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1、1 第四章 光辐射的探测技术 2 光伏模式 光导模式 一个一个PNPN结光伏探测器就等效为一个普通二极管和一个恒流源结光伏探测器就等效为一个普通二极管和一个恒流源 ( (光电流源光电流源) )的并联,其的并联,其工作模式则由外偏压回路决定工作模式则由外偏压回路决定。 在零偏压时称为光伏工作模式。在零偏压时称为光伏工作模式。 外回路采用反偏压时称为光导工作模式。外回路采用反偏压时称为光导工作模式。 u i iD i 等效电路 3 普通二极管的伏安特性为:普通二极管的伏安特性为: / 0 (1) B eu k T ds iie= / 0 (1) B D eu k T S iii iei = = 光
2、伏探测器的电流:光伏探测器的电流: 伏安特性曲线伏安特性曲线 第一象限正偏压,探测器工第一象限正偏压,探测器工 作在此区域无意义。作在此区域无意义。 第三象限反偏压,对应光导模式。第三象限反偏压,对应光导模式。 第四象限零偏压,对应光伏模式。第四象限零偏压,对应光伏模式。 4 光电池也称光伏电池光电池也称光伏电池,实质上就是实质上就是大面积的大面积的PN结结。 4.6 硅光电池硅光电池太阳电池太阳电池 由于光电池常常用于把太阳光能直接变成电能由于光电池常常用于把太阳光能直接变成电能,因此又称因此又称 为太阳电池为太阳电池。 光电池的种类很多光电池的种类很多。目前目前,应用最广的是应用最广的是硅
3、光电池硅光电池。硅光硅光 电池的电池的价格便宜价格便宜,光电转换效率高光电转换效率高,光谱响应宽光谱响应宽(很适合近红很适合近红 外探测外探测),寿命长寿命长,稳定性稳定性。 5 硅光电池的用途大致可分为两类:硅光电池的用途大致可分为两类: 第一类是用做第一类是用做光电探测器件光电探测器件使用;使用; 第二类是用做第二类是用做电源电源。 作为光电探测器件作为光电探测器件,广泛用于近红外辐射的探测器广泛用于近红外辐射的探测器、光电读光电读 出出,光电耦合光电耦合,激光准直激光准直,光电开关以及电影还声等光电开关以及电影还声等。这类应这类应 用用要求光电池照度特性的线性度好要求光电池照度特性的线性
4、度好。 作为电源作为电源,广泛用做太阳能电池广泛用做太阳能电池,作为人造卫星作为人造卫星、野外灯塔野外灯塔、 无人气象站无人气象站、微波站等设备的电源使用微波站等设备的电源使用。此类应用此类应用主要要求价主要要求价 廉廉,输出功率大输出功率大。 6 硅光电池的结构硅光电池的结构。它是在它是在P型硅片上扩散硼形成型硅片上扩散硼形成N型层型层,并用并用 电极引线把电极引线把N型和型和P列层引出列层引出,形成正负电极形成正负电极。为防止表面反为防止表面反 射光射光,提高转换效率提高转换效率,通常在器件受光面上进行氧化通常在器件受光面上进行氧化,形成形成 SiO2保护膜保护膜。 G + - Si 钢片
5、 透明电极 引出电极 绝缘层 硅光电池硅光电池 1.太阳电池的结构 7 N P XN XP 自 偏 工 作 状 态 硅光电池光探测原理 A 测量硅光电池的主要功能是光电探测测量硅光电池的主要功能是光电探测,即在即在不加偏置不加偏置的情况下的情况下 将光信号转换成电信号将光信号转换成电信号。 8 硅光电池的受光面的输出电极多做成如图所示的梳齿状或硅光电池的受光面的输出电极多做成如图所示的梳齿状或“E” 字型电极,目的是字型电极,目的是减小硅光电池的内电阻减小硅光电池的内电阻。 9 (1)(1)开路电压和短路电流:开路电压和短路电流: 2.基本性能参数 对应负载对应负载RL= 和和RL=0两种情况
