第三章 光電檢測(cè)

1、第三章第三章 半導(dǎo)體光電檢測(cè)器件及應(yīng)用半導(dǎo)體光電檢測(cè)器件及應(yīng)用第三章第三章 半導(dǎo)體光電檢測(cè)器件及應(yīng)用半導(dǎo)體光電檢測(cè)器件及應(yīng)用 光敏電阻光敏電阻 光生伏特器件光生伏特器件-光電池光電池 光電二極管與光電三極管光電二極管與光電三極管 光熱輻射檢測(cè)器件光熱輻射檢測(cè)器件 各種光電檢測(cè)器件的性能比較各種光電檢測(cè)器件的性能比較3光電器件的分類(lèi) 一、按工作波段分一、按工作波段分 紫外光探測(cè)器紫外光探測(cè)器 可見(jiàn)光探測(cè)器可見(jiàn)光探測(cè)器 紅外光探測(cè)器紅外光探測(cè)器 二、按應(yīng)用分二、按應(yīng)用分 換能器換能器 將光信息（光能）轉(zhuǎn)換成電信息（電能）將光信息（光能）轉(zhuǎn)換成電信息（電能） 非成像型非成像型 光信息轉(zhuǎn)換成電信息光信

2、息轉(zhuǎn)換成電信息 探測(cè)器探測(cè)器 變像管變像管 成像型成像型 像增強(qiáng)器像增強(qiáng)器 攝像管攝像管 真空攝像管真空攝像管 固體成像器件固體成像器件CCD光電檢測(cè)器件光子器件熱電器件真空器件固體器件光電管光電倍增管真空攝像管變像管像增強(qiáng)管光敏電阻光電池光電二極管光電三極管光纖傳感器電荷耦合器件CCD熱電偶/熱電堆熱輻射計(jì)/熱敏電阻熱釋電探測(cè)器3-1 3-1 光敏電阻光敏電阻 在光的照射下材料的電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象稱(chēng)為內(nèi)光電效應(yīng)。半導(dǎo)體材料受到光照時(shí)會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，使其導(dǎo)電性能增強(qiáng)，光線愈強(qiáng)，阻值愈低，這種光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象，也稱(chēng)為光電導(dǎo)效應(yīng)。基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。6一、光敏電阻的工

3、作原理及結(jié)構(gòu)一、光敏電阻的工作原理及結(jié)構(gòu)光敏電阻符號(hào)IpIp金屬金屬電極電極光電導(dǎo)材料光電導(dǎo)材料入射光入射光Ubb當(dāng)入射光子使半導(dǎo)體物質(zhì)中的電子由當(dāng)入射光子使半導(dǎo)體物質(zhì)中的電子由價(jià)帶躍升到導(dǎo)帶時(shí)，導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶躍升到導(dǎo)帶時(shí)，導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴均參與導(dǎo)電，因此電阻價(jià)帶中的空穴均參與導(dǎo)電，因此電阻顯著減小，電導(dǎo)增加，或連接電源和顯著減小，電導(dǎo)增加，或連接電源和負(fù)載電阻，可輸出電信號(hào)，此時(shí)可得負(fù)載電阻，可輸出電信號(hào)，此時(shí)可得出光電導(dǎo)出光電導(dǎo)g與光電流與光電流I光光的表達(dá)式為的表達(dá)式為：g=gL-gdI光=IL-Id光敏電阻光敏電阻7光敏電阻阻值對(duì)光照特別敏感，是一種典型的利用光電導(dǎo)效應(yīng)制

4、成的光電探測(cè)器件。光敏電阻按半導(dǎo)體材料的不同可分為本征型和雜質(zhì)型兩種，本征型半導(dǎo)體光敏電阻常 用于可見(jiàn)光長(zhǎng)波段檢測(cè)，雜質(zhì)型常用于紅外波段至遠(yuǎn)紅外波段光輻射的檢測(cè)。對(duì)于本征型，可用來(lái)檢測(cè)可見(jiàn)光和近紅外輻射對(duì)于非本征型可以檢測(cè)波長(zhǎng)很長(zhǎng)的輻射光敏電阻光敏電阻8光敏電阻設(shè)計(jì)的基本原則光敏電阻設(shè)計(jì)的基本原則：光敏電阻在弱光輻射下光光敏電阻在弱光輻射下光電導(dǎo)靈敏度電導(dǎo)靈敏度Sg與光敏電阻兩電極間距離與光敏電阻兩電極間距離l的平方成反比的平方成反比 ，在強(qiáng)輻射作用下在強(qiáng)輻射作用下Sg與與l的二分之三次方成反比，的二分之三次方成反比，因此在設(shè)計(jì)因此在設(shè)計(jì)光敏電阻時(shí)，盡可能地縮短光敏電阻兩極間距離光敏電阻時(shí)，盡

5、可能地縮短光敏電阻兩極間距離。光敏電阻的基本結(jié)構(gòu)光敏電阻的基本結(jié)構(gòu)Ipl金屬電金屬電極極光電導(dǎo)材料光電導(dǎo)材料入射光入射光Ubb減小距離減小距離l，提高提高靈敏度靈敏度光敏電阻光敏電阻9光敏電阻光敏電阻10組成：它由一塊涂在絕緣基底上的組成：它由一塊涂在絕緣基底上的光電導(dǎo)材料薄膜和兩端接有兩個(gè)引光電導(dǎo)材料薄膜和兩端接有兩個(gè)引線，封裝在帶有窗口的金屬或塑料線，封裝在帶有窗口的金屬或塑料外殼內(nèi)。電極和光電導(dǎo)體之間呈歐外殼內(nèi)。電極和光電導(dǎo)體之間呈歐姆接觸。姆接觸。光敏電阻在電路中的符號(hào)光敏電阻在電路中的符號(hào)光敏電阻的基本結(jié)構(gòu)光敏電阻的基本結(jié)構(gòu)光敏電阻光敏電阻11梳狀式梳狀式 玻璃基底上蒸鍍梳狀金屬膜而

6、制成；或在玻璃玻璃基底上蒸鍍梳狀金屬膜而制成；或在玻璃基底上面蝕刻成互相交叉的梳狀槽，在槽內(nèi)填入基底上面蝕刻成互相交叉的梳狀槽，在槽內(nèi)填入黃金黃金或或石墨石墨等導(dǎo)電物質(zhì)，在表面再敷上一層光敏等導(dǎo)電物質(zhì)，在表面再敷上一層光敏材料。如圖所示。材料。如圖所示。絕緣基底絕緣基底光電導(dǎo)體膜光電導(dǎo)體膜光敏電阻光敏電阻12刻線式刻線式在玻璃基片上鍍制一層薄的金屬箔，將其刻劃成柵在玻璃基片上鍍制一層薄的金屬箔，將其刻劃成柵狀槽，然后在槽內(nèi)填入光敏電阻材料層后制成。其狀槽，然后在槽內(nèi)填入光敏電阻材料層后制成。其結(jié)構(gòu)如下圖所示。結(jié)構(gòu)如下圖所示。涂膜式涂膜式在玻璃基片上直接涂上光敏材料膜后而制成。其結(jié)在玻璃基片上直

7、接涂上光敏材料膜后而制成。其結(jié)構(gòu)下圖。構(gòu)下圖。光敏電阻光敏電阻13二、光敏電阻的特性參數(shù)二、光敏電阻的特性參數(shù)1 1、光電特性、光電特性對(duì)CdS光電導(dǎo)體，弱光照射下=1，強(qiáng)光下=0.5；為什么？ 光照增強(qiáng)的同時(shí)，載流子濃度不斷的增加，同時(shí)光敏電阻的溫度光照增強(qiáng)的同時(shí)，載流子濃度不斷的增加，同時(shí)光敏電阻的溫度也在升高，從而導(dǎo)致載流子運(yùn)動(dòng)加劇，因此復(fù)合幾率也增大，光電也在升高，從而導(dǎo)致載流子運(yùn)動(dòng)加劇，因此復(fù)合幾率也增大，光電流呈飽和趨勢(shì)。（冷卻可以改善）流呈飽和趨勢(shì)。（冷卻可以改善）光敏電阻的光電特性是指在一定電壓作用下流過(guò)光敏電阻的電流與作用到光敏電阻上的光通量（光照度）的關(guān)系。OI光ECdS的

