光電檢測技術(shù)3剖析

光電檢測技術(shù)3剖析第一頁，共53頁?！?.1

結(jié)型光電器件工作原理3.1.1.熱平衡狀態(tài)下的PN結(jié)

在熱平衡條件下，PN結(jié)中凈電流為零。有外加電壓時結(jié)內(nèi)平衡被破壞，這時流過PN結(jié)的電流方程為?3.1.2.光照下的PN結(jié)1.PN結(jié)光伏效應(yīng)

PN結(jié)受光照射時，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生電子-空穴對。受內(nèi)建電場的作用，空穴順著電場運動，電子逆電場運動，最后在結(jié)區(qū)兩邊產(chǎn)生一個與內(nèi)建電場方向相反的光生電動勢稱為光生伏特效應(yīng)。想一想方程的表達形式?PN結(jié)反偏,耗盡層變寬,內(nèi)電場加強,漂移運動增強,形成漂移電流.漂移電流方向為:電源正-N-P-電源負(fù),方向正好和擴散電流相反,所以叫反向電流.反向電流由少數(shù)載流子產(chǎn)生,而少數(shù)載流子低且環(huán)境溫度不變時,其濃度也不變;更需要注意的是外加反向電壓達一定值后,因少子有限,這時,反向電流基本不隨外加電壓增加而增加,這時反向電流叫反向飽和電流,其值小,但隨溫度變化劇烈.2第二頁，共53頁。2.光照下PN結(jié)的電流方程

結(jié)型光電器件有兩種工作模式:光伏工作模式和光電導(dǎo)工作模式

在零偏置的開路狀態(tài)，結(jié)型光電器件產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)，稱為光伏工作模式。在反偏置狀態(tài)，無光照時結(jié)電阻很大，結(jié)電流很小；有光照時，結(jié)電阻變小，電流變大，而且流過它的光電流隨照度變化而變化，稱為光電導(dǎo)工作模式。?3第三頁，共53頁。SE:光電靈敏度

當(dāng)負(fù)載電阻RL斷開(IL＝0)時，P端對N端的電壓稱為開路電壓，用Voc表示

Ip>>I0

當(dāng)負(fù)載電阻短路(即RL=0)時，光生電壓接近于零，流過器件的電流叫短路電流，用Isc表示V

為結(jié)電壓

光伏效應(yīng)有兩個重要參數(shù):開路電壓和短路電流,他們的定義都可以從PN結(jié)電流方程出發(fā)而得到.短路電流在弱光照射下與照度正比一定溫度下,開路電壓與光照度成對數(shù)關(guān)系,但最大值不超過接觸電勢差:硅接觸電勢差?,鍺接觸電勢差?4第四頁，共53頁。

受光照后，光生電子-空穴對在電場作用下形成大于I0的光電流，并且方向與I0相同，因此曲線將沿電流軸向下平移到第四象限。

無光照時，伏安特性曲線與一般二極管的相同，二極管就工作在這

個狀態(tài)，伏安特性曲線處于第一象限。

如果給PN結(jié)加一反偏電壓Ub，PN結(jié)的勢壘高度由qUD增加到q(UD+Ub)，使光照產(chǎn)生的電子-空穴對在強電場作用下更易進行漂移運動，提高了器件的頻率特性。PN結(jié)光電器件在不同照度下的伏安特性曲線

平移的幅度與光照的變化成正比，即Ip=SEE。光電池就是依據(jù)這個原理工作的。

當(dāng)PN結(jié)反偏時，暗電流隨反向偏壓的增大有所增大，最后等于反向飽和電流I0，而光電流Ip幾乎與反向電壓大小無關(guān)。光電二極管和光電三極管就工作在這個象限5第五頁，共53頁。

太陽能光電池主要用作電源，它結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、可靠性高、壽命長、能直接將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，不僅是航天工業(yè)上的重要電源，也廣泛應(yīng)用于人們的日常生活中。

測量光電池主要功能是作為光電探測用，對它的要求是線性范圍寬、靈敏度高、光譜響應(yīng)合適、穩(wěn)定性好、壽命長，被廣泛應(yīng)用在光度、色度、光學(xué)精密計量和測試中。

