光电检测技术3

1、第第3章章 结型光电器件结型光电器件 结型光电器件是利用光生伏特效应工作的光电结型光电器件是利用光生伏特效应工作的光电探测器件。探测器件。 按结的种类不同，可分为按结的种类不同，可分为PN结型，结型，PIN结结型和型和肖特基结肖特基结型等。型等。 光电池光电池光电光电二极管二极管光电光电晶体管晶体管PIN光电二极管光电二极管雪崩光电二极管雪崩光电二极管光可控硅光可控硅象限式光电器件象限式光电器件位置敏感探测器位置敏感探测器（PSD）光电耦合器件光电耦合器件结型光电器件包括结型光电器件包括0/0IeIIkTqVD3.1 结型光电器件工作原理结型光电器件工作原理3.1.1.热平衡状态下的热平衡状态

2、下的PN结结 在热平衡条件下，在热平衡条件下，PN结中净电流为零。有外加电结中净电流为零。有外加电压时结内平衡被破坏，这时流过压时结内平衡被破坏，这时流过PN结的电流方程为结的电流方程为? ?3.1.2.光照下的光照下的PN结结1.1.PN结光伏效应结光伏效应 PN结结受光照射受光照射时，在结区产生电子时，在结区产生电子- -空穴对。空穴对。受内建电场的作用，空穴顺着电场运动，电子逆电受内建电场的作用，空穴顺着电场运动，电子逆电场运动，最后在结区两边产生一个与内建电场方向场运动，最后在结区两边产生一个与内建电场方向相反的光生电动势称为相反的光生电动势称为光生伏特效应光生伏特效应。 想一想方想一

3、想方程的表达程的表达形式形式? PN结反偏结反偏,耗尽层变宽耗尽层变宽,内电场加强内电场加强,漂移运动增强漂移运动增强,形形成漂移电流成漂移电流.漂移电流方向为漂移电流方向为:电源正电源正-N-P-电源负电源负,方向正方向正好和扩散电流相反好和扩散电流相反,所以叫反向电流所以叫反向电流.反向电流由少数载流反向电流由少数载流子产生子产生,而少数载流子低且环境温度不变时而少数载流子低且环境温度不变时,其浓度也不变其浓度也不变;更需要注意的是外加反向电压达一定值后更需要注意的是外加反向电压达一定值后,因少子有限因少子有限,这这时时,反向电流基本不随外加电压增加而增加反向电流基本不随外加电压增加而增加

4、,这时反向电流这时反向电流叫反向饱和电流叫反向饱和电流,其值小其值小,但随温度变化剧烈但随温度变化剧烈.2.2.光照下光照下PN结的电流方程结的电流方程 结型光电器件有两种工作模式结型光电器件有两种工作模式: :光伏工作光伏工作模式模式和和光电导工作光电导工作模式模式 在在零偏置零偏置的开路状态，结型光电器件产生光生的开路状态，结型光电器件产生光生伏特效应，称为光伏工作模式。在伏特效应，称为光伏工作模式。在反偏置反偏置状态，无状态，无光照时结电阻很大，结电流很小；有光照时，结电光照时结电阻很大，结电流很小；有光照时，结电阻变小，电流变大，而且流过它的光电流随照度变阻变小，电流变大，而且流过它的

5、光电流随照度变化而变化化而变化，称为光电导工作模式。称为光电导工作模式。?) 1/(0kTqVeIpIDIpILIESIEp) 1(/0kTqVELeIESISE : :光电灵敏光电灵敏度度 当负载电阻当负载电阻RL断开断开(IL0)时，时，P端对端对N端的电压端的电压称为称为开路电压，用开路电压，用Voc表示表示 )01ln(IpIqkTocV)ln()ln(00IESqkTIIqkTVEpocI Ip pII0 0 当负载电阻短路当负载电阻短路( (即即RL L=0)=0)时，光生电压接近于零，时，光生电压接近于零，流过器件的电流叫流过器件的电流叫短路电流，用短路电流，用Iscsc表示表示

6、ESIIEpscV 为结电压为结电压 光伏效应有两个重要参数光伏效应有两个重要参数:开路电压和短路电开路电压和短路电流流,他们的定义都可以从他们的定义都可以从PN结电流方程出发而得到结电流方程出发而得到.短路电流在弱光照射下与照度正短路电流在弱光照射下与照度正比比一定温度下一定温度下,开路电压与光照度成对数关系开路电压与光照度成对数关系,但最大值但最大值不超过接触电势差不超过接触电势差:硅接触电势差硅接触电势差?,锗接触电势差锗接触电势差? 受光照后，光受光照后，光生电子生电子- -空穴对在电空穴对在电场作用下形成大于场作用下形成大于I0 0的光电流，并且方的光电流，并且方向与向与I0 0相同

7、，因此曲相同，因此曲线将沿电流轴向下线将沿电流轴向下平移到第四象限。平移到第四象限。 无光照时，伏无光照时，伏安特性曲线与一般安特性曲线与一般二极管的相同，二二极管的相同，二极管就工作在这极管就工作在这 个状态，伏安特性个状态，伏安特性曲线处于第一象限。曲线处于第一象限。 如果给如果给PN结加一反偏电压结加一反偏电压Ub，PN结的势垒高度结的势垒高度由由qUD增加到增加到q(UD+Ub)，使光照产生的电子，使光照产生的电子-空穴对在空穴对在强电场作用下更易进行漂移运动，提高了器件的频率强电场作用下更易进行漂移运动，提高了器件的频率特性。特性。 PN结光电器件在不同照度下的伏安特性曲线结光电器件

