光电检测技术―第四章ppt课件.ppt

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1、第四章光伏特探测器第四章光伏特探测器掌握内容光伏特探测器原理和特性。理解内容光伏探测器的电路偏置了解内容第四章光伏特探测器4.1光伏特效应4.2光伏探测器的工作模式4.3光电池4.4硅光电二极管和三极管第四章光伏特探测器利用光生伏特效应制造的光电敏感器件称光生伏特器件。光生伏特效应与光电导效应同属于内光电效应，但二者导电机理相差很大。4.1光伏特效应光生伏特效应：光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在PN结上产生电动势的效应。为何PN结会因光照产生光生伏特效应？有下面两种情况：不加偏压的PN结处于反偏的PN结4.1光伏特效应无光照下

2、的PN结4.1光伏特效应光照无偏压PN结当光照射在PN结时，如果电子能量大于半导体禁带宽度（E0＞Eg）,可激发出电子——空穴对，在PN结内电场作用下空穴移向P区，而电子移向N区，使P区和N区之间产生电压，这个电压就是光生电动势。基于这种效应的器件有：光电池I=Is0(eqU/KT1)Ip4.1光伏特效应处于反偏的PN结：无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；有光照时，光子能量足够大，产生光生电子——空穴对，在PN结电场作用下，形成光电流。电流方向与反向电流一致，光照越大光电流越大。具有这种性能的器件有：光敏二极管、光敏晶体管。

3、I=Is0(eqU/KT1)Ip4.1光伏特效应思考：为何结型光电器件在正向偏置时没有明显的光电效应？它必须在哪种偏置状态？为什么？4.1光伏特效应正向偏置：无光电效应反向偏置：光电导工作模式零偏置：光伏特工作模式图4-2光照下PN结及其伏安特性曲线4.2光伏探测器的工作模式无光照时，伏安特性曲线与一般二极管的伏安特性曲线相同，二极管就工作在这个状态，伏安特性曲线处于第一象限。当PN结上加有反偏压时，暗电流随反向偏压的增大有所增大，最后等于反向饱和电流I0，而光电流Ip几乎与反向电压的高低无关。光电二极管和光电三极管就工作在这个

4、象限。受光照后，光生电子-空穴对在电场作用下形成大于I0的光电流，并且方向与I0相同，因此曲线将沿电流轴向下平移到第四象限，平移的幅度与光照的变化成正比，即Ip=SEE。光电池就是依据这个原理工作的。4.2光伏探测器的工作模式4.2光伏探测器的工作模式PN结在光伏工作模式下的等效电路4.3光电池基于光生伏特效应，可以直接将光能转换成电能的器件。有光线作用时就是电源，广泛用于宇航电源，另一类用于检测和自动控制等。硒光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓、氧化铜光电池符号4.3光电池太阳能手机充电器太阳能供LED电警示太阳能电池4.3.1基

5、本结构和工作原理基本结构光电池核心部分是一个PN结，一般作成面积大的薄片状，来接收更多的入射光。在N型硅片上扩散P型杂质（如硼），受光面是P型层【2CR型】在P型硅片上扩散N型杂质（如磷），受光面是N型层【2DR型】4.3.1基本结构和工作原理受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和保护作用。上电极做成栅状，为了更多的光入射。因光子入射深度有限，为使光照到PN结上，实际使用的光电池制成薄P型或薄N型。4.3.1基本结构和工作原理为便于透光和减小串联电阻抗反射膜，增透和保护作用4.3.1基本结构和工作原理（a）光电池工作原理图（b）光

6、电池等效电路图（c）进一步简化图4-7光电池的工作原理图和等效电路有光照情况下4.3.2硅光电池的特性参数1、光照特性光照特性主要包括有：伏安特性、照度-电流电压特性和照度-负载特性。开路电压，光生电动势与照度之间关系称开路电压曲线，开路电压与光照度关系是非线性关系，在照度2000lx下趋于饱和。短路电流，短路电流与照度之间关系称短路电流曲线，短路电流是指外接负载RL相对内阻很小时的光电流。4.3.2硅光电池的特性参数不同照度时的伏-安特性曲线：图4-8硅光电池伏安特性曲线一般硅光电池工作在第四象限。若硅光电池工作在反偏置状态，则伏

7、安特性将延伸到第三象限。无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导体二极管相同。曲线与电压轴交点称为开路电压UOC。有光照时，沿电流轴方向平移，平移幅度与光照度成正比。曲线与电流轴交点称为短路电流ISC。OPQPM4.3.2硅光电池的特性参数E=0时，4.3.2硅光电池的特性参数考虑两种情况：（1）当负载电阻断开时，P端对N端的电压称为开路电压。得到：在一定温度下，开路电压与光电流的对数成正比，也可以说与照度或光通量的对数成正比。4.3.2硅光电池的特性参数（2）当负载电阻短路时(实际为外接负载RL相对内阻很小时)，光生电压接近于零，流

8、过器件的电流叫短路电流。这时p-n结光电器件的短路光电流与照度（弱照度）或光通量成正比。4.3.2硅光电池的特性参数4.3.2硅光电池的特性参数硅光电池的Uoc、Isc与照度的关系光电池的短路光电流Isc在很大范围内与入射光照度成正比