§3.2硅光電池

光電池主要功能是在零偏置的情況下能將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。按用途光電池可分為太陽能光電池和測量光電池

光電池是一個PN結(jié)，根據(jù)制作PN結(jié)材料的不同，光電池有硒光電池，硅光電池、砷化鎵光電池和鍺光電池四種。

太陽能電池式電熱水器，利用太陽能電池組在光照下發(fā)電，向裝在使用220V交流電的熱水器水箱里的200W/12V加熱器提供電能，使水溫升高的裝置。也可把太陽能電池式電熱水器的200W/12V加熱裝置，直接按裝在普通的電熱水器上。一年四季都可以使用，它可以調(diào)節(jié)水溫，比普通電熱水器省電6第六頁，共53頁。

2DR型硅光電池是以P型硅作基底，2CR型光電池則是以N型硅作基底，然后在基底上擴散磷（或硼）作為受光面。構(gòu)成PN結(jié)后，分別在基底和光敏面上制作輸出電極，涂上二氧化硅作保護膜，即成光電池。結(jié)構(gòu)示意圖符號電極結(jié)構(gòu)為便于透光和減小串聯(lián)電阻3.2.1.硅光電池的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

硅光電池按基底材料不同分為2DR型和2CR型。7第七頁，共53頁。工作原理如下圖所示硅光電池的電流方程

光照特性有伏安特性、照度-電流電壓特性和照度-負(fù)載特性。3.2.2.硅光電池的特性參數(shù)1.光照特性

特性參數(shù)主要有：光照特性、光譜特性、頻率特性、溫度特性8第八頁，共53頁。式中，ID是結(jié)電流，I0是反向飽和電流，是光電池加反向偏壓后出現(xiàn)的暗電流。

不同照度時的伏-安特性曲線.一般硅光電池工作在第四象限。若硅光電池工作在反偏置狀態(tài)，則伏安特性將延伸到第三象限硅光電池電流方程式當(dāng)E=0時

硅光電池的伏安特性，表示輸出電流和電壓隨負(fù)載電阻變化的曲線。9第九頁，共53頁。

在要求輸出電流與光照度成線性關(guān)系時，負(fù)載電阻在條件許可的情況下越小越好，并限制在強光照范圍內(nèi)使用

當(dāng)RL=∞(開路)時，光電池的開路電壓，以Voc表示當(dāng)RL＝0時所得的電流稱為光電池短路電流，以Isc表示

實際應(yīng)用時，都接負(fù)載，光電池光照與負(fù)載的特性曲線

Voc

在線性測量中,光電池常以電流形式使用,因此短路電流的這種線性關(guān)系是光電池重要的光照特性這就是硅光電池的開路電壓和短路電流與光照的關(guān)系,由此圖可看出什麼?10第十頁，共53頁。2CR型硅光電池的光譜曲線，其響應(yīng)范圍為0.4～1.1μm，峰值波長為0.8～0.9μm，是非常適合人眼的光電池2.光譜特性

光譜響應(yīng)特性表示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長之間的關(guān)系，一般用相對響應(yīng)表示。

線性測量中，要求光電池有高的靈敏度和穩(wěn)定性，同時要求與人眼視見函數(shù)有相似的光譜響應(yīng)特性。鍺光電池長波響應(yīng)寬，適合作紅外探測器

幾種常見光電池的相對光譜響應(yīng)曲線:硒光電池與人眼視見函數(shù)相似，砷化鎵量子效率高，噪聲低，響應(yīng)在紫外區(qū)和可見光區(qū)。11第十一頁，共53頁。

由圖可見，負(fù)載大時頻率特性變差，減小負(fù)載可減小時間常數(shù)τ，提高頻響。但是負(fù)載電阻RL的減小會使輸出電壓降低，實際使用時根據(jù)具體要求而定。3.頻率特性

