光电技术课件第3章第2节色敏光生伏特器件

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 半导体光电器件主要有两类，电导型与光伏型。主要特性为： ① 光谱响应 ② 时间相应 ③ 响应或灵敏度
3.4.2 半导体光电器件的应用选择
选用光电器件的基本原则： ① 光谱响应匹配 ② 响应或动态范围 ③ 时间相应能否满足应用要求
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
IL Ip Id
• 2.输出电流、电压与辐射量间的关系
IL hqcΦe,λ Id
暗电流都很小，可以忽略不计。
q
IL hc Φe,λ
反向偏置电路的输出电压与入射辐射量的关系为
q
ULUbbRL hcΦeλ,
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。
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
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。
电源电压Ubb取标称电压20V后可以适当地修正负载线。
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。
• 3.二维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
x
y
Ix4
Ix4 I y2
Ix3
Ix3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。
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
I1 I2 xA
I0
I0 I I
Lx
2L Lx
2L 2 I1 2 I1
A A
L
• 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。
• 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
Ri
Rf 1 Ao
Uo=－IscRf=－Rf
q hc
Φ e,λ
x y
(Ix' Iy ) (Ix Iy')
Ix Ix' I y I y' (Ix' Iy') (Ix Iy )
Ix Ix' I y I y'
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．双色硅色敏器件的工作原理 双色硅色敏光传感器的结构和等效电路如图3-19所示。它是
在同一硅片上制作两个深浅不同PN结的光电二极管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。
• 3.2.5 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色识别等领域。例如彩色印刷生产线中色标 位置的判别，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体光 电器件。
• 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
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
• 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φv,λ=55 +40sinωt lm时，今要得到5V
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。
S R o1 G o1 B o1
R
G
KR KG
o 1 100 o 1 100
% %
B KB o 1 100 %
• 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。它广泛应用于光电跟踪、光电 准值、图像识别和光电编码等应用中。用光电组合器件代替由分 立光伏器件组成的变换装置，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。
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。
④ 变换电路能否满足信噪比、动态范围与线性的要求 ⑤ 工作条件要求，温漂问题
Uce=2U≈14V
根据偏置电路可知，入射为最大时输出电压应最小，但不能 进入饱和区。为此，在特性曲线的“拐点”右侧找一点“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 Ubb。
x I2 I1 L I2 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。
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
输出电压信号△U为
URLhqcΦeλ,
例3-1 用2CU2D光电二极管探测激光器输出的调制信号φe,λ=20
+5sinωt（μW）的辐射通量时，若已知电源电压为15V， 2CU2D的光电流灵敏度Si=0.5μA/μW，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？