第七章-光电转换器件

1第七章第七章光电转换器件光电转换器件7.1光电导探测器7.2光电池7.3光电二极管7.4光电倍增管7.5电荷耦合器件2第七章第七章光电转换器件光电转换器件效应相应的探测器光电子发射光电管光电子倍增光电倍增管、像增强管光电导光敏电阻、光导管PN结零偏光电池PN结反偏光电二极管雪崩雪崩光电二极管肖特基势垒肖特基势垒光电二极管光生伏特内光电效应外光电效应光子效应分类3第七章第七章光电转换器件光电转换器件效应相应的探测器测辐射热计效应热敏电阻、金属测辐射热计、超导远红外探测器温差电效应热电偶、热电堆热释电效应热释电探测器光热效应分类4一光电导器件工作特性1.响应度（灵敏度）77--11光电导探测器光电导探测器电流响应度：电压响应度：)(WAPIRI=)(WVPVRV=2.光谱特性峰值响应波长：)(24.1)(eVEmgm=μλ三种光敏电阻的光谱响应特性0.40.81.21.62.02.400.20.40.60.81CdSeCdSPbSR)(mμλ5一光电导器件工作特性3.照度特性γαEKVI=（非线性）低偏压、弱光照条件下近似：KVEI=510152025012345E（×102lx)I（mA)CdS光敏电阻的光照特性曲线6一光电导器件工作特性4.响应速度相对响应(%)1006337trtdτt调制频率升高，响应度下降光电导的驰豫21220)1(τω+=vvRR截止频率：ω⇒=0707.0vvRR温度升高时产生的影响：¾热噪声变大¾灵敏度降低¾峰值响应波长向短波长方向移动¾响应时间下降5.温度效应7一光电导器件工作特性6.噪声特性1k1Mv(Hz)2NI1/v噪声g-r噪声热噪声典型光电导探测器的噪声功率谱7.基本工作电路暗电阻：在室温和全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻，或暗阻。此时流过的电流称为暗电流。亮电阻：在一定光照条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻或亮阻。此时流过的电流称为亮电流。8一光电导器件工作特性7.基本工作电路（1）低频条件下的负载匹配问题CRLRdV0VS光电导探测器工作电路dLRRVi+=0ddLRRRViiΔ++=Δ+020)())((dLddLddLdRRRVRRRRRRVi+Δ−≈+Δ++Δ−=Δ2)(dLLdLsRRRRViRV+Δ−=Δ=Δ使Vs有最大值时的负载电阻：LdRsRRVL=⇒=′Δ0)(（最佳匹配条件）9一光电导器件工作特性7.基本工作电路（2）偏压选择问题CRLRdV0VS光电导探测器工作电路负载电阻热损耗功率：)(max20最大耗散功率PRRRVddL≤⎥⎦⎤⎢⎣⎡+LdRR=21max0)4(PRVd≤10二几种典型的光敏电阻特点：在光照下会改变自身的电阻率。光照越强，电阻越小，又称光导管。薄膜VRL光电导体电极衬底光敏电阻原理图及符号旧符号新符号11二几种典型的光敏电阻光敏电阻电极图案金属封装的光敏电阻梳状电极CdS光敏面玻璃光电导层电极引线绝缘衬底金属壳黑色绝缘玻璃12二几种典型的光敏电阻1.种类¾CdS和CdSe：自动化技术和摄影机中的光计量。¾PbS：遥感技术和武器红外制导。¾InSb：快速红外信号探测。2.使用注意事项¾光源光谱须与光敏电阻的光谱响应特性匹配。¾防止杂散光影响。¾电压、功耗等电参数不超过允许值。¾根据不同用途选择不同特性的光敏电阻。13二几种典型的光敏电阻3.光敏电阻的典型应用光控光开关电路电流控制电压控制KRGRC+UbKRGRC+UbRbR1147-2光电池1、用作电源¾野外灯塔¾无人气象站¾公交车站一光电池的结构与原理原理：光生伏特效应应用：2、用作光电探测器使用¾近红外辐射探测器¾激光准直¾光电开关15结构：一光电池的结构与原理¾金属—半导体接触型：硒光电池¾PN结型：硅光电池集电极半透明薄膜硒层金属板金属－半导体型光电池结构图电极P型材料电极N型材料PN结型光电池结构图16二光电池特性1.光谱特性响应波段(nm)峰值响应波长(nm)应用硒光电池400～700540可见光波段硅光电池400~1100800～900可见光近红外波段近红外波段蓝硅光电池60017二光电池特性1.