光生伏特傳感器

光生伏特傳感器第一頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.1光敏二極管光敏二極管工作原理和結(jié)構(gòu)光敏二極管在電路中通常處于反向偏置狀態(tài)，當(dāng)沒有光照射時，其反向電阻很大，反向電流很小，這種反向電流稱為暗電流。當(dāng)有光照時，PN結(jié)及其附近產(chǎn)生電子一空穴對，它們在反向電壓作用下參與導(dǎo)電，形成比光照時大得多的反向電流，該反向電流稱為光電流，此時光敏二極管的反向電阻下降。光電流與光照強度成正比。如果外電路接上負(fù)載，便可獲得隨光照強弱變化的電信號。第二頁，共七十一頁，2022年，8月28日第三頁，共七十一頁，2022年，8月28日光敏二極管的基本特性光敏二極管的基本特性包括光譜特性、伏安特性、光照特性、溫度特性、響應(yīng)特性等。

1光譜特性：光敏二極管在人射光射度一定時，輸出的光電流（或相對靈敏度）隨光波波長的變化而變化。一種光敏二極管只對某些波長的人射光敏感，這就是它的光譜特性第四頁，共七十一頁，2022年，8月28日

定義光電二極管的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。

（4-3）

第五頁，共七十一頁，2022年，8月28日顯然，當(dāng)某波長λ的輻射作用于光電二極管時，其電流靈敏度為與材料有關(guān)的常數(shù)，表征光電二極管的光電轉(zhuǎn)換特性的線性關(guān)系。必須指出，電流靈敏度與入射輻射波長λ的關(guān)系是復(fù)雜的，定義光電二極管的電流靈敏度時通常定義其峰值響應(yīng)波長的電流靈敏度為光電二極管的電流靈敏度。在式中，表面上看它與波長λ成正比，但是，材料的吸收系數(shù)α還隱含著與入射輻射波長的關(guān)系。因此，常把光電二極管的電流靈敏度與波長的關(guān)系曲線稱為光譜響應(yīng)。

第六頁，共七十一頁，2022年，8月28日光譜響應(yīng)

光電二極管的光譜響應(yīng)定義為以等功率的不同單色輻射波長的光作用于光電二極管時，其響應(yīng)程度或電流靈敏度與波長的關(guān)系稱為其光譜響應(yīng)。

圖4-5為幾種典型材料的光電二極管光譜響應(yīng)曲線。

典型硅光電二極管光譜響應(yīng)長波限為1.1μm左右，短波限接近0.4μm，峰值響應(yīng)波長為0.9μm左右。

第七頁，共七十一頁，2022年，8月28日

由曲線可以看出，不管是硅管或鍺管，當(dāng)人射光波長增加時，相對靈敏度都下降，這是因為光子能量太小，不足以激發(fā)電子．空穴對，當(dāng)人射光波長太短時，由于光波穿透能力下降，光子只在半導(dǎo)體表面激發(fā)電子一空穴對，而不能達(dá)到PN結(jié)，因此相對靈敏度也下降。從曲線還可以看出，不同材料的光敏二極管，其光譜響應(yīng)峰值波長也不同。硅管的峰值波長為1.0um左右，鍺管的為1.5um，由此可以確定光源與光電器件的最佳匹配。由于鍺管的暗電流比硅管大，因此鍺管性能較差。故在探測可見光或赤熱物體時，都用硅管；但對紅外光進行探測時，采用鍺管較為合適。第八頁，共七十一頁，2022年，8月28日

2．伏安特性

光敏二極管的伏安特性也就是在一定照度下的電流電壓特性。光敏二極管的伏安特性如圖所示第九頁，共七十一頁，2022年，8月28日

3．光照特性

光敏二極管的光照特性如圖所示，它給出了光敏二極管的光電流與照度的關(guān)系。從圖中可以看出，光敏二極管光照特性的線性好。第十頁，共七十一頁，2022年，8月28日