8、在不同照度下的伏安特性曲线 平移的幅度与平移的幅度与光照的变化成正比，光照的变化成正比，即即Ip=SEE。光电池。光电池就是依据这个原理就是依据这个原理工作的。工作的。 当当PN结反偏时，结反偏时，暗电流随反向偏压的增暗电流随反向偏压的增大有所增大，最后等于大有所增大，最后等于反向饱和电流反向饱和电流I0，而光，而光电流电流Ip几乎与反向电压几乎与反向电压大小无关。光电二极管大小无关。光电二极管和光电三极管就工作在和光电三极管就工作在这个象限这个象限 太阳能光电池太阳能光电池主要用作电源主要用作电源，它，它结构简单、体结构简单、体积小、重量轻、可靠性高、寿命长、能直接将太阳积小、重量轻、可靠性

9、高、寿命长、能直接将太阳能转换成电能，能转换成电能，不仅是航天工业上的重要电源，也不仅是航天工业上的重要电源，也广泛应用于人们的日常生活中。广泛应用于人们的日常生活中。 测量光电池测量光电池主要功能是作为光电探测用主要功能是作为光电探测用，对它，对它的要求是的要求是线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性好、寿命长稳定性好、寿命长，被广泛应用在光度、色度、光，被广泛应用在光度、色度、光学精密计量和测试中。学精密计量和测试中。 3.2 3.2 硅光电池硅光电池 光电池主要功能光电池主要功能是在零偏置的情况下能将光是在零偏置的情况下能将光信号转换成电信号。按用

10、途光电池可分为信号转换成电信号。按用途光电池可分为太阳能太阳能光电池和测量光电池光电池和测量光电池 光电池是一个光电池是一个PN结结，根据制作，根据制作PNPN结材料的不同，结材料的不同，光电池有光电池有硒光电池，硅光电池、砷化镓光电池和锗硒光电池，硅光电池、砷化镓光电池和锗光电池光电池四种。四种。 太阳能电池式电热水器，利用太阳能电池组在光照下太阳能电池式电热水器，利用太阳能电池组在光照下发电，向装在使用发电，向装在使用220V交流电的热水器水箱里的交流电的热水器水箱里的200W/12V加热器提供电能，使水温升高的装置。也可把太阳能电池式加热器提供电能，使水温升高的装置。也可把太阳能电池式电

11、热水器的电热水器的200W/12V加热装置，直接按装在普通的电热水加热装置，直接按装在普通的电热水器上。一年四季都可以使用，它可以调节水温，比普通电热器上。一年四季都可以使用，它可以调节水温，比普通电热水器省电水器省电 2DR型型硅光电池是以硅光电池是以P型硅作基底，型硅作基底，2CR型光型光电池则是以电池则是以N型硅作基底，然后在基底上扩散磷型硅作基底，然后在基底上扩散磷（或硼）作为受光面。构成或硼）作为受光面。构成PN结后，分别在基底结后，分别在基底和光敏面上制作输出电极，涂上二氧化硅作保护和光敏面上制作输出电极，涂上二氧化硅作保护膜，即成光电池。膜，即成光电池。结构示意图结构示意图符号符

12、号电极结构电极结构为便于为便于透光和透光和减小串减小串联电阻联电阻3.2.1.3.2.1.硅光电池的基本结构和工作原理硅光电池的基本结构和工作原理 硅光电池按基底材料不同分为硅光电池按基底材料不同分为2DR型和型和2CR型。型。工作原理如下图所示工作原理如下图所示硅光电池的电流方程硅光电池的电流方程) 1/(0kTqVeIpIDIpILI 光照特性有光照特性有伏安特性伏安特性、照度照度- -电流电压特性电流电压特性和和照度照度- -负载特性。负载特性。3.2.2.3.2.2.硅光电池的特性参数硅光电池的特性参数1.1.光照特性光照特性 特性参数主要有特性参数主要有：光照特性、光谱特性、频光照特

13、性、光谱特性、频率特性、温度特性率特性、温度特性) 1() 1(/0/0kTqVEkTqVpDpLeIESeIIIIIDkTqVLIeII) 1(/0式中，式中，ID D是结电流，是结电流，I0 0是反向饱和电流，是光电池是反向饱和电流，是光电池加反向偏压后出现的暗电流。加反向偏压后出现的暗电流。 不同照度时的伏不同照度时的伏- -安特性安特性曲线曲线. .一般硅光电池工作一般硅光电池工作在第四象限在第四象限。若硅光电池。若硅光电池工作在反偏置状态，则伏工作在反偏置状态，则伏安特性将延伸到第三象限安特性将延伸到第三象限硅光硅光电池电池电流电流方程方程式式当当E=0 0时时 硅光电池的伏安特性，

14、表示输出电流和电压随负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。载电阻变化的曲线。 在要求输出电流与光在要求输出电流与光照度成线性关系时，负载照度成线性关系时，负载电阻在条件许可的情况下电阻在条件许可的情况下越小越好，并限制在强光越小越好，并限制在强光照范围内使用照范围内使用 当当RL L=(=(开路开路) )时，光电池的开路电压，以时，光电池的开路电压，以Vococ表示表示)1ln(0IIqkTVpoc)/ln()/(0IIqkTVpocESIIEpsc当当RL L0 0 时所得的电流时所得的电流称为光电池短路电流，称为光电池短路电流，以以Iscsc表示表示 实际应用时，都

15、接实际应用时，都接负载，负载，光电池光照与负光电池光照与负载的特性曲线载的特性曲线 Voc 在线性测量中在线性测量中,光光电池常以电流形式使电池常以电流形式使用用,因此短路电流的这因此短路电流的这种线性关系是光电池种线性关系是光电池重要的光照特性重要的光照特性这就是硅光电池这就是硅光电池的开路电压和短的开路电压和短路电流与光照的路电流与光照的关系关系,由此图可看由此图可看出什麽出什麽? 2CR型硅光电池的型硅光电池的光谱曲线，其响应范围光谱曲线，其响应范围为为0.41.1m，峰值波，峰值波长为长为0.80.9m，是非，是非常适合人眼的光电池常适合人眼的光电池2.2.光谱特性光谱特性 光谱响应特

