光电探测技术与应用 课后习题与答案

解：参见教材习题 P77 例 3-2 8 利用 2CU22 光电二极管和 3DG40 三极管构成如图 3-46 所示的探测电路。已
知光电二极管的电流灵敏度 Si 0.4A / W ，其暗电流 I D 0.2 A，三极管 3DG40 的电流放大倍数 50 ，最高入射辐射功率为 400 W 时的拐点电压 U Z 1.0V 。求入射辐射功率最大时，电阻 Re 的值与输出信号U o 的幅值。入射辐 射变化 50W 时的输出电压变换量为多少？
静电感应所产生的表面漏电流，在氧化层中也扩散一个环形 p-n 结而将受光面包围起来，即
引入环极，以增加高阻区宽度，避免边缘过早击穿。
3 为什么在光照度增大到一定程度后，硅光电池的开路电压不再随入射照度的增大而增
大？硅光电池的最大开路电压为多少？为什么硅光电池的有载输出电压总小于相同照 度下 的开路电压？
则 Re
U0 Ie
10.3 8.15
1.264K 1260
由 I Si Eei ，则 I 0.4 50 20uA
从而 Ie 1 I 51 20 1020uA 1.02mA
所以有输出电压的变化量为 U 0 Ie Re 1.02 1260 1.285V
11 何谓 PSD 器件？PSD 器件有几种基本类型？你能设计出用 1 维 PSD 来探测光 点在被测体上的位置吗？
0 ，求得最大开路电压。由
qU
qU
于输出电压U o I L RL [I P I D (e kT 1)]RL ，即包含了扩散电流 I De kT 和暗电流
I D 的影响，使得硅光电池的有载输出电压总小于开路电压U oc 。
1
4 光生伏特器件有几种偏置电路？各有什么特点？
答：光生伏特器件有以下几种偏置电路： （1）自偏置电路。特点是光生伏特器件在自偏置电路中具有输出功率，且当负载电阻为最 佳负载电阻时具有最大输出功率。其缺点在于输出电流或输出电压与入射辐射间的线性关系 很差，在实际测量电路中很少应用。 （2）反向偏置电路。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，被广泛应用于大范围 的线性光电检测与光电变换中。
解：由题意，当 T=300K， Ee 100mW / cm2 时， U oc 550mV , I SC 28mA ，则由
U oc
kT q
ln
I I
D
1
以及 I sc
I
q hv
(1
ed
)e,
得 I1
I sc1
Ee1 Ee
I sc
200 28 100
56mA
Uoc1
Uoc
KT1 q
In
I1 ID
（3）零伏偏置电路。光生伏特器件在零伏偏置下，输出的短路电流 I SC 与入射辐射量成线
性变化关系。因此，零伏偏置电路是理想的电流放大电路，适合于对微弱辐射信号的检测。
5 在室温 300K 时，已知 2CR21 型硅光电池（光敏面积为 5mm 500mm）在辐 照度为100mW / cm2 时的开路电压为U oc 550mV ，短路电流 I sc 6mA 。试求： （1）室温情况下，辐照度降低到 50mW / cm2 时的开路电压U oc 与短路电流 I sc 。 （2）当将该硅光电池安装在如图所示的偏置电路中时，若测得输出电压U o 1V ， 求此时光敏面上的照度。
L
所输出的总光电流为
I P I1 I2
5
12 为什么越远离 PSD 几何中心位置的光点，其位置检测的误差越大？ 答：理想的 PSD 器件要求 P 型层不仅是光敏层，而且是一个均匀的电阻层。 电阻的均匀程度直接影响到光斑左右两侧的光电流差值的准确性。很显然，由于 受制造工艺的影响，不可能做到电阻分布严格均匀，事实上距离中心较近的位置 电阻均匀性较好，而偏离中心的位置电阻均匀性差。因此，检测的误差随位置偏 离而增大。
6
则 I D 相对于 I 非常小，
U oc1
U oc
KT q
ln
I1 I D I ID
KT q
ln
I1 I
0.026 ln 3 6
0.018V
18mV
所以U oc1 U oc 18 550 18 532mV
（2）由于运放的开环增益 A 105 ，故可将电路视为零伏偏置电路，则
Uo
I sc2 R f
I
q h
(1 ed ) e,
qU
I I D (e kT 1)
I D 为暗电流，U 为加在光电二极管两端的电压，T 为器件的温度，k 为玻尔兹曼常熟，q
2 比较 2CU 型硅光电二极管和 2DU 型硅光电二极管的结构特点，说明引入环
极的意义。
答：2CU 型硅光电二极管是采用 n 型硅材料作基底，在 n 区的一面扩散三价元素硼而生成
光电探测技术与应用 主编：郝晓剑 李仰军 国防工业出版社
第4章 半导体结型光电器件
