光伏探測(cè)器詳解

1、光電子技術(shù)課堂展示 光電探測(cè)器,光伏探測(cè)器,利用半導(dǎo)體pn結(jié)光伏效應(yīng)制成的器件稱為光伏探測(cè)器，也稱結(jié)型光電器件。探測(cè)器主要用于測(cè)量檢查, 控制跟蹤, 圖像測(cè)量和分析等方面。,一、三種工作模式 （1）零偏置的光伏工作模式 若p-n結(jié)電路接負(fù)載電阻rl，如圖，有光照射時(shí)，則在p-n結(jié)內(nèi)出現(xiàn)兩種相反的電流：,光激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)，在內(nèi)建電場(chǎng)作用下形成的光生電流ip，它與光照有關(guān)，其方向與p-n結(jié)反向飽和電流i0相同； 光生電流流過(guò)負(fù)載產(chǎn)生電壓降，相當(dāng)于在p-n結(jié)施加正向偏置電壓，從而產(chǎn)生電流id。 流過(guò)負(fù)載的總電流是兩者之差：,（2）反向偏置的光電導(dǎo)工作模式 無(wú)光照時(shí)電阻很大，電流很小；有光照時(shí)，

2、電阻變小，電流變大，而且流過(guò)它的光電流隨照度變化而變化。類似光電導(dǎo)器件。,第一象限： 正向偏置工作模式，光電流不起作用，這一區(qū)域工作沒有意義。 第三象限：反向偏置光電導(dǎo)工作模式 第四象限：零偏壓光伏工作模式。,有光照時(shí)，若pn結(jié)外電路接上負(fù)載電阻 ,如圖所示， 在pn結(jié)內(nèi)將出現(xiàn)兩種方向相反的電流：一種是光激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)形成的光生電流 ,它與光照有關(guān)，其方向與pn結(jié)方向飽和電流 相同;另一種是光生電流 流過(guò)負(fù)載電阻 產(chǎn)生電壓降，相當(dāng)于在pn結(jié)施加正向偏置電壓，從而產(chǎn)生正向電流 ，總電流 是兩者之差，即流過(guò)負(fù)載的總電流為：,上式中的光電流 正比于光照度 ，比例常數(shù) 稱為光照靈敏度，即：,當(dāng)

3、負(fù)載電阻 斷開時(shí)， ，稱 端對(duì) 端電壓為開路電壓 ，則近似地有,三、光伏探測(cè)器的偏置電路,1、自偏置電路 光電池工作時(shí)無(wú)外加偏壓，直接與負(fù)載電阻連接。其輸出電流i流過(guò)外加電路負(fù)載電阻產(chǎn)生的壓降 就是它自身的正向偏壓，故稱為自偏壓，其電路稱為自偏置電路，電路圖如下圖所示。因此光電池回路方程為：,2、零伏偏置電路 光伏探測(cè)器在自偏置的情況下，若負(fù)載電阻為零，自偏壓為零；或者在光伏探測(cè)器在反偏置的情況下，反偏壓很小或接近零。這兩種情況下都是零伏偏置或接近于零伏偏置，對(duì)應(yīng)的偏置電路都稱為零伏偏置電路。 光伏探測(cè)器采用零伏偏置電路時(shí)，它的 1/f噪聲最小，暗電流為零，可以獲得較高的信噪比。因此反向飽和電

4、流小，正、反向特性好的光伏探測(cè)器也常用零偏置電路，可避免偏置電路引入的噪聲。,四、光伏探測(cè)器的性能參數(shù),1、響應(yīng)率 2、噪聲 3、比探測(cè)率 4、光譜特性 5、頻率響應(yīng)及響應(yīng)時(shí)間 6、溫度特性,1、響應(yīng)率,由此可知，光伏探測(cè)器的響應(yīng)率與器件的工作溫度 及少數(shù)載流子濃度和擴(kuò)散有關(guān)，而與器件的外偏壓無(wú)關(guān)，這是與光電導(dǎo)探測(cè)器的不相同的。,2、噪聲,3、比探測(cè)率,光伏探測(cè)器 可表示為,零偏電阻往往也是光伏探測(cè)器的一個(gè)重要參數(shù)，它直接反應(yīng)了器件性能的優(yōu)劣。 當(dāng)光伏探測(cè)器受熱噪聲限制時(shí)，提高探測(cè)率 的關(guān)鍵在于提高結(jié)電阻和界面積的乘積和降低探測(cè)器的工作溫度 當(dāng)光伏探測(cè)器受背景噪聲限制時(shí)，提高探測(cè)率主要在與采用

