光电基础知识

I
当RL≠0时，U≠0，随着U的增大 ，PN结的等效电阻 rD开始变小，则ID 开始增大； Iφ ＝ I＋ ID
I
ID
rD
RL U
(b)
当U继续增大到PN结的导通电压时（RL非常大时）， U就不会再增大，此时，PN结的rD变得很小，光照所产生 的光电流Iφ几乎全部流向二极管，即： Iφ≈I D 这时，在负载RL上除有少量的电流维持PN结的导通电 压U外，光照产生的光电流几乎都消耗在光电池内部。
（1）受激吸收
E2 hv E1
（2）自发辐射
E2 hv E1 E2
（3）受激辐射
hv
hv hv
E1

设在单位物质内，处于低能级 E1 和处 于高能级E2的原子数分别为N1和N2。当系 统处于热平衡状态时，原子分布遵循玻耳 兹曼统计分布
N2 E2 E1 exp N1 kT
2．光电池用作检测元件 光电池用作检测元件使 用时的电路如图3.1.3－6所 示，此电路可实现光电池的
线性输出。对光电池而言，
RL近似等于0。图中，
V0 2R f I 2R f S
图3.1.3－6 光电池线性输出电路
式中S为光电池的灵敏度，φ为入射到光电池的光通量。
光电跟踪系统
用两个性能相近的硅光电池作光接受器件，当入射光通量相同时 Vo=0，执行机构按预定的方式工作。当光路系统略有偏差时，两个硅 光电池接收到的光通量发生变化，此时Vo≠0，这一差动输出信号经过 放大即可带动执行机构（例如微型电机）对系统状态进行纠正，直到 Vo=0为止，从而达到跟踪的目的。
光电池的PN结或阻挡层的面积大，极间电容大，因此 频率特性较差。负载电阻越大，电路的旁路作用越显著， 频率特性高频部分下降越厉害。如欲改善频率特性，需减 小负载电阻或减小光电池面积，使它的结电容减小。
I(%) 100 80 60 40 20
0 1 2 3
2-硅
1-硒
4 5 f (kHz)
( d )频率特性
减少负载电阻RL，可使上限频率fH提高
§3.1.5 光敏三极管
发 射 15 光 10 功 率 5 P/mW 0 面发光
边发光 0 200 400 电流I /mA
图2.1.3-2 LED 的P-I曲线
普通发光二极管的检测
（1）用万用表检测 利用具有×10kΩ挡的指针式万用表可以大致判断发光二 极管的好坏。正常时，二极管正向电阻阻值为几十至200kΩ， 反向电阻的值为∝。如果正向电阻值为0或为∞，反向电阻值很 小或为0，则易损坏。这种检测方法，不能实地看到发光管的 发光情况，因为×10kΩ挡不能向LED提供较大正向电流。 如果有两块指针万用表（最好同型号）可以较好地检查发光二 极管的发光情况。用一根导线将其中一块万用表的“+”接线柱 与另一块表的“-”接线柱连接。余下的“-”笔接被测发光管的 正极（P区），余下的“+”笔接被测发光管的负极（N区）。 两块万用表均臵×10Ω挡。正常情况下，接通后就能正常发光。
0.5
0.4 0.3 0.2 0.1
RL=0 50Ω 100 1000 5000
0 200 400 600 800 1000 L(勒克斯) ( c )光照特性与负载电阻的关系
0
2．光谱特性 光电池的光谱特性决定于所采用的材料。
I(%)
100 80 60 40 20 0 1-硒 2-硅
200 400 600 800 1000 1200 λ(nm)
uL i RL SRL
上式中，为了得到较大的输出电压 uL，除串接较大的 R外， 后级电路的输入阻抗应尽可能大些。在图3.1.4－3(c)中，Cj 是结电容，一般较小，故在中频内可忽略，但在高频时不能 忽略，Cj直接影响光敏二极管的高频特性。
U max I RL
I
I I C I R U jC j 1 RL
( d )光谱特性
3．伏安特性 光电池的负载由 U=IRL 决定。
I(毫安)
0.6 0.5 0.4 0.3
a
900(勒克斯) 800 700
0.5kΩ
1kΩ
600
500
0.2 400 0.1 300
200
3 kΩ
100
0 100 200 300 400
U(毫伏)
( e ) 伏安特性
4．频率特性 ——导致电子瓶颈的主要原因
5．温度特性 硅光电池的开路电压随温度的升高而降低。
Uoc(毫伏) 600 500 400 300 200 100 0 30 60 Uoc Isc Isc(毫安) 60 50 40 30 20 10 90 T(℃)
( g )温度特性
三、电路
1．光电池用作太阳能电池
光电池用作太阳能 电池时的电路如图 3.1.3 －5所示。在黑夜或光 线微弱时，为防止蓄电 池经过光电池放电而设 臵二极管D。 图3.1.3－5 硅光电池作太阳能电池用
§2.1 发光二极管

