光電檢測技術(shù) 第四章資料

1、 掌握內(nèi)容光伏特探測器原理和特性。理解內(nèi)容光伏探測器的電路偏置(pin zh)了解內(nèi)容第4章 光伏特(ft)探測器共一百二十七頁 4.1光伏特效應4.2光伏探測器的工作(gngzu)模式4.3光電池4.4硅光電二極管和三極管 第四章 主要(zhyo)內(nèi)容共一百二十七頁光生伏特效應：光生伏特效應是半導體材料吸收光能后，在PN結(jié)上產(chǎn)生電動勢的效應。為什么PN結(jié)會因光照產(chǎn)生光生伏特效應呢？有下面兩種情況(qngkung)： 不加偏壓的PN結(jié) 處于反偏的PN結(jié)4.1光生伏特(ft)效應內(nèi)光電效應共一百二十七頁4.1光生(un shn)伏特效應無光照(gungzho)P-N結(jié)無光照流過PN結(jié)的電流方程：

2、一、半導體P-N結(jié)共一百二十七頁 不加偏壓的光照(gungzho)PN結(jié)當光照射在PN結(jié)時，如果電子能量大于半導體禁帶 寬度（E0 Eg）,可激發(fā)出電子空穴對，在 PN結(jié)內(nèi)電場作用下空穴移向P區(qū)，而電子移向N區(qū)， 使P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生電壓，這個電壓就是光生電動 勢。如果用一個理想電流表接通PN結(jié)，則有由N區(qū) 流向P區(qū)的電流Ip通過，稱為短路光電流。 基于這種效應的器件有 光電池光照射(zhosh)P-N結(jié)一、半導體P-N結(jié)共一百二十七頁 PN結(jié)中光生電子與空穴的流動，使P區(qū)的電勢增高，這相當于在PN結(jié)上加一正向偏壓U，這個正向電壓使PN結(jié)勢壘由eVD降至eVDeU。同時，這個正向電壓還引起電流

3、IdIs0(eqU/KT1)流過PN結(jié)，Id的方向正好與上述光電流Ip的方向相反。所以(suy)，在入射光輻射作用下流過PN結(jié)的總電流為 I=Is0(eqU/KT1) Ip (另解)有光照無偏壓(pin y)流過PN結(jié)的電流方程：共一百二十七頁 有光照時，若p-n結(jié)外電路接上負載電阻 ，如下圖所示，此時p-n結(jié)內(nèi)出現(xiàn)兩種方向相反的電流(dinli)：一種是光激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對，在內(nèi)建電場作用下，形成的光生電流(dinli) ，它與光照有關，其方向與p-n結(jié)反向飽和電流(dinli) 相同；另一種是光生電流(dinli) 流過負載 產(chǎn)生電壓降，相當于在p-n結(jié)施加正向偏置電壓，從而產(chǎn)生正向電流

4、(dinli) 。流過p-n結(jié)的總電流(dinli)是兩者之差：以p-n結(jié)的正向電流 的方向為正方向有光照無偏壓流過PN結(jié)的電流方程：共一百二十七頁 處于反偏的PN結(jié)：無光照時，反向電阻很大，反向電流很??；有光照時，光子能量足夠大產(chǎn)生光生電子空穴(kn xu)對， 在PN結(jié)電場作用下，形成光電流，電流方向與反向電流一致，光照越大光電流越大。具有這種性能的器件有： 光敏二極管、光敏晶體管.一、半導體P-N結(jié)共一百二十七頁 如果給PN結(jié)加上一個反向偏置電壓U，外加電壓所建的電場方向(fngxing)與PN結(jié)內(nèi)建電場方向(fngxing)相同，則PN結(jié)的勢壘高度由eVD增加到eVDeU，使光照產(chǎn)生的

5、電子空穴對在強電場作用下更容易產(chǎn)生漂移運動，提高了器件的頻率特性。 在光照反偏條件下工作時，觀察到的光電信號是光電流，而不是光電壓，這便是結(jié)型光電探測器的工作原理。從這個意義上說，反偏PN結(jié)在光照下好像是以光電導方式工作，但實質(zhì)上兩者的工作原理是不同的。有光照(gungzho)反偏壓流過PN結(jié)的電流方程：I=Is0(eqU/KT1) Ip共一百二十七頁 正向(zhn xin)偏置：無光電效應 反向偏置：光電導工作模式 零偏置：光伏特工作模式圖4-2 光照(gungzho)下PN結(jié)及其伏安特性曲線P-N結(jié)的電流電壓特性共一百二十七頁根據(jù)光照PN結(jié)時流過p-n結(jié)的電流，可畫出在不同照度(zho d

6、)下PN結(jié)光電器件的伏安特性曲線。4.2 工作(gngzu)模式第一象限正偏壓，Id本來就很大，所以光電流Ip不起重要作用。第三象限反向偏壓，這時IdIs0，它是普通二極管中的反向飽和電流，現(xiàn)在稱為暗電流（對應于光照度E0），數(shù)值很小，這時的光電流（等于I-Is0）是流過探測器的主要電流，對應于光導工作模式。在第四象限中，外偏壓為0，流過探測器的電流仍為反向光電流。隨著光功率的不同，出現(xiàn)明顯的非線性。這時探測器的輸出通過負載電阻RL上的電壓或流過RL上的電流來體現(xiàn)，因此稱為光伏工作模式。 共一百二十七頁 如圖4-3所示，一個PN結(jié)光伏探測器就等效為一個普通二極管和一個電流源（光電流源）的并聯(lián)，

7、它的工作模式則由外偏壓回路決定。如圖（c）所示，在零偏壓的開路狀態(tài)，為光伏工作模式。如圖（d）所示，當外回路采用反偏電壓Ub，即外加P端為負，N端為正的電壓時。無光照時的電阻很大，電流很小；有光照時，電阻變小，電流就變大，而且流過它的光電流隨照度變化而變化。從外表看，PN結(jié)光伏探測器與光敏電阻一樣(yyng)，同樣也具有光電導工作模式，所以稱為光導工作模式. 共一百二十七頁下圖示出了p-n結(jié)在光伏工作(gngzu)模式下的等效電路：共一百二十七頁 光電池工作原理也是基于光生伏特效應，可以直接(zhji)將光能轉(zhuǎn)換成電能的器件。有光線作用時就是電源，廣泛用于宇航電源，另一類用于檢測和自動控制等。

