光生伏特器件

光生伏特器件第一頁，共九十六頁，2022年，8月28日利用半導(dǎo)體PN結(jié)光生伏特效應(yīng)制成的器件稱為光生伏特器件，也稱結(jié)型光電器件。

光生伏特效應(yīng)是基于兩種材料相接觸形成內(nèi)建勢壘，光子激發(fā)的光生載流子被內(nèi)建電場掃向勢壘的兩邊，從而形成了光生電動(dòng)勢。光生伏特效應(yīng)是少數(shù)載流子導(dǎo)電的光電效應(yīng)，而光電導(dǎo)效應(yīng)是多數(shù)載流子導(dǎo)電的光電效應(yīng)。第二頁，共九十六頁，2022年，8月28日結(jié)型光電器件與光電導(dǎo)器件的區(qū)別：（1）產(chǎn)生光電變換的部位不同（2）光敏電阻沒有極性，而結(jié)型光電器件有確定的正負(fù)極性（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)較小，因此響應(yīng)速度較快（4）有些結(jié)型光電器件靈敏較高，可以通過較大的電流第三頁，共九十六頁，2022年，8月28日一、光生伏特器件的基本工作原理1、p-n結(jié)電流方程在熱平衡條件下，由于p-n結(jié)中漂移電流等于擴(kuò)散電流，凈電流為零。如果有外加電壓時(shí)結(jié)內(nèi)平衡被破壞，這時(shí)流過p-n結(jié)的電流方為：第四頁，共九十六頁，2022年，8月28日一、光生伏特器件的基本工作原理1、p-n結(jié)電流方程代表正向電流，方向從p端經(jīng)過p-n結(jié)指向n端，它與外電壓有關(guān)，時(shí)它將迅速增大；時(shí)等于零，即平衡狀態(tài)，時(shí)它趨向于零。

第二項(xiàng)

代表反向飽和電流，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，故稱反向飽和電流，也是溫度的函數(shù)，即隨溫度升高有所增大。第五頁，共九十六頁，2022年，8月28日一、光生伏特器件的基本工作原理2、光照下的p-n結(jié)

當(dāng)光照射p-n結(jié)，只要入射光子能量大于材料禁帶寬度，就會(huì)在結(jié)區(qū)激發(fā)電子-空穴對(duì)。這些非平衡載流子在內(nèi)建電場的作用下，空穴順著電場運(yùn)動(dòng)，電子逆著電場運(yùn)動(dòng)，在開路狀態(tài)，最后在n區(qū)邊界積累光生電子，在p區(qū)邊界積累光生空穴，產(chǎn)生一個(gè)與內(nèi)建電場方向相反的光生電場，即在p區(qū)和n區(qū)之間產(chǎn)生了光生電壓UOC，這就是p-n結(jié)的光生伏特效應(yīng)。只要光照不停止，這個(gè)光生電壓將永遠(yuǎn)存在。(1)p-n結(jié)光電效應(yīng)和兩種工作模式第六頁，共九十六頁，2022年，8月28日一、光生伏特器件的基本工作原理2、光照下的p-n結(jié)

如果工作在零偏置的開路狀態(tài)，p-n結(jié)光電器件產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)，這種工作原理稱光伏工作模式。(1)p-n結(jié)光電效應(yīng)和兩種工作模式

如果工作在反偏置狀態(tài)，無光照時(shí)電阻很大，電流很??；有光照時(shí)，電阻變小，電流就變大，而且流過它的光電流隨照度變化而變化，這種工作原理稱光電導(dǎo)工作模式。第七頁，共九十六頁，2022年，8月28日一、光生伏特器件的基本工作原理2、光照下的p-n結(jié)(2)光照下p-n結(jié)的電流方程

一種是光激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)在內(nèi)建電場作用下，形成的光生電流，它與光照有關(guān)，其方向與p-n結(jié)反向飽和電流相同。

