光電技術(shù)_03光生伏特器件

1、第3章 光生伏特器件 3.1 3.1 硅光電二極管硅光電二極管 硅光電二極管是最簡(jiǎn)單、最具有代表性的光生伏特器件，其中，PN結(jié)硅光電二極管為最基本的光生伏特器件。 3.1.1 硅光電二極管的工作原理 1.光電二極管的基本結(jié)構(gòu) 2DU型-以P型硅為襯底的光電二極管2CU型-以N型硅為襯底的光電二極管 國(guó)產(chǎn)硅光電二極管按襯底材料的導(dǎo)電類型不同，分為2CU和2DU兩種系列。 2CU系列以N-Si為襯底， 2DU系列以P-Si為襯底 2CU系列光電二極管只有兩個(gè)引出線兩個(gè)引出線， 而2DU系列光電二極管有三條引出線三條引出線，除了前極、后極外，還設(shè)了一個(gè)環(huán)極。 硅光電二極管結(jié)構(gòu)示意圖硅光電二極管結(jié)構(gòu)示

2、意圖 2DU管加環(huán)極的目的是為了減少暗電 流和噪聲。 光電二極管的受光面一般都涂有SiO2防反射膜，而SiO2中又常含有少量的鈉、鉀、氫等正離子。 SiO2是電介質(zhì)，這些正離子在SiO2中是不能移動(dòng)的，但是它們的靜電感應(yīng)卻可以使P-Si表面產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電子層。 這個(gè)電子層與N-Si的導(dǎo)電類型相同，可以使P-Si表面與NSi連通起來(lái)。 當(dāng)管子加反偏壓時(shí)，從前極流出的暗電子流，除了有PN結(jié)的反向漏電子流外，還有通過(guò)表面感應(yīng)電子層產(chǎn)生的漏電子流，從而使從前極流出的暗電子流增大。 為了減小暗電流，設(shè)置一個(gè)N+-Si的環(huán)把受光面（N-Si）包圍起來(lái)，并從N+-Si環(huán)上引出一條引線（環(huán)極），使它接到比前極

3、電位更高的電位上，為表面漏電子流提供一條不經(jīng)過(guò)負(fù)載即可達(dá)到電源的通路。 這樣，即可達(dá)到減小流過(guò)負(fù)載的暗電流、減小噪聲的目的。 如果使用時(shí)環(huán)極懸空，除了暗電流、噪聲大些外，其它性能均不受影響。 2CU管子，因?yàn)槭且訬-Si為襯底，雖然受光面的SiO2防反射膜中也含有少量的正離子，而它的靜電感應(yīng)不會(huì)使N-Si表面產(chǎn)生一個(gè)和P-Si導(dǎo)電類型相同的導(dǎo)電層，從而也就不可能出現(xiàn)表面漏電流，所以不需要加環(huán)極。 光電二極管的用法光電二極管的用法：光電二極管的用法只能有兩種。光電二極管的用法只能有兩種。一種是不加外電壓，直接與負(fù)載相接。一種是不加外電壓，直接與負(fù)載相接。另一種是加反向電壓，如圖所示。另一種是加反

4、向電壓，如圖所示。 a) 不加外電源不加外電源 b) 加反向外電源加反向外電源 c) 2DU環(huán)極接法環(huán)極接法 實(shí)際上，不是不能加正向電壓，只是正接以后就與普通二極管實(shí)際上，不是不能加正向電壓，只是正接以后就與普通二極管一樣，只有單向?qū)щ娦?，而表現(xiàn)不出它的光電效應(yīng)。一樣，只有單向?qū)щ娦?，而表現(xiàn)不出它的光電效應(yīng)。 2.光電二極管的電流方程 無(wú)輻射時(shí)，電流方程為 1kTqUDeIIID為U為負(fù)值（反向偏置時(shí)）且 時(shí)(室溫下kT/q0.26mV，很容易滿足這個(gè)條件)的電流，稱為反向電流或暗電流。 UqkT光輻射時(shí)，光電二極管的全電流方程為： e,(1 exp()(1 exp(/)DqId IqU kT