5、減小探測(cè)器視場(chǎng)角等辦法來(lái)減少探測(cè)器接收的背景光子數(shù),4、光譜特性,和其他選擇性光子探測(cè)器一樣，光伏探測(cè)器的響應(yīng)率隨人射光波長(zhǎng)而變化。近紅外和可見光波段所用的光伏探測(cè)器材料多是硅和鍺,5、頻率響應(yīng)及響應(yīng)時(shí)間,6、溫度特性,五光電探測(cè)器應(yīng)用 1.光電池及應(yīng)用 光電池是一種無(wú)需外加偏壓就能將光能轉(zhuǎn)換成電能的光伏探測(cè)器。光電池可以分為兩大類：太陽(yáng)能光電池和測(cè)量光電池。太陽(yáng)能光電池主要用作電源，對(duì)它的要求是轉(zhuǎn)換效率高、成本低，由于它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、可靠性高、壽命長(zhǎng)、在空間能直接利用太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換電能的特點(diǎn)，因而不僅僅成為航天工業(yè)上的重要電源，還被廣泛地應(yīng)用于供電困難的場(chǎng)所和人們?nèi)粘Ｉ钪小y(cè)量

6、光電池的主要應(yīng)用時(shí)作為光電探測(cè)用，即在不加偏置的情況下將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，對(duì)它的要求是線性范圍寬、靈敏度高、光譜響應(yīng)合適、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)，被廣泛應(yīng)用在光度、色度、光學(xué)精密計(jì)量和測(cè)驗(yàn)試中,（1）光電池的結(jié)構(gòu) 光電池是用單晶硅組成的，在一塊n型硅片上擴(kuò)散p型雜質(zhì)，形成一個(gè)擴(kuò)散np結(jié)；或在p型硅片擴(kuò)散n型雜質(zhì)，形成pn結(jié)，在焊上兩個(gè)電極。p端為光電池正極，n端為負(fù)極，一般在地面上應(yīng)用作光電探測(cè)器的多為np型。pn型硅光電池具有較強(qiáng)的抗輻射能力，適合空間應(yīng)用，作為航天的太陽(yáng)能電池。下圖為是硅光電池結(jié) 構(gòu)示意圖。,（2）光電池的應(yīng)用 主要有兩個(gè)方面，一是作為光電探測(cè)器件，二是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?利

7、用光電池作為探測(cè)器件，有著光敏面積打，頻率響應(yīng)高，光電流隨照度線性變化等特點(diǎn)。因此，它既能作為開關(guān)應(yīng)用，也可以用于線性測(cè)量。如用在光電讀數(shù)、光電開關(guān)、光柵測(cè)量技術(shù)、激光準(zhǔn)直，電影還音等裝置上。 利用光電池將太陽(yáng)能變成電能，目前主要是使用硅光電池，因?yàn)樗苣洼^強(qiáng)的輻射，轉(zhuǎn)換效率較其它光電池高。實(shí)際應(yīng)用中，把硅光電池單體經(jīng)串聯(lián)、并聯(lián)組成電池組，與鎳鎘蓄電池配合，可作為衛(wèi)星、微波站、野外燈塔、航標(biāo)燈、無(wú)人氣象站等無(wú)輸電線路地區(qū)的電源供給。,2.光電二極管 隨著光電子技術(shù)的發(fā)展，光信號(hào)在探測(cè)靈敏度、光譜響應(yīng)范圍及頻率特性等方面要求越來(lái)越高。光電二極管的工作原理同光電池一樣，都是基于p-n結(jié)的光伏效應(yīng)工

8、作的。但是，它與光電池相比有所不同：摻雜濃度較低，電阻率較高，結(jié)區(qū)面積小，通常多工作于反偏置狀態(tài)。因此，光電二極管的內(nèi)建電場(chǎng)很強(qiáng)，結(jié)區(qū)較厚，結(jié)電容小，因而頻率特性比光電池好，但其光電流比光電池肖達(dá)多，一般多為微安級(jí)。 （1)硅光二極管的結(jié)構(gòu) 。,(2) 其他應(yīng)用： a、pin光電二極管 在p-n結(jié)之間加一本征層（i層）,這種器件稱為pin光電二極管，又稱耗盡層型光電二極管。只要適當(dāng)控制本征層厚度，使它近似等于反偏壓下耗盡層寬度，就可以使相應(yīng)波長(zhǎng)范圍和頻率相應(yīng)得到改善。pin硅光電二極管使常用的耗盡層光伏探測(cè)器。它是采用高阻純硅材料及離子漂移技術(shù)形成一個(gè)沒有雜質(zhì)的本征層，厚度為500m左右其結(jié)構(gòu)

