第四章 光伏特探测器 2013年最新光电检测课件全

掌握内容光伏特探测器原理和特性。理解内容光伏探测器的电路偏置了解内容第4章光伏特探测器第4章光伏特探测器1

§4.1光伏特效应§4.2光伏探测器的工作模式§4.3光电池§4.4硅光电二极管和三极管第四章主要内容第四章2光生伏特效应：光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在PN结上产生电动势的效应。为什么PN结会因光照产生光生伏特效应呢？有下面两种情况：不加偏压的PN结处于反偏的PN结§4.1光生伏特效应内光电效应光生伏特效应：§4.1光生伏特效应内光电效应3§4.1光生伏特效应无光照P-N结无光照流过PN结的电流方程：一、半导体P-N结§4.1光生伏特效应无光照P-N结无光照流过PN结的电流方程4

不加偏压的光照PN结当光照射在PN结时，如果电子能量大于半导体禁带宽度（E0＞Eg）,可激发出电子——空穴对，在PN结内电场作用下空穴移向P区，而电子移向N区，使P区和N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PN结，则有由N区流向P区的电流Ip通过，称为短路光电流。

基于这种效应的器件有光电池一、半导体P-N结不加偏压的光照PN结一、半导体P-N结5PN结中光生电子与空穴的流动，使P区的电势增高，这相当于在PN结上加一正向偏压U，这个正向电压使PN结势垒由eVD降至eVD－eU。同时，这个正向电压还引起电流Id＝Is0(eqU/KT1)流过PN结，Id的方向正好与上述光电流Ip的方向相反。所以，在入射光辐射作用下流过PN结的总电流为

I=Is0(eqU/KT1)Ip

有光照无偏压流过PN结的电流方程：PN结中光生电子与空穴的流动，使P区的电势增高，这相当于6有光照时，若p-n结外电路接上负载电阻，此时p-n结内出现两种方向相反的电流：一种是光激发产生的电子—空穴对，在内建电场作用下，形成的光生电流，它与光照有关，其方向与p-n结反向饱和电流相同；另一种是光生电流流过负载产生电压降，相当于在p-n结施加正向偏置电压，从而产生正向电流。流过p-n结的总电流是两者之差：以p-n结的正向电流的方向为正方向有光照无偏压流过PN结的电流方程：有光照时，若p-n结外电路接上负载电阻，此时p-n结内出7处于反偏的PN结：无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；有光照时，光子能量足够大产生光生电子—空穴对，在PN结电场作用下，形成光电流，电流方向与反向电流一致，光照越大光电流越大。具有这种性能的器件有：

光敏二极管、光敏晶体管.处于反偏的PN结：8

如果给PN结加上一个反向偏置电压U，外加电压所建的电场方向与PN结内建电场方向相同，则PN结的势垒高度由eVD增加到eVD＋eU，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PN结在光照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。有光照反偏压流过PN结的电流方程：I=Is0(eqU/KT1)Ip如果给PN结加上一个反向偏置电压U，外加电压所建的电场方9

正向偏置：无光电效应反向偏置：光电导工作模式零偏置：光伏特工作模式图4-2光照下PN结及其伏安特性曲线P-N结的电流电压特性图4-2光照下PN结及其伏安特性曲线P-N结的电流电压特性10根据光照PN结时流过p-n结的电流，可画出在不同照度下PN结光电器件的伏安特性曲线。§4.2工作模式第一象限正偏压，Id本来就很大，所以光电流Ip不起重要作用。第三象限反向偏压，这时Id＝Is0，它是普通二极管中的反向饱和电流，现在称为暗电流（对应于光照度E＝0），数值很小，这时的光电流（等于I-Is0）是流过探测器的主要电流，对应于光导工作模式。在第四象限中，外偏压为0，流过探测器的电流仍为反向光电流。随着光功率的不同，出现明显的非线性。这时探测器的输出通过负载电阻RL上的电压或流过RL上的电流来体现，因此称为光伏工作模式。根据光照PN结时流过p-n结的电流，可画出在不同照度下PN结11

一个PN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，它的工作模式则由外偏压回路决定。如图（c）所示，在零偏压的开路状态，为光伏工作模式。如图（d）所示，当外回路采用反偏电压Ub，即外加P端为负，N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，电流就变大，而且流过它的光电流随照度变化而变化。从外表看，PN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.

一个PN结光伏探测器就等效为一个普通二极管和一个电流源（12第四章光伏特探测器2013年最新光电检测课件全13下图示出了p-n结在光伏工作模式下的等效电路：下图示出了p-n结在光伏工作模式下的等效电路：14

光电池工作原理也是基于光生伏特效应，可以直接将光能转换成电能的器件。有光线作用时就是电源，广泛用于宇航电源，另一类用于检测和自动控制等。

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。光电池符号4.3光电池（有源器件）光电池工作原理也是基于光生伏特效应，可以直接将光能转换成电15第四章光伏特探测器2013年最新光电检测课件全16光电池光电池17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）太阳能手机充电器太阳能供太阳能电池光电池（有源器件）18结构：光电池实质是一个大面积PN结，上电极为栅状受光电极，下电极是一层衬底铝。原理：当光照射PN结的一个面时，电子——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的电动势。一般可产生0.2V～0.6V电压50mA电流。光电池结构

光电池工作原理图

光电池（有源器件）结构：光电池实质是一个大面积PN结，上电极为栅状受光电极，19光电池按材料分，有硅、硒、硫化镉、砷化镓和无定型材料的光电池等。按结构分，有同质结和异质结光电池等。光电池中最典型的是同质结硅光电池。国产同质结硅光电池因衬底材料导电类型不同而分成2CR系列和2DR系列两种。2CR系列硅光电池是以N型硅为衬底，P型硅为受光面的光电池。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。光电池按材料分，有硅、硒、硫化镉、砷化镓和无定型材料的光电池20硅光电池结构示意如图-+RLpn防反射膜(SiO2）pn+-SiO2pn结硅光电池硅光电池结构示意如图-+RLpn防反射膜(SiO2）pn+-21光电池的工作原理（a）光电池工作原理图（b）光电池等效电路图（c）进一步简化图4-7光电池的工作原理图和等效电路光电池的工作原理（a）光电池工作原理图（b）光电池等效电22光电池的特性参数开路电压，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性关系，在照度2000lx下趋于饱和。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RL相对内阻很小时的光电流。①光照特性光照特性主要包括有：伏安特性、照度-电流电压特性和照度-负载特性。光电池的特性参数开路电压，光生电动势与照度之间关系称开路电压23图4-8硅光电池伏安特性曲线伏安特性当E=0时，

