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1、第三章光电检测器件现在学习的是第1页，共95页n光电器件的类型与特点光电器件的类型与特点n光电器件的基本特性参数光电器件的基本特性参数n半导体光电器件半导体光电器件光电导器件光电导器件光敏电阻光敏电阻光伏器件光伏器件光电池光电池光电二极管光电二极管/三极管三极管n真空光电器件真空光电器件光电管光电管光电倍增管光电倍增管n热电检测器件热电检测器件热敏电阻热敏电阻热电偶和热电堆热电偶和热电堆热释电探测器件热释电探测器件现在学习的是第2页，共95页3.1 光电器件的类型与特点光电器件的类型与特点n光电效应：光照射到物体表面上使物体的电学特性发生变化n光电子发射：物体受光照后向外发射电子多发生于金属和
2、金属氧化物n光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减少n光生伏特效应：光照在半导体PN结或金属半导体接触上时，会在PN结或金属半导体接触的两侧产生光生电动势。现在学习的是第3页，共95页光电检测器件的类型光电检测器件的类型n光电检测器件是利用物质的光电效应把光信号转换成电信号的器件.n光电检测器件分为两大类:光子(光电子)检测器件热电检测器件现在学习的是第4页，共95页光电检测器件光电检测器件光子器件光子器件热电器件热电器件真空器件真空器件固体器件固体器件n光电管n光电倍增管n真空摄像管n变像管n像增强管n光敏电阻n光电池n光电二极管n光电三极管n光纤
3、传感器n电荷耦合器件CCDn热电偶/热电堆n热辐射计/热敏电阻n热释电探测器现在学习的是第5页，共95页光电检测器件的特点光子器件光子器件热电器件热电器件响应波长有选择性，一般有截止波长，超 过该波长，器件无响应。响应波长无选择性，对可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感响应快，吸收辐射产生信号需要的时间短，一般为纳秒到几百微秒响应慢，一般为几毫秒现在学习的是第6页，共95页3.2 3.2 器件的基本特性参数器件的基本特性参数n响应特性n噪声特性n量子效率n线性度n工作温度现在学习的是第7页，共95页一、响应特性一、响应特性响应度（或称灵敏度）：是光电探测器输出信号与输入光功率之间关系的度量。
4、描述的是光电探测器件的光电转换效率。响应度是随入射光波长变化而变化的响应度分电压响应率和电流响应率现在学习的是第8页，共95页n电压响应率 光电探测器件输出电压与入射光功率之比n电流响应率 光电探测器件输出电流与入射光功率之比现在学习的是第9页，共95页光谱响应度：探测器在波长为的单色光照射下，输出电压或电流与入射的单色光功率之比积分响应度：检测器对各种波长光连续辐射量的反应程度现在学习的是第10页，共95页响应时间：响应时间是描述光电探测器对入射光响应快慢的一个参数（如图）。上升时间：入射光照射到光电探测器后，光电探测器输出上升到稳定值所需要的时间。下降时间：入射光遮断后，光电探测器输出下降
5、到稳定值所需要的时间。现在学习的是第11页，共95页n光电探测器响应率与入射调制频率的关系 为调制频率为f 时的响应率 为调制频率为零时的响应率为时间常数（等于RC）频率响应：光电探测器的响应随入射光的调制频率而变化的特性称为频率响应由于光电探测器信号产生和消失存在着一个滞后过程，所以入射光的调制频率对光电探测器的响应会有较大的影响。现在学习的是第12页，共95页：上限截止频率：上限截止频率时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽返回返回现在学习的是第13页，共95页二、噪声特性n在一定波长的光照下光电探测器输出的电信号并不是平直的，而是在平均值上下随机地起
6、伏，它实质上就是物理量围绕其平均值的涨落现象。n用均方噪声来表示噪声值大小现在学习的是第14页，共95页n噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的。n由于噪声总是与有用信号混在一起，因而影响对信号特别是微弱信号的正确探测。n一个光电探测系统的极限探测能力往往受探测系统的噪声所限制。n所以在精密测量、通信、自动控制等领域，减小和消除噪声是十分重要的问题。现在学习的是第15页，共95页光电探测器常见的噪声n热噪声n散粒噪声n产生-复合噪声n1/f噪声现在学习的是第16页，共95页1、热噪声n或称约翰逊噪声，即载流子无规则的热运动造成的噪声。n导体或半导体中每一电子都携带着电子电量作随机运动(相当于微
