光电检测技术 第四章

I=Is0(eqU/KT1) Ip
有光照无偏压流过PN结的电流方程： 有光照时，若p-n结外电路接上负载电阻RL ，如 下图所示，此时p-n结内出现两种方向相反的电流： 一种是光激发产生的电子—空穴对，在内建电场 Ip 作用下，形成的光生电流 ，它与光照有关，其 I 方向与p-n结反向饱和电流 相同；另一种是光 Ip 生电流 流过负载 产生电压降，相当于在p-n RL ID 结施加正向偏臵电压，从而产生正向电流 。
光电池的特性参数
③频率特性 频率特性指光电池相对 输出电流与光的调制频 率之间关系。 • 硅、硒光电池的频率特 性不同，硅光电池频率 响应较好，硒光电池较差。 • 所以高速计数器的转换 一般采用硅光电池作为 硅、硒光电池的频率特性 传感器元件。
光电池的特性参数
③频率特性
（1）要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻；
第4章
光伏特探测器
掌握内容
光伏特探测器原理和特性。
理解内容
光伏探测器的电路偏臵
了解内容
第四章
主要内容
§4.1光伏特效应 §4.2光伏探测器的工作模式 §4.3光电池 §4.4硅光电二极管和三极管
§4.1光生伏特效应
内光电效应 光生伏特效应： 光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在PN 结上产生电动势的效应。 为什么PN结会因光照产生光生伏特效应呢？
有下面两种情况： • 不加偏压的PN结 • 处于反偏的PN结
§4.1光生伏特效应
一、半导体P-N结
无光照P-N结
无光照流过PN结的电流方程：
I d I s 0 (e
qU / KT
1)
一、半导体P-N结
光照射P-N结
• 不加偏压的光照PN结
当光照射在PN结时，如果电子能量大于半导体禁带 宽度（E0 ＞ Eg）,可激发出电子——空穴对，在 PN结内电场作用下空穴移向P区，而电子移向N区， 使P区和N区之间产生电压，这个电压就是光生电动 势。如果用一个理想电流表接通PN结，则有由N区 流向P区的电流Ip通过，称为短路光电流。 基于这种效应的器件有 光电池
（2）当负载电阻短路时(实际为外接负载RL相对内阻很 小时)，光生电压接近于零，流过器件的电流叫短 路电流，其方向从p-n结内部看是从n区指向p区， 这时光生载流子不再积累于p-n结两侧，所以p-n结 又恢复到平衡状态。这时p-n结光电器件的短路光 电流与照度（弱照度）或光通量成正比，从而得到 最大线性区，这在线性测量中被广泛p-n结应用。
如图4-3所示，一个PN结光伏探测器就等效为一个普 通二极管和一个电流源（光电流源）的并联，它的工作模 式则由外偏压回路决定。如图（c）所示，在零偏压的开 路状态，为光伏工作模式。如图（d）所示，当外回路采 用反偏电压Ub，即外加P端为负，N端为正的电压时。无光 照时的电阻很大，电流很小；有光照时，电阻变小，电流 就变大，而且流过它的光电流随照度变化而变化。从外表 看，PN结光伏探测器与光敏电阻一样，同样也具有光电导 工作模式，所以称为光导工作模式.
光电池（有源器件）
太 阳 电能 警供 示
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LED
太 阳 能 电 池
光电池（有源器件）
结构：光电池实质是一个大面积PN结，上电极为栅 状受光电极，下电极是一层衬底铝。 原理：当光照射PN结的一个面时，电子——空穴对 迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关 的电动势。一般可产生0.2V～0.6V电压50mA电流。
s0
流过p-n结的总电流是两者之差：
I L I D I P I s 0 (e
qv / KT
1) I P
以p-n结的正向电流 I D 的方向为 正方向
一、半导体P-N结
• 处于反偏的PN结：
无光照时，反向电阻很大，反向电流很小； 有光照时，光子能量足够大产生光生电子 —空穴对， 在PN结电场作用下，形成光电流， 电流方向与反向电流一致，光照越大光电流越大。
负载大时频率特性变差，减小负载可减小时间常数， 提高频响。但负载电阻的减小会使输出电压降低，实际使 用时视具体情况而定。 （2）光电池面积越大则响应时间越大，因为光电池面积越 RL C j 大则结电容 C j 越大，在给定负载 RL 时，时间常数 就越大，故要求短的响应时间，必须选用小面积光电池。 总的来说，由于硅光电池光敏面积大，结电容大，频 响较低。为了提高频响，光电池可在光电导模式下使用， 只要加1~2伏的反向偏臵电压，则响应时间会从1微秒下降 到几百纳秒。
光电池的特性参数
④温度特性
光电池的参数 随工作环境温度改 变而变化。 开路电压具有 负温度系数，而短 路电流具有正温度 系数。
光电池的特性参数 ⑤稳定性
