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红外探测器(修改版)ppt

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  光伏探测器利用半导体PN结光伏效应制成的器件称为光伏器件也称结型光电器件。这类器件品种很多其中包括各种光电池、光电二极管、光电晶体管、光电场效应管、PIN管、雪崩光电二极管、光可控硅、阵列式▪…□▷▷•光电器件、象限式光电器件、位置敏感探测器(PSD)光电耦合器件等。和光电导探测器不同光伏探测器的工作特性要复杂一些。通常有光电池和光电二极管之分也就是说光伏探测器有着不同的工作模式。因此在具体讨论光伏探测器的工作特性之前首先我们必须弄清楚它的工作模式问题。光电转换原理为了便于理解在后面将要引入的光伏探测器的等效电路我们先讨论一下光伏探测器的光电转换规律是十分必要的。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。PN结光伏探测器的作用原理如图所示:假定光生电子空穴对在结的结区即耗尽区内产生。由于内电场作用电子从n区向p区漂移运动被内电场分离的电子和空★△◁◁▽▼穴就在外回路中形成电流。就光电流形成的过程而言光伏探测器和光电导探测器有十分类似的情况。可以证明:在光伏情况下一个光生电子空穴对对外回路所贡献的总电荷量:光伏探测器的内电流增益等于。光伏探测器光电转换关系为这是和光电导探测器明显不同的地方。光伏探测器的工作模式现在我们可以说一个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。我们知道普通二极管的伏安特性为因此光伏探测器的总伏安特性应为和之和考虑到二者的流动方向我们有: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。光伏探测器的伏安特性曲线如图所示。从图可见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。第三象限里是反偏压状态。这时id=iSO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=)数值很小这时的光电流(等于iiSO)是流过探测器的主要电流这对应于光导工作模式。通常把光导工作模式的光伏探测器称为光电二极管因为它的外回路特性与光电导探测器十分相似。在第四象限中外偏压为零。流过探测器的电流仍为反向光电流随着光功率的不同出现明显的非线性。这时探测器的输出是通过负载电阻RL上的电压或流过RL上的电流来体现因此称为光伏工作模式。通常把光伏工作模式的光伏探测器称为光电池。应特别注意光电流总是反向电流而光电流在RL上的电压降对探测器产生正向偏置称为自偏压当然▲★-●要产生正向电流。最终两个电流抵消伏安曲线中止于横轴上。光电池光电池的基本结构就是一个PN结。按材料分◆●△▼●有硅、硒、硫化镉、砷化镓和无定型材料的光电池等。按结构分有同质结和异质结光电池等。光电池中最典型的是同质结硅光电池。国产同质结硅光电池因衬底材料导电类型不同而分成CR系列和DR系列两种。CR系列硅光电池是以N型硅为衬底P型硅为受光面的光电池。受光面上的电极称为前极或上电极为了减少遮光前极多作成梳状。衬底方面的电极称为后极或下电极。为了减少反射光增加透射光一般都在受光面上涂有SiO或MgFSiNSiO-MgF等材料的防反射膜同时也可以起到防潮防腐蚀的保护作用。硅光电池结构示意如图硅光电池光电池在光照下能够产生光生电势光电流实际流动方向为从P端流出经过外电路流入N端光生电势与照度是对数关系。当光电池短路时短路电流Isc与照度E成线性关系S=IscE称为灵敏度。在一定的照度下VA曲线在横轴的截距代表该照度下的开路电压Uoc。曲线在纵轴的截距代表该照度下的短路电流Is▲=○▼c。硅光电池的Uoc一般为~V最大不超过v因为它不能大于PN结热平衡时的接触电势差。硅单晶光电池短路电流为~mAcm。几种国产硅光电池的特性光电二极管光电二极管和光电池一样其基本结构也是一个PN结。它和光电池相比重要的不同点是结面积小因此它的频率特性特别好。光生电势与光电池相同但输出电流普遍比光电池小一般为数微安到数十微安。按材料分光电二极管有硅、砷化稼、锑化锢、铈化铅光电二极管等许▪▲□◁多种。按结构分也有同质结与异质结之分。其中最典型的还是同质结硅光电二极管。国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同分为CU和DU两种系列。