科学出版社 江文杰编著《光电技术》习题答案 第4章

科学出版社《光电技术》第1版习题与思考题及参考解答

第4章 光伏探测器

4-1 （1）证明：光电二极管输出的光电流Ip=eηΦ0/(hν)，式中：Ф0为入射辐射功率，e

（2）通常光电二极管的内增益M=1，不会为电子电量，η为量子效率，hv为入射光子能量；

出现M>1。试从光伏效应的机理上加以解释。

答：（1）单位时间内入射光子数N=Φ0/(hν)，则单位时间内产生的光生电子-空穴对数N′=ηN=ηΦ0/(hν)；故Ip=eηΦ0/(hν)

（2）光电二极管是依靠结区的内建电场的作用，将光照时产生的光生电子-空穴对分离，在PN结的两则出现光生电动势。内部没有增益机制使得输出的载流子数目增加，从而不会出现内增益

M>1；只要保证光敏面很薄，即保证载流子的扩散时间远小于它们的平均寿命，所有光生载流子都能达到结区，实现分离而形成光生电动势，即光电二极管的内增益M=1。

4-2 光伏探测器的频率响应特性明显优于光电导探测器。试从光电导效应和光伏效应的机理上加以解释。

答：从器件的光-电的响应过程来分析。光电导探测器的工作机理：将光照时产生的光生载流子直接输出形成电信号。以线性光电导探测器为例，它的响应时间决定于器件载流子寿命，一般光电导材料载流子寿命为毫秒-秒量级。

光伏探测器的工作机理：光照时产生的光生电子-空穴向结区扩散，依靠结区的内建电场的作用分离光生电子-空穴，并在PN结的两则出现光生电动势。因此，光伏探测器的光-电响应时间包括扩散时间、漂移时间，其中扩散时间指光生电子-空穴对扩散到结区的时间，一般光敏面很薄，使得扩散时间远小于载流子寿命（约为10-9s量级）；漂移时间指光生电子-空穴在电场作用下通过结区的时间（约为10-11s量级）。

4-3 图4-46中，用2CU型光电二极管接收辐射通量变化为Φ=(20+5sinωt)μW的光信号，Rb=RL=125k 。2CU的参数是：光电灵敏度S=0.6μA／μW，结电容Cj=3pF，引线分布电容C0=3pF。

（1）画出图4-的等效电路图；（2）求低频时交流输出电压UL的有效值；（3）上限截止频率。

图4-46 题4-3图

解：(1)图4-46的等效电路如图

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(2)由等效电路图，光电二极管的输出的交流电流由两个电容和两个电阻分流，总电容为

C1=Cj+C0，总电阻为R1=Rb//RL，流过RL的交流电流最大值

1 1 //R1 /RL=SΦm //R1 /RL=

ILm=Im iCiCωω11 低频时，流过RL的交流电流最大值交流输出电压UL的有效值

RRb125=0.6×5×=1.5μA ILm=SΦm1=SΦmRLRb+RL125+125

交流输出电压UL的有效值

UL=ILmRL=1.5μA×125k =132.6mV

(3)上限截止频率

fHC=11==424.6kHz 2πR1C12×3.14××103×6×10 12

2

4-4 在光通讯系统中，发射端功率l0mW，光传输到接收端的损耗为30dB，InGaAs接收光电二极管对发射的1.3μm波长光信号的响应率为0.8A/W，暗电流为5nA。接收端所用电路如图4-所示，系统带宽为100MHz。求Ui处的电压信噪比和Uo处信号电压（不考虑1/f噪。 声及光电二极管的热噪声，T＝300K）图4-47 题4-4图