光谱特性200400600800100012000.200.40.60.81.0硒光电池硅光电池相对响应率波长(um)光电池光谱特性曲线18RL光电池电路符号开路电压：在一定光功率照射下将光电池两端开路，用一高内阻电压表所测电压值。光电池的基本电路短路电流：在一定光功率照射下将光电池两端用一低内阻电流表短接，所测得的电流值。二光电池特性2.伏安特性VIpIDCjRshIshRLRs光电池的等效电路19VIpIDCjRshIshRLRs光电池的等效电路二光电池特性2.伏安特性短路电流理想条件：∞→→shsRR,0PSCII=实际：shkTeVsPSCRVeIII−−−=)1(开路电压)1ln(+−=sshpocIIIekTV20二光电池特性2.伏安特性RL光电池的基本电路U(mV)I(mA)00.10.20.30.40.50.6P1(1000lx)P2P3P4P5RL1RL2RL3硅光电池的输出特性54321PPPPP321LLLRRR213.光照特性二光电池特性0246810E/klxE/klx0123450.10.20.30.40.50.10.20.30.40.50.10.20.312345Voc(V)Voc(V)Isc(mA/cm2)Isc(mA/cm2)开路电压开路电压短路电流短路电流光电池的光照特性曲线硅光电池硒光电池223.光照特性二光电池特性I(mA)00.20.40.6E/klx0.10.20.30.4Ω0=LRΩ100Ω50Ω5000Ω10000.81硒光电池的光照特性与负载电阻的关系4.频率特性10210310420406080100ΩkRL1=Ωk10Ωk100v(Hz)相对响应I（100%）硅光电池的频率特性曲线235.温度特性二光电池特性光电池的温度特性曲线306090302010405060300200100400500600Voc(mV)Isc(mA)VocIsc0T(0C)24输出功率曲线示意图mmRθtan1=短路电流开路电压一定光功率下的伏安曲线二光电池特性6、输出功率和最佳负载电阻获得最大电功率输出时的负载电阻电输出功率：P=UI光电池转换效率：最大电输出功率与入射光功率的比值%)15~%10(0PPm=ηmθ25保证光电池线性工作时负载电阻RL的选择原则：I区特点：光电流与光照功率成正比，光电流区域II区特点：输出电压与光照功率的对数成正比，光电压区域二光电池特性6、输出功率和最佳负载电阻26（1）用光电池探测缓变光信号时：应工作在光电流区域作为一个光电开关只鉴别有无光照时：允许工作在光电压区域（2）对光电流区域的两种输出方式：RL=0.85Rm二光电池特性6、输出功率和最佳负载电阻¾电流输出：负载电阻尽量小¾电压输出：负载电阻尽量大光电流区域光电压区域277-2光电池287-3光电二极管光伏探测器的工作模式VIpIDR光伏探测器符号等效电路光导工作模式光伏工作模式VR29IV-ECECV1V2R1R2R1R2I2I1照度增大P=0P1P2P3123321IDR1R2光伏探测器的工作模式7-3光电二极管pBsopDiTkeuiiii−⎥⎦⎤⎢⎣⎡−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=−=1exp流过探测器的总电流：普通二极管伏安特性：⎥⎦⎤⎢⎣⎡−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=1expTkeVIIBsoD光伏探测器的伏安特性RRR307-3光电二极管功能：把接收到的光信号转变为电信号的光电转换器件，它在微弱、快速光信号探测方面有着重要的作用。