16、性表示在入射光能量保持一定的条件光谱响应特性表示在入射光能量保持一定的条件下，光电池所产生的短路电流与入射光波长之间的关下，光电池所产生的短路电流与入射光波长之间的关系，一般用系，一般用相对响应相对响应表示。表示。 线性测量中，要求光电池有高的灵敏度和稳定线性测量中，要求光电池有高的灵敏度和稳定性，同时要求与人眼性，同时要求与人眼视见函数有相似视见函数有相似的光谱响应特的光谱响应特性。性。锗光电池长波响锗光电池长波响应宽，适合作红应宽，适合作红外探测器外探测器 几种常见光电池的几种常见光电池的相对光谱响应曲线相对光谱响应曲线:硒光硒光电池与电池与人眼视见函数相人眼视见函数相似，砷化镓量子效率高

17、，似，砷化镓量子效率高，噪声低，响应在紫外区噪声低，响应在紫外区和可见光区。和可见光区。 由图可见由图可见，负载大时频，负载大时频率特性变差，减小负载可减率特性变差，减小负载可减小时间常数小时间常数，提高频响。，提高频响。但是负载电阻但是负载电阻RL的减小会使的减小会使输出电压降低，输出电压降低，实际使用时实际使用时根据具体要求而定根据具体要求而定。3.3.频率特性频率特性 对矩形脉冲光，用光电流上升时间常数对矩形脉冲光，用光电流上升时间常数tr r和下降和下降时间常数时间常数tf来表征光电流滞后于光照的程度；对正弦型来表征光电流滞后于光照的程度；对正弦型光照常用频率特性曲线表示光照常用频率特

18、性曲线表示 结型光电器件，结型光电器件，PN结内载流子的扩散、漂移，产结内载流子的扩散、漂移，产生与复合都需要一定的时间，当光照变化很快时，光生与复合都需要一定的时间，当光照变化很快时，光电流变化就滞后于光照变化。电流变化就滞后于光照变化。右图为硅光右图为硅光电池的频率电池的频率特性曲线。特性曲线。4 4温度特性温度特性 光电池的温度特性曲线主要指光照射时它的开路光电池的温度特性曲线主要指光照射时它的开路电压电压Uoc与短路电流与短路电流Isc随温度变化的情况。随温度变化的情况。光电池的温度特性曲线如下图所示光电池的温度特性曲线如下图所示 从图知开路电压从图知开路电压Uoc随着温度的升高而减小

19、随着温度的升高而减小,其值约为其值约为23mV/oC;短短路电流路电流Isc随着温度的升高随着温度的升高而增大，但增大比例很小，而增大，但增大比例很小，约为约为10-510-3mA/oC数量数量级。级。3.3.1.3.3.1.硅光电二极管结构及工作原理硅光电二极管结构及工作原理3.3 3.3 硅光电二极管和硅光电三极管硅光电二极管和硅光电三极管 制作光电二极管的材料有制作光电二极管的材料有硅硅、锗锗、砷化镓砷化镓、碲化碲化铅铅等，目前在可见光区应用最多的是等，目前在可见光区应用最多的是硅光电二极管硅光电二极管。 光电二极管是基于光电二极管是基于PN结的光电效应工作的，它主结的光电效应工作的，它

20、主要用于要用于可见光及红外光谱区可见光及红外光谱区。光电二极管通常在。光电二极管通常在反偏反偏置条件下工作置条件下工作，也可用在零偏置状态。，也可用在零偏置状态。 硅光电二极管的结构和工作原理与硅光电池相硅光电二极管的结构和工作原理与硅光电池相似，不同的地方是：似，不同的地方是： 光电池的光敏面面积比硅光电二极管的光敏面大光电池的光敏面面积比硅光电二极管的光敏面大得多，因此硅光电二极管的光电流小得多，通常在得多，因此硅光电二极管的光电流小得多，通常在微安级。微安级。 制作光电池衬底材料的掺杂浓度比硅光电二极管制作光电池衬底材料的掺杂浓度比硅光电二极管高高: :光电池为光电池为101016161

21、0101919原子数厘米原子数厘米3 3，硅光电二极，硅光电二极管为管为1010121210101313原子数厘米原子数厘米3 3； 光电池的电阻率低，光电池的电阻率低，约为约为0.10.10.010.01欧姆欧姆厘米，厘米，硅光电二极管为硅光电二极管为10001000欧姆欧姆厘米；厘米； 光电池在零偏置下工作，硅光电二极管在反向偏光电池在零偏置下工作，硅光电二极管在反向偏置下工作；置下工作； 2DU系列以系列以P-Si为衬底，有三个引出线：为衬底，有三个引出线：前极、前极、后极、环极后极、环极。加环极的目的是为了减少暗电流和噪。加环极的目的是为了减少暗电流和噪声，环极与前极相联。声，环极与前

22、极相联。 硅光电二极管通常用反偏的光电导工作模式。硅光电二极管通常用反偏的光电导工作模式。无光照时无光照时，若给，若给PN结加适当的反向电压，则加强了结加适当的反向电压，则加强了内建电场，使内建电场，使PN结空间电荷区变宽，势垒增大。结空间电荷区变宽，势垒增大。 光照硅光电二极管时光照硅光电二极管时，在结区产生的光生载流，在结区产生的光生载流子被强内建电场拉开，光生电子被拉向子被强内建电场拉开，光生电子被拉向N区，光生区，光生空穴被拉向空穴被拉向P区，于是形成以少数载流子漂移运动区，于是形成以少数载流子漂移运动为主的光电流。为主的光电流。 当硅光电二极管与负载电阻当硅光电二极管与负载电阻RL串

23、联时串联时，在，在RL的的两端便可得到随光照度变化的电压信号。从而完成两端便可得到随光照度变化的电压信号。从而完成了将光信号转变成电信号的转换。了将光信号转变成电信号的转换。 根据衬底材料的不同硅光电二极管分为根据衬底材料的不同硅光电二极管分为2DU2DU型型和和2CU2CU型型两种系列。两种系列。 2CU系列以系列以N-Si为衬底为衬底, 2CU系列光电二极管只系列光电二极管只有两个引出线。有两个引出线。 3.3.2.3.3.2.硅光电三极管硅光电三极管 硅光电三极管具有电流放大作用，它的集电极硅光电三极管具有电流放大作用，它的集电极电流受基极的电流或光强控制。硅光电三极管的外电流受基极的电

