光電技術(shù)第3章第2節(jié)

3.3光生伏特器件的偏置電路（重點(diǎn)掌握）3.3.1反向偏置電路（以光電二極管為例）光生伏特器件在反向偏置狀態(tài)，PN結(jié)勢(shì)壘區(qū)加寬，有利于光生載流子的漂移運(yùn)動(dòng)，使光生伏特器件的線性范圍和光電變換的動(dòng)態(tài)范圍加寬。

1.反向偏置電路的輸出特性在如圖3-40所示的反向偏置電路中，

時(shí)，流過負(fù)載電阻RL的電流IL為2.輸出電流、電壓與輻射量間的關(guān)系反向偏置電路的光電二極管兩端的電壓與入射輻射量的關(guān)系為負(fù)載電阻上輸出電壓變化量△UL為:光電二極管反向偏置電路輸出特性曲線MD確定直流負(fù)載線光伏探測(cè)器光電變換電路的參數(shù)計(jì)算1反偏下光電二極管的偏置電路分析與計(jì)算（緩變光輻射，靜態(tài)計(jì)算）（1）圖解法MMMD（2）解析法(了解)折線化伏安特性可用下列參數(shù)確定：轉(zhuǎn)折電壓U0：對(duì)應(yīng)曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的電壓值。初始電導(dǎo)G0：對(duì)應(yīng)非線性部分直線的初始斜率。結(jié)間漏電導(dǎo)G:是線性工作區(qū)間內(nèi)各平行直線的平均斜率。光電靈敏度：?jiǎn)挝惠斎牍庹斩人鸬墓怆娏髦怠９夥綔y(cè)器光電變換電路的參數(shù)計(jì)算2光生電勢(shì)型探測(cè)電路的靜態(tài)計(jì)算（緩變光輻射）光伏探測(cè)器光電變換電路的參數(shù)計(jì)算（1）無反偏的光電池電路Pm=Im

Um=(0.6~0.7)UocIpS例:光電池在光照度為100lx時(shí),開路電壓VOC=180mv,ISC=80μA,求在由50lx增加到200lx時(shí),為保證線性輸出所需最佳負(fù)載電阻值和輸出電壓變化量;若加有反偏壓Vb=0.3V,允許選用的負(fù)載電阻RL=?輸出電壓△V=?光伏探測(cè)器光電變換電路的參數(shù)計(jì)算*3（了解）反偏下光電二極管的偏置電路分析與計(jì)算（交變光輻射關(guān)鍵確定動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)）首先要確定在交變信號(hào)作用下電路的最佳工作狀態(tài)。要使在交流光信號(hào)作用下，輸入到后級(jí)放大器的信號(hào)電壓最大，必須使交流負(fù)載線通過拐點(diǎn)M。首先要建立直流工作點(diǎn)以獲得最大的功率輸出，且輸入電路與后續(xù)電路通常由阻容連接等方式耦合。后續(xù)電路的等效輸入阻抗將和輸入的直流負(fù)載電阻相并聯(lián)組成交流負(fù)載線。*4（了解）光電池交流檢測(cè)電路例3-1用2CU2D光電二極管探測(cè)激光器輸出的調(diào)制信號(hào)φe,λ=20+5sinωt（μW）的輻射通量時(shí)，若已知電源電壓為15V，2CU2D的光電流靈敏度Si=0.5μA/μW，結(jié)電容Cj=3pF，引線分布電容Ci=7pF，試求負(fù)載電阻RL=2MΩ時(shí)該電路的偏置電阻RB為多少？并計(jì)算輸出最大電壓信號(hào)情況下的最高截止頻率為多少？解首先找出入射輻射的峰值φm

φm=20+5=25μW再求出2CU2D的最大輸出光電流ImIm=Siφm=12.5(μA)設(shè)負(fù)載電阻輸出最大電壓信號(hào)時(shí)的偏置電阻為RB，則RB∥RL=Ubb/Im=1.2MΩ3.光電三極管反向偏置電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算于是可以求出偏置電阻為RB值RB=3MΩ此時(shí)，最大輸出電壓時(shí)的最高截止頻率fb為

