光电检测技术 第四章

1、 v掌握内容掌握内容 光伏特探测器原理和特性。光伏特探测器原理和特性。 v理解内容理解内容 光伏探测器的电路偏置光伏探测器的电路偏置 v了解内容了解内容 第第4 4章章 光伏特探测器光伏特探测器 4.14.1光伏特效应光伏特效应 4.24.2光伏探测器的工作模式光伏探测器的工作模式 4.34.3光电池光电池 4.44.4硅光电二极管和三极管硅光电二极管和三极管 第四章第四章 主要内容主要内容 u光生伏特效应：光生伏特效应： 光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在PNPN 结上产生电动势的效应。结上产生电动势的效应。 为什么为什么PNPN结会因光照产生光生伏

2、特效应呢？结会因光照产生光生伏特效应呢？ 有下面两种情况：有下面两种情况： 4.14.1光生伏特效应光生伏特效应 内光电效应内光电效应 ) 1( / 0 KTqU sd eII 4.14.1光生伏特效应光生伏特效应 无光照无光照P-N结结 无光照流过无光照流过PNPN结的电流方程：结的电流方程： 一、半导体一、半导体P-NP-N结结 u当光照射在当光照射在PNPN结时，如果电子能量大于半导体禁带结时，如果电子能量大于半导体禁带 宽度（宽度（E E0 0 E Eg g）, ,可激发出电子可激发出电子空穴对，在空穴对，在 PNPN结内电场作用下空穴移向结内电场作用下空穴移向P P区，而电子移向区，

3、而电子移向N N区，区， 使使P P区和区和N N区之间产生电压，这个电压就是光生电动区之间产生电压，这个电压就是光生电动 势。如果用一个理想电流表接通势。如果用一个理想电流表接通PNPN结，则有由结，则有由N N区区 流向流向P P区的电流区的电流Ip通过，称为短路光电流。通过，称为短路光电流。 u基于这种效应的器件有基于这种效应的器件有 光电池光电池 光照射光照射P-NP-N结结 一、半导体一、半导体P-NP-N结结 PN PN结中光生电子与空穴的流动，使结中光生电子与空穴的流动，使P P区的电势增高，区的电势增高， 这相当于在这相当于在PNPN结上加一正向偏压结上加一正向偏压U U，这个

4、正向电压使，这个正向电压使 PNPN结势垒由结势垒由eVeVD D降至降至eVeVD DeUeU。同时，这个正向电压还。同时，这个正向电压还 引起电流引起电流I Id dI Is0 s0(e (eqU/KT qU/KT 1) 1)流过流过PNPN结，结，I Id d的方向正好的方向正好 与上述光电流与上述光电流I Ip p的方向相反。所以，在入射光辐射的方向相反。所以，在入射光辐射 作用下流过作用下流过PNPN结的总电流为结的总电流为 I=Is0(eqU/KT 1) Ip u( (另解另解) )有光照无偏压流过有光照无偏压流过PNPN结的电流方程：结的电流方程： 有光照时，若有光照时，若p-n

5、p-n结外电路接上负载电阻结外电路接上负载电阻 ，如，如 下图所示，此时下图所示，此时p-np-n结内出现两种方向相反的电流：结内出现两种方向相反的电流： 一种是光激发产生的电子一种是光激发产生的电子空穴对，在内建电场空穴对，在内建电场 作用下，形成的光生电流作用下，形成的光生电流 ，它与光照有关，其，它与光照有关，其 方向与方向与p-np-n结反向饱和电流结反向饱和电流 相同；另一种是光相同；另一种是光 生电流生电流 流过负载流过负载 产生电压降，相当于在产生电压降，相当于在p-np-n 结施加正向偏置电压，从而产生正向电流结施加正向偏置电压，从而产生正向电流 。 L R p I 0s I

6、p I L R D I 流过流过p-np-n结的总电流是两者之差结的总电流是两者之差： P KTqv sPDL IeIIII) 1( / 0 以以p-np-n结的正向电流结的正向电流 的方向为的方向为 正方向正方向 D I u有光照无偏压流过有光照无偏压流过PNPN结的电流方程：结的电流方程： 处于反偏的处于反偏的PNPN结：结： u无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；无光照时，反向电阻很大，反向电流很小； u有光照时，光子能量足够大产生光生电子有光照时，光子能量足够大产生光生电子空穴对，空穴对， 在在PNPN结电场作用下，形成光电流，结电场作用下，形成光电流， u电流方向与反向电流一致，光

7、照越大光电流越大。电流方向与反向电流一致，光照越大光电流越大。 u具有这种性能的器件有：具有这种性能的器件有： 光敏二极管、光敏晶体管光敏二极管、光敏晶体管. . 一、半导体一、半导体P-NP-N结结 如果给如果给PNPN结加上一个反向偏置电压结加上一个反向偏置电压U U，外加电压，外加电压 所建的电场方向与所建的电场方向与PNPN结内建电场方向相同，则结内建电场方向相同，则PNPN 结的势垒高度由结的势垒高度由eVeVD D增加到增加到eVeVD DeUeU，使光照产生，使光照产生 的电子空穴对在强电场作用下更容易产生漂移运的电子空穴对在强电场作用下更容易产生漂移运 动，提高了器件的频率特性