8、 光電池種類很多，有硒光電池、鍺光電池、硅光電池、砷化鎵、氧化銅等等。光電池符號4.3 光電池（有源器件(qjin)）共一百二十七頁太陽能手機充電器太陽能供LED電警示太陽能電池光電池（有源器件(qjin)）共一百二十七頁 結(jié)構(gòu)：光電池實質(zhì)是一個大面積PN結(jié)，上電極為柵狀受光電極，下電極是一層襯底鋁。 原理：當光照射PN結(jié)的一個面時，電子空穴對迅速擴散，在結(jié)電場作用(zuyng)下建立一個與光照強度有關的電動勢。一般可產(chǎn)生0.2V0.6V電壓50mA電流。 光電池結(jié)構(gòu) 光電池工作原理圖 光電池（有源器件(qjin)）共一百二十七頁 光電池的工作(gngzu)原理（a）光電池工作(gngzu)原

9、理圖 （b）光電池等效電路圖 （c）進一步簡化圖4-7 光電池的工作原理圖和等效電路共一百二十七頁光電池的特性(txng)參數(shù)光照特性開路電壓，光生電動勢與照度之間關系稱開路電壓曲線，開路電壓與光照度關系是非線性關系，在照度2000lx下趨于飽和。短路電流，短路電流與照度之間關系稱短路電流曲線，短路電流是指外接負載RL相對(xingdu)內(nèi)阻很小時的光電流。共一百二十七頁光電池的特性(txng)參數(shù)光照(gungzho)特性開路電壓，光生電動勢與照度之間關系稱開路電壓曲線，開路電壓與光照度關系是非線性關系，在照度2000lx下趨于飽和。短路電流，短路電流與照度之間關系稱短路電流曲線，短路電流是

10、指外接負載RL相對內(nèi)阻很小時的光電流。光照特性主要包括有：伏安特性、照度-電流電壓特性和照度-負載特性。共一百二十七頁圖4-8 硅光電池伏安(f n)特性曲線伏安(f n)特性當E=0時， 當光電池外接負載電阻RL后，負載電阻RL上所得電壓和電流在特性曲線轉(zhuǎn)彎點時，電流和電壓乘積為最大，光電池輸出功率為最大?？梢钥闯觯贺撦d電阻愈小，光電池工作愈接近短路狀態(tài)線性就較好。共一百二十七頁（1）當負載電阻斷開時，P端對N端的電壓稱為開路電壓，一般情況，由于p-n結(jié)光生電流遠大于反向飽和電流。得到：在一定溫度下，開路電壓與光電流的對數(shù)成正比，也可以(ky)說與照度或光通量的對數(shù)成正比。即：下面分析(fn

11、x)兩種情況：Uoc一般為0.450.6V，最大不超過0.756V，因為Uoc不能超過PN結(jié)熱平衡時的接觸電動勢差或內(nèi)建電勢UD。共一百二十七頁（2）當負載電阻短路時(實際為外接負載RL相對內(nèi)阻很小時(xiosh)，光生電壓接近于零，流過器件的電流叫短路電流，其方向從p-n結(jié)內(nèi)部看是從n區(qū)指向p區(qū)，這時光生載流子不再積累于p-n結(jié)兩側(cè)，所以p-n結(jié)又恢復到平衡狀態(tài)。這時p-n結(jié)光電器件的短路光電流與照度（弱照度）或光通量成正比，從而得到最大線性區(qū)，這在線性測量中被廣泛p-n結(jié)應用。 IscIpSeE 硅單晶光電池短路(dunl)電流可達3540mA/cm2共一百二十七頁硅光電池的Uoc、Isc

12、與照度(zho d)的關系 照度-電流(dinli)電壓特性光電池的短路光電流Isc與入射光照度成正比，而開路電壓UOC與光照度的對數(shù)成正比。共一百二十七頁開路電壓UOC和短路電流Isc與光電池受光面積也有關系。在光照度一定(ydng)時，UOC與受光面積的對數(shù)成正比，短路電流Isc與受光面積成正比。電流(dinli)、電壓與受光面積的關系共一百二十七頁光照與負載(fzi)特性 光電流在弱光照射下與光照度成線性關系。光照增加到一定程度后，輸出電流非線性緩慢地增加，直至飽和，并且(bngqi)負載電阻越大，越容易出現(xiàn)飽和，即線性范圍較小。因此，如欲獲得較寬的光電線性范圍，負載電阻不能取很大。光電

13、池不同負載電阻下的光電特性共一百二十七頁 光電池作為測量元件使用時，一般不做電壓源使用，而作為電流源的形式(xngsh)應用。 測量用光電池主要作為光電探測用，對它的要求是線性范圍寬、靈敏度高、光譜響應合適、穩(wěn)定性好、壽命長，被廣泛應用在光度、色度(s d)、光學精密計量和測試中。共一百二十七頁光譜特性 光譜特性表示(biosh)在入射光能量保持一定的條件下，光電池所產(chǎn)生的短路電流與入射光波之間的關系。 器件的長波限取決于材料的禁帶寬度，短波則受材料表面反射損失的限制，其峰值不僅與材料有關，而且隨制造工藝及使用環(huán)境溫度不同而有所不同。光電池的特性(txng)參數(shù)共一百二十七頁光電池譜特性(tx

14、ng) 光電池對不同波長的光靈敏度不同。硅光電池的光譜響應峰值在0.8m附近(fjn)，波長范圍0.41.2m。硅光電池可在很寬的波長范圍內(nèi)應用。 硒光電池光譜響應峰值在0.5m附近, 波 長范圍0.380.75m。光電池的特性參數(shù)共一百二十七頁頻率特性 頻率特性指光電池相對 輸出電流與光的調(diào)制頻 率之間關系。硅、硒光電池的頻率特 性不同(b tn)，硅光電池頻率 響應較好，硒光電池較差。所以高速計數(shù)器的轉(zhuǎn)換 一般采用硅光電池作為 傳感器元件。 硅、硒光電池的頻率特性 光電池的特性(txng)參數(shù)共一百二十七頁（1）要得到短的響應時間，必須選用小的負載電阻； 負載大時頻率特性變差，減小負載可減

