1、第第0404章章 光伏探测器光伏探测器利用半导体光伏效应制作的器件称为利用半导体光伏效应制作的器件称为光伏探光伏探测器测器，简称，简称PV（Photovoltaic）探测器，也）探测器，也称称结型结型光电器件。光电器件。PNPN结受到光照时，可在结受到光照时，可在PNPN结的两端产生光生结的两端产生光生电势差，这种现象则称为电势差，这种现象则称为光伏效应光伏效应。光伏效应：光伏效应：光伏探测器：光伏探测器：光伏器件光伏器件简称简称PV（Photovolt）单元器件线阵器件四象限器件第第0404章章 光伏探测器光伏探测器4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性4.2 4.2
2、常用光伏探测器常用光伏探测器4.3 4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件4.4 4.4 光伏探测器的偏置电路光伏探测器的偏置电路4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性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2.开路电压开路电压Uoc和短路电流和短路电流Isc3暗电流暗电流和温度特性和温度特性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5.光谱特性光谱特性6.响应时间和频率特性响应时间和频率特性 4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性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
3、程/0p1e Uk TIIeI伏安特性伏安特性（1 1）电流公式与）电流公式与IVIV曲线图曲线图 第一象限第一象限：普通二极管普通二极管 光电探测器光电探测器 这个区域没有意义！这个区域没有意义！（2 2）IVIV曲线的分析曲线的分析 4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性第三象限第三象限：光电导模式光电导模式 光电二极管光电二极管 这个区域重要意义！这个区域重要意义！反向偏压可以减小反向偏压可以减小载流子的渡越时间载流子的渡越时间和二极管的极间电和二极管的极间电容，有利于提高器容，有利于提高器件的响应灵敏度和件的响应灵敏度和响应频率。响应频率。4.1 4.1 光伏探测
4、器的原理和特性光伏探测器的原理和特性第四象限：第四象限：光伏模式光伏模式 光电池光电池的工作区域的工作区域4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性伏安特性伏安特性光电二极管光电二极管 光电池光电池 普通二极管普通二极管 4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性（3）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4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性 2.开路电压开路电压Uoc和短路电流和短路电流Iscp
5、/01IeIIkTeU负载电阻RL，光伏探测器两端的电压称为开路电压 open circuit I=0 ocp0ln/1kTUIIe（）负载电阻RL=0，流过光伏探测器称为短路电流 short circuitU=0scpIIS E -短路电流-开路电压4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性电流方程电流方程/0pdp1eUkTIIeIII/d01eUkTIIe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1nA3.暗电流暗电流4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的
6、原理和特性电流方程电流方程/0pdp1eU kTIIeIII/d01eU kTIIe暗电流暗电流暗电流的影响：暗电流的影响：1.弱光的测量弱光的测量 2.增大散粒噪声增大散粒噪声暗电流减小方法：暗电流减小方法：1.降低温度降低温度 2.偏压为零或为负偏压为零或为负4.1 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噪声、信噪比和噪声等效功率光伏探测器的噪声主要包括器件中光电流的散粒噪声、暗光伏探测器的噪声主要包括器件中光电流的散粒噪声、暗电流的散粒噪声和电流的散粒噪声和PN结漏电阻结漏电阻Rsh的热噪声。的热噪声。2npdshL4422kT fkT fieI
