1/2 PMT 10-16W/Hz1/2,PIN-PD,APD应用比较,例1 机载照射器光斑监测系统,4.2.5雪崩光电二极管,PIN-PD,APD应用比较,例1 机载照射器光斑监测系统,总投资XXX万元 激光波长1.06m,4.2.5雪崩光电二极管,例1 机载照射器光斑监测系统,地面光探测器点阵

13、,总投资XXX万元： 激光波长1.06m 光斑检测阵列 240个探头 APD：1800元个 40万元 PIN-PD：3040元个 4万元,入射光较弱时，采用APD；入射光较强时，宜采用PIN管,机载照射器照射光斑监测系统,探测器单元的电路原理图,4.2 常用光伏探测器,4.2.1 硅光电池,4.2.2 硅光电二极管,4.2.3 硅光电三极管,4.2.4 PIN光电二极管,4.2.5 雪崩光电二极管,4.2.6 紫外光电二极管,4.2.7 碲镉汞、碲锡铅红外光电二极管,4.3 光伏探测器组合器件,光伏探测器的组合器件特点是：大多在一块硅片上按一定要求制造出若干个光伏探测器，可用来代替由分立光伏探

14、测器而组成的变换装置，不仅具有光敏点密集量大，装置结构简单、紧凑、调节方便、精确度高等优点，而且还可以扩大变换装置的应用范围,也称为集成结型光电器件,4.3 光伏探测器组合器件,也称为集成结型光电器件,4.3.1半导体色敏感器件,4.3.2阵列式光电器件,4.3.3象限式光电器件,4.3.4光电位置探测器,4.3.5光电耦合器,4.3 光伏探测器组合器件,4.3.1半导体色敏感器件,1.结构原理,同一块硅片上制造的两个深浅不同的PN结： PD1为浅结，对波长短的光响应率高； PD2为深结，对波长长的光响应率高,双结光电二极管半导体色敏器件,4.3 光伏探测器组合器件,2.检测电路,对应于不同颜

15、色波长的输出电压值,UT=kT/e，室温条件下，UT26mV；Isc1和Isc2分别为PD1、PD2的短路电流,对数放大器 差动放大器,4.3.1半导体色敏感器件,4.3 光伏探测器组合器件,3.短路电流比,短路电流比 与入射波长关系,入射波长 与输出电压关系,4.3.1半导体色敏感器件,4.3 光伏探测器组合器件,4.应用举例,半导体色敏器件特点：结构简单、体积小、成本低等,在工业上可以自动检测纸、纸浆、染料的颜色；医学上可以测定皮肤、牙齿等的颜色； 用于家电中电视机的彩色调整、商品颜色及代码的读取等，它是非常有发展前途的一种新型半导体光电器件,半导体色敏器件是非常有发展前途的一种新型半导体

16、光电器件。CCD摄像器件颜色识别功能,4.3.1半导体色敏感器件,4.3 光伏探测器组合器件,4.3.2阵列式光电器件,10DP型光电二极管线阵器件,结构,4.3 光伏探测器组合器件,100以上， 一维光学图像、 空间频谱分析 -线阵CCD,2个， 光点移动方向,用途,24个， 相位信息,4.3.2阵列式光电器件,4.3 光伏探测器组合器件,4.3.3象限式光电器件,准直、定位、 跟踪、频谱分析,各种象限式光电器件示意图,4.3 光伏探测器组合器件,以四象限为例： 若入射光为正中心O，4个PD的输出均等； 若偏于1象限，则PD1输出较大，其余均较小,工作原理,缺点：光敏面上有象限分隔线，对光斑