当光电池外接负载电阻RL后，负载电阻RL上所得电压和电流在特性曲线转弯点时，电流和电压乘积为最大，光电池输出功率为最大。可以看出：负载电阻愈小，光电池工作愈接近短路状态线性就较好。图4-8硅光电池伏安特性曲线伏安特性当E=0时，当光电池24（1）当负载电阻断开时，P端对N端的电压称为开路电压，一般情况，由于p-n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：Uoc一般为0.45~0.6V，最大不超过0.756V，因为Uoc不能超过PN结热平衡时的接触电动势差或内建电势UD。（1）当负载电阻断开时，P端对N端的电压称为开路电压，一般情25（2）当负载电阻短路时(实际为外接负载RL相对内阻很小时)，光生电压接近于零，流过器件的电流叫短路电流，其方向从p-n结内部看是从n区指向p区，这时光生载流子不再积累于p-n结两侧，所以p-n结又恢复到平衡状态。这时p-n结光电器件的短路光电流与照度（弱照度）或光通量成正比，从而得到最大线性区，这在线性测量中被广泛p-n结应用。

Isc＝Ip＝Se·E

硅单晶光电池短路电流可达35~40mA/cm2（2）当负载电阻短路时(实际为外接负载RL相对内阻很小时)，26硅光电池的Uoc、Isc与照度的关系

照度-电流电压特性光电池的短路光电流Isc与入射光照度成正比，而开路电压UOC与光照度的对数成正比。硅光电池的Uoc、Isc与照度的关系照度-电流电压特性光电27开路电压UOC和短路电流Isc与光电池受光面积也有关系。在光照度一定时，UOC与受光面积的对数成正比，短路电流Isc与受光面积成正比。电流、电压与受光面积的关系开路电压UOC和短路电流Isc与光电池受光面积也有关系。在光28光照与负载特性光电流在弱光照射下与光照度成线性关系。光照增加到一定程度后，输出电流非线性缓慢地增加，直至饱和，并且负载电阻越大，越容易出现饱和，即线性范围较小。因此，如欲获得较宽的光电线性范围，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照与负载特性光电流在弱光照射下与光照度成线性关系。29最佳负载最佳负载30

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。

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、稳定性好、寿命长，被广泛应用在光度、色度、光学精密计量和测试中。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31光谱特性表示在入射光能量保持一定的条件下，光电池所产生的短路电流与入射光波之间的关系。器件的长波限取决于材料的禁带宽度，短波则受材料表面反射损失的限制，其峰值不仅与材料有关，而且随制造工艺及使用环境温度不同而有所不同。②光谱特性光谱特性表示在入射光能量保持一定的条件下，光电池所产生的短路32硅光电池响应波长0.4-1.1微米，(红-红外)峰值波长0.8-0.9微米。(近红外)硒光电池响应波长0.34-0.75微米，(紫-红)峰值波长0.54微米。(绿)可见光硅、硒光电池的相对光谱特性曲线

硅光电池硅、硒光电池的相对光谱特性曲线33第四章光伏特探测器2013年最新光电检测课件全34第四章光伏特探测器2013年最新光电检测课件全35频率特性指光电池相对输出电流与光的调制频率之间关系。硅、硒光电池的频率特性不同，硅光电池频率响应较好，硒光电池较差。所以高速计数器的转换一般采用硅光电池作为传感器元件。硅、硒光电池的频率特性

③频率特性频率特性指光电池相对硅、硒光电池的频率特性③频率特性36（1）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，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。（2）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越大，在给定负载时，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。③频率特性（1）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37③频率特性总的来说，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，只要加1~2伏的反向偏置电压，则响应时间会从1微秒下降到几百纳秒。③频率特性总的来说，由于硅光电池光敏面积大，结电容大，频响较38(4)、温度特性(4)、温度特性39④温度特性

光电池的参数随工作环境温度改变而变化。开路电压具有负温度系数，而短路电流具有正温度系数。④温度特性光电池的参数随工作环境温度改变而变化。40表4.1几种硅光电池的性能参数表4.1几种硅光电池的性能参数414.3.3光电池偏置电路(a)基本形式(b)等效电路(c)图解法图4-14硅光电池无偏置电路自给偏置电路4.3.3光电池偏置电路(a)基本形式(b)等效42可以用图4-14（c）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（I、U、P）的影响，即最佳负载线最大输出功率可以用图4-14（c）定性分析，也可定量地描述负载电阻和入射43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个区域，分别如下图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ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、空载电压输出和功率放大。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个区域44一种电流变换状态，如图4-15(b)中的I区域。要求硅光电池送给负载电阻RL（这时RL<Rm，且RL→0）的电流与光照度成线性关系。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小，才能使输出电流尽可能大，即接近短路电流Isc，因为只有短路电流才与入射光照度有良好的线性关系，即：①短路或线性电流放大弱光信号检测一种电流变换状态，如图4-15(b)中的I区域。要求硅光电池45当负载电阻很小甚至接近于零的时候，电路工作在短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Rm时，电路就处于线性电压输出状态，如图4-15(b)中的区域Ⅲ，此时RL<Rm，这种工作状态下，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，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。②线性电压输出当负载电阻很小甚至接近于零的时候，电路工作在短路及线性电流放46令最大线性允许光电流为Im，相应的光通量Φm，则可得到输出最大线性电压的临界负载电阻Rm为：②线性电压输出令最大线性允许光电流为Im，相应的光通量Φm，则可得到输出最47工作在线性电压放大区的光电池在与放大器连接时，宜采用输入阻抗高的电压放大器。在线性关系要求不高时，可利用图解法简单地得到Rm的值。如图4-15(b)，在电压轴上作临界电压Um＝0.7UOC的垂直线，与对应的伏安曲线相交于M点，因此②线性电压输出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48一种非线性电压变换状态，工作在如图4-15(b)中II区域。此时RL>Rm且RL→∞，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，开路电压可写成：当光通量较大时，>>

