第3章光電式傳感器2

第3章光電式傳感器3.1光電效應(yīng)3.2熱釋電效應(yīng)3.3光的吸收系數(shù)3.4光傳感器的特性表示法3.5光電傳感器13.5光電傳感器光電管光電倍增管光敏電阻光電二/三極管光電池PIN型硅光電二極管雪崩式光電二極管APD半導(dǎo)體色敏傳感器2光電閘流晶體管熱釋電傳感器達(dá)林頓光電三極管光電耦合器件光導(dǎo)攝像管CCD圖像傳感器3.5光電傳感器3.5.1光電管

光電管是一個裝有光電陰極和陽極的真空玻璃管。圖中左邊的一種,光電陰極是在玻璃管內(nèi)壁涂上陰極涂料構(gòu)成的;右邊的一種,光電陰極是在玻璃管內(nèi)裝入涂有陰極涂料的柱面形極板構(gòu)成的。3光電管的伏安特性當(dāng)入射光比較弱時,由于光電子較少,只用較低的陽極電壓就能收集到所有的光電子,而且輸出電流很快就可以達(dá)到飽和;當(dāng)入射光比較強時,使輸出電流達(dá)到飽和,則需要較高的陽極電壓。

光電管的工作點應(yīng)選在光電流與陽極電壓無關(guān)的飽和區(qū)域內(nèi)。由于這部分動態(tài)阻抗(dU/dI)非常大,可以看作恒定電流源,能通過大的負(fù)載阻抗取出輸出電壓。4

真空光電管的時間響應(yīng)特性很好,從光子變換為光電子只需10-12s的時間。占時間比較多的是光電子從陰極到陽極的時間Δt。在外加電壓為U,平板電極間隔為d時,Δt值的粗略估算為如果d是數(shù)毫米,U在1000V以上時,那么響應(yīng)時間可以估算為0.2~0.3ns。電子質(zhì)量電子電荷初始動能56充氣光電管的電壓-電流特性充氣光電管的電壓-電流特性不具有真空光電管的那種飽和特性,而是達(dá)到充氣離子化電壓附近時,陽極電流急速上升。急速上升部分的特性就是氣體放大特性,放大系數(shù)為5~10。充氣光電管的優(yōu)點是靈敏度高,但其靈敏度隨電壓顯著變化的穩(wěn)定性、頻率特性等都比真空光電管差。3.5.2光電倍增管光電倍增管是利用二次電子釋放效應(yīng),將光電流在管內(nèi)部進(jìn)行放大。所謂二次電子釋放效應(yīng)是指高速電子撞擊固體表面,再發(fā)射出二次電子的現(xiàn)象。它由光電陰極、若干倍增極和陽極三部分組成。7

倍增極的形狀和位置設(shè)計得正好能使前一級倍增極發(fā)射的電子繼續(xù)轟擊后一級倍增極。從陰極開始及在每個倍增極間依次加上加速電壓。設(shè)每級的倍增率為δ,經(jīng)過N個倍增極后,光電倍增管的光電流倍增率將為δN。δ稱為二次電子發(fā)射比。管內(nèi)電流放大增益為：光電面與第一倍增極間的光電子收集效率~90%倍增極間的電子傳遞效率~100%8倍增極間的外加電壓Ud與總增益G的關(guān)系可近似：常數(shù)9倍增器電極間電壓與總放大倍數(shù)的關(guān)系N就是上面所說的倍增極數(shù)10圖3.17幾種常見光電倍增管的結(jié)構(gòu)圖3.17幾種常見光電倍增管的結(jié)構(gòu)

