第4章-光生伏特检测器.ppt

第4章光生伏特检测器,光电二极管及其实训项目光电池及其实训项目光电三极管及其实训项目光伏探测器组合器件及其实训项目,利用半导体PN结光生伏特效应制成的器件称为光生伏特器件(简称光生伏器件)，也称结型光电器件。这类器件品很多，其中包括各种光电池、光电二极管、光电三极管、光电PIN管、雪崩光电二极管、位置敏感探测器（PSD）等。光生伏特效应与光导效应同属于内光电效应，然而两者的导电机理相差很大，光生伏特效应是少数载流子导电的光电效应，而光电导效应是多数载流子导电的光电效应。这就使得光生伏特器件在许多性能上与光电导器件有很大差别。光生伏特器件的暗电流小、噪声低、响应速度快、光电特性的线性以及受温度影响小等特点是光电导器件所无法比拟的，而光电导器件对微弱辐射的探测能力和光谱响应范围又是光生伏特器件所不能比的。,1.光伏探测器的工作模式,2.光伏探测器的伏安特性,4.1光电二极管,【任务要求】通过对光电二极管理论知识的学习，掌握光电二极管的基本知识和特性参数。,4.1.1光电二极管的认识,光电二极管（Photo-Diode）和普通二极管一样，也是由一个PN结组成的半导体器件，具有单向导电性。但在电路中它不是作整流元件，而是把光信号转换成电信号的光电传感器件。,1.光电二极管的结构光电二极管从结型来分，有4种类型：即P-N结型（也称PD）、PIN结型、雪崩型和肖特基结型。国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和2DU两种系列。,2.光电二极管的工作原理（1）光伏模式（2）光电导模式（3）其他工作模式,3.几种特殊的光电二极管（1）PIN光电二极管：在P型半导体和N型半导体之间夹着一层相对很厚的本征半导体I层，降低了暗电流，从而使灵敏度得以提高。（2）雪崩光电二极管（APD）：利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种光电二极管。其原理类似于光电倍增管。这种管子工作电压很高，100200V，接近于反向击穿电压。（3）肖特基势垒光电二极管：肖特基势垒光电二极管又称金属半导体光电二极管，其势垒不再是P-N结，而是金属和半导体接触形成的阻挡层，即肖特基势垒。（4）红外光电二极管：又叫红外接收二极管，它能很好地接收红外发光二极管发射的波长为940nm的红外光信号，而对于其他波长的光线则不能接收，因而保证了接收的准确性和灵敏度。,4.1.2光电二极管的特性参数,1.暗电流ID在无光照时，光电二极管加一定反向电压时产生的电流，通常在50V反压下的暗电流小于100nA。2.光电流IP在受到一定光照和一定反压条件下，流过管子的电流为光电流。一般光电流为微安级，并且与照度成线性关系。3.光照特性光电二极管的光电流会随光照强度的变化而变化。,2020/5/29,4.伏安特性无光照时，它的特性与一般二极管一样。受光照后，它的特性曲线沿着电流轴向下平移，平移的幅度与光照强度成正比例。特性曲线在第三象限时，表明了管子在加有反向电压并受光照时的反向特性。5.时间响应特性即当入射辐射到光电探测器后或者入射辐射被遮断后，光电探测器的输出升到稳定值或下降到照射前的值所需的时间称为响应时间。6.光谱特性光电二极管的电流灵敏度与入射波长的关系称为光电二极管的光谱特性，亦称为光谱响应。,2020/5/29,4.2光电二极管的实训项目,【任务要求】通过不同的实训项目，进一步加强学生对光电二极管的认知，提高学生的实践能力和光电二极管电路的分析能力。,2020/5/29,4.2.1实训一光电二极管的检测,【实训目的】1.会正确使用仪器仪表检测光电二极管；2.掌握光电二极管的检测方法。