5、hc 式中為光電材料的光電轉(zhuǎn)換效率，為材料對(duì)光的吸收系數(shù)。 3.1.2 光電二極管的基本特性 e,(1 exp()(1 exp(/)DqIdIqU kThc 光電二極管的工作區(qū)域：光生伏特器件的工作模式:第三象限：光電導(dǎo)模式第四象限：光伏模式第3象限與第4象限 在光電技術(shù)中常采用重新定義電流與電壓正方向的方法把特性曲線旋轉(zhuǎn)成如圖3-4所示。重新定義的電流與電壓的正方向均以PN結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的方向相同的方向?yàn)檎颉?1.光電二極管的靈敏度 定義：)1 (ddSidehcqI（3-3） 光電二極管的光電轉(zhuǎn)換特性的線性關(guān)系。 必須指出，電流靈敏度與入射輻射波長(zhǎng)的關(guān)系是復(fù)雜的，定義光電二極管的電流靈敏度時(shí)

6、通常定義其峰值響應(yīng)波長(zhǎng)的電流靈敏度為光電二極管的電流靈敏度。上式表面上看它與波長(zhǎng)成正比，但是，材料的吸收系數(shù)還隱含著與入射輻射波長(zhǎng)的關(guān)系。因此，常把光電二極管的電流靈敏度與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線稱為光譜響應(yīng)。 3. 3. 光譜響應(yīng)光譜響應(yīng) 光電二極管的光譜響應(yīng)定義為以等功率的不同單色輻射波長(zhǎng)的光作用于光電二極管時(shí)，其響應(yīng)程度或電流靈敏度與波長(zhǎng)的關(guān)系稱為其光譜響應(yīng)。 圖3-5為幾種典型材料的光電二極管光譜響應(yīng)曲線。 典型硅光電二極管光譜響應(yīng)長(zhǎng)波限為1.1m左右，短波限接近0.4m，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為0.9m左右。 4. 4. 時(shí)間響應(yīng)時(shí)間響應(yīng) 以f頻率調(diào)制的輻射作用于PN結(jié)硅光電二極管光敏面時(shí)，PN結(jié)硅光電

7、二極管的電流產(chǎn)生要經(jīng)過(guò)下面3個(gè)過(guò)程： 1) 在PN結(jié)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光生載流子渡越結(jié)區(qū)的時(shí)間，稱為漂移時(shí)間記為dr=W/Vd；ns數(shù)量級(jí)。 2) 在PN結(jié)區(qū)外產(chǎn)生的光生載流子擴(kuò)散到PN結(jié)區(qū)內(nèi)所需要的時(shí)間，稱為擴(kuò)散時(shí)間記為p；約為100ns，它是限制PN結(jié)硅光電二極管時(shí)間響應(yīng)的主要因素。 3) 由PN結(jié)電容Cj和管芯電阻Ri及負(fù)載電阻RL構(gòu)成的RC延遲時(shí)間RC。 )(LiRCRRcjns數(shù)量級(jí)（3-5） 由以上分析可見，影響PN結(jié)硅光電二極管時(shí)間響應(yīng)的主要因素是PN結(jié)區(qū)外載流子的擴(kuò)散時(shí)間p，如何擴(kuò)展PN結(jié)區(qū)是提高硅光電二極管時(shí)間響應(yīng)重要措施。增高反向偏置電壓會(huì)提高內(nèi)建電場(chǎng)的強(qiáng)度，擴(kuò)展PN結(jié)的耗盡區(qū)，但

