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1、第04章光伏探测器本讲稿第一页，共八十四页光伏器件光伏器件简称简称PV（Photovolt）单元器件线阵器件四象限器件本讲稿第二页，共八十四页第第0404章章 光伏探测器光伏探测器4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器4.3 4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件4.4 4.4 光伏探测器的偏置电路光伏探测器的偏置电路本讲稿第三页，共八十四页4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性1.光照下的光照下的PN结电流方程及伏安特性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Isc3暗电
2、流和温度特性暗电流和温度特性4噪声、信噪比和噪声等效功率噪声、信噪比和噪声等效功率5.光谱特性光谱特性 6.响应时间和频率特性响应时间和频率特性 本讲稿第四页，共八十四页4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性1.光照下的光照下的PN结电流方程及伏安特性结电流方程及伏安特性电流方程电流方程 伏安特性伏安特性 本讲稿第五页，共八十四页伏安特性伏安特性第一象限：普通二极管第一象限：普通二极管 光电探测器光电探测器 这个区域没有意义！这个区域没有意义！1.光照下的光照下的PN结电流方程及伏安特性结电流方程及伏安特性本讲稿第六页，共八十四页伏安特性伏安特性第三象限：第三象限：光电导
3、模式光电导模式 光电二极管光电二极管 这个区域重要意义！这个区域重要意义！反向偏压可以减小载反向偏压可以减小载流子的渡越时间和二流子的渡越时间和二极管的极间电容，有极管的极间电容，有利于提高器件的利于提高器件的响应响应灵敏度灵敏度和和响应频率响应频率。1.光照下的光照下的PN结电流方程及伏安特性结电流方程及伏安特性本讲稿第七页，共八十四页第四象限：第四象限：光伏模式光伏模式 光电池光电池 工作区域工作区域伏安特性伏安特性1.光照下的光照下的PN结电流方程及伏安特性结电流方程及伏安特性本讲稿第八页，共八十四页伏安特性伏安特性光电二极管光电二极管 光电池光电池 普通二极管普通二极管 1.光照下的光
4、照下的PN结电流方程及伏安特性结电流方程及伏安特性本讲稿第九页，共八十四页等效电路等效电路（意义：分析与计算）（意义：分析与计算）1.光照下的光照下的PN结电流方程及伏安特性结电流方程及伏安特性电流源电流源普通二极管普通二极管本讲稿第十页，共八十四页4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性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负载电阻RL，光伏探测器两端的电压称为开路电压 负载电阻RL=0，流过光伏探测器称为短路电流-开路电压短路电流 本讲稿第十一页，共八十四页4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性电流方程电流方程 暗电流暗电流 硅光电
5、二极管暗电流的温度特性 常温条件下，暗电流常温条件下，暗电流硅光电二极管硅光电二极管 100nA硅硅PIN光电二极管光电二极管1nA3.暗电流暗电流本讲稿第十二页，共八十四页4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性3.暗电流暗电流电流方程电流方程 暗电流暗电流暗电流的影响：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：暗电流减小方法：1.降低温度降低温度 2.偏压为零或为负偏压为零或为负本讲稿第十三页，共八十四页4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性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、信噪比和噪声等效功率光伏探测器的