4．溫度特性溫度變化對光敏二極管輸出電流的影響較小，但是對暗電流的影響卻十分顯著，如圖所示。

第十一頁，共七十一頁，2022年，8月28日光敏二極管在高照度下工作時，由于亮電流比暗電流大得多，溫度影響相對來說比較小。但在低照度下工作時，因為亮電流較小，暗電流隨溫度的變化就會嚴(yán)重影響輸出信號的溫度穩(wěn)定性。因此可作如下幾點考慮：①選用硅光敏二極管，這是因為硅管的暗電流要比鍺管小幾個數(shù)量級；②在電路中采取適當(dāng)?shù)臏囟妊a償措施必將光信號進行調(diào)制，對輸出的電信號采用交流放大，利用電路中隔直電容的作用，隔斷暗電流。第十二頁，共七十一頁，2022年，8月28日

5．時間響應(yīng)特性以f頻率調(diào)制的輻射作用于PN結(jié)硅光電二極管光敏面時，PN結(jié)硅光電二極管的電流產(chǎn)生要經(jīng)過下面3個過程：

1)在PN結(jié)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光生載流子渡越結(jié)區(qū)的時間，稱為漂移時間記為；2)在PN結(jié)區(qū)外產(chǎn)生的光生載流子擴散到PN結(jié)區(qū)內(nèi)所需要的時間，稱為擴散時間記為τp；3)由PN結(jié)電容Cj和管芯電阻Ri及負(fù)載電阻RL構(gòu)成的RC延遲時間。

設(shè)載流子在結(jié)區(qū)內(nèi)的漂移速度為vd，PN結(jié)區(qū)的寬度為W，載流子在結(jié)區(qū)內(nèi)的最長漂移時間為

第十三頁，共七十一頁，2022年，8月28日（4-5）

一般的PN結(jié)硅光電二極管，內(nèi)電場強度Ei都在105V/cm以上，載流子的平均漂移速度要高于107cm/s，PN結(jié)區(qū)的寬度常在100μm左右，由式（4-5）可知漂移時間，為ns數(shù)量級。

對于PN結(jié)硅光電二極管，入射輻射在PN結(jié)勢壘區(qū)以外激發(fā)的光生載流子必須經(jīng)過擴散運動到勢壘區(qū)內(nèi)才能在內(nèi)建電場作用，并分別拉向P區(qū)與N區(qū)。載流子的擴散運動往往很慢，因此，擴散時間τp很長，約為100ns，它是限制PN結(jié)硅光電二極管時間響應(yīng)的主要因素。

另一個因素是PN結(jié)電容Cj和管芯電阻Ri及負(fù)載電阻RL構(gòu)成的時間常數(shù)τRC，τRC為

第十四頁，共七十一頁，2022年，8月28日（4-6）

普通PN結(jié)硅光電二極管的管芯內(nèi)阻Ri約為250Ω，PN結(jié)電容Cj常為幾個Pf，在負(fù)載電阻RL低于500Ω時，時間常數(shù)也在ns數(shù)量級。但是，當(dāng)負(fù)載電阻RL很大時，時間常數(shù)將成為影響硅光電二極管時間響應(yīng)的一個重要因素，應(yīng)用時必須注意。由以上分析可見，影響PN結(jié)硅光電二極管時間響應(yīng)的主要因素是PN結(jié)區(qū)外載流子的擴散時間τp，如何擴展PN結(jié)區(qū)是提高硅光電二極管時間響應(yīng)重要措施。增高反向偏置電壓會提高內(nèi)建電場的強度，擴展PN結(jié)的耗盡區(qū)，但是反向偏置電壓的提高也會加大結(jié)電容，使RC時間常數(shù)τRC增大。因此，必須從PN結(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面考慮如何在不使偏壓增大的情況下使耗盡區(qū)擴展到整個PN結(jié)器件，才能消除擴散時間。

第十五頁，共七十一頁，2022年，8月28日硅光敏二極管的上升時間響應(yīng)速度很快，因此，硅光敏二極管適合于要求快速響應(yīng)或人射光調(diào)制頻率較高的場合。第十六頁，共七十一頁，2022年，8月28日6.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。

散粒噪聲是由于電流在半導(dǎo)體內(nèi)的散粒效應(yīng)引起的，它與電流的關(guān)系

(4-7)

光電二極管的電流應(yīng)包括暗電流Id、信號電流Is和背景輻射引起的背景光電流Ib，因此散粒噪聲應(yīng)為(4-8)第十七頁，共七十一頁，2022年，8月28日

