光电子技术第4章-光辐射的探测技术ppt课件

精选,1,1,第4章光辐射的探测技术,4.1光探测器的物理效应4.2光探测器的性能参数4.3光探测器的噪声4.4光电导探测器光敏电阻4.5pn结光伏探测器的工作模式4.6硅光电池太阳电池4.7硅光电二极管4.8光热探测器4.9直接探测系统的性能分析4.10光频外差探测的基本原理,精选,2,2,第4章光辐射的探测技术4.1光电探测器的物理效应,光探测器：能把光辐射量转换成另一种便于测量的物理量的器件。,光电探测器：把光辐射量转换为电量（电流或电压）的光探测器。,光电探测器的物理效应：光子效应、光热效应、光压效应等。,精选,3,3,第4章光辐射的探测技术4.1光电探测器的物理效应,1.光子效应和光热效应,光子效应概念特点：频率选择性、响应速度快,分类,精选,4,4,第4章光辐射的探测技术4.1光电探测器的物理效应,1.光子效应和光热效应,光热效应概念特点：对光波频率的选择性相对较小；响应速度一般比较慢；容易受环境温度变化的影响。,分类,精选,5,5,第4章光辐射的探测技术4.1光电探测器的物理效应,2.光电发射效应,概念：光电发射效应光电发射体光阴极,爱因斯坦方程：,光电发射效应发生的条件：,或,由,产生光电发射的入射光波的截止波长：,精选,6,6,第4章光辐射的探测技术4.1光电探测器的物理效应,3.光电导效应,光电导效应,半导体材料的电导,半导体和金属的导电机构,在热平衡下,无论何种半导体材料，下式一定成立，即,在外电场E作用下，载流子产生漂移运动，形成电流。,漂移速度v和电场E之比定义为载流子迁移率，即,载流子的漂移运动效果用半导体的电导率描述:,半导体材料的电导,迁移率的物理意义是载流子在单位电场中的迁移速度。,半导体的电导：,电阻：,精选,8,8,第4章光辐射的探测技术4.1光电探测器的物理效应,3.光电导效应,光电导产生原理；条件；长波限；,光电导效应的原理和电流增益,对本征情况，若光辐射每秒产生电子-空穴对N,半导体的电导：,电导率:,光生载流子(非平衡载流子):,eN表示光辐射每秒钟激发的电荷量；由于G的增量将使外回路电流产生增量i，即,光电导体的电流增益,以N型半导体为例：,光电导效应的原理和电流增益,渡越时间、意义,精选,10,10,第4章光辐射的探测技术4.1光电探测器的物理效应,4.光伏效应,光导现象是半导体材料的体效应；光伏现象是半导体材料的“结”效应。,pn结的零偏状态；,pn结的正向偏置；,pn结的反向偏置；,pn结的伏安特性：,零偏状态下pn结的结电阻：,Pn结在无光照射时的情况,精选,11,11,第4章光辐射的探测技术4.1光电探测器的物理效应,4.光伏效应,如光照p区，激发出光生电子-空穴对，由于p区的多数载流子是空穴，光照前热平衡空穴浓度本来就比较大。因此光生空穴对p区空穴浓度影响很小，但光生电子对p区的电子浓度影响很大，从p区表面（吸收光能多、光生电子多）向区内自然形成电子扩散趋势。如果p区的厚度小于电子扩散长度，那么大部分光生电子都能扩散进pn结，一进入pn结，就被内电场扫向n区。这样，光生电子空穴对就被内电场分离开来，空穴留在p区，电子通过扩散流向n区。这时用电压表就能量出p区正、n区负的开路电压u0，称为光生伏特效应。如果用一个理想电流表接通Pn结则有电流ic通过，称为短路光电流。显然,光照pn结产生电压的效应，称为光伏效应。,Pn结在零偏状态但有光照射的情况,精选,12,12,第4章光辐射的探测技术4.1光电探测器的物理效应,4.光伏效应,如光照p区，激发出光生电子-空穴对，由于p区的多数载流子是空穴，光照前热平衡空穴浓度本来就比较大。因此光生空穴对p区空穴浓度影响很小，但光生电子对p区的电子浓度影响很大，从p区表面（吸收光能多、光生电子多）向区内自然形成电子扩散趋势。