第三章光生伏特器件2-1

1、第三章、光生伏特器件第三章、光生伏特器件 利用光生伏特效應(yīng)的光電敏感器件稱為光生伏特器件。光生伏特效應(yīng)與光電導(dǎo)效應(yīng)同屬于內(nèi)光電效應(yīng)，但二者導(dǎo)電機(jī)理差別很大。 簡單來說，光生伏特效應(yīng)是基于少數(shù)載流子導(dǎo)電的光電效應(yīng)；光電導(dǎo)效應(yīng)是多數(shù)載流子導(dǎo)電的光電效應(yīng)。 這兩類器件在性能上有很大差別：光生伏特器件暗電流小、噪聲低、響應(yīng)速度快、光電特性線性好、受溫度影響?。还怆妼?dǎo)器件在微弱輻射探測能力和光譜響應(yīng)范圍方面有優(yōu)勢。利用半導(dǎo)體PN結(jié)光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)制成的器件稱為光伏器件光伏器件，也稱結(jié)型光電器件。這類器件品種很多，包括：光電池、 光電二極管光電二極管、 光電晶體管光電晶體管、 光電場效應(yīng)管光電場效應(yīng)管、

2、PIN管管、 雪崩光電二極管雪崩光電二極管、光可控硅光可控硅、 陣列式光電器件陣列式光電器件、象限式光電器件象限式光電器件、 位置敏感探測器（位置敏感探測器（PSD）、）、 光電耦合器件光電耦合器件等。和光電導(dǎo)探測器不同，光伏探測器的工作特性要復(fù)雜一些。通常有光電池和光電二極管之分。具有光生伏特效應(yīng)的半導(dǎo)體材料有很多，例如硅（Si）、鍺（Ge）、硒（Se）、砷化鎵（GaAs）等半導(dǎo)體材料。利用這些材料能夠制造出具有各種特點(diǎn)的光生伏特器件，其中硅光生伏特器件具有制造工藝簡單、成本低等特點(diǎn)使它成為目前應(yīng)用最廣泛的光生伏特器件。 硅光電二極管是最簡單、最具有代表性的光生伏特器件，其中，PN結(jié)硅光電二

3、極管為最基本的光生伏特器件。 硅光電二極管的工作原理 與普通二極管相比共同點(diǎn)：一個PN結(jié)，單向?qū)щ娦圆煌c(diǎn)：（1）受光面大，PN結(jié)面積更大，PN結(jié)深度較淺（2）表面有防反射的SiO2保護(hù)層（3）外加負(fù)偏壓1、光電二極管的基本結(jié)構(gòu) 與光電池相比：共同點(diǎn)：均為一個PN結(jié)，利用光生伏特效應(yīng)， SiO2保護(hù)膜不同點(diǎn)：（1）結(jié)面積比光電池的小，頻率特性好為了便于接受入射光照，PN結(jié)面積盡量做的大一些，電極面積盡量小些，而且PN結(jié)的結(jié)深很淺，一般小于1微米 （2）常在反偏壓下工作（3）襯底材料的摻雜濃度不同，光電池高 光電二極管可分為以P型硅為襯底的2DU型與以N型硅為襯底的2CU型兩種結(jié)構(gòu)形式。圖3-1

4、（a）所示的為2DU型光電二極管的原理結(jié)構(gòu)圖。 國產(chǎn)硅光電二極管按襯底材料的導(dǎo)電類型不同，分為2CU和2DU兩種系列。圖3-1（b）為光電二極管的工作原理圖 圖3-1（c）所示為光電二極管的電路符號其中的小箭頭表示正向電流的方向（普通整流二極管中規(guī)定的正方向），光電流的方向與之相反。圖中的前極為光照面，后極為背光面。 2、光電二極管的電流方程 在無輻射作用的情況下（暗室中），PN結(jié)硅光電二極管的正、反向特性與普通PN結(jié)二極管的特性一樣，如圖3-2所示。其電流方程為 1kTqUDeII（3-1）ID是U為負(fù)值（反向偏置時）且 時(室溫下kT/q0.26mV，很容易滿足這個條件)的電流，稱為反向電