8、光電特性光敏電阻光敏電阻142 2、伏安特性（輸出特性）、伏安特性（輸出特性）在一定的光照下，光電流在一定的光照下，光電流 I光光與所加電壓與所加電壓的關(guān)系的關(guān)系50100510)(VV0ELx10Lx100Lx1000)(mAI0允許功耗限一定的光照下，一定的光照下，光光與電壓與電壓的關(guān)系的關(guān)系; 相同的電壓下，相同的電壓下，光光與光照與光照的關(guān)系的關(guān)系光敏電阻光敏電阻15 說(shuō)明：說(shuō)明：（1) 光敏電阻為純電阻，符合歐姆定律，對(duì)多數(shù)半導(dǎo)體，當(dāng)光敏電阻為純電阻，符合歐姆定律，對(duì)多數(shù)半導(dǎo)體，當(dāng) 電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)超過(guò)104伏特伏特/厘米厘米 （強(qiáng)光時(shí)），（強(qiáng)光時(shí)），不遵守歐姆不遵守歐姆 定律定

9、律。硫化鎘例外，其伏安特性在硫化鎘例外，其伏安特性在100多伏多伏/厘米就不成線性了。厘米就不成線性了。（2）光照使光敏電阻發(fā)熱，使得在額定功耗內(nèi)工作，其最）光照使光敏電阻發(fā)熱，使得在額定功耗內(nèi)工作，其最高使用電壓由其耗散功率所決定，而功耗功率又和其高使用電壓由其耗散功率所決定，而功耗功率又和其面積面積大小、大小、散熱散熱情況有關(guān)。情況有關(guān)。（3）伏安特性曲線和負(fù)載線的交點(diǎn)即為光敏電阻的工作點(diǎn)。）伏安特性曲線和負(fù)載線的交點(diǎn)即為光敏電阻的工作點(diǎn)。 光敏電阻光敏電阻16光敏電阻為多數(shù)載流子導(dǎo)電的光電器件，具有復(fù)雜光敏電阻為多數(shù)載流子導(dǎo)電的光電器件，具有復(fù)雜的溫度特性。不同材料的光敏電阻溫度特性不同

10、。的溫度特性。不同材料的光敏電阻溫度特性不同。溫度升高可以導(dǎo)致材料光電導(dǎo)率的下降。溫度升高可以導(dǎo)致材料光電導(dǎo)率的下降。實(shí)際中往往采用控制光敏電阻工作的溫度的辦法提高工作穩(wěn)定性。實(shí)際中往往采用控制光敏電阻工作的溫度的辦法提高工作穩(wěn)定性。CdS和和CdSe光敏電阻不同光敏電阻不同照度下的溫度特性曲線照度下的溫度特性曲線20406080100T501001502000I光電流隨溫度的變化光電流隨溫度的變化3 3、溫度特性、溫度特性光敏電阻光敏電阻174 4、前歷效應(yīng)、前歷效應(yīng)指光敏電阻的時(shí)間特性與工作前指光敏電阻的時(shí)間特性與工作前“歷史歷史”有關(guān)的一種現(xiàn)象。即有關(guān)的一種現(xiàn)象。即測(cè)試前光敏電阻所處狀態(tài)

11、對(duì)光敏電阻特性的影響。測(cè)試前光敏電阻所處狀態(tài)對(duì)光敏電阻特性的影響。 暗態(tài)前歷效應(yīng)：暗態(tài)前歷效應(yīng)：指光敏電阻測(cè)試或工作前處于暗態(tài)，當(dāng)它突然指光敏電阻測(cè)試或工作前處于暗態(tài)，當(dāng)它突然受到光照后光電流上升的快慢程度。一般地，受到光照后光電流上升的快慢程度。一般地，工作電壓工作電壓越低，越低，光照度光照度越低，則暗態(tài)前歷效應(yīng)就越重，光電流上升越慢。越低，則暗態(tài)前歷效應(yīng)就越重，光電流上升越慢。 1-黑暗放置黑暗放置3分鐘后分鐘后 2-黑暗放置黑暗放置60分鐘后分鐘后 3-黑暗放置黑暗放置24小時(shí)后小時(shí)后光敏電阻光敏電阻18 亮態(tài)前歷效應(yīng)亮態(tài)前歷效應(yīng)：光敏電阻測(cè)試或工作前已處于亮態(tài)，當(dāng)照：光敏電阻測(cè)試或工作

12、前已處于亮態(tài)，當(dāng)照度與工作時(shí)所要達(dá)到的照度不同時(shí)，所出現(xiàn)的一種滯后現(xiàn)象。度與工作時(shí)所要達(dá)到的照度不同時(shí)，所出現(xiàn)的一種滯后現(xiàn)象。光敏電阻光敏電阻195 5、頻率特性、頻率特性光敏電阻的時(shí)間常數(shù)較大，所以其上限頻率光敏電阻的時(shí)間常數(shù)較大，所以其上限頻率f f上低，只有上低，只有PbSPbS光敏電阻的工作頻率特性達(dá)到幾千赫茲。光敏電阻的工作頻率特性達(dá)到幾千赫茲。同時(shí)，時(shí)間特性與輸入光的照度、同時(shí)，時(shí)間特性與輸入光的照度、工作溫度有明顯的依賴(lài)關(guān)系。工作溫度有明顯的依賴(lài)關(guān)系。4123O1f/Hz相對(duì)輸出相對(duì)輸出0.41051010.20.60.81021031041-Se；2-CdS；3-TiS；4-P

13、bS光照度光照度E (lx)光敏電阻光敏電阻tr0.111.4 s1066 mS1006 mS光敏電阻光敏電阻206 6、時(shí)間響應(yīng)、時(shí)間響應(yīng)光敏電阻的時(shí)間常數(shù)較大，慣光敏電阻的時(shí)間常數(shù)較大，慣性大，時(shí)間響應(yīng)比其它光電器性大，時(shí)間響應(yīng)比其它光電器件差。頻率響應(yīng)低。件差。頻率響應(yīng)低。時(shí)間特性與時(shí)間特性與光照度光照度、工作溫度工作溫度有明顯的依賴(lài)關(guān)系。有明顯的依賴(lài)關(guān)系。ErftOi(%)tO1006337rf矩形光矩形光脈沖脈沖10lx100lx光敏電阻光敏電阻217 7、光譜特性、光譜特性相對(duì)靈敏度與波長(zhǎng)的關(guān)系相對(duì)靈敏度與波長(zhǎng)的關(guān)系 光譜特性曲線覆蓋了整個(gè)可見(jiàn)光區(qū)，峰值波長(zhǎng)在光譜特性曲線覆蓋了整個(gè)

14、可見(jiàn)光區(qū)，峰值波長(zhǎng)在515600nm之之間。尤其硫化鎘（間。尤其硫化鎘（2）的峰值波長(zhǎng)與人眼的很敏感的峰值波長(zhǎng)（）的峰值波長(zhǎng)與人眼的很敏感的峰值波長(zhǎng)（555 nm）是很接近的，因此可用于與人眼有關(guān)的儀器）是很接近的，因此可用于與人眼有關(guān)的儀器,例如例如照相機(jī)照相機(jī)、照度計(jì)照度計(jì)、光度計(jì)光度計(jì)等。等。 。可見(jiàn)光區(qū)光敏電阻的光譜特性可見(jiàn)光區(qū)光敏電阻的光譜特性光敏電阻光敏電阻22紅外區(qū)光敏電阻的光譜特性紅外區(qū)光敏電阻的光譜特性注明：此特性與所用材料的光譜響應(yīng)、制造工藝、摻雜濃注明：此特性與所用材料的光譜響應(yīng)、制造工藝、摻雜濃度和使用的環(huán)境溫度有關(guān)。度和使用的環(huán)境溫度有關(guān)。光敏電阻光敏電阻23四、光敏

