光电检测技术-第四章.ppt

第四章光伏特探测器 第四章光伏特探测器 掌握内容光伏特探测器原理和特性 理解内容光伏探测器的电路偏置了解内容 第四章光伏特探测器 4 1光伏特效应4 2光伏探测器的工作模式4 3光电池4 4硅光电二极管和三极管 第四章光伏特探测器 利用光生伏特效应制造的光电敏感器件称光生伏特器件 光生伏特效应与光电导效应同属于内光电效应 但二者导电机理相差很大 4 1光伏特效应 光生伏特效应 光生伏特效应是半导体材料吸收光能后 在PN结上产生电动势的效应 为何PN结会因光照产生光生伏特效应 有下面两种情况 不加偏压的PN结处于反偏的PN结 4 1光伏特效应 无光照下的PN结 4 1光伏特效应 光照无偏压PN结当光照射在PN结时 如果电子能量大于半导体禁带宽度 E0 Eg 可激发出电子 空穴对 在PN结内电场作用下空穴移向P区 而电子移向N区 使P区和N区之间产生电压 这个电压就是光生电动势 基于这种效应的器件有 光电池 I Is0 eqU KT 1 Ip 4 1光伏特效应 处于反偏的PN结 无光照时 反向电阻很大 反向电流很小 有光照时 光子能量足够大 产生光生电子 空穴对 在PN结电场作用下 形成光电流 电流方向与反向电流一致 光照越大光电流越大 具有这种性能的器件有 光敏二极管 光敏晶体管 I Is0 eqU KT 1 Ip 4 1光伏特效应 思考 为何结型光电器件在正向偏置时没有明显的光电效应 它必须在哪种偏置状态 为什么 4 1光伏特效应 正向偏置 无光电效应反向偏置 光电导工作模式零偏置 光伏特工作模式 图4 2光照下PN结及其伏安特性曲线 4 2光伏探测器的工作模式 无光照时 伏安特性曲线与一般二极管的伏安特性曲线相同 二极管就工作在这个状态 伏安特性曲线处于第一象限 当PN结上加有反偏压时 暗电流随反向偏压的增大有所增大 最后等于反向饱和电流I0 而光电流Ip几乎与反向电压的高低无关 光电二极管和光电三极管就工作在这个象限 受光照后 光生电子 空穴对在电场作用下形成大于I0的光电流 并且方向与I0相同 因此曲线将沿电流轴向下平移到第四象限 平移的幅度与光照的变化成正比 即Ip SEE 光电池就是依据这个原理工作的 4 2光伏探测器的工作模式 4 2光伏探测器的工作模式 PN结在光伏工作模式下的等效电路 4 3光电池 基于光生伏特效应 可以直接将光能转换成电能的器件 有光线作用时就是电源 广泛用于宇航电源 另一类用于检测和自动控制等 硒光电池 锗光电池 硅光电池 砷化镓 氧化铜 光电池符号 4 3光电池 4 3 1基本结构和工作原理 基本结构光电池核心部分是一个PN结 一般作成面积大的薄片状 来接收更多的入射光 在N型硅片上扩散P型杂质 如硼 受光面是P型层 2CR型 在P型硅片上扩散N型杂质 如磷 受光面是N型层 2DR型 4 3 1基本结构和工作原理 受光面有二氧化硅抗反射膜 起到增透作用和保护作用 上电极做成栅状 为了更多的光入射 因光子入射深度有限 为使光照到PN结上 实际使用的光电池制成薄P型或薄N型 4 3 1基本结构和工作原理 为便于透光和减小串联电阻 抗反射膜 增透和保护作用 4 3 1基本结构和工作原理 a 光电池工作原理图 b 光电池等效电路图 c 进一步简化图4 7光电池的工作原理图和等效电路 有光照情况下 4 3 2硅光电池的特性参数 1 光照特性光照特性主要包括有 伏安特性 照度 电流电压特性和照度 负载特性 开路电压 光生电动势与照度之间关系称开路电压曲线 开路电压与光照度关系是非线性关系 在照度2000lx下趋于饱和 短路电流 短路电流与照度之间关系称短路电流曲线 