第04章_光伏探测器

意义：分析与计算） 等效电路 （意义：分析与计算）
I = I 0 e eU
(
/ kT
− 1 − Ip
电流源
)
普通二极管
4.1 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Isc 和短路电流
I = I 0 (e
qU / kT
− 1) − I p
负载电阻RL→∞，光伏探测器两端的电压称为开路电压
NEP =
（ 2e I D + I p）∆f S
PIN PD ～10-14W/Hz1/2
5. 光谱特性
4.1 光伏探测器的原理和特性
P86 紫外 光电二极管 200nm 紫外光 可见光 红外－－远红外光 红外－－远红外光 －－
光伏探测器波长响应范围 光伏探测器波长响应范围
4.1 光伏探测器的原理和特性
(
)
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： 降低温度 暗电流减小方法： 1.降低温度 2.偏压为零或为负 偏压为零或为负
4.1 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、
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、 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。 电流的散粒噪声和 结漏电阻 的热噪声
光电科学与工程学院
College Of Optoelectric Science and Engineering
4.1 光伏探测器的原理和特性
1. 光照下的 结电流方程及伏安特性 光照下的PN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Isc 和短路电流 3．暗电流和温度特性 ． 4．噪声、信噪比和噪声等效功率 ．噪声、 5. 光谱特性 6. 响应时间和频率特性
4.2 常用光伏探测器
4.2.1 硅光电池
工作区域：第四象限： 工作区域：第四象限：
4.2 常用光伏探测器
4.2.1 硅光电池
结构： 结构：
分类： 分类： 太阳能光电池 －－主要用作电源，转换效 －－主要用作电源， 主要用作电源 (Solar Cells) 率高、 率高、成本低 测量光电池 －－主要功能是作为光电探 －－主要功能是作为光电探 测用， 测用，光照特性的线性度好
M= Ip qN
APD内增益：102～103 内增益： 内增益
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
内增益： 内增益： M<1；M>1； M>>1 ； ；
4.2 常用光伏探测器
4.2.5 雪崩光电二极管
1.结构原理： 结构原理： 结构原理
高反压(100～200 V) ～ 高反压
APD内增益：102～103 内增益： 内增益
4.2 常用光伏探测器
4.2.1 硅光电池
光电特性
照度—电流电压特性 照度 电流电压特性
照度—负载特性 照度 负载特性
4.2.1 硅光电池
伏安特性
4.2 常用光伏探测器
光电池伏安特性
4.2.1 硅光电池
伏安特性
4.2 常用光伏探测器
－－表示输出电流和电压随负载电阻变化的曲线 －－表示输出电流和电压随负载电阻变化的曲线 表示输出电流和电压随负载电阻
1. 光照下的 结电流方程及伏安特性 光照下的PN结电流方程及伏安特性
伏安特性 第三象限： 第三象限：光电导模式 这个区域重要意义！！ 光电二极管 这个区域重要意义！！
反向偏压可以减小 载流子的渡越时间 和二极管的极间电 容，有利于提高器 件的响应灵敏度和 件的响应灵敏度和 响应灵敏度 响应频率。 响应频率。
4.2 常用光伏探测器
4.2.3 硅光电三极管
比较：光电三极管与光电二极管 比较：
表4－3和表 －2 － 和表4－ 和表
硅光电三极管光电特性
硅光电二极管光电特性
光电三极管：输出光电流大 光电特性“非线性” ，频率特性较 差
4.2.4 PIN光电二极管 光电二极管
结构： 结构：
4.2 常用光伏探测器 (PIN Photodiode，简称PIN PD) ，简称
4.1 光伏探测器的原理和特性
f HC
1 = 2πτ e
光伏探测器频率特性由电路时间常数决定
光电导探测器
f HC
1 = 2πτ c
光电导探测器频率特性由载流子寿命决定
4.2 常用光伏探测器
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 PIN光电二极管 4.2.4 PIN光电二极管 4.2.5 雪崩光电二极管 4.2.6 紫外光电二极管 碲镉汞、 4.2.7 碲镉汞、碲锡铅红外光电二极管
(
eU / kT
−1
)
硅光电二极管暗电流 的温度特性
