光電技術(shù)（第5版） 課件全套 王慶有 第1-12章 光電技術(shù)基礎(chǔ)-光電信息綜合實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)

光電技術(shù)第4版課件第1章光電技術(shù)基礎(chǔ)光電技術(shù)的理論基礎(chǔ)建立在光的波粒二象性之上，光以電磁波方式傳播的粒子。光的粒子性

光的量子性成功地解釋光與物質(zhì)作用引起的光電效應(yīng)，光電效應(yīng)充分證明了光的量子性。

光輻射是電磁波譜的一小部分，波長從幾納米到幾毫米，可見光只為一小部分，在0.38～0.78μm范圍。光電傳感器的光譜響應(yīng)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人眼，從X光到紅外輻射甚至于遠(yuǎn)紅外、毫米波都有相應(yīng)的傳感器，能借助于各種光電傳感器件對整個(gè)電磁波譜范圍內(nèi)進(jìn)行光電信息變換。為更好學(xué)習(xí)與掌握光電技術(shù)，必須充分認(rèn)識和理解輻射度與光度的度量問題。輻度量與光度量的基本概念與差異幅度量——物理（客觀）的計(jì)量輻射的度量系統(tǒng)。光度量——以人眼所能見到，引起大腦刺激效應(yīng)定義的主觀量。是統(tǒng)計(jì)的，人為規(guī)定的，國際照明委員會統(tǒng)計(jì)人類各種眼睛對可見光刺激程度而規(guī)定的度量系統(tǒng)。在計(jì)量方法上它們有相同之處，為此，常用相同的符號表示。常用下腳標(biāo)

“e”和“v”加以區(qū)別。1.1光輻射的度量1.1.1與光源有關(guān)的輻度參數(shù)與光度參數(shù)光源在輻射波長范圍內(nèi)發(fā)射連續(xù)光譜或單色光譜能量的參數(shù)。

以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的能量稱為輻（射）能，用符號Qe表示，其計(jì)量單位為焦耳（J）。

光能是光通量在可見光范圍內(nèi)對時(shí)間的積分，以Qv表示，其計(jì)量單位為流明秒（lm·s）。2.輻通量和光通量

輻通量或輻功率是以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的功率；或者說，在單位時(shí)間內(nèi)，以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的輻能稱為輻通量，以符號Φe表示，其計(jì)量單位為瓦（W），即1.輻能和光能（1.1-1）3.輻出度和光出度輻通量對時(shí)間的積分稱為輻能，光通量對時(shí)間的積分稱為光能。（1.1-3）

對有限大小面積A的面光源，表面某點(diǎn)處的面元向半球面空間發(fā)射的輻通量dΦe與該面元面積dA之比，定義為輻出度Me，即

Me的計(jì)量單位是瓦（特）每平方米[W／m2]?？梢姽庠幢砻嬖跓o窮小時(shí)間段內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的所有可見光譜光能與時(shí)間間隔dt之比被定義為光通量Φv，即（1.1-5）

光源A表面某一點(diǎn)處的面元向半球面空間發(fā)射的光通量dΦv、與面元面積dA之比稱為光出度Mv，即4.輻強(qiáng)度和發(fā)光強(qiáng)度

對點(diǎn)輻射源在給定方向的立體角元dΩ內(nèi)發(fā)射的輻通量dΦe與該方向立體角元dΩ之比定義為點(diǎn)輻射源在該方向的輻強(qiáng)度Ie，即計(jì)量單位為瓦每球面度（W／sr）。對可見光，有類似的定義為發(fā)光強(qiáng)度（1.1-7）（1.1-10）（1.1-13）發(fā)光強(qiáng)度的單位是坎德拉（candela），簡稱為坎[cd]。1979年第十六屆國際計(jì)量大會通過決議，將坎德拉重新定義為：在給定方向上能發(fā)射540×1012Hz的單色輻射源，在此方向上的輻強(qiáng)度為（1/683）W/sr，其發(fā)光強(qiáng)度定義為1cd。發(fā)光強(qiáng)度為1cd的點(diǎn)光源在整個(gè)球空間所發(fā)出的總光通量為

IV=4πIＶ＝12.566lm5.輻亮度和亮度光源表面某一點(diǎn)處的面元在給定方向上的輻強(qiáng)度除以該面元在垂直于給定方向平面上的正投影面積，稱為輻射亮度Le，即為所給方向與面元法線之間的夾角。

（1.1-15）

亮度Lv定義為：光源表面某一點(diǎn)處的面元在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度，除以該面元在垂直給定方向平面上的正投影面積，即Lv的計(jì)量單位是坎德拉每平方米（cd／m2）。

若Le，Lv與光源發(fā)射輻射的方向無關(guān)的光源稱為余弦輻射體或朗伯輻射體。

黑體是一個(gè)理想的余弦輻射體，而一般光源的亮度多少與方向有關(guān)。

粗糙表面的輻射體或反射體及太陽等是一個(gè)近似的余弦輻射體。6.輻效率與發(fā)光效率光源所發(fā)射的總輻射通量Φe，與外界提供給光源的功率P之比稱為光源的輻效率ηe；光源發(fā)射的總光通量Φv與提供的功率P之比稱為發(fā)光效率ηv。即輻效率ηe無量綱，發(fā)光效率ηv的計(jì)量單位是流明每瓦（lm·W-1）。

對限定在波長λ1～λ2范圍內(nèi)的輻效率為Φeλ稱為光源輻射通量的光譜密集度，也稱為光譜輻射通量。1.1.2與接收器有關(guān)的輻度參數(shù)與光度參數(shù)從接收器的角度討論輻射度與光度的參數(shù)，稱為與接收器有關(guān)的輻度參數(shù)與光度參數(shù)。接收器可以是探測器，也可以是反射輻射的反射器，或兩者兼有的器件。1.輻照度與照度將照射到物體表面某一點(diǎn)處面元的輻通量dΦe除以該面元的面積dA的商，稱為輻照度ee，即ee的計(jì)量單位是瓦每平方米（W／m2）。（1.1-22）注意區(qū)別輻照度Ee與輻出度Me。兩者計(jì)量單位相同，定義不同。輻照度是從物體表面接收輻射通量的角度來定義的，輻出度是從面光源表面發(fā)射輻射的角度來定義的。本身不輻射的反射體接收輻射后，吸收一部分，反射一部分。若把反射體當(dāng)做輻射體，則光譜輻出度Mer(λ)（下標(biāo)r代表反射）與輻射體接收的光譜輻照度Ee(λ)的關(guān)系為ρe(λ)為輻射度光譜反射比，是波長的函數(shù)。積分，得到反射體的輻出度對可見光，用照射到物體表面某一面元的光通量dΦv除以該面元面積dA，其值稱為光照度ev，即對接收光的反射體同樣有或ρv（λ）為光度光譜反射比，是波長的函數(shù)。2.輻照量和曝光量輻照量與曝光量是光電接收器接收輻射能量的重要度量參數(shù)。光電器件的輸出信號常與所接收的入射輻射能量有關(guān)。照射到物體表面某一面元的輻照度Ee在時(shí)間t內(nèi)的積分稱為輻照量He，即

與之對應(yīng)的光度量是曝光量Hv，定義為Hv的計(jì)量單位是勒秒（lx.s）。上述輻度與光度計(jì)量量可以用如下圖表給予總結(jié)輻

射

度

參

量光度

參

量名

稱符號定

義單

位名

稱符號定

義單

位輻能Qe

J[焦（耳）]光

量Qv

lm·s[流(明)秒]輻通量

輻功率ΦeW[瓦（特）]光通量(光功率)Φvlm[流(明)]輻出度MeW/m2[瓦（特）每平方米]光出射度Mvlm/m2[流(明)每平方米]輻強(qiáng)度IeW/sr[瓦（特）每球面度]發(fā)光強(qiáng)度IvCd[坎德拉]輻亮度LeW/（sr·m2）[瓦（特）每球面度平方米]光亮度Lvcd/m2[坎德拉每平方米]

輻照度EeW/m2[瓦（特）每平方米]光照度Evlx[勒（克司）]

輻照量HeJ/m2[焦（耳）每平方米]曝光量Hvlx·s[勒（克司）秒]

表1-1輻射度量與光度量的定義1.2光譜輻射分布與量子流速率

1.2.1

光源的光譜輻射分布參量

本節(jié)主要討論輻射量與光源發(fā)出的光譜波長的關(guān)系，實(shí)踐證明光源發(fā)射的輻射量是以不同波長的形式發(fā)射的，或者說輻量是按波長分布的。光源在單位波長內(nèi)發(fā)射的輻射量稱其為光譜密度，并引入Xe,λ表示，稱為光譜輻射量，即式中，通用符號Xe,λ是波長的函數(shù)，代表所有的光譜輻量，如光譜輻通量Φe,λ、光譜輻出度Me,λ、光譜輻強(qiáng)度Ie,λ、光譜輻亮度Le,λ、光譜輻照度Ee,λ等。

