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1、第三章 结型光电器件,精品课件,利用半导体PN结光伏效应制成的器件称为光伏器件，也称结型光电器件。,光电池、光电二极管、光电晶体管、光电场效应管、PIN管、雪崩光电二极管、光可控硅、阵列式光电器件、象限式光电器件、位置敏感探测器、光电耦合器件等。,光伏探测器的工作特性要复杂一些。,通常有光电池和光电二极管之分，也就是说光伏探测器有着不同的工作模式。,因此在具体讨论光伏探测器的工作特性之前，首先必须弄清楚它的工作模式问题。,精品课件,为了便于理解在后面将要引入的光伏探测器的等效电路，有必要先讨论一下光伏探测器的光电转换规律。,PN结光伏探测器的典型结构如图所示。,一、结型光电器件工作原理,为了说
2、明光功率转换成光电流的关系，设想光伏探测器两端被短路，并用一理想电流表记录光照下流过回路的电流，该电流为短路光电流,精品课件,（一）热平衡状态下的PN结,P型材料和N型材料紧密接触，在交界处就形成PN结,在热平衡条件下，PN结中净电流为零,如果有外加电压时结内平衡被破坏，此时流经PN结的电流方程？,ID与外加电压有关,当U=0时？,当U0时？,当U0时？,精品课件,（1）.PN 结正向偏置,P,N,+,_,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,精品课件,（2）.PN结反向偏置,N,P,+,_,内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流
3、。,R,E,精品课件,(二).光照下的PN结,假定光生电子-空穴对在PN结的结区内产生。由于内电场作用，电子从P区向N区漂移运动，被内电场分离的电子和空穴就在外回路中形成电流。,流过负载的电流产生的压降，对PN结来说就好像是一个正偏置，从而产生正向电流！,自偏置,IP与光照有关，随着光照增大而增大,开路电压,短路电流,不同光照下的伏安特性曲线,精品课件,光伏效应有两个重要参数:,当负载电阻短路(即RL=0)时，光生电压接近于零，流过器件的电流叫短路电流，用Isc表示,当负载电阻RL断开(IL0)时，P端对N端的电压称为开路电压，用Uoc表示,开路电压和短路电流,精品课件,不同光照下的伏安特性曲
4、线,一般硅光电池工作在第四象限。若硅光电池工作在反偏置状态，则伏安特性将延伸到第三象限,普通二极管工作在第一象限；光电二极管工作在第三象限，否则没有光电效应。,精品课件,通常把光伏工作模式的光伏探测器称为光电池。,在零偏置的开路状态，结型光电器件产生光生伏特效应，称为光伏工作模式。,在反偏置状态，无光照时结电阻很大，结电流很小；有光照时，结电阻变小，电流变大，而且流过它的光电流随照度变化而变化，称为光电导工作模式。,通常把光导工作模式的光伏探测器称为光电二极管，因为它的外回路特性与光电导探测器十分相似。,精品课件,二、硅光电池,光电池主要功能是在零偏置的情况下能将光信号转换成电信号。按用途光电
5、池可分为太阳能光电池和测量光电池,20世纪以来，人类在太阳能的利用方面，主要开发3项技术：,1.把太阳能转换为热能技术，如太阳能热水器、取暖器等；,2.太阳能电池和太阳能电站等；,3.正在进行可行性研究技术，如太阳能卫星（太空电站）。,由卫星组成的太空电站可在高空轨道上大面积聚集阳光，并转换成电能，再通过微波发生器转换成微波发回地面，地面接收天线再把微波整流并送往相关电力网，供用户使用。,两种转换方式?,精品课件,（二）分类：,（一）硅光电池的基本结构和工作原理,1、金属-半导体接触型（肖特基结）（硒光电池）；,2、PN结型（硅光电池）。,2DR（P型Si为基底）,2CR（N型Si为基底）,透
