光伏探測器詳解演示文稿

光伏探測器詳解演示文稿當前第1頁\共有76頁\編于星期四\19點（優(yōu)選）光伏探測器當前第2頁\共有76頁\編于星期四\19點第04章光伏探測器4.1光伏探測器的原理和特性4.2常用光伏探測器4.3光伏探測器組合器件4.4光伏探測器的偏置電路當前第3頁\共有76頁\編于星期四\19點4.1光伏探測器的原理和特性1.光照下的PN結(jié)電流方程及伏安特性2.開路電壓Uoc和短路電流Isc3．暗電流和溫度特性4．噪聲、信噪比和噪聲等效功率5.光譜特性6.響應(yīng)時間和頻率特性

當前第4頁\共有76頁\編于星期四\19點4.1光伏探測器的原理和特性1.光照下的PN結(jié)電流方程及伏安特性電流方程

伏安特性

當前第5頁\共有76頁\編于星期四\19點伏安特性第一象限：普通二極管光電探測器這個區(qū)域沒有意義??！1.光照下的PN結(jié)電流方程及伏安特性當前第6頁\共有76頁\編于星期四\19點伏安特性第三象限：光電導模式

光電二極管這個區(qū)域重要意義！！反向偏壓可以減小載流子的渡越時間和二極管的極間電容，有利于提高器件的響應(yīng)靈敏度和響應(yīng)頻率。1.光照下的PN結(jié)電流方程及伏安特性當前第7頁\共有76頁\編于星期四\19點第四象限：光伏模式

光電池工作區(qū)域伏安特性1.光照下的PN結(jié)電流方程及伏安特性當前第8頁\共有76頁\編于星期四\19點伏安特性光電二極管光電池普通二極管1.光照下的PN結(jié)電流方程及伏安特性當前第9頁\共有76頁\編于星期四\19點等效電路（意義：分析與計算）1.光照下的PN結(jié)電流方程及伏安特性電流源普通二極管當前第10頁\共有76頁\編于星期四\19點4.1光伏探測器的原理和特性2.開路電壓Uoc和短路電流Isc負載電阻RL→∞，光伏探測器兩端的電壓稱為開路電壓負載電阻RL=0，流過光伏探測器稱為短路電流--開路電壓短路電流當前第11頁\共有76頁\編于星期四\19點4.1光伏探測器的原理和特性電流方程

暗電流硅光電二極管暗電流的溫度特性常溫條件下，暗電流硅光電二極管～100nA硅PIN光電二極管～1nA3.暗電流當前第12頁\共有76頁\編于星期四\19點4.1光伏探測器的原理和特性3.暗電流電流方程

暗電流暗電流的影響：1.弱光的測量2.增大散粒噪聲暗電流減小方法：1.降低溫度2.偏壓為零或為負當前第13頁\共有76頁\編于星期四\19點4.1光伏探測器的原理和特性4．噪聲、信噪比和噪聲等效功率光伏探測器的噪聲主要包括器件中光電流的散粒噪聲、暗電流的散粒噪聲和PN結(jié)漏電阻Rsh的熱噪聲。噪聲等效功率特別注意：一般產(chǎn)品手冊中給出的探測器的NEP值僅考慮了暗電流對散粒噪聲的貢獻。當前第14頁\共有76頁\編于星期四\19點光電二極管噪聲等效功率計算PINPD～10-14W/Hz1/24.1光伏探測器的原理和特性當前第15頁\共有76頁\編于星期四\19點4.1光伏探測器的原理和特性5.光譜特性光伏探測器波長響應(yīng)范圍紫外光可見光紅外－－遠紅外光當前第16頁\共有76頁\編于星期四\19點4.1光伏探測器的原理和特性5.光譜特性光伏探測器波長響應(yīng)范圍紫外光可見光近紅外－－遠紅外光光電導探測器波長響應(yīng)范圍紫外光可見光近紅外－－極遠紅外光二者光譜響應(yīng)范圍的差別？為什么？當前第17頁\共有76頁\編于星期四\19點4.1光伏探測器的原理和特性6.響應(yīng)時間和頻率特性

光伏效應(yīng)示意圖響應(yīng)時間：擴散時間～10-9s漂移時間～10-11s電路時間常數(shù)1.5×10－9s光敏區(qū)薄，縮短擴散時間；當前第18頁\共有76頁\編于星期四\19點4.1光伏探測器的原理和特性6.響應(yīng)時間和頻率特性