另一種是光生電流流過負(fù)載電阻產(chǎn)生電壓降，相當(dāng)于在p-n結(jié)施加正向偏置電壓，從而產(chǎn)生正向電流。第八頁，共九十六頁，2022年，8月28日一、光生伏特器件的基本工作原理2、光照下的p-n結(jié)(2)光照下p-n結(jié)的電流方程為結(jié)電容，表示串聯(lián)電阻，為p-n結(jié)漏電阻，又稱動(dòng)態(tài)電阻或結(jié)電阻。流過p-n結(jié)的總電流為：其中，第九頁，共九十六頁，2022年，8月28日一、光生伏特器件的基本工作原理2、光照下的p-n結(jié)(2)光照下p-n結(jié)的電流方程流過p-n結(jié)的總電流為：光生電流與光照有關(guān)，并隨光照的增大而增大，因此有第十頁，共九十六頁，2022年，8月28日一、光生伏特器件的基本工作原理2、光照下的p-n結(jié)(2)光照下p-n結(jié)的電流方程

當(dāng)負(fù)載電阻斷開（IL=0）時(shí)，p端對(duì)n端的電壓稱為開路電壓，用UOC表示

一般情況，，所以UOC表示在一定溫度下，開路電壓與光電流的對(duì)數(shù)成正比，也可以說與照度或光通量的對(duì)數(shù)成正比。第十一頁，共九十六頁，2022年，8月28日一、光生伏特器件的基本工作原理2、光照下的p-n結(jié)(2)光照下p-n結(jié)的電流方程這時(shí)p-n結(jié)光電器件的短路電流與照度或光通量成正比，從而得到最大線性區(qū)，這在線性測量中被廣泛應(yīng)用。

當(dāng)負(fù)載電阻短路，光生電壓接近于零，流過器件的電流叫短路電流，用ISC表示，其方向從p-n結(jié)內(nèi)部看從n區(qū)指向p區(qū)

第十二頁，共九十六頁，2022年，8月28日一、光生伏特器件的基本工作原理2、光照下的p-n結(jié)(2)光照下p-n結(jié)的電流方程第十三頁，共九十六頁，2022年，8月28日二、硅光電池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p-n結(jié)光電器件。按光電池的用途可分為兩類：即太陽能光電池和測量光電池光電池的基本結(jié)構(gòu)就是一個(gè)p-n結(jié)，由于制作p-n結(jié)的材料不同，目前有硒光電池、硅光電池、砷化鎵光電池和鍺光電池。第十四頁，共九十六頁，2022年，8月28日二、硅光電池1、硅光電池的基本結(jié)構(gòu)硅光電池按襯底材料的不同可分為2DR型和2CR型。2DR型硅光電池是以p型硅為襯底(即在本征型硅材料中摻入三價(jià)元素硼或鎵等)，然后在襯底上擴(kuò)散磷而形成n型層并將其作為受光面。構(gòu)成p-n結(jié)后，再經(jīng)過各種工藝處理，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。

第十五頁，共九十六頁，2022年，8月28日二、硅光電池2、硅光電池的工作原理硅光電池的工作原理是光照中p-n結(jié)開路狀態(tài)時(shí)的物理過程，它的主要功能是在不加偏置電壓情況下將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

硅光電池的電流方程為第十六頁，共九十六頁，2022年，8月28日二、硅光電池3、硅光電池的輸出功率負(fù)載獲得的功率為

功率與負(fù)載電阻的阻值有關(guān)，當(dāng)（電路為短路）時(shí)，輸出功率；當(dāng)（電路為開路）時(shí)，，輸出功率；時(shí)，輸出功率。當(dāng)負(fù)載電阻為最佳負(fù)載電阻時(shí)，輸出電壓

此時(shí)，輸出電流

得到硅光電池的最佳負(fù)載電阻為

負(fù)載電阻所獲得的最大功率為

第十七頁，共九十六頁，2022年，8月28日二、硅光電池3、硅光電池的特性參數(shù)（1）伏安特性

硅光電池的伏安特性，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下，取不同的負(fù)載電阻所測得的輸出電流和電壓畫成的曲線。第十八頁，共九十六頁，2022年，8月28日二、硅光電池（1）伏安特性

