第04章_光伏探測器

1、第第0404章章 光伏探測器光伏探測器利用半導(dǎo)體光伏效應(yīng)制作的器件稱為利用半導(dǎo)體光伏效應(yīng)制作的器件稱為光伏探光伏探測器測器，簡稱，簡稱PV（Photovoltaic）探測器，也）探測器，也稱稱結(jié)型結(jié)型光電器件。光電器件。 PNPN結(jié)受到光照時(shí)，可在結(jié)受到光照時(shí)，可在PNPN結(jié)結(jié)的兩端產(chǎn)生光生的兩端產(chǎn)生光生電勢差，這種現(xiàn)象則稱為電勢差，這種現(xiàn)象則稱為光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)。 光伏效應(yīng)：光伏效應(yīng)：光伏探測器：光伏探測器：光伏器件光伏器件簡稱簡稱PV（Photovolt）單元器件線陣器件四象限器件PN結(jié)的形成結(jié)的形成 擴(kuò)散擴(kuò)散=漂移漂移 平衡平衡 PNPN結(jié)結(jié)PN結(jié)能帶與勢壘結(jié)能帶與勢壘 結(jié)合前結(jié)合前結(jié)合

2、后結(jié)合后費(fèi)米能級與導(dǎo)帶或價(jià)帶的相對位置由材料摻雜決定費(fèi)米能級與導(dǎo)帶或價(jià)帶的相對位置由材料摻雜決定一個(gè)平衡系統(tǒng)只能有一個(gè)一個(gè)平衡系統(tǒng)只能有一個(gè)費(fèi)米能級費(fèi)米能級 PN結(jié)能帶與勢壘結(jié)能帶與勢壘* E電場力電場力偏壓：偏壓：外加在外加在PNPN結(jié)兩端的電壓結(jié)兩端的電壓方向由方向由P P區(qū)指向區(qū)指向N N區(qū)區(qū) 正向電流：正向電流：正向偏壓正向偏壓:負(fù)離子數(shù)減少負(fù)離子數(shù)減少正離子數(shù)減少正離子數(shù)減少外加電場外加電場 正向偏壓正向偏壓作用下，耗盡區(qū)寬度作用下，耗盡區(qū)寬度變小變小T/0011U UeU kTIIeIe（） （）電流方程：電流方程：正向偏壓正向偏壓 繼續(xù)增大，耗盡層越來越薄繼續(xù)增大，耗盡層越來越薄

3、反向偏壓反向偏壓:負(fù)離子數(shù)增加負(fù)離子數(shù)增加正離子數(shù)增加正離子數(shù)增加外加電場外加電場 反向偏壓反向偏壓作用下，耗盡區(qū)寬度作用下，耗盡區(qū)寬度變大變大反向偏壓反向偏壓:負(fù)離子數(shù)增加負(fù)離子數(shù)增加正離子數(shù)增加正離子數(shù)增加外加電場外加電場反向電流反向電流: 數(shù)值較?。繑?shù)值較?。縏/0011U UeU kTIIeIe（） （）電流方程：電流方程：正向電流和反向電流：正向電流和反向電流：第第0404章章 光伏探測器光伏探測器4.1 4.1 光伏探測器的原理和特性光伏探測器的原理和特性4.2 4.2 常用光伏探測器常用光伏探測器4.3 4.3 光伏探測器組合器件光伏探測器組合器件4.4 4.4 光伏探測器的偏置

4、電路光伏探測器的偏置電路4.1 4.1 光伏探測器的原理和特性光伏探測器的原理和特性1. 光照下的光照下的PN結(jié)電流方程及伏安特性結(jié)電流方程及伏安特性 2. 開路電壓開路電壓Uoc和短路電流和短路電流Isc3暗電流和溫度特性暗電流和溫度特性4噪聲、信噪比和噪聲等效功率噪聲、信噪比和噪聲等效功率5. 光譜特性光譜特性 6. 響應(yīng)時(shí)間和頻率特性響應(yīng)時(shí)間和頻率特性 4.1 4.1 光伏探測器的原理和特性光伏探測器的原理和特性1. 光照下的光照下的PN結(jié)電流方程及伏安特性結(jié)電流方程及伏安特性電流方程電流方程 /0p1e Uk TIIeI伏安特性伏安特性 伏安特性伏安特性第一象限：普通二極管第一象限：普

5、通二極管 光電探測器光電探測器 這個(gè)區(qū)域沒有意義！這個(gè)區(qū)域沒有意義！ 1. 光照下的光照下的PN結(jié)電流方程及伏安特性結(jié)電流方程及伏安特性伏安特性伏安特性第三象限：第三象限：光電導(dǎo)模式光電導(dǎo)模式 光電二極管光電二極管 這個(gè)區(qū)域重要意義！這個(gè)區(qū)域重要意義！ 反向偏壓可以減小反向偏壓可以減小載流子的渡越時(shí)間載流子的渡越時(shí)間和二極管的極間電和二極管的極間電容，有利于提高器容，有利于提高器件的件的響應(yīng)靈敏度響應(yīng)靈敏度和和響應(yīng)頻率響應(yīng)頻率。 1. 光照下的光照下的PN結(jié)電流方程及伏安特性結(jié)電流方程及伏安特性第四象限：第四象限：光伏模式光伏模式 光電池光電池 工作區(qū)域工作區(qū)域伏安特性伏安特性1. 光照下的光