6、明的二氧化硅保护膜：防潮、增加对入射光的吸收,（1）按基底材料来分：,精品课件,硅光电池的受光面的输出电极多做成梳齿状或“E”字型电极，其目的是便于透光和减小硅光电池的内电阻。,图2DR型硅光电池，它是以P型硅为衬底，然后在衬底上扩散磷而形成N型层并将其作为受光面。,注意：,1、上、下电极区分2、受光表面涂保护膜的目的,精品课件,（2）按结构,阵列式：分立的受光面；,象限式：参数相同的独立光电池；,硅蓝光电池：PN结距受光面很近。,精品课件,光敏面,光电池外形,精品课件,能提供较大电流的大面积光电池外形,精品课件,（3）按用途,太阳能光电池：用作电源（效率高，成本低）；,测量用光电池：探测器件
7、（线性、灵敏度高等）。,（4）按材料,硅光电池：光谱响应宽，频率特性好；,硒光电池：波谱峰值位于人眼视觉内；,薄膜光电池：CdS增强抗辐射能力；,紫光电池：PN结0.20.3 m,短波峰值600nm。,精品课件,（三）硅光电池的特性参数,光照特性有伏安特性、照度-电流电压特性和照度-负载特性。,1.光照特性,特性参数主要有：光照特性、光谱特性、频率特性、温度特性,不同照度时的伏-安特性曲线.一般硅光电池工作在第四象限。若硅光电池工作在反偏置状态，则伏安特性将延伸到第三象限,伏安特性：表示输出电流和电压随负载电阻变化的曲线。,精品课件,在线性测量中,光电池常以电流形式使用,因此短路电流的这种线性
8、关系是光电池重要的光照特性,在要求输出电流与光照度成线性关系时，负载电阻在条件许可的情况下越小越好，并限制在强光照范围内使用,这就是硅光电池的开路电压和短路电流与光照的关系,由此图可看出什麽?,当RL=(开路)时，光电池的开路电压，以Voc表示,当RL0 时所得的电流称为光电池短路电流，以Isc表示,实际应用时，都接负载，光电池光照与负载的特性曲线,精品课件,几种常见光电池的相对光谱响应曲线:硒光电池与人眼视见函数相似，砷化镓量子效率高，噪声低，响应在紫外区和可见光区。,2CR型硅光电池的光谱曲线，其响应范围为0.41.1m，峰值波长为0.80.9m，是非常适合人眼的光电池,2.光谱特性,光谱
9、响应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长之间的关系，一般用相对响应表示。,线性测量中，要求光电池有高的灵敏度和稳定性，同时要求与人眼视见函数有相似的光谱响应特性。,锗光电池长波响应宽，适合作红外探测器,精品课件,由图可见：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。但是负载电阻RL的减小会使输出电压降低，实际使用时根据具体要求而定。,3.频率特性,对矩形脉冲光，用光电流上升时间常数tr和下降时间常数tf来表征光电流滞后于光照的程度；对正弦型光照常用频率特性曲线表示,结型光电器件，PN结内载流子的扩散、漂移，产生与复合都需要一定的时间，当光照变化很
10、快时，光电流变化就滞后于光照变化。,右图为硅光电池的频率特性曲线。,精品课件,4温度特性,光电池的温度特性曲线主要指光照射时它的开路电压Uoc与短路电流Isc随温度变化的情况。,光电池的温度特性曲线如图所示,从图知：开路电压Uoc随着温度的升高而减小,其值约为23mV/oC;,从图知：短路电流Isc随着温度的升高而增大，增大比例约为10-510-3mA/oC数量级。,精品课件,光电池应用,把光能直接转化成电能，需要最大的输出功率和转化效率。,1、光电池用作太阳能电池,利用其光敏面大，频率响应高，光电流与照度线性变化，适用于开关和线性测量等。,2、光电池用作检测元件,可把受光面做得较大，或把多个
11、光电池作串联或并联组成电池组，与镍镉蓄电池配合；可作为卫星、微波站等无输电线路地区的电源供给。,精品课件,柔光罩下面为圆形光电池,其他光电池及在照度测量中的应用,精品课件,太阳能赛车,太阳能电动机模型,太阳能硅光电池板,光电池在动力方面的应用（1）,精品课件,太阳能发电,光电池在动力方面的应用（2）,精品课件,光电池在动力方面的应用（3）,光电池在人造卫星上的应用,精品课件,（一）、光电二极管,三 光电二极管和光电二极管,1.硅光电二极管结构及工作原理,光电二极管是基于PN结的光电效应工作的，它主要用于可见光及红外光谱区。光电二极管通常在反偏置条件下工作，也可用在零偏置状态。,没有光照：由于二