3、硅光電池的特性參數(shù)第十九頁，共九十六頁，2022年，8月28日（2）光照特性

3、硅光電池的特性參數(shù)L/klx

L/klx

5432100.10.20.30.40.5246810開路電壓Uoc

/V0.10.20.30.4

0.50.30.1012345Uoc/VIsc

/mAIsc/mA(a)硅光電池(b)硒光電池開路電壓曲線：光生電動(dòng)勢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開路電壓短路電流短路電流第二十頁，共九十六頁，2022年，8月28日短路電流，指外接負(fù)載相對(duì)于光電池內(nèi)阻而言是很小的。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)耐饨迂?fù)載近似地滿足“短路”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，負(fù)載電阻RL越小，光電流與強(qiáng)度的線性關(guān)系越好，且線性范圍越寬。02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx

50Ω100Ω1000Ω5000ΩRL=0（2）光照特性

3、硅光電池的特性參數(shù)第二十一頁，共九十六頁，2022年，8月28日204060801000.40.60.81.01.20.2I/%12λ/μm

光電池的光譜特性決定于材料。硒光電池在可見光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長在540nm附近，適宜測可見光。硅光電池應(yīng)用的范圍400nm—1100nm，峰值波長在850nm附近，因此硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。1——硒光電池2——硅光電池（3）光譜特性

3、硅光電池的特性參數(shù)第二十二頁，共九十六頁，2022年，8月28日

光電池作為測量、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。由于光電池PN結(jié)面積較大，極間電容大，故頻率特性較差。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);而硒光電池則較差。204060801000I/%1234512f/kHz1——硒光電池2——硅光電池（4）頻率特性

3、硅光電池的特性參數(shù)第二十三頁，共九十六頁，2022年，8月28日光電池的溫度特性是指開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。開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，影響到測量或控制精度等主要指標(biāo)，因此，當(dāng)光電池作為測量元件時(shí)，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補(bǔ)償措施。2004060904060UOC/mVT/oCISCUOCISC

/μA600400200UOC——開路電壓ISC——短路電流硅光電池在1000lx照度下的溫度特性曲線（5）溫度特性

3、硅光電池的特性參數(shù)第二十四頁，共九十六頁，2022年，8月28日三、硅光電二極管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)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、碲化鉛等，在可見光區(qū)應(yīng)用最多的是硅光電二極管。第二十五頁，共九十六頁，2022年，8月28日1、硅光電二極管的工作原理硅光電二極管工作在光電導(dǎo)工作模式。在無光照時(shí)，若給p-n結(jié)加上一個(gè)適當(dāng)?shù)姆聪螂妷?，流過p-n結(jié)的電流稱反向飽和電流或暗電流。三、硅光電二極管當(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)建電場拉開，在外加電場的作用下形成了以少數(shù)載流子漂移運(yùn)動(dòng)為主的光電流。光照越強(qiáng)，光電流就越大。第二十六頁，共九十六頁，2022年，8月28日1、硅光電二極管的工作原理硅光電二極管可分為以P型硅為襯底的2DU型與以N型硅為襯底的2CU型兩種結(jié)構(gòu)形式。三、硅光電二極管第二十七頁，共九十六頁，2022年，8月28日2、硅光電二極管的電流方程在無光照時(shí)，PN結(jié)硅光電二極管的伏安特性曲線與普通PN結(jié)二極管的特性一樣，其電流方程為三、硅光電二極管反向偏置時(shí)，ID和U均為負(fù)值且>>時(shí)的電流，稱為反向電流或暗電流。

第二十八頁，共九十六頁，2022年，8月28日2、硅光電二極管的電流方程三、硅光電二極管當(dāng)有光照射光電二極管時(shí)，光生電流為，其方向?yàn)榉聪?。光電二極管的全電流方程為

式中η為光電材料的光電轉(zhuǎn)換效率，α為材料對(duì)光的吸收系數(shù)。

第二十九頁，共九十六頁，2022年，8月28日波長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dΦ）引起電流變化dI與輻射量變化之比3、光電二極管的特性參數(shù)電流隨光輻射的變化是線性的。三、硅光電二極管（1）光電二極管的靈敏度

第三十頁，共九十六頁，2022年，8月28日用不同波長的光照射光電二極管時(shí)，電流靈敏度與波長的關(guān)系曲線稱為光譜響應(yīng)。3、光電二極管的特性參數(shù)三、硅光電二極管（2）光譜響應(yīng)

