光电技术第2章光电探测器2课件.pptx
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- 光电 技术 探测器 课件
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1、第二章第二章 光电探测器光电探测器2-4 光生伏特器件光生伏特器件一、光电池一、光电池二、光电二极管二、光电二极管三、光电三极管三、光电三极管四、特殊形式的结型光电器件四、特殊形式的结型光电器件 一、光电池一、光电池 光电池是一种利用光生伏特效应制成的光电池是一种利用光生伏特效应制成的不需加偏压就能将光能转化成电能的光电器不需加偏压就能将光能转化成电能的光电器件。简单的说,其本质就是一个件。简单的说,其本质就是一个PN结。结。PNhPNLRGE表示电子表示空穴I(一)结构原理(一)结构原理 1、金属、金属-半导体接触型(硒光电池半导体接触型(硒光电池)2、PN结型结型 结型光电池,是在结型光电
2、池,是在N型(或型(或P型)半导体表面上型)半导体表面上扩散一层扩散一层P型(或型(或N型)杂质,形成型)杂质,形成PN结。结。NP)(电极)(电极入射光线硅光电池注意:注意:1、上、下电极区分、上、下电极区分2、上电极栅指状目的、上电极栅指状目的3、受光表面涂保护膜的目的、受光表面涂保护膜的目的)(PN)(SiP)(前极上电极)(后极下电极)(a)(BP)(SiN)(b工作原理工作原理 当光作用于当光作用于PN节时,耗尽区内的光生电子与空节时,耗尽区内的光生电子与空穴在内建电场力的作用下分别向穴在内建电场力的作用下分别向N区和区和P区运动,在区运动,在闭合的电路中产生输出电流闭合的电路中产生
3、输出电流IL,且在负载电阻上产,且在负载电阻上产生电压降生电压降U。(1)(1)LLLLLLqI RqUkTkTLPDPDUI RPI UIIIeIIePL:负载电阻所获功率;:负载电阻所获功率;IP:光生电流;:光生电流;ID:暗电流;:暗电流;(二)光电池的分类(二)光电池的分类(1)按材料)按材料 硅光电池:光谱响应宽,频率特性好硅光电池:光谱响应宽,频率特性好 硒光电池:波谱峰值位于人眼视觉内硒光电池:波谱峰值位于人眼视觉内 薄膜光电池:薄膜光电池:CdS增强抗辐射能力增强抗辐射能力 紫光电池:紫光电池:PN结结0.20.3 m,短波峰值短波峰值600nm 按基底材料不同分按基底材料不
4、同分 2DR(P型型Si为基底)为基底)2CR(N型型Si为基底)为基底)(2)按结构分)按结构分 阵列式:分立的受光面阵列式:分立的受光面 象限式:参数相同的独立光电池象限式:参数相同的独立光电池 硅蓝光电池:硅蓝光电池:PN结距受光面很近结距受光面很近 阵列式阵列式 象限式象限式(3)按用途分)按用途分 太阳能光电池:用作电源(效率高,成本低)太阳能光电池:用作电源(效率高,成本低)测量用光电池:探测器件(线性、灵敏度高等)测量用光电池:探测器件(线性、灵敏度高等)(三)符号及电路(三)符号及电路 符号符号 连接电路连接电路 等效电路等效电路LRIULRpIjIIU0lnocE kTUhI
5、02000 40006000800010000123454.03.02.01.0scIocU)/(2cmmAIsc)(VUoc)(LxEscpEIIeh(四)特性参数(四)特性参数 2、伏安特性:光电流与电压的关系。、伏安特性:光电流与电压的关系。硅光电池的伏安特性曲线硅光电池的伏安特性曲线3、输出功率、输出功率2LLLPI Rp讨论:若讨论:若RL0,PL0;若若RL,PL0,存在最,存在最佳负载电阻,使得负载可以获得最大输出功率佳负载电阻,使得负载可以获得最大输出功率Pmax。p可以通过求导方法求最佳可以通过求导方法求最佳RL,但工程上用经验公式。当负,但工程上用经验公式。当负载电阻为最佳