5、流或暗電流。 UqkT當(dāng)光輻射作用到如圖3-1（b）所示的光電二極管上時,光電二極管的全電流方程為， 式中為光電材料的光電轉(zhuǎn)換效率，為材料對光的吸收系數(shù)。 ) 1()1 (, ekTqUDdeIehcqI（3-2） 由式（3-2）光電二極管的全電流方程可以得到如圖3-3所示的光電二極管在不同偏置電壓下的輸出特性曲線，這些曲線反應(yīng)了光電二極管的基本特性。 普通二極管工作在正向電壓大于0.7V的情況下，而光電二極管則必須工作在這個電壓以下，否則，不會產(chǎn)生光電效應(yīng)。 光電二極管的工作區(qū)域應(yīng)在圖3-3所示的第3象限與第4象限，很不方便。 硅光電二極管的基本特性 在光電技術(shù)中常采用重新定義電流與電壓正方

6、向的方法把特性曲線旋轉(zhuǎn)成如下圖所示。重新定義的電流與電壓的正方向均以PN結(jié)內(nèi)建電場的方向相同的方向?yàn)檎颉?1.光電二極管的靈敏度 定義光電二極管的電流靈敏度為入射到光敏面上輻射量的變化（例如通量變化d）引起電流變化dI與輻射量變化之比。 )1 (ddSidehcqI（3-3） 顯然，當(dāng)某波長的輻射作用于光電二極管時，其電流靈敏度為與材料有關(guān)的常數(shù)，表征光電二極管的光電轉(zhuǎn)換特性的線性關(guān)系。必須指出，電流靈敏度與入射輻射波長的關(guān)系是復(fù)雜的，定義光電二極管的電流靈敏度時通常定義其峰值響應(yīng)波長的電流靈敏度為光電二極管的電流靈敏度。 在式（3-3）中，表面上看它與波長成正比，但是，材料的吸收系數(shù)還隱含

7、著與入射輻射波長的關(guān)系。因此，常把光電二極管的電流靈敏度與波長的關(guān)系曲線稱為光譜響應(yīng)。 Si光電二極管光譜響應(yīng)2. 光譜響應(yīng) 光電二極管的光譜響應(yīng)定義為以等功率的不同單色輻射波長的光作用于光電二極管時，其響應(yīng)程度或電流靈敏度與波長的關(guān)系稱為其光譜響應(yīng)。 圖3-5為幾種典型材料的光電二極管光譜響應(yīng)曲線。 典型硅光電二極管光譜響應(yīng)長波限為1.1m左右，短波限接近0.4m，峰值響應(yīng)波長為0.9m左右。 3. 時間響應(yīng) 以 f 頻率調(diào)制的輻射作用于PN結(jié)硅光電二極管光敏面時，PN結(jié)硅光電二極管的電流產(chǎn)生要經(jīng)過下面3個過程： 1) 在PN結(jié)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光生載流子渡越結(jié)區(qū)的時間，稱為漂移時間，記為dr； 2

8、) 在PN結(jié)區(qū)外產(chǎn)生的光生載流子擴(kuò)散到PN結(jié)區(qū)內(nèi)所需要的時間，稱為擴(kuò)散時間記為p； 3) 由PN結(jié)電容Cj和管芯電阻Ri及負(fù)載電阻RL構(gòu)成的RC延遲時間。 設(shè)載流子在結(jié)區(qū)內(nèi)的漂移速度為vd，PN結(jié)區(qū)的寬度為W，載流子在結(jié)區(qū)內(nèi)的最長漂移時間為 ddrvW（3-4） 一般的PN結(jié)硅光電二極管，內(nèi)電場強(qiáng)度Ei都在105V/cm以上，載流子的平均漂移速度要高于107cm/s，PN結(jié)區(qū)的寬度常在100m左右，由式（3-4）可知漂移時間，為ns數(shù)量級。 對于PN結(jié)硅光電二極管，入射輻射在PN結(jié)勢壘區(qū)以外激發(fā)的光生載流子必須經(jīng)過擴(kuò)散運(yùn)動到勢壘區(qū)內(nèi)才能在內(nèi)建電場作用，并分別拉向P區(qū)與N區(qū)。載流子的擴(kuò)散運(yùn)動往往

