光电技术 第5版 课件 第3章3.2节 其他类型的光生伏特器件

3.2.4光电三极管光电三极管也有两种基本结构，NPN与PNP结构。N型硅为衬底制作的NPN，为3DU型；用P型硅为衬底制作的为PNP结构，为3CU型。图3-12所示为3DU型光电三极管的结构及其符号。

图

(a)为NPN型光电三极管的原理结构图；

图(b)所示为电路符号。

1.工作原理

光电三极管的工作原理分为两个过程：一是光电转换；二是光电流放大。

集电极输出的电流为

光电三极管的电流灵敏度是光电二极管的β倍。相当于将光电二极管与三极管接成如图3-12(c)所示的电路形式，光电二极管的电流Ip被三极管放大β倍。为提高光电三极管的增益，减小体积，常将光电二极管或光电三极管及三极管制作到一个硅片上构成集成光电器件。如图3-13所示为三种形式的集成光电器件。2.光电三极管特性

1）伏安特性

图3-14所示为硅光电三极管在不同光照下的伏安特性曲线。偏置电压为光电三极管的发射结处于正向偏置，而集电结处于反向偏置。随着偏置电压的增高伏安特性曲线趋于平坦。

伏安特性曲线向上偏斜，间距增大。这是因为光电三极管除具有光电灵敏度外，还具有电流增益β，并且，β值随光电流的增大而增大。

2）时间响应（频率特性）

光电三极管的时间响应常与PN结的结构及偏置电路等参数有关。

图3-15（a）所示为光电三极管的输出电路，图3-15（b）为其等效电路。由电流源Ip、基-射结电电阻rbe、电容Cbe和基-集结电容Cbc等构成。

是在光电二极管等效电路基础上增加了电流源Ic和基射结电阻Rce、电容Cce、输出负载电阻RL。适当选择负载电阻，使其满足RL＜Rce，可导出光电三极管电路的输出电压为

光电三极管的时间响应由以下四部分组成：①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；②光生载流子渡越基区所需要的时间；③光生载流子被收集到集电极的时间；④

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；总时间常数为上述四项和。

3）温度特性

硅光电二极管和硅光电三极管的暗电流Id和光电流IL都随温度而变化，考虑硅光电三极管有电流放大功能，故它的暗电流Id和亮电流IL受温度的影响要比后者大得多。图3-17（a）所示为二者暗电流Id与温度的关系曲线，随着温度的升高光电三极管暗电流增长很快；

图3-17（b）为二者亮电流IL与温度的关系曲线。光电三极管亮电流IL随温度的变化比光电二极管亮电流IL随温度的变化要快。

4）光谱响应

硅光电三极管与硅光电二极管具有相同的光谱响应。图3-18所示为典型3DU3的光谱响应特性曲线，它的响应范围为0.4~1.0μm，峰值波长为0.85μm。

短波段的光谱容易被减薄的PN结吸收。因此，可以制造出具有不同光谱响应的光伏器件，例如蓝敏器件和色敏器件等。

蓝敏器件是在牺牲长波段光谱响应为代价获得的（减薄PN结厚度，减少了长波段光子的吸收）。

3.2.5色敏光生伏特器件

色敏光生伏特器件是利用PN结厚度不同对不同波长辐射的吸收差异特性制造出来的光电器件。较薄PN结对蓝光较敏感，较厚PN结对红光敏感，为此，在一个PN结型光电器件上能够制造出响应不同颜色的器件，将其称为色敏光生伏特器件，用于颜色的测量。色敏器件具有结构简单、体积小、重量轻，变换电路容易掌握，成本低等特点。被广泛应用于颜色测量与颜色识别等领域。如彩色印刷生产线中色标位置的判别，颜料、染料的颜色测量与判别，彩色电视机荧光屏彩色的测量与调整等，是一种非常有发展前途的新型半导体光电器件。1．双色硅色敏器件的工作原理双色硅色敏光传感器的结构和等效电路如图3-19所示。在同一硅片上制作两个深浅不同PN结的光电二极管PD1和PD2。双色光电二极管的光谱响应如图3-20所示。用双结光电二极管测量颜色时，通常测量两个光电二极管的短路电流比（ISC2/ISC1）与入射波长的关系（如图3-21所示）。

