2.5光伏探测器件在线视频

好

我们来接着讲光探测器

这一节我们来讲光伏探测器

基于PN结光伏效应制成的探测器

称为光伏探测器

主要的包括光电池

各种光电二极管和光电三极管等

首先来看一下光电池

光电池是利用光生伏特效应

把光能直接转变成电能的器件

制造光电池的材料有

硅

硒

锗

砷化镓等

其中以硅光电池应用最为普遍

如图是硅光电池的这个结构

依据它的衬底为N型或者P型

我们把它称为2CR

或者2DR型

它的受光面上的电极

我们把它称为上电极或者叫做前电极

为了减少遮光

一般把它做成梳状

并且涂上抗反膜以增透

这些我们都很好理解

因为在这上面是要通过光照

对吧

然后让它产生相应的光伏效应

所以当然

我们需要给它留出一定的位置

并且增大透射减小反射

那它衬底端的电极

我们把它称为下电极或者后电极

探测器件里面的那个光电池的伏安特性

我们看这个图

就是说没光照的时候

大家可以看这个曲线里面的曲线1

随着电压的增大

它的电流也在升高

有光照的时候

大家可以看到它这里有一个

开路电压我们把它叫做Uoc

有一个短路电流

Isc

那是光照带来的一些影响

这些我们后面在讲

光伏发电的时候实际上还会再讲这些内容

这是光电池的伏安特性

这个道理我们后面也会解释

硅硒光电池的光谱特性

大家同样的可以看到

硅光电池的光谱相

对来说比较长

在长波段

而硒光电池相对来说在短波段

然后

刚才说的图里面有个Uoc和Isc

一个叫做开路电压一个叫做短路电流

这两个参数随光照的变化大家可以看到

随着光照的增加

它的短路电流

这个图里面

可以看出在线性的增加这很好理解

对不对

光照增加

那它光生载流子增加

对不对

相应的它短路

所以

它的N

和P极之间的这个电流当然也会增加

这叫短路电流

它的开路的电压呢

随着光照的增加

刚开始它增加的比较厉害

最后会达到一个稳定值

这实际上是一个平衡的结果

好我们来看一下第二个

光伏型探测器件叫光电二极管

光电二极管同光电池一样

它的基本的结构是一个PN结

但它与光电池相比

它的结的面积比较小

频率特性好

输出的电流也小

一般仅数微安

光电二极管主要的包括

常规的光电二极管

和PIN管和雪崩二极管

三种类型

而在后面我们会看到它和光电池的

一个比较大的区别是

光电池一般的来说不加外加电压

它产生的电压是它本身的载流子

产生的光生载流子产生的

而光电二极管主要是用来探测

光的强度

它不像光伏电池一样

是用来把其它的能量

比如说太阳光转化为电能

所以光电二极管主要用来探测光的

它一般的来说为了增加这个探测效果

它一般来说会加一个反偏电压

然后从而使它里边的

光生载流子实际上是它的少子的

效果更为明显

我们来先看一下它这个硅光电二极管

结构如图

刚才说了

我们一般为了增加这个效果

一般给它反偏

那反偏是什么意思呢

就是P加负

N加正

刚好和它的什么呀

和它内建电场是一样的

而我们前面讲过一个什么

半导体激光器LD

我们说它工作的时候是正偏的

激光器用的是它的多子

而这里的光探测实际上是用的光生载流子

实际上是它的少子

为了增加少子的这样一个作用

或者说让它的效果更为明显

所以我们用反偏

实际上是这样一个道理

我们可以互相做一个比较

这里给出了P+N结构和N+P结构

也就是说一种是什么呀

N型作为它的衬底

一种P型作为衬底

它上面加了一个二氧化硅的抗反膜

因为为什么要抗反呢

就是想多吸收太阳光

所以它加了个抗反膜

那个抗反膜二氧化硅里面一般会

掺有一定的这个少量的正离子

这个是没有办法来剔除的

因为它掺了少量的正离子

那它在这个P型的硅里面

就会感应出与N型多子相同的负离子

对不对

因为它是正型的当然会感应出负离子

对不对

它这个负离子当然和N型的这个多子

电子的那个极性是一样的

但是这个并不是由光照产生的

对不对

所以呢

这个图里面大家可以看到

b这个图

就是N+P就是以P作为衬底的

那为了减少这个外界的这样一个影响

因为它是由

掺杂的离子产生的一个和

N型的多子一样的这个离子

它并不是由本身的光照产生的

所以为了减少这种暗漏电流的影响

这个图里面大家可以看到

它加入了一个什么呀

在两端加入了一个比N端电压更高的电极

它叫做环极

这个环极起到

将刚才的产生的暗电流

就说引到它上面的一个作用

提供一个通道

这是它的一个特点

而对于前面a图就没有必要

因为它没有这个

和它的P那个极性

相同的这样一个粒子的产生

而这个后面这个以P作为衬底的

它产生的这个

负离子刚好它和N型的那个多子是一样的

