光伏探测器的应用与发展

海军工程大学毕业设计（论文）报告书题目 光伏探测器的应用与发展专 业 光机电一体化工程 班 级 07-2051 ___姓 名 王 庆 _指导老师 刘照世 _2011 年 3 月 5 日摘 要1830 年，L.诺比利利用当时新发现的温差电效应也称塞贝克效应，制成了一种以半金属铋和锑为温差电偶的热敏型探测器，也是第一个探测器的诞生，继后其他功能的探测器相继发展。探测器主要用于测量检查, 控制跟踪, 图像测量和分析等方面。光伏探测器是利用半导体光伏效应制作的器件。这类器件品种众多，但它们的原理都是相同的，所以在性质上有许多相近的地方。本论文内容着重分析光伏探测器的原理和性能参数及光电池、光电二极管、光电三极管的结构和应用，介绍光伏探测器的发展前景。本论文还对光伏探测器的偏置电路有一定的介绍。关键词光伏探测器 性质 应用 发展 偏置电路AbstractIn 1830, l .debbi Billy using the new found at temperature electric effect also called plug baker effect, make a with half a metal bismuth and antimony temperature electric dipoles for the thermal type, and the first to detector probe after the birth of the other functions, following the detector successively development. The probe is mainly used for measuring inspection, control tracking, image measurement and analysis, etc. Photovoltaic detector is made using photovoltaic effects of semiconductor devices . This kind of device many kinds, but their principle is the same, so in nature have many similar place .This thesis focuses on analyzing the principle and performance photovoltaic detector test parameters and photoelectric triode, photoelectric diode, introduced the structure and application, the development prospect. This paper also on photovoltaic probe offset circuit has certain introduction. Key words Photovoltaic detector properties application development Offset circuit 引 言回顾 20 世纪的科学技术成就，考察这些成就对世界经济、军事和社会发展进程所产生的越来越深远的影响，我们不能不首先提到原子能、半导体、电子计算机和激光等重大发明。原子能的发明，使人类利用的能源从木材、煤炭、石油、电气阶段进入原子能时代；半导体、电子计算机的发明，将人类从工业时代推进到信息时代；激光的出现使整个电子学的概念、理论和技术推进到了光顾电磁波段。光伏探测器是利用半导体 P-N 结光生伏特效应而制成的探测器，简称 PV探测器。光电探测器是在紫外、可见光、近红外、中波红外和远红外这些光学波段上展开的。首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电探测器变成电信号输出。