解：发射端功率l0mW，光传输到接收端的损耗为

30dB，故接收端功率为10-5W。

(信号)光电流为 0.8A/W×10-5W = 8μW

Ui处的信号电压为Uis=8μW×50 = 0.4mV

（考虑了光电二极管的散粒噪声电流流过负载电阻50 的噪声电Ui处的噪声电压均方值

： 压，负载电阻50 自身的噪声电压）

2Uin=2eiΔf R2+4kTΔf R=8.34×1011V

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从而 =9.1μV

Ui=43.9 Uo处信号电压Uos=KUis= 1+

250kΩ ×0.4mV=20.4mV 5kΩ

4-5 已知2CR太阳能光电池的参数为Uoc=0.54V，Isc=50mA，要用若干个这样的光电池组合

起来对0.5A、6V的蓄电池充电，应组成怎样的电路，画出电路图；需要多少这样的光电池(充电电源电压应比被充电电池电压高1V左右)。

解：根据电路的性质，电压要求0.54n≥（6+1），所以至少要13个这样的电池串联；电流要求0.05n≥0.5，所以至少要10个这样的电池组并联。

这样，10组并联，每组13个光电池串联。所以，至少应有130个蓄电池。

电路图（略）。

4-6 硅光电池的开路电压为Uoc，当照度增大到一定时，为什么不再随入射照度的增加而增加，只是接近0.6V ? 在同一照度下，为什么加负载后输出电压总是小于开路电压? 答：开路电压是光电池的光生电动势，它是由PN结的内建电场分离光生电子-空穴对后产

（此生的。开路电压随照度增大而增大，但是当开路电压增大到与PN结接触电势差完全相抵

时内建电场为零）时，则不会再增加。

同一照度下，加负载后，负载电阻与光电池内电阻串联，内电阻上总会分去一部分电压，所以负载上的输出电压总是会小于开路电压。

4-7 说明PIN管、雪崩光电二极管的工作原理和各自特点。PIN管的频率特性为什么比普通光电二极管好?

答：（一）PIN光电二极管

工作原理：PIN光电二极管是一种快速光电二极管，PIN光电二极管在掺杂浓度很高的P型半导体和N型半导体之间夹着一层较厚的高阻本征半导体I，其基本原理与光电二极管相同。但由于其结构特点，PIN光电二极管具有其独特的特性。如下图所示。

特点：①结电容小，频率相应高。最大特点是频带；②可承受较高的反向电压，线性输出范围宽；③量子效率较高；④不足是输出电流很小，约在微安量级。

PIN光电二极管频率特性比普通光电二极管好的原因：PIN光电二极管PN结间距离大，结电容很小。由于工作在反偏状态，随着反偏电压增大，结电容变得更小，从而提高了PIN光电二极管的频率响应。

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（二）雪崩光电二极管（APD) （1

）结构原理：雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的，其工作原理如下图所示。雪崩光电二极管工作电压很高，约为100～200V，接近反向击穿电压。结区内电场极强，光生载流子在这种电场中的得到了极大的加速，同时与晶格原子发生碰撞产生电离，产生更多的电子空穴对。新生的电子空穴对在强电场作用下重复这一过程，形成结电流的雪崩效应。

工作特点：灵敏度高；电流增益大，可达10 10；响应速度特别快，硅和锗雪崩光电二极管带宽可达100GHz。

4-8 试述PSD的工作原理。与象限探测器相比，PSD有什么优点?

答：工作原理：

图一个PIN型一维PSD的示意图，其中图（a）为它的断面结构；图（b）为等效电路图。该PSD包含有三层，上面为P层，下面为N层，中间为I层，它们全被制作在同一硅片上，P层不仅是一个光敏层，而且还是一个均匀的电阻层。

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(a) PSD断面结构 (b) PSD等效电路图

PIN型一维PSD示意图

当入射光照射到PSD的光敏层上时，在入射位置上就会产生与光能成正比的电荷，此电荷以光电流的形式通过电阻层（P层）由电极输出。分析等效电路图可知，当器件P层的电阻率分布均匀、负载及电极接触电阻为零时，由电极①和电极②输出的电流大小分别与光点到各电极的电阻值（距离）成反比。设电极 …… 此处隐藏：3537字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……