光電檢測(cè)技術(shù) 第四章

1、 v掌握內(nèi)容掌握內(nèi)容光伏特探測(cè)器原理和特性。光伏特探測(cè)器原理和特性。v理解內(nèi)容理解內(nèi)容光伏探測(cè)器的電路偏置光伏探測(cè)器的電路偏置v了解內(nèi)容了解內(nèi)容第第4 4章章 光伏特探測(cè)器光伏特探測(cè)器 4.14.1光伏特效應(yīng)光伏特效應(yīng)4.24.2光伏探測(cè)器的工作模式光伏探測(cè)器的工作模式4.34.3光電池光電池4.44.4硅光電二極管和三極管硅光電二極管和三極管 第四章第四章 主要內(nèi)容主要內(nèi)容u光生伏特效應(yīng)：光生伏特效應(yīng)：光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體材料吸收光能后，在光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體材料吸收光能后，在PNPN結(jié)上產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。結(jié)上產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。為什么為什么PNPN結(jié)會(huì)因光照產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)呢？結(jié)會(huì)因光照產(chǎn)生

2、光生伏特效應(yīng)呢？有下面兩種情況：有下面兩種情況：4.14.1光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)) 1(/0KTqUsdeII4.14.1光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)無(wú)光照無(wú)光照P-N結(jié)結(jié)無(wú)光照流過(guò)無(wú)光照流過(guò)PNPN結(jié)的電流方程：結(jié)的電流方程：一、半導(dǎo)體一、半導(dǎo)體P-NP-N結(jié)結(jié)u當(dāng)光照射在當(dāng)光照射在PNPN結(jié)時(shí)，如果電子能量大于半導(dǎo)體禁帶結(jié)時(shí)，如果電子能量大于半導(dǎo)體禁帶 寬度（寬度（E E0 0 E Eg g）, ,可激發(fā)出電子可激發(fā)出電子空穴對(duì)，在空穴對(duì)，在 PNPN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)作用下空穴移向結(jié)內(nèi)電場(chǎng)作用下空穴移向P P區(qū)，而電子移向區(qū)，而電子移向N N區(qū)，區(qū)， 使使P P區(qū)和區(qū)和N N區(qū)

3、之間產(chǎn)生電壓，這個(gè)電壓就是光生電動(dòng)區(qū)之間產(chǎn)生電壓，這個(gè)電壓就是光生電動(dòng) 勢(shì)。如果用一個(gè)理想電流表接通勢(shì)。如果用一個(gè)理想電流表接通PNPN結(jié)，則有由結(jié)，則有由N N區(qū)區(qū) 流向流向P P區(qū)的電流區(qū)的電流Ip通過(guò)，稱為短路光電流。通過(guò)，稱為短路光電流。 u基于這種效應(yīng)的器件有基于這種效應(yīng)的器件有 光電池光電池光照射光照射P-NP-N結(jié)結(jié)一、半導(dǎo)體一、半導(dǎo)體P-NP-N結(jié)結(jié) PN PN結(jié)中光生電子與空穴的流動(dòng)，使結(jié)中光生電子與空穴的流動(dòng)，使P P區(qū)的電勢(shì)增高，區(qū)的電勢(shì)增高，這相當(dāng)于在這相當(dāng)于在PNPN結(jié)上加一正向偏壓結(jié)上加一正向偏壓U U，這個(gè)正向電壓使，這個(gè)正向電壓使PNPN結(jié)勢(shì)壘由結(jié)勢(shì)壘由eVeV

4、D D降至降至eVeVD DeUeU。同時(shí)，這個(gè)正向電壓還。同時(shí)，這個(gè)正向電壓還引起電流引起電流I Id dI Is0s0(e(eqU/KTqU/KT 1)1)流過(guò)流過(guò)PNPN結(jié)，結(jié)，I Id d的方向正好的方向正好與上述光電流與上述光電流I Ip p的方向相反。所以，在入射光輻射的方向相反。所以，在入射光輻射作用下流過(guò)作用下流過(guò)PNPN結(jié)的總電流為結(jié)的總電流為 I=Is0(eqU/KT 1) Ip u( (另解另解) )有光照無(wú)偏壓流過(guò)有光照無(wú)偏壓流過(guò)PNPN結(jié)的電流方程：結(jié)的電流方程： 有光照時(shí)，若有光照時(shí)，若p-np-n結(jié)外電路接上負(fù)載電阻結(jié)外電路接上負(fù)載電阻 ，如，如下圖所示，此時(shí)下圖

5、所示，此時(shí)p-np-n結(jié)內(nèi)出現(xiàn)兩種方向相反的電流：結(jié)內(nèi)出現(xiàn)兩種方向相反的電流：一種是光激發(fā)產(chǎn)生的電子一種是光激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)，在內(nèi)建電場(chǎng)空穴對(duì)，在內(nèi)建電場(chǎng)作用下，形成的光生電流作用下，形成的光生電流 ，它與光照有關(guān)，其，它與光照有關(guān)，其方向與方向與p-np-n結(jié)反向飽和電流結(jié)反向飽和電流 相同；另一種是光相同；另一種是光生電流生電流 流過(guò)負(fù)載流過(guò)負(fù)載 產(chǎn)生電壓降，相當(dāng)于在產(chǎn)生電壓降，相當(dāng)于在p-np-n結(jié)施加正向偏置電壓，從而產(chǎn)生正向電流結(jié)施加正向偏置電壓，從而產(chǎn)生正向電流 。LRpI0sIpILRDI流過(guò)流過(guò)p-np-n結(jié)的總電流是兩者之差結(jié)的總電流是兩者之差：PKTqvsPDLIeII

6、II) 1(/0以以p-np-n結(jié)的正向電流結(jié)的正向電流 的方向?yàn)榈姆较驗(yàn)檎较蛘较駾Iu有光照無(wú)偏壓流過(guò)有光照無(wú)偏壓流過(guò)PNPN結(jié)的電流方程：結(jié)的電流方程： 處于反偏的處于反偏的PNPN結(jié)：結(jié)：u無(wú)光照時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小；無(wú)光照時(shí)，反向電阻很大，反向電流很??；u有光照時(shí)，光子能量足夠大產(chǎn)生光生電子有光照時(shí)，光子能量足夠大產(chǎn)生光生電子空穴對(duì)，空穴對(duì)， 在在PNPN結(jié)電場(chǎng)作用下，形成光電流，結(jié)電場(chǎng)作用下，形成光電流，u電流方向與反向電流一致，光照越大光電流越大。電流方向與反向電流一致，光照越大光電流越大。u具有這種性能的器件有：具有這種性能的器件有： 光敏二極管、光敏晶體管光敏二極

7、管、光敏晶體管. .一、半導(dǎo)體一、半導(dǎo)體P-NP-N結(jié)結(jié) 如果給如果給PNPN結(jié)加上一個(gè)反向偏置電壓結(jié)加上一個(gè)反向偏置電壓U U，外加電壓，外加電壓所建的電場(chǎng)方向與所建的電場(chǎng)方向與PNPN結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)方向相同，則結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)方向相同，則PNPN結(jié)的勢(shì)壘高度由結(jié)的勢(shì)壘高度由eVeVD D增加到增加到eVeVD DeUeU，使光照產(chǎn)生，使光照產(chǎn)生的電子空穴對(duì)在強(qiáng)電場(chǎng)作用下更容易產(chǎn)生漂移運(yùn)的電子空穴對(duì)在強(qiáng)電場(chǎng)作用下更容易產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)，提高了器件的頻率特性。動(dòng)，提高了器件的頻率特性。 在光照反偏條件下工作時(shí)，觀察到的光電信號(hào)是在光照反偏條件下工作時(shí)，觀察到的光電信號(hào)是光電流，而不是光電壓，這便是結(jié)型光電探