7、feIfRR 噪声等效功率 2dniNEPS特别注意：一般产品手册中给出的探测器的NEP值仅考虑了暗电流对散粒噪声的贡献。Rsh远大于远大于RL，弱光照条件弱光照条件Dp2e IIfNEPS（）光电二极管光电二极管噪声等效功率噪声等效功率计算计算Dp2e IIfNEPS（）PIN PD 10-14W/Hz1/24.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性5.光谱特性光谱特性光伏探测器光伏探测器波长响应范围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4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和
8、特性光伏探测器光伏探测器波长响应范围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探测器光电导探测器波长响应范围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别？二者光谱响应范围的差别？为什么？为什么？4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性 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（1 1）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，光敏区薄，缩短缩短扩散时间扩散时间如何计算？如何计算？4
9、.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性（2 2）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 硅光电二极管硅光电二极管几百兆赫，几百兆赫，上千兆赫的响应频率上千兆赫的响应频率;PIN光电二极管光电二极管10GHz,雪崩光雪崩光电二极管电二极管100GHz哪些因素决定？哪些因素决定？4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性比较比较：频率特性频率特性HCe12f光伏探测器光伏探测器光电导探测器光电导探测器HCc12f光伏探测器频率特性由光伏探测器频率特性由电路时间常数电路时间常数决定决定光电导探测器频率特性由光电导探测器
10、频率特性由载流子寿命载流子寿命决定决定4.2 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 4.2.2 4.2.2 硅光电二极管硅光电二极管4.2.3 4.2.3 硅光电三极管硅光电三极管4.2.4 PIN4.2.4 PIN光电二极管光电二极管4.2.5 4.2.5 雪崩光电二极管雪崩光电二极管4.2.6 4.2.6 紫外光电二极管紫外光电二极管4.2.7 4.2.7 碲镉汞、碲锡铅红外光电二极管碲镉汞、碲锡铅红外光电二极管4.2 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：工作区域：第四象限第四象限4.2 4.2 常
11、用光伏探测器常用光伏探测器分类：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例如：硒光电池例如：硒光电池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、成本低例如：硅光电池例如：硅光电池(Solar Cells)4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器（1）结构：）结构：4.2.1 4.2.1 硅光电池硅光电池 2DR:N型硅为受光面2CR：P型硅为受光面伏安特性伏安特性=光电特性光电特性光电池伏安特性光电池伏安特性 4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器（2 2）光电特性）光电特
12、性 伏安特性伏安特性4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器表示输出电流和电压随表示输出电流和电压随负载电阻负载电阻变化的曲线变化的曲线无外加偏压无外加偏压（自偏压自偏压）4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器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做线性测量时需注意做线性测量时需注意另外，需要注意温度的影响另外，需要注意温度的影响换能器件：换能器件：负载存在最佳值，使得输出的负载越高。负载存在最佳值，使得输出的负载越高。做光源的做光源的换能器件换能器件时需要注意。时需要注意。以下举例说明：以下举例说明：4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器4.
