光电探测技术与应用第4章课后习题与答案

1 写出硅光电二极管的全电流方程，说明各项的物理意义。 答：硅光电二极管的全电流方程为 (1 ) , (1) kT qU eD e d Ie hc q I 式中，为光电材料的光电转换效率，为材料对光的吸收系数。 光电流为 (1) e, e d h q I 无辐射时的电流为 ( kT 1) qU IIDe ID为暗电流，U为加在光电二极管两端的电压，为器件的温度，k为玻尔兹曼常熟，q 2 比较 2CU 型硅光电二极管和 2DU 型硅光电二极管的结构特点，说明引入环 极的意义。 答：2CU 型硅光电二极管是采用 n 型硅材料作基底，在 n 区的一面扩散三价元素硼而生成 重掺杂型层，型层和 n 型硅相接触形成 p-n 结，引出电极，在光敏面上涂上保 护膜。2DU 型硅光电二极管是以轻掺杂、高阻值的 p 型硅材料做基底，在 p 型基底上扩散 五价元素磷，形成重掺杂型层，p 型硅和型硅接触形成 p-n 结，在区引出正极，并 涂以透明的作为保护膜， 基底镀镍蒸铝后引出负电极。 在硅光电二极管的制造过程中， 在光敏面上涂保护层的过程中，不可避免的会沾污一些杂质正离子，通过静电感应引 起表面漏电流，并进而产生暗电流和散粒噪声。因此，为了减少由于中少量正离子的 静电感应所产生的表面漏电流，在氧化层中也扩散一个环形 p-n 结而将受光面包围起来，即 引入环极，以增加高阻区宽度，避免边缘过早击穿。 p p 2 SiO2 nnn SiO2 SiO2 SiO 度下的开路电压？ 为什么在光照度增大到一定程度后，硅光电池的开路电压不再随入射照度的增大而增 大？硅光电池的最大开路电压为多少？为什么硅光电池的有载输出电压总小于相同照 答：答：当光照强度增大到某个特定值时，硅光电池的p-n结产生的光生载流子 数达到了最大值，即出现饱和，再增大光照强度，其开路电压不再随之增大。硅 光电池的开路电压表达式为ln(1) D oc I I q kT U ，将 (1) e, e d h q I代入 的表达式并求关于的一阶导数，令 0 max d dUoc ，求得最大开路电压。由 于输出电压 L kT qU Uo ILRLIP ID(e1)R，即包含了扩散电流 kT qU IDe和暗电流 ID的影响，使得硅光电池的有载输出电压总小于开路电压Uoc。 第4章 3 半导体结型光电器件 光电探测技术与应用 主编：郝晓剑 李仰军 国防工业出版社 1 答：光生伏特器件有以下几种偏置电路： （1）自偏置电路。特点是光生伏特器件在自偏置电路中具有输出功率，且当负载电阻为最 佳负载电阻时具有最大输出功率。 其缺点在于输出电流或输出电压与入射辐射间的线性关系 很差，在实际测量电路中很少应用。 （2）反向偏置电路。光生伏特器件在反向偏置状态，PN 结势垒区加宽，有利于光生载流子 的漂移运动， 使光生伏特器件的线性范围和光电变换的动态范围加宽， 被广泛应用于大范围 的线性光电检测与光电变换中。 （3）零伏偏置电路。光生伏特器件在零伏偏置下，输出的短路电流与入射辐射量成线 性变化关系。因此，零伏偏置电路是理想的电流放大电路，适合于对微弱辐射信号的检测。 ISC 4 光生伏特器件有几种偏置电路？各有什么特点？ （2） 当将该硅光电池安装在如图所示的偏置电路中时， 若测得输出电压Uo1V ， 求此时光敏面上的照度。 5 在室温 300K 时，已知 2CR21 型硅光电池（光敏面积为 5mm500mm）在辐 照度为100mW /cm2时的开路电压为Uoc550mV ，短路电流Isc6mA。试求： （1）室温情况下，辐照度降低到50mW /cm2时的开路电压Uoc与短路电流Isc。 