典型硅光電二極管光譜響應(yīng)長波限為1.1μm左右，短波限0.4μm，峰值響應(yīng)波長為0.9μm左右。第三十一頁，共九十六頁，2022年，8月28日光電二極管的時(shí)間響應(yīng)（頻率響應(yīng)）主要由載流子的渡越時(shí)間和RC時(shí)間常數(shù)決定。3、光電二極管的特性參數(shù)三、硅光電二極管（3）時(shí)間響應(yīng)

（1）載流子的渡越時(shí)間

①漂移時(shí)間：在p-n結(jié)區(qū)內(nèi)光生載流子渡越結(jié)區(qū)的時(shí)間②擴(kuò)散時(shí)間：在p-n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。第三十二頁，共九十六頁，2022年，8月28日影響光電二極管時(shí)間響應(yīng)的主要因素是擴(kuò)散時(shí)間，為了減少擴(kuò)散時(shí)間，如何擴(kuò)展p-n結(jié)的結(jié)區(qū)？3、光電二極管的特性參數(shù)三、硅光電二極管（3）時(shí)間響應(yīng)

（1）增大反向偏壓，使RC時(shí)間常數(shù)增大；（2）從p-n結(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面考慮，在不使偏壓增大的情況下，使耗盡層擴(kuò)展到整個(gè)p-n結(jié)器件。第三十三頁，共九十六頁，2022年，8月28日3、光電二極管的特性參數(shù)三、硅光電二極管（4）噪聲

光電二極管的噪聲包含低頻噪聲Inf、散粒噪聲Ins和熱噪聲InT等3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。

光電二極管的電流應(yīng)包括暗電流Id、信號(hào)電流Is和背景輻射引起的背景光電流Ib，因此散粒噪聲應(yīng)為

第三十四頁，共九十六頁，2022年，8月28日四、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似——具有電流放大作用，只是它的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型有光窗。管型分為pnp型和npn型兩種，npn型稱3DU型硅光電三極管，pnp型稱為3CU型硅光電三極管。

1、光電三極管的結(jié)構(gòu)和工作原理第三十五頁，共九十六頁，2022年，8月28日1、光電三極管的結(jié)構(gòu)和工作原理四、硅光電三極管（光電晶體管）

工作時(shí)要保證集電極反偏，發(fā)射極正偏。

當(dāng)基極沒有引線時(shí)，集電極電流為

第三十六頁，共九十六頁，2022年，8月28日1、光電三極管的結(jié)構(gòu)和工作原理四、硅光電三極管（光電晶體管）光電三極管的工作原理分為兩個(gè)過程：一是光電轉(zhuǎn)換；二是光電流放大。光電轉(zhuǎn)換部分是在集-基結(jié)區(qū)內(nèi)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。第三十七頁，共九十六頁，2022年，8月28日1、光電三極管的結(jié)構(gòu)和工作原理四、硅光電三極管（光電晶體管）第三十八頁，共九十六頁，2022年，8月28日2、光電三極管的基本特性四、硅光電三極管（光電晶體管）（1）伏安特性

400lx600lx800lx1000lxU（V）0204060-10-20-30光電二極管伏安特性曲線第三十九頁，共九十六頁，2022年，8月28日2、光電三極管的基本特性四、硅光電三極管（光電晶體管）（1）伏安特性

①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)，硅光電二極管的光電流在微安量級(jí)；第四十頁，共九十六頁，2022年，8月28日2、光電三極管的基本特性四、硅光電三極管（光電晶體管）（1）伏安特性

光電二極管伏安特性曲線400lx600lx800lx1000lxU（V）0204060-10-20-30光電二極管伏安特性曲線第四十一頁，共九十六頁，2022年，8月28日2、光電三極管的基本特性四、硅光電三極管（光電晶體管）（1）伏安特性

②在零偏壓時(shí)硅光電二極管仍然有光電流輸出，而硅光電三極管沒有光電流輸出；第四十二頁，共九十六頁，2022年，8月28日2、光電三極管的基本特性四、硅光電三極管（光電晶體管）（1）伏安特性