③空载电压输出（开路电压输出）一种非线性电压变换状态，工作在如图4-15(b)中II区域。49

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，它的最大值受PN结势垒高度的限制，通常光电池的开路电压为0.45~0.6V。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UOC电压变化，不需加任何偏置电源即可组成控制电路，这是它的一个优点。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50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，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输出，则不如采用光电二极管或光电三极管。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51负载电阻及放大器的选择原则

硅光电池用于检测交流光信号负载电阻及放大器的选择原则硅光电池用于检测交流光信号52

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定。其掺杂浓度高。电阻率低(为0.1—0.01Ω/cm)易于输出光电流；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性关系。硅光电池的长波限由硅的禁带宽度决定，为1.15um．峰值波长约为0.8um。如果P型硅片上的N型扩散层做得很薄(小于0.5um)，峰值波长可向着短波方向微移，对兰紫光谱仍有响应。使用特点特点是工作时不需外加偏压，接收面积小，使用方便。使用特点53光电池短路电流与照度有较好的线性关系,作为测量元件使用时,常当作电流源使用。光电池的受光面积,一般要比光电二极管和光电三极管大得多,因此它的光电流比后两者大,受光面积越大光电流也越大,适于需要输出大电流的场合。作电流源使用光电池短路电流与照度有较好的线性关系,作为测量元件使54右图给出了硅光电池的输出伏安特性曲线。由图可见,对于0.5kΩ的负载线,照度每变化100lx时,相应的负载线上的线段基本上相等,输出电流和电压随照度变化有较好的线性。而对于3kΩ的负载线,照度每变化100lx时,相应的负载线上的线段不等,输出电流和电压与照度的关系就会出现非线性。作电流源使用右图给出了硅光电池的输出伏安特性曲线。由图可见,对于0.55

在光电检测中,在一定的负载下工作,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,只要将工作中最大照度(图中为900lx)的伏安特性曲线上的转弯点A与原点O连成直线,就是所需的负载线。在检测中,如要求光电池性能稳定,有好的线性关系,则负载电阻应取得小一些,电阻越小性能越好,即负载线应在OA线的左面。这时输出的电压虽有所减少,但光电流基本不变。反之,如果光电池的负载电阻已定,例如0.5kΩ,则线性关系成立的最大的照度(在图中为900lx)可从伏安特性曲线确定,照度超过此值,则电流和电压与照度成非线性关系。作电流源使用在光电检测中,在一定的负载下工作,希望输出电流和电压56

图中伏安特性曲线是在受光面积为1cm2的情况下得到的。如果受光面积不是1cm2,则光电流的大小应作相应改变。另外,由于不同光源频谱不同,当光源的种类不同(例如太阳光、白炽灯、萤光灯等)时,即使照度相同,光电池的输出也不相同,输出与照度成比例的范围(或最大照度)亦有区别。作电流源使用图中伏安特性曲线是在受光面积为1cm2的情况下得到的。57如图(a)所示的情况。当硅光电池与锗管相接时,锗管的基极工作电压在0.2~0.3V之间,而硅光电池的开路电压可达0.5V左右(有负载时电压小于0.5V),因此,可把光电池直接接至锗管的基极使它工作。利用图(b)的图解分析可知,当照度自100lx变至800lx时,锗管中的基极电流IB(图中光电池伏安曲线与锗管输入特性曲线AB的交点)和集电极电流IC=βIB与照度Eν几乎成线性变化。光电池作为控制元件时通常接非线性负载，控制晶体管工作。图光电池接非线性负载的情况如图(a)所示的情况。当硅光电池与锗管相接时,锗管58对于硅管,其基极的工作电压为0.6~0.7V,一个光电池0.5V电压不能直接控制它的工作。这时可用两个光电池串联后接入基极。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；需要大电流时应将光电池并联使用。对于硅管,其基极的工作电压为0.6~0.7V,一个光电池0.59

图(a)中采用了可变电阻RW,其优点是光电池所需的附加电压可任意调节;(b)中采用了二极管D,其特点是对晶体管的工作点随温度的变化有补偿作用,但二极管的正向压降为确定的数值,不能任意调节。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路。光电池的应用用偏压电阻产生附加电压。如下图。图中(a)和(b)分别用可变电阻RW和二极管D产生所需的附加电压,假设为0.3V至0.5V。这样光电池本身只需0.2V至0.4V的光电动势就可以控制晶体管的工作了。图用可变电阻RW、二极管D产生所需的附加电压

图(a)中采用了可变电阻RW,其优60

硅光电池的开路（负载电阻RL趋于无限大时）电压与照度的关系是非线性的,因此,作为测量元件使用时,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0.6V左右,因此如果希望得到大的电压输出,不如采用光电二极管和光电三极管,因为它们在外加反向电压下工作,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,如从零跳变至某值,对电压的线性关系无要求,光电池可有0.5V左右(开路电压)的电压变化,亦可适合于开关电路或继电器工作状态。作电压源使用硅光电池的开路（负载电阻RL趋于无限大时61

若要增加光电池的输出电压,类似于光电二极管可加反向电压,如下图(a)所示,有时为了改善线性亦可加反向电压。为加以说明,光电池的伏安特性曲线画于下图(b)。图中画出了光电池加反向电压时的负载线A′B′和不加反向电压时的负载线AB。在相同负载电阻RL情况下,这两条负载线互相平行。显然,工作于A′B′段要比工作于AB段为好,在同样的照度变化下(自0变至3Φ),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,因而要选用反向暗电流小的光电池,并注意光电池不能因加反向电压而击穿。作电压源使用若要增加光电池的输出电压,类似于光电二极管可加反向电压62