9、很慢，因此，擴(kuò)散時間p很長，約為100ns，它是限制PN結(jié)硅光電二極管時間響應(yīng)的主要因素。 另一個因素是PN結(jié)電容Cj和管芯電阻Ri及負(fù)載電阻RL構(gòu)成的時間常數(shù)RC，RC為 )(LiRCRRcj（3-5） 普通PN結(jié)硅光電二極管的管芯內(nèi)阻Ri約為250，PN結(jié)電容Cj常為幾個Pf，在負(fù)載電阻RL低于500時，時間常數(shù)也在ns數(shù)量級。但是，當(dāng)負(fù)載電阻RL很大時，時間常數(shù)將成為影響硅光電二極管時間響應(yīng)的一個重要因素，應(yīng)用時必須注意。 由以上分析可見，影響PN結(jié)硅光電二極管時間響應(yīng)的主要因素是PN結(jié)區(qū)外載流子的擴(kuò)散時間p，如何擴(kuò)展到PN結(jié)區(qū)是提高硅光電二極管時間響應(yīng)重要措施。增高反向偏置電壓會提高內(nèi)

10、建電場的強(qiáng)度，擴(kuò)展PN結(jié)的耗盡區(qū)，但是反向偏置電壓的提高也會加大結(jié)電容，使RC時間常數(shù)RC增大。因此，必須從PN結(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面考慮如何在不使偏壓增大的情況下使耗盡區(qū)擴(kuò)展到整個PN結(jié)器件，才能消除擴(kuò)散時間。 PN結(jié)電容由勢壘電容Cb和擴(kuò)散電容Cd組成。 勢壘電容Cb是由空間電荷區(qū)引起的?？臻g電荷區(qū)內(nèi)有不能移動的正負(fù)離子，各具有一定的電量。當(dāng)外加反向電壓變大時，空間電荷區(qū)變寬，存儲的電荷量增加；當(dāng)外加反向電壓變小時，空間電荷區(qū)變窄，存儲的電荷量減小，這樣就形成了電容效應(yīng)。墊壘電容大小隨外加電壓改變而變化。擴(kuò)散電容Cd是載流子在擴(kuò)散過程中的積累而引起的。PN結(jié)加正向電壓時，N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散，在

11、P區(qū)形成一定的電子濃度(Np)分布，PN結(jié)邊緣處濃度大，離結(jié)遠(yuǎn)的地方濃度小，電子濃度按指數(shù)規(guī)律變化。綜上可知，勢壘電容和擴(kuò)散電容是同時存在的。 PN結(jié)正偏時，擴(kuò)散電容遠(yuǎn)大于勢壘電容；PN結(jié)反偏時，擴(kuò)散電容遠(yuǎn)小于勢壘電容。勢壘電容和擴(kuò)散電容的大小都與PN結(jié)面積成正比 為了提高PN結(jié)硅光電二極管的時間響應(yīng)，消除在PN結(jié)外光生載流子的擴(kuò)散運(yùn)動時間，常采用在P區(qū)與N區(qū)之間生成I型層，構(gòu)成如圖3-6（a）所示的PIN結(jié)構(gòu)光電二極管，PIN結(jié)構(gòu)的光電二極管與PN結(jié)型的光電二極管在外形上沒有什么區(qū)別，都如圖3-6（b）所示。 PIN光電二極管在反向電壓作用下，耗盡區(qū)擴(kuò)展到整個半導(dǎo)體，光生載流子只產(chǎn)生漂移電流