光電二極管伏安特性曲線400lx600lx800lx1000lxU（V）0204060-10-20-30光電二極管伏安特性曲線第四十三頁，共九十六頁，2022年，8月28日2、光電三極管的基本特性四、硅光電三極管（光電晶體管）（1）伏安特性

③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；第四十四頁，共九十六頁，2022年，8月28日2、光電三極管的基本特性四、硅光電三極管（光電晶體管）（1）伏安特性

光電二極管伏安特性曲線400lx600lx800lx1000lxU（V）0204060-10-20-30光電二極管伏安特性曲線第四十五頁，共九十六頁，2022年，8月28日2、光電三極管的基本特性四、硅光電三極管（光電晶體管）（1）伏安特性

③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；②在零偏壓時(shí)硅光電二極管仍然有光電流輸出，而硅光電三極管沒有光電流輸出；①在相同照度下，硅光電三極管的光電流比二極管的大得多；第四十六頁，共九十六頁，2022年，8月28日2、光電三極管的基本特性四、硅光電三極管（光電晶體管）（1）伏安特性

光電二極管伏安特性曲線400lx600lx800lx1000lxU（V）0204060-10-20-30光電二極管伏安特性曲線第四十七頁，共九十六頁，2022年，8月28日2、光電三極管的基本特性四、硅光電三極管（光電晶體管）（1）伏安特性

④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，但硅光電三極管嚴(yán)重得多。第四十八頁，共九十六頁，2022年，8月28日2、光電三極管的基本特性四、硅光電三極管（光電晶體管）（1）伏安特性

④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，但硅光電三極管嚴(yán)重得多。③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；②在零偏壓時(shí)硅光電二極管仍然有光電流輸出，而硅光電三極管沒有光電流輸出；①在相同照度下，硅光電三極管的光電流比二極管的大得多；第四十九頁，共九十六頁，2022年，8月28日2、光電三極管的基本特性四、硅光電三極管（光電晶體管）（2）時(shí)間響應(yīng)（頻率特性）

硅光電二極管的頻率特性主要決定于光生載流子的渡越時(shí)間、負(fù)載電阻和結(jié)電容的乘積?；唽?duì)于調(diào)制頻率的入射光，輸出電壓為第五十頁，共九十六頁，2022年，8月28日2、光電三極管的基本特性四、硅光電三極管（光電晶體管）（2）時(shí)間響應(yīng)（頻率特性）

要改善光電二極管的頻率響應(yīng)，就要較小時(shí)間常數(shù)，即分別減小負(fù)載電阻和結(jié)電容?？紤]第五十一頁，共九十六頁，2022年，8月28日2、光電三極管的基本特性四、硅光電三極管（光電晶體管）（2）時(shí)間響應(yīng)（頻率特性）

硅光電三極管的頻率特性除了與光電二極管相同外，還受基區(qū)渡越時(shí)間和發(fā)射結(jié)電容的限制。第五十二頁，共九十六頁，2022年，8月28日2、光電三極管的基本特性四、硅光電三極管（光電晶體管）（2）時(shí)間響應(yīng)（頻率特性）

選擇適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻，使其滿足RL＜Rce，這時(shí)可以導(dǎo)出光電三極管電路的輸出電壓為第五十三頁，共九十六頁，2022年，8月28日2、光電三極管的基本特性四、硅光電三極管（光電晶體管）（3）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，使輸出信噪比變差，不利于弱光信號(hào)的探測。第五十四頁，共九十六頁，2022年，8月28日1、PIN光電二極管五、特殊光電二極管

PIN光電二極管又稱快速光電二極管。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層很厚的本征半導(dǎo)體。第五十五頁，共九十六頁，2022年，8月28日1、PIN光電二極管五、特殊光電二極管（1）PIN光電二極管因有較厚的I層，因此p-n結(jié)的內(nèi)電場就基本上全集中于I層，使p-n結(jié)間距離拉大，結(jié)電容變小。由于工作在反向偏壓下，隨著反偏電壓的增大，結(jié)電容變得更小，從而提高了PIN光電二極管的頻率響應(yīng)。（2）由于I層較厚，又工作在反偏，使結(jié)區(qū)耗盡層厚度增加，提高了對(duì)光的吸收和光電變化區(qū)域，使量子效率提高。（3）同時(shí)還增加了對(duì)長波的吸收，提高了長波靈敏度。（4）由于I層較厚，在反偏下工作可承受較高的反向偏壓，這使線性輸出范圍變寬。第五十六頁，共九十六頁，2022年，8月28日2、雪崩光電二極管（APD，AvalanchePhotodiode）五、特殊光電二極管

