Microsoft Word - 第5章 思考与习题

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1、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 qUd kTe, DqI (1e) I(e 1)hc a l hl - =- - 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 de,qI (1e)h a l h u - F =- - F 无辐射时的电流为qUkTDII(e 1) = -DI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

2、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pn结，引出电极，在光敏面上涂上2SiO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pn结，在n + 区引出正极，并涂以透 明的2SiO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2SiO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2SiO中少量正离子的静电 感应所产生的表面漏电流，在氧

3、化层中也扩散一个环形pn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107Hz？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dr t ，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p t ，即扩散时间； （3）由PN结电容 、管芯电阻iR及负载电阻LR构成的RC延迟时间RC t 。 对于PN结型硅光电二极管， 光生载流子的扩散时间p t 是限制硅光电二极

4、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p t 很长，约为10ns，则其最高 工作频率7p1f 10Hz t = 此外，其频率响应特性还受延迟时间RC t 的影响。但是，在负载电阻LR低于50W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RC t 及扩散时间p t 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

5、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pn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 DIkTU ln( 1)qI j = + ，将 d e,qI (1e)h a j l h u = -F 代入ocU的表达式并求关于l 的一阶导数， 令 maxocdU 0d ll l = = ，求得最大开路电压。由于输出电压 qUkTo LL P D LUIRI I(e 1)R = =- - ，即包 含了扩散电流 qUkTDIe和暗电流DI的影响， 使得硅光电池的有载输出电压总小于开路电压ocU。5.5硅光电池的

6、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2L LLPIR = ，所以当选择负载电阻的值为最佳负载电阻值时，即若满足optLLRRdP 0dL = = 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

7、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SCI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

8、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1010s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

9、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10300V)，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3105V/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

10、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PN结光构成，其中 1PD结为浅结， 2PD

11、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0.40.60.81.0101.00.10.01 /m lm1 2/sd sdI I电极3电极1 电极2SiO2P+NP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 1.00.400.20.40.60.81.0PD1 PD2相对相应度/m lE雪崩区n +h e -p p 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

12、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sd1sd2I/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

13、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CIE1931RGB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1PD和 2PD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1A和2A的输入端，1D、2D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/m l 图

14、 双结硅色敏器件信号处理电路3A1PD2PD1D2D2R1R4R3ROU1A2A作为对数变换元件，3A(差动放大器）对1A和2A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2OT sc1 sc2 1RU=U(lgIlgI)R式中，TU=/kTe，室温条件下，TU26mV ；sc1I、sc2I分别为 1PD、 2PD的短路电流；2 1 4 3R/RR/R = 为差动放大器3A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(55)就可以得到输出电压OU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

15、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