《光電子技術(shù)基礎(chǔ)》課件第5章

5.1光電探測器的物理效應(yīng)5.2光電探測器的特性參數(shù)5.3光電導(dǎo)探測器——光敏電阻5.4光伏探測器5.5硅光電池——太陽電池5.6半導(dǎo)體光電二極管及三極管5.7光熱探測器5.8直接探測技術(shù)5.9光頻外差探測技術(shù)第5章光電探測技術(shù)

5.1光電探測器的物理效應(yīng)

光電探測器的物理效應(yīng)通常分為兩大類：光子效應(yīng)和光熱效應(yīng)。在每一大類中又可分為若干細(xì)項，如表5-1所示。5.1.1光子效應(yīng)和光熱效應(yīng)

在具體說明各種物理效應(yīng)之前，首先說明光子效應(yīng)和光熱效應(yīng)的物理實質(zhì)有什么不同。

所謂光子效應(yīng)，是指單個光子的性質(zhì)對產(chǎn)生的光電子起直接作用的一類光電效應(yīng)。探測器吸收光子后，直接引起原子或分子的內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。光子能量的大小，直接影響內(nèi)部電子狀態(tài)改變的大小。因為，光子能量是hν(h是普朗克常數(shù),ν是光波頻率)，所以，光子效應(yīng)就對光波頻率表現(xiàn)出選擇性，在光子直接與電子相互作用的情況下，其響應(yīng)速度一般比較快。5.1.2光電發(fā)射效應(yīng)

在光照下，物體向表面以外的空間發(fā)射電子(即光電子)的現(xiàn)象，稱為光電發(fā)射效應(yīng)。能產(chǎn)生光電發(fā)射效應(yīng)的物體稱為光電發(fā)射體，在光電管中光電發(fā)射體又稱為光陰極。

著名的愛因斯坦方程描述了該效應(yīng)的物理原理和產(chǎn)生條件。愛因斯坦方程是

(5.1.1)式(5.1.1)的物理意義是：如果發(fā)射體內(nèi)的電子所吸收的光子的能量hν大于發(fā)射體的功函數(shù)Ej的值，那么電子就能以相應(yīng)的速度從發(fā)射體表面逸出。光電發(fā)射效應(yīng)發(fā)生的條件為

(5.1.2)

用波長λ表示時有

(5.1.3)式中,大于和小于符號表示電子逸出表面的速度大于0；等號則表示電子以零速度逸出，即靜止在發(fā)射體表面上。這里νc和λc分別為產(chǎn)生光電發(fā)射的入射光波的截止頻率和截止波長。我們注意到

則有或

(5.1.4)

式中，λc的單位是nm;Ej的單位是eV?？梢姡珽j小的發(fā)射體才能對波長較長的光輻射產(chǎn)生光電發(fā)射效應(yīng)。5.1.3光電導(dǎo)效應(yīng)

金屬之所以導(dǎo)電，是由于金屬原子形成晶體時產(chǎn)生了大量的自由電子。自由電子濃度n是個常量，不受外界因素影響。半導(dǎo)體和金屬的導(dǎo)電機(jī)制完全不同，在溫度為0K時，導(dǎo)電載流子濃度為0。在溫度為0K以上時，由于熱激發(fā)而不斷產(chǎn)生熱生載流子(電子和空穴)，在擴(kuò)散過程中它們又受到復(fù)合作用而消失。在熱平衡下，單位時間內(nèi)熱生載流子的產(chǎn)生數(shù)目正好等于因復(fù)合而消失的熱生載流子的數(shù)目。因此，在導(dǎo)帶和價帶中維持著一個熱平衡的電子濃度n和空穴濃度p，它們的平均壽命分別用τn和τp表示。無論何種半導(dǎo)體材料，以下式子恒成立，即

(5.1.5)

式中，ni是相應(yīng)溫度下本征半導(dǎo)體中的本征熱生載流子濃度。這說明，N型或P型半導(dǎo)體中的電子和空穴濃度，一種濃度增大，另一種濃度減少，但絕對不會減少到0。在外電場E作用下，載流子產(chǎn)生漂移運(yùn)動，漂移速度v和E之比定義為載流子遷移率μ，即有

(5.1.6)

式中，U是外電壓，l是電壓方向的半導(dǎo)體長度。載流子的漂移運(yùn)動效果用半導(dǎo)體的電導(dǎo)率σ來描述，定義為

(5.1.7)式中，e是電子電荷量。如果半導(dǎo)體的截面積是A，則其電導(dǎo)(亦稱為熱平衡暗電導(dǎo))G為

(5.1.8)

所以半導(dǎo)體的電阻Rd(亦稱暗電阻)為

(5.1.9)光電導(dǎo)的原理圖如圖5-1所示，光照射在外加電壓的半導(dǎo)體上，如果光波長λ滿足如下條件，即

(5.1.10)圖5-1光電導(dǎo)的原理圖對于本征情況，如果光輻射每秒產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)為N，則

(5.1.11)

(5.1.12)式中，Al為半導(dǎo)體總體積；τn和τp為電子和空穴的平衡壽命。于是由式(5.1.8)有

式中，eN表示光輻射每秒激發(fā)的電荷量。另一方面，由于ΔG的增量將使外回路電流產(chǎn)生增量Δi，即

(5.1.13)式中，U是外電壓。從式(5.1.13)可見，電流增量Δi不等于每秒光激發(fā)的電荷量，于是定義

(5.1.14)

M稱為光電導(dǎo)體的電流增益。以N型半導(dǎo)體為例，可以清楚地看出它的物理意義。式(5.1.14)變?yōu)?/p>

(5.1.15)并將式(5.1.6)代入式(5.1.15)，有

(5.1.16)

式中,tn是電子在外電場作用下渡越半導(dǎo)體長度l所花費(fèi)的時間，稱為渡越時間。如果渡越時間tn小于電子平均壽命τn，則M>1，就有電流增益效果。5.1.4光伏效應(yīng)

PN結(jié)及其伏安特性如圖5-2所示。圖5-2中還給出了PN結(jié)電阻隨偏置電壓的變化曲線。PN結(jié)的伏安特性為

(5.1.17)

式中，id是暗(無光照)電流；Is0是反向飽和電流；指數(shù)因子中的e是電子電荷量；u是偏置電壓(正向偏置為正，反向偏置為負(fù))；k是玻耳茲曼常數(shù)；T是熱力學(xué)溫度。圖5-2

PN結(jié)及其伏安特性在零偏情況下，PN結(jié)的電阻R0為

(5.1.18)