9、如下：,為了更好的使用方便及更好發(fā)揮光電二極管在系統(tǒng)中的最佳性能，設(shè)計(jì)和制作pin-fet微型組件是發(fā)展趨勢(shì)。這種器件是含有小面積、小電容的光電二極管與高輸入阻抗的場(chǎng)效益管前置放大器組合體，其中所有引線長(zhǎng)度及雜散電容都做得非常小。由于電容小，輸入阻抗高，可以大大降低熱噪聲，這種組件還具有供電電壓低，工作十分穩(wěn)定，使用方便的特點(diǎn)。pin光電二極管的上述優(yōu)點(diǎn)，使它在光通信、光雷達(dá)及其它要求快速光電自動(dòng)控制系統(tǒng)中得到非常廣泛的應(yīng)用。,b、雪崩光電二極管（apd） 普通的硅光電二極管和pin光電二極管是沒有內(nèi)增益的光伏探測(cè)器，而在光探測(cè)器系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用中，大多是對(duì)微光信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，采用具有內(nèi)增益的光

10、探測(cè)器將有助于對(duì)微弱光信號(hào)的探測(cè)。 雪崩光電二極管是具有內(nèi)增益的光伏探測(cè)器，它是利用光生載流子在高電場(chǎng)區(qū)內(nèi)的雪崩效應(yīng)而獲得光電流增益的，它具有靈敏度高，相應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。 用于制作雪崩二極管的材料主要是硅和鍺，實(shí)際的器件具有極短的響應(yīng)時(shí)間，即數(shù)以千兆的相應(yīng)頻率，高達(dá)100到1000的增益，所以在光纖通訊、激光測(cè)距、激光雷達(dá)和光纖傳感器等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。,3.光電三極管 利用雪崩倍增效應(yīng)可獲得具有增益的半導(dǎo)體光電二極管（apd）,而采用一般晶體管放大原理，可得到另一種具有電流內(nèi)增益的光伏探測(cè)器，即光電三極管。它與普通的雙極晶體管十分相似，都是有兩個(gè)十分靠近的p-n結(jié)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)構(gòu)成，并均具有

11、電流放大作用。為了充分吸收光子，光電三極管則需要一個(gè)較大的受光面，所以，它的響應(yīng)頻率遠(yuǎn)低于光電二極管。 光電三極管是一種相當(dāng)于在基極和集電極之間接有光電二極管的普通三極管，因此，結(jié)構(gòu)與一般晶體管相類似，但也有特殊地方。如圖所示，圖e、b、c分別表示光電三極管的發(fā)射極、基極和集電極。正常工作時(shí)保證基極集電極結(jié)（b-c結(jié)）為反偏壓狀態(tài)，并作為受光結(jié),光電三極管的工作有兩個(gè)過(guò)程：一個(gè)光電轉(zhuǎn)換；二是光電流放大。光電轉(zhuǎn)換與一般光電二極管相同，當(dāng)集電極加上相對(duì)發(fā)射極為正向電壓而基極開路時(shí)，則基極集電極結(jié)處于反偏狀態(tài)。無(wú)光照時(shí)由于激發(fā)而產(chǎn)生的少數(shù)載流子，電阻從基極進(jìn)入集電極，空穴則從集電極移向基極，在外電路

12、中有電流流過(guò)。當(dāng)無(wú)光照射基區(qū)時(shí)，在該區(qū)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，光生電子在內(nèi)電場(chǎng)作用下漂移到集電極，形成電流。與此同時(shí)，空穴則留在基區(qū)，使基極的電位升高，發(fā)射極便有大量的電子經(jīng)基極流向集電極。,應(yīng)用：無(wú)基極引線的光電三極管。它是依靠光的“注入”，把集電結(jié)光電二極管的光電流加以放大，從而在集電極回路中得到一個(gè)被放大的光生電流?！白⑷搿钡墓鈴?qiáng)不同，得到的光生電流不同。無(wú)基極引線光電三極管實(shí)際應(yīng)用時(shí)有電流控制和電壓控制兩種電路。在無(wú)光照的情況下，其暗電流很小，對(duì)于相應(yīng)速度要求不高的開關(guān)電路，可以直接將靈敏的繼電器串聯(lián)在基極回路上。即可以比較方便地實(shí)現(xiàn)光電自動(dòng)控制。 有基極引線的光電三極管。有基極引線的光電三極管適用于高速開關(guān)電路和調(diào)制光的探測(cè)。,六總結(jié) （1）、利用半導(dǎo)體光伏效應(yīng)制作的器件稱為光伏探測(cè)器。常用的有光電池、光電二極管（pd）、pin光電二極管（pin pd）、雪崩二極管(apd)和光電三極管等單元光伏探測(cè)器。其中，pin光電二極管和雪崩二極管是高響應(yīng)速度的光伏探測(cè)器，光電三極管和雪崩二極管是具有內(nèi)增益的光伏探測(cè)器。,（2）、光伏探測(cè)器有光電導(dǎo)和光伏兩種工作模式，即分別對(duì)應(yīng)反向偏壓和自偏壓兩種狀態(tài)。光電二極管大多工作在光電導(dǎo)模式，而光電池大多工作在光伏模式。模式,（3）、光伏探測(cè)器的光電特性不僅與材料有關(guān)，同時(shí)也與光照范圍、負(fù)載大小、外加電壓等條件有關(guān)。,