8、是反向偏置電壓的提高也會(huì)加大結(jié)電容，使RC時(shí)間常數(shù)RC增大。因此，必須從PN結(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面考慮如何在不使偏壓增大的情況下使耗盡區(qū)擴(kuò)展到整個(gè)PN結(jié)器件，才能消除擴(kuò)散時(shí)間。 4. 噪聲 低頻噪聲Inf、散粒噪聲Ins和熱噪聲InT等3種噪聲。 散粒噪聲是光電二極管的主要噪聲，低頻噪聲和熱噪聲為其次要因素。 散粒噪聲是由于電流在半導(dǎo)體內(nèi)的散粒效應(yīng)引起的fqII 22ns 光電二極管的電流應(yīng)包括暗電流Id、信號(hào)電流Is和背景輻射引起的背景光電流Ib，因此散粒噪聲應(yīng)為 f)(2bSd2nsIIIqI 根據(jù)電流方程，并考慮反向偏置情況，光電二極管電流與入射輻射的關(guān)系 ，得到fqIfqIdbs22ns2h

9、c)(2再考慮負(fù)載電阻RL的熱噪聲 Ldbs22n42hc)(2RfKTfqIfqI 目前，用來(lái)制造PN結(jié)型光電二極管的半導(dǎo)體材料主要有硅、鍺、硒和砷化鎵等，用不同材料制造的光電二極管具有不同的特性。 3.2 其他類型的光生伏特器件 3.2.1 PIN(Positive-Intrinsic-Negative)型光電二極管 為了提高PN結(jié)硅光電二極管的時(shí)間響應(yīng)，消除在PN結(jié)外光生載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)時(shí)間，常采用在P區(qū)與N區(qū)之間生成I型層，PIN結(jié)構(gòu)的光電二極管與PN結(jié)型的光電二極管在外形上沒有什么區(qū)別。 PIN光電二極管在反向電壓作用下，耗盡區(qū)擴(kuò)展到整個(gè)半導(dǎo)體，光生載流子只產(chǎn)生漂移電流，因此它的時(shí)間

10、響應(yīng)只取決于 與RC ，在10-9s左右。 PIN管是光電二極管中的一種。是在管是光電二極管中的一種。是在P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N型半型半導(dǎo)體之間夾著一層（相對(duì)）很厚的本征半導(dǎo)體。導(dǎo)體之間夾著一層（相對(duì)）很厚的本征半導(dǎo)體。 這樣，這樣，PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)就基本上全集中于結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)就基本上全集中于I層中，從而使層中，從而使PN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小。結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小。 由式由式 = CjRL與與f = 1/2知，知，Cj小，小，則小，頻帶將變寬。則小，頻帶將變寬。因此，這種管子最大的特點(diǎn)是因此，這種管子最大的特點(diǎn)是頻帶寬頻帶寬，可達(dá)，可達(dá)10GHz。另一。另一個(gè)特點(diǎn)是，因?yàn)閭€(gè)特

11、點(diǎn)是，因?yàn)镮層很厚，在反偏壓下運(yùn)用可承受較高的反層很厚，在反偏壓下運(yùn)用可承受較高的反向電壓，向電壓，線性輸出范圍寬線性輸出范圍寬。 加入I層目的：（2）產(chǎn)生盡可能高的響應(yīng)度，產(chǎn)生盡可能多得電子-空穴對(duì)（1）產(chǎn)生盡可能高的響應(yīng)速度 由耗盡層寬度與外加電壓的關(guān)系可知，增加反向偏由耗盡層寬度與外加電壓的關(guān)系可知，增加反向偏壓會(huì)使耗盡層寬度增加，從而結(jié)電容要進(jìn)一步減小，壓會(huì)使耗盡層寬度增加，從而結(jié)電容要進(jìn)一步減小，使頻帶寬度變寬。使頻帶寬度變寬。 所不足的是，所不足的是，I層電阻很大，管子的輸出電流小，一層電阻很大，管子的輸出電流小，一般多為零點(diǎn)幾微安至數(shù)微安，靈敏度低。般多為零點(diǎn)幾微安至數(shù)微安，靈敏