如果p区的厚度小于电子扩散长度，那么大部分光生电子都能扩散进pn结，一进人pn结，就被内电场扫向n区。这样，光生电子空穴对就被内电场分离开来，空穴留在p区，电子通过扩散流向n区。这时用电压表就能量出p区正、n区负的开路电压u0，称为光生伏特效应。如果用一个理想电流表接通Pn结则有电流ic通过，称为短路光电流。显然,光照pn结产生电压的效应，称为光伏效应。,Pn结在偏置状态且有光照射的情况,精选,13,13,第4章光辐射的探测技术4.1光电探测器的物理效应,5.温差电效应,将两种不同材料的导体一端连接在一起，而将另一端分开与外电路连接，如果把连接的这一端与另一个吸收红外线的小黑体接在一起，则当这个小黑体吸收红外线加热连接的那一端时，在分开的那一端将产生温差电动势，电动势的大小与入射的红外辐射能量存在一个确定的关系，按照这种原理制成的红外探测器叫温差热电堆探测器。这种探测器响应波长范围较宽，灵敏度较高，但不易在灵敏度较高的同时大规模集成，且热响应时间过长，约需3050毫秒。,精选,14,14,精选,15,15,第4章光辐射的探测技术4.1光电探测器的物理效应,6.热释电效应,部分晶体沿某一特定的方向切割成薄片，两表面涂上电极制成一个平板电容器以后，当晶体温度发生变化时，电容器两端产生电压。如果将该电容器接上负载电阻，则输出电流满足经验公式：其中Ae为极板面积，T为晶体温度，p为一个与材料性质有关的常数。上述效应就是热释电效应，根据热释电效应设计的热敏型探测器就是热释电探测器。热释电材料可分为三类：单晶热释电晶体、陶瓷热释电晶体、薄膜热释电晶体。热释电探测器是目前热探测器内的佼佼者，与光子探测器相比，它有光谱响应宽及室温工作的特点，从紫外到亚毫米波段其光谱响应几乎不变，因而有很好的前景。,精选,17,17,第4章光辐射的探测技术4.1光电探测器的物理效应,7.光电转换定律,由基本物理观点，i应该正比于P：,探测器的光电转换因子,探测器的量子效率。,光电转换定律,光电转换定律的说明：(1)一个光子探测器可视为一个电流源。(2)因为光功率P正比于光电场的平方故常常把光电探测器称为平方律探测器。或者说，光电探测器本质上是一个非线性器件。,精选,18,18,第4章光辐射的探测技术4.2光电探测器的性能参数,精选,19,19,第4章光辐射的探测技术4.2光电探测器的性能参数,光电探测器和其他器件一样，有一套根据实际需要而制定的特性参数，它是在不断总结各种光电探测器的共同特征基础上而给以科学定义的，所以这一套性能参数科学地反映了各种探测器的共同因素。依据这套参数，人们就可以评价探测器性能的优劣，比较不同探测器之间的差异，从而达到根据需要合理选择和正确使用光电探测器的目的。显然，了解各种性能参数的物理意义是十分重要的。,精选,20,20,第4章光辐射的探测技术4.2光电探测器的性能参数,1.积分灵敏度R,探测器的光电特性：光电流i（或光电压u）和入射光功率P之间的关系。,灵敏度R：也常称为响应度，它是光电探测器光电转换特性的量度，定义为探测器的光电特性曲线的斜率。,电流灵敏度,电压灵敏度,积分灵敏度,精选,21,21,第4章光辐射的探测技术4.2光电探测器的性能参数,2.光谱灵敏度R,光谱灵敏度,电流灵敏度,精选,22,22,第4章光辐射的探测技术4.2光电探测器的性能参数,2.光谱灵敏度R,光谱灵敏度,无选择性探测器,选择性探测器,相对光谱灵敏度,器件的光谱灵敏度主要取决于材料、结构、环境等因素。,光谱利用系数,，光谱功率密度函数,光谱灵敏度曲线,精选,23,23,第4章光辐射的探测技术4.2光电探测器的性能参数,3.频率灵敏度Rf,光电流if随调制频率f的升高而下降，这时的灵敏度称为频率灵敏度Rf，定义为,if是光电流时变函数的傅里叶变换，通常,探测器的响应时间或时间常数，由材料、结构和外电路决定,探测器的频率特性截止响应频率,综上所述，光电流是两端电压u，光功率P，光波长，光强调制频率f的函数，即,频率特性曲线；,光谱特性曲线；,光电特性曲线；,伏安特性曲线；,精选,24,24,第4章光辐射的探测技术4.2光电探测器的性能参数,4.