§2.1.1 半导体光源的物理基础 §2.1.2 发光二极管的工作原理、结构及驱动 §2.1.3 LED的特性
2.1.1 半导体光源的物理基础

在物质的原子中，存在许多能级，最低能级E1 称为基态，能量比基态大的能级Ei(i=2,3,4…) 称为激发态。 电子在低能级与高能级之间可以有 3种跃 迁，下面以E1与E2能级为例进行介绍。
聚光光伏太阳能（CPV）
光电池便携式冰箱
雷诺电动小车，车顶配有蜂窝状光电池
§3.1.4 光敏二极管 一、结构和工作原理
与光电池相似，光敏 二极管是一种用PN结单向 导电性的结型光电信息转 换器件。其PN结装在管子 的顶部，以便接收光照。 其上面有一个透镜制成的 窗口，以便使光线集中在 敏感面，光敏二极管的外 形结构如图（a）所示。
（2）外接电源测量 用3V稳压源或两节串联的干电池及万用表（指针式或数 字式皆可）可以较准确测量发光二极管的光、电特性。为此 可按下图所示连接电路即可。如果测得VF在1.4～3V之间，且 发光亮度正常，可以说明发光正常。如果测得VF=0或VF≈3V， 且不发光，说明发光管已坏。
§3.1.3 光电池
兹曼常数，T为热力学温度。
（2.1.1-1）
式中， k 1.381 1023 J/ K ，为玻耳

在热平衡状态下，总是有 N1 > N2 。受激
吸收速率大于受激辐射速率。当光通过这
种物质时，光强按指数衰减，这种物质称
为吸收物质。

如果 N2 > N1 ，即受激辐射速率大于受激 吸收速率，当光通过这种物质时，就会产 生放大作用，这种物质称为增益介质
二、特性
1．光照特性 I(微安)
50 40 30
20
10 500 1000 L(勒克斯)
( a ) 硅光敏二极管的光照特性
2．光谱特性 I(%)
100
80
60 40 20 0 400 800 1200 1600
λ (nm)
( b ) 锗光敏二极管的光谱特性
3．伏安特性
I(微安)
25 20 15 800(勒克斯) 600 400 5 200 40 U (伏) ( c ) 硅光敏二极管的伏安特性 10 20 30
10
4．频率特性 是半导体光电器件中频率特性最好的一种
三、电路
+E U R
(a) +E R U
iφ
Cj
RL
RL=R//Ri
( c) (b) 图3.1.4-3 光敏二极管等效电路 (a)(b)输出电路；(c)等效电路
图 3.1.4-3 是光敏二极管的输出电路和等效电路。图 (a)和图(b)的差别是输出电压U是反向的。因为iφ= Sφ，由 图(c)可知：
一、光谱特性
发光二极管发射的是自发辐射光，没有谐振腔对波长 的选择，谱线较宽，如图2.1.3-1所示。
二、 光束的空间分布
在垂直于发光平面上，面 发光LED辐射图呈朗伯分布， 即 P( ) P ，半功率 0 cos 点辐射角 120 。 边发光型LED， // 120 25 ~ 35 。
jC j 1 RL
2
iφ
Cj ( c)
RL
U
I Rபைடு நூலகம் 1 jRLC j