24、流或光强控制。硅光电三极管的外型有光窗型有光窗,管脚有三根引线或二根引线管脚有三根引线或二根引线,管型分为管型分为PNP型和型和NPN型型,NPN型称型称3DU型型,PNP型称型称3CU型型。以以3DU型为例说明硅光电三极管的结构和工作原理。型为例说明硅光电三极管的结构和工作原理。 以以N型硅片作衬底，扩散型硅片作衬底，扩散硼硼而形成而形成P型，再扩散型，再扩散磷磷而形成重而形成重掺杂掺杂N+层。在层。在N+侧开窗，引出侧开窗，引出一个电极作一个电极作“集电极集电极c”，中间的，中间的P型层引出型层引出“基极基极b”，也可以不，也可以不引出来，在引出来，在N型硅片的衬底上引型硅片的衬底上引出一

25、个出一个 “发射极发射极e”。这就构成一个光电三极管。这就构成一个光电三极管。+5+3 工作时需保证工作时需保证集电集电结结反偏，发射反偏，发射结结正偏正偏。集电结集电结反偏，结内有很强的内建电场。对反偏，结内有很强的内建电场。对3DU型型来说，内建来说，内建电场的方向是由电场的方向是由c到到b，如果有光照到集电结上，在内，如果有光照到集电结上，在内建电场的作用下，光生载流子中的电子流向集电区，建电场的作用下，光生载流子中的电子流向集电区，空穴流向基区，相当于外界向基极注入一个控制电流：空穴流向基区，相当于外界向基极注入一个控制电流：IbIp，当基极没有引线时，此时集电极电流为，当基极没有引线

26、时，此时集电极电流为ESIIIRIIESqkTAURIIRUEpbcffpfSCOEOCO)/ln( 在原理上完全可以把它看在原理上完全可以把它看成是一个由成是一个由硅光电二极管硅光电二极管与与普普通晶体管通晶体管结合而成的组合件。结合而成的组合件。 式中式中 为晶体管的电流放大倍数；为晶体管的电流放大倍数；E为入射光为入射光照度；照度；SE为光电灵敏度。为光电灵敏度。 由此可见，光电三极管的光电转换是在集由此可见，光电三极管的光电转换是在集- -基结内基结内进行的，集电极、基极和发射极又构成一个有放大作进行的，集电极、基极和发射极又构成一个有放大作用的晶体管。用的晶体管。 为了为了改善频率响

27、应，减小体积，提高增益改善频率响应，减小体积，提高增益，已，已研制出研制出集成光电晶体管集成光电晶体管，它是在一块硅片上制作一，它是在一块硅片上制作一个硅光电二极管和三极管个硅光电二极管和三极管 ：3.3.3.3.3.3.硅光电三极管与硅光电二极管特性比较硅光电三极管与硅光电二极管特性比较1.1.光照特性光照特性 光照特性光照特性是指硅光电二极管和硅光电三极管的光是指硅光电二极管和硅光电三极管的光电流与照度之间的关系曲线电流与照度之间的关系曲线 由图可见，由图可见，硅光电二极管的光照特性的线性较硅光电二极管的光照特性的线性较好，好，硅光电三极管的光电流在弱光照时有弯曲，强硅光电三极管的光电流在

28、弱光照时有弯曲，强光照时又趋向于饱和光照时又趋向于饱和，只有在中间一段光照范围内只有在中间一段光照范围内线性较好线性较好，这是由于硅光电三极管的电流放大倍数，这是由于硅光电三极管的电流放大倍数在小电流或大电流时都要下降造成的。在小电流或大电流时都要下降造成的。硅光电二极管硅光电二极管和硅光电三极管的光照特性曲线和硅光电三极管的光照特性曲线 在一定的偏压下，硅光电三极管的伏安特性曲线在一定的偏压下，硅光电三极管的伏安特性曲线在低照度时间隔较均匀，在高照度时曲线越来越密，在低照度时间隔较均匀，在高照度时曲线越来越密，虽然硅光电二极管也有，但硅光电三极管严重得多，虽然硅光电二极管也有，但硅光电三极管

29、严重得多，这是这是因为硅光电三极管的因为硅光电三极管的 是非线性的。是非线性的。 当工作电压较低时输出的光电流有非线性，硅光当工作电压较低时输出的光电流有非线性，硅光电三极管的非线性较严重，电三极管的非线性较严重，这是因为硅光电三极管的这是因为硅光电三极管的 与工作电压有关。为了得到较好线性，要求工作电与工作电压有关。为了得到较好线性，要求工作电压尽可能高些；压尽可能高些； 2.2.伏安特性伏安特性 伏安特性表示为当入射光的照度伏安特性表示为当入射光的照度( (或光通量或光通量) )一一定时，光电二极管和光电三极管输出的光电流与所定时，光电二极管和光电三极管输出的光电流与所加偏压的关系。加偏压

30、的关系。硅光电二极管硅光电二极管硅光电三极管硅光电三极管由图可见，两条特性曲线有以下四点不同：由图可见，两条特性曲线有以下四点不同： 在相同照度下，一般在相同照度下，一般硅光电三极管的光电流在毫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安量级，硅光电二极管的光电流在微安量级； 而硅光电三极管集电结虽然也能产生光生伏特而硅光电三极管集电结虽然也能产生光生伏特效应，但效应，但因集电结无偏置电压，没有电流放大作用因集电结无偏置电压，没有电流放大作用，这微小的电流在毫安级的坐标中表示不出来；这微小的电流在毫安级的坐标中表示不出来； 在零偏压时硅光电三极管没有光电流输出，硅光在零偏压