8、測(cè)器光電流，而不是光電壓，這便是結(jié)型光電探測(cè)器的工作原理。從這個(gè)意義上說(shuō)，反偏的工作原理。從這個(gè)意義上說(shuō)，反偏PNPN結(jié)在光照結(jié)在光照下好像是以光電導(dǎo)方式工作，但實(shí)質(zhì)上兩者的工下好像是以光電導(dǎo)方式工作，但實(shí)質(zhì)上兩者的工作原理是不同的。作原理是不同的。u有光照反偏壓流過(guò)有光照反偏壓流過(guò)PNPN結(jié)的電流方程：結(jié)的電流方程：I=Is0(eqU/KT 1) Ip 正向偏置：無(wú)光電效應(yīng)正向偏置：無(wú)光電效應(yīng) 反向偏置：光電導(dǎo)工作模式反向偏置：光電導(dǎo)工作模式 零偏置：光伏特工作模式零偏置：光伏特工作模式圖圖4-2 光照下光照下PN結(jié)及其伏安特性曲線結(jié)及其伏安特性曲線P-NP-N結(jié)的電流電壓特性結(jié)的電流電壓特

9、性根據(jù)光照根據(jù)光照PNPN結(jié)時(shí)流過(guò)結(jié)時(shí)流過(guò)p-np-n結(jié)的電流，可畫出在不同照結(jié)的電流，可畫出在不同照度下度下PNPN結(jié)光電器件的伏安特性曲線。結(jié)光電器件的伏安特性曲線。4.2 4.2 工作模式工作模式第一象限正偏壓，第一象限正偏壓，I Id d本來(lái)就很大，所本來(lái)就很大，所以光電流以光電流I Ip p不起重不起重要作用。第三象限要作用。第三象限反向偏壓，這時(shí)反向偏壓，這時(shí)I Id dI Is0s0，它是普通二，它是普通二極管中的反向飽和極管中的反向飽和電流，現(xiàn)在稱為暗電流，現(xiàn)在稱為暗電流（對(duì)應(yīng)于光照電流（對(duì)應(yīng)于光照度度E E0 0），數(shù)值很），數(shù)值很小，這時(shí)的光電流小，這時(shí)的光電流（等于（等于

10、I I- -I Is0s0）是流）是流過(guò)探測(cè)器的主要電過(guò)探測(cè)器的主要電流，對(duì)應(yīng)于光導(dǎo)工流，對(duì)應(yīng)于光導(dǎo)工作模式。作模式。在第四象限中，在第四象限中，外偏壓為外偏壓為0 0，流，流過(guò)探測(cè)器的電過(guò)探測(cè)器的電流仍為反向光流仍為反向光電流。隨著光電流。隨著光功率的不同，功率的不同，出現(xiàn)明顯的非出現(xiàn)明顯的非線性。這時(shí)探線性。這時(shí)探測(cè)器的輸出通測(cè)器的輸出通過(guò)負(fù)載電阻過(guò)負(fù)載電阻R RL L上的電壓或流上的電壓或流過(guò)過(guò)R RL L上的電流上的電流來(lái)體現(xiàn)，因此來(lái)體現(xiàn)，因此稱為光伏工作稱為光伏工作模式。模式。 如圖如圖4-34-3所示，一個(gè)所示，一個(gè)PNPN結(jié)光伏探測(cè)器就等效為一個(gè)普結(jié)光伏探測(cè)器就等效為一個(gè)普通二極

11、管和一個(gè)電流源（光電流源）的并聯(lián)，它的工作模通二極管和一個(gè)電流源（光電流源）的并聯(lián)，它的工作模式則由外偏壓回路決定。如圖（式則由外偏壓回路決定。如圖（c c）所示，在零偏壓的開(kāi)）所示，在零偏壓的開(kāi)路狀態(tài)，為光伏工作模式。如圖（路狀態(tài)，為光伏工作模式。如圖（d d）所示，當(dāng)外回路采）所示，當(dāng)外回路采用反偏電壓用反偏電壓U Ub b，即外加，即外加P P端為負(fù)，端為負(fù)，N N端為正的電壓時(shí)。無(wú)光端為正的電壓時(shí)。無(wú)光照時(shí)的電阻很大，電流很??；有光照時(shí)，電阻變小，電流照時(shí)的電阻很大，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。從外表就變大，而且流過(guò)它的光電流隨照度變化

12、而變化。從外表看，看，PNPN結(jié)光伏探測(cè)器與光敏電阻一樣，同樣也具有光電導(dǎo)結(jié)光伏探測(cè)器與光敏電阻一樣，同樣也具有光電導(dǎo)工作模式，所以稱為光導(dǎo)工作模式工作模式，所以稱為光導(dǎo)工作模式. . 下圖示出了下圖示出了p-np-n結(jié)在光伏工作模式下的等效電路：結(jié)在光伏工作模式下的等效電路： 光電池工作原理也是基于光生伏特效應(yīng)，可以直光電池工作原理也是基于光生伏特效應(yīng)，可以直接將光能轉(zhuǎn)換成電能的器件。有光線作用時(shí)就是電接將光能轉(zhuǎn)換成電能的器件。有光線作用時(shí)就是電源，廣泛用于宇航電源，另一類用于檢測(cè)和自動(dòng)控源，廣泛用于宇航電源，另一類用于檢測(cè)和自動(dòng)控制等。制等。 光電池種類很多，有硒光電池、鍺光電池、硅光光電

13、池種類很多，有硒光電池、鍺光電池、硅光電池、砷化鎵、氧化銅等等。電池、砷化鎵、氧化銅等等。光光電電池池符符號(hào)號(hào)4.3 4.3 光電池（有源器件）光電池（有源器件）太陽(yáng)能手機(jī)充電器太陽(yáng)能手機(jī)充電器太陽(yáng)能供LED電警示太陽(yáng)能電池光電池（有源器件）光電池（有源器件） 結(jié)構(gòu)：光電池實(shí)質(zhì)是一個(gè)大面積結(jié)構(gòu)：光電池實(shí)質(zhì)是一個(gè)大面積PNPN結(jié)，上電極為柵結(jié)，上電極為柵狀受光電極，下電極是一層襯底鋁。狀受光電極，下電極是一層襯底鋁。 原理：當(dāng)光照射原理：當(dāng)光照射PNPN結(jié)的一個(gè)面時(shí)，電子結(jié)的一個(gè)面時(shí)，電子空穴對(duì)空穴對(duì)迅速擴(kuò)散，在結(jié)電場(chǎng)作用下建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)迅速擴(kuò)散，在結(jié)電場(chǎng)作用下建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電

14、動(dòng)勢(shì)。一般可產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。一般可產(chǎn)生0.2V0.2V0.6V0.6V電壓電壓50mA50mA電流。電流。 光電池結(jié)構(gòu)光電池結(jié)構(gòu) 光電池工作原理圖光電池工作原理圖 光電池（有源器件）光電池（有源器件） 光電池的工作原理光電池的工作原理（a a）光電池工作原理圖）光電池工作原理圖 （b b）光電池等效電路圖）光電池等效電路圖 （c c）進(jìn)一步簡(jiǎn)化）進(jìn)一步簡(jiǎn)化圖圖4-7 4-7 光電池的工作原理圖和等效電路光電池的工作原理圖和等效電路) 1(/0KTqvsPDPLeIIIII光照特性光照特性 開(kāi)路電壓，光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間關(guān)系稱開(kāi)開(kāi)路電壓，光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間關(guān)系稱開(kāi)路電壓曲線，開(kāi)路電壓與光照度關(guān)系

15、是非線路電壓曲線，開(kāi)路電壓與光照度關(guān)系是非線性關(guān)系，在照度性關(guān)系，在照度2000lx2000lx下趨于飽和。下趨于飽和。 短路電流，短路電流與照度之間關(guān)系稱短路短路電流，短路電流與照度之間關(guān)系稱短路電流曲線，短路電流是指外接負(fù)載電流曲線，短路電流是指外接負(fù)載R RL L相對(duì)內(nèi)相對(duì)內(nèi)阻很小時(shí)的光電流。阻很小時(shí)的光電流。光照特性光照特性 開(kāi)路電壓，光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間關(guān)系稱開(kāi)開(kāi)路電壓，光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間關(guān)系稱開(kāi)路電壓曲線，開(kāi)路電壓與光照度關(guān)系是非線路電壓曲線，開(kāi)路電壓與光照度關(guān)系是非線性關(guān)系，在照度性關(guān)系，在照度2000lx2000lx下趨于飽和。下趨于飽和。 短路電流，短路電流與照度之間關(guān)系稱

