光电检测技术课件-第三章-结型光电器件

第三章结型光电器件结型光电器件主要包括：光电池、光电二极管、光电晶体管、PIN管、雪崩光电二极管、光可控硅、象限式光电器件、位置敏感探测器（PSD）、光电耦合器件等可以分为：PN结型、PIN结型、肖特基结型PN3.1结型光电器件工作原理3.1.1热平衡下的PN结内建电场消弱扩散、增强漂移，直到两者达到平衡。漂移扩散E内外加偏压UPN漂移扩散E内)1e(IIkTqU0DUID当外加偏压时：正向反向3.1.2光照下的PN结1.PN结光伏效应PNNP光伏效应----光生伏特效应，是指光照射半导体的结区或金属和半导体的结区时，产生电位差的现象。NP光伏工作模式：光导工作模式：工作在零偏置状态下工作在反偏状态下RLNPRLUbNPNPRLE=0E1E2UILIPIDSEE漂移扩散扩散电流漂移电流光电流UU）（eIIkTqUp10DpLIII---不加外电压IDIPRLURsCjRshILLLSLLRI)RR(IU3.2硅光电池3.2.1—之--基本原理NPRLIPID扩散电流漂移电流光电流U光伏工作区RL1RL2LLRUIE=0E1E2UIL10kTqUpLeIIIUE=0E1E2IscUocI1IIlnqkTU0pESIIEPL0LR0IL)1e(IIIKTqU0PL0pIIlnqkT0RIULL开路电压UocISC短路电流0EIESlnqkT开路电压短路电流3.2.1硅光电池的基本结构NERLILP3.2.2硅光电池的特性参数1.光照特性1IIlnqkTU0poc)1e(IIIKTqU0PL0pIIlnqkT0EIESlnqkT(1)开路时对数关系ILUIsc4Isc1Isc2Isc3Uoc4Uoc2Uoc1Uoc31E2E3E4E0ILLR例：设一光电池，在入射辐照度为100W/m2时的开路电压为0.412V，求该光电池在入射辐射照度变为150W/m2时的开路电压，已知环境温度为T=300K。(波耳兹曼常数K=1.38×10-23焦/度)。ILU1E2E3E4EUoc4Isc4Isc1Isc2Isc3Uoc2Uoc1Uoc32.4KΩ12KΩ120ΩФI硅光电池光照与负载特性负载电阻越小，线性范围越大线性区RL1RL2(3)有限大负载时(2)短路时ESIIEPL0LR线性关系IscUocEUocIsc2.光谱特性3.频率特性tIs1.0tE0.370.63上下对于矩形脉冲光照对于正弦形光照tEtIs4.温度特性光电池外形：----外加反向偏压ESIIIEP0P光导工作区E=0E1E2UI)1e(IIIkTqU0pLU0URIUbLLIPEPNRLUbIDESRIRUELLLL3.3硅光电二极管和硅光电三极管3.3.1硅光电二极管总结：光电池工作区UbRLE=0E1E2UIL光敏二极管工作区U)1e(IIIkTqU0pLLbLR/)UU(IRLUbIPRLUb=0RLEILPNRLUb硅光电二极管和光电池的区别①…………②…………③…………④…………例：设有一光电二极管工作时的外加电源电压为Ub=9V,光敏二极管上的输照度在0~100W/m2之间做正弦变化，要使输出电压的变化范围为6V，求所需的负载电阻的大小，试做出负载线。I（μA）U(V)-0.5-5.5E=0E=100W/m2RLUb=-9VLbRU透镜（光窗）光敏面入射光P-SiN-Si前极后极2CU型N+N-SiP-Si前极后极环极N+2DU型环极外形图:3.3.2硅光电三极管bceUbNN+PIdIPESI)II(IEPdPC集成光电三极管：EPE内E外3.3.3硅光电三极管与硅光电二极管特性比较1.光照特性2.伏安特性①……②……③……④……主要表现为4个方面：3.温度特性4.频率响应特性光电流暗电流有电流放大作用，所以光电三极管的光电流和暗电流都大的多，必要时可采用温控或电路补偿主要取决于结电容Cj和负载电阻RL时间常数小于0.1μs时间常数长达5~10μs取决于发射结电容C、RL和光生载流子的基区渡越时间3.4结型光电器件的放大电路3.4.1结型光电器件与放大三极管的连接3.4.2光电器件与集成运算放大器的连接硅管硅管锗管电压跟随器ABABC3.5特殊结型光电二极管3.5.1象限探测器缺点：①由于表面分割，从而产生死区②若光斑落入一个象限，则无法判断输光斑的准确位置③受光强变化的影响，分辨率不高每个区域相当于一个光电二极管它们应有相同的转换效率3.5.2PIN型光电二极管优点：①耗尽层厚度变大，结电容变小，响应时间变小,最高可达0.1ns②耗尽层厚度变大，增大了对光的吸收和光电转换区域③增加了对长波的吸收，提高了长波灵敏度，0.4~1.1μm④可承受较高的反向偏压，线性范围变宽1.普通PIN型光电二极管2.特殊结构的PIN型光电二极管---光电位置传感器（PSD）ФPNxALLI123I2112IIIILxL2xLIIA1L2xLIIA21）一维PSD123IPI1I22）二维PSDa.