虽然光电测量方法灵活多样，看测参数众多，但光电探测器的工作原理均是其余物质的光电效应。光电效益分为外光电效应和内光电效应。外光电效应是指 物 质 吸 收 光 子 并 激 发 出 自 由 电 子 的 行 为 ； 内光电效应是 光 电 效 应 的 一 种 ， 主 要 由 于 光 量 子 作 用 ， 引 发 物 质 电 化 学 性 质 变 化 。 内 光电 效 应 又 可 分 为 光 电 导 效 应 和 光 生 伏 特 效 应 。 光 电 导 效 应 当 入 射 光 子 射入 到 半 导 体 表 面 时 ， 半 导 体 吸 收 入 射 光 子 产 生 电 子 空 穴 对 ， 使 其 自 生 电 导 增大 。 光 生 伏 特 效 应 当 一 定 波 长 的 光 照 射 非 均 匀 半 导 体 （ 如 PN 结 ） ， 在自 建 场 的 作 用 下 ， 半 导 体 内 部 产 生 光 电 压 。光 电 池 是 一 种 在 光 的 照 射 下 产 生 电 动 势 的 半 导 体 元 件 。 光 电 池 的 种 类 很多 ， 常 有 硒 光 电池、硅光电池和硫化铊、硫化银光电池等。主要用于仪表，自动化遥测和遥控方面。有的光电池可以直接把太阳能转变为电 能 ，这种光电池又叫太 阳 能 电 池 。太阳能电池作为能源广泛应用在人造地卫星、灯 塔 、无人气象站等处。光 电 池 也 叫 太 阳 能 电 池 ， 直 接 把 太 阳 光 转 变 成 电 。 因 此 光 电池 的 特 点 是 能 够 把 地 球 从 太 阳 辐 射 中 吸 收 的 大 量 光 能 转 化 换 成 电 能 。光 电 二 极 管 由 于 响 应 快 、 灵敏度高、性能稳定、检测线性好、噪声低而被广泛用于光电检测电路中，尤其在激光通讯测量中，通常要测量微瓦下的光信号，就更离不开硅光二极管，质量好的硅光二极管用于激光功率测量时，测量下限可以到达 W,分辨率可以达到 W。810 120光电三极管在多种电子设备中的应用非常广泛。随着数字通信技术的迅速发展以及光隔离器和固体继电器等自动控制部件在机械工业中应用的不断扩大,特别是微处理机在各个领域中的应用推广（有时一台微机上的用量可达十几个甚至上百个）和产品性能的逐步提高,光电耦合器的应用市场将日益扩大 ,同时,其社会交流和经济交流也一定会十分显著。今后,光电三极管将向高速化、高性能,小体积,轻重量的方向发展。目 录第一章 光电探测及其重要作用 .11-1、光电探测系统的组成 11-2 光电系统的应用 2第二章 光伏探测器 .42-1、光伏探测器的工作原理及伏安特性 42-2、光伏探测器的性能参数 62-2-1、响应率 .62-2-2、噪声 .72-2-3、比探测率 .82-2-4、光谱特性 .92-2-5、频率响应及响应时间 112-3、光伏探测器的偏置电路 .122-3-1、自偏置电路 122-3-2、零伏偏置电路 142-3-3、反向偏置电路 15第三章 光伏探测器的应用 173-1、光电池 .173-2、光电二极管 .183-3、光电三极管 .21第四章 光伏探测器的发展 254-1、光伏产业的产业链 .254-2、双驱动助推光伏产业发展前景广阔 .26总 结 28参考文献 29海军工程大学毕业论文第 1 页第一章 光电探测及其重要作用 1-1、光电探测系统的组成通常，光电探测器系统由光辐射源，光学系统，调制器，传输介质，光电探测器和电子系统等基本环节组成。图 1 所示为被动探测器系统的框图，如人体红外测温仪，微光夜视仪等。其信息源可以是来自被探测物体自身辐射，例如，所要探测的飞机，舰船，星体，火焰和人体等物体自身的紫外，红外或可见光辐射;也可以是来自其它自然辐射源照射在被探测物体上形成的反射，散射等光辐射。根据它们的辐射性质与周围环境的差别，探测系统就能获取有关信息。这些信息源的辐射经过传输介质，到达接收光学系统。接收光学系统获得的部分信息源辐射倍汇聚到光电探测器上，光电探测器将光信号转换为电信号。通常，为了尽可能提高检出信息的质量，系统中加入调制环节，从而光电探测器输出信号是调制信号。