光伏探测器PPT演示课件

3.4半导体光伏型检测器件,1,一、光生伏特效应,光生伏特效应是光照使不均匀半导体或均匀半导体中光生电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象。这种现象称为光生伏特效应。如果光电导现象是半导体材料的体效应，那么光伏现象则是半导体材料的“结”效应。,2,1、PN结的光生伏特效应,3,2、PN结的工作状态,PN结的零偏状态,光照零偏p-n结产生光生载流子，少子在内电场的作用下，电子向N区漂移、使在N区的边界呈负极性，空穴向P区漂移，使在P区的边界呈正极性，此时产生开路电压，短路光电流。此为光电池的工作原理。,4,PN结反偏状态,光照反偏条件：当入射光波照射于反偏置PN结时，产生光生载流子，少子在增强的内电场的作用下，形成了大于反向饱和电流的光电流。此为光电二极管的工作原理。,5,3、常见的光伏探测器,利用半导体PN结光伏效应制成的器件称为光伏器件，也称结型光电器件。这类器件品种很多，其中包括各种光电池、光电二极管、光电晶体管、光电场效应管、PIN管、雪崩光电二极管、象限式光电器件、位置敏感探测器（PSD）光电耦合器件等。,6,二、光电池,光电池是根据光生伏特效应制成的直接把光能转变成电能的光电器件故称为光生伏特电池，简称光电池。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。按用途分为：太阳能光电池：直接将太阳能转换成电能测量光电池：将光信号转换成电信号按材料分为：硅光电池硒光电池砷化镓光电池锗光电池硫化镉光电池,7,目前最受重视的是硅光电池与硒光电池。硅光电池：价格便宜，光电转换效率高，光谱响应范围宽，寿命长，稳定性好，频率特性好，耐高温。硒光电池：价格便宜，它的光谱响应曲线和人眼的光谱光视效率曲线形状很相似，因此用在与人眼视觉有关的测试中。,8,硅光电池的用途大致可分为两类:(1)当作光电探测器件使用；(2)用作电源。作为光电探测器件，广泛用于近红外辐射探测器，光电读出，光电耦合，激光准直，光电开关以及电影还声等。这类应用要求光电池照度特性的线性度好。作为电源，广泛用作太阳能电池，作为人造卫星、野外灯塔、无人气象站、微波站等设备的电源使用。此类应用要求价廉，输出功率大。,9,1、光电池的结构原理,光照,扩散,由光照产生的电子和空穴在内电场的作用下才形成光生电动势和光电流。但光电池的光电效率非常低，最高也只能是百分之十几。,10,国产同质结硅光电池按照基底材料的不同，分为2DR与2CR型。,在地面上用作光电探测器的多为P+N型，即国产2CR型。N+P型硅光电池具有较强的抗辐射能力，适合空间应用，作为航天的太阳能电池，即国产2DR。,11,2、光电池的特性参数,（1）伏安特性（输出特性）PN结作光电池使用时，在有光照条件下，光电流与输出电压的关系。等效电路光电池等效为一个普通晶体二极管和一个恒流源（光电流源）的并联。,12,符号,连接电路,其中：,13,当时,光电池短路时，短路电流等于光电流，与入射光照呈线性关系。,当时,光电池开路时，开路电压与光照之间成对数关系，它随光照度的增加而增加的很小。如，则,14,一般而言，约为0.450.6V,电流密度约为150300A/m2。在实际工作中，两者是通过测量获得，当光电池在一定光照下，使其两端开路，用高内阻的直流毫伏表或电位差计接在其两端，测出，用低电阻电流表短接，其示值为。,15,（2）光照特性,光电池的光照特性是指光生电动势、光电流与照度之间的关系。,硅光电池光照特性,硅光电池光照特性与负载电阻关系,16,负载RL上的输出电功率与入射光功率之比：,光电池光照特性：1、Voc与光照E成对数关系；典型值在0.45-0.6V。作电源时，转化效率10%左右，最大15.5-20%。2、Isc与E成线性关系，常用于光电池检测，Isc典型值35-45mA/cm2。