《S光电探测器》PPT课件.ppt

C2 光电探测器件,理学院 宋旸,2,2 光电探测器件,2.1 光电探测器的物理效应 2.2 光电探测器的性能参数 2.3 外光电效应型光电探测器 2.4 内光电效应型光电探测器 2.5 固体成像器件 2.6 光电探测光源,3,2 光电探测器件,4,2.4 内光电效应型光电探测器,2.4.1 光电导型光探测器 光敏电阻 2.4.2 pn结光伏探测器 2.4.3 光电池 2.4.4 光电二极管与光电三极管 2.4.5 特殊结型光电二极管 2.4.6 恒流源型探测器的偏置和设计,5,2.4.4 光电二极管与光电三极管,与光电池的主要区别为：, 光电二极管结面积远小于光电池,具有更好的频率特性, 工作电流小，仅为微安级, 工作状态不同，前者为零偏置电压状态，以获得光电流,后者则处于反偏置电压。, 光电二极管, 光电池的衬底材料掺杂浓度高于光电二极管，光电二极管的电阻率高于光电池,6,2.4.4 光电二极管与光电三极管, 光电二极管,7,2.4.4 光电二极管与光电三极管, 光电二极管,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。,2CU系列以N-Si为衬底，只有两个引出线,2DU系列以P-Si为衬底，有三条引出线，前极、后极与环极。,8,2.4.4 光电二极管与光电三极管, 光电二极管,光电二极管的用法,若加正向电压，正接后与普通二极管一样，只有单向导电性，而表现不出它的光电效应。,加反向电压,2DU环极接法,9,2.4.4 光电二极管与光电三极管, 光电二极管,加反向电压时的伏安特性曲线,与硅光电池的伏安特性曲线图比较, 为分析方便，将I，III象限对调, 开路电压UOC一般都比外加的反向电压小很多，二者比较可略而不计，所以实用曲线常画为上图(b)的形式,2.4.4 光电二极管与光电三极管, 光电二极管,低偏压时：光电流变化非常敏感，这是由于反偏压增加使耗尽层加宽，结电场增强，所以对结区的光的吸收率及光生载流子的收集效率加大；,高偏压时：收集已达极限，光电流趋于饱和，曲线近似平直，且低照度部分比较均匀，可用作线性测量。,10,11,2.4.4 光电二极管与光电三极管, 光电二极管,微变等效电路,具体应用时多用图d和图c形式。,图b为考虑到光电二极管结构、功能后画出的微变等效电路,Ip为光电流，V为理想二极管，Cf为结电容，Rsh为漏电阻，Rs为体电阻，RL为负载电阻；,12,2.4.4 光电二极管与光电三极管, 光电三极管 (光电晶体管),包含3个掺杂程度不同的扩散区和两个结区,13,2.4.4 光电二极管与光电三极管, 光电三极管,基极电流IB很小，集电极电流IC由IB控制,为共发射极电流增益,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。,与光电池、二极管类似，DU型均为n为受光面，CU型均为p为受光面, 光电三极管 (光电晶体管),2.4.4 光电二极管与光电三极管,14,15,2.4.4 光电二极管与光电三极管, 光电三极管,光电晶体管和普通晶体管类似，也有电流放大作用。用大面积的集电结，用于接收光辐射,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。,一般将光电三极管的基极开路，集电结反偏，发射结正偏,16,2.4.4 光电二极管与光电三极管, 光电三极管,与一般晶体管不同，集电极电流由集电结上产生的光电流控制。,集电结起双重作用, 把光信号转换为电信号，起光电二极管的作用, 使光电流再放大，起晶体管的作用,从原理上可看成有光电二极管与普通三极管的组合体,17,2.4.4 光电二极管与光电三极管, 光照特性,光电流与照度之间的关系,光电二极管线性好，适合于检测使用,光电三极管的灵敏度比光电二极管高，输出电流也比光电二极管大，多为毫安级。,光电晶体管在弱光时呈现非线性，在强光下呈现饱和，线性特性不好，多用来作光电开关元件或光电逻辑元件,18,2.4.4 光电二极管与光电三极管, 伏安特性,光电流与外加偏压之间的关系,光电二极管光电流在微安量级，三极管光电流在毫安量级,光电二极管光电流随所加偏压变化小，光电三极管偏压对光电流的影响较大,工作电压较低时，光电三极管输出光电流非线性现象严重,19,2.4.4 光电二极管与光电三极管, 温度特性,按电流及光电流与温度的关系,温度对光电流影响小，对暗电流的影响大，需采取横温或温度补偿措施,光电三极管由于对光电流有放大作用，受温度的影响大于光电二极管,2.4.4 光电二极管与光电三极管, 光谱响应,光电二极管与硅光电三极管具有相同的光谱响应。