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第04章光伏探测器 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 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 PINPD 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 5 10 9s 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 4PIN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 SolarCells 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 光谱特性 4 2常用光伏探测器 普通型 短波长响应型 4 2 1硅光电池 频率特性 数十kHz原因 温度特性 开路电压 负温度系数短路电流 正温度系数 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4 2和表4 1 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4 3和表4 2 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 4PIN光电二极管 结构 PINPhotodiode 简称PINPD 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 PIN光电二极管工作原理 4 2常用光伏探测器 4 2 4PIN光电二极管 PINPhotodiode 简称PINPD 美国AT T贝尔实验室 带微谐振腔的InP InGaAs光电二极管 同时获得了高量子效率和大的带宽 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 150 m 峰值波长1 48 m 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 AvalanchePhotodiode 简称APD 内增益 M1 M 1 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 102 103 高反压 100 200V 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 102 103 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 雪崩光电二极管工作原理 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 AvalanchePhotodiode 简称APD APD内增益 102 103 3 噪声特性 4 响应时间 0 05 2 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 PINPD 10 14W Hz1 2 APD 10 15W Hz1 2 Si PD 10 13W Hz1 2PMT 10 16W Hz1 2 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 4PIN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 对应于不同颜色波长的输出电压值 UT kT e 室温条件下 UT 26mV 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 2 4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 PositionSensitiveDetectors 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 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 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 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 0 10 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 RL 1M 光电池处于接近开路状态 光照 输出电压从0跳跃到0 45 0 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 1 f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信号的电路分析方法将在第十章介绍 4 4 3反向偏置电路 2 反偏光电二极管的跨