短路电流是指外接负载RL相对内阻很小时的光电流 4 3 2硅光电池的特性参数 不同照度时的伏 安特性曲线 图4 8硅光电池伏安特性曲线 一般硅光电池工作在第四象限 若硅光电池工作在反偏置状态 则伏安特性将延伸到第三象限 无光照时 光电池伏安特性曲线与普通半导体二极管相同 曲线与电压轴交点称为开路电压UOC 有光照时 沿电流轴方向平移 平移幅度与光照度成正比 曲线与电流轴交点称为短路电流ISC O P Q PM 4 3 2硅光电池的特性参数 E 0时 4 3 2硅光电池的特性参数 考虑两种情况 1 当负载电阻断开时 P端对N端的电压称为开路电压 得到 在一定温度下 开路电压与光电流的对数成正比 也可以说与照度或光通量的对数成正比 4 3 2硅光电池的特性参数 2 当负载电阻短路时 实际为外接负载RL相对内阻很小时 光生电压接近于零 流过器件的电流叫短路电流 这时p n结光电器件的短路光电流与照度 弱照度 或光通量成正比 4 3 2硅光电池的特性参数 4 3 2硅光电池的特性参数 硅光电池的Uoc Isc与照度的关系 光电池的短路光电流Isc在很大范围内与入射光照度成正比 短路电流输出 线性好 电流 光强 灵敏度低 光电池在不同的光强照射下可产生不同的光电流和光生电动势 开路电压UOC与光照度的对数成正比 非线性的 并且当照度在2000lx时趋于饱和 开路电压输出 非线性 电压 光强 灵敏度高 开关测量 开路电压输出 线性检测 短路电流输出 4 3 2硅光电池的特性参数 电流 电压与受光面积的关系 开路电压UOC和短路电流Isc与光电池受光面积也有关系 在光照度一定时 UOC与受光面积的对数成正比 短路电流Isc与受光面积成正比 4 3 2硅光电池的特性参数 光电池不同负载电阻下的光电特性 光电流在弱光照射下与光照度成线性关系 光照增加到一定程度后 输出电流非线性缓慢地增加 直至饱和 并且负载电阻越大 越容易出现饱和 即线性范围较小 因此 在要求输出电流与光照度成线性关系时 负载电阻在条件许可的情况下越小越好 并限制在适当的光照范围内使用 4 3 2硅光电池的特性参数 光电池作测量元件使用时 一般不做电压源使用 而作为电流源的形式应用 测量用光电池主要作为光电探测用 对它的要求是线性范围宽 灵敏度高 光谱响应合适 稳定性好 寿命长 被广泛应用在光度 色度 光学精密计量和测试中 4 3 2硅光电池的特性参数 2 光谱特性光谱特性表示在入射光能量保持一定的条件下 光电池所产生的短路电流与入射光波之间的关系 器件的长波限取决于材料的禁带宽度 短波则受材料表面反射损失的限制 其峰值不仅与材料有关 而且随制造工艺及使用环境温度不同而有所不同 4 3 2硅光电池的特性参数 光电池对不同波长的光灵敏度不同 硅光电池的光谱响应峰值在0 8 m附近 波长范围0 4 1 2 m 硅光电池可在很宽的波长范围内应用 硒光电池光谱响应峰值在0 5 m附近 波长范围0 38 0 75 m 4 3 2硅光电池的特性参数 3 频率特性频率特性指光电池相对输出电流与光的调制频率之间关系 4 3 2硅光电池的特性参数 硅 硒光电池的频率特性 硅 硒光电池的频率特性不同 硅光电池频率响应较好 硒光电池较差 硅光电池是目前使用最广泛的光电池 所以高速计数器的转换一般采用硅光电池作为传感器元件 4 3 2硅光电池的特性参数 负载大时频率特性变差 减小负载可减小时间常数 提高频响 但会使输出电压降低 4 3 2硅光电池的特性参数 要得到短的响应时间 必须选用小的负载电阻 光电池面积越大则响应时间越大 4 3 2硅光电池的特性参数 4 温度特性 光电池的参数随工作环境温度改变而变化 随着温度的上升 