1、v掌握内容掌握内容光伏特探测器原理和特性。光伏特探测器原理和特性。v理解内容理解内容光伏探测器的电路偏置光伏探测器的电路偏置v了解内容了解内容第第4 4章章 光伏特探测器光伏特探测器 4.14.1光伏特效应光伏特效应4.24.2光伏探测器的工作模式光伏探测器的工作模式4.34.3光电池光电池4.44.4硅光电二极管和三极管硅光电二极管和三极管第四章第四章 主要内容主要内容u光生伏特效应：光生伏特效应：光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在PNPN结结上产生电动势的效应。上产生电动势的效应。为什么为什么PNPN结会因光照产生光生伏特效应呢？结会因光照产生光生
2、伏特效应呢？有下面两种情况：有下面两种情况：4.14.1光生伏特效应光生伏特效应内光电效应内光电效应4.14.1光生伏特效应光生伏特效应无光照无光照P-N结结无光照流过无光照流过PNPN结的电流方程：结的电流方程：一、半导体一、半导体P-NP-N结结/0(1)qU KTdsIIe 当光照射在当光照射在PNPN结时，如果电子能量大于半导体禁带结时，如果电子能量大于半导体禁带 宽度（宽度（E E0 0 E Eg g）, ,可激发出电子可激发出电子空穴对，在空穴对，在 PNPN结内电场作用下空穴移向结内电场作用下空穴移向P P区，而电子移向区，而电子移向N N区，区， 使使P P区和区和N N区之间
3、产生电压，这个电压就是光生电动区之间产生电压，这个电压就是光生电动 势。如果用一个理想电流表接通势。如果用一个理想电流表接通PNPN结，则有由结，则有由N N区区 流向流向P P区的电流区的电流Ip通过，称为短路通过，称为短路光电流光电流。 u基于这种效应的器件有基于这种效应的器件有 光电池光电池一、半导体一、半导体P-NP-N结结 PN PN结中光生电子与空穴的流动，使结中光生电子与空穴的流动，使P P区的电势增高，区的电势增高，这相当于在这相当于在PNPN结上加一正向偏压结上加一正向偏压U U，这个正向电压使，这个正向电压使PNPN结势垒由结势垒由eVeVD D降至降至eVeVD DeUe
4、U。同时，这个正向电压还。同时，这个正向电压还引起电流引起电流I Id dI Is0s0(e(eqU/KTqU/KT 1)1)流过流过PNPN结，结，I Id d的方向正好的方向正好与上述光电流与上述光电流I Ip p的方向相反。所以，在入射光辐射的方向相反。所以，在入射光辐射作用下流过作用下流过PNPN结的总电流为结的总电流为 I=Is0(eqU/KT 1) Ip u有光照无偏压流过有光照无偏压流过PNPN结的电流方程：结的电流方程： 有光照时，若有光照时，若p-np-n结外电路接上负载电阻，此时结外电路接上负载电阻，此时p-np-n结内出结内出现两种方向相反的电流：一种是光激发产生的电子现
5、两种方向相反的电流：一种是光激发产生的电子空穴空穴对，在内建电场作用下，形成的光生电流，它与光照有关，对，在内建电场作用下，形成的光生电流，它与光照有关，其方向与其方向与p-np-n结反向饱和电流相同；另一种是光生电流流过结反向饱和电流相同；另一种是光生电流流过负载产生电压降，相当于在负载产生电压降，相当于在p-np-n结施加正向偏置电压，从而结施加正向偏置电压，从而产生正向电流。产生正向电流。流过流过p-np-n结的总电流是两者之差结的总电流是两者之差：以以p-np-n结的正向电流的方向为正方结的正向电流的方向为正方向向u有光照无偏压流过有光照无偏压流过PNPN结的电流方程：结的电流方程：/
6、0(1)qv KTLDPsPIIIIeI处于反偏的处于反偏的PNPN结：结：u无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；u有光照时，光子能量足够大产生光生电子有光照时，光子能量足够大产生光生电子空穴对，空穴对， 在在PNPN结电场作用下，形成光电流，结电场作用下，形成光电流，u电流方向与反向电流一致，光照越大光电流越大。电流方向与反向电流一致，光照越大光电流越大。u具有这种性能的器件有：具有这种性能的器件有： 光敏二极管、光敏晶体管光敏二极管、光敏晶体管. . 如果给如果给PNPN结加上一个反向偏置电压结加上一个反向偏置电压U U，外加电压所建的，外加电压所建