此時i=0，所以PN結(jié)的開路電壓為0。

在零偏條件下如果照射光的波長λ滿足條件

(5.1.19)式中，λc的單位是μm；Ei的單位是eV?？梢?，無論光照

N區(qū)或P區(qū)，都會激發(fā)出光生電子-空穴對。例如，光照P區(qū)，光生伏特效應(yīng)如圖5-3所示。圖5-3光生伏特效應(yīng)由于P區(qū)的多數(shù)載流子是空穴，光照前熱平衡空穴濃度本來就比較大。因此光生空穴對P區(qū)空穴濃度影響很小。相反，光生電子對P區(qū)的電子濃度影響很大，從P區(qū)表面(吸收光能多、光生電子多)向區(qū)內(nèi)自然形成電子擴(kuò)散趨勢。如果P區(qū)的厚度小于電子擴(kuò)散長度，那么大部分光生電子都能擴(kuò)散進(jìn)PN結(jié)，一進(jìn)入PN結(jié)，就被內(nèi)電場掃向N區(qū)。這樣，光生電子-空穴對就被內(nèi)電場分離開來，空穴留在P區(qū)，電子通過擴(kuò)散流向N區(qū)。這時用電壓表就能測量出P區(qū)正N區(qū)負(fù)的開路電壓u0。如果用一個理想電流表接通PN結(jié)，則有電流i0通過，稱為短路光電流。顯然

(5.1.20)5.1.5溫差電效應(yīng)

當(dāng)兩種不同的配偶材料(可以是金屬或半導(dǎo)體)兩端并聯(lián)熔接時，如果兩個接頭的溫度不同，并聯(lián)回路中就產(chǎn)生電動勢，稱為溫差電動勢，在溫差電動勢的作用下，回路中就有電流流通，如圖5-4所示。圖5-4溫差電效應(yīng)5.1.6熱釋電效應(yīng)

現(xiàn)在來說明什么是熱釋電現(xiàn)象。熱電體的|Ps|決定了面電荷密度σs的大小，當(dāng)Ps發(fā)生變化時，面電荷密度也跟著變化。經(jīng)過單疇化的熱電體，保持有較大的|Ps|。這個|Ps|值是溫度的函數(shù)(如圖5-5所示)。圖5-5熱釋電效應(yīng)如果把熱釋電體放進(jìn)一個電容器極板之間，把一個電流表與電容兩端相接，就會有電流流過電流表，這個電流稱為短路熱釋電流，如果極板面積為A，則電流為

(5.1.21)5.1.7光電轉(zhuǎn)換定律

光通量(即光功率)可以理解為光子流，光子能量hν是

光能量E的基本單元；光電流是光生電荷Q的時變量；電子電荷e是光生電荷的基本單元。為此，有

(5.1.22)

(5.1.23)式中，n1和n2分別為光子數(shù)和電子數(shù)。式中所有變量都應(yīng)理解為統(tǒng)計平均量。由基本物理觀點可知，i應(yīng)該正比于P。寫成等式時，引進(jìn)一個比例系數(shù)D，即

i(t)=DP(t)(5.1.24)

式中，D又稱為探測器的光電轉(zhuǎn)換因子。把式(5.1.22)和式(5.1.23)代入式(5.1.24)，有

(5.1.25)

式中

(5.1.26)稱為探測器的量子效率，它表示探測器吸收的光子數(shù)和激發(fā)的電子數(shù)之比，它是探測器物理性質(zhì)的函數(shù)。再把式(5.1.25)代回式(5.1.24)后有

(5.1.27)

這就是基本的光電轉(zhuǎn)換定律。

5.2光電探測器的特性參數(shù)

5.2.1積分靈敏度R

積分靈敏度也常稱為響應(yīng)度，它是光電探測器光電轉(zhuǎn)換特性的量度。光電流i或光電壓u)和入射光功率P之間的關(guān)系i=f(P)稱為探測器的光電特性，靈敏度R定義為這個曲線的斜率，即

(5.2.1)

(5.2.2)5.2.2光譜靈敏度Rλ

如果把光功率P換成波長可變的光功率譜密度Pλ，由于光電探測器的光譜選擇性，因此在其他條件不變的情況下，光電流將是光波長的函數(shù)，記為iλ(或uλ)，于是光譜靈敏度Rλ定義為

(5.2.3)如果Rλ是常數(shù)，則相應(yīng)的探測器稱為無選擇性探測器(如光熱探測器)。光子探測器則是選擇性探測器。式(5.2.3)的定義在測量上是困難的，通常給出的是相對光譜靈敏度

sλ，定義為

(5.2.4)為說明R和Rλ與Sλ的關(guān)系，引入相對光譜功率密度函數(shù)fλ′，它的定義為

(5.2.5)

把式(5.2.4)和式(5.2.5)代入式(5.2.3)，只要注意到dPλ′=

Pλ′dλ′和di=iλdλ′，就有積分上式，有式中

并注意到Rim=Rλmdλ，由此可得

(5.2.6)式中

(5.2.7)

稱為光譜利用系數(shù)，它表示入射光功率能被響應(yīng)的百分比。把式(5.2.7)用圖形(如圖5-6所示)表示，就能明顯看出光電

探測器和入射光功率的光譜匹配是多么重要。5.2.3頻率靈敏度Rf(響應(yīng)頻率fc和響應(yīng)時間τ)

如果入射光是強(qiáng)度調(diào)制的，在其他條件不變下，光電流if將隨調(diào)制頻率f的升高而下降，這時的靈敏度稱為頻率靈敏度Rf，定義為

(5.2.8)

式中，if是光電流時變函數(shù)的傅里葉變換，通常

(5.2.9)式中，τ稱為探測器的響應(yīng)時間或時間常數(shù)，由材料、結(jié)構(gòu)和外電路決定，把式(5.2.9)代入式(5.2.8)，得

(5.2.10)這就是探測器的頻率特性，Rf隨f升高而下降的速度與

τ值大小關(guān)系很大。一般規(guī)定，Rf下降到時的頻率fc為探測器的截止響應(yīng)頻率或響應(yīng)頻率。從式(5.2.10)可知

(5.2.11)

當(dāng)f<fc時，認(rèn)為光電流能線性再現(xiàn)光功率P的變化。綜上所述，光電流是電壓u、光功率P、光波長λ、光強(qiáng)調(diào)制頻率f的函數(shù)，即

(5.2.12)

式中，以u,P,λ為參量的關(guān)系稱為光電頻率特性，相應(yīng)的曲線稱為頻率特性曲線。同樣,i=F(P)及曲線稱為光電特性曲線。i=F(λ)及其曲線稱為光譜特性曲線。而i=F(u)及其曲線稱為伏安特性曲線。當(dāng)這些曲線給出時，靈敏度R的值就可以從曲線中求出，而且還可以利用這些曲線，尤其是伏安特性曲線來設(shè)計探測器的應(yīng)用電路。5.2.4量子效率η

如果說靈敏度R是從宏觀角度描述了光電探測器的光電、光譜以及頻率特性，那么量子效率η則是對同一個問題的微觀-宏觀描述。量子效率的意義在上節(jié)已經(jīng)討論過了，這里把量子效率和靈敏度聯(lián)系起來。為此，利用式(5.1.25)和式(5.2.1)，有

(5.2.13)

