光伏探测器PPT课件

《光伏探测器PPT课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光伏探测器PPT课件（84页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、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：,2,光伏器件 简称PV（Photovolt）,单元器件,线阵器件,四象限器件,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,4,4.1 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Isc,3暗电流和温度特性,4噪声、信噪比和噪声

2、等效功率,5. 光谱特性,6. 响应时间和频率特性,5,4.1 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,6,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,7,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,8,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,9,伏安特性,光电二极管,光电池,普通二极管,1.

3、光照下的PN结电流方程及伏安特性,10,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,11,4.1 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,12,4.1 光伏探测器的原理和特性,电流方程,暗电流,常温条件下，暗电流 硅光电二极管 100nA 硅PIN光电二极管1nA,3. 暗电流,13,4.1 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：

4、 1.降低温度 2.偏压为零或为负,14,4.1 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。,15,光电二极管噪声等效功率计算,PIN PD 10-14W/Hz1/2,4.1 光伏探测器的原理和特性,16,4.1 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 200nm,17,4.1 光伏探测器的原理和特性,5. 光谱特性

5、,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？,18,4.1 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 1.5109 s,光敏区薄，缩短扩散时间；边注入技术，？扩散时间,19,4.1 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100GHz,20,4.1 光伏探测器的原理和特性

6、,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,21,4.2 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,4.2.4 PIN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,22,4.2 常用光伏探测器,4.2.1 硅光电池,工作区域：第四象限：,23,4.2 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,(Solar Cell

7、s),4.2.1 硅光电池,24,4.2 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,25,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,26,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,27,光谱特性,4.2 常用光伏探测器,普通型、短波长响应型,4.2.1 硅光电池,频率特性,数十kHz 原因？,温度特性,开路电压负温度系数 短路电流正温度系数,28,4.2 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

8、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42和表41,（Photodiode，简称PD）,29,4.2 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,30,4.2 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,31,4.2 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（Phototra

9、nsistor，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。,32,4.2 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43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,33,4.2 常用光伏探测器,4.2.4 PIN光电二极管,结构：,(PIN Photodiode，简称PIN PD),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

10、光检测领域,光经波导从I层进入,34,PIN光电二极管工作原理,35,4.2 常用光伏探测器,4.2.4 PIN光电二极管,(PIN Photodiode，简称PIN PD),美国AT&T贝尔实验室：带微谐振腔的InPInGaAs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150m峰值波长1.48m、暗电流为14nA量子效率为82时, 结电容为0.757PF。,36,PIN光电二极管实例：,37,4.2 常用光伏探测器,4.2.5 雪崩光电二极管,(Avalanche Photodiode，简称APD),内增益： M1； M1,

11、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：102103,38,高反压(100200 V),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：102103,4.2 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,40,4.2.5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,41,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.

12、稳压 2. 恒温,4.2.5雪崩光电二极管,2.雪崩增益M ：,42,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 ：,43,4.2 常用光伏探测器,4.2.5雪崩光电二极管,(Avalanche Photodiode，简称APD),APD内增益：102103,3.噪声特性,4.响应时间 （0.052.0ns）,1.结构原理,2.雪崩增益M,44,雪崩光电二极管 实例：,45,雪崩光电二极管,PIN PD 10-14W/Hz1/2,APD 10-15W/Hz1/2,Si-PD 10-13

13、W/Hz1/2 PMT 10-16W/Hz1/2,46,4.2 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,4.2.4 PIN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,48,4.3 光伏探测器组合器件,也称

14、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,49,4.3 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,50,4.3 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，UT26mV；Isc1和Isc2分别为PD1、PD2的短路电流,对数放大器 差动放大器,4.3.1半导体色敏感器件,51

15、,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,52,4.3 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,53,4.3 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：,54,4.3 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CCD,2个， 光点移动方向,用途：,24个， 相位信息,4.3.2阵列式光电器件,55,4.3 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,56,4.3 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