6、照下的PN結(jié)電流方程及伏安特性結(jié)電流方程及伏安特性伏安特性伏安特性光電二極管光電二極管 光電池光電池 普通二極管普通二極管 1. 光照下的光照下的PN結(jié)電流方程及伏安特性結(jié)電流方程及伏安特性等效電路等效電路 （意義：分析與計(jì)算）（意義：分析與計(jì)算）1. 光照下的光照下的PN結(jié)電流方程及伏安特性結(jié)電流方程及伏安特性/0p1e Uk TIIeI電流源電流源普通二極管普通二極管4.1 4.1 光伏探測器的原理和特性光伏探測器的原理和特性 2. 開路電壓開路電壓Uoc和短路電流和短路電流Iscp/01IeIIkTqU負(fù)載電阻RL，光伏探測器兩端的電壓稱為開路電壓 ocp0ln/1kTUIIe（）負(fù)載電

7、阻RL=0，流過光伏探測器稱為短路電流 scpIIS E -開路電壓短路電流 4.1 4.1 光伏探測器的原理和特性光伏探測器的原理和特性電流方程電流方程 /0pdp1eUkTIIeIII/d01eUkTIIe暗電流暗電流 硅光電二極管暗電流的溫度特性 常溫條件下，暗電流常溫條件下，暗電流硅光電二極管硅光電二極管 100nA硅硅PIN光電二極管光電二極管1nA3. 暗電流暗電流4.1 4.1 光伏探測器的原理和特性光伏探測器的原理和特性3. 暗電流暗電流電流方程電流方程 /0pdp1eU kTIIeIII/d01eU kTIIe暗電流暗電流暗電流的影響：暗電流的影響： 1.弱光的測量弱光的測量

8、 2.增大散粒噪聲增大散粒噪聲暗電流減小方法：暗電流減小方法： 1.降低溫度降低溫度 2.偏壓為零或?yàn)樨?fù)偏壓為零或?yàn)樨?fù)4.1 4.1 光伏探測器的原理和特性光伏探測器的原理和特性4噪聲、信噪比和噪聲等效功率噪聲、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電流的散粒噪聲和PN結(jié)漏電阻結(jié)漏電阻Rsh的熱噪聲。的熱噪聲。 2npdshL4422kT fkT fieIfeIfRR 噪聲等效功率 2dniNEPS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(xiàn)。光電二極管光電二極管

9、噪聲等效功率噪聲等效功率計(jì)算計(jì)算Dp2e IIfNEPS（）PIN PD 10-14W/Hz1/24.1 4.1 光伏探測器的原理和特性光伏探測器的原理和特性4.1 4.1 光伏探測器的原理和特性光伏探測器的原理和特性5. 光譜特性光譜特性光伏探測器光伏探測器波長響應(yīng)范圍波長響應(yīng)范圍紫外光紫外光可見光可見光紅外遠(yuǎn)紅外光紅外遠(yuǎn)紅外光P86 紫外紫外光電二極管光電二極管 200nm4.1 4.1 光伏探測器的原理和特性光伏探測器的原理和特性5. 光譜特性光譜特性光伏探測器光伏探測器波長響應(yīng)范圍波長響應(yīng)范圍紫外光紫外光可見光可見光近紅外近紅外遠(yuǎn)遠(yuǎn)紅外光紅外光光電導(dǎo)探測器光電導(dǎo)探測器波長響應(yīng)范圍波長響

10、應(yīng)范圍紫外光紫外光可見光可見光近紅外近紅外 極遠(yuǎn)極遠(yuǎn)紅外光紅外光二者光譜響應(yīng)范圍的差別？二者光譜響應(yīng)范圍的差別？為什么？為什么？4.1 4.1 光伏探測器的原理和特性光伏探測器的原理和特性 6. 響應(yīng)時(shí)間和頻率特性響應(yīng)時(shí)間和頻率特性 光伏效應(yīng)示意圖光伏效應(yīng)示意圖響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間： 擴(kuò)散時(shí)間擴(kuò)散時(shí)間10-9s 漂移時(shí)間漂移時(shí)間10-11s 電路時(shí)間常數(shù)電路時(shí)間常數(shù) 1.5109 s光敏區(qū)薄，光敏區(qū)薄，縮短縮短擴(kuò)散時(shí)間；邊注入技術(shù)，擴(kuò)散時(shí)間；邊注入技術(shù)，？擴(kuò)散時(shí)間擴(kuò)散時(shí)間4.1 4.1 光伏探測器的原理和特性光伏探測器的原理和特性 6. 響應(yīng)時(shí)間和頻率特性響應(yīng)時(shí)間和頻率特性 頻率特性：頻率特性：

11、 僅考慮電路時(shí)間常數(shù)僅考慮電路時(shí)間常數(shù)eLjR CHCe12f 硅光電二極管硅光電二極管幾百兆赫，幾百兆赫，上千兆赫的響應(yīng)頻率上千兆赫的響應(yīng)頻率; PIN光電二極管光電二極管10GHz,雪崩光雪崩光電二極管電二極管100GHz4.1 4.1 光伏探測器的原理和特性光伏探測器的原理和特性比較：比較：頻率特性頻率特性HCe12f光伏探測器光伏探測器光電導(dǎo)探測器光電導(dǎo)探測器HCc12f光伏探測器頻率特性由電路時(shí)間常數(shù)決定光伏探測器頻率特性由電路時(shí)間常數(shù)決定光電導(dǎo)探測器頻率特性由載流子壽命決定光電導(dǎo)探測器頻率特性由載流子壽命決定 例.若PN結(jié)在照度E1下的開路電壓為Uoc1，求照度為E2下的開路電壓U