注意到式(5.2.3)和式(5.2.4)，又有光譜量子效率

(5.2.14)5.2.5通量閾P(yáng)th和噪聲等效功率NEP

從靈敏度Ri的定義可見，如果P=0，應(yīng)有i=0。實際情況是，當(dāng)P=0時，光電探測器的輸出電流并不為0。這個電流稱為暗電流或噪聲電流，記為它是瞬時噪聲電流的有效值。顯然，這時的靈敏度R已失去意義，必須定義一個新參量來描述光電探測器的這種特性。

當(dāng)考慮到以上因素之后，一個光電探測器完成光電探測的過程模型如圖5-7所示。圖5-7包含噪聲在內(nèi)的光電探測過程圖5-7中的光功率Ps和Pb分別為信號和背景光功率?？梢姡词筆s和Pb都為0，也會有噪聲輸出。噪聲的存在，限制了探測器探測微弱信號的能力。通常認(rèn)為，如果信號光功率產(chǎn)生的信號光電流is等于噪聲電流in，那么就認(rèn)為剛剛能

探測到光信號存在。依照這一判據(jù)，利用式(5.2.1)，并令is=in，定義探測器的通量閾P(yáng)th為

(5.2.15)同一個問題，還有另一種更通用的表述方法，這就是噪聲等效功率NEP。它定義為單位信噪比時的光信號功率。信噪比SNR定義為

(5.2.16)

于是由式(5.2.15)有

(5.2.17)5.2.6歸一化探測度D*

NEP越小，探測器探測能力越強(qiáng)，不符合人們“越大越好”的習(xí)慣，于是取其倒數(shù)并定義為探測度D，即

(5.2.18)

這樣，D值大的探測器就表明其探測能力高。實際使用中，經(jīng)常需要在同類型的不同探測器之間進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)“D值大的探測器其探測能力一定好”的結(jié)論并不一定正確。究其原因，主要是探測器光敏面積A和測量帶寬Δf對D值影響很大。探測器的噪聲功率N∝Δf，所以in∝(Δf)1/2，于是由D的定義知D∝(Δf)－1/2。另一方面，探測器的噪聲功率N∝A(注：通常認(rèn)為探測器噪聲功率N是由光敏面A=nAn中每一單元面積An獨立產(chǎn)生的噪聲功率Nn之和，而NA/An對同一類型探測器來說是個常數(shù)，于是N∝A)，所以in∝(A)1/2，又有D∝(A)1/2。把兩種因素一并考慮，D∝(AΔf)－1/2。為了消除這一影響，定義

(5.2.19)

并稱為歸一化探測度。這時就可以說D*大的探測器其探測能力一定好?？紤]到光譜的響應(yīng)特性，一般給出D*值時注明響應(yīng)波長λ，光輻射調(diào)制頻率f及測量帶寬Δf，即D*(λ,f,Δf)。5.2.7光電探測器的噪聲

1.散粒噪聲

從本質(zhì)上講，光電探測器的光電轉(zhuǎn)換過程是一個光電子計數(shù)的隨機(jī)過程，在5.1節(jié)中，給出的式(5.1.27)是這一隨機(jī)過程的統(tǒng)計平均結(jié)果。由于隨機(jī)起伏單元是電子電荷量e，故稱為散粒噪聲，可以證明，散粒噪聲功率譜

g(f)=eIM2

(5.2.20)式中，I是指流過探測器的平均電流；M是探測器內(nèi)增益。于是，散粒噪聲電流in或電壓un為

(5.2.21)

(5.2.22)

按照式中平均電流I產(chǎn)生的具體物理過程，有

(5.2.23)如果用背景光功率Pb和信號光功率Ps表示，則有

(5.2.24)

2.電阻熱噪聲

我們已經(jīng)知道，光電探測器本質(zhì)上可用一個電流源來等價，這就意味著探測器有一個等效電阻R，電阻中自由電子的隨機(jī)熱(碰撞)運(yùn)動將在電阻器兩端產(chǎn)生隨機(jī)起伏電壓，稱為熱噪聲?？梢宰C明，電阻R的熱噪聲電流功率譜g(f)為

(5.2.25)

于是

(5.2.26)相應(yīng)的熱噪聲電壓為

(5.2.27)

有效噪聲電壓和電流分別為

(5.2.28)

(5.2.29)

3.1/f噪聲

幾乎在所有探測器中都存在這種噪聲。它主要出現(xiàn)在大約1kHz以下的低頻頻域，而且與光輻射的調(diào)制頻率f成反比，故稱為低頻率噪聲或1/f噪聲。實驗發(fā)現(xiàn)，探測器表面的工藝狀態(tài)(缺陷或不均勻)對這種噪聲的影響很大，所以有時也稱為表面噪聲或過剩噪聲。

1/f噪聲的經(jīng)驗公式為

(5.2.30)

式中，A為與探測器有關(guān)的比例系數(shù)；i為流過探測器的總直流電流，α≈1，β≈2，于是

(5.2.31)5.2.8其他參數(shù)

光電探測器還有其他一些特性參數(shù)，在使用時必須注意。例如光敏面積、探測器電阻和電容等。正常使用時不允許超過這些指標(biāo)，否則會影響探測器的正常工作，甚至使探測器損壞。通常規(guī)定的工作電壓、電流、溫度以及光照功率允許范圍等，使用時要特別加以注意。

5.3光電導(dǎo)探測器——光敏電阻

5.3.1光電轉(zhuǎn)換原理

以非本征N型材料為例，分析模型如圖5-8所示。圖中

u表示外加偏置電壓，L、W、H分別表示材料的長、寬、高，光功率P沿x方向均勻入射。現(xiàn)在來求上述條件下，它

所產(chǎn)生的光電流i。圖5-8光敏電阻分析模型如果光電導(dǎo)材料的吸收系數(shù)為α，表面反射率為R，那么光功率在材料內(nèi)部沿x方向的變化規(guī)律為

(5.3.1)

因為L×W面光照均勻，所以光生面電流密度J也沿x方向變化，有

(5.3.2)式中，e是電子電荷量;vn=μnu/L是電子沿外電場方向的漂移速度;n(x)為電子在x處的體密度。流過電極的總電流i為

(5.3.3)利用穩(wěn)態(tài)下電子產(chǎn)生率和復(fù)合率相等即可求出n(x)。如果電子的平均壽命為τ，那么電子的復(fù)合率為n(x)/I,而電子的產(chǎn)生率等于單位面積、單位時間吸收的光子數(shù)乘以量子效率η，即αηP(x)/(hνWL)，于是

(5.3.4)

把式(5.3.4)代入式(5.3.3)

(5.3.5)式中

(5.3.6)

(5.3.7)

CdS光敏電阻的結(jié)構(gòu)和偏置電路如圖5-9所示。摻雜半導(dǎo)體薄膜沉積在絕緣基底上，然后在薄膜面上蒸鍍Au或In等金屬，形成梳狀電極結(jié)構(gòu)。這種排列使得間距很近(即L小，