调制信号经电子系统放大、处理后，就能检测处所需的信息。由于检出的信息是由电信号表示的，可以跟后面多种环节连接，如连接显示、记录、存储和转换等环节。图 1 被动探测系统记录显示信息源 传输 光学 调制器 光电 电子 存储 （自然辐射源） 介质 系统 探测器 系统 转换 自然 辐射源 信息源 控制 接收系统 微机 海军工程大学毕业论文第 2 页图 2 所示为主动探测器系统的框图。其信息源不同时兼做辐射源，即系统不是利用信息源自身辐射，或者信息源为非光学量。这种系统将某些非光学的物理量先设法变成电信号，然后通过调制器把信息加载到光波上进行传输，典型的有光纤通信系统等，或者采用人工光源照射被测物体，使所需信息能加载到反射，透射，散射或衍射光波上，然后利用光电探测器系统进行检测。在接收端，主动光电系统与被动光电系统有同样的方块图。主动中传输介质大多是大气，少数采用光纤。1-2 光电系统的应用（1）测量检查。其基本功能是进行光学或非光学参量的光电检测，可测参量有几何测量、运动测量、表面形态参量、光学参量、成分分析、机械量、电磁量、以及温度和放射线的测量等。检测系统要求可靠的重复值和可信度，并且要有适用的数据处理能力和数据输出方式。（2）控制跟踪。这是一种有光电检测能力的反馈控制系统。光电传感器是信号反馈单元，当它检测到受控目标相对平衡状态的偏差信号可通过闭环控制使目标相对基准实现伺候跟踪或恒值调节。它的主要应用包括军事和科学应用，以及工业应用。跟踪系统要求有准确的跟踪能力和快速的动态响应能力。（3）图像测量和分析。它的功能是采集目标的二维或三维光强的时空分布，发射系统 接收系统 记录 显示 信息 调制 人工 光学 传输 光学 光电 电子 存储 源 器 光源 系统 介质 系统 探测器 系统 转换 人工 光学 调制 信息 光源 系统 器 源 控制 微机 海军工程大学毕业论文第 3 页记录和再现目标的图像并进行判读、识别或图像的运行处理。图形检测是图像分析的分支，其目的是同时完成图形几何坐标和光密度等级的精确测量，应用咋工业图形检测中。图像测量和分析主要依靠扫描或摄像装置采集光信号，同时进行空间-时间和光-电转换。海军工程大学毕业论文第 4 页第二章 光伏探测器2-1、光伏探测器的工作原理及伏安特性利用 P-N 结的光生伏特效应工作的光电探测器称为光生伏特探测器，或光伏探测器。图 3 是光照 P-N 结工作原理图，只要入射光子能量大于材料禁带宽度，就会在结区产生电子-空穴对。这些非平衡载流子在内建电场的作用下，空穴顺着电场运动，电子逆电场运动，在开路状态，最后在 N 区边界积累光生电子，P 区边界积累光生空穴，产生一个与内建电场方向相反的光生电场，即在 P 区和 N 区之间产生了光生电压 ，这就是光生伏特效应。只要光照不停ocV止，这个光生电压将永远存在。光生电压 的大小与 P-N 结的性质及光照度c有关。图 3 光照 PN 结工作原理图有光照时，若 PN 结外电路接上负载电阻 ,如图 4 所示，在 PN 结内将出LR现两种方向相反的电流一种是光激发产生的电子-空穴对形成的光生电流 ,PIP NIPID V -RL海军工程大学毕业论文第 5 页它与光照有关，其方向与 PN 结方向饱和电流 相同;另一种是光生电流 流oI DI过负载电阻 产生电压降，相当于在 PN 结施加正向偏置电压，从而产生正向PR电流 ，总电流 是两者之差，即流过负载的总电流为DILIA1/kTqVoPDPLeIII上式中的光电流 正比于光照度 ，比例常数 称为光照灵敏度，即PIEESASIP L图 4 光伏探测器等效电路的光伏（零偏压）工作模式当负载电阻 断开时， ，称 端对 端电压为开路电压 ，且由LR0LIPNocV于，则近似地有 （V）lnoEocISqkTV当负载电阻 短路时， ，称流过回路的电流为短路电流 ，短路L0L scI电流就是光生电流 。 与光照度 或光通量 Φ 成正比，从而得到最大线性PIE区，这在线性测量中被广泛应用。