15、小時間常數(shù)，提高頻響。但負載電阻的減小會使輸出電壓降低，實際使用時視具體情況而定。（2）光電池面積越大則響應時間越大，因為(yn wi)光電池面積越大則結(jié)電容 越大，在給定負載 時，時間常數(shù) 就越大，故要求短的響應時間，必須選用小面積光電池。 總的來說，由于硅光電池光敏面積大，結(jié)電容大，頻響較低。為了提高頻響，光電池可在光電導模式下使用，只要加12伏的反向偏置電壓，則響應時間會從1微秒下降到幾百納秒。頻率特性光電池的特性(txng)參數(shù)共一百二十七頁溫度(wnd)特性光電池的特性(txng)參數(shù) 光電池的參數(shù)隨工作環(huán)境溫度改變而變化。 開路電壓具有負溫度系數(shù)，而短路電流具有正溫度系數(shù)。共一百二

16、十七頁 當光電池密封良好、電極引線可靠、應用合理時,光電池的性能是相當(xingdng)穩(wěn)定的,使用壽命也很長。硅光電池的性能比硒光電池更穩(wěn)定。光電池的性能和壽命除了與光電池的材料及制造工藝有關外,在很大程度上還與使用環(huán)境條件有密切關系。如在高溫和強光照射下,會使光電池的性能變壞,而且降低使用壽命,這在使用中要加以注意。表4.1給出了幾種硅光電池的性能參數(shù),以供參考。 光電池的特性(txng)參數(shù)穩(wěn)定性共一百二十七頁表4.1 幾種(j zhn)硅光電池的性能參數(shù) 共一百二十七頁5、 光電池偏置(pin zh)電路(a)基本形式 (b)等效電路 (c)圖解法 圖4-14 硅光電池無偏置(pin

17、zh)電路共一百二十七頁 可以用圖4-14（c）定性分析，也可定量地描述負載電阻和入射光通量對電路工作狀態(tài)(zhungti)（I、U、P）的影響，即光電池偏置(pin zh)電路共一百二十七頁根據(jù)(gnj)所選負載電阻的數(shù)值不同可以把光電池的工作曲線分作四個區(qū)域，分別如下圖中、表示，對應的四個工作狀態(tài)為短路或線性電流放大、線性電壓放大、空載電壓輸出和功率放大。 光電池偏置(pin zh)電路圖4-15共一百二十七頁短路或線性電流放大 一種電流變換(binhun)狀態(tài)，如圖4-15(b)中的I區(qū)域。要求硅光電池送給負載電阻RL（這時RLRm，且RL0）的電流與光照度成線性關系。如果需要放大信號，

18、則應選用電流放大器。為此要求負載電阻或后續(xù)放大電路輸入阻抗盡可能小，才能使輸出電流盡可能大，即接近短路電流Isc，因為只有短路電流才與入射光照度有良好的線性關系，即：光電池偏置(pin zh)電路共一百二十七頁線性電壓輸出 當負載電阻很小甚至接近于零的時候，電路工作在短路及線性電流放大狀態(tài)；而當負載電阻稍微增大，但小于臨界負載電阻Rm時，電路就處于線性電壓輸出狀態(tài)，如圖4-15(b)中的區(qū)域，此時RLRm且RL，要求光電池應通過高輸入阻抗變換器與后續(xù)(hux)放大電路連接，相當于輸出開路，開路電壓可寫成：當光通量較大(jio d)時， 光電池偏置電路共一百二十七頁 開路電壓與入射光通量的對數(shù)成

19、正比，即隨入射光通量增大按對數(shù)規(guī)律增大，但開路電壓并不會無限增大，它的最大值受PN結(jié)勢壘高度的限制，通常光電池的開路電壓為0.450.6 V。在入射光強從零到某一定值作跳躍變化的光電開關等應用中，簡單地利用UOC電壓變化，不需加任何偏置電源即可組成控制電路，這是它的一個優(yōu)點。 此外，由伏安特性可以看到對于較小的入射光通量，開路電壓輸出變化較大，這對弱光信號的檢測特別有利，但光電池開路電壓與入射光功率(gngl)呈非線性關系，同時受溫度影響大，其頻率特性也不理想，如果希望得到大的電壓輸出，則不如采用光電二極管或光電三極管。光電池偏置(pin zh)電路共一百二十七頁 特點是工作(gngzu)時不

20、需外加偏壓，接收面積小，使用方便。 缺點是響應時間長，它由結(jié)電容和外接負載電阻的乘積決定。 其摻雜濃度高。 電阻率低(為0.10.01/cm)易于輸出光電流； 硅光電池較廣泛用于充電儲能 。 輸出電壓與光電流成線性關系，也就是與入射光功率成線性關系。 硅光電池的長波限由硅的禁帶寬度決定，為1.15um峰值波長約為0.8um。如果P型硅片上的N型擴散層做得很薄(小于0.5um)，峰值波長可向著短波方向微移，對蘭紫光譜仍有響應。使用(shyng)特點共一百二十七頁光電池的應用(yngyng) 光電池短路電流與照度有較好的線性關系,作為測量元件使用時,常當作(dn zu)電流源使用。光電池的受光面積

21、,一般要比光電二極管和光電三極管大得多,因此它的光電流比后兩者大,受光面積越大光電流也越大,適于需要輸出大電流的場合。作電流源使用共一百二十七頁 右圖給出了硅光電池的輸出伏安特性曲線。由圖可見,對于0.5k的負載線,照度每變化100lx時,相應的負載線上的線段基本上相等,輸出電流和電壓(diny)隨照度變化有較好的線性。而對于3k的負載線,照度每變化100lx時,相應的負載線上的線段不等,輸出電流和電壓(diny)與照度的關系就會出現(xiàn)非線性。光電池的應用(yngyng)作電流源使用共一百二十七頁 在光電檢測中,在一定的負載下工作,希望輸出電流和電壓與照度成線性關系。要確定這樣的負載線,只要將工