图所示为典型的硅光电三极管3DU3的光谱响应特性曲线，它的响应范围为0.4-1.0m，峰值波长为0.85m。,对于光电二极管，减薄PN结的厚度可以使短波段波长的光谱响应得到提高，因为PN结的厚度减薄后，短波段的光谱容易被减薄的PN结吸收（扩散长度减小）。因此，可以制造出具有不同光谱响应的光伏器件，例如蓝敏器件和色敏器件等。蓝敏器件是在牺牲长波段光谱响应为代价获得的（减薄PN结厚度，减少了长波段光子的吸收）。,20,2.4.4 光电二极管与光电三极管, 频率特性,光电二极管的频率特性,1) 在PN结区外产生的光生载流子扩散到PN结区内所需要的时间，称为扩散时间记为p （ns量级）；,2) 在PN结区内产生的光生载流子渡越结区的时间，称为漂移时间记为dr（1011量级）；,3) 由PN结电容Cj和管芯电阻及负载电阻RL构成的RC延迟时间RC （ 负载电阻RL不大时为ns数量级 ）。,它和光电池相比，重要的不同点是结面积小，因此它的频率特性特别好。扩展pn结区、增高反向偏置电压是提高频率响应的措施。如：PIN APD,21,2.4.4 光电二极管与光电三极管, 频率特性,光电三极管的频率特性,1)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；,2)光生载流子渡越基区所需要的时间；,3)光生载流子被收集到集电极的时间；,总时间为上述四项和。比光电二极管的时间响应长。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，硅光电三极管长达510s。,4)输出电路的等效负载电阻RL与等效电容Cce所构成的RC间。,22,23,2.4.5 特殊结型光电二极管, PIN光电二极管 (快速光电二极管),PIN管是光电二极管中的一种。是在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。 最大的特点是频带宽，可达10GHz。,高阻、承担大部分压降,24,2.4.5 特殊结型光电二极管, PIN光电二极管 (快速光电二极管),灵敏度高：光照面积大，光吸收率高。,结电容小：P结与N结不直接相联，中间是不导电的本征半导体材料，极间距离大，结间电容小。,载流子运动速度大：结距大，能加高电压而不会击穿，结间电场大，载流子运动速度大，结间移动时间短。,几种PIN型光电二极管特性参数,2.4.5 特殊结型光电二极管, PIN光电二极管 (快速光电二极管),25,26,2.4.5 特殊结型光电二极管, 光电位置探测器件 (Position Sensitive Detector),对光点位置敏感的探测器件。具有连续分布光敏面，对光点几何重心位置进行探测，一维或二维结构。 空间分辨率达微米级。,27,2.4.5 特殊结型光电二极管, 光电位置探测器件,光 光电二极管 空穴由N向P移动 空穴1端I1 空穴2端I2,28,2.4.5 特殊结型光电二极管, 光电位置探测器件,29,2.4.5 特殊结型光电二极管, 光电位置探测器件,单端电流与光点距中心位置成线性关系,用两端输出电流的差值与两端总电流的比值作为PSD传感器的输出,Px与PSD上入射光点光强大小无关，与两端实际的检测电流的绝对值无关,30,2.4.5 特殊结型光电二极管, 光电位置探测器件,31,2.4.5 特殊结型光电二极管, 光电位置探测器件,表面分流型：由同一面引出两对电极。暗电流小，线性差。,32,2.4.5 特殊结型光电二极管, 光电位置探测器件,两面分流型：暗电流大，线性好。两面各一组一维PSD电极，相互之间影响小，保持一维PSD的优点。,33,2.4.5 特殊结型光电二极管, 光电位置探测器件,改进表面分流型：弧形电极，改善电场分布，信号在对角线上引出，用非线性补偿，进行一定程度校正。,34,2.4.5 特殊结型光电二极管, 光电位置探测器件, 光谱特性：光谱宽，一般为300-1000nm，峰值波长为900nm。