7、电脉冲)，尽管其平均值为零，但瞬时电流扰动在导体两端会产生一个均方根电压，称为热噪声电压。n热噪声存在于任何电阻中，热噪声与温度成正比，与频率无关，热噪声又称为白噪声现在学习的是第17页，共95页2、散粒噪声n散粒噪声：入射到光探测器表面的光子是随机的，光电子从光电阴极表面逸出是随机的，PN结中通过结区的载流子数也是随机的。n散粒噪声也是白噪声，与频率无关。n散粒噪声是光电探测器的固有特性，对大多数光电探测器的研究表明：散粒噪声具有支配地位。n例如光伏器件的PN结势垒是产生散粒噪声的主要原因。现在学习的是第18页，共95页3、产生-复合噪声n半导体受光照，载流子不断产生-复合。n在平衡状态时，
8、在载流子产生和复合的平均数是一定的n但在某一瞬间载流子的产生数和复合数是有起伏的。n载流子浓度的起伏引起半导体电导率的起伏。现在学习的是第19页，共95页4、1/f噪声n或称闪烁噪声或低频噪声。n噪声的功率近似与频率成反比n多数器件的1/f噪声在200300Hz以上已衰减到可忽略不计。现在学习的是第20页，共95页、信噪比n信噪比是判定噪声大小的参数。n是负载电阻上信号功率与噪声功率之比n若用分贝（dB）表示，为现在学习的是第21页，共95页、噪声等效功率(NEP)n定义：信号功率与噪声功率比为1（SNR=1）时，入射到探测器件上的辐射通量(单位为瓦)。n这时，投射到探测器上的辐射功率所产生的
9、输出电压（或电流）等于探测器本身的噪声电压（或电流）n一般一个良好的探测器件的NEP约为10-11W。nNEP越小，噪声越小，器件的性能越好。现在学习的是第22页，共95页噪声等效功率是一个可测量的量。设入射辐射的功率为P，测得的输出电压为U0然后除去辐射源，测得探测器的噪声电压为UN则按比例计算，要使U0UN，的辐射功率为现在学习的是第23页，共95页、探测率与归一化探测率探测率D定义为噪声等效功率的倒数经过分析，发现NEP与检测元件的面积Ad和放大器带宽f 乘积的平方根成正比归一化探测率D*，即D*与探测器的敏感面积、放大器的带宽无关。返回现在学习的是第24页，共95页三、量子效率（）n量
10、子效率：在某一特定波长上，每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之比。n对理想的探测器，入射一个光量子发射一个电子，=1n实际上，1n量子效率是一个微观参数，量子效率愈高愈好。现在学习的是第25页，共95页量子效率与响应度的关系量子效率与响应度的关系nI/q：每秒产生的光子数nP/h：每秒入射的光子数现在学习的是第26页，共95页四、线性度n线性度是描述光电探测器输出信号与输入信号保持线性关系的程度。n在某一范围内探测器的响应度是常数，称这个范围为线性区。n非线性误差：max/(I2 I1)max：实际响应曲线与拟合曲线之间的最大偏差；I2 和 I1：分别为线性区中最小和最大响应值。现在学习的是
11、第27页，共95页五、工作温度n工作温度就是指光电探测器最佳工作状态时的温度。n光电探测器在不同温度下，性能有变化。例如，半导体光电器件的长波限和峰值波长会随温度而变化；热电器件的响应度和热噪声会随温度而变化。现在学习的是第28页，共95页3.3 半导体光电器件半导体光电器件n光敏电阻光敏电阻n光电池光电池n光电二极管光电二极管n光电三极管光电三极管现在学习的是第29页，共95页一、光敏电阻n光敏电阻是光电导型器件。n光敏电阻材料：主要是硅、锗和化合物半导体，例如：硫化镉（CdS），锑化铟（InSb）等。n特点：光谱响应范围宽（特别是对于红光和红外辐射）；偏置电压低，工作电流大；动态范围宽，既
12、可测强光，也可测弱光；光电导增益大，灵敏度高；无极性，使用方便；在强光照射下，光电线性度较差光电驰豫时间较长，频率特性较差。现在学习的是第30页，共95页n光敏光敏电阻电阻(LDR)(LDR)和它的和它的符号符号：符号符号现在学习的是第31页，共95页1.光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理n光敏电阻结构光敏电阻结构：在一块均匀光电导体两端加上电极，：在一块均匀光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝缘材料基板上，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。（壳内。（如图如图）