倍增極的電壓是由分壓電阻鏈R1、R2、…、RN+1獲得，負(fù)載電阻RL的放大電流輸出電壓。若光電倍增管用來監(jiān)控連續(xù)光源,使用中往往將電源正極接地,陽極直接接到放大器的輸入端。12在脈沖應(yīng)用時,最好把電源負(fù)極接地利于降低噪聲，輸出可通過電容和下一級放大器耦合。電容器C1、C2等常用來穩(wěn)定最后幾個倍增極在脈沖期間的電壓,電容器有助于穩(wěn)定增益和防止飽和,它們通過電源去耦電容C對脈沖電壓接地。13一種光電倍增管的特性（25°C時）143.5.3光敏電阻

1.光敏電阻的結(jié)構(gòu)原理

光敏電阻的工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng):在無光照時,光敏電阻具有很高的阻值;在有光照時,當(dāng)光子的能量大于材料禁帶寬度,價帶中的電子吸收光子能量后躍遷到導(dǎo)帶,激發(fā)出可以導(dǎo)電的電子-空穴對,使電阻降低。

光敏電阻具有靈敏度高,光譜響應(yīng)范圍寬,體積小,重量輕,機械強度高,耐沖擊,抗過載能力強,耗散功率大,以及壽命長等特點。152.光敏電阻的基本特性和主要參數(shù)

1)暗電阻和暗電流室溫條件下,光敏電阻在全暗后經(jīng)過一定時間測得的電阻值,稱為暗電阻。此時在給定工作電壓下流過光敏電阻的電流稱為暗電流。光敏電阻在某一光照下的阻值,稱為該光照下的亮電阻,此時流過的電流稱為亮電流。亮電流與暗電流之差稱為光電流。162)光照特性

光敏電阻的光電流與光強之間的關(guān)系,稱為光敏電阻的光照特性。不同類型的光敏電阻,光照特性不同。但多數(shù)光敏電阻的光照特性類似于圖中的曲線形狀。173)光譜特性光敏電阻對不同波長的光,光譜靈敏度不同,而且不同種類光敏電阻峰值波長也不同。光敏電阻的光譜靈敏度和峰值波長與所采用材料、摻雜濃度有關(guān)。184)伏安特性

在一定照度下,光敏電阻兩端所加的電壓與光電流之間的關(guān)系,稱為伏安特性。硫化鎘光敏電阻的伏安特性曲線如圖所示。由曲線可知,在給定的偏壓下,光照度越大,光電流也越大;在一定的光照度下,電壓越大,光電流越大,且沒有飽和現(xiàn)象。195)響應(yīng)時間和頻率特性在階躍脈沖光照射下,光敏電阻的光電流要經(jīng)歷一段時間才達(dá)到最大飽和值,光照停止后,光電流也要經(jīng)歷一段時間才下降到零。在光電器件中,光敏電阻的響應(yīng)速度最慢,因此,利用其作開關(guān)元件僅適用于低速的情況。20

常用時間常數(shù)τ來描述響應(yīng)時間的長短。產(chǎn)品說明中也往往給出時間常數(shù)的值,多數(shù)光敏電阻時間常數(shù)在10-6～1s數(shù)量級。實驗表明:光敏電阻的響應(yīng)時間與前歷時間有關(guān),在暗處放置時間越長,響應(yīng)時間越長;響應(yīng)時間也與照度有關(guān),照度越大,響應(yīng)時間越短。由于不同材料的光敏電阻有不同的響應(yīng)時間,因而它們的頻率特性也不相同。21光敏電阻的頻率特性6)溫度特性當(dāng)溫度升高時,光敏電阻的暗電阻和靈敏度都下降,因此光電流隨溫度升高而減小。光敏電阻的溫度特性一般用溫度系數(shù)α來表示。溫度系數(shù)定義為:在一定光照下,溫度每變化1℃,光敏電阻阻值的平均變化率。即溫度系數(shù)越小越好22R2為在一定光照下,溫度為T2時的阻值