12、oc2？ 4.2 4.2 常用光伏探測器常用光伏探測器4.2.1 4.2.1 硅光電池硅光電池 4.2.2 4.2.2 硅光電二極管硅光電二極管4.2.3 4.2.3 硅光電三極管硅光電三極管4.2.4 PIN4.2.4 PIN光電二極管光電二極管4.2.5 4.2.5 雪崩光電二極管雪崩光電二極管4.2.6 4.2.6 紫外光電二極管紫外光電二極管4.2.7 4.2.7 碲鎘汞、碲錫鉛紅外光電二極管碲鎘汞、碲錫鉛紅外光電二極管4.2 4.2 常用光伏探測器常用光伏探測器 4.2.1 4.2.1 硅光電池硅光電池 工作區(qū)域：第四象限：工作區(qū)域：第四象限：4.2 4.2 常用光伏探測器常用光伏探

13、測器結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：分類：分類：主要功能是作為光電探主要功能是作為光電探測用，光照特性的線性度好測用，光照特性的線性度好太陽能光電池太陽能光電池測量光電池測量光電池主要用作電源，轉(zhuǎn)換效主要用作電源，轉(zhuǎn)換效率高、成本低率高、成本低(Solar Cells) 4.2.1 4.2.1 硅光電池硅光電池 4.2 4.2 常用光伏探測器常用光伏探測器光電特性光電特性照度照度電流電壓特性電流電壓特性照度照度負(fù)載特性負(fù)載特性 4.2.1 4.2.1 硅光電池硅光電池 伏安特性伏安特性光電池伏安特性光電池伏安特性 4.2 4.2 常用光伏探測器常用光伏探測器 4.2.1 4.2.1 硅光電池硅光電池 伏安特性伏安

14、特性4.2 4.2 常用光伏探測器常用光伏探測器表示輸出電流和電壓隨表示輸出電流和電壓隨負(fù)載電阻負(fù)載電阻變化的曲線變化的曲線無外加偏壓無外加偏壓（自偏壓自偏壓） 4.2.1 4.2.1 硅光電硅光電池池 硅光電池的伏安特性硅光電池的伏安特性ES0REPscLII1)(e0EKTqV0LII) 1(lnVR0PLIIqkTocpKTqV0L1)(eIII4.2 4.2 常用光伏探測器常用光伏探測器硅光電池的光譜特性硅光電池的光譜特性2000400060008000100001200020406080100(%)ISi藍(lán)Si入射光能量一定的條件下，光電池所產(chǎn)入射光能量一定的條件下，光電池所產(chǎn)生的短

15、路電流和入射波長的關(guān)系生的短路電流和入射波長的關(guān)系4.2 4.2 常用光伏探測器常用光伏探測器硅光電池的頻率響應(yīng)硅光電池的頻率響應(yīng) 要得到短的響應(yīng)時(shí)間，選擇小的負(fù)載電阻 面積越大，響應(yīng)時(shí)間越長 提高頻響的方法： 在光導(dǎo)模式下使用4.2 4.2 常用光伏探測器常用光伏探測器硅光電池變換電路硅光電池變換電路L2LKTqV0PLLLP1)(eRIIIIRIVL負(fù)載電阻負(fù)載電阻RL所獲得的功率所獲得的功率PL與負(fù)載電阻的阻值有與負(fù)載電阻的阻值有關(guān)，當(dāng)關(guān)，當(dāng)RL=0（電路為短路）時(shí)，（電路為短路）時(shí)，U=0，輸出功率，輸出功率PL=0；當(dāng)；當(dāng)RL=（電路為開路）時(shí)，（電路為開路）時(shí)，IL=0，輸出，輸出

16、功率功率PL=0；RL0時(shí)，輸出功率時(shí)，輸出功率PL0。顯然，。顯然，存在著最佳負(fù)載電阻存在著最佳負(fù)載電阻Ropt，在最佳負(fù)載電阻情況，在最佳負(fù)載電阻情況下負(fù)載可以獲得最大的輸出功率下負(fù)載可以獲得最大的輸出功率Pmax。 4.2 4.2 常用光伏探測器常用光伏探測器光電池線性工作時(shí)負(fù)載電阻的選擇光電池線性工作時(shí)負(fù)載電阻的選擇 最佳負(fù)載電阻最佳負(fù)載電阻 ESVRIVIVREocjscmmmj)8.06.0(4.2 4.2 常用光伏探測器常用光伏探測器的對數(shù)成正比時(shí)，輸出電壓與光照度區(qū)：時(shí)，光電流線性區(qū)區(qū)：jLjLRRRR4.2 4.2 常用光伏探測器常用光伏探測器區(qū)（RLRj) 1電流輸出： 要