根據(jù)電流方程，并考慮反向偏置情況，光電二極管電流與入射輻射的關(guān)系，得到(4-9)再考慮負(fù)載電阻RL的熱噪聲

(4-10)

目前，用來制造PN結(jié)型光電二極管的半導(dǎo)體材料主要有硅、鍺、硒和砷化鎵等，用不同材料制造的光電二極管具有不同的特性。

第十八頁，共七十一頁，2022年，8月28日光敏二極管的型號參數(shù)第十九頁，共七十一頁，2022年，8月28日第二十頁，共七十一頁，2022年，8月28日光敏二極管主要用于可見光和近紅外光探測器，以及光電轉(zhuǎn)換的自動控制儀器、觸發(fā)器、光電耦合、編碼器、特性識別、過程控制和激光接收等方面。其他型號的光敏二極管（如2CU1—2CU4），可用于可見光及近紅外光的接收、自動控制儀器和電氣設(shè)備的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。而2CU80型為低照度寬光譜光敏二極管，可用于多段亮度計和地物光譜儀及微弱光的探測。第二十一頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.1.3其他類型的光生伏特器件

1PIN型光電二極管

為了提高PN結(jié)硅光電二極管的時間響應(yīng)，消除在PN結(jié)外光生載流子的擴散運動時間，常采用在P區(qū)與N區(qū)之間生成I型層，構(gòu)成如圖4-6（a）所示的PIN結(jié)構(gòu)光電二極管，PIN結(jié)構(gòu)的光電二極管與PN結(jié)型的光電二極管在外形上沒有什么區(qū)別，都如圖4-6（b）所示。

PIN光電二極管在反向電壓作用下，耗盡區(qū)擴展到整個半導(dǎo)體，光生載流子只產(chǎn)生漂移電流，因此，它的時間響應(yīng)只取決于τ與τ，在10-9s左右。

drRC第二十二頁，共七十一頁，2022年，8月28日2雪崩光電二極管

PIN光電二極管提高了PN結(jié)光電二極管的時間響應(yīng)，但未能提高器件的光電靈敏度，為了提高光電二極管的靈敏度，人們設(shè)計了雪崩光電二極管，使光電二極管的光電靈敏度提高到需要的程度。

1）.結(jié)構(gòu)

圖4-7（a）所示為在P型硅基片上擴散雜質(zhì)濃度大的N+層，制成P型N結(jié)構(gòu)；圖4-7（b）所示為在N型硅基片上擴散雜質(zhì)濃度大的P+層，制成N型P結(jié)構(gòu)的雪崩光電二極管；圖4-7（c）所示為PIN型雪崩光電二極管。

第二十三頁，共七十一頁，2022年，8月28日

由于PIN型光電二極管在較高的反向偏置電壓的作用下耗盡區(qū)擴展到整個PN結(jié)結(jié)區(qū)，形成自身保護（具有很強的抗擊穿功能），因此，雪崩光電二極管不必設(shè)置保護環(huán)。

市場上的型雪崩光電二極管基本上都是PIN型雪崩光電二極管。

第二十四頁，共七十一頁，2022年，8月28日2）.工作原理

雪崩光電二極管為具有內(nèi)增益的一種光生伏特器件。它利用光生載流子在強電場內(nèi)的定向運動，產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)獲得光電流的增益。

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)，這時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

（4-11）

式中，I為倍增輸出的電流，I0為倍增前輸出的電流。

第二十五頁，共七十一頁，2022年，8月28日

雪崩倍增系數(shù)M與碰撞電離率有密切的關(guān)系。碰撞電離率表示一個載流子在電場作用下，漂移單位距離所產(chǎn)生的電子—空穴對數(shù)目。實際上電子電離率α和空穴電離率α是不完全一樣的，它們都與電場強度有密切關(guān)系。由實驗確定，電離率與電場強度E可以近似的寫成以下關(guān)系

np（4-12）

式中,A、b、m都為與材料有關(guān)系數(shù)。

假定α=α=α?xí)r，可以推導(dǎo)出倍增系數(shù)與電離率的關(guān)系為

np（4-13）

XD為耗盡層的寬度。上式表明，當(dāng)

