光电探测技术与应用第4章课后习题与答案

1、写出硅光电二极管的全电流方程，说明备项的物理意义。答：砂光电:极管的全电流方程为式中，为光电材料的光电转换效率， 光电流为为材料对光的吸收系数。74> ='无辐射时的电流为qUl = ID(ekT -1)为昭电流，U为加在光电二极管两端的电压， 为器件的温度，R为玻尔兹曼常熟，q比较2CU型硅光电二极管和2DU型硅光电二极管的结构特点，说明引入环 极的意义。答：2CU型硅光电二极管足采用n醴硅材料作基底，在a区的一面扩散三价元素硼而生成 旅掺杂/熨层，"+空层和n些硅相接触形成pm结，引出电极，在光敏血上涂上SiO,保 护膜。2DU型硅光电二极管是以轻掺杂、高阻值的p型

2、硅材料做基底,在p型妹底上扩散 五价元素磷,形成重掺杂"+型层,p型硅和+型硅接触形成p-ii结，在”+区引出正极,并 涂以透明的SiO,作为保护膜，基底镀银蒸铝后引出负电极.在硅光电:极管的制造过程中, 在光敏面上涂SfO：保护层的过程中，不可避免的会沾汚一空杂质lE离子，通过静电感血引 起农曲漏电流，并加而产生暗电流和散粒噪卅。因此，为了减少由于SiO2 «|少星止离子的 静电感应所产生的衣面漏电流，在氧化层中也扩散-个环形曲结而将受无面包国起來，即 引入环极，以增加高阻区宽度，避免边缘过早击穿。为什么在光照度増大到一定程度后，硅光电池的开路电压不再随入射照度的增大而増

3、 大？硅光电池的最大开路电斥为多少？为什么硅光电池的有载输出电压总小于相同照 度下的开路电压？答：答：当光照强度增人到某个特定值时，硅光电池的p-ii结产生的光生载流子 数达到了垃大值，即岀现饱和，再増大光照强度，英开路电压不再随之增大。硅将/厂法(1-严代入光电池的开路电压表达式为(/w=iiA+1), q Jn的表达式并求关于的一阶导数，令警=°,求得故大开路电压。rhqUqU于输出电压匕=IlRl = lP - ID(e - 1)Rl ,即包含了扩散电流IDe和暗电流的影响，使得硅光电池的仃载输出电压总小于开路电压/疋。4光生伏特器件有儿种偏置电路？各右什么特点？答：光生伏特器

4、件有以下儿种偏置电路：（1）口偏置电路。特点是光生伏特器件在口備置电路中具有输出功率,且当负载电阻为最 （L负载电阻时具有最大输出功率。其缺点在于输出电流或输出电压与入射辐射间的线性关系 很差，在实际测最电路中很少应用。（2）反向偏置电路。光生伏特器件在反向偏置状态，PN结势垒区加宽，有利于光生载流子 的漂移运动，使光生伏特器件的线性范IM和光电变换的动态范I羽加宽，被广泛应用于人范田 的线性光电检测与光电变换中。（3）零伏偏置电路。光生伏特器件在零伏偏程人 输出的短路电流厶。与入射辐射戢成线 性变化关系。因此，零伏偏賈电路是理想的电流放人电路，适合于对微弱辐射信号的检测。5 在室温300K时

5、，已知2CR21型硅光电池（光瓯血枳为5mn】x500mm）在辆 照度为lOOmW/cm1时的开路电压为Uoc = 550mV ,短路电流Isc = 6mA o试求：（1）室温悄况下，辐照度降低到50mW/cnr时的开路电压与短路电流0。（2）当将该硅光电池安装在如图所示的偏置电路屮时，若测得输出电压Uit = IV , 求此时光敏面上的照度。图344习题38图解：（1）曲题惫，在温度为300K条件下，当辐照度d为lOOmW/cm1 W，开路电压= SSOmW ,短路电流Isc = 6mA ,则由（/w=hiA+1）及=/（1-严'）（!）“得，在室温情况下，辎照度为 q IdhuE