17、求硅光電池的負(fù)載電阻上的電流與光照 度成線性關(guān)系 電流放大器ESIESIIELEscL4.2 4.2 常用光伏探測器常用光伏探測器區(qū)（RLRj) 2 電壓輸出： 要求硅光電池的負(fù)載電阻上的電壓與光照 度成線性關(guān)系 電壓放大器 負(fù)載電阻大，輸出電壓大 滿足RL Rj) 為了獲得最大的輸出電壓，應(yīng)用在開路狀態(tài)，要求后級放大器的輸入阻抗高。應(yīng)用于開關(guān)電路中應(yīng)用于開關(guān)電路中4.2 4.2 常用光伏探測器常用光伏探測器4.2 4.2 常用光伏探測器常用光伏探測器4.2.2 4.2.2 硅光電二極管硅光電二極管結(jié)構(gòu)：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；

18、光電流比光電池小得多，一般多在微安級比較：比較：光電二極管與光電池光電二極管與光電池 表表42和表和表41（Photodiode，簡稱，簡稱PD） 4.2 4.2 常用光伏探測器常用光伏探測器4.2.3 4.2.3 硅光電三極管硅光電三極管又稱為光電晶體管（又稱為光電晶體管（Phototransistor，簡稱，簡稱PT） 光電三極管在電子線路中的符號光電三極管在電子線路中的符號4.2 4.2 常用光伏探測器常用光伏探測器4.2.3 4.2.3 硅光電三極管硅光電三極管原理性結(jié)構(gòu)圖：原理性結(jié)構(gòu)圖：又稱為光電晶體管（又稱為光電晶體管（Phototransistor，簡稱，簡稱PT） 光電三極管的

19、結(jié)構(gòu)和普通晶體管類似，但它的外殼留有光窗 4.2 4.2 常用光伏探測器常用光伏探測器4.2.3 4.2.3 硅光電三極管硅光電三極管原理圖：原理圖：又稱為光電晶體管（又稱為光電晶體管（Phototransistor，簡稱，簡稱PT） NPN光電三極管可等效為一個(gè)硅光電二極管和一個(gè)普通晶體管組合而成。 4.2 4.2 常用光伏探測器常用光伏探測器4.2.3 4.2.3 硅光電三極管硅光電三極管比較：比較：光電三極管與光電二極管光電三極管與光電二極管 表表43和表和表42 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 光電池 LRIUE

20、0QRL1E1E2RL3RL2RL6VIRL4RL5內(nèi)阻小，光敏面大，小負(fù)載時(shí)線性好 光電二級管 線性好，光敏面小，頻響好LRIU 光電三級管 弱光和強(qiáng)光時(shí)非線性Ip光電器件與運(yùn)算放大器的連接+-RfVo光電器件與運(yùn)算放大器的連接+-R2RLR1Vo光電器件與運(yùn)算放大器的連接+-RfRRLVoJVcA光電三極管電路VcJA光電三極管電路AB輸出yVc光電三極管電路B輸出yVcA光電三極管電路AB輸出yVcC光電三極管電路硅光電池硅光電池 零偏壓零偏壓 光伏工作光伏工作模式模式 響應(yīng)速度響應(yīng)速度慢慢幾十微秒幾十微秒 硅光電二硅光電二極管極管 反向偏壓反向偏壓 光電導(dǎo)工光電導(dǎo)工作模式作模式 響應(yīng)速

21、度響應(yīng)速度快快 0.1us 硅光電三硅光電三極管極管集電極反集電極反偏，發(fā)射偏，發(fā)射極正偏極正偏 光電導(dǎo)工光電導(dǎo)工作模式作模式響應(yīng)速度響應(yīng)速度較慢較慢 510us4.2 4.2 常用光伏探測器常用光伏探測器4.2.4 PIN光電二極管光電二極管結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：(PIN Photodiode，簡稱，簡稱PIN PD) 在摻雜濃度很高的在摻雜濃度很高的P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層較型半導(dǎo)體之間夾著一層較厚的高阻本征半導(dǎo)體厚的高阻本征半導(dǎo)體I 結(jié)電容變得更小，頻率響應(yīng)高，帶寬可達(dá)結(jié)電容變得更小，頻率響應(yīng)高，帶寬可達(dá)10GHz； 線性輸出范圍寬線性輸出范圍寬特點(diǎn)：特點(diǎn)：應(yīng)用：應(yīng)用： 光通信

22、、光雷達(dá)等快速光檢測領(lǐng)域光通信、光雷達(dá)等快速光檢測領(lǐng)域 光經(jīng)波導(dǎo)從光經(jīng)波導(dǎo)從I層進(jìn)入層進(jìn)入 4.2 4.2 常用光伏探測器常用光伏探測器PIN光電二極管結(jié)構(gòu)光電二極管結(jié)構(gòu)摘自國家精品課程光纖通信技術(shù) -深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院制作PIN光電二極管工作原理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(xué)院制作4.2 4.2 常用光伏探測器常用光伏探測器4.2.4 PIN光電二極管光電二極管(PIN Photodiode，簡稱，簡稱PIN PD) 美國美國AT&T貝爾實(shí)驗(yàn)室：帶微諧振腔的貝爾實(shí)驗(yàn)室：帶微諧振腔的InPInGaAs光電二極管，。同時(shí)獲得了光電二極管，。同時(shí)獲得了高量子