(1.2-1)

同樣，以符號Xv,λ表示光源在可見光區(qū)單位波長范圍內(nèi)發(fā)射的光度量稱為光度光譜密集度，簡稱光譜光度量，即Xv,λ代表光譜光通量Φv,λ、光譜光出度Mv,λ、光譜發(fā)光強(qiáng)度Iv,λ和光譜光照度Ev,λ等。光源的輻度參量Xe,λ隨波長λ的分布曲線稱為該光源的絕對光譜輻射分布曲線。該曲線任一波長λ處的Xe,λ除以峰值波長λmax處的光譜輻射量最大值Xe,λmax的商Xe,λr，稱為相對光譜輻射量，即相對光譜輻射量Xe,λr與波長λ的關(guān)系稱為光源相對光譜輻射分布。

光源在波長λ1～λ2

范圍內(nèi)發(fā)射的輻通量

若積分區(qū)間從λ1=0到λ2→∞

，得到光源發(fā)出的所有波長的總輻通量

光源在波長λ1

～λ2

之間的輻通量ΔΦe與總輻通量Φe之比稱為該光源的比輻射qe，即

式中，qe沒有量綱。

1.2.2量子流速率

光源的輻射功率是每秒鐘發(fā)射光子能量的總和。在給定波長λ處,?λ范圍內(nèi)發(fā)射的輻射通量dΦe除以該波長光子能量hv之比定義為光譜量子流速率dNe,λ，即

光源在波長λ為0→∞范圍內(nèi)發(fā)射的總量子流速率

對可見光區(qū)域，光源每秒發(fā)射的總光子數(shù)

量子流速率Ne或Nv的計(jì)量單位為輻射元的光子數(shù)每秒[1/s]。1.3物體熱輻射物體通常以兩種不同形式發(fā)射輻射能量。第一種稱為熱輻射。第二種稱為發(fā)光。1.3.1黑體輻射定律1.黑體

能夠完全吸收從任何角度入射的任何波長的輻射，并且在每一個(gè)方向都能最大可能地發(fā)射任意波長輻射能的物體稱為黑體。顯然，黑體的吸收系數(shù)為1，發(fā)射系數(shù)也為1。2.普朗克輻射定律

黑體為理想的余弦輻射體，其光譜輻出度Me,s,λ（角標(biāo)“s”表示黑體）由普朗克公式表示為

式中，k為波爾茲曼常數(shù)；h為普朗克常數(shù)；T為絕對溫度；c為真空中的光速。

黑體光譜輻亮度Le,s,λ和光譜輻強(qiáng)度Ie,s,λ分別為圖1-2繪出了黑體輻射的相對光譜輻亮度Le,s,λr與波長的等溫關(guān)系曲線。圖中曲線都有最大值；其位置隨溫度升高向短波方向移動。對普朗克公式求全光譜積分，得到黑體發(fā)射的總輻出度式中，σ為斯忒藩-波耳茲曼常數(shù)，它由下式?jīng)Q定

可見黑體的輻出度Me,s與溫度T的四次方成正比。3.斯忒藩-波爾茲曼定律4.維恩位移定律

(μm)可見，峰值光譜輻出度對應(yīng)的波長與絕對溫度的乘積是常數(shù)。當(dāng)溫度升高時(shí)，峰值光譜輻出度對應(yīng)的波長向短波方向位移，這就是維恩位移定律。

對普朗克公式）求波長λ微分，然后求極值，則可得到光譜輻出度的峰值波長λm與絕對溫度T的關(guān)系為

還可求得黑體的峰值光譜輻出度W·cm-2·μm-1·K-5

以上三個(gè)定律統(tǒng)稱為黑體輻射定律。

例1-1若可以將人體作為黑體，正常人體溫的為36.5℃，（1）試計(jì)算正常人體所發(fā)出的輻出度為多少W/m2？（2）正常人體的峰值輻射波長為多少μm？峰值光譜輻出度Me,s,λm為多少？（3）人體發(fā)燒到38℃時(shí)峰值輻射波長為多少？發(fā)燒時(shí)的峰值光譜輻出度Me,s,λm又為多少？解

（1）正常體的絕對溫度為T=36.5+273=309.5K，根據(jù)斯忒藩-波耳茲曼輻射定律，發(fā)出的輻出度為（2）由維恩位移定律，正常體溫峰值輻射波長為(μm)=9.36μmWcm-2μm-1

=3.72Wcm-2μm-1

（3）發(fā)燒到38℃時(shí)峰值輻射波長為

發(fā)燒時(shí)的峰值光譜輻出度為

=3.81Wcm-2μm-1

例1-2將標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈為黑體時(shí)，試計(jì)算它的峰值輻射波長，峰值光譜輻出度和它的總輻出度。解標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈的溫度為TW=2856K，因此它的峰值輻射波長為(μm)

=248.7Wcm-2μm-1

輻度與光度參數(shù)是從不同角度對光輻射進(jìn)行度量的參數(shù)，這些參數(shù)在一定光譜范圍內(nèi)（可見光譜區(qū)）使用，它們存在著轉(zhuǎn)換關(guān)系；將其統(tǒng)一才便于比較。討論相互轉(zhuǎn)換顯得格外重要。

1.4輻度參數(shù)與光度參數(shù)的關(guān)系1.4.1人眼的視覺靈敏度

用各種單色輻射分別刺激標(biāo)準(zhǔn)觀察者眼的錐狀細(xì)胞，當(dāng)刺激程度相同時(shí)，發(fā)現(xiàn)0.555μm波長所用的光譜輻亮度Le,λm小于其它波長的光譜輻亮度Le,λ。因此，把波長=0.555μm的Le,λm被其它波長的光譜輻亮度Le,λ除得的商，定義為人眼明視覺光譜光視效率V（λ），即如圖1-5所示的實(shí)線曲線為人眼的明視覺光譜光視效率V(λ)，它為與波長有關(guān)的相對值。對正常人眼的圓柱細(xì)胞，以微弱的各種單色輻射刺激時(shí)，發(fā)現(xiàn)在相同刺激程度下，波長為507nm處的光譜輻亮度Le，507nm小于其他波長λ的光譜輻亮度

Le,λ。把

Le，507nm與Le,λ的比值定義為正常人眼的暗視覺光譜光視效率。V

′(λ)也是一個(gè)無量綱的相對值，它與波長的關(guān)系如圖1-5中的虛線所示。即

1.4.2人眼的光譜光視效能

無論是錐狀細(xì)胞還是柱狀細(xì)胞，單色輻射對其刺激的程度與Le,λ成正比。

對于明視覺，刺激程度平衡的條件為

式中，Km為人眼的明視覺最靈敏波長的光度參量對輻射度參量的轉(zhuǎn)換常數(shù)，其值為683lm/W。

對于暗視覺，刺激程度平衡的條件為

式中，K'm為人眼的明視覺最靈敏波長的光度參量對輻射度參量的轉(zhuǎn)換常數(shù)，其值為1725lm/W。

引進(jìn)，K（λ），并令

式中，K（λ），K′（λ）為人眼的明視覺和暗視覺光譜光視效能。由式（1.4-5）、式（1.4-6），在人眼明視覺靈敏波長λ=0.555μm，暗視覺靈敏波長λ=0.507μm處，分別有V（λm）=1,

V′（λm）=1，K（λm）=Km，K′（λm

）=Km′。分別稱為正常人眼的明視覺最大光譜光視效能和暗視覺最大光譜光視效能。（1.4-5）（1.4-6）根據(jù)式（1.4-5）、式（1.4-6），可以將任何光譜輻射量轉(zhuǎn)換成光譜光度量。例1-3

已知某He-Ne激光器的輸出功率為3mW，試計(jì)算其發(fā)出的光通量為多少lm？解He-Ne激光器輸出的光為光譜輻射通量，根據(jù)式（1-56）可以計(jì)算出它發(fā)出的光通量為Φv,λ=Kλ,eΦe,λ=KmV(λ)Φe,λ=683×0.24×3×10-3=0.492(lm)1.4.3輻射體光視效能