溫度變化不僅影響靈敏度、暗電阻,而且對光敏電阻的光譜特性也有很大影響,隨溫度升高,峰值波長向短波方向移動。因此,對光敏電阻靈敏面降溫可提高對長波長的響應(yīng)。硫化鉛光敏電阻在不同溫度的光譜特性曲線237)穩(wěn)定性初制成的光敏電阻,光電性能不穩(wěn)定,需進(jìn)行人工老化處理,即人為地加溫、光照和加負(fù)載,經(jīng)過一至二星期的老化,使其光電性能趨向穩(wěn)定。人工老化后,光電性能就基本上不變了。表3.3光敏電阻的典型參數(shù)243.基本電路分析計算

基本電路的分析通常是從等效電路和伏安特性曲線進(jìn)行分析。光敏電阻在受到的光照變化時其電阻值將作相應(yīng)變化。為了引出信號常將其和負(fù)載電阻串聯(lián),從光敏電阻的兩端或負(fù)載電阻的兩端引出信號。一個實際的光敏電阻開關(guān)電路如下圖所示。光敏電阻的基本電路光敏電阻開關(guān)電路25

由圖可得電流為設(shè)當(dāng)照度變化時,光敏電阻值改變ΔRG,則電流變?yōu)樨?fù)號的物理意義為:當(dāng)光敏電阻上的照度增加,電阻減小(即ΔRG<0)時,電流增加。26負(fù)載電阻對應(yīng)于某一照度或某工作點Q處的光敏電阻值當(dāng)電流為I時,從圖可看出,輸出電壓為

U=E-IRL當(dāng)電流為I+ΔI時,輸出電壓為

U+ΔU=E-(I+ΔI)RL則照度變化引起的信號電壓變化為結(jié)論：外加電壓E越高,負(fù)載電阻越大,輸出的信號電流和電壓越大,但實際上,光敏電阻是受最大耗散功率Pmax限制的。光敏電阻在任何照度下都必須滿足27圖中給出了對應(yīng)于照度E′、EQ和E″的光敏電阻的伏安特性曲線OB、OQ和OA。

照度變化時,電流和電壓圍繞工作點Q沿負(fù)載線變化。當(dāng)照度為EQ時,光敏電阻RG和ΔRG可由實測或伏安特性求出。在同樣的照度變化下,如果ΔRG越大,信號電流ΔI和信號電壓ΔU也越大。因Pmax數(shù)值一定,滿足的曲線為一雙曲線281)負(fù)載電阻RL的確定

(1)一般情況下，若光敏電阻RG和ΔRG及電源電壓E已知,如何選擇合適的RL以得到最大的信號電壓u？對RL求導(dǎo)

(2)較高的頻率下,除選用高頻響應(yīng)較好的光敏電阻外,負(fù)載電阻RL也需取較小的值,否則時間常數(shù)較大,對高頻響應(yīng)不利。所以在較高頻率下工作時,往往在失配的情況下工作,即取RL<RG。阻抗匹配292)電源電壓E的選擇30RL不變時,E增大后的負(fù)載線為A′Q′B′,因為A′Q′>AQ,所以ΔU′>ΔU。但需注意,當(dāng)E增大時,光敏電阻的損耗將增加,靠近允許功耗Pmax曲線。信號電壓ΔU隨E的增大而增大對于工作點Q0（圖中正好在負(fù)載線EQ1與Pmax曲線的交點上）,電流I與電壓U間的關(guān)系可用下式表示

I=tanα(E-U)=GL(E-U)且：U≤Pmax/I31(1)一般情況下，當(dāng)G2LE2-4GLPmax<0時,方程式無實數(shù)解,即負(fù)載線與Pmax曲線無交點,表示光敏電阻在Pmax曲線的左下部工作,例如負(fù)載線EQ3;當(dāng)G2LE2-4GLPmax=0時,方程式的兩個實數(shù)解相同,對應(yīng)于切點Q2。在臨界功耗點Q2處有32因此,當(dāng)負(fù)載電阻RL=1/GL選定后,電源電壓E被上式所限制,選用電源時不能超過此值,否則功耗有可能超過Pmax。另外使用時也不應(yīng)超過光敏電阻的極限工作電壓。

