光伏探測器精品課件

1、光伏探測器第1頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一光伏器件簡稱PV（Photovolt）單元器件線陣器件四象限器件第2頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一第04章 光伏探測器4.1 光伏探測器的原理和特性4.2 常用光伏探測器4.3 光伏探測器組合器件4.4 光伏探測器的偏置電路第3頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一4.1 光伏探測器的原理和特性1. 光照下的PN結(jié)電流方程及伏安特性 2. 開路電壓Uoc和短路電流Isc3暗電流和溫度特性4噪聲、信噪比和噪聲等效功率5. 光譜特性 6. 響應(yīng)時間和頻率特性 第4頁，共84頁，2022

2、年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一4.1 光伏探測器的原理和特性1. 光照下的PN結(jié)電流方程及伏安特性電流方程 伏安特性 第5頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一伏安特性第一象限：普通二極管 光電探測器 這個區(qū)域沒有意義！ 1. 光照下的PN結(jié)電流方程及伏安特性第6頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一伏安特性第三象限：光電導(dǎo)模式 光電二極管 這個區(qū)域重要意義！ 反向偏壓可以減小載流子的渡越時間和二極管的極間電容，有利于提高器件的響應(yīng)靈敏度和響應(yīng)頻率。 1. 光照下的PN結(jié)電流方程及伏安特性第7頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一第四象

3、限：光伏模式 光電池 工作區(qū)域伏安特性1. 光照下的PN結(jié)電流方程及伏安特性第8頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一伏安特性光電二極管 光電池 普通二極管 1. 光照下的PN結(jié)電流方程及伏安特性第9頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一等效電路 （意義：分析與計算）1. 光照下的PN結(jié)電流方程及伏安特性電流源普通二極管第10頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一4.1 光伏探測器的原理和特性 2. 開路電壓Uoc和短路電流Isc負(fù)載電阻RL，光伏探測器兩端的電壓稱為開路電壓 負(fù)載電阻RL=0，流過光伏探測器稱為短路電流 -開路電壓短路電流

4、 第11頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一4.1 光伏探測器的原理和特性電流方程 暗電流 硅光電二極管暗電流的溫度特性 常溫條件下，暗電流硅光電二極管 100nA硅PIN光電二極管1nA3. 暗電流第12頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一4.1 光伏探測器的原理和特性3. 暗電流電流方程 暗電流暗電流的影響： 1.弱光的測量 2.增大散粒噪聲暗電流減小方法： 1.降低溫度 2.偏壓為零或?yàn)樨?fù)第13頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一4.1 光伏探測器的原理和特性4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

5、噪聲、暗電流的散粒噪聲和PN結(jié)漏電阻Rsh的熱噪聲。 噪聲等效功率 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)。第14頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一光電二極管噪聲等效功率計算PIN PD 10-14W/Hz1/24.1 光伏探測器的原理和特性第15頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一4.1 光伏探測器的原理和特性5. 光譜特性光伏探測器波長響應(yīng)范圍紫外光可見光紅外遠(yuǎn)紅外光P86 紫外光電二極管 200nm第16頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一4.1 光伏探測器的原理和特性5. 光譜特性光伏

6、探測器波長響應(yīng)范圍紫外光可見光近紅外遠(yuǎn)紅外光光電導(dǎo)探測器波長響應(yīng)范圍紫外光可見光近紅外 極遠(yuǎn)紅外光二者光譜響應(yīng)范圍的差別？為什么？第17頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一4.1 光伏探測器的原理和特性 6. 響應(yīng)時間和頻率特性 光伏效應(yīng)示意圖響應(yīng)時間： 擴(kuò)散時間10-9s 漂移時間10-11s 電路時間常數(shù) 1.5109 s光敏區(qū)薄，縮短擴(kuò)散時間；邊注入技術(shù)，？擴(kuò)散時間第18頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一4.1 光伏探測器的原理和特性 6. 響應(yīng)時間和頻率特性 頻率特性： 僅考慮電路時間常數(shù) 硅光電二極管幾百兆赫，上千兆赫的響應(yīng)頻率; PIN光電

7、二極管10GHz,雪崩光電二極管100GHz第19頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一4.1 光伏探測器的原理和特性比較：頻率特性光伏探測器光電導(dǎo)探測器光伏探測器頻率特性由電路時間常數(shù)決定光電導(dǎo)探測器頻率特性由載流子壽命決定第20頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一4.2 常用光伏探測器4.2.1 硅光電池 4.2.2 硅光電二極管4.2.3 硅光電三極管4.2.4 PIN光電二極管4.2.5 雪崩光電二極管4.2.6 紫外光電二極管4.2.7 碲鎘汞、碲錫鉛紅外光電二極管第21頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一4.2 常用光伏探測

