光电信号检测综述太阳能光电转换基本原理.docx
- 文档编号:12220959
- 上传时间:2023-04-17
- 格式:DOCX
- 页数:18
- 大小:341.36KB
光电信号检测综述太阳能光电转换基本原理.docx
《光电信号检测综述太阳能光电转换基本原理.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《光电信号检测综述太阳能光电转换基本原理.docx(18页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
光电信号检测综述太阳能光电转换基本原理
摘要:
在当前的信息化社会中,光电技术已成为获取光信息或借助光提取其他信息的重要手段。
而光电信号检测技术,是一种非接触测量的高新技术,是光电技术的核心与重要部分。
它以激光、红外、光纤等现代化光器件为基础,通过光电检测器件对载荷有被检测物体信息的光辐射进行检测,并转换为电信号,经过检测电路、A/D转换接口输入微型计算机进行处理、计算,最后得出所需检测物体信息的几何变量或物理量等参数。
因此,光电信号检测是现代检测技术的重要手段和方法,是计量技术的一个重要发展方向。
该文通过对光电信号检测的原理、器件、最新进展等发面的分析表述,对其做了总体综述。
关键词:
光电信号检测技术,光电检测原理,光电器件,应用,光电器件最新进展,光电器件发展趋势
光电检测原理
光电检测技术从原理上讲可以一切影响光量和光特性的非电量。
它可以通过光学系统把待测的非电信息换成便于接受的光学信息,然后用光学信号探测器将光学信息量转换为电量,并进一步经过电路放大、处理,以达到电信号输出的目的。
然后采用电子学、信息论、计算机及物理学等方法分析噪声产生的原因和规律,以便进行相应的电路改进,更好的研究被噪声淹没的微弱信号中的特点与相关性,从而了解非电量的状态。
微弱信号检测的目的是从噪声中提取有用信号,同时提该检测系统的信噪比。
光电信号的转换的基础原理在于光电效应,下面来介绍光电效应。
1.光电导效应
光电效应是指半导体受照射后,其内部产生光生载流子,使半导体中的载流子数目增多而使电导降低的现象。
对光电器件而言,灵敏度、弛豫时间和光谱分布是最重要的参数。
1.1光电导体的灵敏度
灵敏度是指在一定条件下,单位照度所引起的光电流,一般用光电增益G表示。
由电子与空穴的产生率与复合率得出:
G=
β为量子产额,τ为光生载流子寿命,
为光电导两极间的渡越时间,则
=
=
如果在光电导体中自由电子空穴对参与导电时,光电导器件的增益为:
G=β(
+
)
L为两极间的距离,μ为迁移率,U为外加电压。
此公式在光电导器件的设计中有很大的参考意义。
1.2光电导的弛豫
光电导是非平衡载流子效应,因此有一定的弛豫现象:
光照射到样品后,光电导逐渐增加,最后达到定态;光停止是,光电导在一段时间后才消失。
这种弛豫现象表现了光电导对光强变化反应的快慢。
在分析光电导时,通常分为两种情况:
直线性光电导,光电导与光强成线性关系,如Si,Ge,PbO等;抛物线性光电导,光电导与光强的平方根成正比。
在直线性光电导中弛豫中,光电流按指数规律上升下降。
t=τ时,光电流上升至饱和值的(1-1/e),即饱和值的63%;或下降至饱和值的1/e,即饱和值的37%。
光电导上升下降曲线如下图。
光生载流子的定态值可表示为弛豫率和弛豫时间的乘积。
因此,弛豫时间越小则定态灵敏度越小,定态灵敏度越高则弛豫时间越长。
1.3光电导的光谱分布
一些典型本征光电导光谱分布曲线
由图可以看出,不同半导体光电材料由于不同的禁带宽度,对应不同的光谱响应曲线。
每一条曲线都有一个峰值,长波曲线会迅速下降,只有光子能量大于材料的禁带宽度,才能激发电子空穴对,引起本征电导。
在长波部分,当光子能量小于禁带宽度,不能将电子从价带激发到导带,则光电导迅速下降。
所以光谱的分布存在一定的波限。
每条曲线在峰值的短波部分也逐渐在下降,这种下降是由于光生载流子在样品内分布情况改变的结果。
波长短,样品对光的系数大,光生载流子就越集中于光照表面。
这是受表面影响增大,表面能级、表面复合与电极等作用可能降低量子产额,减少载流子的迁移率与寿命,这都可以引起光电导的下降。
2.光生伏特效应
光生伏特效应是光照使不均匀半导体活均匀半导体中光生电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象。
