第五章光伏探测器

第五章光伏探测器 光电子技术 一 光伏效应定义光子照射PN结产生了电压 光生电动势 当两端短接时会产生短路电流 内光电效应 photovoltagePV 光伏效应是基于p S n S两种材料相接触时形成的内建势垒 内建电场 扫向势垒两边 产生载流子 形成光生电动势 光辐射 5 1光生伏特效应 N型半导体和P型半导体 N型 磷原子 自由电子 电子为多数载流子 空穴为少数载流子 载流子数 电子数 P型 硼原子 空穴 空穴 多子 电子 少子 载流子数 空穴数 施主离子 受主离子 二 由势垒效应产生的光生伏特效应 PN结 PNJunction 的形成 1 载流子的浓度差引起多子的扩散 2 复合使交界面形成空间电荷区 耗尽区 势垒区 空间电荷区特点 无载流子 阻止扩散进行 利于少子的漂移 3 扩散和漂移达到动态平衡 扩散电流等于漂移电流 总电流I 0 内建电场 PN结形成 光照p区 p区极薄 当光波长激发光生电子 空穴对光生电子向p区体内扩散 p区极薄小于电子扩散长度Ln 内建电场将光生电子扫向n区 空穴留在p区 此时 pn结两端有电压 称为开路电压uoc 当将p区n区用导线短接 电流表读数不为零 此电流称为短路电流isc 2 零偏压 光照p区 P区的光生电子和N区的光生空穴和结区的电子空穴 少子 扩散到结电场附近 入射光能转变成流过P N结的电流 光电流 光生电子 N区 光生空穴 P区 N区边界附近 光生电子积累 P区边界附近 光生空穴积累 产生一个与热平衡P N结的内建电场方向相反的光生电场 方向 P N 电场引起势垒降低 减小量 光生电动势 P端正 N端负 电子空穴被内建电场分离 漂移通过结 3 零偏压 光照结区 P N结受到垂直于P N结面的光照射 并且光子能量大于材料的禁带宽度 结两边产生电子 空穴对 少子浓度变化 多数载流子浓度不变 光生伏特效应 由上面分析可以看出 为使半导体光电器件能产生光生电动势 或光生积累电荷 它们应该满足以下两个条件 只有光子能量h 大于材料禁带宽度Eg的入射光才能激发出电子空穴对 使材料产生光生伏特效应的现象 故探测器能吸收光波长为 为截止波长 具有光伏结构 即有一个内建电场所对应的势垒区 势垒区的重要作用是分离了两种不同电荷的光生非平衡载流子 在p区内积累了非平衡空穴 而在n区内积累起非平衡电子 产生了一个与平衡pn结内建电场相反的光生电场 于是在p区和n区建立起了光生电动势 或称光生电压 除了上述pn结能产生光生伏特效应外 金属 半导体形成的肖特基势垒层等其它许多结构都能产生光生伏特效应 其过程和pn结相类似 都是使适当波长的光照射材料后在半导体的界面或表面产生光生载流子 在势垒区电场的作用下 光生电子和空穴向相反的方向飘移从而互相分离 在器件两端积累产生光生电动势 5 2光伏探测器的工作原理 一 光电转换原理光生伏特效应指光照使PN结产生电位差的现象 光生电流Is N区 P区 光生电场 P区 N区 PN结电流Ip P区 N区 PN结光电效应光照激发 电一空对电一空对在E内作以下分离产生光电流 由光电转换定律产生开路电压光伏探测器内电流增益G等于1 这与光电导探测器明显不同 设由P区流向N区的电流为正 流过P N结的总电流为 有光照 P N结内产生一个附加电流 光电流 Is 方向与P N结饱和电流Iso相同 无光照时P N节的电流 暗电流 热平衡状态 二 光照下的P N结 正向电流 方向 P端经过P N结指向N端 反向饱和电流 光照下的P N结的伏安特性曲线 横轴的截距 开路电压 U 与光照度E成对数关系 最大值不超过P N结势垒高度VD 纵轴的截距 短路电流 两个重要参数 弱光照下 Isc与光照度E有线性关系 第一象限 非工作区 P N结加正电压 光电流远小于暗电流 第三象限 光导模式 P N结反偏 暗电流远小于光生电流 总电流 Is 第四象限 光伏工作模式 外加偏压为零 反向光电流 