第04章讲义_光伏探测器
zm光伏探测器
SE为光照灵敏度
8
Figure. Current vs. voltage characteristic 9
讨论：
1）负载电阻RL断开时IL=0，pn结两端的电压 为开路电压V0c
V0c
kT ln(1 I p )
q
I0
通常Ip》I0
V0c
kT q
ln(
Ip I0
)
kT q
ID
Ip
P
N
IL
RL
正偏工作原理
13
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，产 生光电流，方向与I0相同， 因此曲线将沿电流轴向下 平移，平移的幅度与光照 度的变化成正比。当pn结 加反偏压时，暗电流随之 增大，而光电流Ip几乎与 反压的高低无关。
第一象限：正向偏置工作 模式，光电流不起作用， 这一区域工作没有意义。
3
3.3.1 光伏器件原理
4
一、热平衡下的p-n结
pn结中电子向P区，空穴向n区扩散，使p区带负电，
n区带正电，形成由不能移动离子组成的空间电荷区
（耗尽区），同时出现由耗尽层引起的内建电场，并阻
止电子和空穴继续扩散，达到平衡。在热平衡下，由于
pn结中漂移电流等于扩散电流，净电流为零。但是如果
有外加电压时结内平衡被破坏，这时流过pn结的电流方
光伏模式时，因是无偏压工作，暗电流产生的散粒噪声 小，无低频噪声。无光照时仅有热噪声，故信噪比较高。 在低频工作时具有优势。但截止频率较低，长波灵敏度 略小一些。
15
三、微变等效电路
16
3.3.2 光伏器件性能参量
17
一、响应率 二、噪声 三、光谱特性 四、频率特性 五、背景限
第4章 光电探测器及其校正技术
4.2 光电导器件 1. 光电导器件的基本参数
(1) 光敏器件的光特性 光敏器件的光特性是表征光照下光敏器件的输出量，如电阻、 电压或电流等量与入射辐射之间的关系； (2) 光敏器件的灵敏度 灵敏度又称响应度。它表示器件将光辐射能转换为电能的能力。 具体定义为：器件产生的输出电信号与引起该信号的输入光辐射通 量之比。输出电信号由器件及偏置电路的特性决定，既可以是电流， 也可以是电压，如电流表示的光灵敏度
3
4
(2) 内光电效应 某些物质在光子作用下，使物质导电特性发生变化，这种现 象叫做内光电效应。 利用内光电效应材料制成的光电探测器主要是各种类型的光 敏电阻。
5
(3) 障层光电效应
在不同材料的接触面上，由于它们电学特性不同而产生障层。
利用障层光电效应制成的光电探测器主要有各种类型的光电池和光 电二极管、光电三极管等。
21
(5) 光电倍增管的不稳定性 管子工作的不稳定性主要表现在以下三个方面: ①由于光谱响应随时间缓慢地不可逆地变化
②在几分钟或几小时内,由于可逆的疲劳所构成的漂移
③滞后作用造成阳极输出的不稳定 (6) 暗电流
在无光输入时，由阳极输出的电流叫做暗电流。暗电流的主要来源 有热发射、漏电流、管内电子散射引起泡壳荧光反馈阴极引起的发射 电流、残余气体电离和宇宙射线等。
31
(7)光敏器件的探测率D
该特性也是光敏器件探测极限水平的表示形式,它是噪声等效功 率的倒数。 (8)光敏器件的归一化探测率D* 该特性表示单位面积的器件，在放大器带宽为1Hz条件下的探 1 1 测率 1 1 2 2 1 D* D A 2 f 2 ( NEP) A f 式中 A为器件光敏面的有效面积；∆f为所用放大器的带宽； (9)光敏器件的频率特性 该特性表示器件惰性的大小。常以比探测率下降到1/2时，或信 号电压下降到1/2^0.5时所对应的频率，叫做截止频率。指导我们选 用探测器调制频率范围。
第四章 光电探测
检测的基本概念
定义： 确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作
被测对象： 宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体 ……） 物理量（光、电、力、热、磁、声、…） 化学量（PH、成份…） 生物量（酶、葡萄糖、…） …… 全部操作： 检测器具 检测过程 传感器、检测仪器、检测装置、检测系统 信号采集、信号处理、信号显示、信号输出
光电检测系统
光 源 光 学 系 统 被 测 对 象 光 学 变 换 光 电 传 感 变 换 电 路
电 信 号 处 理
存 显 控
储 示 制
光学变换
电路处理
光电检测系统
• 光学变换