13、2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器重要补充光电二极管的一般表达式为其中，Ip为光生电流；是决定PN结特性的一个常数。p/01IeIIkTeUA silicon solar cell has an area of 4 cm2,reverse saturation current density 1.5 108 A/cm2,and diode ideality factor =1.Assume that light of intensity P=1000 W/m2 and average wavelength 500 nm is incident on the cell,and that 8
14、0%of the light is absorbed.Determine the optimum load resistance and power conversion efficiency.Repeat the calculation for =2.4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器重要补充A silicon solar cell has an area of 4 cm2,reverse saturation current density 1.5 108 A/cm2,and diode ideality factor =1.Assume that light of intens
15、ity P=1000 W/m2 and average wavelength 500 nm is incident on the cell,and that 80%of the light is absorbed.Determine the optimum load resistance and power conversion efficiency.Repeat the calculation for =2.The power striking the cell is(1000 W/m2)(4 104 m2)=0.4 W.The photocurrent is thenp/01IeIIkTe
16、UiP4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器重要补充p/01IeIIkTeUA silicon solar cell has an area of 4 cm2,reverse saturation current density 1.5 108 A/cm2,and diode ideality factor =1.Assume that light of intensity P=1000 W/m2 and average wavelength 500 nm is incident on the cell,and that 80%of the light is absorbed.Deter
17、mine the optimum load resistance and power conversion efficiency.Repeat the calculation for =2.For room temperature(20C=293 K),is the“voltage equivalent of temperature.”4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器重要补充Putting this in the above equation gives(for=1)For a particular value of R,this equation is solved numeri
18、cally for i,and the efficiency sc=i2R/P in is calculated.By varying R,the graph shown in figure is obtained.The optimum efficiency of 8.94%is obtained for R=2.5.if =2,the optimum efficiency increases to 17.9%at R=5.4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器A more detailed model of solar cell efficiency would take into