图加反向电压的光电池(a)电路；(b)伏安特性曲线作电压源使用图加反向电压的光电池作电压源使用63图路灯自动控制器电路光电池的应用实例图路灯自动控制器电路光电池的应用实例64光电池外形光敏面光电池外形光敏面65能提供较大电流的大面积光电池外形能提供较大电流的大面积光电池外形66其他光电池及在照度测量中的应用柔光罩下面为圆形光电池其他光电池及在照度测量中的应用柔光罩下面为圆形光电池67光电池驱动的凉帽光电池驱动的凉帽68光电池在动力方面的应用太阳能赛车太阳能电动机模型太阳能硅光电池板光电池在动力方面的应用太阳能赛车太阳能电动机模型太阳能69光电池在动力方面的应用（续）太阳能发电光电池在动力方面的应用（续）太阳能发电70光电池在动力方面的应用（续）光电池在人造卫星上的应用光电池在动力方面的应用（续）光电池在人造卫星上的应用71硅光电二极管和光电池，都是基于p-n结的光电效应而工作的，它主要用于可见光及红外光谱区。

（1）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。4.4光电二极管和光电三极管硅光电二极管和光电池，都是基于p-n结的光电效应而工作的，它72（2）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。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。4.4光电二极管和光电三极管（2）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73光电二极管

将光电二极管的PN结设置在透明管壳顶部的正下方，光照射到光敏二极管的PN结时，电子-空穴对数量增加，光电流与照度成正比。光电二极管将光电二极管的PN结设置在透明管壳顶部的74光二电极管阵列包含1024个InGaAs元件的线性光电二极管阵列，可用于分光镜。光二电极管阵列包含1024个InGaAs元件75光电二极管的基本结构

光电二极管可分为以P型硅为衬底的2DU型与以N型硅为衬底的2CU型两种结构形式。如图3-1（a）所示的为2DU型光电二极管的原理结构图。图3-1（c）所示为光电二极管的电路符号，其中的小箭头表示正向电流的方向（普通整流二极管中规定的正方向），光电流的方向与之相反。图中的前极为光照面，后极为背光面。

光电二极管的基本结构光电二极管可分为以P型76光电二极管的电流方程

在无辐射作用的情况下（暗室中），PN结硅光电二极管的正、反向特性与普通PN结二极管的特性一样，如图所示。其电流方程为

（3-1）ID为U为负值（反向偏置时）且>>时(室温下kT/q≈0.26mV，很容易满足这个条件)的电流，称为反向电流或暗电流。

光电二极管的电流方程在无辐射作用的情况下（77光电二极管的全电流方程可以得到如图3-3所示的光电二极管在不同偏置电压下的输出特性曲线，这些曲线反应了光电二极管的基本特性。

普通二极管工作在正向电压大于0.7V的情况下，而光电二极管则必须工作在这个电压以下，否则，不会产生光电效应。

光电二极管的工作区域应在图3-3所示的第3象限与第4象限。

光电二极管的全电流方程可以得到如图3-3所示的光电二极管在不78光电二极管与光电池的特性比较基本结构相同，由一个PN结；光电二极管的光敏面小，结面积小，频率特性好，虽然光生电动势相同,但光电流普遍比光电池小,为数微安。掺杂浓度：光电池约为1016-1019/cm3，硅光电二极管1012~1013/cm3，电阻率：光电池0.1-0.01Ω/cm，光电二极管1000Ω/cm。光电池零偏压下工作，光电二极管反偏压下工作。光电二极管的类型：硅、锗、PIN、APD光电二极管与光电池的特性比较光电二极管的类型：硅、锗、PIN79工作原理：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，反向电流很小；有光照时，PN结处产生光生电子空穴对；在电场作用下形成光电流，光照越强光电流越大；光电流方向与反向电流一致。光敏二极管基本电路

工作原理：光敏二极管基本电路80PIN管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。这样，PN结的内电场就基本上全集中于本征层中，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小。时间常数变小，频带变宽。PIN光电二极管P-SiN-SiI-SiPIN管结构示意图PIN管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，在P型半导体和81由式τ=CfRL与f=1/2πτ知，Cf小，τ则小，频带将变宽。因此，这种管子最大的特点是频带宽，可达10GHz。另一个特点是，因为I层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，线性输出范围宽。由式τ=CfRL与f=1/2πτ知，Cf小，τ则小，82由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会使耗尽层宽度增加，从而结电容要进一步减小，使频带宽度变宽。所不足的是，I层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅片上并封装于一个管壳内的商品出售。由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会使耗尽层宽度831、频带宽，可达10GHz。2、本征层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，线性输出范围宽。3、由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会使耗尽层宽度增加，且集中在本征层，从而结电容要进一步减小，使频带宽度变宽。4、本征层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一芯片上并封装成一个器件。特点：1、频带宽，可达10GHz。特点：84

雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。

这种管子工作电压很高，约100～200V，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此，这种管子有很高的内增益，可达到几百。当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生所谓的雪崩。这种管子响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光电二极管。

雪崩光电二极管(APD)雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效85雪崩光电二极管雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。这种管子工作电压很高，约100～200V，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此，这种管子有很高的内增益，可达到几百。雪崩光电二极管雪崩光电二极管是利用PN结在高86当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生所谓的自持雪崩。这种管子响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光电二极管。噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无法使用。当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即87APD的缺点噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无法使用。但由于APD的响应时间极短，灵敏度很高，它在光通信中应用前景广阔。APD的缺点噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。由于雪88第四章光伏特探测器2013年最新光电检测课件全89光电三极管和普通晶体管类似，也有电流放大作用。只是它的集电极电流不只是受基极电路的电流控制，也可以受光的控制。光电三极管的外形，有光窗、集电极引出线、发射极引出线和基极引出线（有的没有）。光电三极管和普通晶体管类似，也有电流放大作用。只是它的集电极90光电三极管结构及工作原理

