光伏探测器的应用与发展
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下面着重讨论光伏探测器在有无光照情况下的暗电流噪声
a、光照时
通过器件的电流只有热激发暗电流 。当器件在零偏置时，流过P-N结的电流包含正向和反向的暗电流 与 。它们对总电流的贡献为零，而对噪声的贡献是叠加的，则均方噪声电流为：
一般情况下 ,故
同理，可以写出负偏压工作的光伏探测器的暗电流噪声，显然它只有零偏压工作时的一半。
光电池是一种在光的照射下产生电动势的半导体元件。光电池的种类很多，常有硒光电池、硅光电池和硫化铊、硫化银光电池等。主要用于仪表，自动化遥测和遥控方面。有的光电池可以直接把太阳能转变为电能，这种光电池又叫太阳能电池。太阳能电池作为能源广泛应用在人造地卫星、灯塔、无人气象站等处。光电池也叫太阳能电池，直接把太转变成电。因此光电池的特点是能够把地球从太阳辐射中吸收的大量光能转化换成电能。
光伏探测器是利用半导体P-N结光生伏特效应而制成的探测器，简称PV探测器。光电探测器是在紫外、可见光、近红外、中波红外和远红外这些光学波段上展开的。首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电探测器变成电信号输出。虽然光电测量方法灵活多样，看测参数众多，但光电探测器的工作原理均是其余物质的光电效应。光电效益分为外光电效应和光电效应。外光电效应是指物质吸收光子并激发出自由电子的行为；光电效应是光电效应的一种，主要由于光量子作用，引发物质电化学性质变化。光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。光电导效应：当入射光子射入到半导体表面时，半导体吸收入射光子产生电子空穴对，使其自生电导增大。光生伏特效应：当一定波长的光照射非均匀半导体（如PN结），在自建场的作用下，半导体部产生光电压。
第一章 光电探测及其重要作用
1-1、光电探测系统的组成
通常，光电探测器系统由光辐射源，光学系统，调制器，传输介质，光电探测器和电子系统等基本环节组成。图1所示为被动探测器系统的框图，如人体红外测温仪，微光夜视仪等。其信息源可以是来自被探测物体自身辐射，例如，所要探测的飞机，舰船，星体，火焰和人体等物体自身的紫外，红外或可见光辐射;也可以是来自其它自然辐射源照射在被探测物体上形成的反射，散射等光辐射。根据它们的辐射性质与周围环境的差别，探测系统就能获取有关信息。这些信息源的辐射经过传输介质，到达接收光学系统。接收光学系统获得的部分信息源辐射倍汇聚到光电探测器上，光电探测器将光信号转换为电信号。通常，为了尽可能提高检出信息的质量，系统中加入调制环节，从而光电探测器输出信号是调制信号。调制信号经电子系统放大、处理后，就能检测处所需的信息。由于检出的信息是由电信号表示的，可以跟后面多种环节连接，如连接显示、记录、存储和转换等环节。
1-2光电系统的应用
（1）测量检查。其基本功能是进行光学或非光学参量的光电检测，可测参量有几何测量、运动测量、表面形态参量、光学参量、成分分析、机械量、电磁量、以及温度和放射线的测量等。检测系统要求可靠的重复值和可信度，并且要有适用的数据处理能力和数据输出方式。
（2）控制跟踪。这是一种有光电检测能力的反馈控制系统。光电传感器是信号反馈单元，当它检测到受控目标相对平衡状态的偏差信号可通过闭环控制使目标相对基准实现伺候跟踪或恒值调节。它的主要应用包括军事和科学应用，以及工业应用。跟踪系统要求有准确的跟踪能力和快速的动态响应能力。
图5 光伏探测器的伏安特性曲线
2-2、光伏探测器的性能参数
2-2-1、响应率
根据定义知，由式 可直接写出光伏探测器开路时响应率的表达式:
在弱光射情况下，上式可以近似为：
将光电流 代人得:
由于式 可得出反向饱和电流为：
式中 、 为少数载流子浓度， 、 分别为电子-空穴的扩散系数， 、 分别为电子-空穴的扩散长度， 为探测器的光敏面积。
由此可知，光伏探测器的响应率与器件的工作温度 及少数载流子浓度和扩散有关，而与器件的外偏压无关，这是与光电导探测器的不相同的。
2-2-2、噪声
光伏探测器的噪声主要包括器件中光生电流的散粒噪声、暗电流噪声和器件的热噪声，其均方噪声电流 为：
式中， 为流过P-N结的总电流，它与器件的工作及光照有关， 为器件电阻，因反偏工作时 相当大，热噪声可忽略不计，故光电流和暗电流引起的散粒噪声是主要的，则式可表示为:
图3 光照PN结工作原理图
有光照时，若PN结外电路接上负载电阻 ,如图4所示，在PN结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：
海军工程大学
毕业设计（论文）报告书
题目光伏探测器的应用与发展
专 业光机电一体化工程
班 级07-2051 ___
姓 名王 庆 _
指导老师照世 _
2011 年3月5日
摘 要