15、電阻的特點(diǎn)及應(yīng)用四、光敏電阻的特點(diǎn)及應(yīng)用1、優(yōu)點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)2、不足、不足 強(qiáng)光下光電轉(zhuǎn)換線性差強(qiáng)光下光電轉(zhuǎn)換線性差 光電導(dǎo)弛豫時(shí)間長(zhǎng)光電導(dǎo)弛豫時(shí)間長(zhǎng) 受溫度影響大受溫度影響大 由伏安特性知，設(shè)計(jì)負(fù)載時(shí)，應(yīng)考慮額定功耗由伏安特性知，設(shè)計(jì)負(fù)載時(shí)，應(yīng)考慮額定功耗 進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮光敏電阻的前歷效應(yīng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮光敏電阻的前歷效應(yīng) 靈敏度高，光電導(dǎo)增益大于靈敏度高，光電導(dǎo)增益大于1，工作電流大，無(wú)極性之分；，工作電流大，無(wú)極性之分； 光譜響應(yīng)范圍寬，尤其對(duì)紅外有較高的靈敏度；光譜響應(yīng)范圍寬，尤其對(duì)紅外有較高的靈敏度； 所測(cè)光強(qiáng)范圍寬，可測(cè)強(qiáng)光、弱光；所測(cè)光強(qiáng)范圍寬，可測(cè)強(qiáng)光、弱光；光敏電阻光

16、敏電阻24作用與應(yīng)用作用與應(yīng)用：廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)控制電路（如自動(dòng)照明廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)控制電路（如自動(dòng)照明燈控制電路、自動(dòng)報(bào)警電路等）、家用電器（如電視機(jī)中的燈控制電路、自動(dòng)報(bào)警電路等）、家用電器（如電視機(jī)中的亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)，照相機(jī)的自動(dòng)曝光控制等）及各種測(cè)量?jī)x器亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)，照相機(jī)的自動(dòng)曝光控制等）及各種測(cè)量?jī)x器中。中。光敏電阻器種類(lèi)：光敏電阻器種類(lèi)： 1）按制作材料分類(lèi)：多晶和單晶光敏電阻器，還可分為）按制作材料分類(lèi)：多晶和單晶光敏電阻器，還可分為硫化硫化鎘鎘（CdS）、）、硒化鎘硒化鎘(CdSe) 、硫化鉛硫化鉛(PbS)、硒化鉛硒化鉛(PbSe)、銻銻化銦化銦(InSb) 光敏電阻器等

17、。光敏電阻器等。2）按光譜特性分類(lèi)：）按光譜特性分類(lèi)： 可見(jiàn)光光敏電阻器可見(jiàn)光光敏電阻器：主要用于各種光電自動(dòng)控制系統(tǒng)、電子：主要用于各種光電自動(dòng)控制系統(tǒng)、電子照相機(jī)、光報(bào)警等地。照相機(jī)、光報(bào)警等地。 紫外光光敏電阻器紫外光光敏電阻器：主要用于紫外線探測(cè)儀器。：主要用于紫外線探測(cè)儀器。 紅外光光敏電阻器紅外光光敏電阻器：主要用于天文、軍事等領(lǐng)域的有關(guān)自動(dòng)：主要用于天文、軍事等領(lǐng)域的有關(guān)自動(dòng)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)。光敏電阻光敏電阻25光敏電阻器的主要參數(shù)光敏電阻器的主要參數(shù)1）亮電阻（亮電阻（k）：指光敏電阻器受到光照射時(shí)的電阻值。：指光敏電阻器受到光照射時(shí)的電阻值。2）暗電阻暗電阻(M)：指光敏電

18、阻器在無(wú)光照射（黑暗環(huán)境）時(shí)：指光敏電阻器在無(wú)光照射（黑暗環(huán)境）時(shí)的電阻值。的電阻值。3）最高工作電壓最高工作電壓(V)：指光敏電阻器在額定功率下所允許承：指光敏電阻器在額定功率下所允許承受的最高電壓受的最高電壓4）亮電流亮電流：指光敏電阻器在規(guī)定的外加電壓下受到光照射時(shí)：指光敏電阻器在規(guī)定的外加電壓下受到光照射時(shí)所通過(guò)的電流。所通過(guò)的電流。5）暗電流暗電流(mA)：指在無(wú)光照射時(shí)，光敏電阻器在規(guī)定的外：指在無(wú)光照射時(shí)，光敏電阻器在規(guī)定的外加電壓下通過(guò)的電流。加電壓下通過(guò)的電流。6）時(shí)間常數(shù)（時(shí)間常數(shù)（s）：指光敏電阻器從光照躍變開(kāi)始到穩(wěn)定亮：指光敏電阻器從光照躍變開(kāi)始到穩(wěn)定亮電流的電流的63

19、時(shí)所需的時(shí)間。時(shí)所需的時(shí)間。7）電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)：指光敏電阻器在環(huán)境溫度改變：指光敏電阻器在環(huán)境溫度改變1時(shí)，其時(shí)，其電阻值的相對(duì)變化。電阻值的相對(duì)變化。8）靈敏度靈敏度：指光敏電阻器在有光照射和無(wú)光照射時(shí)電阻值的：指光敏電阻器在有光照射和無(wú)光照射時(shí)電阻值的相對(duì)變化。相對(duì)變化。光敏電阻光敏電阻26光敏電阻使用的注意事項(xiàng)光敏電阻使用的注意事項(xiàng)測(cè)光的測(cè)光的光源光譜特性光源光譜特性與與光敏電阻的光敏特性光敏電阻的光敏特性相匹配。相匹配。要防止光敏電阻受要防止光敏電阻受雜散光雜散光的影響。的影響。要防止使光敏電阻的電參數(shù)要防止使光敏電阻的電參數(shù)(電壓電壓,功耗功耗)超過(guò)允許值。超過(guò)允許值。根據(jù)

20、不同用途，選用不同特性的光敏電阻。根據(jù)不同用途，選用不同特性的光敏電阻。數(shù)字信息傳輸數(shù)字信息傳輸:亮電阻與暗電阻差別大，光照指數(shù)亮電阻與暗電阻差別大，光照指數(shù)大的大的 光敏電阻光敏電阻。模擬信息傳輸模擬信息傳輸:則以選用則以選用值小、線性特性好的光敏電阻。值小、線性特性好的光敏電阻。光敏電阻光敏電阻27如圖所示為光敏電阻自動(dòng)計(jì)數(shù)器的示意圖，其中如圖所示為光敏電阻自動(dòng)計(jì)數(shù)器的示意圖，其中A為發(fā)光儀器，為發(fā)光儀器，B為水為水平傳送帶，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)做勻速直線運(yùn)動(dòng)。平傳送帶，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)做勻速直線運(yùn)動(dòng)。R1為光敏電阻，為光敏電阻，R2為定值為定值電阻，電阻，R1、R2串聯(lián)在電路中，電源電壓保持不變每當(dāng)

21、傳送帶上有易串聯(lián)在電路中，電源電壓保持不變每當(dāng)傳送帶上有易拉罐擋住由拉罐擋住由A射向射向R1的光線時(shí)，的光線時(shí)，R1的電阻值就增大，計(jì)數(shù)器就計(jì)數(shù)一的電阻值就增大，計(jì)數(shù)器就計(jì)數(shù)一次。則：（次。則：（1）當(dāng)傳送帶上有易拉罐擋住由）當(dāng)傳送帶上有易拉罐擋住由A射向射向R1的光線時(shí)，定值電的光線時(shí)，定值電阻阻R2兩端的電壓將兩端的電壓將_。（填。（填“變大變大”、“變小變小”或或“不變不變”）（2）已知相鄰的兩個(gè)易拉罐中心之）已知相鄰的兩個(gè)易拉罐中心之間的距離均為間的距離均為20cm，若計(jì)數(shù)器從易拉，若計(jì)數(shù)器從易拉罐第一次擋住光線開(kāi)始計(jì)時(shí)，到恰好罐第一次擋住光線開(kāi)始計(jì)時(shí)，到恰好計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)101次共用時(shí)間次

