31
¾
¾
一 光电二极管工作原理
光电流
Ｐ
Ｎ
入射光波长需满足：
1.24 λ ( μm) ≤ λc = E g (eV )
光电二极管工作原理示意图
32
二 光电二极管结构
硅光电池的两种典型结构：
电极 SiO2 光 P+ N 光 SiO2 前极 N+ N+ P 电极 后极 环极
后极 前极
2CU型
电极
RL
N+
2DU型
RL
环极
33
二 光电二极管结构
环极的作用：
前极 SiO2膜 表面 漏电流 R N+ P 环极
++
-
++
- -
N+
N+ P
N+
保护环
后极 表面漏电流的形成 环极结构
环极
前极
34
二 光电二极管结构
硅光电二极管的外形及灵敏度的方向问题：
300 200 100 00 100
θ
400
0% 0 1
凸镜
Si
Ge
（2）响应度（灵敏度）
IP eλ =η P0 hc
R0 ( μA μW ) =
波长(um)
800 1200 1600
36
光电二极管光谱响应曲线
三 光电二极管的工作特性
3. 照度特性 IL/uA
40 30 20 10 0 200 400
2
A U C
2C
A 2 U
2CU5 L/lx
600
800 1000
ΔVs = ΔiRL = − VΔRd RL ( R L + Rd ) 2
光电导探测器工作电路
使Vs有最大值时的负载电阻： (ΔVs ) ′RL = 0 ⇒ Rd = R L （最佳匹配条件）
8
一 光电导器件工作特性
7.基本工作电路
（2）偏压选择问题 负载电阻热损耗功率：
⎡ V0 ⎤ ⎢ ⎥ Rd ≤ Pmax (最大耗散功率 ) ⎣ R L + Rd ⎦
CdS光敏面 梳状 电极
11
二 几种典型的光敏电阻
1.种类
¾ CdS和CdSe：自动化技术和摄影机中的光计量。 ¾ PbS：遥感技术和武器红外制导。 ¾ InSb：快速红外信号探测。
2. 使用注意事项
¾ 光源光谱须与光敏电阻的光谱响应特性匹配。 ¾ 防止杂散光影响。 ¾ 电压、功耗等电参数不超过允许值。 ¾ 根据不同用途选择不同特性的光敏电阻。
v(Hz)
典型光电导探测器的噪声功率谱
7
一 光电导器件工作特性
7.基本工作电路
（1）低频条件下的负载匹配问题
Rd V0 RL
C VS
V0 i= R L + Rd
Δi = −
V0 i + Δi = RL + Rd + ΔRd
V0 ΔRd VΔRd ≈− ( RL + Rd + ΔRd )( RL + Rd ) ( R L + Rd ) 2
U(mV)
硅光电池的输出特性
RL1 < RL 2 < RL 3
20
二 光电池特性
3. 光照特性
硅光电池 硒光电池
Isc(mA/cm2)
5 4 3 2 1 0 2 4
Voc(V)
开路电压
0.5 0.4 0.3
Isc(mA/cm2)
0.3 0.2 0.1
Voc(V)
0.5 0.4 0.3
开路电压
短路电流
60 50 40 30 20 10 90
T(0C)
光电池的温度特性曲线
23
二 光电池特性
6、输出功率和最佳负载电阻
电输出功率：P=UI 获得最大电功率输出时的负载电阻 光电池转换效率：最大电输出功率与入射光功率的比值
θm
开路电压
Pm η= (10% ~ 15%) P0
Rm = 1 tan θ m
一定光功率下的伏安曲线 短路电流
19
开路电压
I p − I sh kT Voc = ln( + 1) e Is
RL
光电池的等效电路
二 光电池特性
2. 伏安特性 I(mA)
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
RL1 RL2
P1(1000lx) P2 P3 P4 P5
RL
RL3
光电池的基本电路
P1 > P2 > P3 > P4 > P5
6 8
0.2 0.1 10
短路电流
0 1 2 3 4 5
0.2 0.1
E/klx
E/klx 光电池的光照特性曲线
21
二 光电池特性
3. 光照特性 I (mA)
0.4 0.3 0.2 0.1 0
4. 频率特性
RL = 0Ω
50Ω 100Ω
