常用光电探测器.ppt

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1、常用光电探测器简介,知识巩固,光电探测器的物理效应,知识巩固,1）以下属于内光电效应的有（）A、光电发射效应 B、光电导效应 C、光生伏特效应 D、光磁效应2）在光线作用下，半导体电导率增加的现象属于()A、外光电效应 B、内光电效应 C、光电发射 D、光导效应3）以下几种探测器属于热探测器的有：（）A、热电偶 B、热释电探测器 C、热敏电阻 D、超导远红外探测器4）表征光电探测器探测微弱光信号能力的参数是（）A、通量阈 B、噪声等效功率 C、探测度 D、归一化探测度,知识巩固,1）以下属于内光电效应的有（BCD）A、光电发射效应 B、光电导效应 C、光生伏特效应 D、光磁效应2）在光线作用下

2、，半导体电导率增加的现象属于(BD)A、外光电效应 B、内光电效应 C、光电发射 D、光导效应3）以下几种探测器属于热探测器的有：（ABCD）A、热电偶 B、热释电探测器 C、热敏电阻 D、超导远红外探测器4）表征光电探测器探测微弱光信号能力的参数是（ABCD）A、通量阈 B、噪声等效功率 C、探测度 D、归一化探测度,常用光电探测器,光电导探测器光敏电阻PN结光伏探测器的工作模式硅光电池太阳电池 光电二极管 光热探测器 热敏电阻 热释电探测器,光电导探测器光敏电阻,无结光电探测器（无需形成pn结）光敏电阻或光导管（光照下改变自身的电阻率，光照愈强，器件自身的电阻愈小）没有极性电阻随光照强度而

3、变化的可变电阻器,光电导探测器（光电导效应原理）,常用的光敏电阻有CdS、CdSe、PbS以及TeCdHg等。其中CdS是工业应用最多的，而PbS主要用于军事装备，,光敏电阻,在绝缘基片上淀积半导体薄膜，然后在薄膜面上蒸镀金或铟，形成梳状金属电极间距很近的电极之间，具有较大的光敏面积，从而获得很高的灵敏度。,1.光敏电阻的结构和偏置电路,M光电导体的光电流内增益,光敏电阻,光敏响应特性光照特性和伏安特性时间响应特性稳定特性噪声特性,2.光敏电阻的工作特性,光敏电阻的性能可依据其光谱响应特性、照度伏安特性、频率响应、温度及噪声特性来判别；在实际应用中，可根据这些特性合理选择相应的器件。,光敏电阻

4、,光敏响应特性,对各种光的响应灵敏度随入射光的波长变化而变化的特性。常用光谱响应曲线、光谱响应范围及峰值响应波长来描述。,三种光敏电阻的光谱响应特性曲线,或,光敏电阻,光照特性,理想光电转换关系式：,实际光照特征呈非线性关系：,CdS的光照特性曲线,与器件的材料、尺寸、形状以及载流子寿命有关；,电压指数，与接触电阻等因素有关，其值一般为11.2；,照度指数，由杂质种类及数量决定，其值一般为0.51.0。,在低偏压、弱光照条件下,光敏电阻,伏安特性,当 时，最大。称为匹配状态。最大功率损耗限制:,光敏电阻,伏安特性,偏置电压的选取原则：,光敏电阻,时间响应特性,光敏电阻受光照后或被遮光后，回路电

5、流并不立即增大或减小，而是有一响应时间。响应时间常数是由电流上升时间和衰减时间表示。,光敏电阻的响应时间与入射光的照度，所加电压、负载电阻及照度变化前电阻所经历的时间（称为前历时间）等因素有关。,光敏电阻,稳定特性,光敏电阻的阻值随温度变化而变化的变化率，在弱光照和强光照时都较大，而中等光照时，则较小。【例】CdS光敏电阻的温度系数在10lx照度时约为0；照度高于10lx时，温度系数为正；小于10lx时，温度系数反而为负；照度偏离10lx愈多，温度系数也愈大。当环境温度在0+60的范围内时，光敏电阻的响应速度几乎不变；而在低温环境下，光敏电阻的响应速度变慢。例如，-30时的响应时间约为+20时