22、作中最大照度(圖中為900lx)的伏安特性(txng)曲線上的轉(zhuǎn)彎點A與原點O連成直線,就是所需的負載線。在檢測中,如要求光電池性能穩(wěn)定,有好的線性關系,則負載電阻應取得小一些,電阻越小性能越好,即負載線應在OA線的左面。這時輸出的電壓雖有所減少,但光電流基本不變。反之,如果光電池的負載電阻已定,例如0.5k,則線性關系成立的最大的照度(在圖中為900lx)可從伏安特性(txng)曲線確定,照度超過此值,則電流和電壓與照度成非線性關系。光電池的應用(yngyng)作電流源使用共一百二十七頁 圖中伏安特性曲線是在受光面積為1cm2的情況下得到的。如果受光面積不是1cm2,則光電流的大小應作相應(

23、xingyng)改變。另外,由于不同光源頻譜不同,當光源的種類不同(例如太陽光、白熾燈、螢光燈等)時,即使照度相同,光電池的輸出也不相同,輸出與照度成比例的范圍(或最大照度)亦有區(qū)別。光電池的應用(yngyng)作電流源使用共一百二十七頁 如圖 (a)所示的情況。當硅光電池與鍺管相接時,鍺管的基極工作電壓在0.20.3V之間,而硅光電池的開路電壓可達0.5V左右(zuyu)(有負載時電壓小于0.5V),因此,可把光電池直接接至鍺管的基極使它工作。利用圖(b)的圖解分析可知,當照度自100lx變至800lx時,鍺管中的基極電流IB(圖中光電池伏安曲線與鍺管輸入特性曲線AB的交點)和集電極電流IC

24、=IB與照度E幾乎成線性變化。光電池的應用(yngyng)光電池作為控制元件時通常接非線性負載，控制 晶體管工作。圖 光電池接非線性負載的情況共一百二十七頁對于硅管,其基極(j j)的工作電壓為0.60.7V,一個光電池0.5V電壓不能直接控制它的工作。這時可用兩個光電池串聯(lián)后接入基極。光電池的應用(yngyng)光電池作為電源使用時，根據(jù)使用要求進行連接。 需要高電壓時應將光電池串聯(lián)使用； 需要大電流時應將光電池并聯(lián)使用。光電池電路連接 共一百二十七頁 圖 (a)中采用了可變電阻RW,其優(yōu)點是光電池所需的附加電壓可任意調(diào)節(jié);(b)中采用了二極管D,其特點是對晶體管的工作點隨溫度(wnd)的變

25、化有補償作用,但二極管的正向壓降為確定的數(shù)值,不能任意調(diào)節(jié)。 光電計數(shù)器、光電繼電器等開關電路經(jīng)常采用左圖所示的線路。光電池的應用(yngyng) 用偏壓電阻產(chǎn)生附加電壓。如下圖。圖中(a)和(b)分別用可變電阻RW和二極管D產(chǎn)生所需的附加電壓,假設為0.3V至0.5V。這樣光電池本身只需0.2V至0.4V的光電動勢就可以控制晶體管的工作了。圖 用可變電阻RW、二極管D產(chǎn)生所需的附加電壓 共一百二十七頁 硅光電池的開路（負載電阻RL趨于無限大時）電壓與照度的關系是非線性的,因此,作為測量元件使用時,一般不宜當作電壓源使用。而且硅光電池的開路電壓最大也只有0.6V左右,因此如果希望得到大的電壓輸

26、出,不如采用光電二極管和光電三極管,因為它們在外加反向電壓下工作(gngzu),可得到幾伏甚至十幾伏的電壓輸出。但如果照度跳躍式變化,如從零跳變至某值,對電壓的線性關系無要求,光電池可有0.5V左右(開路電壓)的電壓變化,亦可適合于開關電路或繼電器工作(gngzu)狀態(tài)。作電壓(diny)源使用光電池的應用共一百二十七頁 若要增加光電池的輸出電壓,類似于光電二極管可加反向電壓,如下圖(a)所示,有時為了改善線性亦可加反向電壓。為加以說明,光電池的伏安特性曲線畫于下圖(b)。圖中畫出了光電池加反向電壓時的負載線AB和不加反向電壓時的負載線AB。在相同負載電阻RL情況下,這兩條負載線互相平行。顯然

27、,工作于AB段要比工作于AB段為好,在同樣的照度(zho d)變化下(自0變至3),不論電壓或電流變化的大小都成線性關系。但光電池加反向電壓后的暗電流和噪聲有所增大,因而要選用反向暗電流小的光電池,并注意光電池不能因加反向電壓而擊穿。光電池的應用(yngyng)作電壓源使用共一百二十七頁 圖 加反向(fn xin)電壓的光電池 (a)電路；(b)伏安特性曲線 光電池的應用(yngyng)作電壓源使用共一百二十七頁圖 路燈自動(zdng)控制器電路光電池的應用(yngyng)實例共一百二十七頁硅光電二極管和光電池，都是基于p-n結(jié)的光電效應而工作的，它主要用于可見光及紅外光譜區(qū)。 （1）硅光電二

28、極管通常工作在反偏置條件下，即光電導工作模式：可以減小光生載流子度越時間及結(jié)電容，可獲得較寬的線性輸出和較高的響應頻率，適用于測量高頻調(diào)制的光信號(xnho)。（2）硅光電二極管也可工作在零偏置狀態(tài)，即光伏工作模式：暗電流等于零。 硅光電二極管后繼電路采用電流電壓變換電路，線性區(qū)范圍擴大，得到廣泛應用。4.4光電二極管和光電三極管共一百二十七頁光敏晶體管工作原理主要基于光生伏特效應。特點：響應速度快、頻率響應好、靈敏度高、 可靠性高;廣泛應用于可見光和遠紅外探測，以及自動(zdng)控制、自動(zdng)報警、自動(zdng)計數(shù)等領域和裝置。 光敏二極管和光敏三極管共一百二十七頁光敏二極管