M

大)的電極之間，具有較大的光敏面積，從而獲得高的靈敏度。為了防止潮濕對靈敏度的影響，整個管子采用密封結(jié)構(gòu)。圖5-9

CdS光敏電阻的結(jié)構(gòu)和偏置5.3.2光敏電阻的工作特性

1.光譜響應(yīng)特性

光敏電阻對各種光的響應(yīng)靈敏度隨入射光的波長變化而變化的特性稱為光譜響應(yīng)特性。光譜響應(yīng)特性通常用光譜響應(yīng)曲線、光譜響應(yīng)范圍以及峰值響應(yīng)波長來描述。峰值響應(yīng)波長取決于制造光敏電阻所用半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，其值可由下式估算

(5.3.8)利用半導(dǎo)體的摻雜以及用兩種半導(dǎo)體材料按一定比例混合并燒結(jié)形成固溶體技術(shù)，可使光敏電阻的光譜響應(yīng)范圍、峰值響應(yīng)波長獲得一定程度的改善，從而滿足某種特殊需要。

圖5-10給出了CdS、CdSe和PbS三種光敏電阻的典型光譜響應(yīng)特性曲線。圖5-10三種光敏電阻的光譜響應(yīng)特性

2.照度特性和伏安特性

式(5.3.5)是理想情況下的光敏電阻的光電轉(zhuǎn)換關(guān)系式，由于許多實際因素的影響，光敏電阻(在一定偏壓u條件下)的光照特性呈非線性關(guān)系，即

(5.3.9)

式中，K、β、γ均為常數(shù)，K與元件的材料、尺寸、形狀以及載流子壽命有關(guān)；電壓指數(shù)β的值一般在1.0~1.2之間，在燒結(jié)體中主要受接觸電阻等因素影響；γ是照度指數(shù)，

由雜質(zhì)的種類及數(shù)量決定，其值約在0.5~1.0之間。在低偏壓(幾伏到幾十伏)、弱光照((10－1~103)lx)條件下，通常可取(β=1，γ=1)。于是式(5.3.9)變?yōu)?/p>

i=KuP

(5.3.10)

這樣無論是照度特性(i－P關(guān)系)還是伏安特性(i－u關(guān)系)都認(rèn)為是線性特性。

CdS的照度特性曲線如圖5-11所示，從圖5-11中可以看出明顯的非線性特性。其伏安特性曲線如圖5-12所示。圖5-11

CdS照度特性曲線圖5-12

CdS的伏安特性曲線圖5-12中的三個角度α、α′、α″分別為

(5.3.11)

(5.3.12)

(5.3.13)一般地說，光敏電阻的暗電阻在10MΩ以上。光照后，電阻值顯著降低，外回路電流明顯變大，亮電阻和暗電阻之比在10－2～10－6之間，這一比值越小，光敏電阻的靈敏度越高。光敏電阻工作電路如圖5-13所示。從圖5-13中可知，光敏電阻兩端的電壓u為

(5.3.14)圖5-13光敏電阻工作電路由負(fù)載電阻RL決定的負(fù)載線為圖5-12上的N－T線。Rg為光照時的亮電阻。當(dāng)光照發(fā)生變化時，Rg變?yōu)镽g+ΔRg,則電流i變?yōu)閕+Δi，這樣

(5.3.15)

(5.3.16)把式(5.3.15)與式(5.3.16)相減，并在分母中近似有RL+Rg+ΔRg≈RL+Rg，則

(5.3.17)

式中，負(fù)號表示P增大，Rg減小ΔRg<0,Δi增大。

電流的變化，將引起電壓u的變化，即式(5.3.14)變?yōu)?/p>

(5.3.18)把式(5.3.18)與式(5.3.14)相減，并利用式(5.3.17),則有

(5.3.19)

從式(5.3.19)可見，輸出電壓Δu并不隨負(fù)載電阻線性變化，要想使Δu最大，將式(5.3.19)對RL

求導(dǎo)，并令其等于0，即可求出使Δu為最大的條件為

RL=Rg

(5.3.20)下面討論一下光敏電阻偏置電壓U的選取原則問題。從式(5.3.16)可見，在一定光照下，有一固定電流i流過光敏電阻，這個電流將在Rg上產(chǎn)生熱損耗功率為i2Rg。每一光敏電阻都有額定的最大耗散功率(圖5-12中的雙曲線)，工作時如果超過這一值，光敏電阻將很快損壞。所以，光敏電阻工作在任何光照下都必須滿足

(5.3.21)把式(5.3.16)代入式(5.3.21)，就可以求出偏置電壓U必須滿足的條件，即

(5.3.22)

在匹配條件下

(5.3.23)

3.時間響應(yīng)特性

光敏電阻受光照后或被遮光后，回路電流并不立即增大或減小，而是有一響應(yīng)時間。圖5-14所示為光敏響應(yīng)特性的測定電路及其示波器波形。光敏電阻的響應(yīng)時間常數(shù)是由電流的上升時間tr和衰減時間tf表示的。圖5-14中給出了tr和tf

的定義。通常，CdS光敏電阻的響應(yīng)時間約為幾十毫秒到幾秒；CdSe光敏電阻的響應(yīng)時間約為(10－2～10－3)s;PbS光敏電阻的響應(yīng)時間約為10－4s。圖5-14響應(yīng)特性測定電路及其波形

4.穩(wěn)定特性

一般說，光敏電阻的阻值隨溫度變化而變化的變化率，在弱光照和強(qiáng)光照時都較大，而中等光照時，則較小。例如，CdS光敏電阻的溫度系數(shù)在10lx照度時約為0;照度高于10lx時，溫度系數(shù)為正；照度低于10lx時，溫度系數(shù)反而為負(fù)；照度偏離10lx越多，溫度系數(shù)也越大。

5.噪聲特性

光敏電阻的噪聲主要是復(fù)合噪聲、熱噪聲和1/f噪聲。總的方均噪聲電流按照5.2節(jié)的討論可寫為

(5.3.24)

其有效值為

(5.3.25)當(dāng)f<<2πτ時，產(chǎn)生—復(fù)合噪聲項不再與頻率有關(guān)；

當(dāng)f>>1/2πτ時，復(fù)合噪聲明顯減小，主要存在熱噪聲。當(dāng)

f>1kHz時，1/f

噪聲項中的比例系數(shù)A≈10－11,這一噪聲項可以忽略不計。如圖5-15所示。圖5-15光敏電阻的噪聲特性5.3.3幾種典型的光敏電阻器

1.CdS和CdSe光敏電阻器

CdS和CdSe光敏電阻器是兩種低造價的可見光光敏電阻器，它們的主要特點是高可靠性和長壽命，因而廣泛應(yīng)用

于自動化技術(shù)和攝影機(jī)中的光計量。這兩種器件的光電導(dǎo)增益比較高(103～104)，但響應(yīng)時間比較長。

2.PbS光敏電阻器

PbS光敏電阻器是一種性能優(yōu)良的近紅外光敏電阻器，其波長響應(yīng)范圍在(1～3.4)μm，峰值響應(yīng)波長為2μm，內(nèi)阻(暗電阻)大約為1MΩ，響應(yīng)時間約200μs，室溫工作時能提供較大的電壓輸出。它廣泛應(yīng)用于遙感技術(shù)和各種武器的紅外制導(dǎo)技術(shù)。

