1、第第3 3章章 光生伏特器件光生伏特器件光电池、光电池、 光电二极管、光电二极管、 光电晶体管、光电晶体管、PINPIN管、管、雪崩光电二极管、光可控硅、阵列式光电器件、雪崩光电二极管、光可控硅、阵列式光电器件、象限式光电器件、位置敏感探测器（象限式光电器件、位置敏感探测器（PSDPSD）等）等 利用半导体利用半导体PNPN结光生伏特效应制成的器件称结光生伏特效应制成的器件称为为光生伏特器件光生伏特器件，也称结型光电器件。，也称结型光电器件。 光生伏特效应光生伏特效应是基于两种材料相接触形成内是基于两种材料相接触形成内建势垒，光子激发的光生载流子被内建电场扫向建势垒，光子激发的光生载流子被内建
2、电场扫向势垒的两边，从而形成了光生电动势。势垒的两边，从而形成了光生电动势。 光生伏特效应是光生伏特效应是少数少数载流子导电的光电效应，载流子导电的光电效应，而光电导效应是而光电导效应是多数多数载流子导电的光电效应。载流子导电的光电效应。结型光电器件与光电导器件的区别：结型光电器件与光电导器件的区别：（1 1）产生光电变换的部位不同）产生光电变换的部位不同（2 2）光敏电阻没有极性，而结型光电器件有确定的）光敏电阻没有极性，而结型光电器件有确定的正负极性正负极性（3 3）光敏电阻驰豫时间较大，结型器件驰豫时间相）光敏电阻驰豫时间较大，结型器件驰豫时间相应较小，因此响应速度较快应较小，因此响应速
3、度较快（4 4）有些结型光电器件灵敏较高，可以通过较大的）有些结型光电器件灵敏较高，可以通过较大的电流电流一、光生伏特器件的基本工作原理一、光生伏特器件的基本工作原理1 1、p-np-n结电流方程结电流方程 在热平衡条件下，由于在热平衡条件下，由于p-np-n结中漂移电流等于扩结中漂移电流等于扩散电流，净电流为零。散电流，净电流为零。 如果有外加电压时结内平衡被破坏，这时流过如果有外加电压时结内平衡被破坏，这时流过p-np-n结的电流方为：结的电流方为：qUKTDDII eI一、光生伏特器件的基本工作原理一、光生伏特器件的基本工作原理1 1、p-np-n结电流方程结电流方程qUKTDDII e
4、I 代表代表正向电流正向电流，方向从，方向从p p端经过端经过p-np-n结指向结指向n n端，它与端，它与外电压有关，外电压有关， 时它将迅速增大；时它将迅速增大； 时等于零，即平衡时等于零，即平衡状态，状态， 时它趋向于零。时它趋向于零。qUKTDI e0U 0U 0U 第二项第二项 代表代表反向饱和电流反向饱和电流，它的方向与正向电流方向相，它的方向与正向电流方向相反，它随反向偏压的增大而增大，渐渐趋向饱和值，故称反反，它随反向偏压的增大而增大，渐渐趋向饱和值，故称反向饱和电流，也是温度的函数，即随温度升高有所增大。向饱和电流，也是温度的函数，即随温度升高有所增大。DI一、光生伏特器件的
5、基本工作原理一、光生伏特器件的基本工作原理2 2、光照下的、光照下的p-np-n结结 当光照射当光照射p-np-n结，只要入射光子能量大于材料禁带宽度，就结，只要入射光子能量大于材料禁带宽度，就会在结区激发电子会在结区激发电子- -空穴对。这些非平衡载流子在内建电场的作空穴对。这些非平衡载流子在内建电场的作用下，空穴顺着电场运动，电子逆着电场运动，用下，空穴顺着电场运动，电子逆着电场运动，在开路状态，最在开路状态，最后在后在n n区边界积累光生电子，在区边界积累光生电子，在p p区边界积累光生空穴区边界积累光生空穴，产生一个产生一个与内建电场方向相反的光生电场与内建电场方向相反的光生电场，即在
6、，即在p p区和区和n n区之间产生了光生区之间产生了光生电压电压U UOCOC，这就是，这就是p-np-n结的光生伏特效应。只要光照不停止，这个结的光生伏特效应。只要光照不停止，这个光生电压将永远存在。光生电压将永远存在。(1)(1)光生伏特效应光生伏特效应一、光生伏特器件的基本工作原理一、光生伏特器件的基本工作原理2 2、光照下的、光照下的p-np-n结结(2)(2)光照下光照下p-np-n结的电流方程结的电流方程LR 一种是光激发产生的电子一种是光激发产生的电子- -空穴对在内建电场作用下，形空穴对在内建电场作用下，形成的光生电流成的光生电流 ，它与光照有关，其方向与，它与光照有关，其方