在均匀半导体中没有内建电场,当光照这种半导体一部分时,由于光生载流子浓度梯度的不同而引起载流子的扩散运动。
但电子跟空血的迁移率不相等,使得在不均匀光照下,由于两种载流子的扩散速度不同而导致两种电荷分开,从而出现光生电势。
在不均匀半导体中,由于PN节、异质节或肖特基势垒都存在内建电场,光照这种半导体时,半导体对光吸收而产生电子空穴对,在内建电场的作用下会相对运动而产生电位差。
光生伏特效应包括了由势垒产生的光生伏特效应、载流子浓度梯度引起的光生伏特效应(丹倍效应)、由外加电场产生的光生伏特效应(光电磁效应)和光子牵引效应,在这里就不一一叙述了。
3.光电发射效应
在光电效应中,如果被激发的电子能逸出光敏物质表面而在外电场的作用下形成光电流子,就是光电发射效应。
3.1斯托列托夫定律
当入射光线的频谱成分不变时,光电阴极的饱和光电发射电流
与被阴极吸收的光通量
成正比
=
为光阴极灵敏度。
这个关系在光度测量与光电转化中的作用非常重大。
3.2爱因斯坦定律
发射出的光电子最打动能随随入射光的增高而线性增大,与光强无关。
物质中的电子吸收了光子的能量,有足够的逸出功克服边界势垒而逸出表面。
hν=
+Фo
Фo为光电阴极逸出功。
3.3光电发射的红限
在入射光频谱范围内,光电阴极存在临界波长,光波波长等于这个临界波长时,光电子刚好能从阴极逸出,这个波长通常被称为“红限”。
临界波长为
=
=
3.4光电发射的瞬时性
光电发射时间延迟不会超过3*
s的数量级,所以认为光电发射无惯性,这决定了外光电效应器件有很高的频率。
3.5光电发射过程
光电发射过程包括三个过程:
(1)电子得到光子后产生激发,即得到能量;
(2)得到光子能量的电子从发射体向外运动;
(3)这种受激电子越过表面势垒逸出。
光电检测器件特性参数
光电检测器件是利用物质的光电效应把光信号转换为电信号的器件,根据光电器件对辐射作用方式不同分为光子检测器件和热电检测器件。
各光电信号检测器件的结构原理不同,所以需要用一些参数来表征其特性,下面简略的介绍影响光电器件的特性参数。
1.有关响应方面的特性参数
1.1响应度(或称灵敏度)
定义为光电检测器输出电压V0或输出电流I0与入射光功率P(或通量Φ)之比。
电压响应度:
电流响应度:
1.2光谱响应度
光电检测器的输出电压或输出电流与入射到检测器上的单色辐通量(光通量)之比。
光谱响应度是表述入射的单色通量或光通量所产生的检测器的输出电压(或电流)。
它的值愈大意味着检测器愈灵敏。
1.3积分响应度
积分响应度表示检测器对各种波长的辐射光连续辐射通量的反应程度。
总通量:
光电流:
积分响应度:
不同的辐射源,或不同色温的同一辐射源所发生的光谱量分布也不同,因此提供数据时应指明采用的辐射源及其色温。
1.4响应时间
当入射辐射到光电检测器后或入射辐射遮断后,光电检测器的输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需时间称为响应时间。
上升时间:
10%90%tr
下降时间:
90%10%tf
1.5频率响应
光电检测器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性称为频率响应
S(f):
频率为f时的响应度;S0:
为频率是零时的响应度;λ:
为时间常数(等于RC)
上限截止频率:
2.有关噪声方面的参数
2.1光电检测器件的噪声
2.1.1热噪声(约翰逊噪声)
热噪声即载流子无规则的热运动造成的噪声。
热噪声电压:
热噪声电流:
当2πfτ<<1时,
此时为白噪声。
2.1.2闪烁噪声(1/f噪声,低频噪声)
光敏层的微粒不均匀或有不必要的微量杂质存在,当电流流过上时在微粒间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲。
2.1.3散粒噪声(散弹噪声)
穿越势垒的载流子的随机涨落(统计起伏)所造成的噪声。
散粒噪声也是白噪声。
2.1.4产生-复合噪声
载流子的产生率和复合率在某个时间间隔也会在平均值上下起伏,从而导致载流子浓度的起伏,产生均方噪声电流。
2.2衡量噪声的参数
2.2.1信噪比(S/N)
在负载电阻上产生的信号功率与噪声功率之比。
分贝(即dB)表示
2.2.2等效噪声输入(NEI)
器件在特定带宽内(1Hz)产生的均方根,信号电流恰好等于均方根噪声电流时的输入通量。