3.InSb光敏電阻器

InSb光敏電阻器是一種良好的近紅外光敏電阻器，它

雖然也能在室溫下工作，但噪聲較大。其峰值響應(yīng)波長為

5μm，與PbS光敏電阻器顯著的不同在于：內(nèi)阻低(大約為50Ω)，而響應(yīng)時間短(大約為50×10－9s)，因而適用于快速紅外信號探測。

4.HgxCd1-xTe光敏電阻器

HgxCd1－xTe光敏電阻器是一種化合物本征型光敏電阻器，它是由HgTe和GdTe兩種材料混在一起的固溶體，其禁

帶寬度隨組分x呈線性變化，當(dāng)x=0.2時，響應(yīng)波長為(8～14)μm。內(nèi)阻低，內(nèi)電流增益約為500，廣泛用于10.6μm的CO2激光探測。幾種光敏電阻器的典型特性如表5-2所示。5.3.4光敏電阻器使用注意事項

(1)用于測光的光源光譜特性必須與光敏電阻器的光敏特性相匹配。

(2)要防止光敏電阻器受雜散光的影響。

(3)要防止使光敏電阻器的電參數(shù)(電壓、功耗)超過允許值。

(4)根據(jù)不同用途，選用不同特性的光敏電阻器。一般說，用于數(shù)字信息傳輸時，選用亮電阻與暗電阻差別大的光敏電阻器為宜，且盡量選用光照指數(shù)γ大的光敏電阻器；用于模擬信息傳輸時，則以選用γ值小的光敏電阻器為好，因為這種光敏電阻器的線性特性好。

5.4光伏探測器

5.4.1光電轉(zhuǎn)換原理

為了便于理解在后面將要引入的光伏探測器的等效電路，首先討論一下光伏探測器的光電轉(zhuǎn)換原理。

光伏探測器的典型結(jié)構(gòu)及作用原理如圖5-16所示。為了說明光功率轉(zhuǎn)換成光電流的關(guān)系，設(shè)想光伏探測器兩端被短路，并用理想電流表記錄光照下流過回路的電流，這個電流常常稱為短路光電流。圖5-16光伏探測器典型結(jié)構(gòu)及作用原理假定光生電子-空穴對在PN結(jié)的結(jié)區(qū)(即耗盡區(qū))內(nèi)產(chǎn)生。由于內(nèi)電場Ei的作用，電子向N區(qū)、空穴向P區(qū)漂移，被內(nèi)電場分離的電子和空穴就在外回路中形成電流ij。就光電流形成的過程而言，光伏探測器和光電導(dǎo)探測器有十分類似的情況。為此，可把討論光電導(dǎo)探測器光電轉(zhuǎn)換關(guān)系所導(dǎo)出的式(5.3.3)改寫為

(5.4.1)從式(5.4.1)可見，除了Q項外，光伏和光導(dǎo)的其他物理量都可以用一種形式描述。因此，現(xiàn)在的問題是在光伏情況下，一個光生電子-空穴對所貢獻(xiàn)的總電荷量應(yīng)該是多少？

從圖5-16(b)所示可知，在耗盡區(qū)中x處產(chǎn)生的光生電子

-空穴對，空穴向左漂移x距離到達(dá)P區(qū)，而電子向右漂移

(L－x)距離到達(dá)N區(qū)。電子和空穴在漂移運(yùn)動時對外回路貢獻(xiàn)各自的電流脈沖，若空穴和電子的漂移時間用tp和tn表示，則空穴和電子電流脈沖的強(qiáng)度分別為e/tp和e/tn，它們所貢獻(xiàn)的電荷量分別為

(5.4.2)

(5.4.3)式中，L是耗盡層寬度，式中假定空穴和電子的漂移速度恒定。因此，一個電子-空穴對所貢獻(xiàn)的總電荷量為

(5.4.4)

于是，式(5.4.1)變?yōu)?/p>

(5.4.5)5.4.2光伏探測器的工作模式

現(xiàn)在可以說，一個光伏探測器可等效為一個普通二極管和一個恒流源(光電流源)的并聯(lián)，如圖5-17所示。它的工作模式則由外偏壓回路決定。在零偏壓時(如圖5-17(c)所示)，

它稱為光伏工作模式。當(dāng)外回路采用反偏電壓U時(如圖

5-17(d)所示)，即外加P端為負(fù)N端為正的電壓時，稱為光導(dǎo)工作模式。圖5-17光伏探測器等效電路圖普通二極管的伏安特性為

(5.4.6)

因此，光伏探測器的總伏安特性應(yīng)為ip和ij之和，考慮到兩者的流動方向，有

(5.4.7)把式(5.4.7)中i和u分別作為縱、橫坐標(biāo)畫成曲線，就是光伏探測器的伏安特性曲線，如圖5-18所示。由圖5-18可見，第一象限是正偏壓狀態(tài)，ip本來就很大，所以光電流

ij不起重要作用。作為光電探測器，工作在這一區(qū)域沒有

意義。圖5-18光伏探測器的伏安特性

5.5硅光電池——太陽電池

光電池實質(zhì)上就是大面積的PN結(jié)。硅光電池的結(jié)構(gòu)如圖5-19所示。它是在N型Si片上擴(kuò)散硼形成P型層，并用電極引線把P型和N型層引出，形成正、負(fù)電極。為防止表面反射光，提高轉(zhuǎn)換效率，通常在器件受光面上進(jìn)行氧化，形成SiO2保護(hù)膜。光電池的形狀，根據(jù)需要可以制成方形、矩形、圓形、三角形和環(huán)形等。另外，在P型Si單晶片上擴(kuò)展N型雜質(zhì)，也可以制成硅光電池。圖5-19硅光電池的結(jié)構(gòu)5.5.1短路電流和開路電壓

短路電流和開路電壓是光電池的兩個非常重要的工作狀態(tài)，它們分別對應(yīng)于RL=0和RL=∞的情況。這兩種狀態(tài)均無功率輸出。

圖5-20是光電池的等效電路，其中,ij是光電流;iD是二極管電流；ish為結(jié)漏電流，Rsh為等效泄漏電阻；Cj為結(jié)電容;Rs為引出電極-管芯接觸電阻；RL為負(fù)載電阻。圖5-20光電池的等效電路一般ish很小，Rsh很大。若不計ish的影響，顯然有

如果短接RL并忽略Rs的影響，從圖5-20中可以看出，二極管兩端的正向電壓u1=0。由式(5.4.6)可知，這時iD=0。因此，流過光電池的短路電流就是光電流ij，即

(5.5.1)這表明，光電池的短路電流與入射的光功率成正比。顯然，作為光電探測器件，應(yīng)盡量接近這種工作狀態(tài)。但是，若計Rs和Rsh的影響，短路電流的精確表達(dá)式應(yīng)為