7、向与p-np-n结反向饱和电结反向饱和电流相同。流相同。pI 另一种是光生电流另一种是光生电流 流过负载电阻流过负载电阻 产生电压降，相当于产生电压降，相当于在在p-np-n结施加正向偏置电压，从而产生正向电流。结施加正向偏置电压，从而产生正向电流。LRpIpII一、光生伏特器件的基本工作原理一、光生伏特器件的基本工作原理2 2、光照下的、光照下的p-np-n结结(2)(2)光照下光照下p-np-n结的电流方程结的电流方程LRpII流过流过p-np-n结的总电流为：结的总电流为：(1)qUKTLpDpIIIIeI其中光生电流与光照有关，并随光照的增大而增大，有其中光生电流与光照有关，并随光照的
8、增大而增大，有pIISEe,) )exp(1 (dhqIP或者写成：或者写成：一、光生伏特器件的基本工作原理一、光生伏特器件的基本工作原理2 2、光照下的、光照下的p-np-n结结(2)(2)光照下光照下p-np-n结的电流方程结的电流方程pIISE/e,(1)(1)qU kTdDIISqIeehc 三、硅光电二极管三、硅光电二极管 光电二极管通常在反偏置条件下工作，即光光电二极管通常在反偏置条件下工作，即光电导工作模式。优点是可以减小光生载流子渡越电导工作模式。优点是可以减小光生载流子渡越时间及结电容，可获得较宽的线性输出和较高的时间及结电容，可获得较宽的线性输出和较高的响应频率。响应频率。
9、 制作光电二极管的材料很多，有硅、锗、砷化制作光电二极管的材料很多，有硅、锗、砷化镓、碲化铅等，在可见光区应用最多的是硅光电镓、碲化铅等，在可见光区应用最多的是硅光电二极管。二极管。 1 1、硅光电二极管的工作原理、硅光电二极管的工作原理 硅光电二极管工作在光电导工作模式。在无光照时，若给硅光电二极管工作在光电导工作模式。在无光照时，若给p-p-n n结加上一个适当的反向电压，流过结加上一个适当的反向电压，流过p-np-n结的电流称反向饱和电结的电流称反向饱和电流或暗电流。流或暗电流。三、硅光电二极管三、硅光电二极管 当硅光电二极管被光照时，则当硅光电二极管被光照时，则在结区产生的光生载流子将
10、被内在结区产生的光生载流子将被内建电场拉开，在外加电场的作用建电场拉开，在外加电场的作用下形成了以少数载流子漂移运动下形成了以少数载流子漂移运动为主的光电流。光照越强，光电为主的光电流。光照越强，光电流就越大。流就越大。 1 1、硅光电二极管的工作原理、硅光电二极管的工作原理 硅光电二极管可分为以硅光电二极管可分为以P P型硅为衬底的型硅为衬底的2DU2DU型与以型与以N N型硅为衬型硅为衬底的底的2CU2CU型两种结构形式。型两种结构形式。三、硅光电二极管三、硅光电二极管 2 2、硅光电二极管的电流方程、硅光电二极管的电流方程 在无光照时，在无光照时，PNPN结硅光电二极管的伏安特性曲线与普
11、通结硅光电二极管的伏安特性曲线与普通PNPN结二极管的特性一样，其电流方程为结二极管的特性一样，其电流方程为三、硅光电二极管三、硅光电二极管 反向偏置时，反向偏置时，I ID D和和U U均为负值均为负值且且 时的电流，称为时的电流，称为反反向电流或暗电流向电流或暗电流。 UqkT1kTqUDeII 2 2、硅光电二极管的电流方程、硅光电二极管的电流方程三、硅光电二极管三、硅光电二极管 当有光照射光电二极管时，光生电流为当有光照射光电二极管时，光生电流为 ，其方向，其方向为反向。为反向。pIS光电二极管的全电流方程为光电二极管的全电流方程为 /e,(1)(1)qU kTdDIISqIeehc
12、式中式中为光电材料的光电转换效率，为光电材料的光电转换效率，为材料对光的吸收系为材料对光的吸收系数。数。 波长波长 的光辐射作用于光电二极管时，定义其电流的光辐射作用于光电二极管时，定义其电流灵敏度为入射到光敏面上辐射量的变化（例如通量变化灵敏度为入射到光敏面上辐射量的变化（例如通量变化dd）引起电流变化）引起电流变化dIdI与辐射量变化之比与辐射量变化之比 3 3、光电二极管的特性参数、光电二极管的特性参数 电流随光辐射的变化是线性的。电流随光辐射的变化是线性的。三、硅光电二极管三、硅光电二极管(1)didIqSedhc （1 1）光电二极管的灵敏度）光电二极管的灵敏度 用不同波长的光照射光
13、电二极管时，电流灵敏度与波用不同波长的光照射光电二极管时，电流灵敏度与波长的关系曲线称为光谱响应。长的关系曲线称为光谱响应。 3 3、光电二极管的特性参数、光电二极管的特性参数三、硅光电二极管三、硅光电二极管（2 2）光谱响应）光谱响应 典型硅光电二极管光典型硅光电二极管光谱响应长波限为谱响应长波限为1.1m1.1m左右，短波限左右，短波限0.4m0.4m，峰值响应波长为峰值响应波长为0.9m0.9m左右。左右。 光电二极管的时间响应（频率响应）主要由载流子的光电二极管的时间响应（频率响应）主要由载流子的渡越时间和渡越时间和RCRC时间常数决定。时间常数决定。 3 3、光电二极管的特性参数、光