常温条件下， 常温条件下，暗电流 硅光电二极管 ～100nA 光电二极管～ 硅PIN光电二极管～1nA 光电二极管
4.1 光伏探测器的原理和特性
3. 暗电流
电流方程
I = I0 e
(
eU / kT
− 1 − Ip = Id − Ip
)
暗电流
I d = I 0 eeU / kT − 1
4kT ∆f 4kT ∆f i = 2eI p ∆f + 2eI d ∆f + + Rsh RL
2 n
噪声等效功率
2 idn NEP = S
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。
4.1 光伏探测器的原理和特性
光电二极管噪声等效功率计算 光电二极管噪声等效功率计算 噪声等效功率
2.雪崩增益 ： 雪崩增益M 雪崩增益 IM 1 M= = n I0 U 1− UB UB为击穿电压
U很低 很低 －－没有倍增现象 －－没有倍增现象 U增加到接近 B 增加到接近U 增加到接近 －－得到很大的倍增 －－得到很大的倍增 U超过 B 超过U 超过 －－噪声电流很大 －－噪声电流很大
1. 光照下的 结电流方程及伏安特性 光照下的PN结电流方程及伏安特性
伏安特性 第四象限： 第四象限：光伏模式 光电池 工作区域
1. 光照下的 结电流方程及伏安特性 光照下的PN结电流方程及伏安特性
伏安特性
普通二极管
光电二极管
光电池
1. 光照下的 结电流方程及伏安特性 光照下的PN结电流方程及伏安特性
在掺杂浓度很高的P型半导体和 型半导体之间夹着一层较 在掺杂浓度很高的 型半导体和N型半导体之间夹着一层较 型半导体和 厚的高阻本征半导体I 厚的高阻本征半导体
光经波导从I层进入 光经波导从I层进入
特点： 特点：
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
APD合适工作点： 合适工作点： 合适工作点 U接近 B，但不超过 接近U 接近
4.2.5雪崩光电二极管 雪崩光电二极管
2.雪崩增益 ： 雪崩增益M 雪崩增益 APD合适工作点： 合适工作点： 合适工作点 U接近，但不超过 接近， 接近 UB与温度的关系
稳定APD工作点： 工作点： 稳定 工作点 1. 稳压 2. 恒温
4.1 光伏探测器的原理和特性
1. 光照下的 结电流方程及伏安特性 光照下的PN结电流方程及伏安特性
电流方程 伏安特性
I = I 0 e eU
(
/ kT
− 1 − Ip
)
1. 光照下的 结电流方程及伏安特性 光照下的PN结电流方程及伏安特性
伏安特性 第一象限： 第一象限：普通二极管 这个区域没有意义！！ 光电探测器 这个区域没有意义！！
应用： 应用：
光通信、 光通信、光雷达等快速光检测领域
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《光纤通信技术》 --深圳职业技术学院制作
4.2 常用光伏探测器
4.2.5 雪崩光电二极管
(Avalanche Photodiode，简称 ，简称APD)
qη Ip = M Φ hν
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 常用光伏探测器
4.2.3 硅光电三极管
又称为光电晶体管（ 又称为光电晶体管（Phototransistor，简称 ） ，简称PT）
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。
4.2.5雪崩光电二极管 雪崩光电二极管
2.雪崩增益 ： 雪崩增益M 雪崩增益 APD合适工作点： 合适工作点： 合适工作点 U接近，但不超过 接近， 接近
APD工作电路举例： 工作电路举例： 工作电路举例
稳定APD工作点： 工作点： 稳定 工作点 1. 稳压 2. 恒温 恒温箱
4.2 常用光伏探测器
雪崩光电二极管
PIN PD ～10-14W/Hz1/2
Si-PD ～10-13W/Hz1/2
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：102～103 内增益： 内增益 1.结构原理 结构原理 2.雪崩增益 雪崩增益M 雪崩增益 3.噪声特性 噪声特性 4.响应时间 （0.05~2.0ns） 响应时间 ）
雪崩光电二极管 实例： 实例：
第04章 04章
光伏效应： 光伏效应：
光伏探测器
PN结受到光照时，可在PN结的两端产生光生 PN结受到光照时，可在PN结的两端产生光生 结受到光照时 PN 电势差，这种现象则称为光伏效应 光伏效应。 电势差，这种现象则称为光伏效应。 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光伏探 利用半导体光伏效应制作的器件称为光伏探 测器，简称PV（ 测器，简称 （Photovoltaic）探测器，也 ）探测器， 结型光电器件 光电器件。 称结型光电器件。