第04章-光伏探测器

第04章光伏探测器利用半导体光伏效应制作的器件称为光伏探测器，简称PV（Photovoltaic）探测器，也称结型光电器件。PN结受到光照时，可在PN结的两端产生光生电势差，这种现象则称为光伏效应。光伏效应：光伏探测器：光伏器件简称PV（Photovolt）单元器件线阵器件四象限器件PN结的形成扩散==漂移平衡PN结PN结能带与势垒结合前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一个平衡系统只能有一个费米能级PN结能带与势垒*

E电场力偏压：外加在PN结两端的电压方向由P区指向N区正向电流：正向偏压:负离子数减少正离子数减少外加电场正向偏压作用下，耗尽区宽度变小电流方程：正向偏压继续增大，耗尽层越来越薄·······反向偏压:负离子数增加正离子数增加外加电场反向偏压作用下，耗尽区宽度变大反向偏压:负离子数增加正离子数增加外加电场反向电流:－－数值较小？？？电流方程：正向电流和反向电流：第04章光伏探测器4.1光伏探测器的原理和特性4.2常用光伏探测器4.3光伏探测器组合器件4.4光伏探测器的偏置电路4.1光伏探测器的原理和特性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Isc3．暗电流和温度特性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

4.1光伏探测器的原理和特性1.光照下的PN结电流方程及伏安特性电流方程

伏安特性

伏安特性第一象限：普通二极管光电探测器这个区域没有意义！！1.光照下的PN结电流方程及伏安特性伏安特性第三象限：光电导模式

光电二极管这个区域重要意义！！反向偏压可以减小载流子的渡越时间和二极管的极间电容，有利于提高器件的响应灵敏度和响应频率。1.光照下的PN结电流方程及伏安特性第四象限：光伏模式

光电池工作区域伏安特性1.光照下的PN结电流方程及伏安特性伏安特性光电二极管光电池普通二极管1.光照下的PN结电流方程及伏安特性等效电路（意义：分析与计算）1.光照下的PN结电流方程及伏安特性电流源普通二极管4.1光伏探测器的原理和特性2.开路电压Uoc和短路电流Isc负载电阻RL→∞，光伏探测器两端的电压称为开路电压负载电阻RL=0，流过光伏探测器称为短路电流--开路电压短路电流4.1光伏探测器的原理和特性电流方程

暗电流硅光电二极管暗电流的温度特性常温条件下，暗电流硅光电二极管～100nA硅PIN光电二极管～1nA3.暗电流4.1光伏探测器的原理和特性3.暗电流电流方程

暗电流暗电流的影响：1.弱光的测量2.增大散粒噪声暗电流减小方法：1.降低温度2.偏压为零或为负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PN结漏电阻Rsh的热噪声。噪声等效功率特别注意：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。光电二极管噪声等效功率计算PINPD～10-14W/Hz1/24.1光伏探测器的原理和特性4.1光伏探测器的原理和特性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P86紫外光电二极管200nm4.1光伏探测器的原理和特性5.光谱特性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？4.1光伏探测器的原理和特性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1.5×10－9s光敏区薄，缩短扩散时间；边注入技术，？扩散时间4.1光伏探测器的原理和特性6.响应时间和频率特性

频率特性：仅考虑电路时间常数硅光电二极管~几百兆赫，~上千兆赫的响应频率;PIN光电二极管~10GHz,雪崩光电二极管100GHz4.1光伏探测器的原理和特性比较：频率特性光伏探测器光电导探测器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Uoc2？4.2常用光伏探测器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：4.2常用光伏探测器结构：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)4.2.1硅光电池4.2常用光伏探测器光电特性照度—电流电压特性照度—负载特性4.2.1硅光电池伏安特性光电池伏安特性4.2常用光伏探测器4.2.1硅光电池伏安特性4.2常用光伏探测器－－表示输出电流和电压随负载电阻变化的曲线无外加偏压（自偏压）4.2.1硅光电池硅光电池的伏安特性4.2常用光伏探测器硅光电池的光谱特性入射光能量一定的条件下，光电池所产生的短路电流和入射波长的关系4.2常用光伏探测器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常用光伏探测器硅光电池变换电路负载电阻RL所获得的功率PL与负载电阻的阻值有关，当RL=0（电路为短路）时，U=0，输出功率PL=0；当RL=∞（电路为开路）时，IL=0，输出功率PL=0；∞＜RL＜0时，输出功率PL＞0。显然，存在着最佳负载电阻Ropt，在最佳负载电阻情况下负载可以获得最大的输出功率Pmax。