从关系曲线中不难看出，每一种波长的光都对应于一个短路电流的比值，根据短路电流的比值判别入射光的波长，达到识别颜色的目的。

如图3-22(a)所示的“CIEl931-RGB系统标准色度观察者三刺激值曲线σrgb”。从曲线中看到r、g、b光谱三刺激值有一部分为负值，计算很不方便，又很难理解。因此，1931年CIE制定新的国际通用色度系统，称为“CIEl931-XYZ系统”。它是在CIE1931-RGB系统的基础上改用三个假想的原色x、y、z所建立的新的色度系统。

在系统中也定出了匹配等能量光谱的三刺激值、、，得出了如图3-22(b)所示的“CIEl931标准色度观察者光谱三刺激值曲线”。根据以上理论，对任何一种颜色，都可由颜色的三刺激值X、Y、Z表示，计算公式为XYZ

可以识别混合色光的3色色敏光电器件。图3-23为非晶硅集成色敏器件的结构示意图。

它是在一块非晶硅基片上制作3个检测元件，并分别配上R、G、B滤色片，得到如图3-24所示的近似于1931CE-RGB系统光谱3刺激值曲线，通过R、G、B输出电流的比较，即可识别物体的颜色。

图3-25为一种典型硅集成三色色敏器件的颜色识别电路方框图。

从标准光源光发出的光，经被测物反射，投射到色敏传感器，R、G、B敏感元件输出不同的光电流，经放大器放大、A／D转换后，将变换后的数字信号输入到微处理器中。

测量前调整放大器，使标准光源发出的光，经标准白板反射后，照到色敏器件上时应满足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2、线阵列光伏器件组合件3、楔环阵列组合件3.2.7光电位置敏感器件（PSD）

是基于光伏器件的横向效应的器件，是一种对入射到光敏面上的光电位置敏感的光电器件。

称为光电位置敏感器件，简称为PSD(PositionSensingDetector)器件。PSD器件具有比象限探测器件在光点位置测量方面更多的优点。例如，它对光斑的形状无严格的要求，即它的输出信号与光斑是否聚焦无关；光敏面也无须分割，消除了象限探测器件盲区的影响；它可以连续测量光斑在光电位置敏感器件上的位置，且位置分辨率高，一维的PSD器件的位置分辨可高达0.2μm。但是，它属于模拟型器件，对温度的敏感性较高，对噪声反映强烈，因此其外围电路复杂，应引起足够的重视。I0=I1+I2

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。

1.PSD器件的工作原理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

为了减少测量误差常将二维PSD器件的光敏面进行改进，改进后的PSD光敏面如图3-37所示图形。

四个引出线分别从四个对角线端引出，光敏面的形状好似正方形产生了枕形畸变。这种结构的优点是光斑在边缘的测量误差被大大地减少。

4.PSD的主要特性PSD器件属于特种光伏器件，它的基本特性与一般硅光伏器件基本相同。如光谱响应、时间响应和温度响应等与前面讲述的PN结光伏器件相同。作为位置传感器PSD有其独特特性，即位置检测特性。PSD的位置检测特性近似于线性，图3-39所示为典型一维PSD（S1544）的位置检测误差特性曲线，由曲线可知，越接近中心位置的测量误差越小。因此，利用PSD来检测光斑位置时，尽量使光点靠近器件中心。表3-5所示为几种PSD器件的特性参数，供应用时参考。维数型号封装有效面积（mm）峰值灵敏度(A/W)偏压(V)位置检测误差(μm)位置分辨率(μm)电阻(kΩ)暗电流(nA)结电容(pF)上升时间(μs)最大光电流(μA)一维S1543金属1×3

0.6

20±150.2100164160S1771陶瓷1×3±150.2100164160S15441×6±300.3100212880S15451×12±600.32004251840S15321×33±1257253015051000S166213×13±10061010030081000S2153塑料1×30.55±150.2100164160

二维S1300