12、极管反向偏置，所以反向电流很小，这时的电流称为暗电流，相当于普通二极管的反向饱和漏电流。,有光照射：在二极管的PN结附近产生的电子-空穴对数量也随之增加，光电流也相应增大，光电流与照度成正比。,精品课件,没有光照时:由于二极管反向偏置，反向电流（暗电流）很小,光照增加时:光电流Ip与光照度成正比关系,UO,+,-,N,P,精品课件,实际上，不是不能加正向电压，只是正接以后就与普通二极管一样，只有单向导电性，而表现不出它的光电效应。,光敏二极管接法,硅光电二极管符号和接法,精品课件,国产硅光电二极管按衬底材料的不同分为:,2CU系列以N-Si为衬底；2DU系列以P-Si为衬底。,2CU系列光电二
13、极管有两个引出线(前极、后极),2DU系列光电二极管有三条引出线(前极、后极和环极),2DU管加环极的目的是为了减少暗电流和噪声。,硅光电二极管结构示意图,精品课件,2.与普通二极管相比,共同点：一个PN结，单向导电性,不同点：,（1）受光面大，PN结面积更大，PN结深度较浅,（2）表面有防反射的SiO2保护层,（3）外加反偏置,3.与光电池相比,共同点：均为PN结，利用光伏效应，SiO2保护膜,不同点：,（1）结面积比光电池的小，频率特性好;,（2）光生电势与光电池相同，但电流比光电池小;,（3）可在零偏压下工作，常在反偏置下工作。,精品课件,光敏二极管阵列,光敏二极管外形,包含1024个I
14、nGaAs元件的线性光电二极管阵列，可用于分光镜。,精品课件,在N+侧开窗，引出一个电极作“集电极c”，中间的P型层引出“基极b”，也可以不引出来，在N型硅片的衬底上引出一个“发射极e”。,（二）.硅光电三极管,硅光电三极管具有电流放大作用，它的集电极电流受基极的光强控制。,以3DU型为例讨论硅光电三极管的结构和工作原理,硅光电三极管的外型有光窗,管脚有三根引线或二根引线,管型分为PNP型和NPN型。,NPN型称3DU型,PNP型称3CU型。,1.硅光电三极管的结构和工作原理,以N型硅片作衬底，扩散硼而形成P型，再扩散磷而形成重掺杂N+层。,这就构成一个光电三极管,注：需保证集电结反偏，发射结
15、正偏。,精品课件,集电结为反偏置发射结为正偏置,IcIpESE,因此，光电晶体管的电流放大作用与普通晶体管在上偏流电路中接一个光电二极管的作用是完全相同的。,精品课件,光敏三极管外形,为提高光电三极管的增益，减小体积，常将光电二极管或光电三极管及三极管制作到一个硅片上构成集成光电器件。,精品课件,四、结型光电器件的放大电路,结型光电器件一般用三极管或集成运算放大器对输出信号进行放大和转换。,1.结型光电器件与放大三极管的连接,硅三极管和锗三极管导通时射极-基极电压大小不同，有三种不同的变换电路。,锗三极管放大光电流,硅三极管放大光电流,注意:三种电路都以三极管发射结的正向电阻作为硅光电池的负载
16、，因此硅光电池几乎是工作在短路状态，从而获得线性工作特性的。,精品课件,2.结型光电器件与运算放大器的连接,集成运算放大器因结构简单、使用方便而广泛应用于光电变换器件中。光电二极管与运算放大电路的连接方式有三种方式,电流放大型IC变换电路：,运算放大器两输入端间的输入阻抗Zin是硅光电二极管的负载电阻；,由于电流放大器输入阻抗低,响应速度快,噪声低,信噪比高,广泛用于弱光信号的变换中,当运放的放大倍数和反馈电阻较大时,可以认为硅光电二极管是处于短路工作状态,能输出理想的短路电流,这时运算放大器输出为:,精品课件,(2)电压放大型IC变换电路,硅光电二极管与负载电阻RL并联且硅光电二极管的正端接
17、在运算放大器的正端；放大器的漏电流比光电流小得多,具有很高的输入阻抗.,当负载电阻大于1M时,运行于硅光电池下的光电二极管处于开路状态,可以得到与开路电压成正比的输出信号:,精品课件,(3)阻抗变换型,反向偏置的硅光电二极管具有恒流源性质,内阻很大,饱和光电流与输入光照度成正比,在高负载电阻时可得到高的输出信号。,注意:用场效应管代替双极性晶体管作前置极,其偏置电流较小,适合于光功率很小的场合.,三种电路各有优缺点，但都适用于光功率很小的场合。,但是,如果把这种反偏的二极管直接接到负载上,会因为负载失配而削弱信号的幅度。,因此,需要有阻抗变换器将阻抗的电流源变换为低阻抗的电压源,然后再于负载连