19、account the variation with wavelength of the optical power from the sun and the fraction of this light that is absorbed by the silicon.In practice,solar cells based on can have efficiencies,with.Thin films of (atoms not ordered periodically)are inexpensive to manufacture but have lower efficiencies,
20、and.重要补充光电池光照特性特征：光电池光照特性特征：1、Voc与光照E成对数关系；典型值在0.45-0.6V。2、Isc与E成线性关系，常用于光电池检测，Isc典型值35-45mA/cm2。3、RL越小，线性度越好，线性范围越宽。4、光照增强到一定程度，光电流开始饱和，与负载电阻有关。负载电阻越大越容易饱和。5、负载存在最佳值，使得输出的负载越高。作电源时，转化效率10%左右。最大15.5-20%。（3 3）频率特性）频率特性 4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器光敏面较大，极间电容较大，电路时间常数较大。光敏面较大，极间电容较大，电路时间常数较大。受负载电阻限制。受负载电阻限制。
21、复习复习工作原理与特性：工作原理与特性：1.光照下的光照下的PN结电流方程？结电流方程？IV曲线图？曲线图？不同工作模式位于不同工作模式位于IV曲线上哪些象限？曲线上哪些象限？2.开路电压？短路电流？分别与光照何种关系？开路电压？短路电流？分别与光照何种关系？如何由如何由IV曲线图转换为开路电压、短路电流与光照关曲线图转换为开路电压、短路电流与光照关系？系？3.暗电流是什么？暗电流是什么？4.由哪些因素贡献噪声？哪种在信噪比与由哪些因素贡献噪声？哪种在信噪比与NEP的计算的计算中占主？中占主？5.光谱特性方面，与光电导相比，光伏效应的特点？光谱特性方面，与光电导相比，光伏效应的特点？6.响应时
22、间由哪些因素组成？什么因素为主要因素？响应时间由哪些因素组成？什么因素为主要因素？复习复习硅光电池：硅光电池：1.应用分类？应用分类？2.由由VI曲线图分析线性工作时负载的要求？曲线图分析线性工作时负载的要求？换能应用时，负载如何选择？为什么？换能的效率换能应用时，负载如何选择？为什么？换能的效率大约是多少？大约是多少？3.频率特性如何频率特性如何?相比硅光电二极管。相比硅光电二极管。4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器4.2.2 4.2.2 硅光电二极管硅光电二极管结构：结构：掺杂浓度较低；电阻率较高；结区面积小；结电容小，；通常多工作于反偏置状态；光电流比光电池小得多，一般多在微安
23、级比较比较：光电二极管与光电池光电二极管与光电池 表表42和表和表41 型号型号2CU2CU两条引线；两条引线；2DU2DU三条引线三条引线4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器硅光电二极管硅光电二极管光电特性：光电特性：4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器（1）原理性结构图：原理性结构图：光电三极管的结构和普通晶体管类似，但它的外壳留有光窗 4.2.3 4.2.3 硅光电三极管硅光电三极管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4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器原理图：原理图：NPN光电三极管可等效为一个硅光电二极管和一个普通晶体管组合而成。型号：型号
24、：3DU3DU为为NPNNPN结构；结构；3CU3CU为为PNPPNP结构结构4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器（2 2）硅光电三极管）硅光电三极管光电特性光电特性 硅光电三极管光电特性 4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器比较比较：光电三极管与光电二极管光电三极管与光电二极管 表表43和表和表42 硅光电二极管光电特性 硅光电三极管光电特性 光电三极管：输出光电流大 光电特性“非线性”，频率特性稍差 受温度影响稍大4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器4.2.4 PIN光电二极管光电二极管结构：结构：(PIN Photodiode，简称，简称PIN PD)Intrin