反向偏置電路常用圖解法，根據(jù)光電三極管（或光伏器件）的反向偏置電路圖與其輸出特性曲線，可以求解出任何入射輻射作用下的輸出電壓信號(hào)。也可以根據(jù)題目的要求，設(shè)計(jì)出偏置電路的各種參數(shù)。例3-2已知某光電三極管的伏安特性曲線如圖3-42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=95lmφmin=55－40=15lm在特性曲線中畫出光通量的變化波形，補(bǔ)充必要的特性曲線。UbbUce再根據(jù)題目對(duì)輸出信號(hào)電壓的要求，確定光電三極管集電極電壓的變化范圍，本題要求輸出5V，指的是有效值，集電極電壓變化范圍應(yīng)為雙峰值。即

根據(jù)偏置電路可知，入射為最大時(shí)輸出電壓應(yīng)最小，但不能進(jìn)入飽和區(qū)。為此，在特性曲線的“拐點(diǎn)”右側(cè)找一點(diǎn)“A”并做垂線交橫軸于“C”點(diǎn)，從“C”向右量14V，找“D”點(diǎn)。由“D”做垂線交入射為最小的特性曲線與“B”。通過“A”、“B”做直線，此線即為負(fù)載線。由負(fù)載線可以得到負(fù)載電阻RL和電源電壓Ubb。顯然，“C”點(diǎn)電壓為3.7V，“D”點(diǎn)電壓為17.7V。電源電壓Ubb近似為19V，取標(biāo)稱電壓20V。電源電壓Ubb取標(biāo)稱電壓20V后可以適當(dāng)?shù)匦拚?fù)載線。根據(jù)入射光通量正弦變化關(guān)系可以在特性曲線的電壓坐標(biāo)軸上畫出輸出信號(hào)的波形如圖所示。由輸出波形可以看出入射輻射與輸出電壓信號(hào)為反向關(guān)系。3.3.2零伏置電路（自偏置電路，負(fù)載電阻為零）圖中Isc為短路光電流，Ri為光生伏特器件的內(nèi)阻，集成運(yùn)算放大器的開環(huán)放大倍數(shù)Ao很高，使得放大器的等效輸入電阻很低，光生伏特器件相當(dāng)于被短路。即反饋電阻Rf很高，電路的放大倍率和靈敏度都很大。3.2.6光伏器件組合器件光伏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伏器件陣列。它廣泛應(yīng)用于光電跟蹤、光電準(zhǔn)值、圖像識(shí)別和光電編碼等應(yīng)用中。用光電組合器件代替由分立光伏器件組成的變換裝置，不僅具有光敏點(diǎn)密集量大，結(jié)構(gòu)緊湊，光電特性一致性好，調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)，而且它獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以完成分立元件無法完成的檢測(cè)工作。1、象限陣列光伏器件組合件（象限探測(cè)器）：準(zhǔn)直、定位及跟蹤等方面）象限探測(cè)器的缺點(diǎn)：1、需要分割，從而產(chǎn)生死區(qū)，尤其當(dāng)光斑很小時(shí)，死區(qū)的影響更明顯。2、若被測(cè)光斑全部落入某個(gè)象限時(shí)，輸出的電信號(hào)無法表示光斑位置，因此其測(cè)量范圍及控制范圍都不大。3、測(cè)量精度與光強(qiáng)變化及漂移密切相關(guān)，因此其分辨率及精度受到限制。2、線陣列光伏器件組合件3、楔環(huán)陣列組合件（光學(xué)功率譜探測(cè)）3.2.7光電位置敏感器件（PSD）

(基于光生伏特器件的橫向效應(yīng)器件)PSD是利用離子注入技術(shù)制成的一種可確定光的能量中心位置的結(jié)型光電器件，有一維的和二維的兩種。當(dāng)入射光是一個(gè)小光斑，照射到光敏面時(shí)，其輸出則與光的能量中心位置有關(guān)。這種器件和象限光電器件比較，其特點(diǎn)是，它對(duì)光斑的形狀無嚴(yán)格要求，光敏面上無象限分隔線，對(duì)光斑位置可連續(xù)測(cè)量。PSD應(yīng)用于激光束的監(jiān)控（對(duì)準(zhǔn)、位移和振動(dòng)）、平面度檢測(cè)、二維位置檢測(cè)系統(tǒng)等。