CU系列以NSi为衬底DU系列以PSi为衬底CU系列光电二极管只有两个引出线而DU系列光电二极管有三条引出线除了前极、后极外还设了一个环极。硅光电二极管结构示意图DU管加环极的目的是为了减少暗电流和噪声。光电二极管的受◆▼光面一般都涂有SiO防反射膜而SiO中又常含有少量的钠、钾、氢等正离子。SiO是电介质这些正离子在SiO中是不能移动的但是它们的静电感应却可以使PSi表面产生一个感应电子层。这个电子层与NSi的导电类型相同可以使PSi表面与N-Si连通起来。当管子加反偏压时从前极流出的暗电子流除了有PN结的反向漏电子流外还有通过表面感应电子层产生的漏电子流从而使从前极流出的暗电子流增大。为了减小暗电流设置一个NSi的环把受光面(NSi)包围起来并从NSi环上引出一条引线(环极)使它接到比前极电位更高的电位上为表面漏电子流提供一条不经过负载即可达到电源的通路。这样即可达到减小流过负载的暗电流、减小噪声的目的。如果使用时环极悬空除了暗电流、噪声大些外其它性能均不受影响。CU管子因为是以NSi为衬底虽然受光面的SiO防反射膜中也含有少量的正离子而它的静电感应不会使NSi表面产生一个和PSi导电类型相同的导电层从而也就不可能出现表面漏电流所以不需要加环极。光电二极管的用法:光电二极管的用法只能有两种。一种是不加外▼▼▽●▽●电压直接与负载相接。另一种是加反向电压如图所示。a)不加外电源 b)加反向外电源 c)DU环极接法实际上不是不能加正向电压只是正接以后就与普通二极管一样只有单向导电性而表现不出它的光电效应。由于多数场合光电二极管都是加反向电压所以其伏安特性曲线常画成如下图所示的形式。上图的画法与硅光电池的伏安特性曲线图比较有两点不同。一是把硅光电池的伏安特性曲线图中Ⅰ、Ⅱ象限里的图线对于纵轴反转了一下变为上图(a)。这里是以横轴的正向代表负电压这样处理对于以后的电路设计很方便。二是因为开路电压UOC一般都比外加的反向电压小很多二者比较可略而不计所以实用曲线常画为上图(b)的形式。微变等效电路与频☆△◆▲■率特性:光电二极管的等效电路可表达如下:其中图a为实际电路图b为考虑到光电二极管结构、功能后画出的微变等效电路其中Ip为光电流V为理想二•☆■▲极管Cf为结电容Rsh为漏电阻Rs为体电阻RL为负载电阻图c是从图b简化来的因为正常运用时光电二极管要加反向电压Rsh很大Rs很小所以图b中的V、Rsh、Rs都可以不计因而有图c的形式图d又是从图c简化来的因为Cf很小除了高频情况要考虑它的分流作用外在低频情况下它的阻抗很大可不计。因此具体应用时多用图d和图c两种形式。流过负载的交变电流复振幅为:IL=Ip·(jωτ)ω:入射光的调制圆频率ω=πff为入射光的调制频率。τ=CfRL   IL的模量为可见IL是频率的函数随着入射光调制频率的增加而减小。当ω=τ时这时f=πτ称为上限截止频率或称为带宽。几种国产CU型硅光电二极管的特性几种国产DU型硅光电二极管的特性PIN管PIN管是光电二极管中的一种。它的结构特点是在P型半导体和N型半导体之间夹着一层(相对)很厚的本征半导体。这样PN结的内电场就基本上全集中于I层中从而使PN结双电层的间距加宽结电容变小。由式τ=CfRL与f=πτ知Cf小τ则小频带将变宽。因此这种管子最大的特点是频带宽可达GHz。另一个特点是因为I层很厚在反偏压下运用可承受较高的反向电压线性输出范围宽。由耗尽层宽度与外加电压的关系可知增加反向偏压会使耗尽层宽度增加从而结电容要进一步减小使频带宽度变宽。所不足的是I层电阻很大管子的输出电流小一般多为▽•●◆零点几微安至数微安。目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅片上并封装于一个管壳内的商品出售。雪崩光电二极管雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。这种管子工作电压很高约~V接近于反向击穿电压。结区内电场极强光生电子在这种强电场中可得到极大的加速同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此这种管子有很高的内增益可•□▼◁▼达到几百。当电压等于反向击穿电压时电流增益可达即产生所谓的自持雪崩。这种管子响应速度特别快带宽可达GHz是目前响应速度最快的一种光电二极管。噪声大是这种管子目前的一个主要缺△▪▲□△点。由于雪崩反应是随机的所以它的噪声较大特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时噪声可增大到放大器的噪声水平以至无法使用。光电晶体管光电晶体管和普通晶体管类似也有电流放大作用。