6、噪声主要包括器件中光电流的散粒噪声、暗电流的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散粒噪声和PN结漏电阻结漏电阻Rsh的热噪声。的热噪声。噪声等效功率 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。本讲稿第十四页，共八十四页光电二极管光电二极管噪声等效功率噪声等效功率计算计算PIN PD 10-14W/Hz1/24.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性本讲稿第十五页，共八十四页4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性5.光谱特性光谱特性光伏探测器光伏探测器波长响应范围波长响应范围紫外光紫外光可见
7、光可见光红外远红外光红外远红外光P86 紫外紫外光电二极管光电二极管 200nm本讲稿第十六页，共八十四页4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性5.光谱特性光谱特性光伏探测器光伏探测器波长响应范围波长响应范围紫外光紫外光可见光可见光近红外近红外远远红外光红外光光电导探测器光电导探测器波长响应范围波长响应范围紫外光紫外光可见光可见光近红外近红外 极远极远红外光红外光二者光谱响应范围的差别？二者光谱响应范围的差别？为什么？为什么？本讲稿第十七页，共八十四页4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性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和频率特性 光伏效应示意图光伏
8、效应示意图响应时间：响应时间：扩散时间扩散时间10-9s 漂移时间漂移时间10-11s 电路时间常数电路时间常数 1.5109 s光敏区薄，光敏区薄，缩短缩短扩散时间；边注入技术，扩散时间；边注入技术，？扩散时间扩散时间本讲稿第十八页，共八十四页4.1 4.1 光伏探测器的原理和特性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和频率特性 频率特性：频率特性：仅考虑电路时间常数仅考虑电路时间常数 硅光电二极管硅光电二极管几百兆赫，几百兆赫，上千兆赫的响应频率上千兆赫的响应频率;PIN光电二极管光电二极管10GHz,雪崩光电雪崩光电二极管二极管100GHz本讲稿第十九页，共八十四页4.1
9、 4.1 光伏探测器的原理和特性光伏探测器的原理和特性比较：比较：频率特性频率特性光伏探测器光伏探测器光电导探测器光电导探测器光伏探测器频率特性由光伏探测器频率特性由电路时间常数电路时间常数决定决定光电导探测器频率特性由光电导探测器频率特性由载流子寿命载流子寿命决定决定本讲稿第二十页，共八十四页4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器4.2.1 4.2.1 硅光电池硅光电池 4.2.2 4.2.2 硅光电二极管硅光电二极管4.2.3 4.2.3 硅光电三极管硅光电三极管4.2.4 PIN4.2.4 PIN光电二极管光电二极管4.2.5 4.2.5 雪崩光电二极管雪崩光电二极管4.2.6 4
10、.2.6 紫外光电二极管紫外光电二极管4.2.7 4.2.7 碲镉汞、碲锡铅红外光电二极管碲镉汞、碲锡铅红外光电二极管本讲稿第二十一页，共八十四页4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器 4.2.1 4.2.1 硅光电池硅光电池 工作区域：第四象限：工作区域：第四象限：本讲稿第二十二页，共八十四页4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器结构：结构：分类：分类：主要功能是作为光电探测主要功能是作为光电探测用，光照特性的线性度好用，光照特性的线性度好太阳能光电池太阳能光电池测量光电池测量光电池主要用作电源，转换效率高、主要用作电源，转换效率高、成本低成本低(Solar Cells)4.2.
11、1 4.2.1 硅光电池硅光电池 本讲稿第二十三页，共八十四页4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器光电特性光电特性照度照度电流电压特性电流电压特性照度照度负载特性负载特性 4.2.1 4.2.1 硅光电池硅光电池 本讲稿第二十四页，共八十四页伏安特性伏安特性光电池伏安特性光电池伏安特性 4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器 4.2.1 4.2.1 硅光电池硅光电池 本讲稿第二十五页，共八十四页伏安特性伏安特性4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器表示输出电流和电压随表示输出电流和电压随负载电阻负载电阻变化的曲线变化的曲线无外加偏压无外加偏压（自偏压自偏压）4.2.1 4.