输入通量以瓦或流明表示。
2.2.3噪声等效功率(NEP,最小可探测功率Pmin)
S/N=1时,入射到探测器件上的辐射通量(瓦)
NEP越小,噪声越小,器件性能越好。
2.2.4暗电流Is
光电检测器件在没有输入信号和背景辐射时所流过的电流(加电源时)
一般用直流值或平均值表示。
典型光电检信号测器件与应用
光电信号检测器件在生活科技中有很宽广的用途,下面介绍几种典型的光电信号检测器件以及它们他应用。
1.光电倍增管(PMT)
1.1PMT的基本原理
如下图所示,光子入射到光电阴极面K上时,只要光子能量高于光电能量阈值,光电阴极就将产生电子发射。
发射的电子在电场和电子光学系统的作用下,经电子限束器D汇聚加速运动到第一增级
上,第一倍增级发射出的电子再高动能电子的作用下,将发射比入射电子数目更多的电子(倍增)。
经n级倍增后,电子被放大n次,最后在阳极被收集,形成阳极电流。
这就是PMT的工作原理。
光电倍增管工作原理示意图
1.2PMT的结构
PMT由光电阴极、电子光学系统、二次发射倍增系统和阳极构成。
光电阴极可以由不同的光电发光材料构成,阳极一般采用栅网状阳极,如下图
阳极结构示意图
典型的电子光学系统如下图
电子光学系统结构示意图
系统形成的电场很好的把来自阴极的光电子汇聚成束并通过膜孔打到第一倍增极上。
然后经倍增管倍增入射到阳极。
1.3PMT的应用
由于光电倍增管增益高和响应时间短,又由于它的输出电流和入射光子数成正比,所以它被广泛使用在天体光度测量和天体分光光度测量中。
其优点是:
测量精度高,可以测量比较暗弱的天体,还可以测量天体光度的快速变化。
天文测光中,应用较多的是锑铯光阴极的倍增管,如RCA1P21。
这种光电倍增管的极大量子效率在4200埃附近,为20%左右。
还有一种双硷光阴极的光电倍增管,如GDB-53。
它的信噪比的数值较RCA1P21大一个数量级,暗流很低。
为了观测近红外区,常用多硷光阴极和砷化镓阴极的光电倍增管,后者量子效率最大可达50%。
2光敏电阻
2.1光敏电阻的结构
通常光敏电阻器都制成薄片结构,以便吸收更多的光能当它受到光的照射时,光敏层内激发出电子—空穴对,参与导电,使电路中电流增强。
为了获得高的灵敏度,光敏电阻的电极常采用梳状图案,它是在一定的掩膜下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。
光敏电阻器通常由光敏层、玻璃基片(或树脂防潮膜)和电极等组成。
光敏电阻器在电路中用字母“R”或“RL”、“RG”表示。
光敏电阻外形与电路符号光敏电阻结构图
2.2光敏电阻工作原理
光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。
在半导体光敏材料两端装上电极引线,封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻,为了增加灵敏度,两电极常做成梳状。
当受到光照时,只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度,则价带中的吸收吸收一个光子的能量后可跃迁到导带,并在价带中产生一个带正电荷的空穴,这种由光照产生的电子—空穴对了半导体材料中载流子的数目,使其电阻率变小,从而造成光敏电阻阻值下降。
光照愈强,阻值愈低。
入射光消失后,由光子激发产生的电子—空穴对将复合,光敏电阻的阻值也就恢复原值。
在光敏电阻两端的金属电极加上电压,其中便有电流通过,受到波长的光线照射时,电流就会随光强的而变大,从而实现光电转换。
2.3光敏电阻的应用
光敏电阻属半导体光敏器件,除具灵敏度高,反应速度快,光谱特性及r值一致性好等特点外,在高温,多湿的环境下,还能保持高度的稳定性和可靠性,可广泛应用于照相机,太阳能庭院灯,验钞机石英钟,音乐杯,礼品盒,迷你小夜灯,光声控开关,路灯自动开关以及各种光控玩具光控灯饰,灯具等光自动开关控制领域。
3.PIN光电二极管
3.1PIN光电二极管的工作原理
普通二极管在反向电压作用时处于截止状态,只能流过微弱的反向电流,光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大,以便接收入射光。
光电二极管是在反向电压作用下工作的,没有光照时,反向电流极其微弱,叫暗电流;有光照时,反向电流迅速增大到几十微安,称为光电流。