【实训器材】光电二极管、万用表、25W白炽灯（或其他光源）【实训内容及步骤】,2020/5/29,2020/5/29,4.2.2实训二光电二极管的特性测试,【实训目的】1.会正确使用仪器仪表检测光电二极管的特性参数；2.掌握光电二极管特性参数的检测方法。【实训器材】光电二极管、光源组件、照度计、电流表、电压表、电阻箱【实训内容及步骤】,2020/5/29,1.光电二极管暗电流测试2.光电二极管光电流测试3.光电二极管光照特性,2020/5/29,4.光电二极管伏安特性5.光电二极管时间响应特性测试6.光电二极管光谱特性测试,2020/5/29,4.2.3实训三光电二极管电路分析光控节能灯,【实训目的】1.会正确分析光电二极管的电路；2.会设计简单的光电二极管电路。【实训器材】多媒体、光控节能灯电路【实训内容】,2020/5/29,该电路是采用JEC-2多功能集成电路制作的光控节能路灯，JEC-2射极耦合触发器又称多功能触发器，它实际上是一个三级反相器的连接电路。该电路可以实现的功能为：天黑后，能自动启动路灯进行照明；天变亮时，又可自动停止工作。,2020/5/29,【思考】1.详细解释电位器W在电路中的作用，它对光电二极管VD有什么影响。2.普通二极管VD1在电路中的作用。3.二极管DW在电路中的作用。4.二极管VD2、VD3在电路中的作用。5.分析图4-21所示的防盗报警器电路（其中KD-9561型四声模拟报警音响集成块）。,2020/5/29,2020/5/29,4.3光电池,【任务要求】通过对光电池理论知识的学习，掌握光电池的基本知识和特性参数。光电池是一种在光的照射下产生电动势的半导体元件，又称光伏电池。由于光电池常常用于把太阳能直接变成电能，因此又称为太阳能电池。光电池发电的原理主要是基于半导体内光电效应的光生伏特效应。,目前已进行研究和试制的太阳能电池，除硅系列外，还有硒光电池、锗光电池、硅光电池、和硫化镉、砷化镓、碘化铟光电池等，主要用于仪表，自动化遥测和遥控等方面。目前应用最广、最受重视的是硅光电池。硅光电池的价格便宜、光电转换效率高（最大的转换效率如今可达18%）、光谱响应宽（很适合近红外探测）、寿命长、稳定性好、频率特性好且能耐高能辐射。,4.3.1光电池的认识,1.硅光电池的基本结构从结构上分，国产硅光电池主要有两种系列：2DR型和2CR型。,2.硅光电池的工作原理光电池是基于光生伏特效应制成的。当光照到光电池的PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，光生电子空穴对的扩散运动使电子通过漂移运动被拉到N型区，空穴留在P区，所以在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。,3.硅光电池的分类（1）单晶硅光电池（2）多晶硅光电池（3）非晶硅光电池,4.硅光电池的使用注意事项1)不能受机械损伤，一旦电池破碎就无法再使用了。2)不能受潮，也不能沾油污，否则将使抗反射膜脱落。3)应避免用白炽灯的光源长时间照射硅光电池，这样会使电池的温度升高，降低输出功率。4)硅光电池的输出电压一般为0.5V，为能获得较高的电压，可将硅光电池串联起来使用，如要获得较大的电流，也可将硅光电池并联使用。5)硅光电池可作为光电开关的光接收器件，在其中起到一个自动开关的作用。当有光照射时，硅光电池输出电压，使晶体管导通。当无光照射时，硅光电池无电压输出，晶体管截止不导通。,4.3.2硅光电池的特性参数,1.短路电流,2020/5/29,2.开路电压,2020/5/29,3.光照特性光电池在不同光照度下，其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性。,4.