12、2.1 硅光电池硅光电池 本讲稿第二十六页，共八十四页光谱特性光谱特性4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器普通型、短波长响应型普通型、短波长响应型 4.2.1 4.2.1 硅光电池硅光电池 频率特性频率特性数十数十kHz 原因？原因？温度特性温度特性开路电压开路电压负温度系数负温度系数短路电流短路电流正温度系数正温度系数本讲稿第二十七页，共八十四页4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器4.2.2 4.2.2 硅光电二极管硅光电二极管结构：结构：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；结电容小，频率特性好；光电流比光电池小得多，一般多在微安级比较：比较：光电二
13、极管与光电池光电二极管与光电池 表表42和表和表41（Photodiode，简称，简称PD）本讲稿第二十八页，共八十四页4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器4.2.3 4.2.3 硅光电三极管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）光电三极管在电子线路中的符号光电三极管在电子线路中的符号本讲稿第二十九页，共八十四页4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器4.2.3 4.2.3 硅光电三极管硅光电三极管原理性结构图：原理性结构图：又称为光电晶体管（又称为光电晶体管（Phototransistor，简称，简称PT）光电三极管的结构
14、和普通晶体管类似，但它的外壳留有光窗 本讲稿第三十页，共八十四页4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器4.2.3 4.2.3 硅光电三极管硅光电三极管原理图：原理图：又称为光电晶体管（又称为光电晶体管（Phototransistor，简称，简称PT）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。本讲稿第三十一页，共八十四页4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器4.2.3 4.2.3 硅光电三极管硅光电三极管比较：比较：光电三极管与光电二极管光电三极管与光电二极管 表表43和表和表42 硅光电二极管光电特性 硅光电三极管光电特性 光电三极管：输出光电流大 光电特性
15、“非线性”，频率特性较差本讲稿第三十二页，共八十四页4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器4.2.4 PIN光电二极管光电二极管结构：结构：(PIN Photodiode，简称，简称PIN PD)在掺杂浓度很高的在掺杂浓度很高的P型半导体和型半导体和N型半导体之间夹着一层较厚的高阻本型半导体之间夹着一层较厚的高阻本征半导体征半导体I 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；线性输出范围宽线性输出范围宽特点：特点：应用：应用：光通信、光雷达等快速光检测领域光通信、光雷达等快速光检测领域 光经波导从光经波导从I层进入层进入 本讲稿第三十三页，共八十
16、四页PIN光电二极管工作原理光电二极管工作原理本讲稿第三十四页，共八十四页4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器4.2.4 PIN光电二极管光电二极管(PIN Photodiode，简称，简称PIN PD)美国美国AT&T贝尔实验室：带微谐振腔的贝尔实验室：带微谐振腔的InPInGaAs光电二极管，。同时获得了光电二极管，。同时获得了高量子效率和大的高量子效率和大的带宽带宽。克服了常规。克服了常规PIN光电二极管两者不可兼得的缺光电二极管两者不可兼得的缺点点 该光电二极管光敏面该光电二极管光敏面150m峰值波长峰值波长1.48m、暗电流为暗电流为14nA量子效率为量子效率为82时时,结电