13、n工作机理工作机理：当入射光子使半导体中的电子由价带：当入射光子使半导体中的电子由价带跃迁到导带时，导带中的电子和价带中的空穴均跃迁到导带时，导带中的电子和价带中的空穴均参与导电，其阻值急剧减小，电导增加。参与导电，其阻值急剧减小，电导增加。现在学习的是第32页，共95页入射光入射光返回现在学习的是第33页，共95页本征型和杂质型光敏电阻n本征型光敏电阻：当入射光子的能量等于或大于半导体材料的禁带宽度Eg时，激发一个电子空穴对，在外电场的作用下，形成光电流。n杂质型光敏电阻：对于型半导体，当入射光子的能量等于或大于杂质电离能时，将施主能级上的电子激发到导带而成为导电电子，在外电场的作用下，形成
14、光电流。n本征型用于可见光长波段,杂质型用于红外波段。价带导带电子空穴Eg价带导带电子空穴施主现在学习的是第34页，共95页光电导与光电流n光敏电阻两端加电压（直流或交流）无光照时，阻值（暗电阻）很大，电流（暗电流）很小；光照时，光生载流子迅速增加，阻值（亮电阻）急剧减少在外场作用下，光生载流子沿一定方向运动，形成光电流（亮电流）。n光电流：亮电流和暗电流之差；I光 =IL -Idn光电导：亮电流和暗电流之差；g =gL -gd现在学习的是第35页，共95页n光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是说暗电流要小，亮电流要大，这样光敏电阻的灵敏度就高。n光电流与光照强度电阻结构的关系。现在
15、学习的是第36页，共95页n无光照，暗电导率n光照下电导率 现在学习的是第37页，共95页n附加光电导率附加光电导率,简称光电导简称光电导n光电导相对值光电导相对值n要制成附加光电导相对值高的光敏电阻应使要制成附加光电导相对值高的光敏电阻应使p0和和n0小，因此光敏电阻一般采用禁带宽度大的材料或在低小，因此光敏电阻一般采用禁带宽度大的材料或在低温下使用。温下使用。现在学习的是第38页，共95页n当光照稳定时，光生载流子的浓度为n无光照时，光敏电阻的暗电流为n光照时，光敏电阻的光电流为现在学习的是第39页，共95页光敏电阻的工作特性光敏电阻的工作特性n光电特性光电特性n伏安特性伏安特性n时间响应
16、和频率特性时间响应和频率特性n温度特性温度特性现在学习的是第40页，共95页n光电特性：光电流与入射光照度的关系：(1)弱光时，弱光时，=1，光电流与照度成线性关系，光电流与照度成线性关系(2)强光时，强光时，=0.5，光电流与照度成抛物线，光电流与照度成抛物线光照增强的同时，载流子浓度不断的增加，同时光敏电阻光照增强的同时，载流子浓度不断的增加，同时光敏电阻的温度也在升高，从而导致载流子运动加剧，因此复合几的温度也在升高，从而导致载流子运动加剧，因此复合几率也增大，光电流呈饱和趋势。（冷却可以改善）率也增大，光电流呈饱和趋势。（冷却可以改善）光敏电阻的光电特性现在学习的是第41页，共95页在
17、弱光照下，光电流与E具有良好的线性关系在强光照下则为非线性关系其他光敏电阻也有类似的性质。现在学习的是第42页，共95页n光电导灵敏度:光电导g与照度E之比.不同波长的光，不同波长的光，光敏电阻的灵敏光敏电阻的灵敏度是不同的。度是不同的。在选用光电器件在选用光电器件时必须充分考虑时必须充分考虑到这种特性。到这种特性。现在学习的是第43页，共95页n光电导增益光电导增益反比于电极间距的平方。n量子效率：光电流与入射光子流之比。现在学习的是第44页，共95页伏安特性伏安特性n在一定的光照下，光敏电阻的光电流与在一定的光照下，光敏电阻的光电流与所加的电压关系所加的电压关系n光敏电阻是一个纯电阻，因此
18、符合欧姆光敏电阻是一个纯电阻，因此符合欧姆定律，其伏安特性曲线为直线。定律，其伏安特性曲线为直线。n不同光照度对应不同直线不同光照度对应不同直线现在学习的是第45页，共95页n受耗散功率的限制，在使用时，光敏电阻两端的电压不能 超过最高工作电压，n图中虚线为允许功耗曲线n由此可确定光敏电阻正常工作电压。现在学习的是第46页，共95页n光敏电阻时间常数比较大，其上限截止频率低。光敏电阻时间常数比较大，其上限截止频率低。只有只有PbSPbS光敏电阻的频率特性稍好些，可工光敏电阻的频率特性稍好些，可工作到几千赫。作到几千赫。频率特性现在学习的是第47页，共95页n光敏电阻的时间响应特性较差n材料受光
19、照到稳定状态，光生载流子浓度的变化规律：n停止光照，光生载流子浓度的变化为响应时间现在学习的是第48页，共95页光敏电阻是多数载流子导电，温度特性复杂。随着温度的升高，光敏电阻是多数载流子导电，温度特性复杂。随着温度的升高，光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降，温度的变化也会影响光光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降，温度的变化也会影响光谱特性曲线。谱特性曲线。例如：硫化铅光敏电阻，随着温度的升高光谱响应的峰值将向例如：硫化铅光敏电阻，随着温度的升高光谱响应的峰值将向短波方向移动。短波方向移动。尤其是红外探测器要采取制冷措施尤其是红外探测器要采取制冷措施温度特性现在学习的是第49页，共95页光敏电阻参