8、。动，提高了器件的频率特性。 在光照反偏条件下工作时，观察到的光电信号是在光照反偏条件下工作时，观察到的光电信号是 光电流，而不是光电压，这便是结型光电探测器光电流，而不是光电压，这便是结型光电探测器 的工作原理。从这个意义上说，反偏的工作原理。从这个意义上说，反偏PNPN结在光照结在光照 下好像是以光电导方式工作，但实质上两者的工下好像是以光电导方式工作，但实质上两者的工 作原理是不同的。作原理是不同的。 u有光照反偏压流过有光照反偏压流过PNPN结的电流方程：结的电流方程： I=Is0(eqU/KT 1) Ip 正向偏置：无光电效应正向偏置：无光电效应 反向偏置：光电导工作模式反向偏置：光

9、电导工作模式 零偏置：光伏特工作模式零偏置：光伏特工作模式 图图4-2 光照下光照下PN结及其伏安特性曲线结及其伏安特性曲线 P-NP-N结的电流电压特性结的电流电压特性 根据光照根据光照PNPN结时流过结时流过p-np-n结的电流，可画出在不同照结的电流，可画出在不同照 度下度下PNPN结光电器件的伏安特性曲线。结光电器件的伏安特性曲线。 4.2 4.2 工作模式工作模式 第一象限正偏压，第一象限正偏压， I Id d本来就很大，所本来就很大，所 以光电流以光电流I Ip p不起重不起重 要作用。第三象限要作用。第三象限 反向偏压，这时反向偏压，这时I Id d I Is0 s0，它是普通二

10、 ，它是普通二 极管中的反向饱和极管中的反向饱和 电流，现在称为暗电流，现在称为暗 电流（对应于光照电流（对应于光照 度度E E0 0），数值很），数值很 小，这时的光电流小，这时的光电流 （等于（等于I I- -I Is0 s0）是流 ）是流 过探测器的主要电过探测器的主要电 流，对应于光导工流，对应于光导工 作模式。作模式。 在第四象限中，在第四象限中， 外偏压为外偏压为0 0，流，流 过探测器的电过探测器的电 流仍为反向光流仍为反向光 电流。随着光电流。随着光 功率的不同，功率的不同， 出现明显的非出现明显的非 线性。这时探线性。这时探 测器的输出通测器的输出通 过负载电阻过负载电阻R

11、RL L 上的电压或流上的电压或流 过过R RL L上的电流上的电流 来体现，因此来体现，因此 称为光伏工作称为光伏工作 模式。模式。 如图如图4-34-3所示，一个所示，一个PNPN结光伏探测器就等效为一个普结光伏探测器就等效为一个普 通二极管和一个电流源（光电流源）的并联，它的工作模通二极管和一个电流源（光电流源）的并联，它的工作模 式则由外偏压回路决定。如图（式则由外偏压回路决定。如图（c c）所示，在零偏压的开）所示，在零偏压的开 路状态，为光伏工作模式。如图（路状态，为光伏工作模式。如图（d d）所示，当外回路采）所示，当外回路采 用反偏电压用反偏电压U Ub b，即外加，即外加P

12、P端为负，端为负，N N端为正的电压时。无光端为正的电压时。无光 照时的电阻很大，电流很小；有光照时，电阻变小，电流照时的电阻很大，电流很小；有光照时，电阻变小，电流 就变大，而且流过它的光电流随照度变化而变化。从外表就变大，而且流过它的光电流随照度变化而变化。从外表 看，看，PNPN结光伏探测器与光敏电阻一样，同样也具有光电导结光伏探测器与光敏电阻一样，同样也具有光电导 工作模式，所以称为光导工作模式工作模式，所以称为光导工作模式. . 下图示出了下图示出了p-np-n结在光伏工作模式下的等效电路：结在光伏工作模式下的等效电路： 光电池工作原理也是基于光生伏特效应，可以直光电池工作原理也是基

13、于光生伏特效应，可以直 接将光能转换成电能的器件。有光线作用时就是电接将光能转换成电能的器件。有光线作用时就是电 源，广泛用于宇航电源，另一类用于检测和自动控源，广泛用于宇航电源，另一类用于检测和自动控 制等。制等。 光电池种类很多，有硒光电池、锗光电池、硅光光电池种类很多，有硒光电池、锗光电池、硅光 电池、砷化镓、氧化铜等等。电池、砷化镓、氧化铜等等。 光光 电电 池池 符符 号号 4.3 4.3 光电池（有源器件）光电池（有源器件） 太阳能手机充电器太阳能手机充电器 太阳能供 LED电警示 太阳能电池 光电池（有源器件）光电池（有源器件） 结构：光电池实质是一个大面积结构：光电池实质是一个

14、大面积PNPN结，上电极为栅结，上电极为栅 状受光电极，下电极是一层衬底铝。状受光电极，下电极是一层衬底铝。 原理：当光照射原理：当光照射PNPN结的一个面时，电子结的一个面时，电子空穴对空穴对 迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关 的电动势。一般可产生的电动势。一般可产生0.2V0.2V0.6V0.6V电压电压50mA50mA电流。电流。 光电池结构光电池结构 光电池工作原理图光电池工作原理图 光电池（有源器件）光电池（有源器件） 光电池的工作原理光电池的工作原理 （a a）光电池工作原理图）光电池工作原理图 （b b）光电池等效电路图

15、）光电池等效电路图 （c c）进一步简化）进一步简化 图图4-7 4-7 光电池的工作原理图和等效电路光电池的工作原理图和等效电路 ) 1( / 0 KTqv sPDPL eIIIII 光照特性光照特性 开路电压，光生电动势与照度之间关系称开开路电压，光生电动势与照度之间关系称开 路电压曲线，开路电压与光照度关系是非线路电压曲线，开路电压与光照度关系是非线 性关系，在照度性关系，在照度2000lx2000lx下趋于饱和。下趋于饱和。 短路电流，短路电流与照度之间关系称短路短路电流，短路电流与照度之间关系称短路 电流曲线，短路电流是指外接负载电流曲线，短路电流是指外接负载R RL L相对内相对内