而它是实际上不是由光照产生的

所以这个是它的环极的作用

这相应的电路

大家可以看到都是反偏

硅光电二极管的管的结构

大家看这里的这个a图

对吧

这样一个结构

它的那个顶部

这里画的是一个凸镜

凸面镜

凸镜大家知道有聚光的作用

所以

凸镜实际上可以提高它的探测的灵敏度

因为凸镜可以聚光

但是呢

它的灵敏度大家从这个图里面

b这个图里面可以看到

它的那个灵明度变化特别快

方向变化一点它就变化好多

所以对光的对准会比较麻烦

所以有的把它做成一种平镜就是把那个

镜面不要做的那么凸

做成一定的平的镜子

就可以解决对准问题

但是呢

这个杂散光就会对它有一定的影响

就是说各有优缺点吧

看你取舍

我们再看一下PIN光电二极管

刚才说

一般的光电二极管它也是一个PN结

这里的PIN中间夹了一个I

这个I是什么意思呢

实际上是叫本征层

它就是说

常规的光电二极管

它的耗尽层的厚度比较小

就是它的PN结

它中间的耗尽层的厚度比较小

这样它的实际上导致什么呢

厚度比较小

所以它的电容比较大

所以导致它的频带比较窄

响应比较慢

所以在PIN管实际上在P和N区里面

加入了一层较厚的本征层

本征层

大家知道它实际上

主要的是由两种离子组成的

对不对

它的单独的这个多子或者少子实际上是

用来导电的这个离子是非常少的

这样它的电阻会比较大

电压主要分布在它的上面

增加了这个结的这样一个厚度

那根据电容的公式

大家知道厚度增加

实际上电容会减小

所以这样提高了它的响应的速度

但是由于刚才说了它的本征层电阻比较大

所以它输出的电流比较小

一般仅数微安

这就是PIN管的结构

主要加入这个本征层的目的

是提高它的响应的速度

再看一下雪崩二极管

雪崩管是利用PN结

在高的反向偏压下

刚才说了一般都要反偏

但是那个雪崩管是把这个

反偏电压加的很高

所以产生了雪崩效应

所以它具有内部增益

灵敏度高

响应速度快

频率范围广等优点

但它的缺点是噪声比较大

那它那个雪崩的效果是怎么产生的

实际上

因为刚才说它是大的反偏

大的反偏所以

这个P区的电子

向N区跑的时候它是大的反偏

所以它的速度可以很快

它可以和这个晶格发生碰撞

让这个晶格里面又产生二次的电子

空穴

那二次的空穴

再向P区跑

然后又会打出相应的电子

所以它实现那个倍增的效果

所以很小的比较弱的光

利用它都可以来探测所以它的灵敏度高

这是利用它的雪崩效应

这里大家可以看到它上面还有一个环极

实际上叫做保护

目的

因为它的电压比较高容易击穿

就说你加的电压高但是有可能会出问题

所以它加了一个尖型的保护电极

就是起到保护的一个效果

别把它一下子击穿了

就彻底不能用了

这样一个特点

好再看一下光电三极管

光电三极管与我们普通说的晶体三极管

实际上一样具有电流放大作用

但你这叫光电三极管

主要的原因是什么呀

它的集电极的电流

同时受到基极和入射光的控制

而我们普通的晶体管

就是它的基极电流

决定了它的利用它的放大倍数

对吧

就可以决定它集电极的电流等等

它这个基极的电流

还除了受到基极本身的影响

还受到入射光的影响

这是它的和普通的晶体管的不同的地方

它的结构包括光窗

包括集电极发射极和基极的引出线

它的制作的材料一般为硅

管型为NPN

大家看这个结构

它的三个电极

然后NPN型

然后我们只需要看

最右边那个图就可以了

相当于在普通的晶体管的

c极和b极之间加了一个什么呀

一个反偏的一个二极管

实际上可以这样等效

而这个二极管当然是受光照影响的

所以它的基极电流会变化

实际上就是这一点

由图可以看出集电极上加的正电压

而它的集电结是反偏的刚才说的

发射结是正偏的

它的集电结是光电结

光照到集电结上的时候

会产生光生电流Ip

向基区输入

同时在集电极电路上

产生了一个被放大了的电流

近似等于

（1＋β）Ip

β是它的放大倍数

所以大家看它的这个工作图

对吧

和原来一样

它有个放大

随着电压的增加

它的电流增大

光照度增大它也增大

也就说它有个倍增的一个效果

就是一个放大效果

实际上这样一个目的

利用了普通晶体管的放大作用

又利用了常规的光电管的

光照产生电流这一点作用

所以它相当于一个复合的一个管子

好

我们做一个小结

这一节我们讲了

光探测器里边的光伏探测器

包括光电池

光电二极管

光电二极管又包括了

常规的PIN和雪崩管

然后讲了光电三极管

那下一节

我们讲热电型的三种探测器

包括热电偶

热释电探测器

测辐射热计

好

我们这一节的内容就到这里

谢谢大家