硅光电池的光谱响应向长波方向移动 光电池做探测器件时 测量仪器应考虑温度的漂移 要进行补偿 开路电压具有负温度系数 而短路电流具有正温度系数 即开路电压下降 短路电流上升 开路电压下降大约2 3mV 度 短路电流上升大约10 5 10 3mA 度 4 3 2硅光电池的特性参数 5 稳定性当光电池密封良好 电极引线可靠 应用合理时 光电池的性能是相当稳定的 使用寿命也很长 硅光电池的性能比硒光电池更稳定 光电池的性能和寿命除了与光电池的材料及制造工艺有关外 在很大程度上还与使用环境条件有密切关系 如在高温和强光照射下 会使光电池的性能变坏 而且降低使用寿命 这在使用中要加以注意 4 3 3光电池偏置电路 将硅光电池直接与负载电阻RL连接 成为无偏置电压的电路 又称自给偏置电路 a 基本形式 b 等效电路 c 图解法图4 14硅光电池无偏置电路 4 3 3光电池偏置电路 可以用图4 14 c 定性分析 也可定量地描述负载电阻和入射光通量对电路工作状态 I U P 的影响 即 4 3 3光电池偏置电路 线性电压放大 空载电压输出 短路或线性电流放大 功率放大 4 3 3光电池偏置电路 1 短路或线性电流放大电流变换状态RL Rm 且RL 0电流与光照度成线性关系后续放大电路输入阻抗尽可能小弱光检测 4 3 3光电池偏置电路 2 线性电压输出RL Rm电压与光照度成线性关系后续采用高输入阻抗的电压放大器 4 3 3光电池偏置电路 3 空载电压输出非线性电压变换状态RL Rm且RL 开路电压与入射光通量的对数成正比采用高输入阻抗放大器或采用阻抗变换器弱光检测 4 3 3光电池偏置电路 太阳能电源电路 防止蓄电池经光电池放电 保证在黑夜或光线微弱时可正常供电 多个光电池串并联连接 组装成光电池组 负载随E变化 须根据具体情况选择合适值 4 3 3光电池偏置电路 使用特点特点是工作时不需外加偏压 接收面积小 使用方便 缺点是响应时间长 它由结电容和外接负载电阻的乘积决定 其掺杂浓度高 电阻率低 为0 1 0 01 cm 易于输出光电流 硅光电池较广泛用于充电储能 硅光电池的长波限由硅的禁带宽度决定 为1 15um 峰值波长约为0 8um 如果P型硅片上的N型扩散层做得很薄 小于0 5um 峰值波长可向着短波方向微移 对兰紫光谱仍有响应 4 3 4光电池的应用 1 作电流源使用作为测量元件使用时 常当作电流源使用 光电池的受光面积 一般要比光电二极管和光电三极管大得多 因此它的光电流比后两者大 受光面积越大光电流也越大 适于需要输出大电流的场合 4 3 4光电池的应用 电流源使用 4 3 4光电池的应用 电流源使用光电池作为控制元件时通常接非线性负载 控制晶体管工作 图光电池接非线性负载的情况 4 3 4光电池的应用 电流源使用光电池作为电源使用时 根据使用要求进行连接 需要高电压时应将光电池串联使用 需要大电流时应将光电池并联使用 4 3 4光电池的应用 电流源使用 光电池电路连接 4 3 4光电池的应用 电流源使用 图用可变电阻RW 二极管D产生所需的附加电压 4 3 4光电池的应用 2 作电压源使用硅光电池的开路 负载电阻RL趋于无限大时 电压与照度的关系是非线性的 作为测量元件使用时 一般不宜当作电压源使用 适合于开关电路或继电器工作状态 4 3 4光电池的应用 电压源使用 图加反向电压的光电池 a 电路 b 伏安特性曲线 4 4硅光电二极管和硅光电三极管 光电二极管和光电池基于p n结的光电效应而工作 可见光及红外光谱区 硅光电二极管通常工作在反偏置条件下 即光电导工作模式 硅光电二极管也可工作在零偏置状态 即光伏工作模式 暗电流等于零 光电三极管工作原理主要基于光生伏特效应 