6、。两种情况。 光电池等效电路 RL=0时,流过光电池的短路电池就是光电流。时,流过光电池的短路电池就是光电流。 短接时短接时 短路光电流短路光电流 开路电压开路电压 - - 10 (2 2)输出功率和最佳负载电阻)输出功率和最佳负载电阻 输出电功率输出电功率 最佳负载电阻最佳负载电阻RM, ,使输出功率最大 使输出功率最大 光电池的转换效率:光电池的转换效率:PmP是最大是最大 电输出功率与入射光功率的比值,定电输出功率与入射光功率的比值,定 义为光电池的义为光电池的转换效率转换效率。 =1exp 1 Tk eu iiiii B soD + =1ln 1 so B i ii e Tk u 由由
7、 得得 11 输出功率曲线示意输出功率曲线示意 输出功率曲线输出功率曲线 12 (3 3)光谱及温度特性)光谱及温度特性 13 (4 4) 缓变光电信号探测缓变光电信号探测 实际光照功率下的开路电压计算实际光照功率下的开路电压计算 +=1ln so B OC i i e Tk u = so B OC i i e Tk u ln 设实际光功率为设实际光功率为P OC B OC B so B so B OC u P P e Tk u i i e Tk i i i i e Tk i i e Tk u + = + = = = ln ln ln ln 在功率为在功率为P时光电池的开路电压为时光电池的开路
8、电压为uOC,可以表达为:,可以表达为: 0s ii 14 伏安特性曲线的两个区域:伏安特性曲线的两个区域:I 区区(光电流区域光电流区域) 和和II区区(光电压光电压 区域区域)。I区可以探测光信号,区可以探测光信号,II区只能用来做鉴别有无光的开区只能用来做鉴别有无光的开 关。关。 保证光电池线性工作的保证光电池线性工作的R RL L的选择原则的选择原则 (1)电流输出。电流输出。RL愈小,输出电流就愈大,愈接近短路电流愈小,输出电流就愈大,愈接近短路电流 isc。要求负载电阻尽量小。要求负载电阻尽量小。 (2)电压输出。负载电阻愈大,电压输出。负载电阻愈大, 光电池的输出电压就愈高。输出
9、光电池的输出电压就愈高。输出 线性度要求线性度要求负载电阻稍低或等于负载电阻稍低或等于 Rm值值。通常,为了使线性区有余。通常,为了使线性区有余 量,一般取量,一般取 对光电流区域,又有两种输出方式:对光电流区域,又有两种输出方式: 15 入射光入射光 (5) (5) 交变光信号探测交变光信号探测 tPPP mo sin+= 根据工作特性分析:根据工作特性分析: 工作在工作在II区区 mbL RRR/ 这种方式频率特性不好这种方式频率特性不好 工作在工作在I区区 mbL RRR 直流工作线直流工作线 交流负载线交流负载线 静态或直流工作点静态或直流工作点 16 光电池受强光或聚焦光照射时,要采
10、取散热措施。硒光光电池受强光或聚焦光照射时,要采取散热措施。硒光 电池、硅光电池的结温分别超过电池、硅光电池的结温分别超过50 、200时,它们的晶时,它们的晶 体结构就会被破坏,造成损坏。体结构就会被破坏,造成损坏。 硅光电地由薄的硅片制成,极脆。固定不宜用压紧法,硅光电地由薄的硅片制成,极脆。固定不宜用压紧法, 而应采用胶粘法,使用柔软、有弹性的胶合剂。而应采用胶粘法,使用柔软、有弹性的胶合剂。 硅光电池的引线很细,不能承受大的拉力,否则引线脱硅光电池的引线很细,不能承受大的拉力,否则引线脱 落。落。 硅光电池表面常镀有一层增透膜,应避免接触硬物损伤硅光电池表面常镀有一层增透膜,应避免接触