与电压呈明显非线性 输出电压为外电路负载电阻上的电压 由光照下的P N结输出的总电流的表达式可以求得光伏器件的输出电压 当I 0时 PN结开路 PN结两端的开路电压VOC为 当V 0 PN结被短路 时的输出电流ISC即短路电流 并有 U 与光强度成对数关系 最大值不超过P N结内建电场的势垒高度VD Isc与光强度有线性关系 随光强增加线形上升 三 光伏探测器的等效电路 pn结光伏探测器的工作模式外电路的偏置电压来决定零偏压V 0 光伏工作模式外加反偏压V 0 光导工作模式 等效电路 一个暗电流为ID的普通二极管和一个光电流为Is的电流源的并联 RL 负载电阻 VA 外接偏置电源 光伏模式 恒压源 器件内阻远低于负载电阻 光导模式 恒流源 器件内阻远大于负载电阻 5 2光伏探测器的性能参数 一 响应率 电压响应率 开路时电压响应率 弱光时 近似为 又 则 PN结伏安特性在V 0处的动态电阻R0是 弱光 开路时电压响应率 理论分析可得出反向饱和电流为 光伏探测器响应率与器件的工作温度T及少数载流子浓度和扩散有关 与器件的外偏压无关 光伏探测器响应率等于电子电荷量 量子效率和V 0时的动态电阻R0三者之积与一个入射光子能量之比 二 噪声 光伏探测器的噪声主要由光生电流和暗电流引起的散粒噪声和器件的热噪声组成 均方噪声电流为 Rd为器件电阻 反偏工作时Rd相当大 热噪声可忽略不计 故散粒噪声是主要的 1 无光照时 正向的扩散电流和反向的漂移电流大小相等 方向相反 2 有光照时 当偏压VA 0时 光伏工作模式 弱光照射时 只考虑暗电流引起的散粒噪声 当偏压VA 0时 反偏置 光导工作模式 负偏置的光伏探测器的噪声功率为零偏时的一半 PN结在无光照时V 0处的零偏动态电阻R0是 暗电流Ip改写为 器件的零偏电阻R0愈大 暗电流愈小 对散粒噪声贡献也愈小 当外接负载电阻输出信号时 应实际考虑负载电阻RL引起的热噪声 相应的噪声电压均方值 三 比探测率 1 零偏压工作时 弱光照射时 2 反偏压工作时 利用光伏探测器的电流响应率RI可得到零偏置时的比探测率与零偏电阻R0的关系式 PN结在无光照时V 0处的零偏动态电阻R0是光伏探测器的一个重要参数 它直接反映了器件性能的优劣 提高比探测率的关键在于提高结电阻和结面积的乘积和降低探测器的工作温度 当光伏探测器受背景噪声限制时 提高探测率主要在于采用减少探测器视场角等办法来减少探测器接收的背景光子数 四 光谱特性 光伏探测器和其他选择性的光子探测器一样响应率随如射光波长而变化 HgCdTe PbSnTe GaInAsP等化合物半导体适用于制作探测长波长波段的光伏探测器 五 频率响应及响应时间 光伏探测器的响应时间主要由扩散时间 n 光生少数载流子在耗尽层中的漂移时间 d和由结电容Cd与负载电阻RL所决定的电路延迟时间 c 上限截止频率fc 输出信号功率降到零频时的一半 信号幅度下降到0 707 式中 0为真空介电常数A为P N结结面积 d为耗尽层宽度 普通的硅光电二极管的截止频率通常在百兆赫量级 六 温度特性 5 3光电池 最简单的光伏器件 工作时无需外加偏压就能将光能转换为电能 太阳能电池 将太阳能转换为电能 光电池 测量光辐射用 弱光照射时光电流随照度线性变化 光度计 线性测量 基本结构 P N结 材料 硅 硒 锗 砷化镓 一 硅光电池的类型和结构1 硅光电池的类型 2 硅光电池的类型 2CRN型硅为衬底 P型硅为受光面 受光面上的电极称为前极或上电极 为了减少遮光 前极多作成梳状 衬底方面的电极称为后极或下电极 为了减少反射光 增加透射光 一般都在受光面上涂有SiO2或MgF2 Si3N4 SiO2 MgF2等材料的防反射膜 同时也可以起到防潮 防腐蚀的保护作用 2DRP型硅为衬底 N型硅为受光面 衬底材料导电类型不同 2CR系列 2DR系列 光照 光生电动势 光电流 结内N P 节外P出N入 开路电压 0 