第3章第2节

Uce=2U≈14V
根据偏置电路可知，入射为最大时找一点“A”并做 垂线交横轴于“C”点，从“C” 向右量14V，找“D”点。由“D” 做垂线交入射为最小的特性曲线与“B”。通过“A”、 “B”做直
线，此线即为负载线。由负载线可以得到负载电阻RL和电源电压
dr
IL Ip Id
2.输出电流、电压与辐射量间的关系
IL
q
hc
Φe, λ I d
暗电流都很小，可以忽略不计。
IL
q
hc
Φe, λ
反向偏置电路的输出电压与入射辐射量的关系为
U L U bb RL
q
hc
Φe, λ
输出电压信号△U为
U RL
q
hc
为了减少测量误差常将二维PSD器件的光敏面进行改
进，改进后的PSD光敏面如图3-37所示图形，四个引出线
分别从四个对角线端引出，光敏面的形状好似正方形产生
了枕形畸变。这种结构的优点是光斑在边缘的测量误差被
大大地减少。
(I x' I y ) (I x I y' ) x I I I I x x' y y' (I I y' ) (I x I y ) y x' I x I x' I y I y '
3.反向偏置电路的设计与计算
反向偏置电路常用图解法，根据光电三极管（或光 伏器件）的反向偏置电路图与其输出特性曲线，可以 求解出任何入射辐射作用下的输出电压信号。也可以 根据题目的要求，设计出偏置电路的各种参数。
例3-2 已知某光电三极管的伏安特性曲线如图3-42所示。当入射光 通量为正弦调制量φ v,λ =55 +40sinω t lm时，今要得到5V的输出电 压，试设计该光电三极管的变换电路，并画出输入输出的波形图， 分析输入与输出信号间的相位关系。
3.2.5
色敏光生伏特器件
色敏光生伏特器件是根据人眼视觉的三原色原理， 利用不同结深PN结光电二极管对不同波长光谱灵敏度 的差别，实现对彩色光源或物体进行颜色的测量。色敏
光生伏特器件具有结构简单、体积小、重量轻，变换电
路容易掌握，成本低等特点被广泛应用于颜色测量与颜 颜料、染料的颜色测量与判别，彩色电视机荧光屏彩色 的测量与调整等等，是一种非常有发展前途的新型半导
解:
首先根据题目的
要求，找到入射光通量
的最大值与最小值
φmax=55+40=95 lm φmin=55－40=15 lm 在特性曲线中画出光通 量的变化波形，补充必 要的特性曲线。
再根据题目对输出信号电压的要求，确定光电三极管集电 极电压的变化范围，本题要求输出5V，指的是有效值，集电极电 压变化范围应为双峰值。即
3.二维PSD器件
如图3-36（a）所示，在 正方形的PIN硅片的光 敏面上设置2对电极， 分别标注为Y1，Y2和X3， X4，其公共N极常接电 源Ubb。二维PSD器件的 等效电路如图3-36（b） 所示
Ix4 Ix3 x I I x4 x3 I y 2 I y1 y I y 2 I y1
S Ro1 Go1 Bo1 R KR 100% o1 G KGo1 100% B KBo1 100%
3.2.6
光伏器件组合器件
光伏器件组合件是在一块硅片上制造出按一定方式 排列的具有相同光电特性的光伏器件阵列。它广泛应用 用光电组合器件代替由分立光伏器件组成的变换装置，
当光束入射到PSD器件光敏层上距中心点的距离为xA 时，在入射位置上产生与入射辐射成正比的信号电荷，此 电荷形成的光电流通过电阻p型层分别由电极1与2输出。 设p型层的电阻是均匀的，两电极间的距离为2L，流过两 电极的电流分别为I1和I2，则流过n型层上电极的电流I0为I1 和I2之和。 I0= I1+I2
解 首先找出入射辐射的峰值φm
φm=20+5=25μW 再求出2CU2D的最大输出光电流Im Im=Siφm =12.5(μA) 设最大输出电压信号时的偏置电阻为RB，则 RB∥RL=1.2MΩ
于是可以求出偏置电阻为RB值 RB=3 MΩ
此时，最大输出的电压时的最高截止频率fb为
fb= 83kHz
如图3-22(a)所示的“CIEl931-RGB系统标准色度观 察 者三刺激值曲线σrgb”。从曲线中看到、、光谱三刺激值有 一部分为负值，计算很不方便，又难以理解。因此1931年 CIE
新的国际通用色度系统，称为“CIEl931-XYZ系 统”。它是在CIE1931-RGB系统的基础上改用三个假想 的原色x、y、z所建立的一个新的色度系统。 在该系统中也定出了匹配等能量光谱色的三刺激 值 X 、 、 ，得出了如图3-22(b)所示的“CIEl931标准色度 Y Z 观察者光谱三刺激值曲线”。根据以上理论，对任何一种 颜色，都可由颜色的三刺激值X、Y、Z表示，计算公式为