12、，因此， 它的時間響應(yīng)只取決于 與 ，在10-9s左右。 drdrRCPIN型光電二極管為了減小表面半導(dǎo)體層對光的吸收作用，應(yīng)該采用禁帶寬度較大的窗口材料（例如在GaInAs體系中采用InP作為光照區(qū)，見圖示） 這種管子最大的特點(diǎn)是頻帶寬頻帶寬，可達(dá)10GHz；所不足的是，I層電阻很大，管子的輸出電流小，一般多為零點(diǎn)幾微安至數(shù)微安。 PIN光電二極管提高了PN結(jié)光電二極管的時間響應(yīng)，但未能提高器件的光電靈敏度，為了提高光電二極管的靈敏度，人們設(shè)計(jì)了雪崩光電二極管，使光電二極管的光電靈敏度提高到需要的程度。 1、結(jié)構(gòu) 圖3-7（a）所示為在P型硅基片上擴(kuò)散雜質(zhì)濃度大的N+層，制成P型N結(jié)構(gòu)的雪崩

13、光電二極管； 圖3-7（b）所示為在N型硅基片上擴(kuò)散雜質(zhì)濃度大的P+層，制成N型P結(jié)構(gòu)的雪崩光電二極管； 圖3-7（c）所示為PIN型雪崩光電二極管。 雪崩光電二極管 由于PIN型光電二極管在較高的反向偏置電壓的作用下耗盡區(qū)擴(kuò)展到整個PN結(jié)結(jié)區(qū)，形成自身保護(hù)（具有很強(qiáng)的抗擊穿功能），因此，雪崩光電二極管不必設(shè)置保護(hù)環(huán)。 市場上的型雪崩光電二極管基本上都是PIN型雪崩光電二極管。 保護(hù)環(huán)的作用是增加高阻區(qū)寬度,減小表面漏電流,避免邊緣過早擊穿 +2、工作原理 雪崩光電二極管為具有內(nèi)增益的一種光生伏特器件。這種管子工作電壓很高，約100200V，接近于反向擊穿電壓。結(jié)區(qū)內(nèi)電場極強(qiáng)，光生電子在這種強(qiáng)

14、電場中可得到極大的加速，同時與晶格碰撞而產(chǎn)生新的電子空穴對，稱為碰撞電離過程。此過程多次重復(fù)。從而反向電流也迅速增大形成雪崩倍增效應(yīng)。因此，這種管子有很高的內(nèi)增益，達(dá)到幾百 電離產(chǎn)生的載流子數(shù)遠(yuǎn)大于光激發(fā)產(chǎn)生的光生載流子數(shù)，這時雪崩光電二極管的輸出電流迅速增加。影響雪崩光電二極管工作的因素:雪崩過程伴有一定的噪聲，并受溫度的影響較大b)表面材料的缺陷使PN結(jié)各電場分布不均，增強(qiáng)了噪聲c)工作偏壓必須適當(dāng) 光電池是一種不需加偏置電壓就能把光能直接轉(zhuǎn)換成電能的PN結(jié)光電器件，按光電池的功用可將其分為兩大類：即太陽能光電池和測量光電池。 太陽能光電池主要用作向負(fù)載提供電源，對它的要求主要是光電轉(zhuǎn)換效

15、率高、成本低。由于它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、高可靠性、壽命長、可在空間直接將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的特點(diǎn)，因此成為航天工業(yè)中的重要電源，而且還被廣泛地應(yīng)用于供電困難的場所和一些日用便攜電器中。 測量光電池的主要功能是作為光電探測，即在不加偏置的情況下將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，此時對它的要求是線性范圍寬、靈敏度高、光譜響應(yīng)合適、穩(wěn)定性高、壽命長等。它常被應(yīng)用在光度、色度、光學(xué)精密計(jì)量和測試設(shè)備中。 硅光電池1、硅光電池的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 按硅光電池襯底材料的不同可分為2DR型和2CR型。如圖3-9（a）所示為2DR型硅光電池，它是以P型硅為襯底(即在本征型硅材料中摻入三價元素硼或鎵等)，然后在襯底