（4-14）

第二十六頁，共七十一頁，2022年，8月28日

在強電場作用下，當(dāng)通過耗盡區(qū)的每個載流子平均能產(chǎn)生一對電子—空穴時，就發(fā)生雪崩擊穿現(xiàn)象。當(dāng)M—∞時，PN結(jié)上所加的反向偏壓就是雪崩擊穿電壓UBR。

實驗發(fā)現(xiàn)，在略低于擊穿電壓時，也發(fā)生雪崩倍增現(xiàn)象，不過M較小，這時M隨反向偏壓U的變化可用經(jīng)驗公式近似表示

從圖4-8所示的伏-安特性曲線可以看出，在雪崩擊穿點附近電流隨偏壓變化的曲線較陡，當(dāng)反向偏壓有較小變化時，光電流將有較大變化。

第二十七頁，共七十一頁，2022年，8月28日3）.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，碰撞后的運動方向更是隨機的，所以它的噪聲比一般光電二極管要大些。在無倍增的情況下，其噪聲電流主要為如式（4-7）所示的散粒噪聲。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算。

（4-16）

式中指數(shù)n與雪崩光電二極管的材料有關(guān)。對于鍺管，n=3；對于硅管為2.3<n<2.5。顯然，由于信號電流按M倍增加，而噪聲電流按Mn/2倍增加。因此，隨著M增加，噪聲電流比信號電流增加得更快。

第二十八頁，共七十一頁，2022年，8月28日光敏二極管的應(yīng)用1、光電路燈控制電路第二十九頁，共七十一頁，2022年，8月28日如圖給出一個路燈的自動控制電路。從圖可知，在無光射時，光敏二極管（反向）截止，電阻尼上的壓降VA很小，則晶體管TI截止T2截止，繼電器1不動作，路燈保持亮。有光照射時，光敏管產(chǎn)生光電流IL，R電壓下降，VA上升，光強達(dá)到某一值時T1導(dǎo)通，T2導(dǎo)通。J動作常閉端打開，使路燈滅。即白天燈滅，晚上燈亮，起到了自動控制的作用。第三十頁，共七十一頁，2022年，8月28日

2．光強測量電路第三十一頁，共七十一頁，2022年，8月28日

圖為由穩(wěn)壓管、光敏二極管和電橋組成的測量電路。無光照時，VA很大，F(xiàn)ET導(dǎo)通，調(diào)整Rw，使電橋平衡，即指針為0。有光照時，光敏管產(chǎn)生IL，A點電位VA降降，R2上電流下降，VB減??；光照不同IL不同，VA不同，R2上壓降不同，光強可以通過電流計讀數(shù)顯示出來。第三十二頁，共七十一頁，2022年，8月28日3光位置傳感器的結(jié)構(gòu)原理

光位置傳感器是一種硅光電二極管，它利用光線來檢測位置，其工作原理如圖2．46所示。當(dāng)光線照射到硅光電二極管的某一位置時，結(jié)區(qū)的光電子向N層漂移，空穴向P層漂移。到達(dá)P層的空穴分成兩部分：一部分沿表面電阻R1流向1端，形成光電流IL；另一部分沿著表面電阻R。流向2端形成光電流IZ。當(dāng)電阻層均勻分布時，