于光电跟踪、光电准值、图像识别和光电编码等应用中。 不仅具有光敏点密集量大，结构紧凑，光电特性一致性
好，调节方便等优点，而且它独特的结构设计可以完成 分立元件无法完成的检测工作。
1、象限阵列光伏器件组合件
2、线阵列光伏器件组合件
3、楔环阵列组合件
3.2.7 光电位置敏感器件（PSD）
1. PSD器件的工作原理
色识别等领域。例如彩色印刷生产线中色标位置的判别，
体光电器件。
1．双色硅色敏器件的工作原理
它是在同一硅片上制作两个深浅不同PN结的光电二极管
双色硅色敏光传感器的结构和等效电路如图3-19所示。
PD1和PD2组成的。
浅PN结的PD1的光谱
响应峰值在蓝光范围，深
结PD2的光谱响应峰值在 红光范围。
双结光电二极管只能通过测 量单色光的光谱辐射功率与黑体 辐射相接近的光源色温来确定颜 色。用双结光电二极管测量颜色 时，通常测量两个光电二极管的 短路电流比（ISC2/ ISC1）与入射 波长的关系（如图3-21所示）， 从关系曲线中不难看出，每一种 波长的光都对应于一个短路电流 比值，根据短路电流比值判别入 射光的波长，达到识别颜色的目 的。
3.3 光生伏特器件的偏置电路
3.3.1 反向偏置电路
图3-40所示为光生伏特器件的反向偏置电路。其中图（a）为 反向偏置电路的原理电路图，图（b）为反向偏置电路图。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。 1.反向偏置电路的输出特性 在如图3-40所示的反向偏置电路中， Ubb>>时，流过负载电阻RL的电流 IL为
L xA I1 I 0 2L L xA I 2 I 0 2L x A I 2 I1 L I 2 I1
2. 一维PSD器件
一维PSD器件主要用来测 量光斑在一维方向上的位置或
位置移动量的装置。图3-34（a）
为典型一维PSD器件S1543的结 构示意图，其中1和2为信号电 极，3为公共电极。它的光敏面 为细长的矩形条。
I 2 I1 x L I 2 I1
图3-35所示，为一维PSD位置检测电路原理图，光 电流I1经反向放大器A1放大后分别送给放大器A3与A4， 而光电流I2经反向放大器A2放大后也分别送给放大器A3 与A4，放大器A3为加法电路，完成光电流I1与I2相加的运 算（放大器A5用来调整运算后信号的相位）；放大器A4 用作减法电路，完成光电流I2与I1相减的运算。
X K Φ( ) x ( )d
380 780
Y K Φ( ) y( )d
380
780
(3-27)
Z K Φ( )z( )d
380
780
可以识别混合色光的3色色敏光电器件。图3-23为非 晶硅集成色敏器件的结构示意图。 它是在一块非晶硅基片上制作3个检测元件，并分 别配上R、G、B滤色片，得到如图3-24所示的近似于 1931CE-RGB系统光谱3刺激值曲线，通过R、G、B输出 电流的比较，即可识别物体的颜色。
图3-25为一种典型硅集成三色色敏器件的颜色识别电 路方框图。从标准光源光发出的光，经被测物反射，投射 到色敏传感器后，RGB3个敏感元件输出不同的光电流。 经运算放大器放大、A／D转换后，将变换后的数字信号 输入到微处理器中。 测量前应对放大器进行调整，使标准光源发出的光， 经标准白板反射后，照到色敏器件上时应满足。
Ubb。 显然， “C”点电压为3.7V ， “D”点电压为17.7V 。电源电 压Ubb 近似为19V，取标称电压20V。
根据入射光通量正弦变化关系可以在特性曲线的电压坐标轴上 画出输出信号的波形如图所示。
由输出波形可以看出入射辐射与输出电压信号为反向关系。
3.3.2 零伏置电路
如图3-43所示为采用高输入阻抗放大器构成的近似 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
Rf Ri 1 Ao
Uo=－IscRf=－Rf q Φe, λ
hc
反馈电阻Rf很高，电路的放 大倍率和灵敏度都很大。
3.4 半导体光电器件的特性参数 与选择问题
3.4.1 半导体光电器件的特性参数
Φe, λ
例3-1 用2CU2D光电二极管探测激光器输出的调制信号 φ e,λ =20 +5sinω t（μ W）的辐射通量时，若已知电源电 压为15V，2CU2D的光电流灵敏度Si=0.5μ A/μ W，结电容 Cj=3 pF，引线分布电容Ci=7 pF，试求负载电阻RL=2MΩ 时该电路的偏置电阻RB为多少？并计算输出最大电压信号 情况下的最高截止频率为多少？