12、度低。 目前有將目前有將PIN管與前置運(yùn)算放大器集成在同一硅片管與前置運(yùn)算放大器集成在同一硅片上并封裝于一個(gè)管殼內(nèi)的商品出售。上并封裝于一個(gè)管殼內(nèi)的商品出售。 3.2.2 雪崩光電二極管（Avalanche Photodetector:APD） 1.結(jié)構(gòu) （a）在P型硅基片上擴(kuò)散雜質(zhì)濃度大的N+層，制成P型N結(jié)構(gòu)； （b）在N型硅基片上擴(kuò)散雜質(zhì)濃度大的P+層，制成N型P結(jié)構(gòu) （c）PIN型雪崩光電二極管： PIN型雪崩光電二極管是在PN結(jié)之間除了I層之外還增加了一個(gè)很薄的p層，這就是雪崩增益區(qū)。 由于PIN型光電二極管在較高的反向偏置電壓的作用下耗盡區(qū)擴(kuò)展到整個(gè)PN結(jié)結(jié)區(qū)，形成自身保護(hù)（具有很

13、強(qiáng)的抗擊穿功能），因此，雪崩光電二極管不必設(shè)置保護(hù)環(huán)。 市場(chǎng)上的型雪崩光電二極管基本上都是PIN型雪崩光電二極管 2.工作原理 電離產(chǎn)生的載流子數(shù)遠(yuǎn)大于光激發(fā)產(chǎn)生的光生載流子數(shù)，這時(shí)雪崩光電二極管的輸出電流迅速增加，其電流倍增系數(shù)M定義為 0IIM I-倍增輸出的電流，I0-倍增前輸出的電流。 雪崩區(qū)光吸收區(qū) 雪崩倍增系數(shù)M與碰撞電離率有密切的關(guān)系。碰撞電離率表示一個(gè)載流子在電場(chǎng)作用下，漂移單位距離所產(chǎn)生的電子空穴對(duì)數(shù)目。實(shí)際上電子電離率和空穴電離率 是不完全一樣的，它們都與電場(chǎng)強(qiáng)度有密切關(guān)系。由實(shí)驗(yàn)確定，電離率與電場(chǎng)強(qiáng)度E可以近似的寫成以下關(guān)系 m)Eb( -Ae式中,A、b、m都為與材料有

14、關(guān)系數(shù)。 假定=時(shí)，Dx0d11MxXD為耗盡層的寬度。上式表明，當(dāng) 1dDx0 xM 物理意義：在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，當(dāng)通過(guò)耗盡區(qū)的每個(gè)載流子平均能產(chǎn)生一對(duì)電子空穴時(shí)，就發(fā)生雪崩擊穿現(xiàn)象。當(dāng)M時(shí)，PN結(jié)上所加的反向偏壓就是雪崩擊穿電壓UBR。 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在略低于擊穿電壓時(shí)，也發(fā)生雪崩倍增現(xiàn)象，不過(guò)M 較小，這時(shí)M隨反向偏壓U的變化可用經(jīng)驗(yàn)公式近似表示 nBR)/(11UUM雪崩擊穿條件：1dDx0 x 當(dāng)電壓等于反向擊穿電壓時(shí)，電流增益可達(dá)當(dāng)電壓等于反向擊穿電壓時(shí)，電流增益可達(dá)106，即產(chǎn)，即產(chǎn)生所謂的自持雪崩。生所謂的自持雪崩。 這種管子響應(yīng)速度特別快，帶寬可達(dá)這種管子響應(yīng)速度特別快，帶寬可達(dá)1