16、 阻很小时的光电流。阻很小时的光电流。 光照特性光照特性 开路电压，光生电动势与照度之间关系称开开路电压，光生电动势与照度之间关系称开 路电压曲线，开路电压与光照度关系是非线路电压曲线，开路电压与光照度关系是非线 性关系，在照度性关系，在照度2000lx2000lx下趋于饱和。下趋于饱和。 短路电流，短路电流与照度之间关系称短路短路电流，短路电流与照度之间关系称短路 电流曲线，短路电流是指外接负载电流曲线，短路电流是指外接负载R RL L相对内相对内 阻很小时的光电流。阻很小时的光电流。 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- -电流电流 电压特性和照度电压特性

17、和照度- -负载特性。负载特性。 图图4-8 4-8 硅光电池伏安特性曲线硅光电池伏安特性曲线 伏安特性伏安特性 ) 1() 1( / 0 / 0 KTqU se KTqU spdp eIESeIIIII 当当E=0E=0时时， d KTqU s IeII) 1( / 0 当光电池外接负载当光电池外接负载 电阻电阻R RL L后，负载电后，负载电 阻阻R RL L上所得电压和上所得电压和 电流在特性曲线转电流在特性曲线转 弯点时，电流和电弯点时，电流和电 压乘积为最大，光压乘积为最大，光 电池输出功率为最电池输出功率为最 大。可以看出：负大。可以看出：负 载电阻愈小，光电载电阻愈小，光电 池工

18、作愈接近短路池工作愈接近短路 状态线性就较好。状态线性就较好。 )/ln()/( 0spOC IIqkTU （1 1）当负载电阻断开时，）当负载电阻断开时，P P端对端对N N端的电压称为开路电端的电压称为开路电 压，一般情况，由于压，一般情况，由于p-np-n结光生电流远大于反向饱和电结光生电流远大于反向饱和电 流。得到：在一定温度下，开路电压与光电流的对数流。得到：在一定温度下，开路电压与光电流的对数 成正比，也可以说与照度或光通量的对数成正比。即：成正比，也可以说与照度或光通量的对数成正比。即： 下面分析两种情况：下面分析两种情况： Uoc一般为一般为0.450.6V，最大不超过，最大不

19、超过0.756V， 因为因为Uoc不能超过不能超过PN结热平衡时的接触电动结热平衡时的接触电动 势差或内建电势势差或内建电势UD。 。 （2 2）当负载电阻短路时）当负载电阻短路时( (实际为实际为外接负载外接负载R RL L相对内阻很相对内阻很 小时小时) )，光生电压接近于零，流过器件的电流叫短，光生电压接近于零，流过器件的电流叫短 路电流，其方向从路电流，其方向从p-np-n结内部看是从结内部看是从n n区指向区指向p p区，区， 这时光生载流子不再积累于这时光生载流子不再积累于p-np-n结两侧，所以结两侧，所以p-np-n结结 又恢复到平衡状态。这时又恢复到平衡状态。这时p-np-n

20、结光电器件的短路光结光电器件的短路光 电流与照度（弱照度）或光通量成正比，从而得到电流与照度（弱照度）或光通量成正比，从而得到 最大线性区，这在线性测量中被广泛最大线性区，这在线性测量中被广泛p-np-n结应用。结应用。 I Isc sc I Ip pS Se eE E 硅单晶光电池短路电流可达硅单晶光电池短路电流可达3540mA/cm2 硅光电池的硅光电池的U Uoc oc、 、I Isc sc与照度的关系 与照度的关系 照度照度- -电流电压特性电流电压特性 光电池的短路光电流光电池的短路光电流I Isc sc与入射光照度成正比，而 与入射光照度成正比，而 开路电压开路电压U UOC OC

21、与光照度的对数成正比。 与光照度的对数成正比。 开路电压开路电压U UOC OC和短路电流 和短路电流I Isc sc与光电池受光面积也有关系。 与光电池受光面积也有关系。 在光照度一定时，在光照度一定时，U UOC OC与受光面积的对数成正比，短路电 与受光面积的对数成正比，短路电 流流I Isc sc与受光面积成正比。 与受光面积成正比。 电流、电压与受光面积的关系电流、电压与受光面积的关系 光照与负载特性光照与负载特性 光电流在弱光照射光电流在弱光照射 下与光照度成线性关下与光照度成线性关 系。光照增加到一定系。光照增加到一定 程度后，输出电流非程度后，输出电流非 线性缓慢地增加，直线性

22、缓慢地增加，直 至饱和，并且负载电至饱和，并且负载电 阻越大，越容易出现阻越大，越容易出现 饱和，即线性范围较饱和，即线性范围较 小。因此，如欲获得小。因此，如欲获得 较宽的光电线性范围，较宽的光电线性范围， 负载电阻不能取很大。负载电阻不能取很大。 光电池不同负载电阻下的光电特性光电池不同负载电阻下的光电特性 光电池作为测量元件使用时，一般不做电压源光电池作为测量元件使用时，一般不做电压源 使用，而作为电流源的形式应用。使用，而作为电流源的形式应用。 测量用光电池主要作为光电探测用，对它的要求测量用光电池主要作为光电探测用，对它的要求 是线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性是线性范围宽