8、器 4.2.1 硅光電池 工作區(qū)域：第四象限：第22頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一4.2 常用光伏探測器結(jié)構(gòu)：分類：主要功能是作為光電探測用，光照特性的線性度好太陽能光電池測量光電池主要用作電源，轉(zhuǎn)換效率高、成本低(Solar Cells) 4.2.1 硅光電池 第23頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一4.2 常用光伏探測器光電特性照度電流電壓特性照度負(fù)載特性 4.2.1 硅光電池 第24頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一伏安特性光電池伏安特性 4.2 常用光伏探測器 4.2.1 硅光電池 第25頁，共84頁，2022年，5

9、月20日，3點(diǎn)32分，星期一伏安特性4.2 常用光伏探測器表示輸出電流和電壓隨負(fù)載電阻變化的曲線無外加偏壓（自偏壓） 4.2.1 硅光電池 第26頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一光譜特性4.2 常用光伏探測器普通型、短波長響應(yīng)型 4.2.1 硅光電池 頻率特性數(shù)十kHz 原因？溫度特性開路電壓負(fù)溫度系數(shù)短路電流正溫度系數(shù)第27頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一4.2 常用光伏探測器4.2.2 硅光電二極管結(jié)構(gòu)：摻雜濃度較低；電阻率較高；結(jié)區(qū)面積?。煌ǔ６喙ぷ饔诜雌脿顟B(tài)；結(jié)電容小，頻率特性好；光電流比光電池小得多，一般多在微安級比較：光電二極管與光

10、電池 表42和表41（Photodiode，簡稱PD） 第28頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一4.2 常用光伏探測器4.2.3 硅光電三極管又稱為光電晶體管（Phototransistor，簡稱PT） 光電三極管在電子線路中的符號第29頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一4.2 常用光伏探測器4.2.3 硅光電三極管原理性結(jié)構(gòu)圖：又稱為光電晶體管（Phototransistor，簡稱PT） 光電三極管的結(jié)構(gòu)和普通晶體管類似，但它的外殼留有光窗 第30頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一4.2 常用光伏探測器4.2.3 硅光電三極管

11、原理圖：又稱為光電晶體管（Phototransistor，簡稱PT） NPN光電三極管可等效為一個硅光電二極管和一個普通晶體管組合而成。 第31頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一4.2 常用光伏探測器4.2.3 硅光電三極管比較：光電三極管與光電二極管 表43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” ，頻率特性較差第32頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一4.2 常用光伏探測器4.2.4 PIN光電二極管結(jié)構(gòu)：(PIN Photodiode，簡稱PIN PD) 在摻雜濃度很高的P型半導(dǎo)體和N型半

12、導(dǎo)體之間夾著一層較厚的高阻本征半導(dǎo)體I 結(jié)電容變得更小，頻率響應(yīng)高，帶寬可達(dá)10GHz； 線性輸出范圍寬特點(diǎn)：應(yīng)用： 光通信、光雷達(dá)等快速光檢測領(lǐng)域 光經(jīng)波導(dǎo)從I層進(jìn)入 第33頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一PIN光電二極管工作原理第34頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一4.2 常用光伏探測器4.2.4 PIN光電二極管(PIN Photodiode，簡稱PIN PD) 美國AT&T貝爾實(shí)驗(yàn)室：帶微諧振腔的InPInGaAs光電二極管，。同時獲得了高量子效率和大的帶寬?？朔顺Ｒ?guī)PIN光電二極管兩者不可兼得的缺點(diǎn) 該光電二極管光敏面150m峰值波長

13、1.48m、暗電流為14nA量子效率為82時, 結(jié)電容為0.757PF。第35頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一PIN光電二極管實(shí)例：第36頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一4.2 常用光伏探測器4.2.5 雪崩光電二極管(Avalanche Photodiode，簡稱APD) 內(nèi)增益： M1； M1 外電路單位時間內(nèi)的電子數(shù)器件內(nèi)單位時間內(nèi)的光電子數(shù)APD內(nèi)增益：102103 第37頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一高反壓(100200 V) 強(qiáng)電場 載流子加速 碰撞 新載流子雪崩倍增 光電流的放大 APD內(nèi)增益：102103

14、 4.2 常用光伏探測器4.2.5 雪崩光電二極管1.結(jié)構(gòu)原理：第38頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一4.2 常用光伏探測器雪崩光電二極管工作原理第39頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一 4.2.5雪崩光電二極管2.雪崩增益M ：UB為擊穿電壓 U增加到接近UB 得到很大的倍增 U很低 沒有倍增現(xiàn)象 U超過UB 噪聲電流很大 APD合適工作點(diǎn)： U接近UB，但不超過第40頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一APD合適工作點(diǎn)： U接近，但不超過UB與溫度的關(guān)系穩(wěn)定APD工作點(diǎn)： 1. 穩(wěn)壓 2. 恒溫 4.2.5雪崩光電二極管2.