光的强度越大,反向电流也越大。
光的变化引起光电二极管电流变化,这就可以把光信号转换成电信号,成为光电传感器件。
3.2PIN光电二极管的结构
PIN光电二极管结构示意图
有源区是势垒区,所以展宽势垒区即可提高灵敏度。
PIN结光电二极管实际上也就是人为地把PN结的势垒区宽度加以扩展,即采用较宽的本征半导体I层来取代势垒区,而成为了PIN结。
PIN结光电二极管的有效作用区主要就是存在有电场的I型层(势垒区),则产生光生载流子的有效区域增大了,扩散的影响减弱了,并且结电容也大大减小了,所以其光检测的灵敏度和响应速度都得到了很大的提高。
3.3PIN光敏二极管的应用
它的光生电流随光强变化的线性度较好,而且量子效率也更高,同时结构简单、速度高(可达到30GHz)、工作电压低、偏置电路简单以及成本低廉等,所以它在音频和视频光盘播放机以及光纤通信系统中有着非常广泛的应用。
光电探测器和硅光电池中大量用到PIN光敏二极管。
光电信号检测技术最新进展
用于光电直读表光电模块的光电管排列结构--深圳华旭科技专利(2011.9)
用于光电直读表光电模块的光电管排列结构,包括用于读取光电直读表中字轮数字的发射光电管和接收光电管,发射光电管、接收光电管按照矩阵形式各自布置在一块PCB板上,各PCB板分置于所述字轮的两侧,各发射光电管和接收光电管间分别一一对应。
发射光电管和接收光电管采用可过滤可见光的红外贴片光电管。
通过将光电直读表光电模块上的发射光电管和接收光电管分别排布在不同的PCB板上,发射光电管的光能被另一PCB板上的接收光电管准确接收。
同时,发射光电管和接收光电管采用可过滤可见光的红外贴片光电管,使光电直读表的抗外界可见光干扰能力大大提高,读数准确率也显著提高。
光电转换设备和使用该光电转换设备的成像系统—佳能株式会社专利(2011.8)
本发明提供光电转换设备和使用该光电转换设备的成像系统。
在该光电转换设备中布置多个光电转换元件,包括第一光电转换元件、第二光电转换元件和第三光电转换元件。
在第一光电转换元件和第二光电转换元件之间设置第一宽度的第一导电型的第一半导体区,其中信号电荷是少数载流子。
在第一光电转换元件和第三光电转换元件之间设置第二宽度的杂质浓度更高的第一导电型的第二半导体区,该第二宽度小于第一宽度,在半导体基板中,第二半导体区处于比第一半导体区的深度更深的位置处。
光电转换元件、光电转换装置和固态成像装置—索尼公司专利(2011.9)
本发明提供了检测电流变化的方法、光电转换元件、光电转换装置和固态成像装置,该方法包括用光照射至少一个光电转换材料层,并检测在光电转换材料层中所产生的电流的增大变化。
该光电转换装置包括具有光电转换材料层的光电转换元件,以及电连接至光电转换元件的电流检测电路。
在光电转换装置中,电流检测电路检测在光电转换材料层中产生的电流的增大变化。
高速低功耗光电耦合电路—杭州电子科技大学研究成果(2011.4)
本实用新型公开了一种高速低功耗光电耦合电路。
现有的电耦合电路频率响应特性不好。
本实用新型中的输入电阻与加速电容并联,输入电阻与加速电容并联的一个节点作为光电耦合电路的信号输入端,输入电阻与加速电容并联的另一个节点分别与第一光电耦合器输入端负极和第二光电耦合器输入端正极连接,第一光电耦合器输入端正极接供电电源,第二光电耦合器输入端负极接地;第一光电耦合器输出端正极接供电电源,第一光电耦合器输出端负极与第二光电耦合器输出端正极连接作为光电耦合电路的信号输出端,第二光电耦合器输出端负极接地。
本实用新型电路简单,既具有良好的频率特性,又具有功耗低的特点。
Excitabilityofperiodicandchaoticattractorsinsemiconductorlaserswithoptoelectronicfeedback—TheEuropeanPhysicalJournalD(2010-04-06)
ThedynamicsofasemiconductorlaserwithAC-couplednonlinearoptoelectronicfeedbackhasbeenexperimentallystudied.Aperioddoublingsequenceofsmallperiodicandchaoticattractorsisobserved,eachofthemdisplayingexcitablefeatures.Thisscenarioisfoundalsoinasimplifiedphysicalmodelofthesystem,thusextendingtheconceptofexcitability,usuallyassociatedtofixedpoints,alsotothecaseofhigher-dimensionalattractors.