一個(gè)熱輻射體發(fā)射的總光通量Φv與總輻通量Φe之比，稱為該輻射體的光視效能K，即

對發(fā)射連續(xù)光譜輻射的熱輻射體，由上式可得總光通量Φv為式中,V稱為輻射體的光視效率。

根據(jù)光視效能K和輻射量Xe，就能夠計(jì)算出該輻射體的光度量Xv，該式為輻射體的輻射量和光度量的轉(zhuǎn)換關(guān)系式。

標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈發(fā)光光譜的分布如圖1-7所示。圖中的曲線分別為標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈相對光譜輻射、光譜光視效率V（λ）和光譜光視效率與相對光譜輻射分布，即曲線所圍的面積Al，而，圍成的面積為A2。則可求得標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈的光視效能Kw為lm/W例如，對于色溫為2856K的標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈其光視效能為17lm/W，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈發(fā)出的輻通量為Φe＝100W時(shí)，其光通量為Φv=1710lm。

由此可見，色溫越高的輻射體，它的可見光的成分越多，光視效能越高，光度量也越高。

白熾鎢絲燈的供電電壓降低時(shí)，燈絲溫度降低，燈的可見光部分的光譜減弱，光視效能降低，用照度計(jì)檢測光照度時(shí)，照度將顯著下降。1.5半導(dǎo)體對光的吸收

1.5.1物質(zhì)對光吸收的一般規(guī)律

光波入射到物質(zhì)表面上，用透射法測光通量的衰減時(shí)，發(fā)現(xiàn)通過路程dx的光通量變化dΦ與入射的光通量Φ和路程dx的乘積成正比，即

式中，α稱為吸收系數(shù)。

如圖1-8所示，利用初始條件x=0時(shí)

，解這個(gè)微分方程，可以找到通過x路程的光通量為

當(dāng)透過的能量衰減到原來能量的e-1時(shí)所透過路程的倒數(shù)等于該物質(zhì)的吸收系數(shù)α，即

由電動力學(xué)理論，平面電磁波在物質(zhì)中傳播時(shí)，電矢量和磁矢量都按指數(shù)規(guī)律

exp(-ωμxc-1)衰減。

乘積的實(shí)數(shù)部分應(yīng)是輻通量隨傳播路徑x的變化關(guān)系。即式中，μ稱為消光系數(shù)。

得出

半導(dǎo)體的消光系數(shù)μ與入射光的波長無關(guān)，表明它對愈短波長的光吸收愈強(qiáng)。普通玻璃的消光系數(shù)μ也與波長λ無關(guān)，因此，它們對短波長輻射的吸收比長波長強(qiáng)。當(dāng)不考慮反射損失時(shí)，吸收的光通量應(yīng)為1.5.2半導(dǎo)體對光的吸收半導(dǎo)體中的電子處于價(jià)帶，若價(jià)電子吸收足夠的光子能量，躍遷進(jìn)入導(dǎo)帶，會產(chǎn)生自由運(yùn)動的電子。

1.本征吸收在價(jià)帶，留下自由空穴，產(chǎn)生電子-空穴對。如圖1-9所示，價(jià)帶電子吸收光子能量躍遷入導(dǎo)帶，該現(xiàn)象稱為本征吸收。

顯然，條件是光子能量必須大于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg，即本征吸收的光波長波限

2.雜質(zhì)吸收

N型半導(dǎo)體中未電離的雜質(zhì)原子（施主原子）吸收光子能量hv。若hv大于等于施主電離能ΔED，雜質(zhì)原子的外層電子將從雜質(zhì)能級（施主能級）躍入導(dǎo)帶，成為自由電子。P型半導(dǎo)體也同樣。這兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體吸收足夠能量的光子，產(chǎn)生電離的過程稱為雜質(zhì)吸收。顯然，雜質(zhì)吸收的長波限

由于Eg>ΔED或ΔEA，因此，雜質(zhì)吸收的長波長總要長于本征吸收的長波長。雜質(zhì)吸收會改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性，也會引起光電效應(yīng)。

3.激子吸收

當(dāng)入射光子能量hv小于Eg，或小于雜質(zhì)電離能（ΔED或ΔEA）時(shí)，電子不能產(chǎn)生能帶間的躍遷成為自由載流子，但仍受原束縛電荷約束而處于受激狀態(tài)。處于受激狀態(tài)的電子稱為激子。吸收光子能量產(chǎn)生激子的現(xiàn)象稱為激子吸收。顯然，激子吸收不會改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。4.自由載流子吸收當(dāng)入射光子能量比較低，不足以使電子產(chǎn)生能帶間的躍遷或形成激子時(shí)，其強(qiáng)度隨波長增大而增強(qiáng)。這是由自由載流子在同一能帶內(nèi)的躍遷所致，稱為自由載流子吸收。它不改變導(dǎo)電特性。

5.晶格吸收

晶格原子吸收遠(yuǎn)紅外譜光子能量，直接增加晶格振動，宏觀上表現(xiàn)為物體溫度升高，引起物質(zhì)的熱敏效應(yīng)。1.6

光電效應(yīng)

光電效應(yīng)分為內(nèi)光電效應(yīng)與外光電效應(yīng)兩類。內(nèi)光電效應(yīng)是被光激發(fā)產(chǎn)生的載流子仍在物質(zhì)內(nèi)部運(yùn)動，使物質(zhì)的電導(dǎo)率變化或產(chǎn)生光生伏特的現(xiàn)象。被光激發(fā)產(chǎn)生的電子逸出物質(zhì)表面，形成真空中電子的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。本節(jié)主要討論內(nèi)光電效應(yīng)與外光電效應(yīng)的基本原理。

1.6.1

內(nèi)光電效應(yīng)

1.光電導(dǎo)效應(yīng)

光電導(dǎo)效應(yīng)分為本征光電導(dǎo)效應(yīng)與雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)兩種。如圖1-10所示，半導(dǎo)體吸收了入射波長為λ的單色輻射，則光敏層單位時(shí)間產(chǎn)生的量子數(shù)密度Ne,λ為光敏層每秒產(chǎn)生的電子數(shù)密度Ge為

在熱平衡狀態(tài)下，熱電子產(chǎn)生率Gt與熱電子復(fù)合率rt相平衡。光敏層內(nèi)電子總產(chǎn)生率為Gt與Ge之和導(dǎo)帶中的電子與價(jià)帶中的空穴的總復(fù)合率R應(yīng)為

Kf為復(fù)合幾率，Δn為光生電子濃度，Δp為光生空穴濃度，ni與pi分別為熱激發(fā)電子與空穴的濃度。

同樣，熱電子復(fù)合率與導(dǎo)帶內(nèi)熱電子濃度ni及價(jià)帶內(nèi)空穴濃度pi的乘積成正比。即在熱平衡狀態(tài)載流子的產(chǎn)生率應(yīng)與符合率相等。即

在非平衡狀態(tài)下，載流子的時(shí)間變化率應(yīng)等于載流子的總產(chǎn)生率與總復(fù)合率的差。即

分兩種情況討論：（1）在微弱輻射作用下，Δn＜＜ni，Δp＜＜pi，并考慮到本征吸收的特點(diǎn)，Δn=Δp，上式可簡化為利用初始條件t=0時(shí)，Δn=0，解微分方程得

式中τ=1/Kf(ni+pi)稱為載流子的平均壽命。

可見，光激發(fā)載流子濃度隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)t>>τ時(shí)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)值Δn0，即達(dá)到動態(tài)平衡狀態(tài)光激發(fā)載流子引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率的變化Δσ為式中，μ為電子遷移率μn與空穴遷移率μp之和。

半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)g為

可見，在弱輻射作用下的半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)與入射輻射通量Φe,λ成線性關(guān)系。求導(dǎo)可得

由此可得半導(dǎo)體材料在弱輻射作用下的光電導(dǎo)靈敏度Sg

光電導(dǎo)靈敏度為與光電導(dǎo)材料兩電極間的長度l的平方成反比。

（2）在強(qiáng)輻射的作用下，Δn>>ni，Δp>>pi上式可以簡化為利用初始條件t=0時(shí)，Δn=0，解微分方程得

式中，為強(qiáng)輻射作用下載流子的平均壽命。

強(qiáng)輻射情況下，半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)與輻通量間的關(guān)系為

拋物線關(guān)系。

表明在強(qiáng)輻射作用的情況下半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)靈敏度不僅與材料的性質(zhì)有關(guān)而且與入射輻射量有關(guān)，是非線性的。2.光生伏特效應(yīng)輻射作用于半導(dǎo)體PN結(jié)上，光生空穴與光生電子在PN結(jié)內(nèi)建電場作用下分開，如圖1-11所示，形成光生伏特電壓。P區(qū)和N區(qū)的多數(shù)載流子進(jìn)行相對運(yùn)動，以便平衡它們的費(fèi)米能級差，擴(kuò)散運(yùn)動平衡時(shí)，它們具有同一費(fèi)米能級EF，在結(jié)區(qū)形成由正、負(fù)離子形成的空間電荷區(qū)或耗盡區(qū)。內(nèi)建電場的方向由N指向P。電子被拉到N區(qū)，空穴被拉到P區(qū)。形成伏特電壓。在PN結(jié)兩端接入負(fù)載電阻RL，則有電流I流過式中，，為光生電流，ID為暗電流。