只是它的集电极电流不只是受基极电路的电流控制也可以受光的控制。光电晶体管的外形有光窗、集电极引出线、发射极引出线和基极引出线(有的没有)。制作材料一般为半导体硅管型为NPN型国产器件称为DU系列。光电晶体管原理性结构如右图正常运用时集电极加正电压。因此集电结为反偏置发射结为正偏置集电结为光电结。当光照到集电结上时集电结即产生光电流Ip向基区注入同时在集电极电路即产生了一个被放大的电流Ic(=Ie=(+β)Ip)β为电流放大倍数。因此光电晶体管的电流放大作用与普通晶体管在上偏流电路中接一个光电二极管的作用是完全相同的。光电晶体管的灵敏度比光电二极管高输出电流也比光电二极管大多为毫安级。但它的光电特性不如光电二极管好在较强的光照下光电流与照度不成线性关系。所以光电晶体管多用来作光电开关元件或光电逻辑元件。光电晶体管的伏安特性曲线如图几种国产DU型光电三极管的特性阵列式或象限式结型光电器件利用集成电路技术使个至几百个光电二极管或光电池排成一行集成在一块集成电路片子上即成为阵列式的一维光电器件也可以使光电二极管或光电池制成象限式的二维光电器件。这两种器件中衬底是共用的而各光敏元都是独立的分别有各自的前极引出线。这种器件的特点是光敏元密集度大总尺寸小容易作到各单元多数一致便于信号处理。就目前的应用看两个并列的光电二极管或光电池可用来辨别光点移动的方向。~个并列的光敏元可用来收集光点移动的相位信息。几十个至几百个或更多并列的光敏元可用来摄取光学图象或用作空间频谱分析。象限式光电器件可用来确定光点在二维平面上的位置坐标。多用于准直、定位、跟踪或频谱分析等方面。光电位置探测器(PSD)PositionSensitiveDetectorsPSD是利用离子注入技术制成的一种可确定光的能量中心位置的结型光电器件有一维的和二维的两种。当入□◁射光是一个小光斑照射到光敏面时其输出则与光的能量中心位置有关。这种器件和象限光电器件比较其特点是它对光斑的形状无严格要求光敏面上无象限分隔线对光斑位置可连续测量。光电开关与光电耦合器光电开关和光电耦合器都是由发光端和受光端组成的组合件。光电开关不封闭发光端与受光端之间可以插入调制板。光电耦合器则是把发光元件与受光元件都封闭在一个不透光的管壳内。光电开关与光电耦合器结构示意图a)光电开关 b)光电耦合器发光端与受光端彼此独立完全没有电的联系两端之间的电阻一般都在Ω以上。光电开关多用于光电★▽…◇计数、报警、安全保护、无接触开关及各种光电控制等方面。光电耦合器多用于电位隔离、电平匹配、抗干扰电路、逻辑电路、模数转换、长线传输、过流保护及高压控制等方面。光伏探测器使用要点)极性结型器件都有确定的极性如要加电压使用时光电结必须加反向电压即P端与外电源的低电位相接。 )使用时对入射光▲●…△强范围的选择应视用途而定。用于开关电路或逻辑电路时光照可以强些。用于模拟量测量时光照不宜过强。因为一般器件都有这样的性质:光照弱些负载电阻小些加反偏压使用时光电线性好反之则差。)灵敏度主要决定于器件但也与使用条件和方法有关例如光源和接收器在光谱特性上是否匹配入射光的方向与器件光敏面法线是否一致等。 )结型器件的响应速度都很快。它主要决定于负载电阻和结电容所构成的时间常数(τ=RC)。负载电阻大输出电压可以大但τ会变大响应变慢。相反负载电阻小些输出电压要减小但τ会变小响应速度变快。)灵敏度与频带宽度之积为一常数的结论对结型光电器件也适用。)器件的各种参量差不多都与温度有关但其中受温度影响最大的是暗电流。暗电流大的器件容易受温度变化的影响而使电路工作不稳定同时噪声也大。)除了温度变化电、磁场干扰可引起电路发生误动作外背景光或光反馈也是引起电路误动作的重要因素应设法消除。作业:P、P某光电管伏安特性及负载线如图所示求:()工作电路()Ri()RL()u’和u”()工作动态范围()入射光功率μW时的输出电压()入射光功率μWμW时的输出电压()入射光功率从μW降为μW时输出电压变化Δu()饱和电阻某光敏电阻与负载电阻RL=kΩ串接于伏的直流电源上无光照时负载电阻上的输出电压为u=mV有光照时负载上的输出电流u=V试求:光敏电阻的暗电阻和亮电阻值若光敏电阻的光导灵敏度S=×slx求光敏电阻所受的照度?如果Si光电二极管灵敏度为μAμW节电容为pF光照功率μW时拐点电压为V偏压V光照信号功率(μW)试求:()线性最大输出功率条件下的负载电阻()线性最大输出功率()响应截止频率。

  很多人都会好奇,为什么中国女子怀孕,会说身怀六甲呢?原来这六甲来源“天干”,即甲子、甲寅、甲辰、甲午、甲申、甲戌六个甲日,是象征着生命起始的日子。由于天干地支这一历法与古人的生活息息相关,并被赋予了神秘的符号内容,因此成为了我们研究古人智慧及其生活方式的重要资料。