Ultrafastphotoelectriceffectsandhigh-sensitivephotovoltagesinperovskiteoxidesandheterojunctions—FrontiersofPhysicsinChina(2010-05-23)
Perovskiteoxidesandheterojunctionshaveattractedmuchattentionduetotheirmultifunctionalpropertiesofelectricityandopticsandmagneticaswellastheverygoodchemicalandthermalstability.Inthisbriefreview,wedescribethenovelprogressofresearchesintheopticalcharacteristic,includingultrafastphotoelectriceffectsofpicosecondorderinperovskiteoxidesinglecrystals,thin-filmsandheterojunctions,high-sensitivephotovoltages,theenhancedtransientlateralphotovoltagesinperovskiteoxidethin-filmsandheterojunctions,andthehigh-sensitiveultraviolet(UV)photodetectorsbasedonperovskiteoxides.Therecentadvancespresentinthispapernotonlycouldstimulatetheoreticalstudiesonthemechanismbutalsowouldopenupthepossibilitiesinthedevelopmentsofoptoelectronicdevicesbasedonperovskiteoxidesandheterojunctions.
光电信号检测技术发展趋势
目前,世界光电产业呈现如下发展趋势。
1.光信息向超大容量、高速率和全光网络发展。
超大容量DWDM的全光网络将成为主要的发展趋势。
2.光显示向真彩色、高分辨率、高清晰度、大屏幕和平面化方向发展。
3.光器件的发展趋势是小型化、高可靠性。
多功能、模式化和集成化。
此外,光子计算与光信息处理产业、全光电子通信产业、光子集成器件产业、聚合物光纤光缆产业、聚合物光电器件产业和光子传感器产业等,将成为未来光电产业发展的重要组成部分。
参考文献:
1.王庆有,王晋疆,张存林等.光电技术(第二版)[M].电子工业出版社,2008.6
2.雷玉堂.光电检测技术(第二版)[M].中国计量出版社,2009.6
3.赵慧玲.APD微弱光电信号探测技术研究[C].长春理工大学,光信息科学与技术.2010
4.曾凯,郑煜.微弱光信号检测技术研究[J].航空机密制造技术,2011年3期
5.K.Al-Naimee,F.Marino,M.Ciszaketc.Excitabilityofperiodicandchaoticattractorsinsemiconductorlaserswithoptoelectronicfeedback[J].TheEuropeanPhysicalJournalD,2010-04-06
6.Er-jiaGuo,Hui-binLü,Kui-juanJin,Guo-zhenYang.Ultrafastphotoelectriceffectsandhigh-sensitivephotovoltagesinperovskiteoxidesandheterojunctions[J].FrontiersofPhysicsinChina,2010-05-23
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 光电 信号 检测 综述 太阳能 转换 基本原理