當(dāng)U=0（PN結(jié)被短路）時(shí)的輸出電流ISC即為短路電流，PN結(jié)開路時(shí)，PN結(jié)兩端的開路電壓UOC為3.丹培（Dember）效應(yīng)光生載流子擴(kuò)散運(yùn)動如圖1-12所示，當(dāng)半導(dǎo)體材料的一部分被遮蔽，另一部分被光均勻照射時(shí)，曝光區(qū)因本征而產(chǎn)生高密度的空穴載流子，而遮蔽區(qū)電子載流子濃度較高，形成濃度差。因載流子遷移率差別產(chǎn)生受照面與遮光面之間的伏特現(xiàn)象稱為丹培效應(yīng)。光生電壓由下式計(jì)算n0與p0為熱載流子濃度；Δn0為光生載流子濃度；μn與μp為電子與空穴遷移率。μn=1400cm2/(V·s)，μp=500cm2/(V·s)，顯然，μn>>μp。4.光磁電效應(yīng)在半導(dǎo)體上加磁場，方向如圖B，當(dāng)產(chǎn)生丹培效應(yīng)時(shí)，電子與空穴在磁場中運(yùn)動受洛倫茲力的作用，使它們分別偏轉(zhuǎn)，空穴向上方，電子偏向下方。該現(xiàn)象稱為光磁電效應(yīng)。光磁電場由下式確定D為雙極性擴(kuò)散系數(shù)，數(shù)值上等,于Dn與Dp擴(kuò)散系數(shù)?？捎脕頊y量半導(dǎo)體樣品的載流子平均壽命。5.光子牽引效應(yīng)當(dāng)動量較強(qiáng)的光作用于半導(dǎo)體的自由載流子（電子）時(shí)，使電子順著光傳播方向做相對于晶格的運(yùn)動。結(jié)果，在開路情況下，半導(dǎo)體產(chǎn)生電場。該現(xiàn)象被稱為光子牽引效應(yīng)。P型鍺的光子牽引探測器光電靈敏度為1.6.2光電發(fā)射效應(yīng)當(dāng)物質(zhì)中的電子吸收足夠高的光子能量，電子將逸出物質(zhì)表面成為真空中的自由電子，這種現(xiàn)象稱為光電發(fā)射效應(yīng)或稱為外光電效應(yīng)。具有hν能量的光子被電子吸收后，只要光子的能量大于材料的光電發(fā)射閾值Eth，則質(zhì)量為m的電子初始動能便大于0而飛出物質(zhì)表面。對于半導(dǎo)體，情況較為復(fù)雜。光電發(fā)射器件具有許多不同于內(nèi)光電器件的特點(diǎn)：（1）光電發(fā)射器件的電子能在真空中運(yùn)動，通過電場加速電子運(yùn)動速度，提高光電探測靈敏度，使之能高速度地探測極微弱的光信號，成為像增強(qiáng)器與變相器技術(shù)的基本元件。（2）很容易制造出均勻的大面積光電發(fā)射器件，非常有利提高真空光電成像器件的空間分辨率。（3）光電發(fā)射器件需要高穩(wěn)定的高壓直流電源設(shè)備，使得整個(gè)探測器體積龐大，功率損耗大，不適用于野外操作，造價(jià)也昂貴。（4）光電發(fā)射器件的光譜響應(yīng)范圍一般不如半導(dǎo)體光電器件寬。第1章思考題與習(xí)題解題思路1.1量子流速率是客觀的或物理的計(jì)量量，其計(jì)算公式中所有量均應(yīng)該是物理計(jì)量量，故不能出現(xiàn)光度量。1.2教材對這些輻度量論述得很清晰，該題的目的是讓讀者充分理解輻度量與光度量的本質(zhì)差異。1.3該題主要目的是引導(dǎo)讀者對余弦輻射體的重視，理解余弦輻射體屬于理想輻射體。1.4是反映輻射源與接受面問題的兩個(gè)方面，不能將其混淆。1.5該題的目的是引起讀者對這三個(gè)參數(shù)的重視，理解它的量綱與物理意義是非常重要的。1.6二者的差異是能級差與光生電子生成的特性。1.7解該題的關(guān)鍵有3點(diǎn)，①要熟悉輻度量與光度量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系；②要考慮激光光源平面發(fā)散角在一定距離處所形成的光斑面積；③平面發(fā)散角與立體角的關(guān)系。1.8該題主要是訓(xùn)練照度公式，具體分析光出度與照度的關(guān)系。1.9該題主要是訓(xùn)練量子流速率的基本概念與公式。1.10該題主要是熟悉斯忒藩-波耳茲曼輻射定律，并運(yùn)用其解決實(shí)際問題。1.11與1.12題也是用斯忒藩-波耳茲曼輻射定律解決實(shí)際問題。1.13解該題的關(guān)鍵是運(yùn)用雜質(zhì)吸收長波限公式。1.14解該題的關(guān)鍵是利用標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈光度、輻度轉(zhuǎn)換當(dāng)量將靈敏度的量綱統(tǒng)一。1.15關(guān)鍵是理解立體角，并能夠利用標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈光度、輻度轉(zhuǎn)換當(dāng)量統(tǒng)一量綱。1.16關(guān)鍵是利用標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈光度幅度轉(zhuǎn)換當(dāng)量統(tǒng)一量綱。1.17解該題的關(guān)鍵是運(yùn)用本征吸收長波限公式。1.18該題要考慮光敏電阻的光電導(dǎo)靈敏度與其寬度的關(guān)系。1.19主要特點(diǎn)是光生電子成對產(chǎn)生，且被內(nèi)建電場拉開，因此必須具有內(nèi)建電場。1.20關(guān)鍵是理解量子的沖量使電子沿光運(yùn)行方向移動。1.21依據(jù)光電發(fā)射長波限公式解。1.22依據(jù)本證吸收長波限公式求解。第2章光電導(dǎo)器件

利用具有光電導(dǎo)效應(yīng)的材料（如硅、鍺等本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體，硫化鎘、硒化鎘、氧化鉛等）可以制成電導(dǎo)率隨入射光度量變化的器件，稱為光電導(dǎo)器件或光敏電阻。光敏電阻具有體積小，堅(jiān)固耐用，價(jià)格低廉，光譜響應(yīng)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于微弱輻射信號的探測領(lǐng)域。2.1光敏電阻的原理與結(jié)構(gòu)

2.1.1光敏電阻的基本原理

圖2-1所示為光敏電阻的原理圖與光敏電阻的符號。2.1.2

光敏電阻的基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)光敏電阻的設(shè)計(jì)原則可以設(shè)計(jì)出如圖2-2所示的3種基本結(jié)構(gòu)：（a）梳形結(jié)構(gòu)；（b）蛇形結(jié)構(gòu)；（c）刻線式結(jié)構(gòu)。2.1.3典型光敏電阻

1、CdS光敏電阻CdS光敏電阻是最常見的光敏電阻，它光譜響應(yīng)特性最接近人眼光譜光視效率，在可見光波段范圍內(nèi)的靈敏度最高，因此，被廣泛地應(yīng)用于燈光的自動控制，照相機(jī)的自動測光等。CdS光敏電阻的峰值響應(yīng)波長為0.52μm，CdSe光敏電阻為0.72μm，調(diào)整S和Se的比例，可使峰值響應(yīng)波長大致控制在0.52~0.72μm范圍內(nèi)。CdS光敏電阻的光敏面常為如圖2-2（b）所示的蛇形光敏面結(jié)構(gòu)。2、PbS光敏電阻PbS光敏電阻是近紅外波段最靈敏的光電導(dǎo)器件。在2μm附近的探測靈敏度很高，因此，常用于火災(zāi)的探測等領(lǐng)域。它的光譜響應(yīng)和比探測率等特性與工作溫度有關(guān)，隨著工作溫度的降低其峰值響應(yīng)波長和長波長將向長波方向延伸，且比探測率D*增加。如，室溫下它的光譜響應(yīng)為1~3.5μm，峰值為2.4μm，峰值比探測率D*高達(dá)1×1011cm·Hz·W-1。溫度低至195K，光譜響應(yīng)為1~4μm，峰值波長為2.8μm，D*為2×1011cm·Hz·W-1。3、InSb光敏電阻InSb光敏電阻是3~5μm光譜范圍內(nèi)的主要探測器件之一。它不僅適用于制造單元探測器件，也適宜制造陣列探測器件。室溫下長波長可達(dá)7.5μm，峰值在6μm，D*約為1×1011cm·Hz·W-1。當(dāng)溫度降低到77K（液氮）時(shí)，其長波長縮短到5.5μm，峰值移至5μm，恰為大氣窗口范圍，D*升高到2×1011cm·Hz·W-1。4、Hg1-xCdxTe系列光電導(dǎo)探測器件Hg1-xCdxTe光電導(dǎo)器件是目前紅外探測器中最優(yōu)良最有前途的器件，尤其對于4~8μm大氣窗口更為重要。它由HgTe和CdTe兩種材料的晶體混合制造，x為Cd元素含量。