15、00GHz，是目，是目前前響應(yīng)速度最快響應(yīng)速度最快的一種光電二極管。的一種光電二極管。 噪聲大是這種管子目前的一個(gè)主要缺點(diǎn)。噪聲大是這種管子目前的一個(gè)主要缺點(diǎn)。 由于雪崩反應(yīng)是隨機(jī)的，所以它的噪聲較大，特別是由于雪崩反應(yīng)是隨機(jī)的，所以它的噪聲較大，特別是工作電壓接近或等于反向擊穿電壓時(shí)，噪聲可增大到放大工作電壓接近或等于反向擊穿電壓時(shí)，噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以至無(wú)法使用。器的噪聲水平，以至無(wú)法使用。 nBR)/(11UUM從圖3-8所示的伏-安特性曲線可以看出，在雪崩擊穿點(diǎn)附近電流隨偏壓變化的曲線較陡，當(dāng)反向偏壓有較小變化時(shí)，光電流將有較大變化。 3.噪聲 由于雪崩光電二極管中載流子的

16、碰撞電離是不規(guī)則的，碰撞后的運(yùn)動(dòng)方向更是隨機(jī)的，所以它的噪聲比一般光電二極管要大些。在無(wú)倍增的情況下，其噪聲電流主要為如式（3-6）所示的散粒噪聲。當(dāng)雪崩倍增M倍后，雪崩光電二極管的噪聲電流的均方根值可近似由下式計(jì)算。 fqIMIn2n2 式中指數(shù)n與雪崩光電二極管的材料有關(guān)。對(duì)于鍺管，n=3；對(duì)于硅管為2.3nRL0時(shí)，輸出功率PL0。存在存在 最佳負(fù)載電阻Ropt情況下,負(fù)載可以獲得最大的輸出功率Pmax。 1)(eKTLRLqdPLIIII 通過(guò)對(duì)PL求關(guān)于RL的1階倒數(shù)，當(dāng)RL=Ropt時(shí)，求得最佳負(fù)載電阻Ropt的阻值。 在實(shí)際工程計(jì)算中，常通過(guò)分析圖3-11所示的輸出特性曲線得到經(jīng)

17、驗(yàn)公式，即，當(dāng)負(fù)載電阻為最佳負(fù)載電阻時(shí)，輸出電壓U=Um Um =(0.60.7)Uoc而此時(shí)的輸出電流近似等于光電流，即e,ie,PM)1 (SehcqIIdS -硅光電池的電流靈敏度。 i硅光電池的最佳負(fù)載電阻Ropt為 e,ocmmopt0.7)(0.6SUIUR 從上式可以看出硅光電池的最佳負(fù)載電阻Ropt與入射輻射通量有關(guān)，它隨入射輻射通量的增加而減小。負(fù)載電阻所獲得的最大功率為 Pm= Im Um=(0.60.7)UocIp (3-23) (3-22)4.光電池的光電轉(zhuǎn)換效率 0e,0d-e,ocemmdhc)de-(10.7)q(0.6UP式中是于材料有關(guān)的光譜光電轉(zhuǎn)換效率，表明

18、光電池的最大光電轉(zhuǎn)換效率與入射光的波長(zhǎng)及材料的性質(zhì)有關(guān)。 （3-24） 3.2.4 光電三極管 NPN結(jié)構(gòu)：用N型硅材料為襯底制作（3DU型），PNP結(jié)構(gòu)：用P型硅材料為襯底制作（3CU型） 1. 工作原理 光電轉(zhuǎn)換：光電轉(zhuǎn)換：光照射在集電極上產(chǎn)生電子空穴對(duì)，集電極反向偏置，光生電子漂移到集電極，光生空穴漂移到基區(qū)，形成光電流。光電流放大：光電流放大：光生電動(dòng)勢(shì)是基極與發(fā)射極間電壓升高，于是發(fā)射極有大量電子經(jīng)基極流向集電極，實(shí)現(xiàn)光電流的放大。光生電流為 , ePC)1 (ehqIId光電二極管的電流Ip被三極管放大倍。 為提高光電三極管的增益，減小體積，常將光電二極管或光電三極管及三極管制作到