6、的两倍。光敏电阻的允许功耗，随着环境温度的升高而降低。,光敏电阻,噪声特性,光电导探测器的噪声主要有三个噪声源贡献：产生-复合噪声、热噪声、1/f 噪声。,光敏电阻,CdS和CdSe：可见光辐射探测器，低造价、高可靠和长寿命；光电导增益比较高(103104)，响应时间比较长(大约50ms)。PbS：近红外辐射探测器，波长响应范围在13.4m，峰值响应波长为2m，内阻（暗阻）大约为1M，响应时间约200s，室温工作能提供较大的电压输出；广泛用于遥感技术和红外制导技术。,3.几种典型的光敏电阻,光敏电阻,InSb：近红外辐射探测器，室温下工作噪声较大，在77K下，噪声性能大大改善，峰值响应波长为5

7、m，内阻低（大约50欧），响应时间短（大约5010-9s），适用于快速红外信号探测。HgxCd1-xTe探测器：化合物本征型光电导探测器，由HgTe和GdTe两种材料混在一起的固溶体，其禁带宽度随组分x呈线性变化。当x=0.2时响应波长为814m，工作温度77K，用液氮致冷；内电流增益约为500，低内阻，广泛用于10.6m的CO2激光探测。,3.几种典型的光敏电阻,光敏电阻,（1）用于测光的光源光谱特性必须与光敏电阻的光敏特性匹配；（2）要防止光敏电阻受杂散光的影响；（3）要防止使光敏电阻的电参数(电压、功耗)超过允许值；（4）根据不同用途，选用不同特性的光敏电阻。,4.使用注意事项,PN结光

8、伏探测器的工作模式,利用半导体PN结光伏效应制成的器件称为光伏探测器，也称结型光电器件。品种很多，包括各种光电池、光电二极管、光电晶体管、光电场效应管、PIN管、雪崩光电二极管、光可控硅、阵列式光电器件、象限式光电器件、位置敏感探测器（PSD）、光电耦合器件等。和光电导探测器不同，光伏探测器的工作特性要复杂一些。通常有光电池和光电二极管之分，也就是说，光伏探测器有着不同的工作模式。因此在具体讨论光伏探测器的工作特性之前，首先必须弄清楚它的工作模式问题。,PN结光伏探测器的工作模式,PN结光伏探测器的典型结构如图所示。为说明光功率转换成光电流的关系，设想光伏探测器两端被短路，并用一理想电流表记录

9、光照下流过回路的电流，这个电流常常称为短路光电流。,PN结光伏探测器的工作模式,假定光生电子-空穴对在PN结的结区，即耗尽区内产生。由于内电场作用，电子向n区、空穴向p区漂移运动，被内电场分离的电子和空穴就在外回路中形成电流。,PN结光伏探测器的工作模式,就光电流形成的过程而言，光伏探测器和光电导探测器有十分类似的情况。可以证明：在光伏情况下一个光生电子-空穴对对外回路所贡献的总电荷量：光伏探测器的内电流增益等于M=1。光伏探测器光电转换关系为这是和光电导探测器明显不同的地方。,PN结光伏探测器的工作模式,一个PN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)的并联，如图(b)所示

10、。它的工作模式则由外偏压回路决定。在零偏压时(图(c)，称为光伏工作模式。当外回路采用反偏压V时(图(d)，即外加P端为负n端为正的电压时，称为光导工作模式。,PN结光伏探测器的工作模式,普通二极管的伏安特性为光伏探测器的总伏安特性应为 和 之和，考虑到二者的流动方向，我们有：式中i是流过探测器的总电流，e是电子电荷，u是探测器两端电压，kB是玻耳兹曼常数，T是器件的绝对温度。把上式中i和u为纵横坐标作成曲线，就是光伏探测器的伏安特性曲线。,第一象限是正偏压状态，iD本来就很大，所以光电流不起重要作用。作为光电探测器，工作在这一区域没有意义。,第三象限是反偏压状态。这时iD=iS0，是普通二极

11、管中的反向饱和电流，称为暗电流(对应于光功率P=0)，数值很小，这时的光电流(等于i-iS0)是流过探测器的主要电流，对应于光导工作模式。通常把光导工作模式的光伏探测器称为光电二极管，因为它的外回路特性与光电导探测器十分相似。,在第四象限中，外偏压为零。流过探测器的电流仍为反向光电流，随着光功率的不同，出现明显的非线性。这时探测器的输出是通过负载电阻RL上的电压或流过RL上的电流来体现，因此，称为光伏工作模式。通常把光伏工作模式的光伏探测器称为光电池。,应特别注意，光电流总是反向电流，而光电流在RL上的电压降，对探测器产生正向偏置称为自偏压，当然要产生正向电流。最终两个电流抵消，伏安曲线中止于