20、数n使用材料：硫化镉（CdS），硫化铅（PbS），锑化铟（InSb），碲镉汞（HgCdTe），碲锡铅（PbSnTe）.n光敏面：1-3 mmn工作温度：-40 80 oCn温度系数：1n极限电压：10 300Vn耗散功率：100 Wn时间常数：5 50 msn光谱峰值波长：因材料而不同，在可见/红外远红外n暗电阻：108 欧姆n亮电阻：104 欧姆现在学习的是第50页，共95页光敏电阻的应用n基本功能：根据自然光的情况决定是否开灯。n基本结构：整流滤波电路；光敏电阻及继电器控制；触电开关执行电路n基本原理：光暗时，光敏电阻阻值很高，继电器关，灯亮；光亮时，光敏电阻阻值降低，继电器工作，灯关。照
21、明灯自动控制电路K220V灯常闭CdS现在学习的是第51页，共95页光电池n光电池是根据光生伏特效应制成的将光能转换成电能光电池是根据光生伏特效应制成的将光能转换成电能的一种器件。的一种器件。nPN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射PN结时，由于内建场的作用（不加外电场），光结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向生电子拉向n区，光生空穴拉向区，光生空穴拉向p区，相当于区，相当于PN结结上加一个正电压。上加一个正电压。n半导体内部产生电动势（光生电压）；如将半导体内部产生电动势（光生电压）；如将PN结短路，则会出现电流（光生电流）。结短路，则
22、会出现电流（光生电流）。现在学习的是第52页，共95页光电池的结构特点n光电池核心部分是一个光电池核心部分是一个PN结，一般作成面积大的薄结，一般作成面积大的薄片状，来接收更多的入射光。片状，来接收更多的入射光。n在在N型硅片上扩散型硅片上扩散P型杂质（如硼），型杂质（如硼），受光面是受光面是P型层型层n或在或在P型硅片上扩散型硅片上扩散N型杂质（如磷），型杂质（如磷），受光面是受光面是N型层型层现在学习的是第53页，共95页n受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和保护受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和保护作用作用n上电极做成栅状，为了更多的光入射上电极做成栅状，为了更多的光入射n由于
23、光子入射深度有限，为使光照到由于光子入射深度有限，为使光照到PN结上，结上，实际使用的光电池制成薄实际使用的光电池制成薄P型或薄型或薄N型。型。现在学习的是第54页，共95页现在学习的是第55页，共95页光电池等效电路光电池等效电路现在学习的是第56页，共95页现在学习的是第57页，共95页现在学习的是第58页，共95页光电池的特性n1、伏安特性、伏安特性 无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导体二极管相同。体二极管相同。有光照时，沿电流轴方向平移，平移幅度与有光照时，沿电流轴方向平移，平移幅度与光照度成正比。光照度成正比。曲线与电压轴交点称为开路电压曲线
24、与电压轴交点称为开路电压VOC，与电，与电流轴交点称为短路电流流轴交点称为短路电流ISC。现在学习的是第59页，共95页光电池伏安特性曲线光电池伏安特性曲线现在学习的是第60页，共95页反向电流随光照度的增加而上升反向电流随光照度的增加而上升IU照度增加照度增加现在学习的是第61页，共95页n2、时间和频率响应、时间和频率响应 硅光电池频率特性好硅光电池频率特性好 硒光电池频率特性差硒光电池频率特性差 硅光电池是目前使用最广泛的光电池硅光电池是目前使用最广泛的光电池 现在学习的是第62页，共95页n要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻RL；n光电池面
25、积越大则响应时间越大，因为光电池面积光电池面积越大则响应时间越大，因为光电池面积越大则结电容越大则结电容Cj越大，在给定负载时，时间常数就越大，越大，在给定负载时，时间常数就越大，故要求短的响应时间，必须选用小面积光电池。故要求短的响应时间，必须选用小面积光电池。现在学习的是第63页，共95页开路电压下降大约开路电压下降大约2 2 3mV/3mV/度度短路电流上升大约短路电流上升大约1010-5-5 1010-3-3mA/mA/度度n3 3、温度特性、温度特性 随着温度的上升，硅光电池的光谱响应向长波方向移动，开随着温度的上升，硅光电池的光谱响应向长波方向移动，开路电压下降，短路电流上升。光电
26、池做探测器件时，测量仪器应路电压下降，短路电流上升。光电池做探测器件时，测量仪器应考虑温度的漂移，要进行补偿。考虑温度的漂移，要进行补偿。现在学习的是第64页，共95页4 4、光谱响应度、光谱响应度n硅光电池硅光电池 响应波长响应波长0.4-1.10.4-1.1微米，微米，峰值波长峰值波长0.8-0.90.8-0.9微米。微米。n硒光电池硒光电池 响应波长响应波长0.34-0.750.34-0.75微米，微米，峰值波长峰值波长0.540.54微米。微米。现在学习的是第65页，共95页5、光电池的光照特性、光电池的光照特性连接方式：开路电压输出连接方式：开路电压输出-(a)短路电流输出短路电流输
27、出-(b)光光电电池池在在不不同同的的光光强强照照射射下下可可产产生生不不同同的的光光电电流流和和光光生生电电动势。动势。短路电流在很大范围内与光强成线性关系。短路电流在很大范围内与光强成线性关系。开开路路电电压压随随光光强强变变化化是是非非线线性性的的，并并且且当当照照度度在在2000lx时时趋趋于于饱和。饱和。现在学习的是第66页，共95页光照特性光照特性-开路电压输出：非线性开路电压输出：非线性(电压电压-光强光强)，灵敏度高，灵敏度高短路电流输出：线性好短路电流输出：线性好(电流电流-光强光强)，灵敏度低，灵敏度低开关测量（开路电压输出），线性检测（短路电流输出）开关测量（开路电压输出
28、），线性检测（短路电流输出）现在学习的是第67页，共95页n负载负载RL的增大线性范围也越来越小。的增大线性范围也越来越小。n因此，在要求输出电流与光照度成线性关系时，负因此，在要求输出电流与光照度成线性关系时，负载电阻在条件许可的情况下越小越好，并限制在适载电阻在条件许可的情况下越小越好，并限制在适当的光照范围内使用。当的光照范围内使用。现在学习的是第68页，共95页光电池的应用n1、光电探测器件光电探测器件 利用光电池做探测器有频率响应高，光电流利用光电池做探测器有频率响应高，光电流随光照度线性变化等特点。随光照度线性变化等特点。n2、将太阳能转化为电能、将太阳能转化为电能 实际应用中，把
29、硅光电池经串联、并联组实际应用中，把硅光电池经串联、并联组成电池组。成电池组。现在学习的是第69页，共95页硅太阳能电池n硅太阳能电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、硅太阳能电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池。非晶硅太阳能电池。n单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率为单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率为23%,23%,而规模生而规模生产的单晶硅太阳能电池产的单晶硅太阳能电池,其效率为其效率为15%15%。n多晶硅半导体材料的价格比较低廉多晶硅半导体材料的价格比较低廉,但是由于它存在着较多的但是由于它存在着较多的晶粒间界而有较多的弱点。多晶硅太阳能电池
30、的实验室最晶粒间界而有较多的弱点。多晶硅太阳能电池的实验室最高转换效率为高转换效率为18%,18%,工业规模生产的转换效率为工业规模生产的转换效率为10%10%。现在学习的是第70页，共95页非晶硅太阳能电池n非晶硅薄膜太阳能电池组件的制造采用薄膜工艺非晶硅薄膜太阳能电池组件的制造采用薄膜工艺,具有较多具有较多的优点的优点,例如例如:沉积温度低、衬底材料价格较低廉沉积温度低、衬底材料价格较低廉,能够实现大面能够实现大面积沉积。积沉积。n非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大,是单晶硅的是单晶硅的40倍倍,1微米厚微米厚的非晶硅薄膜的非晶硅薄膜,可以吸引大约可以吸引大约
