光电导器件02-2

Ie
dU o
U W U be 2 R p S g dEv Re
uo
UW 2 R p S g ev Re
2.3.2 恒流电路
显然，恒流偏置电路的电压灵敏度SV为
2.3.3 恒压电路

Sv
UW 2 R p Sg Re
利用晶体三极管很容易构成光敏电阻的恒压 偏置电路。如图所示为典型的光敏电阻恒压 偏置电路。

2.4 光敏电阻的应用实例

与其他光电敏感器件不同，光敏电阻为无极性器 件，可以直接在交流电路中作为光电传感器完成 各种光电控制。 在实际中光敏电阻的主要应用还是在直流电路中 用作光电探测与控制。

2.4.1 照明灯的光电控制电路
2.4.2 火焰探测报警器
2.4.3 照相机电子快门
3
第3章 光生伏特器件
4. 时间响应
以f 频率调制的辐射作用于PN结硅光电二极管 光敏面时，PN结硅光电二极管的电流产生要经 过下面3个过程： 1) 在PN结区内产生的光生载流子渡越结区的 时间τdr ，称为漂移时间记为； 2) 在PN结区外产生的光生载流子扩散到PN结 区内所需要的时间，称为扩散时间记为τp； 3) 由PN结电容Cj和管芯电阻Ri及负载电阻RL构 成的RC延迟时间τRC 。
再考虑负载电阻RL的热噪声
I n2 2q 2 (Φs Φb ) 4 KTf f 2qI d f hc RL
目前，用来制造PN结型光电二极管的半导体材料 主要有硅、锗、硒和砷化镓等。
6
1
2.3.2 恒流电路
稳压管DW将晶体三极 管的基极电压稳定，即 UB=UW，流过晶体三极 管发射极的电流Ie 为
U W U be Re
2.3.2 恒流电路

在晶体管恒流偏置电路中输出电压Uo为
U o U bb I c R p
求微分得：
d U o I c dR p
2 将 d R p S g R p d E v 代入得
3.1.1 硅光电二极管的工作原理

3.1.1 硅光电二极管的工作原理
当光辐射作用到如图3-1（b）所示的光电二极管 上时，光生电流（方向为反向）为：
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，其电流方程为
I ID e
qU
kT
1

3.1.2 光电二极管的基本特性
由以上分析可见，影响PN结硅光电二极管时间 响应的主要因素是PN结区外载流子的扩散时间 τp，如何扩展PN结区是提高硅光电二极管时 间响应重要措施。增高反向偏置电压会提高内 建电场的强度，扩展PN结的耗尽区，但是反向 偏置电压的提高也会加大结电容，使RC时间常 数τRC增大。因此，必须从PN结的结构设计方 面考虑如何在不使偏压增大的情况下使耗尽区 扩展到整个PN结器件，才能消除扩散时间。
2
2.3.4 例题
例2-2 在如图2-14所示的恒压偏置电路中， 已知VDW为2CW12型稳压二极管，其稳定电 压值为6V，设Rb=1kΩ，RC=510Ω, 三极管 的电流放大倍率不小于80，电源电压 Ubb=12V，当CdS光敏电阻光敏面上的照度为 150lx时恒压偏置电路的输出电压为11V,照度 为450lx时输出电压为8V, 试计算 （1）输出电压为9V时的照度（设光敏电阻在 100~500lx间的γ值不变）为多少lx？ （2）照度为500lx时的输出电压为多少？
3.1.2 光电二极管的基本特性

1.光电二极管的灵敏度 定义光电二极管的电流灵敏度为入射到光敏面 上辐射量的变化（例如通量变化dΦ）引起电流 变化dI与辐射量变化之比。
Si dI q (1 e d ) d hc

显然，当某波长λ的辐射作用于光电二极管 时，其电流灵敏度为与材料有关的常数，表征 光电二极管的光电转换特性的线性关系。 必须指出，电流灵敏度与入射辐射波长λ的关 系是复杂的，定义光电二极管的电流灵敏度时 通常定义其峰值响应波长的电流灵敏度为光电 二极管的电流灵敏度。在式（3-3）中，表面 上看它与波长λ成正比，但是，材料的吸收系 数α还隐含着与入射辐射波长的关系。因此， 常把光电二极管的电流灵敏度与波长的关系曲 线称为光谱响应。

由式（3-2）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。
3.1.2 光电二极管的基本特性

dU o Rc dI c Rc dI e Rc S gU w d

例2-1 在如图2-13所示的恒流偏置电路中， 已知电源电压为12V，Rb为820Ω，Re为 3.3kΩ，三极管的放大倍率不小于80，稳压二 极管的输出电压为4 V，光照度为40lx时输出 电压为6V，80 lx时为8V。（设光敏电阻在30 到100lx之间的值不变） 试求： （1）输出电压为7伏的照度为多少勒克司？ （2）该电路的电压灵敏度（V/ lx）？
用微变量表示 ：
dI L
2.3.1 基本偏置电路