對矩形脈沖光，用光電流上升時間常數(shù)tr和下降時間常數(shù)tf來表征光電流滯后于光照的程度；對正弦型光照常用頻率特性曲線表示

結(jié)型光電器件，PN結(jié)內(nèi)載流子的擴散、漂移，產(chǎn)生與復(fù)合都需要一定的時間，當(dāng)光照變化很快時，光電流變化就滯后于光照變化。右圖為硅光電池的頻率特性曲線。12第十二頁，共53頁。4．溫度特性

光電池的溫度特性曲線主要指光照射時它的開路電壓Uoc與短路電流Isc隨溫度變化的情況。光電池的溫度特性曲線如下圖所示

從圖知開路電壓Uoc隨著溫度的升高而減小,其值約為2～3mV/oC;短路電流Isc隨著溫度的升高而增大，但增大比例很小，約為10-5～10-3mA/oC數(shù)量級。13第十三頁，共53頁。3.3.1.硅光電二極管結(jié)構(gòu)及工作原理§3.3硅光電二極管和硅光電三極管

制作光電二極管的材料有硅、鍺、砷化鎵、碲化鉛等，目前在可見光區(qū)應(yīng)用最多的是硅光電二極管。

光電二極管是基于PN結(jié)的光電效應(yīng)工作的，它主要用于可見光及紅外光譜區(qū)。光電二極管通常在反偏置條件下工作，也可用在零偏置狀態(tài)。

硅光電二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理與硅光電池相似，不同的地方是：④光電池的光敏面面積比硅光電二極管的光敏面大得多，因此硅光電二極管的光電流小得多，通常在微安級。①制作光電池襯底材料的摻雜濃度比硅光電二極管高:光電池為1016～1019原子數(shù)／厘米3，硅光電二極管為1012～1013原子數(shù)／厘米3；②光電池的電阻率低，約為0.1~0.01歐姆﹒厘米，硅光電二極管為1000歐姆﹒厘米；③光電池在零偏置下工作，硅光電二極管在反向偏置下工作；14第十四頁，共53頁。

2DU系列以P-Si為襯底，有三個引出線：前極、后極、環(huán)極。加環(huán)極的目的是為了減少暗電流和噪聲，環(huán)極與前極相聯(lián)。

硅光電二極管通常用反偏的光電導(dǎo)工作模式。無光照時，若給PN結(jié)加適當(dāng)?shù)姆聪螂妷?，則加強了內(nèi)建電場，使PN結(jié)空間電荷區(qū)變寬，勢壘增大。

光照硅光電二極管時，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生的光生載流子被強內(nèi)建電場拉開，光生電子被拉向N區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū)，于是形成以少數(shù)載流子漂移運動為主的光電流。

當(dāng)硅光電二極管與負(fù)載電阻RL串聯(lián)時，在RL的兩端便可得到隨光照度變化的電壓信號。從而完成了將光信號轉(zhuǎn)變成電信號的轉(zhuǎn)換。

根據(jù)襯底材料的不同硅光電二極管分為2DU型和2CU型兩種系列。

2CU系列以N-Si為襯底,2CU系列光電二極管只有兩個引出線。15第十五頁，共53頁。

3.3.2.硅光電三極管

硅光電三極管具有電流放大作用，它的集電極電流受基極的電流或光強控制。硅光電三極管的外型有光窗,管腳有三根引線或二根引線,管型分為PNP型和NPN型,NPN型稱3DU型,PNP型稱3CU型。以3DU型為例說明硅光電三極管的結(jié)構(gòu)和工作原理。

以N型硅片作襯底，擴散硼而形成P型，再擴散磷而形成重?fù)诫sN+層。在N+側(cè)開窗，引出一個電極作“集電極c”，中間的P型層引出“基極b”，也可以不引出來，在N型硅片的襯底上引出一個“發(fā)射極e”。這就構(gòu)成一個光電三極管。+5+316第十六頁，共53頁。

工作時需保證集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。集電結(jié)反偏，結(jié)內(nèi)有很強的內(nèi)建電場。對3DU型來說，內(nèi)建電場的方向是由c到b，如果有光照到集電結(jié)上，在內(nèi)建電場的作用下，光生載流子中的電子流向集電區(qū)，空穴流向基區(qū)，相當(dāng)于外界向基極注入一個控制電流：Ib＝Ip，當(dāng)基極沒有引線時，此時集電極電流為