14、电二极管的特性参数三、硅光电二极管三、硅光电二极管（3 3）时间响应）时间响应 （1 1）载流子的渡越时间）载流子的渡越时间 漂移时间：在漂移时间：在p-np-n结区内光生载流子渡越结区的时间结区内光生载流子渡越结区的时间 910drs扩散时间：在扩散时间：在p-np-n结外产生的光生载流子扩散到结区内所结外产生的光生载流子扩散到结区内所需要的时间需要的时间 。p 影响光电二极管时间响应的主要因素是扩散时间，为影响光电二极管时间响应的主要因素是扩散时间，为了减少扩散时间，如何扩展了减少扩散时间，如何扩展p-np-n结的结区？结的结区？ 3 3、光电二极管的特性参数、光电二极管的特性参数三、硅光
15、电二极管三、硅光电二极管（3 3）时间响应）时间响应 （1 1）增大反向偏压，使）增大反向偏压，使RCRC时间常数增大；时间常数增大；（2 2）从从p-np-n结的结构设计方面考虑，在不使偏压增大的情结的结构设计方面考虑，在不使偏压增大的情况下，使耗尽层扩展到整个况下，使耗尽层扩展到整个p-np-n结器件。结器件。 3 3、光电二极管的特性参数、光电二极管的特性参数三、硅光电二极管三、硅光电二极管（4 4）噪声）噪声 光电二极管的噪声包含低频噪声光电二极管的噪声包含低频噪声I Infnf、散粒噪声、散粒噪声I Insns和热噪声和热噪声I InTnT等等3 3种噪声。其中，散粒噪声是光电二极管
16、的主要噪声，低频种噪声。其中，散粒噪声是光电二极管的主要噪声，低频噪声和热噪声为其次要因素。噪声和热噪声为其次要因素。 fqII 22ns 光电二极管的电流应包括暗电流光电二极管的电流应包括暗电流I Id d、信号电流、信号电流I Is s和背景辐射引和背景辐射引起的背景光电流起的背景光电流I Ib b，因此散粒噪声应为，因此散粒噪声应为 f)(2bSd2nsIIIqI 1 1、PINPIN光电二极管光电二极管五、特殊光电二极管五、特殊光电二极管 PINPIN光电二极管又称光电二极管又称快速光电二极管快速光电二极管。它的结构特点是，。它的结构特点是，在在P P型半导体和型半导体和N N型半导体
17、之间夹着一层很厚的本征半导体。型半导体之间夹着一层很厚的本征半导体。 1 1、PINPIN光电二极管光电二极管五、特殊光电二极管五、特殊光电二极管（1 1）PINPIN光电二极管因有较厚的光电二极管因有较厚的I I层，因此层，因此p-np-n结的内电场就结的内电场就基本上全集中于基本上全集中于I I层，使层，使p-np-n结间距离拉大，结电容变小。由结间距离拉大，结电容变小。由于工作在反向偏压下，随着反偏电压的增大，结电容变得更于工作在反向偏压下，随着反偏电压的增大，结电容变得更小，从而小，从而提高了提高了PINPIN光电二极管的频率响应光电二极管的频率响应。（2 2）由于）由于I I层较厚，
18、又工作在反偏，使结区耗尽层厚度增加，层较厚，又工作在反偏，使结区耗尽层厚度增加，提高了对光的吸收和光电变化区域，使量子效率提高提高了对光的吸收和光电变化区域，使量子效率提高。（3 3）同时还增加了对长波的吸收，）同时还增加了对长波的吸收，提高了长波灵敏度提高了长波灵敏度。（4 4）由于）由于I I层较厚，在反偏下工作可承受较高的反向偏压，层较厚，在反偏下工作可承受较高的反向偏压，这这使线性输出范围变宽使线性输出范围变宽。 2 2、雪崩光电二极管（、雪崩光电二极管（APD，Avalanche Photodiode）五、特殊光电二极管五、特殊光电二极管 APDAPD是借助是借助强电场作用产生载流子
19、雪崩倍增效应强电场作用产生载流子雪崩倍增效应的一种的一种高速、高灵敏度高速、高灵敏度的光电器件。它广泛应用于光的光电器件。它广泛应用于光纤通信、弱信号检测、激光测距等领域。纤通信、弱信号检测、激光测距等领域。 2 2、雪崩光电二极管（、雪崩光电二极管（APD，Avalanche Photodiode）五、特殊光电二极管五、特殊光电二极管（1 1）工作原理）工作原理 APDAPD工作过程：在光电二极管的工作过程：在光电二极管的p-np-n结加一相当高的反向结加一相当高的反向偏压，使结区产生一个很强的电场。当光激发的光生载流子偏压，使结区产生一个很强的电场。当光激发的光生载流子进入结区后，在强电场
