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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