23、、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性 好、寿命长，被广泛应用在光度、色度、光学精密好、寿命长，被广泛应用在光度、色度、光学精密 计量和测试中。计量和测试中。 光谱特性光谱特性 光谱特性表示在入射光能光谱特性表示在入射光能 量保持一定的条件下，光量保持一定的条件下，光 电池所产生的短路电流与电池所产生的短路电流与 入射光波之间的关系。入射光波之间的关系。 器件的长波限取决于材料器件的长波限取决于材料 的禁带宽度，短波则受材的禁带宽度，短波则受材 料表面反射损失的限制，料表面反射损失的限制， 其峰值不仅与材料有关，其峰值不仅与材料有关， 而且随制造工艺及使用环而且随制造工艺及使用环 境温度不同而有所不

24、同。境温度不同而有所不同。 光电池谱特性光电池谱特性 光电池对不同波长的光电池对不同波长的 光灵敏度不同。光灵敏度不同。 硅光电池的光谱响应硅光电池的光谱响应 峰值在峰值在0.8m0.8m附近，附近， 波长范围波长范围0.40.41.2m1.2m。 硅光电池可在很宽的硅光电池可在很宽的 波长范围内应用。波长范围内应用。 硒光电池光谱响应峰硒光电池光谱响应峰 值在值在0.5m0.5m附近附近, , 波波 长范围长范围0.380.380.75m0.75m。 频率特性频率特性 频率特性指光电池相对频率特性指光电池相对 输出电流与光的调制频输出电流与光的调制频 率之间关系。率之间关系。 硅、硒光电池的

25、频率特硅、硒光电池的频率特 性不同，硅光电池频率性不同，硅光电池频率 响应较好，硒光电池较差。响应较好，硒光电池较差。 所以高速计数器的转换所以高速计数器的转换 一般采用硅光电池作为一般采用硅光电池作为 传感器元件。传感器元件。 硅、硒光电池的频率特性硅、硒光电池的频率特性 （1 1）要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻；）要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻； 负载大时频率特性变差，减小负载可减小时间常数，负载大时频率特性变差，减小负载可减小时间常数， 提高频响。但负载电阻的减小会使输出电压降低，实际使提高频响。但负载电阻的减小会使输出电压降低，实际使 用时视具体情况而定。用时视具体

26、情况而定。 （2）光电池面积越大则响应时间越大，因为光电池面积越）光电池面积越大则响应时间越大，因为光电池面积越 大则结电容大则结电容 越大，在给定负载越大，在给定负载 时，时间常数时，时间常数 就越大，故要求短的响应时间，必须选用小面积光电池。就越大，故要求短的响应时间，必须选用小面积光电池。 总的来说，由于硅光电池光敏面积大，结电容大，频总的来说，由于硅光电池光敏面积大，结电容大，频 响较低。为了提高频响，光电池可在光电导模式下使用，响较低。为了提高频响，光电池可在光电导模式下使用， 只要加只要加12伏的反向偏置电压，则响应时间会从伏的反向偏置电压，则响应时间会从1微秒下降微秒下降 到几百

27、纳秒。到几百纳秒。 j C L R jL CR 频率特性频率特性 温度特性温度特性 光电池的参数光电池的参数 随工作环境温度改随工作环境温度改 变而变化。变而变化。 开路电压具有开路电压具有 负温度系数，而短负温度系数，而短 路电流具有正温度路电流具有正温度 系数。系数。 当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合 理时理时, ,光电池的性能是相当稳定的光电池的性能是相当稳定的, ,使用寿命也很使用寿命也很 长。硅光电池的性能比硒光电池更稳定。光电池长。硅光电池的性能比硒光电池更稳定。光电池 的性能和寿命除了与光电池的材料及制造工艺有的性能和寿命除了与光电池的

28、材料及制造工艺有 关外关外, ,在很大程度上还与使用环境条件有密切关在很大程度上还与使用环境条件有密切关 系。如在高温和强光照射下系。如在高温和强光照射下, ,会使光电池的性能会使光电池的性能 变坏变坏, ,而且降低使用寿命而且降低使用寿命, ,这在使用中要加以注意。这在使用中要加以注意。 表表4.14.1给出了几种硅光电池的性能参数给出了几种硅光电池的性能参数, ,以供参以供参 考。考。 稳定性稳定性 表表4.1 4.1 几种硅光电池的性能参数几种硅光电池的性能参数 5 5、 光电池偏置电路光电池偏置电路 (a)(a)基本形式基本形式 (b)(b)等效电路等效电路 (c)(c)图解法图解法

29、图图4-14 4-14 硅光电池无偏置电路硅光电池无偏置电路 ) 1( / 0 qKT IR sP L eIII 0 0 / ln s sLP I IRUI q kT U ) / (ln / 0 0 s sLP L I IRUI R qkTU IUP 可以用图可以用图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 负载电阻和入射光通量对电路工作状态（负载电阻和入射光通量对电路工作状态（I I、U U、P P） 的影响，即的影响，即 光电池偏置电路光电池偏置电路 根据所选负载电阻的数值不同可以把光电池的工作曲线分作四根据所选负载电阻的数值不同可以把光电池的工作曲线分

30、作四 个区域，分别如下图中个区域，分别如下图中、表示，对应的四个工作表示，对应的四个工作 状态为短路或线性电流放大、线性电压放大、空载电压输出和状态为短路或线性电流放大、线性电压放大、空载电压输出和 功率放大。功率放大。 光电池偏置电路光电池偏置电路 图图4-154-15 短路或线性电流放大短路或线性电流放大 一种电流变换状态，如图一种电流变换状态，如图4-15(b)4-15(b)中的中的I I区域。要求硅区域。要求硅 光电池送给负载电阻光电池送给负载电阻R RL L（这时（这时R RL L R Rm m，且，且R RL L00）的电流与）的电流与 光照度成线性关系。如果需要放大信号，则应选用

