光电技术第3章第2节

3.3光生伏特器件的偏置电路（重点掌握）3.3.1反向偏置电路（以光电二极管为例）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围和光电变换的动态范围加宽。

1.反向偏置电路的输出特性在如图3-40所示的反向偏置电路中，

时，流过负载电阻RL的电流IL为2.输出电流、电压与辐射量间的关系反向偏置电路的光电二极管两端的电压与入射辐射量的关系为负载电阻上输出电压变化量△UL为:光电二极管反向偏置电路输出特性曲线MD确定直流负载线光伏探测器光电变换电路的参数计算1反偏下光电二极管的偏置电路分析与计算（缓变光辐射，静态计算）（1）图解法MMMD（2）解析法(了解)折线化伏安特性可用下列参数确定：转折电压U0：对应曲线转折点处的电压值。初始电导G0：对应非线性部分直线的初始斜率。结间漏电导G:是线性工作区间内各平行直线的平均斜率。光电灵敏度：单位输入光照度所引起的光电流值。光伏探测器光电变换电路的参数计算2光生电势型探测电路的静态计算（缓变光辐射）光伏探测器光电变换电路的参数计算（1）无反偏的光电池电路Pm=Im

Um=(0.6~0.7)UocIpS例:光电池在光照度为100lx时,开路电压VOC=180mv,ISC=80µA,求在由50lx增加到200lx时,为保证线性输出所需最佳负载电阻值和输出电压变化量;若加有反偏压Vb=0.3V,允许选用的负载电阻RL=?输出电压△V=?光伏探测器光电变换电路的参数计算*3（了解）反偏下光电二极管的偏置电路分析与计算（交变光辐射关键确定动态工作点）首先要确定在交变信号作用下电路的最佳工作状态。要使在交流光信号作用下，输入到后级放大器的信号电压最大，必须使交流负载线通过拐点M。首先要建立直流工作点以获得最大的功率输出，且输入电路与后续电路通常由阻容连接等方式耦合。后续电路的等效输入阻抗将和输入的直流负载电阻相并联组成交流负载线。*4（了解）光电池交流检测电路例3-1用2CU2D光电二极管探测激光器输出的调制信号φe,λ=20+5sinωt（μW）的辐射通量时，若已知电源电压为15V，2CU2D的光电流灵敏度Si=0.5μA/μW，结电容Cj=3pF，引线分布电容Ci=7pF，试求负载电阻RL=2MΩ时该电路的偏置电阻RB为多少？并计算输出最大电压信号情况下的最高截止频率为多少？解首先找出入射辐射的峰值φm

φm=20+5=25μW再求出2CU2D的最大输出光电流ImIm=Siφm=12.5(μA)设负载电阻输出最大电压信号时的偏置电阻为RB，则RB∥RL=Ubb/Im=1.2MΩ3.光电三极管反向偏置电路的设计与计算于是可以求出偏置电阻为RB值RB=3MΩ此时，最大输出电压时的最高截止频率fb为

反向偏置电路常用图解法，根据光电三极管（或光伏器件）的反向偏置电路图与其输出特性曲线，可以求解出任何入射辐射作用下的输出电压信号。也可以根据题目的要求，设计出偏置电路的各种参数。例3-2已知某光电三极管的伏安特性曲线如图3-42所示。当入射光通量为正弦调制量φv,λ=55+40sinωtlm时，今要得到5V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图，分析输入与输出信号间的相位关系。解:首先根据题目的要求，找到入射光通量的最大值与最小值φmax=55+40=95lmφmin=55－40=15lm在特性曲线中画出光通量的变化波形，补充必要的特性曲线。UbbUce再根据题目对输出信号电压的要求，确定光电三极管集电极电压的变化范围，本题要求输出5V，指的是有效值，集电极电压变化范围应为双峰值。即

根据偏置电路可知，入射为最大时输出电压应最小，但不能进入饱和区。为此，在特性曲线的“拐点”右侧找一点“A”并做垂线交横轴于“C”点，从“C”向右量14V，找“D”点。由“D”做垂线交入射为最小的特性曲线与“B”。通过“A”、“B”做直线，此线即为负载线。由负载线可以得到负载电阻RL和电源电压Ubb。显然，“C”点电压为3.7V，“D”点电压为17.7V。电源电压Ubb近似为19V，取标称电压20V。电源电压Ubb取标称电压20V后可以适当地修正负载线。根据入射光通量正弦变化关系可以在特性曲线的电压坐标轴上画出输出信号的波形如图所示。由输出波形可以看出入射辐射与输出电压信号为反向关系。3.3.2零伏置电路（自偏置电路，负载电阻为零）图中Isc为短路光电流，Ri为光生伏特器件的内阻，集成运算放大器的开环放大倍数Ao很高，使得放大器的等效输入电阻很低，光生伏特器件相当于被短路。即反馈电阻Rf很高，电路的放大倍率和灵敏度都很大。3.2.6光伏器件组合器件光伏器件组合件是在一块硅片上制造出按一定方式排列的具有相同光电特性的光伏器件阵列。它广泛应用于光电跟踪、光电准值、图像识别和光电编码等应用中。用光电组合器件代替由分立光伏器件组成的变换装置，不仅具有光敏点密集量大，结构紧凑，光电特性一致性好，调节方便等优点，而且它独特的结构设计可以完成分立元件无法完成的检测工作。1、象限阵列光伏器件组合件（象限探测器）：准直、定位及跟踪等方面）象限探测器的缺点：1、需要分割，从而产生死区，尤其当光斑很小时，死区的影响更明显。2、若被测光斑全部落入某个象限时，输出的电信号无法表示光斑位置，因此其测量范围及控制范围都不大。3、测量精度与光强变化及漂移密切相关，因此其分辨率及精度受到限制。2、线阵列光伏器件组合件3、楔环阵列组合件（光学功率谱探测）3.2.7光电位置敏感器件（PSD）