3.2.7光電位置敏感器件（PSD）1.PSD器件的工作原理當(dāng)光束入射到PSD器件光敏層上距中心點(diǎn)的距離為xA時(shí)，在入射位置上產(chǎn)生與入射輻射成正比的信號(hào)電荷，此電荷形成的光電流通過電阻p型層分別由電極1與2輸出。設(shè)p型層的電阻是均勻的，兩電極間的距離為2L，流過兩電極的電流分別為I1和I2，則流過n型層上電極的電流I0為I1和I2之和。I0=I1+I2

2.一維PSD器件一維PSD器件主要用來測(cè)量光斑在一維方向上的位置或位置移動(dòng)量的裝置。圖3-34（a）為典型一維PSD器件S1543的結(jié)構(gòu)示意圖，其中1和2為信號(hào)電極，3為公共電極。它的光敏面為細(xì)長(zhǎng)的矩形條。圖3-35所示，為一維PSD位置檢測(cè)電路原理圖，光電流I1經(jīng)反向放大器A1放大后分別送給放大器A3與A4，而光電流I2經(jīng)反向放大器A2放大后也分別送給放大器A3與A4，放大器A3為加法電路，完成光電流I1與I2相加的運(yùn)算（放大器A5用來調(diào)整運(yùn)算后信號(hào)的相位）；放大器A4用作減法電路，完成光電流I2與I1相減的運(yùn)算。3.二維PSD器件（單面型和雙面型）如圖3-36（a）所示，在正方形的PIN硅片的光敏面上設(shè)置2對(duì)電極，分別標(biāo)注為Y1，Y2和X3，X4，其公共N極常接電源Ubb。二維PSD器件的等效電路如圖3-36（b）所示單面型雙面型利用PSD檢測(cè)光斑位置時(shí)，應(yīng)盡量使光點(diǎn)靠近器件中心。3.4半導(dǎo)體光電器件的特性參數(shù)

與選擇問題3.4.1半導(dǎo)體光電器件的特性參數(shù)比較1、光電變換的線性：按線性由好到壞排列：光電二極管、光電池、光電三極管、復(fù)合光電三極管、光敏電阻2、動(dòng)態(tài)范圍：線性動(dòng)態(tài)范圍，反偏光電二極管線性動(dòng)態(tài)范圍最好，其次是光電池、光電三極管，光敏電阻；光敏電阻的非線性動(dòng)態(tài)范圍寬。3、靈敏度：光敏電阻的靈敏度最高，其次是雪崩光電二極管、光電三極管，光電二極管的靈敏度最低。4、時(shí)間響應(yīng)：PIN與APD響應(yīng)時(shí)間最快，其次是光電三極管、復(fù)合光電三極管和光電池，光敏電阻的時(shí)間響應(yīng)最慢。5、光譜響應(yīng)：光敏電阻的光譜響應(yīng)最寬（尤其是紅外波段的光敏電阻）。6、供電電源與應(yīng)用的靈活性光敏電阻無極性，可用于交、直流電源；光電池可不加偏壓，但線性差；其它光伏器件要加反偏。7、暗電流與噪聲：光電二極管的暗電流最小，光敏電阻及其它光伏器件的暗電流較大。具有高放大倍率的復(fù)合光電三極管與面積較大的光電池的噪聲最大。

3.4.1半導(dǎo)體光電器件的特性參數(shù)比較1、光電器件必須和輻射源及光學(xué)系統(tǒng)在光譜上實(shí)現(xiàn)匹配。2、光電器件的光電轉(zhuǎn)換特性或動(dòng)態(tài)范圍必須與光信號(hào)的入射輻射能量相匹配。3、光電器件的時(shí)間響應(yīng)特性必須與光信號(hào)的調(diào)制形式、信號(hào)頻率及波形相匹配，以確保變換后的信號(hào)不產(chǎn)生由于頻率失真引起的輸出波形失真。4、光電器件與變換電路必須與應(yīng)用電路的輸入阻抗良好匹配。5、必須注意選擇器件的參數(shù)和使用環(huán)境。3.4.2半導(dǎo)體光電器件的選用原則作業(yè)P74:3.83.93.103.11(Uz=1.0v，Ubb=12v)3.183.18、在圖3-47所示的光電變換電路中，若已知3DU2的電流靈敏度SI