第04章_光伏探测器

1、第第0404章章 光伏探测器光伏探测器利用半导体光伏效应制作的器件称为利用半导体光伏效应制作的器件称为光伏探光伏探测器测器，简称，简称PV（Photovoltaic）探测器，也）探测器，也称称结型结型光电器件。光电器件。 PNPN结受到光照时，可在结受到光照时，可在PNPN结结的两端产生光生的两端产生光生电势差，这种现象则称为电势差，这种现象则称为光伏效应光伏效应。 光伏效应：光伏效应：光伏探测器：光伏探测器：光伏器件光伏器件简称简称PV（Photovolt）单元器件线阵器件四象限器件PN结的形成结的形成 扩散扩散=漂移漂移 平衡平衡 PNPN结结PN结能带与势垒结能带与势垒 结合前结合前结合

2、后结合后费米能级与导带或价带的相对位置由材料掺杂决定费米能级与导带或价带的相对位置由材料掺杂决定一个平衡系统只能有一个一个平衡系统只能有一个费米能级费米能级 PN结能带与势垒结能带与势垒* E电场力电场力偏压：偏压：外加在外加在PNPN结两端的电压结两端的电压方向由方向由P P区指向区指向N N区区 正向电流：正向电流：正向偏压正向偏压:负离子数减少负离子数减少正离子数减少正离子数减少外加电场外加电场 正向偏压正向偏压作用下，耗尽区宽度作用下，耗尽区宽度变小变小T/0011U UeU kTIIeIe（） （）电流方程：电流方程：正向偏压正向偏压 继续增大，耗尽层越来越薄继续增大，耗尽层越来越薄

3、反向偏压反向偏压:负离子数增加负离子数增加正离子数增加正离子数增加外加电场外加电场 反向偏压反向偏压作用下，耗尽区宽度作用下，耗尽区宽度变大变大反向偏压反向偏压:负离子数增加负离子数增加正离子数增加正离子数增加外加电场外加电场反向电流反向电流: 数值较小？数值较小？T/0011U UeU kTIIeIe（） （）电流方程：电流方程：正向电流和反向电流：正向电流和反向电流：第第0404章章 光伏探测器光伏探测器4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器4.3 4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件4.4 4.4 光伏探测器的偏置

4、电路光伏探测器的偏置电路4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性1. 光照下的光照下的PN结电流方程及伏安特性结电流方程及伏安特性 2. 开路电压开路电压Uoc和短路电流和短路电流Isc3暗电流和温度特性暗电流和温度特性4噪声、信噪比和噪声等效功率噪声、信噪比和噪声等效功率5. 光谱特性光谱特性 6. 响应时间和频率特性响应时间和频率特性 4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性1. 光照下的光照下的PN结电流方程及伏安特性结电流方程及伏安特性电流方程电流方程 /0p1e Uk TIIeI伏安特性伏安特性 伏安特性伏安特性第一象限：普通二极管第一象限：普

5、通二极管 光电探测器光电探测器 这个区域没有意义！这个区域没有意义！ 1. 光照下的光照下的PN结电流方程及伏安特性结电流方程及伏安特性伏安特性伏安特性第三象限：第三象限：光电导模式光电导模式 光电二极管光电二极管 这个区域重要意义！这个区域重要意义！ 反向偏压可以减小反向偏压可以减小载流子的渡越时间载流子的渡越时间和二极管的极间电和二极管的极间电容，有利于提高器容，有利于提高器件的件的响应灵敏度响应灵敏度和和响应频率响应频率。 1. 光照下的光照下的PN结电流方程及伏安特性结电流方程及伏安特性第四象限：第四象限：光伏模式光伏模式 光电池光电池 工作区域工作区域伏安特性伏安特性1. 光照下的光