17、容为结电容为0.757PF。本讲稿第三十五页，共八十四页PIN光电二极管光电二极管实例：实例：本讲稿第三十六页，共八十四页4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器4.2.5 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode，简称，简称APD)内增益：内增益：M1；M1 外电路单位时间内的电子数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器件内单位时间内的光电子数APD内增益：内增益：102103 本讲稿第三十七页，共八十四页高反压高反压(100200 V)强电场强电场 载流子加速载流子加速 碰撞碰撞 新载流子新载流子雪崩倍增雪崩倍增 光电流的放大光电流的放大 A
18、PD内增益：内增益：102103 4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器4.2.5 雪崩光电二极管雪崩光电二极管1.结构原理：结构原理：本讲稿第三十八页，共八十四页4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器雪崩光电二极管工作原理雪崩光电二极管工作原理本讲稿第三十九页，共八十四页 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：UB为击穿电压为击穿电压 U增加到接近增加到接近UB 得到很大的倍增得到很大的倍增 U很低很低 没有倍增现象没有倍增现象 U超过超过UB 噪声电流很大噪声电流很大 APD合适工作点：合适工作点：U接近接近UB，但不超过，但不超过本讲稿第四十页，共八十
19、四页APD合适工作点：合适工作点：U接近，但不超过接近，但不超过UB与温度的关系与温度的关系稳定稳定APD工作点：工作点：1.稳压稳压 2.恒温恒温 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：本讲稿第四十一页，共八十四页APD合适工作点：合适工作点：U接近，但不超过接近，但不超过稳定稳定APD工作点：工作点：1.稳压稳压 2.恒温恒温APD工作电路举例：工作电路举例：恒温箱恒温箱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：本讲稿第四十二页，共八十四页4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器4.2.5雪崩光电二极管雪崩光电二极管(Avalanche Ph
20、otodiode，简称，简称APD)APD内增益：内增益：102103 3.噪声特性噪声特性4.响应时间响应时间（0.052.0ns）1.结构原理结构原理2.雪崩增益雪崩增益M本讲稿第四十三页，共八十四页雪崩光电二极管雪崩光电二极管实例：实例：本讲稿第四十四页，共八十四页雪崩光电二极管雪崩光电二极管PIN PD 10-14W/Hz1/2APD 10-15W/Hz1/2 Si-PD 10-13W/Hz1/2 PMT 10-16W/Hz1/2 本讲稿第四十五页，共八十四页4.2 4.2 常用光伏探测器常用光伏探测器4.2.1 4.2.1 硅光电池硅光电池 4.2.2 4.2.2 硅光电二极管硅光电
21、二极管4.2.3 4.2.3 硅光电三极管硅光电三极管4.2.4 PIN4.2.4 PIN光电二极管光电二极管4.2.5 4.2.5 雪崩光电二极管雪崩光电二极管4.2.6 4.2.6 紫外光电二极管紫外光电二极管4.2.7 4.2.7 碲镉汞、碲锡铅红外光电二极管碲镉汞、碲锡铅红外光电二极管本讲稿第四十六页，共八十四页 4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件 光伏探测器的组合器件光伏探测器的组合器件特点是特点是：大多在一块硅片：大多在一块硅片上按一定要求制造出若干个光伏探测器，可用来代上按一定要求制造出若干个光伏探测器，可用来代替由分立光伏探测器而组成的变换装置，不仅具有替由分立光伏探
22、测器而组成的变换装置，不仅具有光敏点密集量大，装置结构简单、紧凑、调节方便、光敏点密集量大，装置结构简单、紧凑、调节方便、精确度高等优点，而且还可以扩大变换装置的应用精确度高等优点，而且还可以扩大变换装置的应用范围。范围。也称为集成结型光电器件本讲稿第四十七页，共八十四页 4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件也称为集成结型光电器件4.3.14.3.1半导体色敏感器件半导体色敏感器件 4.3.24.3.2阵列式光电器件阵列式光电器件4.3.34.3.3象限式光电器件象限式光电器件4.3.44.3.4光电位置探测器光电位置探测器4.3.54.3.5光电耦合器光电耦合器本讲稿第四十八页，共八