6、负载电阻时载电阻为最佳负载电阻时,(0.6 0.7)(0.6 0.7)(0.6 0.7)mOCmPemOCoptmemmmOCPUUUIISUURISPI UUImmeP4、转换效率、转换效率光电池的输出功率与入射辐射通量之比。光电池的输出功率与入射辐射通量之比。5、光谱特性:电路电流随波长变化情况、光谱特性:电路电流随波长变化情况 取决于所用材料与工艺取决于所用材料与工艺2000400060008000100001200020406080100(%)ISi蓝Si6、温度特性:、温度特性:T0.29.18.1200400600ocUscI)(mVUoc)(mAIsc20020406080 10
7、0(五)应用(五)应用 1 1、光电池用作太阳能电池、光电池用作太阳能电池 把光能直接转化成电能,需要最大的输把光能直接转化成电能,需要最大的输出功率和转化效率。即把受光面做得较大,出功率和转化效率。即把受光面做得较大,或把多个光电池作串、并联组成电池组,与或把多个光电池作串、并联组成电池组,与镍镉蓄电池配合,可作为卫星、微波站等无镍镉蓄电池配合,可作为卫星、微波站等无输电线路地区的电源供给输电线路地区的电源供给。2 2、光电池用作检测元件、光电池用作检测元件 利用其光敏面大,频率响应高,光电流利用其光敏面大,频率响应高,光电流与照度线性变化,适用于开关和线性测量等。与照度线性变化,适用于开关
8、和线性测量等。3、光电池零伏偏置电路A是高输入阻抗放大器,是高输入阻抗放大器,Ri是光生伏特器件内阻,是光生伏特器件内阻,oscfUI R 只适合微弱辐射探测信号检测,线性较好只适合微弱辐射探测信号检测,线性较好(六)硅光电池组合件(六)硅光电池组合件 将几个光电池排成一行,集成在一块集成电路片将几个光电池排成一行,集成在一块集成电路片子上,即成为阵列式的一维光电器件,也可以将几个子上,即成为阵列式的一维光电器件,也可以将几个光电池制成象限式的二维光电器件。光电池制成象限式的二维光电器件。这时衬底是共用的,而各光敏元都是独立的,分这时衬底是共用的,而各光敏元都是独立的,分别有各自的前极引出线。
9、这种器件的特点是,光敏元别有各自的前极引出线。这种器件的特点是,光敏元密集度大,总尺寸小,容易作到各单元多数一致,便密集度大,总尺寸小,容易作到各单元多数一致,便于信号处理。于信号处理。p2个并列的光电池可用来辨别光点移动的方向。个并列的光电池可用来辨别光点移动的方向。p24个并列的光敏元,可用来收集光点移动的个并列的光敏元,可用来收集光点移动的相位信息。相位信息。p象限式光电器件可用来确定光点在二维平面上象限式光电器件可用来确定光点在二维平面上的位置坐标。多用于准直、定位、跟踪或频谱分的位置坐标。多用于准直、定位、跟踪或频谱分析等方面。析等方面。(a)阵列式 (b)象限式象限光电池组合件示意
10、图光斑中心位置的2象限检测电路应用实例:光斑中心位置的应用实例:光斑中心位置的4 4象限硅光电池检测象限硅光电池检测(1 1)和差电路)和差电路 4象限硅光电池的坐标线与基准线成象限硅光电池的坐标线与基准线成0时,常采时,常采用和差电路。用和差电路。p输出的偏离信号分别为输出的偏离信号分别为p为了消除自身总能量的变化对测量结果的影响,为了消除自身总能量的变化对测量结果的影响,用除法电路。用除法电路。12341423()()()()xyuK uuuuuK uuuu1234123414231234()()()()xyuuuuuKuuuuuuuuuKuuuu(2 2)直差电路)直差电路 4象限硅光电
11、池的坐标线与基准线成象限硅光电池的坐标线与基准线成45时,常时,常采用直差电路。采用直差电路。131234241234xyuuuKuuuuuuuKuuuu象限测量存在的问题象限测量存在的问题p光刻分割区有盲区,微小光斑受限制。光刻分割区有盲区,微小光斑受限制。p测量范围受限制,光斑不能全部落入某一象限。测量范围受限制,光斑不能全部落入某一象限。p测量精度受光强漂移影响。测量精度受光强漂移影响。p非线性(常做为对准、瞄准用)。非线性(常做为对准、瞄准用)。二、二、光电二极管光电二极管 1、与普通二极管相比、与普通二极管相比:共同点:一个共同点:一个PN结,单向导电性。结,单向导电性。不同点:不同