U max U max 2 1 jRLC j 1 RLC j e j
令
1 RLC j 2
H RLC j 1
则光敏二极管的上限频率为：
1 fH 2RLC j
LED发光机制
LED的封装
理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体
材料禁带宽度Eg有关，即λ≈1240/Eg（mm）式中Eg的单 位为电子伏特（eV）。若能产生可见光（波长在380nm紫
光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之
间。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其 中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍。
2DU型硅光敏二极管外形
光敏二极管工作时一般加反向偏 压，如图（b）所示，无光照时，处于 反偏的光敏二极管工作在截止状态， 这时只有少数载流子在反向偏压的作 用下，渡越阻挡层，形成微小的方向 电流，即暗电流。当光敏二极管受光 照时， PN结附近受光子轰击吸收其能 量而产生电子空穴对，在外加电场和 内电场的共同作用下，电子渡越阻挡 层进入N区，空穴进入P区，从而使通 过PN结的方向电流大大增加，这就形 成了光电流。

三、驱动电路
Rb1 Vin Rb2 LED +5V
Re
图2.1.2-4 LED驱动电路
输出光功率被电信号所调制——数字、模拟。

四、符号及外形
LED外形可分为圆形、方形、矩形、三角形和组合形等多种 塑封LED按管体颜色又分为红色、琥珀色、黄色、橙色、浅 蓝色、绿色、黑色、白色、透明无色等多种
§2.1.3 LED的特性
一、原理与结构
利用了光生伏特效应
扩散
光照
由光照产生的电子和空穴在内电场的作用下才形成 光生电动势和光电流。光电池的光电效率非常低，最高 也只有百分之十几。
光电池的输出也受外接负载电阻大小的影响， 如图3.1.3－3所示。 I 等效成 RL (a) (b)
I
ID
rD
RL U
图3.1.3－3 负载大小对光电池输出的影响 当RL＝0时，U＝0，则 I＝Iφ＝Sφ 即输出电流与入射光通量φ成线性关系。
相 对 光 强
Δ λ =70nm
1300 波长/nm
图2.1.3-1 LED光谱
三、 输出光功率特性
LED实际输出的光子数远远少于有源区产生的光子数， 一般外微分量子效率（单位时间内发射的光子数与注入的电 子－空穴对数的比值）小于10%。发光二极管的输出光功率 特性如图2.1.3-2所示。驱动电流较小时，P-I曲线的线性较好； 电流过大时，由于PN结发热产生饱和现象，使P-I曲线的斜 率减小。
二、特性
1．光照特性 指光生电动势和光电流与照度的关系。光电池的电动势 与照度成非线性关系，而短路电流与照度成线性关系。所以， 当用光电池作为测量元件时，应以电流源的形式来使用。而 且，为保证测量有线性关系，所用负载电阻应较小。
Isc(毫安/厘米2 ) Uoc(伏) Isc(毫安/厘米2 ) Uoc(伏) 0.4 0.3
（或激活介质）。

半导体是由大量原子有序排列构成的共
价晶体。
能量 Eg/2 Eg/2 导带 EC EF EV 价带
Eg 导带 导带
Eg
EC EF
EC
Eg EF EV 价带
EV
价带
(a) 本征半导体
(b) N型半导体
(c) P型半导体
图2.1.1-2半导体的能带和电子分布

根据量子统计理论，在热平衡状态下，能 量为E的能级被电子占据的概率为费米 -狄拉克
5
4 3 2 1
Uoc
0.4
0.3
0.3 0.2
Uoc Isc
Isc
0.2 0.1
0.2 0.1
0.1
0
0
0 2000 4000 6000 8000 10000
0 1000 2000 3000 4000 5000
L(勒克斯) ( a )硅光电池的光照特性
L(勒克斯) ( b )硒光电池的光照特性
I(毫安)
分布
1 P( E ) E Ef 1 exp kT

（2.1.1-2）
E f 称为费米能级，用来描述半导体中
各能级被电子占据的状态。
内建电场
P
空间电荷区
N
空穴
扩散 漂移
电子
图2.1.1-3 PN 结内建电场的形成及载流子的运动
PN结加正向电压时导通： 耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成 扩散电流，PN结处于导通状态。在扩散过程中，导带的电 子可以跃迁到价带与空穴复合，产生自发辐射光。