6、照下的PN结电流方程及伏安特性结电流方程及伏安特性伏安特性伏安特性光电二极管光电二极管 光电池光电池 普通二极管普通二极管 1. 光照下的光照下的PN结电流方程及伏安特性结电流方程及伏安特性等效电路等效电路 （意义：分析与计算）（意义：分析与计算）1. 光照下的光照下的PN结电流方程及伏安特性结电流方程及伏安特性/0p1e Uk TIIeI电流源电流源普通二极管普通二极管4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性 2. 开路电压开路电压Uoc和短路电流和短路电流Iscp/01IeIIkTqU负载电阻RL，光伏探测器两端的电压称为开路电压 ocp0ln/1kTUIIe（）负载电

7、阻RL=0，流过光伏探测器称为短路电流 scpIIS E -开路电压短路电流 4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性电流方程电流方程 /0pdp1eUkTIIeIII/d01eUkTIIe暗电流暗电流 硅光电二极管暗电流的温度特性 常温条件下，暗电流常温条件下，暗电流硅光电二极管硅光电二极管 100nA硅硅PIN光电二极管光电二极管1nA3. 暗电流暗电流4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性3. 暗电流暗电流电流方程电流方程 /0pdp1eU kTIIeIII/d01eU kTIIe暗电流暗电流暗电流的影响：暗电流的影响： 1.弱光的测量弱光的测量

8、 2.增大散粒噪声增大散粒噪声暗电流减小方法：暗电流减小方法： 1.降低温度降低温度 2.偏压为零或为负偏压为零或为负4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性4噪声、信噪比和噪声等效功率噪声、信噪比和噪声等效功率光伏探测器的噪声主要包括器件中光电流的散粒噪声、暗光伏探测器的噪声主要包括器件中光电流的散粒噪声、暗电流的散粒噪声和电流的散粒噪声和PN结漏电阻结漏电阻Rsh的热噪声。的热噪声。 2npdshL4422kT fkT fieIfeIfRR 噪声等效功率 2dniNEPS特别注意： 一般产品手册中给出的探测器的NEP值仅考虑了暗电流对散粒噪声的贡献。光电二极管光电二极管

9、噪声等效功率噪声等效功率计算计算Dp2e IIfNEPS（）PIN PD 10-14W/Hz1/24.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性5. 光谱特性光谱特性光伏探测器光伏探测器波长响应范围波长响应范围紫外光紫外光可见光可见光红外远红外光红外远红外光P86 紫外紫外光电二极管光电二极管 200nm4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性5. 光谱特性光谱特性光伏探测器光伏探测器波长响应范围波长响应范围紫外光紫外光可见光可见光近红外近红外远远红外光红外光光电导探测器光电导探测器波长响应范围波长响

10、应范围紫外光紫外光可见光可见光近红外近红外 极远极远红外光红外光二者光谱响应范围的差别？二者光谱响应范围的差别？为什么？为什么？4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性 6. 响应时间和频率特性响应时间和频率特性 光伏效应示意图光伏效应示意图响应时间：响应时间： 扩散时间扩散时间10-9s 漂移时间漂移时间10-11s 电路时间常数电路时间常数 1.5109 s光敏区薄，光敏区薄，缩短缩短扩散时间；边注入技术，扩散时间；边注入技术，？扩散时间扩散时间4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性 6. 响应时间和频率特性响应时间和频率特性 频率特性：频率特性：

11、 仅考虑电路时间常数仅考虑电路时间常数eLjR CHCe12f 硅光电二极管硅光电二极管几百兆赫，几百兆赫，上千兆赫的响应频率上千兆赫的响应频率; PIN光电二极管光电二极管10GHz,雪崩光雪崩光电二极管电二极管100GHz4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性比较：比较：频率特性频率特性HCe12f光伏探测器光伏探测器光电导探测器光电导探测器HCc12f光伏探测器频率特性由电路时间常数决定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电导探测器频率特性由载流子寿命决定 例.若PN结在照度E1下的开路电压为Uoc1，求照度为E2下的开路电压U