29、光敏二極管結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，它們都有一個(y )PN結(jié)，并且都是單向?qū)щ姷姆蔷€性元件。為了提高轉(zhuǎn)換效率大面積受光，PN結(jié)面積比一般二極管大。硅光敏二極管結(jié)構(gòu) 光敏二極管和光敏三極管共一百二十七頁工作原理： 光敏二極管在電路中一般處于(chy)反向偏置狀態(tài)， 無光照時，反向電阻很大， 反向電流很小； 有光照時，PN結(jié)處產(chǎn)生光生 電子空穴對； 在電場作用下形成光電流， 光照越強光電流越大； 光電流方向與反向電流一致。 光敏二極管基本電路 光敏二極管和光敏三極管共一百二十七頁 基本特性 光照(gungzho)特性 右圖是硅光敏二極管在小 負載電阻下的光照特性。 光電流與照度成線性關系。 光敏二極

30、管和光敏三極管硅光電二極管光照(gungzho)特性共一百二十七頁 伏安特性當反向偏壓較低時，光電流隨電壓變化比較敏感，隨反向偏壓的加大，光生(un shn)電流趨于飽和，這時光生(un shn)電流與所加偏壓幾乎無關，只取決于光照強度。光敏二極管和光敏三極管共一百二十七頁光譜(gungp)特性 當入射波長900nm時，響應下降，因波長長， 光子能量小于禁帶寬度，不產(chǎn)生電子空穴對； 當入射波長900nm時，響應也逐漸下降，波長短 的光穿透深度小，使光電流減小。硅光敏二極管光譜響應 光敏晶極管光譜響應 光敏二極管和光敏三極管共一百二十七頁 硅光電二極管的光譜響應特性主要由硅材料決定，響應波長范圍

31、大約是0.41.15um。峰值響應波長一般(ybn)為0.8lum。硅光電二極管對砷化鎵激光波長的探測最佳，對氦、氖激光及紅寶石激光亦有較高的探測靈敏度。光譜(gungp)特性光敏二極管和光敏三極管共一百二十七頁 溫度特性由于反向(fn xin)飽和電流與溫度密切有關，因此光敏二極管的暗電流對溫度變化很敏感。 光敏二極管暗電流與溫度關系 光敏二極管和光敏三極管共一百二十七頁 頻率響應光敏管的頻率響應是指光敏管輸出的光電流隨頻率的變化關系。光敏管的頻響與本身的物理結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)、負載以及入射光波長等因素有關(yugun)。圖光敏二極管頻率響應曲線說明調(diào)制頻率高于1000Hz時，硅光敏晶體管靈敏度

32、急劇下降。光敏二極管和光敏三極管圖4-26 2CU型硅光電二極管的響應(xingyng)時間-負載曲線光敏二極管頻率響應曲線共一百二十七頁 硅光電二極管電路可視為一個高內(nèi)阻恒流源電路。一般，結(jié)電阻 RD 107;串聯(lián)電阻RSRS，負載電阻上的輸出電壓: UL=Ip RD R L/ （ RD + RL ）由于 RD R L 所以UL Ip R L 式中： Ip 為光電流。 由于硅光電二極管加的反偏電壓U0大于Ip R L，所以在任何輻射強度下硅光電二極管都不會飽和，因而(yn r)只處于線性工作范圍。光敏二極管和光敏三極管(a)實際(shj)電路 (b)等效電路 (c)高頻簡化等效電路 (d)低

33、頻等效電路硅光電二極管的頻率響應還可以用等效電路來計算共一百二十七頁 如果入射光是調(diào)制的光信號，則負載上的信號電壓亦隨調(diào)制頻率而變化；當調(diào)制頻率很高時，輸出電壓會下降。而影響(yngxing)頻率響應的主要因素是：光生載流子在P區(qū)的擴散時間p； 在勢壘區(qū)的漂移時間d；結(jié)電容和負載電阻決定的電路時間常數(shù)c。載流子的總渡越時間為p+d+c，實際決定于c。 由于RDR L 所以 ULIp R L/（1+jR L Cj）光敏二極管和光敏三極管共一百二十七頁光敏二極管和光敏三極管當UL從峰值下降到0.707倍峰值時響應頻率為 C=1/（RL Cj）=1/c 結(jié)電容Cj一般很?。sl0pF），適當加大反偏

34、壓，Cj還可減小一些。最主要的是選擇合適的負載電阻RL，選用R L時必須(bx)考慮到噪聲性能：硅光電二極管內(nèi)阻熱噪聲可以忽略，僅考慮負載電阻熱噪聲及散粒噪聲即可；所以R L的選擇要考慮頻率響應及噪聲兩個因素。 硅光電二極管的時間常數(shù)一般在0.1us以內(nèi)，PIN管和雪崩光電二極管的時間常數(shù)在ns數(shù)量級。表4.2給出了幾種硅光電二極管的特性(txng)參數(shù),表4.3給出了幾種硅PIN光電二極管的特性(txng)參數(shù),表4.4給出了幾種硅（鍺）光電三極管的特性(txng)參數(shù),以供參考。共一百二十七頁表4.2 幾種硅光電二極管的特性(txng)參數(shù) 共一百二十七頁表4.3 幾種硅PIN光電二極管的

35、特性(txng)參數(shù) 共一百二十七頁表4.4 幾種硅（鍺）光電三極管的特性(txng)參數(shù) 共一百二十七頁 與普通晶體管不同的是，光敏晶體管是將基極集電極結(jié)作為光敏二極管，集電結(jié)做受光結(jié)，另外發(fā)射極的尺寸做的很大，以擴大(kud)光照面積。 大多數(shù)光敏晶體管的基極無引線，集電結(jié)加反偏。玻璃封裝上有個小孔，讓光照射到基區(qū)。光敏晶極管結(jié)構(gòu) 光敏二極管和光敏三極管光敏三極管共一百二十七頁 硅（Si）光敏晶體極管一般都是NPN結(jié)構(gòu)，光照射在集電結(jié)的基區(qū)，產(chǎn)生電子、空穴，光生電子被拉向集電極，基區(qū)留下正電荷（空穴），使基極與發(fā)射極之間的電壓升高，這樣，發(fā)射極便有大量電子經(jīng)基極流向(li xin)集電極，