6、= 50/77IV /cni2寸rjx 6 = 3mA100而仏二=&严，=3.529 x 10= A = 3.529 x 109小 l，IJ D q%1 CxlOxSSOxlO'5e kTe 138x10x300则A相对于"非常小,0.0261唯所以sJ-0.018V = -18mV（2）由于运放的开环增益A>105,故可将电路视为零伏偏趕电路，则则s =/=紆-”g° 0416 X100 = 0.69/nW/c/n26C知2CR44型硅光电池的光敏面积为1 OmmxlOmm,在室温为300K、辐照 度为OOmW/cm2时的开路电压U= SSOmV

7、,短路电流15C = 28/A 0试求：辐 照度为200mW/cm1时的开路电压几、短路电流匚、获得敲大功率的最佳负载 电阻仏、放人输出功率匕和转换效率m=00mW/cnr 时,解：由题,S：,当 T=300K, EeUx = 550mV Jsc = 2SmA f 则由x28= 56mA10028xl(T'550x1()70 026= 18.244x10" A = 18.244x10 mA-1uMl-ux = 0.018V = 18/?/V所以聞= + 0.018 =568"则当负抵电血为/佳负我电阻时，可取输出电压匕=0.6/ii（1 = 340.8/wV 而此时

8、的输出电流近似等于光电流，即/, = 1枇=56mA则获得加大功率的放佳负栽电阻& = = =6.080I. 56绘大输出功率 Pm = Um x lm = 340.8x56x10 = 19.08ml¥转换效率z片舟=19.08200x1= 9.54%C知光电三极管变换电路及其伏安特性曲线如性3J5所示。若光皱而上的照 度变化e = 120+80siiiH7(/.r),为使光电三极管的集电极输岀电压为不小于4V的 止弦信号，求所需要的负载电阻/?八电源电luhb及该电路的电流、电斥灵敏度， 并画出二极管输出电压的波形C05200 lx一 160 lx 120 lx80 lx4

9、0 lxOlx101520WV图3 45习题3.1U图解：参児教材习题P77例42 利用2CU22光电二极管和3DG40三极管构成如图346所示的探测电路。L* 知光电二极管的电流灵敏度S, = 0.4/iA/iV ,其暗电流7d= 0.2/zA,三极管 3DG40的电流放大倍数0=50,故髙入射辐射功率为400/zW时的拐点电丿七 Uz=.0Vo求入射辐射功率皿人时，电阻心的值与输出信号匕的幅值。入射辐 射变化50/W时的输出电压变换量为多少？I %V&2CU23DG40pc图346习题311图解：由题意，当故髙入射辐射功率为 400uW甘，拐点电压为1.0V,则rtl1"

10、=»禺得=400x0.4=160z/A , = -=160-0.2=159.8山/严 + 阴人=51 x 159.8/A = S.lSinA又S 二几-U2-1-0.7=103则 R =士 = = 1.264KG = 1260Q° l( 8.15± / = x E甘,贝ij / = 0.4 x 50 20uA从而仃=(1 + 0)2 = 51 x 20 = 1020/M = 1.02/nA所以有输出电压的变化星为 Uo = Me x R = 1.02x 1260 = 1.285V何谓PSD器件？ PSD器件仃儿种卑本类型？你能设计出用1维PSD来探测光 点在被测体上的位置吗？答：PSD即光电位用敏感器件，是肚于光生伏特器件的横向效应的器件，是一种对入射到光敏而上的光电位克敏感的光电器件。它仃三种甚本类型，即一维 PSD器件和二维PSD器件。用一维PSD來探测光点在被测体卜.的位宙，貝:原理图如F 图所示oi图3-33 PSD器件结构示意图被测光斑在光敏面上的位置由下式计算,即为什么越远离PSD儿何中心位趕的光点，实位直检测