23、十四页 4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件4.3.14.3.1半导体色敏感器件半导体色敏感器件 1.1.结构原理结构原理 同一块硅片上制造的两个深浅不同的PN结：PD1为浅结，对波长短的光响应率高；PD2为深结，对波长长的光响应率高。双结光电二极管半导体色敏器件 本讲稿第四十九页，共八十四页 4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件2.2.检测电路检测电路 对应于不同颜色波长的输出电压值 UT=kT/e，室温条件下，UT26mV；Isc1和Isc2分别为PD1、PD2的短路电流 对数放大器差动放大器4.3.14.3.1半导体色敏感器件半导体色敏感器件 本讲稿第五十页，共八十四页
24、4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件3.3.短路电流比短路电流比 短路电流比与入射波长关系 入射波长与输出电压关系 4.3.14.3.1半导体色敏感器件半导体色敏感器件 本讲稿第五十一页，共八十四页 4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件4.4.应用举例应用举例 半导体色敏器件特点：结构简单、体积小、成本低等。在工业上可以自动检测纸、纸浆、染料的颜色；医学上可以测定皮肤、牙齿等的颜色；用于家电中电视机的彩色调整、商品颜色及代码的读取等，它是非常有发展前途的一种新型半导体光电器件。半导体色敏器件是非常有发展前途的一种新型半导体光电器件。CCD摄像器件颜色识别功能4.3.14.3.1
25、半导体色敏感器件半导体色敏感器件 本讲稿第五十二页，共八十四页 4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件4.3.24.3.2阵列式光电器件阵列式光电器件10DP型光电二极管线阵器件 结构：结构：本讲稿第五十三页，共八十四页 4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件100100以上，以上，一维光学图像、一维光学图像、空间频谱分析空间频谱分析 -线阵线阵CCDCCD2 2个，个，光点移动方向光点移动方向用途：用途：2 24 4个，个，相位信息相位信息4.3.24.3.2阵列式光电器件阵列式光电器件本讲稿第五十四页，共八十四页 4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件4.3.34.3.3
26、象限式光电器件象限式光电器件准直、定位、准直、定位、跟踪、频谱分析跟踪、频谱分析各种象限式光电器件示意图 本讲稿第五十五页，共八十四页 4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件以四象限为例：以四象限为例：若入射光为正中心若入射光为正中心O O，4 4个个PDPD的的输出均等；输出均等；若偏于若偏于1 1象限，则象限，则PD1PD1输出较大，输出较大，其余均较小其余均较小工作原理工作原理缺点：缺点：光敏面上有光敏面上有象限分隔线象限分隔线，对光斑位置，对光斑位置不能进行不能进行 连续测量连续测量，位置分辨率受影响，位置分辨率受影响 4.3.34.3.3象限式光电器件象限式光电器件本讲稿第五十
27、六页，共八十四页 4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件特点：特点：光敏面上光敏面上无象限分隔线无象限分隔线，对光斑位置，对光斑位置可进行可进行 连续测量连续测量，位置分辨率，位置分辨率高高 4.3.44.3.4光电位置探测器光电位置探测器Position Sensitive Detectors，简称，简称PSD一维一维PSD 结构三层：上面为P层 下面为N层 中间为I层P层光敏层，电阻均匀 本讲稿第五十七页，共八十四页 4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件4.3.44.3.4光电位置探测器光电位置探测器P P层的电阻率分布均匀、负载及电极接触电阻为零层的电阻率分布均匀、负载及电