31、90%有用的太阳光能。有用的太阳光能。n非晶硅太阳能电池的稳定性较差非晶硅太阳能电池的稳定性较差,从而影响了它的迅速发展从而影响了它的迅速发展。现在学习的是第71页，共95页化合物太阳能电池 n三五族化合物电池和二六族化合物电池。三五族化合物电池和二六族化合物电池。n三五族化合物电池主要有三五族化合物电池主要有GaAs电池、电池、InP电池、电池、GaSb电池等电池等;n二六族化合物电池主要有二六族化合物电池主要有CaS/CuInSe电池、电池、CaS/CdTe电池等。电池等。n在三五族化合物太阳能电池中在三五族化合物太阳能电池中,GaAs电池的转换效电池的转换效率最高率最高,可达可达28%;
32、现在学习的是第72页，共95页GaAs 化合物太阳能电池化合物太阳能电池nGa是其它产品的副产品是其它产品的副产品,非常稀少珍贵非常稀少珍贵;As 不是稀有元素不是稀有元素,有有毒。毒。nGaAs化合物材料尤其适用于制造高效电池和多结电池化合物材料尤其适用于制造高效电池和多结电池,这是这是由于由于GaAs具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率。率。nGaAs 化合物太阳能电池虽然具有诸多优点化合物太阳能电池虽然具有诸多优点,但是但是GaAs材料材料的价格不菲的价格不菲,因而在很大程度上限制了用因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。电池的普及。现在学
33、习的是第73页，共95页太阳能n太阳能特点：太阳能特点：无枯竭危险；无枯竭危险；绝对干净；绝对干净；不受资源分布地域的限制；不受资源分布地域的限制；可在用电处就近发电；可在用电处就近发电；能源质量高；能源质量高；使用者从感情上使用者从感情上容易接受；容易接受；获取能源花费的时间短。获取能源花费的时间短。n要使太阳能发电真正达到实用水平，一是要提高太阳能要使太阳能发电真正达到实用水平，一是要提高太阳能光电变换效率并降低成本；二是要实现太阳能发电同现光电变换效率并降低成本；二是要实现太阳能发电同现在的电网联网。在的电网联网。现在学习的是第74页，共95页光敏二极管结构光敏二极管结构n光敏二极管与普
34、通二极管一样有一个光敏二极管与普通二极管一样有一个PN结，属于单向导结，属于单向导电性的非线形元件。外形不同之处是在光电二极管的电性的非线形元件。外形不同之处是在光电二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，实现光电外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，实现光电转换。转换。n为了获得尽可能大的光生电流，需要较大的工作面，即为了获得尽可能大的光生电流，需要较大的工作面，即PN结面积比普通二极管大得多，以扩散层作为它的结面积比普通二极管大得多，以扩散层作为它的受光面。受光面。n为了提高光电转换能力，为了提高光电转换能力，PN结的深度较普通二极管浅。结的深度较普通二极管浅。现在学习的是第75页，
35、共95页光电二极管（光敏二极管）光电二极管（光敏二极管）光敏二极管符号光敏二极管符号 光敏二极管接法光敏二极管接法 现在学习的是第76页，共95页外加反向偏压外加反向偏压n可以不加偏压，与光电池不同，光敏二极管一般在负偏可以不加偏压，与光电池不同，光敏二极管一般在负偏压情况下使用压情况下使用n大反偏压的施加，增加了耗尽层的宽度和结电场，电子大反偏压的施加，增加了耗尽层的宽度和结电场，电子空穴空穴在耗尽层复合机会少，提高光敏二极管的灵敏度。在耗尽层复合机会少，提高光敏二极管的灵敏度。n增加了耗尽层的宽度，结电容减小，提高器件的频响特增加了耗尽层的宽度，结电容减小，提高器件的频响特性。性。n但是，
36、为了提高灵敏度及频响特性，却不能无限地加大反向但是，为了提高灵敏度及频响特性，却不能无限地加大反向偏压，因为它还受到偏压，因为它还受到PN结反向击穿电压等因素的限制。结反向击穿电压等因素的限制。现在学习的是第77页，共95页n光敏二极管体积小，灵敏度高，响应时间短，光光敏二极管体积小，灵敏度高，响应时间短，光谱响应在可见到近红外区中，光电检测中应用多。谱响应在可见到近红外区中，光电检测中应用多。n扩散型扩散型P-i-N硅光敏二极管和雪崩光敏二极管硅光敏二极管和雪崩光敏二极管扩散型扩散型P-i-N硅光敏二极管硅光敏二极管现在学习的是第78页，共95页n选择一定厚度的选择一定厚度的i层，具有高速响
37、应特性。层，具有高速响应特性。ni层所起的作用层所起的作用:(1)为了取得较大的为了取得较大的PN结击穿电压，必须选择结击穿电压，必须选择高电阻率的基体材料，这样势必增加了串联电阻，使时间常高电阻率的基体材料，这样势必增加了串联电阻，使时间常数增大，影响管子的频率响应。数增大，影响管子的频率响应。n而而i层的存在，使击穿电压不再受到基体材料的限制，层的存在，使击穿电压不再受到基体材料的限制，从而可选择低电阻率的基体材料。这样不但提高了击从而可选择低电阻率的基体材料。这样不但提高了击穿电压，还减少了串联电阻和时间常数。穿电压，还减少了串联电阻和时间常数。n(2)反偏下，耗尽层较无反偏下，耗尽层较