12、oc2？ 4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器4.2.1 4.2.1 硅光电池硅光电池 4.2.2 4.2.2 硅光电二极管硅光电二极管4.2.3 4.2.3 硅光电三极管硅光电三极管4.2.4 PIN4.2.4 PIN光电二极管光电二极管4.2.5 4.2.5 雪崩光电二极管雪崩光电二极管4.2.6 4.2.6 紫外光电二极管紫外光电二极管4.2.7 4.2.7 碲镉汞、碲锡铅红外光电二极管碲镉汞、碲锡铅红外光电二极管4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器 4.2.1 4.2.1 硅光电池硅光电池 工作区域：第四象限：工作区域：第四象限：4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探

13、测器结构：结构：分类：分类：主要功能是作为光电探主要功能是作为光电探测用，光照特性的线性度好测用，光照特性的线性度好太阳能光电池太阳能光电池测量光电池测量光电池主要用作电源，转换效主要用作电源，转换效率高、成本低率高、成本低(Solar Cells) 4.2.1 4.2.1 硅光电池硅光电池 4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器光电特性光电特性照度照度电流电压特性电流电压特性照度照度负载特性负载特性 4.2.1 4.2.1 硅光电池硅光电池 伏安特性伏安特性光电池伏安特性光电池伏安特性 4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器 4.2.1 4.2.1 硅光电池硅光电池 伏安特性伏安

14、特性4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器表示输出电流和电压随表示输出电流和电压随负载电阻负载电阻变化的曲线变化的曲线无外加偏压无外加偏压（自偏压自偏压） 4.2.1 4.2.1 硅光电硅光电池池 硅光电池的伏安特性硅光电池的伏安特性ES0REPscLII1)(e0EKTqV0LII) 1(lnVR0PLIIqkTocpKTqV0L1)(eIII4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器硅光电池的光谱特性硅光电池的光谱特性2000400060008000100001200020406080100(%)ISi蓝Si入射光能量一定的条件下，光电池所产入射光能量一定的条件下，光电池所产生的短

15、路电流和入射波长的关系生的短路电流和入射波长的关系4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器硅光电池的频率响应硅光电池的频率响应 要得到短的响应时间，选择小的负载电阻 面积越大，响应时间越长 提高频响的方法： 在光导模式下使用4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器硅光电池变换电路硅光电池变换电路L2LKTqV0PLLLP1)(eRIIIIRIVL负载电阻负载电阻RL所获得的功率所获得的功率PL与负载电阻的阻值有与负载电阻的阻值有关，当关，当RL=0（电路为短路）时，（电路为短路）时，U=0，输出功率，输出功率PL=0；当；当RL=（电路为开路）时，（电路为开路）时，IL=0，输出，输出

16、功率功率PL=0；RL0时，输出功率时，输出功率PL0。显然，。显然，存在着最佳负载电阻存在着最佳负载电阻Ropt，在最佳负载电阻情况，在最佳负载电阻情况下负载可以获得最大的输出功率下负载可以获得最大的输出功率Pmax。 4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器光电池线性工作时负载电阻的选择光电池线性工作时负载电阻的选择 最佳负载电阻最佳负载电阻 ESVRIVIVREocjscmmmj)8.06.0(4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器的对数成正比时，输出电压与光照度区：时，光电流线性区区：jLjLRRRR4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器区（RLRj) 1电流输出： 要

17、求硅光电池的负载电阻上的电流与光照 度成线性关系 电流放大器ESIESIIELEscL4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器区（RLRj) 2 电压输出： 要求硅光电池的负载电阻上的电压与光照 度成线性关系 电压放大器 负载电阻大，输出电压大 满足RL Rj) 为了获得最大的输出电压，应用在开路状态，要求后级放大器的输入阻抗高。应用于开关电路中应用于开关电路中4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器4.2.2 4.2.2 硅光电二极管硅光电二极管结构：结构：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；