19、一個(gè)硅片上構(gòu)成集成光電器件。Pe,(1)dqIeh集電極輸出的電流為 光電三極管的電流靈敏度是光電二極管的倍。 2. 光電三極管特性 1）伏安特性 ）光電特性 呈現(xiàn)一定的非線性，原因是不是常數(shù)，在小電流和大電流時(shí)都要下降 ）時(shí)間響應(yīng)（頻率特性） 表明光電三極管的等效電路是在光電二極管的等效電路基礎(chǔ)上增加了電流源Ic和基射結(jié)電阻Rce、電容Cce、輸出負(fù)載電阻RL。 選擇適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻，使其滿足RLRce，這時(shí)可以導(dǎo)出光電三極管電路的輸出電壓為 212ce2L2212be2be2pL0)(1)(1CRCrIRU光電三極管的時(shí)間響應(yīng)由以下四部分組成： 光生載流子對(duì)發(fā)射結(jié)電容Cbe和集電結(jié)電容Cbc

20、的充放電時(shí)間； 光生載流子渡越基區(qū)所需要的時(shí)間； 光生載流子被收集到集電極的時(shí)間； 輸出電路的等效負(fù)載電阻RL與等效電容Cce所構(gòu)成的RC時(shí)間；總時(shí)間常數(shù)為上述四項(xiàng)和。 ）溫度特性 由于硅光電三極管具有電流放大功能，所以硅光電三極管的暗電流Id和亮電流IL受溫度的影響要比硅光電二極管大得多，隨著溫度的升高暗電流增長(zhǎng)很快； 光電三極管亮電流IL隨溫度的變化比光電二極管亮電流IL隨溫度的變化快。 ）光譜響應(yīng) 硅光電二極管與硅光電三極管具有相同的光譜響應(yīng)。圖3-18所示為典型的硅光電三極管3DU3的光譜響應(yīng)特性曲線，它的響應(yīng)范圍為0.41.0m，峰值波長(zhǎng)為0.85m。對(duì)于光電二極管，減薄PN結(jié)的厚度

21、可以使短波段波長(zhǎng)的光譜響應(yīng)得到提高，因?yàn)镻N結(jié)的厚度減薄后，長(zhǎng)波段的輻射光譜很容易穿透PN結(jié)，而沒有被吸收。 短波段的光譜容易被減薄的PN結(jié)吸收。因此，可以制造出具有不同光譜響應(yīng)的光伏器件，例如藍(lán)敏器件和色敏器件等。藍(lán)敏器件是在犧牲長(zhǎng)波段光譜響應(yīng)為代價(jià)獲得的（減薄PN結(jié)厚度，減少了長(zhǎng)波段光子的吸收）。 3.2.5 3.2.5 色敏光生伏特器件色敏光生伏特器件 色敏光生伏特器件是根據(jù)人眼視覺的三原色原理，利用不同結(jié)深PN結(jié)光電二極管對(duì)不同波長(zhǎng)光譜靈敏度的差別，實(shí)現(xiàn)對(duì)彩色光源或物體進(jìn)行顏色的測(cè)量。色敏光生伏特器件具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕，變換電路容易掌握，成本低等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于顏色測(cè)量與顏色

22、識(shí)別等領(lǐng)域。例如彩色印刷生產(chǎn)線中色標(biāo)位置的判別，顏料、染料的顏色測(cè)量與判別，彩色電視機(jī)熒光屏彩色的測(cè)量與調(diào)整等等，是一種非常有發(fā)展前途的新型半導(dǎo)體光電器件。 1雙色硅色敏器件的工作原理 結(jié)構(gòu)：在同一硅片上制作兩個(gè)深淺不同PN結(jié)的光電二極管PD1和PD2組成的。淺PN結(jié)的PD1的光譜響應(yīng)峰值在藍(lán)光范圍，深結(jié)PD2的光譜響應(yīng)峰值在紅光范圍。 雙結(jié)光電二極管只能通過(guò)測(cè)量單色光的光譜輻射功率與黑體輻射相接近的光源色溫來(lái)確定顏色。用雙結(jié)光電二極管測(cè)量顏色時(shí)，通常測(cè)量?jī)蓚€(gè)光電二極管的短路電流比（ISC2/ ISC1）與入射波長(zhǎng)的關(guān)系，從關(guān)系曲線中不難看出，每一種波長(zhǎng)的光都對(duì)應(yīng)于一個(gè)短路電流比值，根據(jù)短路電