7、的电场方向与电场方向与PNPN结内建电场方向相同，则结内建电场方向相同，则PNPN结的势垒高度结的势垒高度由由eVeVD D增加到增加到eVeVD DeUeU，使光照产生的电子空穴对在强电场，使光照产生的电子空穴对在强电场作用下更容易产生漂移运动，作用下更容易产生漂移运动，提高了器件的频率特性提高了器件的频率特性。 在光照反偏条件下工作时，在光照反偏条件下工作时，观察到的光电信号是光电观察到的光电信号是光电流，而不是光电压流，而不是光电压，这便是结型光电探测器的工作原理。，这便是结型光电探测器的工作原理。从这个意义上说，反偏从这个意义上说，反偏PNPN结在光照下好像是以光电导方结在光照下好像是
8、以光电导方式工作，但实质上两者的式工作，但实质上两者的工作原理是不同的工作原理是不同的。u有光照反偏压流过有光照反偏压流过PNPN结的电流方程：结的电流方程：I=Is0(eqU/KT 1) Ip 正向偏置：无光电效应正向偏置：无光电效应 反向偏置：光电导工作模式反向偏置：光电导工作模式 零偏置：零偏置： 光伏特工作模式光伏特工作模式图图4-2 光照下光照下PN结及其伏安特性曲线结及其伏安特性曲线P-NP-N结的电流电压特性结的电流电压特性根据光照根据光照PNPN结时流过结时流过p-np-n结的电流，可画出在不同照结的电流，可画出在不同照度下度下PNPN结光电器件的伏安特性曲线。结光电器件的伏安
9、特性曲线。4.2 4.2 工作模式工作模式第一象限正偏压，第一象限正偏压，I Id d本来就很大，所本来就很大，所以光电流以光电流I Ip p不起重不起重要作用。第三象限要作用。第三象限反向偏压，这时反向偏压，这时I Id dI Is0s0，它是普通二，它是普通二极管中的反向饱和极管中的反向饱和电流，现在称为暗电流，现在称为暗电流（对应于光照电流（对应于光照度度E E0 0），数值很），数值很小，这时的光电流小，这时的光电流（等于（等于I I- -I Is0s0）是流）是流过探测器的主要电过探测器的主要电流，对应于流，对应于光导工光导工作模式作模式。在第四象限中，外偏在第四象限中，外偏压为压为
10、0 0，流过探测器，流过探测器的电流仍为反向光电的电流仍为反向光电流。随着光功率的不流。随着光功率的不同，出现明显的非线同，出现明显的非线性。这时探测器的输性。这时探测器的输出通过负载电阻出通过负载电阻R RL L上上的电压或流过的电压或流过R RL L上的上的电流来体现，因此称电流来体现，因此称为光伏工作模式。为光伏工作模式。 一个一个PNPN结光伏探测器就等效为一个普通二极管和一个电流源结光伏探测器就等效为一个普通二极管和一个电流源（光电流源）的并联（光电流源）的并联，它的工作模式则由外偏压回路决定。如，它的工作模式则由外偏压回路决定。如图（图（c c）所示，在零偏压的开路状态，为光伏工作
11、模式。如图）所示，在零偏压的开路状态，为光伏工作模式。如图（d d）所示，当外回路采用反偏电压）所示，当外回路采用反偏电压U Ub b，即外加，即外加P P端为负，端为负，N N端为端为正的电压时。无光照时的电阻很大，电流很小；有光照时，电正的电压时。无光照时的电阻很大，电流很小；有光照时，电阻变小，电流就变大，而且流过它的光电流随照度变化而变化。阻变小，电流就变大，而且流过它的光电流随照度变化而变化。从外表看，从外表看，PNPN结光伏探测器与光敏电阻一样，同样也具有光电结光伏探测器与光敏电阻一样，同样也具有光电导工作模式，所以称为导工作模式，所以称为光导工作模式光导工作模式. . 下图示出了
12、下图示出了p-np-n结在光伏工作模式下的等效电路：结在光伏工作模式下的等效电路： 光电池工作原理也是基于光生伏特效应光电池工作原理也是基于光生伏特效应，可以直，可以直接将光能转换成电能的器件。接将光能转换成电能的器件。有光线作用时就是电源，广泛用于宇航电源，另一有光线作用时就是电源，广泛用于宇航电源，另一类用于检测和自动控制等。类用于检测和自动控制等。 光电池种类很多，有硒光电池、锗光电池、硅光光电池种类很多，有硒光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓、氧化铜等等电池、砷化镓、氧化铜等等。光光电电池池符符号号4.3 4.3 光电池（有源器件）光电池（有源器件）光电池光电池太阳能手机充电器太阳能手