28、极接触电阻为零 本讲稿第五十八页，共八十四页 4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件4.3.54.3.5光电耦合器光电耦合器光电耦合器光电耦合器是发光器件与接收器件组合的一种元件。是发光器件与接收器件组合的一种元件。发光器件：发光器件：常采用发光二极管常采用发光二极管接收器件：接收器件：常用光电二极管、光电三极管、光集成电路等常用光电二极管、光电三极管、光集成电路等 本讲稿第五十九页，共八十四页例例1 1：用用光电耦合器光电耦合器隔离的高压稳压电路隔离的高压稳压电路 高压区高压区 低压区低压区光光4.3.54.3.5光电耦合器光电耦合器本讲稿第六十页，共八十四页例例2.2.计算机系统中终
29、端设备计算机系统中终端设备 与主机的隔离运行与主机的隔离运行大型计算机主机大型计算机主机用户终端设备用户终端设备光光4.3.54.3.5光电耦合器光电耦合器本讲稿第六十一页，共八十四页 4.3 光伏探测器组合器件光伏探测器组合器件总总 结：结：4.3.14.3.1半导体色敏感器件半导体色敏感器件 4.3.24.3.2阵列式光电器件阵列式光电器件4.3.34.3.3象限式光电器件象限式光电器件4.3.44.3.4光电位置探测器光电位置探测器4.3.54.3.5光电耦合器光电耦合器本讲稿第六十二页，共八十四页4.4 4.4 光伏探测器的偏置电路光伏探测器的偏置电路为使器件正常工作，提供合适的电流或
30、者电压为使器件正常工作，提供合适的电流或者电压TRb+UCCcR偏置电路偏置电路:例如：例如：意义：意义：1.1.提高探测灵敏度提高探测灵敏度2.2.提高频率响应提高频率响应3.3.降低噪声降低噪声偏置电压偏置电压偏置电阻偏置电阻本讲稿第六十三页，共八十四页反向偏置电路反向偏置电路 自偏置电路自偏置电路 零伏偏置电路零伏偏置电路 4.4 4.4 光伏探测器的偏置电路光伏探测器的偏置电路本讲稿第六十四页，共八十四页4.4.1自偏置电路自偏置电路4.4 4.4 光伏探测器的偏置电路光伏探测器的偏置电路本讲稿第六十五页，共八十四页1 1短路或线性电流放大区短路或线性电流放大区2 2空载电压输出区空载
31、电压输出区3功率放大区功率放大区4.4 4.4 光伏探测器的偏置电路光伏探测器的偏置电路光电池自偏置电路 4.4.1自偏置电路自偏置电路本讲稿第六十六页，共八十四页1 1短路或线性电流放大区短路或线性电流放大区RL0=0 (运放虚短运放虚短)放大器的输入电阻为：放大器的输入电阻为：ri=010 线性放大区：线性放大区：线性好、输出光电流大，暗电流近似为线性好、输出光电流大，暗电流近似为零、信噪比好，适合弱光信号检测。零、信噪比好，适合弱光信号检测。4.4 4.4 光伏探测器的偏置电路光伏探测器的偏置电路4.4.1自偏置电路自偏置电路本讲稿第六十七页，共八十四页2 2空载电压输出区空载电压输出区
32、RL1M 光电池处于接近开路状态光电池处于接近开路状态 光照，输出电压从光照，输出电压从0跳跃到跳跃到0.450.6V空载电压输出区：空载电压输出区：具有很高的光电转换灵敏度，不需偏具有很高的光电转换灵敏度，不需偏置电源，适合于开关或控制电路置电源，适合于开关或控制电路 4.4 4.4 光伏探测器的偏置电路光伏探测器的偏置电路4.4.1自偏置电路自偏置电路本讲稿第六十八页，共八十四页4.4.24.4.2零伏偏置电路零伏偏置电路 两种零伏偏置电路：两种零伏偏置电路：0 自偏置自偏置：负载电阻为零：负载电阻为零 反偏置反偏置：反偏压很小或为零：反偏压很小或为零 4.4 4.4 光伏探测器的偏置电路
33、光伏探测器的偏置电路本讲稿第六十九页，共八十四页1 1零伏偏置电路特点零伏偏置电路特点中远红外波段光伏探测器：中远红外波段光伏探测器：窄禁带（窄禁带（Eg很小），受热激发影响较很小），受热激发影响较 大，反向偏压不能大大，反向偏压不能大(一般为一般为几百毫伏几百毫伏至一点至一点 几伏几伏)零伏偏置或接近于零伏偏置。零伏偏置或接近于零伏偏置。质量好的光伏探测器：质量好的光伏探测器：零伏偏置，零伏偏置，1f 噪声最小，暗电流为零噪声最小，暗电流为零 较高的信噪比。较高的信噪比。4.4.24.4.2零伏偏置电路零伏偏置电路 本讲稿第七十页，共八十四页2 2零伏偏置电路实例零伏偏置电路实例例例1 1：
