光电探测技术与应用第4章课后习题与答案

1写出硅光电二极管的全电流方程，说明各项的物理意义。答：硅光电二极管的全电流方程为(1),(1)kTqUeDedIehcqI式中，为光电材料的光电转换效率，为材料对光的吸收系数。光电流为(1)e,edhqI无辐射时的电流为(kT1)qUIIDeID为暗电流，U为加在光电二极管两端的电压，T为器件的温度，k为玻尔兹曼常熟，q2比较2CU型硅光电二极管和2DU型硅光电二极管的结构特点，说明引入环极的意义。答：2CU型硅光电二极管是采用n型硅材料作基底，在n区的一面扩散三价元素硼而生成重掺杂型层，型层和n型硅相接触形成p-n结，引出电极，在光敏面上涂上保护膜。2DU型硅光电二极管是以轻掺杂、高阻值的p型硅材料做基底，在p型基底上扩散五价元素磷，形成重掺杂型层，p型硅和型硅接触形成p-n结，在区引出正极，并涂以透明的作为保护膜，基底镀镍蒸铝后引出负电极。在硅光电二极管的制造过程中，在光敏面上涂保护层的过程中，不可避免的会沾污一些杂质正离子，通过静电感应引起表面漏电流，并进而产生暗电流和散粒噪声。因此，为了减少由于中少量正离子的静电感应所产生的表面漏电流，在氧化层中也扩散一个环形p-n结而将受光面包围起来，即引入环极，以增加高阻区宽度，避免边缘过早击穿。pp2SiO2nnnSiO2SiO2SiO度下的开路电压？为什么在光照度增大到一定程度后，硅光电池的开路电压不再随入射照度的增大而增大？硅光电池的最大开路电压为多少？为什么硅光电池的有载输出电压总小于相同照答：答：当光照强度增大到某个特定值时，硅光电池的p-n结产生的光生载流子数达到了最大值，即出现饱和，再增大光照强度，其开路电压不再随之增大。硅光电池的开路电压表达式为ln(1)DocIIqkTU，将(1)e,edhqI代入的表达式并求关于的一阶导数，令0maxddUoc，求得最大开路电压。由于输出电压LkTqUUoILRL[IPID(e1)]R，即包含了扩散电流kTqUIDe和暗电流ID的影响，使得硅光电池的有载输出电压总小于开路电压Uoc。第4章答：光生伏特器件有以下几种偏置电路：（1）自偏置电路。特点是光生伏特器件在自偏置电路中具有输出功率，且当负载电阻为最佳负载电阻时具有最大输出功率。其缺点在于输出电流或输出电压与入射辐射间的线性关系很差，在实际测量电路中很少应用。（2）反向偏置电路。光生伏特器件在反向偏置状态，PN结势垒区加宽，有利于光生载流子的漂移运动，使光生伏特器件的线性范围和光电变换的动态范围加宽，被广泛应用于大范围的线性光电检测与光电变换中。（3）零伏偏置电路。光生伏特器件在零伏偏置下，输出的短路电流与入射辐射量成线性变化关系。因此，零伏偏置电路是理想的电流放大电路，适合于对微弱辐射信号的检测。ISC4光生伏特器件有几种偏置电路？各有什么特点？（2）当将该硅光电池安装在如图所示的偏置电路中时，若测得输出电压Uo1V，求此时光敏面上的照度。5在室温300K时，已知2CR21型硅光电池（光敏面积为5mm500mm）在辐照度为100mW/cm2时的开路电压为Uoc550mV，短路电流Isc6mA。试求：（1）室温情况下，辐照度降低到50mW/cm2时的开路电压Uoc与短路电流Isc。Ee100mW/cm2Uoc550mWIsc6mA，则由解：（1）由题意，在温度为300K条件下，当辐照度为时，开路电压，短路电流ln(1)DocIIqkTU及(1)e,dscehqII得，在室温情况下，辐照度为1EemWcmImAEEIIsceesc631001501111111DDococIIIqKTIIInq50/2时，KTUU又T1T而AmAeeIIkTqUDoc1291.38103001.6105501033.529103.529101610123193则ID相对于I非常小，VmVIIqKTIIIIqKTUUDDococ0.0181863ln1ln10.026ln1所以Uoc1Uoc1855018532mV（2）由于运放的开环增益A105，故可将电路视为零伏偏置电路，则mARUUIRIfooscfsc0.0416241222221000.69/60.0416EmWcmII，Eescsc则e6已知2CR44型硅光电池的光敏面积为10mm10mm，在室温为300K、辐照度为100mW/cm2时的开路电压Uoc550mV，短路电流Isc28mA。