17、位置不能进行 连续测量，位置分辨率受影响,4.3.3象限式光电器件,4.3 光伏探测器组合器件,特点：光敏面上无象限分隔线，对光斑位置可进行 连续测量，位置分辨率高,4.3.4光电位置探测器,Position Sensitive Detectors，简称PSD,一维PSD 结构,三层： 上面为P层 下面为N层 中间为I层 P层光敏层，电阻均匀,4.3 光伏探测器组合器件,4.3.4光电位置探测器,P层的电阻率分布均匀、负载及电极接触电阻为零,4.3 光伏探测器组合器件,4.3.5光电耦合器,光电耦合器是发光器件与接收器件组合的一种元件,发光器件： 常采用发光二极管 接收器件： 常用光电二极管、

18、光电三极管、光集成电路等,例1：用光电耦合器隔离的高压稳压电路,高压区,低压区,4.3.5光电耦合器,例2. 计算机系统中终端设备 与主机的隔离运行,大型计算机主机,用户终端设备,光,4.3.5光电耦合器,课后查资料：实现隔离的接口电路,4.3 光伏探测器组合器件,总 结,4.3.1半导体色敏感器件,4.3.2阵列式光电器件,4.3.3象限式光电器件,4.3.4光电位置探测器,4.3.5光电耦合器,4.4 光伏探测器的偏置电路,为使器件正常工作，提供合适的电流或者电压,偏置电路,例如,意义,1. 提高探测灵敏度 2. 提高频率响应 3. 降低噪声,偏置电压 偏置电阻,反向偏置电路,自偏置电路,

19、零伏偏置电路,4.4 光伏探测器的偏置电路,4.4.1自偏置电路,4.4 光伏探测器的偏置电路,1短路或线性电流放大区,2空载电压输出区,3功率放大区,4.4 光伏探测器的偏置电路,光电池自偏置电路,4.4.1自偏置电路,1短路或线性电流放大区,RL0=0 (运放虚短,放大器的输入电阻为,ri =010,线性放大区：线性好、输出光电流大，暗电流近似为零、信噪比好，适合弱光信号检测,4.4 光伏探测器的偏置电路,4.4.1自偏置电路,2空载电压输出区,RL1M 光电池处于接近开路状态,光照，输出电压从 0跳跃到0.450.6V,空载电压输出区：具有很高的光电转换灵敏度，不需偏置电源，适合于开关或

20、控制电路,4.4 光伏探测器的偏置电路,4.4.1自偏置电路,4.4.2零伏偏置电路,两种零伏偏置电路,0,自偏置：负载电阻为零,反偏置：反偏压很小或为零,4.4 光伏探测器的偏置电路,1零伏偏置电路特点,中远红外波段光伏探测器： 窄禁带（Eg很小），受热激发影响较 大，反向偏压不能大(一般为几百毫伏至一点 几伏) 零伏偏置或接近于零伏偏置,质量好的光伏探测器： 零伏偏置，1f 噪声最小，暗电流为零 较高的信噪比,4.4.2零伏偏置电路,2零伏偏置电路实例,例1：自偏置_负载电阻为零,例2：反偏置_反偏压为零,4.4.2零伏偏置电路,4.4.3反向偏置电路,反向偏置电路特点,灵敏度、频带宽度和

21、光电变换线性范围,4.4 光伏探测器的偏置电路,反向偏置电路,4.4 光伏探测器的偏置电路,为了分析问题方便，将第三象限特性曲线旋转到第一象限,与晶体三极管输出曲线类似,1.基本反向偏置电路,4.4.3反向偏置电路,电路图,回路方程,U(I)为光电二极管的端电压,Ub为偏置电压,负载电阻上的输出信号,1.基本反向偏置电路,4.4.3反向偏置电路,选择负载电阻RL和偏置电压Ub,负载电阻的影响,偏置电压的影响,1.基本反向偏置电路,选择负载电阻RL和偏置电压Ub,方法,标出拐点M,功耗限制,图解分析方法,4.4.3反向偏置电路,1.基本反向偏置电路,选择负载电阻RL和偏置电压Ub,标出拐点M,图解分析方法,直观、方便，适应于检测恒定或缓慢变化的入射光信号的直流电路，特别适应大信号状态下的电路分析。至于检测高频小功率光信号或者检测极微弱光