如果给 PN 结加上一个反向偏置电压 ，外加电压所建的电场方向与 PN 结bV内建电场方向相同，使光生电子-空穴对在强电场作用下更容易产生漂移运动，提高了器件的频率特性。海军工程大学毕业论文第 6 页PN 结光电器件在不同的照度下的伏安特性曲线，如图 5 所示。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；受光照后，光生电0E子-空穴对电场作用下形成大于反向饱和电流 的光电流 ，并与 同向，因oIPIoI此曲线将电流轴向下平移，平移幅度与光照度 的变化成正比，当.3,21iEPN 结上加有反向偏压时，非光生的暗电流随反向偏压增大有所增大，最后等于反向饱和电流 ，而光电流 几乎与反向电压的高低无关。oIPI图 5 光伏探测器的伏安特性曲线2-2、光伏探测器的性能参数2-2-1、响应率根据定义知，由式 可直接写出光伏探测器开路时响应1lnsoSocIqkTV率的表达式 lsoSocVIPR在弱光射情况下，上式可以近似为 soScVIqPkTRuA/oIV/VE0 IPE1E2E3E4海军工程大学毕业论文第 7 页将光电流 代人得 PhvqIssoocVIhvkTPR1由于式 可得出反向饱和电流为soocVIkTR1dnhpeso ALDq00式中 、 为少数载流子浓度， 、 分别为电子-空穴的扩散系数，0pnn、 分别为电子-空穴的扩散长度， 为探测器的光敏面积。eLh d由此可知，光伏探测器的响应率与器件的工作温度 及少数载流子浓度和扩散T有关，而与器件的外偏压无关，这是与光电导探测器的不相同的。2-2-2、噪声光伏探测器的噪声主要包括器件中光生电流的散粒噪声、暗电流噪声和器件的热噪声，其均方噪声电流 为2NidRfkTfqIi42式中， 为流过 P-N 结的总电流，它与器件的工作及光照有关， 为器件电阻，I dR因反偏工作时 相当大，热噪声可忽略不计，故光电流和暗电流引起的散粒dR噪声是主要的，则式可表示为 fIqisDN2下面着重讨论光伏探测器在有无光照情况下的暗电流噪声a、光照时通过器件的电流只有热激发暗电流 。当器件在零偏置时，流过 P-DIN 结的电流包含正向和反向的暗电流 与 。它们对总电流的贡献为零，而对噪声的贡献是叠加的，则均方噪声电流为 fIqiDN2海军工程大学毕业论文第 8 页一般情况下 ,故DIIfqIiN2同理，可以写出负偏压工作的光伏探测器的暗电流噪声，显然它只有零偏压工作时的一半。b、无光照时当偏压 时，流过 P-N 结的电流有 、 及 。因此，总的噪0AVDISI声电流均方值为 fIqisDN2有弱光照射是有 ,则 IS fqIiDN42上式与无光照射时的结果相同.当光伏探测器工作在负偏压时, ,则式0IfqIiDN2即负偏压的光伏探测器的噪声功率为零偏压的一半。2-2-3、比探测率光伏探测器 可表示为D2/1fAVRdN式中 为光伏探测器噪声电压均方根值。光伏探测器多以散粒噪声为主，NV当仅考虑散粒噪声时，在不同偏压情况下光伏探测器的比探测率可表示如下（1）零偏压工作时，利用 看得到光伏探测器的噪1lnsoSocIqkTV声电压均方值 ，将代人 得LDNfRqIV42/1fARdNVffIdLV|0海军工程大学毕业论文第 9 页（2）反偏压工作时，利用式 得fqIiDN42fAfRIDdLVV|0结果表明，零偏与反偏工作的光伏探测器的比探测率相差 倍。2利用光伏探测器的电流响应率 还可以得到 与零偏阻 的关系式，D0R由定义 2/11fAIRDdN式中 为噪声电流均方值。NI即 fRfkThcqd041KkcAqd2上式表示，光伏探测器工作于零偏时，比探测率 与 成正比。当D0RAd入射波长一定，器件量子效率相同时， 越大， 就越高。所以，零0RAd偏电阻往往也是光伏探测器的一个重要参数，它直接反应了器件性能的优劣。当光伏探测器受热噪声限制时，提高探测率 的关键在于提高结电阻和界面积的乘积和降低探测器的工作温度，同时 式也KTkcRAqd20说明，当光伏探测器受背景噪声限制时，提高探测率主要在与采用减小探测器视场角等办法来减少探测器接收的背景光子数。