1 写出硅光电二极管的全电流方程，说明各项的物理意义。
答：硅光电二极管的全电流方程为
I
q hc
(1
e d
)
e,
qU
I D (e kT
1)
式中， 为光电材料的光电转换效率， 为材料对光的吸收系数。
光电流为
无辐射时的电流为
I sc2
Uo Rf
1 24
0.0416mA
则，E
e2
I sc2 I sc
Ee
0.0416 6
100
0.69mW
/ cm2
6 已知 2CR44 型硅光电池的光敏面积为 10mm 10mm，在室温为 300K、辐照 度为 100 mW / cm2 时的开路电压U oc 550mV ，短路电流 I sc 28mA 。试求：辐 照度为 200 mW / cm2 时的开路电压U oc 、短路电流 I sc 、获得最大功率的最佳负载 电阻 RL 、最大输出功率 Pm 和转换效率 m
重掺杂 p 型层， p 型层和 n 型硅相接触形成 p-n 结，引出电极，在光敏面上涂上 SiO2 保
护膜。2DU 型硅光电二极管是以轻掺杂、高阻值的 p 型硅材料做基底，在 p 型基底上扩散
五价元素磷，形成重掺杂 n 型层，p 型硅和 n 型硅接触形成 p-n 结，在 n 区引出正极，并 涂以透明的 SiO2 作为保护膜，基底镀镍蒸铝后引出负电极。在硅光电二极管的制造过程中， 在光敏面上涂 SiO2 保护层的过程中，不可避免的会沾污一些杂质正离子，通过静电感应引 起表面漏电流，并进而产生暗电流和散粒噪声。因此，为了减少由于 SiO2 中少量正离子的
最大输出功率 Pm U m I m 340.8 56 103 19.08mW
转换效率 m
Pm
Pm E S
19.08 9.54% 200 1
7 已知光电三极管变换电路及其伏安特性曲线如图 3-45 所示。若光敏面上的照
度变化 e 120 80sin wt(lx) ，为使光电三极管的集电极输出电压为不小于 4V 的 正弦信号，求所需要的负载电阻 RL 、电源电压U bb 及该电路的电流、电压灵敏度， 并画出三极管输出电压的波形。
0.018V
18mV
所以U oc1 U oc 0.018 568mV 则当负载电阻为最佳负载电阻时，可取输出电压U m 0.6U oc1 340.8mV 而此时的输出电流近似等于光电流，即 I m I1 56mA
3
则获得最大功率的最佳负载电阻 Rl
Um Im
340.8 56
6.08
答：答：当光照强度增大到某个特定值时，硅光电池的 p-n 结产生的光生载流子 数达到了最大值，即出现饱和，再增大光照强度，其开路电压不再随之增大。硅
光电池的开路电压表达式为U oc
kT q
ln( I ID
1) ，将 I
q h
(1 ed ) e, 代入
的表达式并求关于
的一阶导数，令
dU oc d
max
答：PSD 即光电位置敏感器件，是基于光生伏特器件的横向效应的器件，是
一种对入射到光敏面上的光电位置敏感的光电器件。它有三种基本类型，即一维 PSD 器件和二维 PSD 器件。用一维 PSD 来探测光点在被测体上的位置，其原理图如下
图所示
被测光斑在光敏面上的位置由下式计算，即
xA
I2 I2
I1 I1
，
I sc1
I 1
Ee1 Ee
I sc
50 6 3mA 100
Uoc1
பைடு நூலகம்
Uoc
KT1 q
In
I1 ID
1
KT q
I
I ID
1
又T1 T
2
而 ID
I
qUoc
3
6 10 1.61019550103
3.529 1012 A 3.529 109 mA
e kT 1 e 1 1.381023300
4
解：由题意，当最高入射辐射功率为
400uW 时，拐点电压为 1.0V，则由
I p e, Si 得 I p 400 0.4 160uA ， Ib I p I D 160 0.2 159.8uA
由 Ie 1 Ib 51159.8uA 8.15mA
又U o U bb U z U be 12 1 0.7 10.3V
解：（1）由题意，在温度为 300K 条件下，当辐照度 Ee 为100mW / cm2 时， 开路电压U oc 550mW ，短路电流 I sc 6mA ，则由
U oc
kT q
ln( I ID
1) 及 I sc
I
q h
(1 ed ) e,
得，在室温情况下，辐照度为
Ee1 50mW / cm2时
1
KT q
I
I ID
1 又T1
T
而ID
I
qUoc
28 103
550103
18.244 1012 A 18.244 109 mA
e KT 1 e 0.026 1
则 I D 相对于 I 非常小，
U oc1
U oc
KT q
ln
I1 I D I ID
KT q
ln
I1 I
0.026 ln 56 28