(5.5.2)

當(dāng)負(fù)載電阻開路時，RL→∞，圖5-20中的電流光電池輸出電壓(即開路電壓)uOC就等于u1，于是由式(5.4.7)很容易求得

(5.5.3)式(5.5.3)表明，光電池的開路電壓與光電流的對數(shù)成正比。考慮到isc的影響，開路電壓的精確表達(dá)式為

(5.5.4)

從式(5.5.4)可知，當(dāng)光電流ij的值接近漏電流ish(即ij≈uOC/Rsh)時，開路電壓將受到ish

的影響而大幅度下降。

因此，在需要利用開路電壓的情況下，應(yīng)盡量選用ish小的

器件。5.5.2輸出功率和最佳負(fù)載電阻

在負(fù)載電阻既不短路又不開路的情況下，硅光電池有電輸出功率。由等效電路圖(如圖5-20所示)，可以寫出其輸出功率的一般表達(dá)式，即

(5.5.5)

而輸出電流i為

(5.5.6)所以

(5.5.7)

將式(5.5.7)代入式(5.5.5)，最后得到

(5.5.8)利用光電池的伏安特性曲線，可十分直觀地了解光電池的功率輸出特性。其輸出功率曲線如圖5-21所示，OH斜線對應(yīng)著RL＝RH時的負(fù)載線，H為負(fù)載線(斜率為tanθH＝iH/uH=1/RH

與一定光功率下的伏安特性曲線的交點。由OiHHuH圍成的矩形面積，就是RH負(fù)載下的光電池的輸出功率。顯然，負(fù)載電阻變化時，相應(yīng)的矩形面積隨之變化。圖5-21光電池的輸出功率曲線最佳負(fù)載電阻的求法如下：過開路電壓uOC及短路電流isc作伏安特性曲線的切線，兩切線相交于Q點。連接OQ與伏安特性曲線的相交點m點，則得

(5.5.9)5.5.3光譜、頻率響應(yīng)及溫度特性

光電池的光譜響應(yīng)主要由材料決定。圖5-22所示的是兩種常用光電池的光譜特性曲線。從圖中可見，硒光電池在可見光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值響應(yīng)波長在540nm附近，特別適用于測量可見光。如果再配上合適的濾光片，

它的光譜靈敏度就與人眼相近，因此可用于一般照度的測量儀器。硅光電池的光譜響應(yīng)范圍要寬得多，大約為(400～1100)nm。峰值響應(yīng)波長在850nm附近，在可見光和近紅外波段有廣泛應(yīng)用。圖5-22光電池的光譜特性曲線5.5.4緩變化光電信號探測

1.實際照射光功率下的開路電壓計算

一般產(chǎn)品手冊中只給出光電池在特定(或標(biāo)準(zhǔn))光照度下的開路電壓值。而在實際使用時，都常常需要知道實際照射光功率下的開路電壓值。下面討論一種簡易計算方法。

在式(5.5.4)中，通常ij>>ish，且ij－ish>>Is0，于是式(5.5.4)

可簡化為

(5.5.10)當(dāng)實際照射光功率為P時，光電流變?yōu)閕j′，對應(yīng)的開路電壓為

(5.5.11)

聯(lián)立求解式(5.5.10)和式(5.5.11)，有

(5.5.12)

(5.5.13)式中，P為手冊中給定的光功率。在室溫(300K)下

于是

2.最佳負(fù)載電阻Rm的估算

如果忽略光電池串聯(lián)電阻Rs上的壓降，則負(fù)載電阻上的壓降為式(5.5.7)，因此，負(fù)載上消耗的功率為

(5.5.15)

當(dāng)有并令此時的i=im，u=um，則有

(5.5.16)將式(5.5.16)代入式(5.5.7)，可得

(5.5.17)因為

(5.5.18)所以，當(dāng)［e/(kT)］·um>>1,ij>>is0時，式(5.5.18)又可近似為

(5.5.19)

通常取um=0.7uOC，所以估算Rm的簡易公式為

(5.5.20)

3.保證光電池線性工作的負(fù)載電阻RL的選擇原則

前面已經(jīng)提過，光電池最佳負(fù)載線把光電伏安特性曲線分成了兩個區(qū)域：Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)。在Ⅰ區(qū)，RL<Rm，光電流與光照功率成正比，稱為光電流區(qū)域；在Ⅱ區(qū)，RL>Rm，光電池的輸出電壓與光照功率的對數(shù)成正比，稱為光電壓區(qū)域。很顯然，當(dāng)用光電池探測緩變化光信號時，應(yīng)工作在光電流區(qū)域，即應(yīng)選RL<Rm。如果用光電池只是鑒別有無光照而作為一個光電開關(guān)時，才選RL>Rm，工作在光電壓區(qū)域。對光電流區(qū)域，又有如下兩種輸出方式：

①電流輸出。在這種情況下，光電池輸出給負(fù)載的信號光電流是隨光照強(qiáng)度變化而變化的。如果需要放大信號，則應(yīng)選用電流放大器，如圖5-23所示，負(fù)載線越靠近電流軸，即RL越小，輸出電流就越大，越接近短路電流iSC。顯然，這種輸出方式下要求負(fù)載電阻(或放大器的輸入阻抗)盡量小。②電壓輸出。這種情況下，光電池輸出給負(fù)載的信號光電壓是隨光照強(qiáng)度變化而變化的。如果需要放大信號，

則應(yīng)選用電壓放大器，如圖5-23所示，負(fù)載電阻越大(越接近Rm，光電池的輸出電壓就越高。顯然，輸出線性度要求必須使負(fù)載電阻(或放大器的輸入阻抗)稍低或等于Rm。通常，為了使線性區(qū)有余量，一般取

(5.5.21)值得指出的是，因為光電池的最佳負(fù)載電阻值是隨入射光功率增大而減小的，因此，每個光電池的最佳負(fù)載線不是一條，而是一族。圖5-23中所示的陰影區(qū)域，就是照射光功率由P′變化到P″時最佳負(fù)載線的變化范圍。圖5-23光電流區(qū)工作特性示意圖

4.光電池電流輸出情況下變換電路的實例

圖5-24給出了幾種變換電路的實例。其中在圖5-24(a)所示電路中，用于放大光電流的三極管只能用鍺管，不能用硅管。這是因為硅管在開始導(dǎo)通時射極與基極之間的電壓高于0.7V，而鍺管約為0.3V，但光電池的開路電壓最高不超過0.6V之故。由于3AX4管的輸入阻抗很低，因此硅光電池基本上工作在線性區(qū)域。圖5-24光電池用以探測緩變化光信號的基本變換電路5.5.5交變光信號探測