量子效率,量子效率与灵敏度的关系,电流灵敏度,光谱量子效率,精选,25,25,第4章光辐射的探测技术4.2光电探测器的性能参数,5.通量阈Pth和噪声等效功率NEP,暗电流或噪声电流,电流灵敏度,光电转换模型(如图),一个判据:通常认为，如果信号光功率产生的信号光电流is等于噪声电流in，那么就认为刚刚能探测到光信号存在。,通量阈:,探测器所能探测的最小光信号功率。,噪声等效功率NEP:单位信噪比时的信号光功率。,精选,26,26,第4章光辐射的探测技术4.2光电探测器的性能参数,6.归一化探测度D*,探测度D:,NEP小，探测器探测能力越高，不符合人们”越大越好”的习惯。,探测器光敏面积A和测量带宽f对D值影响大；,噪声等效功率NEP:单位信噪比时的信号光功率。,探调器的噪声功率：,归一化探测度D:,精选,27,27,第4章光辐射的探测技术4.2光电探测器的性能参数,7.其它参数,光电探测器还有其他一些特性参数，例如光敏面积，探测器电阻，电容等。正常使用时不允许超过指标，否则会影响探测器的正常工作，甚至使探测器损坏。通常规定了工作电压、电流、温度以及光照功率允许范围，使用时要特别加以注意。,精选,28,28,第4章光辐射的探测技术4.3光电探测器的噪声,噪声，光电探测器的噪声,1.噪声概念,噪声的分类：人为噪声、自然干扰、物理系统内部的起伏干扰,有形噪声,无规则噪声,起伏噪声对有用信号的影响,入射光强减弱,噪声是探测器所固有的不可避免的现象。实现微弱光信号的探测，就是从噪声中如何提取信号的问题，这是当今信息探测理论研究的中心课题之一。,精选,29,29,第4章光辐射的探测技术4.3光电探测器的噪声,2.噪声描述,噪声无法用预先确知的时间函数来描述；,噪声本身是统计独立的；平均值的统计特点；均方根噪声电压。,总的噪声功率等于各种独立的噪声功率之和：,因此把探测器输出的均方根噪声电压（电流）称为探测器的噪声电压（电流）。,精选,30,30,第4章光辐射的探测技术4.3光电探测器的噪声,3.光电探测器的噪声,依据噪声产生的物理原因，光电探测器的噪声可大致分为散粒噪声、热噪声、低频噪声、辐射噪声等几类。,精选,31,第4章光辐射的探测技术4.3光电探测器的噪声,3.光电探测器的噪声,散粒噪声,散粒噪声存在于任何光电探测器；暗电流、背景电流和信号光电流都包含散粒噪声；散粒噪声是一种白噪声；,光电探测器的光电转换过程是一个光电子计数的随机过程，光电转换定律是这一随机过程的统计平均结果由于电子电荷量e数量随机起伏而引起的噪声称为散粒噪声。,精选,32,32,第4章光辐射的探测技术4.3光电探测器的噪声,3.光电探测器的噪声,从本质上讲，光电探测器的光电转换过程是一个光电子计数的随机过程，光电转换定律是这一随机过程的统计平均结果：,散粒噪声,式中i指流过探测器的平均电流，M是探测器内增益。于是，散粒噪声电流in或电压un为,暗电流、背景电流和信号光电流,暗电流噪声、背景噪声和信号光子噪声,由于电子电荷量e数量随机起伏而引起的噪声称为散粒噪声。可以证明，散粒噪声功率谱,精选,33,3.光电探测器的噪声,热噪声,第4章光辐射的探测技术4.3光电探测器的噪声,又称约翰逊(Johnson)噪声：它是温度为T的电阻R中电子的热运动引起的，表现为在电阻两端产生的起伏电压。产生原因：任何有电阻的材料都有热噪声。载流子处于不断的热运动之中，频繁地与物质的分子相碰撞，载流子的每一次自由运动都产生一个瞬时电流。特点：噪声随温度的增高而增加，所以又称为热噪声。约翰逊噪声在整个频率范围单位带宽内的大小是一样的，因而它是一种白噪声。