23、流比值判別入射光的波長(zhǎng)，達(dá)到識(shí)別顏色的目的。 如圖3-22(a)所示的“CIEl931-RGB系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)色度觀 察者三刺激值曲線rgb”。從曲線中看到、光譜三刺激值有一部分為負(fù)值，計(jì)算很不方便，又難以理解。因此1931年CIE 新的國(guó)際通用色度系統(tǒng)，稱為“CIEl931-XYZ系統(tǒng)”。它是在CIE1931-RGB系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改用三個(gè)假想的原色x、y、z所建立的一個(gè)新的色度系統(tǒng)。 在該系統(tǒng)中也定出了匹配等能量光譜色的三刺激值 、 、 ，得出了如圖3-22(b)所示的“CIEl931標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值曲線”。根據(jù)以上理論，對(duì)任何一種顏色，都可由顏色的三刺激值X、Y、Z表示，計(jì)算公式為 XYZ

24、)d(x)(780380 KX)d(y)(780380 KY)d(z)(780380 KZ(3-27) 可以識(shí)別混合色光的3色色敏光電器件。圖3-23為非晶硅集成色敏器件的結(jié)構(gòu)示意圖。 它是在一塊非晶硅基片上制作3個(gè)檢測(cè)元件，并分別配上R、G、B濾色片，得到如圖3-24所示的近似于1931CE-RGB系統(tǒng)光譜3刺激值曲線，通過(guò)R、G、B輸出電流的比較，即可識(shí)別物體的顏色。 圖3-25為一種典型硅集成三色色敏器件的顏色識(shí)別電路方框圖。從標(biāo)準(zhǔn)光源光發(fā)出的光，經(jīng)被測(cè)物反射，投射到色敏傳感器后，RGB3個(gè)敏感元件輸出不同的光電流。經(jīng)運(yùn)算放大器放大、AD轉(zhuǎn)換后，將變換后的數(shù)字信號(hào)輸入到微處理器中。 %1

25、00%100%1001o1o1o1o1o1oKBBKGGKRRBGRS 測(cè)量前應(yīng)對(duì)放大器進(jìn)行調(diào)整，使標(biāo)準(zhǔn)光源發(fā)出的光，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)白板反射后，照到色敏器件上時(shí)應(yīng)滿足。 3.2.6 3.2.6 光伏器件組合器件光伏器件組合器件 光伏器件組合件是在一塊硅片上制造出按一定方式排列的具有相同光電特性的光伏器件陣列。它廣泛應(yīng)用于光電跟蹤、光電準(zhǔn)值、圖像識(shí)別和光電編碼等應(yīng)用中。用光電組合器件代替由分立光伏器件組成的變換裝置，不僅具有光敏點(diǎn)密集量大，結(jié)構(gòu)緊湊，光電特性一致性好，調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)，而且它獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以完成分立元件無(wú)法完成的檢測(cè)工作。 1、象限陣列光伏器件組合件 2、線陣列光伏器件組合件 3、楔環(huán)陣

26、列組合件 3.2.7 光電位置敏感器件（PSD） 半導(dǎo)體結(jié)的橫向光生伏特效應(yīng)，是指在不均勻光照下產(chǎn)生的除通?？缬诮Y(jié)兩側(cè)的光生伏特外，平行于結(jié)面的橫向光伏現(xiàn)象在此基礎(chǔ)上發(fā)展的光位置敏感器件，在位置精密測(cè)量、光源跟蹤等方面，有廣泛應(yīng)用潛力。 光電位置敏感器件就是基于光生伏特器件的橫向效應(yīng)的器件，是一種對(duì)入射到光敏面上的光電位置敏感的光電器件。1. PSD器件的工作原理 （橫向效應(yīng)）I0= I1+I2 LIIIIxLxLIILxLIIAAA1212020122 當(dāng)光束入射到PSD器件光敏層上距中心點(diǎn)的距離為xA時(shí)，在入射位置上產(chǎn)生與入射輻射成正比的信號(hào)電荷，此電荷形成的光電流通過(guò)電阻p型層分別由電極