36、形成三極管輸出電流，使晶體管具有電流增益。在負載電阻RL上的輸出電壓為： 光敏三極管晶體管電流放大系數(shù) 光敏二極管和光敏三極管共一百二十七頁光敏二極管和光敏三極管光電三極管的工作(gngzu)原理可見，光信號是在集-基結(jié)區(qū)內(nèi)進行光電變換后，再由集電極、基極和發(fā)射極構(gòu)成的晶體三極管中放大而輸出電信號的。 PNP型光電三極管的原理與NPN的相同，只是(zhsh)PNP工作時集電極接電源負極，發(fā)射極接電源正極。 工作時各極所加的電壓與普通晶體管相同，即需要保證集電極反偏置，發(fā)射極正偏置。由于集電極反偏置，內(nèi)建電場的方向有c到b ，與硅光電二極管工作原理相同，如果有光照到bc集的結(jié)上，則光生電子流向c

37、集，光生空穴流向b集，相當于外界向基極注入一個控制電流:Ib 發(fā)射極是正向偏置和普通晶體管一樣有放大作用。 當基極無引線時，集電極電流Ic等于發(fā)射極電流Ie， 即 ：Ic=Ie=（1+）Ib式中：為電流放大倍數(shù)；Ib的大小與光照通量有關；光照越強，Ib電流越大，Ic也越大。共一百二十七頁伏安特性光敏晶體管具有放大作用(zuyng)，伏安特性曲線如圖所示光敏二極管和光敏三極管光敏晶體管的等效電路光敏晶體管的伏安(f n)特性曲線共一百二十七頁在零偏置時，光電三極管沒有電流輸出而光電二極管有電流輸出。原因是它們都能產(chǎn)生光生電動勢，只因光電三極管的集電結(jié)在無反向偏壓(pin y)時沒有放大作用，所以

38、此時沒有電流輸出(或僅有很小的漏電流)。工作電壓較低時，輸出光電流與入射光強成非線性關系。所以一般工作在電壓較高或入射光強較大的場合，作控制系統(tǒng)的開關元件使用。光電流比光電二極管大幾十倍，具有很好的直接驅(qū)動能力。易與數(shù)字邏輯電平接口。伏安(f n)特性光敏二極管和光敏三極管共一百二十七頁 光敏晶體管的光譜特性硅材料的光敏管峰值波長(bchng)在0.9m附近（可見光） 靈敏度最大；可見光或探測赤熱狀物體時一般都用硅管鍺管的峰值波長約為1.5m（紅外光）對紅外進行探測時用鍺管較適宜。 光敏晶體管光譜特性 光敏二極管和光敏三極管光敏三極管共一百二十七頁 光電三極管常在開關狀態(tài)下工作所以響應時間和頻

39、率特性是其重要的參數(shù)之一。光電三極管頻率響應與光電二極管相同外，還受光電三極管基區(qū)渡越時間和發(fā)射結(jié)電容的限制(xinzh)。一般在510us。響應(xingyng)時間和頻率特性光敏二極管和光敏三極管共一百二十七頁 硅光電二極管和三極管的光電流均隨溫度而變化，由于暗電流的增加，使輸出信噪比變差，不利于弱光信號的探測，若弱信號檢測時要考慮溫度的影響，要采取恒溫或補償(bchng)措施。 溫度(wnd)特性光敏二極管和光敏三極管共一百二十七頁 制作PN結(jié)的材料，可以是同一種半導體中參雜突變形成的同質(zhì)結(jié)，也可以是由兩種不同的半導體材料接觸形成的異質(zhì)結(jié)，或金屬與半導體結(jié)合形成的肖特基結(jié)?！敖Y(jié)”指一個單

40、晶體內(nèi)部根據(jù)雜質(zhì)的種類和含量(hnling)的不同而形成的接觸區(qū)域，嚴格說來是指其中的過渡區(qū)。 結(jié)的種類很多，常見的有：PN結(jié)、PI結(jié)、NI結(jié)、P+P結(jié)、N+N結(jié)其它(qt)類型的光電二極管共一百二十七頁P型、本征型及N型硅PIN光電二極管是常用的光電探測器;有較高的靈敏度;有高的反向擊穿壓，時間常數(shù)(sh jin chn sh)小。通?？稍谳^高的反向偏壓下工作；結(jié)電容小，響應速度快；對紅外波長電有較好的響應.其它(qt)類型的光電二極管PIN型光電二極管共一百二十七頁 雪崩型硅光電二極管是一種具有內(nèi)增益的半導體光敏器件。處于反向偏置的PN結(jié)，其勢壘區(qū)內(nèi)有很強的電場，當光照射到PN結(jié)上時。便產(chǎn)

41、生了光生載流子。光生載流子在這個強電場作用(zuyng)下，將加速運動。光生載流子在運動過程中，可能碰撞其它原子而產(chǎn)生大量新的二次電子空穴對。它們在運動過程中也獲得足夠大的動能，又碰撞出大量新的二次電子空穴對。這樣下去象雪崩一樣迅速地碰撞出大量電子和空穴，形成強大的電流，便形成倍增效應。特點：電流增益大 靈敏度高頻率響應快不需要后續(xù)龐大的放大電路在微弱輻射信號的探測方面被廣泛地應用。其缺點是工藝要求高，穩(wěn)定性差，受溫度影響大雪崩(xubng)型硅光電二極管(APD)其它類型的光電二極管共一百二十七頁PIN型硅光電二極管，高速光電二極管，響應時間達1nS，適用于遙控裝置。雪崩式光電二極管，具有高

42、速響應和放大功能，高電流增益，可有效讀取微弱光線(gungxin)，用于0.8m范圍的光纖通信、光磁盤受光元件裝置。光電閘流晶體管（光激可控硅），由入射光線觸發(fā)導通的可控硅元件。其它(qt)類型的光電二極管共一百二十七頁達林頓光電三極管（光電復合晶體管），輸入是光電三極管，輸出是普通晶體管，增益大，I=IgI1I2 。光敏場效應晶體管，具有靈敏度高、線性動態(tài)范圍大、光譜響應范圍寬、輸出阻抗低、體積小等優(yōu)點。廣泛(gungfn)用于對微弱信號和紫外光的檢測。半導體色敏傳感器，可直接測量從可見光到紅外波段的單色輻射波長。其它(qt)類型的光電二極管共一百二十七頁又稱光電隔離器 “光耦”器件(qji