图(a)所示为NPN型光电三极管的原理结构图；

图(b)所示为光电三极管的电路符号。

光电三极管结构及工作原理图(a)所示为NPN型光91光电三极管的工作原理发射极集电极基极发射极集电极cbeIcIpIbVo工作过程：一、光电转换；二、光电流放大光电三极管的工作原理发射极集电极基极发射极集电极cbeIcI92正常运用时，集电极加正电压。因此，集电结为反偏置，发射结为正偏置，集电结为光电结。当光照到集电结上时，集电结即产生光电流Ip向基区注入，同时在集电极电路即产生了一个被放大的电流Ic（＝Ie＝（1＋β）Ip）β为电流放大倍数。因此，光电晶体管的电流放大作用与普通晶体管在上偏流电路中接一个光电二极管的作用是完全相同的。正常运用时，集电极加正电压。因此，集电结为反偏置，发射结为正93第四章光伏特探测器2013年最新光电检测课件全94在零偏置时，光电三极管没有电流输出而光电二极管有电流输出。原因是它们都能产生光生电动势，只因光电三极管的集电结在无反向偏压时没有放大作用，所以此时没有电流输出(或仅有很小的漏电流)。工作电压较低时，输出光电流与入射光强成非线性关系。所以一般工作在电压较高或入射光强较大的场合，作控制系统的开关元件使用。光电流比光电二极管大几十倍，具有很好的直接驱动能力。易与数字逻辑电平接口。第四章光伏特探测器2013年最新光电检测课件全95光电晶体管的灵敏度比光电二极管高，输出电流也比光电二极管大，多为毫安级。但它的光电特性不如光电二极管好，在较强的光照下，光电流与照度不成线性关系。所以光电晶体管多用来作光电开关元件或光电逻辑元件。光电晶体管的灵敏度比光电二极管高，输出电流也比光电二极管大，96达林顿光电三极管电路为了提高光电三极管的频率响应、增益和减小体积。将光电二极管、三极管制作在一个硅片上构成集成器件达林顿光电三极管电路为了提高光电三极管的频率响应、增益97光照特性：光电流与光照度的关系硅光敏二极管在小负载电阻下光电流与照度成线性关系。

光敏二极管和光敏三极管的特性比较硅光电二极管光照特性光照特性：光电流与光照度的关系光敏二极管和光敏三极管的特性98硅光电三极管硅光电二极管伏安特性硅光电三极管硅光电二极管伏安特性99第四章光伏特探测器2013年最新光电检测课件全100当反向偏压较低时，光电流随电压变化比较敏感，随反向偏压的加大，光生电流趋于饱和，这时光生电流与所加偏压几乎无关，只取决于光照强度。

伏安特性当反向偏压较低时，光电流随电压变化比较敏感，随反向偏压的加大101当入射波长＞900nm时，响应下降，因波长长，光子能量小于禁带宽度，不产生电子——空穴对；当入射波长＜900nm时，响应也逐渐下降，波长短的光穿透深度小，使光电流减小。硅光敏二极管光谱响应

光敏晶极管光谱响应

光谱特性当入射波长＞900nm时，响应下降，因波长长，硅光敏二极管光102

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0.4~1.15um。峰值响应波长一般为0.8~lum。硅光电二极管对砷化镓激光波长的探测最佳，对氦、氖激光及红宝石激光亦有较高的探测灵敏度。光谱特性硅光电二极管的光谱响应特性主要由硅材料决定，响应103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3-17（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3-17（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。

温度特性硅光电二极管和硅光电三极管的暗电流Id和光104硅光电二极管和三极管的光电流均随温度而变化，由于暗电流的增加，使输出信噪比变差，不利于弱光信号的探测，若弱信号检测时要考虑温度的影响，要采取恒温或补偿措施。光敏二极管暗电流与温度关系

温度特性硅光电二极管和三极管的光电流均随温度而变化，由于暗电流的增加105暗电流/mA1020305070T/ºC250504060光电流/mA10002003004008010203040506070T/ºC光电三极管的温度特性光电三极管的温度特性曲线反映的是光电三极管的暗电流及光电流与温度的关系。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流的影响很小，而对暗电流的影响很大．所以电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。温度特性暗电流/mA1020305070T/ºC2505040106光敏管的频率响应是指光敏管输出的光电流随频率的变化关系。光敏管的频响与本身的物理结构、工作状态、负载以及入射光波长等因素有关。图光敏二极管频率响应曲线说明调制频率高于1000Hz时，硅光敏晶体管灵敏度急剧下降。图4-262CU型硅光电二极管的响应时间-负载曲线光敏二极管频率响应曲线

频率响应光敏管的频率响应是指光敏管输出的光电流随频率的变化关系。光敏107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，输出电压会下降。如果入射光是调制的光信号，则负载上的信号电压108硅光电二极管的频率特性主要决定于光生载流子的渡越时间，负载电阻和结电容的乘积。对可见光来说，频率响应上限决定因素是结电容和负载电阻。图4-262CU型硅光电二极管的响应时间-负载曲线光敏二极管频率响应曲线

频率响应硅光电二极管的频率特性主要决定于光生载流子的渡越时间，负载电109要改善硅光电二极管的频率响应，就应减小时间常数。在减小负载提高频率响应的同时，输出电压会下降，因此在实际使用时，应根据频率响应要求选择最佳的负载电阻。(a)实际电路(b)等效电路(c)高频简化等效电路(d)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要改善硅光电二极管的频率响应，就应减小时间常数。在减小负载提110硅光电三极管等效电路图硅光电三极管等效电路图111硅光电三极管的频率响应除了与光电二极管相同外，还受光电三极管基区渡越时间和发射结电容的限制。对可见光来说，频率响应上限决定因素是结电容和负载电阻。

频率响应硅光电三极管的频率响应除了与光电二极管相同外，还受光电三极管1122CU型光电二极管的响应时间-负载曲线2CU型光电二极管的响应时间-负载曲线113硅光电三极管的频率响应特性（Vcc=5V,T=25ºC）硅光电三极管的频率响应特性114要增加硅光电三极管的频率响应，必须使时间常数尽可能小。对于负载的选择同光电二极管，因此在实际中也要根据响应速度和输出幅度来选择负载电阻。硅光电二极管的时间常数一般在0.1us以内，PIN管和雪崩光电二极管的时间常数在ns数量级。而硅光电三极管的时间常数却长达5~10微秒。

频率响应要增加硅光电三极管的频率响应，必须使时间常数尽可能小。对于负115第四章光伏特探测器2013年最新光电检测课件全116表4.2几种硅光电二极管的特性参数表4.2几种硅光电二极管的特性参数117表4.3几种硅PIN光电二极管的特性参数表4.3几种硅PIN光电二极管的特性参数118表4.4几种硅（锗）光电三极管的特性参数表4.4几种硅（锗）光电三极管的特性参数119