,精选,34,34,3.光电探测器的噪声,热噪声,第4章光辐射的探测技术4.3光电探测器的噪声,又称约翰逊(Johnson)噪声：它是温度为T的电阻R中电子的热运动引起的，表现为在电阻两端产生的起伏电压。产生原因：任何有电阻的材料都有热噪声。载流子处于不断的热运动之中，频繁地与物质的分子相碰撞，载流子的每一次自由运动都产生一个瞬时电流。特点：在长的时间间隔看来，电流的总和必然等于0，但在短的时间间隔内，这些电流的随机起伏形成噪声电流，因载流子的均方速度与绝对温度成正比，噪声随温度的增高而增加，所以又称为热噪声。约翰逊噪声在整个频率范围单位带宽内的大小是一样的，因而它是一种白噪声。计算：1928年，Nyquist给出了约翰逊噪声电压V的表达式：,式中k为玻耳兹曼常数，T是像元的温度，R是像元的电阻，f为测量仪器或放大器的带宽。,精选,35,35,3.光电探测器的噪声,1/f噪声,第4章光辐射的探测技术4.3光电探测器的噪声,实验证明，低频噪声强烈地依赖于探测器表面的工艺状态（缺陷或不均匀）、电阻金属工艺、淀积技术、尺寸和电接触等决定的1/f噪声参数kf。,一般说，只要限制低频的调制频率不低于lkHz，这种噪声就可以防止。,又叫低频噪声，它与频率的关系是与1/f成正比。,精选,36,36,3.光电探测器的噪声,1/f噪声,第4章光辐射的探测技术4.3光电探测器的噪声,又叫低频噪声，它与频率的关系是与1/f成正比。实验证明，低频噪声强烈地依赖于探测器表面的工艺状态（缺陷或不均匀）、电阻金属工艺、淀积技术、尺寸和电接触等决定的1/f噪声参数kf。1/f的噪声的平均平方强度为：,式中A为与探测器有关的比例系数，i为流过探测器的总直流电流，2，1，于是,一般说，只要限制低频的调制频率不低于lkHz，这种噪声就可以防止。,精选,37,37,第4章光辐射的探测技术4.4光电探测器光敏电阻,分类：本征型光敏电阻室温可见光、近红外,非本征型光敏电阻低温中红外、远红外,优点：体积小、坚固耐用、价格低廉、光谱响应范围宽、可简单看做可变电阻。,原理：光电导效应,精选,38,38,第4章光辐射的探测技术4.4光电探测器光敏电阻,1.光电转换原理,以非本征N型材料为例，u表示外加偏置电压，L、W、H分别表示材料的尺寸，光功率P在x方向均匀入射。光电流i等于多少？,有效量子效率,电流内增益,精选,39,39,第4章光辐射的探测技术4.4光电探测器光敏电阻,1.光电转换原理,以非本征N型材料为例，u表示外加偏置电压，L、W、H分别表示材料的尺寸，光功率P在x方向均匀入射。光电流i等于多少？,有效量子效率,电流内增益,光电导探测器是一个具有电流内增益的探测器，内增益M的大小主要由探测器类型，外偏压u和结构尺寸L决定。,一个光电导探测器的实际结构。,精选,41,41,第4章光辐射的探测技术4.4光电探测器光敏电阻,2.工作特性,光敏电阻的性能可依据其光谱响应特性、照度伏安特性、频率响应和温度特性等来判别。依据这些特性，在实际应用中就可以有侧重、从而合理地选用光敏电阻。,频率特性曲线；,光谱特性曲线；,光电特性曲线；,伏安特性曲线；,精选,42,42,第4章光辐射的探测技术4.4光电探测器光敏电阻,2.工作特性,光谱响应特性通常用光谱响应曲线、光谱响应范围以及峰值响应波长描述。峰值波长取决于制造光敏电阻所用半导体材料的禁带宽度可由下式估算：,光谱响应特性,光敏电阻总是具有一定响应范围的光谱响应特性。,光敏电阻的光谱响应范围、峰值响应波长按某种特殊需要可进行一定程度的改善。,典型光谱响应特性曲线,精选,43,43,第4章光辐射的探测技术4.4光电探测器光敏电阻,2.工作特性,光敏电阻（在一定偏压U条件下）的光照特征呈非线性关系，即,光照特性,电压指数,照度指数,在低偏压弱光照条件下，通常可取,光电导灵敏度,精选,44,44,第4章光辐射的探测技术4.4光电探测器光敏电阻,2.