頻率特性：僅考慮電路時間常數(shù)硅光電二極管~幾百兆赫，~上千兆赫的響應(yīng)頻率;PIN光電二極管~10GHz,雪崩光電二極管100GHz當前第19頁\共有76頁\編于星期四\19點4.1光伏探測器的原理和特性比較：頻率特性光伏探測器光電導探測器光伏探測器頻率特性由電路時間常數(shù)決定光電導探測器頻率特性由載流子壽命決定當前第20頁\共有76頁\編于星期四\19點4.2常用光伏探測器4.2.1硅光電池4.2.2硅光電二極管4.2.3硅光電三極管4.2.4PIN光電二極管4.2.5雪崩光電二極管4.2.6紫外光電二極管4.2.7碲鎘汞、碲錫鉛紅外光電二極管當前第21頁\共有76頁\編于星期四\19點4.2常用光伏探測器4.2.1硅光電池工作區(qū)域：第四象限：當前第22頁\共有76頁\編于星期四\19點4.2常用光伏探測器結(jié)構(gòu)：分類：－－主要功能是作為光電探測用，光照特性的線性度好太陽能光電池測量光電池－－主要用作電源，轉(zhuǎn)換效率高、成本低(SolarCells)4.2.1硅光電池當前第23頁\共有76頁\編于星期四\19點4.2常用光伏探測器光電特性照度—電流電壓特性照度—負載特性4.2.1硅光電池當前第24頁\共有76頁\編于星期四\19點伏安特性光電池伏安特性4.2常用光伏探測器4.2.1硅光電池當前第25頁\共有76頁\編于星期四\19點伏安特性4.2常用光伏探測器－－表示輸出電流和電壓隨負載電阻變化的曲線無外加偏壓（自偏壓）4.2.1硅光電池當前第26頁\共有76頁\編于星期四\19點4.2常用光伏探測器4.2.2硅光電二極管結(jié)構(gòu)：摻雜濃度較低；電阻率較高；結(jié)區(qū)面積??；通常多工作于反偏置狀態(tài)；結(jié)電容小，頻率特性好；光電流比光電池小得多，一般多在微安級比較：光電二極管與光電池表4－2和表4－1（Photodiode，簡稱PD）當前第27頁\共有76頁\編于星期四\19點4.2常用光伏探測器4.2.3硅光電三極管－－又稱為光電晶體管（Phototransistor，簡稱PT）光電三極管在電子線路中的符號當前第28頁\共有76頁\編于星期四\19點4.2常用光伏探測器4.2.3硅光電三極管原理性結(jié)構(gòu)圖：又稱為光電晶體管（Phototransistor，簡稱PT）光電三極管的結(jié)構(gòu)和普通晶體管類似，但它的外殼留有光窗當前第29頁\共有76頁\編于星期四\19點4.2常用光伏探測器4.2.3硅光電三極管原理圖：又稱為光電晶體管（Phototransistor，簡稱PT）NPN光電三極管可等效為一個硅光電二極管和一個普通晶體管組合而成。當前第30頁\共有76頁\編于星期四\19點4.2常用光伏探測器4.2.3硅光電三極管比較：光電三極管與光電二極管表4－3和表4－2硅光電二極管光電特性硅光電三極管光電特性光電三極管：輸出光電流大

光電特性“非線性”，頻率特性較差當前第31頁\共有76頁\編于星期四\19點4.2常用光伏探測器4.2.4PIN光電二極管結(jié)構(gòu)：(PINPhotodiode，簡稱PINPD)在摻雜濃度很高的P型半導體和N型半導體之間夾著一層較厚的高阻本征半導體I結(jié)電容變得更小，頻率響應(yīng)高，帶寬可達10GHz；線性輸出范圍寬特點：應(yīng)用：光通信、光雷達等快速光檢測領(lǐng)域

光經(jīng)波導從I層進入當前第32頁\共有76頁\編于星期四\19點PIN光電二極管工作原理摘自國家精品課程《光纖通信技術(shù)》--深圳職業(yè)技術(shù)學院制作當前第33頁\共有76頁\編于星期四\19點4.2常用光伏探測器4.2.4PIN光電二極管(PINPhotodiode，簡稱PINPD)美國AT&T貝爾實驗室：帶微諧振腔的InP／InGaAs光電二極管，。同時獲得了高量子效率和大的帶寬?？朔顺Ｒ?guī)PIN光電二極管兩者不可兼得的缺點．該光電二極管光敏面Φ＝150μm．峰值波長1.48μm、暗電流為14nA．量子效率為82％時,結(jié)電容為0.757PF。當前第34頁\共有76頁\編于星期四\19點PIN光電二極管

實例：當前第35頁\共有76頁\編于星期四\19點4.2常用光伏探測器4.2.5雪崩光電二極管(AvalanchePhotodiode，簡稱APD)內(nèi)增益：M<1；M>1；M>>1外電路單位時間內(nèi)的電子數(shù)器件內(nèi)單位時間內(nèi)的光電子數(shù)APD內(nèi)增益：102～103