1)光电二极管电路分析光电二极管和光电三极管的电路分析方法与一般晶体三极管类似,是依据伏安特性曲线和等效电路进行分析。

4.4.4光电二极管和三极管的偏置电路1)光电二极管电路分析4.4.4光电二极管和三极管的偏置120(1)图解计算法（2）解析计算法1.确定线性工作区域2.计算负载电阻和偏置电压3.计算输出电压幅度4.计算输出电流幅度5.计算输出功率4.4.4光电二极管和三极管的偏置电路(1)图解计算法4.4.4光电二极管和三极管的偏置电路121

2)光电三极管电路分析光电三极管的灵敏度不是常数。4.4.4光电二极管和三极管的偏置电路2)光电三极管电路分析4.4.4光电二极管和三极管的偏置122（一）光电二极管的使用要点

光电二极管将在交流小信号下工作，如果器件的响应速度跟不上光信号的变化，输出的光电流将随着调制频率的提高而减小，光电二极管的响应时间取决于光生载流子扩散到结区的时间，它们在势垒区中的漂移时间和势垒区电容引起的介电驰豫时间等三个因素。对于不同波长的光，器件的响应时间不同。光电二极管和光电三极管的使用情况（一）光电二极管的使用要点光电二极管和光电123

在高频条件下工作的光电二极管，PN结的势垒电容对光电二极管的频率特性有着决定性的影响，结电容与器件的光敏面积成正比，与PN结两端的反向电压的平方根成反比，因此，为了提高器件的响应速度，可采取如下措施：①减小PN结面积，即选用光敏面积小的器件。②适当增加工作电压。③尽量减小分布电容。④在电路设计中选用最佳的负载电阻RL，做到既不至于使输出信号的幅度过分降低，又能满足电路对时间常数的要求。光电二极管和光电三极管的使用情况在高频条件下工作的光电二极管，PN结的势垒电容对光电二124（二）光电二极管的使用方式1、反偏法（1）当光强恒定或缓慢一般情况下，Ip>>ID，ri>>

RL相位相反（二）光电二极管的使用方式一般情况下，Ip>>ID，ri>125（2）光强频率变化很高入射光是脉冲光或频率很高的正弦调制光时，前面的分析不能适用。脉冲光可以看成一个恒定光和许多正弦调制光的叠加，输出的光信号电压亦是这些光分别产生的光电信号电压之和。在正弦调制光下，上图的两个实际电路有完全相同的等效电路。由于二极管在反向偏压下的动态电阻远大于负载电阻，放大器的输入电阻通常也比大得多，所以它的等效电路变成下图所示的简单形式。（2）光强频率变化很高126

反偏运用对于检测微弱的恒定光是不利的。二极管的光电流与暗电流接近时，光电信号是难以取出的。这时常采用斩波方法，把微弱恒定光转换为调制光，再对光电信号进行锁相放大，能够极大的提高检测灵敏度。使用斩波器时，需要对它的形状和光路进行细致分析，方能找到光电信号和被测光通量的正确关系。反偏运用对于检测微弱的恒定光是不利的。二极管的光电1272、开路法原则上能测得微弱的恒定光，但实际很少用。原因是？2、开路法原则上能测得微弱的恒定光，但实际很少用。1283、短路法3、短路法129（三）光电三极管的使用要点1、无基极引线光电三极管电流控制电路

（三）光电三极管的使用要点光电三极管电流控制电路130光电三极管电压控制电路

光电三极管电压控制电路1312、有基极引线有基极引线光电三极管的实际电路

2、有基极引线有基极引线光电三极管的实际电路132结型器件和光电导器件相比较，主要区别：产生光电变换的部位不同。光敏电阻不管哪一部分受光，受光部分的电导率就增大；而结型器件，只有照射到P—N结区或结区附近的光才能产生光电效应，光在其它部位产生的非平衡载流子，大部分在扩散中符合掉，只有少部分通过结区，但又被结电场所分离，因此对光电效应基本上没有贡献。光敏电阻没有极性，工作时必须外加电压；而结型光电器件有确定的正负极性，在没有外加电压下也可以把光信号转换成电信号。结型器件和光电导器件相比较，主要区别：133光敏电阻的光电导效应主要依赖于非平衡载流子的产生与复合运动，驰豫过程的时间常数较大，频率响应较差；结型的光电效应主要是依赖结区非平衡载流子中部分载流子的漂移运动，电场主要加在结区，驰豫过程的时间常数（可用结电容和电阻之积表示）相应较小，因此响应速度较快。有些结型光电器件，如光电三极管、雪崩光电二极管等有较大的内增益作用，灵敏度较高，也可以通过较大的电流，因此，结型光电器件一般应用于精密光学仪器、光度色度测量、光电自动控制、光电开光、光继电器、报警系统、电视传真、图象识别等方面。光敏电阻的光电导效应主要依赖于非平衡载流子的产生与复合运动，134（三）光伏效应器件应用中的几个问题热稳定性及温度补偿光谱匹配视角及光路（三）光伏效应器件应用中的几个问题热稳定性及温度补偿135小结：光电探测器的选择取决于：入射光波长；光信号功率；光背景电平；信噪比；响应频率；驱动能力。小结：136掌握内容光伏特探测器原理和特性。理解内容光伏探测器的电路偏置了解内容第4章光伏特探测器第4章光伏特探测器137

§4.1光伏特效应§4.2光伏探测器的工作模式§4.3光电池§4.4硅光电二极管和三极管第四章主要内容第四章138光生伏特效应：光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在PN结上产生电动势的效应。为什么PN结会因光照产生光生伏特效应呢？有下面两种情况：不加偏压的PN结处于反偏的PN结§4.1光生伏特效应内光电效应光生伏特效应：§4.1光生伏特效应内光电效应139§4.1光生伏特效应无光照P-N结无光照流过PN结的电流方程：一、半导体P-N结§4.1光生伏特效应无光照P-N结无光照流过PN结的电流方程140

不加偏压的光照PN结当光照射在PN结时，如果电子能量大于半导体禁带宽度（E0＞Eg）,可激发出电子——空穴对，在PN结内电场作用下空穴移向P区，而电子移向N区，使P区和N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PN结，则有由N区流向P区的电流Ip通过，称为短路光电流。