在原理上完全可以把它看成是一個由硅光電二極管與普通晶體管結(jié)合而成的組合件。

式中

β為晶體管的電流放大倍數(shù)；E為入射光照度；SE為光電靈敏度。

由此可見，光電三極管的光電轉(zhuǎn)換是在集-基結(jié)內(nèi)進行的，集電極、基極和發(fā)射極又構(gòu)成一個有放大作用的晶體管。17第十七頁，共53頁。

為了改善頻率響應(yīng)，減小體積，提高增益，已研制出集成光電晶體管，它是在一塊硅片上制作一個硅光電二極管和三極管：3.3.3.硅光電三極管與硅光電二極管特性比較1.光照特性

光照特性是指硅光電二極管和硅光電三極管的光電流與照度之間的關(guān)系曲線18第十八頁，共53頁。

由圖可見，硅光電二極管的光照特性的線性較好，硅光電三極管的光電流在弱光照時有彎曲，強光照時又趨向于飽和，只有在中間一段光照范圍內(nèi)線性較好，這是由于硅光電三極管的電流放大倍數(shù)在小電流或大電流時都要下降造成的。硅光電二極管和硅光電三極管的光照特性曲線19第十九頁，共53頁。④在一定的偏壓下，硅光電三極管的伏安特性曲線在低照度時間隔較均勻，在高照度時曲線越來越密，雖然硅光電二極管也有，但硅光電三極管嚴(yán)重得多，這是因為硅光電三極管的是非線性的。③當(dāng)工作電壓較低時輸出的光電流有非線性，硅光電三極管的非線性較嚴(yán)重，這是因為硅光電三極管的與工作電壓有關(guān)。為了得到較好線性，要求工作電壓盡可能高些；

2.伏安特性

伏安特性表示為當(dāng)入射光的照度(或光通量)一定時，光電二極管和光電三極管輸出的光電流與所加偏壓的關(guān)系。硅光電二極管硅光電三極管由圖可見，兩條特性曲線有以下四點不同：

①在相同照度下，一般硅光電三極管的光電流在毫安量級，硅光電二極管的光電流在微安量級；

而硅光電三極管集電結(jié)雖然也能產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)，但因集電結(jié)無偏置電壓，沒有電流放大作用，這微小的電流在毫安級的坐標(biāo)中表示不出來；

②在零偏壓時硅光電三極管沒有光電流輸出，硅光電二極管仍有光電流輸出；這是因為硅光電二極管具有光生伏特效應(yīng)，20第二十頁，共53頁。硅光電二極管和硅光電三極管的光電流和暗電流均隨溫度而變化，但硅光電三極管因有電流放大作用，3．溫度特性

由于暗電流的增加，使輸出信噪比變差，必要時要采取恒溫或補償措施。所以它的光電流和暗電流受溫度影響比硅光電二極管大得多21第二十一頁，共53頁。

下圖為用脈沖光源測出的2CU型硅光電二極管的響應(yīng)時間與負(fù)載RL的關(guān)系曲線，可以看出當(dāng)負(fù)載超過104Ω以后，響應(yīng)時間增加得更快

4.頻率響應(yīng)特性

硅光電二極管的頻率特性主要決定于光生載流子的渡越時間。渡越時間包括光生載流子向結(jié)區(qū)擴散和在結(jié)電場中的漂移。這時，決定硅光電二極管的頻率響應(yīng)上限的因素是結(jié)電容Cj和負(fù)載電阻RL。在實際使用時，應(yīng)根據(jù)頻率響應(yīng)要求選擇最佳的負(fù)載電阻。22第二十二頁，共53頁。

硅光電三極管的頻率響應(yīng)也可用上升時間tr和下降時間tf來表示，硅光電三極管的頻率響應(yīng)，還受基區(qū)渡越時間和發(fā)射結(jié)電容的限制。使用時要根據(jù)響應(yīng)速度和輸出幅值來選擇負(fù)載電阻RL。

