光伏探测器详解.ppt

光电子技术课堂展示
——光电探测器
光伏探测器这类器件品种众多，但它们的原理都是相同的，所以在性质上有许多相近的地方。这类器件品种很多，其中包括：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。一、三种工作模式
（1）零偏置的光伏工作模式
若p-n结电路接负载电阻RL，如图，有光照射时，则在p-n结内出现两种相反的电流：

光激发产生的电子－空穴对，在内建电场作用下形成的光生电流Ip，它与光照有关，其方向与p-n结反向饱和电流I0相同；
光生电流流过负载产生电压降，相当于在p-n结施加正向偏置电压，从而产生电流ID。
流过负载的总电流是两者之差：

（2）反向偏置的光电导工作模式
无光照时电阻很大，电流很小；有光照时，电阻变小，电流变大，而且流过它的光电流随照度变化而变化。类似光电导器件。（3）正向偏置的工作模式
呈单向导电性，和普通二极管一样，光电效应无法体现。二、光伏探测器的伏安特性第一象限：正向偏置工作模式，光电流不起作用，这一区域工作没有意义。

第三象限：反向偏置光电导工作模式

第四象限：零偏压光伏工作模式。
有光照时，若PN结外电路接上负载电阻,如图所示，

在PN结内将出现两种方向相反的电流：一种是光激发产生的电子-空穴对形成的光生电流,它与光照有关，其方向与PN结方向饱和电流相同;另一种是光生电流流过负载电阻产生电压降，相当于在PN结施加正向偏置电压，从而产生正向电流，总电流是两者之差，即流过负载的总电流为：上式中的光电流正比于光照度，比例常数称为光照灵敏度，即：.三、光伏探测器的偏置电路2、零伏偏置电路
光伏探测器在自偏置的情况下，若负载电阻为零，自偏压为零；或者在光伏探测器在反偏置的情况下，反偏压很小或接近零。这两种情况下都是零伏偏置或接近于零伏偏置，对应的偏置电路都称为零伏偏置电路。
光伏探测器采用零伏偏置电路时，它的1/f噪声最小，暗电流为零，可以获得较高的信噪比。因此反向饱和电流小，正、反向特性好的光伏探测器也常用零偏置电路，可避免偏置电路引入的噪声。
四、光伏探测器的性能参数1、响应率2、噪声3、比探测率4、光谱特性5、频率响应及响应时间五．光电探测器应用

1.光电池及应用
光电池是一种无需外加偏压就能将光能转换成电能的光伏探测器。光电池可以分为两大类：太阳能光电池和测量光电池。太阳能光电池主要用作电源，对它的要求是转换效率高、成本低，由于它具有结构简单、体积小、重量轻、可靠性高、寿命长、在空间能直接利用太阳能转换电能的特点，因而不仅仅成为航天工业上的重要电源，还被广泛地应用于供电困难的场所和人们日常生活中。测量光电池的主要应用时作为光电探测用，即在不加偏置的情况下将光信号转换成电信号，对它的要求是线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性好、寿命长，被广泛应用在光度、色度、光学精密计量和测验试中（1）光电池的结构
光电池是用单晶硅组成的，在一块N型硅片上扩散P型杂质，形成一个扩散np结；或在P型硅片扩散N型杂质，形成pn结，在焊上两个电极。P端为光电池正极，N端为负极，一般在地面上应用作光电探测器的多为np型。pn型硅光电池具有较强的抗辐射能力，适合空间应用，作为航天的太阳能电池。下图为是硅光电池结构示意图。（2）光电池的应用
主要有两个方面，一是作为光电探测器件，二是将太阳能转变为电能。利用光电池作为探测器件，有着光敏面积打，频率响应高，光电流随照度线性变化等特点。因此，它既能作为开关应用，也可以用于线性测量。如用在光电读数、光电开关、光栅测量技术、激光准直，电影还音等装置上。利用光电池将太阳能变成电能，目前主要是使用硅光电池，因为他能耐较强的辐射，转换效率较其它光电池高。实际应用中，把硅光电池单体经串联、并联组成电池组，与镍镉蓄电池配合，可作为卫星、微波站、野外灯塔、航标灯、无人气象站等无输电线路地区的电源供给。2.光电二极管
随着光电子技术的发展，光信号在探测灵敏度、光谱响应范围及频率特性等方面要求越来越高。光电二极管的工作原理同光电池一样，都是基于P-N结的光伏效应工作的。但是，它与光电池相比有所不同：掺杂浓度较低，电阻率较高，结区面积小，通常多工作于反偏置状态。因此，光电二极管的内建电场很强，结区较厚，结电容小，因而频率特性比光电池好，但其光电流比光电池肖达多，一般多为微安级。
（1)硅光二极管的结构
。(2)其他应用：
A、PIN光电二极管在P-N结之间加一本征层（I层）,这种器件称为PIN光电二极管，又称耗尽层型光电二极管。只要适当控制本征层厚度，使它近似等于反偏压下耗尽层宽度，就可以使相应波长范围和频率相应得到改善。PIN硅光电二极管使常用的耗