20、的加速下获得很大的能量，与晶格原进入结区后，在强电场的加速下获得很大的能量，与晶格原子碰撞而使晶格原子发生电离，产生新的电子子碰撞而使晶格原子发生电离，产生新的电子- -空穴对，新产空穴对，新产生的电子生的电子- -空穴对在向电极运动过程中，又获得足够能量，再空穴对在向电极运动过程中，又获得足够能量，再次与晶格原子碰撞，又产生新的电子次与晶格原子碰撞，又产生新的电子- -空穴对，这一过程不断空穴对，这一过程不断重复，使重复，使p-np-n结内电流成倍急剧增加，这种现象称为结内电流成倍急剧增加，这种现象称为雪崩倍增雪崩倍增。APDAPD利用这种效应而具有电流的放大作用利用这种效应而具有电流的放大
21、作用。 2 2、雪崩光电二极管（、雪崩光电二极管（APD，Avalanche Photodiode）五、特殊光电二极管五、特殊光电二极管（2 2）结构）结构 2 2、雪崩光电二极管（、雪崩光电二极管（APD，Avalanche Photodiode）五、特殊光电二极管五、特殊光电二极管（3 3）倍增系数和噪声）倍增系数和噪声 电离产生的载流子数远大于光激发产生的光生载流子数，这电离产生的载流子数远大于光激发产生的光生载流子数，这时雪崩光电二极管的输出电流迅速增加，其电流倍增系数时雪崩光电二极管的输出电流迅速增加，其电流倍增系数M M定义为定义为 0IIM 式中，式中，I I为倍增输出的电流，为
22、倍增输出的电流，I I0 0为倍增前输出的电流。为倍增前输出的电流。 雪崩倍增系数M与碰撞电离率有密切的关系。碰撞电离率表示一个载流子在电场作用下，漂移单位距离所产生的电子空穴对数目。由实验确定，电离率与电场强度E可以近似的写成以下关系 m)Eb( -Ae（3-10） 式中,A、b、m都为与材料有关系数。 假定=时，可以推导出倍增系数与电离率的关系为 npDx0d11Mx（3-11） XD为耗尽层的宽度。上式表明，当 1dDx0 x（3-12） 时， M 。（3-12）式为发生雪崩击穿的条件。 2 2、雪崩光电二极管（、雪崩光电二极管（APD，Avalanche Photodiode）五、特殊
23、光电二极管五、特殊光电二极管（3 3）倍增系数和噪声）倍增系数和噪声 据推导，倍增系数与据推导，倍增系数与p-np-n结上所结上所加的方向偏压及加的方向偏压及p-np-n结的材料有关：结的材料有关：nBR)/(11UUM 2 2、雪崩光电二极管（、雪崩光电二极管（APD，Avalanche Photodiode）五、特殊光电二极管五、特殊光电二极管 雪崩光电二极管中噪声电流主要为雪崩光电二极管中噪声电流主要为散粒噪声散粒噪声。当雪崩倍增。当雪崩倍增M M倍后，倍后，雪崩光电二极管的噪声电流的均方根值可近似由下式计算。雪崩光电二极管的噪声电流的均方根值可近似由下式计算。 fqIMIn2n2 式中
24、指数式中指数n n与雪崩光电二极管的材料有关。对于锗管，与雪崩光电二极管的材料有关。对于锗管，n=3n=3；对；对于硅管为于硅管为2.3n2.52.3n2.5。 显然，由于信号电流按显然，由于信号电流按M M倍增加，而噪声电流按倍增加，而噪声电流按M Mn/2n/2倍增加。倍增加。因此，随着因此，随着M M增加，噪声电流比信号电流增加得更快。增加，噪声电流比信号电流增加得更快。 （3 3）倍增系数和噪声）倍增系数和噪声 二、硅光电池二、硅光电池 光电池是一种不需加偏压就能把光能直接转换光电池是一种不需加偏压就能把光能直接转换成电能的成电能的p-np-n结光电器件。结光电器件。 按光电池的用途可
25、分为两类：即太阳能光电池按光电池的用途可分为两类：即太阳能光电池和测量光电池和测量光电池 光电池的基本结构就是一个光电池的基本结构就是一个p-np-n结，由于制作结，由于制作p-p-n n结的材料不同，目前有硒光电池、硅光电池、结的材料不同，目前有硒光电池、硅光电池、砷化镓光电池和锗光电池。砷化镓光电池和锗光电池。结区面积结区面积 大大 小小光电特性光电特性 非线性非线性 线性线性偏置状态偏置状态 零偏压零偏压 反偏压反偏压内建电场内建电场 弱弱 强强结区厚度结区厚度 薄薄 厚厚结电容结电容 大大 小小频率特性频率特性 较弱较弱 较好较好光电池光电二极管二、硅光电池二、硅光电池 1 1、硅光电
26、池的基本结构、硅光电池的基本结构 硅光电池按衬底材料的不同可分为硅光电池按衬底材料的不同可分为2DR2DR型和型和2CR2CR型。型。2DR2DR型硅型硅光电池是以光电池是以p p型硅为衬底型硅为衬底( (即在本征型硅材料中掺入三价元素硼即在本征型硅材料中掺入三价元素硼或镓等或镓等) )，然后在衬底上扩散磷而形成，然后在衬底上扩散磷而形成n n型层并将其作为受光面。型层并将其作为受光面。构成构成p-np-n结后，再经过各种工艺处理，分别在衬底和光敏面上制结后，再经过各种工艺处理，分别在衬底和光敏面上制作输出电极，涂上二氧化硅做保护膜，即成光电池。作输出电极，涂上二氧化硅做保护膜，即成光电池。