硅光電二極管的時間常數(shù)一般在0.1μs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，硅光電三極管的時間常數(shù)卻長達5～10μs。

上升時間tr和下降時間tf與放大后電流Ic的關(guān)系曲線。23第二十三頁，共53頁?！?.4結(jié)型光電器件的放大電路

結(jié)型光電器件一般用三極管或集成運算放大器對輸出信號進行放大和轉(zhuǎn)換。3.4.1.結(jié)型光電器件與放大三極管的連接

硅三極管和鍺三極管導(dǎo)通時射極-基極電壓大小不同，有三種不同的變換電路。鍺三極管放大光電流硅三極管放大光電流

注意:三種電路都以晶體三極管發(fā)射結(jié)的正向電阻作為硅光電池的負(fù)載，因此硅光電池幾乎是工作在短路狀態(tài)，從而獲得線性工作特性的。24第二十四頁，共53頁。3.4.2.結(jié)型光電器件與運算放大器的連接

集成運算放大器因結(jié)構(gòu)簡單、使用方便而廣泛應(yīng)用于光電變換器件中。光電二極管與運算放大電路的連接方式有三種方式

電流放大型IC變換電路：

運算放大器兩輸入端間的輸入阻抗Zin是硅光電二極管的負(fù)載電阻；當(dāng)放大倍數(shù)和反饋電阻較大時,可以認(rèn)為硅光電二極管是處于短路工作狀態(tài),能輸出理想的短路電流,這時運算放大器輸出為:

由于電流放大器輸入阻抗低,響應(yīng)速度快,噪聲低,信噪比高,廣泛用于弱光信號的變換中25第二十五頁，共53頁。(2)電壓放大型IC變換電路：

硅光電二極管與負(fù)載電阻RL并聯(lián)且硅光電二極管的正端接在運算放大器的正端；放大器的漏電流比光電流小得多,具有很高的輸入阻抗.當(dāng)負(fù)載電阻大于1M時,運行于硅光電池下的光電二極管處于開路狀態(tài),可以得到與開路電壓成正比的輸出信號:26第二十六頁，共53頁。(3)阻抗變換型：

反向偏置的硅光電二極管具有恒流源性質(zhì),內(nèi)阻很大,飽和光電流與輸入光照度成正比,在高負(fù)載電阻時可得到高的輸出信號.但是如果把這種反偏的二極管直接接到負(fù)載上,會因為負(fù)載失配而削弱信號的幅度,因此需要有阻抗變換器將阻抗的電流源變換為低阻抗的電壓源,然后再于負(fù)載連接。

注意:用場效應(yīng)管代替雙極性晶體管作前置極,其偏置電流較小,適合于光功率很小的場合.

三種電路各有優(yōu)缺點，但都適用于光功率很小的場合。27第二十七頁，共53頁。

利用光刻技術(shù)，將一個圓形或方形的光敏面窗口分隔成幾個有一定規(guī)律的的區(qū)域(但背面仍為整片)，每一個區(qū)域相當(dāng)于一個光電二極管。理想情況下，每個光電二極管應(yīng)有完全相同的性能參數(shù)?！?.5特殊結(jié)型光電器件3.5.1.象限探測器

象限探測器實質(zhì)是一個面積很大的結(jié)型光電器件，很像一個光電池；28第二十八頁，共53頁。

典型的象限探測器有四象限光電二極管和四象限硅光電池等，也有二象限的硅光電池和光電二極管等。象限探測器有以下幾個缺點：③測量精度易受光強變化的影響，分辨率不高。①表面分割，而產(chǎn)生死區(qū)，光斑越小死區(qū)的影響越明顯；②若光斑全部落入一個象限時，輸出的電信號將無法區(qū)別光斑的準(zhǔn)確位置；29第二十九頁，共53頁。