38、无i层时要大得多，从而使结电容下层时要大得多，从而使结电容下降，提高了频率响应。降，提高了频率响应。现在学习的是第79页，共95页PIN管的最大特点是管的最大特点是频带宽，可达频带宽，可达10GHz。另一特点是线性输出范围宽。另一特点是线性输出范围宽。缺点缺点:由于由于I层的存在，管子的输出电流小，一般多为零点几微层的存在，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。安至数微安。现在学习的是第80页，共95页雪崩光敏二极管雪崩光敏二极管n由于存在因碰撞电离引起的内增益机理，雪崩管具由于存在因碰撞电离引起的内增益机理，雪崩管具有高的增益带宽乘积和极快的时间响应特性。有高的增益带宽乘积和极快的时
39、间响应特性。n通过一定的工艺可以使它在通过一定的工艺可以使它在1.06微米波长处的量子微米波长处的量子效率达到效率达到30，非常适于可见光及近红外区域的应，非常适于可见光及近红外区域的应用。用。现在学习的是第81页，共95页n 当光敏二极管的当光敏二极管的PN结上加相当大的反向偏压时，在结区结上加相当大的反向偏压时，在结区产生一个很高的电场，使进入场区的光生载流子获得足够产生一个很高的电场，使进入场区的光生载流子获得足够的能量，通过碰撞使晶格原子电离，而产生新的电子的能量，通过碰撞使晶格原子电离，而产生新的电子空空穴对。穴对。n新的电子新的电子空穴对在强电场的作用下分别向相反方向运动空穴对在强
40、电场的作用下分别向相反方向运动在运动过程中，又有可能与原子碰撞再一次产生电子在运动过程中，又有可能与原子碰撞再一次产生电子空穴对。空穴对。n只要电场足够强，此过程就将继续下去，达到载流子的雪崩只要电场足够强，此过程就将继续下去，达到载流子的雪崩倍增。通常，雪崩光敏二极管的反向工作偏压略低于击穿电倍增。通常，雪崩光敏二极管的反向工作偏压略低于击穿电压。压。现在学习的是第82页，共95页雪崩光电二极管的雪崩光电二极管的倍增电流、噪声与偏压的关系曲线倍增电流、噪声与偏压的关系曲线现在学习的是第83页，共95页n在偏置电压较低时的在偏置电压较低时的A点以左，不发生雪崩过程；随着偏压的逐点以左，不发生雪
41、崩过程；随着偏压的逐渐升高，倍增电流逐渐增加渐升高，倍增电流逐渐增加n从从B点到点到c点增加很快，属于雪崩倍增区；偏压再继续增大，点增加很快，属于雪崩倍增区；偏压再继续增大，将发生雪崩击穿；同时噪声将发生雪崩击穿；同时噪声n也显著增加，如图中也显著增加，如图中c点以有的区域。因此，最佳的偏压工点以有的区域。因此，最佳的偏压工作区是作区是c点以左，否则进入雪崩击穿区烧坏管子。点以左，否则进入雪崩击穿区烧坏管子。n由于击穿电压会随温度漂移，必须根据环境温度变化相应调整工由于击穿电压会随温度漂移，必须根据环境温度变化相应调整工作电压。作电压。现在学习的是第84页，共95页n雪崩光电二极管具有电流增益
42、大，灵敏度高，频率响应雪崩光电二极管具有电流增益大，灵敏度高，频率响应快，带宽可达快，带宽可达100GHz。是目前响应最快的一种光敏二极管。是目前响应最快的一种光敏二极管。n不需要后续庞大的放大电路等特点。因此它在微弱辐射信不需要后续庞大的放大电路等特点。因此它在微弱辐射信号的探测方向被广泛地应用。号的探测方向被广泛地应用。n在设计雪崩光敏二极管时，要保证载流子在整个光敏区在设计雪崩光敏二极管时，要保证载流子在整个光敏区的均匀倍增，这就需要选择无缺陷的材料，必须保持更的均匀倍增，这就需要选择无缺陷的材料，必须保持更高的工艺和保证结面的平整。高的工艺和保证结面的平整。n其缺点是工艺要求高，稳定性
43、差，受温度影响大。其缺点是工艺要求高，稳定性差，受温度影响大。现在学习的是第85页，共95页雪崩光电二极管与光电倍增管比较雪崩光电二极管与光电倍增管比较n体积小n结构紧凑n工作电压低n使用方便n但其暗电流比光电倍增管的暗电流大，相应的噪声也较大n故光电倍增管更适宜于弱光探测现在学习的是第86页，共95页光敏二极管阵列光敏二极管阵列 n将将光光敏敏二二极极管管以以线线列列或或面面阵阵形形式式集集合合在在一一起起，用用来来同同时时探探测测被被测测物物体体各各部部位位提提供供的的不不同同光光信信息息，并将这些信息转换为电信号的器件。并将这些信息转换为电信号的器件。现在学习的是第87页，共95页象限探