則

故只要測出IL和IZ就可以求得光照射的位置。第三十三頁，共七十一頁，2022年，8月28日光位置傳感器同樣適用二維位置檢測，其原理如圖所示，a人極用于檢測x方向，a’b’極用于檢測y方向。目前該光位置傳感器能測定的面積為13x13mm2。第三十四頁，共七十一頁，2022年，8月28日光敏三極管的工作原理和結(jié)構(gòu)光敏三極管具有兩個PN結(jié)，因而可以獲得電流增益，具有比光敏二極管更高的靈敏度，其結(jié)構(gòu)和電路如圖2．9所示。光敏三極管按圖所示的電路連接時，它的集電結(jié)反向偏置，發(fā)射結(jié)正向偏置。當(dāng)光線通過透明窗口照射集電結(jié)時，和光敏二極管相似，在PN結(jié)附近產(chǎn)生電子一空穴對，它們在內(nèi)電場作用下作定向運動，形成光電流，并造成基區(qū)中空穴的積累，于是發(fā)射區(qū)中的電子大量注人基區(qū)。由于基區(qū)很薄，只有一小部分從發(fā)射區(qū)注人的電子與基區(qū)的空穴復(fù)合，而大部分電子將穿過基區(qū)流向與電源正極相接的集電極，形成集電極電流人。由于光照所產(chǎn)生的光電流相當(dāng)于普通三極管的基極電流，因此集電極電流是原始光電流的β倍。第三十五頁，共七十一頁，2022年，8月28日光敏三極管的基本特性1光譜特性光敏三極管的光譜特性與光敏二極管相似，要考慮光譜匹配。2．伏安特性光敏三極管的伏安特性如圖所示，從圖中可以看出：①在無偏壓時，光敏三極管仍有光電流輸出，這是由光敏管的光電效應(yīng)性質(zhì)所決定的；②光敏三極管的光電流比同樣照度下的光敏二極管要大β倍；③光敏三極管在不同照度下的輸出特性和一般三極管在不同基極電流時的輸出特性一樣，因而只要把人射光的光照變化看成基極電流的變化，就可把光敏三極管看成三極管。第三十六頁，共七十一頁，2022年，8月28日

3．光照特性光敏三極管的光照特性如圖所示，它給出了光敏三極管的光電流與照度的關(guān)系。從圖中可以看出，光敏三級管光照特性的線性沒有二極管的好，而且在照度小時，光電流隨照度的增加而增加得較小，即其起始要慢。當(dāng)光照足夠大時，輸出電流又有飽和現(xiàn)象（圖中未畫出）。這是由于三極管的電流放大倍數(shù)β在小電流和大電流時都下降的緣故。第三十七頁，共七十一頁，2022年，8月28日

4、溫度特性

t增大，Id增大，信號電流增大

5．響應(yīng)特性硅光敏三極管的上升時間tr＜3us，可見三極管的響應(yīng)速度比二極管的慢得多，相差幾個數(shù)量級。因此，在要求快速響應(yīng)的場合應(yīng)選用硅光敏二極管。第三十八頁，共七十一頁，2022年，8月28日光敏三極管的型號參數(shù)用N型硅材料為襯底制作的光敏晶體管為NPN型結(jié)構(gòu)，稱3DU；用P型硅材料為襯底制作的光敏晶體管為PNP型結(jié)構(gòu)，稱3CU。第三十九頁，共七十一頁，2022年，8月28日

ZL型硅光敏三極管，它是一種光譜響應(yīng)范圍很寬的光敏管，對藍(lán)紫光比較靈敏，對近紫外光也有一定的響應(yīng)，同時對黃、綠、紅光，以及近紅外光也很靈敏?？捎糜诙嗖ㄕ斩扔嫛⒐怆妭髡鏅C、近紫外光探測裝置等。第四十頁，共七十一頁，2022年，8月28日光敏三極管的應(yīng)用

1．脈沖編碼器第四十一頁，共七十一頁，2022年，8月28日

V為24V電源電壓，V0為輸出電壓，N為光柵轉(zhuǎn)盤上總的光柵輻條數(shù)，R1和R2為限流電阻器，而A和B則分別是光敏二極管的發(fā)射端和光敏三極管的接收端。當(dāng)轉(zhuǎn)軸受外部因素的影響而以某一轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)動時。光柵轉(zhuǎn)盤也隨著以同樣的速度轉(zhuǎn)動。所以，在轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動一圈的時間內(nèi)，接收端將接收到N個光信號，從而在其輸出端輸出N個電脈沖信號。由此可知，脈沖編碼器輸出的電信號V0的頻率f是由轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速n（圈/秒）確定的。于是有f＝nN