25、sic semiconductor 在掺杂浓度很高的在掺杂浓度很高的P型半导体和型半导体和N型半导体之间夹着一层较型半导体之间夹着一层较厚的高阻本征半导体厚的高阻本征半导体I 结电容变得更小，频率响应高，带宽可达结电容变得更小，频率响应高，带宽可达10GHz；线性输出范围宽线性输出范围宽特点：特点：应用：应用：光通信、光雷达等快速光检测领域光通信、光雷达等快速光检测领域 光经波导从光经波导从I层进入层进入 4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器PIN光电二极管结构光电二极管结构摘自国家精品课程光纤通信技术 -深圳职业技术学院制作PIN光电二极管工作原理光电二极管工作原理摘自国家精品课程光
26、纤通信技术 -深圳职业技术学院制作n np pI In nn np p耗耗尽尽层层I I区吸收光子，产生光生载流子，区吸收光子，产生光生载流子，仅需要加速运动就可以贡献外电路仅需要加速运动就可以贡献外电路，渡越时间短，渡越时间短增加增加I I区，增加耗尽层宽度，减小区，增加耗尽层宽度，减小结电容结电容C Cd d，减小结电容的电路时间减小结电容的电路时间常数。常数。靠扩散达到耗尽层靠扩散达到耗尽层，需要的响应时间，需要的响应时间更长。更长。响应响应时间时间的讨的讨论论噪声的噪声的讨论讨论扩散过程中复合引扩散过程中复合引起的噪声较大。起的噪声较大。I I区为高阻区，高阻区减小暗电流。区为高阻区，
27、高阻区减小暗电流。提高反向偏压，可以再减小提高反向偏压，可以再减小C Cd d；合理选择负载电阻，也可合理选择负载电阻，也可以减小响应时间。以减小响应时间。4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器I I区为高阻区，输出电流很小。区为高阻区，输出电流很小。输出电流输出电流4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器 美国美国AT&T贝尔实验室：带微谐振腔的贝尔实验室：带微谐振腔的InPInGaAs光电二极管，同时获得了光电二极管，同时获得了高量子效率和大高量子效率和大的带宽的带宽。克服了常规。克服了常规PIN光电二极管两者不可兼光电二极管两者不可兼得的缺点得的缺点 该光电二极管光敏面该光电二
28、极管光敏面150m峰值波长峰值波长1.48m、暗电流为、暗电流为14nA量子效率为量子效率为82时时,结结电容为电容为0.757PF。PIN光电二极管光电二极管实例：实例：4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器4.2.5雪崩光电二极管雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode，简称，简称APD)APD内增益：内增益：102103 3.噪声特性噪声特性4.响应时间响应时间（0.052.0ns）1.结构原理结构原理2.雪崩增益雪崩增益M高反压高反压(100200 V)强电场强电场 载流子加速载流子加速 碰撞碰撞 新载流子新载流子雪崩倍增雪崩倍增 光电流的放大光电流的放大 APD
29、内增益：内增益：102103 4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器4.2.5 雪崩光电二极管雪崩光电二极管1.结构原理：结构原理：4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器雪崩光电二极管工作原理雪崩光电二极管工作原理摘自国家精品课程光纤通信技术 -深圳职业技术学院制作4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器pqIMhqNIMp内增益：内增益：M1；M1 外电路单位时间内的电子数外电路单位时间内的电子数器件内单位时间内的光电子数器件内单位时间内的光电子数APD内增益：内增益：102103 2.雪崩增益雪崩增益M 与工作电压：4.2.5雪崩光电二极管雪崩光电二极管M0B11nIMIU
30、UUB为击穿电压为击穿电压 U增加到接近增加到接近UB(击穿电压击穿电压)得到很大的倍增得到很大的倍增 U很低很低 没有倍增现象没有倍增现象 U超过超过UB 噪声电流很大噪声电流很大 APD合适工作点：合适工作点：U接近接近UB，但不超过，但不超过APD合适工作点：合适工作点：U接近接近UB，但不超过，但不超过UB与温度的关系与温度的关系 4.2.5雪崩光电二极管雪崩光电二极管3.工作电路工作电路：APD合适工作点：合适工作点：U接近，但不超过接近，但不超过稳定稳定APD工作点：工作点：1.稳压稳压 2.恒温恒温APD工作电路举例：工作电路举例：恒温箱恒温箱4.2.5雪崩光电二极管雪崩光电二极
31、管雪崩光电二极管实例：雪崩光电二极管实例：4.2.5雪崩光电二极管雪崩光电二极管雪崩光电二极管雪崩光电二极管PIN PD 10-14W/Hz1/2APD 10-15W/Hz1/2 Si-PD 10-13W/Hz1/2 PMT 10-16W/Hz1/2 总结比较总结比较4.2 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 4.2.2 4.2.2 硅光电二极管硅光电二极管4.2.3 4.2.3 硅光电三极管硅光电三极管4.2.4 PIN4.2.4 PIN光电二极管光电二极管4.2.5 4.2.5 雪崩光电二极管雪崩光电二极管APD APD PT PT solar c
