光伏探测器精选PPT.ppt
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1、光伏探测器第1页,此课件共84页哦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第2页,此课件共84页哦第第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第3页,此课件共84页哦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
2、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 第4页,此课件共84页哦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 第5页,此课件共84页哦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第6页,此课件共84页哦伏安特性伏安特性第三象限:第三象限:光电导模式光电
3、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!反向偏压可以减小载反向偏压可以减小载流子的渡越时间和二流子的渡越时间和二极管的极间电容,有极管的极间电容,有利于提高器件的利于提高器件的响应响应灵敏度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7页,此课件共84页哦第四象限: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第8页,此课件共84页哦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P
4、N结电流方程及伏安特性结电流方程及伏安特性第9页,此课件共84页哦等效电路等效电路(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第10页,此课件共84页哦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 第11页,此课件共84页哦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
5、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.暗电流暗电流第12页,此课件共84页哦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第13页,此课件共84页哦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
6、要包括器件中光电流的散粒噪声、暗电流的散粒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噪声和PN结漏电阻结漏电阻Rsh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。第14页,此课件共84页哦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第15页,此课件共84页哦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
7、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 200nm第16页,此课件共84页哦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?第17页,此课件共84页哦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
8、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,?扩散时间扩散时间第18页,此课件共84页哦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: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,雪崩光电雪崩光电二极管二极管100GHz第19页,此课件共84页哦4.1 4.
9、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光伏探测器频率特性由电路时间常数电路时间常数决定决定光电导探测器频率特性由光电导探测器频率特性由载流子寿命载流子寿命决定决定第20页,此课件共84页哦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.
10、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第21页,此课件共84页哦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:第22页,此课件共84页哦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用,主要功能是作为光电探测用,光照特性的线性度好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,转换效率高、主要用作电源,转换效率高、成本低成本低(Solar Cells)4.2.1 4.2
11、.1 硅光电池硅光电池 第23页,此课件共84页哦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 第24页,此课件共84页哦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 第25页,此课件共84页哦伏安特性伏安特性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
12、硅光电池 第26页,此课件共84页哦光谱特性光谱特性4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器普通型、短波长响应型普通型、短波长响应型 4.2.1 4.2.1 硅光电池硅光电池 频率特性频率特性数十数十kHz 原因?原因?温度特性温度特性开路电压开路电压负温度系数负温度系数短路电流短路电流正温度系数正温度系数第27页,此课件共84页哦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
13、管与光电池 表表42和表和表41(Photodiode,简称,简称PD)第28页,此课件共84页哦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第29页,此课件共84页哦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)光电三极管的结构和普通晶体管类似,但它的
14、外壳留有光窗 第30页,此课件共84页哦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。第31页,此课件共84页哦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”,频率特性较差第
15、32页,此课件共84页哦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厚的高阻本型半导体之间夹着一层较厚的高阻本征半导体征半导体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 第33页,此课件共84页哦PIN光电二极管工作原理光
16、电二极管工作原理第34页,此课件共84页哦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,。同时获得了高量子效率和大的高量子效率和大的带宽带宽。克服了常规。克服了常规PIN光电二极管两者不可兼得的光电二极管两者不可兼得的缺点缺点 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,结电容为结电容为0.757PF。第
17、35页,此课件共84页哦PIN光电二极管光电二极管实例:实例:第36页,此课件共84页哦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)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 第37页,此课件共84页哦高反压高反压(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
18、.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:第38页,此课件共84页哦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第39页,此课件共84页哦 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: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,但不超过第40页,此课件共84页哦APD合适工作点:合适工作点:U接近
19、,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:第41页,此课件共84页哦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雪崩光电二极管雪崩光电二极管2.雪崩增益雪崩增益M:第42页,此课件共84页哦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
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