基于这种效应的器件有光电池一、半导体P-N结不加偏压的光照PN结一、半导体P-N结141PN结中光生电子与空穴的流动，使P区的电势增高，这相当于在PN结上加一正向偏压U，这个正向电压使PN结势垒由eVD降至eVD－eU。同时，这个正向电压还引起电流Id＝Is0(eqU/KT1)流过PN结，Id的方向正好与上述光电流Ip的方向相反。所以，在入射光辐射作用下流过PN结的总电流为

I=Is0(eqU/KT1)Ip

有光照无偏压流过PN结的电流方程：PN结中光生电子与空穴的流动，使P区的电势增高，这相当于142有光照时，若p-n结外电路接上负载电阻，此时p-n结内出现两种方向相反的电流：一种是光激发产生的电子—空穴对，在内建电场作用下，形成的光生电流，它与光照有关，其方向与p-n结反向饱和电流相同；另一种是光生电流流过负载产生电压降，相当于在p-n结施加正向偏置电压，从而产生正向电流。流过p-n结的总电流是两者之差：以p-n结的正向电流的方向为正方向有光照无偏压流过PN结的电流方程：有光照时，若p-n结外电路接上负载电阻，此时p-n结内出143处于反偏的PN结：无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；有光照时，光子能量足够大产生光生电子—空穴对，在PN结电场作用下，形成光电流，电流方向与反向电流一致，光照越大光电流越大。具有这种性能的器件有：

光敏二极管、光敏晶体管.处于反偏的PN结：144

如果给PN结加上一个反向偏置电压U，外加电压所建的电场方向与PN结内建电场方向相同，则PN结的势垒高度由eVD增加到eVD＋eU，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PN结在光照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。有光照反偏压流过PN结的电流方程：I=Is0(eqU/KT1)Ip如果给PN结加上一个反向偏置电压U，外加电压所建的电场方145

正向偏置：无光电效应反向偏置：光电导工作模式零偏置：光伏特工作模式图4-2光照下PN结及其伏安特性曲线P-N结的电流电压特性图4-2光照下PN结及其伏安特性曲线P-N结的电流电压特性146根据光照PN结时流过p-n结的电流，可画出在不同照度下PN结光电器件的伏安特性曲线。§4.2工作模式第一象限正偏压，Id本来就很大，所以光电流Ip不起重要作用。第三象限反向偏压，这时Id＝Is0，它是普通二极管中的反向饱和电流，现在称为暗电流（对应于光照度E＝0），数值很小，这时的光电流（等于I-Is0）是流过探测器的主要电流，对应于光导工作模式。在第四象限中，外偏压为0，流过探测器的电流仍为反向光电流。随着光功率的不同，出现明显的非线性。这时探测器的输出通过负载电阻RL上的电压或流过RL上的电流来体现，因此称为光伏工作模式。根据光照PN结时流过p-n结的电流，可画出在不同照度下PN结147

一个PN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，它的工作模式则由外偏压回路决定。如图（c）所示，在零偏压的开路状态，为光伏工作模式。如图（d）所示，当外回路采用反偏电压Ub，即外加P端为负，N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，电流就变大，而且流过它的光电流随照度变化而变化。从外表看，PN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.

一个PN结光伏探测器就等效为一个普通二极管和一个电流源（148第四章光伏特探测器2013年最新光电检测课件全149下图示出了p-n结在光伏工作模式下的等效电路：下图示出了p-n结在光伏工作模式下的等效电路：150

光电池工作原理也是基于光生伏特效应，可以直接将光能转换成电能的器件。有光线作用时就是电源，广泛用于宇航电源，另一类用于检测和自动控制等。

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。光电池符号4.3光电池（有源器件）光电池工作原理也是基于光生伏特效应，可以直接将光能转换成电151第四章光伏特探测器2013年最新光电检测课件全152光电池光电池153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）太阳能手机充电器太阳能供太阳能电池光电池（有源器件）154结构：光电池实质是一个大面积PN结，上电极为栅状受光电极，下电极是一层衬底铝。原理：当光照射PN结的一个面时，电子——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的电动势。一般可产生0.2V～0.6V电压50mA电流。光电池结构

光电池工作原理图

光电池（有源器件）结构：光电池实质是一个大面积PN结，上电极为栅状受光电极，155光电池按材料分，有硅、硒、硫化镉、砷化镓和无定型材料的光电池等。按结构分，有同质结和异质结光电池等。光电池中最典型的是同质结硅光电池。国产同质结硅光电池因衬底材料导电类型不同而分成2CR系列和2DR系列两种。2CR系列硅光电池是以N型硅为衬底，P型硅为受光面的光电池。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。光电池按材料分，有硅、硒、硫化镉、砷化镓和无定型材料的光电池156硅光电池结构示意如图-+RLpn防反射膜(SiO2）pn+-SiO2pn结硅光电池硅光电池结构示意如图-+RLpn防反射膜(SiO2）pn+-157光电池的工作原理（a）光电池工作原理图（b）光电池等效电路图（c）进一步简化图4-7光电池的工作原理图和等效电路光电池的工作原理（a）光电池工作原理图（b）光电池等效电158光电池的特性参数开路电压，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性关系，在照度2000lx下趋于饱和。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RL相对内阻很小时的光电流。①光照特性光照特性主要包括有：伏安特性、照度-电流电压特性和照度-负载特性。光电池的特性参数开路电压，光生电动势与照度之间关系称开路电压159图4-8硅光电池伏安特性曲线伏安特性当E=0时，

当光电池外接负载电阻RL后，负载电阻RL上所得电压和电流在特性曲线转弯点时，电流和电压乘积为最大，光电池输出功率为最大。可以看出：负载电阻愈小，光电池工作愈接近短路状态线性就较好。图4-8硅光电池伏安特性曲线伏安特性当E=0时，当光电池160（1）当负载电阻断开时，P端对N端的电压称为开路电压，一般情况，由于p-n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：Uoc一般为0.45~0.6V，最大不超过0.756V，因为Uoc不能超过PN结热平衡时的接触电动势差或内建电势UD。（1）当负载电阻断开时，P端对N端的电压称为开路电压，一般情161（2）当负载电阻短路时(实际为外接负载RL相对内阻很小时)，光生电压接近于零，流过器件的电流叫短路电流，其方向从p-n结内部看是从n区指向p区，这时光生载流子不再积累于p-n结两侧，所以p-n结又恢复到平衡状态。这时p-n结光电器件的短路光电流与照度（弱照度）或光通量成正比，从而得到最大线性区，这在线性测量中被广泛p-n结应用。

