光伏探测器详解.ppt

在光电子技术教室中，利用光检测器、光检测器、半导体PN结光效应制作的设备也被称为光检测器，也称为结型光检测器。 探针主要用于测量检查、控制跟踪、图像测量和分析等。 虽然这种器件品种很多，但由于它们的原理相同，所以在性质上多接近。 此类装置可包含光电池、光电二极管、光电晶体管、光电场效应晶体管、PIN管、雪崩光电二极管、光电晶闸管、阵列型光电元件、象限型光电元件、位置敏感检测器(PSD )、光电耦合元件等品种另一方面，三种工作模式(1)的零偏置的光伏工作模式中，若p-n结电路连接负载电阻RL，则如图所示，若有光照射，则在p-n结内出现两种相反的电流，通过光激发产生的电子-空穴对、由内置电场形成的光产生电流Ip 其方向与p-n结反饱和电流I0相同的光电流在负载中流动时会产生电压降，相当于向p-n结施加正偏置电压，产生电流ID。 流过负载的总电流是两者之差：(2)反偏压的光导电工作模式无光时的电阻大，电流小的光照射时，电阻小，电流大，流过它的光电流根据照度变化。 类似于光导电元件。 (3)正向偏置的工作模式显示出单向的导电性，与通常的二极管同样地不出现光电效果。 没有光的情况下，电压-电流特性曲线与一般的二极管的电压-电流特性曲线相同，如果照射光就会产生光电流，因为方向与I0相同，所以曲线沿电流轴向下偏移，偏移的宽度与照度的变化成比例。 二、光电检测器的电压-电流特性，第一象限：正向偏置工作模式，光电流不起作用，该区域的工作没有意义。 第三象限：逆偏置光导电工作模式第四象限：零偏置光导电工作模式。 在有光的情况下，如果在PN结以外的电路上连接负载电阻，则如图所示，在PN结内，通过由光激励产生的电子-空穴对产生的光产生电流，与光的照射相关，产生与PN结方向的饱和电流相同方向的电流，另一个电流流过负载电阻而产生电压降， 相当于在PN结上施加正向偏压产生正向电流，总电流为两者之差，即负载中流动的总电流为：上式中的光电流与光照度成比例，比例常数称为光灵敏度，即负载电阻断开时，端子对端子电压称为开路电压，近似为三、光电检测器的偏压因为该输出电流I流过施加电路的负载电阻的电压降是其自身的正偏压，所以称为自偏压，该电路称为自偏压电路，电路图如下图所示。 因此，光电池电路方程式为：2，零伏偏置电路光检测器在自偏置的情况下，如果负载电阻为零，则自偏置电压为零，或者在光电检测器为反偏置的情况下，反偏置电压小或接近零。 在任一情况下，接近零伏特偏置或零伏特偏置的对应偏置电路被称为零伏特偏置电路。 如果零伏偏置电路被用于光电检测器，则1/f噪声最小，暗电流为零，可以获得高的信噪比。 因此，反饱和电流小，正、反特性好的光检测器也经常使用零偏置电路，可以避免偏置电路导入的噪声。 四、光电检测器的性能参数、1、响应率2、噪声3、比检测率4、频谱特性5、频率响应和响应时间6、温度特性、1、响应率表明，光电检测器的响应率与器件的工作温度、少数载流子浓度和扩散有关，与器件的外偏压无关2、噪声、3、比探测率、光电检测器零偏压电阻也是光电检测器的重要参数，它可以直接反映器件性能的优劣。如果光电检测器受热噪声限制，提高检测率的关键在于结电阻和边界面积的乘积和降低光电检测器的工作温度。 如果光电检测器由背景噪声有限，那么增加光电检测器的响应率主要是通过减少光电检测器的视场角等的方式减少光电检测器接收到的背景光子的数目、4和光谱特性，与其它选择性光电检测器一样，光电检测器的响应率根据人的光的波长而变化。 近红外和可见光波段使用的光电检测器材料多为硅和锗，5、频率响应和响应时间、6、温度特性、5 .光电检测器应用1 .光电池和应用光电池是不施加偏置电压就能把光能转换成电能的光电检测器。 光电池可以分为太阳能电池和测量光电池两种。 太阳能电池主要用作电源，其要求具有转换效率高、低成本、结构简单、小型、轻量、可靠性高、寿命长、可以直接利用太阳能的特征，不仅成为宇宙产业上的重要电源，还广泛应用于电力供给困难的地方和人们的日常生活中在测定光电池的主要应用时，光电池不加偏压将光信号转换成电信号，其要求线性范围宽，灵敏度高，光谱响应适当，稳定性好，长寿命，光度、色度、光学精密计量和测试试验中广泛应用(1)光电池的结构光电池单晶向一个n型硅芯片扩散p型杂质，形成一个扩散np结，或者向p型硅晶片扩散n型杂质，形成pn结，焊接两个电极。 p端是光电池的正极，n端是负极，一般在地面上作为光电检测器使用的多为np型。 pn型硅光电池具有很强的抗辐射能力，适合空间应用，已成为宇宙的太阳能电池。 下图是示出硅光电池的结构的图。 (2)光电池的应用主要有两个方面，一个是光电检测器，二个是太阳能变成电能。 将光电池用作检测器具有受光面积命中、频率响应高、光电流随照度线性变化等特征。 