23、效率和高量子效率和大的帶寬大的帶寬?？朔顺Ｒ?guī)。克服了常規(guī)PIN光電二極管兩者不可光電二極管兩者不可兼得的缺點(diǎn)兼得的缺點(diǎn) 該光電二極管光敏面該光電二極管光敏面150m峰值波長峰值波長1.48m、暗電流為、暗電流為14nA量子效率為量子效率為82時(shí)時(shí), 結(jié)結(jié)電容為電容為0.757PF。PIN光電二極管光電二極管實(shí)例：實(shí)例：4.2 4.2 常用光伏探測器常用光伏探測器4.2.5 雪崩光電二極管雪崩光電二極管(Avalanche Photodiode，簡稱，簡稱APD) pqIMhqNIMp內(nèi)增益：內(nèi)增益： M1； M1 外電路單位時(shí)間內(nèi)的電子數(shù)外電路單位時(shí)間內(nèi)的電子數(shù)器件內(nèi)單位時(shí)間內(nèi)的光電子數(shù)器件

24、內(nèi)單位時(shí)間內(nèi)的光電子數(shù)APD內(nèi)增益：內(nèi)增益：102103 高反壓高反壓(100200 V) 強(qiáng)電場強(qiáng)電場 載流子加速載流子加速 碰撞碰撞 新載流子新載流子雪崩倍增雪崩倍增 光電流的放大光電流的放大 APD內(nèi)增益：內(nèi)增益：102103 4.2 4.2 常用光伏探測器常用光伏探測器4.2.5 雪崩光電二極管雪崩光電二極管1.結(jié)構(gòu)原理：結(jié)構(gòu)原理：4.2 4.2 常用光伏探測器常用光伏探測器雪崩光電二極管工作原理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(xué)院制作 4.2.5雪崩光電二極管雪崩光電二極管2.雪崩增益雪崩增益M ：M0B11nIMIUUUB為擊穿電壓為擊穿電壓 U增

25、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 沒有倍增現(xiàn)象沒有倍增現(xiàn)象 U超過超過UB 噪聲電流很大噪聲電流很大 APD合適工作點(diǎn)：合適工作點(diǎn)： U接近接近UB，但不超過，但不超過APD合適工作點(diǎn)：合適工作點(diǎn)： U接近，但不超過接近，但不超過UB與溫度的關(guān)系與溫度的關(guān)系穩(wěn)定穩(wěn)定APD工作點(diǎn)：工作點(diǎn)： 1. 穩(wěn)壓穩(wěn)壓 2. 恒溫恒溫 4.2.5雪崩光電二極管雪崩光電二極管2.雪崩增益雪崩增益M ：APD合適工作點(diǎn)：合適工作點(diǎn)： U接近，但不超過接近，但不超過穩(wěn)定穩(wěn)定APD工作點(diǎn)：工作點(diǎn)： 1. 穩(wěn)壓穩(wěn)壓 2. 恒溫恒溫APD工作電路舉例：工作電路舉例：恒溫箱恒溫箱4.2.5雪

26、崩光電二極管雪崩光電二極管2.雪崩增益雪崩增益M ：4.2 4.2 常用光伏探測器常用光伏探測器4.2.5雪崩光電二極管雪崩光電二極管(Avalanche Photodiode，簡稱，簡稱APD) APD內(nèi)增益：內(nèi)增益：102103 3.噪聲特性噪聲特性4.響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間 （0.052.0ns）1.結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu)原理2.雪崩增益雪崩增益M雪崩光電二極管雪崩光電二極管實(shí)例：實(shí)例：雪崩光電二極管雪崩光電二極管PIN PD 10-14W/Hz1/2APD 10-15W/Hz1/2 Si-PD 10-13W/Hz1/2 PMT 10-16W/Hz1/2 PIN-PD,APD應(yīng)用比較應(yīng)用比較例例1 1

27、機(jī)載照射器光斑監(jiān)測系統(tǒng)機(jī)載照射器光斑監(jiān)測系統(tǒng)4.2.5雪崩光電二極管雪崩光電二極管PIN-PD,APD應(yīng)用比較應(yīng)用比較例例1 1 機(jī)載照射器光斑監(jiān)測系統(tǒng)機(jī)載照射器光斑監(jiān)測系統(tǒng)總投資總投資XXX萬元萬元激光波長激光波長1.06m4.2.5雪崩光電二極管雪崩光電二極管RF1 RF2NSWE12345678910111213491415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748例例1 機(jī)載照射器光斑監(jiān)測系統(tǒng)機(jī)載照射器光斑監(jiān)測系統(tǒng)地面光探測器點(diǎn)陣地面光探測器點(diǎn)陣總投資總投資XXX萬元：萬元：激光波長激光波長1.0

28、6m 光斑檢測陣列光斑檢測陣列 240個(gè)探頭個(gè)探頭 APD：1800元個(gè)元個(gè) 40萬元萬元 PIN-PD：3040元個(gè)元個(gè) 4萬元萬元入射光較弱時(shí)，采用APD；入射光較強(qiáng)時(shí)，宜采用PIN管機(jī)載照射器照射光斑監(jiān)測系統(tǒng)機(jī)載照射器照射光斑監(jiān)測系統(tǒng)單穩(wěn)展寬電路+-+5V+E+15V上拉電阻Vo放大電路脈沖變換電路光電轉(zhuǎn)換探測器單元的電路原理圖探測器單元的電路原理圖4.2 4.2 常用光伏探測器常用光伏探測器4.2.1 4.2.1 硅光電池硅光電池 4.2.2 4.2.2 硅光電二極管硅光電二極管4.2.3 4.2.3 硅光電三極管硅光電三極管4.2.4 PIN4.2.4 PIN光電二極管光電二極管4.