31、电流放光照度成线性关系。如果需要放大信号，则应选用电流放 大器。为此要求负载电阻或后续放大电路输入阻抗尽可能大器。为此要求负载电阻或后续放大电路输入阻抗尽可能 小，才能使输出电流尽可能大，即接近短路电流小，才能使输出电流尽可能大，即接近短路电流IscIsc，因，因 为只有短路电流才与入射光照度有良好的线性关系，即：为只有短路电流才与入射光照度有良好的线性关系，即： ESIeIII eSCR qkT IR sPL L L 0 / 0 ) 1( 光电池偏置电路光电池偏置电路 线性电压输出线性电压输出 当负载电阻很小甚至接近于零的时候，电路工作在短当负载电阻很小甚至接近于零的时候，电路工作在短 路及

32、线性电流放大状态；而当负载电阻稍微增大，但小于路及线性电流放大状态；而当负载电阻稍微增大，但小于 临界负载电阻临界负载电阻R Rm m时，电路就处于线性电压输出状态，如图时，电路就处于线性电压输出状态，如图 4-15(b)4-15(b)中的区域中的区域，此时，此时R RL L R Rm m且且R RL L，要求光电池应通过高输入阻抗，要求光电池应通过高输入阻抗 变换器与后续放大电路连接，相当于输出开路，开路电压变换器与后续放大电路连接，相当于输出开路，开路电压 可写成：可写成： ) 1ln( 0 s P OC I I q kT U 当光通量较大时，当光通量较大时， P I 0s I 00 ln

33、ln s e s P OC I ES q kT I I q kT U 光电池偏置电路光电池偏置电路 开路电压与入射光通量的对数成正比，即随入射光通开路电压与入射光通量的对数成正比，即随入射光通 量增大按对数规律增大，但开路电压并不会无限增大，它量增大按对数规律增大，但开路电压并不会无限增大，它 的最大值受的最大值受PN结势垒高度的限制，通常光电池的开路电结势垒高度的限制，通常光电池的开路电 压为压为0.450.6 V。在入射光强从零到某一定值作跳跃变化。在入射光强从零到某一定值作跳跃变化 的光电开关等应用中，简单地利用的光电开关等应用中，简单地利用UOC电压变化，不需加电压变化，不需加 任何偏

34、置电源即可组成控制电路，这是它的一个优点。任何偏置电源即可组成控制电路，这是它的一个优点。 此外，由伏安特性可以看到对于较小的入射光通量，此外，由伏安特性可以看到对于较小的入射光通量， 开路电压输出变化较大，这对弱光信号的检测特别有利，开路电压输出变化较大，这对弱光信号的检测特别有利， 但光电池开路电压与入射光功率呈非线性关系，同时受温但光电池开路电压与入射光功率呈非线性关系，同时受温 度影响大，其频率特性也不理想，如果希望得到大的电压度影响大，其频率特性也不理想，如果希望得到大的电压 输出，则不如采用光电二极管或光电三极管。输出，则不如采用光电二极管或光电三极管。 光电池偏置电路光电池偏置电

35、路 特点是工作时不需外加偏压，接收面积小，使用方便。特点是工作时不需外加偏压，接收面积小，使用方便。 缺点是响应时间长，它由结电容和外接负载电阻的乘积决缺点是响应时间长，它由结电容和外接负载电阻的乘积决 定。定。 其掺杂浓度高。其掺杂浓度高。 电阻率低电阻率低( (为为0.10.01/cm)0.10.01/cm)易于输出光电流；易于输出光电流； 硅光电池较广泛用于充电储能硅光电池较广泛用于充电储能 。 输出电压与光电流成线性关系，也就是与入射光功率成线输出电压与光电流成线性关系，也就是与入射光功率成线 性关系。性关系。 硅光电池的长波限由硅的禁带宽度决定，为硅光电池的长波限由硅的禁带宽度决定，

36、为1.15um1.15um峰值峰值 波长约为波长约为0.8um0.8um。如果。如果P P型硅片上的型硅片上的N N型扩散层做得很薄型扩散层做得很薄( (小于小于 0.5um)0.5um)，峰值波长可向着短波方向微移，对兰紫光谱仍有响，峰值波长可向着短波方向微移，对兰紫光谱仍有响 应。应。 使用特点使用特点 光电池的应用光电池的应用 光电池短路电流与照度有较好的线性关系光电池短路电流与照度有较好的线性关系, ,作为作为 测量元件使用时测量元件使用时, ,常当作电流源使用。光电池的受光常当作电流源使用。光电池的受光 面积面积, ,一般要比光电二极管和光电三极管大得多一般要比光电二极管和光电三极管

37、大得多, ,因因 此它的光电流比后两者大此它的光电流比后两者大, ,受光面积越大光电流也越受光面积越大光电流也越 大大, ,适于需要输出大电流的场合。适于需要输出大电流的场合。 作电流源使用作电流源使用 右图给出了硅光电池右图给出了硅光电池 的输出伏安特性曲线。由的输出伏安特性曲线。由 图可见图可见, ,对于对于0.5k0.5k的负载的负载 线线, ,照度每变化照度每变化100lx100lx时时, ,相相 应的负载线上的线段基本应的负载线上的线段基本 上相等上相等, ,输出电流和电压随输出电流和电压随 照度变化有较好的线性。照度变化有较好的线性。 而对于而对于3k3k的负载线的负载线, ,照度