16、上擴(kuò)散磷而形成N型層并將其作為受光面。 硅光電池的受光面的輸出電極多做成如圖3-9（b）所示為硅光電池的外形圖，圖中所示的梳齒狀或“E”字型電極，其目的是減小硅光電池的內(nèi)電阻，增大受光面。提高材料中的載流子收集效率 按結(jié)構(gòu) 陣列式：分立的受光面象限式：參數(shù)相同的獨(dú)立光電池硅藍(lán)光電池：PN結(jié)距受光面很近按材料硅光電池：光譜響應(yīng)寬，頻率特性好硒光電池：波譜峰值位于人眼視覺內(nèi)按用途太陽能光電池：用作電源（效率高，成本低）測量用光電池：探測器件（線性、靈敏度高等）由于硒光電池的光譜峰值位于人眼的視覺范圍，所以很多分析儀器、測量儀表也常用到它。光電池在光照下能夠產(chǎn)生光生電勢，光電流實(shí)際流動方向：從P端流

17、出，經(jīng)過外電路，流入N端。德國在萊比錫建造全球最大的太陽能發(fā)電廠，于2009年完成，可以滿足一萬戶家庭用電需求。該發(fā)電廠安裝55萬塊電池板，占地110公頃，發(fā)電功率40兆瓦，總投資1.3億歐元。太陽輻射到地球大氣層的能量僅為其總輻射能量（約為3.75x1026W）22億分之一，但已高達(dá)173000TW，也就是說太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當(dāng)于500萬噸煤。太陽為了維持目前發(fā)射的總能量，每秒鐘要有六億五千七百萬噸的氫聚合為氦。聽起來，這是一個很大的數(shù)字，但是對于太陽來說卻是微不足道的，因?yàn)樘柕馁|(zhì)量實(shí)在太大了，比地球的質(zhì)量要大33萬多倍。而且太陽物質(zhì)的化學(xué)組成和地球的不一樣，大部分正是太陽進(jìn)

18、行熱核反應(yīng)所需要的氫。氫占太陽質(zhì)量的四分之三以上。其次是氫燃燒后生成的氦，占五分之一左右。其次才是幾十種其他的微量元素。太陽壽命為100億年，已經(jīng)歷50億年。GaAs基多層結(jié)構(gòu)光電池效率已接近40 我國力爭2020年核電占電力總裝機(jī)比例達(dá)到百分之五以上 。2006年，核電占法國全國發(fā)電總量的78.4%。 節(jié)能全天候警示燈牌節(jié)能全天候警示燈牌光電池驅(qū)動的涼帽2、硅光電池工作原理 如圖3-10所示，當(dāng)光作用于PN結(jié)時，耗盡區(qū)內(nèi)的光生電子與空穴在內(nèi)建電場力的作用下分別向N區(qū)和P區(qū)運(yùn)動，在閉合的電路中將產(chǎn)生如圖所示的輸出電流IL，且負(fù)載電阻RL上產(chǎn)生電壓降為U。顯然，PN結(jié)獲得的偏置電壓U與光電池輸出

19、電流IL與負(fù)載電阻RL有關(guān)，即 U=ILRL （3-16） 當(dāng)以輸出電流的IL為電流和電壓的正方向時，可以得到如圖3-11所示的伏安特性曲線。 從曲線可以看出，負(fù)載電阻RL所獲得的功率為 PL=ILU 其中，光電池輸出電流IL應(yīng)包括光生電流IP與暗電流， 即 1)(eKTRqDPLLLIIII3、硅光電池的輸出功率 將式（3-18）代入式（3-17）得到負(fù)載所獲得的功率為 PL=IL2RL （3-19）顯然，負(fù)載電阻RL所獲得的功率PL與負(fù)載電阻的阻值有關(guān)，當(dāng)RL=0（電路為短路）時，U=0，輸出功率PL=0；當(dāng)RL=（電路為開路）時，IL=0，輸出功率PL=0； 0 RL 時，輸出功率PL0