, 入射光强对位置探测影响小：PSD的输出原理上与入射光强无关。光强大，有利于提高信噪比，因而位置测试精度高些。但光强太大会引起器件饱和。另外注意光源和PSD的光谱匹配。, 对光斑形状无严格要求，只与光能量重心有关, PSD检测，光点越接近边缘，位置检测误差越大,35,2.4.5 特殊结型光电二极管, 光电位置探测器件, 背景光影响,雪崩光电二极管：利用雪崩管在高的反向偏压下发生雪崩倍增效应而制成的光电探测器。提高光电二极管的灵敏度（具有内部增益102104）。这种管子响应速度特别快，带宽可达100GHz，足目前响应速度最快的一种光电二极管。,2.4.5 特殊结型光电二极管, 雪崩光电二极管,PIN光电二极管：提高了时间响应，未能提高器件的光电灵敏度（无内部增益）。,36,2.4.5 特殊结型光电二极管, 雪崩光电二极管,雪崩光电二极管为具有内增益的一种光生伏特器件。它利用光生载流子在强电场内的定向运动，产生的雪崩效应获得光电流的增益。一般光电二极管的反偏压在几十伏以下，而APD的反偏压一般在几百伏量级，接近于反向击穿电压。 当APD在高反偏压下工作，势垒区中的电场很强，电子和空穴在势垒区中作漂移运动时得到很大的动能。它们与势垒区中的晶格原子碰撞产生电离，激发产生的二次电子与空穴在电场下得到加速又碰撞产生新的电子空穴对，如此继续，形成雪崩倍增效应。,碰撞电离和雪崩倍增,37,2.4.5 特殊结型光电二极管, 雪崩光电二极管,电离产生的载流子数远大于光激发产生的光生载流子数，这时雪崩光电二极管的输出电流迅速增加，其电流倍增系数M定义为 ：,I为倍增输出的电流，I0为倍增前输出的电流。,M 随反向偏压U的变化可用经验公式近似表示：,灵敏度,UBR雪崩击穿电压,38,2.4.5 特殊结型光电二极管, 雪崩光电二极管,A：在偏压较低时，光电流很小； B：产生雪崩倍增，光电流输出最大； C：偏压接近雪崩击穿电压，暗电流迅速增加，增加的速度比光电流快，所以降低了灵敏度。,最佳工作点：B点附近,39,2.4.5 特殊结型光电二极管, 雪崩光电二极管,结构,图（a）在P型硅基片上扩散杂质浓度大的N+层，制成P型N结构； 图（b）在N型硅基片上扩散杂质浓度大的P+层，制成N型P结构； 图（c）所示为PIN型雪崩光电二极管。 由于PIN型光电二极管在较高的反向偏置电压的作用下耗尽区扩展到整个PN结结区，形成自身保护（具有很强的抗击穿功能），因此， PIN型雪崩光电二极管不必设置保护环。市面上以此产品为主。,40,41,2.4.5 特殊结型光电二极管, 雪崩光电二极管, 反偏电压高, 灵敏度高，电流增益可达1001000, 响应速度快，响应时间短，响应频率高,特点,2.4.5 特殊结型光电二极管, 光电开关和光电耦合器,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。它们的结构很类似。不同的是，光电开关不封闭，发光端和受光端之间可以插入外调制板。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里。共同点是，发光边与受光边是彼此独立的，完全没有电的联系。,在工业检测、电信号传输处理和计算机系统中，常常需要实现输入、输出装置和计算机之间的电气隔离、匹配、抗干扰等功能。,42,2.4.5 特殊结型光电二极管, 光电开关和光电耦合器,光电耦合器件的特点,具有电隔离的功能。它的输入输出信号之间完全没有电路的联系。,信号传输是单向的，模拟信号和数字信号都可使用。,具有抗干扰和噪声的能力。不具有磁性，不受外界电磁干扰、电源干扰和杂光影响。,响应速度快。使用方便，可靠性高，体积小，重量轻，抗震，可密封防水，成本低，功耗小。,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方面；光电耦合器则多用于电位隔离、电平匹配、抗干扰电路、逻辑电路、数/模转换、过流保护及高压控制等。,43,44,2.4.5 特殊结型光电二极管,45,2.4.5 特殊结型光电二极管,2.4.6 恒流源型探测器的偏置和设计, 静态 （直流或缓慢变化辐射）,（1） 基本电路,46,2.4.6 恒流源型探测器的偏置和设计, 静态 （直流或缓慢变化辐射）,（2）确定负载线,负载线和静态工作时所对应的伏安特性曲线的交点Q即为输入电路的静态工作点。