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思考与习题 5.1 写出硅光电二极管的全电流方程，说明各项的物理意义。解：硅光电二极管的全电流方程为 qU d kT e,D q I(1e)I(e1) hcalhl-=--F+-式中，h为光电材料的光电转换效率，a为材料对光的吸收系数。光电流为 d e, q I(1e) halhu-F=--F无辐射时的电流为 qU kT D II(e1)=- D I 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，q为电子电荷量。 5.2 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。解：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p+型层，p+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 2 SiO 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n+型层，p 型硅和n+型硅接触形成 p‐n 结，在n+区引出正极，并涂以透明的 2 SiO 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 2 SiO 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 2 SiO 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。 5.3 影响光生伏特器件频率响应特性的主要因素有哪些？为什么 PN 结型硅光电二极管的最高工作频率小于等于 10 7 Hz？怎样提高硅光电二极管的频率响应？解：影响光生伏特器件频率响应的主要因素有三点：（1）在 PN 结区内产生的光生载流子渡越结区的时间 drt，即漂移时间；（2）在 PN 结区外产生的光生载流子扩散到 PN 结区内所需的时间 pt，即扩散时间；（3）由 PN 结电容、管芯电阻 i R 及负载电阻 L R 构成的RC 延迟时间 RCt。对于 PN 结型硅光电二极管，光生载流子的扩散时间 pt是限制硅光电二极管频率响应的主要因素。由于光生载流子的扩散运动很慢，因此扩散时间 pt很长，约为 100ns，则其最高工作频率 7 p 1 f10Hzt=£此外，其频率响应特性还受延迟时间 RCt的影响。但是，在负载电阻 L R 低于 500W时，时间常数在 ns 量级。因此，合理匹配负载电阻的大小，并从结构设计方面考虑如何在不使偏压增大的情况下使耗尽区扩展到整个PN结器件,可将延迟时间 RCt及扩散时间 pt对硅光电二极管频率响应特性的影响降到最低。 5.4 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人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度下的开路电压？解：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 oc D I kT Uln(1) qIj=+，将 d e, q I(1e) hajlhu=-F代入 oc U 的表达式并求关于l的一阶导数，令 max oc dU 0 dlll==，求得最大开路电压。由于输出电压 qU kT oLLPDL UIR[II(e1)]R==--，即包含了扩散电流 qU kT D Ie 和暗电流 D I 的影响，使得硅光电池的有载输出电压总小于开路电压 oc U 。 5.5 硅光电池的内阻与哪些因素有关？在什么条件下硅光电池的输出功率最大？解：硅光电池的内阻与动态结电阻 Rsh 及串联电阻Rs有关。在线性测量中，动态电阻Rsh 值越大越好；串联电阻 Rs 通常很小，在一些计算中可忽略。由于负载获得的功率 2 LLL PIR=，所以当选择负载电阻的值为最佳负载电阻值时，即若满足 optL L RR dP 0 dL==则硅光电池的输出功率最大。 5.6 光生伏特器件有哪几种偏置电路？各有什么特点？解：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 SC I 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。 5.7 在 PIN 光电二极管中，I 层半导体材料的主要作用是什么？解：本征层的引入，明显增大了 p+区的耗尽层的厚度，这有利于缩短载流子的扩散过程。耗尽层的加宽，也可以明显减少结电容,从尔使电路常数减小。同时耗尽加宽还有利于对长波区的吸收。性能良好的 PIN 光电二极管，扩散和漂移时间一般在 10‐10s 数量级，频率响应在千兆赫兹。实际应用中决定光电二极管的频率响应的主要因素是电路的时间常数。合理选择负载电阻是一个很重要的问题。 5.8 简述 PIN 光电二极管的工作原理。解：在光电二极管的 PN 结中间掺入一层浓度很低的N 型半导体，就可以增大耗尽区的宽度，达到减小扩散运动的影响，提高响应速度的目的。由于这一掺入层的掺杂浓度低，近乎本征（Intrinsic）半导体，故称 I 层，因此这种结构成为 PIN 光电二极管。I 层较厚，几乎占据了整个耗尽区。绝大部分的入射光在 I 层内被吸收并产生大量的电子‐空穴对。I 层中的光生电子‐空穴对被电场 E 分开并各自漂移向P + 层和 N + 层，当 PIN 外接负载电阻形成回路时，就会在回路产生电流，其电流的大小近似等于光电流。P 层和 N 层很薄，吸收入射光的比例很小。因而光产生电流中漂移分量占了主导地位，这就大大加快了响应速度。 