2.3.1 基本偏置电路
加在光敏电阻上的电压为R与RL对电压Ubb的分 压，即UR=R/(R+RL) Ubb，因此，光电流的微变量为
i U R S g ev U bb R S g ev R RL
而，dR=d(1/g)=(-1/g2 )dg，dg=SgdEv
3.1.2 光电二极管的基本特性


3.1.2 光电二极管的基本特性
图3-5为几种典型材料的光电二极管光谱响应 曲线。
3. 光谱响应
光电二极管的光谱响应定义为以等功率的不同 单色辐射波长的光作用于光电二极管时，其响 应程度或电流灵敏度与波长的关系称为其光谱 响应。
5
3.1.2 光电二极管的基本特性
3.1.2 光电二极管的基本特性

3.1.2 光电二极管的基本特性

4. 噪声 光电二极管的噪声包含低频噪声Inf、散粒噪声 Ins和热噪声InT等3种噪声。其中，散粒噪声是 光电二极管的主要噪声，低频噪声和热噪声为 其次要因素。
散粒噪声是由于电流在半导体内的散粒效应 引起的，它与电流的关系
2 I ns 2qIf
U R RL S g RRL i bb ev R RL (R R L ) 2

从上式可以看出，当电路参数确定后，输出电压 信号与弱辐射入射辐射量（照度ev）成线性关系。
在简单偏置电路中，当RL»R时，流过光敏电 阻的电流基本不变，此时的偏置电路称为恒 流电路。 然而，光敏电阻自身的阻值已经很高，再满 足恒流偏置的条件就难以满足电路输出阻抗 的要求。为此，可引入如图所示的晶体管恒 流偏置电路。
dI L U bb R 2 S g (R R L ) 2 d EV
设iL=dIL，ev=dEv，则
iL U bb R 2 S g (R R L )
2
进一步得：
ev
iL
R i R RL
2.3.1 基本偏置电路
偏置电阻RL两端的输出电压为
2.3.2 恒流电路

2
u L RL iL
光电二极管的电流应包括暗电流Id、信号电流Is和 背景辐射引起的背景光电流Ib，因此散粒噪声应为
2 I ns 2q ( I d I S I b ) f
3.1.2 光电二极管的基本特性

根据电流方程，并考虑反向偏置情况，光电二 极管电流与入射辐射的关系 ，得到
2 I ns
2q 2 (Φs Φb ) f 2qI d f hc
硅光电二极管是最简单、最具有代表性 的光生伏特器件，其中，PN结硅光电 二极管为最基本的光生伏特器件。
3.1.1 硅光电二极管的工作原理

3.1.1 硅光电二极管的工作原理
1、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）为2DU型 原理结构图。图3-1（b） 为工作原理图（c）为电 路符号，其中的小箭头表 示正向（扩散）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。

3.1 硅光电二极管

利用光生伏特效应制造的光电敏感器件称为光生伏特器件。 光生伏特效应与光电导效应同属于内光电效应。 光生伏特效应是少数载流子导电的光电效应；而光电导是 多数载流子导线的光电效应。 光生伏特器件的暗电流小，噪声低，响应速度快，光电特 性的线性，以及受温度的影响小是光电导器件无法比拟的。 具有光生伏特效应的半导体材料有很多，例如硅（Si）、 锗（Ge）、硒（Se）、砷化镓（GaAs）等半导体材料。 利用这些材料能够制造出具有各种特点的光生伏特器件， 其中硅光生伏特器件具有制造工艺简单、成本低等特点使 它成为目前应用最广泛的光生伏特器件。
I
q (1 e d )Φe, h
光电二极管的全电流方程为 ：
ID 和 U为负值（反向 偏置时）称为反向电流 或暗电流。
I
q
hcBiblioteka (1 exp(d ))Φe , I d (1 exp(qU / kT ))
式中η为光电转换效率，α为材料对光的吸收系数。
2.3 光敏电阻的变换电路

2.3.1 基本偏置电路
设在某照度Ev下，光敏电阻的阻值为R，电导 为g，流过偏置电阻RL的电流IL为：
IL U bb R RL
U bb dR (R R L ) 2


光敏电阻的阻值或电导随入射辐射量的变化 而改变，因此可以用光敏电阻将光学信息变 换为电学信息。 电阻或电导的变换信息不易被人们接收，须 将电阻或电导的值的变化转变为电流或电压 信号的输出。 完成上述这个转换工作的电路称为光敏电阻 的偏置电路或变换电路。