13、机充电器太阳能供LED电警示太阳能电池光电池（有源器件）光电池（有源器件） 结构：光电池实质是一个大面积结构：光电池实质是一个大面积PNPN结，上电极为栅结，上电极为栅状受光电极，下电极是一层衬底铝。状受光电极，下电极是一层衬底铝。 原理：当光照射原理：当光照射PNPN结的一个面时，电子结的一个面时，电子空穴对空穴对迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势。一般可产生的电动势。一般可产生0.2V0.2V0.6V0.6V电压电压50mA50mA电流。电流。 光电池结构光电池结构 光电池工作原理图光电池工作原理图 光电池（有源器件）光电池
14、（有源器件）光电池光电池按材料分，有硅、硒、硫化镉、砷化镓和无定型材料的光电池等。按结构分，有同质结和异质结光电池等。光电池中最典型的是同质结硅光电池。国产同质结硅光电池因衬底材料导电类型不同而分成2CR系列系列和2DR系列系列两种。2CR系列硅光电池是以N型硅为衬底，P型硅为受光面的光电池。受光面上的电极称为前极前极或上上电极电极，为了减少遮光，前极多作成梳状。衬底方面的电极称为后极后极或下电极下电极。为了减少反射光，增加透射光，一般都在受光面上涂有SiO2或MgF2，Si3N4，SiO2MgF2等材料的防反射膜，同时也可以起到防潮，防腐蚀的保护作用。 硅光电池结构示意如图硅光电池结构示意如
15、图-+RLpn防反射膜防反射膜(SiO2）pn+-SiO2pn结结硅光电池硅光电池光电池的工作原理光电池的工作原理（a a）光电池工作原理图）光电池工作原理图 （b b）光电池等效电路图）光电池等效电路图 （c c）进一步简化）进一步简化图图4-7 4-7 光电池的工作原理图和等效电路光电池的工作原理图和等效电路/0(1)qU KTLPDPsIIIIIe 开路电压开路电压，光生电动势与照度之间关系称开路，光生电动势与照度之间关系称开路电压曲线，开路电压与光照度关系是非线性关电压曲线，开路电压与光照度关系是非线性关系，在照度系，在照度2000lx2000lx下趋于饱和。下趋于饱和。 短路电流短路
16、电流，短路电流与照度之间关系称短路电，短路电流与照度之间关系称短路电流曲线，短路电流是指外接负载流曲线，短路电流是指外接负载R RL L相对内阻很小相对内阻很小时的光电流。时的光电流。光照特性光照特性光照特性主要包括有：光照特性主要包括有：伏安特性、照度伏安特性、照度-电流电压电流电压特性和照度特性和照度-负载特性负载特性。图图4-8 4-8 硅光电池伏安特性曲线硅光电池伏安特性曲线伏安特性伏安特性当当E=0E=0时时， 当光电池外接负载当光电池外接负载电阻电阻R RL L后，负载电后，负载电阻阻R RL L上所得电压和上所得电压和电流在特性曲线转电流在特性曲线转弯点时，电流和电弯点时，电流和
17、电压乘积为最大，光压乘积为最大，光电池输出功率为最电池输出功率为最大。可以看出：负大。可以看出：负载电阻愈小，光电载电阻愈小，光电池工作愈接近短路池工作愈接近短路状态线性就较好。状态线性就较好。/0(1)qU KTsdIIeI /00(1)(1)qU KTqU KTpdpsesIIIIIeS EIe（1 1）当负载电阻断开时）当负载电阻断开时，P P端对端对N N端的电压称为开路电端的电压称为开路电压，一般情况，由于压，一般情况，由于p-np-n结光生电流远大于反向饱和电结光生电流远大于反向饱和电流。得到：在一定温度下，流。得到：在一定温度下，开路电压与光电流的对数开路电压与光电流的对数成正比
18、成正比，也可以说与照度或光通量的对数成正比。即：，也可以说与照度或光通量的对数成正比。即：下面分析两种情况：下面分析两种情况：Uoc一般为一般为0.450.6V，最大不超过，最大不超过0.756V，因为，因为Uoc不不能超过能超过PN结热平衡时的接触电动势差或内建电势结热平衡时的接触电动势差或内建电势UD。0(/ )ln(/)OCpsUkT qII（2 2）当负载电阻短路时）当负载电阻短路时( (实际为实际为外接负载外接负载R RL L相对内阻很相对内阻很小时小时) )，光生电压接近于零，流过器件的电流叫，光生电压接近于零，流过器件的电流叫短短路电流路电流，其方向从，其方向从p-np-n结内部
19、看是从结内部看是从n n区指向区指向p p区，区，这时光生载流子不再积累于这时光生载流子不再积累于p-np-n结两侧，所以结两侧，所以p-np-n结结又恢复到平衡状态。这时又恢复到平衡状态。这时p-np-n结光电器件的结光电器件的短路光短路光电流与照度（弱照度）或光通量成正比电流与照度（弱照度）或光通量成正比，从而得到，从而得到最大线性区，这在线性测量中被广泛最大线性区，这在线性测量中被广泛p-np-n结应用。结应用。 IscIpSeE 硅单晶光电池短路电流可达硅单晶光电池短路电流可达3540mA/cm2硅光电池的硅光电池的U Uococ、I Iscsc与照度的关系与照度的关系 照度照度- -