3、RL越小，I线性度越好，线性范围越宽。,17,光电池的伏安特性决定负载电阻的选取,18,（3）光谱特性,光电池的光谱特性主要取决于所用的材料与制作工艺（如结的深浅），也与使用温度有关。硅光电池光谱响应范围0.4-1.1，峰值波长0.8-0.9，硒光电池光谱响应范围0.34-0.75，峰值波长0.54。,光电池的光谱响应特性曲线,硅蓝光电池的光谱响应曲线,19,（4）频率特性,当光照射光电池时，由于载流子在结区内扩散、漂移都要有一个时间过程，所以产生的光电流有滞后于光照变化的现象。,光电池的频率响应曲线,硅光电池频率特性与负载关系曲线,在交变光照射下，光电池的响应时间R=CRL，而结电容C与器件面积成正比，故要f较好，需选用小面积光电池。,20,（5）温度特性,光电池的温度特性曲线是描述开路电压与短路电流随温度变化的情况。当光电池接受强光照射时必须考虑工作温度。如硒光电池超过50C或硅光电池超过200C时，它们会因晶格被破坏而导致器件的破坏。,21,1、光敏二极管与普通二极管比较,共同点：都有一个PN结，具有单向导电性。不同点：光敏二极管受光面大，PN结面积更大，PN结深度较浅（提高光电转换能力）。表面有防反射的SiO2保护层。光敏二极管工作在负偏压。二极管一般工作在正向偏压。,三、光电二极管,22,2、光敏二极管与光电池相比,共同点：基本结构都是一个PN结不同点：结面积比光电池小，因而输出电流普遍比光电池小，一般为几A几十A。光电池衬底材料掺杂浓度高（5个数量级左右），因而光电池的电阻率低。光电池多工作在零偏，但光敏二极管更常在反偏压下工作（光导型、光伏型结合)。,23,工作状态：PN结反偏,24,3、光电二极管的结构和原理,按组成材料分：硅光电二极管、锗光电二极管、化合物型光电二极管按衬底材料的不同，硅光电二极管分为2CU和2DU两种系列。,25,光电二极管结构示意图,2DU管加环极的目的是为了减少暗电流和噪声。,2DU型光电二极管,26,光电二极管结构示意图,光电二极管电路符号,光电二极管等效电路,2CU型光电二极管,27,4、工作特性,A、光照特性,光电二极管的光照特性曲线,光照特性线性好，适用于检测,28,B、伏安特性,a、当不加反偏压时，与光电池相同的作用。,b、光生电流随外加反偏压的增大趋向饱和，此时，光电流大小仅取决与光照强度。,29,C、光谱特性,影响因素：表面层中的吸收与反射材料：禁带宽度设计工艺：PN结深度及表面处理,30,D、温度特性,温度特性是指光电二极管在偏压不变和照度不变的情况下，光电流和暗电流随温度的变化情况。,光电二极管受温度影响最大的是暗电流。因此，探测恒定光时，必须考虑温度的影响。,31,E、势垒区的厚度与电容势垒区的厚度越大，结电容就越小，从而二极管的频率响应特性越好。结电容还与结面积有关，结面积越小，电容越小。,32,F、频率特性硅光电二极管的频率特性是半导体光电器件中最好的一种，适宜于快速变化的光电信号探测。,实际电路,33,光敏二极管的频率响应，主要由载流子的渡越时间和RC时间常数决定。,34,要提高频率响应必须做到以下几点：1、合理的结面积（小的结面积可使Cj减小，但相同光照下，光电流也较小）；2、尽可能大的耗尽层厚度；3、适当加大使用电压；4、减小结构所造成的分布电容。,35,G、噪声特性由于光电二极管常常用于微弱光信号的探测，因此了解它的噪声性能是十分必要的。,对高频应用，两个主要的噪声源是散粒噪声,和电阻热噪声,36,5、光敏二极管的类型（1）点接触光敏二极管,特点：光敏面很小，势垒电容很小，时间响应快，频率特性很好。,37,5、光敏二极管的类型（2）扩散型PN结光敏二极管,结构：耗尽层厚度比结的任何一边的扩散长度都要小，它的工作区主要是结两边的扩散区。特点：产生复合噪声大，频率响应特性差。,38,（3）耗尽层型光敏二极管,结构：势垒为金属和半导体构成的肖特基势垒，耗尽区比结的任一边的扩散长度大，光电转换区域主要在耗尽层内。