44、测器象限探测器象象限限探探测测器器有有二二象象限限和和四四象象限限探探测测器器，又又分分光光电电二二极极管象限探测器和硅光电池象限探测器。管象限探测器和硅光电池象限探测器。象象限限探探测测器器是是在在同同一一块块芯芯片片上上制制成成两两或或四四个个探探测测器器，中中间间有有沟沟道道将将它它们们隔隔开开，因因而而这这两两或或四四个个探探测器有完全相同性能参数。测器有完全相同性能参数。当当被被测测体体位位置置发发生生变变化化时时，来来自自目目标标的的辐辐射射量量使使象象限限间间产产生生差差异异，这这种种差差异异会会引引起起象象限限间间信信号号输输出出变变化化，从从而而确确定定目目标标方方位位，同同
45、时时可可起起制制导导、跟跟踪、搜索、定位等作用。踪、搜索、定位等作用。现在学习的是第88页，共95页光敏三极管（光电三极管）光敏三极管（光电三极管）n光光电电三极管是由光三极管是由光电电二极管和一个晶体三极管构成二极管和一个晶体三极管构成，相，相当于在晶体三极管的基极和集电极间并联一个光电二极当于在晶体三极管的基极和集电极间并联一个光电二极管。管。n同光电二极管一样，光电三极管外壳也有一个透明同光电二极管一样，光电三极管外壳也有一个透明窗口，以接收光线照射。窗口，以接收光线照射。n日前用得日前用得较较多的是多的是NPNNPN和和PNPPNP两种平面硅光两种平面硅光电电三极管三极管。现在学习的是
46、第89页，共95页NPN光电三极管结构原理简图现在学习的是第90页，共95页光电三极管工作原理光电三极管工作原理nNPN光电三极管（光电三极管（3DU型），使用时光电二极管的型），使用时光电二极管的发射极接电源负极，集电极接电源正极。发射极接电源负极，集电极接电源正极。n 光电三极管不受光时，相当于普通三极管基极开光电三极管不受光时，相当于普通三极管基极开路的状态。集电结路的状态。集电结(基基集结集结)处于反向偏置，基极处于反向偏置，基极电流等于电流等于0，因而集电极电流很小，为光电三极管的，因而集电极电流很小，为光电三极管的暗电流。暗电流。n当光子入射到集电结时，就会被吸收而产生电子当光子入
47、射到集电结时，就会被吸收而产生电子空穴对，处于反向偏置的集电结内建电场使电空穴对，处于反向偏置的集电结内建电场使电子漂移到集电极，空穴漂移到基极，形成光生电子漂移到集电极，空穴漂移到基极，形成光生电压，基极电位升高。压，基极电位升高。现在学习的是第91页，共95页发射结发射结发射结发射结集电结集电结集电结集电结B BE EC CN NN NP P基极基极基极基极发射极发射极集电极集电极集电极集电极现在学习的是第92页，共95页n如同普通三极管的发射结如同普通三极管的发射结(基基发结发结)加上加上了正向偏置，当基极没有引线时，集电了正向偏置，当基极没有引线时，集电极电流就等于发射极电流。极电流就
48、等于发射极电流。n这样晶体三极管起到电流放大的作用。这样晶体三极管起到电流放大的作用。n由于光敏三极管基极电流是由光电流供由于光敏三极管基极电流是由光电流供给，因此一般基极不需外接点，给，因此一般基极不需外接点，所以通所以通常只有集电极和发射极两个引脚线。常只有集电极和发射极两个引脚线。现在学习的是第93页，共95页n光光电电三极管与光三极管与光电电二极管相比，具有二极管相比，具有较较高的高的输输出光出光电电流，但流，但线线性性差差n线线性差性差主要是由电流放大倍数主要是由电流放大倍数 的非线性所致的非线性所致n在大照度时，光敏三极管不能作线性转换元件，但可以作在大照度时，光敏三极管不能作线性
49、转换元件，但可以作开关元件使用。开关元件使用。管不能作线性转换元件，但可以作开关元件管不能作线性转换元件，但可以作开关元件使用。使用。光电三极管的光照特性现在学习的是第94页，共95页光敏三极管的伏安特性光敏三极管的伏安特性n 硅光电三极管的光电流在毫安量级，硅光电二极管的光电流硅光电三极管的光电流在毫安量级，硅光电二极管的光电流 在微安量级。在微安量级。n 在零偏压时硅光电三极管没有光电流输出，但硅光电二极管在零偏压时硅光电三极管没有光电流输出，但硅光电二极管 有光电流输出。有光电流输出。n 工作电压较低时输出电流有非线性，硅光电三极管的非线工作电压较低时输出电流有非线性，硅光电三极管的非线 性更严重。（因为放大倍数与工作电压有关）性更严重。（因为放大倍数与工作电压有关）n 在一定的偏压下，硅光电三极管的伏安曲线在低照度时间隔在一定的偏压下，硅光电三极管的伏安曲线在低照度时间隔 较均匀，在高照度时曲线越来越密较均匀，在高照度时曲线越来越密现在学习的是第95页，共95页