1830年，L.诺比利利用当时新发现的温差电效应(也称塞贝克效应)，制成了一种以半金属铋和锑为温差电偶的热敏型探测器，也是第一个探测器的诞生，继后其他功能的探测器相继发展。探测器主要用于测量检查, 控制跟踪, 图像测量和分析等方面。光伏探测器是利用半导体光伏效应制作的器件。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。本论文容着重分析光伏探测器的原理和性能参数及光电池、光电二极管、光电三极管的结构和应用，介绍光伏探测器的发展前景。本论文还对光伏探测器的偏置电路有一定的介绍。
Key words:Photovoltaic detector properties application development Offset circuit
引 言
回顾20世纪的科学技术成就，考察这些成就对世界经济、军事和社会发展进程所产生的越来越深远的影响，我们不能不首先提到原子能、半导体、电子计算机和激光等重大发明。原子能的发明，使人类利用的能源从木材、煤炭、石油、电气阶段进入原子能时代；半导体、电子计算机的发明，将人类从工业时代推进到信息时代；激光的出现使整个电子学的概念、理论和技术推进到了光顾电磁波段。
光电二极管由于响应快、灵敏度高、性能稳定、检测线性好、噪声低而被广泛用于光电检测电路中，尤其在激光通讯测量中，通常要测量微瓦下的光信号，就更离不开硅光二极管，质量好的硅光二极管用于激光功率测量时，测量下限可以到达 W,分辨率可以达到 W。
光电三极管在多种电子设备中的应用非常广泛。随着数字通信技术的迅速发展以及光隔离器和固体继电器等自动控制部件在机械工业中应用的不断扩大,特别是微处理机在各个领域中的应用推广（有时一台微机上的用量可达十几个甚至上百个）和产品性能的逐步提高,光电耦合器的应用市场将日益扩大,同时,其社会交流和经济交流也一定会十分显著。今后,光电三极管将向高速化、高性能,小体积,轻重量的方向发展。
关键词：光伏探测器 性质 应用 发展 偏置电路
Abstract
In 1830, l .debbi Billy using the new found at temperature electric effect (also called plug baker effect), make a with half a metal bismuth and antimony temperature electric dipoles for the thermal type, and the first to detector probe after the birth of the other functions, following the detector successively development. The probe is mainly used for measuring inspection, control tracking, image measurement and analysis, etc. Photovoltaic detector is made using photovoltaic effects of semiconductor devices . This kind of device many kinds, but their principle is the same, so in nature have many similar place .This thesis focuses on analyzing the principle and performance photovoltaic detector test parameters and photoelectric triode, photoelectric diode, introduced the structure and application, the development prospect. This paper also on photovoltaic probe offset circuit has certain introduction.
图1 被动探测系统
图2所示为主动探测器系统的框图。
其信息源不同时兼做辐射源，即系统不是利用信息源自身辐射，或者信息源为非光学量。这种系统将某些非光学的物理量先设法变成电信号，然后通过调制器把信息加载到光波上进行传输，典型的有光纤通信系统等，或者采用人工光源照射被测物体，使所需信息能加载到反射，透射，散射或衍射光波上，然后利用光电探测器系统进行检测。在接收端，主动光电系统与被动光电系统有同样的方块图。主动中传输介质大多是大气，少数采用光纤。
如果给PN结加上一个反向偏置电压 ，外加电压所建的电场方向与PN结建电场方向相同，使光生电子-空穴对在强电场作用下更容易产生漂移运动，提高了器件的频率特性。
PN结光电器件在不同的照度下的伏安特性曲线，如图5所示。无光照 时,伏安特性曲线与一般二极管的伏安特性曲线相同；受光照后，光生电子-空穴对电场作用下形成大于反向饱和电流 的光电流 ，并与 同向，因此曲线将电流轴向下平移，平移幅度与光照度 的变化成正比，当PN结上加有反向偏压时，非光生的暗电流随反向偏压增大有所增大，最后等于反向饱和电流 ，而光电流 几乎与反向电压的高低无关。
b、无光照时
当偏压 时，流过P-N结的电流有 、 及 。因此，总的噪声电流均方值为:
有弱光照射是有 >> ,则
上式与无光照射时的结果相同.