22、共用時(shí)間40s，則傳送帶的，則傳送帶的速度為多少速度為多少m/s？光敏電阻光敏電阻28答案：答案：（1）由題意可知，當(dāng)傳送帶上有易拉罐擋住由）由題意可知，當(dāng)傳送帶上有易拉罐擋住由A射向射向R1的光的光線時(shí)，線時(shí)，R1的電阻值就增大，由于的電阻值就增大，由于R1、R2是串聯(lián)在電路中的，是串聯(lián)在電路中的，當(dāng)當(dāng)R1電阻值增大，電阻值增大，R1分得的電壓就增大，分得的電壓就增大，R2兩端的電壓將變兩端的電壓將變?。恍?；（2）由）由vs/t(101-1)0.2m/40s0.5m/s。光敏電阻光敏電阻29光敏電阻適于作為光敏電阻適于作為 ( )( ) A、光的測(cè)量元件、光的測(cè)量元件B、光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)元件、光電

23、導(dǎo)開(kāi)關(guān)元件C、加熱元件、加熱元件D、發(fā)光元件、發(fā)光元件B光敏電阻的性能好、靈敏度高，是指給定電壓下光敏電阻的性能好、靈敏度高，是指給定電壓下( ) ( ) A、暗電阻大、暗電阻大B、亮電阻大、亮電阻大C、暗電阻與亮電阻差值大、暗電阻與亮電阻差值大D、暗電阻與亮電阻差值小、暗電阻與亮電阻差值小C光敏電阻光敏電阻3-2 3-2 光生伏特器件光生伏特器件光生伏特器件光生伏特器件:利用半導(dǎo)體利用半導(dǎo)體PNPN結(jié)光生伏特效應(yīng)制成的器件，也結(jié)光生伏特效應(yīng)制成的器件，也稱(chēng)結(jié)型光電器件。稱(chēng)結(jié)型光電器件。光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)是光生伏特效應(yīng)是是光生伏特效應(yīng)是少數(shù)載流子少數(shù)載流子導(dǎo)電的光電效應(yīng)，導(dǎo)電的光電效應(yīng)，

24、在性能上與光敏電阻有很大差異。在性能上與光敏電阻有很大差異。光生伏特器件特點(diǎn)光生伏特器件特點(diǎn)：暗電流小、噪聲低、響應(yīng)速度快、：暗電流小、噪聲低、響應(yīng)速度快、 光電特光電特性的線性好、受溫度的影響小等。性的線性好、受溫度的影響小等。光生伏特器件的種類(lèi)光生伏特器件的種類(lèi):硅光電池、光電二極管、硅光電池、光電二極管、PIN型光電二型光電二極管、極管、 雪崩光電二極管、光電三極管雪崩光電二極管、光電三極管具有光生伏特效應(yīng)的半導(dǎo)體材料有很多，例如硅具有光生伏特效應(yīng)的半導(dǎo)體材料有很多，例如硅(Si)(Si)、鍺、鍺(Ge)(Ge)、硒硒(Se)(Se)、砷化鎵、砷化鎵(GaAs)(GaAs)等。其中硅器件

25、具有制造工藝簡(jiǎn)單、成等。其中硅器件具有制造工藝簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)成為目前應(yīng)用最廣泛的光生伏特器件。本低等特點(diǎn)成為目前應(yīng)用最廣泛的光生伏特器件。 31結(jié)型光電器件與光電導(dǎo)器件的區(qū)別：結(jié)型光電器件與光電導(dǎo)器件的區(qū)別：（1 1）產(chǎn)生光電變換的部位不同）產(chǎn)生光電變換的部位不同（2 2）光敏電阻無(wú)極性，結(jié)型光電器件有確定的正負(fù)極。）光敏電阻無(wú)極性，結(jié)型光電器件有確定的正負(fù)極。（3 3）光敏電阻馳豫時(shí)間較大，結(jié)型器件馳豫時(shí)間相應(yīng)）光敏電阻馳豫時(shí)間較大，結(jié)型器件馳豫時(shí)間相應(yīng)較小，因此響應(yīng)速度較快較小，因此響應(yīng)速度較快（4 4）有些結(jié)型光電器件靈敏較高，可以通過(guò)較大的電）有些結(jié)型光電器件靈敏較高，可以通過(guò)較大

26、的電流流32一、光生伏特器件的基本工作原理一、光生伏特器件的基本工作原理1、 PN結(jié)電流方程結(jié)電流方程1)1)、在、在熱平衡條件熱平衡條件下，由于下，由于PNPN結(jié)中結(jié)中漂移電流漂移電流等于等于擴(kuò)散電流擴(kuò)散電流，凈電流為零凈電流為零。2) 2) 、有外加電壓有外加電壓時(shí)結(jié)內(nèi)平衡被破壞，這時(shí)流過(guò)時(shí)結(jié)內(nèi)平衡被破壞，這時(shí)流過(guò)PNPN結(jié)的結(jié)的電流方為：電流方為：qUKTDDII eI擴(kuò)散電子擴(kuò)散電子N型區(qū)型區(qū)P型區(qū)型區(qū)耗盡區(qū)耗盡區(qū)PN結(jié)結(jié)勢(shì)壘（電場(chǎng)勢(shì)壘（電場(chǎng)）LRIU33qUKTDDII eI 代表代表正向電流正向電流，方向從，方向從P P端經(jīng)過(guò)端經(jīng)過(guò)PNPN結(jié)指向結(jié)指向N N端，它與端，它與外電壓有

27、關(guān)，外電壓有關(guān)， 時(shí)它將迅速增大；時(shí)它將迅速增大； 時(shí)等于零，即平衡時(shí)等于零，即平衡狀態(tài)，狀態(tài)， 時(shí)它趨向于零。時(shí)它趨向于零。qUKTDI e0U 0U 0U 第二項(xiàng)第二項(xiàng) 代表代表反向飽和電流反向飽和電流，它的方向與正向電流方向相反，它的方向與正向電流方向相反，它隨反向偏壓的增大而增大，漸漸趨向飽和值，故稱(chēng)反向飽它隨反向偏壓的增大而增大，漸漸趨向飽和值，故稱(chēng)反向飽和電流，也是溫度的函數(shù)，即隨溫度升高有所增大。和電流，也是溫度的函數(shù)，即隨溫度升高有所增大。DILRIU343)、在在光照條件光照條件下，形成的光生電流下，形成的光生電流Ip ,它與光照有關(guān)，其方它與光照有關(guān)，其方向與向與PNPN結(jié)

28、反向飽和電流相同。結(jié)反向飽和電流相同。(1)qUKTLpDpIIIIeI此時(shí)，流過(guò)此時(shí)，流過(guò)PN結(jié)的電流方程為：結(jié)的電流方程為：35這時(shí)這時(shí)PN結(jié)光電器件的短路電流結(jié)光電器件的短路電流ISC 與照度或光通量成正比，從與照度或光通量成正比，從而得到最大線性區(qū)，這在線性測(cè)量中被廣泛應(yīng)用。而得到最大線性區(qū)，這在線性測(cè)量中被廣泛應(yīng)用。scpIIISE 當(dāng)負(fù)載電阻短路，當(dāng)負(fù)載電阻短路，RL=0， U=0 ，流過(guò)器件的電流叫短路，流過(guò)器件的電流叫短路電流，用電流，用I ISCSC表示表示。(1)qUKTLpDpIIIIeI當(dāng)負(fù)載電阻斷開(kāi)（當(dāng)負(fù)載電阻斷開(kāi)（IL=0）時(shí)，）時(shí)，P端對(duì)端對(duì)N端的電壓稱(chēng)為端的電壓

29、稱(chēng)為開(kāi)路電開(kāi)路電壓壓，用，用UOC表示表示 OCln(1)pDIKTUqI光照條件下，流過(guò)光照條件下，流過(guò)PN結(jié)的電流方程：結(jié)的電流方程：36如果工作在如果工作在零偏置的開(kāi)路零偏置的開(kāi)路狀態(tài)，狀態(tài)，PNPN結(jié)光電器件產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)，這結(jié)光電器件產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)，這種工作原理稱(chēng)種工作原理稱(chēng)光伏工作模式光伏工作模式。2、PN結(jié)兩種工作模式結(jié)兩種工作模式如果工作在如果工作在反偏置反偏置狀態(tài)，無(wú)光照時(shí)電阻很大，電流很??；有光照時(shí)，狀態(tài)，無(wú)光照時(shí)電阻很大，電流很?。挥泄庹諘r(shí)，電阻變小，電流就變大，而且流過(guò)它的光電流隨照度變化而變化，電阻變小，電流就變大，而且流過(guò)它的光電流隨照度變化而變化，這種工作原理