29、2.5 4.2.5 雪崩光電二極管雪崩光電二極管4.2.6 4.2.6 紫外光電二極管紫外光電二極管4.2.7 4.2.7 碲鎘汞、碲錫鉛紅外光電二極管碲鎘汞、碲錫鉛紅外光電二極管 4.3 光伏探測器組合器件光伏探測器組合器件 光伏探測器的組合器件光伏探測器的組合器件特點(diǎn)是特點(diǎn)是：大多在一塊：大多在一塊硅片上按一定要求制造出若干個(gè)光伏探測器，硅片上按一定要求制造出若干個(gè)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(diǎn)密集量大，裝置結(jié)構(gòu)簡單、置，不僅具有光敏點(diǎn)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(diǎn)，而且還可緊湊、調(diào)節(jié)方

30、便、精確度高等優(yōu)點(diǎn)，而且還可以擴(kuò)大變換裝置的應(yīng)用范圍。以擴(kuò)大變換裝置的應(yīng)用范圍。也稱為集成結(jié)型光電器件 4.3 光伏探測器組合器件光伏探測器組合器件也稱為集成結(jié)型光電器件4.3.14.3.1半導(dǎo)體色敏感器件半導(dǎo)體色敏感器件 4.3.24.3.2陣列式光電器件陣列式光電器件4.3.34.3.3象限式光電器件象限式光電器件4.3.44.3.4光電位置探測器光電位置探測器4.3.54.3.5光電耦合器光電耦合器 4.3 光伏探測器組合器件光伏探測器組合器件4.3.14.3.1半導(dǎo)體色敏感器件半導(dǎo)體色敏感器件 1.1.結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu)原理 同一塊硅片上制造的兩個(gè)深淺不同的PN結(jié)：PD1為淺結(jié)，對波長短的光

31、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(dǎo)體色敏器件 4.3 光伏探測器組合器件光伏探測器組合器件2.2.檢測電路檢測電路 20Tsc2sc11lglgRUUIIR對應(yīng)于不同顏色波長的輸出電壓值 UT=kT/e，室溫條件下，UT26mV；Isc1和Isc2分別為PD1、PD2的短路電流 對數(shù)放大器差動(dòng)放大器4.3.14.3.1半導(dǎo)體色敏感器件半導(dǎo)體色敏感器件 4.3 光伏探測器組合器件光伏探測器組合器件3.3.短路電流比短路電流比 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 20Tsc2sc11lglgRUUIIR4.3.14.3.1半導(dǎo)體色敏感器件半導(dǎo)體色敏感器件

32、 4.3 光伏探測器組合器件光伏探測器組合器件4.4.應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例 半導(dǎo)體色敏器件特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低等。在工業(yè)上可以自動(dòng)檢測紙、紙漿、染料的顏色；醫(yī)學(xué)上可以測定皮膚、牙齒等的顏色；用于家電中電視機(jī)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(dǎo)體光電器件。半導(dǎo)體色敏器件是非常有發(fā)展前途的一種新型半導(dǎo)體光電器件。CCD攝像器件顏色識別功能4.3.14.3.1半導(dǎo)體色敏感器件半導(dǎo)體色敏感器件 4.3 光伏探測器組合器件光伏探測器組合器件4.3.24.3.2陣列式光電器件陣列式光電器件10DP型光電二極管線陣器件 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)： 4.3 光伏探測器組合器件光伏探測器

33、組合器件100100以上，以上， 一維光學(xué)圖像、一維光學(xué)圖像、 空間頻譜分析空間頻譜分析 -線陣線陣CCDCCD2 2個(gè)，個(gè)， 光點(diǎn)移動(dòng)方向光點(diǎn)移動(dòng)方向用途：用途：2 24 4個(gè)，個(gè)， 相位信息相位信息4.3.24.3.2陣列式光電器件陣列式光電器件 4.3 光伏探測器組合器件光伏探測器組合器件4.3.34.3.3象限式光電器件象限式光電器件準(zhǔn)直、定位、準(zhǔn)直、定位、跟蹤、頻譜分析跟蹤、頻譜分析各種象限式光電器件示意圖 4.3 光伏探測器組合器件光伏探測器組合器件以四象限為例：以四象限為例：若入射光為正中心若入射光為正中心O O，4 4個(gè)個(gè)PDPD的輸出均等；的輸出均等；若偏于若偏于1 1象限，

34、則象限，則PD1PD1輸出較輸出較大，其余均較小大，其余均較小工作原理工作原理缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：光敏面上有光敏面上有象限分隔線象限分隔線，對光斑位置，對光斑位置不能進(jìn)行不能進(jìn)行 連續(xù)測量連續(xù)測量，位置分辨率受影響，位置分辨率受影響 4.3.34.3.3象限式光電器件象限式光電器件 4.3 光伏探測器組合器件光伏探測器組合器件特點(diǎn)：特點(diǎn)：光敏面上光敏面上無象限分隔線無象限分隔線，對光斑位置，對光斑位置可進(jìn)行可進(jìn)行 連續(xù)測量連續(xù)測量，位置分辨率，位置分辨率高高 4.3.44.3.4光電位置探測器光電位置探測器Position Sensitive Detectors，簡稱，簡稱PSD一維一維PSD 結(jié)構(gòu)三