15、雪崩增益M ：第41頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一APD合適工作點(diǎn)： U接近，但不超過穩(wěn)定APD工作點(diǎn)： 1. 穩(wěn)壓 2. 恒溫APD工作電路舉例：恒溫箱4.2.5雪崩光電二極管2.雪崩增益M ：第42頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一4.2 常用光伏探測器4.2.5雪崩光電二極管(Avalanche Photodiode，簡稱APD) APD內(nèi)增益：102103 3.噪聲特性4.響應(yīng)時間 （0.052.0ns）1.結(jié)構(gòu)原理2.雪崩增益M第43頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一雪崩光電二極管實(shí)例：第44頁，共84頁，2022

16、年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一雪崩光電二極管PIN PD 10-14W/Hz1/2APD 10-15W/Hz1/2 Si-PD 10-13W/Hz1/2 PMT 10-16W/Hz1/2 第45頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一4.2 常用光伏探測器4.2.1 硅光電池 4.2.2 硅光電二極管4.2.3 硅光電三極管4.2.4 PIN光電二極管4.2.5 雪崩光電二極管4.2.6 紫外光電二極管4.2.7 碲鎘汞、碲錫鉛紅外光電二極管第46頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一 4.3 光伏探測器組合器件 光伏探測器的組合器件特點(diǎn)是：大多在一塊硅片

17、上按一定要求制造出若干個光伏探測器，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)型光電器件第47頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一 4.3 光伏探測器組合器件也稱為集成結(jié)型光電器件4.3.1半導(dǎo)體色敏感器件 4.3.2陣列式光電器件4.3.3象限式光電器件4.3.4光電位置探測器4.3.5光電耦合器第48頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一 4.3 光伏探測器組合器件4.3.1半導(dǎo)體色敏感器件 1.結(jié)構(gòu)原理 同一塊硅片上制造的兩個深淺不同

18、的PN結(jié)：PD1為淺結(jié)，對波長短的光響應(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 第49頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一 4.3 光伏探測器組合器件2.檢測電路 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)放大器差動放大器4.3.1半導(dǎo)體色敏感器件 第50頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一 4.3 光伏探測器組合器件3.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 4.3.1半導(dǎo)體色敏感器件 第51頁，共84頁，2022

19、年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一 4.3 光伏探測器組合器件4.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4.3.1半導(dǎo)體色敏感器件 第52頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一 4.3 光伏探測器組合器件4.3.2陣列式光電器件10DP型光電二極管線陣器件 結(jié)構(gòu)：第53頁，共84頁，2022年，5月20日，

20、3點(diǎn)32分，星期一 4.3 光伏探測器組合器件100以上， 一維光學(xué)圖像、 空間頻譜分析 -線陣CCD2個， 光點(diǎn)移動方向用途：24個， 相位信息4.3.2陣列式光電器件第54頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一 4.3 光伏探測器組合器件4.3.3象限式光電器件準(zhǔn)直、定位、跟蹤、頻譜分析各種象限式光電器件示意圖 第55頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一 4.3 光伏探測器組合器件以四象限為例：若入射光為正中心O，4個PD的輸出均等；若偏于1象限，則PD1輸出較大，其余均較小工作原理缺點(diǎn)：光敏面上有象限分隔線，對光斑位置不能進(jìn)行 連續(xù)測量，位置分辨率受

21、影響 4.3.3象限式光電器件第56頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一 4.3 光伏探測器組合器件特點(diǎn)：光敏面上無象限分隔線，對光斑位置可進(jìn)行 連續(xù)測量，位置分辨率高 4.3.4光電位置探測器Position Sensitive Detectors，簡稱PSD一維PSD 結(jié)構(gòu)三層： 上面為P層 下面為N層 中間為I層P層光敏層，電阻均勻 第57頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一 4.3 光伏探測器組合器件4.3.4光電位置探測器P層的電阻率分布均勻、負(fù)載及電極接觸電阻為零 第58頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一 4.3 光伏探