20、。顯然，存在著最佳負(fù)載電阻Ropt，在最佳負(fù)載電阻情況下負(fù)載可以獲得最大的輸出功率Pmax。 通過對式（3-19）求關(guān)于RL的1階倒數(shù)，當(dāng)RL=Ropt時，求得最佳負(fù)載電阻Ropt的阻值。 在實(shí)際工程計(jì)算中，常通過分析圖3-11所示的輸出特性曲線得到經(jīng)驗(yàn)公式，即，當(dāng)負(fù)載電阻為最佳負(fù)載電阻時，輸出電壓U=Um Um =(0.60.7)Uoc （3-20）而此時的輸出電流近似等于光電流，即e,ie,PM)1 (SehcqIId（3-21）其中，S 為硅光電池的電流靈敏度。 i硅光電池的最佳負(fù)載電阻Ropt為 e,ocmmopt0.7)(0.6SUIUR 從上式可以看出硅光電池的最佳負(fù)載電阻Ropt

21、與入射輻射通量有關(guān)，它隨入射輻射通量的增加而減小。負(fù)載電阻所獲得的最大功率為 Pm= Im Um=(0.60.7)UocIp (3-23) (3-22)4、光電池的光電轉(zhuǎn)換效率 光電池的輸出功率與入射輻射通量之比定義為光電池的光電轉(zhuǎn)換效率，記為。當(dāng)負(fù)載電阻為最佳負(fù)載電阻Ropt時，光電池輸出最大功率Pm與入射輻射通量之比定義為光電池的最大光電轉(zhuǎn)換效率，記為m。 顯然，光電池的最大光電轉(zhuǎn)換效率m為 0e,0d-e,ocemmdhc)de-(10.7)q(0.6UP式中是與材料有關(guān)的光譜光電轉(zhuǎn)換效率，表明光電池的最大光電轉(zhuǎn)換效率與入射光的波長及材料的性質(zhì)有關(guān)。 （3-24） 5、硅藍(lán)光電池1）、光

22、電池用作太陽能電池 把光能直接轉(zhuǎn)化成電能，需要最大的輸出功率和轉(zhuǎn)化效率。即把受光面做得較大，或把多個光電池作串、并聯(lián)組成電池組，與鎳鎘蓄電池配合，可作為衛(wèi)星、微波站等無輸電線路地區(qū)的電源供給。6、應(yīng)用光電池用作太陽能電池光電池用作太陽能電池在黑夜或光線微弱時，為防止蓄電池經(jīng)過光電池放電而設(shè)置二極管D。此電路可實(shí)現(xiàn)光電池的線性輸出。對光電池而言，RL近似等于0。與運(yùn)算放大器相連，其等效負(fù)載電阻為0，因此運(yùn)算放大器的輸出電壓等于光電池短路電流與放大器反饋電阻的乘積。2）、光電池用作檢測元件 利用其光敏面大，受光面很薄，頻率響應(yīng)高，光電流與照度線性變化，適用于開關(guān)和線性測量等。 光電三極管與普通半導(dǎo)

23、體三極管一樣有兩種基本結(jié)構(gòu)，NPN結(jié)構(gòu)與PNP結(jié)構(gòu)。用N型硅材料為襯底制作的 NPN結(jié)構(gòu)，稱為 3DU型；用P型硅材料為襯底制作的稱為PNP結(jié)構(gòu)，稱為3CU型。圖3-12所示為3DU型光電三極管的工作原理及其符號。 圖 (a)所示NPN型光電三極管的原理結(jié)構(gòu)圖； 圖(b)所示為光電三極管的電路符號。 光電三極管 ceb高摻雜低摻雜1、工作原理 光電三極管的工作原理分為兩個過程：一是光電轉(zhuǎn)換；二是光電流放大。 集電極輸出的電流為 , ePC)1 (ehqIId (3-25) 光電三極管的電流靈敏度是光電二極管的倍。相當(dāng)于將光電二極管與三極管接成如圖3-12(c)所示的電路形式，光電二極管的電流I