种类：¾硅光电二极管¾PIN光电二极管¾雪崩光电二极管等31¾基底材料掺杂浓度：光电池约1016～1019原子数/cm3硅光电二极管约1012～1013原子数/cm3异：¾电阻率：光电池约0.1～0.01欧姆/cm硅光电二极管1000欧姆/cm¾工作电压：光电池在零偏下硅光电二极管反向偏压¾光电流：光电池光电二极管（微安量级）光电二极管和光电池比较,同：基于PN结的光伏效应7-3光电二极管32ＰＮ光电流一光电二极管工作原理光电二极管工作原理示意图入射光波长需满足：)(24.1)(eVEmgc=≤λμλ33RLRL前极环极后极前极电极SiO2光PN+N+N+环极后极硅光电池的两种典型结构：光电极电极SiO2NP+2CU型2DU型二光电二极管结构34环极的作用：前极环极后极RPN+N+N+PN+SiO2膜表面漏电流++++----环极前极保护环表面漏电流的形成环极结构二光电二极管结构35硅光电二极管的外形及灵敏度的方向问题：二光电二极管结构θ20%40%60%80%100%00100200400300100200400300平镜凸镜相对灵敏度硅光电二极管的外形灵敏度的角度变化36三光电二极管的工作特性1.光电转换特性（1）量子效率hvPeIp=η（2）响应度（灵敏度）hcePIWARPλημμ==00)(2.光谱特性)(24.1)(eVEmgc=μλ截止波长：I(100%)4008001200160040206080100波长(um)SiGe光电二极管光谱响应曲线37三光电二极管的工作特性3.照度特性硅光电二极管光照特性曲线2004006008001000102030400IL/uAL/lx2CUA2CU2A2CU538三光电二极管的工作特性4.响应时间0tI光强100％tft00I90％10％trt入射的矩形光脉冲信号探测器输出光电流波形影响响应时间的主要因素：载流子的运动速度39三光电二极管的工作特性5.伏安特性U/V100I/uA203040105152025200lx400lx600lx800lx硅光电二极管伏安特性曲线40三光电二极管的工作特性6.温度特性T/0C600I/uA203040100.010.12010-20-40T/0CIp=0/uA60020408010硅光电二极管温度特性曲线41四PIN光电二极管光电极电极SiO2NP+I：IntrinsicEx0¾暗电流减小¾扩散过程缩短¾漂移速度加快¾电路时间常数减小¾增加长波长光波的吸收率电场分布I层作用：PIN硅光电二极管管芯结构42四PIN光电二极管PIN光电二极管的一般性能Si-PINInGaAs-PIN工作波长范围0.4~1.01.0~1.6响应度0.4（0.85um)0.6(1.3um)暗电流0.1~12~5响应时间2~100.2~1结电容0.5~11~2工作电压-5~-15-5~-15mμλ)/(WAρnAIdnsτpFCjV/43N+PπE五APD光电二极管AvalanchePhotodiode1.结构与工作原理N+Pπ输出光RbP+电场雪崩区碰撞电离所需的最小场强耗尽区硅拉通型雪崩光电二极管结构及电场分布图雪崩效应示意图44五APD光电二极管2.APD的倍增增益倍增增益与偏置电压的关系：α⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−−=bimVRIVG1101002003004001251020501002005001000GU/V1060799.3568.2476.2520.8nmλAPD电流增益与偏压的关系曲线45Si-APDInGaAs-APD工作波长范围0.4~1.01.0~1.65响应度0.50.5~0.7暗电流0.1~110~20响应时间0.2~0.50.1~0.3结电容1~20.5工作电压50~10040~60倍增因子g30~10020~30附加噪声指数x0.3~0.40.5~0.7mμλ)/(WAρnAIdnsτpFCjV/五APD光电二极管3.APD的一般性能467-4光电倍增管一结构与工作原理阴极K，阳极A，倍增极DRLV0DD2D4D6D8D10D1D3D5D7D9AK-1200-1000-800-600-400-200-100-300-500-700-900-1100光电倍增管结构图二次电子发射效应1.结构47一结构与工作原理倍增极的分类：聚焦型和非聚焦型两种非聚焦型倍增极结构图D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10半