光電池用以探測交變光信號的變換電路及其伏安特性如圖5-25和圖5-26所示。為了分析方便，令入射光功率為正弦脈動形式，即

(5.5.22)圖5-25探測交變光信號的變換電路圖5-26光電池的伏安特性在這種情況下，信號光功率以P0為平均值在最大值P0+Pm和最小值P0－Pm之間波動。由緩變化信號探測器的分析結(jié)果，有以下結(jié)論：

①光電池工作在光電區(qū)域。為了得到高的輸出電壓，要求滿足條件

RL>>Rb>Rm(5.5.23)

式中，Rm為光電池在入射光功率峰值(P0+Pm)下的最佳負(fù)載電阻;為直流負(fù)載電阻(對應(yīng)于P0,RL為工作負(fù)載電阻，即后級放大器等效輸入阻抗。一般說，采用這種工作方式，頻率特性不好。②光電池工作在光電流區(qū)域。這時要求

Rb∥RL<Rm

(5.5.24)

工作情況同樣存在電壓輸出和電流輸出兩種狀態(tài)。由圖5-26可知，正弦交流輸出電壓的峰值應(yīng)為

(5.5.25)

式中，iHM為負(fù)載峰值電流；S為光電池靈敏度。于是，負(fù)載電阻RL上的功率(有效值)為

(5.5.26)現(xiàn)在，根據(jù)最大輸出功率條件和輸出線性度要求討論Rb和RL的計算方法。把PH分別對GL和Gb求偏微分，并令微分結(jié)果等于0，即可求出獲得最大功率的條件為

(5.5.27)為了保證輸出特性的線性度，一般取

uHM=0.6uOC

(5.5.28)

(5.5.29)

最后，輸出功率(有效值)為

(5.5.30)

5.6半導(dǎo)體光電二極管及三極管

5.6.1硅光電二極管

1.結(jié)構(gòu)及偏置電路

硅光電二極管的兩種典型結(jié)構(gòu)如圖5-27所示，其中圖

5-27(a)是采用X型單晶硅和擴(kuò)散工藝，稱為P+N結(jié)構(gòu)，它的型號為2CU型。而圖5-27(b)是采用P型單晶和磷擴(kuò)散工藝，稱為N+P結(jié)構(gòu)，它的型號為2DU型。光敏芯區(qū)外側(cè)的環(huán)區(qū)，稱為保護(hù)環(huán)。其目的是切斷表面層漏電流，使暗電流明顯

減小。圖5-27硅光電二極管的兩種典型結(jié)構(gòu)硅光電二極管的封裝有多種形式。常見的是金屬外殼加入射窗口封裝，入射窗口又有凸鏡和平面鏡之分。凸鏡有聚光作用，有利于提高靈敏度，而且由于聚焦位置與入射光方向有關(guān)，因此還能減小雜散背景光的干擾。缺點是靈敏度隨方向而變，因此給對準(zhǔn)和可靠性帶來問題。采用平面鏡窗口的硅光電二極管雖然沒有對準(zhǔn)問題，但易受雜散光干擾的影響。硅光電二極管的外形及靈敏度的方向性如圖5-28所示。圖5-28硅光電二極管的外形及靈敏度的方向問題硅光電二極管具有一定的光譜響應(yīng)范圍。圖5-29給出了硅光電二極管的光譜響應(yīng)曲線。常溫下，Si材料的禁帶寬度為1.12eV，峰值波長約為0.9μm，長波限約為1.1μm，由于入射波長越短，因此管芯表面的反射損失就越大，從而使實際管芯吸收的能量越少，這就產(chǎn)生了短波限問題。圖5-29硅光電二極管光譜響應(yīng)曲線

2.光電變換的伏安特性分析

大家已經(jīng)知道，光電二極管是一種以光導(dǎo)模式工作的光伏探測器，其等效電路已在圖5-17中給出。因為光電二極管總是在反向偏壓下工作，所以iD=Is0,Is0和光電流ij都是反向電流。為了符合人們通常的觀察習(xí)慣，將圖5-17(b)中的i

和u方向倒轉(zhuǎn)，就可以在第一象限位置表示第三象限(光導(dǎo)模式工作區(qū))的伏安特性，如圖5-30(a)所示。其中，彎曲點M′所對應(yīng)的電壓值u′稱為屈膝電壓。為了分析方便，經(jīng)線性化處理后的特性曲線如圖5-30(b)所示。圖5-30光電二極管的伏安特性曲線

1)直流負(fù)載線設(shè)計

所謂直流負(fù)載線設(shè)計，就是在反偏壓U及入射光功率

P條件下，如何設(shè)計負(fù)載電阻的問題。從圖5-30(b)可以看出，流過光電二極管的電流由暗電流iD及光電流ij組成，

暗電流與偏壓無關(guān)，光電流由光功率決定，于是有

(5.6.1)為了工作在線性區(qū)(即電流與光功率成正比)，要求負(fù)載線與最大光功率線的交點M必須在M′點的右側(cè)，這也是式(5.6.1)成立的條件。對M′點可以寫出

即

(5.6.2)如果M點正好與M′點重合，則有

即

(5.6.3)將式(5.6.2)代入式(5.6.3)得

(5.6.4)

給定偏壓U及光功率P″，由手冊査出g、g′和S，即可由式(5.6.4)算出GL＝1/RL。當(dāng)然，也可以先給定GL，再反過來求出U，即

(5.6.5)

2)緩變化光功率探測

在緩變化光信號條件下，光電二極管的應(yīng)用電路、等效電路和伏安特性曲線如圖5-31(a)、5-31(b)和5-31(c)所示。圖5-31緩變化光照下的光電二極管特性在保證輸出光電流和入射光功率之間呈線性關(guān)系的條件下，以電壓輸出為例討論如下。

由圖5-31(c)可知，最大負(fù)載電阻時的負(fù)載線通過M′點，就能保證輸出特性的線性度。輸出電壓的幅值uH為

(5.6.6)通過H點和M′點的電流特征關(guān)系，可以求出u′和u″，再由式(5.6.6)求出uH，即

(5.6.7)

輸出功率

(5.6.8)

3)交變光信號探測

假定光功率做正弦脈動，即P＝P0+Pmsinωt。光電二極管的探測電路和工作伏安特性如圖5-32(a)和圖5-32(b)所示。圖5-32光電二極管的探測電路和工作特性通常關(guān)心的問題有兩個：第一，給定入射光功率時的最佳功率輸出條件；第二，給定反偏壓U時的最佳功率輸出條件。下面分兩種情況討論。

第一種情況，給定入射光功率時最佳功率傳輸條件工作特性如圖5-32(b)所示，在入射光功率P″、P0、P′已知的情況下，為使光電二極管得到充分利用，交流負(fù)載線(斜率為GL+GP)應(yīng)通過M′點。圖中陰影三角形(△QTN)的面積表示GP和GL并聯(lián)時所獲得的功率值。顯然，為了取得更大功率，總是希望GP+GL值小、U值高。但是，欲在GL上取得最大功率，又要求GL比GP大，這與要求GP+GL值小相矛盾。因此，GL和GP均存在取最佳值問題。由圖5-32(b)可直接寫出