在制造時(shí)選用不同Cd組分x，可以得到不同禁帶寬度Eg，制造出不同響應(yīng)范圍的Hg1-xCdxTe器件。組分x的變化范圍為0.18~0.4，長波長的變化范圍為1~30μm。2.2光敏電阻的基本特性2.2.1光電特性

光敏電阻為多數(shù)載流子導(dǎo)電的器件，它的基本特性參數(shù)包含光電導(dǎo)特性、時(shí)間響應(yīng)、光譜響應(yīng)、伏安特性與噪聲特性等。

光敏電阻在黑暗的室溫條件下，熱激發(fā)產(chǎn)生的載流子使它具有一定的電導(dǎo)，稱為暗電導(dǎo)。有光照射時(shí)，它的電導(dǎo)增大，這時(shí)的電導(dǎo)稱為光電導(dǎo)。電導(dǎo)隨光照量變化越大就越靈敏。稱為光敏電阻的光電特性。光敏電阻在弱輻射和強(qiáng)輻射作用下表現(xiàn)出不同的光電特性（線性與非線性），光電導(dǎo)與輻射通量的關(guān)系。弱輻射為線性實(shí)際上，光敏電阻在弱輻射到強(qiáng)輻射的作用下，其光電特性可用在“恒定電壓”作用下流過光敏電阻的電流Ip與光照度E的關(guān)系曲線來描述，如圖2-3所示。強(qiáng)輻射為非線性式中，Sg為光電導(dǎo)靈敏度，E為照度。隨照度的增高，線性關(guān)系變壞，當(dāng)照度變得很高時(shí)，曲線彎曲，線性變壞。光電特性可用一個(gè)隨光度量變化的指數(shù)伽瑪（γ）來描述，并定義γ為光電轉(zhuǎn)換因子。光電轉(zhuǎn)換因子在弱輻射作用的情況下為1，即γ=1，隨入射輻射的增強(qiáng)，γ值減小，輻射很強(qiáng)時(shí)γ值降低到0.5。如圖(b)所示，用對數(shù)坐標(biāo)，阻值R在某段照度EV范圍內(nèi)的光電特性表現(xiàn)為線性，γ保持不變。其斜率

R1與R2分別是照度為E1和E2時(shí)的阻值。

2.2.2

伏安特性

光敏電阻的本質(zhì)是電阻，符合歐姆定律。因此，它具有與普通電阻相似的伏安特性，但是它的電阻值是隨入射光度量而變化的。

利用圖2-1所示的電路可以測出在不同光照下加在光敏電阻兩端的電壓U與流過它的電流Ip的關(guān)系曲線，并稱其為光敏電阻的伏安特性。圖2-5所示為典型CdS光敏電阻的伏安特性曲線。2.2.3溫度特性

光敏電阻為多數(shù)載流子導(dǎo)電的光電器件，具有復(fù)雜的溫度特性。

圖2-6所示為典型CdS與CdSe光敏電阻在不同照度下的溫度特性曲線。

以室溫的相對光電導(dǎo)率為100%，觀測光敏電阻的相對光電導(dǎo)率隨溫度的變化關(guān)系，可見，其相對光電導(dǎo)率隨溫度的升高而下降，光電響應(yīng)特性隨著溫度的變化較大。2.2.4時(shí)間響應(yīng)

光敏電阻的時(shí)間響應(yīng)（又稱為慣性）比其他光電器件要差（慣性要大）些，頻率響應(yīng)要低些，而且具有特殊性。

當(dāng)用一個(gè)理想方波脈沖輻射照射光敏電阻時(shí)，光生電子要有產(chǎn)生的過程，光生電導(dǎo)率Δσ要經(jīng)過一定的時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定。

當(dāng)停止輻射時(shí)，復(fù)合光生載流子也需要時(shí)間，表現(xiàn)出光敏電阻具有較大的慣性。光敏電阻的慣性與入射輻射信號的強(qiáng)弱有關(guān)，下面分別討論。

1.弱輻射作用情況下的時(shí)間響應(yīng)t≥0t=0本征光電導(dǎo)器件在非平衡狀態(tài)下光電導(dǎo)率Δσ和光電流IΦ隨時(shí)間變化的規(guī)律為當(dāng)t=τr時(shí)，Δσ=0.63Δσ0，IΦ=0.63IΦe0；τr定義為光敏電阻的上升時(shí)間常數(shù)停止輻射時(shí)，入射輻射通量Φe與時(shí)間的關(guān)系為t=0t≥0光電導(dǎo)率和光電流隨時(shí)間變化的規(guī)律為光敏電阻在弱輻射作用下,上升τr與下降時(shí)間常數(shù)τf近似相等。

2.強(qiáng)輻射作用情況下的時(shí)間響應(yīng)t=0t≥0t=0t≥0光敏電阻電導(dǎo)率的變化規(guī)律為其光電流的變化規(guī)律為停止輻射時(shí)光電導(dǎo)率和光電流的變化規(guī)律可表示為2.2.5噪聲特性光敏電阻的主要噪聲有熱噪聲、產(chǎn)生復(fù)合和低頻噪聲(或稱1/f噪聲)。1、熱噪聲2、產(chǎn)生復(fù)合噪聲3、低頻噪聲（電流噪聲）總噪聲2.2.6光譜響應(yīng)光敏電阻的光譜響應(yīng)主要由光敏材料禁帶寬度、雜質(zhì)電離能、材料摻雜比與摻雜濃度等因素有關(guān)。

2.3光敏電阻的變換電路2.3.1基本偏置電路

在某照度Ev下，光敏電阻的阻值為R，電導(dǎo)為g，流過偏置電阻RL的電流為IL

用微變量表示而，dR=d(1/g)=(-1/g)dg2

dg=SdEv

因此設(shè)iL=dIL，ev=dEv，則

加在光敏電阻上的電壓為R與RL對電壓Ubb的分壓，即UR=R/(R+RL)Ubb，光電流的微變量為可得偏置電阻RL兩端的輸出電壓為電路參數(shù)確定后，輸出電壓與弱輻照量（ev）成線性關(guān)系。2.3.2恒流電路

簡單偏置電路中，當(dāng)RL＞＞R時(shí)，流過光敏電阻的電流基本不變，稱為恒流電路。光敏電阻自身的阻值已經(jīng)很高，再滿足恒流偏置的條件難以滿足電路輸出阻抗的要求，為此，引入如圖2-13所示晶體管恒流偏置電路。

穩(wěn)壓管DW將晶體三極管基極電壓穩(wěn)定，即UB=UW，流過晶體三極管發(fā)射極的電流Ie

為在晶體管恒流偏置電路中輸出電壓Uo為求微分得將

代入得或

顯然，恒流偏置電路的電壓靈敏度SV為2.3.3恒壓電路

利用晶體三極管很容易構(gòu)成光敏電阻的恒壓偏置電路。如圖2-14所示為典型的光敏電阻恒壓偏置電路。

光敏電阻在恒壓偏置電路的情況下輸出的電流IP與處于放大狀態(tài)的三極管發(fā)射極電流Ie近似相等。恒壓偏置電路的輸出電壓為取微分，則得到輸出電壓的變化量為dUo=－RcdIc=－RcdIe=RcSgUwdφ

2.3.4例題例2-1在如圖2-13所示的恒流偏置電路中，已知電源電壓為12V，Rb為820Ω，Re為3.3kΩ，三極管的放大倍率不小于80，穩(wěn)壓二極管的輸出電壓為4V，光照度為40lx時(shí)輸出電壓為6V，80lx時(shí)為8V。（設(shè)光敏電阻在30到100lx之間的