當前第36頁\共有76頁\編于星期四\19點高反壓(100～200V)強電場載流子加速碰撞新載流子雪崩倍增－－光電流的放大APD內(nèi)增益：102～103

4.2常用光伏探測器4.2.5雪崩光電二極管1.結(jié)構(gòu)原理：當前第37頁\共有76頁\編于星期四\19點4.2常用光伏探測器雪崩光電二極管工作原理摘自國家精品課程《光纖通信技術(shù)》--深圳職業(yè)技術(shù)學院制作當前第38頁\共有76頁\編于星期四\19點4.2.5雪崩光電二極管2.雪崩增益M

：UB為擊穿電壓U增加到接近UB

－－得到很大的倍增U很低

－－沒有倍增現(xiàn)象U超過UB

－－噪聲電流很大APD合適工作點：

U接近UB，但不超過當前第39頁\共有76頁\編于星期四\19點APD合適工作點：

U接近，但不超過UB與溫度的關(guān)系穩(wěn)定APD工作點：1.穩(wěn)壓2.恒溫4.2.5雪崩光電二極管2.雪崩增益M

：當前第40頁\共有76頁\編于星期四\19點APD合適工作點：

U接近，但不超過穩(wěn)定APD工作點：1.穩(wěn)壓2.恒溫APD工作電路舉例：恒溫箱4.2.5雪崩光電二極管2.雪崩增益M

：當前第41頁\共有76頁\編于星期四\19點4.2常用光伏探測器4.2.5雪崩光電二極管(AvalanchePhotodiode，簡稱APD)APD內(nèi)增益：102～103

3.噪聲特性4.響應(yīng)時間（0.05~2.0ns）1.結(jié)構(gòu)原理2.雪崩增益M當前第42頁\共有76頁\編于星期四\19點雪崩光電二極管實例：當前第43頁\共有76頁\編于星期四\19點雪崩光電二極管PINPD～10-14W/Hz1/2APD～10-15W/Hz1/2Si-PD～10-13W/Hz1/2PMT～10-16W/Hz1/2當前第44頁\共有76頁\編于星期四\19點4.2常用光伏探測器4.2.1硅光電池4.2.2硅光電二極管4.2.3硅光電三極管4.2.4PIN光電二極管4.2.5雪崩光電二極管4.2.6紫外光電二極管4.2.7碲鎘汞、碲錫鉛紅外光電二極管當前第45頁\共有76頁\編于星期四\19點4.3光伏探測器組合器件光伏探測器的組合器件特點是：大多在一塊硅片上按一定要求制造出若干個光伏探測器，可用來代替由分立光伏探測器而組成的變換裝置，不僅具有光敏點密集量大，裝置結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、調(diào)節(jié)方便、精確度高等優(yōu)點，而且還可以擴大變換裝置的應(yīng)用范圍。－－也稱為集成結(jié)型光電器件當前第46頁\共有76頁\編于星期四\19點4.3光伏探測器組合器件－－也稱為集成結(jié)型光電器件4.3.1半導體色敏感器件4.3.2陣列式光電器件4.3.3象限式光電器件4.3.4光電位置探測器4.3.5光電耦合器當前第47頁\共有76頁\編于星期四\19點4.3光伏探測器組合器件4.3.1半導體色敏感器件1.結(jié)構(gòu)原理

同一塊硅片上制造的兩個深淺不同的PN結(jié)：－－PD1為淺結(jié)，對波長短的光響應(yīng)率高；－－PD2為深結(jié)，對波長長的光響應(yīng)率高。雙結(jié)光電二極管半導體色敏器件當前第48頁\共有76頁\編于星期四\19點4.3光伏探測器組合器件2.檢測電路

對應(yīng)于不同顏色波長的輸出電壓值UT=kT/e，室溫條件下，UT≈26mV；Isc1和Isc2分別為PD1、PD2的短路電流對數(shù)放大器差動放大器4.3.1半導體色敏感器件當前第49頁\共有76頁\編于星期四\19點4.3光伏探測器組合器件3.短路電流比

短路電流比與入射波長關(guān)系入射波長與輸出電壓關(guān)系4.3.1半導體色敏感器件當前第50頁\共有76頁\編于星期四\19點4.3光伏探測器組合器件4.應(yīng)用舉例