16、短路短路電流，短路電流與照度之間關(guān)系稱短路電流曲線，短路電流是指外接負(fù)載電流曲線，短路電流是指外接負(fù)載R RL L相對(duì)內(nèi)相對(duì)內(nèi)阻很小時(shí)的光電流。阻很小時(shí)的光電流。 光照特性主要包括有：伏安特性、照度光照特性主要包括有：伏安特性、照度- -電流電流電壓特性和照度電壓特性和照度- -負(fù)載特性。負(fù)載特性。圖圖4-8 4-8 硅光電池伏安特性曲線硅光電池伏安特性曲線伏安特性伏安特性) 1() 1(/0/0KTqUseKTqUspdpeIESeIIIII當(dāng)當(dāng)E=0E=0時(shí)時(shí)， dKTqUsIeII) 1(/0當(dāng)光電池外接負(fù)載當(dāng)光電池外接負(fù)載電阻電阻R RL L后，負(fù)載電后，負(fù)載電阻阻R RL L上所得電

17、壓和上所得電壓和電流在特性曲線轉(zhuǎn)電流在特性曲線轉(zhuǎn)彎點(diǎn)時(shí)，電流和電彎點(diǎn)時(shí)，電流和電壓乘積為最大，光壓乘積為最大，光電池輸出功率為最電池輸出功率為最大。可以看出：負(fù)大。可以看出：負(fù)載電阻愈小，光電載電阻愈小，光電池工作愈接近短路池工作愈接近短路狀態(tài)線性就較好。狀態(tài)線性就較好。)/ln()/(0spOCIIqkTU（1 1）當(dāng)負(fù)載電阻斷開(kāi)時(shí)，）當(dāng)負(fù)載電阻斷開(kāi)時(shí)，P P端對(duì)端對(duì)N N端的電壓稱為開(kāi)路電端的電壓稱為開(kāi)路電壓，一般情況，由于壓，一般情況，由于p-np-n結(jié)光生電流遠(yuǎn)大于反向飽和電結(jié)光生電流遠(yuǎn)大于反向飽和電流。得到：在一定溫度下，開(kāi)路電壓與光電流的對(duì)數(shù)流。得到：在一定溫度下，開(kāi)路電壓與光電流

18、的對(duì)數(shù)成正比，也可以說(shuō)與照度或光通量的對(duì)數(shù)成正比。即：成正比，也可以說(shuō)與照度或光通量的對(duì)數(shù)成正比。即：下面分析兩種情況：下面分析兩種情況：Uoc一般為一般為0.450.6V，最大不超過(guò)，最大不超過(guò)0.756V，因?yàn)橐驗(yàn)閁oc不能超過(guò)不能超過(guò)PN結(jié)熱平衡時(shí)的接觸電動(dòng)結(jié)熱平衡時(shí)的接觸電動(dòng)勢(shì)差或內(nèi)建電勢(shì)勢(shì)差或內(nèi)建電勢(shì)UD。（2 2）當(dāng)負(fù)載電阻短路時(shí)）當(dāng)負(fù)載電阻短路時(shí)( (實(shí)際為實(shí)際為外接負(fù)載外接負(fù)載R RL L相對(duì)內(nèi)阻很相對(duì)內(nèi)阻很小時(shí)小時(shí)) )，光生電壓接近于零，流過(guò)器件的電流叫短，光生電壓接近于零，流過(guò)器件的電流叫短路電流，其方向從路電流，其方向從p-np-n結(jié)內(nèi)部看是從結(jié)內(nèi)部看是從n n區(qū)指向區(qū)

19、指向p p區(qū)，區(qū)，這時(shí)光生載流子不再積累于這時(shí)光生載流子不再積累于p-np-n結(jié)兩側(cè)，所以結(jié)兩側(cè)，所以p-np-n結(jié)結(jié)又恢復(fù)到平衡狀態(tài)。這時(shí)又恢復(fù)到平衡狀態(tài)。這時(shí)p-np-n結(jié)光電器件的短路光結(jié)光電器件的短路光電流與照度（弱照度）或光通量成正比，從而得到電流與照度（弱照度）或光通量成正比，從而得到最大線性區(qū)，這在線性測(cè)量中被廣泛最大線性區(qū)，這在線性測(cè)量中被廣泛p-np-n結(jié)應(yīng)用。結(jié)應(yīng)用。 I IscscI Ip pS Se eE E 硅單晶光電池短路電流可達(dá)硅單晶光電池短路電流可達(dá)3540mA/cm2硅光電池的硅光電池的U Uococ、I Iscsc與照度的關(guān)系與照度的關(guān)系 照度照度- -電流

20、電壓特性電流電壓特性光電池的短路光電流光電池的短路光電流I Iscsc與入射光照度成正比，而與入射光照度成正比，而開(kāi)路電壓開(kāi)路電壓U UOCOC與光照度的對(duì)數(shù)成正比。與光照度的對(duì)數(shù)成正比。開(kāi)路電壓開(kāi)路電壓U UOCOC和短路電流和短路電流I Iscsc與光電池受光面積也有關(guān)系。與光電池受光面積也有關(guān)系。在光照度一定時(shí)，在光照度一定時(shí)，U UOCOC與受光面積的對(duì)數(shù)成正比，短路電與受光面積的對(duì)數(shù)成正比，短路電流流I Iscsc與受光面積成正比。與受光面積成正比。電流、電壓與受光面積的關(guān)系電流、電壓與受光面積的關(guān)系光照與負(fù)載特性光照與負(fù)載特性 光電流在弱光照射光電流在弱光照射下與光照度成線性關(guān)下與

21、光照度成線性關(guān)系。光照增加到一定系。光照增加到一定程度后，輸出電流非程度后，輸出電流非線性緩慢地增加，直線性緩慢地增加，直至飽和，并且負(fù)載電至飽和，并且負(fù)載電阻越大，越容易出現(xiàn)阻越大，越容易出現(xiàn)飽和，即線性范圍較飽和，即線性范圍較小。因此，如欲獲得小。因此，如欲獲得較寬的光電線性范圍，較寬的光電線性范圍，負(fù)載電阻不能取很大。負(fù)載電阻不能取很大。光電池不同負(fù)載電阻下的光電特性光電池不同負(fù)載電阻下的光電特性 光電池作為測(cè)量元件使用時(shí)，一般不做電壓源光電池作為測(cè)量元件使用時(shí)，一般不做電壓源使用，而作為電流源的形式應(yīng)用。使用，而作為電流源的形式應(yīng)用。 測(cè)量用光電池主要作為光電探測(cè)用，對(duì)它的要求測(cè)量用光

22、電池主要作為光電探測(cè)用，對(duì)它的要求是線性范圍寬、靈敏度高、光譜響應(yīng)合適、穩(wěn)定性是線性范圍寬、靈敏度高、光譜響應(yīng)合適、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)，被廣泛應(yīng)用在光度、色度、光學(xué)精密好、壽命長(zhǎng)，被廣泛應(yīng)用在光度、色度、光學(xué)精密計(jì)量和測(cè)試中。計(jì)量和測(cè)試中。光譜特性光譜特性 光譜特性表示在入射光能光譜特性表示在入射光能量保持一定的條件下，光量保持一定的條件下，光電池所產(chǎn)生的短路電流與電池所產(chǎn)生的短路電流與入射光波之間的關(guān)系。入射光波之間的關(guān)系。 器件的長(zhǎng)波限取決于材料器件的長(zhǎng)波限取決于材料的禁帶寬度，短波則受材的禁帶寬度，短波則受材料表面反射損失的限制，料表面反射損失的限制，其峰值不僅與材料有關(guān)，其峰值不僅與材料