值不變）試求：（1）輸出電壓為7伏的照度為多少勒克司？（2）該電路的電壓靈敏度（V/lx）。

解：根據(jù)已知條件，流過穩(wěn)壓管DW的電流滿足穩(wěn)壓二極管的工作條件（1）根據(jù)題目給的條件，可得到不同光照下光敏電阻的阻值將Re1與Re2值代入γ值計(jì)算公式，得到光照度在40~80lx間的γ值輸出為7V時(shí)光敏電阻的阻值應(yīng)為此時(shí)的光照度可由γ值計(jì)算公式獲得

E3=54.45（lx）

（2）電路的電壓靈敏度SV

例2-2

在如圖2-14所示的恒壓偏置電路中，已知DW為2CW12型穩(wěn)壓二極管，其穩(wěn)定電壓值為6V，設(shè)Rb=1kΩ，RC=510Ω,三極管的電流放大倍率不小于80，電源電壓Ubb=12V，當(dāng)CdS光敏電阻光敏面上的照度為150lx時(shí)恒壓偏置電路的輸出電壓為11V，照度為＝300lx時(shí)輸出電壓為8V，試計(jì)算輸出電壓為9V時(shí)的照度（設(shè)光敏電阻在100~500lx間的γ值不變）為多少lx？照度到500lx時(shí)的輸出電壓為多少？

解：分析電路可知，流過穩(wěn)壓二極管的電流滿足2CW12的穩(wěn)定工作條件，三極管的基極被穩(wěn)定在6V。設(shè)光照度為150lx時(shí)的輸出電流為I1，與光敏電阻的阻值R1，則同樣,照度為300lx時(shí)流過光敏電阻的電流I2與電阻R2為R2=680Ω

光敏電阻在500到100lx間的γ值不變，其γ值應(yīng)為輸出電壓為9V，設(shè)流過光敏電阻的電流為I3，阻值為R3，則R3=900Ω代入γ值的計(jì)算公式便可以計(jì)算出輸出電壓為9V時(shí)的入射照度E3E3=196(lx)

由γ值的計(jì)算公式可以找到500lx時(shí)的阻值R4，R4=214Ω；故，三極管的輸出電流I4為I4=24.7(mA)而此時(shí)的輸出電壓UO為

UO=Ubb－I4R4=6.7(V)即，在500lx的照度下恒壓偏置電路的輸出電壓為6.7V。2.4光敏電阻的應(yīng)用實(shí)例2.4.1照明燈的光電控制電路

如圖2-15所示為一種最簡單的由光敏電阻作光電敏感器件的照明燈光電自動控制電路。它由3部分構(gòu)成半波整流濾波電路

測光與控制的電路

執(zhí)行電路

設(shè)使照明燈點(diǎn)亮的光照度為EV

繼電器繞組的直流電阻為RJ，使繼電器吸合的最小電流為Imin，光敏電阻的光電導(dǎo)靈敏度為Sg，暗電導(dǎo)go=0，則顯然，這種最簡單的光電控制電路還有很多缺點(diǎn)，還需要改進(jìn)。在實(shí)際應(yīng)用中常常要附加其他電路，如樓道照明燈常配加聲控開關(guān)或微波等接近開關(guān)使燈在有人活動時(shí)照明燈才被點(diǎn)亮；路燈光電控制器則要增加防止閃電光輻射或人為的光源（如手電燈光等）對控制電路的干擾措施。

2.4.2火焰探測報(bào)警器

圖2-16為采用光敏電阻探測元件的火焰探測報(bào)警器電路圖。PbS光敏電阻暗電阻的阻值為1MΩ，亮電阻值為0.2MΩ(幅照度1mw/cm2下測試)，峰值響應(yīng)波長為2.2μm，恰為火焰的峰值輻射光譜。2.4.3照相機(jī)電子快門

圖2-17所示為利用光敏電阻構(gòu)成的照相機(jī)自動曝光控制電路，也稱為照相機(jī)電子快門。電子快門常用于電子程序快門的照相機(jī)，其中測光器件采用與人眼光譜響應(yīng)接近的硫化鎘光敏電阻。照相機(jī)曝光控制電路由光敏電阻R、開關(guān)K和電容C構(gòu)成，時(shí)間檢出電路，三極管T構(gòu)成驅(qū)動放大電路，電磁鐵M帶動的開門葉片等組成。

在初始狀態(tài)，開關(guān)K處于如圖所示的位置，電壓比較器的正輸入端的電位為R1與RW1分電源電壓Ubb所得的閾值電壓Vth（一般為1~1.5V），而電壓比較器的負(fù)輸入端的電位VR近似為電源電位Ubb，顯然電壓比較器負(fù)輸入端的電位高于正輸入端的電位，比較器輸出為低電平，三極管截止，電磁鐵不吸合，開門葉片閉合。

按動快門的按鈕，開關(guān)K與光敏電阻R及RW2構(gòu)成的測光與充電電路接通，電容C兩端的電壓UC為0，電壓比較器的負(fù)輸入端的電位低于正輸入端而使輸出為高電平，三極管T導(dǎo)通，電磁鐵將帶動快門的葉片打開快門，照相機(jī)開始曝光。

快門打開的同時(shí)，電源Ubb通過電位器RW2與光敏電阻R向電容C充電，且充電的速度取決于景物的照度，景物照度愈高光敏電阻R的阻值愈低，充電速度愈快。VR的變化規(guī)律可由電容C的充電規(guī)律得到

VR=Ubb[1－exp(－t/τ)]

式中τ為電路的時(shí)間常數(shù)

τ=（RW2+R）C

光敏電阻的阻值R與入射的光照度EV有關(guān)

當(dāng)電容C兩端的電壓UC充電到一定的電位（VR≥Vth）時(shí)，電壓比較器的輸出電壓將由高變低，三極管T截止而使電磁鐵斷電，快門葉片又重新關(guān)閉。

快門的開啟時(shí)間t可由下式推出

t=（RW2+R）C·lnUbb/Vth

第2章思考題與習(xí)題解題思路2.1理解光電導(dǎo)器件在微弱輻射作用下的“靈敏度”與“時(shí)間響應(yīng)”特性?！办`敏度”與“時(shí)間響應(yīng)”的矛盾是很多光電器件共有的，在應(yīng)用時(shí)可以根據(jù)需要重點(diǎn)選擇。2.2主要考慮光敏電阻的前歷效應(yīng)。2.3盡量減小光敏電阻的極間距離。2.4關(guān)鍵是利用γ的計(jì)算公式進(jìn)行求解。2.53lx情況下可以按微弱輻射計(jì)算，利用γ的計(jì)算公式進(jìn)行求解。2.6還是要利用γ的計(jì)算公式求解。2.7該題依據(jù)功率計(jì)算公式進(jìn)行求解。2.8練習(xí)恒流偏置電路的解題方法。2.9此題是設(shè)計(jì)題，訓(xùn)練你的設(shè)計(jì)能力，要根據(jù)恒壓偏置電路的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。2.10先在圖2-16中找出恒壓偏置電路，然后根據(jù)電路進(jìn)行求解。2.11依據(jù)公式t=（RW2+R）C·lnUbb/Vth進(jìn)行求解，這里的R為光敏電阻在1lx下的阻值。2.12可以，帶來的好處為易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。第3章光生伏特器件

3.1硅光電二極管

具有光生伏特效應(yīng)的半導(dǎo)體材料有很多，如硅（Si）、鍺（Ge）、硒（Se）、砷化鎵（GaAs）等半導(dǎo)體材料。其中硅光生伏特器件具有制造工藝簡單、成本低等特點(diǎn)使它成為目前應(yīng)用最廣泛的光生伏特器件。硅光電二極管是一個(gè)PN結(jié)的光生伏特器件。3.1.1工作原理1、基本結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。為2DU型光電二極管的原理結(jié)構(gòu)圖。圖（b）為光電二極管的工作原理圖

圖（c）為光電二極管的電路符號。箭頭表示正向電流的方向（普通整流二極管中規(guī)定的正方向），光電流的方向與之相反。2、光電二極管的電流方程

無輻射作用下（暗室中），PN結(jié)硅光電二極管的正、反向特性與普通PN結(jié)二極管特性一樣，如圖3-2所示。其電流方程為

（3.1-1）ID為反向電流或暗電流。

當(dāng)光作用到如圖3-1（b）所示的光電二極管上時(shí)，

光電二極管的全電流方程為

式中η為光電轉(zhuǎn)換效率，α為光的吸收系數(shù)。

3.1.2光電二極管的基本特性

由式（3.1-2）光電二極管的全電流方程可以得到如圖3-3所示的光電二極管在不同偏置電壓下的輸出特性曲線，它反應(yīng)了光電二極管的基本特性。

（3.1-2）

第1象限正偏，第3象限與第4象限有光敏特性，很不方便。

在光電技術(shù)中常采用重新定義電流與電壓正方向，把特性曲線旋轉(zhuǎn)成如圖3-4所示。均以PN結(jié)內(nèi)建電場的方向?yàn)殡娏?、電壓的正方向?/p>