30、稱(chēng)這種工作原理稱(chēng)光電導(dǎo)工作模式光電導(dǎo)工作模式。光電池光電池光電二極管光電二極管普通二極管普通二極管37二、硅光電池二、硅光電池光電池是一種不需加偏壓就能把光能光電池是一種不需加偏壓就能把光能直接轉(zhuǎn)換成電能的直接轉(zhuǎn)換成電能的PNPN結(jié)光電器件。結(jié)光電器件。按光電池的用途可分為兩類(lèi)：按光電池的用途可分為兩類(lèi)：p太陽(yáng)能光電池太陽(yáng)能光電池p測(cè)量光電池測(cè)量光電池光電池的基本結(jié)構(gòu)就是一個(gè)光電池的基本結(jié)構(gòu)就是一個(gè)PNPN結(jié)，根據(jù)制作結(jié)，根據(jù)制作PNPN結(jié)的材料不同，結(jié)的材料不同，目前有目前有硒光電池硒光電池、硅光電池硅光電池、砷化鎵光電池砷化鎵光電池、鍺光電池鍺光電池。38 1、硅光電池的基本結(jié)構(gòu)、硅光電池

31、的基本結(jié)構(gòu)硅光電池按襯底材料的不同可分為硅光電池按襯底材料的不同可分為2DR2DR型和型和2CR2CR型。型。2DR2DR型硅光電型硅光電池是以池是以p p型硅為襯底型硅為襯底( (即在本征型硅材料中摻入三價(jià)元素硼或鎵即在本征型硅材料中摻入三價(jià)元素硼或鎵等等) )，然后在襯底上擴(kuò)散磷而形成，然后在襯底上擴(kuò)散磷而形成n n型層并將其作為受光面。構(gòu)型層并將其作為受光面。構(gòu)成成p-np-n結(jié)后，再經(jīng)過(guò)各種工藝處理，分別在襯底和光敏面上制作結(jié)后，再經(jīng)過(guò)各種工藝處理，分別在襯底和光敏面上制作輸出電極，涂上二氧化硅做保護(hù)膜，即成光電池。輸出電極，涂上二氧化硅做保護(hù)膜，即成光電池。 392、硅光電池的工作原

32、理、硅光電池的工作原理硅光電池的工作原理是光照中硅光電池的工作原理是光照中PNPN結(jié)開(kāi)路狀態(tài)時(shí)的物理過(guò)程，結(jié)開(kāi)路狀態(tài)時(shí)的物理過(guò)程，它的主要功能是在不加偏置電壓情況下將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電它的主要功能是在不加偏置電壓情況下將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。信號(hào)。 LLqkTLPDqPDRkT(e1)(e1)UIIIIII硅光電池的電流方程為硅光電池的電流方程為40 3、硅光電池的輸出功率、硅光電池的輸出功率負(fù)載獲得的功率為負(fù)載獲得的功率為 2LLLPI R功率與負(fù)載電阻的阻值有關(guān)，當(dāng)功率與負(fù)載電阻的阻值有關(guān)，當(dāng) （電路為短路）時(shí)，輸（電路為短路）時(shí)，輸出功率出功率 ；當(dāng)；當(dāng) （電路為開(kāi)路）時(shí)，（電路為開(kāi)路）時(shí)，

33、，輸出功，輸出功率率 ； 時(shí)，輸出功率時(shí)，輸出功率 。0LP LR 0LI 0LP 0LR 0LP 0LR 當(dāng)負(fù)載電阻為最佳負(fù)載電阻時(shí)，輸出電壓當(dāng)負(fù)載電阻為最佳負(fù)載電阻時(shí)，輸出電壓 (0.6 0.7)mocUUU此時(shí)，輸出電流此時(shí)，輸出電流 mPIIISE得到硅光電池的最佳負(fù)載電阻為得到硅光電池的最佳負(fù)載電阻為 (0.6 0.7)mocoptmIUURISE負(fù)載電阻所獲得的最大功率為負(fù)載電阻所獲得的最大功率為 (0.6 0.7)mmmocpPI UU I41 4、硅光電池的特性參數(shù)、硅光電池的特性參數(shù)（1 1）伏安特性）伏安特性 pIISE硅光電池的伏安特性，表示輸出電流和電壓隨負(fù)硅光電池的伏

34、安特性，表示輸出電流和電壓隨負(fù)載電阻變化的曲線。伏安特性曲線是在某一光照載電阻變化的曲線。伏安特性曲線是在某一光照下，取不同的負(fù)載電阻所測(cè)得的輸出電流和電壓下，取不同的負(fù)載電阻所測(cè)得的輸出電流和電壓畫(huà)成的曲線。畫(huà)成的曲線。42（2 2）光照特性）光照特性 開(kāi)路電壓曲線：光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間的特性曲線；開(kāi)路電壓曲線：光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間的特性曲線；短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線(a) 硅光電池(b)硒光電池L/klx L/klx 5432100.10.20.30.40.5246810開(kāi)路電壓Uoc /V0.10.20.30.4 0.50.30.1

35、012345Uoc/VIsc /mAIsc/mA開(kāi)路電壓短路電流短路電流43短路電流短路電流：指外接負(fù)載相對(duì)于光電池內(nèi)阻而言是很小的。：指外接負(fù)載相對(duì)于光電池內(nèi)阻而言是很小的。光電池在不同照度下，其內(nèi)阻也不同，因而應(yīng)選取適當(dāng)?shù)墓怆姵卦诓煌斩认拢鋬?nèi)阻也不同，因而應(yīng)選取適當(dāng)?shù)耐饨迂?fù)載近似地滿(mǎn)足外接負(fù)載近似地滿(mǎn)足“短路短路”條件。下圖表示硒光電池在條件。下圖表示硒光電池在不同負(fù)載電阻時(shí)的光照特性。從圖中可以看出，不同負(fù)載電阻時(shí)的光照特性。從圖中可以看出，負(fù)載電阻負(fù)載電阻R RL L越小，光電流與強(qiáng)度的線性關(guān)系越好，且線性范圍越寬越小，光電流與強(qiáng)度的線性關(guān)系越好，且線性范圍越寬。50 024681

36、00.10.20.30.40.5I/mAL/klx 10010005000RL=044光電池的光譜特性決定于材料。光電池的光譜特性決定于材料。硒光電池硒光電池在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)有在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長(zhǎng)在較高的靈敏度，峰值波長(zhǎng)在540nm附近，附近，適宜測(cè)可見(jiàn)光適宜測(cè)可見(jiàn)光。硅光硅光電池電池應(yīng)用的范圍應(yīng)用的范圍400nm1100nm，峰值波長(zhǎng)在，峰值波長(zhǎng)在850nm附近，因附近，因此此硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。204060801000.40.60.81.01.20.2I / %12/m1 1硒光電池硒光電池2 2硅光電池硅光電池（3 3）光譜特

37、性）光譜特性 45光電池作為測(cè)量、計(jì)數(shù)、接收元件時(shí)常用調(diào)制光輸入。光電光電池作為測(cè)量、計(jì)數(shù)、接收元件時(shí)常用調(diào)制光輸入。光電池的頻率響應(yīng)就是指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。由池的頻率響應(yīng)就是指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。由于于光電池光電池PNPN結(jié)面積較大結(jié)面積較大，極間電容大，故，極間電容大，故頻率特性較差頻率特性較差。圖。圖示為光電池的頻率響應(yīng)曲線。硅光電池具有較高的頻率響應(yīng)示為光電池的頻率響應(yīng)曲線。硅光電池具有較高的頻率響應(yīng); ;而硒光電池則較差。而硒光電池則較差。204060801000I / %1234512f / kHz1硒光電池2硅光電池（4 4）頻率特性）頻率特性 46光電