特点：响应时间短，频率响应高，灵敏度高。,缺点：金属面为入射面，金属反射率高，所以必须涂一层抗反射层。,39,（4）异质结光敏二极管,结构：带隙不同的两种半导体材料做成异质PN结，通常以Eg较大的材料作为光敏面。特点：具有滤波作用，可作窄带自滤波探测器。另外背景噪声低，量子效率高。,40,四、PIN硅光电二极管,PIN管的结构特点：在P型层和N型层之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。,41,优点：（1）使PN结的结间距拉大，结电容变小，频带宽，可达10GHz，提高了频率响应，响应时间110ns，最高可达0.1ns。（2）由于内间电场集中于本征层，使耗尽层厚度增加，增大了对光的吸收和光电转换，提高了转换效率。,42,五、雪崩光电二极管(APD),雪崩光电二极管是借助强电场作用产生载流子倍增效应(即雪崩倍增效应)的一种高速光电器件。,由于存在因碰撞电离引起的内增益机理，雪崩管具有高的增益和极快的时间响应特性。,43,雪崩倍增效应：在光电二极管的p-n结上加一相当高的反向偏压，使结区产生一个很强的电场，当光激发的载流子进入结区后，在强电场的加速下获得很大的能量，与晶格原子碰撞而使晶格原子发生电离，产生新的电子-空穴对，新产生的电子-空穴对在向电极运动过程中又获得足够能量，再次与晶格原子碰撞，又产生新的电子-空穴对，这一过程不断重复，使p-n结内电流急剧倍增。,44,雪崩型光电二极管的光电流倍增系数即内增益（倍增因子）定义为：倍增光电流与不发生倍增效应时的光电流之比。即,为调整参数，它与半导体材料、器件结构和入射光波长。,45,雪崩型光电二极管的特点：,1、管子工作电压很高，约100200V，接近于反向击穿电压。产生很高的内增益，灵敏度高，适于弱光检测。2、当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生所谓的自持雪崩。3、管子响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光电二极管。4、噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。,46,六、光伏探测器使用要点,1）光伏探测器加电压使用时，光电结必须加反向电压，即P端与外电源的低电位相接。2）使用时对入射光强范围的选择应视用途而定。用于开关电路或逻辑电路时光照可以强些。用于模拟量测量时，光照不宜过强。因为光照弱些，负载电阻小些，加反偏压使用时，光电线性好，反之则差。,47,3）结型器件的响应速度都很快。4）器件的各种参量差不多都与温度有关，但其中受温度影响最大的是暗电流。除了温度变化，背景光、光反馈、电、磁场干扰可引起电路发生误动作，应设法消除。,48,特殊检测器件,49,一、象限探测器,象限探测器可以用来确定光点在二维平面上的位置坐标，用于准直、定位等方面，它是利用集成电路光刻技术，将一个圆形或方形的光敏面窗口分隔成几个面积相等、形状相同、位置对称的区域，每一个区域相当于一个光电器件。,50,四象限探测器通常由四个光电池排列形成直角坐标制作在共同的衬底上，彼此电绝缘有单独的信号输出端，其输出与光通量成正比。可以用来测量光斑的亮度中心。,四象限探测器,圆形四象限探测器,方形四象限探测器,51,四象限探测器的光电定向实验,52,二、楔型检测器件,用于光学功率谱探测的阵列光电检测器件,53,2、波长的光辐射入射到量子效率的光探测器上，当入射的平均光功率为1mW、10mW时，光探测的输出的光电流是多少？,作业：1、一光电探测器，其噪声等效功率，光敏面积，测量带宽，试计算此光探测器的探测率D和归一化探测度D*,3、某一干涉测振仪的最高频率为20MHz，选用探测器的时间常数应小于多少？,5