27、二、硅光电池二、硅光电池 2 2、硅光电池的工作原理、硅光电池的工作原理 硅光电池的工作原理是光照中硅光电池的工作原理是光照中p-np-n结开路状态时的物理过程，结开路状态时的物理过程，它的主要功能是在不加偏置电压情况下将光信号转换成电信号。它的主要功能是在不加偏置电压情况下将光信号转换成电信号。 LLqkTLPDqRkTPD(e1)(e1)UIIIIII硅光电池的电流方程为硅光电池的电流方程为二、硅光电池二、硅光电池 3 3、硅光电池的输出功率、硅光电池的输出功率负载获得的功率为负载获得的功率为 2LLLPI R 功率与负载电阻的阻值有关，当功率与负载电阻的阻值有关，当 （电路为短路）时，（
28、电路为短路）时，输出功率输出功率 ；当；当 （电路为开路）时，（电路为开路）时， ，输出功，输出功率率 ； 时，输出功率时，输出功率 。0LR 0LP LR 0LI 0LP 0LR 0LP 当负载电阻为最佳负载电阻时，输出电压当负载电阻为最佳负载电阻时，输出电压 (0.6 0.7)mocUUU此时，输出电流此时，输出电流 mPIIISE得到硅光电池的最佳负载电阻为得到硅光电池的最佳负载电阻为 (0.6 0.7)mocoptmIUURISE负载电阻所获得的最大功率为负载电阻所获得的最大功率为 (0.6 0.7)mmmocpPI UU I二、硅光电池二、硅光电池 3 3、硅光电池的特性参数、硅光电
29、池的特性参数（1 1）伏安特性）伏安特性 硅光电池的伏安特性，表示输出电流和电压随负载电阻硅光电池的伏安特性，表示输出电流和电压随负载电阻变化的曲线。伏安特性曲线是在某一光照下，取不同的负载变化的曲线。伏安特性曲线是在某一光照下，取不同的负载电阻所测得的输出电流和电压画成的曲线。电阻所测得的输出电流和电压画成的曲线。二、硅光电池二、硅光电池（1 1）伏安特性）伏安特性 pIISE 3 3、硅光电池的特性参数、硅光电池的特性参数二、硅光电池二、硅光电池（2 2）光照特性）光照特性 开路电压开路电压 当负载电阻断开（当负载电阻断开（I IL L=0=0）时，）时，p p端对端对n n端的电压称为开
30、路端的电压称为开路电压，用电压，用U UOCOC表示表示 OCln(1)pDIKTUqI一般情况，一般情况， ，所以，所以pDIIOCln()ln()pIDDISEKTKTUqIqI U UOCOC表示在一定温度下，开路电压与光电流的对数成正比，表示在一定温度下，开路电压与光电流的对数成正比，也可以说与照度或光通量的对数成正比。也可以说与照度或光通量的对数成正比。二、硅光电池二、硅光电池（2 2）光照特性）光照特性 短路电流短路电流 这时这时p-np-n结光电器件的短路电流结光电器件的短路电流 与照度或光通量成正比，与照度或光通量成正比，从而得到最大线性区，这在线性测量中被广泛应用。从而得到最
31、大线性区，这在线性测量中被广泛应用。SCIscpIIISE 当负载电阻短路，光生电压接近于零，流过器件的电流叫短当负载电阻短路，光生电压接近于零，流过器件的电流叫短路电流，用路电流，用I ISCSC表示，其方向从表示，其方向从p-np-n结内部看从结内部看从n n区指向区指向p p区区 （2 2）光照特性）光照特性 3 3、硅光电池的特性参数、硅光电池的特性参数L/klx L/klx 5432100.10.20.30.40.5246810开路电压Uoc /V0.10.20.30.4 0.50.30.1012345Uoc/VIsc /mAIsc/mA(a) 硅光电池(b)硒光电池开路电压开路电压
32、曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线；曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线；短路电流短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线曲线：光电流与照度之间的特性曲线开路电压短路电流短路电流 短路电流，指外接负载相对短路电流，指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的。光于光电池内阻而言是很小的。光电池在不同照度下，其内阻也不电池在不同照度下，其内阻也不同，因而应选取适当的外接负载同，因而应选取适当的外接负载近似地满足近似地满足“短路短路”条件。下图条件。下图表示硒光电池在不同负载电阻时表示硒光电池在不同负载电阻时的光照特性。从图中可以看出，的光照特性。从图中可以看出，负载电阻负载电阻R RL L越小，光电