24、p被三極管放大倍。 為提高光電三極管的增益，減小體積，常將光電二極管或光電三極管及三極管制作到一個硅片上構(gòu)成集成光電器件。 如圖3-13所示為三種形式的集成光電器件。圖3-13 (a)所示為光電二極管與三極管集成而構(gòu)成的集成光電器件，它比圖3-12(c)所示的光電三極管具有更大的動態(tài)范圍，因?yàn)楣怆姸O管的反向偏置電壓不受三極管集電結(jié)電壓的控制。圖3-13(b)所示的電路為圖3-12(c)所示的光電三極管與三極管集成構(gòu)成的集成光電器件，它具有更高的電流增益（靈敏度更高）。 2、光電三極管特性 1）伏安特性 圖3-14所示為硅光電三極管在不同光照下的伏安特性曲線。光電三極管在偏置電壓為零時，無論光

25、照度有多強(qiáng)，集電極電流都為零。偏置電壓要保證光電三極管的發(fā)射結(jié)處于正向偏置，而集電結(jié)處于反向偏置。隨著偏置電壓的增高伏安特性曲線趨于平坦。 光電三極管的伏安特性曲線向上偏斜，間距增大。這是因?yàn)楣怆娙龢O管除具有光電靈敏度外，還具有電流增益，并且，值隨光電流的增大而增大。 U和I分別表示Uce和Ic2）時間響應(yīng)（頻率特性） 光電三極管的時間響應(yīng)常與PN結(jié)的結(jié)構(gòu)及偏置電路等參數(shù)有關(guān)。為分析光電三極管的時間響應(yīng)，首先畫出光電三極管輸出電路的微變等效電路。圖3-15（a）所示為光電三極管的輸出電路，圖3-15（b）為其等效電路。分析等效電路圖，不難看出，由電流源Ip、基-射結(jié)電電阻rbe、電容Cbe和基

26、-集結(jié)電容Cbc構(gòu)成的部分等效電路為光電二極管的等效電路。c 表明光電三極管的等效電路是在光電二極管的等效電路基礎(chǔ)上增加了電流源Ic和結(jié)電阻Rce、電容Cce、輸出負(fù)載電阻RL。 選擇適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻，使其滿足RLRce，這時可以導(dǎo)出光電三極管電路的輸出電壓為 212ce2L2212be2be2pL0)(1)(1CRCrIRU（3-26） 光電三極管的時間響應(yīng)由以下四部分組成： 光生載流子對發(fā)射結(jié)電容Cbe和集電結(jié)電容Cbc的充放電時間； 光生載流子渡越基區(qū)所需要的時間； 光生載流子被收集到集電極的時間； 輸出電路的等效負(fù)載電阻RL與等效電容Cce所構(gòu)成的RC時間；總時間常數(shù)為上述四項(xiàng)和。光電三

27、極管與光電二極管一樣都是利用硅PN結(jié)的光電效應(yīng)制成的。光電三極管使用時，其基極通常開路，基極集電極產(chǎn)生的光生電流直接饋入基極，并被光電三極管自己所放大，因此光電三極管的靈敏度比光電二極管大得多，通常要大100多倍。光電三極管的最大工作頻率只有幾百千赫而光電二極管的最大工作頻率為幾十兆赫。光電二極管的光電流小，輸出特性線性度好，響應(yīng)時間快，而光電三極管光電流大，輸出特性線性度差，響應(yīng)時間慢。一般要求靈敏度高，工作頻率低的開關(guān)電路，可選用光電三極管，要求光電流與照度成線性關(guān)系或要求工作頻率高時，則采用光電二極管。光敏電阻的光譜特性與人眼最為接近，因此，光敏電阻比較適合用于照相機(jī)曝光表、空氣煙塵檢測器等可見光裝置。光電二極管、