20、电流电压特性电流电压特性光电池的短路光电流光电池的短路光电流I Iscsc与入射光照度成正比，而与入射光照度成正比，而开路电压开路电压U UOCOC与光照度的对数成正比。与光照度的对数成正比。开路电压开路电压U UOCOC和短路电流和短路电流I Iscsc与光电池与光电池受光面积受光面积也有关系。也有关系。在光照度一定时，在光照度一定时，U UOCOC与受光面积的对数成正比，短路电与受光面积的对数成正比，短路电流流I Iscsc与受光面积成正比。与受光面积成正比。电流、电压与受光面积的关系电流、电压与受光面积的关系光照与负载特性光照与负载特性 光电流在光电流在弱光照射下弱光照射下与光照度成线性
21、关系与光照度成线性关系。光照增加到一定程度后，光照增加到一定程度后，输出电流非线性缓慢地输出电流非线性缓慢地增加，直至增加，直至饱和饱和，并且，并且负载电阻越大，越容易负载电阻越大，越容易出现饱和，即线性范围出现饱和，即线性范围较小。因此，如欲获得较小。因此，如欲获得较宽的光电线性范围，较宽的光电线性范围，负载电阻不能取很大。负载电阻不能取很大。光电池不同负载电阻下的光电特性光电池不同负载电阻下的光电特性最佳负载最佳负载 光电池作为测量元件光电池作为测量元件使用时，一般不做电压源使用时，一般不做电压源使用，而作为电流源的形式应用。使用，而作为电流源的形式应用。 测量用光电池主要作为光电探测用测
22、量用光电池主要作为光电探测用，对它的要求，对它的要求是线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性是线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性好、寿命长，被广泛应用在光度、色度、光学精密好、寿命长，被广泛应用在光度、色度、光学精密计量和测试中。计量和测试中。 光谱特性表示在入射光能量保光谱特性表示在入射光能量保持一定的条件下，光电池所产持一定的条件下，光电池所产生的生的短路电流与入射光波短路电流与入射光波之间之间的关系。的关系。 器件的器件的长波限长波限取决于材料的禁取决于材料的禁带宽度，带宽度，短波短波则受材料表面反则受材料表面反射损失的限制，其射损失的限制，其峰值峰值不仅与不仅与材料有关，而
23、且随制造工艺及材料有关，而且随制造工艺及使用环境温度不同而有所不同。使用环境温度不同而有所不同。光谱特性光谱特性硅光电池硅光电池 响应波长响应波长0.4-1.10.4-1.1微米，微米， (红-红外) 峰值波长峰值波长0.8-0.90.8-0.9微米。微米。(近红外)硒光电池硒光电池 响应波长响应波长0.34-0.750.34-0.75微米，微米， (紫-红) 峰值波长峰值波长0.540.54微米。微米。(绿) 可见光硅、硒光电池的相对光谱特性曲线 频率特性指光电池相对频率特性指光电池相对 输出电流与光的调制频输出电流与光的调制频 率之间关系。率之间关系。 硅、硒光电池的频率特硅、硒光电池的频
24、率特 性不同，硅光电池频率性不同，硅光电池频率 响应较好，硒光电池较差。响应较好，硒光电池较差。 所以高速计数器的转换所以高速计数器的转换 一般采用硅光电池作为一般采用硅光电池作为 传感器元件。传感器元件。 硅、硒光电池的频率特性硅、硒光电池的频率特性 （1 1）要得到短的响应时间，必须）要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻；选用小的负载电阻；负载大时负载大时频率特性变差，减小负载可减频率特性变差，减小负载可减小时间常数，提高频响。但负小时间常数，提高频响。但负载电阻的减小会使输出电压降载电阻的减小会使输出电压降低，实际使用时视具体情况而低，实际使用时视具体情况而定。定。（2 2）光电池面
25、积越大则响应时间）光电池面积越大则响应时间越大，因为光电池面积越大则越大，因为光电池面积越大则结电容越大，在给定负载时，结电容越大，在给定负载时，时间常数就越大，故要求短的时间常数就越大，故要求短的响应时间，必须选用小面积光响应时间，必须选用小面积光电池电池。总的来说，由于硅光电池光敏面积大，结电容大，总的来说，由于硅光电池光敏面积大，结电容大，频响较低。为了提高频响，光电池可在光电导模式频响较低。为了提高频响，光电池可在光电导模式下使用，只要加下使用，只要加12伏的反向偏置电压，则响应时伏的反向偏置电压，则响应时间会从间会从1微秒下降到几百纳秒。微秒下降到几百纳秒。n(4)(4)、温度特性、