32、ell solar cell PD PD PIN PD PIN PD总结比较总结比较4.2 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 4.2.2 4.2.2 硅光电二极管硅光电二极管4.2.3 4.2.3 硅光电三极管硅光电三极管4.2.4 PIN4.2.4 PIN光电二极管光电二极管4.2.5 4.2.5 雪崩光电二极管雪崩光电二极管APD APD PIN PD PIN PD PDPD Solar cell Solar cell PT PT 光敏电阻光敏电阻总结比较总结比较 4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件 光伏探测器的组合器件光伏探测器的组合
33、器件特点是特点是：大多在一块：大多在一块硅片上按一定要求制造出若干个光伏探测器，硅片上按一定要求制造出若干个光伏探测器，可用来代替由分立光伏探测器而组成的变换装可用来代替由分立光伏探测器而组成的变换装置，不仅具有光敏点密集量大，装置结构简单、置，不仅具有光敏点密集量大，装置结构简单、紧凑、调节方便、精确度高等优点，而且还可紧凑、调节方便、精确度高等优点，而且还可以扩大变换装置的应用范围。以扩大变换装置的应用范围。也称为集成结型光电器件 4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件也称为集成结型光电器件4.3.14.3.1半导体色敏感器件半导体色敏感器件 4.3.24.3.2阵列式光电器件阵列式
34、光电器件4.3.34.3.3象限式光电器件象限式光电器件4.3.44.3.4光电位置探测器光电位置探测器4.3.54.3.5光电耦合器光电耦合器 4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件4.3.14.3.1半导体色敏感器件半导体色敏感器件 1.1.结构原理结构原理 同一块硅片上制造的两个深浅不同的PN结：PD1为浅结，对波长短的光响应率高；PD2为深结，对波长长的光响应率高。双结光电二极管半导体色敏器件 4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件2.2.检测电路检测电路 对应于不同颜色波长的输出电压值 UT=kT/e，室温条件下，UT26mV；Isc1和Isc2分别为PD1、PD2的短路
35、电流 差动放大器对数放大器)ln()ln(21120scscTIIRRVUU1U2)(/(12120UURRUU1-i1)1(/)(0111KTUUeeIi)1(/011KTeUeIi)ln(/0011IIiKTeU)ln(0011IIieKTU推导过程推导过程U1U2)(/(12120UURRUU1-i1)ln()ln()ln(0101011IIeKTIieKTIieKTUscP)ln(0011IIieKTU推导过程推导过程U1U2)(/(12120UURRUU1-i1)ln()ln(022011IIVUIIVUscTscT)ln()ln(/()ln()ln(/(211212120scscT
36、scscTIIRRVIIRRVU推导过程推导过程3.3.短路电流比短路电流比 短路电流比与入射波长关系 入射波长与输出电压关系)ln()ln(21120scscTIIRRVU4.全色色敏器件全色色敏器件根据色度学理论，已研制出可以识别混合色光的三色色敏器件。如图为集成全色色敏器件的结构示意图，它是在同一块非晶体硅基片上制作3个深浅不同的PN结，并分别配上R、G、B3块滤色片构成一个整体。4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件 4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件5.5.应用举例应用举例 半导体色敏器件特点：结构简单、体积小、成本低等。在工业上可以自动检测纸、纸浆、染料的颜色；医学
37、上可以测定皮肤、牙齿等的颜色；用于家电中电视机的彩色调整、商品颜色及代码的读取等，它是非常有发展前途的一种新型半导体光电器件。半导体色敏器件是非常有发展前途的一种新型半导体光电器件。CCD摄像器件颜色识别功能 4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件4.3.24.3.2阵列式光电器件阵列式光电器件10DP型光电二极管线阵器件 结构：结构：4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件100100以上，以上，一维光学图像、一维光学图像、空间频谱分析空间频谱分析 -线阵线阵CCDCCD2 2个，个，光点移动方向光点移动方向用途：用途：4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件4.3.34.3.