18、接。,精品课件,利用光刻技术，将一个圆形或方形的光敏面窗口分隔成几个有一定规律的的区域(但背面仍为整片)，每一个区域相当于一个光电二极管。理想情况下，每个光电二极管应有完全相同的性能参数。实际上它们的转换效率往往不一致，使用时必须精心挑选。,五、特殊结型光电器件,1.象限探测器,象限探测器实质是一个面积很大的结型光电器件，很像一个光电池；,精品课件,光斑偏向P2区，则输出电压U0，其大小反映光斑偏离程度；,光斑偏向P1区，则输出电压U0，其大小反映光斑偏离程度,存在缺点：,1、存在死区，光斑越小死区的影响越明显；,2、若光斑全在一个象限，输出电信号无法表示其 精确位置,3、精度易受光强变化影响
19、，分辨率不高,什么是死区？,精品课件,2.PIN型光电二极管,1）普通PIN型光电二极管,PIN型光电二极管又称快速光电二极管，它的结构分三层。,PIN光电二极管的优点,PN结间距拉大，结电容变小；提高响应速度；,由于耗尽层变宽，从而展宽了光电转换的有效工作范围，提高了量子效率；,增加了吸收层厚度，改善了对长波光的吸收，提高了灵敏度，增大了长波响应率,可承受较高的反向偏压，使线性输出范围变宽。,缺点,由于I层的存在，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。,在P型半导体和N型半导体之间夹着较厚的本征半导体I层。,精品课件,PSD包含有三层，上面为P层，下面为N层，中间为I层，它们全被制作
20、在同一硅片上，P层既是光敏层，也是一个均匀的电阻层。,2）光电位置传感器(PSD),光电位置传感器是一种对入射到光敏面上的光点位置敏感的PIN型光电二极管，面积较大，其输出信号与光点在光敏面上的位置有关。一般称为PSD。,P层,I层,N层,PSD是利用离子注入技术制成的一种可确定光的能量中心位置的结型光电器件，有一维的和二维的两种。,精品课件,由于P层的电阻是均匀的，由两极输出的电流分别与光点到两电极的距离成反比。,光射到PSD的光敏面上时，在入射位置表面下就产生与光强成比例的电荷，此电荷通过P层向电极流动形成光电流。,设两电极间距离为2L，经电极和电极输出的光电流分别为I1和I2，电极输出的
21、电流为I0,(1).PSD器件的工作原理,I0=I1+I2,若以PSD的中心点为原点建立坐标系(坐标轴)，设光点离中心点的距离为xA，于是有：,精品课件,一般PSD分为两类：一维PSD和二维PSD。一维PSD主要用来测量光点在一维方向的位置，二维PSD用来测定光点在平面上的坐标(x,y)，,（a）一维PSD,(2).光电位置传感器(PSD)的分类,入射光点位于A点的坐标位置：,和为信号电极，为公共电极,RD定位电阻,一维PSD感光面大多做成细长矩形,S1543的结构,精品课件,雪崩倍增效应:当在光电二极管上加（100-200V）反向偏压时，在结区产生一个很强的电场。结区的光生载流子受强电场的加
22、速获得很大的能量，与原子碰撞时可使原子电离，新生的电子-空穴对在向电极运动过程中又获得足够能量，再次与原子碰撞，又产生新的电子-空穴对。这一过程不断重复，使PN结内电流急剧增加，,雪崩光电二极管有以下特征：1）灵敏度很高:电流增益可达102103；2）响应速度快:响应时间只有0.5ns，响应频率可达100GHz；3）噪声等效功率很小:约为10-15W。4）反偏压高,可达200V,接近于反向击穿电压。广泛用于光纤通讯、弱信号检测、激光测距等领域。,3.雪崩光电二极管(APD),雪崩光电二极管是借助强电场产生载流子倍增效应工作的一种高速光电二极管。,雪崩倍增效应,精品课件,从图可见：在同一块硅片上