11、硬物损伤 薄膜。薄膜。 3.使用要点 17 光敏面光敏面 4.光电池实物图及应用 18 大面积光电池 19 在照度测量中的应用在照度测量中的应用 柔光罩下面为圆形光电池柔光罩下面为圆形光电池 20 太阳能发电太阳能发电 21 光电池在人造卫星上的应用光电池在人造卫星上的应用 23 4.7 光电二极管光电二极管 以光导模式工作的结型光伏探测器称为光电二极管以光导模式工作的结型光伏探测器称为光电二极管。 种类较多,包括种类较多,包括Si 光电二极管、光电二极管、 PIN光电二极管、光电二极管、 雪崩雪崩 光电二极管、光电三极管等。光电二极管、光电三极管等。 24 硅光电二极管的两种典型结构硅光电二
12、极管的两种典型结构,其中其中(a)是采用是采用N型单晶硅和扩型单晶硅和扩 散工艺散工艺,称为称为p n结构 结构。它的型号是它的型号是2CU型型。而而(b)是采用是采用P型型 单晶和磷扩散工艺单晶和磷扩散工艺,称称n p结构 结构。它的型号为它的型号为2DU型型。 2CU型 2DU型 1. 硅光电二极管 (1 1)硅光电二极管的结构)硅光电二极管的结构 25 p+n结构硅光电二极管结构硅光电二极管(2CU) 26 n+p结构硅光电二极管(结构硅光电二极管(2DU):): 光敏区外侧有保护环(光敏区外侧有保护环( n+ 环区),其目的是表面层漏电流,环区),其目的是表面层漏电流, 使暗电流明显减
13、少。其有三根引出线,使暗电流明显减少。其有三根引出线,n侧的电极称为前极,侧的电极称为前极, p侧的电极称为后极,环极接电源偏置正极,也可断开,空着。侧的电极称为后极,环极接电源偏置正极,也可断开,空着。 27 硅光电二极管的封装 灵敏度的角度变化灵敏度的角度变化 光敏二极管 光敏二极管的反向偏置接线及光照 特性示意图 在没有光照时在没有光照时,由于由于 二极管反向偏置二极管反向偏置,反反 向电流向电流(暗电流暗电流)很很 小小。 当光照增加当光照增加 时,光电流时,光电流I与光与光 照度成正比关系。照度成正比关系。 光敏光敏二极二极 管的反向管的反向 偏置接法偏置接法 RL 光照光照 光敏二
14、极管外形 包含包含1024个个InGaAs元件元件 的线性光电二极管阵列,可用的线性光电二极管阵列,可用 于分光镜。于分光镜。 2. 硅光电二极管的特性 光谱特性 伏安特性 频率特性 温度特性 (1)光谱响应特性光谱响应特性 Si光电二极管光谱响 应范围:0.41.1m 峰值响应波长约为 0.9 m 通常将峰值响应波长的电流灵敏度作为光电二极管的电流灵敏 度。硅光电二极管的电流响应率通常在0.405A/W (2)伏安特性伏安特性 在低反压下电流随光电压 变化非常敏感。这是由于反向 偏压增加使耗尽层加宽、结电 场增强,它对于结区光的吸收 率及光生裁流子的收集效率影 响很大。 当反向偏压进一步增加
15、时, 光生载流子的收集已达极限, 光电流就趋于饱和。这时,光 电流与外加反向偏压几乎无关, 而仅取决于入射光功率。 光电二极管在较小负载电阻下光电二极管在较小负载电阻下,入射光功率与光电流之间呈现入射光功率与光电流之间呈现 较好的线性关系较好的线性关系。 (3)频率响应特性频率响应特性 光电二极管的频率特性响应主要由三个因素决定:光电二极管的频率特性响应主要由三个因素决定: (a)光生载流子在耗尽层附近的扩散时间;光生载流子在耗尽层附近的扩散时间; (b)光生载流子在耗尽层内的漂移时间;光生载流子在耗尽层内的漂移时间; (c)与负载电阻与负载电阻RL并联的结电容并联的结电容Ci所决定的电路时间
16、常数所决定的电路时间常数。 频率特性优于光电导探 测器,适宜于快速变化的 光信号探测。 36 PIN管结构示意图 PIN管的结构:在管的结构:在P型半导体和型半导体和N型半导体之间夹着一层本征半型半导体之间夹着一层本征半 导体导体。因为本征层相对于因为本征层相对于P区和区和N区是高阻区这样区是高阻区这样,PN结的内结的内 电场就基本上全集中于电场就基本上全集中于 I 层中层中。 P-Si N-Si I-Si 3. PIN光电二极管 37 I层很厚层很厚,吸收系数很小吸收系数很小,入射光很容易进入材料内部被充分入射光很容易进入材料内部被充分 吸收而产生大量电子吸收而产生大量电子 - 空穴对空穴对