18、光电流比光电池小得多，一般多在微安级比较：比较：光电二极管与光电池光电二极管与光电池 表表42和表和表41（Photodiode，简称，简称PD） 4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器4.2.3 4.2.3 硅光电三极管硅光电三极管又称为光电晶体管（又称为光电晶体管（Phototransistor，简称，简称PT） 光电三极管在电子线路中的符号光电三极管在电子线路中的符号4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器4.2.3 4.2.3 硅光电三极管硅光电三极管原理性结构图：原理性结构图：又称为光电晶体管（又称为光电晶体管（Phototransistor，简称，简称PT） 光电三极管的

19、结构和普通晶体管类似，但它的外壳留有光窗 4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器4.2.3 4.2.3 硅光电三极管硅光电三极管原理图：原理图：又称为光电晶体管（又称为光电晶体管（Phototransistor，简称，简称PT） NPN光电三极管可等效为一个硅光电二极管和一个普通晶体管组合而成。 4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器4.2.3 4.2.3 硅光电三极管硅光电三极管比较：比较：光电三极管与光电二极管光电三极管与光电二极管 表表43和表和表42 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：输出光电流大 光电特性“非线性” ，频率特性较差 光电池 LRIUE

20、0QRL1E1E2RL3RL2RL6VIRL4RL5内阻小，光敏面大，小负载时线性好 光电二级管 线性好，光敏面小，频响好LRIU 光电三级管 弱光和强光时非线性Ip光电器件与运算放大器的连接+-RfVo光电器件与运算放大器的连接+-R2RLR1Vo光电器件与运算放大器的连接+-RfRRLVoJVcA光电三极管电路VcJA光电三极管电路AB输出yVc光电三极管电路B输出yVcA光电三极管电路AB输出yVcC光电三极管电路硅光电池硅光电池 零偏压零偏压 光伏工作光伏工作模式模式 响应速度响应速度慢慢几十微秒几十微秒 硅光电二硅光电二极管极管 反向偏压反向偏压 光电导工光电导工作模式作模式 响应速

21、度响应速度快快 0.1us 硅光电三硅光电三极管极管集电极反集电极反偏，发射偏，发射极正偏极正偏 光电导工光电导工作模式作模式响应速度响应速度较慢较慢 510us4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器4.2.4 PIN光电二极管光电二极管结构：结构：(PIN Photodiode，简称，简称PIN PD) 在掺杂浓度很高的在掺杂浓度很高的P型半导体和型半导体和N型半导体之间夹着一层较型半导体之间夹着一层较厚的高阻本征半导体厚的高阻本征半导体I 结电容变得更小，频率响应高，带宽可达结电容变得更小，频率响应高，带宽可达10GHz； 线性输出范围宽线性输出范围宽特点：特点：应用：应用： 光通信

22、、光雷达等快速光检测领域光通信、光雷达等快速光检测领域 光经波导从光经波导从I层进入层进入 4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器PIN光电二极管结构光电二极管结构摘自国家精品课程光纤通信技术 -深圳职业技术学院制作PIN光电二极管工作原理光电二极管工作原理摘自国家精品课程光纤通信技术 -深圳职业技术学院制作4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器4.2.4 PIN光电二极管光电二极管(PIN Photodiode，简称，简称PIN PD) 美国美国AT&T贝尔实验室：带微谐振腔的贝尔实验室：带微谐振腔的InPInGaAs光电二极管，。同时获得了光电二极管，。同时获得了高量子

23、效率和高量子效率和大的带宽大的带宽。克服了常规。克服了常规PIN光电二极管两者不可光电二极管两者不可兼得的缺点兼得的缺点 该光电二极管光敏面该光电二极管光敏面150m峰值波长峰值波长1.48m、暗电流为、暗电流为14nA量子效率为量子效率为82时时, 结结电容为电容为0.757PF。PIN光电二极管光电二极管实例：实例：4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器4.2.5 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode，简称，简称APD) pqIMhqNIMp内增益：内增益： M1； M1 外电路单位时间内的电子数外电路单位时间内的电子数器件内单位时间内的光电子数器件

