光電轉(zhuǎn)換模塊

1、光電轉(zhuǎn)換模塊3.2.1光伏探測(cè)器的分類(lèi)（1）光電池光電池是一種無(wú)需外加偏壓就能將光能轉(zhuǎn)換成電能的光伏探測(cè)器。光電池可以分為兩大類(lèi)：太陽(yáng)能光電池和測(cè)量光電池。太陽(yáng)能光電池主要用作電源，對(duì)它的要求是轉(zhuǎn)換效率高、成本低，由于它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、可靠性高、壽命長(zhǎng)、在空間能直接利用太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換電能的特點(diǎn)，因而不僅僅成為航天工業(yè)上的重要電源，還被廣泛地應(yīng)用于供電困難的場(chǎng)所和人們?nèi)粘Ｉ钪?。測(cè)量光電池的主要應(yīng)用時(shí)作為光電探測(cè)用，即在不加偏置的情況下將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，對(duì)它的要求是線性范圍寬、靈敏度高、光譜響應(yīng)合適、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)，被廣泛應(yīng)用在光度、色度、光學(xué)精密計(jì)量和測(cè)驗(yàn)試中。光電池是用單晶硅

2、組成的，在一塊型硅片上擴(kuò)散型雜質(zhì)，形成一個(gè)擴(kuò)散p+n結(jié)；或在型硅片擴(kuò)散型雜質(zhì)，形成n+p結(jié)，在焊上兩個(gè)電極。端為光電池正極，端為負(fù)極，一般在地面上應(yīng)用作光電探測(cè)器的多為p+n型。n+p型硅光電池具有較強(qiáng)的抗輻射能力，適合空間應(yīng)用，作為航天的太陽(yáng)能電池。（2）光電二極管隨著光電子技術(shù)的發(fā)展，光信號(hào)在探測(cè)靈敏度、光譜響應(yīng)范圍及頻率特性等方面要求越來(lái)越高。光電二極管的工作原理同光電池一樣，都是基于P-N結(jié)的光伏效應(yīng)工作的。但是，它與光電池相比有所不同：摻雜濃度較低，電阻率較高，結(jié)區(qū)面積小，通常多工作于反偏置狀態(tài)。因此，光電二極管的內(nèi)建電場(chǎng)很強(qiáng)，結(jié)區(qū)較厚，結(jié)電容小，因而頻率特性比光電池好，但其光電流比

3、光電池肖達(dá)多，一般多為微安級(jí)。硅光二極管基本結(jié)構(gòu)如下圖所示：環(huán)極sio2fliN-Si圖3-5硅光二極管的結(jié)構(gòu)硅光二極管是一個(gè)大面積的光電二極管，它被設(shè)計(jì)用于把射到它表面的光轉(zhuǎn)化為電能，因此，可用在光電探測(cè)器和光通信等領(lǐng)域。特點(diǎn)：當(dāng)它照射光時(shí)會(huì)流過(guò)大致與光量成正比的光電流.用途：1.作傳感器用時(shí),可廣泛用于光量測(cè)定和視覺(jué)信息,位置信息的測(cè)定等.2.作通信用時(shí),廣泛用于紅外線遙控之類(lèi)的光空間通信,光纖通信等.3.紫藍(lán)硅光電池是用于各種光學(xué)儀器，如分光光度計(jì)、比色度計(jì)、白度計(jì)、亮度計(jì)、色度計(jì)、光功率計(jì)、火焰檢測(cè)器、色彩放大機(jī)等的半導(dǎo)體光接收器；紫藍(lán)硅光電池具有光電倍增管，光電管無(wú)法比擬的寬光譜響應(yīng)

4、，它特別適用于工作在-光譜范圍的各種光學(xué)儀器對(duì)紫藍(lán)光有較高的靈敏度、器件體積小、性能穩(wěn)定可靠，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單靈活，是光電管的更新?lián)Q代產(chǎn)品。目前也有可以使用到190-1100nm的產(chǎn)品,但紫外能量弱一些,光譜帶寬不能太小,已經(jīng)有很多廠家在紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)上用了。（3）其它光電二極管A、PIN光電二極管在-結(jié)之間加一本征層（層）這種器件稱(chēng)為光電二極管，又稱(chēng)耗盡層型光電二極管。只要適當(dāng)控制本征層厚度，使它近似等于反偏壓下耗盡層寬度，就可以使相應(yīng)波長(zhǎng)范圍和頻率相應(yīng)得到改善。硅光電二極管使常用的耗盡層光伏探測(cè)器。它是采用高阻純硅材料及離子漂移技術(shù)形成一個(gè)沒(méi)有雜質(zhì)的本征層，厚度為500m左右其結(jié)構(gòu)如下：作

5、-微型組件是發(fā)展趨勢(shì)。這種器件是含有小面積、小電容的光電二極管與高輸入阻抗的場(chǎng)效益管前置放大器組合體，其中所有引線長(zhǎng)度及雜散電容都做得非常小。由于電容小，輸入阻抗高，可以大大降低熱噪聲，這種組件還具有供電電壓低，工作十分穩(wěn)定，使用方便的特點(diǎn)。光電二極管的上述優(yōu)點(diǎn)，使它在光通信、光雷達(dá)及其它要求快速光電自動(dòng)控制系統(tǒng)中得到非常廣泛的應(yīng)用。、雪崩光電二極管（）普通的硅光電二極管和PIN光電二極管是沒(méi)有內(nèi)增益的光伏探測(cè)器，而在光探測(cè)器系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用中，大多是對(duì)微光信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，采用具有內(nèi)增益的光探測(cè)器將有助于對(duì)微弱光信號(hào)的探測(cè)。雪崩光電二極管是具有內(nèi)增益的光伏探測(cè)器，它是利用光生載流子在高電場(chǎng)區(qū)內(nèi)的