4 4硅光电二极管和硅光电三极管 1 光电二极管结构P N结单向导电的非线性元件为了提高转换效率大面积受光 PN结面积比一般二极管大 硅光敏二极管结构 4 4硅光电二极管和硅光电三极管 工作原理反向偏置状态无光照时 反向电阻很大 反向电流很小 有光照时 PN结处产生光生电子空穴对 在电场作用下形成光电流 光敏二极管基本电路 4 4硅光电二极管和硅光电三极管 基本特性光照特性光电流与照度成线性关系 硅光电二极管光照特性 4 4硅光电二极管和硅光电三极管 伏安特性反向偏压较低时 光电流随电压变化比较敏感 反向偏压加大 光生电流趋于饱和 4 4硅光电二极管和硅光电三极管 光谱特性入射波长 900nm时 响应下降 入射波长 900nm时 响应也逐渐下降 硅光敏二极管光谱响应 4 4硅光电二极管和硅光电三极管 温度特性暗电流对温度变化很敏感 光敏二极管暗电流与温度关系 4 4硅光电二极管和硅光电三极管 频率响应与本身的物理结构 工作状态 负载以及入射光波长等因素有关 4 4硅光电二极管和硅光电三极管 硅光电二极管的频率响应还可以用等效电路来计算 a 实际电路 b 等效电路 c 高频简化等效电路 d 低频等效电路 4 4硅光电二极管和硅光电三极管 影响频率响应的主要因素是 光生载流子在P区的扩散时间 p 在势垒区的漂移时间 d 结电容和负载电阻决定的电路时间常数 c 载流子的总渡越时间为 p d c 实际决定于 c 4 4硅光电二极管和硅光电三极管 2 光电三极管结构基极 集电极结作为光敏二极管集电结做受光结基极无引线 集电结加反偏玻璃封装上有个小孔 光敏晶极管结构 4 4硅光电二极管和硅光电三极管 硅 Si 光敏晶体极管一般都是NPN结构 光照射在集电结的基区 产生电子 空穴 光生电子被拉向集电极 基区留下正电荷 空穴 使基极与发射极之间的电压升高 这样 发射极便有大量电子经基极流向集电极 形成三极管输出电流 使晶体管具有电流增益 在负载电阻RL上的输出电压为 晶体管电流放大系数 4 4硅光电二极管和硅光电三极管 工作原理集电极反偏置 发射极正偏置 光信号是在集 基结区内进行光电变换后 再由集电极 基极和发射极构成的晶体三极管中放大而输出电信号的 4 4硅光电二极管和硅光电三极管 基本特性光照特性弱光照时有弯曲强光照时趋于饱和只有在某一段线性较好 硅光电三极管光照特性 4 4硅光电二极管和硅光电三极管 伏安特性光敏晶体管具有放大作用 4 4硅光电二极管和硅光电三极管 光谱特性硅管峰值波长在0 9 m附近 可见光 锗管的峰值波长约为1 5 m 红外光 光敏晶体管光谱特性 4 4硅光电二极管和硅光电三极管 响应时间和频率特性 光电三极管频率响应除与光电二极管相同外 还受光电三极管基区渡越时间和发射结电容的限制 一般在5 10us 4 4硅光电二极管和硅光电三极管 温度特性 光电流均随温度而变化 由于暗电流的增加 使输出信噪比变差 不利于弱光信号的探测 若弱信号检测时要考虑温度的影响 要采取恒温或补偿措施 4 4硅光电二极管和硅光电三极管 3 其他类型的光电二极管制作PN结的材料 可以是同一种半导体中参杂突变形成的同质结 也可以是由两种不同的半导体材料接触形成的异质结 或金属与半导体结合形成的肖特基结 结 指一个单晶体内部根据杂质的种类和含量的不同而形成的接触区域 严格说是指其中的过渡区 结的种类很多 常见的有 PN结 PI结 NI结 P P结 N N结 4 4硅光电二极管和硅光电三极管 PIN型光电二极管P型 本征型及N型硅PIN光电二极管是常用的光电探测器 有较高的灵敏度 有高的反向击穿压 时间常数小 通常可在较高的反向偏压下工作 