工作特性,伏安特性,光敏电阻的伏安特性线性很好，说明在一定光照下阻值稳定，这是光敏电阻的主要优点。因此广泛地应用在自动化技术领域中。,精选,45,45,第4章光辐射的探测技术4.4光电探测器光敏电阻,2.工作特性,伏安特性曲线上的特征电阻,伏安特性,负载电阻,暗电阻,工作点点亮电阻,负载线,亮阻和暗阻之比越小光敏电阻的灵敏度越高,精选,46,46,第4章光辐射的探测技术4.4光电探测器光敏电阻,2.工作特性,伏安特性,匹配工作状态,当光照发生变化时,匹配工作状态,精选,47,47,第4章光辐射的探测技术4.4光电探测器光敏电阻,2.工作特性,在入射光功率在较大范围动态变化时，不可能始终保持最佳匹配状态。在入射光功率高频变化时，阻抗匹配还要考虑极间电容的影响。,极间电容Cd,电流增益系数M：,伏安特性,匹配工作状态,精选,48,48,第4章光辐射的探测技术4.4光电探测器光敏电阻,2.工作特性,偏置电压的选取,伏安特性,最大耗散功率,在阻抗匹配条件下,2.工作特性,时间响应特性,电流上升时间衰减时间CdS光敏电阻约几十毫秒到几秒；CdSe光敏电阻约10-210-3s；PbS光敏电阻约10-4s,光敏电阻的响应时间与入射光的照度、所加电压、负载电阻及照度变化前电阻所经历的时间（称为前历时间）等因素有关。一般来说，照度愈强，响应时间愈短；负载电阻愈大，tr愈短、tf延长；暗处放置时间愈长，响应时间也相应延长。实际应用中，尽量提高使用照明度，降低所加电压、施加适当偏置光照、使光敏电阻不是从完全暗状态开始受光照，都可以使光敏电阻的时间响应特性得到一定改善。,光敏电阻受光照后或被遮光后，回路电流并不立即增大或减小，而是有一响应时间。,2.工作特性,频率响应特性,2.工作特性,稳定特性,光敏电阻的阻值随温度的变化率与光电材料有密切的联系。温度在0+60的范围内时，光敏电阻的响应速度几乎不变；而在低温环境下，光敏电阻的响应速度变慢。例，-30时的响应时间约为+20时的两倍。光敏电阻的允许功耗，随着温度的升高而降低。,在温度变化大的情况下，应采取制冷措施，降低或控制光敏电阻的工作温度是提高光敏电阻稳定性的有效方法，尤其对长波长红外辐射的探测领域更为重要。,精选,52,52,第4章光辐射的探测技术4.4光电探测器光敏电阻,2.工作特性,噪声特性,光电导探测器的噪声主要是由三个噪声源所贡献的，它们是产生-复合噪声，热噪声和l/f噪声。总的方均噪声电流按照上节的讨论可写为,载流子寿命,探测器的等效电阻,热噪声也称Johnson噪声，存在于所有探测器。一个电阻器就是一个热噪声发生器。热平衡时，电阻元件中的电荷载流子的随机运动在元件两端产生的随机电压。当电阻温度上升时，电荷载流子的平均动能增加，则噪声电压增加。热噪声存在于所有半导体探测器,精选,53,53,第4章光辐射的探测技术4.4光电探测器光敏电阻,2.工作特性,噪声特性,光电导探测器的噪声主要是由三个噪声源所贡献的，它们是产生-复合噪声，热噪声和l/f噪声。总的方均噪声电流按照上节的讨论可写为,1/f噪声也称调制噪声或闪烁噪声,产生的物理机理尚不清楚。1/f噪声对低频段影响较大。,载流子寿命,探测器的等效电阻,精选,54,54,第4章光辐射的探测技术4.4光电探测器光敏电阻,2.工作特性,噪声特性,光电导探测器的噪声主要是由三个噪声源所贡献的，它们是产生-复合噪声，热噪声和l/f噪声。总的方均噪声电流按照上节的讨论可写为,产生复合噪声是敏感元件电荷载流子的产生率和复合率的统计起伏产生的噪声。这种起伏可以由载流子与光子相互作用或背景光子到达率的随机性而引起。如果背景光子起伏对产生复合率的起伏起主要贡献，那么这种噪声也称为光子噪声、辐射噪声或背景噪声。产生复合噪声存在于所有光子探测器。