45 0 6V 0 756V 短路电流35 40mA cm2 1 等效电路 二 光电池的等效电路和电流电压方程 光电转换效率 负载电阻RL上产生的电功率与入射的光功率之比 从以上结构图可知 由光照产生的电子和空穴在内电场的作用下才形成光生电动势和光电流 由于内电场是由掺杂的P区和n区自由扩散形成的 故内建电场的强度是非常有限的 这就导致了光电池的光电转换效率非常低 最高也只能是百分之十几 2 电流电压方程 光伏器件的输出电压为 pn结短路 u 0 输出电流为 电流为短路电流 pn结开路 负载 输出电压为 电流 S 光电流灵敏度 L 入射光照度 非线性 光电池接上不同的负载电阻时 电流和电压随着光通量变化的情况是不同 负载电阻的选择会影响光电池的输出信号 当负载电阻较小 RL1 时 随着光通量的变化 输出的电流值较大 电压值较小 随着负载电阻RL的增大 电流逐渐变小 输出电压随之增大 短路状态下 RL0 0 输出的电流值最大 电压值为零 不同负载电阻下的输出特性 弱光照射 输出电流与光照度呈线性关系 光照度增大到一定程度 输出电流出现饱和 与负载电阻有关 负载电阻大 容易出现饱和 负载小 能够在较宽的范围内保持线性关系 获得大的光电线性范围 负载电阻不能过大 三 光电池的光电特性 光电池开路电压和短路电流与入射光强度的关系 开路电压 与入射光强的对数成正比 短路电流 与入射光照度成线性关系 弱光照射 开路电压和短路电流与光电池受光面积的关系 开路电压 与受光面积的对数成正比 短路电流 与受光面积成正比 光电池两端接负载电阻RL 流过负载的电流为IL 压降为UL 光电流在RL上产生的电功率为ULIL 电功率与入射的光功率之间的比值 量子效率 UL随RL增大而增大RL为 时 UL为开路电压 输出电功率 随负载电阻变化 RL RM 最佳负载 时 输出功率最大 Pmax RL很小时 IL趋近于短路电流RL 0时 IL Isc 换能器件 最大功率 RM 光照度的函数 四 最大输出功率及最佳负载电阻 输出功率 两点之间必有一最大输出功率 此时对应的负载电阻 最佳负载电阻 过和isc作伏安特性曲线的切线 两切线交于Q连接OQ 线段OQ与伏安特性交于m点则S OCmD面积最大 面积S OCmD为输出功率当矩形面积最大 其输出功率为最大 伏安特性表示输出功率的大小 RL负载线 过原点的直线 与伏安特性曲线交于m点 斜率 tan IL UL 1 RL m点在I轴和U轴上的投影 输出电流IL和输出电压UL 输出功率 PL ULIL PM 最大输出功率 最佳负载线与特性曲线的交点 对应的最佳负载电阻 最佳负载电阻Rm的估算 负载上的功率 求 求导 并令导数为零 室温300K时 q KT 38 5 Is Iso 当 输出功率P电 RL上的功率 达到最大 通常为保证光电池工作在线性状态 输出信号不失真 取 实际光照下的开路电压计算 开路电压的换算 根据手册中的光电池在特定光照度下的开路电压值 求出实际照度下的开路电压值 在光照P1下 在光照P2下 由光伏探测器的光电转换关系 重要 可以根据手册上给定的光电池在特定光照度下开路电压值 求出实际照度下的开路电压值 五 光谱特性 图中曲线分别为蓝硅光电池和普通硅光电池的光谱特性 图中可看出蓝硅光电池在可见光谱内有较高的灵敏度 光谱范围为0 34 0 75um 峰值波长在0 54um 紫蓝光 而普通硅光电池应用的光谱范围为0 4 1 1um 峰值波长在0 85um左右 光谱特性与光电池的材料有关 还与制造工艺及温度有关 六 温度特性 图为硅光电池的开路电压和短路电流与温度的关系 从图中可以看出 硅光电池的开路电压随温度升高降低 短路电流随着温度升高 开始增大 当温度超过70度左右时 温度升高 电流下降 当光电池在受强光照射或聚焦光照射的情况下必须考虑光电池的工作温度 如硒光电池超过50 或硅光电池超过200 时 它们因晶格受到破坏而导致器件的破坏 