17、,因而大幅度提高了光电转换效因而大幅度提高了光电转换效 率率,从而使灵敏度得以提高从而使灵敏度得以提高。两侧两侧P层和层和N层很薄层很薄,吸收入射吸收入射 光的比例很小光的比例很小,I层几乎占据整个耗尽层层几乎占据整个耗尽层, 因而光生电流中漂因而光生电流中漂 移分量占支配地位移分量占支配地位,从而大大提高了响应速度从而大大提高了响应速度。 P-Si N-Si I-Si 38 I层所起的作用: 本征层的引入本征层的引入,明显增大了明显增大了p+区的耗尽层的厚度区的耗尽层的厚度,这有利于缩这有利于缩 短载流子的扩散过程短载流子的扩散过程。耗尽层的加宽耗尽层的加宽,也可以明显减少结电容也可以明显减
18、少结电容 Cj,从尔使电路常数减小从尔使电路常数减小。同时耗尽加宽还有利于对长波区的吸同时耗尽加宽还有利于对长波区的吸 收收。 性能良好的性能良好的PIN光电二极管光电二极管,扩散和漂移时间一般在扩散和漂移时间一般在10-10 s数量数量 级级,频率响应在千兆赫兹频率响应在千兆赫兹。实际应用中决定光电二极管的频率实际应用中决定光电二极管的频率 响应的主要因素是电路的时间常数响应的主要因素是电路的时间常数。合理选择负载电阻是一个合理选择负载电阻是一个 很重要的问题很重要的问题。 PN结 PIN结 39 频带宽(可达频带宽(可达10GHz) 灵敏度高灵敏度高 线性输出范围宽线性输出范围宽 噪声低噪
19、声低 PIN光电二极管的特点光电二极管的特点 40 PIN型光电二极管提高了型光电二极管提高了PN结光电二极管的时间响应结光电二极管的时间响应,但对但对 器件的灵敏度没有多少改善器件的灵敏度没有多少改善。为了提高光电二极管的灵敏度为了提高光电二极管的灵敏度, 人们设计了雪崩光电二极管人们设计了雪崩光电二极管,使光电二极管的光电灵敏度提使光电二极管的光电灵敏度提 高到需要的程度高到需要的程度。 4. 雪崩光电二极管(APD) 41 雪崩光电二极管是利用雪崩光电二极管是利用PN结在结在高反向电压高反向电压下产生的雪崩效下产生的雪崩效 应来工作的一种二极管应来工作的一种二极管。 雪崩光电二极管是具有
20、内增益的一种光伏器件雪崩光电二极管是具有内增益的一种光伏器件。它利用光生它利用光生 载流子在强电场内的定向运动产生雪崩效应载流子在强电场内的定向运动产生雪崩效应,以获得光电流以获得光电流 的增益的增益。 I0 NPP(N) 光 42 反 向 偏 压U 光 电 流 暗 电 流 输 出 光 电 流I0 0UB 随着反向偏压的增加随着反向偏压的增加,开始光电流基本保持不变开始光电流基本保持不变。当反向偏压当反向偏压 增加到一定数值时增加到一定数值时,光电流急剧增加光电流急剧增加,最后器件被击穿最后器件被击穿,这个这个 电压称为电压称为击穿电压击穿电压UB。 光电二极管输出电流I和反向偏压反向偏压U的
21、关系的关系 雪崩光电二极管的电流增益用雪崩光电二极管的电流增益用 倍增系数或雪崩增益倍增系数或雪崩增益M表示,表示, 它定义为它定义为: 0 i i M = i为输出电流,为输出电流,i0为倍增前的为倍增前的 电流电流. 43 采用一般晶体管放大原理,可得到另一种具有电流内增益采用一般晶体管放大原理,可得到另一种具有电流内增益 的光伏探测器,即光电三极管。它与普通双极晶体管十分相的光伏探测器,即光电三极管。它与普通双极晶体管十分相 似,都是由发射结和集电结构成,并均似,都是由发射结和集电结构成,并均具有电流放大作用。具有电流放大作用。 5. 光电三极管 为了充分吸收光子,光电三极管则需要一个较
