光伏探测器.ppt
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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 结合前结合前结合后结
2、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
3、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?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
4、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 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
5、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
6、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 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 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 10
7、0nA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 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 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、暗电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流的散粒噪声和PN结漏电阻结漏电阻R
8、sh的热噪声。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。光电二极管光电二极管噪声等效功率噪声等效功率计算计算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
9、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
10、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:仅考虑电路时间常数仅考虑电路时间常数 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:频率特性频率特性光伏探测器光伏探测器光电导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
11、路电压为Uoc1,求照度为E2下的开路电压Uoc2?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
12、:4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器结构:结构:分类:分类:主要功能是作为光电探测主要功能是作为光电探测用,光照特性的线性度好用,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,转换效率主要用作电源,转换效率高、成本低高、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
13、.2.1 硅光电池硅光电池 伏安特性伏安特性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 硅光电池硅光电池 硅光电池的伏安特性硅光电池的伏安特性4.2 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
14、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,输出功输出功率率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
15、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 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区(RLRj)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 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
16、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;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
17、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
18、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 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硅光电池
19、 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
20、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、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
21、 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兼光电二极管两者不可兼得的缺点得的缺点 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
22、称APD)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
23、.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:UB为击穿电压为击穿电压 U增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
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