当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合 理时 ,光电池的性能是相当稳定的 ,使用寿命也很 长。硅光电池的性能比硒光电池更稳定。光电池 的性能和寿命除了与光电池的材料及制造工艺有 关外,在很大程度上还与使用环境条件有密切关系。 如在高温和强光照射下 ,会使光电池的性能变坏 , 而且降低使用寿命 , 这在使用中要加以注意。表 4.1 给 出 了 几 种 硅 光 电 池 的 性 能 参 数 , 以 供 参 考。
光电池的特性参数
①光照特性 • 开路电压，光生电动势与照度之间关系称开 路电压曲线，开路电压与光照度关系是非线 性关系，在照度2000lx下趋于饱和。 • 短路电流，短路电流与照度之间关系称短路 电流曲线，短路电流是指外接负载RL相对内 阻很小时的光电流。 • 光照特性主要包括有：伏安特性、照度-电流 电压特性和照度-负载特性。
伏安特性
I I p－I d I p I s 0 (e
qU / KT
1) S e E I s 0 (e
qU / KT
1)
图4-8 硅光电池伏安特性曲线
当E=0时，I I s 0 (e qU / KT 1) I d
当光电池外接负载 电阻RL后，负载电 阻RL上所得电压和 电流在特性曲线转 弯点时，电流和电 压乘积为最大，光 电池输出功率为最 大。可以看出：负 载电阻愈小，光电 池工作愈接近短路 状态线性就较好。
(另解)有光照无偏压流过PN结的电流方程： PN结中光生电子与空穴的流动，使P区的电势增高， 这相当于在PN结上加一正向偏压U，这个正向电压使 PN结势垒由eVD降至eVD－eU。同时，这个正向电压还 引起电流Id＝Is0(eqU/KT1)流过PN结，Id的方向正好 与上述光电流Ip的方向相反。所以，在入射光辐射 作用下流过PN结的总电流为
1)
kT I P U / RL I s 0 U ln q I s0
I P U / RL I s 0 kTU / q P IU (ln ) RL I s0
光电池偏臵电路
根据所选负载电阻的数值不同可以把光电池的工作曲线分作四 个区域，分别如下图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表示，对应的四个工作 状态为短路或线性电流放大、线性电压放大、空载电压输出和 功率放大。
P-N结的电流电压特性
–
– –
正向偏臵：无光电效应 反向偏臵：光电导工作模式 零偏臵：光伏特工作模式
图4-2 光照下PN结及其伏安特性ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ线
§4.2 工作模式
根据光照PN结时流过p-n结的电流，可画出在不同照 度下PN结光电器件的伏安特性曲线。
第一象限正偏压， Id本来就很大，所 以光电流Ip不起重 要作用。第三象限 反向偏压，这时Id ＝Is0，它是普通二 极管中的反向饱和 电流，现在称为暗 电流（对应于光照 度E＝0），数值很 小，这时的光电流 （等于I-Is0）是流 过探测器的主要电 流，对应于光导工 作模式。 在第四象限中， 外偏压为0，流 过探测器的电 流仍为反向光 电流。随着光 功率的不同， 出现明显的非 线性。这时探 测器的输出通 过负载电阻RL 上的电压或流 过RL上的电流 来体现，因此 称为光伏工作 模式。
表4.1
几种硅光电池的性能参数
光电池偏臵电路
5、
(a)基本形式
(b)等效电路 (c)图解法 图4-14 硅光电池无偏臵电路
光电池偏臵电路
可以用图4-14（c）定性分析，也可定量地描述 负载电阻和入射光通量对电路工作状态（I、U、P） 的影响，即
I I P I s 0 (e
IRL KT / q
光电池工作原理图
光电池结构
光电池的工作原理
（a）光电池工作原理图 （b）光电池等效电路图 （c）进一步简化 图4-7 光电池的工作原理图和等效电路
I L I P I D I P I s 0 (e
qv / KT
1)
光电池的特性参数
①光照特性 • 开路电压，光生电动势与照度之间关系称开 路电压曲线，开路电压与光照度关系是非线 性关系，在照度2000lx下趋于饱和。 • 短路电流，短路电流与照度之间关系称短路 电流曲线，短路电流是指外接负载RL相对内 阻很小时的光电流。
光电池的特性参数
②光谱特性 光谱特性表示在入射光能 量保持一定的条件下，光 电池所产生的短路电流与 入射光波之间的关系。 器件的长波限取决于材料 的禁带宽度，短波则受材 料表面反射损失的限制， 其峰值不仅与材料有关， 而且随制造工艺及使用环 境温度不同而有所不同。
光电池的特性参数
②光电池谱特性
光电池对不同波长的 光灵敏度不同。 • 硅光电池的光谱响应 峰值在0.8μm附近， 波长范围0.4～1.2μm。 硅光电池可在很宽的 波长范围内应用。 • 硒光电池光谱响应峰 值在0.5μm附近, 波 长范围0.38～0.75μm。
电流、电压与受光面积的关系
光照与负载特性
光电流在弱光照射 下与光照度成线性关 系。光照增加到一定 程度后，输出电流非 线性缓慢地增加，直 至饱和，并且负载电 阻越大，越容易出现 饱和，即线性范围较 小。因此，如欲获得 较宽的光电线性范围， 负载电阻不能取很大。