APD是借助強(qiáng)電場作用產(chǎn)生載流子雪崩倍增效應(yīng)的一種高速、高靈敏度的光電器件。它廣泛應(yīng)用于光纖通信、弱信號(hào)檢測、激光測距等領(lǐng)域。第五十七頁，共九十六頁，2022年，8月28日2、雪崩光電二極管（APD，AvalanchePhotodiode）五、特殊光電二極管（1）工作原理

APD工作過程：在光電二極管的p-n結(jié)加一相當(dāng)高的反向偏壓，使結(jié)區(qū)產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的電場。當(dāng)光激發(fā)的光生載流子進(jìn)入結(jié)區(qū)后，在強(qiáng)電場的加速下獲得很大的能量，與晶格原子碰撞而使晶格原子發(fā)生電離，產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)，新產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)在向電極運(yùn)動(dòng)過程中，又獲得足夠能量，再次與晶格原子碰撞，又產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)，這一過程不斷重復(fù)，使p-n結(jié)內(nèi)電流成倍急劇增加，這種現(xiàn)象稱為雪崩倍增。APD利用這種效應(yīng)而具有電流的放大作用。第五十八頁，共九十六頁，2022年，8月28日2、雪崩光電二極管（APD，AvalanchePhotodiode）五、特殊光電二極管（2）結(jié)構(gòu)

第五十九頁，共九十六頁，2022年，8月28日2、雪崩光電二極管（APD，AvalanchePhotodiode）五、特殊光電二極管（3）倍增系數(shù)和噪聲

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)，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)M定義為

式中，I為倍增輸出的電流，I0為倍增前輸出的電流。

第六十頁，共九十六頁，2022年，8月28日2、雪崩光電二極管（APD，AvalanchePhotodiode）五、特殊光電二極管（3）倍增系數(shù)和噪聲

據(jù)推導(dǎo)，倍增系數(shù)與p-n結(jié)上所加的方向偏壓及p-n結(jié)的材料有關(guān)：第六十一頁，共九十六頁，2022年，8月28日2、雪崩光電二極管（APD，AvalanchePhotodiode）五、特殊光電二極管雪崩光電二極管中噪聲電流主要為散粒噪聲。當(dāng)雪崩倍增M倍后，雪崩光電二極管的噪聲電流的均方根值可近似由下式計(jì)算。

式中指數(shù)n與雪崩光電二極管的材料有關(guān)。對(duì)于鍺管，n=3；對(duì)于硅管為2.3<n<2.5。顯然，由于信號(hào)電流按M倍增加，而噪聲電流按Mn/2倍增加。因此，隨著M增加，噪聲電流比信號(hào)電流增加得更快。（3）倍增系數(shù)和噪聲第六十二頁，共九十六頁，2022年，8月28日3、色敏光生伏特器件五、特殊光電二極管（1）雙色硅色敏器件的工作原理當(dāng)光照射時(shí)，紫外光部分吸收系數(shù)大，經(jīng)過很短距離就被吸收完畢；因此，淺結(jié)對(duì)紫外光有較高靈敏度。而紅外光部分吸收系數(shù)小，光子主要在深結(jié)處被吸收；因此，深結(jié)對(duì)紅外光有較高的靈敏度。第六十三頁，共九十六頁，2022年，8月28日3、色敏光生伏特器件五、特殊光電二極管（1）雙色硅色敏器件的工作原理用雙結(jié)光電二極管測量顏色時(shí)，通常測量兩個(gè)光電二極管的短路電流比（ISC2/ISC1）與入射波長的關(guān)系，每一種波長的光都對(duì)應(yīng)于一個(gè)短路電流比值，根據(jù)短路電流比值判別入射光的波長，達(dá)到識(shí)別顏色的目的。第六十四頁，共九十六頁，2022年，8月28日3、色敏光生伏特器件五、特殊光電二極管（2）三色硅色敏器件