27、1與2輸出。設(shè)p型層的電阻是均勻的，兩電極間的距離為2L，流過(guò)兩電極的電流分別為I1和I2，則流過(guò)n型層上電極的電流I0為I1和I2之和。 2. 一維PSD器件 一維PSD器件主要用來(lái)測(cè)量光斑在一維方向上的位置或位置移動(dòng)量的裝置。圖3-34（a）為典型一維PSD器件S1543的結(jié)構(gòu)示意圖，其中1和2為信號(hào)電極，3為公共電極。它的光敏面為細(xì)長(zhǎng)的矩形條。 LIIIIx1212 一維PSD位置檢測(cè)電路原理圖： 3.二維PSD器件 如圖3-36（a）所示，在正方形的PIN硅片的光敏面上設(shè)置2對(duì)電極，分別標(biāo)注為Y1，Y2和X3，X4，其公共N極常接電源Ubb。二維PSD器件的等效電路如圖3-36（b）所

28、示 x4x3x4x32121yyyyIIxLIIIIyLII單面型雙面型（誤差?。?為了減少測(cè)量誤差常將二維PSD器件的光敏面進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的PSD光敏面如圖3-37所示圖形，四個(gè)引出線分別從四個(gè)對(duì)角線端引出，光敏面的形狀好似正方形產(chǎn)生了枕形畸變。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是光斑在邊緣的測(cè)量誤差被大大地減少。 xxxxII)()(II)()(yyyxyxyyyxyxIIIIIIyIIIIIIx3.3 光生伏特器件的偏置電路(反偏，零偏、自偏) dr 3.3.1 反向偏置電路 dr 光生伏特器件在反向偏置狀態(tài)，光生伏特器件在反向偏置狀態(tài)，PN結(jié)勢(shì)壘區(qū)加寬，有利結(jié)勢(shì)壘區(qū)加寬，有利于光生載流子的漂移運(yùn)動(dòng)，使光

29、生伏特器件的線性范圍和光于光生載流子的漂移運(yùn)動(dòng)，使光生伏特器件的線性范圍和光電變換的動(dòng)態(tài)范圍加寬。電變換的動(dòng)態(tài)范圍加寬。 1.反向偏置電路的輸出特性反向偏置電路的輸出特性 Ubb時(shí)，時(shí)，IL為為 dpLIII 2.輸出電流、電壓與輻射量間的關(guān)系 de,LhcqIIe,LbbLhcqRUUe,LhcqRUe,LhcqI暗電流都很小，可以忽略不計(jì)。 輸出電壓與入射輻射量的關(guān)系為：輸出電壓信號(hào)U為 例例3-1 3-1 用2CU2D光電二極管探測(cè)激光器輸出的調(diào)制信號(hào)e,=20 +5sint（W）的輻射通量時(shí)，若已知電源電壓為15V，2CU2D的光電流靈敏度Si=0.5A/W，結(jié)電容Cj=3 pF，引線分布電容Ci=7 pF，試求負(fù)載電阻RL=2M時(shí)該電路的偏置電阻RB為多少？并計(jì)算輸出最大電壓信號(hào)情況下的最高截止頻率為多少？ 解解 首先找出入射輻射的峰值m:m=20+5=25W再求出2CU2D的最大輸出光電流ImIm=Sim =12.5(A)設(shè)最大輸出電壓信號(hào)時(shí)的偏置電阻為RB，則RBRL=1.2M 3.反向偏置電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 于是可以求出偏置電阻為RB值: RB=3 M最大輸出的電壓時(shí)的最高截止頻率fb: fb= 83kHz