因此，既可以作为开关，也可以作为线性测量。 用于光电读取、光电开关、光栅测量技术、激光对准、电影播放等装置。 利用光电池将太阳能转化为电能，现在主要使用硅光电池。 他承受强放射线，转换效率比其他光电池高。 在实际应用中，硅光电池单体串联、并联构成电池组，可与镍镉蓄电池合作，作为卫星、微波站、野外灯塔、航空标志灯、无人气象站等无输电线路的地区电源供给。 2、光电二极管随着光电子技术的发展，光信号在感知灵敏度、光谱响应范围和频率特性等方面的要求越来越高。 光电二极管的工作原理与光电池相同，基于P-N结的光电效应工作。 但是，它与光电池不同，掺杂浓度低，电阻率高，结面积小，通常多在反偏置状态下工作。 因此，光电二极管的内置电场强，接合部厚，接合电容小，所以频率特性比光电池好，但其光电流比光电池的肩多，一般微电平多。 (1)硅光电二极管的结构。 (2)其他应用： a，PIN光电二极管在P-N结之间增加了特征层(I层)，该器件也被称为PIN光电二极管，也称为耗尽型光电二极管。 只要适当地控制本征层的厚度，使其与反偏压中的耗尽层的宽度大致相同，就可以改善对应的波长范围和频率。 PIN硅光电二极管使用常用的耗尽层光电检测器。 采用高电阻纯硅材料和离子漂移技术形成无杂质本征层，厚度约500m，其结构如下：为了更好地使用和发挥光电二极管系统的最佳性能，PIN-FET微模块的设计和制作有发展趋势。 该器件是包括小面积、小容量光电二极管和高输入阻抗的场效应管前置放大器的组合，其中所有引线的长度和杂散电容都非常小。电容小，所以输入阻抗高，可以大幅度降低热噪声，该组件还具有供电电压低，工作非常稳定，易用性好的特征。 PIN光电二极管的上述优点非常广泛地应用于光通信、光雷达和其他高速光自动控制系统。 b、雪崩光电二极管(APD )的通用硅光电二极管和PIN光电二极管是没有内部增益的光检测器，但在光检测器系统中的实用中，多检测微光信号，采用具有内部增益的光检测器是微弱光信号雪崩光电二极管是具有内部增益的光检测器，利用光载流子在高电场区域的雪崩效应来获得光电流增益，具有灵敏度高、应对快等优点。 用于制作雪崩二极管的材料主要是硅和锗，实际设备在非常短的响应时间(即，对应数千兆位的频率)下，已经达到100至1000的增益，因此可以使用光纤通信、激光测距、激光雷达、光纤传感器等另外，光电晶体管可以利用雪崩倍增效应来获得有增益的半导体光电二极管(APD )，但可以采用通用的晶体管放大原理来获得具有电流内增益的另一光电检测器、光电晶体管。 这与普通的双极晶体管很相似，都由非常接近的P-N结发射极结和集电极结构成，具有电流放大作用。 为了充分吸收光子，光电晶体管需要大的受光面，所以响应频率远低于光电二极管。 光电晶体管相当于基极和集电极之间连接了光电二极管的普通晶体管，所以结构与普通晶体管相似，但也有特殊之处。 如图所示，图e、b、c分别表示光电晶体管的发射极、基极、集电极。 保证了在正常工作时基极-集电极接合(b-c接合)处于反偏置状态，光电晶体管的工作作为受光接合有两个过程：一个光电转换； 第二个是光电流放大。 光电转换与通常的光电二极管相同，在对集电极施加相对的发射极的正方向电压而使基极断开时，基极-集电极结处于反偏置状态。 光照射不到时激励产生的少数载流子，电阻从基极进入集电极，空穴从集电极移动到基极，在外部电路中流过电流。 当基极区域没有照射光时，在该区域产生电子空穴对，并且光电子通过电场漂移到集电极而形成电流。 同时，空穴残留在基极区域，基极的电位上升，发射极经由基极向集电极流动大量的电子。 应用：没有基极引线的光电晶体管。 通过光的“注入”，放大集电结光电二极管的光电流，得到在集电极电路中放大的光电流。 “注入”的光强度不同，得到的光产生电流不同。 无基极引线光电晶体管的实用化有电流控制和电压控制两种电路。 在没有光的情况下，暗电流小，并且敏感继电器可以直接与不要求对应的速度的切换电路串联地连接到基本电路。 可以比较容易地实现光电自动控制。 带基极引线的光电晶体管。 带基极引线的光电晶体管适合于高速开关电路和调制光的检测。 6 .总结(1)，利用半导体光电效应制作的器件称为光电检测器。 常用的是光电池、光电二极管(PD )、PIN光电二极管(PINPD )、雪崩二极管(APD )和光电晶体管等电池光电检测器。 其中，PIN光电二极管和雪崩二极管是高响应速度的光电检测器，光电晶体管和雪崩二极管是内增益的光电检测器。 (2)、光电检测器有光导电和光电两种工作模式，分别对应于逆偏压和自偏压两种状态。 光电二极管多以光导电模式工作，光电池多以光电模式工作。 模式、(3)、光检测器的光电特性不仅与材料有关，还与光的范围、负载的大小、施加电