3.5.2.PIN型光電二極管1）普通PIN型光電二極管

PIN型光電二極管又稱快速光電二極管，它的結(jié)構(gòu)分三層，即在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著較厚的本征半導(dǎo)體I層：PIN光電二極管因有較厚的I層，因此具有四點優(yōu)點:1).PN結(jié)間距離拉大，結(jié)電容變小。目前PIN光電二極管的結(jié)電容一般為零點幾到幾個微微法，響應(yīng)時間tr＝1～3ns，最高達0.1ns。3）增加了對長波的吸收，提高了長波靈敏度，其響應(yīng)波長范圍可以從0.4～1.1μm。4）可承受較高的反向偏壓，使線性輸出范圍變寬2).內(nèi)建電場基本上全集中于I層中，使耗盡層厚度增加，增大了對光的吸收和光電變換區(qū)域，量子效率提高了。30第三十頁，共53頁。

若以PSD的中心點為原點建立坐標(biāo)系或坐標(biāo)軸，設(shè)光點離中心點的距離為xA，于是有：

a．PSD的工作原理和位置表達式

PSD包含有三層，上面為P層，下面為N層，中間為I層，它們?nèi)恢谱髟谕还杵?，P層既是光敏層，也是一個均勻的電阻層。電極③上輸出的總電流為:I0=I1+I22）特殊結(jié)構(gòu)的PIN型光電二極管

光電位置傳感器是一種對入射到光敏面上的光點位置敏感的PIN型光電二極管，面積較大，其輸出信號與光點在光敏面上的位置有關(guān)。一般稱為PSD。

由于P層的電阻是均勻的，由兩極輸出的電流分別與光點到兩電極的距離成反比。

光射到PSD的光敏面上時，在入射位置表面下就產(chǎn)生與光強成比例的電荷，此電荷通過P層向電極流動形成光電流。P層I層N層

設(shè)兩電極間的距離為2L，經(jīng)電極①和電極②輸出的光電流分別為I1和I2

，

思考題：若坐標(biāo)原點設(shè)在PSD的一端，問流過兩個電極的電流與光點位置的關(guān)系式？光電位置傳感器(PSD)31第三十一頁，共53頁。

一般PSD分為兩類：一維PSD和二維PSD。一維PSD主要用來測量光點在一維方向的位置，二維PSD用來測定光點在平面上的坐標(biāo)(x,y)，（1）一維PSD

一維PSD感光面大多做成細(xì)長矩形。b.光電位置傳感器(PSD)的分類

入射光點位于A點的坐標(biāo)位置：①和②為信號電極，③為公共電極A32第三十二頁，共53頁。1.兩面分離型PSD

兩面分離型PSD的兩個面都是均勻電阻層，兩對互相垂直的電極分別位于上下兩個表面上。

（2）二維PSD

二維PSD的感光面是方形的,比一維PSD多一對電極按其電極位置可分為三種形式2.表面分離型PSD

表面分離型PSD的相互垂直的兩對電極在同一個表面上，光電流在同一電阻層內(nèi)分成四部份，即Ix、Ix′、Iy、Iy′，并作為位移信號輸出。它具有施加偏壓容易，暗電流小和響應(yīng)速度快等優(yōu)點

3.改進表面分離型PSD

改進表面分離型PSD是對表面分離型的光敏面和電極進行了改進而做出的。優(yōu)點是，暗電流小、響應(yīng)時間快、易于加反偏壓、位置檢測誤差小。33第三十三頁，共53頁。c.PSD轉(zhuǎn)換放大電路

2.電流-電壓轉(zhuǎn)換電路原理圖V1100kΩRf(1MΩ)10pFA1（CA3140）受光面Rf(1MΩ)100kΩ10pF+10VA2（CA3140）V2+10VRfRfA5A2A1A4A3U位置信號ΔI

ΣI受光面1.一維的PSD轉(zhuǎn)換/放大電路原理圖Rf值取決于輸入電平的大小，U為模擬除法器，所有的運算放大器均為低漂移運算放大器。

為了適應(yīng)內(nèi)阻比較低的電流源，用作電流-電壓變換電路的前置放大器要有低偏壓電源特性以及較小的輸人噪聲電壓和零漂電壓，輸人噪聲通過PSD內(nèi)阻與反饋電阻之比進行放大，為此，反饋電阻通常選擇1MΩ左右,一維的PSD?34第三十四頁，共53頁。