,负载线的确定： I0， （N点） V=0, （T点）,负载线的斜率为：1/Rb。,当输入光通量由0作缓慢改变时， 在负载电阻上会产生V电压输出和 IQ的电流信号输出。,47,2.4.6 恒流源型探测器的偏置和设计, 静态 （直流或缓慢变化辐射）,（3）参数分析（ Rb和Vb ）,利用图解法可定性的求出电路参数Rb和Vb对输出信号的影响。,Rb影响,在一定偏压下，随Rb增大，信号电压范围变大，但信号会产生畸变。,48,2.4.6 恒流源型探测器的偏置和设计, 静态 （直流或缓慢变化辐射）,（3）参数分析（ Rb和Vb ）,Vb影响,由图可知：对相同的Rb值，随Vb增大、输出信号电压线性改善。但功耗加大，过大的Vb会引起PD反向击穿。,在利用图解法确定输入电路的Rb和Vb时，应根据输入光通量的变化范围和输出信号的幅度要求，使负载线稍高于转折M，并保证Vb不大于最高工作电压Vmax。,49,2.4.6 恒流源型探测器的偏置和设计,例 用2DU测缓变辐射通量（静态）。已知2DU的电流灵敏度R=0.4A/W，在测光范围中最大辐射通量100W,伏安特性曲线的拐点电压VM=10V，若电源电压Vb=15V。要求负载线建立在线性区内。求：（1）保证输出电压最大时的Rbmax=? （2）辐射通量缓慢变化10W时，输出电压的变化量.,解：依题画出如下简图,(1).为保证2DU工作于线性区且Rb最大，过拐点作负载线，则:,(2).输出电压 :,50,2.4.6 恒流源型探测器的偏置和设计, 动态工作状态设计 输入电路动态工作点的计算,动态工作点频率响应,（1）根据直流通路确定静态工作点,反偏压PD的交变光探测基本电路,反偏压PD的交变光探测电路直流通路,回路方程,51,2.4.6 恒流源型探测器的偏置和设计, 动态工作状态设计 输入电路动态工作点的计算,（1）根据直流通路确定静态工作点,斜率为1/Rb的直流负载线和照度为E0的伏安特性曲线的交点确定静态工作点Q,52,2.4.6 恒流源型探测器的偏置和设计, 动态工作状态设计 输入电路动态工作点的计算,（2）根据交流通路确定动态负载线和工作区域,反偏压PD的交变光探测基本电路,在信号通频带范围内，耦合电容C可以认为是短路。,V,反偏压PD的交变光探测电路交流通路,53,2.4.6 恒流源型探测器的偏置和设计,（2）根据交流通路确定动态负载线和工作区域,设光照度变化：,则光照度变化范围:,等效交流负载电阻：,交流负载线与光照度E=E0对应的伏安特性相交于Q点。,交流负载线斜率由RL/Rb决定,同时为了充分利用器件的线性区间，对应的交流负载线应通过特性曲线的转折点M。,54,2.4.6 恒流源型探测器的偏置和设计,（3）计算负载RL上的交流输出电压峰值Vm、电流峰值ILm和负载功率PL,（峰值）,（峰值）,（有效值）,55,2.4.6 恒流源型探测器的偏置和设计,（4）计算最大功率输出时负载RL上的输出电压VLmax、电流ILmax和负载功率PLmax,将PL对GL求偏微分，得最大功率输出条件为:,电流由负载和偏置电阻均分,56,2.4.6 恒流源型探测器的偏置和设计,（5）计算最大功率输出时直流偏置电阻Rb0和偏置电压Vb,大三角中,小三角中,当已知电源电压Vb时，可计算出偏置电阻Rb。,57,2.4.6 恒流源型探测器的偏置和设计,例 用2CU接收激光信号，2CU的S=0.5A/W，=25W时，伏安特性曲线拐点电压VM10V，电源电压Vb64V，设激光的辐射通量=(20+5sint) W，求管子在线性区获得最大功率时的 (1)偏置电阻Rb (2)负载电阻RL (3)VLmax (4)ILmax,58,2.4.6 恒流源型探测器的偏置和设计,例 用2CU接收激光信号，2CU的S=0.5A/W，=25W时，伏安特性曲线拐点电压VM10V，电源电压Vb64V，设激光的辐射通量=(20+5sint) W，求管子在线性区获得最大功率时的(1)偏置电阻Rb (2)负载电阻RL (3)VLmax (4)ILmax,(1),(2),(3),(4),2.4.6 恒流源型探测器的偏置和设计, 动态工作状态设计 探测电路的频率特性计算,基本电路,微变等效电路,高频短路,列出电路的回路方程：,60,2.4.6 恒流源型探测器的偏置和设计, 动态工作状态设计 探测电路的频率特性计算,分析