31、时硅光电三极管没有光电流输出，硅光电二极管仍有光电流输出电二极管仍有光电流输出；这是因为硅光电二极管具；这是因为硅光电二极管具有光生伏特效应，有光生伏特效应，硅光电二极管和硅光电三极管的光电流和暗电硅光电二极管和硅光电三极管的光电流和暗电流均随温度而变化，但硅光电三极管因有电流放大流均随温度而变化，但硅光电三极管因有电流放大作用，作用，3 3温度特性温度特性 由于由于暗电流的增加暗电流的增加，使输出信噪比变差，必要时，使输出信噪比变差，必要时要采取要采取恒温或补偿措施恒温或补偿措施。所以它的所以它的光电流光电流和和暗电流受温度影响比硅光电暗电流受温度影响比硅光电二极管大得多二极管大得多 下图为

32、用脉冲光源测下图为用脉冲光源测出的出的2CU型硅光电二极管型硅光电二极管的响应时间与负载的响应时间与负载RL的关的关系曲线系曲线，可以看出当负载，可以看出当负载超过超过104以后，响应时间以后，响应时间增加得更快增加得更快 4.4.频率响应特性频率响应特性 硅光电二极管的频率特性主要决定于光生载硅光电二极管的频率特性主要决定于光生载流子的渡越时间。流子的渡越时间。渡越时间包括光生载流子向结渡越时间包括光生载流子向结区扩散和在结电场中的漂移区扩散和在结电场中的漂移。这时，决定硅光电。这时，决定硅光电二极管的频率响应上限的因素是结电容二极管的频率响应上限的因素是结电容Cj和负载和负载电阻电阻RL

33、L。在实际使用时，应根据频率响应要求选在实际使用时，应根据频率响应要求选择最佳的负载电阻。择最佳的负载电阻。 硅光电三极管的频率响应也可用上升时间硅光电三极管的频率响应也可用上升时间tr和下和下降时间降时间tf来表示来表示，硅光电三极管的频率响应，还受基，硅光电三极管的频率响应，还受基区渡越时间和发射结电容的限制。使用时要根据响区渡越时间和发射结电容的限制。使用时要根据响应速度和输出幅值来选择负载电阻应速度和输出幅值来选择负载电阻RL。 硅光电二极管硅光电二极管的时间常数一般在的时间常数一般在0.1s以内，以内，PIN管和雪崩光电二极管管和雪崩光电二极管的时间常数在的时间常数在ns数量级，数量

34、级，硅光电三极管硅光电三极管的时间常数却长达的时间常数却长达510s。 上升时间上升时间tr和下降时间和下降时间tf与与放大后电流放大后电流Ic的的关系曲线。关系曲线。3.4 3.4 结型光电器件的放大电路结型光电器件的放大电路 结型光电器件一般用三极管或集成运结型光电器件一般用三极管或集成运算放大器对输出信号进行放大和转换。算放大器对输出信号进行放大和转换。3.4.1.3.4.1.结型光电器件与放大三极管的连接结型光电器件与放大三极管的连接 硅三极管和锗三极管硅三极管和锗三极管导通时射极导通时射极- -基极电压大小基极电压大小不同，有三种不同的变换电路。不同，有三种不同的变换电路。锗三极锗三

35、极管放大管放大光电流光电流硅三极硅三极管放大管放大光电流光电流 注意注意: :三种电路都以三种电路都以晶体三极管发射结的正向电晶体三极管发射结的正向电阻阻作为硅光电池的负载，因此硅光电池几乎是工作在作为硅光电池的负载，因此硅光电池几乎是工作在短路状态，从而获得线性工作特性的。短路状态，从而获得线性工作特性的。3.4.2.3.4.2.结型光电器件与运算放大器的连接结型光电器件与运算放大器的连接 集成运算放大器因集成运算放大器因结构简单、使用方便而广泛应结构简单、使用方便而广泛应用于光电变换器件中用于光电变换器件中。光电二极管与运算放大电路的。光电二极管与运算放大电路的连接方式有三种方式连接方式有

36、三种方式 电流放大型电流放大型IC变换电路变换电路： 运算放大器两输入端间的输运算放大器两输入端间的输入阻抗入阻抗Zin是硅光电二极管的负载是硅光电二极管的负载电阻；当放大倍数和反馈电阻较电阻；当放大倍数和反馈电阻较大时大时,可以认为硅光电二极管是处可以认为硅光电二极管是处于短路工作状态于短路工作状态,能输出理想的短能输出理想的短路电流路电流,这时运算放大器输出为这时运算放大器输出为: 由于电流放大器输入阻抗低由于电流放大器输入阻抗低,响应响应速度快速度快,噪声低噪声低,信噪比高信噪比高,广泛用于弱光广泛用于弱光信号的变换中信号的变换中fRIUSCO(2)(2)电压放大型电压放大型IC变换电路

37、：变换电路： 硅光电二极管与负载电阻硅光电二极管与负载电阻RL并联且硅光电二极管的正端接在并联且硅光电二极管的正端接在运算放大器的正端；放大器的漏运算放大器的正端；放大器的漏电流比光电流小得多电流比光电流小得多,具有很高的具有很高的输入阻抗输入阻抗.当负载电阻大于当负载电阻大于1M时时,运行于硅光电池下的光电二极管运行于硅光电池下的光电二极管处于开路状态处于开路状态,可以得到与开路电可以得到与开路电压成正比的输出信号压成正比的输出信号:OCOUAU121RRRA)/ln(OEOCIESqkTAU(3) (3) 阻抗变换型：阻抗变换型： 反向偏置的硅光电二极管具反向偏置的硅光电二极管具有恒流源性