38、照度 每变化每变化100lx100lx时时, ,相应的负相应的负 载线上的线段不等载线上的线段不等, ,输出电输出电 流和电压与照度的关系就流和电压与照度的关系就 会出现非线性。会出现非线性。 900(lx) 800 700 600 500 400 300 200 100 100200300400 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 I / mA 0.5 k 1 k 3 k A U / mV 0 光电池的应用光电池的应用 作电流源使用作电流源使用 在光电检测中在光电检测中, ,在一定的负载下工作在一定的负载下工作, ,希望输出希望输出 电流和电压与照度成线性关系。要确定这样的负载线

39、电流和电压与照度成线性关系。要确定这样的负载线, , 只要将工作中最大照度只要将工作中最大照度( (图中为图中为900lx)900lx)的伏安特性曲的伏安特性曲 线上的转弯点线上的转弯点A A与原点与原点O O连成直线连成直线, ,就是所需的负载线。就是所需的负载线。 在检测中在检测中, ,如要求光电池性能稳定如要求光电池性能稳定, ,有好的线性关系有好的线性关系, , 则负载电阻应取得小一些则负载电阻应取得小一些, ,电阻越小性能越好电阻越小性能越好, ,即负载即负载 线应在线应在OAOA线的左面。这时输出的电压虽有所减少线的左面。这时输出的电压虽有所减少, ,但但 光电流基本不变。反之光电

40、流基本不变。反之, ,如果光电池的负载电阻已定如果光电池的负载电阻已定, , 例如例如0.5k,0.5k,则线性关系成立的最大的照度则线性关系成立的最大的照度( (在图中为在图中为 900lx)900lx)可从伏安特性曲线确定可从伏安特性曲线确定, ,照度超过此值照度超过此值, ,则电流则电流 和电压与照度成非线性关系。和电压与照度成非线性关系。 光电池的应用光电池的应用 作电流源使用作电流源使用 图中伏安特性曲线是在受光面积为图中伏安特性曲线是在受光面积为1cm1cm2 2 的情况下得到的。如果受光面积不是的情况下得到的。如果受光面积不是1cm1cm2 2, ,则则 光电流的大小应作相应改变

41、。另外光电流的大小应作相应改变。另外, ,由于不同由于不同 光源频谱不同光源频谱不同, ,当光源的种类不同当光源的种类不同( (例如太阳光、例如太阳光、 白炽灯、萤光灯等白炽灯、萤光灯等) )时时, ,即使照度相同即使照度相同, ,光电池光电池 的输出也不相同的输出也不相同, ,输出与照度成比例的范围输出与照度成比例的范围( (或或 最大照度最大照度) )亦有区别。亦有区别。 光电池的应用光电池的应用 作电流源使用作电流源使用 如图如图 (a)所示的情况。当硅所示的情况。当硅 光电池与锗管相接时光电池与锗管相接时,锗管的锗管的 基极工作电压在基极工作电压在0.20.3V之之 间间,而硅光电池的

42、开路电压可而硅光电池的开路电压可 达达0.5V左右左右(有负载时电压小有负载时电压小 于于0.5V),因此因此,可把光电池直可把光电池直 接接至锗管的基极使它工作。接接至锗管的基极使它工作。 利用图利用图(b)的图解分析可知的图解分析可知, 当照度自当照度自100lx变至变至800lx时时, 锗管中的基极电流锗管中的基极电流IB(图中光图中光 电池伏安曲线与锗管输入特电池伏安曲线与锗管输入特 性曲线性曲线AB的交点的交点)和集电极和集电极 电流电流IC=IB与照度与照度E几乎成几乎成 线性变化。线性变化。 光电池的应用光电池的应用 l光电池作为控制元件时通常接非线性负载，控光电池作为控制元件时

43、通常接非线性负载，控 制制 晶体管工作。晶体管工作。 I /A 120 100 80 60 40 20 0 100 200 300 400 500U / mV A 100 200 300 400 500 600 700 800 lx B IC E IB (b)(a) 图图 光电池接非线性负载的情况光电池接非线性负载的情况 对于硅管对于硅管,其基极的工作电压为其基极的工作电压为0.60.7V,一个光电池一个光电池 0.5V0.5V电压不能电压不能直接控制它的工作。这时可用两个光电直接控制它的工作。这时可用两个光电 池串联后接入基极。池串联后接入基极。 光电池的应用光电池的应用 l光电池作为电源使

44、用时，根据使用要求进行连接。光电池作为电源使用时，根据使用要求进行连接。 需要高电压时应将光电池串联使用；需要高电压时应将光电池串联使用； 需要大电流时应将光电池并联使用。需要大电流时应将光电池并联使用。 光电池电路连接光电池电路连接 图图 (a)中采用了可变电阻中采用了可变电阻RW, 其优点是光电池所需的附加电压其优点是光电池所需的附加电压 可任意调节可任意调节;(b)中采用了二极管中采用了二极管 D,其特点是对晶体管的工作点随其特点是对晶体管的工作点随 温度的变化有补偿作用温度的变化有补偿作用,但二极但二极 管的正向压降为确定的数值管的正向压降为确定的数值,不不 能任意调节。能任意调节。

45、光电计数器、光电继电器等光电计数器、光电继电器等 开关电路经常采用左图所示的线开关电路经常采用左图所示的线 路。路。 光电池的应用光电池的应用 用偏压电阻产生附加电压。如用偏压电阻产生附加电压。如下图。图中下图。图中(a)(a)和和(b)(b) 分别用可变电阻分别用可变电阻R RW W和二极管和二极管D D产生所需的附加电压产生所需的附加电压, ,假假 设为设为0.3V0.3V至至0.5V0.5V。这样光电池本身只需。这样光电池本身只需0.2V0.2V至至0.4V0.4V的的 光电动势就可以控制晶体管的工作了。光电动势就可以控制晶体管的工作了。 RW IB E IB E D (a)(b) 图图