半導體色敏器件特點：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低等。－－在工業(yè)上可以自動檢測紙、紙漿、染料的顏色；－－醫(yī)學上可以測定皮膚、牙齒等的顏色；－－用于家電中電視機的彩色調(diào)整、商品顏色及代碼的讀取等，它是非常有發(fā)展前途的一種新型半導體光電器件。半導體色敏器件是非常有發(fā)展前途的一種新型半導體光電器件。CCD攝像器件－－顏色識別功能4.3.1半導體色敏感器件當前第51頁\共有76頁\編于星期四\19點4.3光伏探測器組合器件4.3.2陣列式光電器件10DP型光電二極管線陣器件結(jié)構(gòu)：當前第52頁\共有76頁\編于星期四\19點4.3光伏探測器組合器件100以上，一維光學圖像、空間頻譜分析

--線陣CCD2個，光點移動方向用途：2～4個，相位信息4.3.2陣列式光電器件當前第53頁\共有76頁\編于星期四\19點4.3光伏探測器組合器件4.3.3象限式光電器件——準直、定位、跟蹤、頻譜分析各種象限式光電器件示意圖當前第54頁\共有76頁\編于星期四\19點4.3光伏探測器組合器件以四象限為例：若入射光為正中心O，4個PD的輸出均等；若偏于1象限，則PD1輸出較大，其余均較小工作原理缺點：光敏面上有象限分隔線，對光斑位置不能進行連續(xù)測量，位置分辨率受影響

4.3.3象限式光電器件當前第55頁\共有76頁\編于星期四\19點4.3光伏探測器組合器件特點：光敏面上無象限分隔線，對光斑位置可進行連續(xù)測量，位置分辨率高

4.3.4光電位置探測器－－PositionSensitiveDetectors，簡稱PSD一維PSD結(jié)構(gòu)三層：－－上面為P層－－下面為N層－－中間為I層P層光敏層，電阻均勻當前第56頁\共有76頁\編于星期四\19點4.3光伏探測器組合器件4.3.4光電位置探測器P層的電阻率分布均勻、負載及電極接觸電阻為零當前第57頁\共有76頁\編于星期四\19點4.3光伏探測器組合器件4.3.5光電耦合器光電耦合器是發(fā)光器件與接收器件組合的一種元件。發(fā)光器件：常采用發(fā)光二極管接收器件：常用光電二極管、光電三極管、光集成電路等當前第58頁\共有76頁\編于星期四\19點例1.計算機系統(tǒng)中終端設(shè)備

與主機的隔離運行大型計算機主機用戶終端設(shè)備光4.3.5光電耦合器當前第59頁\共有76頁\編于星期四\19點4.3光伏探測器組合器件總結(jié)：4.3.1半導體色敏感器件4.3.2陣列式光電器件4.3.3象限式光電器件4.3.4光電位置探測器4.3.5光電耦合器當前第60頁\共有76頁\編于星期四\19點4.4光伏探測器的偏置電路－－為使器件正常工作，提供合適的電流或者電壓TRb+UCCcR偏置電路:例如：意義：1.提高探測靈敏度2.提高頻率響應(yīng)3.降低噪聲－－偏置電壓－－偏置電阻當前第61頁\共有76頁\編于星期四\19點反向偏置電路自偏置電路零伏偏置電路4.4光伏探測器的偏置電路當前第62頁\共有76頁\編于星期四\19點4.4.1自偏置電路4.4光伏探測器的偏置電路當前第63頁\共有76頁\編于星期四\19點1．短路或線性電流放大區(qū)2．空載電壓輸出區(qū)3．功率放大區(qū)4.4光伏探測器的偏置電路光電池自偏置電路4.4.1自偏置電路當前第64頁\共有76頁\編于星期四\19點1．短路或線性電流放大區(qū)RL0=0(運放虛短)放大器的輸入電阻為：ri=0～10Ω線性放大區(qū)：線性好、輸出光電流大，暗電流近似為零、信噪比好，適合弱光信號檢測。4.4光伏探測器的偏置電路4.4.1自偏置電路當前第65頁\共有76頁\編于星期四\19點2．空載電壓輸出區(qū)RL～1MΩ光電池處于接近開路狀態(tài)光照，輸出電壓從0跳躍到0.45～0.6V空載電壓輸出區(qū)：具有很高的光電轉(zhuǎn)換靈敏度，不需偏置電源，適合于開關(guān)或控制電路

4.4光伏探測器的偏置電路4.4.1自偏置電路當前第66頁\共有76頁\編于星期四\19點4.4.2零伏偏置電路兩種零伏偏置電路：0自偏置：負載電阻為零反偏置：反偏壓很小或為零4.4光伏探測器的偏置電路當前第67頁\共有76頁\編于星期四\19點1．零伏偏置電路特點中遠紅外波段光伏探測器：－－窄禁帶（Eg很?。?，受熱激發(fā)影響較大，反向偏壓不能大(一般為幾百毫伏至一點幾伏)－－零伏偏置或接近于零伏偏置。質(zhì)量好的光伏探測器：零伏偏置，1／f噪聲最小，