38、质有恒流源性质,内阻很大内阻很大,饱和光饱和光电流与输入光照度成正比电流与输入光照度成正比,在高负在高负载电阻时可得到高的输出信号载电阻时可得到高的输出信号.但但是如果把这种反偏的二极管直接是如果把这种反偏的二极管直接接到负载上接到负载上,会因为负载失配而削会因为负载失配而削弱信号的幅度弱信号的幅度,因此需要有阻抗变因此需要有阻抗变换器将阻抗的电流源变换为低阻换器将阻抗的电流源变换为低阻抗的电压源抗的电压源,然后再于负载连接。然后再于负载连接。 注意注意:用场效应管用场效应管代替双极性晶体管作代替双极性晶体管作前置极前置极,其偏置电流较其偏置电流较小小,适合于光功率很小适合于光功率很小的场合的

39、场合. 三种电路各有优缺点，三种电路各有优缺点，但都适用于光功率很小的场合。但都适用于光功率很小的场合。fpfRIIRUO 利用利用光刻技术，将一个圆形或方形的光敏面窗口分隔光刻技术，将一个圆形或方形的光敏面窗口分隔成几个有一定规律的的区域成几个有一定规律的的区域( (但背面仍为整片但背面仍为整片) )，每一个区，每一个区域相当于一个光电二极管。理想情况下，每个光电二极管域相当于一个光电二极管。理想情况下，每个光电二极管应有完全相同的性能参数。应有完全相同的性能参数。3.5 3.5 特殊结型光电器件特殊结型光电器件3.5.1.3.5.1.象限探测器象限探测器 象限探测器实质是一个象限探测器实质

40、是一个面积很大的结型光电器件面积很大的结型光电器件，很像一个光电池；很像一个光电池； 典型的象限探测器有典型的象限探测器有四象限光电二极管四象限光电二极管和和四象四象限硅光电池限硅光电池等，也有等，也有二象限的硅光电池和光电二极二象限的硅光电池和光电二极管管等。等。象限探测器有以下几个缺点：象限探测器有以下几个缺点： 测量精度易受光强变化的影响，分辨率不高。测量精度易受光强变化的影响，分辨率不高。 表面分割，而产生死区，光斑越小死区的影响表面分割，而产生死区，光斑越小死区的影响越明显；越明显； 若光斑全部落入一个象限时，输出的电信号将若光斑全部落入一个象限时，输出的电信号将无法区别光斑的准确位

41、置；无法区别光斑的准确位置； 3.5.2. 3.5.2. PIN型光电二极管型光电二极管1）普通）普通PIN型光电二极管型光电二极管 PIN型光电二极管又称快速光电二极管，它的型光电二极管又称快速光电二极管，它的结构分三层，即在结构分三层，即在P型半导体和型半导体和N型半导体型半导体之间夹之间夹着较厚的着较厚的本征半导体本征半导体I层：层：PIN光电二极管因有较厚的光电二极管因有较厚的I层，因此具有四点优点层，因此具有四点优点: :1).1).PNPN结间距离拉大，结电容变小结间距离拉大，结电容变小。目前。目前PINPIN光电光电二极管的结电容一般为零点几到几个微微法，响二极管的结电容一般为零

42、点几到几个微微法，响应时间应时间 tr1 13ns3ns，最高达，最高达0.1ns0.1ns。3）增加了对长波的吸收增加了对长波的吸收，提高了长波灵敏度，其，提高了长波灵敏度，其响应波长范围可以从响应波长范围可以从0.41.1m。4 4）可承受较高的反向偏压，使线性输出范围变宽可承受较高的反向偏压，使线性输出范围变宽2).2).内建电场基本上全集中于内建电场基本上全集中于I I层中层中，使耗尽层厚，使耗尽层厚度增加，增大了对光的吸收和光电变换区域，量度增加，增大了对光的吸收和光电变换区域，量子效率提高了。子效率提高了。 若以若以PSD的中心点的中心点为原点建立坐标系或坐为原点建立坐标系或坐标轴

43、，设光点离中心点标轴，设光点离中心点的距离为的距离为xA，于是有：，于是有： a aPSD的工作原理和位置表达式的工作原理和位置表达式 PSD包含有三层，上面为包含有三层，上面为P层，下面为层，下面为N层，中间为层，中间为I层，它们全被制作在同一硅片上，层，它们全被制作在同一硅片上，P层既是光敏层，也层既是光敏层，也是一个均匀的电阻层。是一个均匀的电阻层。 LIIIIxLxLIILxLIIAAA1212020122电极上电极上输出的总输出的总电流为电流为: : I I0 0= I= I1 1+I+I2 22 2）特殊结构的）特殊结构的PIN型光电二极管型光电二极管 光电位置传感器是一种对入射到

44、光敏面上的光点光电位置传感器是一种对入射到光敏面上的光点位置敏感的位置敏感的PIN型光电二极管，面积较大，其输出信型光电二极管，面积较大，其输出信号与光点在光敏面上的位置有关。一般称为号与光点在光敏面上的位置有关。一般称为PSD。 由于由于P层的电阻是均层的电阻是均匀的，由两极输出的电流匀的，由两极输出的电流分别与光点到两电极的距分别与光点到两电极的距离成反比。离成反比。 光射到光射到PSD的光敏面的光敏面上时，在入射位置表面下上时，在入射位置表面下就产生与光强成比例的电就产生与光强成比例的电荷，此电荷通过荷，此电荷通过P P层向电极层向电极流动形成光电流。流动形成光电流。P层层I层层N层层

45、设两电极间的距离为设两电极间的距离为2L，经电极和电极输出的光经电极和电极输出的光电流分别为电流分别为I1和和I2 ， 思考题：思考题：若坐标若坐标原点设在原点设在PSD的一端，的一端，问流过两个电极的电问流过两个电极的电流与光点位置的关系流与光点位置的关系式？式？光电位置传感器光电位置传感器(PSD) ) 一般一般PSD分为两类：分为两类：一维一维PSD和二维和二维PSD。 一维一维PSD主要用来测量光点在一维方向的位置，主要用来测量光点在一维方向的位置， 二维二维PSD用来测定光点在平面上的坐标用来测定光点在平面上的坐标(x, y)， （1 1）一维）一维PSD 一维一维PSDPSD感光感