因此光电池作为探测器件时 为保证测量精度应考虑温度变化的影响 七 频率特性 光电池的PN结或阻挡层的面积大 极间电容大 因此频率特性较差 图中曲线1 2分别表示硒光电池与硅光电池的频率特性 负载电阻越大 电容的旁路作用越显著 频率特性高频部分的下降越厉害 在低照度时频率特性要变差 这是因为在低照度时光电池的内阻增大的缘故 响应速度与结电容和负载电阻的乘积有关 如果要改善频率特性 需减小负载电阻或减小光电池的面积 使它的结电容减小 注意事项 硅光电池在强辐射下是稳定的 对于硒光电池 在强光照射时性能变化很大 这主要是由于此时体内已起了变化或表面的硒被氧化所造成的 硅光电池由薄的硅片制成 极脆 使用时要特别小心 硅光电池的引线很娇嫩 不能拉力太大 硅光电池的背面通常镀有一层增透膜 使用时应避免硬物接触表面 因此 合理的使用光电池可以保证其性能稳定 可靠性好以及寿命长等等 5 4光电二极管 结区面积大小光电特性非线性线性偏置状态零偏压反偏压内建电场弱强结区厚度薄厚结电容大小频率特性较弱较好 一 光电池与光电二极管的区别 光电池 光电二极管 二 硅光电二极管的结构和工作原理 1 基本工作原理 2 硅光电二极管的结构 a 2CU b 2DU 材料 硅 砷化镓 锑化锢 铈化铅 广泛使用 暗电流温度系数小 工艺成熟 衬底材料 2CU N Si 2DU P Si 受光面 SiO2防反射膜 含有少量的钠 钾 氢等正离子 静电感应 P Si表面产生一个感应电子层 与N Si的导电类型相同 P Si表面与N Si连通起来 反向偏压 暗电流 P N结反向漏电流 表面电子层产生的漏电流 暗电流增大 2DU加环极 目的 减少暗电流和噪声 设置一个N Si的环把受光面 N Si 包围起来 N Si环上引线 环极 比前极更高的电位 表面漏电流通路 环极悬空 暗电流和噪声大 其他性能不受影响 2CU 不需要加环极 平面镜和聚焦透镜做入射窗 凸透镜 聚光作用 提高灵敏度 3 硅光电二极管的封装 反向偏压不能太高 引起雪崩击穿 反偏 减小载流子的渡越时间 减小二极管的极间电容 提高器件的相应灵敏度和相应频率 无光照时的暗电流 反向饱和电流Iso 光照下的光电流Is 与Iso同方向 不同光照下硅光敏二极管的实用伏安特性曲线 加反向电压工作 正向电压 单向导电性 普通二极管 三 硅光电二极管的伏安特性 开路电压比外加的反向电压小得多 忽略不计 特性曲线 旋转180 横轴正向 负电压 低反压 光电流随反向偏压的变化较明显 反向偏压增加使耗尽区变宽 结电场增强 提高结区光生载流子的收集效率 反向偏压增加 恒流源 光生载流子的收集接近极限 光电流趋于饱和 光电流仅取决于入射光功率 与外加反向偏压几乎无关 较小负载电阻下 光电流与入射光功率有较好的线性关系 电流灵敏度0 4 0 5 A W量级 2DU 普通硅光敏二极管 2DUL 经过锂漂移的硅光敏二极管 光谱响应 可见光 近红外 0 8 0 9 m波段响应率最高 与砷化镓激光二极管和发光二极管的工作波长匹配 对He Ne和红宝石激光器也有较高的响应灵敏度 结电容很小 频率响应很高 带宽可以达到100kHz以上 等效电路 Ip 光电流恒流源 VD 理想二极管 Cj 结电容 RD 漏电阻 反向结电阻 Rs 体电阻 RL 负载电阻 反向电压 RD很大 Rs很小 VD RD Rs忽略不计 低频情况 Cj很小 忽略 流过负载的交变电流复振幅 入射光的调制圆频率 2 f f 入射光的调制频率 频率 较高时 响应时间 C0 接线分布电容 减小负载电阻有利于减小时间常数 提高响应频率 提高反向偏压有利于减小结电容 改善器件的频率响应 四 温度特性 五 暗电流 5 5PIN光电二极管 改善频率响应特性的途径是设法减小载流子的扩散时间和结电容的大小 光电二极管中PN结光生电流主要由耗尽层电子空穴在外加电场与内电场的作用下的漂移运动形成的 