1.光電二極管的靈敏度

光電二極管的電流靈敏度為入射到光敏面上通量引起電流變化dI與通量變化dΦ之比。

當(dāng)某波長λ的輻射作用于光電二極管時(shí)，其電流靈敏度為與材料常數(shù)有關(guān)，表征光電二極管的光電轉(zhuǎn)換特性為線性。電流靈敏度與入射輻射波長λ的關(guān)系復(fù)雜，定義光電二極管的電流靈敏度時(shí)，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。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。

光電二極管的電流靈敏度與波長的關(guān)系稱為光譜響應(yīng)。

3.光譜響應(yīng)

圖3-5為幾種光電二極管的光譜響應(yīng)曲線。光譜響應(yīng)長波限為1.1μm，短波接近0.4μm，峰值響應(yīng)波長為0.9μm左右。4.時(shí)間響應(yīng)

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(shí)，PN結(jié)硅光電二極管的電流產(chǎn)生要經(jīng)過3個(gè)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(shí)間，稱為漂移時(shí)間記為；

2)在PN結(jié)區(qū)外產(chǎn)生的光生載流子擴(kuò)散到PN結(jié)區(qū)內(nèi)所需要的時(shí)間，稱為擴(kuò)散時(shí)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(shí)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(shí)間為一般的PN結(jié)硅光電二極管，內(nèi)電場強(qiáng)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（3-4）可知漂移時(shí)間，為ns數(shù)量級。

對于PN結(jié)硅光電二極管，在PN結(jié)勢壘區(qū)以外激發(fā)的光生載流子須擴(kuò)散到勢壘區(qū)內(nèi)才能在內(nèi)建電場作用下拉向P區(qū)與N區(qū)。擴(kuò)散運(yùn)動很慢，因此，擴(kuò)散時(shí)間τp很長，約為100ns，限制了PN結(jié)硅光電二極管的時(shí)間響應(yīng)。

另一個(gè)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(shí)間常數(shù)τRC，τRC為

普通PN結(jié)硅光電二極管管芯內(nèi)阻Ri約為250Ω，結(jié)電容Cj為幾Pf，負(fù)載電阻RL低于500Ω時(shí)，時(shí)間常數(shù)在ns數(shù)量級。但是，當(dāng)負(fù)載電阻RL很大時(shí)，時(shí)間常數(shù)將成為時(shí)間響應(yīng)的重要因素，應(yīng)用時(shí)必須注意。影響時(shí)間響應(yīng)的主要因素是擴(kuò)散時(shí)間τp，如何將其消除，是提高硅光電二極管時(shí)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(qiáng)度，擴(kuò)展PN結(jié)的耗盡區(qū)，但是反向偏壓的提高會加大結(jié)電容，使RC時(shí)間常數(shù)τRC增大。因此，必須從PN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區(qū)擴(kuò)展到整個(gè)PN結(jié)器件，才能消除擴(kuò)散時(shí)間。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。其中，散粒噪聲是主要噪聲，低頻噪聲和熱噪聲為其次。

散粒噪聲與電流有關(guān)

光電二極管電流包括暗電流Id、信號電流Is和背景光電流Ib，因此散粒噪聲應(yīng)為在反偏情況，光電二極管電流與入射輻射關(guān)系

為再考慮負(fù)載電阻RL的熱噪聲

3.2其他類型的光生伏特器件

3.2.1PIN型光電二極管為提高PN結(jié)硅光電二極管的時(shí)間響應(yīng)，消除PN結(jié)外光生載流子擴(kuò)散運(yùn)動時(shí)間，采用在P區(qū)與N區(qū)之間生成I型層，構(gòu)成如圖3-6（a）所示的PIN結(jié)構(gòu)，PIN結(jié)構(gòu)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3-6（b）所示。

PIN光電二極管在反向電壓作用下，耗盡區(qū)擴(kuò)展到整個(gè)半導(dǎo)體，光生載流子只產(chǎn)生漂移電流，因此，時(shí)間響應(yīng)只取決于τdr

與τRC

，在10-9s。3.2.2雪崩光電二極管

PIN光電二極管提高了時(shí)間響應(yīng)，但未能提高器件的光電靈敏度，為了提高靈敏度，而設(shè)計(jì)出雪崩光電二極管，使光電靈敏度大幅度提高。

1.結(jié)構(gòu)

市場上的雪崩光電二極管基本上都是PIN型雪崩光電二極管。

2.工作原理

雪崩光電二極管具有內(nèi)增益的光生伏特器件。利用光生載流子在強(qiáng)電場內(nèi)中高速運(yùn)動，產(chǎn)生雪崩擊穿而獲得增益。電離會產(chǎn)生遠(yuǎn)大于光生載流子數(shù)，使雪崩光電二極管輸出電流迅速增加，定義電流倍增系數(shù)為M

倍增系數(shù)M與碰撞電離率有關(guān)。1個(gè)載流子在電場作用下，漂移單位距離產(chǎn)生的電子/空穴對數(shù)。電子電離率αn

和空穴電離率αp

并不一致，都與電場強(qiáng)度E有關(guān)。實(shí)驗(yàn)證明，二者關(guān)系近似為式中,A、b、m都為與材料有關(guān)系數(shù)。

設(shè)α=αn=αp

，可推導(dǎo)出倍增系數(shù)與電離率的關(guān)系為

雪崩擊穿與電場強(qiáng)度有關(guān)，加到器件上的電壓直接影響雪崩擊穿的程度，倍增系數(shù)M反映了這個(gè)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，低于擊穿電壓時(shí)，雪崩倍增系數(shù)M較小，隨反向偏壓U的增高，M增大，經(jīng)驗(yàn)公式為

從圖3-8所示的特性曲線可見，在雪崩擊穿點(diǎn)附近電流隨偏壓變化的曲線較陡，反向偏壓變化較小，光電流會有較大變化。

3.噪聲

雪崩光電二極管的噪聲比一般光電二極管要大些。在無倍增的情況下，其噪聲電流主要為散粒噪聲。當(dāng)雪崩倍增M倍后，它的噪聲電流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)。對于鍺管，n=3；對于硅管為2.3<n<2.5。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。

3.2.3硅光電池光電池是一種不需電源就能把光能轉(zhuǎn)換成電能的PN結(jié)光電器件，有兩大類：太陽能光電池和測量光電池。

太陽能光電池主要用作向負(fù)載提供電源，對它的要求主要是光電轉(zhuǎn)換效率高、成本低。由于它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、高可靠性、壽命長等特點(diǎn)而在航天器與一些便攜設(shè)備的電源。測量光電池的主要功能是光電探測，對它的要求是線性范圍寬、靈敏度高、光譜響應(yīng)合適、穩(wěn)定性高、壽命長等。它常被用在光度、色度、光學(xué)精密計(jì)量和測試設(shè)備。1.硅光電池的基本結(jié)構(gòu)

襯底材料分，可分為2DR型（P型襯底如圖3-9（a）所示）和2CR型。硅光電池受光面的電極常做成如圖3-9（b）所示的外形。也有梳齒狀或“E”型電極，目的是減小硅光電池的內(nèi)電阻。圖（c）為硅光電池的電路符號。2.硅光電池工作原理（自偏置電路）

如圖3-10所示為硅光電池的工作原理圖，與PN結(jié)二極管原理相同。閉合電路中產(chǎn)生的輸出電流IL在負(fù)載電阻RL上產(chǎn)生電壓降為U。U=ILRL以內(nèi)建電場方向?yàn)殡娏鱅L的正方向，可得如圖3-11所示的伏安特性曲線。（3.2-7）3.硅光電池的輸出功率將式（3.2-7）代入式（3.2-8）得到負(fù)載所獲得的功率為光電池輸出電流應(yīng)包括3部分，光電流、擴(kuò)散電流與暗電流。光電池的功率應(yīng)為負(fù)載電阻獲得的功率（3.2-9）PL=ILU（3.2-8）PL=I2LRL（3.2-10）輸出功率為負(fù)載電阻的函數(shù)，可以通過求連續(xù)函數(shù)極大值的方法找到負(fù)載電阻獲得最大輸出功率的阻值，稱其為“最佳負(fù)載電阻”記為Ropt。在Ropt情況下負(fù)載可以獲得最大的輸出功率Pmax。