,载流子寿命,探测器的等效电阻,精选,55,55,第4章光辐射的探测技术4.4光电探测器光敏电阻,2.工作特性,噪声特性,光电导探测器的噪声主要是由三个噪声源所贡献的，它们是产生-复合噪声，热噪声和l/f噪声。总的方均噪声电流按照上节的讨论可写为,载流子寿命,探测器的等效电阻,精选,56,56,第4章光辐射的探测技术4.4光电探测器光敏电阻,3.几种典型的光敏电阻及应用,（1）CdS和CdSe探测器：这是两种低造价的可见光辐射探测器，它们的主要特点是高可靠和长寿命，因而广泛应用于自动化技术和摄影机中的光计量。这两种器件的光电导增益比较高（103104），但响应时间比较长（大约50ms）。（2）PbS探测器：一种性能优良的近红外辐射探测器，其波长响应范围在1um-3.4um，峰值响应波长为2um，内阻（暗阻）大约为1M，响应时间约200us，室温工作能提供较大的电压输出。广泛应用于遥感技术和武器红外制导技术。（3）Insb探测器：一种良好的近红外辐射探测器，它虽然也能在室温工作，但噪声较大。在77K下，噪声性能大大改善，峰值响应波长为5um，它和PbS探测器显著的不同在于：内阻低（大约50），而响应时间短（大约5010-9s），因而适用于快速红外信号探测。（4）HgxCd1-xTe探测器：一种化合物本征型光电导探测器，它是由HgTe和GdTe两种材料混在一起的固溶体，其禁带宽度随组分x呈线性变化，当x0.2时响应波长为8um14um，工作温度77K，用液氮致冷。,100时：m7.76m；400时：m4.30m；600时：m3.32m；1000时：m2.10m；1600时：m1.54m；,精选,57,57,第4章光辐射的探测技术4.4光电探测器光敏电阻,4.使用注意事项,(1)用于测光的光源光谱特性必须与光敏电阻的光敏特性匹配；(2)要防止光敏电阻受杂散光的影响；(3)要防止使光敏电阻的电参数（电压、功耗）超过允许值；(4)根据不同用途，选用不同特性的光敏电阻。一般说，用于数字信息传输时，选用亮电阻与暗电阻差别大的光敏电阻为宜，且尽量选用光照指数大的光敏电阻；用于模拟信息传输时，则以选用值小的光敏电阻为好，因为这种光敏电阻的线性特性好。,照度指数,精选,58,58,第4章光辐射的探测技术4.4光电探测器光敏电阻,光敏电阻的常用偏置电路,精选,59,59,光敏电阻的应用实例,照明灯的光电控制电路火焰探测报警器照相机电子快门,第4章光辐射的探测技术4.4光电探测器光敏电阻,1.照明灯的光电控制电路,2.火焰探测报警器,3.照相机电子快门,精选,63,63,1.光电转换原理,短路光电流,光伏探测器的内电流增益Mn等于1，这和光电导探测器明显不同。,第4章光辐射的探测技术4.5光电探测器pn结光伏探测器的工作模式,精选,64,64,2.光伏探测器的工作模式,光伏探测器的等效电路,光伏工作模式,光导工作模式,普通二极管的伏安特性为：,光伏探测器的总伏安特性为：,第4章光辐射的探测技术4.5光电探测器pn结光伏探测器的工作模式,精选,65,65,2.光伏探测器的工作模式,光伏探测器的伏安特性,第4章光辐射的探测技术4.5光电探测器pn结光伏探测器的工作模式,精选,66,66,第4章光辐射的探测技术4.6硅光电池太阳电池,光电池的结构、特点与应用,短路电流和开路电压,输出功率和最佳负载电阻,光谱、频率响应及温度特性,缓变化光电信号探测,交变光电信号探测,基本结构,面积大，有膜层，特殊电极,光电池种类：硅、锗、氧化亚铜、硫化镉、砷化镓,光电池的结构、特点与应用,精选,68,68,第4章光辐射的探测技术4.6硅光电池太阳电池,光电池按用途的分类：,作为电源：提供电源，要求转换效率高、成本低。具有结构简单、体积小、重量轻、可靠性高、寿命长、可在空间直接将太阳能转化成电能的特点。因而为航天工业及供电困难场所采用。