2-2-4、光谱特性和其他选择性光子探测器一样，光伏探测器的响应率随人射光波长而变化。海军工程大学毕业论文第 10 页近红外和可见光波段所用的光伏探测器材料多是硅和锗，其对光的吸收系数和量子效率 与波长的关系分别如下图 6、图 7510硅 锗430.4 0.8 1.2 1.6210m/  硅 锗0.40.2 0 0.4 0.8 1.2 1.6m/图 6 硅和锗材料光的吸收系数 图 7 硅和锗材料光的量子效率通常用硅能很好的光伏探测器。但其最佳响应波长在 0.8-1.0 ,对于 1.3或 1.55 红外辐射不能响应。锗制成的光伏探测器虽能响应到 1.7 ,但m 它的暗电流偏高，因而噪声较大，也不是理想的材料。对于接收大于 1 的m辐射需要采用ⅢⅤ和ⅡⅥ族化合物半导体。（1） 扩散时间 n假设光从 P-N 结的 N 侧垂直入射，且穿透深度不超过结区，则光电流主要是 N 区及结区光生空穴电流所成。N 区光生空穴扩散至结区所需要的时间与扩散长度和扩散系数有关。以 N 型硅为例，当空穴扩散距离为几微米时，则需扩散时间 约 s。对于高速响应器件，这个量是不能满足要求的。因n910此，在制造工艺上将器件光敏面作得很薄，以便得到更小的扩散时间 。n（2） 耗尽层中的漂移时间 d海军工程大学毕业论文第 11 页由半导体物理学可知，耗尽层中截流子的漂移速度与耗尽层宽度及其间电场有关。在一般的光电二极管中， 不是限制器件频率响应特性的主要因d素。2-2-5、频率响应及响应时间光伏探测器的频率响应主要有三个因素决定1光生截流子扩散至结区的时间 ；（2）光生截流子在电场作用下通过结区的漂移时间 ；（3）由结电容n d与负载电阻 所决定的电路常数 .dCLRC于是光伏探测器总的响应时间为 cnd2-2-6、温度特性光伏探测器和其他半导体器件一样，其光电流及噪声与器件工作温度有密切关系。 uAuAC图 8a表示光伏探测器在反偏 时暗电流与温度的关系曲线，图15V13（b）表示在电压恒定和光照恒定条件下光电流随器件工作温度的变化曲线。海军工程大学毕业论文第 12 页2-3、光伏探测器的偏置电路2-3-1、自偏置电路光电池工作时无外加偏压，直接与负载电阻连接。其输出电流 I 流过外加电路负载电阻产生的压降 就是它自身的正向偏压，故称为自偏压，其电路称LIR为自偏置电路，电路图如下图 6（a） 。因此光电池回路方程为LIU光电池伏安特性曲线对应图 5 中第四象限。由于无外加偏压，其伏安特性实际上表示的是它在一光照度下输出电流和电压随负载电阻变化的关系。为了分析和讨论的方便，将其伏安特性曲线旋转到第一象限，如下图 9（b） 。根据，图 9（b）中作出不同负载电阻 、 、 和 的直流负载线。LIRU 0LR12LoptR在下图 9（b）中这些负载线将光电池的工作状态分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个区域。 ⅡL2E43/VmAⅠ a图 9 光电池自偏压电路与光电池伏安特性及直流负载线（1）短路或线性电流放大区海军工程大学毕业论文第 13 页光电池工作在一区域时，负载电阻较小，其输出电流与光照有较好的线性关系。该区域称为短路或线性电流放大区。负载电阻越小，电流的线性越好，当负载短路 时，则输出短路电流为 0LR ESIpsc左图 10 给出了一种光电池的线性电流放大器。根据电路理论中的密勒定理，图中放大器的输出电阻为 式中ARrfi1为反馈电阻； 为放大器开环增益。因fRA, ，所以 。410Akf 0ir相当于光电池的负载 ，可以认为光电池irLR处于短路工作状态。放大器的输出电压为 fscIU0图 10 光电池的线性电流放大器这种电路不仅线性好，输出光电流大，而且暗电流近似于零，信噪比好，适合于弱光信号的检测。2、空载电压输出区光电池工作在Ⅵ区域，负载电阻很大，近似于开路 ，光电池输LR出电流 I0。该区域称为空载电压输出区。由 可知，当入1ln0IekTUpoc射光信号从“无”到“有”做跳跃式变化时，硅光电池输出电压从 0 跳跃到。