24、内单位时间内的光电子数APD内增益：内增益：102103 高反压高反压(100200 V) 强电场强电场 载流子加速载流子加速 碰撞碰撞 新载流子新载流子雪崩倍增雪崩倍增 光电流的放大光电流的放大 APD内增益：内增益：102103 4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器4.2.5 雪崩光电二极管雪崩光电二极管1.结构原理：结构原理：4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器雪崩光电二极管工作原理雪崩光电二极管工作原理摘自国家精品课程光纤通信技术 -深圳职业技术学院制作 4.2.5雪崩光电二极管雪崩光电二极管2.雪崩增益雪崩增益M ：M0B11nIMIUUUB为击穿电压为击穿电压 U增

25、加到接近增加到接近UB 得到很大的倍增得到很大的倍增 U很低很低 没有倍增现象没有倍增现象 U超过超过UB 噪声电流很大噪声电流很大 APD合适工作点：合适工作点： U接近接近UB，但不超过，但不超过APD合适工作点：合适工作点： U接近，但不超过接近，但不超过UB与温度的关系与温度的关系稳定稳定APD工作点：工作点： 1. 稳压稳压 2. 恒温恒温 4.2.5雪崩光电二极管雪崩光电二极管2.雪崩增益雪崩增益M ：APD合适工作点：合适工作点： U接近，但不超过接近，但不超过稳定稳定APD工作点：工作点： 1. 稳压稳压 2. 恒温恒温APD工作电路举例：工作电路举例：恒温箱恒温箱4.2.5雪

26、崩光电二极管雪崩光电二极管2.雪崩增益雪崩增益M ：4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器4.2.5雪崩光电二极管雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode，简称，简称APD) APD内增益：内增益：102103 3.噪声特性噪声特性4.响应时间响应时间 （0.052.0ns）1.结构原理结构原理2.雪崩增益雪崩增益M雪崩光电二极管雪崩光电二极管实例：实例：雪崩光电二极管雪崩光电二极管PIN PD 10-14W/Hz1/2APD 10-15W/Hz1/2 Si-PD 10-13W/Hz1/2 PMT 10-16W/Hz1/2 PIN-PD,APD应用比较应用比较例例1 1

27、机载照射器光斑监测系统机载照射器光斑监测系统4.2.5雪崩光电二极管雪崩光电二极管PIN-PD,APD应用比较应用比较例例1 1 机载照射器光斑监测系统机载照射器光斑监测系统总投资总投资XXX万元万元激光波长激光波长1.06m4.2.5雪崩光电二极管雪崩光电二极管RF1 RF2NSWE12345678910111213491415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748例例1 机载照射器光斑监测系统机载照射器光斑监测系统地面光探测器点阵地面光探测器点阵总投资总投资XXX万元：万元：激光波长激光波长1.0

28、6m 光斑检测阵列光斑检测阵列 240个探头个探头 APD：1800元个元个 40万元万元 PIN-PD：3040元个元个 4万元万元入射光较弱时，采用APD；入射光较强时，宜采用PIN管机载照射器照射光斑监测系统机载照射器照射光斑监测系统单稳展宽电路+-+5V+E+15V上拉电阻Vo放大电路脉冲变换电路光电转换探测器单元的电路原理图探测器单元的电路原理图4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器4.2.1 4.2.1 硅光电池硅光电池 4.2.2 4.2.2 硅光电二极管硅光电二极管4.2.3 4.2.3 硅光电三极管硅光电三极管4.2.4 PIN4.2.4 PIN光电二极管光电二极管4.