該式?jīng)Q定了脈沖編碼器輸出信號的頻率f與轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。第四十二頁，共七十一頁，2022年，8月28日2．光電轉(zhuǎn)速傳感器第四十三頁，共七十一頁，2022年，8月28日上圖是光電數(shù)字轉(zhuǎn)速表的工作原理圖。圖a）是透光式，在待測轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔的調(diào)置盤，在調(diào)置盤一邊由白熾燈產(chǎn)生恒定光，透過盤上小孔到達(dá)光敏二極管或光敏三極管組成的光電轉(zhuǎn)換器上，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號，經(jīng)過放大整形電路輸出整齊的脈沖信號，轉(zhuǎn)換通過該脈沖頻率測定。圖b）是反光式，在待測轉(zhuǎn)速的盤上固定一個涂上黑白相間條紋的圓盤，它們具有不同的反射信號，轉(zhuǎn)換成電脈沖信號。

轉(zhuǎn)速每分n與脈沖頻率f的關(guān)系式為

n＝f/Nx60式中N為孔數(shù)或黑白條紋數(shù)目。第四十四頁，共七十一頁，2022年，8月28日第四十五頁，共七十一頁，2022年，8月28日BG1為光敏三極管，當(dāng)光線照射BG1時，產(chǎn)生光電流，使R1上壓降增大，導(dǎo)致晶體管BG2導(dǎo)通，觸發(fā)由晶體BG3和BG4組成的射極耦合觸發(fā)器，使U0為高電位。反之，U0為低電位。該脈沖信號可送到計數(shù)電路計數(shù)。第四十六頁，共七十一頁，2022年，8月28日3、光電式煙塵濃度計第四十七頁，共七十一頁，2022年，8月28日光源出發(fā)的光線經(jīng)半透半反鏡分成兩束強度相等的光線，一路光線直接到達(dá)光敏三極管7上，產(chǎn)生作為被測煙塵濃度的參比信號。另一路光線穿過破測煙塵到達(dá)光敏三極管6上，其中一部分光線被煙塵吸收或折射，煙塵濃度越高，光線的衰減量越大，到達(dá)光敏三極管6的光通量就越小。兩路光線均轉(zhuǎn)換成電壓信號U1、U2，由運算器8計算出U1、U2的比值，并進一步算出被測煙塵的濃度。采用半透半反鏡3及光敏三極管7作為參比通道的好處是：當(dāng)光源的光通量由于種種原因有所變化或因環(huán)境溫度變化引起光敏三極管靈敏度發(fā)生改變時，由于兩個通道結(jié)構(gòu)完全一樣，所以在最后運算U1/U2值時，上述誤差可自動抵消，減小了測量誤差。根據(jù)這種測量方法也可以制作煙霧報警器，從而及時發(fā)現(xiàn)火災(zāi)。第四十八頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.3.3色敏光生伏特器件

色敏光生伏特器件是根據(jù)人眼視覺的三原色原理，利用不同結(jié)深PN結(jié)光電二極管對不同波長光譜靈敏度的差別，實現(xiàn)對彩色光源或物體進行顏色的測量。色敏光生伏特器件具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕，變換電路容易掌握，成本低等特點被廣泛應(yīng)用于顏色測量與顏色識別等領(lǐng)域。例如彩色印刷生產(chǎn)線中色標(biāo)位置的判別，顏料、染料的顏色測量與判別，彩色電視機熒光屏彩色的測量與調(diào)整等等，是一種非常有發(fā)展前途的新型半導(dǎo)體光電器件。