35、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 象限探測器應(yīng)用于激光制導(dǎo)象限探測器應(yīng)用于激光制導(dǎo)利用激光目標(biāo)指示器照射目標(biāo)，反射回來的信號經(jīng)過接收處理，形成控制指令控制導(dǎo)彈飛行。若光斑正好落在中心：(VA+VB) ( VC+VD)0(VA+VC) (VB+VD)0若未對準(zhǔn)，輸出誤差信號去控制導(dǎo)彈。四象限四象限PIN光電二極管光電二極管 4.3 光伏探測器組合器件光伏探測器組合器件4.3.44.3.4光電位置探測器光電位置探測器P P層的電阻率分布均勻、負(fù)載及電極接觸電阻為零層的電阻率分布均勻、負(fù)載及電極接觸電阻為零 LIIIIxILxLIILxLI1212020122， 4.3

36、光伏探測器組合器件光伏探測器組合器件4.3.54.3.5光電耦合器光電耦合器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。是發(fā)光器件與接收器件組合的一種元件。發(fā)光器件：發(fā)光器件： 常采用發(fā)光二極管常采用發(fā)光二極管接收器件：接收器件： 常用光電二極管、光電三極管、光集成電路等常用光電二極管、光電三極管、光集成電路等 1. 1. 光電耦合器的結(jié)構(gòu)光電耦合器的結(jié)構(gòu)絕緣玻璃發(fā)光二極管透明絕緣體光電三極管采用金屬外殼和玻璃絕緣的結(jié)構(gòu)，在其中部對接，采用環(huán)焊以保證發(fā)光二極管和光電三極管對準(zhǔn)，以此來提高靈敏度。(a)金屬密封型塑料發(fā)光二極管光電三極管透明樹脂(b)塑料密封型采用雙列直插式用塑料封裝

37、的結(jié)構(gòu)。管心先裝于管腳上，中間再用透明樹脂固定，具有集光作用，故此種結(jié)構(gòu)靈敏度較高。4.3.54.3.5光電耦合器光電耦合器2. 2. 光電耦合器的分類光電耦合器的分類光電耦合光電耦合器件分類器件分類光電隔離器光電隔離器光電傳感器光電傳感器光敏元件集成功能塊光敏元件集成功能塊功能：在電路間傳送信息，實(shí)現(xiàn)電路間的電氣隔離和消除噪聲。結(jié)構(gòu)：將輸入端的發(fā)光器件和輸出端的光電接收器件組裝在同一管殼內(nèi)，管心相對配置、互相靠近。透過型（光斷續(xù)器）反射型光隔離器的幾種類型光隔離器的幾種類型二極管型二極管型三極管型三極管型達(dá)林頓型達(dá)林頓型晶閘管驅(qū)動(dòng)型晶閘管驅(qū)動(dòng)型發(fā)發(fā)光光器器件件光光敏敏器器件件被被測測物物體體

38、槽式光電耦合器示意圖槽式光電耦合器示意圖槽式光電耦合器實(shí)物圖槽式光電耦合器實(shí)物圖+ EC4.3.54.3.5光電耦合器光電耦合器例例1 1：用用光電耦合器光電耦合器隔離的高壓穩(wěn)壓電路隔離的高壓穩(wěn)壓電路 高壓區(qū)高壓區(qū) 低壓區(qū)低壓區(qū)光光4.3.54.3.5光電耦合器光電耦合器例例2. 2. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中終端設(shè)備計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中終端設(shè)備 與主機(jī)的隔離運(yùn)行與主機(jī)的隔離運(yùn)行大型計(jì)算機(jī)主機(jī)大型計(jì)算機(jī)主機(jī)用戶終端設(shè)備用戶終端設(shè)備光光4.3.54.3.5光電耦合器光電耦合器課后查資料：課后查資料：實(shí)現(xiàn)隔離的接口電路實(shí)現(xiàn)隔離的接口電路3 3用于邏輯門電路用于邏輯門電路 圖圖a為兩個(gè)光電耦合器組成的與門電路，如果在輸

39、入端為兩個(gè)光電耦合器組成的與門電路，如果在輸入端A和和B同時(shí)輸入同時(shí)輸入高電平高電平“1”，則兩個(gè)發(fā)光二極管，則兩個(gè)發(fā)光二極管GY1和和GY2都都發(fā)光，兩個(gè)光敏三極管發(fā)光，兩個(gè)光敏三極管GG1，和，和GG2都導(dǎo)通，在輸出端都導(dǎo)通，在輸出端C就呈現(xiàn)高電平就呈現(xiàn)高電平“1”。在輸入端。在輸入端A或或B中只要有一個(gè)為低電平中只要有一個(gè)為低電平“0”，則其中有一個(gè)光敏三極管不導(dǎo)通，輸出，則其中有一個(gè)光敏三極管不導(dǎo)通，輸出端端C就為就為“0”，故為與門電路。，故為與門電路。 圖圖c為或門電路，它從發(fā)射極輸出，輸入端為或門電路，它從發(fā)射極輸出，輸入端A或或B中有一個(gè)或兩個(gè)中有一個(gè)或兩個(gè)為高電平為高電平“1