22、大的受光面,为了充分吸收光子,光电三极管则需要一个较大的受光面, 它的响应频率远低于光电二极管。它的响应频率远低于光电二极管。 44 光电三极管是一种相当于在基极和集电极之间接有光电二极光电三极管是一种相当于在基极和集电极之间接有光电二极 管的普通三极管管的普通三极管。光电三极管通常有光电三极管通常有npn和和pnp型两种结构型两种结构。 图中图中e、b、c分别表示光电三极管的发射极分别表示光电三极管的发射极、基极和集电极基极和集电极。 基区为光敏面基区为光敏面。工作时基极一集电极结工作时基极一集电极结(b-c结结)为反偏压状态为反偏压状态, 基极开路基极开路。 结构与工作原理结构与工作原理
23、e b c n p n VA c e b RL 45 光电三极管的工作有两个过程:一是光电转换;二是光电流光电三极管的工作有两个过程:一是光电转换;二是光电流 放大放大。 光电转换过程是在集一基结内进行光电转换过程是在集一基结内进行,它与一般光电二极管相它与一般光电二极管相 同同。当光照射基区时当光照射基区时,在该区产生电子一空穴对在该区产生电子一空穴对,光生电子在光生电子在 内电场作用下漂移到集电极内电场作用下漂移到集电极,形成光电流形成光电流,这一过程类似于光这一过程类似于光 电二极管电二极管。与此同时与此同时,空穴则留在基区空穴则留在基区,使基极的电位升高使基极的电位升高, 发射极便有大
24、量电子经基极流向集电极发射极便有大量电子经基极流向集电极。 6.光电倍增管(PMT)-光电子发射器件 光照射在某些材料表面上时,如果光子能量hv足够大, 就能够使表面发射出电子。这一现象叫做光电子发射, 又叫做外光电效应。 式中Ek表示光电子离开发射体表面的动能;hv是光子 能量;E 是光电发射体的功函数。 Ehv 产生光电子发射的条件:产生光电子发射的条件: EhvEk= 光电倍增管是一种基于光电子发射效应的真空光 电器件 。 光电倍增管工作原理光电倍增管工作原理 图中K是光电阴极,A是阳极,在阴极和阳极间设置了 若干个二次发射电极Dl、D2、Dn,它们分别称为 第一倍增电极、第二倍增电极、
25、第n倍增电极。光 电倍增管工作时,相邻电极之间保持一定电位差,其 中阴极电位最低,各倍增电极电位逐级升高,阳极电 位最高。 光电倍增管特性参数光电倍增管特性参数 (1)阴极灵敏度(阴极光照灵敏度): 阴极输出电流Ik 与入射于光电阴极的光通量的比值: = k k I S 单位:A/lm(微安/流明) 测量阴极光照灵敏度时,使用钨灯产生的2856K色 温光作为测试光源。 (2) 阳极灵敏度(阳极光照灵敏度): 阳极灵敏度表示在一定工作电压下,阳极输出电流Ia 与入射于光电阴极的光通量的比值: k a a I S = 单位:A/lm(安/流明) 测量阳极光照灵敏度时,使用钨灯产生的2856K色 温光作为测试光源。 光电倍增管无光照时,阳极电路中的电流称为暗电 流。暗电流决定光电倍增管的极限灵敏度。 (4 4)暗电流Id 选择和使用光探测器应注意的几个问题选择和使用光探测器应注意的几个问题 (1)探测器的光谱响应范围与所要探测的光波长匹配 (2)探测器的频率响应要与入射光的调制频率相匹配 (3)在需要测量信号大小或信号形状时,应选择线性度较 好的探测器 (4)探测器的工作温度 (5)探测器偏置要求和电压允许值 (6)选取合适的电路工作频率范围 (7)对所测的辐射强度范围有所估计,以防烧坏探测器。
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