第四十九頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.3.1雙色硅色敏器件的工作原理

雙色硅色敏光傳感器的結(jié)構(gòu)和等效電路如圖4-19所示。它是在同一硅片上制作兩個深淺不同PN結(jié)的光電二極管PD1和PD2組成的。

淺PN結(jié)的PD1的光譜響應(yīng)峰值在藍(lán)光范圍，深結(jié)PD2的光譜響應(yīng)峰值在紅光范圍。

第五十頁，共七十一頁，2022年，8月28日在圖中所表示不是晶體管，而是結(jié)深不同的兩個PN結(jié)管，淺結(jié)的二極管是P+N結(jié)；深結(jié)的二極管是PN結(jié)。當(dāng)有人射光照射時，P+NP三個區(qū)域及其間的勢壘區(qū)中都有光子吸收，但效果不同。如上所述，紫外光部分吸收系數(shù)大，經(jīng)過很短距離已基本吸收完畢。在此，淺結(jié)的即是光電二極管對紫外光的靈敏度高；而紅外部分吸收系數(shù)較小，這類波長的光子則主要在深結(jié)區(qū)被吸收。因此，深結(jié)的那只光電二極管對紅外光的靈敏度較高。這就是說，在半導(dǎo)體中不同的區(qū)域?qū)Σ煌牟ㄩL分別具有不同的靈敏度。這一特性給我們提供了將這種器件用于顏色識別的可能性，也就是可以用來測量入射的波長。將兩只結(jié)深不同的光電二極管組合，就構(gòu)成了可以測定波長的半導(dǎo)體色敏傳感器。在具體應(yīng)用時，應(yīng)先對該色敏器件進行標(biāo)定。也就是說,測定不同波長的光照射下，該器件中兩只光電二極管短路電流的比值ISD2/,ISD1是淺結(jié)二極管的短路電流，它在短波區(qū)較大。ISD2是深結(jié)二極管的短路電流，它在長波區(qū)較大。因而二者的比值與人射單色光波長的關(guān)系就可以確定。根據(jù)標(biāo)定的曲線，實測出某一單色光時的短路電流比值，即可確定該單色光的波長。第五十一頁，共七十一頁，2022年，8月28日

雙結(jié)光電二極管用雙結(jié)光電二極管測量顏色時，通常測量兩個光電二極管的短路電流比（ISC2/ISC1）與入射波長的關(guān)系（如圖4-21所示），從關(guān)系曲線中不難看出，每一種波長的光都對應(yīng)于一個短路電流比值，根據(jù)短路電流比值判別入射光的波長，達(dá)到識別顏色的目的。第五十二頁，共七十一頁，2022年，8月28日基本特性

1．光譜特性色敏光電器件的光譜特性是表示它所能檢測的波長范圍，不同型號之間略有差別。下圖給出了國產(chǎn)CS－1型色敏光電器件的光譜特性，其波長范圍是400nm—1000nm。第五十三頁，共七十一頁，2022年，8月28日2．短路電流比一波長特性短路電流比一波長特性是表征半導(dǎo)體色敏器件對波長的識別能力，是賴以確定被測波長的基本特性。圖2．44b）表示上述CS1型色敏光電器件的短路電流比一波長特性曲線。3．溫度特性由于色敏光電器件測定的是兩只光電二極管短路電流之比，而這兩只光電二極管是做在同一塊材料上的，具有相同的溫度系數(shù)。這種內(nèi)部補償作用使色敏光電器件的短路電流比對溫度不十分敏感，所以通?？刹豢紤]溫度的影響。第五十四頁，共七十一頁，2022年，8月28日色敏光電傳感器的應(yīng)用1、單色典型色彩信號處理電路第五十五頁，共七十一頁，2022年，8月28日

圖2－45所示為檢測光波長（即顏色）處理電路。它由色敏光電傳感器、兩路對數(shù)電路及運算放大器OP構(gòu)成2、混合色識別電路可以識別混合色光的3色色敏光電器件。圖4-23為非晶硅集成色敏器件的結(jié)構(gòu)示意圖。

第五十六頁，共七十一頁，2022年，8月28日它是在一塊非晶硅基片上制作3個檢測元件，并分別配上R、G、B濾色片，得到如圖4-24所示的近似于1931CE-RGB系統(tǒng)光譜3刺激值曲線，通過R、G、B輸出電流的比較，即可識別物體的顏色。

第五十七頁，共七十一頁，2022年，8月28日

圖4-25為一種典型硅集成三色色敏器件的顏色識別電路方框圖。從標(biāo)準(zhǔn)光源光發(fā)出的光，經(jīng)被測物反射，投射到色敏傳感器后，RGB3個敏感元件輸出不同的光電流。經(jīng)運算放大器放大、A／D轉(zhuǎn)換后，將變換后的數(shù)字信號輸入到微處理器中。

測量前應(yīng)對放大器進行調(diào)整，使標(biāo)準(zhǔn)光源發(fā)出的光，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)白板反射后，照到色敏器件上時應(yīng)滿足。