38、3象限式光电器件象限式光电器件准直、定位、准直、定位、跟踪、频谱分析跟踪、频谱分析各种象限式光电器件示意图 4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件以四象限为例：以四象限为例：若入射光为正中心若入射光为正中心O O，4 4个个PDPD的输出均等；的输出均等；若偏于若偏于1 1象限，则象限，则PD1PD1输出较输出较大，其余均较小大，其余均较小工作原理工作原理缺点：缺点：光敏面上有光敏面上有象限分隔线象限分隔线，对光斑位置，对光斑位置不能进行不能进行 连续测量连续测量，位置分辨率受影响，位置分辨率受影响 应用1：脉冲激光定向 4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件应用2：测量物体微位移
39、 4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件特点：特点：光敏面上光敏面上无象限分隔线无象限分隔线，对光斑位置，对光斑位置可进行可进行 连续测量连续测量，位置分辨率，位置分辨率高高 4.3.44.3.4光电位置探测器光电位置探测器Position Sensitive Detectors，简称，简称PSD(1)一维一维PSD 结构三层：上面为P层 下面为N层 中间为I层P层光敏层，电阻均匀 4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件P P层的电阻率分布均匀、负载及电极接触电阻为零层的电阻率分布均匀、负载及电极接触电阻为零 LIIIIxILxLIILxLI1212020122，（2 2）二维）二
40、维PSDPSD二维二维PSDPSD有两种形式。一种是单面型的有两种形式。一种是单面型的;另一种是双面型的。另一种是双面型的。LIIIIyLIIIIxCDCDABAB光电在器件中心附近是光电在器件中心附近是正确的，而距离器件中正确的，而距离器件中心越远、越接近边缘部心越远、越接近边缘部分时，误差就越大。分时，误差就越大。4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件 4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件4.3.54.3.5光电耦合器光电耦合器光电耦合器光电耦合器是发光器件与接收器件组合的一种元件。是发光器件与接收器件组合的一种元件。发光器件：发光器件：常采用发光二极管常采用发光二极管接收器
41、件：接收器件：常用光电二极管、光电三极管、光集成电路等常用光电二极管、光电三极管、光集成电路等 优点：光电耦合器具有体积小，寿命长，无触点，抗干扰能力强，输出与输入之间隔离，可单向传输信号等特点。有时还可以取代继电器、变压器、斩波器等，目前已被广泛用于隔离电路、开关电路、数模转换电路、逻辑电路及长线传输、高压控制、线性放大、电平匹配等单元电路。4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件通常驱动管需采用耐压较高的晶体管(图中驱动管为9013)。当输出电压增大时，的偏压增加，中发光二极管的正向电流增大，使光敏管极间电压减小，be结偏压降低而内阻增大，使输出电压降低；反之，使输出电压升高，从而保持
42、输出电压的稳定。例：用例：用光电耦合器光电耦合器隔离的高压稳压电路隔离的高压稳压电路(参考习题参考习题4-10)4-10)4.4 4.4 光伏探测器的偏置电路光伏探测器的偏置电路为使器件正常工作，提供合适的电流或者电压为使器件正常工作，提供合适的电流或者电压TRb+UCCcR偏置电路偏置电路:例如：例如：意义：意义：1.1.提高探测灵敏度提高探测灵敏度2.2.提高频率响应提高频率响应3.3.降低噪声降低噪声偏置电压偏置电压偏置电阻偏置电阻反向偏置电路反向偏置电路 自偏置电路自偏置电路 零伏偏置电路零伏偏置电路 4.4 4.4 光伏探测器的偏置电路光伏探测器的偏置电路4.4.34.4.3反向偏置
43、电路反向偏置电路 4.4 光伏探测器的偏置电路光伏探测器的偏置电路4.4.14.4.1自偏置电路自偏置电路 4.4.24.4.2零伏偏置电路零伏偏置电路4.4 4.4 光伏探测器的偏置电路光伏探测器的偏置电路4.4.1自偏置电路自偏置电路4.4 4.4 光伏探测器的偏置电路光伏探测器的偏置电路1 1短路或线性电流放大区短路或线性电流放大区2 2空载电压输出区空载电压输出区3功率放大区功率放大区4.4 4.4 光伏探测器的偏置电路光伏探测器的偏置电路光电池自偏置电路 4.4.1自偏置电路自偏置电路1 1短路或线性电流放大区短路或线性电流放大区4.4.1 4.4.1 自偏置电路自偏置电路riRi_