33、流与强度越小，光电流与强度的线性关系越好，且线性范围越的线性关系越好，且线性范围越宽。宽。02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx 50 10010005000RL=0（2 2）光照特性）光照特性 3 3、硅光电池的特性参数、硅光电池的特性参数204060801000.40.60.81.01.20.2I / %12/m 光电池的光谱特性决定于材料。硒光电池在可见光谱范光电池的光谱特性决定于材料。硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在围内有较高的灵敏度，峰值波长在540nm540nm附近，适宜测可见光。附近，适宜测可见光。硅光电池应用的范围硅光电池应用的范围40
34、0nm400nm1100nm1100nm，峰值波长在，峰值波长在850nm850nm附近，附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内应用。因此硅光电池可以在很宽的范围内应用。1 1硒光电池硒光电池2 2硅光电池硅光电池（3 3）光谱特性）光谱特性 3 3、硅光电池的特性参数、硅光电池的特性参数 光电池作为测量、计数、接收元件时常用调制光输入。光电池作为测量、计数、接收元件时常用调制光输入。光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频率变化的关系。光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频率变化的关系。由于光电池由于光电池PNPN结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。结面积较大，极间电容大，故频率特性较差
35、。图示为光电池的频率响应曲线。硅光电池具有较高的频率响图示为光电池的频率响应曲线。硅光电池具有较高的频率响应应; ;而硒光电池则较差。而硒光电池则较差。204060801000I / %1234512f / kHz1硒光电池2硅光电池（4 4）频率特性）频率特性 3 3、硅光电池的特性参数、硅光电池的特性参数 光电池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化的光电池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化的关系。开路电压与短路电流均随温度而变化，它将关系到应用光关系。开路电压与短路电流均随温度而变化，它将关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响到测量或控制精度等主要指标电池的仪器设备的温度
36、漂移，影响到测量或控制精度等主要指标，因此，当光电池作为测量元件时，最好能保持温度恒定，或采，因此，当光电池作为测量元件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补偿措施。取温度补偿措施。2004060904060UOC/ mVT / CISCUOCISC / A600400200UOC开路电压ISC 短路电流硅光电池在1000lx照度下的温度特性曲线（5 5）温度特性）温度特性 3 3、硅光电池的特性参数、硅光电池的特性参数四、硅光电三极管（光电晶体管）四、硅光电三极管（光电晶体管） 硅光电三极管与普通晶体三极管硅光电三极管与普通晶体三极管相似相似具有具有电流放大电流放大作用，只是它作用，只是它的集
37、电极电流不只受基极电流控制，的集电极电流不只受基极电流控制，还受光的控制。所以硅光电三极管的还受光的控制。所以硅光电三极管的外型有光窗。管型分为外型有光窗。管型分为pnppnp型和型和npnnpn型型两种，两种，npnnpn型称型称3DU3DU型硅光电三极管，型硅光电三极管，pnppnp型称为型称为3CU3CU型硅光电三极管。型硅光电三极管。 1 1、光电三极管的结构和工作原理、光电三极管的结构和工作原理 1 1、光电三极管的结构和工作原理、光电三极管的结构和工作原理四、硅光电三极管（光电晶体管）四、硅光电三极管（光电晶体管） 工作时要保证集电极工作时要保证集电极反偏，发射极正偏。反偏，发射极