22、測器組合器件4.3.5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。發(fā)光器件： 常采用發(fā)光二極管接收器件： 常用光電二極管、光電三極管、光集成電路等 第59頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一例1：用光電耦合器隔離的高壓穩(wěn)壓電路 高壓區(qū) 低壓區(qū)光4.3.5光電耦合器第60頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一例2. 計算機(jī)系統(tǒng)中終端設(shè)備 與主機(jī)的隔離運(yùn)行大型計算機(jī)主機(jī)用戶終端設(shè)備光4.3.5光電耦合器第61頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一 4.3 光伏探測器組合器件總 結(jié)：4.3.1半導(dǎo)體色敏感器件 4.3.2陣列式光電器

23、件4.3.3象限式光電器件4.3.4光電位置探測器4.3.5光電耦合器第62頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一4.4 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TRb+UCCcR偏置電路:例如：意義：1. 提高探測靈敏度2. 提高頻率響應(yīng)3. 降低噪聲偏置電壓偏置電阻第63頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一反向偏置電路 自偏置電路 零伏偏置電路 4.4 光伏探測器的偏置電路第64頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一4.4.1自偏置電路4.4 光伏探測器的偏置電路第65頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32

24、分，星期一1短路或線性電流放大區(qū)2空載電壓輸出區(qū)3功率放大區(qū)4.4 光伏探測器的偏置電路光電池自偏置電路 4.4.1自偏置電路第66頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一1短路或線性電流放大區(qū)RL0=0 (運(yùn)放虛短)放大器的輸入電阻為： ri =010 線性放大區(qū)：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。4.4 光伏探測器的偏置電路4.4.1自偏置電路第67頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一2空載電壓輸出區(qū)RL1M 光電池處于接近開路狀態(tài) 光照，輸出電壓從0跳躍到0.450.6V空載電壓輸出區(qū)：具有很高的光電轉(zhuǎn)換靈敏度，不需偏置

25、電源，適合于開關(guān)或控制電路 4.4 光伏探測器的偏置電路4.4.1自偏置電路第68頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一4.4.2零伏偏置電路 兩種零伏偏置電路： 0 自偏置：負(fù)載電阻為零 反偏置：反偏壓很小或?yàn)榱?4.4 光伏探測器的偏置電路第69頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一1零伏偏置電路特點(diǎn)中遠(yuǎn)紅外波段光伏探測器： 窄禁帶（Eg很?。軣峒ぐl(fā)影響較 大，反向偏壓不能大(一般為幾百毫伏至一點(diǎn) 幾伏) 零伏偏置或接近于零伏偏置。 質(zhì)量好的光伏探測器： 零伏偏置，1f 噪聲最小，暗電流為零 較高的信噪比。4.4.2零伏偏置電路 第70頁，共84頁，

26、2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一2零伏偏置電路實(shí)例例1：自偏置_負(fù)載電阻為零 例2：反偏置_反偏壓為零 4.4.2零伏偏置電路 第71頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一4.4.3反向偏置電路反向偏置電路特點(diǎn)： 靈敏度、頻帶寬度和光電變換線性范圍 4.4 光伏探測器的偏置電路第72頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一反向偏置電路 4.4 光伏探測器的偏置電路為了分析問題方便，將第三象限特性曲線旋轉(zhuǎn)到第一象限 與晶體三極管輸出曲線類似 第73頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一1.基本反向偏置電路4.4.3反向偏置電路電路圖：

27、回路方程：U(I)為光電二極管的端電壓 Ub為偏置電壓 負(fù)載電阻上的輸出信號：第74頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一1.基本反向偏置電路4.4.3反向偏置電路選擇負(fù)載電阻RL和偏置電壓Ub ：負(fù)載電阻的影響 偏置電壓的影響 第75頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一1.基本反向偏置電路選擇負(fù)載電阻RL和偏置電壓Ub ：方法：標(biāo)出拐點(diǎn)M 功耗限制 圖解分析方法4.4.3反向偏置電路第76頁，共84頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)32分，星期一1.基本反向偏置電路選擇負(fù)載電阻RL和偏置電壓Ub ：標(biāo)出拐點(diǎn)M 圖解分析方法：直觀、方便，適應(yīng)于檢測恒定或緩慢變化的入射光信號的直流電路，特別適應(yīng)大信號狀態(tài)下的電路分析。至于檢測高頻小功率光信號或者檢測極微弱光信號的電路分析方法將在第十章介紹。4.4.3反向偏置電路第77頁，共8