4.2常用光伏探测器光电池线性工作时负载电阻的选择最佳负载电阻4.2常用光伏探测器4.2常用光伏探测器Ⅰ区（RL<Rj)1电流输出：要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4.2常用光伏探测器Ⅰ区（RL<Rj)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<=Rj4.2常用光伏探测器Ⅱ区（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4.2常用光伏探测器4.2常用光伏探测器4.2.2硅光电二极管结构：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；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4－2和表4－1（Photodiode，简称PD）4.2常用光伏探测器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4.2常用光伏探测器4.2.3硅光电三极管原理性结构图：又称为光电晶体管（Phototransistor，简称PT）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4.2常用光伏探测器4.2.3硅光电三极管原理图：又称为光电晶体管（Phototransistor，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常用光伏探测器4.2.3硅光电三极管比较：光电三极管与光电二极管表4－3和表4－2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E0QRL1E1E2RL3RL2RL6VIRL4RL5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零偏压光伏工作模式响应速度慢几十微秒硅光电二极管反向偏压光电导工作模式响应速度快0.1us硅光电三极管集电极反偏，发射极正偏光电导工作模式响应速度较慢5～10us4.2常用光伏探测器4.2.4PIN光电二极管结构：(PINPhotodiode，简称PINPD)在掺杂浓度很高的P型半导体和N型半导体之间夹着一层较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10GHz；线性输出范围宽特点：应用：光通信、光雷达等快速光检测领域

光经波导从I层进入4.2常用光伏探测器PIN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常用光伏探测器4.2.4PIN光电二极管(PINPhotodiode，简称PINPD)美国AT&T贝尔实验室：带微谐振腔的InP／InGaAs光电二极管，。同时获得了高量子效率和大的带宽。克服了常规PIN光电二极管两者不可兼得的缺点．该光电二极管光敏面Φ＝150μm．峰值波长1.48μm、暗电流为14nA．量子效率为82％时,结电容为0.757PF。PIN光电二极管

实例：4.2常用光伏探测器4.2.5雪崩光电二极管(AvalanchePhotodiode，简称APD)内增益：M<1；M>1；M>>1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APD内增益：102～103

高反压(100～200V)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：102～103

4.2常用光伏探测器4.2.5雪崩光电二极管1.结构原理：4.2常用光伏探测器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2.雪崩增益M

：UB为击穿电压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APD合适工作点：

U接近，但不超过UB与温度的关系稳定APD工作点：1.稳压2.恒温4.2.5雪崩光电二极管2.雪崩增益M

：APD合适工作点：

U接近，但不超过稳定APD工作点：1.稳压2.恒温APD工作电路举例：恒温箱4.2.5雪崩光电二极管2.雪崩增益M

：4.2常用光伏探测器4.2.5雪崩光电二极管(AvalanchePhotodiode，简称APD)APD内增益：102～103

3.噪声特性4.响应时间（0.05~2.0ns）1.结构原理2.雪崩增益M雪崩光电二极管实例：雪崩光电二极管PINPD～10-14W/Hz1/2APD～10-15W/Hz1/2Si-PD～10-13W/Hz1/2PMT～10-16W/Hz1/2PIN-PD,APD应用比较例1机载照射器光斑监测系统4.2.5雪崩光电二极管PIN-PD,APD应用比较例1机载照射器光斑监测系统总投资XXX万元激光波长1.06μm4.2.5雪崩光电二极管例1

机载照射器光斑监测系统地面光探测器点阵总投资XXX万元：激光波长1.06μm光斑检测阵列240个探头APD：1800元／个40万元PIN-PD：30～40元／个4万元入射光较弱时，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探测器单元的电路原理图4.2常用光伏探测器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4.3光伏探测器组合器件光伏探测器的组合器件特点是：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。－－也称为集成结型光电器件4.3光伏探测器组合器件－－也称为集成结型光电器件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4.3光伏探测器组合器件2.检测电路