它是在一塊非晶硅基片上制作3個(gè)檢測元件，并分別配上R、G、B濾色片，通過R、G、B輸出電流的比較，即可識(shí)別物體的顏色。

第六十五頁，共九十六頁，2022年，8月28日3、色敏光生伏特器件五、特殊光電二極管（2）三色硅色敏器件第六十六頁，共九十六頁，2022年，8月28日六、光生伏特器件組合件

光生伏特器件組合件是在一塊硅片上制造出按一定方式排列的具有相同光電特性的光生伏特器件陣列。一般用于準(zhǔn)直、定位、跟蹤等方面。根據(jù)排列方式的不同，光生伏特器件組合件可分為象限式、陣列式、楔環(huán)式和按指定編碼規(guī)則組成的陣列方式。第六十七頁，共九十六頁，2022年，8月28日1、象限陣列光生伏特器件組合件六、光生伏特器件組合件

象限式光生伏特器件組合件可以用來確定光點(diǎn)在二維平面上的位置坐標(biāo)。第六十八頁，共九十六頁，2022年，8月28日1、象限陣列光生伏特器件組合件六、光生伏特器件組合件第六十九頁，共九十六頁，2022年，8月28日1、象限陣列光生伏特器件組合件六、光生伏特器件組合件第七十頁，共九十六頁，2022年，8月28日六、光生伏特器件組合件2、線陣列光生伏特器件組合件第七十一頁，共九十六頁，2022年，8月28日2、線陣列光生伏特器件組合件六、光生伏特器件組合件第七十二頁，共九十六頁，2022年，8月28日3、楔環(huán)陣列組合件六、光生伏特器件組合件第七十三頁，共九十六頁，2022年，8月28日1、PSD的工作原理和位置表達(dá)式七、光電位置敏感器件（PSD）PSD（PositionSensingDetector）是一種對(duì)入射到光敏面上的光點(diǎn)位置敏感的光電器件，其輸出信號(hào)與光點(diǎn)在光敏面上的位置有關(guān)。

PSD與象限探測器相比，其特點(diǎn)是：（1）它對(duì)光斑的形狀無嚴(yán)格要求，即輸出信號(hào)與光的聚焦無關(guān)，只與光的能量中心位置有關(guān)，這給測量帶來很多方便；（2）光敏面上無須分割，消除了盲區(qū)可連續(xù)測量光斑位置，位置分辨率高；（3）可同時(shí)檢測位置和光強(qiáng)。