因电场主要分布在耗尽区 所以耗尽区的载流子漂移运动速度很快 而在扩散区 由于场的分布为零 因此载流子的扩散运动速度很慢 这就影响了光电检测器件的响应速度的提高 频带宽 10GHz P型半导体和N型半导体之间夹杂一层很厚的本征半导体 I层 P N结的空间电荷层的间距加宽 结电容变小 响应时间变短 频带变宽 将N层做成轻掺杂 使耗尽区变宽或变厚 这种掺杂很轻的N层 称作本征I层 另外 为了制成低电阻的接触 在I层的两端再做成重掺杂的P层和N层 并且它们的宽度很窄 或厚度很薄 线性输出范围很宽I层很厚 可承受较高的反向偏压 P N结的内电场集中于I层 输出电流小 I层电阻大 管子输出电流小 零点几 几 A PIN光电二极管采用厚的本征层将峰值响应延伸到1 04 1 06um 截止频率与线性范围 PIN管的缺点 其光电流很微弱 使用时要多次放大 这要引进放大器的噪声 因此为了克服PIN管的缺点 首先使光电流在内部先进行放大 在加很高的反向偏压后 P N结内形成了很强的电场区 光照后初始载流子在强电场下获得很大的动能 因此在其高速运动过程中要与晶体中的晶格发生碰撞作用 于是产生新的电子 空穴对 经过多次碰撞电离后 便使载流子迅速增加 从而反向电流也迅速增大形成雪崩倍增效应 5 6雪崩光电二极管 APD 一 工作原理 雪崩效应 利用P N结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种光伏器件 自身具有电流增益 响应度高 响应速度快 工作在很高的反偏状态 工作电压很高 100 200V 接近反向击穿电压 很高的内增益 电压等于反向击穿电压时 电流增益可达106 自持雪崩 响应速度快 带宽可达100GHz 响应速度最快的光电二极管 电气图形符号 二 雪崩光电二极管的结构 三 伏安特性 外加电压较低 普通光敏二极管 没有电流倍增现象 偏压增加到接近击穿电压UBR 光电流得到很大倍增 偏压继续上升 超过UBR 光电流急剧减小 噪声电流大 发生击穿 缺点 噪声较大 工作电压接近 等于反向击穿电压 噪声增大到放大器的噪声水平 无法使用 雪崩增益M 有光照时有雪崩增益时的光电流IM与无倍增时的光电流IR之比 VBB 击穿电压 与材料温度有关 几十V 几百V V 管子的外加反向电压 n 与材料 掺杂 器件结构有关的常数 硅材料n 1 5 4 锗器件 n 2 5 3 四 雪崩光电二极管的特性参数 最佳工作点应选在接近雪崩击穿点附近 一般雪崩光电二极管的反向击穿电压在几十伏到几百伏之间 目前 雪崩光电二极管的偏压有低压和高压两种 低压在几十伏左右 高压在几十伏至几百伏之间 雪崩光电二极管的噪声 过量噪声因子 总噪声电流为 雪崩光电二极管的噪声性能和增益 工作电压密切相关 随着外加偏压的增大 增益M增大 同时噪声电流也随之增大 在实际使用时 必须权衡倍增系数和噪声特性两个方面 选择合适的工作电压 雪崩光敏二极管的工作偏压必须适当 过小时 增益太小 过大时 噪声大 而且电压过高可能使管子被击穿烧毁 由于击穿电压会随温度漂移 必须根据环境温度变化相应调整工作电压 响应时间 光生载流子在结区的渡越时间很短 高反向偏压 结电容 几个pF 甚至更小 硅管的响应时间约为0 5 1 0ns 频率响应可达几十GHz 五 特点 与光电倍增管相比 体积小 工作电压低 使用方便 暗电流大 噪声也大 光电倍增管更适合于弱光探测 光谱为0 8 1 1 m区 量子效率高于光电倍增管 对窄脉冲响应有更好的探测度 光电三极管是在光电二极管的基础上发展起来的 它和普通晶体三极管相似 具有电流放大的作用 只是它的集电极电流是受光照的控制 光电三极管与普通半导体三极管一样有两种基本结构 NPN结构与PNP结构 用N型硅材料为衬底制作的NPN结构 称为3DU型 用P型硅材料为衬底制作的称为PNP结构 称为3CU型 5 7光电三极管 图为光电三极管的结构 