在不要求电压随光通量线性变化的情况下，光电池开路输出具有V6.045.很高的光电转换灵敏度，而且不需要任何偏置电源，适合于开关电路或继电器控制电路。不足之处是频率特性不好，受温度影响也较大。 A-0L12-海军工程大学毕业论文第 14 页图 11 光电池空载电压放大器电路（3） 、功率放大区光电池工作在Ⅲ区域，当负载电阻取一电阻值 时，可使光电池具有LoptR最大的输出功率，该区域为功率放大区。光电池工作在这个区域，能将光能有效地转换成电能给负载供电。这是太阳能光电池的功能。2-3-2、零伏偏置电路光伏探测器在自偏置的情况下，若负载电阻为零，自偏压为零；或者在光伏探测器在反偏置的情况下，反偏压很小或接近零。这两种情况下都是零伏偏置或接近于零伏偏置，对应的偏置电路都称为零伏偏置电路。（1） 、零伏偏置电路特点光伏探测器采用零伏偏置电路时，它的 噪声最小，暗电流为零，可以f1获得较高的信噪比。因此反向饱和电流小，正、反向特性好的光伏探测器也常用零偏置电路，可避免偏置电路引入的噪声。（2）零伏偏置电路图 12 光照下 P-N 结伏安特性海军工程大学毕业论文第 15 页自偏置负载电阻为零反偏置反偏压很小或为零一些零伏偏置电路都属于近似的零伏偏置电路，它们都具有一定大小的等效偏置电阻，当信号电流较强或辐射强度较高时，将使其偏离零伏偏置。所以零伏偏置电路只适合对微弱辐射信号的检测，不适合较强辐射的探测领域。若要获得大范围的线性光电信号，应尽量采用光伏探测器的反向偏置电路。2-3-3、反向偏置电路光伏探测器在外加偏压时，若 N 区接正端，P 区接负端，则称光伏探测器处于反向偏置状态，对应的电路称为反向偏置电路。图 13 原理示意图 图 14 基本反向偏置电路如上图所示，设 为偏置电压， 为偏置电阻， 为光电二极管的输出电流。bULRI则反偏光电二极管的回路方程 LbUI光伏探测器反向偏置时，PN 结势垒区加宽，内建电场增强，从而减小了载流子的渡越时间，降低了结电容，可得到较高的灵敏度、较大的宽频带和较大的光电变换线性范围。海军工程大学毕业论文第 16 页第三章 光伏探测器的应用3-1、光电池光电池是一种无需外加偏压就能将光能转换成电能的光伏探测器。光电池可以分为两大类太阳能光电池和测量光电池。太阳能光电池主要用作电源，对它的要求是转换效率高、成本低，由于它具有结构简单、体积小、重量轻、可靠性高、寿命长、在空间能直接利用太阳能转换电能的特点，因而不仅仅成为航天工业上的重要电源，还被广泛地应用于供电困难的场所和人们日常生活中。测量光电池的主要应用时作为光电探测用，即在不加偏置的情况下将光信号转换成电信号，对它的要求是线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性好、寿命长，被广泛应用在光度、色度、光学精密计量和测验试中。（1）光电池的结构光电池是用单晶硅组成的，在一块 N 型硅片上扩散 P 型杂质，形成一个扩散 结；或在 P 型硅片扩散 N 型杂质，形成 结，在焊上两个电极。P 端np pn为光电池正极，N 端为负极，一般在地面上应用作光电探测器的多为 型。np型硅光电池具有较强的抗辐射能力，适合空间应用，作为航天的太阳能电池。图 15 是硅光电池结构示意图。海军工程大学毕业论文第 17 页图 15 硅光电池结构示意图（2）光电池的应用光电池的应用主要有两个方面，一是作为光电探测器件，二是将太阳能转变为电能。利用光电池作为探测器件，有着光敏面积打，频率响应高，光电流随照度线性变化等特点。因此，它既能作为开关应用，也可以用于线性测量。如用在光电读数、光电开关、光栅测量技术、激光准直，电影还音等装置上。利用光电池将太阳能变成电能，目前主要是使用硅光电池，因为他能耐较强的辐射，转换效率较其它光电池高。实际应用中，把硅光电池单体经串联、并联组成电池组，与镍镉蓄电池配合，可作为卫星、微波站、野外灯塔、航标灯、无人气象站等无输电线路地区的电源供给。3-2、光电二极管随着光电子技术的发展，光信号在探测灵敏度、光谱响应范围及频率特性等方面要求越来越高。