– – – – 时域变换：调制振幅、频率、相位、脉宽 空域变换：光学扫描 光学参量调制：光强、波长、相位、偏振 形成能被光电探测器接收，便于后续电学处理的光学信息。
二、检测技术在日常生活中的应用
家用电器： 数码相机、数码摄像机：自动对焦---红外测距传感器 自动感应灯：亮度检测---光敏电阻 空调、冰箱、电饭煲：温度检测---热敏电阻、热电偶 电话、麦克风：话音转换---驻极电容传感器 遥控接收：红外检测---光敏二极管、光敏三极管 可视对讲、可视电话：图像获取---面阵CCD 办公商务：扫描仪：文档扫描---线阵CCD 红外传输数据：红外检测---光敏二极管、光敏三极管 医疗卫生： 数字体温计：接触式---热敏电阻，非接触式---红外传感器 电子血压计：血压检测 --- 压力传感器 血糖测试仪、胆固醇检测仪 --- 离子传感器
光电检测技术
教材
《光电检测技术与应用》郭培源 付扬 编著 北京航空航天大学出版社
参考书目
《光电检测技术》曾光宇等编著 清华大学出版社 《激光光电检测》吕海宝等编著 国防科技大学出版社 《光电检测技术》雷玉堂等编著 中国计量出版社
第4章 光探测和光接收机讲解
W
时间常数 0 RLCd
截止频率
fc
1
2pRC
1
2p 0
PIN管分布电容
Cd
RL Vout
等效电路
4.1 光检测器 4.1.2 PIN光电二极管
实验中常测量到脉冲的上升时间r, r与0关系如何？
特征时间：即脉冲响应时间
Vout
Vin
线性系统
0.9
1.0
R
Vin
i
0.1
C Vout
入射光
in
h+ e-
成正比
定义
R Ip Pin
单位A/W
hv>Eg 抗反射膜
E 耗尽区
W
②量子效率(quantum efficiency)
量子效率=(光生电子空穴对数)/入射光子数
输出电压 RL Vout 电 极
Ip /e
Pin / hv
R e
hv 1.24
R in A/W,
练习
Example2: In a 100-ns pulse, 6×106 photons at a wavelength
of 1300nm fall on an InGaAs photodetector. On the average, 5.4×106 electron-hole pairs are generated. What is the quantum efficiency?
5
Ge
InGaAs
800~1650 1100~1700
0.4~0.5 0.75~0.95
50~500 0.5~2.0
0.1~0.5 0.05~0.5
第四章 光辐射探测技术2
光电池结构
硅光电池按衬底材料的不同可分为2DR型和2CR型。图所 示为2DR硅光电池的结构。它是在P型硅片上扩散硼形成 N型层，并用电极引线把N型和P列层引出，形成正负电 极。为防止表面反射光，提高转换效率，通常在器件受 光面上进行氧化，形成SiO2保护膜。
ℏω G Si 绝缘层 透明电极 引出电极
光电池在动力方面的应用（ 光电池在动力方面的应用（续）
太阳能发电
光电池在动力方面的应用（续）
光电池在人造卫星上的应用
4.7 光电二极管
常用光伏探测器主要有PN型光电二极管、PIN光电 二极管、雪崩光电二极管、光电三极管、硅光电池 等。 1、Si 光电二极管 具有光伏效应的半导体材料有很多，如硅(Si)、锗 (Ge)、硒(sc)、砷化镓(GaAs)等半导体材料。利用这 些材料能够制造出具有各种持点的光生伏特器件。 其中硅光生伏特器件具有制造工艺简单、成本低等 特点。因此，硅光电二极管应用最为广泛，同时也 是最具有代表性、最基本的光生伏特器件，其他光 伏器件是在它的基础上为提高某方面的特性而发展 起来的。
硅光电二极管的结构 硅光电二极管的两种典型结构，其中(a)是采用N型单晶 硅和扩散工艺，称为p＋n结构。它的型号是2CU型。而 (b)是采用P型单晶和磷扩散工艺，称n ＋ p结构。它的型 号为2DU型。
2CU型
2DU型
p+n结构硅光电二极管 结构硅光电二极管(2CU) 结构硅光电二极管
n+p结构硅光电二极管（2DU）： 结构硅光电二极管（ 结构硅光电二极管 ）： 光敏区外侧有保护环（ 环区）， ），其目的是表面层漏 光敏区外侧有保护环（ n+ 环区），其目的是表面层漏 电流，使暗电流明显减少。其有三根引出线， 侧的电 电流，使暗电流明显减少。其有三根引出线，n侧的电 极称为前极， n侧的电极称为后极，环极接电源偏置正 极称为前极， 侧的电极称为后极， 侧的电极称为后极 也可断开，空着。 极，也可断开，空着。