23、有關(guān)，而且隨制造工藝及使用環(huán)而且隨制造工藝及使用環(huán)境溫度不同而有所不同。境溫度不同而有所不同。光電池譜特性光電池譜特性 光電池對(duì)不同波長(zhǎng)的光電池對(duì)不同波長(zhǎng)的光靈敏度不同。光靈敏度不同。 硅光電池的光譜響應(yīng)硅光電池的光譜響應(yīng)峰值在峰值在0.8m0.8m附近，附近，波長(zhǎng)范圍波長(zhǎng)范圍0.40.41.2m1.2m。硅光電池可在很寬的硅光電池可在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)應(yīng)用。波長(zhǎng)范圍內(nèi)應(yīng)用。 硒光電池光譜響應(yīng)峰硒光電池光譜響應(yīng)峰值在值在0.5m0.5m附近附近, , 波波 長(zhǎng)范圍長(zhǎng)范圍0.380.380.75m0.75m。頻率特性頻率特性 頻率特性指光電池相對(duì)頻率特性指光電池相對(duì) 輸出電流與光的調(diào)制頻輸出電流與

24、光的調(diào)制頻 率之間關(guān)系。率之間關(guān)系。 硅、硒光電池的頻率特硅、硒光電池的頻率特 性不同，硅光電池頻率性不同，硅光電池頻率 響應(yīng)較好，硒光電池較差。響應(yīng)較好，硒光電池較差。 所以高速計(jì)數(shù)器的轉(zhuǎn)換所以高速計(jì)數(shù)器的轉(zhuǎn)換 一般采用硅光電池作為一般采用硅光電池作為 傳感器元件。傳感器元件。 硅、硒光電池的頻率特性硅、硒光電池的頻率特性 （1 1）要得到短的響應(yīng)時(shí)間，必須選用小的負(fù)載電阻；）要得到短的響應(yīng)時(shí)間，必須選用小的負(fù)載電阻； 負(fù)載大時(shí)頻率特性變差，減小負(fù)載可減小時(shí)間常數(shù)，負(fù)載大時(shí)頻率特性變差，減小負(fù)載可減小時(shí)間常數(shù)，提高頻響。但負(fù)載電阻的減小會(huì)使輸出電壓降低，實(shí)際使提高頻響。但負(fù)載電阻的減小會(huì)使輸

25、出電壓降低，實(shí)際使用時(shí)視具體情況而定。用時(shí)視具體情況而定。（2）光電池面積越大則響應(yīng)時(shí)間越大，因?yàn)楣怆姵孛娣e越）光電池面積越大則響應(yīng)時(shí)間越大，因?yàn)楣怆姵孛娣e越大則結(jié)電容大則結(jié)電容 越大，在給定負(fù)載越大，在給定負(fù)載 時(shí)，時(shí)間常數(shù)時(shí)，時(shí)間常數(shù) 就越大，故要求短的響應(yīng)時(shí)間，必須選用小面積光電池。就越大，故要求短的響應(yīng)時(shí)間，必須選用小面積光電池。 總的來(lái)說(shuō)，由于硅光電池光敏面積大，結(jié)電容大，頻總的來(lái)說(shuō)，由于硅光電池光敏面積大，結(jié)電容大，頻響較低。為了提高頻響，光電池可在光電導(dǎo)模式下使用，響較低。為了提高頻響，光電池可在光電導(dǎo)模式下使用，只要加只要加12伏的反向偏置電壓，則響應(yīng)時(shí)間會(huì)從伏的反向偏置電壓，

26、則響應(yīng)時(shí)間會(huì)從1微秒下降微秒下降到幾百納秒。到幾百納秒。jCLRjLCR 頻率特性頻率特性溫度特性溫度特性 光電池的參數(shù)光電池的參數(shù)隨工作環(huán)境溫度改隨工作環(huán)境溫度改變而變化。變而變化。 開(kāi)路電壓具有開(kāi)路電壓具有負(fù)溫度系數(shù)，而短負(fù)溫度系數(shù)，而短路電流具有正溫度路電流具有正溫度系數(shù)。系數(shù)。 當(dāng)光電池密封良好、電極引線可靠、應(yīng)用合當(dāng)光電池密封良好、電極引線可靠、應(yīng)用合理時(shí)理時(shí), ,光電池的性能是相當(dāng)穩(wěn)定的光電池的性能是相當(dāng)穩(wěn)定的, ,使用壽命也很使用壽命也很長(zhǎng)。硅光電池的性能比硒光電池更穩(wěn)定。光電池長(zhǎng)。硅光電池的性能比硒光電池更穩(wěn)定。光電池的性能和壽命除了與光電池的材料及制造工藝有的性能和壽命除了與

27、光電池的材料及制造工藝有關(guān)外關(guān)外, ,在很大程度上還與使用環(huán)境條件有密切關(guān)在很大程度上還與使用環(huán)境條件有密切關(guān)系。如在高溫和強(qiáng)光照射下系。如在高溫和強(qiáng)光照射下, ,會(huì)使會(huì)使光電池的性能光電池的性能變壞變壞, ,而且降低使用壽命而且降低使用壽命, ,這在使用中要加以注意。這在使用中要加以注意。表表4.14.1給出了幾種硅光電池的性能參數(shù)給出了幾種硅光電池的性能參數(shù), ,以供參以供參考?？?。 穩(wěn)定性穩(wěn)定性表表4.1 4.1 幾種硅光電池的性能參數(shù)幾種硅光電池的性能參數(shù) 5 5、 光電池偏置電路光電池偏置電路(a)(a)基本形式基本形式 (b)(b)等效電路等效電路 (c)(c)圖解法圖解法 圖圖4

28、-14 4-14 硅光電池?zé)o偏置電路硅光電池?zé)o偏置電路) 1(/0qKTIRsPLeIII00/lnssLPIIRUIqkTU)/(ln/00ssLPLIIRUIRqkTUIUP 可以用圖可以用圖4-144-14（c c）定性分析，也可定量地描述）定性分析，也可定量地描述負(fù)載電阻和入射光通量對(duì)電路工作狀態(tài)（負(fù)載電阻和入射光通量對(duì)電路工作狀態(tài)（I I、U U、P P）的影響，即的影響，即光電池偏置電路光電池偏置電路根據(jù)所選負(fù)載電阻的數(shù)值不同可以把光電池的工作曲線分作四根據(jù)所選負(fù)載電阻的數(shù)值不同可以把光電池的工作曲線分作四個(gè)區(qū)域，分別如下圖中個(gè)區(qū)域，分別如下圖中、表示，對(duì)應(yīng)的四個(gè)工作表示，對(duì)應(yīng)的四

29、個(gè)工作狀態(tài)為短路或線性電流放大、線性電壓放大、空載電壓輸出和狀態(tài)為短路或線性電流放大、線性電壓放大、空載電壓輸出和功率放大。功率放大。 光電池偏置電路光電池偏置電路圖圖4-154-15短路或線性電流放大短路或線性電流放大 一種電流變換狀態(tài)，如圖一種電流變換狀態(tài)，如圖4-15(b)4-15(b)中的中的I I區(qū)域。要求硅區(qū)域。要求硅光電池送給負(fù)載電阻光電池送給負(fù)載電阻R RL L（這時(shí)（這時(shí)R RL L R Rm m，且，且R RL L00）的電流與）的電流與光照度成線性關(guān)系。如果需要放大信號(hào)，則應(yīng)選用電流放光照度成線性關(guān)系。如果需要放大信號(hào)，則應(yīng)選用電流放大器。為此要求負(fù)載電阻或后續(xù)放大電路輸