(2)為了電源設(shè)備簡單,常公用一個電源,即E值為已知,則負(fù)載電阻或電導(dǎo)必須滿足下式:

或(3)為了得到大的電流變化,當(dāng)RL→0,GL→∞時,則用下式估算E:33照度最大時的光敏電阻值

(4)對弱信號的檢測要著重考慮提高信噪比。光敏電阻的信號電壓隨電源電壓而增大。光敏電阻的噪聲在低偏置電壓時主要是熱噪聲。當(dāng)偏置電壓升高時,流過光敏電阻的電流增加,電流噪聲將起主要作用,并且噪聲電壓的增加速度比信號電壓增加的速度快。所以信號電壓US與噪聲電壓UN之比US/UN隨偏置電壓(或電流)的變化有一最佳值。光敏電阻的工作點應(yīng)選在信噪比最大的偏置電壓(或電流)處為最合適。由信噪比決定電源E后,應(yīng)校驗電壓或功率是否超過該光敏電阻的允許值,并要留有余地。34考慮到環(huán)境變化(溫度升高時光敏電阻的暗電流增大)和安全起見,光敏電阻的功耗應(yīng)留有余地。如:化學(xué)沉淀的PbS約為0.2W/cm2,在長期使用時必須小于0.2W/cm2,若以0.1W/cm2計算,電源電壓或偏置電壓E可由下式求出:35若RL=ＲG=1MΩ,AG=0.1cm2,則由上式得E=63V。使用中也不要超過最大光電流,為此要控制入射的輻射通量。在高溫環(huán)境下使用時,更要限制光電流,以免燒壞器件,并且盡可能不采用樹脂封裝的光敏電阻,而采用玻璃和金屬材料封裝的光敏電阻。光敏電阻的面積3.5.4光電二極管和光電三極管36光電二極管是利用PN結(jié)單向?qū)щ娦缘慕Y(jié)型光電器件,結(jié)構(gòu)與一般二極管類似。PN結(jié)安裝在管的頂部,便于接受光照。外殼上面有一透鏡制成的窗口以使光線集中在敏感面上。為了獲得盡可能大的光生電流,PN結(jié)的面積比一般二極管要大。為了光電轉(zhuǎn)換效率高,PN結(jié)的深度較一般二極管淺。光電二極管電路原理如圖所示。光電三極管有PNP型和NPN型。光電三極管的發(fā)射極一邊尺寸很小,以擴大光照面積。它可以等效看作一個光電二極管和一只晶體三極管的結(jié)合。當(dāng)基極開路時,基極集電極處于反偏,有光照時形成的光電流ICO作為基極電流被晶體管放大,光電三極管的靈敏度比光電二極管的靈敏度高幾十倍。371.光電管的基本特性

1)光譜特性當(dāng)入射光的波長增加時,相對靈敏度要下降,這是因為光子的能量hν太小,不足以激發(fā)出電子-空穴對。當(dāng)入射光波長太短時相對靈敏度也下降,這是因為光子在半導(dǎo)體表面附近激發(fā)的電子—空穴在半導(dǎo)體表面附近便被吸收,不能達(dá)到PN結(jié)。382)光照特性光照特性反映集電極輸出電流IC和照度EC之間的關(guān)系。三極管的光照特性曲線線性不太好,在大電流時有飽和現(xiàn)象。光電二極管在反向偏壓的作用下,光照特性曲線有良好的線性。393)伏安特性光電管的伏安特性與一般晶體三極管類似,差別在于參變量不同:晶體三極管的參變量為基極電流,而光電管的參變量是入射的光照度。