第七十四頁，共九十六頁，2022年，8月28日1、PSD的工作原理和位置表達(dá)式七、光電位置敏感器件（PSD）I0=I1+I2

第七十五頁，共九十六頁，2022年，8月28日2、一維PSD器件七、光電位置敏感器件（PSD）

一維PSD器件主要用來測量光斑在一維方向上的位置或位置移動(dòng)量的裝置。第七十六頁，共九十六頁，2022年，8月28日3、二維PSD器件七、光電位置敏感器件（PSD）第七十七頁，共九十六頁，2022年，8月28日3、二維PSD器件七、光電位置敏感器件（PSD）第七十八頁，共九十六頁，2022年，8月28日1、硅光電二極管（三極管）變換電路參數(shù)計(jì)算八、光生伏特器件的偏置電路（1）圖解計(jì)算法400lx600lx800lx1000lxU（V）0204060-10-20-30光電二極管伏安特性曲線第七十九頁，共九十六頁，2022年，8月28日1、硅光電二極管（三極管）變換電路參數(shù)計(jì)算八、光生伏特器件的偏置電路（1）圖解計(jì)算法在如圖所示的反向偏壓下硅光電二極管的基本輸入電路中，流過負(fù)載電阻的電流為：由于制造光電管的半導(dǎo)體材料一般都采用高阻輕摻雜，因此暗電流很小，可以忽略不計(jì)即輸出電流與輸入光照度（或光通量）成正比。第八十頁，共九十六頁，2022年，8月28日1、硅光電二極管（三極管）變換電路參數(shù)計(jì)算八、光生伏特器件的偏置電路（1）圖解計(jì)算法列回路方程：其中是硅光電二極管兩端電壓，是非線性函數(shù)，可利用圖解法進(jìn)行計(jì)算或第八十一頁，共九十六頁，2022年，8月28日1、硅光電二極管（三極管）變換電路參數(shù)計(jì)算八、光生伏特器件的偏置電路（1）圖解計(jì)算法在伏安特性曲線上畫出負(fù)載線，得到當(dāng)時(shí)，為負(fù)載線與橫坐標(biāo)軸的交點(diǎn)當(dāng)時(shí)，為負(fù)載線與縱坐標(biāo)軸的交點(diǎn)直線的斜率，越大，直線越平坦；越小，直線越陡。U（V）0第八十二頁，共九十六頁，2022年，8月28日1、硅光電二極管（三極管）變換電路參數(shù)計(jì)算八、光生伏特器件的偏置電路（1）圖解計(jì)算法當(dāng)輸入光照度為在伏安特性曲線上可以找到對(duì)應(yīng)該照度的曲線，該曲線與負(fù)載線的交點(diǎn)為Q，即為輸入電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。U（V）0當(dāng)輸入光照度由改變時(shí)，在負(fù)載上會(huì)產(chǎn)生的電壓信號(hào)輸出和的電流信號(hào)輸出。Q第八十三頁，共九十六頁，2022年，8月28日1、硅光電二極管（三極管）變換電路參數(shù)計(jì)算八、光生伏特器件的偏置電路（1）圖解計(jì)算法U（V）0反向偏置電路輸出信號(hào)電壓與入射輻射量的變化成正比，變化方向相反，即輸出電壓隨入射輻射量增加而減小Q第八十四頁，共九十六頁，2022年，8月28日1、硅光電二極管（三極管）變換電路參數(shù)計(jì)算八、光生伏特器件的偏置電路U（V）0Q（2）用圖解法分析電路參數(shù)和對(duì)輸出信號(hào)的影響當(dāng)不變時(shí)，對(duì)于輸入光照度變化，負(fù)載電阻的減小會(huì)增大輸出信號(hào)電流，但輸出信號(hào)電壓反而減??；當(dāng)減小很多時(shí)，又會(huì)受到器件允許的最大工作電流和功耗的限制。當(dāng)不變時(shí)第八十五頁，共九十六頁，2022年，8月28日1、硅光電二極管（三極管）變換電路參數(shù)計(jì)算八、光生伏特器件的偏置電路U（V）0Q（2）用圖解法分析電路參數(shù)和對(duì)輸出信號(hào)的影響要提高輸出信號(hào)電壓，應(yīng)增大，但過大的會(huì)使負(fù)載線越過特性曲線的拐點(diǎn)進(jìn)入非線性區(qū)，由于非線性區(qū)的光電靈敏度不再是常數(shù)，使輸出信號(hào)的波形發(fā)生畸變。當(dāng)不變時(shí)第八十六頁，共九十六頁，2022年，8月28日1、硅光電二極管（三極管）變換電路參數(shù)計(jì)算八、光生伏特器件的偏置電路U（V）0（2）用圖解法分析電路參數(shù)和對(duì)輸出信號(hào)的影響當(dāng)偏置電壓增大時(shí)，輸出信號(hào)的電壓幅度也隨之增大，同時(shí)線性度得到相應(yīng)改善，但電路的功耗隨之加大。過大的偏壓會(huì)引起硅光電二極管反向擊穿。當(dāng)不變時(shí)第八十七頁，共九十六頁，2022年，8月28日（3）反向偏置電路的計(jì)算例3-2已知某光電三極管的伏安特性曲線如圖所示。當(dāng)入射光通量為正弦調(diào)制量φv,λ=55+40sinωtlm時(shí)，今要得到5V的輸出電壓，試設(shè)計(jì)該光電三極管的變換電路，并畫出輸入輸出的波形圖，分析輸入與輸出信號(hào)間的相位關(guān)系。

解:首先根據(jù)題目的要求，找到入射光通量的最大值與最小值φmax=55+40=95