44、+RfR0+_AUdUdii1i24.4.1 4.4.1 自偏置电路自偏置电路Ri_+RfR0+_AUdUdii1i2UsdSUUSfdfdfSAURiAURiAURiRiU22022另外：另外：SfUARi)1(212ARiUfSriirUs1 1短路或线性电流放大区短路或线性电流放大区RL0=0 (运放虚短运放虚短)放大器的输入电阻为：放大器的输入电阻为：r1fiRAri=010 4.4.1 4.4.1 自偏置电路自偏置电路fSCRIU01 1短路或线性电流放大区短路或线性电流放大区RL0=0 (运放虚短运放虚短)放大器的输入电阻为：放大器的输入电阻为：r1fiRAri=010 线性放大区
45、：线性放大区：线性好、输出光电流大，暗电流近线性好、输出光电流大，暗电流近似为零、信噪比好，适合弱光信号检测。似为零、信噪比好，适合弱光信号检测。4.4.1 4.4.1 自偏置电路自偏置电路2 2空载电压输出区空载电压输出区RL1M 光电池处于接近开路状态光电池处于接近开路状态 光照，输出电压从光照，输出电压从0跳跃到跳跃到0.450.6V空载电压输出区：空载电压输出区：具有很高的光电转换灵敏度，不具有很高的光电转换灵敏度，不需偏置电源，适合于开关或控制电路需偏置电源，适合于开关或控制电路 4.4.1 4.4.1 自偏置电路自偏置电路)/ln(00ISEKUKUUTOC4.4.24.4.2零伏
46、偏置电路零伏偏置电路 两种零伏偏置电路：两种零伏偏置电路：0 自偏置：自偏置：负载电阻为零负载电阻为零 反偏置：反偏置：反偏压很小或为零反偏压很小或为零 4.4 4.4 光伏探测器的偏置电路光伏探测器的偏置电路1 1零伏偏置电路特点零伏偏置电路特点中远红外波段光伏探测器：中远红外波段光伏探测器：窄禁带（窄禁带（Eg很小），受热激发影响较很小），受热激发影响较 大，反向偏压不能大大，反向偏压不能大(一般为一般为几百毫伏几百毫伏至一点至一点 几伏几伏)零伏偏置或接近于零伏偏置。零伏偏置或接近于零伏偏置。质量好的光伏探测器：质量好的光伏探测器：零伏偏置，零伏偏置，1f 噪声最小，暗电流为零噪声最小，
47、暗电流为零 较高的信噪比。较高的信噪比。4.4.24.4.2零伏偏置电路零伏偏置电路 2 2零伏偏置电路实例零伏偏置电路实例例例1 1：自偏置自偏置_ _负载电阻为零负载电阻为零 例例2 2：反偏置反偏置_ _反偏压为零反偏压为零 4.4.24.4.2零伏偏置电路零伏偏置电路 适合对微弱辐射信号的探测，不适合较强辐射适合对微弱辐射信号的探测，不适合较强辐射辐照较强时会偏离零伏辐照较强时会偏离零伏4.4.3反向偏置电路反向偏置电路反向偏置电路特点：反向偏置电路特点：灵敏度、频带宽度和光电变换线性范围灵敏度、频带宽度和光电变换线性范围 4.4 4.4 光伏探测器的偏置电路光伏探测器的偏置电路反向偏
48、置电路反向偏置电路 为了分析问题方为了分析问题方便，将第三象限便，将第三象限特性曲线旋转到特性曲线旋转到第一象限第一象限 4.4.3反向偏置电路反向偏置电路1.基本反向偏置电路基本反向偏置电路4.4.3反向偏置电路反向偏置电路 bLU IUIR电路图：（1 1）回路方程与）回路方程与IVIV曲线：曲线：U(I)为光电二极管的端电压 Ub为偏置电压 负载电阻上的输出信号：4.4.3反向偏置电路反向偏置电路线性工作区、功耗线线性工作区、功耗线：负载电阻的影响 偏置电压的影响（2）如何选择负载电阻）如何选择负载电阻RL和偏置电压和偏置电压Ub：方法：方法：标出拐点M bMLMUURI功耗限制 2Lb
49、maxRU/P4.4.3反向偏置电路反向偏置电路-图解分析方法：直观、方便，适应于检测恒定或缓慢变化的入射光信号的直流电路，特别适应大信号状态下的电路分析。至于检测高频小功率光信号或者检测极微弱光信号的电路分析方法将在第十章介绍。2.2.反偏光电二极管的跨阻抗放大电路反偏光电二极管的跨阻抗放大电路 电路图：电路图：(1)(1)输出电压：输出电压：Uo=IpRf 反偏反偏光电二极管光电二极管4.4.3反向偏置电路反向偏置电路(2)(2)电路特点：电路特点：具有极小的负载电阻（ri），不易出现信号失真有运放放大作用，能输出较大的电压信号与基本反向偏置电路相比：4.4.3反向偏置电路反向偏置电路(2
50、)(2)电路特点：电路特点：与零伏偏置电路相比：具有较高的反向工作偏压（Ub）光电二极管结电容较小，响应速度快有较大线性响应动态范围4.4.3反向偏置电路反向偏置电路(3)(3)电路应用：电路应用：已研制一种采用PIN光电二极管和输入级为场效应管（FET）的跨阻抗放大电路组合件，即PIN-FET微型组件。这种组件具有频率响应宽、信噪比高、输出阻抗低和可靠性高等特点，被广泛应用于光纤通信、激光雷达、激光测距和光纤光纤通信、激光雷达、激光测距和光纤分布式测温分布式测温等系统。4.4.3反向偏置电路反向偏置电路3.3.雪崩光电二极管的反向偏置电路（略）雪崩光电二极管的反向偏置电路（略）见雪崩二极管的