(基于光生伏特器件的横向效应器件)PSD是利用离子注入技术制成的一种可确定光的能量中心位置的结型光电器件，有一维的和二维的两种。当入射光是一个小光斑，照射到光敏面时，其输出则与光的能量中心位置有关。这种器件和象限光电器件比较，其特点是，它对光斑的形状无严格要求，光敏面上无象限分隔线，对光斑位置可连续测量。PSD应用于激光束的监控（对准、位移和振动）、平面度检测、二维位置检测系统等。

3.2.7光电位置敏感器件（PSD）1.PSD器件的工作原理当光束入射到PSD器件光敏层上距中心点的距离为xA时，在入射位置上产生与入射辐射成正比的信号电荷，此电荷形成的光电流通过电阻p型层分别由电极1与2输出。设p型层的电阻是均匀的，两电极间的距离为2L，流过两电极的电流分别为I1和I2，则流过n型层上电极的电流I0为I1和I2之和。I0=I1+I2

2.一维PSD器件一维PSD器件主要用来测量光斑在一维方向上的位置或位置移动量的装置。图3-34（a）为典型一维PSD器件S1543的结构示意图，其中1和2为信号电极，3为公共电极。它的光敏面为细长的矩形条。图3-35所示，为一维PSD位置检测电路原理图，光电流I1经反向放大器A1放大后分别送给放大器A3与A4，而光电流I2经反向放大器A2放大后也分别送给放大器A3与A4，放大器A3为加法电路，完成光电流I1与I2相加的运算（放大器A5用来调整运算后信号的相位）；放大器A4用作减法电路，完成光电流I2与I1相减的运算。3.二维PSD器件（单面型和双面型）如图3-36（a）所示，在正方形的PIN硅片的光敏面上设置2对电极，分别标注为Y1，Y2和X3，X4，其公共N极常接电源Ubb。二维PSD器件的等效电路如图3-36（b）所示单面型双面型利用PSD检测光斑位置时，应尽量使光点靠近器件中心。3.4半导体光电器件的特性参数

与选择问题3.4.1半导体光电器件的特性参数比较1、光电变换的线性：按线性由好到坏排列：光电二极管、光电池、光电三极管、复合光电三极管、光敏电阻2、动态范围：线性动态范围，反偏光电二极管线性动态范围最好，其次是光电池、光电三极管，光敏电阻；光敏电阻的非线性动态范围宽。3、灵敏度：光敏电阻的灵敏度最高，其次是雪崩光电二极管、光电三极管，光电二极管的灵敏度最低。4、时间响应：PIN与APD响应时间最快，其次是光电三极管、复合光电三极管和光电池，光敏电阻的时间响应最慢。5、光谱响应：光敏电阻的光谱响应最宽（尤其是红外波段的光敏电阻）。6、供电电源与应用的灵活性光敏电阻无极性，可用于交、直流电源；光电池可不加偏压，但线性差；其它光伏器件要加反偏。7、暗电流与噪声：光电二极管的暗电流最小，光敏电阻及其它光伏器件的暗电流较大。具有高放大倍率的复合光电三极管与面积较大的光电池的噪声最大。

3.4.1半导体光电器件的特性参数比较1、光电器件必须和辐射源及光学系统在光谱上实现匹配。2、光电器件的光电转换特性或动态范围必须与光信号的入射辐射能量相匹配。3、光电器件的时间响应特性必须与光信号的调制形式、信号频率及波形相匹配，以确保变换后的信号不产生由于频率失真引起的输出波形失真。4、光电器件与变换电路必须与应用电路的输入阻抗良好匹配。5、必须注意选择器件的参数和使用环境。3.4.2半导体光电器件的选用原则作业P74:3.83.93.103.11(Uz=1.0v，Ubb=12v)3.183.18、在图3-47所示的光电变换电路中，若已知3DU2的电流灵敏度SI