③可同時檢測位置和光強；PSD器件輸出總電流與入射光強有關(guān)，所以從總光電流可求得相應(yīng)的入射光強。d．光電位置傳感器的特征和用途光電位置傳感器具有的特點：

①對光斑的形狀無嚴(yán)格要求，只與光的能量重心有關(guān)；

②光敏面無死區(qū)，可連續(xù)測量光斑位置，分辨率高，一維PSD可達0.2μm；

光電位置傳感器被廣泛地應(yīng)用于激光束的監(jiān)控、平面度檢測、一維長度檢測、二維位置檢測系統(tǒng)等。對準(zhǔn)、位移和振動35第三十五頁，共53頁。e.使用PSD時的注意事項：(1)注意PSD與光源的光譜匹配

PSD波長響應(yīng)范圍較寬，一般在300～1100nm范圍內(nèi)，峰值波長在900nm左右，

(2)注意所加電壓不宜太大也不能太小，以免影響PSD的響應(yīng)頻率。

結(jié)電容Cj

是決定響應(yīng)速度的一個主要因素。當(dāng)反偏壓超過一定值時，結(jié)電容基本上為一常數(shù)。36第三十六頁，共53頁。

從曲線可知，越接近邊緣，其位置檢測誤差越大。使用時盡量不要接近邊緣。(3)注意使用PSD時的環(huán)境溫度

當(dāng)入射光波長小于950nm時，溫度變化對其靈敏度基本上無影響，但光波長大于950nm時其靈敏度隨著溫度的變化較大。(4)注意位置測量誤差范圍37第三十七頁，共53頁。雪崩光電二極管有以下特征：1）靈敏度很高:電流增益可達102～103；2）響應(yīng)速度快:響應(yīng)時間只有0.5ns，響應(yīng)頻率可達100GHz；3）噪聲等效功率很小:約為10-15W。4）反偏壓高,可達200V,接近于反向擊穿電壓。廣泛用于光纖通訊、弱信號檢測、激光測距等領(lǐng)域。

3.5.3.雪崩光電二極管(APD)

雪崩光電二極管是借助強電場產(chǎn)生載流子倍增效應(yīng)工作的一種高速光電二極管。

雪崩倍增效應(yīng):當(dāng)在光電二極管上加（100-200V）反向偏壓時，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生一個很強的電場。結(jié)區(qū)的光生載流子受強電場的加速獲得很大的能量，與原子碰撞時可使原子電離，新生的電子-空穴對在向電極運動過程中又獲得足夠能量，再次與原子碰撞，又產(chǎn)生新的電子-空穴對。這一過程不斷重復(fù)，使PN結(jié)內(nèi)電流急劇增加，雪崩倍增效應(yīng)38第三十八頁，共53頁。

3.5.4.紫外光電二極管

紫外光是頻率很高的電磁波，由于半導(dǎo)體材料對電磁波的吸收與波的頻率有關(guān)，頻率越高吸收越大，所以大多數(shù)紫外光生載流子將產(chǎn)生在材料的表面附近還沒有到達結(jié)區(qū)就因密度太大而被復(fù)合掉，響應(yīng)率很低。

研究和分析認(rèn)為：制造時采用淺PN結(jié)和肖特基結(jié)的結(jié)構(gòu)，可以增強對藍(lán)、紫波長光的吸收和響應(yīng)率。

已經(jīng)研制的藍(lán)、紫光增強型硅光電二極管，具有PN結(jié)淺、電子擴散長度大和表面復(fù)合速率小等三方面的優(yōu)點。目前生產(chǎn)的系列紫外光電二極管的光譜范圍從190～1100nm。1.藍(lán)、紫增強型硅光電二極管39第三十九頁，共53頁。