在實(shí)際工程計(jì)算中，常分析圖3-11所示的輸出特性曲線得到經(jīng)驗(yàn)公式，即，當(dāng)負(fù)載電阻為最佳負(fù)載電阻時(shí)，輸出電壓U=Um

Um=(0.6~0.7)Uoc

此時(shí)的輸出電流近似等于光電流，即其中，S為硅光電池的電流靈敏度。

i硅光電池的最佳負(fù)載電阻Ropt為

負(fù)載電阻所獲得的最大功率為

Pm=Im

Um=(0.6~0.7)UocIp

4.光電池的光電轉(zhuǎn)換效率

光電池的輸出功率與入射輻射通量之比定義為光電池的光電轉(zhuǎn)換效率，記為η。當(dāng)負(fù)載電阻為最佳負(fù)載電阻Ropt時(shí)，光電池輸出最大功率Pm與入射輻射通量之比定義為光電池的最大光電轉(zhuǎn)換效率，記為ηm。顯然，光電池的最大光電轉(zhuǎn)換效率ηm為是與材料有關(guān)的光譜光電轉(zhuǎn)換效率，表明光電池的最大光電轉(zhuǎn)換效率與入射光波長及材料性質(zhì)有關(guān)。3.2.4光電三極管光電三極管也有兩種基本結(jié)構(gòu)，NPN與PNP結(jié)構(gòu)。N型硅為襯底制作的NPN，為3DU型；用P型硅為襯底制作的為PNP結(jié)構(gòu)，為3CU型。圖3-12所示為3DU型光電三極管的結(jié)構(gòu)及其符號。

圖

(a)為NPN型光電三極管的原理結(jié)構(gòu)圖；

圖(b)所示為電路符號。

1.工作原理

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。

集電極輸出的電流為

光電三極管的電流靈敏度是光電二極管的β倍。相當(dāng)于將光電二極管與三極管接成如圖3-12(c)所示的電路形式，光電二極管的電流Ip被三極管放大β倍。為提高光電三極管的增益，減小體積，常將光電二極管或光電三極管及三極管制作到一個(gè)硅片上構(gòu)成集成光電器件。如圖3-13所示為三種形式的集成光電器件。2.光電三極管特性

1）伏安特性

圖3-14所示為硅光電三極管在不同光照下的伏安特性曲線。偏置電壓為光電三極管的發(fā)射結(jié)處于正向偏置，而集電結(jié)處于反向偏置。隨著偏置電壓的增高伏安特性曲線趨于平坦。

伏安特性曲線向上偏斜，間距增大。這是因?yàn)楣怆娙龢O管除具有光電靈敏度外，還具有電流增益β，并且，β值隨光電流的增大而增大。

2）時(shí)間響應(yīng)（頻率特性）

光電三極管的時(shí)間響應(yīng)常與PN結(jié)的結(jié)構(gòu)及偏置電路等參數(shù)有關(guān)。

圖3-15（a）所示為光電三極管的輸出電路，圖3-15（b）為其等效電路。由電流源Ip、基-射結(jié)電電阻rbe、電容Cbe和基-集結(jié)電容Cbc等構(gòu)成。

是在光電二極管等效電路基礎(chǔ)上增加了電流源Ic和基射結(jié)電阻Rce、電容Cce、輸出負(fù)載電阻RL。適當(dāng)選擇負(fù)載電阻，使其滿足RL＜Rce，可導(dǎo)出光電三極管電路的輸出電壓為

光電三極管的時(shí)間響應(yīng)由以下四部分組成：①光生載流子對發(fā)射結(jié)電容Cbe和集電結(jié)電容Cbc的充放電時(shí)間；②光生載流子渡越基區(qū)所需要的時(shí)間；③光生載流子被收集到集電極的時(shí)間；④

輸出電路的等效負(fù)載電阻RL與等效電容Cce所構(gòu)成的RC時(shí)間；總時(shí)間常數(shù)為上述四項(xiàng)和。

3）溫度特性

硅光電二極管和硅光電三極管的暗電流Id和光電流IL都隨溫度而變化，考慮硅光電三極管有電流放大功能，故它的暗電流Id和亮電流IL受溫度的影響要比后者大得多。圖3-17（a）所示為二者暗電流Id與溫度的關(guān)系曲線，隨著溫度的升高光電三極管暗電流增長很快；

圖3-17（b）為二者亮電流IL與溫度的關(guān)系曲線。光電三極管亮電流IL隨溫度的變化比光電二極管亮電流IL隨溫度的變化要快。

4）光譜響應(yīng)

硅光電三極管與硅光電二極管具有相同的光譜響應(yīng)。圖3-18所示為典型3DU3的光譜響應(yīng)特性曲線，它的響應(yīng)范圍為0.4~1.0μm，峰值波長為0.85μm。

短波段的光譜容易被減薄的PN結(jié)吸收。因此，可以制造出具有不同光譜響應(yīng)的光伏器件，例如藍(lán)敏器件和色敏器件等。

藍(lán)敏器件是在犧牲長波段光譜響應(yīng)為代價(jià)獲得的（減薄PN結(jié)厚度，減少了長波段光子的吸收）。

3.2.5色敏光生伏特器件

色敏光生伏特器件是利用PN結(jié)厚度不同對不同波長輻射的吸收差異特性制造出來的光電器件。較薄PN結(jié)對藍(lán)光較敏感，較厚PN結(jié)對紅光敏感，為此，在一個(gè)PN結(jié)型光電器件上能夠制造出響應(yīng)不同顏色的器件，將其稱為色敏光生伏特器件，用于顏色的測量。色敏器件具有結(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(diǎn)。被廣泛應(yīng)用于顏色測量與顏色識別等領(lǐng)域。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(jī)熒光屏彩色的測量與調(diào)整等，是一種非常有發(fā)展前途的新型半導(dǎo)體光電器件。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3-19所示。在同一硅片上制作兩個(gè)深淺不同PN結(jié)的光電二極管PD1和PD2。雙色光電二極管的光譜響應(yīng)如圖3-20所示。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（如圖3-21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(gè)短路電流的比值，根據(jù)短路電流的比值判別入射光的波長，達(dá)到識別顏色的目的。

如圖3-22(a)所示的“CIEl931-RGB系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者三刺激值曲線σrgb”。從曲線中看到r、g、b光譜三刺激值有一部分為負(fù)值，計(jì)算很不方便，又很難理解。因此，1931年CIE制定新的國際通用色度系統(tǒng)，稱為“CIEl931-XYZ系統(tǒng)”。它是在CIE1931-RGB系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改用三個(gè)假想的原色x、y、z所建立的新的色度系統(tǒng)。

在系統(tǒng)中也定出了匹配等能量光譜的三刺激值、、，得出了如圖3-22(b)所示的“CIEl931標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值曲線”。根據(jù)以上理論，對任何一種顏色，都可由顏色的三刺激值X、Y、Z表示，計(jì)算公式為XYZ

可以識別混合色光的3色色敏光電器件。圖3-23為非晶硅集成色敏器件的結(jié)構(gòu)示意圖。

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，得到如圖3-24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。

圖3-25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，R、G、B敏感元件輸出不同的光電流，經(jīng)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。

測量前調(diào)整放大器，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(shí)應(yīng)滿足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工作。

1、象限陣列光伏器件組合件2、線陣列光伏器件組合件3、楔環(huán)陣列組合件3.2.7光電位置敏感器件（PSD）

是基于光伏器件的橫向效應(yīng)的器件，是一種對入射到光敏面上的光電位置敏感的光電器件。

稱為光電位置敏感器件，簡稱為PSD(PositionSensingDetector)器件。PSD器件具有比象限探測器件在光點(diǎn)位置測量方面更多的優(yōu)點(diǎn)。例如，它對光斑的形狀無嚴(yán)格的要求，即它的輸出信號與光斑是否聚焦無關(guān)；光敏面也無須分割，消除了象限探測器件盲區(qū)的影響；它可以連續(xù)測量光斑在光電位置敏感器件上的位置，且位置分辨率高，一維的PSD器件的位置分辨可高達(dá)0.2μm。但是，它屬于模擬型器件，對溫度的敏感性較高，對噪聲反映強(qiáng)烈，因此其外圍電路復(fù)雜，應(yīng)引起足夠的重視。I0=I1+I2

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。

1.PSD器件的工作原理2.一維PSD器件

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為信號電極，3為公共電極。它的光敏面為細(xì)長的矩形條。

圖3-35所示，為一維PSD位置檢測電路原理圖。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

為了減少測量誤差常將二維PSD器件的光敏面進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的PSD光敏面如圖3-37所示圖形。

四個(gè)引出線分別從四個(gè)對角線端引出，光敏面的形狀好似正方