第4章 光伏探測(cè)器

1、 1 College Of Optoelectric Science and Engineering 光電科學(xué)與工程學(xué)院 光電科學(xué)與工程學(xué)院 科學(xué)出版社《光電技術(shù)》第 1 版習(xí)題與思考題及參考解答 科學(xué)出版社《光電技術(shù)》第 1 版習(xí)題與思考題及參考解答 第 4 章 光伏探測(cè)器 章 光伏探測(cè)器 4-1 （1）證明：光電二極管輸出的光電流 ( ) p 0 e / I h ηΦ ν = ，式中：Ф0 為入射輻射功率，e為電子電量，η為量

2、子效率，hv 為入射光子能量； （2）通常光電二極管的內(nèi)增益 M=1，不會(huì)出現(xiàn) M>1。試從光伏效應(yīng)的機(jī)理上加以解釋。 答： （1）單位時(shí)間內(nèi)入射光子數(shù) ( ) 0 / N h Φ ν = ，則單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的光生電子-空穴對(duì)數(shù)( ) 0 / N N h η ηΦ ν ′ = = ；故 ( ) p 0 / I e h η ν = Φ（2）光電二極管是依靠結(jié)區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)的作用，將光照時(shí)產(chǎn)生的光生電子-空穴對(duì)分離，在 PN 結(jié)的兩則出

3、現(xiàn)光生電動(dòng)勢(shì)。內(nèi)部沒(méi)有增益機(jī)制使得輸出的載流子數(shù)目增加，從而不會(huì)出現(xiàn)內(nèi)增益 M>1；只要保證光敏面很薄，即保證載流子的擴(kuò)散時(shí)間遠(yuǎn)小于它們的平均壽命，所有光生載流子都能達(dá)到結(jié)區(qū)，實(shí)現(xiàn)分離而形成光生電動(dòng)勢(shì)，即光電二極管的內(nèi)增益 M=1。4-2 光伏探測(cè)器的頻率響應(yīng)特性明顯優(yōu)于光電導(dǎo)探測(cè)器。 試從光電導(dǎo)效應(yīng)和光伏效應(yīng)的機(jī)理上加以解釋。 答：從器件的光-電的響應(yīng)過(guò)程來(lái)分析。光電導(dǎo)探測(cè)器的工作機(jī)理：將光照時(shí)產(chǎn)生的光生載流子直接輸出形成電信號(hào)

4、。以線性光電導(dǎo)探測(cè)器為例，它的響應(yīng)時(shí)間決定于器件載流子壽命，一般光電導(dǎo)材料載流子壽命為毫秒-秒量級(jí)。 光伏探測(cè)器的工作機(jī)理： 光照時(shí)產(chǎn)生的光生電子-空穴向結(jié)區(qū)擴(kuò)散， 依靠結(jié)區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)的作用分離光生電子-空穴，并在 PN 結(jié)的兩則出現(xiàn)光生電動(dòng)勢(shì)。因此，光伏探測(cè)器的光-電響應(yīng)時(shí)間包括擴(kuò)散時(shí)間、漂移時(shí)間，其中擴(kuò)散時(shí)間指光生電子-空穴對(duì)擴(kuò)散到結(jié)區(qū)的時(shí)間，一般光敏面很薄，使得擴(kuò)散時(shí)間遠(yuǎn)小于載流子壽命（約為 10-9s 量級(jí)） ；漂移時(shí)間指光生電

5、子-空穴在電場(chǎng)作用下通過(guò)結(jié)區(qū)的時(shí)間（約為 10-11s 量級(jí)） 。 4-3 圖 4-46 中，用 2CU 型光電二極管接收輻射通量變化為 Φ=(20+5sinωt)μW 的光信號(hào)，Rb=RL=125k?。2CU 的參數(shù)是：光電靈敏度 S=0.6μA／μW，結(jié)電容 Cj=3pF，引線分布電容C0=3pF。 （1）畫(huà)出圖 4-的等效電路圖； （2）求低頻時(shí)交流輸出電壓 UL 的有效值； （3）上限截止頻率。 解：(1)圖 4-46 的等效電

6、路如圖 圖 4-46 題 4-3 圖 3 College Of Optoelectric Science and Engineering 光電科學(xué)與工程學(xué)院 光電科學(xué)與工程學(xué)院 科學(xué)出版社《光電技術(shù)》第 1 版習(xí)題與思考題及參考解答 科學(xué)出版社《光電技術(shù)》第 1 版習(xí)題與思考題及參考解答 從而 噪聲電壓 2 in 9.1μV U =Ui 處的電壓信噪比2400 43.9 9.1isisuu = =Uo 處信號(hào)電壓 os is 25

7、0k 1 0.4mV=20.4mV 5k U KU Ω ? ? = = + × ? ? Ω ? ?4-5 已知 2CR 太陽(yáng)能光電池的參數(shù)為 Uoc=0.54V，Isc=50mA，要用若干個(gè)這樣的光電池組合起來(lái)對(duì) 0.5A、6V 的蓄電池充電，應(yīng)組成怎樣的電路，畫(huà)出電路圖；需要多少這樣的光電池(充電電源電壓應(yīng)比被充電電池電壓高 1V 左右)。 解：根據(jù)電路的性質(zhì)，電壓要求 0.54n≥（6+1） ，所以至少要 13 個(gè)這樣的電

8、池串聯(lián)；電流要求 0.05n≥0.5，所以至少要 10 個(gè)這樣的電池組并聯(lián)。 這樣，10 組并聯(lián)，每組 13 個(gè)光電池串聯(lián)。所以，至少應(yīng)有 130 個(gè)蓄電池。 電路圖（略） 。 4-6 硅光電池的開(kāi)路電壓為 Uoc，當(dāng)照度增大到一定時(shí)，為什么不再隨入射照度的增加而增加，只是接近 0.6V ? 在同一照度下，為什么加負(fù)載后輸出電壓總是小于開(kāi)路電壓? 答：開(kāi)路電壓是光電池的光生電動(dòng)勢(shì)，它是由 PN 結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)分離光生電子-空穴對(duì)后產(chǎn)生的。

9、 開(kāi)路電壓隨照度增大而增大， 但是當(dāng)開(kāi)路電壓增大到與 PN 結(jié)接觸電勢(shì)差完全相抵 （此時(shí)內(nèi)建電場(chǎng)為零）時(shí)，則不會(huì)再增加。 同一照度下， 加負(fù)載后， 負(fù)載電阻與光電池內(nèi)電阻串聯(lián)， 內(nèi)電阻上總會(huì)分去一部分電壓，所以負(fù)載上的輸出電壓總是會(huì)小于開(kāi)路電壓。 4-7 說(shuō)明 PIN 管、雪崩光電二極管的工作原理和各自特點(diǎn)。PIN 管的頻率特性為什么比普通光電二極管好? 答： （一）PIN 光電二極管 工作原理：PIN 光電二極管是一種快速光電二極管，

10、PIN 光電二極管在摻雜濃度很高的P 型半導(dǎo)體和 N 型半導(dǎo)體之間夾著一層較厚的高阻本征半導(dǎo)體 I，其基本原理與光電二極管相同。但由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，PIN 光電二極管具有其獨(dú)特的特性。如下圖所示。 特點(diǎn)：①結(jié)電容小，頻率相應(yīng)高。最大特點(diǎn)是頻帶；②可承受較高的反向電壓，線性輸出范圍寬；③量子效率較高；④不足是輸出電流很小，約在微安量級(jí)。 PIN光電二極管頻率特性比普通光電二極管好的原因： PIN光電二極管PN結(jié)間距離大，結(jié)電容很小。由于工作