对应于不同颜色波长的输出电压值UT=kT/e，室温条件下，UT≈26mV；Isc1和Isc2分别为PD1、PD2的短路电流对数放大器差动放大器4.3.1半导体色敏感器件4.3光伏探测器组合器件3.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4.3.1半导体色敏感器件4.3光伏探测器组合器件4.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4.3.1半导体色敏感器件4.3光伏探测器组合器件4.3.2阵列式光电器件10DP型光电二极管线阵器件结构：4.3光伏探测器组合器件100以上，一维光学图像、空间频谱分析

--线阵CCD2个，光点移动方向用途：2～4个，相位信息4.3.2阵列式光电器件4.3光伏探测器组合器件4.3.3象限式光电器件——准直、定位、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以四象限为例：若入射光为正中心O，4个PD的输出均等；若偏于1象限，则PD1输出较大，其余均较小工作原理缺点：光敏面上有象限分隔线，对光斑位置不能进行连续测量，位置分辨率受影响

4.3.3象限式光电器件4.3光伏探测器组合器件特点：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

4.3.4光电位置探测器－－PositionSensitiveDetectors，简称PSD一维PSD结构三层：－－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PIN光电二极管4.3光伏探测器组合器件4.3.4光电位置探测器P层的电阻率分布均匀、负载及电极接触电阻为零4.3光伏探测器组合器件4.3.5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。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1.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。4.3.5光电耦合器2.光电耦合器的分类光电耦合器件分类光电隔离器光电传感器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二极管型三极管型达林顿型晶闸管驱动型发光器件光敏器件被测物体槽式光电耦合器示意图槽式光电耦合器实物图+EC4.3.5光电耦合器例1：用光电耦合器隔离的高压稳压电路高压区低压区光4.3.5光电耦合器例2.计算机系统中终端设备

与主机的隔离运行大型计算机主机用户终端设备光4.3.5光电耦合器课后查资料：实现隔离的接口电路3．用于逻辑门电路图a为两个光电耦合器组成的与门电路，如果在输入端A和B同时输入高电平“1”，则两个发光二极管GY1和GY2都发光，两个光敏三极管GG1，和GG2都导通，在输出端C就呈现高电平“1”。在输入端A或B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，输出端C就为“0”，故为与门电路。

图c为或门电路，它从发射极输出，输入端A或B中有一个或两个为高电平“1”，则有一个或两个光敏三极管被照亮而导通，输出为高电平“1”，故为或门电路。图d的原理与图(c)相似，但从集电极输出,输入端A或B中有一个或两个为高电平“1”，输出就为低电平“0”，故为或非门电路。4.3光伏探测器组合器件总结：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4.4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TRb+UCCcR偏置电路:例如：意义：1.提高探测灵敏度2.提高频率响应3.降低噪声－－偏置电压－－偏置电阻反向偏置电路自偏置电路零伏偏置电路4.4光伏探测器的偏置电路4.4.1自偏置电路4.4光伏探测器的偏置电路1．短路或线性电流放大区2．空载电压输出区3．功率放大区4.4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1．短路或线性电流放大区RL0=0(运放虚短)放大器的输入电阻为：ri=0～10Ω线性放大区：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。4.4光伏探测器的偏置电路4.4.1自偏置电路2．空载电压输出区RL～1MΩ光电池处于接近开路状态光照，输出电压从0跳跃到0.45～0.6V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

4.4光伏探测器的偏置电路4.4.1自偏置电路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：反偏压很小或为零4.4光伏探测器的偏置电路1．零伏偏置电路特点中远红外波段光伏探测器：－－窄禁带（Eg很小），受热激发影响较大，反向偏压不能大(一般为几百毫伏至一点几伏)－－零伏偏置或接近于零伏偏置。质量好的光伏探测器：零伏偏置，1／f噪声最小，暗电流为零－－较高的信噪比。4.4.2零伏偏置电路2．零伏偏置电路实例例1：自偏置_负载电阻为零例2：反偏置_反偏压为零4.4.2零伏偏置电路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4.4光伏探测器的偏置电路反向偏置电路4.4光伏探测器的偏置电路为了分析问题方便，将第三象限特性曲线旋转到第一象限与晶体三极管输出曲线类似1.基本反向偏置电路4.4.3反向偏置电路电路图：回路方程：U(I)为光电二极管的端电压Ub为偏置电压负载电阻上的输出信号：1.