第三章结型光电器件ppt课件

.,1,第三章结型光电器件,.,2,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。,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、光可控硅、阵列式光电器件、象限式光电器件、位置敏感探测器、光电耦合器件等。,光伏探测器的工作特性要复杂一些。,通常有光电池和光电二极管之分，也就是说光伏探测器有着不同的工作模式。,因此在具体讨论光伏探测器的工作特性之前，首先必须弄清楚它的工作模式问题。,.,3,为了便于理解在后面将要引入的光伏探测器的等效电路，有必要先讨论一下光伏探测器的光电转换规律。,PN结光伏探测器的典型结构如图所示。,一、结型光电器件工作原理,为了说明光功率转换成光电流的关系，设想光伏探测器两端被短路，并用一理想电流表记录光照下流过回路的电流，该电流为短路光电流,.,4,（一）热平衡状态下的PN结,P型材料和N型材料紧密接触，在交界处就形成PN结,在热平衡条件下，PN结中净电流为零,如果有外加电压时结内平衡被破坏，此时流经PN结的电流方程？,ID与外加电压有关,当U=0时？,当U0时？,当U0，其大小反映光斑偏离程度；,光斑偏向P1区，则输出电压U0，其大小反映光斑偏离程度,存在缺点：,1、存在死区，光斑越小死区的影响越明显；,2、若光斑全在一个象限，输出电信号无法表示其精确位置,3、精度易受光强变化影响，分辨率不高,什么是死区？,.,43,2.PIN型光电二极管,1）普通PIN型光电二极管,PIN型光电二极管又称快速光电二极管，它的结构分三层。,PIN光电二极管的优点,PN结间距拉大，结电容变小；提高响应速度；,由于耗尽层变宽，从而展宽了光电转换的有效工作范围，提高了量子效率；,增加了吸收层厚度，改善了对长波光的吸收，提高了灵敏度，增大了长波响应率,可承受较高的反向偏压，使线性输出范围变宽。,缺点,由于I层的存在，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。,在P型半导体和N型半导体之间夹着较厚的本征半导体I层。,.,44,PSD包含有三层，上面为P层，下面为N层，中间为I层，它们全被制作在同一硅片上，P层既是光敏层，也是一个均匀的电阻层。,2）光电位置传感器(PSD),光电位置传感器是一种对入射到光敏面上的光点位置敏感的PIN型光电二极管，面积较大，其输出信号与光点在光敏面上的位置有关。一般称为PSD。,P层,I层,N层,PSD是利用离子注入技术制成的一种可确定光的能量中心位置的结型光电器件，有一维的和二维的两种。,.,45,由于P层的电阻是均匀的，由两极输出的电流分别与光点到两电极的距离成反比。,光射到PSD的光敏面上时，在入射位置表面下就产生与光强成比例的电荷，此电荷通过P层向电极流动形成光电流。,设两电极间距离为2L，经电极和电极输出的光电流分别为I1和I2，电极输出的电流为I0,(1).PSD器件的工作原理,I0=I1+I2,若以PSD的中心点为原点建立坐标系(坐标轴)，设光点离中心点的距离为xA，于是有：,.,46,一般PSD分为两类：一维PSD和二维PSD。一维PSD主要用来测量光点在一维方向的位置，二维PSD用来测定光点在平面上的坐标(x,y)，,（a）一维PSD,(2).光电位置传感器(PSD)的分类,入射光点位于A点的坐标位置：,和为信号电极，为公共电极,RD定位电阻,一维PSD感光面大多做成细长矩形,S1543的结构,.,47,雪崩倍增效应:当在光电二极管上加（100-200V）反向偏压时，在结区产生一个很强的电场。结区的光生载流子受强电场的加速获得很大的能量，与原子碰撞时可使原子电离，新生的电子-空穴对在向电极运动过程中又获得足够能量，再次与原子碰撞，又产生新的电子-空穴对。这一过程不断重复，使PN结内电流急剧增加，,雪崩光电二极管有以下特征：1）灵敏度很高:电流增益可达102103；2）响应速度快:响应时间只有0.5ns，响应频率可达100GHz；3）噪声等效功率很小:约为10-15W。4）反偏压高,可达200V,接近于反向击穿电压。