第三章结型光电器件

要使输出电压的变化范围为6V，求所需的负载电阻的大
小，试做出负载线。
Ub=-9V
E=0
I（μA）
U(V) -0.5
E=100W/m2
-5.5
RL U b RL
入射 光 透镜（光窗） 光敏面
外形图:
前极
P-Si
2CU型
N-Si 后极
环极
前极
环极
N+ N-Si N+ 2DU型
P-Si 后极
3.3.2 硅光电三极管
P
扩散电流 N
IL
光伏工作区
E=0
U
E1
RL2
E2
RL1
漂移电流 光电流 ID
qU
IP
RL
IL Ip I0ekT 1
U
IL
U RL
I
E=0
E1 E2
Uoc U
Isc
qU
ILIPI0(eKT1)
开 IL 0
路 电 压
U
Uoc
kqTln
Ip I0
1
kT q
ln
Ip I0
kT q
ln
SE E I0
第三章 结型光电器件
结型 光电器件主要包括： 光电池、光电二极管、光电晶体管、PIN管、雪崩光电二极管、 光可控硅、象限式光电器件、位置敏感探测器（PSD）、光电 耦合器件等 可以分为：PN结型、PIN结型、肖特基结型
3.1 结型光电器件工作原理
3.1.1 热平衡下的PN结
内建电场消弱扩 散、增强漂移， 直到两者达到平 衡。
E 对于矩形
脉冲光照
1.0
0.63
0.37
t
上
对于正弦 形光照 E
t 下
Is
t
t
4. 温度特性
光电池外形：
3.3硅光电二极管和硅光电三极管
3.3.1
硅光电二极管
PN
E
----外加反向偏压
I
E=0
U
U
ID
E1
IP
E2 光导工作区
RL
Ub
qU
ILIpI0(ekT1) IPI0IPSEE
UILRLUb0
y L I y I y I y I y
x x'
IP
y y'
x x' y y'
IP
c. 改进型表面分离型PSD
xL(Ix Iy)(IxIy ) IxIx IyIy
yL(Ix Iy)(IxIy) IxIx IyIy
3）PSD转换放大电路
I1 IL x A 2 L I2 IL x A 2 L
x L I 2 I 1 I 1 I 2
1
P I N
L
xA Ф 2
3
L
I
1
2
3
I1
I2
IP
2）二维PSD
a.两面分离型PSD
x L Ix Ix Ix Ix
y L I y I y I y I y
b.表面分离型PSD
x L Ix Ix Ix Ix
Uoc
kqTln
Ip I0
1
kT q
ln
Ip I0
kT q
ln
SE E I0
对数 关系
例：设一光电池，在入射辐照度为100W/m2时的开路电压为0.412V，求该 光电池在入射辐射照度变为150W/m2时的开路电压，已知环境温度为 T=300K。(波耳兹曼常数K=1.38×10-23焦/度)。
I I SE (2)短路时
开路电压
短
路 电
RL 0
流
UILRL0 ILIPSEE
ISC 短路电流
3.2.1 硅光电池的基本结构
E
PN
IL
RL
3.2.2 硅光电池的特性参数
1.光照特
性
qU
ILIPI0(eKT1)
(1)开路时 RL IL 0
IL
Isc4 E 1 Isc3 E 2 Isc2 E 3 Isc1 E 4
Uoc1 Uoc2 Uoc3 Uoc4 U
RL
光导工作模式：
P
N
工作在反 偏状态下 RL
Ub
3.2 硅光电池 ---不加外电压 P 扩散电流 N
3.2.1—之--基本原理
漂移电流
IL Ip ID
qU
Ip I（0 e kT 1）
光电流
SEE
扩散 漂移
wk.baidu.com
ID
U
IL
IP
RL
E=0
U
E1
U
E2
Rs
IP
ID
Cj
Rsh U
RL IL
U IL( RL RS ) ILRL
E内
P
N
扩散
漂移
当外加偏压时：
E内
P
N
扩散
qU
ID I0(ekT 1)
ID U
漂移
正向 U 外加偏压
反向
3.1.2 光照下的PN结
1.PN结光伏效应
P
N
P
N
光伏效应--
--光生伏特
效应，是
指光照射
半导体的
结区或金
属和半导
体的结区 时，产生
P
N
电位差的
现象。
光伏工作模式：
P
N
工作在零偏 置状态下
时间常数 小于 0.1μs
有电流放大作用，所以光电三极 管的光电流和暗电流都大的多， 必要时可采用温控或电路补偿
取决于发射结电容C、RL和光生载 流子的基区渡越时间 时间常数长达5~10μs
3.4 结型光电器件的放大电路
3.4.1 结型光电器件与放大三极管的连接
硅管
锗管
硅管
3.4.2 光电器件与集成运算放大器的连接
优点： ①耗尽层厚度变大，结电容变小，响应时间变小,最高可达 0.1ns ②耗尽层厚度变大，增大了对光的吸收和光电转换区域 ③增加了对长波的吸收，提高了长波灵敏度，0.4~1.1μm ④可承受较高的反向偏压，线性范围变宽
2. 特殊结构的PIN型光电二极管---光电位置传感器（PSD）
1）一维PSD
RL 0
L
P
E
线性 关系
线性区
IL
Uoc1 Uoc2 Uoc3 Uoc4
Uoc
Uoc
Isc
Isc
E
(3)有限大负载时
Isc1 Isc2
Isc3
E1
U
E2
E3 E4
RL2
Isc4
RL1
120Ω
I
2.4KΩ 负载电阻越小，
12K Ω 线性范围越大
Ф
硅光电池光照与负载特性
2. 光谱特性
3. 频率特性
Is
ULRLILRLSEE
总结： P N
E
qU
IL IpI0(ekT1)
U
IL
RL
Ub
硅光电二极管和光电池的区别 ①………… ②………… ③………… ④ …………
IL(UbU)/RL
IL
Ub Ub=0
E=0
E1
RL
E2
光敏二极管工作区
U RL
光电池工作区
Ub
IP
RL
RL
例： 设有一光电二极管工作时的外加电源电压为Ub=9V, 光敏二极管上的输照度在0~100W/m2之间做正弦变化，
c IP Id
IC (IP Id )IPS E E
N P b
EP
N+
e
E内 E外 Ub 集成光电三极管：
3.3.3 硅光电三极管与硅光电二极管特性比较
1.光照特性
2.伏安特性
主要表现为4个方 面：
①……
②……
③……
④……
3.温度特性
光 电 流
暗 电 流
4.频率响应特性
主要取决于 结电容Cj和 负载电阻RL
B
B
A
电压 C
A 跟随
器
3.5 特殊结型光电二极管
3.5.1 象限探测器
每个区域相当 于一个光电二 极管
它们应有相同 的转换效率 缺点： ①由于表面分割，从而产生死区 ②若光斑落入一个象限，则无法判断输光斑的准确位置 ③受光强变化的影响，分辨率不高
3.5.2 PIN型光电二极管
1. 普通PIN型光电二极管