46、光面大多做成面大多做成细长矩形。细长矩形。b.b.光电位置传感器光电位置传感器(PSD)的分类的分类LIIIIxA1212 入射光点入射光点位于位于A点的坐点的坐标位置：标位置： 和为信和为信号电极，号电极，为公共电极为公共电极A1.1.两面分离型两面分离型PSDPSD 两面分离型两面分离型PSDPSD的两个面都是均匀电的两个面都是均匀电阻层，两对互相垂直阻层，两对互相垂直的电极分别位于上下的电极分别位于上下两个表面上。两个表面上。 （2 2）二维）二维PSD 二维二维PSD的感光面是方形的的感光面是方形的, ,比一维比一维PSD多一对多一对电极电极按其电极位置可分为三种形式按其电极位置可分为

47、三种形式2.2.表面分离型表面分离型PSD 表面分离型表面分离型PSDPSD的相的相互垂直的两对电极在同互垂直的两对电极在同一个表面上，一个表面上，光电流在光电流在同一电阻层内分成四部同一电阻层内分成四部份，即份，即Ix、Ix、Iy、Iy，并作为位移信号输出。并作为位移信号输出。它具有施加偏压容易，它具有施加偏压容易，暗电流小和响应速度快暗电流小和响应速度快等优点等优点 3.3.改进表面分离型改进表面分离型PSD 改进表面分离型改进表面分离型PSDPSD是是对表面分离型的光敏面和对表面分离型的光敏面和电极进行了改进而做出的。电极进行了改进而做出的。优点是，暗电流小、响应优点是，暗电流小、响应时

48、间快、易于加反偏压、时间快、易于加反偏压、位置检测误差小。位置检测误差小。c.PSD转换放大电路转换放大电路 2.2.电流电流- -电压转换电路原理图电压转换电路原理图V1100kRf (1M)10pFA1（CA3140）受光面Rf(1M)100k10pF+10VA2（CA3140）V2+10VRfRfA5A2A1A4A3U位置信号I I受光面1.一维的一维的PSD转换转换/放大电路原理图放大电路原理图Rf值取决于输入值取决于输入电平的大小，电平的大小，U为模拟除法器，为模拟除法器，所有的运算放大所有的运算放大器均为低漂移运器均为低漂移运算放大器。算放大器。 为了适应内阻比较低的电流源，为了适

49、应内阻比较低的电流源，用作电流用作电流-电压变换电路的前置放电压变换电路的前置放大器要有低偏压电源特性以及较大器要有低偏压电源特性以及较小的输人噪声电压和零漂电压，小的输人噪声电压和零漂电压，输人噪声通过输人噪声通过PSD内阻与反馈电内阻与反馈电阻之比进行放大，为此，反馈电阻之比进行放大，为此，反馈电阻通常选择阻通常选择1M左右左右, 一维的一维的PSD? 可同时检测位置和光强；可同时检测位置和光强；PSD器件输出总电流器件输出总电流与入射光强有关，所以从总光电流可求得相应的入射与入射光强有关，所以从总光电流可求得相应的入射光强。光强。d d 光电位置传感器的特征和用途光电位置传感器的特征和用

50、途光电位置传感器具有的特点：光电位置传感器具有的特点： 对光斑的形状无严格要求，只与光的能量重心对光斑的形状无严格要求，只与光的能量重心有关；有关； 光敏面无死区，可连续测量光斑位置，分辨率光敏面无死区，可连续测量光斑位置，分辨率高，一维高，一维PSD可达可达0.2m； 光电位置传感器被广泛地应用于激光束的光电位置传感器被广泛地应用于激光束的监监控控、平面度检测、平面度检测、一维长度检测一维长度检测、二维位置检测二维位置检测系统系统等。等。对准、位移和振动对准、位移和振动e.e.使用使用PSD时的注意事项：时的注意事项：(1) (1) 注意注意PSD与光源的光谱匹配与光源的光谱匹配 PSD波长

51、响应范围较宽，波长响应范围较宽，一般在一般在3003001100nm1100nm范围内，范围内，峰值波长在峰值波长在900nm900nm左右，左右， (2) (2) 注意所加电压不宜太大注意所加电压不宜太大也不能太小，以免影响也不能太小，以免影响PSD的响应频率。的响应频率。 结电容结电容Cj 是决定响应是决定响应速度的一个主要因素速度的一个主要因素。当。当反偏压超过一定值时，结反偏压超过一定值时，结电容基本上为一常数。电容基本上为一常数。 从曲线可知，从曲线可知，越接近越接近边缘，其位置检测误差越边缘，其位置检测误差越大大。使用时尽量不要接近。使用时尽量不要接近边缘。边缘。(3)(3)注意使

52、用注意使用PSD时的环境温度时的环境温度 当入射光波长小于当入射光波长小于950nm950nm时，温度变化对其灵敏度基时，温度变化对其灵敏度基本上无影响本上无影响，但光波长大于，但光波长大于950nm950nm时其灵敏度随着温度的时其灵敏度随着温度的变化较大。变化较大。(4)(4)注意位置测量误差范围注意位置测量误差范围雪崩光电二极管有以下特征：雪崩光电二极管有以下特征：1）灵敏度很高灵敏度很高:电流增益可达电流增益可达102103；2）响应速度快响应速度快:响应时间只有响应时间只有0.5ns， 响应频率响应频率 可达可达100GHz；3）噪声等效功率很小噪声等效功率很小:约为约为10-15W

53、。4）反偏压高反偏压高,可达可达200V,接近于反向击穿电压。接近于反向击穿电压。广泛用于广泛用于光纤通讯、弱信号检测、激光测距光纤通讯、弱信号检测、激光测距等领域等领域。 3.5.3.3.5.3.雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD) 雪崩光电二极管是借助强电场产生雪崩光电二极管是借助强电场产生载流子倍增效应载流子倍增效应工作的一种高速光电二极管。工作的一种高速光电二极管。 雪崩倍增效应雪崩倍增效应: :当在光电二极管上加当在光电二极管上加（100-200V）反向偏压时，在结区产生一个很强的电场。结区的光生反向偏压时，在结区产生一个很强的电场。结区的光生载流子受强电场的加速获得很大的能量，与