光电二极管的工作原理同光电池一样，都是基于 P-N 结上电极 上电极引线SiO 抗反射膜扩散层Pn 结 Si 单晶背电极引线 背电极 0.海军工程大学毕业论文第 18 页的光伏效应工作的。但是，它与光电池相比有所不同掺杂浓度较低，电阻率较高，结区面积小，通常多工作于反偏置状态。因此，光电二极管的内建电场很强，结区较厚，结电容小，因而频率特性比光电池好，但其光电流比光电池肖达多，一般多为微安级。（1） 、硅光二极管基本结构图 16 硅光二极管的结构（2）硅光二极管的应用硅光二极管是一个大面积的光电二极管，它被设计用于把射到它表面的光转化为电能，因此，可用在光电探测器和光通信等领域。特点当它照射光时会流过大致与光量成正比的光电流. 用途1.作传感器用时,可广泛用于光量测定和视觉信息,位置信息的测定等. 2.作通信用时,广泛用于红外线遥控之类的光空间通信,光纤通信等. 3.紫蓝硅光电池是用于各种光学仪器，如分光光度计、比色度计、白度计、亮度计、色度计、光功率计、火焰检测器、色彩放大机等的半导体光接收器；紫蓝硅光电池具有光电倍增管，光电管无法比拟的宽光谱响应，它特别适用于工作在 300nm-1000nm 光谱范围的各种光学仪器对紫蓝光有较高的灵敏度、器件体积小、性能稳定可靠，电路设计简单灵活，是光电管的更新换代产品。目前也有可以使用到 190-1100nm 的产品,但紫外能量弱一些,光谱带宽不能太小,已经有很多厂家在紫外可见分光光度计上用了。海军工程大学毕业论文第 19 页（3）其它光电二极管A、PIN 光电二极管在 P-N 结之间加一本征层（I 层）,这种器件称为 PIN 光电二极管，又称耗尽层型光电二极管。只要适当控制本征层厚度，使它近似等于反偏压下耗尽层宽度，就可以使相应波长范围和频率相应得到改善。PIN 硅光电二极管使常用的耗尽层光伏探测器。它是采用高阻纯硅材料及离子漂移技术形成一个没有杂质的本征层，厚度为 500 左右其结构如下m增透膜 金属接触hI 层2SiO基片n图 17 PIN 光电二极管结构为了更好的使用方便及更好发挥光电二极管在系统中的最佳性能，设计和制作 PIN-FET 微型组件是发展趋势。这种器件是含有小面积、小电容的光电二极管与高输入阻抗的场效益管前置放大器组合体，其中所有引线长度及杂散电容都做得非常小。由于电容小， ，输入阻抗高，可以大大降低热噪声，这种组件还具有供电电压低，工作十分稳定，使用方便的特点。PIN 光电二极管的上述优点，使它在光通信、光雷达及其它要求快速光电自动控制系统中得到非常广泛的应用。B、雪崩光电二极管（APD）海军工程大学毕业论文第 20 页普通的硅光电二极管和 PIN 光电二极管是没有内增益的光伏探测器，而在光探测器系统中的实际应用中，大多是对微光信号进行探测，采用具有内增益的光探测器将有助于对微弱光信号的探测。雪崩光电二极管是具有内增益的光伏探测器，它是利用光生载流子在高电场区内的雪崩效应而获得光电流增益的，它具有灵敏度高，相应快等优点。用于制作雪崩二极管的材料主要是硅和锗，实际的器件具有极短的响应时间，即数以千兆的相应频率，高达 的增益，所以在光纤通讯、激光3210测距、激光雷达和光纤传感器等领域得到了广泛的应用。与 PIN 光电二极管比较，在同样负载条件下，前者具有高灵敏度。由于具有内增益可以大大降低对前置放大器的要求，但需要上百伏的工作电压。此外，雪崩光电二极管的性能与入射光功率有关，通常当入射光功率在 1 至几个 时，倍增电流与入nW射光具有较好的线性关系，但入射光功率过大，倍增系数 M 反而会降低，从而引起光电流的畸变。测量表明，只有当入射光功率 时光电流二次谐波50畸变才小于60dB。因此，在实际探测系统中，当入射光功率较小时，多采用APD， ，此时，雪崩增益引起的噪声贡献不大。相反，在入射光功率较大时，雪崩增益引起的噪声占主要优势，并可能带来光电流失真，这时采用 APD 带来的好处不大，采用 PIN 管更为恰当。因此，在具体使用中两种器件各具特点，应视系统的要求来选择。