一般利用金或鋁分別與Si、Ge、GaAs、GaAsP、GaP等半導(dǎo)體材料接觸，制得各種肖特基結(jié)光電二極管。2．肖特基結(jié)光電二極管

由于結(jié)深為零，因此能吸收入射光中相當(dāng)一部份藍(lán)、紫光和幾乎所有的紫外線，吸收后所激發(fā)的光生載流子在復(fù)合之前就會被強電場分離，這就提高了光生載流子的產(chǎn)生效率和收集效率，改善了器件的短波響應(yīng)率。肖特基勢壘是由金屬與半導(dǎo)體接觸形成的。

可以把肖特基勢壘光電二極管看作是一個結(jié)深為零，表面覆蓋著薄而透明金屬膜的PN結(jié)。40第四十頁，共53頁。

從圖可見，在同一塊硅片上制造兩個深淺不同的PN結(jié)，其中PD1為淺結(jié):對短波長的光響應(yīng)率高；PD2為深結(jié):對波長長的光響應(yīng)率高。又稱為雙結(jié)光電二極管。

光譜響應(yīng)特性深結(jié)淺結(jié)3.5.5.半導(dǎo)體色敏器件

半導(dǎo)體色敏器件是根據(jù)人眼視覺的三色原理，利用不同結(jié)深的光電二極管對各種波長的光譜響應(yīng)率不同的現(xiàn)象制成的。1．半導(dǎo)體色敏器件的工作原理半導(dǎo)體色敏器件的結(jié)構(gòu)示意圖和等效電路。41第四十一頁，共53頁。

根據(jù)雙結(jié)光電二極管等效電路，可以設(shè)計如下圖所示的信號處理電路2．雙結(jié)硅色敏器件的檢測電路

圖中PD1、PD2為兩個深淺不同的硅PN結(jié)??最后得到不同顏色的輸出電壓值：42第四十二頁，共53頁。

當(dāng)用雙結(jié)光電二極管作顏色測量時，可以測出其中兩個硅光電二極管的短路電流比的對數(shù)值與入射光波長的關(guān)系

由圖可知，每一種波長的光都對應(yīng)于一短路電流比值，可根據(jù)短路電流比值來判別入射光的波長

就可以得到輸出電壓Vo與入射波長之間的關(guān)系

只要測出處理電路的輸出電壓，就可利用這條曲線快速地確定出被測光的波長以達到識別顏色的目的。

雙結(jié)光電二極管只能用于確定單色光的波長，對于混合色光，它是無能為力的43第四十三頁，共53頁。

根據(jù)色度學(xué)理論，已經(jīng)研制出可以識別混合色光的三色色敏器件

在同一塊非晶體硅基片上制作三個深淺不同的PN結(jié)，并分別配上紅、綠、藍(lán)三塊濾色片而構(gòu)成一個整體得到近似于1931CIE-RGB系統(tǒng)光譜三刺激值曲線.

通過R、G、B三個不同結(jié)輸出電流的大小比較識別各種物體顏色。

半導(dǎo)體色敏器件具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低等特點，被廣泛用于與顏色鑒別有關(guān)的各個領(lǐng)域中。

44第四十四頁，共53頁。

光電耦合器件分為兩類：一類稱光電隔離器，另一類稱光傳感器，

光電隔離器能在電路之間傳送信息，實現(xiàn)電路間的電氣隔離和消除噪聲影響；

光電耦合器件具有體積小、壽命長、無觸點、抗干擾能力強、輸出和輸入之間隔離、可單向傳輸信號等特點。§3.6結(jié)型光電器件的應(yīng)用實例--光電耦合器件

光電耦合器件是發(fā)光器件與接收器件組合的一種元件。發(fā)光器件常采用發(fā)光二極管；接收器件常用光電二極管、光電三極管及光集成電路等。它以光作媒介把輸入端的電信號耦合到輸出端，因此也稱為光電耦合器。發(fā)光二極管、光電二極管、光電三極管等都是結(jié)型光電器件，所以它們的組合也是結(jié)型光電器件的典型應(yīng)用。3.6.1.光電耦合器件的分類、結(jié)構(gòu)和用途

光傳感器用于檢測物體的有無狀態(tài)或位置。

45第四十五頁，共53頁。

把發(fā)光器件和光電接收器件組裝在同一管殼中，且