26、温度特性 光电池的参数光电池的参数随工作环境温度改随工作环境温度改变而变化。变而变化。 开路电压具有开路电压具有负温度系数，而短负温度系数，而短路电流具有正温度路电流具有正温度系数。系数。表表4.1 4.1 几种硅光电池的性能参数几种硅光电池的性能参数 4.3.3 光电池偏置电路光电池偏置电路(a)(a)基本形式基本形式 (b)(b)等效电路等效电路 (c)(c)图解法图解法 图图4-14 4-14 硅光电池无偏置电路硅光电池无偏置电路自给偏置电路自给偏置电路可以用图可以用图4-144-14（c c）定性分析，也可定量地描述负）定性分析，也可定量地描述负载电阻和入射光通量对电路工作状态（载电阻
27、和入射光通量对电路工作状态（I I、U U、P P）的影响，即的影响，即最佳负载线最佳负载线 最大输出功率最大输出功率/0(1)LIRKT qPsIIIe00/lnPLssIURIkTUqI00/(ln)PLsLsIURIkTU qPIURI根据所选负载电阻的数值不同可以把光电池的工作曲线分作根据所选负载电阻的数值不同可以把光电池的工作曲线分作四四个区域个区域，分别如下图中，分别如下图中、表示，对应的四个工作表示，对应的四个工作状态为状态为短路或线性电流放大、线性电压放大、空载电压输出和短路或线性电流放大、线性电压放大、空载电压输出和功率放大功率放大。 光电池偏置电路光电池偏置电路一种电流变换
28、状态，如图一种电流变换状态，如图4-15(b)4-15(b)中的中的I I区域。要求硅光电区域。要求硅光电池送给负载电阻池送给负载电阻R RL L（这时（这时R RL L R Rm m，且，且R RL L00）的）的电流与光照电流与光照度成线性关系度成线性关系。如果需要放大信号，则应选用电流放大器。如果需要放大信号，则应选用电流放大器。为此要求负载电阻或后续放大电路为此要求负载电阻或后续放大电路输入阻抗尽可能小输入阻抗尽可能小，才，才能使输出电流尽可能大，即接近短路电流能使输出电流尽可能大，即接近短路电流IscIsc，因为只有，因为只有短路电流才与入射光照度有良好的线性关系，即：短路电流才与入
29、射光照度有良好的线性关系，即：短路或线性电流放大短路或线性电流放大/00(1)LLIRkT qLPsRSCeIIIeISE弱光信号检测弱光信号检测当负载电阻很小甚至接近于零的时候，电路工作在短路及当负载电阻很小甚至接近于零的时候，电路工作在短路及线性电流放大状态；而当负载电阻稍微增大，但小于临界线性电流放大状态；而当负载电阻稍微增大，但小于临界负载电阻负载电阻R Rm m时，电路就处于时，电路就处于线性电压输出状态线性电压输出状态，如图，如图4-4-15(b)15(b)中的区域中的区域，此时，此时R RL L Rm且且RL，要求光电池应通过高输入阻抗变换，要求光电池应通过高输入阻抗变换器与后续
30、放大电路连接，相当于输出开路，开路电压可写器与后续放大电路连接，相当于输出开路，开路电压可写成：成：当光通量较大时，当光通量较大时， PI0sI空载电压输出（开路电压输出）空载电压输出（开路电压输出）0ln(1)POCsIkTUqI00lnlnePOCssS EIkTkTUqIqI 开路电压与入射光通量的对数成正比开路电压与入射光通量的对数成正比，即随入射，即随入射光通量增大按对数规律增大，但开路电压并不会无限增大，光通量增大按对数规律增大，但开路电压并不会无限增大，它的最大值受它的最大值受PN结势垒高度的限制，通常光电池的开路结势垒高度的限制，通常光电池的开路电压为电压为0.450.6 V。
31、在入射光强从零到某一定值作跳跃变。在入射光强从零到某一定值作跳跃变化的光电开关等应用中，简单地利用化的光电开关等应用中，简单地利用UOC电压变化，不需电压变化，不需加任何偏置电源即可组成控制电路，这是它的一个优点。加任何偏置电源即可组成控制电路，这是它的一个优点。此外，由伏安特性可以看到对于较小的入射光通量，开此外，由伏安特性可以看到对于较小的入射光通量，开路电压输出变化较大，这对路电压输出变化较大，这对弱光信号的检测特别有利弱光信号的检测特别有利，但，但光电池开路电压与入射光功率呈非线性关系，同时受温度光电池开路电压与入射光功率呈非线性关系，同时受温度影响大，其频率特性也不理想，如果希望得到