第四章. 光电探测器概述解剖
特点：主要探测可见光，个别可扩展到1.25 μ m,近红 外。红外系统中应用不多。
发展简介与分类
二、光电导探测器
产生条件：本征光电导，入射光子能量 h >本征半导 体禁带宽度Eg；
光敏电阻：硫化镉 CdS，硒化镉CdSe，用于可见光范 围；
p(N) 212Nexp[(2 N N a)2]
噪声的统计特性
➢ 数学期望： E[N]a 热噪声平均值，一般为0
➢
方差： D[N]2N 热噪声的交流功率，
2 N
越大， 噪
声越强。
➢ 在 N N0 时的概率：
p (NN 0 ) 1 2 1N N N 0 0e x p ( 22 2 N N )dN
光电探测器的性能参数
光电探测器的性能参数
工作条件：
➢ 辐射源光谱分布 ➢ 电路的通频带和带宽 ➢ 工作温度 ➢ 光敏面尺寸 ➢ 偏置情况
光电探测器的性能参数
一、有关响应方面的性能参数
响应率（响应度）RV或RI，描述探测器灵敏度 的参量，它表征探测器输出信号与输入辐射之 间关系的参数。
讨论：
➢ 讨论 : ① R xy ( ) 仅与时间差 有关，而与计算时间t的起点
无关； ② Rxy()Ryx()
噪声的统计特性
③ Rxy() Rx(0)Ry(0)，当两个随机过程互不相关时，则 一定有 Rxy()Ryx()0。例如，被检测信号与系统 的观察噪声之间不存在相关性，因此采用互相关 方法有利于抑制观察噪声。
噪声的统计特性
光电系统中的噪声分类：
➢ 白噪声：SN(f)=常数 ➢ 低频噪声，红噪声，如1/f噪声 ➢ 高频噪声，蓝噪声
4.5 pn结光伏探测器的工作模式.ppt
i ( e i iD i S 0
eu /k T B
第一象限是正偏压状态，iD本来就很大，所以光电流不 起重要作用。作为光电探测器，工作在这一区域没有意 义。第三象限是反偏压状态。这时iD=iS0，它是普通二 极管中的反向饱和电流，现在称为暗电流(对应于光功 率P=0)，数值很小，这时的光电流(等于i-iS0)是流过探 测器的主要电流，这对应于光导工作模式。 R
光伏探测器的内电流增益等于1。 光伏探测器光电转换关系为
e ip P h
这是和光电导探测器明显不同的地方。
一个PN结光伏探测器就等效为一个普通二极管和一个恒 流源(光电流源)的并联，如图 (b)所示。它的工作模式则由外偏 压回路决定。在零偏压时(图 (c))，称为光伏工作模式。当外回 路采用反偏压V时(图 (d))，即外加P端为负n端为正的电压时， 称为光导工作模式。
2 光伏探测器的工作模 式
iD
i
i
u
RL
RL
V
i (a)
(b)
(c)
(d)
普通二极管的伏安特性为
光伏探测器的总伏安特性应为 i D 和 i 之和，考虑 到二者的流动方向，我们有：
i i ( e d S 0
eu / k T B
1 )
1 ) i
式中i是流过探测器的总电流，e是电子电荷，u是探 测器两端电压，kB是玻耳兹曼常数，T是器件的绝对 温度。把上式中i和u为纵横坐标作成曲线，就是光 伏探测器的伏安特性曲线。
1 光电转换原理
PN结光伏探测器的典型结构如图所示。为了说 明光功率转换成光电流的关系，我们设想光伏探测器 两端被短路，并用一理想电流表记录光照下流过回路 的电流，这个电流常常称为短路光电流。
光伏探测器的原理与应用
光伏探测器的原理与应用1. 原理介绍光伏探测器（Photovoltaic Detector）是一种将光能直接转化为电能的器件。
它利用光电效应原理，将吸收的光子能量转化为电荷或电压信号。
光伏探测器是光电探测器的一种重要类型，广泛应用于光通信、光谱分析、环境监测、太阳能电池等领域。
主要的光伏探测器类型包括：光电二极管、光电导、光电晶体管、光电效应晶体管、光电倍增管等。
下面将逐一介绍这些光伏探测器的原理和应用。
1.1 光电二极管光电二极管是一种最简单的光伏探测器，它基于PN结的正常工作原理。
当光线照射到PN结上时，光子能量会激发光伏效应，产生电子-空穴对。
这些电子-空穴对将会在电场的作用下分离，形成电流。
在应用方面，光电二极管常用于光通信、显示器亮度控制、光照度测量等领域。
由于光电二极管的结构简单，成本低廉，并且灵敏度较高，因此被广泛应用于各种光电设备中。