38、正偏。 当基极没有引线时，当基极没有引线时，集电极电流为集电极电流为 cbpiIIIS 1 1、光电三极管的结构和工作原理、光电三极管的结构和工作原理四、硅光电三极管（光电晶体管）四、硅光电三极管（光电晶体管） 光电三极管的工作原理分为两个光电三极管的工作原理分为两个过程：一是过程：一是光电转换光电转换；二是；二是光电流放光电流放大大。光电转换。光电转换 部分是在集部分是在集- -基结区内基结区内进行，而集电极、基极、发射极构成进行，而集电极、基极、发射极构成了一个有放大作用的晶体管。了一个有放大作用的晶体管。 2 2、光电三极管的基本特性、光电三极管的基本特性四、硅光电三极管（光电晶体管）四
39、、硅光电三极管（光电晶体管）（1 1）伏安特性）伏安特性 400lx600lx800lx1000lxU（V）()IA0204060-10-20-30光电二极管伏安特性曲线光电二极管伏安特性曲线 2 2、光电三极管的基本特性、光电三极管的基本特性四、硅光电三极管（光电晶体管）四、硅光电三极管（光电晶体管）（1 1）伏安特性）伏安特性 在相同照度下，硅光电三极管的光电流比二极管的大得多，在相同照度下，硅光电三极管的光电流比二极管的大得多，一般硅光电三极管的光电流在毫安量级，硅光电二极管的光一般硅光电三极管的光电流在毫安量级，硅光电二极管的光电流在微安量级；电流在微安量级； 2 2、光电三极管的基本
40、特性、光电三极管的基本特性四、硅光电三极管（光电晶体管）四、硅光电三极管（光电晶体管）（1 1）伏安特性）伏安特性 光电二极管伏安特性曲线光电二极管伏安特性曲线400lx600lx800lx1000lxU（V）()IA0204060-10-20-30光电二极管伏安特性曲线光电二极管伏安特性曲线 2 2、光电三极管的基本特性、光电三极管的基本特性四、硅光电三极管（光电晶体管）四、硅光电三极管（光电晶体管）（1 1）伏安特性）伏安特性 在零偏压时硅光电二极管仍然有光电流输出，而硅光电三在零偏压时硅光电二极管仍然有光电流输出，而硅光电三极管没有光电流输出；极管没有光电流输出； 2 2、光电三极管的基
41、本特性、光电三极管的基本特性四、硅光电三极管（光电晶体管）四、硅光电三极管（光电晶体管）（1 1）伏安特性）伏安特性 光电二极管伏安特性曲线光电二极管伏安特性曲线400lx600lx800lx1000lxU（V）()IA0204060-10-20-30光电二极管伏安特性曲线光电二极管伏安特性曲线 2 2、光电三极管的基本特性、光电三极管的基本特性四、硅光电三极管（光电晶体管）四、硅光电三极管（光电晶体管）（1 1）伏安特性）伏安特性 当工作电压较低时输出的光电流为非线性，即光电流与偏当工作电压较低时输出的光电流为非线性，即光电流与偏压有关，但硅光电三极管的非线性较严重；压有关，但硅光电三极管的
42、非线性较严重； 2 2、光电三极管的基本特性、光电三极管的基本特性四、硅光电三极管（光电晶体管）四、硅光电三极管（光电晶体管）（1 1）伏安特性）伏安特性 光电二极管伏安特性曲线光电二极管伏安特性曲线400lx600lx800lx1000lxU（V）()IA0204060-10-20-30光电二极管伏安特性曲线光电二极管伏安特性曲线 2 2、光电三极管的基本特性、光电三极管的基本特性四、硅光电三极管（光电晶体管）四、硅光电三极管（光电晶体管）（1 1）伏安特性）伏安特性 当工作电压较低时输出的光电流为非线性，即光电流与偏当工作电压较低时输出的光电流为非线性，即光电流与偏压有关，但硅光电三极管的
43、非线性较严重；压有关，但硅光电三极管的非线性较严重；在零偏压时硅光电二极管仍然有光电流输出，而硅光电三在零偏压时硅光电二极管仍然有光电流输出，而硅光电三极管没有光电流输出；极管没有光电流输出；在相同照度下，硅光电三极管的光电流比二极管的大得多；在相同照度下，硅光电三极管的光电流比二极管的大得多； 2 2、光电三极管的基本特性、光电三极管的基本特性四、硅光电三极管（光电晶体管）四、硅光电三极管（光电晶体管）（1 1）伏安特性）伏安特性 光电二极管伏安特性曲线光电二极管伏安特性曲线400lx600lx800lx1000lxU（V）()IA0204060-10-20-30光电二极管伏安特性曲线光电二
44、极管伏安特性曲线 2 2、光电三极管的基本特性、光电三极管的基本特性四、硅光电三极管（光电晶体管）四、硅光电三极管（光电晶体管）（1 1）伏安特性）伏安特性 在一定偏压下，硅光电三极管的伏安特性曲线在低照度时在一定偏压下，硅光电三极管的伏安特性曲线在低照度时较均匀，在高照度时曲线向上倾斜，虽然光电二极管也有，较均匀，在高照度时曲线向上倾斜，虽然光电二极管也有，但硅光电三极管严重得多。但硅光电三极管严重得多。 2 2、光电三极管的基本特性、光电三极管的基本特性四、硅光电三极管（光电晶体管）四、硅光电三极管（光电晶体管）（1 1）伏安特性）伏安特性 在一定偏压下，硅光电三极管的伏安特性曲线在低照度