结电容小 响应速度快 对红外波长电有较好的响应 4 4硅光电二极管和硅光电三极管 雪崩型硅光电二极管 APD 雪崩型硅光电二极管是一种具有内增益的半导体光敏器件 处于反向偏置的PN结 其势垒区内有很强的电场 当光照射到PN结上时 便产生了光生载流子 光生载流子在这个强电场作用下 将加速运动 光生载流子在运动过程中 可能碰撞其它原子而产生大量新的二次电子 空穴对 它们在运动过程中也获得足够大的动能 又碰撞出大量新的二次电子 空穴对 这样下去象雪崩一样迅速地碰撞出大量电子和空穴 形成强大的电流 便形成倍增效应 4 4硅光电二极管和硅光电三极管 特点 电流增益大灵敏度高频率响应快不需要后续庞大的放大电路在微弱辐射信号的探测方面被广泛地应用 其缺点是工艺要求高 稳定性差 受温度影响大 4 4硅光电二极管和硅光电三极管 PIN型硅光电二极管高速光电二极管 响应时间达1nS 适用于遥控装置 雪崩式光电二极管具有高速响应和放大功能 高电流增益 可有效读取微弱光线 用于0 8 m范围的光纤通信 光磁盘受光元件装置 光电闸流晶体管 光激可控硅 由入射光线触发导通的可控硅元件 4 4硅光电二极管和硅光电三极管 达林顿光电三极管 光电复合晶体管 输入是光电三极管 输出是普通晶体管 增益大 I IgI1I2 光敏场效应晶体管具有灵敏度高 线性动态范围大 光谱响应范围宽 输出阻抗低 体积小等优点 广泛用于对微弱信号和紫外光的检测 半导体色敏传感器可直接测量从可见光到红外波段的单色辐射波长 4 4硅光电二极管和硅光电三极管 光电耦合器件 光耦 器件由发光元件和接收光敏元件 光敏电阻 光敏二极管 晶体管等 集成在一起 发光管辐射可见光或红外光 受光器件在光辐射作用下控制输出电流大小 通过电 光 光 电 两次转换进行输入输出耦合 4 4硅光电二极管和硅光电三极管 光耦 集成器件的特点 输入输出完全隔离 有独立的输入输出抗 器件有很强的抗干扰能力和隔离性能可避免振动 噪声干扰 特别适宜做数字电路开关信号传输 逻辑电路隔离器 计算机测量 控制系统中做无触点开关等 4 4硅光电二极管和硅光电三极管 光电开关透射式当不透明物质位于中间时会阻断光路 接受器产生相应的电信号 反射式光电开关的发射与接受器件光轴在同一平面上 以某一角度相交 交点处为待测点 当有物体经过待测点时 接受元件接收到物体表面反射的光线 光电开关结构与外形 4 4硅光电二极管和硅光电三极管 光电二极管的使用要点光电二极管将在交流小信号下工作 如果器件的响应速度跟不上光信号的变化 输出的光电流将随着调制频率的提高而减小 光电二极管的响应时间取决于光生载流子扩散到结区的时间 它们在势垒区中的漂移时间和势垒区电容引起的介电驰豫时间等三个因素 对于不同波长的光 器件的响应时间不同 4 4硅光电二极管和硅光电三极管 为了提高器件的响应速度 可采取如下措施 减小PN结面积 即选用光敏面积小的器件 适当增加工作电压 尽量减小分布电容 在电路设计中选用最佳的负载电阻RL 做到既不至于使输出信号的幅度过分降低 又能满足电路对时间常数的要求 4 4硅光电二极管和硅光电三极管 二 光电二极管的使用方式1 反偏法 1 当光强恒定或缓慢变化 4 4硅光电二极管和硅光电三极管 反偏运用的两个基本电路 4 4硅光电二极管和硅光电三极管 2 光强频率变化很高脉冲光可以看成一个恒定光和许多正弦调制光的叠加 输出的光信号电压亦是这些光分别产生的光电信号电压之和 由于二极管在反向偏压下的动态电阻远大于负载电阻 放大器的输入电阻通常也比大得多 4 4硅光电二极管和硅光电三极管 反偏运用对于检测微弱的恒定光是不利的 二极管的光电流与暗电流接近时 光电信号是难以