1.2 光电导光电导（Photocunductor）是利用半导体材料的光电效应原理制成的光伏探测器。
它的结构类似于晶体管，但没有PN结。
光电导的导电性随着入射光的强度而改变，当光照射到光电导的表面时，导电性增加，产生电流。
光电导具有光响应速度快、灵敏度高的优点。
它常用于图像传感、光谱仪、精密测量等领域。
1.3 光电晶体管光电晶体管（Phototransistor）是一种将光信号转化为电信号的光伏探测器。
它由普通晶体管和光敏元件组成。
当光照射到光电晶体管的敏感区域时，光子能量被转化为电子信号，通过晶体管的放大作用，得到较大的电流输出。
光电晶体管具有灵敏度高、应用范围广的特点。
它常用于光照度测量、光谱分析、自动控制等领域。
1.4 光电效应晶体管光电效应晶体管（Photovoltaic Transistor）是将光电二极管和晶体管相结合的光伏探测器。
它不仅能够将光能转化为电能，还可以放大信号。
光电效应晶体管的输出可以直接连接到数字电路或模拟电路中使用。
光电效应晶体管广泛应用于光通信、图像传感、光电测量等领域。
光电子技术第4章-光辐射的探测技术教材
E h
υc 或
hc E c
h 6.61034 J s 4.131015 eV s
由
c 31014 μm/s 31017 nm/s
产生光电发射的入射光 波的截止波长：
λc
1.24
E eV
5
第4章 光辐射的探测技术
4.1 光电探测器的物理效应
3. 光电导效应
半导体材料的电导
光电导效应
半导体和金属的导电机构
NEP Pth Ps SNRi 1 Ps SNRu 1 W
SNR SNR
is in us
电流信噪比 电压信噪比
un
25
第4章 光辐射的探测技术
4.2 光电探测器的性能参数
6. 归一化探测度D*
噪声等效功率NEP: 单位信噪比时的信号光功率。
NEP Pth Ps SNRi 1 Ps SNRu 1 W
I = gU = s U
l
n
=
Inl Us
=
eNnl Us
=
envnsl Us
=
envnl U
=
enn
载流子的漂移运动效果用半导体的电导率描述:
σ enμn enμp Ωcm1
半导体的电导：G σ A Ω1 l
电阻：
Rd
l σA
ρ
l
A
第4章 光辐射的探测技术
4.1 光电探测器的物理效应
热释电材料可分为三类：单晶热释电晶体、陶瓷热释电晶体、薄膜热释电晶体。热释电
探测器是目前热探测器内的佼佼者，与光子探测器相比，它有光谱响应宽及室温工作的
特点，从紫外到亚毫米波段其光谱响应几乎不变，因而有很好的前景。
15
第4章 光辐射的探测技术
光伏探测器的原理与应用
光伏探测器的原理与应用光伏探测器是一种利用光电效应将光能转化为电能的器件。
光电效应是指当光照射到物质上时，能够使该物质中的电子获得足够的能量，从而从固体表面逸出的现象。
光伏探测器通常由半导体材料制成，具有高灵敏度和快速响应的特点，因此被广泛应用于光学系统、光通信、太阳能电池等领域。
光伏探测器的工作原理基于光电效应。
当光照射到探测器表面时，光子打击材料中的电子，使得电子跃迁到导带中，从而在导电材料中形成电子空穴对。
这样产生的电子空穴对将导致光伏探测器两端的电压产生偏移，产生电流。
探测器的材料结构和器件结构会决定其特性参数，如响应速度、灵敏度等。
1.光通信和光网络：光伏探测器被用作光通信系统中的光检测器，用于接收和转换光信号为电信号。
它们具有高速响应和低噪声的特性，可以实现高速、远距离的光信号传输。
2.光谱分析：光伏探测器可以用于分析物质的光谱特性。
根据材料对不同波长光的吸收特性，可以测量物质的组成、浓度、结构等信息。
3.激光测距和测速：光伏探测器可以用于通过测量光信号的时间延迟来实现精确的激光测距。
它们也可以用于测量移动物体的速度，通过测量多次接收到的光信号的时间差来计算速度。
4.太阳能电池：光伏探测器的最重要应用之一是太阳能电池。
太阳能电池利用光电效应将太阳能转化为电能。
光伏探测器在太阳能电池中起到接收太阳光并产生电流的作用。
5.红外成像：红外光伏探测器可以用于红外成像系统，用于检测和测量热量辐射，用于热成像、夜视、安防等领域。
总之，光伏探测器的原理是基于光电效应，将光能转化为电能。
它们具有高灵敏度和快速响应的特点，并且在光学系统、光通信、太阳能电池等领域有着广泛的应用。
随着技术的进一步发展，光伏探测器的性能还将不断提高，并且在更多的领域中得到应用。