当光伏探测器工作在负偏压时, ,则式
即负偏压的光伏探测器的噪声功率为零偏压的一半。
2-2-3Βιβλιοθήκη Baidu比探测率
光伏探测器 可表示为
式中 为光伏探测器噪声电压均方根值。光伏探测器多以散粒噪声为主，当仅考虑散粒噪声时，在不同偏压情况下光伏探测器的比探测率可表示如下：（1）零偏压工作时，利用 看得到光伏探测器的噪声电压均方值 ，将代人 得
（3）图像测量和分析。它的功能是采集目标的二维或三维光强的时空分布，记录和再现目标的图像并进行判读、识别或图像的运行处理。图形检测是图像分析的分支，其目的是同时完成图形几何坐标和光密度等级的精确测量，应用咋工业图形检测中。图像测量和分析主要依靠扫描或摄像装置采集光信号，同时进行空间-时间和光-电转换。
第二章 光伏探测器
2-1、光伏探测器的工作原理及伏安特性
利用P-N结的光生伏特效应工作的光电探测器称为光生伏特探测器，或光伏探测器。图3是光照P-N结工作原理图，只要入射光子能量大于材料禁带宽度，就会在结区产生电子-空穴对。这些非平衡载流子在建电场的作用下，空穴顺着电场运动，电子逆电场运动，在开路状态，最后在N区边界积累光生电子，P区边界积累光生空穴，产生一个与建电场方向相反的光生电场，即在P区和N区之间产生了光生电压 ，这就是光生伏特效应。只要光照不停止，这个光生电压将永远存在。光生电压 的大小与P-N结的性质及光照度有关。
(A)
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
(A)
图4 光伏探测器等效电路的光伏（零偏压）工作模式
当负载电阻 断开时， ，称 端对 端电压为开路电压 ，且由于，则近似地有 （V）
当负载电阻 短路时， ，称流过回路的电流为短路电流 ，短路电流就是光生电流 。 与光照度 或光通量Φ成正比，从而得到最大线性区，这在线性测量中被广泛应用。
a、光照时
通过器件的电流只有热激发暗电流 。当器件在零偏置时，流过P-N结的电流包含正向和反向的暗电流 与 。它们对总电流的贡献为零，而对噪声的贡献是叠加的，则均方噪声电流为：
一般情况下 ,故
同理，可以写出负偏压工作的光伏探测器的暗电流噪声，显然它只有零偏压工作时的一半。
光电池是一种在光的照射下产生电动势的半导体元件。光电池的种类很多，常有硒光电池、硅光电池和硫化铊、硫化银光电池等。主要用于仪表，自动化遥测和遥控方面。有的光电池可以直接把太阳能转变为电能，这种光电池又叫太阳能电池。太阳能电池作为能源广泛应用在人造地卫星、灯塔、无人气象站等处。光电池也叫太阳能电池，直接把太转变成电。因此光电池的特点是能够把地球从太阳辐射中吸收的大量光能转化换成电能。
光伏探测器是利用半导体P-N结光生伏特效应而制成的探测器，简称PV探测器。光电探测器是在紫外、可见光、近红外、中波红外和远红外这些光学波段上展开的。首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电探测器变成电信号输出。虽然光电测量方法灵活多样，看测参数众多，但光电探测器的工作原理均是其余物质的光电效应。光电效益分为外光电效应和光电效应。外光电效应是指物质吸收光子并激发出自由电子的行为；光电效应是光电效应的一种，主要由于光量子作用，引发物质电化学性质变化。光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。光电导效应：当入射光子射入到半导体表面时，半导体吸收入射光子产生电子空穴对，使其自生电导增大。光生伏特效应：当一定波长的光照射非均匀半导体（如PN结），在自建场的作用下，半导体部产生光电压。
第一章 光电探测及其重要作用
1-1、光电探测系统的组成
通常，光电探测器系统由光辐射源，光学系统，调制器，传输介质，光电探测器和电子系统等基本环节组成。图1所示为被动探测器系统的框图，如人体红外测温仪，微光夜视仪等。其信息源可以是来自被探测物体自身辐射，例如，所要探测的飞机，舰船，星体，火焰和人体等物体自身的紫外，红外或可见光辐射;也可以是来自其它自然辐射源照射在被探测物体上形成的反射，散射等光辐射。根据它们的辐射性质与周围环境的差别，探测系统就能获取有关信息。这些信息源的辐射经过传输介质，到达接收光学系统。接收光学系统获得的部分信息源辐射倍汇聚到光电探测器上，光电探测器将光信号转换为电信号。通常，为了尽可能提高检出信息的质量，系统中加入调制环节，从而光电探测器输出信号是调制信号。调制信号经电子系统放大、处理后，就能检测处所需的信息。由于检出的信息是由电信号表示的，可以跟后面多种环节连接，如连接显示、记录、存储和转换等环节。
1-2光电系统的应用
（1）测量检查。其基本功能是进行光学或非光学参量的光电检测，可测参量有几何测量、运动测量、表面形态参量、光学参量、成分分析、机械量、电磁量、以及温度和放射线的测量等。检测系统要求可靠的重复值和可信度，并且要有适用的数据处理能力和数据输出方式。
（2）控制跟踪。这是一种有光电检测能力的反馈控制系统。光电传感器是信号反馈单元，当它检测到受控目标相对平衡状态的偏差信号可通过闭环控制使目标相对基准实现伺候跟踪或恒值调节。它的主要应用包括军事和科学应用，以及工业应用。跟踪系统要求有准确的跟踪能力和快速的动态响应能力。
图5 光伏探测器的伏安特性曲线
2-2、光伏探测器的性能参数
2-2-1、响应率
根据定义知，由式 可直接写出光伏探测器开路时响应率的表达式:
在弱光射情况下，上式可以近似为：
将光电流 代人得:
由于式 可得出反向饱和电流为：
式中 、 为少数载流子浓度， 、 分别为电子-空穴的扩散系数， 、 分别为电子-空穴的扩散长度， 为探测器的光敏面积。
由此可知，光伏探测器的响应率与器件的工作温度 及少数载流子浓度和扩散有关，而与器件的外偏压无关，这是与光电导探测器的不相同的。
2-2-2、噪声
光伏探测器的噪声主要包括器件中光生电流的散粒噪声、暗电流噪声和器件的热噪声，其均方噪声电流 为：
式中， 为流过P-N结的总电流，它与器件的工作及光照有关， 为器件电阻，因反偏工作时 相当大，热噪声可忽略不计，故光电流和暗电流引起的散粒噪声是主要的，则式可表示为:
图3 光照PN结工作原理图
有光照时，若PN结外电路接上负载电阻 ,如图4所示，在PN结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：
海军工程大学
毕业设计（论文）报告书
题目光伏探测器的应用与发展
专 业光机电一体化工程
班 级07-2051 ___
姓 名王 庆 _
指导老师照世 _
2011 年3月5日
摘 要
1830年，L.诺比利利用当时新发现的温差电效应(也称塞贝克效应)，制成了一种以半金属铋和锑为温差电偶的热敏型探测器，也是第一个探测器的诞生，继后其他功能的探测器相继发展。探测器主要用于测量检查, 控制跟踪, 图像测量和分析等方面。光伏探测器是利用半导体光伏效应制作的器件。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。本论文容着重分析光伏探测器的原理和性能参数及光电池、光电二极管、光电三极管的结构和应用，介绍光伏探测器的发展前景。本论文还对光伏探测器的偏置电路有一定的介绍。
Key words:Photovoltaic detector properties application development Offset circuit
引 言
回顾20世纪的科学技术成就，考察这些成就对世界经济、军事和社会发展进程所产生的越来越深远的影响，我们不能不首先提到原子能、半导体、电子计算机和激光等重大发明。原子能的发明，使人类利用的能源从木材、煤炭、石油、电气阶段进入原子能时代；半导体、电子计算机的发明，将人类从工业时代推进到信息时代；激光的出现使整个电子学的概念、理论和技术推进到了光顾电磁波段。
光电二极管由于响应快、灵敏度高、性能稳定、检测线性好、噪声低而被广泛用于光电检测电路中，尤其在激光通讯测量中，通常要测量微瓦下的光信号，就更离不开硅光二极管，质量好的硅光二极管用于激光功率测量时，测量下限可以到达 W,分辨率可以达到 W。
光电三极管在多种电子设备中的应用非常广泛。随着数字通信技术的迅速发展以及光隔离器和固体继电器等自动控制部件在机械工业中应用的不断扩大,特别是微处理机在各个领域中的应用推广（有时一台微机上的用量可达十几个甚至上百个）和产品性能的逐步提高,光电耦合器的应用市场将日益扩大,同时,其社会交流和经济交流也一定会十分显著。今后,光电三极管将向高速化、高性能,小体积,轻重量的方向发展。
关键词：光伏探测器 性质 应用 发展 偏置电路
Abstract
In 1830, l .debbi Billy using the new found at temperature electric effect (also called plug baker effect), make a with half a metal bismuth and antimony temperature electric dipoles for the thermal type, and the first to detector probe after the birth of the other functions, following the detector successively development. The probe is mainly used for measuring inspection, control tracking, image measurement and analysis, etc. Photovoltaic detector is made using photovoltaic effects of semiconductor devices . This kind of device many kinds, but their principle is the same, so in nature have many similar place .This thesis focuses on analyzing the principle and performance photovoltaic detector test parameters and photoelectric triode, photoelectric diode, introduced the structure and application, the development prospect. This paper also on photovoltaic probe offset circuit has certain introduction.