29、2.5 4.2.5 雪崩光电二极管雪崩光电二极管4.2.6 4.2.6 紫外光电二极管紫外光电二极管4.2.7 4.2.7 碲镉汞、碲锡铅红外光电二极管碲镉汞、碲锡铅红外光电二极管 4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件 光伏探测器的组合器件光伏探测器的组合器件特点是特点是：大多在一块：大多在一块硅片上按一定要求制造出若干个光伏探测器，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、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，而且还可紧凑、调节方

30、便、精确度高等优点，而且还可以扩大变换装置的应用范围。以扩大变换装置的应用范围。也称为集成结型光电器件 4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件也称为集成结型光电器件4.3.14.3.1半导体色敏感器件半导体色敏感器件 4.3.24.3.2阵列式光电器件阵列式光电器件4.3.34.3.3象限式光电器件象限式光电器件4.3.44.3.4光电位置探测器光电位置探测器4.3.54.3.5光电耦合器光电耦合器 4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件4.3.14.3.1半导体色敏感器件半导体色敏感器件 1.1.结构原理结构原理 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

31、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 4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件2.2.检测电路检测电路 20Tsc2sc11lglgRUUIIR对应于不同颜色波长的输出电压值 UT=kT/e，室温条件下，UT26mV；Isc1和Isc2分别为PD1、PD2的短路电流 对数放大器差动放大器4.3.14.3.1半导体色敏感器件半导体色敏感器件 4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件3.3.短路电流比短路电流比 短路电流比与入射波长关系 入射波长与输出电压关系 20Tsc2sc11lglgRUUIIR4.3.14.3.1半导体色敏感器件半导体色敏感器件

32、 4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件4.4.应用举例应用举例 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。半导体色敏器件是非常有发展前途的一种新型半导体光电器件。CCD摄像器件颜色识别功能4.3.14.3.1半导体色敏感器件半导体色敏感器件 4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件4.3.24.3.2阵列式光电器件阵列式光电器件10DP型光电二极管线阵器件 结构：结构： 4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器

33、组合器件100100以上，以上， 一维光学图像、一维光学图像、 空间频谱分析空间频谱分析 -线阵线阵CCDCCD2 2个，个， 光点移动方向光点移动方向用途：用途：2 24 4个，个， 相位信息相位信息4.3.24.3.2阵列式光电器件阵列式光电器件 4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件4.3.34.3.3象限式光电器件象限式光电器件准直、定位、准直、定位、跟踪、频谱分析跟踪、频谱分析各种象限式光电器件示意图 4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件以四象限为例：以四象限为例：若入射光为正中心若入射光为正中心O O，4 4个个PDPD的输出均等；的输出均等；若偏于若偏于1 1象限，

34、则象限，则PD1PD1输出较输出较大，其余均较小大，其余均较小工作原理工作原理缺点：缺点：光敏面上有光敏面上有象限分隔线象限分隔线，对光斑位置，对光斑位置不能进行不能进行 连续测量连续测量，位置分辨率受影响，位置分辨率受影响 4.3.34.3.3象限式光电器件象限式光电器件 4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件特点：特点：光敏面上光敏面上无象限分隔线无象限分隔线，对光斑位置，对光斑位置可进行可进行 连续测量连续测量，位置分辨率，位置分辨率高高 4.3.44.3.4光电位置探测器光电位置探测器Position Sensitive Detectors，简称，简称PSD一维一维PSD 结构三

35、层： 上面为P层 下面为N层 中间为I层P层光敏层，电阻均匀 象限探测器应用于激光制导象限探测器应用于激光制导利用激光目标指示器照射目标，反射回来的信号经过接收处理，形成控制指令控制导弹飞行。若光斑正好落在中心：(VA+VB) ( VC+VD)0(VA+VC) (VB+VD)0若未对准，输出误差信号去控制导弹。四象限四象限PIN光电二极管光电二极管 4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件4.3.44.3.4光电位置探测器光电位置探测器P P层的电阻率分布均匀、负载及电极接触电阻为零层的电阻率分布均匀、负载及电极接触电阻为零 LIIIIxILxLIILxLI1212020122， 4.3