Ee100mW/cm2 Uoc550mWIsc6mA，则由 解： （1）由题意，在温度为300K条件下，当辐照度为时， 开路电压，短路电流 ln(1) D oc I I q kT U 及 (1) e, d sc e h q I I得，在室温情况下，辐照度为 1 EemW cm ImA E E II sc e e sc 63 100 1 50 1 1 1 11 1 1 DD ococ I I I q KT I I In q 50/ 2时 ， KT UU 又T1T 2 而 AmA e e I I kT qU D oc 129 1.38 10300 1.6 10550 10 3 3.529 103.529 10 1 6 10 1 23 193 则ID相对于I非常小， VmV I I q KT II II q KT UU D D ococ 0.01818 6 3 ln 1 ln 1 0.026ln 1 所以Uoc1Uoc18 55018 532mV （2）由于运放的开环增益A 105，故可将电路视为零伏偏置电路，则 mA R U UIRI f o oscfsc 0.0416 24 1 2 2 22 2 1000.69/ 6 0.0416 EmW cm I I ，E e sc sc 则 e 6 已知2CR44型硅光电池的光敏面积为10mm10mm，在室温为300K、辐照 度为100mW /cm2时的开路电压Uoc550mV ，短路电流Isc28mA。试求：辐 照度为200mW/cm2时的开路电压Uoc、短路电流Isc、获得最大功率的最佳负载 电阻RL、最大输出功率Pm和转换效率 m ln1 D oc I I q kT U 以及 (1) e, d sc e hv q I I 得ImA E E II sc e e sc 2856 100 1 200 1 1 1 11 1 1 DD ococ I I I q KT I I In q KT UU 又T1T 而AmA e e I I KT qUoc D 129 0.026 550 10 3 18.244 1018.244 10 1 28 10 1 3 则ID相对于I非常小， 解：由题意，当T=300K，Ee100mW/cm2时， Uoc550mV,ISC28mA，则由 VmV I I q KT II II q KT UU D D ococ 0.01818 28 56 ln 1 ln 1 0.026ln 1 所以Uoc1Uoc0.018568mV 则当负载电阻为最佳负载电阻时，可取输出电压Um0.6Uoc1340.8mV 而此时的输出电流近似等于光电流，即Im I 1 56mA 3 则获得最大功率的最佳负载电阻 6.08 56 340.8 m m l I U R 最大输出功率PmUmIm340.85610319.08mW 转换效率9.54% 200 1 19.08 ES PPm m m 7 已知光电三极管变换电路及其伏安特性曲线如图3-45所示。若光敏面上的照 度变化e 12080sinwt(lx)，为使光电三极管的集电极输出电压为不小于4V的 正弦信号， 求所需要的负载电阻RL、 电源电压Ubb及该电路的电流、 电压灵敏度， 并画出三极管输出电压的波形。 解：参见教材习题 P77 例 3-2 0.2，三极管 3DG40的电流放大倍数 50，最高入射辐射功率为400W时的拐点电压 UZ1.0V。求入射辐射功率最大时，电阻Re的值与输出信号Uo的幅值。入射辐 0.4/，其暗电流IDA知光电二极管的电流灵敏度 SiAW 8利用2CU22光电二极管和3DG40三极管构成如图3-46所示的探测电路。已 射变化50W 时的输出电压变换量为多少？ 4 则1.264 1260 8.15 0 10.3 K I U R e e 由I SiEei，则I 0.45020uA 从而Ie1I 51201020uA 1.02mA 所以有输出电压的变化量为U0 IeRe1.0212601.285V 由Ie1Ib51159.8uA 8.15mA 又UoUbbUzUbe1210.710.3V 解：由题意，当最高入射辐射功率为400uW时，拐点电压为1.0V，则由 I p e,Si得I p 4000.4160uA，Ib Ip ID1600.2159.8uA 11何谓PSD器件？PSD器件有几种基本类型？你能设计出用1维PSD来探测光 点在被测体上的位置吗？ 一种对入射到光敏面上的光电位置敏感的光电器件。它有三种基本类型，即一维 PSD器件和二维PSD器件。用一维 PSD 来探测光点在被测体上的位置，其原理图如下 图所示 答：PSD即光电位置敏感器件，是基于光生伏特器件的横向效应的器件，是 被测光斑在光敏面上的位置由下式计算，即 L II II xA 21 21 所输出的总光电流为 IP I1 I2 5