23、制造两个深浅不同的PN结。,光谱响应特性,浅结,深结,4.半导体色敏器件,半导体色敏器件是根据人眼视觉的三色原理，利用不同结深的光电二极管对各种波长的光谱响应率不同的现象制成的。,（1）半导体色敏器件的工作原理,半导体色敏器件的结构示意图和等效电路。,PD1为深结:对长波长的光响应率高；PD2为浅结:对波长短的光响应率高。又称为双结光电二极管。,精品课件,最后得到不同颜色的输出电压值：,根据双结光电二极管等效电路，为求出两短路电流和电压之间的关系，可利用下面的处理电路,(2).双结硅色敏器件的检测电路,图中PD1、PD2为两个深浅不同的硅PN结,?,根据虚短和虚断的概念,双结等效电路,精品课件
24、,当用双结光电二极管测量颜色时，先测出两个光电二极管的短路电流比的对数值与入射光波长的关系,由图知:每一种波长的光都对应于一短路电流比值。,就可以得到输出电压Uo与入射波长之间的关系,只要测出处理电路的输出电压，就可利用这条曲线快速地确定出被测光的波长以达到识别颜色的目的。,双结光电二极管只能用于确定单色光的波长，对于混合色光，它是无能为力的,那么，如何根据短路电流的比值来判别入射光的颜色？,精品课件,根据色度学理论，已经研制出可以识别混合色光的三色色敏器件,在同一块非晶体硅基片上制作三个深浅不同的PN结，并分别配上红、绿、蓝三块滤色片而构成一个整体得到近似于1931CIE-RGB系统光谱三刺
25、激值曲线.,通过R、G、B三个不同结输出电流的大小比较识别各种物体颜色。,半导体色敏器件具有结构简单、体积小、成本低等特点，被广泛用于与颜色鉴别有关的各个领域中。,精品课件,色标传感器的用途,现代化工业生产中，颜色检测和颜色识别等的应用越来越多。例如，在包装生产中机器要确定哪种产品放在什么颜色的包装中、如何保证产品的正面朝向包装盒的玻璃纸窗口等等。色标传感器常用于检测特定色标或物体上的斑点，它是通过与非色标区相比较来实现色标检测，而不是直接测量颜色。,各种色标传感器外形,色标传感器能识别红、绿、蓝等颜色,精品课件,色标传感器外形（2）,精品课件,色标传感器在流水线上检测产品的颜色,精品课件,用
26、多个色标传感器测量薄板的颜色,精品课件,产品包装色彩检测、分选,精品课件,5.光电开关与光电耦合器,光电开关和光电耦合器都是由发光端和受光端组成的组合件。,光电开关不封闭，发光端与受光端之间可以插入调制板。,光电耦合器则是把发光元件与受光元件都封闭在一个不透光的管壳内。,光电开关多用于光电计数、报警、安全保护、无接触开关，及各种光电控制等方面。,光电耦合器多用于电位隔离、电平匹配、抗干扰电路、逻辑电路、模/数转换、长线传输、过流保护，及高压控制等方面。,发光端与受光端彼此独立，完全没有电之间的联系，两端之间的电阻一般都在1011以上。,精品课件,6 光伏探测器使用要点,1）极性结型器件都有确定
27、的极性，如要加电压使用时，光电结必须加反向电压；,2）使用时对入射光强范围的选择应视用途而定；,3）用于开关电路或逻辑电路时光照可以强些；,4）用于模拟量测量时，光照不宜过强；,5）因为一般器件都有这样的性质：光照弱些，负载电阻小些，加反偏压使用时，光电线性好，反之则差。,6）灵敏度主要决定于器件，但也与使用条件和方法有关，例如，光源和接收器在光谱特性上是否匹配；入射光的方向与器件光敏面法线是否一致等。,精品课件,7）结型器件的响应速度都很快，它主要决定于负载电阻和结电容所构成的时间常数。负载电阻大，输出电压可以大，但响应变慢；负载电阻小，输出电压减小，但响应速度变快；,8）灵敏度与频带宽度之
28、积为一常数的结论，对结型光电器件也适用；,9）器件的各种参量几乎都与温度有关，受温度影响最大的是暗电流。暗电流大的器件使电路工作不稳定，同时噪声也大；,10）除了温度变化以及电、磁场干扰可引起电路发生误动作外，背景光或光反馈也是引起电路误动作的重要因素，应设法消除。,精品课件,思考题,1.硅光电池的开路电压,为什么随温度上升而下降?,2.硅光电池的开路电压,当照度增大到一定时,为什么不再随入射照度的增加而增加,只是接近0.6V?,作业:3-5,3-7,3-8,END,精品课件,包括:利用MCS-51汇编指令编写程序或者利用C51编写应用程序;硬件系统设计,制作PCB板,调试等,就是今天要讨论的光电转换和放大电路,所采用的器件主要是光敏电阻和结型光电器件,讨论简单的应用系统,精品课件,