36、光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件4.3.54.3.5光电耦合器光电耦合器光电耦合器光电耦合器是发光器件与接收器件组合的一种元件。是发光器件与接收器件组合的一种元件。发光器件：发光器件： 常采用发光二极管常采用发光二极管接收器件：接收器件： 常用光电二极管、光电三极管、光集成电路等常用光电二极管、光电三极管、光集成电路等 1. 1. 光电耦合器的结构光电耦合器的结构绝缘玻璃发光二极管透明绝缘体光电三极管采用金属外壳和玻璃绝缘的结构，在其中部对接，采用环焊以保证发光二极管和光电三极管对准，以此来提高灵敏度。(a)金属密封型塑料发光二极管光电三极管透明树脂(b)塑料密封型采用双列直插式用塑料封装

37、的结构。管心先装于管脚上，中间再用透明树脂固定，具有集光作用，故此种结构灵敏度较高。4.3.54.3.5光电耦合器光电耦合器2. 2. 光电耦合器的分类光电耦合器的分类光电耦合光电耦合器件分类器件分类光电隔离器光电隔离器光电传感器光电传感器光敏元件集成功能块光敏元件集成功能块功能：在电路间传送信息，实现电路间的电气隔离和消除噪声。结构：将输入端的发光器件和输出端的光电接收器件组装在同一管壳内，管心相对配置、互相靠近。透过型（光断续器）反射型光隔离器的几种类型光隔离器的几种类型二极管型二极管型三极管型三极管型达林顿型达林顿型晶闸管驱动型晶闸管驱动型发发光光器器件件光光敏敏器器件件被被测测物物体体

38、槽式光电耦合器示意图槽式光电耦合器示意图槽式光电耦合器实物图槽式光电耦合器实物图+ EC4.3.54.3.5光电耦合器光电耦合器例例1 1：用用光电耦合器光电耦合器隔离的高压稳压电路隔离的高压稳压电路 高压区高压区 低压区低压区光光4.3.54.3.5光电耦合器光电耦合器例例2. 2. 计算机系统中终端设备计算机系统中终端设备 与主机的隔离运行与主机的隔离运行大型计算机主机大型计算机主机用户终端设备用户终端设备光光4.3.54.3.5光电耦合器光电耦合器课后查资料：课后查资料：实现隔离的接口电路实现隔离的接口电路3 3用于逻辑门电路用于逻辑门电路 图图a为两个光电耦合器组成的与门电路，如果在输

39、入端为两个光电耦合器组成的与门电路，如果在输入端A和和B同时输入同时输入高电平高电平“1”，则两个发光二极管，则两个发光二极管GY1和和GY2都都发光，两个光敏三极管发光，两个光敏三极管GG1，和，和GG2都导通，在输出端都导通，在输出端C就呈现高电平就呈现高电平“1”。在输入端。在输入端A或或B中只要有一个为低电平中只要有一个为低电平“0”，则其中有一个光敏三极管不导通，输出，则其中有一个光敏三极管不导通，输出端端C就为就为“0”，故为与门电路。，故为与门电路。 图图c为或门电路，它从发射极输出，输入端为或门电路，它从发射极输出，输入端A或或B中有一个或两个中有一个或两个为高电平为高电平“1

40、”，则有一个或两个光敏三极管被照亮而导通，输出，则有一个或两个光敏三极管被照亮而导通，输出为高电平为高电平“1”，故为或门电路。，故为或门电路。图图d的原理与图的原理与图(c)相似，但从集电极输出相似，但从集电极输出,输入端输入端A或或B中有一个或中有一个或两个为高电平两个为高电平“1”，输出就为低电平，输出就为低电平“0”，故为或非门电路。，故为或非门电路。 4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件总总 结：结：4.3.14.3.1半导体色敏感器件半导体色敏感器件 4.3.24.3.2阵列式光电器件阵列式光电器件4.3.34.3.3象限式光电器件象限式光电器件4.3.44.3.4光电位置