12、点:(1)受光面大,)受光面大,PN结面积更大,结面积更大,PN结深度较浅;结深度较浅;(2)表面有防反射)表面有防反射的的SiO2保护层;保护层;(3)外加负偏压。)外加负偏压。2、与光电池相比:、与光电池相比:共同点:均为一个共同点:均为一个PN结,利用光生伏特效应,结,利用光生伏特效应,SiO2 保护膜保护膜 不同点:不同点:(1)结面积比光电池的小,频率特性好;)结面积比光电池的小,频率特性好;(2)光生电势与光电池相同,但电流比光电池小;)光生电势与光电池相同,但电流比光电池小;(3)可在零偏压下工作,更常在反偏压下工作。)可在零偏压下工作,更常在反偏压下工作。(一)基本结构与原理(
13、一)基本结构与原理硅光电二极管硅光电二极管分为分为 以以P型硅为衬底的(国产型号型硅为衬底的(国产型号2DU系列)系列)以以N型硅为衬底的(国产型号型硅为衬底的(国产型号2CU系列)系列)光电二极管的电流方程光电二极管的电流方程PN结的电流方程为结的电流方程为(1)qUkTDIIe式中:式中:U是加在二极管两端的电压,是加在二极管两端的电压,T为温度,为温度,k为为玻耳兹曼常数,玻耳兹曼常数,q为电子电量。为电子电量。ID和和U均为负值,且均为负值,且 时(室温下很容易时(室温下很容易满足)的电流称为反向电流或暗电流。满足)的电流称为反向电流或暗电流。/UkT q硅光电二极管伏安特性曲线 (二
14、)性能参数(二)性能参数 光照下光照下PN结电压与光电流之间结电压与光电流之间 关系关系(1 1)伏安特性)伏安特性 反向偏压与光电流之间的关系反向偏压与光电流之间的关系(a)硅光电二极管输出特性曲线)硅光电二极管输出特性曲线 (b)硅光电二极管输出特性曲线)硅光电二极管输出特性曲线 (重新定义电流电压正方向,与(重新定义电流电压正方向,与PN结内建电场的方向相同)结内建电场的方向相同)(2 2)光照特性:光电流与照度的关系)光照特性:光电流与照度的关系 1515V反向偏压时的光照特性曲线反向偏压时的光照特性曲线 02505007501000 1250102030405060E)(AI(3 3
15、)光谱特性)光谱特性 影响因素:影响因素:材料:禁带宽度材料:禁带宽度 设计工艺设计工艺:PN结深度及表面处理结深度及表面处理典型材料的光电二极管的光谱响应曲线典型材料的光电二极管的光谱响应曲线 (4 4)暗电流与噪声)暗电流与噪声 在直流偏压下,暗电流是噪声的主要来在直流偏压下,暗电流是噪声的主要来 源;源;暗电流主要包括反向饱和电流,势垒区的复暗电流主要包括反向饱和电流,势垒区的复合(或产生)电流以及表面漏电流。合(或产生)电流以及表面漏电流。环极的作用是:克制由于环极的作用是:克制由于SiOSiO2 2保护膜中的杂保护膜中的杂质正离子静电感应。质正离子静电感应。(5 5)频率特性)频率特
16、性 是半导体光电器件中最好的一种,与下列因素是半导体光电器件中最好的一种,与下列因素有关:有关:q结电容(小于结电容(小于20F)20F)和杂散电容和杂散电容q光生载流子在薄层中的扩散时间及光生载流子在薄层中的扩散时间及PNPN结中的漂结中的漂移时间移时间 要提高频率响应必须做到以下几点:要提高频率响应必须做到以下几点:(1 1)合理的结面积(小的结面积可)合理的结面积(小的结面积可使使CjCj减小,减小,但相同光照下,光电流也较小);但相同光照下,光电流也较小);(2 2)尽可能大的耗尽层厚度;)尽可能大的耗尽层厚度;(3 3)适当加大使用电压;)适当加大使用电压;(4 4)减小结构所造成的
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