54、原子碰撞时载流子受强电场的加速获得很大的能量，与原子碰撞时可使原子电离，新生的电子可使原子电离，新生的电子- -空穴对在向电极运动过程空穴对在向电极运动过程中又获得足够能量，再次与原子碰撞，又产生新的电子中又获得足够能量，再次与原子碰撞，又产生新的电子- -空穴对。这一过程不断重复，使空穴对。这一过程不断重复，使PNPN结内电流急剧增加，结内电流急剧增加，雪崩倍雪崩倍增效应增效应 3.5.4.3.5.4.紫外光电二极管紫外光电二极管 紫外光是频率很高的电磁波紫外光是频率很高的电磁波，由于半导体材料对电，由于半导体材料对电磁波的吸收与波的频率有关，频率越高吸收越大，所以磁波的吸收与波的频率有关，

55、频率越高吸收越大，所以大多数大多数紫外光生载流子紫外光生载流子将产生在材料的表面附近还没有将产生在材料的表面附近还没有到达结区就因密度太大而被复合掉，响应率很低。到达结区就因密度太大而被复合掉，响应率很低。 研究和分析认为：制造时采用浅研究和分析认为：制造时采用浅PN结和肖特结和肖特基结的结构，可以增强对蓝、紫波长光的吸收和基结的结构，可以增强对蓝、紫波长光的吸收和响应率。响应率。 已经研制的蓝、紫光增强型硅光电二极管，具有已经研制的蓝、紫光增强型硅光电二极管，具有PN结浅、电子扩散长度大和表面复合速率小结浅、电子扩散长度大和表面复合速率小等三方面的优等三方面的优点。目前生产的系列紫外光电二极

56、管的光谱范围从点。目前生产的系列紫外光电二极管的光谱范围从1901901100nm1100nm。1.1.蓝、紫增强型硅光电二极管蓝、紫增强型硅光电二极管 一般利用一般利用金或铝金或铝分别与分别与Si、Ge、GaAs、GaAsP、GaP等半导体材料接触，等半导体材料接触，制得各种肖制得各种肖特基结光电二极管特基结光电二极管。2 2肖特基结光电二极管肖特基结光电二极管 由于结深为零，因此能吸收入射光中相当一部份由于结深为零，因此能吸收入射光中相当一部份蓝蓝、紫光紫光和几乎所有的和几乎所有的紫外线紫外线，吸收后所激发的光生，吸收后所激发的光生载流子在复合之前就会被强电场分离，这就提高了光载流子在复合

57、之前就会被强电场分离，这就提高了光生载流子的产生效率和收集效率，改善了器件的短波生载流子的产生效率和收集效率，改善了器件的短波响应率。响应率。肖特基势垒是由金属与半导体接触形成的肖特基势垒是由金属与半导体接触形成的。 可以把肖特基势垒光电二极管看作是一个可以把肖特基势垒光电二极管看作是一个结深为零，表面覆盖着薄而透明金属膜的结深为零，表面覆盖着薄而透明金属膜的PN结。结。 从图可见，在同一块硅片上制造两个深浅不同的从图可见，在同一块硅片上制造两个深浅不同的PNPN结，其中结，其中PD1为浅结为浅结:对短波长的光响应率高；对短波长的光响应率高；PD2为深结为深结:对波长长的光响应率高对波长长的光

58、响应率高。又称为双结光电二极管。又称为双结光电二极管。 光谱响光谱响应特性应特性深结深结浅结浅结3.5.5.3.5.5.半导体色敏器件半导体色敏器件 半导体色敏器件是根据半导体色敏器件是根据人眼视觉的三色原理人眼视觉的三色原理，利用不利用不同结深的光电二极管同结深的光电二极管对各种波长的光谱响应率不同的现对各种波长的光谱响应率不同的现象制成的。象制成的。1 1半导体色敏器件的工作原理半导体色敏器件的工作原理半导体色敏器件的结构示意图和等效电路。半导体色敏器件的结构示意图和等效电路。 根据双结光电二极管根据双结光电二极管等效电路等效电路，可以设计如下，可以设计如下图所示的图所示的信号处理电路信号

59、处理电路121212120)lg()lg(lgRRIIVRRIIVVscscascsca2 2双结硅色敏器件的检测电路双结硅色敏器件的检测电路 图中图中PD1、PD2为两个深浅不同的硅为两个深浅不同的硅PN结结?最后得到不同颜色的输出电压值：最后得到不同颜色的输出电压值：IoTslg()uUUI R 当用双结光电二极管作颜色测量时，可以测出其当用双结光电二极管作颜色测量时，可以测出其中两个硅光电二极管的短路电流比的对数值中两个硅光电二极管的短路电流比的对数值与入射光波长的关系与入射光波长的关系 SC1sc2IIlg由图可知，由图可知，每一种波长的每一种波长的光都对应于一短路电流比光都对应于一短

60、路电流比值，值，可根据短路电流比值可根据短路电流比值来判别入射光的波长来判别入射光的波长 就可以得到就可以得到输出电压输出电压Vo o与与入射波长之间的关系入射波长之间的关系 只要测出处理电路的输只要测出处理电路的输出电压，就可利用这条曲线出电压，就可利用这条曲线快速地确定出被测光的波长快速地确定出被测光的波长以达到识别颜色的目的。以达到识别颜色的目的。 双结光电二极管只能用双结光电二极管只能用于于确定单色光的波长确定单色光的波长，对于混合色光，它是无对于混合色光，它是无能为力的能为力的121212120)lg()lg(lgRRIIVRRIIVVscscascsca 根据色度学理论，已经研制出