Isc＝Ip＝Se·E

硅单晶光电池短路电流可达35~40mA/cm2（2）当负载电阻短路时(实际为外接负载RL相对内阻很小时)，162硅光电池的Uoc、Isc与照度的关系

照度-电流电压特性光电池的短路光电流Isc与入射光照度成正比，而开路电压UOC与光照度的对数成正比。硅光电池的Uoc、Isc与照度的关系照度-电流电压特性光电163开路电压UOC和短路电流Isc与光电池受光面积也有关系。在光照度一定时，UOC与受光面积的对数成正比，短路电流Isc与受光面积成正比。电流、电压与受光面积的关系开路电压UOC和短路电流Isc与光电池受光面积也有关系。在光164光照与负载特性光电流在弱光照射下与光照度成线性关系。光照增加到一定程度后，输出电流非线性缓慢地增加，直至饱和，并且负载电阻越大，越容易出现饱和，即线性范围较小。因此，如欲获得较宽的光电线性范围，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照与负载特性光电流在弱光照射下与光照度成线性关系。165最佳负载最佳负载166

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。

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、稳定性好、寿命长，被广泛应用在光度、色度、光学精密计量和测试中。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167光谱特性表示在入射光能量保持一定的条件下，光电池所产生的短路电流与入射光波之间的关系。器件的长波限取决于材料的禁带宽度，短波则受材料表面反射损失的限制，其峰值不仅与材料有关，而且随制造工艺及使用环境温度不同而有所不同。②光谱特性光谱特性表示在入射光能量保持一定的条件下，光电池所产生的短路168硅光电池响应波长0.4-1.1微米，(红-红外)峰值波长0.8-0.9微米。(近红外)硒光电池响应波长0.34-0.75微米，(紫-红)峰值波长0.54微米。(绿)可见光硅、硒光电池的相对光谱特性曲线

硅光电池硅、硒光电池的相对光谱特性曲线169第四章光伏特探测器2013年最新光电检测课件全170第四章光伏特探测器2013年最新光电检测课件全171频率特性指光电池相对输出电流与光的调制频率之间关系。硅、硒光电池的频率特性不同，硅光电池频率响应较好，硒光电池较差。所以高速计数器的转换一般采用硅光电池作为传感器元件。硅、硒光电池的频率特性

③频率特性频率特性指光电池相对硅、硒光电池的频率特性③频率特性172（1）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，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。（2）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越大，在给定负载时，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。③频率特性（1）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173③频率特性总的来说，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，只要加1~2伏的反向偏置电压，则响应时间会从1微秒下降到几百纳秒。③频率特性总的来说，由于硅光电池光敏面积大，结电容大，频响较174(4)、温度特性(4)、温度特性175④温度特性

光电池的参数随工作环境温度改变而变化。开路电压具有负温度系数，而短路电流具有正温度系数。④温度特性光电池的参数随工作环境温度改变而变化。176表4.1几种硅光电池的性能参数表4.1几种硅光电池的性能参数1774.3.3光电池偏置电路(a)基本形式(b)等效电路(c)图解法图4-14硅光电池无偏置电路自给偏置电路4.3.3光电池偏置电路(a)基本形式(b)等效178可以用图4-14（c）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（I、U、P）的影响，即最佳负载线最大输出功率可以用图4-14（c）定性分析，也可定量地描述负载电阻和入射179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个区域，分别如下图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ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、空载电压输出和功率放大。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个区域180一种电流变换状态，如图4-15(b)中的I区域。要求硅光电池送给负载电阻RL（这时RL<Rm，且RL→0）的电流与光照度成线性关系。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小，才能使输出电流尽可能大，即接近短路电流Isc，因为只有短路电流才与入射光照度有良好的线性关系，即：①短路或线性电流放大弱光信号检测一种电流变换状态，如图4-15(b)中的I区域。要求硅光电池181当负载电阻很小甚至接近于零的时候，电路工作在短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Rm时，电路就处于线性电压输出状态，如图4-15(b)中的区域Ⅲ，此时RL<Rm，这种工作状态下，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，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。②线性电压输出当负载电阻很小甚至接近于零的时候，电路工作在短路及线性电流放182令最大线性允许光电流为Im，相应的光通量Φm，则可得到输出最大线性电压的临界负载电阻Rm为：②线性电压输出令最大线性允许光电流为Im，相应的光通量Φm，则可得到输出最183工作在线性电压放大区的光电池在与放大器连接时，宜采用输入阻抗高的电压放大器。在线性关系要求不高时，可利用图解法简单地得到Rm的值。如图4-15(b)，在电压轴上作临界电压Um＝0.7UOC的垂直线，与对应的伏安曲线相交于M点，因此②线性电压输出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184一种非线性电压变换状态，工作在如图4-15(b)中II区域。此时RL>Rm且RL→∞，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，开路电压可写成：当光通量较大时，>>

③空载电压输出（开路电压输出）一种非线性电压变换状态，工作在如图4-15(b)中II区域。185

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，它的最大值受PN结势垒高度的限制，通常光电池的开路电压为0.45~0.6V。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UOC电压变化，不需加任何偏置电源即可组成控制电路，这是它的一个优点。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186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，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输出，则不如采用光电二极管或光电三极管。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187负载电阻及放大器的选择原则

硅光电池用于检测交流光信号负载电阻及放大器的选择原则硅光电池用于检测交流光信号188

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定。其掺杂浓度高。电阻率低(为0.1—0.01Ω/cm)易于输出光电流；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性关系。硅光电池的长波限由硅的禁带宽度决定，为1.15um．峰值波长约为0.8um。如果P型硅片上的N型扩散层做得很薄(小于0.5um)，峰值波长可向着短波方向微移，对兰紫光谱仍有响应。使用特点特点是工作时不需外加偏压，接收面积小，使用方便。使用特点189光电池短路电流与照度有较好的线性关系,作为测量元件