43、n)由發(fā)光元件和接收光敏元件（光敏電阻、光敏二極管、晶體管等）集成在一起，發(fā)光管輻射可見光或紅外光，受光器件在光輻射作用下控制輸出電流大小。通過電光、光電，兩次轉(zhuǎn)換進行輸入輸出耦合。其它(qt)類型的光電二極管光電耦合器件共一百二十七頁 “光耦”集成器件的特點：輸入輸出完全隔離，有獨立的輸入輸出抗，器件有很強的抗干擾能力和隔離性能可避免(bmin)振動、噪聲干擾。 特別適宜做數(shù)字電路 開關信號傳輸、邏輯 電路隔離器、計算機 測量、控制系統(tǒng)中做 無觸點開關等。光電耦合器件(qjin)其它類型的光電二極管共一百二十七頁光電耦合器用于天然氣點火器電路(dinl)其它(qt)類型的光電二極管共一百二十

44、七頁透射式，當不透明物質(zhì)位于中間時會阻斷光路，接受器產(chǎn)生相應的電信號。反射式，光電開關的發(fā)射與接受器件光軸在同一平面上，以某一角度相交，交點處為待測點，當有物體經(jīng)過待測點時，接受元件接收(jishu)到物體表面反射的光線。光電開關結(jié)構(gòu)與外形 光電開關其它(qt)類型的光電二極管共一百二十七頁 1)光電二極管電路分析 光電二極管和光電三極管的電路分析方法與一般晶體三極管類似,是依據(jù)伏安特性曲線和等效電路進行分析。 從光電二極管和光電三極管伏安特性與一般晶體三極管類似,差別在于參變量不同可知,只要用光電二極管的靈敏度S=I/E(A/lx)(或S=I/(A/lm),即照度(zho d)變化E時所引起

45、的光電流變化IC,代替晶體管的電流放大系數(shù)=IC/IB,則可仿效共射極晶體三極管放大器的分析和計算方法?；?jbn)電路分析和計算共一百二十七頁 晶體管的與工作點的選擇有關,工作點可由改變基極電流(dinli)IB進行控制。與此類似,光電二極管工作點由照度的平均值(例如照度從100lx變至200lx時,其平均值為150lx),以及該照度下光電二極管上的電壓決定。在電壓一定時,如果照度的平均值不變,則它的工作點不變;如果照度在0與最大值之間變化,則當最大值改變時,平均值或工作點也有所改變。以光電二極管作測量用時,希望光電流隨光通量或照度成比例變化,且應盡量工作于線性較好的區(qū)域?；倦娐贩治?f

46、nx)和計算共一百二十七頁 光電二極管的連接(linji)電路和伏安特性如圖1所示。若光電二極管上照度的變化Ev=100+100sint(lx),為使光電二極管上有10V的電壓變化,求所需的負載電阻RL和電源電壓E,并給出電流和電壓的變化曲線。例 與晶體管的圖解法類似,找出照度(zho d)為200lx這條伏安特性曲線上的彎曲處A點,它在U軸上投影C點的電壓為2V。因為照度(zho d)變至零時需改變電壓10V,所以電源電壓為 E=2+10=12V解基本電路分析和計算共一百二十七頁圖1 光電二極管GG的連接電路(dinl)和伏安特性基本電路分析(fnx)和計算共一百二十七頁 在電壓U軸上找到1

47、2V的點,連接、兩點的直線即為所求負載(fzi)線。從圖上可得A點的電流為10A,則所需負載(fzi)電阻為 與晶體管放大器圖解法相似,照度變化時的電流(dinli)和電壓的波形,如圖 1(b)所示。如果光電二極管伏安特性的線性較好,則電流(dinli)和電壓的交變分量也呈正弦變化。 基本電路分析和計算共一百二十七頁 由圖可知,加大負載電阻RL和電源電壓E可使輸出的電壓變化加大,但RL增大會使時間常數(shù)增大,響應速度降低(jingd),當要求照度變化頻率較高時,RL的選取要兼顧輸出電壓的大小和響應速度兩個方面。 有時希望公用一個電源,即電源E已給定。如電壓E大于計算值,這時的工作情況只要把圖1的

48、負載線向右平移至給定電壓E即得,不過,這時光電二極管上的功耗要增加,二極管上的電壓和功耗必須在光電二極管的允許電壓和最大允許功耗內(nèi)?；倦娐?dinl)分析和計算共一百二十七頁 如圖 1(a)所示的輸出有時接至有隔直流電容的交流放大器,與一般(ybn)晶體管放大器類似,這時除應有直流負載線外,還需有交流負載線(可參閱有關晶體管放大器的書籍)。 光電二極管的等效電路如圖 1(a)所示。在入射照度一定時,光電二極管相當于一個恒流源,圖中以is表示。等效電路中的RD為反向偏置時的結(jié)電阻,CJ為結(jié)電容,Rs為光電二極管的體電阻與電極接觸電阻之和,RL為負載電阻。光電二極管在電路中的作用,可以此為依據(jù)進

49、行計算?；倦娐?dinl)分析和計算共一百二十七頁圖4-24 光電二極管的高頻(o pn)等效電路 基本電路分析(fnx)和計算共一百二十七頁 光電二極管的高頻響應通常受三個因素的影響:結(jié)電容CJ和負載電阻RL決定的時間常數(shù)RLCJ;光生載流子的擴散時間;載流子在PN結(jié)(耗盡層)中的漂移時間。當時間常數(shù)RLCJ較大時,光電二極管的高頻響應主要受RLCJ的限制。電流源Is=SEmsint由調(diào)制光照度Ev=EQ+Emsint的正弦部分產(chǎn)生,其中EQEm,S為光電二極管的靈敏度。因反向偏置時的結(jié)電阻RD較大,故在并聯(lián)電路中的作用可忽略;Rs的值較小,在串聯(lián)(chunlin)電路中的作用也可忽略,則

50、等效電路簡化成圖4-24(b)。例解 在圖1(a)所示的電路(dinl)中,若光電二極管的結(jié)電容CJ=5pF,RL=100k,求此電路的頻率特性的上限頻率值?；倦娐贩治龊陀嬎愎惨话俣唔?從圖可得如下(rxi)方程式: 所以(suy) （1）（2）基本電路分析和計算共一百二十七頁 入射光的調(diào)制頻率升高時,由于結(jié)電容的存在,負載上的電流IL會減小。當負載電流或端電壓U下降(xijing)為最大(即頻率為零時)值的0.707時,稱該頻率fH為上限頻率。由(3.10)、(3.11)式可知,當滿足HCJ=1/RL,即時,負載(fzi)上的電流或電壓下降為最大值的0.707。則得上限頻率為基本電路分