46、 用可变电阻用可变电阻R RW W、二极管、二极管D D产生所需产生所需 的附加电压的附加电压 硅光电池的开路（负载电阻硅光电池的开路（负载电阻R RL L趋于无限大时）趋于无限大时） 电压与照度的关系是非线性的电压与照度的关系是非线性的, ,因此因此, ,作为测量元件作为测量元件 使用时使用时, ,一般不宜当作电压源使用。而且硅光电池一般不宜当作电压源使用。而且硅光电池 的开路电压最大也只有的开路电压最大也只有0.6V0.6V左右左右, ,因此如果希望得因此如果希望得 到大的电压输出到大的电压输出, ,不如采用光电二极管和光电三极不如采用光电二极管和光电三极 管管, ,因为它们在外加反向电压

47、下工作因为它们在外加反向电压下工作, ,可得到几伏甚可得到几伏甚 至十几伏的电压输出。但如果照度跳跃式变化至十几伏的电压输出。但如果照度跳跃式变化, ,如如 从零跳变至某值从零跳变至某值, ,对电压的线性关系无要求对电压的线性关系无要求, ,光电池光电池 可有可有0.5V0.5V左右左右( (开路电压开路电压) )的电压变化的电压变化, ,亦可适合于亦可适合于 开关电路或继电器工作状态。开关电路或继电器工作状态。 作电压源使用作电压源使用 光电池的应用光电池的应用 若要增加光电池的输出电压若要增加光电池的输出电压, ,类似于光电二极管类似于光电二极管 可加反向电压可加反向电压, ,如下图如下图

48、(a)(a)所示所示, ,有时为了改善线性亦可有时为了改善线性亦可 加反向电压。为加以说明加反向电压。为加以说明, ,光电池的伏安特性曲线画于光电池的伏安特性曲线画于 下图下图(b)(b)。图中画出了光电池加反向电压时的负载线。图中画出了光电池加反向电压时的负载线 ABAB和不加反向电压时的负载线和不加反向电压时的负载线ABAB。在相同负载电。在相同负载电 阻阻R RL L情况下情况下, ,这两条负载线互相平行。显然这两条负载线互相平行。显然, ,工作于工作于 ABAB段要比工作于段要比工作于ABAB段为好段为好, ,在同样的照度变化下在同样的照度变化下 ( (自自0 0变至变至3),3),不

49、论电压或电流变化的大小都成线性关不论电压或电流变化的大小都成线性关 系。但光电池加反向电压后的暗电流和噪声有所增大系。但光电池加反向电压后的暗电流和噪声有所增大, , 因而要选用反向暗电流小的光电池因而要选用反向暗电流小的光电池, ,并注意光电池不能并注意光电池不能 因加反向电压而击穿。因加反向电压而击穿。 光电池的应用光电池的应用 作电压源使用作电压源使用 图图 加反向电压的光电池加反向电压的光电池 (a)(a)电路；电路；(b)(b)伏安特性曲线伏安特性曲线 arctan RL 1 A arctan RL 1 U B B A E0或 0 E E E E (a)(b) O 光电池的应用光电池

50、的应用 作电压源使用作电压源使用 图图 路灯自动控制器电路路灯自动控制器电路 C2 200uF C3 100uF T4 T1 T2 T3 R1 470K R2 200K R3 10K R2 200K R3 4.3 R7 10K R6 25KR8 280K C1 200uF J GND 2CR VCC VCC 8V CJD-10 220V 光电池的应用实例光电池的应用实例 硅光电二极管和光电池，都是基于硅光电二极管和光电池，都是基于p-np-n结的光电效结的光电效 应而工作的，它主要用于可见光及红外光谱区。应而工作的，它主要用于可见光及红外光谱区。 （1 1）硅光电二极管通常工作在反偏置条件下，

51、即）硅光电二极管通常工作在反偏置条件下，即 光电导工作模式：可以减小光生载流子度越时光电导工作模式：可以减小光生载流子度越时 间及结电容，可获得较宽的线性输出和较高的间及结电容，可获得较宽的线性输出和较高的 响应频率，适用于测量高频调制的光信号。响应频率，适用于测量高频调制的光信号。 （2 2）硅光电二极管也可工作在零偏置状态，即光）硅光电二极管也可工作在零偏置状态，即光 伏工作模式：暗电流等于零。伏工作模式：暗电流等于零。 硅光电二极管后继电路采用电流电压变换电硅光电二极管后继电路采用电流电压变换电 路，线性区范围扩大，得到广泛应用。路，线性区范围扩大，得到广泛应用。 4.44.4光电二极管

52、和光电三极管光电二极管和光电三极管 光敏晶体管工作原理主要基于光生伏特效应。光敏晶体管工作原理主要基于光生伏特效应。 特点：响应速度快、频率响应好、灵敏度高、特点：响应速度快、频率响应好、灵敏度高、 可靠性高可靠性高; ; 广泛应用于可见光和远红外探测，以及自动控制、广泛应用于可见光和远红外探测，以及自动控制、 自动报警、自动计数等领域和装置。自动报警、自动计数等领域和装置。 光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 光敏二极管光敏二极管 光敏二极管结构与一光敏二极管结构与一 般二极管相似，它们都般二极管相似，它们都 有一个有一个PNPN结，并且都结，并且都 是单向导电的非线性元是单向导电