41、探测器光电位置探测器4.3.54.3.5光电耦合器光电耦合器4.4 4.4 光伏探测器的偏置电路光伏探测器的偏置电路为使器件正常工作，提供合适的电流或者电压为使器件正常工作，提供合适的电流或者电压TRb+UCCcR偏置电路偏置电路: :例如：例如：意义：意义：1. 1. 提高探测灵敏度提高探测灵敏度2. 2. 提高频率响应提高频率响应3. 3. 降低噪声降低噪声偏置电压偏置电压偏置电阻偏置电阻反向偏置电路反向偏置电路 自偏置电路自偏置电路 零伏偏置电路零伏偏置电路 4.4 4.4 光伏探测器的偏置电路光伏探测器的偏置电路4.4.1自偏置电路自偏置电路4.4 4.4 光伏探测器的偏置电路光伏探测

42、器的偏置电路1 1短路或线性电流放大区短路或线性电流放大区2 2空载电压输出区空载电压输出区3功率放大区功率放大区4.4 4.4 光伏探测器的偏置电路光伏探测器的偏置电路光电池自偏置电路 4.4.1自偏置电路自偏置电路1 1短路或线性电流放大区短路或线性电流放大区RL0=0 (运放虚短运放虚短)放大器的输入电阻为：放大器的输入电阻为： r1fiRAri =010 线性放大区：线性放大区：线性好、输出光电流大，暗电流近线性好、输出光电流大，暗电流近似为零、信噪比好，适合弱光信号检测。似为零、信噪比好，适合弱光信号检测。4.4 4.4 光伏探测器的偏置电路光伏探测器的偏置电路4.4.1自偏置电路自

43、偏置电路2 2空载电压输出区空载电压输出区RL1M 光电池处于接近开路状态光电池处于接近开路状态 光照，输出电压从光照，输出电压从0跳跃到跳跃到0.450.6V空载电压输出区：空载电压输出区：具有很高的光电转换灵敏度，不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需偏置电源，适合于开关或控制电路 4.4 4.4 光伏探测器的偏置电路光伏探测器的偏置电路4.4.1自偏置电路自偏置电路4.4.24.4.2零伏偏置电路零伏偏置电路 两种零伏偏置电路：两种零伏偏置电路： 0 自偏置自偏置：负载电阻为零：负载电阻为零 反偏置反偏置：反偏压很小或为零：反偏压很小或为零 4.4 4.4 光伏

44、探测器的偏置电路光伏探测器的偏置电路1 1零伏偏置电路特点零伏偏置电路特点中远红外波段光伏探测器：中远红外波段光伏探测器： 窄禁带（窄禁带（Eg很小），受热激发影响较很小），受热激发影响较 大，反向偏压不能大大，反向偏压不能大(一般为一般为几百毫伏几百毫伏至一点至一点 几伏几伏) 零伏偏置或接近于零伏偏置。零伏偏置或接近于零伏偏置。 质量好的光伏探测器：质量好的光伏探测器： 零伏偏置，零伏偏置，1f 噪声最小，暗电流为零噪声最小，暗电流为零 较高的信噪比。较高的信噪比。4.4.24.4.2零伏偏置电路零伏偏置电路 2 2零伏偏置电路实例零伏偏置电路实例例例1 1：自偏置自偏置_ _负载电阻为零负载电阻为零 例例2 2：反偏置反偏置_ _反偏压为零反偏压为零 4.4.24.4.2零伏偏置电路零伏偏置电路 4.4.3反向偏置电路反向偏置电路反向偏置电路特点：反向偏置电路特点： 灵敏度、频带宽度和光电变换线性范围灵敏度、频带宽度和光电变换线性范围 4.4 4.4 光伏探测器的偏置电路光伏探测器的偏置电路反向偏置电路反向偏置电路 4.4 4.4 光伏探测器的偏置电路光伏探测器的偏置电路为了分析问题方为了分析问题方便，将第三象限便，将第三象限特性曲线旋转到特性曲线旋转到第一象限第一象限 与晶体三极管输与晶体三极管输出曲线类似出曲线类似 1