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圖3.37光電管的伏安特性4)溫度特性

溫度變化對光電流的影響很小,而對暗電流影響很大。暗電流隨溫度升高是由于熱激發(fā)造成的。在高溫低照度下工作時,由于溫度升高而產(chǎn)生的電流變化是一個必須考慮的誤差信號。當(dāng)交流放大時,由于隔直電容的作用,暗電流被隔斷,因此消除了溫度升高及暗電流增加對輸出的影響。41圖3.38溫度對光電管暗電流和光電流的影響5)頻率響應(yīng)(特性)和時間常數(shù)光電管的頻率響應(yīng)：一定頻率的調(diào)制光照射時,光電管輸出的光電流(或負(fù)載上的電壓)隨頻率的變化關(guān)系。光電管的頻率響應(yīng)與其物理結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)、負(fù)載以及入射光波長等因素有關(guān)。42硅光電三極管的頻率響應(yīng)曲線光電管的時間常數(shù)一般在10-10~10-4s之間,硅管時間常數(shù)較小,響應(yīng)頻率高。有些特殊用途的光電管,如硅PIN光電二極管其響應(yīng)頻率高達(dá)幾百兆赫茲,暗電流小到1nA。表3.4幾種硅光電二極管的特性參數(shù)43表3.5幾種硅PIN光電二極管的特性參數(shù)44表3.6幾種硅（鍺）光電三極管的特性參數(shù)453.基本電路分析和計算

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,依據(jù)伏安特性曲線和等效電路進(jìn)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,只要用光電二極管的靈敏度S=ΔI/ΔEν(μA/lx)(或S=ΔI/ΔΦ(μA/lm)),即照度變化ΔEν時所引起的光電流變化ΔIC,代替晶體管的電流放大系數(shù)β=ΔIC/ΔIB,則可仿效共射極晶體三極管放大器的分析和計算方法。46

晶體管的β與工作點的選擇有關(guān),工作點可由改變基極電流IB進(jìn)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(dāng)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(yīng)盡量工作于線性較好的區(qū)域。47

例：若光電二極管上照度的變化Ev=100+100sinωt(lx),為使光電二極管上有10V的電壓變化,求所需的負(fù)載電阻RL和電源電壓E,并給出電流和電壓的變化曲線。圖解法：找出照度為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。因為照度變至零時需改變電壓10V,所以電源電壓為E=2+10=12V

48光電二極管GG的連接電路和伏安特性

在電壓U軸上找到12V的Ｂ點,連接Ａ、Ｂ兩點的直線即為所求負(fù)載線。從圖上可得A點的電流為10μA,則所需負(fù)載電阻為49

由圖可知,加大負(fù)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(yīng)速度降低,當(dāng)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(yīng)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負(fù)載線向右平移至給定電壓E即得,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)。50光電二極管的等效電路如圖：在入射照度一定時,光電二極管相當(dāng)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(fù)載電阻。光電二極管在電路中的作用,可以此為依據(jù)進(jìn)行計算。51圖3.41光電二極管的高頻等效電路

例:若光電二極管的結(jié)電容CJ=5pF,RL=100kΩ,求此電路的頻率特性的上限頻率值。

解光電二極管的高頻響應(yīng)通常受三個因素的影響:①結(jié)電容CJ和負(fù)載電阻RL決定的時間常數(shù)RLCJ;②光生載流子的擴散時間;③載流子在PN結(jié)(耗盡層)中的漂移時間。當(dāng)時間常數(shù)RLCJ較大時,光電二極管的高頻響應(yīng)主要受RLCJ的限制。電流源Is=SEmsinωt由調(diào)制光照度Ev=EQ+Emsinωt的正弦部分產(chǎn)生,其中EQ≥Em,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)電路中的作用也可忽略,則等效電路簡化成圖3.41(b)。52

從圖可得如下方程式:(3.10)(3.11)所以53

入射光的調(diào)制頻率升高時,由于結(jié)電容的存在,負(fù)載上的電流IL會減小。當(dāng)負(fù)載電流或端電壓U下降為最大(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(dāng)滿足ωHCJ=1/RL,即