53、的非线性元 件。为了提高转换效率件。为了提高转换效率 大面积受光，大面积受光，PNPN结面积结面积 比一般二极管大。比一般二极管大。 硅光敏二极管结构硅光敏二极管结构 光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 工作原理：工作原理： 光敏二极管在电路中一般处于反向偏置状态，光敏二极管在电路中一般处于反向偏置状态， 无光照时，反向电阻很大，无光照时，反向电阻很大， 反向电流很小；反向电流很小； 有光照时，有光照时，PNPN结处产生光生结处产生光生 电子空穴对；电子空穴对； 在电场作用下形成光电流，在电场作用下形成光电流， 光照越强光电流越大；光照越强光电流越大； 光电流方向与反向电流一致。光电

54、流方向与反向电流一致。 光敏二极管基本电路光敏二极管基本电路 光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 v 基本特性基本特性 光照特性光照特性 右图是硅光敏二极管在小右图是硅光敏二极管在小 负载电阻下的光照特性。负载电阻下的光照特性。 光电流与照度成线性关系。光电流与照度成线性关系。 光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 硅光电二极管光照特性硅光电二极管光照特性 伏安特性伏安特性 当反向偏压较低时，光当反向偏压较低时，光 电流随电压变化比较敏电流随电压变化比较敏 感，随反向偏压的加大，感，随反向偏压的加大， 光生电流趋于饱和，这光生电流趋于饱和，这 时光生电流与所加偏压时光生电流与

55、所加偏压 几乎无关，只取决于光几乎无关，只取决于光 照强度。照强度。 光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 光谱特性光谱特性 当入射波长当入射波长900nm900nm时，响应下降，因波长长，时，响应下降，因波长长， 光子能量小于禁带宽度，不产生电子光子能量小于禁带宽度，不产生电子空穴对；空穴对； 当入射波长当入射波长900nm900nm时，响应也逐渐下降，波长短时，响应也逐渐下降，波长短 的光穿透深度小，使光电流减小。的光穿透深度小，使光电流减小。 硅光敏二极管光谱响应硅光敏二极管光谱响应 光敏晶极管光谱响应光敏晶极管光谱响应 光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 硅光电二极管

56、的光谱响应特性主要由硅材硅光电二极管的光谱响应特性主要由硅材 料决定，响应波长范围大约是料决定，响应波长范围大约是0.41.15um。峰。峰 值响应波长一般为值响应波长一般为0.8lum。硅光电二极管对。硅光电二极管对 砷化镓激光波长的探测最佳，对氦、氖激光及砷化镓激光波长的探测最佳，对氦、氖激光及 红宝石激光亦有较高的探测灵敏度。红宝石激光亦有较高的探测灵敏度。 光谱特性光谱特性 光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 温度特性温度特性 由于反向饱和电流与温由于反向饱和电流与温 度密切有关，因此光敏度密切有关，因此光敏 二极管的暗电流对温度二极管的暗电流对温度 变化很敏感。变化很敏感。

57、 光敏二极管暗电流与温度关系光敏二极管暗电流与温度关系 光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 频率响应频率响应 光敏管的频率响应是指光敏光敏管的频率响应是指光敏 管输出的光电流随频率的变管输出的光电流随频率的变 化关系。光敏管的频响与本化关系。光敏管的频响与本 身的物理结构、工作状态、身的物理结构、工作状态、 负载以及入射光波长等因素负载以及入射光波长等因素 有关。图光敏二极管频率响有关。图光敏二极管频率响 应曲线说明调制频率高于应曲线说明调制频率高于 1000Hz1000Hz时，硅光敏晶体管灵时，硅光敏晶体管灵 敏度急剧下降。敏度急剧下降。 光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极

58、管 图图4-26 2CU4-26 2CU型硅光电二极管型硅光电二极管 的响应时间的响应时间- -负载曲线负载曲线 光敏二极管频率响应曲线光敏二极管频率响应曲线 硅光电二极管电路可视为一个高内阻恒流源电路。一般，硅光电二极管电路可视为一个高内阻恒流源电路。一般， 结电阻结电阻 R RD D 10 107 7;串联电阻串联电阻R RS S100R RS S，负载电阻上的输出电压，负载电阻上的输出电压: : 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

59、 L 式中：式中： I Ip p 为光电流。 为光电流。 由于硅光电二极管加的反偏电压由于硅光电二极管加的反偏电压U U0 0大于大于I Ip p R R L L，所以在任何辐，所以在任何辐 射强度下硅光电二极管都不会饱和，因而只处于线性工作范围。射强度下硅光电二极管都不会饱和，因而只处于线性工作范围。 光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 (a)(a)实际电路实际电路 (b)(b)等效电路等效电路 (c)(c)高频简化等效电路高频简化等效电路 (d)(d)低频等效电路低频等效电路 硅光电二极管的频率响应还可以用等效电路来计算硅光电二极管的频率响应还可以用等效电路来计算 如果入射光是调

60、制的光信号，则负载上的信号电压如果入射光是调制的光信号，则负载上的信号电压 亦随调制频率而变化；当调制频率很高时，输出电压亦随调制频率而变化；当调制频率很高时，输出电压 会下降。会下降。 而影响频率响应的主要因素是：而影响频率响应的主要因素是： 光生载流子在光生载流子在P P区的扩散时间区的扩散时间p p； 在势垒区的漂移时间在势垒区的漂移时间d d； 结电容和负载电阻决定的电路时间常数结电容和负载电阻决定的电路时间常数c c。 载流子的总渡越时间为载流子的总渡越时间为p p+d d+c c，实际决定于，实际决定于c c。 。 由于由于R RD DRR L L 所以 所以 U UL LIIp