试求：辐照度为200mW/cm2时的开路电压Uoc、短路电流Isc、获得最大功率的最佳负载电阻RL、最大输出功率Pm和转换效率mln1DocIIqkTU以及(1)e,dscehvqII得ImAEEIIsceesc285610012001111111DDococIIIqKTIIInqKTUU又T1T而AmAeeIIKTqUocD1290.02655010318.2441018.244101281013则ID相对于I非常小，解：由题意，当T=300K，Ee100mW/cm2时，Uoc550mV,ISC28mA，则由VmVIIqKTIIIIqKTUUDDococ0.018182856ln1ln10.026ln1所以Uoc1Uoc0.018568mV则当负载电阻为最佳负载电阻时，可取输出电压Um0.6Uoc1340.8mV而此时的输出电流近似等于光电流，即ImI156mA则获得最大功率的最佳负载电阻6.0856340.8mmlIUR最大输出功率PmUmIm340.85610319.08mW转换效率9.54%200119.08ESPPmmm7已知光电三极管变换电路及其伏安特性曲线如图3-45所示。若光敏面上的照度变化e12080sinwt(lx)，为使光电三极管的集电极输出电压为不小于4V的正弦信号，求所需要的负载电阻RL、电源电压Ubb及该电路的电流、电压灵敏度，并画出三极管输出电压的波形。解：参见教材习题P77例3-20.2，三极管3DG40的电流放大倍数50，最高入射辐射功率为400W时的拐点电压UZ1.0V。求入射辐射功率最大时，电阻Re的值与输出信号Uo的幅值。入射辐0.4/，其暗电流IDA知光电二极管的电流灵敏度SiAW8利用2CU22光电二极管和3DG40三极管构成如图3-46所示的探测电路。已射变化50W时的输出电压变换量为多少？则1.26412608.15010.3KIURee由ISiEei，则I0.45020uA从而Ie1I51201020uA1.02mA所以有输出电压的变化量为U0IeRe1.0212601.285V由Ie1Ib51159.8uA8.15mA又UoUbbUzUbe1210.710.3V解：由题意，当最高入射辐射功率为400uW时，拐点电压为1.0V，则由Ipe,Si得Ip4000.4160uA，IbIpID1600.2159.8uA11何谓PSD器件？PSD器件有几种基本类型？你能设计出用1维PSD来探测光点在被测体上的位置吗？一种对入射到光敏面上的光电位置敏感的光电器件。它有三种基本类型，即一维PSD器件和二维PSD器件。用一维PSD来探测光点在被测体上的位置，其原理图如下图所示答：PSD即光电位置敏感器件，是基于光生伏特器件的横向效应的器件，是被测光斑在光敏面上的位置由下式计算，即LIIIIxA2121所输出的总光电流为IPI1I212为什么越远离PSD几何中心位置的光点，其位置检测的误差越大？答：理想的PSD器件要求P型层不仅是光敏层，而且是一个均匀的电阻层。电阻的均匀程度直接影响到光斑左右两侧的光电流差值的准确性。很显然，由于受制造工艺的影响，不可能做到电阻分布严格均匀，事实上距离中心较近的位置电阻均匀性较好，而偏离中心的位置电阻均匀性差。因此，检测的误差随位置偏离而增大。