時,負(fù)載上的電流或電壓下降為最大值的0.707。則得上限頻率為54

現(xiàn)已知CJ=5×10-12F,RL=100kΩ,所以上限頻率為

可見,減小負(fù)載電阻RL,可使上限頻率fH提高。此結(jié)論對其它光電器件亦適用。552)光電三極管電路分析光電三極管可分為測量和開關(guān)兩種工作狀態(tài)。測量工作狀態(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(guān)工作狀態(tài)。開關(guān)工作情況只有黑暗和照亮兩個工作狀態(tài),又分輸出電流和輸出電壓兩種情況。56(1)照度變化時要求有較大的輸出電流變化。如左圖所示,光電三極管的輸出電流導(dǎo)入晶體三極管的基極。晶體三極管工作在導(dǎo)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。若忽略晶體管基極與發(fā)射極間的電壓降,則得光電三極管的電路如右圖所示。57

設(shè)光電三極管被照亮?xí)r的照度為Eν,它的兩條簡化伏安特性曲線(Eν=0和Eν=Eν)如圖，根據(jù)簡化電路可列出電壓方程為：

為了簡化設(shè)備,一般共用電源,則E為已知。圖中給出了同一E不同GL的四條負(fù)載線NM′、NM、NM″、NM′″。58

與它們對應(yīng)的電導(dǎo)GL′<GL<GL″<GL′″。由圖可見,光照為Eν時,為使光電三極管的光電流大,負(fù)載線應(yīng)在NM直線的右邊,由于不允許超過最大耗散功率,又必須在NM的左邊,對應(yīng)于負(fù)載線NM的電阻和電導(dǎo)可按如下方法求出:M點的U=0,I=IL(照度為Eν時的M點光電流)：59

已知光照時的電流IL后,欲使晶體管飽和的電阻RC亦可求出,即晶體管電流放大系數(shù)例:設(shè)圖中的E=18V,光電三極管采用3DU13,它在照度100lx時的電流IL=0.7mA。晶體管采用3DG6B,β=30。（取為24kΩ)60（取為910kΩ）(2)照度較大時要求有較大的輸出電壓變化。①電導(dǎo)GL一定。圖中負(fù)載線NM和N′M′可知,它們的電導(dǎo)GL相同,電源電壓E和E′不同,當(dāng)光照Eν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Eν=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(dá)到此值),則可得到最大的電壓變化。61光電三極管輸出較大電壓信號時的電路原理圖62②電源電壓E一定。比較負(fù)載線NM和NM″,分以下兩種情況討論:(a)照度Eν不大時,由圖可見,當(dāng)照度由Eν=0變至Eν′時,對應(yīng)于負(fù)載線NM″的電壓變化為OB″;對應(yīng)于負(fù)載線NM的電壓變化為CB。

(b)照度Eν足夠大時,對應(yīng)于照度Eν的光電三極管的電壓都為零(M和M″點的電壓)。63③求極限情況下的電導(dǎo)和電壓變化。

Pmax=IU為常數(shù)，把漸近線作為坐標(biāo)軸時,其切線在坐標(biāo)系內(nèi)的長度NM也為切點Q所平分,即QN=QM。64故可求得

如果照度變化足夠大,即從零變至Ev,則電壓變化為65為A點的暗電流

實際運用GL遠(yuǎn)比求得的小,這是因為:①電導(dǎo)過大有可能使光電流超過其允許值;②比較圖中的負(fù)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′);③由于照度波動,實際照度有可能達(dá)不到Ev。照度變化不大時,電導(dǎo)較小,能得到較大的電壓變化。最后應(yīng)指出,由于生產(chǎn)實際的復(fù)雜性和光電三極管參數(shù)的分散性,在算出參數(shù)后,還需經(jīng)過實際調(diào)整和修正,以使參數(shù)和電路更加合理。663.5.5光電池光電池的工作原理是基于光生伏特效應(yīng)的。光電池的種類很多,有硒光電池、氧化亞銅光電池、鍺光電池、硅光電池、砷化鎵光電池等。其中硅光電池的光電轉(zhuǎn)換效率高,壽命長,價格便宜,適合紅外波長工作,是最受重視的光電池。