34、自偏置自偏置_ _负载电阻为零负载电阻为零 例例2 2：反偏置反偏置_ _反偏压为零反偏压为零 4.4.24.4.2零伏偏置电路零伏偏置电路 本讲稿第七十一页，共八十四页4.4.3反向偏置电路反向偏置电路反向偏置电路特点：反向偏置电路特点：灵敏度、频带宽度和光电变换线性范围灵敏度、频带宽度和光电变换线性范围 4.4 4.4 光伏探测器的偏置电路光伏探测器的偏置电路本讲稿第七十二页，共八十四页反向偏置电路反向偏置电路 4.4 4.4 光伏探测器的偏置电路光伏探测器的偏置电路为了分析问题方便，为了分析问题方便，将第三象限特性曲将第三象限特性曲线旋转到第一象限线旋转到第一象限 与晶体三极管输出与晶体
35、三极管输出曲线类似曲线类似 本讲稿第七十三页，共八十四页1.基本反向偏置电路基本反向偏置电路4.4.3反向偏置电路反向偏置电路电路图：回路方程：U(I)为光电二极管的端电压 Ub为偏置电压 负载电阻上的输出信号：本讲稿第七十四页，共八十四页1.基本反向偏置电路基本反向偏置电路4.4.3反向偏置电路反向偏置电路选择负载电阻选择负载电阻RL和偏置电压和偏置电压Ub：负载电阻的影响 偏置电压的影响 本讲稿第七十五页，共八十四页1.基本反向偏置电路基本反向偏置电路选择负载电阻选择负载电阻RL和偏置电压和偏置电压Ub：方法：方法：标出拐点M 功耗限制 图解分析方法4.4.3反向偏置电路反向偏置电路本讲稿
36、第七十六页，共八十四页1.基本反向偏置电路基本反向偏置电路选择负载电阻选择负载电阻RL和偏置电压和偏置电压Ub：标出拐点M 图解分析方法：直观、方便，适应于检测恒定或缓慢变化的入射光信号的直流电路，特别适应大信号状态下的电路分析。至于检测高频小功率光信号或者检测极微弱光信号的电路分析方法将在第十章介绍。4.4.3反向偏置电路反向偏置电路本讲稿第七十七页，共八十四页2.2.反偏光电二极管的跨阻抗放大电路反偏光电二极管的跨阻抗放大电路 电路图：电路图：输出电压：输出电压：Uo=IpRf 跨跨阻抗阻抗放大？放大？反偏反偏光电二极管？光电二极管？思考：思考：4.4.3反向偏置电路反向偏置电路本讲稿第七
37、十八页，共八十四页2.2.反偏光电二极管的跨阻抗放大电路反偏光电二极管的跨阻抗放大电路 电路特点：电路特点：具有极小的负载电阻（ri）不易出现信号失真又能输出较大的电压信号与基本反向偏置电路相比：4.4.3反向偏置电路反向偏置电路本讲稿第七十九页，共八十四页2.2.反偏光电二极管的跨阻抗放大电路反偏光电二极管的跨阻抗放大电路 电路特点：电路特点：与零伏偏置电路相比：具有较高的反向工作偏压（Ub）光电二极管结电容较小，响应速度快有较大线性响应动态范围4.4.3反向偏置电路反向偏置电路本讲稿第八十页，共八十四页2.2.反偏光电二极管的跨阻抗放大电路反偏光电二极管的跨阻抗放大电路 电路应用：电路应用
38、：已研制一种采用PIN光电二极管和输入级为场效应管（FET）的跨阻抗放大电路组合件，即PIN-FET微型组件。这种组件具有频率响应宽、信噪比高、输出阻抗低和可靠性高等特点，被广泛应用于光纤通信、激光雷达、光纤通信、激光雷达、激光测距和光纤分布式测温激光测距和光纤分布式测温等系统。4.4.3反向偏置电路反向偏置电路本讲稿第八十一页，共八十四页3.3.雪崩光电二极管的反向偏置电路雪崩光电二极管的反向偏置电路 温度范围（温度范围（40C70C）内自动稳定偏压）内自动稳定偏压4.4.3反向偏置电路反向偏置电路本讲稿第八十二页，共八十四页反向偏置电路反向偏置电路 自偏置电路自偏置电路 零伏偏置电路零伏偏
39、置电路 4.4 4.4 光伏探测器的偏置电路光伏探测器的偏置电路总总 结：结：本讲稿第八十三页，共八十四页本章小结本章小结1光伏探测器：光电池、光电二极管光伏探测器：光电池、光电二极管(PD)、PIN光电二极光电二极 管管(PIN PD)、雪崩光电二极管（、雪崩光电二极管（APD）和光电三极管等）和光电三极管等 2光伏探测器工作模式：光电导和光伏模式光伏探测器工作模式：光电导和光伏模式 3光伏探测器的光电特性：照度、负载特性，线性光伏探测器的光电特性：照度、负载特性，线性 4.光伏探测器的噪声：光电流、暗电流散粒噪声光伏探测器的噪声：光电流、暗电流散粒噪声,雪崩噪声等雪崩噪声等 5光伏探测器偏置电路：自偏置电路、零伏偏置电路和反向光伏探测器偏置电路：自偏置电路、零伏偏置电路和反向 偏置电路偏置电路 6光伏探测器与光导探测器比较：内增益光伏探测器与光导探测器比较：内增益、响应频率、响应频率、光、光 谱响应谱响应 本讲稿第八十四页，共八十四页