光电电路光伏探测器

I I0 eeU / kT 1 Ip
普通二极管
电流源
4.1 光伏探测器的原理和特性
2. 开路电压Uoc和短路电流Isc
I I0 eqU /kT 1 Ip
负载电阻RL→∞，光伏探测器两端的电压称为开路电压
Uoc
kT e
ln（Ip
/
I0
1）
负载电阻RL=0，流过光伏探测器称为短路电流
4.2.1 硅光电池
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：
4.2 常用光伏探测器
分类： 太阳能光电池 －－主要用作电源，转换效 (Solar Cells) 率高、成本低
测量光电池 －－主要功能是作为光电探 测用，光照特性的线性度好
4.2.1 硅光电池
光电特性
照度—电流电压特性
光伏探测器波长响应范围
紫外光 可见光 近红外－－ 极远红外光
光电导探测器波长响应范围 二者光谱响应范围的差别？为什么？
4.1 光伏探测器的原理和特性
6. 响应时间和频率特性
响应时间：
扩散时间～10-9s
漂移时间～10-11s
电路时间常数 1.5×10－9 s
光伏效应示意图
光敏区薄，缩短扩散时间；边注入技术，？扩散时间
Isc Ip S E
--开路电压短路电流
3. 暗电流
4.1 光伏探测器的原理和特性
电流方程 I I0 eeU / kT 1 Ip Id Ip
暗电流
Id I0 eeU / kT 1
常温条件下，暗电流 硅光电二极管 ～100nA 硅PIN光电二极管～1nA
硅光电二极管暗电流 的温度特性
光伏探测器的噪声主要包括器件中光电流的散粒噪声、暗 电流的散粒噪声和PN结漏电阻Rsh的热噪声。
in2 2eIpf
2eIdf
4kT f
Rsh
4kT f
RL
噪声等效功率
NEP id2n 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。
ห้องสมุดไป่ตู้
4.1 光伏探测器的原理和特性
4.1 光伏探测器的原理和特性
6. 响应时间和频率特性
频率特性：
仅考虑电路时间常数
e RLCj
f HC
1
2π e
硅光电二极管~几百兆赫， ~上千兆赫的响应频率; PIN 光电二极管~10GHz,雪崩光 电二极管100GHz
比较：频率特性
4.1 光伏探测器的原理和特性
光伏探测器
f HC
1
2π e
扩散==漂移 平衡 PN结
PN结能带与势垒 结合前
费米能级与导带或价带的相对位置由材料掺杂决定
结合后
一个平衡系统只能有一个费米能级
PN结能带与势垒*
E
电场力
偏压：外加在PN结两端的电压
正向电流：
方向由P区指向N区
正向偏压:
外加电场
负离子数减少
正离子数减少
正向偏压作用下，耗尽区宽度变小
正向偏压 继续增大，耗尽层越来越薄·······
第04章 光伏探测器
4.1 光伏探测器的原理和特性 4.2 常用光伏探测器 4.3 光伏探测器组合器件 4.4 光伏探测器的偏置电路
4.1 光伏探测器的原理和特性
1. 光照下的PN结电流方程及伏安特性 2. 开路电压Uoc和短路电流Isc 3．暗电流和温度特性 4．噪声、信噪比和噪声等效功率 5. 光谱特性 6. 响应时间和频率特性
光电二极管噪声等效功率计算
NEP 2（e ID Ip）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
光伏探测器波长响应范围
5. 光谱特性
4.1 光伏探测器的原理和特性
紫外光 可见光 近红外－－远红外光
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 响应频率。
1. 光照下的PN结电流方程及伏安特性
伏安特性
第四象限：光伏模式 光电池 工作区域
1. 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PN结电流方程及伏安特性
等效电路 （意义：分析与计算）
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
2π c
光电导探测器频率特性由载流子寿命决定
• 例.若PN结在照度E1下的开路电压为Uoc1， 求照度为E2下的开路电压Uoc2？
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 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 4.2.7 碲镉汞、碲锡铅红外光电二极管
光伏探测器
光伏效应： PN结受到光照时，可在PN结的两端产生光生 电势差，这种现象则称为光伏效应。
光伏探测器： 利用半导体光伏效应制作的器件称为光伏探 测器，简称PV（Photovoltaic）探测器，也 称结型光电器件。
光伏器件 简称PV（Photovolt）
单元器件
线阵器件
四象限器件
PN结的形成
4.2 常用光伏探测器
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
4.2 常用光伏探测器
电流方程： I I（0 eeU / kT 1） I（0 eU /UT 1）
反向偏压:
外加电场
负离子数增加
正离子数增加
反向偏压作用下，耗尽区宽度变大
反向偏压:
外加电场
负离子数增加
正离子数增加
反向电流: －－ 数值较小？？？
正向电流和反向电流：
电流方程：
I I（0 eeU / kT 1） I（0 eU /UT 1）
4.1 光伏探测器的原理和特性
1. 光照下的PN结电流方程及伏安特性
电流方程 伏安特性
I I0 eeU / kT 1 Ip
1. 光照下的PN结电流方程及伏安特性
伏安特性
第一象限：普通二极管 光电探测器 这个区域没有意义！！
1. 光照下的PN结电流方程及伏安特性
伏安特性
第三象限：光电导模式 光电二极管 这个区域重要意义！！
3. 暗电流
4.1 光伏探测器的原理和特性
电流方程 I I0 eeU / kT 1 Ip Id Ip
暗电流
Id I0 eeU /kT 1
暗电流的影响： 1.弱光的测量 2.增大散粒噪声
暗电流减小方法： 1.降低温度 2.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