第04章光伏探测器(zm2014秋)
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1、 第第4章章 光伏探测器光伏探测器 光学与电子信息学院光学与电子信息学院 赵茗副教授赵茗副教授 1. 光照下的PN结电流方程及伏安特性2. 开路电压Uoc和短路电流Isc3暗电流和温度特性4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性4噪声、信噪比和噪声等效功率5. 光谱特性 6. 响应时间和频率特性 1. 光照下的光照下的PN结电流方程及伏安特性结电流方程及伏安特性电流方程电流方程 伏安特性伏安特性 /0p1e Uk TIIeI三种工作模式三种工作模式1 1）零偏置的光伏工作模式）零偏置的光伏工作模式RLIpID零偏工作原理零偏工作原理NP-ILvpkTqVpDLIeIIII )1(/
2、0ESIEp问题：如果外电路没有问题：如果外电路没有负载负载R RL L，电流怎样变化？，电流怎样变化？ 2 2）反向偏置的光电导工作模式）反向偏置的光电导工作模式RLIpID反偏工作原理反偏工作原理NPILpkTqVpDLIeIIII) 1(/0pLII3 3）正向偏置的工作模式）正向偏置的工作模式RLIpID正偏工作原理正偏工作原理NPILpkTqVpDLIeIIII) 1(/0DpDLIIII反向偏置光电导模式反向偏置光电导模式零偏置光伏模式零偏置光伏模式正向偏置二极管模式正向偏置二极管模式4 4） 光伏和光导工作模式比较光伏和光导工作模式比较光导模式光导模式( (反偏反偏) )光伏模式
3、光伏模式( (零偏零偏) )频率特性频率特性频率特性频率特性提高提高适用低频工作适用低频工作灵敏度灵敏度长波长波灵敏度增加；灵敏度增加；扩展扩展线性线性区上限区上限长波灵敏度略小长波灵敏度略小噪声噪声散粒噪声散粒噪声较大较大散粒噪声小，信噪比散粒噪声小，信噪比较高较高5 5）等效电路）等效电路 （意义：分析与计算）（意义：分析与计算）/0p1e Uk TIIeI电流源电流源普通二极管普通二极管 2. 开路电压开路电压Uoc和短路电流和短路电流Iscp/01IeIIkTqU负载电阻负载电阻RL，开路电压，开路电压 ocp0ln/1kTUIIe（）负载电阻负载电阻RL=0，短路电流，短路电流 sc
4、pIIS E 3. 暗电流和温度特性暗电流和温度特性电流方程电流方程 /0pdp1eUkTIIeIII暗电流暗电流 硅光电二极管暗电流的温度特性 常温条件下，暗电流常温条件下，暗电流硅光电二极管硅光电二极管 100nA硅硅PIN光电二极管光电二极管1nA影响：影响：1.弱光的测量弱光的测量 2. 散粒噪声散粒噪声减小方法：减小方法： 1.降低温度降低温度 2.偏压为零偏压为零4噪声、信噪比和噪声等效功率噪声、信噪比和噪声等效功率p光伏光伏探测器噪声探测器噪声主要主要包括：光电流散粒噪声包括：光电流散粒噪声、暗电流散粒暗电流散粒噪声噪声和和PN结漏电阻结漏电阻Rsh的的热噪声。热噪声。p放大器负
5、载热噪声放大器负载热噪声 2npdshL4422kT fkT fieIfeIfRR 噪声等效功率 2dniNEPS光电二极管光电二极管噪声等效功率计算噪声等效功率计算Dp2e IIfNEPS（）PIN PD 10-14W/Hz1/2仅考虑散粒噪声时仅考虑散粒噪声时5. 光谱特性光谱特性光伏探测器波长响应范围光伏探测器波长响应范围紫外光紫外光可见光可见光红外远红外光红外远红外光光伏光伏探测器波长响应范围探测器波长响应范围紫外光紫外光可见光可见光近红外近红外远远红外光红外光光电导光电导探测器波长响应范围探测器波长响应范围紫外光紫外光可见光可见光近红外近红外 极远极远红外光红外光二者光谱响应范围的差