两面分离型PSDIPb.表面分离型PSDxx'yy'xxxxIIIILxyyyyIIIILyxxxxIIIILxyyyyIIIILyIPxx'yy'c.改进型表面分离型PSDyyxxyxyxIIII)II()II(LxyyxxyxyxIIIIIIIILy)()(3）PSD转换放大电路4）光电位置传感器的特征和用途①对光斑形状无严格要求，只与光的能量重心有关②光敏面无死区，可连续测量光斑位置，分辨率高，可达0.2μm③可同时检测位置和光强，因PSD输出总电流与入射光强有关被广泛的应用于激光束的监控（对准、位移和振动），平面度检测、一维长度检测，二维位置检测系统5）注意事项①注意光谱匹配②所加反偏电压不要过大或过小③注意使用PSD时的环境温度•过小会减小会影响响应频率•过大会反向击穿④注意位置测量误差3.5.3雪崩光电二极管（APD）--------高反向电压下工作的光敏二极管，高电场加速了光生载流子的速度，产生二次载流子对。适合0.8~1.1μm弱光的探测特征：①灵敏度高，电流增益可达102~103②响应速度快，只有0.5ns，响应频率可达100GHZ③噪声等效功率很小，约为10-15W④反向偏压高，可达200V广泛应用于光纤通讯、弱信号检测、激光测距等领域3.5.4紫外光电二极管1.蓝、紫增强型硅光电二极管2.肖特基结光电二极管采用浅PN结的结构肖特基是金属与半导体接触形成的：n型半导体表面上覆盖一层极薄的金属膜（能透光），所以在表面处形成结区。可以看成是结深为零、表面覆盖着薄而透明金属膜的PN结光谱范围在：190~1100nm紫外光电二极管广泛应用于：激光辐射探测、天文物理研究、光谱学、医学生物等研究中。3.5.5半导体色敏器件根据人眼视觉的三色原理，利用不同结深的光电二极管对各种波长的光谱响应率不同的现象制成的1.工用原理2.双结硅色敏器件的检测电路1I2IλR1R2R1R2A2B2A1B102aIIlnU1AU202B12B2ARUURUU21B11B1ARURUU2B1BUU122A1A0RR)UU(U1SC2SCa1SC2SCaoIIlnU)IlnI(lnUUI2I102scIIln01scIIln2AU01aIIlnU用于复色光测量的色敏器件：应用：工业上----自动检测纸，纸浆、染料的颜色等医学上----测定皮肤、牙齿的颜色其它-----电视机彩色调整，商品颜色及代码的读取等3.6结型光电器件的应用实例-----光电耦合器件光电耦合器件：发光器件与光接收器件组合的一种元件，发光器件常采用发光二极管接收器件常采用光电二极管、光电三极管及光集成电路等。它以光作为媒介把输入端的电信号耦合到输出端----也称为光电耦合器。体积小、寿命长、无触点、抗干扰能力强、输出和输入之间隔离、可单向传输信号。有时还可取代继电器、变压器、斩波器已被广泛应用于：隔离电路、开关电路、数模转换电路、逻辑电路及长线传输、高压控制、线性放大、电平匹配等3.6.1光电耦合器件的分类、结构和用途分类---光电隔离器：在电路之间传送信息，实现电路间的电气隔离和消除噪声影响等光传感器：用于检测物体的有无状态或位置1.光电隔离器发光器件和光接收器件组装在同一管壳中，两者的管心相对、互相靠过，除光路部分外，其它部分完全遮光就构成了隔离器2.光传感器可检测物体的数目、长度、也可应用于数字控制系统中，在高速印刷中用作定时控制和位置控制，在传真机、复印机中用于对纸的检测或图像色彩浓度的调整通过透过光的通断来判断物体的数量和有无透过型：•自动报警反射型：•各种机械运程的行程限制•液面位置的行程限制LED光电探测器液面3.6.1光电耦合器件的基本电路1.发光二极管的驱动电路2.输出电路补充习题：1.光电池工作时不接外电源，为什么说在负载电阻不为零时，工作时光电池的PN结是实际上是工作在正向偏压下？3.设有一光电池工作于线性段，当入射辐照度为100W/m2时输出电流的大小为2mA,设负载电阻大小50Ω。①求此负载下的电流灵敏度和电压灵敏度。②求当入射辐照度改变为50W/m2时的输出电流和输出电压2.设一光电池，在入射辐照度为100W/m2时的开路电压为0.41V，求该光电池在入射辐射照度变为150W/m2时的开路电压，已知环境温度为T=300K。(波耳兹曼常数K=1.38×10-23焦/度)。4.画出光电二极管的电路图，和不同照度下的伏安特性曲线，画出负载线，写出光电流方程说明其与辐射照度的关系。6.在结型光电探测器中，哪些器件具有电流放大作用？简述其放大原理。5.设有一光电二极管工作时的外加电源电压为Ub=9V,光敏二极管上的辐照度在0~100W/m2之间做正弦变化，要使输出交变电压的幅值为3V，求所需的负载电阻的大小，试做出负载线。I（μA）U(V)-0.5-5.5E=0E=100W/m27.说明光电隔离器的主要组成及工作原理，画出5种常见光电隔离器的结构图8.借助图形说明透射型和反射型光电传感器的工作原理