,用于测量：光电探测，要求线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性高、寿命长等。常应用在光度、色度、光学精密计量和测试设备。,精选,70,70,1.短路电流和开路电压,第4章光辐射的探测技术4.6硅光电池太阳电池,短路:RL=0；u=0,电流轴，P=0；？开路:RL=；i=0,电压轴，P=0；？,短接时,开路电压,-,精选,71,71,2.输出功率和最佳负载电阻,第4章光辐射的探测技术4.6硅光电池太阳电池,输出功率,最佳负载电阻RM的定义和确定方法,光电池的转换效率：PmP是最大电输出功率与入射光功率的比值，定义为光电池的转换效率。,由,得,精选,72,72,2.输出功率和最佳负载电阻,第4章光辐射的探测技术4.6硅光电池太阳电池,输出功率曲线示意,光电池的输出功率变化特性,伏安特性曲线的分区特性,作图法求最大功率负载线,精选,73,73,3.光谱、频率响应及温度特性,第4章光辐射的探测技术4.6硅光电池太阳电池,精选,74,74,4.缓变光电信号探测,第4章光辐射的探测技术4.6硅光电池太阳电池,实际光照功率下的开路电压计算,设实际光功率为P,设产品手册中给定：在功率为P时光电池的开路电压为uOC，由,4.缓变光电信号探测,最佳负载电阻Rm的估算,4.缓变光电信号探测,保证光电池线性工作的RL的选择原则,I区(光电流区域),II区(光电压区域),电流输出,电压输出,注意不同区域以下方面的比较：输出信号类型及线性特征负载电阻大小应用范围,光电池电流输出情况下的变换电路举例,4.缓变光电信号探测,入射光,5.交变光信号探测,根据以前光电工作特性分析：,工作在II区,这种方式频率特性不好,工作在I区,1)电流输出状态,2)电压输出状态,直流工作线,交流负载线,静态或直流工作点,5.交变光信号探测,直流工作线,交流负载线,静态或直流工作点,负载电阻上的功率,最大功率条件：,5.交变光信号探测,直流工作线,交流负载线,静态或直流工作点,负载电阻上的功率,最大功率条件：,Gb的选择原则？,精选,81,81,6.使用要点,第4章光辐射的探测技术4.6硅光电池太阳电池,光电池受强光或聚焦光照射时，要采取散热措施。硒光电池、硅光电池的结温分别超过50、200时，它们的晶体结构就会被破坏，造成损坏。因此，通常硅光电池的使用温度不允许超过125。硅光电地由薄的硅片制成，极脆。固定不宜用压紧法，而应采用胶粘法，但不能用环氧树脂、502胶粘，而要用柔软、有弹性的胶合剂，如万能胶、蜂蜡等。硅光电池的引线很细，不能承受大的拉力，否则引线脱落。硅光电池表面常镀有一层增透膜，应避免接触硬物损伤薄膜。,4.7光电二极管,光电二极管和光电池的区别,掺杂浓度、受光面面积电阻率偏置方式光电流线性,Si光电二极管PIN光电二极管雪崩光电二极管（记为APD）肖特基势垒光电二极管HgCdTe光伏二极管光电三极管光电位置传感器（PSD）,种类：,精选,84,84,第4章光辐射的探测技术4.7光电二极管,4.7.1硅光电二极管,结构原理光谱响应特性和光电灵敏度光电变换的伏安特性分析(1)直流负载分析(2)缓变化光功率探测(3)交变光信号探测频率响应特性噪声特性,4.7.2PIN硅光电二极管,4.7.3雪崩光电二极管(APD),4.7.4光电三极管,4.7.X色敏光生伏特器件、光生伏特组合器件、光电位置敏感器件,精选,85,85,1.结构原理,第4章光辐射的探测技术4.7.1Si光电二极管,2CU系列,2DU系列,精选,86,86,第4章光辐射的探测技术4.7.1Si光电二极管,光电二极管的漏电流和相应噪声,1.结构原理,环极,加环极的目的,精选,87,87,第4章光辐射的探测技术4.7.1Si光电二极管,1.结构原理,精选,88,88,第4章光辐射的探测技术4.7.1Si光电二极管,封装形式,1.