伏安特性硅光电池输入光强度不变时，测量当负载一定的范围内变化时，光电池的输出电压及电流随负载电阻变化关系曲线称为硅光电池的伏安特性。,2020/5/29,5.负载特性(输出特性)在内电场作用下，入射光子由于内光电效应把处于介带中的束缚电子激发到导带，而产生光伏电压，在光电池两端加一个负载就会有电流流过，当负载很小时，电流较小而电压较大；当负载很大时，电流较大而电压较小。实验时可改变负载电阻RL的值来测定硅光电池的负载特性。,2020/5/29,6.光谱特性一般光电池的光谱响应特性表示在入射光能量保持一定的条件下，光电池所产生光电流/电压（即光电池的灵敏度）与入射光波长之间的关系。对不同波长的光，光电池的灵敏度是不同的。,2020/5/29,4.4硅光电池的实训项目,【任务要求】通过不同的实训项目，进一步加强学生对硅光电池的认知，提高学生的实践能力和对硅光电池电路的分析能力。,2020/5/29,4.4.1实训一硅光电池的检测,【实训目的】1.会正确使用仪器仪表检测光电池；2.掌握光电池的检测方法。【实训器材】硅光电池、万用表、25W白炽灯（或其他光源）【实训内容及步骤】,2020/5/29,2020/5/29,4.4.2实训二光电池的特性测试,【实训目的】1.会正确使用仪器仪表检测光电池的特性参数；2.掌握光电池特性参数的检测方法。【实训器材】硅光电池、光源组件、照度计、电流表、电压表、电阻箱【实训内容及步骤】,2020/5/29,1.硅光电池短路电流特性测试2.硅光电池开路电压特性测试3.硅光电池光照特性,2020/5/29,4.硅光电池伏安特性5.硅光电池负载特性测试6.硅光电池光谱特性测试,2020/5/29,4.4.3实训三光电池电路分析太阳能手机充电器,【实训目的】1.会正确分析光电池的电路；2.会设计简单的光电池电路。【实训器材】多媒体、太阳能手机充电器电路【实训内容】,2020/5/29,2020/5/29,【思考】1.电路4-41中电容C的作用？2.当电路中的蓄电池电量充满后，详细阐述电路如何维持输出电压保持不变。3.分析硅光电池组成的光控开关电路。,2020/5/29,4.5光电三极管,【任务要求】通过对光电三极管理论知识的学习，掌握光电三极管的基本知识和特性参数。,4.5.1光电三极管的认识,光电三极管是能把光信号变换为电信号的一种晶体管，光照强弱变化时，电极之间的电阻会随之变化，所以也被称为光敏三极管。光电三级管也有电流放大作用，它和普通三级管的不同点在于它的集电极电流不只是受基极电路的电流控制，也可以受光的控制。,1.光电三极管的结构光电三极管有两个PN结，因而可以获得电流增益，它比光电二极管具有更高的灵敏度。光电三极管有两种基本结构，NPN结构与PNP结构。用N型硅材料为衬底制作的NPN结构，称为3DU型；用P型硅材料为衬底制作的称为PNP结构，称为3CU型。,2.光电三极管的工作原理光电三极管可以等效一个光电二极管与另一个一般晶体管基极和集电极并联：集电极-基极产生的电流，输入到三极管的基极再放大。不同之处是，集电极电流（光电流）由集电结上产生的i控制。集电极起双重作用：把光信号变成电信号起光电二极管作用；使光电流再放大起一般三极管的集电结作用。,4.5.2光电三极管的特性参数,光电三极管的特性参数和光电二极管的基本相同。光电三极管的光电流一般为微安级，并且与照度成线性关系。光照特性曲线的线性度不如光电二极管好，且在弱光时光电流增加较慢。光电三极管的响应时间比光电二极管差的多，锗光电三极管的时间响应比硅光电三极管的时间响应差了一个数量级。,2020/5/29,4.6光电三极管的实训项目,【任务要求】通过不同的实训项目，进一步加强学生对光电三极管的认知，提高学生的实践能力和光电三极管电路的分析能力。,2020/5/29,4.6.1实训一光电三极管的检测,【实训目的】1.