6、别？为什么？二者光谱响应范围的差别？为什么？ 6. 响应时间和频率特性响应时间和频率特性 光伏效应示意图光伏效应示意图响应时间：响应时间： 扩散时间扩散时间10-9s 漂移时间漂移时间10-11s 电路时间常数电路时间常数 1.5109 s光敏区薄，缩短扩散光敏区薄，缩短扩散时间时间频率特性：频率特性： 仅考虑电路时间常数仅考虑电路时间常数eLjR CHCe12f 硅硅光电二极管：几百光电二极管：几百上千上千MHz; PIN光电二极管：光电二极管：10GHz,雪崩光电二极管：雪崩光电二极管：100GHz比较：比较：频率特性频率特性HCe12fHCc12f光伏探测器频率特性由电路时间常数决定光伏
7、探测器频率特性由电路时间常数决定光电导探测器频率特性由载流子寿命决定光电导探测器频率特性由载流子寿命决定光伏探测器（结型器件）与光电导器件的区别在于：光伏探测器（结型器件）与光电导器件的区别在于：小小 结结光电导探测器光电导探测器光伏探测器光伏探测器频率特性频率特性依赖于非平衡载流子依赖于非平衡载流子的产生与复合运动的产生与复合运动载流子的漂移运动，载流子的漂移运动，响应速度快响应速度快光电变换部位光电变换部位均质均质结型结型极性极性无极性，必须加偏压无极性，必须加偏压有极性，可不加偏压有极性，可不加偏压4.2.1 硅光电池 4.2.2 硅光电二极管4.2.3 硅光电三极管4.2.4 PIN光
8、电二极管4.2.5 雪崩光电二极管4.2.6 紫外光电二极管4.2.7 碲镉汞、碲锡铅红外光电二极管4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器 4.2.1 4.2.1 硅光电池硅光电池 工作区域：第四象限：工作区域：第四象限：结构：结构：分类：分类：主要功能是作为光电探主要功能是作为光电探测用，光照特性的线性度好测用，光照特性的线性度好太阳能光电池太阳能光电池测量光电池测量光电池主要用作电源，转换效主要用作电源，转换效率高、成本低率高、成本低(Solar Cells) 2CR，2DR光电特性光电特性照度照度电流电压特性电流电压特性照度照度负载特性负载特性4.2.2 4.2.2 硅光电二极管硅光电二极
9、管结构结构：2CU，2DU（Photodiode，简称，简称PD） 2DU2DU系列光电二极管系列光电二极管有三条引出线，除有三条引出线，除了前极、后极外，了前极、后极外，还设了一个还设了一个环环极，极，减少暗电流和噪声。减少暗电流和噪声。 以以P P型硅为衬底的型硅为衬底的2DU2DU型型以以N N型硅为衬底的型硅为衬底的2CU2CU型型掺杂浓度较低；掺杂浓度较低；电阻率较高；电阻率较高；结区面积小；结区面积小；通常多工作于通常多工作于反偏置反偏置状态；状态；结电容小，频率特性好；结电容小，频率特性好；光电流比光电池光电流比光电池小得多小得多，一般多在微安级，一般多在微安级比较：比较：光电二
10、极管光电二极管与与光电池光电池 表表42和表和表414.2.3 4.2.3 硅光电三极管硅光电三极管又称为光电晶体管（又称为光电晶体管（PhototransistorPhototransistor，简称，简称PTPT） 光电三极管在电子线路中的符号光电三极管在电子线路中的符号光电转换光电转换集电极集电极输出电流：输出电流： PCII1.1.工作原理工作原理光电流放大光电流放大NPN结构，称为结构，称为 3DU型；型；PNP结构，称为结构，称为3CU型。型。三种形式的集成光电器件三种形式的集成光电器件提高光电三极管的增益，减小体积提高光电三极管的增益，减小体积2.2.特性特性(1)(1)伏安特性
11、伏安特性 偏置电压：发射结正向偏置电压：发射结正向偏置偏置，集电结反向集电结反向偏置偏置。偏压。偏压为零为零时，无论光照度有多强，时，无论光照度有多强，集电极电流都为零。集电极电流都为零。(2)(2)光电特性光电特性 硅光电二极管光电特性 硅光电三极管光电特性 光电光电三极管：光电三极管：光电特性特性“非线性非线性”(3)(3)光电特性时间响应（频率特性）光电特性时间响应（频率特性） 通常，硅光电二极管的时间常数一般在通常，硅光电二极管的时间常数一般在0.1s以内，以内，PINPIN和雪崩和雪崩光电二极管为光电二极管为nsns数量级，硅光电数量级，硅光电三极管三极管比光电二极管的时间比光电二极