32、大的电压输影响大，其频率特性也不理想，如果希望得到大的电压输出，则不如采用光电二极管或光电三极管。出，则不如采用光电二极管或光电三极管。负载电阻及放大器的选择原则负载电阻及放大器的选择原则 硅光电池用于检测交流光信号硅光电池用于检测交流光信号 特点是工作时不需外加偏压，接收面积小，使用方便。特点是工作时不需外加偏压，接收面积小，使用方便。 缺点是响应时间长，它由结电容和外接负载电阻的乘积决缺点是响应时间长，它由结电容和外接负载电阻的乘积决定。定。 其掺杂浓度高。其掺杂浓度高。 电阻率低电阻率低( (为为0.10.10.01/cm)0.01/cm)易于输出光电流；易于输出光电流； 硅光电池较广泛
33、用于充电储能硅光电池较广泛用于充电储能 。 输出电压与光电流成线性关系，也就是与入射光功率成线输出电压与光电流成线性关系，也就是与入射光功率成线性关系。性关系。 硅光电池的长波限由硅的禁带宽度决定，为硅光电池的长波限由硅的禁带宽度决定，为1.15um1.15um峰值峰值波长约为波长约为0.8um0.8um。如果。如果P P型硅片上的型硅片上的N N型扩散层做得很薄型扩散层做得很薄( (小于小于0.5um)0.5um)，峰值波长可向着短波方向微移，对兰紫光谱仍有响，峰值波长可向着短波方向微移，对兰紫光谱仍有响应。应。使用特点使用特点 光电池短路电流与照度有较好的线性关系光电池短路电流与照度有较好
34、的线性关系, ,作为作为测量元件使用时测量元件使用时, ,常当作电流源使用。光电池的受光常当作电流源使用。光电池的受光面积面积, ,一般要比光电二极管和光电三极管大得多一般要比光电二极管和光电三极管大得多, ,因因此它的光电流比后两者大此它的光电流比后两者大, ,受光面积越大光电流也越受光面积越大光电流也越大大, ,适于需要输出大电流的场合。适于需要输出大电流的场合。作电流源使用作电流源使用 右图给出了硅光电池的输右图给出了硅光电池的输出伏安特性曲线。由图可出伏安特性曲线。由图可见见, ,对于对于0.5k0.5k的负载线的负载线, ,照度每变化照度每变化100lx100lx时时, ,相应相应的
35、负载线上的线段基本上的负载线上的线段基本上相等相等, ,输出电流和电压随照输出电流和电压随照度变化有较好的线性。而度变化有较好的线性。而对于对于3k3k的负载线的负载线, ,照度每照度每变化变化100lx100lx时时, ,相应的负载相应的负载线上的线段不等线上的线段不等, ,输出电流输出电流和电压与照度的关系就会和电压与照度的关系就会出现非线性。出现非线性。900(lx)8007006005004003002001001002003004000.10.20.30.40.50.6I / mA0.5 k1 k3 kAU / mV0作电流源使用作电流源使用 在光电检测中在光电检测中, ,在一定的负
36、载下工作在一定的负载下工作, ,希望输出电流和电压与照希望输出电流和电压与照度成线性关系。要确定这样的负载线度成线性关系。要确定这样的负载线, ,只要将工作中最大照度只要将工作中最大照度( (图中为图中为900lx)900lx)的伏安特性曲线上的转弯点的伏安特性曲线上的转弯点A A与原点与原点O O连成直线连成直线, ,就是所需的负载线。在检测中就是所需的负载线。在检测中, ,如要求光电池性能稳定如要求光电池性能稳定, ,有好的有好的线性关系线性关系, ,则负载电阻应取得小一些则负载电阻应取得小一些, ,电阻越小性能越好电阻越小性能越好, ,即负即负载线应在载线应在OAOA线的左面。这时输出的
37、电压虽有所减少线的左面。这时输出的电压虽有所减少, ,但光电流但光电流基本不变。反之基本不变。反之, ,如果光电池的负载电阻已定如果光电池的负载电阻已定, ,例如例如0.5k,0.5k,则则线性关系成立的最大的照度线性关系成立的最大的照度( (在图中为在图中为900lx)900lx)可从伏安特性曲可从伏安特性曲线确定线确定, ,照度超过此值照度超过此值, ,则电流和电压与照度成非线性关系。则电流和电压与照度成非线性关系。作电流源使作电流源使用用 图中伏安特性曲线是在受光面积为图中伏安特性曲线是在受光面积为1cm1cm2 2的情况的情况下得到的。如果受光面积不是下得到的。如果受光面积不是1cm1