38、池的溫度特性是指開(kāi)路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)光電池的溫度特性是指開(kāi)路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。開(kāi)路電壓與短路電流均隨溫度而變化，它將關(guān)系到應(yīng)用系。開(kāi)路電壓與短路電流均隨溫度而變化，它將關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移，影響到測(cè)量或控制精度等主光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移，影響到測(cè)量或控制精度等主要指標(biāo)，因此，當(dāng)光電池作為測(cè)量元件時(shí)，最好能保持溫度要指標(biāo)，因此，當(dāng)光電池作為測(cè)量元件時(shí)，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補(bǔ)償措施。恒定，或采取溫度補(bǔ)償措施。2004060904060UOC/ mVT / CISCUOCISC / A600400200UOC開(kāi)路電壓ISC 短路電流硅光電池在1

39、000lx照度下的溫度特性曲線（5 5）溫度特性）溫度特性 47三、硅光電二極管三、硅光電二極管光電二極管通常在反偏置條件下光電二極管通常在反偏置條件下工作，即光電導(dǎo)工作模式。優(yōu)點(diǎn)工作，即光電導(dǎo)工作模式。優(yōu)點(diǎn)是可以減小光生載流子渡越時(shí)間是可以減小光生載流子渡越時(shí)間及結(jié)電容，可獲得較寬的線性輸及結(jié)電容，可獲得較寬的線性輸出和較高的響應(yīng)頻率。出和較高的響應(yīng)頻率。制作光電二極管的材料很多，有硅、鍺、砷化鎵、碲制作光電二極管的材料很多，有硅、鍺、砷化鎵、碲化鉛等，在化鉛等，在可見(jiàn)光區(qū)可見(jiàn)光區(qū)應(yīng)用最多的是應(yīng)用最多的是硅光電二極管硅光電二極管。48 1、硅光電二極管的工作原理、硅光電二極管的工作原理硅光電

40、二極管工作在光電導(dǎo)工作模式。在無(wú)光照時(shí)，若給硅光電二極管工作在光電導(dǎo)工作模式。在無(wú)光照時(shí)，若給PNPN結(jié)結(jié)加上一個(gè)適當(dāng)?shù)姆聪螂妷海鬟^(guò)加上一個(gè)適當(dāng)?shù)姆聪螂妷?，流過(guò)PNPN結(jié)的電流稱(chēng)反向飽和電流或結(jié)的電流稱(chēng)反向飽和電流或暗電流。暗電流。 當(dāng)硅光電二極管被光照時(shí)，則當(dāng)硅光電二極管被光照時(shí)，則在結(jié)區(qū)產(chǎn)生的光生載流子將被內(nèi)在結(jié)區(qū)產(chǎn)生的光生載流子將被內(nèi)建電場(chǎng)拉開(kāi)，在外加電場(chǎng)的作用建電場(chǎng)拉開(kāi)，在外加電場(chǎng)的作用下形成了以少數(shù)載流子漂移運(yùn)動(dòng)下形成了以少數(shù)載流子漂移運(yùn)動(dòng)為主的光電流。光照越強(qiáng)，光電為主的光電流。光照越強(qiáng)，光電流就越大。流就越大。49硅光電二極管可分為以硅光電二極管可分為以P P型硅為襯底的型硅為

41、襯底的2DU2DU型與以型與以N N型硅為襯底的型硅為襯底的2CU2CU型兩種結(jié)構(gòu)形式。型兩種結(jié)構(gòu)形式。50 2、硅光電二極管的電流方程、硅光電二極管的電流方程在無(wú)光照時(shí)，在無(wú)光照時(shí)，PNPN結(jié)硅光電二極管的伏安特性曲線與普通結(jié)硅光電二極管的伏安特性曲線與普通PNPN結(jié)二結(jié)二極管的特性一樣，其電流方程為極管的特性一樣，其電流方程為 反向偏置時(shí)，反向偏置時(shí)，I ID D和和U U均為負(fù)值均為負(fù)值且且 時(shí)的電流，稱(chēng)為時(shí)的電流，稱(chēng)為反反向電流或暗電流向電流或暗電流。 UqkT1kTqUDeII51當(dāng)有光照射光電二極管時(shí)，光生電流為當(dāng)有光照射光電二極管時(shí)，光生電流為 ，其方向?yàn)榉?，其方向?yàn)榉聪?。向。p

42、IS光電二極管的全電流方程為光電二極管的全電流方程為 /e,(1)(1)qU kTdDIISqIeehc 式中式中為光電材料的光電轉(zhuǎn)換效率，為光電材料的光電轉(zhuǎn)換效率，為材料對(duì)光的吸收系為材料對(duì)光的吸收系數(shù)。數(shù)。 52 3、光電二極管的特性參數(shù)、光電二極管的特性參數(shù) 電流隨光輻射的變化是線性的。電流隨光輻射的變化是線性的。波長(zhǎng)波長(zhǎng) 的光輻射作用于光電二極管時(shí)，定義其電流靈敏的光輻射作用于光電二極管時(shí)，定義其電流靈敏度為入射到光敏面上輻射量的變化（例如通量變化度為入射到光敏面上輻射量的變化（例如通量變化dd）引起電流變化引起電流變化dI與輻射量變化之比與輻射量變化之比(1)didIqSedhc （

43、1 1）光電二極管的靈敏度）光電二極管的靈敏度 53用不同波長(zhǎng)的光照射光電二極管時(shí)，電流靈敏度與波長(zhǎng)的用不同波長(zhǎng)的光照射光電二極管時(shí)，電流靈敏度與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線稱(chēng)為光譜響應(yīng)。關(guān)系曲線稱(chēng)為光譜響應(yīng)。（2 2）光譜響應(yīng)）光譜響應(yīng) 典型硅光電二極管光譜典型硅光電二極管光譜響應(yīng)長(zhǎng)波限為響應(yīng)長(zhǎng)波限為1.1m1.1m左左右，短波限右，短波限0.4m0.4m，峰，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為值響應(yīng)波長(zhǎng)為0.9m0.9m左左右。右。 54（3 3）噪聲）噪聲光電二極管的噪聲包含低頻噪聲光電二極管的噪聲包含低頻噪聲I Infnf、散粒噪聲、散粒噪聲I Insns和熱噪聲和熱噪聲I InTnT等等3 3種噪聲。其中，散粒噪聲是

44、光電二極管的主要噪聲，種噪聲。其中，散粒噪聲是光電二極管的主要噪聲，低頻噪聲和熱噪聲為其次要因素。低頻噪聲和熱噪聲為其次要因素。 fqII 22ns光電二極管的電流應(yīng)包括暗電流光電二極管的電流應(yīng)包括暗電流I Id d、信號(hào)電流、信號(hào)電流I Is s和背景輻和背景輻射引起的背景光電流射引起的背景光電流I Ib b，因此散粒噪聲應(yīng)為，因此散粒噪聲應(yīng)為 f)(2bSd2nsIIIqI55光電二極管的時(shí)間響應(yīng)（頻率響應(yīng)）主要由載流子的渡越光電二極管的時(shí)間響應(yīng)（頻率響應(yīng)）主要由載流子的渡越時(shí)間和時(shí)間和RCRC時(shí)間常數(shù)決定。時(shí)間常數(shù)決定。（4 4）時(shí)間響應(yīng)）時(shí)間響應(yīng) （a a）載流子的渡越時(shí)間）載流子的渡

45、越時(shí)間 漂移時(shí)間：在漂移時(shí)間：在p-np-n結(jié)區(qū)內(nèi)光生載流子渡越結(jié)區(qū)的時(shí)間結(jié)區(qū)內(nèi)光生載流子渡越結(jié)區(qū)的時(shí)間 910drs擴(kuò)散時(shí)間：在擴(kuò)散時(shí)間：在p-np-n結(jié)外產(chǎn)生的光生載流子擴(kuò)散到結(jié)區(qū)內(nèi)所結(jié)外產(chǎn)生的光生載流子擴(kuò)散到結(jié)區(qū)內(nèi)所需要的時(shí)間需要的時(shí)間 。p影響影響PNPN結(jié)硅光電二極管時(shí)間響應(yīng)的主要因素結(jié)硅光電二極管時(shí)間響應(yīng)的主要因素是是PNPN結(jié)區(qū)外載流子的擴(kuò)散時(shí)間結(jié)區(qū)外載流子的擴(kuò)散時(shí)間 p p。擴(kuò)展擴(kuò)展PNPN結(jié)區(qū)結(jié)區(qū)增高反向偏置電壓增高反向偏置電壓改進(jìn)改進(jìn)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：PIN APDPIN APD4、 PIN型光電二極管型光電二極管 PIN管管為了提高為了提高PNPN結(jié)硅光電二極管的時(shí)間響應(yīng)，消除在