会正确使用仪器仪表检测光电三极管；2.掌握光电三极管的检测方法。【实训器材】光电三极管、万用表、25W白炽灯（或其他光源）【实训内容及步骤】,2020/5/29,1.光电二极管与光电三极管的判定方法2.光电三极管的管脚判定,2020/5/29,4.6.2实训二光电三极管的特性测试,【实训目的】1.会正确使用仪器仪表检测光电三极管的特性参数；2.掌握光电三极管特性参数的检测方法。【实训器材】光电三极管、光源组件、照度计、电流表、电压表、电阻箱【实训内容及步骤】,2020/5/29,1.光电三极管暗电流测试2.光电三极管光电流测试3.光电三极管光照特性4.光电三极管伏安特性5.光电三极管时间响应特性测试6.光电三极管光谱特性测试,2020/5/29,4.2.3实训三光电三极管电路分析防盗报警“犬”,【实训目的】1.会正确分析光电三极管的电路；2.会设计简单的光电三极管电路。【实训器材】多媒体、防盗报警器电路【实训内容】,2020/5/29,整个电路由光控电子开关和狗叫声语音集成电路两大部分组成。IC1是MSS0287-29狗叫声语音集成电路，VT1为3DU5型光电三极管，R1R5为18W碳膜电阻器。,2020/5/29,【思考】1.电路中电容C1的作用，是否可以去掉？2.电路中电容C2的作用？3.详细阐述芯片IC1的输入管脚3和输出管脚5之间的信号关系。4.电路中的光电三极管是否可以换成光电二极管或光敏电阻，为什么？5.分析图4-50所示的电路的工作过程，并分析该电路可以实现什么功能。,2020/5/29,2020/5/29,4.7光伏探测器组合器件,【任务要求】通过对光伏探测器组合器件理论知识的学习，掌握光伏探测器组合器件的基本知识和特性参数。,4.7.1半导体色敏感器件,1.半导体色敏感器件的认识半导体色敏传感器是半导体光敏器件的一种，它也是基于半导体的内光效应，将光信号转变为电信号的光辐射探测器件，可直接用来测量从可见光到近红外波段内单色辐射的光波。,（1）半导体色敏传感器的基本结构它是由在半导体表面近处形成的光电二极管PD1和在较深处形成的光电二极管PD2并互为反向对置所构成的。,（2）半导体色敏传感器的工作原理半导体中不同的区域对不同波长分别具有不同灵敏度。这一特性为识别颜色提供了可能性。利用不同结深二极管的组合，即可构成测定波长的半导体色敏传感器。,（3）半导体色敏传感器的分类1）色标传感器，它使用一个白炽灯光源或单色LED光源；2）RGB（红绿蓝）颜色传感器，它检测目标物体对三基色的反射比率，从而鉴别物体颜色。,2.半导体色敏传感器的特性参数（1）光谱特性半导体色敏器件的光谱特性是表示它所能检测的波长范围,不同型号之间略有差别。,（2）短路电流比波长特性短路电流比波长特性是表征半导体色敏器件对波长的识别能力,是赖以确定被测波长的基本特性。,（3）温度特性,4.7.2光电位置探测器,1.光电位置传感器的认识光电位置敏感器件PSD（PositionSensitiveDetector）是一种对其感光面上入射光斑重心位置敏感的光电器件。即当入射光斑落在器件感光面的不同位置时，PSD将对应输出不同的电信号。通过对此输出电信号的处理，即可确定入射光斑在PSD的位置。,（1）光电位置传感器的基本结构光电位置传感器基本结构如图4-58所示，1，2，3分别为导电电极。,光电位置传感器通常分为一维PSD器件和二维PSD器件。一维PSD可以测定光点的一维位置坐标，二维PSD可测光点的平面位置坐标。由于PSD是分割型元件，对光斑的形状无严格的要求，光敏面上无象限分隔线，所以对光斑位置可进行连续测量从而获得连续的坐标信号。,（2）PSD器件的工作原理当入射光点位置固定时，PSD的单个电极输出电流与入射光强度成正比。