相对响应I（100%）
100 80 60 40 20 102 103
硅光电二极管光照特性曲线
37
三 光电二极管的工作特性
4. 响应时间 I
光 强 0
I
100％ 90％
10％
t
t0
0
tr
tf
t
入射的矩形光脉冲信号
探测器输出光电流波形
影响响应时间的主要因素：载流子的运动速度
38
三 光电二极管的工作特性
5. 伏安特性 I/uA
25 20 15 10 5 0 10 20 30 800lx 600lx 400lx 200lx 40
16
二 光电池特性
1. 光谱特性
相 1.0 对 0.8 响 应 0.6 率 0.4
0.2
硒光电池
硅光电池
0 200 400
波长(um)
600 800 1000 1200
光电池光谱特性曲线
17
二 光电池特性
2. 伏安特性
短路电流：在一定光功率照射下将光电池两端用一低内阻电流表短接， 所测得的电流值。 开路电压：在一定光功率照射下将光电池两端开路，用一高内阻电 压表所测电压值。
低偏压、弱光照条件下近似：
5 4 3 2 1 E（×102lx) 0 5 10 15 20 25 CdS光敏电阻的光照特性曲线
5
I = KVE
一 光电导器件工作特性
4. 响应速度
调制频率升高，响应度下降
Rv = Rv 0 (1 + ω τ )
2 2 1 2
5. 温度效应
温度升高时产生的影响： ¾ 热噪声变大 ¾ 灵敏度降低 ¾ 峰值响应波长向短波长方向移动 ¾ 响应时间下降
2
第七章 光电转换器件
光热效应分类
效应 测辐射热计效应 温差电效应 热释电效应 相应的探测器 热敏电阻、金属测辐射热计、 超导远红外探测器 热电偶、热电堆 热释电探测器
3
7-1 光电导探测器
一 光电导器件工作特性
1.响应度（灵敏度）
电流响应度： 电压响应度：
2.光谱特性
峰值响应波长：
I RI = ( A W ) P
U/V
硅光电二极管伏安特性曲线
39
三 光电二极管的工作特性
6. 温度特性 I/uA
30 20 10 -40 -20 0 20 40 10 10 0.1
Ip=0/uA
T/0C
60
0.01 0
T/0C
20 40 60 80
硅光电二极管温度特性曲线
40
四 PIN光电二极管
电极 SiO2 P+ 光
0
E
I：Intrinsic 电极 N
截止频率：Rv = 0.707 Rv 0 ⇒ ω
相 对 100 响 63 应 37 (%) tr 光电导的驰豫 td
tτ
6
一 光电导器件工作特性
6. 噪声特性
2 IN
7.基本工作电路
1/v 噪声 g-r噪声
1k 1M
暗电阻：在室温和全暗条件下测得 的稳定电阻值称为暗电阻，或暗阻。 此时流过的电流称为暗电流。 热噪声 亮电阻：在一定光照条件下测得的 稳定电阻值称为亮电阻或亮阻。 此时流过的电流称为亮电流。
第七章 光电转换器件
7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 光电导探测器 光电池 光电二极管 光电倍增管 电荷耦合器件
1
第七章 光电转换器件
光子效应分类
效应 外光电效应 光电子发射 光电子倍增 光电导 PN结零偏 内光电效应 光生伏特 PN结反偏 雪崩 肖特基势垒 相应的探测器 光电管 光电倍增管、像增强管 光敏电阻、光导管 光电池 光电二极管 雪崩光电二极管 肖特基势垒光电二极管
200
平镜
300 400
相
对
% 80
灵
敏
60
%
% 40
度
% 20
硅光电二极管的外形
灵敏度的角度变化
35
三 光电二极管的工作特性
1. 光电转换特性
（1）量子效率
2. 光谱特性
截止波长： λc ( μm) =
1.24 E g (eV )
η=
Ip e P hv
I (100%)
100 80 60 40 20 400
RL = 1kΩ
10kΩ
1000Ω
5000Ω
0.2 0.4 0.6 0.8 1
100kΩ
E/klx
v(Hz)
104
硒光电池的光照特性与负载电阻的关系
硅光电池的频率特性曲线
22
二 光电池特性
5. 温度特性 Voc(mV)