46、結(jié)硅光電二極管的時(shí)間響應(yīng)，消除在PNPN結(jié)外光生載結(jié)外光生載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)時(shí)間，流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)時(shí)間，常采用在常采用在P P區(qū)與區(qū)與N N區(qū)之間生成區(qū)之間生成I I型層型層，構(gòu)成，構(gòu)成如圖（如圖（a a）所示的）所示的PINPIN結(jié)構(gòu)光電二極管，結(jié)構(gòu)光電二極管，PINPIN結(jié)構(gòu)的光電二極管與結(jié)構(gòu)的光電二極管與PNPN結(jié)型的光電二極管在外形上沒(méi)有什么區(qū)別，如圖（結(jié)型的光電二極管在外形上沒(méi)有什么區(qū)別，如圖（b b）。）。結(jié)電容小結(jié)電容小渡越時(shí)間短渡越時(shí)間短靈敏度高靈敏度高特點(diǎn)：特點(diǎn)：10GHz 10-10s58結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)與工作原理1.本征半導(dǎo)體近似于介質(zhì)，這就相當(dāng)于增大了pn結(jié)結(jié)電容兩個(gè)電極

47、之間的距離，使結(jié)電容變得很小。2.p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體中耗盡層的寬度是隨反向電壓增加而加寬的，隨著反偏壓的增大，結(jié)電容也要變得很小。3.由于i層的存在，而p區(qū)一般做得很簿，入射光子只能在i層內(nèi)被吸收，而反向偏壓主要集中在i區(qū)，形成高電場(chǎng)區(qū)，i區(qū)的光生載波子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下加速運(yùn)動(dòng)，所以載流子渡越時(shí)間非常短，即使i層較厚，對(duì)渡越時(shí)間影響也不大，這樣使電路時(shí)間常量減小，從而改善了光電二極管的頻率響應(yīng)。4. i層的引入加大了耗盡區(qū)，展寬了光電轉(zhuǎn)換的有效工作區(qū)域，從而使靈敏度得以提高。5960PINPIN管時(shí)間特性管時(shí)間特性 由于耗盡層寬度小，度越時(shí)間小但量子效率將變低，決定了頻率特性（帶寬）與響應(yīng)度

48、之間的矛盾關(guān)系。 耗盡層寬度的選取，在保證響應(yīng)度的情況下，Si和Ge材料，一般為20-50m，渡越時(shí)間大于200ps；InGaAs材料，一般為3-5m，渡越時(shí)間30-50ps。61幾種常見(jiàn)的幾種常見(jiàn)的PINPIN比較比較62PINPIN管管應(yīng)用及常用器件介紹應(yīng)用及常用器件介紹 PIN及組件由于工作電壓較低、性?xún)r(jià)比好，在數(shù)據(jù)通信、電信業(yè)務(wù)以及一般的應(yīng)用如工業(yè)控制等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。 國(guó)內(nèi)外著名的光通信公司，如Mitel公司、AMP公司、Prilli公司、飛通光電有限公司和武漢電信器件公司等都有相應(yīng)的產(chǎn)品。635、 雪崩光電二極管雪崩光電二極管 APD管管 PINPIN光電二極管：提高了時(shí)間響應(yīng)

49、，光電二極管：提高了時(shí)間響應(yīng)，器件的光器件的光電靈敏度仍然較低電靈敏度仍然較低。雪崩光電二極管：雪崩光電二極管：提高光電二極管的靈敏度提高光電二極管的靈敏度。 65雪崩倍增過(guò)程雪崩倍增過(guò)程當(dāng)光電二極管的當(dāng)光電二極管的pnpn結(jié)加相當(dāng)結(jié)加相當(dāng)大的反向偏壓時(shí)，在耗盡層大的反向偏壓時(shí)，在耗盡層內(nèi)將產(chǎn)生一個(gè)很高的電場(chǎng)，內(nèi)將產(chǎn)生一個(gè)很高的電場(chǎng)，它足以使它足以使在強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)漂移的在強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)漂移的光生載流子于獲得充分的動(dòng)光生載流子于獲得充分的動(dòng)能能，通過(guò)與晶格原子，通過(guò)與晶格原子碰撞將碰撞將產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)。新的電子空穴對(duì)在強(qiáng)電場(chǎng)作用下。分別向相反的方向運(yùn)動(dòng)，新的電子空穴對(duì)在強(qiáng)電場(chǎng)作用下。

50、分別向相反的方向運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中又可能與原子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中又可能與原子碰撞再一次產(chǎn)生新的電子碰撞再一次產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)空穴對(duì)。如此反復(fù)，形成雪崩式的載流子倍增。這個(gè)過(guò)程就是如此反復(fù)，形成雪崩式的載流子倍增。這個(gè)過(guò)程就是APDAPD的工的工作基礎(chǔ)。作基礎(chǔ)。APDAPD管管工作原理 雪崩光電二極管為具有雪崩光電二極管為具有內(nèi)增益內(nèi)增益的一種光生伏特器件。它利用光的一種光生伏特器件。它利用光生載流子在強(qiáng)電場(chǎng)內(nèi)的定向運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的生載流子在強(qiáng)電場(chǎng)內(nèi)的定向運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)雪崩效應(yīng)獲得光電流獲得光電流的增益。的增益。 電離產(chǎn)生的載流子數(shù)遠(yuǎn)大于光激發(fā)產(chǎn)生的光生載流子數(shù)電離產(chǎn)生的載流子數(shù)遠(yuǎn)大于光激發(fā)產(chǎn)生的

51、光生載流子數(shù)，這時(shí)雪崩光電二極管的輸出電流迅速增加，其這時(shí)雪崩光電二極管的輸出電流迅速增加，其電流倍增系數(shù)電流倍增系數(shù)M定定義為義為 ：0IIM 式中，式中，I為倍增輸出的電流，為倍增輸出的電流，I0為倍增前輸出的電流。為倍增前輸出的電流。 67APDAPD管管偏壓設(shè)置偏壓設(shè)置 APD一般在略低于反向擊穿電壓值的反偏壓下工作。 在無(wú)光照時(shí)，pn結(jié)不會(huì)發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)。 有光照射，激發(fā)出的光生載流于就被臨界強(qiáng)電場(chǎng)加速而導(dǎo)致雪崩倍增。 若反向偏壓大于反向擊穿電壓時(shí)，光電流的增益可達(dá)106，即發(fā)生“自持雪崩倍增”。由于這時(shí)出現(xiàn)的散粒噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以致使器件無(wú)法使用。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)發(fā)

52、現(xiàn)，在略低于擊穿電壓略低于擊穿電壓時(shí)，發(fā)生雪崩倍時(shí)，發(fā)生雪崩倍增現(xiàn)象，增現(xiàn)象，MM隨反向偏壓隨反向偏壓U U的變化可用的變化可用經(jīng)驗(yàn)公式經(jīng)驗(yàn)公式近似表示：近似表示： nBR)/(11UUMAPD管噪聲 由于雪崩光電二極管中載流子的碰撞電離是不規(guī)則的，碰撞后的由于雪崩光電二極管中載流子的碰撞電離是不規(guī)則的，碰撞后的運(yùn)動(dòng)方向更是隨機(jī)的，所以它的運(yùn)動(dòng)方向更是隨機(jī)的，所以它的噪聲比一般光電二極管要大些噪聲比一般光電二極管要大些。雪崩光電二極管的噪聲可雪崩光電二極管的噪聲可近似近似由下式計(jì)算：由下式計(jì)算： fqIMIn2n2式中指數(shù)式中指數(shù)n與雪崩光電二極管的材料有關(guān)。與雪崩光電二極管的材料有關(guān)。對(duì)于鍺