广泛用于光纤通讯、弱信号检测、激光测距等领域。,3.雪崩光电二极管(APD),雪崩光电二极管是借助强电场产生载流子倍增效应工作的一种高速光电二极管。,雪崩倍增效应,.,48,从图可见：在同一块硅片上制造两个深浅不同的PN结。,光谱响应特性,浅结,深结,4.半导体色敏器件,半导体色敏器件是根据人眼视觉的三色原理，利用不同结深的光电二极管对各种波长的光谱响应率不同的现象制成的。,（1）半导体色敏器件的工作原理,半导体色敏器件的结构示意图和等效电路。,PD1为深结:对长波长的光响应率高；PD2为浅结:对波长短的光响应率高。又称为双结光电二极管。,.,49,最后得到不同颜色的输出电压值：,根据双结光电二极管等效电路，为求出两短路电流和电压之间的关系，可利用下面的处理电路,(2).双结硅色敏器件的检测电路,图中PD1、PD2为两个深浅不同的硅PN结,?,根据虚短和虚断的概念,双结等效电路,.,50,当用双结光电二极管测量颜色时，先测出两个光电二极管的短路电流比的对数值与入射光波长的关系,由图知:每一种波长的光都对应于一短路电流比值。,就可以得到输出电压Uo与入射波长之间的关系,只要测出处理电路的输出电压，就可利用这条曲线快速地确定出被测光的波长以达到识别颜色的目的。,双结光电二极管只能用于确定单色光的波长，对于混合色光，它是无能为力的,那么，如何根据短路电流的比值来判别入射光的颜色？,.,51,根据色度学理论，已经研制出可以识别混合色光的三色色敏器件,在同一块非晶体硅基片上制作三个深浅不同的PN结，并分别配上红、绿、蓝三块滤色片而构成一个整体得到近似于1931CIE-RGB系统光谱三刺激值曲线.,通过R、G、B三个不同结输出电流的大小比较识别各种物体颜色。,半导体色敏器件具有结构简单、体积小、成本低等特点，被广泛用于与颜色鉴别有关的各个领域中。,.,52,色标传感器的用途,现代化工业生产中，颜色检测和颜色识别等的应用越来越多。例如，在包装生产中机器要确定哪种产品放在什么颜色的包装中、如何保证产品的正面朝向包装盒的玻璃纸窗口等等。色标传感器常用于检测特定色标或物体上的斑点，它是通过与非色标区相比较来实现色标检测，而不是直接测量颜色。,各种色标传感器外形,色标传感器能识别红、绿、蓝等颜色,.,53,色标传感器外形（2）,.,54,色标传感器在流水线上检测产品的颜色,.,55,用多个色标传感器测量薄板的颜色,.,56,产品包装色彩检测、分选,.,57,5.光电开关与光电耦合器,光电开关和光电耦合器都是由发光端和受光端组成的组合件。,光电开关不封闭，发光端与受光端之间可以插入调制板。,光电耦合器则是把发光元件与受光元件都封闭在一个不透光的管壳内。,光电开关多用于光电计数、报警、安全保护、无接触开关，及各种光电控制等方面。,光电耦合器多用于电位隔离、电平匹配、抗干扰电路、逻辑电路、模/数转换、长线传输、过流保护，及高压控制等方面。,发光端与受光端彼此独立，完全没有电之间的联系，两端之间的电阻一般都在1011以上。,.,58,6光伏探测器使用要点,1）极性结型器件都有确定的极性，如要加电压使用时，光电结必须加反向电压；,2）使用时对入射光强范围的选择应视用途而定；,3）用于开关电路或逻辑电路时光照可以强些；,4）用于模拟量测量时，光照不宜过强；,5）因为一般器件都有这样的性质：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。,6）灵敏度主要决定于器件，但也与使用条件和方法有关，例如，光源和接收器在光谱特性上是否匹配；入射光的方向与器件光敏面法线是否一致等。,.,59,7）结型器件的响应速度都很快，它主要决定于负载电阻和结电容所构成的时间常数。负载电阻大，输出电压可以大，但响应变慢；负载电阻小，输出电压减小，但响应速度变快；,8）灵敏度与频带宽度之积为一常数的结论，对结型光电器件也适用；,9）器件的各种参量几乎都与温度有关，受温度影响最大的是暗电流。暗电流大的器件使电路工作不稳定，同时噪声也大；,10）除了温度变化以及电、磁场干扰可引起电路发生误动作外，背景光或光反馈也是引起电路误动作的重要因素，应设法消除。,.,60,思考题,1.硅光电池的开路电压,为什么随温