30、入阻抗盡可能大器。為此要求負(fù)載電阻或后續(xù)放大電路輸入阻抗盡可能小，才能使輸出電流盡可能大，即接近短路電流小，才能使輸出電流盡可能大，即接近短路電流IscIsc，因，因?yàn)橹挥卸搪冯娏鞑排c入射光照度有良好的線性關(guān)系，即：為只有短路電流才與入射光照度有良好的線性關(guān)系，即：ESIeIIIeSCRqkTIRsPLLL0/0) 1(光電池偏置電路光電池偏置電路線性電壓輸出線性電壓輸出 當(dāng)負(fù)載電阻很小甚至接近于零的時(shí)候，電路工作在短當(dāng)負(fù)載電阻很小甚至接近于零的時(shí)候，電路工作在短路及線性電流放大狀態(tài)；而當(dāng)負(fù)載電阻稍微增大，但小于路及線性電流放大狀態(tài)；而當(dāng)負(fù)載電阻稍微增大，但小于臨界負(fù)載電阻臨界負(fù)載電阻R Rm

31、 m時(shí)，電路就處于線性電壓輸出狀態(tài)，如圖時(shí)，電路就處于線性電壓輸出狀態(tài)，如圖4-15(b)4-15(b)中的區(qū)域中的區(qū)域，此時(shí)，此時(shí)R RL L R Rm m且且R RL L，要求光電池應(yīng)通過(guò)高輸入阻抗，要求光電池應(yīng)通過(guò)高輸入阻抗變換器與后續(xù)放大電路連接，相當(dāng)于輸出開(kāi)路，開(kāi)路電壓變換器與后續(xù)放大電路連接，相當(dāng)于輸出開(kāi)路，開(kāi)路電壓可寫成：可寫成：) 1ln(0sPOCIIqkTU當(dāng)光通量較大時(shí)，當(dāng)光通量較大時(shí)， PI0sI00lnlnsesPOCIESqkTIIqkTU光電池偏置電路光電池偏置電路 開(kāi)路電壓與入射光通量的對(duì)數(shù)成正比，即隨入射光通開(kāi)路電壓與入射光通量的對(duì)數(shù)成正比，即隨入射光通量增大

32、按對(duì)數(shù)規(guī)律增大，但開(kāi)路電壓并不會(huì)無(wú)限增大，它量增大按對(duì)數(shù)規(guī)律增大，但開(kāi)路電壓并不會(huì)無(wú)限增大，它的最大值受的最大值受PN結(jié)勢(shì)壘高度的限制，通常光電池的開(kāi)路電結(jié)勢(shì)壘高度的限制，通常光電池的開(kāi)路電壓為壓為0.450.6 V。在入射光強(qiáng)從零到某一定值作跳躍變化。在入射光強(qiáng)從零到某一定值作跳躍變化的光電開(kāi)關(guān)等應(yīng)用中，簡(jiǎn)單地利用的光電開(kāi)關(guān)等應(yīng)用中，簡(jiǎn)單地利用UOC電壓變化，不需加電壓變化，不需加任何偏置電源即可組成控制電路，這是它的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。任何偏置電源即可組成控制電路，這是它的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。 此外，由伏安特性可以看到對(duì)于較小的入射光通量，此外，由伏安特性可以看到對(duì)于較小的入射光通量，開(kāi)路電壓輸出變化較大，這

33、對(duì)弱光信號(hào)的檢測(cè)特別有利，開(kāi)路電壓輸出變化較大，這對(duì)弱光信號(hào)的檢測(cè)特別有利，但光電池開(kāi)路電壓與入射光功率呈非線性關(guān)系，同時(shí)受溫但光電池開(kāi)路電壓與入射光功率呈非線性關(guān)系，同時(shí)受溫度影響大，其頻率特性也不理想，如果希望得到大的電壓度影響大，其頻率特性也不理想，如果希望得到大的電壓輸出，則不如采用光電二極管或光電三極管。輸出，則不如采用光電二極管或光電三極管。光電池偏置電路光電池偏置電路 特點(diǎn)是工作時(shí)不需外加偏壓，接收面積小，使用方便。特點(diǎn)是工作時(shí)不需外加偏壓，接收面積小，使用方便。 缺點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，它由結(jié)電容和外接負(fù)載電阻的乘積決缺點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，它由結(jié)電容和外接負(fù)載電阻的乘積決定。定。 其摻雜

34、濃度高。其摻雜濃度高。 電阻率低電阻率低( (為為0.10.10.01/cm)0.01/cm)易于輸出光電流；易于輸出光電流； 硅光電池較廣泛用于充電儲(chǔ)能硅光電池較廣泛用于充電儲(chǔ)能 。 輸出電壓與光電流成線性關(guān)系，也就是與入射光功率成線輸出電壓與光電流成線性關(guān)系，也就是與入射光功率成線性關(guān)系。性關(guān)系。 硅光電池的長(zhǎng)波限由硅的禁帶寬度決定，為硅光電池的長(zhǎng)波限由硅的禁帶寬度決定，為1.15um1.15um峰值峰值波長(zhǎng)約為波長(zhǎng)約為0.8um0.8um。如果。如果P P型硅片上的型硅片上的N N型擴(kuò)散層做得很薄型擴(kuò)散層做得很薄( (小于小于0.5um)0.5um)，峰值波長(zhǎng)可向著短波方向微移，對(duì)蘭紫光

35、譜仍有響，峰值波長(zhǎng)可向著短波方向微移，對(duì)蘭紫光譜仍有響應(yīng)。應(yīng)。使用特點(diǎn)使用特點(diǎn)光電池的應(yīng)用光電池的應(yīng)用 光電池短路電流與照度有較好的線性關(guān)系光電池短路電流與照度有較好的線性關(guān)系, ,作為作為測(cè)量元件使用時(shí)測(cè)量元件使用時(shí), ,常當(dāng)作電流源使用。光電池的受光常當(dāng)作電流源使用。光電池的受光面積面積, ,一般要比光電二極管和光電三極管大得多一般要比光電二極管和光電三極管大得多, ,因因此它的光電流比后兩者大此它的光電流比后兩者大, ,受光面積越大光電流也越受光面積越大光電流也越大大, ,適于需要輸出大電流的場(chǎng)合。適于需要輸出大電流的場(chǎng)合。作電流源使用作電流源使用 右圖給出了硅光電池右圖給出了硅光電池的

36、輸出伏安特性曲線。由的輸出伏安特性曲線。由圖可見(jiàn)圖可見(jiàn), ,對(duì)于對(duì)于0.5k0.5k的負(fù)載的負(fù)載線線, ,照度每變化照度每變化100lx100lx時(shí)時(shí), ,相相應(yīng)的負(fù)載線上的線段基本應(yīng)的負(fù)載線上的線段基本上相等上相等, ,輸出電流和電壓隨輸出電流和電壓隨照度變化有較好的線性。照度變化有較好的線性。而對(duì)于而對(duì)于3k3k的負(fù)載線的負(fù)載線, ,照度照度每變化每變化100lx100lx時(shí)時(shí), ,相應(yīng)的負(fù)相應(yīng)的負(fù)載線上的線段不等載線上的線段不等, ,輸出電輸出電流和電壓與照度的關(guān)系就流和電壓與照度的關(guān)系就會(huì)出現(xiàn)非線性。會(huì)出現(xiàn)非線性。900(lx)80070060050040030020010010020

37、03004000.10.20.30.40.50.6I / mA0.5 k1 k3 kAU / mV0光電池的應(yīng)用光電池的應(yīng)用作電流源使用作電流源使用 在光電檢測(cè)中在光電檢測(cè)中, ,在一定的負(fù)載下工作在一定的負(fù)載下工作, ,希望輸出希望輸出電流和電壓與照度成線性關(guān)系。要確定這樣的負(fù)載線電流和電壓與照度成線性關(guān)系。要確定這樣的負(fù)載線, ,只要將工作中最大照度只要將工作中最大照度( (圖中為圖中為900lx)900lx)的伏安特性曲的伏安特性曲線上的轉(zhuǎn)彎點(diǎn)線上的轉(zhuǎn)彎點(diǎn)A A與原點(diǎn)與原點(diǎn)O O連成直線連成直線, ,就是所需的負(fù)載線。就是所需的負(fù)載線。在檢測(cè)中在檢測(cè)中, ,如要求光電池性能穩(wěn)定如要求光電