45、时在一定偏压下，硅光电三极管的伏安特性曲线在低照度时较均匀，在高照度时曲线向上倾斜，虽然光电二极管也有，较均匀，在高照度时曲线向上倾斜，虽然光电二极管也有，但硅光电三极管严重得多。但硅光电三极管严重得多。当工作电压较低时输出的光电流为非线性，即光电流与偏当工作电压较低时输出的光电流为非线性，即光电流与偏压有关，但硅光电三极管的非线性较严重；压有关，但硅光电三极管的非线性较严重；在零偏压时硅光电二极管仍然有光电流输出，而硅光电三在零偏压时硅光电二极管仍然有光电流输出，而硅光电三极管没有光电流输出；极管没有光电流输出；在相同照度下，硅光电三极管的光电流比二极管的大得多；在相同照度下，硅光电三极管的
46、光电流比二极管的大得多； 2 2、光电三极管的基本特性、光电三极管的基本特性四、硅光电三极管（光电晶体管）四、硅光电三极管（光电晶体管）（2 2）时间响应（频率特性）时间响应（频率特性） 光电三极管的时间响应由以下四部分组成： 光生载流子对发射结电容Cbe和集电结电容Cbc的充放电时间； 光生载流子渡越基区所需要的时间； 光生载流子被收集到集电极的时间； 输出电路的等效负载电阻RL与等效电容Cce所构成的RC时间；光电三极管的响应时间比光电二极管的响应时间要长得多。 2 2、光电三极管的基本特性、光电三极管的基本特性四、硅光电三极管（光电晶体管）四、硅光电三极管（光电晶体管）（2 2）时间响应
47、（频率特性）时间响应（频率特性） 要改善光电三极管的频率响应，应尽可能减小发射结阻容时间常数rbeCbe和时间常数RLCce。 即：一方面在在工艺上设法减小结电容；另一方面选择合理的负载电阻RL。 2 2、光电三极管的基本特性、光电三极管的基本特性四、硅光电三极管（光电晶体管）四、硅光电三极管（光电晶体管）（3 3）温度特性）温度特性 硅光电二极管和硅硅光电二极管和硅光电三极管的暗电流和光光电三极管的暗电流和光电流均随温度而变化，但电流均随温度而变化，但硅光电三极管具有电流放硅光电三极管具有电流放大作用，所以硅光电三极大作用，所以硅光电三极管受温度的影响要大得多。管受温度的影响要大得多。由于暗
48、电流的增加，使输由于暗电流的增加，使输出信噪比变差，不利于弱出信噪比变差，不利于弱光信号的探测。光信号的探测。60反向偏置光电导模式零偏置光伏模式正向偏置二极管模式八、光生伏特器件的偏置电路八、光生伏特器件的偏置电路 1 1、硅光电二极管（三极管）变换电路参数计算、硅光电二极管（三极管）变换电路参数计算八、光生伏特器件的偏置电路八、光生伏特器件的偏置电路（4 4）光电器件与集成运算放大器的连接）光电器件与集成运算放大器的连接电流放大型电流放大型AoUfRfC-+硅光电二极管和运算放大器的两个硅光电二极管和运算放大器的两个输入端同极性相连，运算放大器两输入端同极性相连，运算放大器两输入端间的输入
49、阻抗是硅光电二极输入端间的输入阻抗是硅光电二极管的负载电阻，即管的负载电阻，即01finLRZRA 1 1、硅光电二极管（三极管）变换电路参数计算、硅光电二极管（三极管）变换电路参数计算八、光生伏特器件的偏置电路八、光生伏特器件的偏置电路（4 4）光电器件与集成运算放大器的连接）光电器件与集成运算放大器的连接电流放大型电流放大型AoUfRfC-+01finLRZRA当当 ， 得到得到4010A 100fRk10inZ可以认为硅光电二极管处于短路状可以认为硅光电二极管处于短路状态，能输出近于理想的短路电流态，能输出近于理想的短路电流（3 3）反向偏置电路的计算）反向偏置电路的计算例例3-2 3-
50、2 已知某光电三极管的伏安特性曲线如图所示。当入射光通已知某光电三极管的伏安特性曲线如图所示。当入射光通量为正弦调制量量为正弦调制量v,=55 +40sint lmv,=55 +40sint lm时，今要得到时，今要得到5V5V的输出的输出电压，试设计该光电三极管的变换电路，并画出输入输出的波形电压，试设计该光电三极管的变换电路，并画出输入输出的波形图，分析输入与输出信号间的相位关系。图，分析输入与输出信号间的相位关系。 解解 : :首先根据题目的要求，找到入首先根据题目的要求，找到入射光通量的最大值与最小值射光通量的最大值与最小值 maxmax=55+40=95 lm=55+40=95 lm
