第04章光伏探测器zm秋

,第4章光伏探测器,光电探测与信号处理,光学与电子信息学院赵茗副教授zhaoming,4.3光伏探测器组合器件,4.2常用光伏探测器,4.1光伏探测器的原理和特性,光电探测与信号处理,4.4光伏探测器的偏置电路,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,4.1光伏探测器的原理和特性,4噪声、信噪比和噪声等效功率,5.光谱特性,6.响应时间和频率特性,1.光照下的PN结电流方程及伏安特性,电流方程,伏安特性,三种工作模式,1）零偏置的光伏工作模式,问题：如果外电路没有负载RL，电流怎样变化？,2）反向偏置的光电导工作模式,=0,3）正向偏置的工作模式,RL,Ip,ID,正偏工作原理,N,P,IL,很大,反向偏置光电导模式,零偏置光伏模式,正向偏置二极管模式,4）光伏和光导工作模式比较,5）等效电路（意义：分析与计算）,电流源,普通二极管,2.开路电压Uoc和短路电流Isc,负载电阻RL，开路电压,负载电阻RL=0，短路电流,3.暗电流和温度特性,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,影响：1.弱光的测量2.散粒噪声,减小方法：1.降低温度2.偏压为零,4噪声、信噪比和噪声等效功率,光伏探测器噪声主要包括：光电流散粒噪声、暗电流散粒噪声和PN结漏电阻Rsh的热噪声。放大器负载热噪声,噪声等效功率,光电二极管噪声等效功率计算,PINPD10-14W/Hz1/2,仅考虑散粒噪声时,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,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？,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1.5109s,光敏区薄，缩短扩散时间,频率特性：,仅考虑电路时间常数,硅光电二极管：几百上千MHz;PIN光电二极管：10GHz,雪崩光电二极管：100GHz,比较：频率特性,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,光伏探测器（结型器件）与光电导器件的区别在于：,小结,4.1光伏探测器的原理和特性,4.2常用光伏探测器,光电探测与信号处理,4.3光伏探测器组合器件,4.4光伏探测器的偏置电路,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：,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),2CR，2DR,光电特性,照度电流电压特性,照度负载特性,4.2.2硅光电二极管,结构：2CU，2DU,（Photodiode，简称PD）,2DU系列光电二极管有三条引出线，除了前极、后极外，还设了一个环极，减少暗电流和噪声。,以P型硅为衬底的2DU型,以N型硅为衬底的2CU型,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42和表41,4.2.3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,光电转换,集电极输出电流：,1.工作原理,光电流放大,NPN结构，称为3DU型；PNP结构，称为3CU型。,三种形式的集成光电器件,提高光电三极管的增益，减小体积,2.特性,(1)伏安特性,偏置电压：发射结正向偏置，集电结反向偏置。偏压为零时，无论光照度有多强，集电极电流都为零。,(2)光电特性,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：光电特性“非线性”,(3)光电特性时间响应（频率特性）,通常，硅光电二极管的时间常数一般在0.1s以内，PIN和雪崩光电二极管为ns数量级，硅光电三极管比光电二极管的时间响应长，长达510s。,光生载流子对发射结电容Cbe和集电结电容Cbc的充放电时间；光生载流子渡越基区时间；光生载流子被收集到集电极的时间；输出电路的等效负载电阻RL与等效电容Cce所构成的RC时间。,(4)温度特性,影响要比硅光电二极管大得多！,比较：光电三极管与光电二极管表43和表42,光电三极管：光照下有偏压才有输出;输出亮、暗电流大；光电特性“非线性”；频率特性较差,光电开关理想元件！,3-3-5QSB363-Phototransistor技术参数参见技术文档,3-3-7集成光电器件,3-3-6QSE113,光电三极管产品,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,无基极引线的光电三极管：依靠光“注入”把集电结光电二极管的光电流加以放大。有基极引线的光电三极管：在基极上提供一定偏流，以减少器件的发射极电阻，改善弱光条件下的频率特性，同时使光电三极管的交流放大倍数进入线性区，有利于调制光的探测。适用于高速开关电路和调制光的探测。,结构特点：PN之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体（Iintrinsic）层或轻掺杂层。,高阻、承担大部分压降,4.2.4PIN光电二极管,性能特点：,特点二：反压高，线性输出范围宽。,特点一：时间响应特性好，频带宽。可达10GHz（10-10s）。,不足之处：I层电阻很大，输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。提高I层厚度W，漂移时间变长，时间响应变差（和特点一矛盾）。,存在最佳W对Si和Ge，W=2050m，tr200ps对InGaAs，W=35m，tr10ps（10GHz）,几种PIN型光电二极管特性参数,PIN光电二极管工作原理,PIN原理动画,PIN原理动画,PIN原理动画,PIN原理动画,PIN原理动画,PIN原理动画,4.2.5雪崩光电二极管,(AvalanchePhotodiode-APD),PIN光电二极管：提高了时间响应，未能显著提高器件的光电灵敏度。雪崩光电二极管：利用高反向偏压下发生雪崩倍增效应而提高灵敏度（具有内部增益102104），且响应速度特别快，频带带宽可达100GHz，足目前响应速度最快的一种光电二极管。,高反压(100200V),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：102103,1.