(5.6.9)

(5.6.10)

(5.6.11)由△M′HQ可以看出

(5.6.12)

把式(5.6.9)和式(5.6.11)代入式(5.6.12)，有

(5.6.13)由此式即可求出輸出電壓幅值uHM，即

(5.6.14)

輸出功率為

(5.6.15)將PH對GL和GP求偏微分，就可導(dǎo)出取得最大輸出功率的條件是

(5.6.16)在最大功率條件［GP+GL+g=2(GP+g)］下，式(5.6.13)和式(5.6.11)表示的u0值分別為顯然，在最佳功率傳輸條件下，由以上兩式求出的u0值相等。據(jù)此，聯(lián)立求解以上兩式可得

(5.6.17)

這就是在給定入射光功率值時，求取最佳負(fù)載電導(dǎo)的基本公式。當(dāng)然，如果先給出GP，亦可由此式求出U值。第二種情況，給定反偏電壓U時的最大功率輸出條件。

現(xiàn)在已知U值，而光功率未知，利用圖5-32(b)亦可導(dǎo)出最大輸出功率條件。首先沿著ORNTQ的路徑寫出i0的公式為

再由△QPN′求出聯(lián)立解上兩式得

(5.6.18)

因此，輸出功率為

(5.6.19)將PH分別對GL和GP求偏微分，可得最大輸出功率條件為

(5.6.20)例題：已知某硅光電二極管的靈敏度S=0.5μA/μW，結(jié)電導(dǎo)g=0.005μs，曲膝電壓u″=10V，入射光信號功率P=5+3sinωtμW，反偏電壓U=40V。試求：電信號輸出送到放大器時，取得最大功率的電阻RP及放大器的輸入電阻Ri。

解：由給定條件可確定出脈動光功率值為：P0=5μW,P″=8μW,P′=2μW。由式(5.6.17)可求出GP、RP分別為放大器輸入電阻為

由式(5.6.14)和式(5.6.16)，可求出輸送到放大器的電壓及功率為

4)頻率響應(yīng)特性

光電二極管的頻率特性響應(yīng)主要由三個因素決定：一是光生載流子在耗盡層附近的擴(kuò)散時間；二是光生載流子在耗盡層內(nèi)的漂移時間；三是與負(fù)載電阻RL并聯(lián)的結(jié)電容Cj所決定的電路時間常數(shù)。

(1)擴(kuò)散時間τdif由半導(dǎo)體物理可知，擴(kuò)散是個慢過程，擴(kuò)散時間為

(5.6.21)

(2)耗盡層中的漂移時間τd:為了估計漂移時間的量級，參看圖5-33，圖中xP和xN分別表示P區(qū)和N區(qū)內(nèi)耗盡層的寬度，耗盡層的總寬度為

(5.6.22)

(5.6.23)

(5.6.24)圖5-33耗盡層的電場分布#E為了充分吸收入射光輻射，總是希望W比較寬一些。一般都要求

(5.6.25)

式中，αλ是波長λ的吸收系數(shù)，在W內(nèi)由于高電場存在，載流子的漂移速度趨于飽和。實際情況下都滿足這個條件，因此可以把載流子的漂移速度用一個固定的飽和速度vsat來估算，于是

(5.6.26)

(3)電容效應(yīng)：由于結(jié)區(qū)儲存電荷變化，光電二極管對外電路顯示出一個與電壓有關(guān)的結(jié)電容Cj。對突變結(jié)

(5.6.27)

式中，A是結(jié)面積。如果假定|U|≥U0(U本身為負(fù)值)，且對P+N結(jié)構(gòu)，Na>>Nd，式(5.6.27)可以簡化為

(5.6.28)考慮到光電二極管的電容效應(yīng)之后，它的高頻等效電路如圖5-34所示。其中圖5-34(a)是比較完整的等效電路，Rd是光電二極管的內(nèi)阻，亦稱暗電阻。由于反偏壓工作，因此光

電二極管等效為一個高內(nèi)阻的電流源。Rs是體電阻和電極接觸電阻，一般很小?？紤]到這兩個因素之后，工程計算的簡化等效電路如圖5-34(b)所示。圖5-34光電二極管的高頻等效電路如果入射光功率P=P0+Pmsinωt，相應(yīng)的光電流的交變分量ij=Ijsinωt，如圖5-34(b)所示

(5.6.29)式中，負(fù)號是由于電流和電壓的方向相反所引起的。負(fù)載電阻RL上的瞬時電壓為

(5.6.30)

電壓有效值為

(5.6.31)可見，U隨頻率升高而下降。當(dāng)U下降到U/2=0.707U時，定義ω=ωc，稱為高頻截止頻率。于是

(5.6.32)

通常又定義電路時間常數(shù)

(5.6.33)

5)噪聲特性

由于光電二極管常常用于微弱光信號探測，因此了解它的噪聲性能是十分必要的。如圖5-35所示是硅光電池二極管的噪聲等效電路。對于高頻應(yīng)用，兩個主要的噪聲源是散粒噪聲和電阻熱噪聲。圖5-35光電二極管的噪聲等效電路輸出噪聲電流的有效值

相應(yīng)的噪聲電壓

(5.6.34)5.6.2PIN硅光電二極管

從硅光電二極管的討論可知，改善其頻率響應(yīng)特性的途徑是設(shè)法減小載流子擴(kuò)散時間和結(jié)電容。從這個思路出發(fā)，人們制成了一種在P區(qū)和N區(qū)之間相隔一個本征層(Ⅰ層)的PIN光電二極管。PIN硅光電二極管的結(jié)構(gòu)及管內(nèi)電場分布如圖5-36所示。圖5-36

PIN硅光電二極管管芯結(jié)構(gòu)及管內(nèi)電場分布5.6.3雪崩光電二極管(APD)

基于載流子雪崩效應(yīng)，從而提供電流內(nèi)增益的光電二極管稱為雪崩光電二極管。由于雪崩效應(yīng)的要求，雪崩二極管必須選用高純度、高電阻率且均勻性非常好的Si或Ge單晶材料制造。一般光電二極管的反偏壓在幾十伏以下，而雪崩光電二極管的反偏壓一般在幾百伏量級。一般使用在M=100左右，仍有良好的噪聲性能。雪崩光電二極管的噪聲主要是散粒噪聲和熱噪聲，噪聲電流有效值可以改寫為

(5.6.35)

式中，有

(5.6.36)圖5-37雪崩光電二極管的工作原理5.6.4光電三極管

在光電二極管的基礎(chǔ)上，為了獲得內(nèi)增益，另外一條途徑是利用一般三極管的電流放大特性。這就是用Ge或Si單晶制造的NPN或PNP型光電三極管。NPN型硅光電三極管的結(jié)構(gòu)、使用電路和等效電路如圖5-18所示。圖5-38

NPN型硅光電三極管的結(jié)構(gòu)、使用電路和等效電路一般光電三極管只引出E、C兩個電極，因此體積小，它廣泛應(yīng)用于光