51、析和計算共一百二十七頁 現(xiàn)已知CJ=510-12 F,RL=100k,所以上限(shngxin)頻率為 可見,減小負載電阻RL,可使上限頻率(pnl)fH提高。此結(jié)論對其它光電器件亦適用。基本電路分析和計算共一百二十七頁光電三極管可分為測量和開關兩種工作(gngzu)狀態(tài)。測量工作(gngzu)狀態(tài)要求電信號與光照度或光通量成比例變化,而光電三極管線性不是很好,故常用在開關工作(gngzu)狀態(tài)。開關工作(gngzu)情況只有黑暗和照亮兩個工作(gngzu)狀態(tài),又分輸出電流和輸出電壓兩種情況,下面分別進行討論。 2) 光電三極管電路(dinl)分析基本電路分析和計算共一百二十七頁 如圖2(a

52、)所示,光電三極管的輸出電流導入晶體(jngt)三極管的基極。晶體(jngt)三極管工作在導通和截止兩種狀態(tài),對基極電流或光電三極管的輸出電流的大小有一定的要求。若忽略晶體(jngt)管基極與發(fā)射極間的電壓降,則得光電三極管的電路如圖2(b)所示。照度變化(binhu)時要求有較大的輸出電流變化(binhu)基本電路分析和計算共一百二十七頁圖2 光電三極管電路(dinl)分析 基本(jbn)電路分析和計算共一百二十七頁 設光電三極管被照亮時的照度為E,它的兩條簡化伏安特性曲線(E=0和E=E)示于圖2(c)(為了簡化,特性曲線的上升部分畫成與電流軸重合)。圖中還給出了所允許的最大電流Imax、

53、最大電壓Umax和最大耗散功率Pmax曲線。根據(jù)(gnj)圖2(b)可列出電壓方程為 為了簡化設備,一般共用(n yn)電源,則E為已知。圖中給出了同一E不同GL的四條負載線NM、NM、NM、NM。 基本電路分析和計算共一百二十七頁 與它們對應的電導GLGLGLGL。由圖可見,光照為E時,為使光電三極管的光電流大,負載線應在NM直線的右邊,由于(yuy)不允許超過最大耗散功率,又必須在NM的左邊,對應于負載線NM的電阻和電導可按如下方法求出:M點的U=0,I=IL(照度為E時的M點光電流),代入上式可得或 負載電導(din do)必須略大于 （3）基本電路分析和計算共一百二十七頁 已知光照時的

54、電流IL后,欲使晶體管飽和(boh)的電阻RC亦可求出,即上式中的為晶體管電流放大系數(shù)。 現(xiàn)舉一例說明:設圖2(a)中的E=18V,光電三極管采用3DU13,它在照度(zho d)100lx時的電流IL=0.7mA。晶體管采用3DG6B,=30。根據(jù)式(3)得（取為24k)（4）基本電路分析和計算共一百二十七頁 如果RC取得較大(jio d),則飽和時的集電極電流(Ic=E/RC)和基極電流都可減小,因而照度可以減低,光電三極管的電阻RL(RL=E/IL)也可取得較大。 由于光電三極管有暗電流,不能使晶體管完全截止,為使兩個工作狀態(tài)分別可靠,可加反向偏置電壓,如圖3.42(a)中的虛線部分所示

55、。而照度為E時,也應保證管子飽和導通。 根據(jù)(gnj)(4)式得 （取為910k）基本電路分析和計算共一百二十七頁 電導GL一定 圖3為光電三極管輸出(shch)較大電壓信號時的電路原理圖。比較圖 3(b)中的負載線NM和NM可知,它們的電導GL相同,電源電壓E和E不同,當光照E足夠大時(最上面一條伏安曲線),兩種光照情況下的光電三極管電壓都為零(M和M點的電壓)。照度E=0時,光電三極管的電壓各為OB和OB(A和A點的電壓),因而電源電壓越大,得到的電壓變化越大,如果電源電壓取最大允許電壓Umax(也可能被允許的功耗曲線Pmax所限制,而不能達到此值),則可得到最大的電壓變化。照度較大(ji

56、o d)時要求有較大(jio d)的輸出電壓變化基本電路分析和計算共一百二十七頁圖3 光電三極管輸出較大電壓信號(xnho)時的電路原理圖基本電路(dinl)分析和計算共一百二十七頁 比較負載線NM和NM,它們的電導GL和GL不同,電源電壓(diny)E相同,分以下兩種情況討論: (a)照度E不大時,由圖可見,當照度由E=0變至E時,對應于負載線NM的電壓變化為OB;對應于負載線NM的電壓變化為CB。 (b)照度E足夠大時,對應于照度E的光電三極管的電壓都為零(M和M點的電壓)。 電源(dinyun)電壓E一定基本電路分析和計算共一百二十七頁 Pmax=IU為常數(shù)的圖形是直角雙曲線。由解析幾何

57、可知,把漸近線作為坐標軸時,其切線在坐標系內(nèi)的長度NM也為切點(qidin)Q所平分,即QN=QM,如圖4所示。 求極限(jxin)情況下的電導和電壓變化基本電路分析和計算共一百二十七頁圖4 Pmax=IU的直角(zhjio)雙曲線圖形基本電路(dinl)分析和計算共一百二十七頁故可求得 (5) 如果照度變化(binhu)足夠大,即從零變至Ev(見圖4),則電壓變化為 式中,I0為A點的暗電流。把(5)式的GL代入上式得到電壓(diny)變化為 基本電路分析和計算共一百二十七頁 實際運用GL遠比(5)式求得的小,這是因為:電導過大有可能使光電流超過其允許值;比較圖4中的負載線NM、NM可見,它們的電壓相差(OB和OB之差)不大,而光電流顯著減小(從OM減小到OM);由于照度波動,實際照度有可能達不到Ev。照度變化不大時,電導較小