5.9 简述雪崩光电二极管的工作原理。答：在光电二级管的 PN 结上加一个相当高的反向偏压(约 100~300V)，PN 结区会产生很强的电场。当光生载流子进入结区后，会在强电场(约为 3×105V/cm) 的作用下加速获得很大的能量。定向运动的高能量载流子与晶格原子发射碰撞，使晶格原子发生电离，产生新的电子‐空穴对；新的电子‐空穴对在强电场的作用下获得足够的能量，再次与晶格原子发生碰撞，又产生新的电子‐空穴对；这个过程不断重复，使 PN 结内电流急剧倍增放大，这种的现象称为雪崩倍增效应，如右图所示。雪崩光电二极管能够获得内部增益是基于碰撞电离效应，这种效应产生了光电流放大。 5.10 画出双结硅色敏器件的结构图并分析其工作原理。答：色敏探测器是半导体光敏传感器的一种，是基于内光电效应将光信号转换为电信号的光辐射探测器件。可直接测量从可见光到近红外波段内单色辐射的波长，是一种新型的光敏器件。双结色敏探测器是检测单色光的常用传感器，是一种不使用滤色器的双结型光敏二极管，由同一硅片上两个深浅不同的P‐N 结光构成，其中 1 PD 结为浅结， 2 PD 结为深结。其结构和工作原理的等效电路如图 1 所示。在光照射时，P+，N，P 三个区域及其间的势垒区均有光子吸收，但是吸收的效率不同。紫外光部分吸收系数大，经过很短距离就被吸收完毕；因此图 3 短路电流与入射波长的关系 0.4 0.6 0.8 1.0 10 1.0 0.1 0.01 /mlm 12 / sdsd II 电极3 电极1 电极2 SiO2 P+ N P 图1 双结色敏传感器及等效电路图图2 光谱响应曲线 0.6 0.8 1.0 0.4 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 PD1 PD2 相对相应度 /mlm E 雪崩区 n+ + h e- pp图雪崩光电二级管工作原理图浅结对紫外光灵敏度较高。而红外光部分吸收系数小，光子主要在深结处被吸收；因此，深结对红外光灵敏度较高。即导体中不同的区域对不同的波长具有不同的灵敏度，见图 2。这就使其具有识别颜色的功能。当入射光强度保持一定时，器件中两只光电二极管短路电流比值 sd1sd2 I/I 与入射单色光（一般由单色光照射待测物体反射后得到）波长存在一一对应关系，根据标定的曲线及对应关系，即可唯一确定该单色光的波长，如图 3。虽然对于固定波长的入射光由于外界环境的影响，在不同时刻同一结输出的电流有起伏，但同一时刻 2 个结的对数电流比为一定值。 5.11 画出全色色敏器件的结构图并分析其工作原理。答：全色色敏探测器是在同一块玻璃衬底基片上集成三个光电二极管，并同时涂盖一层红，绿，蓝三基色滤色片而成，全色色敏传感器结构示意图如图 1 所示；当物体或发光体反射来的光入射到红，绿，蓝三基色滤色片的检测部分上时，光谱响应曲线如图 2 所示。该曲线近似于国际照明委员会制定的 CIE1931‐RGB 标准色度系统光谱三刺激值曲线，通过对 R、 G、B 输出电流的比较，即可识别物体的颜色。 5.12 画出双色硅色敏器件信号处理电路框图并简单分析检测颜色原理。解：根据双结光电二极管等效电路，可以设计出如图所示的信号处理电路，图中 1 PD 和 2 PD 为两个深浅不同的硅PN 结，它们的输出分别连接到运算放大器 1 A 和 2 A 的输入端， 1 D 、 2 D 图1 全色色敏探测器结构示意图图2 全色色敏探测器光谱响应曲线 /mlm图双结硅色敏器件信号处理电路 3 A 1 PD 2 PD 1 D 2 D 2 R 1 R 4 R 3 R O U 1 A 2 A作为对数变换元件， 3 A (差动放大器）对 1 A 和 2 A 的输出电压作减法运算，最后得到对应于不同颜色波长的输出电压值，即 2 OTsc1sc2 1 R U=U(lgIlgI) R 式中， T U=/ kTe，室温条件下， T U26mV»； sc1 I 、 sc2 I 分别为 1 PD 、 2 PD 的短路电流； 2143 R/RR/R=为差动放大器 3 A 的电压放大倍数。由于入射光波与(Isc1/Isc2)之间有一一对应关系，根据式(5‐55)就可以得到输出电压 O U 与入射波长之间的关系。因此，只要测出上面信号处理电路的输出电压，就能确定被测光的波长以达到识别颜色的目的。 5.13 画出全色硅色敏器件信号处理电路框图并简单分析检测颜色原理。解：利用全色色敏器件及相关分析手段可以较精确地测定颜色，典型的硅集成三色色敏器件的颜色识别的信号处理电路，如图所示。从标准光源发出的光，经被测物反射，投射到色敏器件后，R、G、B 三个光电二极管输出不同的光电流，经运算放大器放大、 A/D转换，将变换后的数字信号输入到微处理器中。微处理器在软件的支持下，在显示器上显示出被测物的颜色。测量前应对放大器进行调整，使标准光源发出的光，经标准白板反射后，照到色敏器件上时应满足 ''' RGB33%===。 5.14 查阅文献，举一例色敏探测器实例应用。解：测量、控制光源的色温度的实例：图全色色敏器件颜色识别电路框图灯电压控制电路 V 信号处理电路输出电压VO 灯半导体色敏传感器反馈功耗 1 PV=´图测量、控制光源的色温度的电路如上图是一个测量、控制光源的色温度的典型电路。光源的发光受灯电压控制电路控制，将光源的一部分光输入给半导体色敏传感器，经图所示电路进行信号处理后得到输出电压，再将该输出电压反馈给灯压控制电路。采用这种方式，可通过把半导体色敏传感器的输出电压保持在一个给定值上，使光源色温度的规定值维持不变。 5.15 画出一维 PSD 位置传感器工作原理图，并分析。位置敏感探测器是一个利用嵌入式电阻层来生成位置灵敏信号电流的单一光电二极管，其工作机理是半导体的横向光电效应。横向光电效应是指当 PN 结一面被非均匀辐照时，