图中以n型硅片作为衬底 扩散硼而形成p型 再扩散磷而形成重掺杂n 层 并涂以SiO2作为保护层 在重掺杂的n 层引出一个电极并称作 发射极e 由中间的P型层引出一个 基极b 而在n型硅片的衬底上引出一个 集电极c 这就构成了一个光电三极管 构成 光窗 集电极引出线 发射极引出线和基极引出线 有的没有 结构原理 两个P N结 发射极和集电极 构成 工作过程 光电转换 光电流放大 光电转换 集 基结内进行 运用 集电极加正向电压 相对于发射极 基极开路 集电结 光电结 光照集电结 光生载流子 光生电子 集电极 光生电流Ip 光生空穴留在基区 基区电位升高 发射极电子 集电极 被放大的电流Ic Ip SE 电流放大倍数 S 光电灵敏度 E 光照度 电流放大作用 上偏流电路中接一个光敏二极管 二 光电三极管的等效电路 分析等效电路图 不难看出 由电流源Ip 基 射结电电阻rbe 电容Cbe构成的光电二极管的等效电路 光电三极管的等效电路是在光电二极管的等效电路基础上增加了电流源Ic和基射结电阻Rce 电容Cce 输出负载电阻RL 选择适当的负载电阻 使其满足RL Rce 这时可以导出光电三极管电路的输出电压为 其中 负载电阻两端的输出电压U0为 图所示为硅光电三极管在不同光照下的伏安特性曲线 光电三极管在偏置电压为零时 无论光照度有多强 集电极电流都为零 偏置电压要保证光电三极管的发射结处于正向偏置 而集电结处于反向偏置 随着偏置电压的增高伏安特性曲线趋于平坦 光照下 输出电流比光敏二极管的输出电流增大 倍 同样光照下 光照度等间距增大 输出电流并不等间距增加 电流放大倍数 随信号光电流的增大而增大引起 灵敏度 比光敏二极管高 输出电流 比光敏二极管大 mA 光电特性 比光敏二极管差 强光照射下光电流与照度不成线性关系 多用作光电开关元件或光电逻辑元件 三 光电三极管特性参数 1 伏安特性 2 频率特性 光电三极管的时间响应常与PN结的结构及偏置电路等参数有关 光电三极管的时间响应由以下四部分组成 光生载流子对发射结电容Cbe和集电结电容Cbc的充放电时间 光生载流子渡越基区所需要的时间 光生载流子被收集到集电极的时间 输出电路的等效负载电阻RL与等效电容Cce所构成的RC时间 总时间常数为上述四项和 为改善光电三极管的频率响应 一方面要在制作工艺上设法减小结电容Cbe Cce等 同时要合理选择负载电阻RL 增加集电极电流Ic可减小光电三极管的响应时间 提高光电三极管的工作频率 RL越大 高频响应越差 为提高光电三极管的增益 减小体积 提高频率特性 常将光电二极管或光电三极管及三极管制作到一个硅片上构成集成光电器件 如图所示为三种形式的集成光电器件 图 a 所示为光电二极管与三极管集成而构成的集成光电器件 它比普通的光电三极管具有更大的动态范围 因为光电二极管的反向偏置电压不受三极管集电结电压的控制 图 b 和图 c 所示的电路为光电三极管与三极管集成构成的集成光电器件 它具有更高的电流增益 灵敏度更高 3 温度特性 硅光电二极管和硅光电三极管的暗电流Id和光电流IL均随温度而变化 由于硅光电三极管具有电流放大功能 所以硅光电三极管的暗电流Id和亮电流IL受温度的影响要比硅光电二极管大得多 图 a 所示为光电二极管与三极管暗电流Id与温度的关系曲线 随着温度的升高暗电流增长很快 图 b 所示为光电二极管与三极管亮电流IL与温度的关系曲线 光电三极管亮电流IL随温度的变化比光电二极管亮电流IL随温度的变化快 4 光谱响应 硅光电二极管与硅光电三极管具有相同的光谱响应 图所示为典型的硅光电三极管3DU3的光谱响应特性曲线 它的响应范围为0 4 1 0 m 峰值波长为0 85 m 对于光电二极管 减薄PN结的厚度可以使短波段波长的光谱响应得到提高 因为PN结的厚度减薄后 长波段的辐射光谱很容易穿透PN结 而没有被吸收 短波段的光谱容易被减薄的PN结吸收 因此 