结构原理：,碰撞电离和雪崩倍增,拉通型RAPD（同质结）,雪崩区,吸收区,吸收区和倍增区分开,雪崩光电二极管工作原理动画,2.雪崩增益M,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,UB为击穿电压,3.噪声特性,对于锗管，k=3；对于硅管为2.3k2.5。,雪崩光电二极管的噪声可近似由下式计算：,4.响应时间（0.052.0ns）,响应（灵敏）度明显提高！,5.其它APD,（1）SAM-APD（异质结）,吸收区和倍增区分开并分别位于不同材料，有效减少隧道电流。,（2）SAGM-APD（异质结）,SAM-APD,SAGM-APD,减少InGaAs/InP异质结大的价带不连续处电荷堆积的限制，提高内量子效率和响应速度！,控制超晶格薄层的厚度，可以改变探测器响应波长。,（3）新型APD,ResonatecavityAPDWaveguideAPD,高的带宽增益积暗电流低寄生参量小响应速率高,4.2.6紫外光电二极管,1）蓝、紫增强型硅光电二极管,PN结浅电子扩散长度长表面复合速率小,1901100nm,2）肖特基结光电二极管,金属与半导体结量子效率高速率高,190760nm,4.2.7碲镉汞、碲锡铅红外光电二极管,Hg1-xCdxTe,同一种半导体材料作光伏探测器！,思考题,思考题,小结：,1光伏探测器根据内建电场形成的结势垒不同，有pn结、pin结、肖特基结等不同结构。,2.APD管具有内增益，可大大提高探测器的灵敏度和响应频率，适合微弱光信号的探测。,3.光伏探测器可以工作于零偏和反偏两种状态。,4.光伏探测器的噪声主要包括散粒噪声、暗电流噪声和热噪声。总噪声与所加偏压有关。,5.光伏探测器的响应速度比光电导探测器快.,4.1光伏探测器的原理和特性,光电探测与信号处理,4.3光伏探测器组合器件,4.4光伏探测器的偏置电路,4.2常用光伏探测器,光伏探测器组合器件的特点：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。,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,2.短路电流比,短路电流比对应唯一单色光！,3.检测电路,对应于不同颜色波长的输出电压值,对数放大器差动放大器,缺点：只能测单色光,4三色硅色敏器件,http:/www.bright-,5.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。,4.3.2阵列式光电器件,在一块硅片上制造出按一定方式排列的具有相同光电特性的光伏器件阵列。广泛应用于光电跟踪、光电准值、图像识别和光电编码等应用。具有光敏点密集量大，结构紧凑，光电特性一致性好，调节方便等优点。,10DP型光电二极管线阵器件,结构：,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：,24个，相位信息,4.3.3象限式光电器件,准直、定位、跟踪、频谱分析,具有一维位置的检测功能，在薄板材料的生产中常被用来检测和控制边沿的位置，以便卷制成整齐的卷。,2象限,4象限,具有两维位置的检测功能，可以完成光斑在x、y两个方向的偏移测量。,缺点?,Quadrant（orFoursegmented）photodiode,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(盲区)，位置分辨率受影响,限制微小光斑的测量；若被测光斑全部落入某一象限，输出信号将无法测出光斑的位置，因此测量范围受到限制；测量精度与光源光强及漂移密切相关，测量精度的稳定性受限。,楔环阵列组合件,检测光的功率谱分布，以极坐标的分布方式表示:,极角方向（楔形区）用来检测功率在角度方向的分布；环形区探测器用来检测功率在半径方向的分布。,4.3.4光电位置探测器,特点：基于光生伏特横向效应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，一维PSD的位置分辨率可达0.2m,PositionSensitiveDetectors-PSD,I0=I1+I2,1.PSD器件的工作原理(一维),2.二维PSD器件,http:/www.silicon-,3-3-8技术文档Psd.pdf,PSD三角测距技术,PSD,SharpGP2D12,光电开关和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,4.3.5光电耦合器和光电开关（opticalswitchandcoupler）,光电开关和光电耦合器的异同点:均有发光和受光端两边彼此独立,电绝缘开关不封闭,可引入外调制;光耦全封闭.光电开关多用于光电计数、报警、安全保护等;光电耦合器则多用于电位隔离、抗干扰电路等,例：用光电耦合器隔离的高压稳压电路,高压区,低压区,4.1光伏探测器的原理和特性,光电探测与信号处理,4.3光伏探测器组合器件,4.4光伏探测器的偏置电路,4.2常用光伏探测器,反向偏置电路,自偏置电路,零伏偏置电路,4.4.1自偏置电路,三种工作状态：,1短路或线性电流放大区,电流变换状态，负载输出光电流最大；要求后续放大器输入阻抗尽可能小；与入射光通量有良好的线性关系；短路状态下器件噪声电流较低，信噪比改善，最适用于弱光信号的检测。,RL0=0(运放虚短),放大器的输入电阻为：,ri=010,2空载电压输出区,则：,相减,RL1M光电池处于接近开路状态,光照，输出电压从0跳跃到0.450.6V,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,3.线性电压输出,在第二区域可得到与输入光通量近似成正比的信号电压。增大负载电阻有助于提高电压，但却引起输出信号的非线性畸变。因此需确定负载电阻的临界值。,由给定的max，,取,max,对应的输出电压变化为：,IP,图解法计算临界电阻RLS,思考题,例:光电池在光照度为100lx时，开路电压为VOC=180mV,ISC=80A。求在由50lx增加到200lx时，为保证线性输出所需最佳负载电阻值和输出电压变化量。,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：反偏压很小或为零,零伏偏置电路实例,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,1.基本反向偏置