38、池性能穩(wěn)定, ,有好的線性關(guān)系有好的線性關(guān)系, ,則負(fù)載電阻應(yīng)取得小一些則負(fù)載電阻應(yīng)取得小一些, ,電阻越小性能越好電阻越小性能越好, ,即負(fù)載即負(fù)載線應(yīng)在線應(yīng)在OAOA線的左面。這時(shí)輸出的電壓雖有所減少線的左面。這時(shí)輸出的電壓雖有所減少, ,但但光電流基本不變。反之光電流基本不變。反之, ,如果光電池的負(fù)載電阻已定如果光電池的負(fù)載電阻已定, ,例如例如0.5k,0.5k,則線性關(guān)系成立的最大的照度則線性關(guān)系成立的最大的照度( (在圖中為在圖中為900lx)900lx)可從伏安特性曲線確定可從伏安特性曲線確定, ,照度超過(guò)此值照度超過(guò)此值, ,則電流則電流和電壓與照度成非線性關(guān)系。和電壓與照度

39、成非線性關(guān)系。光電池的應(yīng)用光電池的應(yīng)用作電流源使用作電流源使用 圖中伏安特性曲線是在受光面積為圖中伏安特性曲線是在受光面積為1cm1cm2 2的情況下得到的。如果受光面積不是的情況下得到的。如果受光面積不是1cm1cm2 2, ,則則光電流的大小應(yīng)作相應(yīng)改變。另外光電流的大小應(yīng)作相應(yīng)改變。另外, ,由于不同由于不同光源頻譜不同光源頻譜不同, ,當(dāng)光源的種類不同當(dāng)光源的種類不同( (例如太陽(yáng)光、例如太陽(yáng)光、白熾燈、螢光燈等白熾燈、螢光燈等) )時(shí)時(shí), ,即使照度相同即使照度相同, ,光電池光電池的輸出也不相同的輸出也不相同, ,輸出與照度成比例的范圍輸出與照度成比例的范圍( (或或最大照度最大照

40、度) )亦有區(qū)別。亦有區(qū)別。光電池的應(yīng)用光電池的應(yīng)用作電流源使用作電流源使用 如圖如圖 (a)所示的情況。當(dāng)硅所示的情況。當(dāng)硅光電池與鍺管相接時(shí)光電池與鍺管相接時(shí),鍺管的鍺管的基極工作電壓在基極工作電壓在0.20.3V之之間間,而硅光電池的開(kāi)路電壓可而硅光電池的開(kāi)路電壓可達(dá)達(dá)0.5V左右左右(有負(fù)載時(shí)電壓小有負(fù)載時(shí)電壓小于于0.5V),因此因此,可把光電池直可把光電池直接接至鍺管的基極使它工作。接接至鍺管的基極使它工作。利用圖利用圖(b)的圖解分析可知的圖解分析可知,當(dāng)照度自當(dāng)照度自100lx變至變至800lx時(shí)時(shí),鍺管中的基極電流鍺管中的基極電流IB(圖中光圖中光電池伏安曲線與鍺管輸入特電池

41、伏安曲線與鍺管輸入特性曲線性曲線AB的交點(diǎn)的交點(diǎn))和集電極和集電極電流電流IC=IB與照度與照度E幾乎成幾乎成線性變化。線性變化。光電池的應(yīng)用光電池的應(yīng)用l光電池作為控制元件時(shí)通常接非線性負(fù)載，控光電池作為控制元件時(shí)通常接非線性負(fù)載，控制制 晶體管工作。晶體管工作。I /A120100806040200100 200300 400 500U / mVA100200300400500600700800 lxBICEIB(b)(a)圖圖 光電池接非線性負(fù)載的情況光電池接非線性負(fù)載的情況 對(duì)于硅管對(duì)于硅管,其基極的工作電壓為其基極的工作電壓為0.60.7V,一個(gè)光電池一個(gè)光電池0.5V0.5V電壓不

42、能電壓不能直接控制它的工作。這時(shí)可用兩個(gè)光電直接控制它的工作。這時(shí)可用兩個(gè)光電池串聯(lián)后接入基極。池串聯(lián)后接入基極。光電池的應(yīng)用光電池的應(yīng)用l光電池作為電源使用時(shí)，根據(jù)使用要求進(jìn)行連接。光電池作為電源使用時(shí)，根據(jù)使用要求進(jìn)行連接。 需要高電壓時(shí)應(yīng)將光電池串聯(lián)使用；需要高電壓時(shí)應(yīng)將光電池串聯(lián)使用； 需要大電流時(shí)應(yīng)將光電池并聯(lián)使用。需要大電流時(shí)應(yīng)將光電池并聯(lián)使用。光電池電路連接光電池電路連接 圖圖 (a)中采用了可變電阻中采用了可變電阻RW,其優(yōu)點(diǎn)是光電池所需的附加電壓其優(yōu)點(diǎn)是光電池所需的附加電壓可任意調(diào)節(jié)可任意調(diào)節(jié);(b)中采用了二極管中采用了二極管D,其特點(diǎn)是對(duì)晶體管的工作點(diǎn)隨其特點(diǎn)是對(duì)晶體管的

43、工作點(diǎn)隨溫度的變化有補(bǔ)償作用溫度的變化有補(bǔ)償作用,但二極但二極管的正向壓降為確定的數(shù)值管的正向壓降為確定的數(shù)值,不不能任意調(diào)節(jié)。能任意調(diào)節(jié)。 光電計(jì)數(shù)器、光電繼電器等光電計(jì)數(shù)器、光電繼電器等開(kāi)關(guān)電路經(jīng)常采用左圖所示的線開(kāi)關(guān)電路經(jīng)常采用左圖所示的線路。路。光電池的應(yīng)用光電池的應(yīng)用 用偏壓電阻產(chǎn)生附加電壓。如用偏壓電阻產(chǎn)生附加電壓。如下圖。圖中下圖。圖中(a)(a)和和(b)(b)分別用可變電阻分別用可變電阻R RW W和二極管和二極管D D產(chǎn)生所需的附加電壓產(chǎn)生所需的附加電壓, ,假假設(shè)為設(shè)為0.3V0.3V至至0.5V0.5V。這樣光電池本身只需。這樣光電池本身只需0.2V0.2V至至0.4V

44、0.4V的的光電動(dòng)勢(shì)就可以控制晶體管的工作了。光電動(dòng)勢(shì)就可以控制晶體管的工作了。RWIB EIB ED(a)(b)圖圖 用可變電阻用可變電阻R RW W、二極管、二極管D D產(chǎn)生所需產(chǎn)生所需的附加電壓的附加電壓 硅光電池的開(kāi)路（負(fù)載電阻硅光電池的開(kāi)路（負(fù)載電阻R RL L趨于無(wú)限大時(shí)）趨于無(wú)限大時(shí)）電壓與照度的關(guān)系是非線性的電壓與照度的關(guān)系是非線性的, ,因此因此, ,作為測(cè)量元件作為測(cè)量元件使用時(shí)使用時(shí), ,一般不宜當(dāng)作電壓源使用。而且硅光電池一般不宜當(dāng)作電壓源使用。而且硅光電池的開(kāi)路電壓最大也只有的開(kāi)路電壓最大也只有0.6V0.6V左右左右, ,因此如果希望得因此如果希望得到大的電壓輸出到