而当入射光强度不变时，单个电极的输出电流与入射光点距PSD中心的距离x呈线性关系。故其结果只与光点的位置坐标x有关，而与入射光强度无关，此时PSD就成为仅对入射光点位置敏感的器件。Px称为一维PSD的位置输出信号。,2.光电位置传感器（PSD）的性能指标（1）有效光敏面尺寸有效光敏面尺寸与PSD电极间距相等。（2）光谱响应特性PSD光谱响应特性是指在单位光功率的单色光照射下，PSD的输出电流随波长变化的特性。（3）位置分辨力位置分辨力是指能够被检测得到的光点在PSD光敏面上的最小位移量，用极间电阻长度的一部分表示。,（4）位置检测误差当一束光照射在PSD的电气中心时，其两端输出电流I1=I2，若把电气中点定义为PSD原点，则PSD计算得到的位置通常与入射光的确切位置有细微的差别，即位置检测误差。（5）响应速度响应速度是反映PSD动态特性的重要指标，它是指入射光产生的载流子到外电路形成电流所需要的时间，表示为上升时间。,4.7.3光电耦合器,光电耦合器（opticalcoupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器，简称光耦，它是以光为媒介传输电信号的一种“电一光一电”转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。,1.光电耦合器的结构光电耦合器件的基本结构如图4-65所示，图4-65a)为发光器件与光电接收器件被封装在黑色树脂外壳内构成光电耦合器件；图4-65b)则是将发光器件与光电器件封装在金属管壳内构成的光电耦合器件，使发光器件与光电接收器件靠得很近，但不接触。,2.光电耦合器的工作原理及组合形式当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极体通过电流而发光，光敏元件受到光照后产生电流，CE导通；当输入端无信号，发光二极体不亮，光敏三极管截止，CE不通。对于数位量，当输入为低电平“0”时，光敏三极管截止，输出为高电平“1”；当输入为高电平“1”时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平“0”。,光电耦合器的组合形式还有多种，如图4-73所示。图中a）所示的为最普通的光电二极管接收型；b）所示的组合形式采用了放大三极管构成的高传输效率的光电耦合器，适用于直接驱动和较低频率的装置中；c）形式为晶闸管接收型，适合高速、高传输效率的光电耦合器。,3.光电耦合器件的分类光电耦合器大致分为三类。一类是光隔离器，它是把发光器件和光敏器件对置在一起构成的，可用它完成电信号的耦合和传递。另一类是光传感器，也称为光电耦合开关，它有反光式和遮光式两种。第三类是光敏元件集成功能块，它是把发光器件、光敏器件和双极型集成电路组合在一起的集成功能块。,2020/5/29,4.光电耦合器件的应用（1）电平转换（2）逻辑门电路（3）光隔离电路（4）光电开关电路,4.光电耦合器件的应用,5.光电耦合器件的特性参数（1）传输特性1）电流传输比2）最高工作频率fm,（2）隔离特性1）输入与输出间隔离电压BVCFO2）输入与输出间的绝缘电阻RFC3）光电耦合器件的抗干扰特性,4.8光伏探测器组合器件的实训项目,【任务要求】通过不同的实训项目，进一步加强学生对光伏探测器组合器件的认知，提高学生的实践能力和对相应电路的分析能力。,4.8.1实训一PSD光电位置传感器的位移测量及光电特性,【实训目的】1了解PSD光电位置传感器的结构；2掌握PSD光电位置传感器的工作原理；3了解PSD器件对入射光强度改变的反应及光点大小对光生电流的影响。【实训器材】PSD组件(器件已装在基座上)、固体激光器、激光教鞭、反射体、PSD光电位置单元、数字电压表。,【实训内容