结构原理,精选,89,89,2.基本特性,第4章光辐射的探测技术4.7.1Si光电二极管,光照特性,光照特性是指光电二极管的光电流与照度之间的关系。光电二极管的光照特性的线性较好，但光电流较小(微安量级)，灵敏度较低。,精选,90,90,2.基本特性,第4章光辐射的探测技术4.7.1Si光电二极管,温度特性,硅光电二极管的光电流和暗电流均随温度的变化而变化。由于温度升高，暗电流增大，使输出信噪比变差，不利于弱光信号的探测。所以，在弱光信号检测时，要设法克服温度变化的影响。,精选,91,91,第4章光辐射的探测技术4.7.1Si光电二极管,光谱响应特性和光电灵敏度,Si光电二极管具有一定的光谱响应范围。常温下，Si材料的禁带宽度为1.12（eV），峰值波长约为0.9um，长波限约为1.1um，由于入射波长愈短，管芯表面的反射损失就愈大，从而使实际管芯吸收的能量愈少，这就产生了短波限问题。Si光电二极管的短波限约为0.4um。Si光电二极管的电流灵敏度主要决定于量子效率。在峰值波长0.9um条件下，50。电流灵敏度R0.4（A/W）。,光谱响应曲线,2.基本特性,精选,92,92,第4章光辐射的探测技术4.7.1Si光电二极管,伏安特性曲线，曲膝电压,3.光电变换的伏安特性分析,精选,93,93,第4章光辐射的探测技术4.7.1Si光电二极管,伏安特性曲线，曲膝电压,线性化处理伏安特性曲线,3.光电变换的伏安特性分析,精选,94,94,第4章光辐射的探测技术4.7.1Si光电二极管,伏安特性曲线，曲膝电压,线性化处理伏安特性曲线,负载工作曲线,内电导、临界电导、负载电导,直流负载线设计,慢变化光功率探测,交变光信号探测,3.光电变换的伏安特性分析,精选,95,95,第4章光辐射的探测技术4.7.1Si光电二极管,直流负载线设计,直流负载线设计，就是在反偏压V及入射光功率P条件下，如何设计负载电阻的问题。,3.光电变换的伏安特性分析,最小负载电导时,精选,96,96,第4章光辐射的探测技术4.7.1Si光电二极管,光电二极管的频率响应特性主要由三个因素决定：,光生载流子在耗尽层内的漂移时间,负载电阻RL、结电容Ci决定的电路时间常数,光生载流子在耗尽层附近的扩散时间,4.频率响应特性,5.噪声,光电二极管的噪声包含低频噪声、散粒噪声、热噪声。主要是散粒噪声。散粒噪声是由于电流在半导体内的散粒效应引起的。,暗电流、背景电流和信号光电流,因此散粒噪声为,由反向偏置的光电二极管电流与入射辐射的关系,再考虑负载电阻的热噪声，则,散粒噪声是电荷载体的粒子特性的结果。半导体内流动的DC电流通常被认为在每一时刻都是恒定的，但是任何电流都是由一个个的电子和空穴的运动所形成的。只有这些电荷载体所产生的电流的时间平均值才可以看做是恒定的电流。电荷载体数量的任何波动都会在那个时刻产生随机的电流，这就是散粒噪声,精选,99,99,第4章光辐射的探测技术4.7.2PIN硅光电二极管,I层是高电阻区,暗电流小,I层是高电场区,漂移运动快,耗尽层加宽,扩散过程缩短结电容减小有利于提高量子效率,提高了频率响应,精选,100,100,第4章光辐射的探测技术4.7.3雪崩光电二极管(APD),利用光生载流子在强电场内的定向运动产生雪崩效应。,结构特点：高纯度、高电阻率、均匀性好的材料；有保护环；偏压高，一般为几百伏。,精选,101,101,结构原理基本应用电路,第4章光辐射的探测技术4.7.4光电三极管,信号的解调,光辐射的解调,1.强度调制的解调2.振幅调制的解调3.频率及相位调制的解调,1.强度调制的解调,设调制信号为f(Q)，则调制后光波强度为：,设光电探测器的响应度为R（uA/uw），则光电流为：,或：,光电探测器的输出信号正比于调制信号。故对于强度调制，采用直接探测方式便可获得不失真的解调,对于振幅调制，可以采用直接