45、大的電壓輸出, ,不如采用光電二極管和光電三極不如采用光電二極管和光電三極管管, ,因?yàn)樗鼈冊(cè)谕饧臃聪螂妷合鹿ぷ饕驗(yàn)樗鼈冊(cè)谕饧臃聪螂妷合鹿ぷ? ,可得到幾伏甚可得到幾伏甚至十幾伏的電壓輸出。但如果照度跳躍式變化至十幾伏的電壓輸出。但如果照度跳躍式變化, ,如如從零跳變至某值從零跳變至某值, ,對(duì)電壓的線性關(guān)系無(wú)要求對(duì)電壓的線性關(guān)系無(wú)要求, ,光電池光電池可有可有0.5V0.5V左右左右( (開(kāi)路電壓開(kāi)路電壓) )的電壓變化的電壓變化, ,亦可適合于亦可適合于開(kāi)關(guān)電路或繼電器工作狀態(tài)。開(kāi)關(guān)電路或繼電器工作狀態(tài)。作電壓源使用作電壓源使用光電池的應(yīng)用光電池的應(yīng)用 若要增加光電池的輸出電壓若要增加光電

46、池的輸出電壓, ,類似于光電二極管類似于光電二極管可加反向電壓可加反向電壓, ,如下圖如下圖(a)(a)所示所示, ,有時(shí)為了改善線性亦可有時(shí)為了改善線性亦可加反向電壓。為加以說(shuō)明加反向電壓。為加以說(shuō)明, ,光電池的伏安特性曲線畫于光電池的伏安特性曲線畫于下圖下圖(b)(b)。圖中畫出了光電池加反向電壓時(shí)的負(fù)載線。圖中畫出了光電池加反向電壓時(shí)的負(fù)載線ABAB和不加反向電壓時(shí)的負(fù)載線和不加反向電壓時(shí)的負(fù)載線ABAB。在相同負(fù)載電。在相同負(fù)載電阻阻R RL L情況下情況下, ,這兩條負(fù)載線互相平行。顯然這兩條負(fù)載線互相平行。顯然, ,工作于工作于ABAB段要比工作于段要比工作于ABAB段為好段為好

47、, ,在同樣的照度變化下在同樣的照度變化下( (自自0 0變至變至3),3),不論電壓或電流變化的大小都成線性關(guān)不論電壓或電流變化的大小都成線性關(guān)系。但光電池加反向電壓后的暗電流和噪聲有所增大系。但光電池加反向電壓后的暗電流和噪聲有所增大, ,因而要選用反向暗電流小的光電池因而要選用反向暗電流小的光電池, ,并注意光電池不能并注意光電池不能因加反向電壓而擊穿。因加反向電壓而擊穿。光電池的應(yīng)用光電池的應(yīng)用作電壓源使用作電壓源使用 圖圖 加反向電壓的光電池加反向電壓的光電池 (a)(a)電路；電路；(b)(b)伏安特性曲線伏安特性曲線 arctanRL1AarctanRL1UBBAE0或 0EEE

48、 E(a)(b)O光電池的應(yīng)用光電池的應(yīng)用作電壓源使用作電壓源使用圖圖 路燈自動(dòng)控制器電路路燈自動(dòng)控制器電路C2200uFC3100uFT4T1T2T3R1470KR2200KR310KR2200KR34.3R710KR625KR8280KC1200uFJGND2CRVCCVCC8VCJD-10220V光電池的應(yīng)用實(shí)例光電池的應(yīng)用實(shí)例硅光電二極管和光電池，都是基于硅光電二極管和光電池，都是基于p-np-n結(jié)的光電效結(jié)的光電效應(yīng)而工作的，它主要用于可見(jiàn)光及紅外光譜區(qū)。應(yīng)而工作的，它主要用于可見(jiàn)光及紅外光譜區(qū)。 （1 1）硅光電二極管通常工作在反偏置條件下，即）硅光電二極管通常工作在反偏置條件下，

49、即光電導(dǎo)工作模式：可以減小光生載流子度越時(shí)光電導(dǎo)工作模式：可以減小光生載流子度越時(shí)間及結(jié)電容，可獲得較寬的線性輸出和較高的間及結(jié)電容，可獲得較寬的線性輸出和較高的響應(yīng)頻率，適用于測(cè)量高頻調(diào)制的光信號(hào)。響應(yīng)頻率，適用于測(cè)量高頻調(diào)制的光信號(hào)。（2 2）硅光電二極管也可工作在零偏置狀態(tài)，即光）硅光電二極管也可工作在零偏置狀態(tài)，即光伏工作模式：暗電流等于零。伏工作模式：暗電流等于零。 硅光電二極管后繼電路采用電流電壓變換電硅光電二極管后繼電路采用電流電壓變換電路，線性區(qū)范圍擴(kuò)大，得到廣泛應(yīng)用。路，線性區(qū)范圍擴(kuò)大，得到廣泛應(yīng)用。4.44.4光電二極管和光電三極管光電二極管和光電三極管 光敏晶體管工作原理

50、主要基于光生伏特效應(yīng)。光敏晶體管工作原理主要基于光生伏特效應(yīng)。 特點(diǎn)：響應(yīng)速度快、頻率響應(yīng)好、靈敏度高、特點(diǎn)：響應(yīng)速度快、頻率響應(yīng)好、靈敏度高、 可靠性高可靠性高; ; 廣泛應(yīng)用于可見(jiàn)光和遠(yuǎn)紅外探測(cè)，以及自動(dòng)控制、廣泛應(yīng)用于可見(jiàn)光和遠(yuǎn)紅外探測(cè)，以及自動(dòng)控制、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)計(jì)數(shù)等領(lǐng)域和裝置。自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)計(jì)數(shù)等領(lǐng)域和裝置。 光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管光敏二極管光敏二極管 光敏二極管結(jié)構(gòu)與一光敏二極管結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，它們都般二極管相似，它們都有一個(gè)有一個(gè)P PN N結(jié)，并且都結(jié)，并且都是單向?qū)щ姷姆蔷€性元是單向?qū)щ姷姆蔷€性元件。為了提高轉(zhuǎn)換效率件。為了提高轉(zhuǎn)換效率大面積受光

51、，大面積受光，PNPN結(jié)面積結(jié)面積比一般二極管大。比一般二極管大。硅光敏二極管結(jié)構(gòu)硅光敏二極管結(jié)構(gòu) 光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管工作原理：工作原理： 光敏二極管在電路中一般處于反向偏置狀態(tài)，光敏二極管在電路中一般處于反向偏置狀態(tài)， 無(wú)光照時(shí)，反向電阻很大，無(wú)光照時(shí)，反向電阻很大， 反向電流很??；反向電流很?。?有光照時(shí)，有光照時(shí)，PNPN結(jié)處產(chǎn)生光生結(jié)處產(chǎn)生光生 電子空穴對(duì)；電子空穴對(duì)； 在電場(chǎng)作用下形成光電流，在電場(chǎng)作用下形成光電流， 光照越強(qiáng)光電流越大；光照越強(qiáng)光電流越大； 光電流方向與反向電流一致。光電流方向與反向電流一致。 光敏二極管基本電路光敏二極管基本電路 光敏二極

52、管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管v 基本特性基本特性 光照特性光照特性 右圖是硅光敏二極管在小右圖是硅光敏二極管在小 負(fù)載電阻下的光照特性。負(fù)載電阻下的光照特性。 光電流與照度成線性關(guān)系。光電流與照度成線性關(guān)系。 光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管硅光電二極管光照特性硅光電二極管光照特性 伏安特性伏安特性當(dāng)反向偏壓較低時(shí)，光當(dāng)反向偏壓較低時(shí)，光電流隨電壓變化比較敏電流隨電壓變化比較敏感，隨反向偏壓的加大，感，隨反向偏壓的加大，光生電流趨于飽和，這光生電流趨于飽和，這時(shí)光生電流與所加偏壓時(shí)光生電流與所加偏壓幾乎無(wú)關(guān)，只取決于光幾乎無(wú)關(guān)，只取決于光照強(qiáng)度。照強(qiáng)度。光敏二極管和光敏三極