40、”，則有一個(gè)或兩個(gè)光敏三極管被照亮而導(dǎo)通，輸出，則有一個(gè)或兩個(gè)光敏三極管被照亮而導(dǎo)通，輸出為高電平為高電平“1”，故為或門電路。，故為或門電路。圖圖d的原理與圖的原理與圖(c)相似，但從集電極輸出相似，但從集電極輸出,輸入端輸入端A或或B中有一個(gè)或中有一個(gè)或兩個(gè)為高電平兩個(gè)為高電平“1”，輸出就為低電平，輸出就為低電平“0”，故為或非門電路。，故為或非門電路。 4.3 光伏探測器組合器件光伏探測器組合器件總總 結(jié)：結(jié)：4.3.14.3.1半導(dǎo)體色敏感器件半導(dǎo)體色敏感器件 4.3.24.3.2陣列式光電器件陣列式光電器件4.3.34.3.3象限式光電器件象限式光電器件4.3.44.3.4光電位置

41、探測器光電位置探測器4.3.54.3.5光電耦合器光電耦合器4.4 4.4 光伏探測器的偏置電路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偏置電路偏置電路: :例如：例如：意義：意義：1. 1. 提高探測靈敏度提高探測靈敏度2. 2. 提高頻率響應(yīng)提高頻率響應(yīng)3. 3. 降低噪聲降低噪聲偏置電壓偏置電壓偏置電阻偏置電阻反向偏置電路反向偏置電路 自偏置電路自偏置電路 零伏偏置電路零伏偏置電路 4.4 4.4 光伏探測器的偏置電路光伏探測器的偏置電路4.4.1自偏置電路自偏置電路4.4 4.4 光伏探測器的偏置電路光伏探測

42、器的偏置電路1 1短路或線性電流放大區(qū)短路或線性電流放大區(qū)2 2空載電壓輸出區(qū)空載電壓輸出區(qū)3功率放大區(qū)功率放大區(qū)4.4 4.4 光伏探測器的偏置電路光伏探測器的偏置電路光電池自偏置電路 4.4.1自偏置電路自偏置電路1 1短路或線性電流放大區(qū)短路或線性電流放大區(qū)RL0=0 (運(yùn)放虛短運(yùn)放虛短)放大器的輸入電阻為：放大器的輸入電阻為： r1fiRAri =010 線性放大區(qū)：線性放大區(qū)：線性好、輸出光電流大，暗電流近線性好、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。似為零、信噪比好，適合弱光信號檢測。4.4 4.4 光伏探測器的偏置電路光伏探測器的偏置電路4.4.1自偏置電路自

43、偏置電路2 2空載電壓輸出區(qū)空載電壓輸出區(qū)RL1M 光電池處于接近開路狀態(tài)光電池處于接近開路狀態(tài) 光照，輸出電壓從光照，輸出電壓從0跳躍到跳躍到0.450.6V空載電壓輸出區(qū)：空載電壓輸出區(qū)：具有很高的光電轉(zhuǎn)換靈敏度，不具有很高的光電轉(zhuǎn)換靈敏度，不需偏置電源，適合于開關(guān)或控制電路需偏置電源，適合于開關(guān)或控制電路 4.4 4.4 光伏探測器的偏置電路光伏探測器的偏置電路4.4.1自偏置電路自偏置電路4.4.24.4.2零伏偏置電路零伏偏置電路 兩種零伏偏置電路：兩種零伏偏置電路： 0 自偏置自偏置：負(fù)載電阻為零：負(fù)載電阻為零 反偏置反偏置：反偏壓很小或?yàn)榱悖悍雌珘汉苄』驗(yàn)榱?4.4 4.4 光伏

44、探測器的偏置電路光伏探測器的偏置電路1 1零伏偏置電路特點(diǎn)零伏偏置電路特點(diǎn)中遠(yuǎn)紅外波段光伏探測器：中遠(yuǎn)紅外波段光伏探測器： 窄禁帶（窄禁帶（Eg很小），受熱激發(fā)影響較很?。?，受熱激發(fā)影響較 大，反向偏壓不能大大，反向偏壓不能大(一般為一般為幾百毫伏幾百毫伏至一點(diǎn)至一點(diǎn) 幾伏幾伏) 零伏偏置或接近于零伏偏置。零伏偏置或接近于零伏偏置。 質(zhì)量好的光伏探測器：質(zhì)量好的光伏探測器： 零伏偏置，零伏偏置，1f 噪聲最小，暗電流為零噪聲最小，暗電流為零 較高的信噪比。較高的信噪比。4.4.24.4.2零伏偏置電路零伏偏置電路 2 2零伏偏置電路實(shí)例零伏偏置電路實(shí)例例例1 1：自偏置自偏置_ _負(fù)載電阻為零負(fù)載電阻為零 例例2 2：反偏置反偏置_ _反偏壓為零反偏壓為零 4.4.24.4.2零伏偏置電路零伏偏置電路 4.4.3反向偏置電路反向偏置電路反向偏置電路特點(diǎn)：反向偏置電路特點(diǎn)： 靈敏度、頻帶寬度和光電變換線性范圍靈敏度、頻帶寬度和光電變換線性范圍 4.4 4.4 光伏探測器的偏置電路光伏探測器的偏置電路反向偏置電路反向偏置電路 4.4 4.4 光伏探測器的偏置電路光伏探測器的偏置電路為了分析問題方為了分析問題方便，將第三象限便，將第三象限特性曲線旋轉(zhuǎn)到特性曲線旋轉(zhuǎn)到第一象限第一象限 與晶體三極管輸與晶體三極管輸出曲線類似出曲線類似 1