53、管，對(duì)于鍺管，n=3；對(duì)于硅管為；對(duì)于硅管為2.3n2.5。 70APDAPD管管線性區(qū)線性區(qū) 當(dāng)入射光功率在1nw到幾個(gè)w時(shí)，倍增電流與入射光具有較好的線性。 當(dāng)入射光功率過(guò)大時(shí)，倍增系數(shù)凡反而會(huì)降低，從而引起光電流的畸變。 當(dāng)入射光功率較小時(shí)，多采用APD。在入射光功率較大時(shí)，采用PIN管更為恰當(dāng)。71APDAPD管管應(yīng)用應(yīng)用 雪崩光電二極管在光纖通信、激光測(cè)距及光纖傳感等光電變換系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。由于具有內(nèi)增益，大大降低了對(duì)前置放大器的要求。但APD管需要上百伏的工作電壓影響了它的推廣使用。72常用的常用的APDAPD特性特性73通信用通信用PINPIN與與APDAPD比較比較74四

54、、硅光電三極管（光電晶體管）四、硅光電三極管（光電晶體管）硅光電三極管與普通晶體三極管相硅光電三極管與普通晶體三極管相似似具有具有電流放大電流放大作用，只是它的作用，只是它的集電極電流不只受基極電流控制，還集電極電流不只受基極電流控制，還受光的控制。所以硅光電三極管的外受光的控制。所以硅光電三極管的外型有光窗。管型分為型有光窗。管型分為pnppnp型和型和npnnpn型兩型兩種，種，npnnpn型稱(chēng)型稱(chēng)3DU3DU型硅光電三極管，型硅光電三極管，pnppnp型稱(chēng)為型稱(chēng)為3CU3CU型硅光電三極管。型硅光電三極管。 1、光電三極管的結(jié)構(gòu)和工作原理、光電三極管的結(jié)構(gòu)和工作原理75光電三極管的工作原

55、理分為兩個(gè)過(guò)光電三極管的工作原理分為兩個(gè)過(guò)程：一是光電轉(zhuǎn)換；二是光電流放程：一是光電轉(zhuǎn)換；二是光電流放大。光電轉(zhuǎn)換部分是在集大。光電轉(zhuǎn)換部分是在集- -基結(jié)區(qū)內(nèi)基結(jié)區(qū)內(nèi)進(jìn)行，而集電極、基極、發(fā)射極構(gòu)進(jìn)行，而集電極、基極、發(fā)射極構(gòu)成了一個(gè)有放大作用的晶體管。成了一個(gè)有放大作用的晶體管。76 2、光電三極管的基本特性、光電三極管的基本特性（1 1）伏安特性）伏安特性 在相同照度下，硅光電三極管的光電流比二極管的大得在相同照度下，硅光電三極管的光電流比二極管的大得多，一般硅光電三極管的光電流在毫安量級(jí)，硅光電二多，一般硅光電三極管的光電流在毫安量級(jí)，硅光電二極管的光電流在微安量級(jí)；極管的光電流在微安

56、量級(jí)；在零偏壓時(shí)硅光電二極管仍然有光電流輸出，而硅光在零偏壓時(shí)硅光電二極管仍然有光電流輸出，而硅光電三極管沒(méi)有光電流輸出；電三極管沒(méi)有光電流輸出；當(dāng)工作電壓較低時(shí)輸出的光電流為非線性，即光電流當(dāng)工作電壓較低時(shí)輸出的光電流為非線性，即光電流與偏壓有關(guān)，但硅光電三極管的非線性較嚴(yán)重；與偏壓有關(guān)，但硅光電三極管的非線性較嚴(yán)重；在一定偏壓下，硅光電三極管的伏安特性曲線在在一定偏壓下，硅光電三極管的伏安特性曲線在低照度時(shí)較均勻，在高照度時(shí)曲線向上傾斜，雖低照度時(shí)較均勻，在高照度時(shí)曲線向上傾斜，雖然光電二極管也有，但硅光電三極管?chē)?yán)重得多。然光電二極管也有，但硅光電三極管?chē)?yán)重得多。77光電三極管的伏安特性光

57、電三極管的伏安特性 在一定偏壓下，硅光電三極管的伏安特性曲線在低照度時(shí)在一定偏壓下，硅光電三極管的伏安特性曲線在低照度時(shí)較均勻，在高照度時(shí)曲線向上傾斜，雖然光電二極管也有，較均勻，在高照度時(shí)曲線向上傾斜，雖然光電二極管也有，但硅光電三極管?chē)?yán)重得多。但硅光電三極管?chē)?yán)重得多。當(dāng)工作電壓較低時(shí)輸出的光電流為非線性，即光電流與偏當(dāng)工作電壓較低時(shí)輸出的光電流為非線性，即光電流與偏壓有關(guān)，但硅光電三極管的非線性較嚴(yán)重；壓有關(guān)，但硅光電三極管的非線性較嚴(yán)重；在零偏壓時(shí)硅光電二極管仍然有光電流輸出，而硅光電三在零偏壓時(shí)硅光電二極管仍然有光電流輸出，而硅光電三極管沒(méi)有光電流輸出；極管沒(méi)有光電流輸出；在相同照度下

58、，硅光電三極管的光電流比二極管的大得多；在相同照度下，硅光電三極管的光電流比二極管的大得多；（2）時(shí)間響應(yīng)（頻率特性） 光電三極管的時(shí)間響應(yīng)常與光電三極管的時(shí)間響應(yīng)常與PNPN結(jié)的結(jié)構(gòu)及偏置電路結(jié)的結(jié)構(gòu)及偏置電路等參數(shù)有關(guān)。等參數(shù)有關(guān)。光電三極管的時(shí)間響應(yīng)由以下四部分組成：光電三極管的時(shí)間響應(yīng)由以下四部分組成： 光生載流子對(duì)發(fā)射結(jié)電容光生載流子對(duì)發(fā)射結(jié)電容C Cbebe和集電結(jié)電容和集電結(jié)電容C Cbcbc的的充放電時(shí)間充放電時(shí)間； 光生載流子光生載流子渡越基區(qū)渡越基區(qū)所需要的時(shí)間；所需要的時(shí)間； 光生載流子被光生載流子被收集到集電極收集到集電極的時(shí)間；的時(shí)間； 輸出電路輸出電路的等效負(fù)載電阻

59、的等效負(fù)載電阻R RL L與等效電容與等效電容C Ccece所構(gòu)成的所構(gòu)成的RCRC時(shí)間；時(shí)間；總時(shí)間常數(shù)為上述四項(xiàng)和。比光電二極管的時(shí)間響應(yīng)長(zhǎng)?？倳r(shí)間常數(shù)為上述四項(xiàng)和。比光電二極管的時(shí)間響應(yīng)長(zhǎng)。79（3 3）溫度特性）溫度特性 硅光電二極管和硅光電三極管的暗電流和光電流均隨溫度而硅光電二極管和硅光電三極管的暗電流和光電流均隨溫度而變化，但硅光電三極管具有電流放大作用，所以硅光電三極變化，但硅光電三極管具有電流放大作用，所以硅光電三極管受溫度的影響要大得多。由于暗電流的增加，使輸出信噪管受溫度的影響要大得多。由于暗電流的增加，使輸出信噪比變差，不利于弱光信號(hào)的探測(cè)。比變差，不利于弱光信號(hào)的探測(cè)

60、。（4）光譜響應(yīng) 光電二極管與光電三極管光電二極管與光電三極管具有相同的光譜響應(yīng)具有相同的光譜響應(yīng)。它的響應(yīng)范圍為它的響應(yīng)范圍為0.41.1m，峰值波長(zhǎng)為，峰值波長(zhǎng)為0.85m。81光電三極管與光電二極管的不同光電三極管與光電二極管的不同 在相同照度下，由于光電三極管的放大作用，使三極管的輸出電流要比二極管大得多。在零偏置下，光電三級(jí)管沒(méi)有電流輸出，而二極管有電流輸出。是在照度低時(shí)比較均勻，而隨照度增加，曲線變密。這主要是光照特性的反映，這種現(xiàn)象二極管也有，但不如三極管?chē)?yán)重，這是因?yàn)槿龢O管的電流增益是信號(hào)電流的函數(shù)。工作電壓低時(shí)，光電三極管的集電極電流與照度有非線性關(guān)系。這是由于電流增益與工作