第五十八頁，共七十一頁，2022年，8月28日3.4光電池光電池的概念及分類1、光電池：是一種不需加偏置電壓就能把光能直接轉(zhuǎn)換成電能的PN結(jié)光電器件。2、按功用分類：（1）太陽能光電池：作用：向負(fù)載提供電源要求：轉(zhuǎn)換效率高，成本低。特點：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、高可靠性、壽命長、可在空間直接將太陽能轉(zhuǎn)換成電能。用途：航天工業(yè)、日用便攜電器、供電困難場所（2）測量光電池作用：光電探測，即在不加偏置情況下將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。要求：線性范圍寬、靈敏度高、光譜響應(yīng)合適、穩(wěn)定性高、壽命長。用途：被應(yīng)用于光度、色度、光學(xué)精密計量和測試設(shè)備中第五十九頁，共七十一頁，2022年，8月28日

3．4．1光電池的工作原理和結(jié)構(gòu)硅光電池是在一塊N型硅片上，用擴散的方法摻入一些P型雜質(zhì)（例如硼）形成PN結(jié)，如圖所示。入射光照射在PN結(jié)上時，若光子能量協(xié)大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度EU則在PN結(jié)內(nèi)產(chǎn)生電子一空穴對，在內(nèi)電場的作用下，空穴移向P型區(qū)，電子移向N型區(qū)，使P型區(qū)帶正電，N型區(qū)帶負(fù)電，因而PN結(jié)產(chǎn)生電勢。硒光電池是在鋁片上涂硒；再用濺射的工藝，在硒層上形成一層半透明的氧化鎘。在正反兩面噴上低溶合金作為電極，如圖所示。在光線照射下，鎘材料帶負(fù)電，硒材料上帶正電，形成光電流或光電勢。第六十頁，共七十一頁，2022年，8月28日光電池的基本特性1、光電池的光譜特性硒光電池和硅光電池的光譜特性曲線，如圖2．28所示。從曲線上可以看出，不同的光電池，光譜峰值的位置不同。例如硅光電池在8000A附近，硒光電池在5400A附近。硅光電池的光譜范圍廣，即為4500A－11000A之間，硒光電池的光譜范圍為3400A－7500A。因此硒光電池適用于可見光，常用于照度計測定光的強度。在實際使用中，應(yīng)根據(jù)光源性質(zhì)來選擇光電池；反之，也可以根據(jù)光電池特性來選擇光源。例如硅光電池對于白熾燈在溫度為2850K時，能夠獲得最佳的光譜響應(yīng)；但是要注意，光電池光譜值位置不僅和制造光電池的材料有關(guān)，同時也和制造工藝有關(guān)，而且也隨著使用溫度的不同而有所移動。第六十一頁，共七十一頁，2022年，8月28日第六十二頁，共七十一頁，2022年，8月28日

2．光電池的光照特性光電池在不同的光強照射下可產(chǎn)生不同的光電流和光生電動勢。硅光電池的光照特性曲線如圖所示。從曲線可以看出，短路電流在很大范圍內(nèi)與光強成線性關(guān)系。開路電壓隨光強變化是非線性的，并且當(dāng)照度在2000lm時就趨于飽和了。因此把光電池作為測量元件時，應(yīng)把它當(dāng)做電流源的形式來使用，不宜用作電壓源。第六十三頁，共七十一頁，2022年，8月28日所謂光電池的短路電流，是反映外接負(fù)載電阻相對于光電池內(nèi)阻很小時的光電流。而光電池的內(nèi)阻是隨著照度增加而減小的，所以在不同照度下可用大小不同的負(fù)載電阻力近似“短路”條件。從實驗中知道，負(fù)載電阻越小，光電流與照度之間的線性關(guān)系越好，且線性范圍越寬。對于不同的負(fù)載電阻，可以在不同的照度范圍內(nèi)，使光電流與光強保持線性關(guān)系。所以應(yīng)用光電池作測量元件時，所用負(fù)載電阻的大小，應(yīng)視光強的具體情況而定?？傊?fù)載電越小越好。第六十四頁，共七十一頁，2022年，8月28日

3·光電池的頻率特性光電池在作為測量、計數(shù)、接收元件時，常用交變光照。光電池的頻率特性就是反映光的交變頻率和光電池輸出電流的關(guān)系，如圖2．30所示。從曲線可以看出，硅光電池有很