12、横轴上。,硅光电池太阳电池,零偏压pn结光伏探测器光伏工作模式光电池 硅光电池的用途：光电探测器件，电源,硅光电池太阳电池,硅光电池结构示意图,硅光电池,硅光电池太阳电池,光电池按材料分，有硅、硒、硫化镉、砷化镓和无定型材料的光电池等。按结构分，有同质结和异质结光电池等。光电池中最典型的是同质结硅光电池。国产同质结硅光电池因衬底材料导电类型不同而分成2CR系列和2DR系列两种。2CR系列硅光电池是以N型硅为衬底，P型硅为受光面的光电池。受光面上的电极称为前极或上电极，为了减少遮光，前极多作成梳状。衬底方面的电极称为后极或下电极。为了减少反射光，增加透射光，一般都在受光面上涂有SiO2或MgF2

13、，Si3N4，SiO2MgF2等材料的防反射膜，同时也可以起到防潮，防腐蚀的保护作用。,几种国产硅光电池的特性,硅光电池太阳电池,硅光电池太阳电池,硅光电池太阳电池,硅光电池太阳电池,硅光电池太阳电池,硅光电池太阳电池,硅光电池太阳电池,光电池等效电路,短路电流和开路电压,短路电流RL=0开路电压RL=,Cj：结电容ish：pn结漏电流，很小Rsh：等效泄露电阻，很大Rs：引出电极管芯接触电阻,硅光电池太阳电池,短路电流的计算,不计ish的影响，有,短接RL并忽略RS的影响，u1=0，iD=0。流过光电池的短路电流就是光电流，即,若计RS与RSh的影响，短路电流的精确表达式应为,硅光电池太阳电

14、池,开路电压的计算,负载电阻开路时，光电池输出电压（即开路电压uOC）等于u1，由二极管伏安特性求得,考虑，开路电压为,硅光电池太阳电池,单片硅光电池的开路电压约为0.450.6V，短路电流密度约为150300A/m2。测量方法：在一定光功率（例如1kW/m2）照射下，使光电池两端开路，用一高内阻直流毫伏表或电位差计接在光电池两端，测量出开路电压；在同样条件下，将光电池两端用一低内阻（小于1）电流表短接，电流表的示值即为短路电流。,硅光电池太阳电池,输出功率,输出功率的一般表达式,输出电流,输出功率为,硅光电池太阳电池,最佳负载电阻,输出功率为,硅光电池太阳电池,实际光照下的开路电压计算（根据

15、手册中的光电池在特定光照度下的开路电压值，求出实际照度下的开路电压值）最佳负载电阻Rm的估算保证光电池线性工作的负载电阻RL的选取原则,缓变光电信号探测,硅光电池太阳电池,在光照P1下,在光照P2下,1）计算开路电压,由光伏探测器的光电转换关系，,可以根据手册上给定的光电池在特定光照度下开路电压值，求出实际照度下的开路电压值。,室温下，,硅光电池太阳电池,硅光电池太阳电池,负载上的压降,负载上的功率,硅光电池太阳电池,硅光电池太阳电池,当，上式变为,硅光电池太阳电池,当,输出功率P电（RL上的功率）达到最大,通常为保证光电池工作在线性状态（输出信号不失真），取,硅光电池太阳电池,3）保证光电池

16、线性工作的负载电阻RL的选取原则,硅光电池太阳电池,光电池的电流输出变换电路举例-后带放大器电路a)用锗三级管放大，输出电压,硅光电池太阳电池,b)两个光电池串联，使用Si三级管放大光电流,硅光电池太阳电池,c)Ge二极管与Si光电池串接，使用Si三级管放大光电流,硅光电池太阳电池,d)Si光电池接运算放大器,硅光电池太阳电池,1 电路分析,交变光信号探测,令光电池接收的光功率为正弦脉动形式，即,下面利用I-V特性，作出直流负载线、交流负载线分析最大输出功率和最佳负载,光电池加恒定光信号时，画直流通路,交点为Q,硅光电池-交变光信号探测,交流负载线,光电池加交变光信号，电路为交流工作状态，画交流通路,交流负载线的确定:过Q点，作一条直线，斜率为,硅光电池-交变光信号探测,正弦交流输出电压峰值,为：,硅光电池-交变光信号探测,2.交流输出电压峰值,输出电功率有效值（负载 上的功率）,硅光电池-交变光信号探测,3输出电功率,求最大输出功率与最佳负载,令,最佳匹配负载所以，最大输出功率,硅光电池-交变光信号探测,