38、cm2 2, ,则光电流则光电流的大小应作相应改变。另外的大小应作相应改变。另外, ,由于不同光源频由于不同光源频谱不同谱不同, ,当光源的种类不同当光源的种类不同( (例如太阳光、白炽例如太阳光、白炽灯、萤光灯等灯、萤光灯等) )时时, ,即使照度相同即使照度相同, ,光电池的输光电池的输出也不相同出也不相同, ,输出与照度成比例的范围输出与照度成比例的范围( (或最大或最大照度照度) )亦有区别。亦有区别。作电流源使用作电流源使用 如图如图 (a)所示的情况。当硅光电池所示的情况。当硅光电池与锗管相接时与锗管相接时,锗管的基极工作电锗管的基极工作电压在压在0.20.3V之间之间,而硅光电池
39、的而硅光电池的开路电压可达开路电压可达0.5V左右左右(有负载时有负载时电压小于电压小于0.5V),因此因此,可把光电池可把光电池直接接至锗管的基极使它工作。直接接至锗管的基极使它工作。利用图利用图(b)的图解分析可知的图解分析可知,当照度当照度自自100lx变至变至800lx时时,锗管中的基锗管中的基极电流极电流IB(图中光电池伏安曲线与图中光电池伏安曲线与锗管输入特性曲线锗管输入特性曲线AB的交点的交点)和集和集电极电流电极电流IC=IB与照度与照度E几乎成线几乎成线性变化。性变化。光电池作为控制元件时通常接非线性负载，控光电池作为控制元件时通常接非线性负载，控制晶体管工作制晶体管工作。I
40、 /A120100806040200100 200300 400 500U / mVA100200300400500600700800 lxBICEIB(b)(a)图图 光电池接非线性负载的情况光电池接非线性负载的情况 对于硅管对于硅管,其基极的工作电压为其基极的工作电压为0.60.7V,一个光电池一个光电池0.5V0.5V电压不能电压不能直接控制它的工作。这时可用两个光电直接控制它的工作。这时可用两个光电池串联后接入基极。池串联后接入基极。光电池作为电源使用时，根据使用要求进行连接。光电池作为电源使用时，根据使用要求进行连接。 需要高电压时应将光电池串联使用；需要高电压时应将光电池串联使用；
41、 需要大电流时应将光电池并联使用。需要大电流时应将光电池并联使用。 图图 (a)中采用了可变电阻中采用了可变电阻RW,其优点是光电池所需的附加电压其优点是光电池所需的附加电压可任意调节可任意调节;(b)中采用了二极管中采用了二极管D,其特点是对晶体管的工作点随其特点是对晶体管的工作点随温度的变化有补偿作用温度的变化有补偿作用,但二极但二极管的正向压降为确定的数值管的正向压降为确定的数值,不不能任意调节。能任意调节。 光电计数器、光电继电器等光电计数器、光电继电器等开关电路经常采用左图所示的线开关电路经常采用左图所示的线路。路。光电池的应用光电池的应用 用偏压电阻产生附加电压。如用偏压电阻产生附
42、加电压。如下图。图中下图。图中(a)(a)和和(b)(b)分别用可变电阻分别用可变电阻R RW W和二极管和二极管D D产生所需的附加电压产生所需的附加电压, ,假假设为设为0.3V0.3V至至0.5V0.5V。这样光电池本身只需。这样光电池本身只需0.2V0.2V至至0.4V0.4V的的光电动势就可以控制晶体管的工作了。光电动势就可以控制晶体管的工作了。RWIB EIB ED(a)(b)图图 用可变电阻用可变电阻R RW W、二极管、二极管D D产生所需产生所需的附加电压的附加电压 硅光电池的开路（负载电阻硅光电池的开路（负载电阻R RL L趋于无限大时）电压与趋于无限大时）电压与照度的关系
43、是非线性的照度的关系是非线性的, ,因此因此, ,作为测量元件使用时作为测量元件使用时, ,一般不一般不宜当作电压源使用。而且硅光电池的开路电压最大也只有宜当作电压源使用。而且硅光电池的开路电压最大也只有0.6V0.6V左右左右, ,因此如果希望得到大的电压输出因此如果希望得到大的电压输出, ,不如采用光电二不如采用光电二极管和光电三极管极管和光电三极管, ,因为它们在外加反向电压下工作因为它们在外加反向电压下工作, ,可得到可得到几伏甚至十几伏的电压输出。但如果照度跳跃式变化几伏甚至十几伏的电压输出。但如果照度跳跃式变化, ,如从如从零跳变至某值零跳变至某值, ,对电压的线性关系无要求对电压
44、的线性关系无要求, ,光电池可有光电池可有0.5V0.5V左左右右( (开路电压开路电压) )的电压变化的电压变化, ,亦可适合于开关电路或继电器工亦可适合于开关电路或继电器工作状态。作状态。作电压源使用作电压源使用 若要增加光电池的输出电压若要增加光电池的输出电压, ,类似于光电二极管可加反向电压类似于光电二极管可加反向电压, ,如下图如下图(a)(a)所示所示, ,有时为了改善线性亦可加反向电压。为加以说有时为了改善线性亦可加反向电压。为加以说明明, ,光电池的伏安特性曲线画于下图光电池的伏安特性曲线画于下图(b)(b)。图中画出了光电池加。图中画出了光电池加反向电压时的负载线反向电压时的