6、雪崩效應(yīng)而獲得光電流增益的，它具有靈敏度高，相應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。用于制作雪崩二極管的材料主要是硅和鍺，實(shí)際的器件具有極短的響應(yīng)時(shí)間，即數(shù)以千兆的相應(yīng)頻率，高達(dá)102103的增益，所以在光纖通訊、激光測(cè)距、激光雷達(dá)和光纖傳感器等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。與光電二極管比較，在同樣負(fù)載條件下，前者具有高靈敏度。由于具有內(nèi)增益可以大大降低對(duì)前置放大器的要求，但需要上百伏的工作電壓。此外，雪崩光電二極管的性能與入射光功率有關(guān)，通常當(dāng)入射光功率在1至幾個(gè)NW時(shí)，倍增電流與入射光具有較好的線性關(guān)系，但入射光功率過(guò)大，倍增系數(shù)反而會(huì)降低，從而引起光電流的畸變。測(cè)量表明，只有當(dāng)入射光功率V15W時(shí)光電流二次諧波畸變才小于

7、。因此，在實(shí)際探測(cè)系統(tǒng)中，當(dāng)入射光功率較小時(shí)，多采用,此時(shí)，雪崩增益引起的噪聲貢獻(xiàn)不大。相反，在入射光功率較大時(shí)，雪崩增益引起的噪聲占主要優(yōu)勢(shì)，并可能帶來(lái)光電流失真，這時(shí)采用帶來(lái)的好處不大，采用PIN管更為恰當(dāng)。因此，在具體使用中兩種器件各具特點(diǎn)，應(yīng)視系統(tǒng)的要求來(lái)選擇。（4）光電三極管利用雪崩倍增效應(yīng)可獲得具有增益的半導(dǎo)體光電二極管（）而采用一般晶體管放大原理，可得到另一種具有電流內(nèi)增益的光伏探測(cè)器，即光電三極管。它與普通的雙極晶體管十分相似，都是有兩個(gè)十分靠近的-結(jié)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)構(gòu)成，并均具有電流放大作用。為了充分吸收光子，光電三極管則需要一個(gè)較大的受光面，所以，它的響應(yīng)頻率遠(yuǎn)低于光電二極管

8、。光電三極管是一種相當(dāng)于在基極和集電極之間接有光電二極管的普通三極管，因此，結(jié)構(gòu)與一般晶體管相類(lèi)似，但也有特殊地方。如圖所示，圖、分別表示光電三極管的發(fā)射極、基極和集電極。正常工作時(shí)保證基極集電極結(jié)（-結(jié)）為反偏壓狀態(tài)，并作為受光結(jié)。光電三極管的工作有兩個(gè)過(guò)程：一個(gè)光電轉(zhuǎn)換；二是光電流放大。光電轉(zhuǎn)換與一般光電二極管相同，當(dāng)集電極加上相對(duì)發(fā)射極為正向電壓而基極開(kāi)路時(shí)，則基極集電極結(jié)處于反偏狀態(tài)。無(wú)光照時(shí)由于激發(fā)而產(chǎn)生的少數(shù)載流子，電阻從基極進(jìn)入集電極，空穴則從集電極移向基極，在外電路中有電流流過(guò)。當(dāng)無(wú)光照射基區(qū)時(shí)，在該區(qū)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，光生電子在內(nèi)電場(chǎng)作用下漂移到集電極，形成電流。與此同時(shí)，空

9、穴則留在基區(qū)，使基極的電位升高，發(fā)射極便有大量的電子經(jīng)基極流向集電極，總的集電極電流為I=I+pI=（1+p）I（-1）cPPP圖-光電三極管的結(jié)構(gòu)及工作原理22導(dǎo)引頭中光電探測(cè)器的選擇對(duì)于光電探測(cè)器的選擇，必須符合一些基本的條件，特別是激光制導(dǎo)系統(tǒng)，有些條件就更為重要了，綜合考慮本文選擇使用用硅光電二極管，具體考慮因素以及原因如下：（1）響應(yīng)快：光從-結(jié)的側(cè)垂直入射，且穿透深度不超過(guò)結(jié)區(qū)，則光電流主要是區(qū)及結(jié)區(qū)光生空穴電流所成。區(qū)光生空穴擴(kuò)散至結(jié)區(qū)所需要的時(shí)間與擴(kuò)散長(zhǎng)度和擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)。以型硅為例，當(dāng)空穴擴(kuò)散距離為幾微米時(shí)，則只需擴(kuò)散時(shí)間T約10-9。n（2）噪聲低：光伏探測(cè)器的噪聲主要包括器件中光生電流的散粒噪聲、暗電流噪聲和器件的熱噪聲，其均方噪聲電流汗為：N4kTAfTOC o 1-5 h zi2=2qIAf+-f（-1）NRd式中，I為流過(guò)結(jié)的總電流，它與器件的工作及光照有關(guān)，R為器件d電阻，因反偏工作時(shí)Rd相當(dāng)大，熱噪聲可忽略不計(jì)，故光電流和暗電流引起的散粒噪聲是主要的，則式可表示為%=2q（I+1）AfNDs通過(guò)器件的電流只有熱激發(fā)暗電流ID。當(dāng)器件在零偏置時(shí)，流過(guò)-結(jié)的電流包含正向和反向的暗電流I+與I-。它們對(duì)總電流的貢獻(xiàn)為零，而對(duì)噪聲的DD貢獻(xiàn)是疊加的，則均方噪聲電流為：i2=2q(I+1-應(yīng)(-