53、管光敏二極管和光敏三極管 光譜特性光譜特性 當(dāng)入射波長(zhǎng)當(dāng)入射波長(zhǎng)900nm900nm時(shí)，響應(yīng)下降，因波長(zhǎng)長(zhǎng)，時(shí)，響應(yīng)下降，因波長(zhǎng)長(zhǎng)， 光子能量小于禁帶寬度，不產(chǎn)生電子光子能量小于禁帶寬度，不產(chǎn)生電子空穴對(duì)；空穴對(duì)； 當(dāng)入射波長(zhǎng)當(dāng)入射波長(zhǎng)900nm900nm時(shí)，響應(yīng)也逐漸下降，波長(zhǎng)短時(shí)，響應(yīng)也逐漸下降，波長(zhǎng)短 的光穿透深度小，使光電流減小。的光穿透深度小，使光電流減小。硅光敏二極管光譜響應(yīng)硅光敏二極管光譜響應(yīng) 光敏晶極管光譜響應(yīng)光敏晶極管光譜響應(yīng) 光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管 硅光電二極管的光譜響應(yīng)特性主要由硅材硅光電二極管的光譜響應(yīng)特性主要由硅材料決定，響應(yīng)波長(zhǎng)范圍大約是料決定

54、，響應(yīng)波長(zhǎng)范圍大約是0.41.15um。峰。峰值響應(yīng)波長(zhǎng)一般為值響應(yīng)波長(zhǎng)一般為0.8lum。硅光電二極管對(duì)。硅光電二極管對(duì)砷化鎵激光波長(zhǎng)的探測(cè)最佳，對(duì)氦、氖激光及砷化鎵激光波長(zhǎng)的探測(cè)最佳，對(duì)氦、氖激光及紅寶石激光亦有較高的探測(cè)靈敏度。紅寶石激光亦有較高的探測(cè)靈敏度。光譜特性光譜特性光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管 溫度特性溫度特性由于反向飽和電流與溫由于反向飽和電流與溫度密切有關(guān)，因此光敏度密切有關(guān)，因此光敏二極管的暗電流對(duì)溫度二極管的暗電流對(duì)溫度變化很敏感。變化很敏感。 光敏二極管暗電流與溫度關(guān)系光敏二極管暗電流與溫度關(guān)系 光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管 頻率響應(yīng)頻

55、率響應(yīng)光敏管的頻率響應(yīng)是指光敏光敏管的頻率響應(yīng)是指光敏管輸出的光電流隨頻率的變管輸出的光電流隨頻率的變化關(guān)系。光敏管的頻響與本化關(guān)系。光敏管的頻響與本身的物理結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)、身的物理結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)、負(fù)載以及入射光波長(zhǎng)等因素負(fù)載以及入射光波長(zhǎng)等因素有關(guān)。圖光敏二極管頻率響有關(guān)。圖光敏二極管頻率響應(yīng)曲線說(shuō)明調(diào)制頻率高于應(yīng)曲線說(shuō)明調(diào)制頻率高于1000Hz1000Hz時(shí)，硅光敏晶體管靈時(shí)，硅光敏晶體管靈敏度急劇下降。敏度急劇下降。光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管圖圖4-26 2CU4-26 2CU型硅光電二極管型硅光電二極管的響應(yīng)時(shí)間的響應(yīng)時(shí)間- -負(fù)載曲線負(fù)載曲線光敏二極管頻率響應(yīng)曲線光

56、敏二極管頻率響應(yīng)曲線 硅光電二極管電路可視為一個(gè)高內(nèi)阻恒流源電路。一般，硅光電二極管電路可視為一個(gè)高內(nèi)阻恒流源電路。一般，結(jié)電阻結(jié)電阻 R RD D 10 107 7;串聯(lián)電阻串聯(lián)電阻R RS S100RRS S，負(fù)載電阻上的輸出電壓，負(fù)載電阻上的輸出電壓: : U UL L=I=Ip p R RD D R R L L/ / （ R RD D + R+ RL L ） 由于由于 R RD D R R L L 所以所以U UL L I Ip p R R L L 式中：式中： I Ip p 為光電流。為光電流。 由于硅光電二極管加的反偏電壓由于硅光電二極管加的反偏電壓U U0 0大于大于I Ip p

57、 R R L L，所以在任何輻，所以在任何輻射強(qiáng)度下硅光電二極管都不會(huì)飽和，因而只處于線性工作范圍。射強(qiáng)度下硅光電二極管都不會(huì)飽和，因而只處于線性工作范圍。光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管(a)(a)實(shí)際電路實(shí)際電路 (b)(b)等效電路等效電路 (c)(c)高頻簡(jiǎn)化等效電路高頻簡(jiǎn)化等效電路 (d)(d)低頻等效電路低頻等效電路硅光電二極管的頻率響應(yīng)還可以用等效電路來(lái)計(jì)算硅光電二極管的頻率響應(yīng)還可以用等效電路來(lái)計(jì)算 如果入射光是調(diào)制的光信號(hào)，則負(fù)載上的信號(hào)電壓如果入射光是調(diào)制的光信號(hào)，則負(fù)載上的信號(hào)電壓亦隨調(diào)制頻率而變化；當(dāng)調(diào)制頻率很高時(shí)，輸出電壓亦隨調(diào)制頻率而變化；當(dāng)調(diào)制頻率很高

58、時(shí)，輸出電壓會(huì)下降。會(huì)下降。而影響頻率響應(yīng)的主要因素是：而影響頻率響應(yīng)的主要因素是：光生載流子在光生載流子在P P區(qū)的擴(kuò)散時(shí)間區(qū)的擴(kuò)散時(shí)間p p； 在勢(shì)壘區(qū)的漂移時(shí)間在勢(shì)壘區(qū)的漂移時(shí)間d d；結(jié)電容和負(fù)載電阻決定的電路時(shí)間常數(shù)結(jié)電容和負(fù)載電阻決定的電路時(shí)間常數(shù)c c。載流子的總渡越時(shí)間為載流子的總渡越時(shí)間為p p+d d+c c，實(shí)際決定于，實(shí)際決定于c c。 由于由于R RD DRR L L 所以所以 U UL LIIp p R R L L/ /（1+jR1+jR L L C Cj j）光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管當(dāng)當(dāng)U UL L從

59、峰值下降到從峰值下降到0.7070.707倍峰值時(shí)響應(yīng)頻率為倍峰值時(shí)響應(yīng)頻率為 C C=1/=1/（R RL L C Cj j）=1/c=1/c 結(jié)電容結(jié)電容C Cj j一般很小（約一般很?。sl0pFl0pF），適當(dāng)加大反偏壓，），適當(dāng)加大反偏壓，C Cj j還還可減小一些。最主要的是選擇合適的負(fù)載電阻可減小一些。最主要的是選擇合適的負(fù)載電阻R RL L，選用，選用R R L L時(shí)必須考慮到噪聲性能：硅光電二極管內(nèi)阻熱噪聲可以忽時(shí)必須考慮到噪聲性能：硅光電二極管內(nèi)阻熱噪聲可以忽略，僅考慮負(fù)載電阻熱噪聲及散粒噪聲即可；所以略，僅考慮負(fù)載電阻熱噪聲及散粒噪聲即可；所以R LR L的選的選擇要考慮

60、頻率響應(yīng)及噪聲兩個(gè)因素。擇要考慮頻率響應(yīng)及噪聲兩個(gè)因素。 硅光電二極管的時(shí)間常數(shù)一般在硅光電二極管的時(shí)間常數(shù)一般在0.1us0.1us以內(nèi)，以內(nèi)，PINPIN管和管和雪崩光電二極管的時(shí)間常數(shù)在雪崩光電二極管的時(shí)間常數(shù)在nsns數(shù)量級(jí)。數(shù)量級(jí)。表表4.24.2給出了幾種硅光電二極管的特性參數(shù)給出了幾種硅光電二極管的特性參數(shù), ,表表4.34.3給出了幾給出了幾種硅種硅PINPIN光電二極管的特性參數(shù)光電二極管的特性參數(shù), ,表表4.44.4給出了幾種硅（鍺）給出了幾種硅（鍺）光電三極管的特性參數(shù)光電三極管的特性參數(shù), ,以供參考。以供參考。表表4.2 4.2 幾種硅光電二極管的特性參數(shù)幾種硅光電