3-3、光电三极管利用雪崩倍增效应可获得具有增益的半导体光电二极管（APD）,而采用一般晶体管放大原理，可得到另一种具有电流内增益的光伏探测器，即光电三极管。它与普通的双极晶体管十分相似，都是有两个十分靠近的 P-N 结发射结和集电结构成，并均具有电流放大作用。为了充分吸收光子，光电三极管则海军工程大学毕业论文第 21 页需要一个较大的受光面，所以，它的响应频率远低于光电二极管。3-3-1、结构与工作原理光电三极管是一种相当于在基极和集电极之间接有光电二极管的普通三极管，因此，结构与一般晶体管相类似，但也有特殊地方。如图所示，图e、b、c 分别表示光电三极管的发射极、基极和集电极。正常工作时保证基极集电极结（b-c 结）为反偏压状态，并作为受光结。光电三极管的工作有两个过程一个光电转换；二是光电流放大。光电转换与一般光电二极管相同，当集电极加上相对发射极为正向电压而基极开路时，则基极集电极结处于反偏状态。无光照时由于激发而产生的少数载流子，电阻从基极进入集电极，空穴则从集电极移向基极，在外电路中有电流流过。当无光照射基区时，在该区产生电子-空穴对，光生电子在内电场作用下漂移到集电极，形成电流。与此同时，空穴则留在基区，使基极的电位升高，发射极便有大量的电子经基极流向集电极，总的集电极电流为 PPc III 1e hv bn p RLhv c b VAn eC图 18 光电三极管的结构及工作原理海军工程大学毕业论文第 22 页3-3-2、光电三极管的等效电路根据光电三极管的工作原理，我们可以比较容易低画出它的等效电路。如下图CIp Rce Cce RLV0Cbe b rbe e图 19 光电三极管交流等效电路输出电压 10 cebePRCjRjiiV式中 代入上式中得ceLR 10 ceLbePCRjCrjiiV3-3-3、光电三极管的应用无基极引线的光电三极管。它是依靠光的“注入” ，把集电结光电二极管的光电流加以放大，从而在集电极回路中得到一个被放大的光生电流。 “注入”的光强不同，得到的光生电流不同。无基极引线光电三极管实际应用时有电流控制和电压控制两种电路。在无光照的情况下，其暗电流很小，对于相应速度海军工程大学毕业论文第 23 页要求不高的开关电路，可以直接将灵敏的继电器串联在基极回路上。即可以比较方便地实现光电自动控制。有基极引线的光电三极管。有基极引线的光电三极管适用于高速开关电路和调制光的探测。海军工程大学毕业论文第 24 页第四章 光伏探测器的发展4-1、光伏产业的产业链光伏产业的产业链并不复杂，主要为上游的光伏设备制造业，光伏发电开发业以及下游的电力供应业。而这三个产业的衔接并不顺畅，阻碍了国内光伏产业的发展。 国内光伏设备制造业近年来发展很快，但是大部分市场在国外。金融危机使得国内光伏设备制造业面临前所未有的困境，行业产能过剩和低水平重复建设的弊端凸显出来。即使今年二季度开始国外订单有所增加，也只不过是欧美季节性需求的增长。对于国内光伏制造商来说，内需的真正启动，才意味着产业的真正回暖。而光伏发电建设行业与上游产业的对接显得十分薄弱。2008 年，我国光伏电池产量达 1.78G 瓦，占全球总量的 26；但当年国内光伏系统安装量仅为 40 兆瓦，占全球总安装量的比例仅为 0.73。虽然近期出台的新能源发展规划初稿的中长期目标中，光伏产业到 2020 年的发展目标将上调至2000 兆瓦，是目前的 10 倍，但是由于前期国内市场基数较低，加之后续配套政策的出台及具体工作的实施需要一段时间，很难期望国内市场短期有一个暴发性成长。而内需不足给设备制造商造成的困境必将影响其成长能力和技术进步能力，反过来不利于光伏发电开发行业的发展。另一方面，虽然我国电力供应业发展十分成熟，但是光伏发电本身规模小，上网电价高，对电网运行的稳定性和经济性均有不利影响，这也是新能源发电产业面临的共同困境。为了贯彻实施新能源发展战略，多项政策推动光伏发电接入电网，但是由于缺少具体的实施细则，政策可操作性差，对电网的约束力不够。今年 7 月下旬，国网电科院牵头开展的光伏电站并网标准编制取得阶段