45、负载线ABAB和不加反向电压时的负载线和不加反向电压时的负载线ABAB。在。在相同负载电阻相同负载电阻R RL L情况下情况下, ,这两条负载线互相平行。显然这两条负载线互相平行。显然, ,工作于工作于ABAB段要比工作于段要比工作于ABAB段为好段为好, ,在同样的照度变化下在同样的照度变化下( (自自0 0变至变至3),3),不论电压或电流变化的大小都成线性关系。但光电池加反不论电压或电流变化的大小都成线性关系。但光电池加反向电压后的暗电流和噪声有所增大向电压后的暗电流和噪声有所增大, ,因而要选用反向暗电流小的因而要选用反向暗电流小的光电池光电池, ,并注意光电池不能因加反向电压而击穿。
46、并注意光电池不能因加反向电压而击穿。作电压源使用作电压源使用 图图 加反向电压的光电池加反向电压的光电池(a)(a)电路；电路；(b)(b)伏安特性曲线伏安特性曲线 arctanRL1AarctanRL1UBBAE0或 0EEE E(a)(b)O作电压源使用作电压源使用图图 路灯自动控制器电路路灯自动控制器电路C2200uFC3100uFT4T1T2T3R1470KR2200KR310KR2200KR34.3R710KR625KR8280KC1200uFJGND2CRVCCVCC8VCJD-10220V光电池的应用实例光电池的应用实例光电池光电池外形外形光敏面光敏面能提供较大电流的大能提供较大
47、电流的大面积光电池面积光电池外形外形其他其他光电池及在照度测量中的应用光电池及在照度测量中的应用柔光罩下面为圆形光电池柔光罩下面为圆形光电池光电池驱动的凉帽光电池驱动的凉帽光电池在动力方面的应用光电池在动力方面的应用太阳能赛车太阳能赛车太阳能电动机模型太阳能电动机模型太阳能太阳能 硅光电池板硅光电池板光电池在动力方面的应用（续）光电池在动力方面的应用（续）太阳能发电太阳能发电光电池在动力方面的应用（续）光电池在动力方面的应用（续）光电池在人造卫星上的应用光电池在人造卫星上的应用硅光电二极管和光电池，都是基于硅光电二极管和光电池，都是基于p-np-n结的光电效结的光电效应而工作的，它主要用于应而
48、工作的，它主要用于可见光及红外光谱区可见光及红外光谱区。 （1 1）硅光电二极管通常工作在反偏置条件下）硅光电二极管通常工作在反偏置条件下，即，即光电导工作模式：可以减小光生载流子度越时光电导工作模式：可以减小光生载流子度越时间及结电容，可获得较宽的线性输出和较高的间及结电容，可获得较宽的线性输出和较高的响应频率，适用于响应频率，适用于测量高频调制测量高频调制的光信号。的光信号。4.4 4.4 光电二极管和光电三极管光电二极管和光电三极管（2 2）硅光电二极管也可工作在零偏置状态，即光）硅光电二极管也可工作在零偏置状态，即光伏工作模式：暗电流等于零。伏工作模式：暗电流等于零。 硅光电二极管后继
49、电路采用电流电压变换电硅光电二极管后继电路采用电流电压变换电路，线性区范围扩大，得到广泛应用。路，线性区范围扩大，得到广泛应用。4.4 4.4 光电二极管和光电三极管光电二极管和光电三极管光电二极管光电二极管 将光电二极管的将光电二极管的PN 结设置在透明结设置在透明管壳顶部的正下方，管壳顶部的正下方，光照射到光敏二极光照射到光敏二极管的管的PN结时，电结时，电子子-空穴对数量增空穴对数量增加，光电流与照度加，光电流与照度成正比。成正比。 光二电极管阵列光二电极管阵列 包含包含1024个个InGaAs元件元件的线性光电二极管阵列，可用的线性光电二极管阵列，可用于分光镜。于分光镜。光电二极管的基
50、本结构光电二极管的基本结构 光电二极管可分为以P型硅为衬底的2DU型与以N型硅为衬底的2CU型两种结构形式。如图3-1（a）所示的为2DU型光电二极管的原理结构图。 图3-1（c）所示为光电二极管的电路符号，其中的小箭头表示正向电流的方向（普通整流二极管中规定的正方向），光电流的方向与之相反。图中的前极为光照面，后极为背光面。 光电二极管的电流方程光电二极管的电流方程 在无辐射作用的情况下（暗室中），PN结硅光电二极管的正、反向特性与普通PN结二极管的特性一样，如图所示。其电流方程为 1kTqUDeII（3-1）ID为U为负值（反向偏置时）且 时(室温下kT/q0.26mV，很容易满足这个条件