可以制造出具有不同光谱响应的光伏器件 例如蓝敏器件和色敏器件等 蓝敏器件是在牺牲长波段光谱响应为代价获得的 减薄PN结厚度 减少了长波段光子的吸收 无基极引线的光电二极管在无光照时暗电流很小 对于响应速度要求不高的场合可直接将继电器串联在基极回路 实现光电自动控制 有基极引线的光电三极管在基极上提供了一定偏流 减少了发射级电阻 改善弱光条件下的频率特性 同时使交流放大倍数进入线形区 有利于调制光的探测 图 a 当光电三极管有光照时 晶体管导通 继电器闭合图 b 当光电三极管有光照时 晶体管截止 继电器断开图 c 又称为斯密特触发器 适用于微弱光信号的开关控制电路 当光电三极管有光照时 晶体管导通 继电器闭合 逻辑门电路 5 8光伏探测器输入电路 光通量较小时 负载上的输出电流和电压近似的随入射光通量成比例增加 当入射光通量较大时 输出电流和电压逐渐呈饱和状态 而且电阻越大越明显 一 光电池输入电路 工作点Q 负载线与光电池相应的伏安特性曲线的交点 IQ和UQ RL上的输出值 光通量变化 电流变化 I和电压变化 U 令UT KT q 非线性 光电池接上不同的负载电阻时 电流和电压随着光通量变化的情况是不同 负载电阻的选择会影响光电池的输出信号 当负载电阻较小 RL1 时 随着光通量的变化 输出的电流值较大 电压值较小 随着负载电阻RL的增大 电流逐渐变小 输出电压随之增大 短路状态下 RL0 0 输出的电流值最大 电压值为零 光电池的工作状态 选用负载电阻的数值 短路电流或线性电流放大 5 最大光通量 A 拐点 Rs 负载电阻 OA 负载线 线性工作的临界状态 既能使光电池同时得到最大的电流和电压输出 又能使之随光通量成比例地变化 OA线的左边 线性工作区 负载电阻或后续放大器的输入阻抗尽可能的小 后续电流放大器作为负载从光电池中取得较大的电流输出 电阻小 电流线性好 RL0 0 短路工作状态 接近这种状态的输出电流接近于短路电流 区域I 与入射光通量有良好的线性关系 短路状态下器件的噪声电流较低 信噪比得到改善 适合于弱光信号的检测 在此状态下工作的光电池相当于电流源 它与放大器连接时 应采用电流放大器 如图所示为采用负反馈放大器构成的近似零伏偏置电路 图中Isc为短路光电流 Ri为光生伏特器件的内阻 集成运算放大器的开环放大倍数Ao很高 使得放大器的等效输入电阻很低 光生伏特器件相当于被短路 即 空载电压输出 光电池开路电压 0 45 0 6V 当入射光强做跳跃式变化 如从零跳变到某一值而不要求电压随光通量线性变化时 可工作于非线性电压变换状态 适合于开关电路或继电器工作状态 可以简单利用开路电压组成控制电路 不需要增加任何偏置电源 区域 光电池应通过高输入阻抗变换器与前级放大电路连接 相当于输出开路 开路电压 光通量较大时 开路电压与入射光通量的对数成正比 通过给定入射光功率 光通量 0 下的开路电压值Uoc0 可以求出其他入射光功率 光通量 下的开路电压Uoc 对于较小的入射光通量 开路电压输出变化较大 有利于弱光电信号的检测 开路电压随光通量的变化为非线性关系 光电池相当于电压源 当它与放大器相连时应采用高输入阻抗放大器或采用阻抗变换器 光电二极管的正端 运算放大器的正端 运算放大器的漏电流比光电流小得多 很高的输入阻抗 RL 1M 以上 接近开路状态 光电池 与开路电压成比例的输出信号 电路的放大倍数 L 线性电压输出 负载电阻很小甚至接近于零时 电路工作在短路及线性电流放大状态 在串联的负载电阻上能够得到与输入光通量近似成正比的信号电压 当负载电阻稍微增大 但小于临界负载电阻Rs时 电路处于线性电压输出状态 区域 增大负载电阻有助于提高电压 但能引起输出信号的非线性畸变 忽略高阶项 I0 IL 输出电流和输入光通量线性关系 令最大线性允许光电流为Is 相应的光通量为 s 输出最大线性电压的临界负载电阻 对于交变信号情况 对应 max 