671.光電池工作原理

硅光電池是在N型硅片中摻入P型雜質(zhì)形成一個大面積的PN結(jié)。光電池的結(jié)構(gòu)類似于光電二極管,區(qū)別在于硅光電池用的襯底材料的電阻率低,約為0.1~0.01Ω·cm,而硅光電二極管襯底材料的電阻率約為1000Ω·cm。上電極為柵狀受光電極,下電極為襯底鋁電極。柵狀電極能減少電極與光敏面的接觸電阻,增加透光面積。其上還蒸鍍抗反射膜,既減少反射損失,又對光電池起保護(hù)作用。68圖3.46硅光電池電原理圖69當(dāng)光照射到PN結(jié)上時,如果在兩電極間串接負(fù)載電阻,則電路中便產(chǎn)生了電流。2.光電池的基本特性

1)光譜特性光電池的光譜特性如圖，不同材料的光電池,峰值波長不同。702)光照特性

硅光電池的光照特性,硅光電池的短路電流與光照有較好的線性關(guān)系,而開路(負(fù)載電阻RL趨于無限大時)電壓與照度的關(guān)系是非線性的（呈對數(shù)關(guān)系）,在光照度2000lx時就趨向飽和了。71

因此,光電池作為測量元件使用時,應(yīng)利用短路電流與照度有較好線性關(guān)系的特點,可當(dāng)作電流源使用,而不宜當(dāng)作電壓源使用。所謂短路電流是指外接負(fù)載電阻遠(yuǎn)小于光電池內(nèi)阻時的電流。由圖可知,負(fù)載越小,光電流與照度之間的線性關(guān)系越好,而且線性范圍越寬。723)頻率特性光電池的頻率特性是指相對輸出電流與光的調(diào)制頻率之間的關(guān)系。所謂相對輸出電流是指高頻輸出電流與低頻最大輸出電流之比。在光電池作為測量、計算、接收器件時,常用調(diào)制光作為輸入。由圖可知硅光電池具有較高的頻率響應(yīng)。因此,在高速計數(shù)的光電轉(zhuǎn)換中一般采用硅光電池。734)溫度特性光電池的溫度特性是指開路電壓Uoc和短路電流Isc隨溫度變化的關(guān)系。由圖可知,開路電壓隨溫度上升下降很快,但短路電流隨溫度的變化較慢。溫度特性影響應(yīng)用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移,以及測量精度或控制精度等重要指標(biāo)。當(dāng)其用作測量器件時,最好能保持溫度恒定或采取溫度補償措施。745)伏安特性右圖畫出了硅光電池在受光面積為1cm2的伏安特性曲線。負(fù)載線（如0.5kΩ）與某一照度(如900lx)下的伏安特性曲線相交于一點(如A),該點(A)在I和U軸上的投影即為在該照度（900lx)和該負(fù)載（0.5kΩ）時的輸出電流和電壓。75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(yīng)作相應(yīng)改變。另外,由于不同光源頻譜不同,當(dāng)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。6)穩(wěn)定性當(dāng)光電池密封良好、電極引線可靠、應(yīng)用合理時,光電池的性能是相當(dāng)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(guān)外,在很大程度上還與使用環(huán)境條件有密切關(guān)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。

76表3.7幾種硅光電池的性能參數(shù)773.電路分析和計算

1)作電流源使用光電池短路電流與照度有較好的線性關(guān)系,作為測量元件使用時,常當(dāng)作電流源使用。光電池的受光面積,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。78

在光電檢測中,在一定的負(fù)載下工作,希望輸出電流和電壓與照度成線性關(guān)系。要確定