图1 被动探测系统
图2所示为主动探测器系统的框图。
其信息源不同时兼做辐射源，即系统不是利用信息源自身辐射，或者信息源为非光学量。这种系统将某些非光学的物理量先设法变成电信号，然后通过调制器把信息加载到光波上进行传输，典型的有光纤通信系统等，或者采用人工光源照射被测物体，使所需信息能加载到反射，透射，散射或衍射光波上，然后利用光电探测器系统进行检测。在接收端，主动光电系统与被动光电系统有同样的方块图。主动中传输介质大多是大气，少数采用光纤。
如果给PN结加上一个反向偏置电压 ，外加电压所建的电场方向与PN结建电场方向相同，使光生电子-空穴对在强电场作用下更容易产生漂移运动，提高了器件的频率特性。
PN结光电器件在不同的照度下的伏安特性曲线，如图5所示。无光照 时,伏安特性曲线与一般二极管的伏安特性曲线相同；受光照后，光生电子-空穴对电场作用下形成大于反向饱和电流 的光电流 ，并与 同向，因此曲线将电流轴向下平移，平移幅度与光照度 的变化成正比，当PN结上加有反向偏压时，非光生的暗电流随反向偏压增大有所增大，最后等于反向饱和电流 ，而光电流 几乎与反向电压的高低无关。
b、无光照时
当偏压 时，流过P-N结的电流有 、 及 。因此，总的噪声电流均方值为:
有弱光照射是有 >> ,则
上式与无光照射时的结果相同.
当光伏探测器工作在负偏压时, ,则式
即负偏压的光伏探测器的噪声功率为零偏压的一半。
2-2-3Βιβλιοθήκη Baidu比探测率
光伏探测器 可表示为
式中 为光伏探测器噪声电压均方根值。光伏探测器多以散粒噪声为主，当仅考虑散粒噪声时，在不同偏压情况下光伏探测器的比探测率可表示如下：（1）零偏压工作时，利用 看得到光伏探测器的噪声电压均方值 ，将代人 得
（3）图像测量和分析。它的功能是采集目标的二维或三维光强的时空分布，记录和再现目标的图像并进行判读、识别或图像的运行处理。图形检测是图像分析的分支，其目的是同时完成图形几何坐标和光密度等级的精确测量，应用咋工业图形检测中。图像测量和分析主要依靠扫描或摄像装置采集光信号，同时进行空间-时间和光-电转换。
第二章 光伏探测器
2-1、光伏探测器的工作原理及伏安特性
利用P-N结的光生伏特效应工作的光电探测器称为光生伏特探测器，或光伏探测器。图3是光照P-N结工作原理图，只要入射光子能量大于材料禁带宽度，就会在结区产生电子-空穴对。这些非平衡载流子在建电场的作用下，空穴顺着电场运动，电子逆电场运动，在开路状态，最后在N区边界积累光生电子，P区边界积累光生空穴，产生一个与建电场方向相反的光生电场，即在P区和N区之间产生了光生电压 ，这就是光生伏特效应。只要光照不停止，这个光生电压将永远存在。光生电压 的大小与P-N结的性质及光照度有关。
(A)
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
(A)
图4 光伏探测器等效电路的光伏（零偏压）工作模式
当负载电阻 断开时， ，称 端对 端电压为开路电压 ，且由于，则近似地有 （V）
当负载电阻 短路时， ，称流过回路的电流为短路电流 ，短路电流就是光生电流 。 与光照度 或光通量Φ成正比，从而得到最大线性区，这在线性测量中被广泛应用。