的输入光通量变化 负载上的电压信号 在线性关系要求不高的情况下 可以利用图解法找到图中的OA曲线 简单确定临界电阻Rs的值 此时Us大约为0 6Uoc Uoc 对应 max时的开路电压 工作在线性电压放大区的光电池在与放大器连接时 宜采用电压放大器 二 光敏二极管输入电路 1 基本电路 Ub 反向偏置电压 RL 负载电阻 两端的输出电压信号UL与输入的光通量成正比 Ub RL与VD串联 光电流 电压较小 不能直接用于测量和控制 放大器 C 耦合电容 ri 放大器输入阻抗 Rg 光敏二极管漏电阻 忽略C和Rg 总的负载电阻 输出电压信号为 当ri RL时 输出电压信号最大 光电二极管后接的前置放大及耦合电路应具有很高的输入阻抗 如果采用运算放大器 则应选择场效应晶体管型的运算放大器 恒流源特性 伏安特性 光敏二极管输入电路计算基础 2 计算方法 图解计算法 U I 光敏二极管上的电压 107 横轴 U Ub 纵轴 I Ub RL 斜率 1 RL 负载线 Q 电路工作点 负载线和对应于输入光通量为 0时的器件伏安特性曲线的交点 108 Ub 9V 输出交变电压幅值3v 负载电阻RL负载线 暗电流 光通量 0 150 lm 正弦变化 2 A 电流变化 I 17 2 A 15 A 交变光电流的幅值 所需负载电阻 9 0 负载线 工作点 109 解析计算法 折线化伏安特性 转折点M处将曲线分作两个区域 作直线与原曲线相切 M与O连线 线性工作部分 110 输入光通量变化范围 min max已知 a 确定线性工作区域 转折点M 对应最大输入光通量 max的伏安特性曲线弯曲处 U0 转折点电压 G0 初始电导 线性段MN上 G 结间漏电导 线性区内各平行直线的平均斜率 S 光电灵敏度 111 b 计算负载电阻和偏置电压 负载线和与 max对应的伏安特性曲线的交点不能低于转折点M 保证最大线性输入条件 已知Ub 112 c 计算输出电压幅度 输出电压幅度 U0 Umax M H点电流计算得到 H点 M点 输入光通量的增量和光电灵敏度成正比 与结间漏电导和负载电导成反比 113 d 计算输出电流幅度 GL G e 计算输出电功率 114 三 光敏晶体管输入电路 特性曲线不等间隔不平行 灵敏度S I 不是常数 照度较小 看成常数 光敏晶体管 光通量 控制光电流 一般晶体管 基极电流Ib控制集电极电流Ic 灵敏度S 电流放大倍数 缺点 暗电流大 温度稳定性差 设计时考虑暗电流的影响 暗电流随温度升高而增大 半导体光电器件 暗电流对输出特性的影响减到最小 为了使电路能稳定的工作 设计光电检测电路的重要问题之一 115 桥式补偿 两只型号和性能完全相同的光敏晶体管 优点 温度补偿性能好 VT1 接收光信号 VT2 处在黑暗状态 两个光敏晶体管处在同一温度变化 暗电流随温度的变化相同 两者互相抵消 电桥输出受温度的影响减小了 缺点 挑选两只暗电流随温度变化性能相同的光敏晶体管比较困难 116 热敏电阻补偿 Rt 负温度系数的热敏电阻 热敏电阻Rt的阻值也下降 温度升高 光敏晶体管VT1的暗电流增加 电阻下降 晶体管VT2的基极电流或电压仍然不变 放大器的输出也没有改变 因此实现了温度补偿 光电池在光照度为100lx时 开路电压为Voc 180mV Isc 80uA 求在由50lx增加到200lx时 为保证线性输出所需最大负载电阻值和输出电压变化量 解 1 计算200lx下的开路电压V oc 由 2 计算线性区域内光电池的电流响应度 由Isc RiE 得 3 计算无偏压时最大RL和 V 用2DU测缓变辐射通量 已知2DU的电流灵敏度Ri 0 4uA uW 在测光范围中最大辐射通量为100uW 伏安特性曲线的拐点电压VM 10v 若电源电压Vb 15V 要求负载线建立在线性区内 求 1 保证输出电压最大时的RLmax 2 辐射通量变化10uW时 输出电压的变化量 解 1 为