2.4 光敏二極管傳感器

△ 光敏二極管是最重要的光電傳感器之一。它的響應(yīng)速度快，入射光量與輸出電流之間的轉(zhuǎn)換線性良好，輸出電流的溫度系數(shù)比較小，性能也很穩(wěn)定。光敏二極管在生產(chǎn)制作工藝上已趨于成熟，因而產(chǎn)品性能的一致性好，易于批量選用；并且光敏二極管體積小、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，因而易于安裝和使用，是目前應(yīng)用最廣泛的光電傳感器件。

2.4.1 光敏二極管的構(gòu)造和基本工作原理

△ 光敏二極管的內(nèi)部基片材料和半導(dǎo)體PN結(jié)構(gòu)與普通半導(dǎo)體二極管類似。它的管芯就是一個(gè)具有光敏感性的半導(dǎo)體PN結(jié)，暴露于外表面，并封裝在透明的玻璃殼內(nèi)（如圖2-12所示）。

△ 光敏二極管內(nèi)部的基本結(jié)構(gòu)如圖2-13所示。半導(dǎo)體PN結(jié)安置在管芯的頂部，這個(gè)PN結(jié)在光電變換電路中一般處于反向偏壓工作狀態(tài)。PN結(jié)的上方，即外殼的頂面上有一個(gè)玻璃透鏡制成的窗口，可以使入射光能夠集中在PN結(jié)的敏感面上。

△ 光敏二極管在電路中一般處于反向偏置（如圖2-14所示）狀態(tài)，當(dāng)無(wú)光照射時(shí)，反向電阻很大，與普通二極管一樣。電路中僅有很小的反向漏電流，一般為10-7～10-11A，稱為暗電流。此時(shí)相當(dāng)于光敏二極管截止。

△ 光敏二極管是基于光生伏特效應(yīng)工作的。當(dāng)有光照射在PN結(jié)上時(shí)，PN結(jié)附近受到光子的轟擊，半導(dǎo)體內(nèi)部被束縛的價(jià)帶電子吸收光子能量被激發(fā)而產(chǎn)生出光生“電子-空穴”對(duì)；使P區(qū)和N區(qū)中的少數(shù)載流子（少子）濃度大大增加，因此流過PN結(jié)的反向電流也隨著增大，這樣就形成了光電流。這個(gè)光電流是由半導(dǎo)體內(nèi)部的“少子”載流子構(gòu)成的。

△ 如果入射光強(qiáng)度變化，光能激發(fā)出的光生“電子-空穴”對(duì)的濃度也相應(yīng)變化，流過外電路的光電流強(qiáng)度也就隨之變化。可見光敏二極管具有將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出的能力，即具有光電轉(zhuǎn)換功能。故光敏二極管又稱為光電二極管。

2.4.2 光敏二極管的性能特點(diǎn)和主要參數(shù)

2.4.2.1 光敏二極管在特定情況下的電流和電壓分析

（1）有光照射時(shí)，圖2-15中（a）、（b）、（c）、（d）情況分析

由于光生伏特作用，在半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生了大量的光生自由空穴和自由電子。這時(shí)，如圖2-15（a）、（b）、（c）、（d）所示。

△ 如果PN結(jié)的兩端是開路的——兩極間就會(huì)產(chǎn)生光生電壓，這個(gè)電壓叫做開路電壓（U0）[如圖2-15（a）所示]。

△ 如果PN結(jié)的兩端是短路的——兩極回路里就會(huì)產(chǎn)生光生電流，這個(gè)電流叫做短路電流（I0）[如圖2-15（b）所示]。

△ 如果PN結(jié)兩極的回路里串聯(lián)了電阻R——回路里就會(huì)有電流IR；并且光電二極管兩端仍會(huì)有端電壓UR[如圖2-15（c）所示]。

對(duì)圖2-15（c）的情況分析如下：

●光照功率不變時(shí)，R兩端電壓UR和其中電流IR之間關(guān)系，如圖2-16中的曲線（2）的R段所示。

●當(dāng)電阻R值很大時(shí)，端電壓UR，對(duì)于R的變化，顯示出恒壓特性。

●當(dāng)電阻R值很小時(shí)，回路電流IR，對(duì)于R的變化，顯示出恒流特性。

●當(dāng)電阻R值適中而變化時(shí)，R兩端電壓UR和回路電流IR的變化特征，就如圖2-16中（2）曲線中的R段。

△ 如果PN結(jié)加上了反向電壓EF，并串入電阻RF，[如圖2-15（d）所示]；且光照功率恒定不變；分析圖2-15（d）中，當(dāng)電阻RF變化時(shí)，光電二極管中電壓、電流的狀態(tài)如下：

●調(diào)節(jié)RF，可以使PN結(jié)兩端電壓UF變?yōu)?；即

UF=EF-（IF·RF）=0

●這時(shí)RF上的壓降值就等于EF；回路電流IF也就成為短路電流I0；這時(shí)RF的值就是：

●這種情況，就如同PN結(jié)短接時(shí)的短路電流情況。如圖2-16中曲線（2）中的I0點(diǎn)。

●當(dāng)RF再減小時(shí)，即：RF< 時(shí)，由于光生電流IF有保持恒定的趨向，因而假定：

PN結(jié)兩端電壓UF在0V附近向正、負(fù)方向微變時(shí)，回路電流IF恒定為短路電流I0；這樣則有：PN結(jié)兩端電壓UF=EF-（IF·RF）≈EF-（I0·RF）>0；即UF為正值。

亦即表明：PN結(jié)兩端電壓為外加的反向電壓狀態(tài)（與EF同向）。并且回路電流IF也為反向電流狀態(tài)。

●PN結(jié)加反向電壓時(shí)，回路電流IF主要由光能決定，因而約等于短路電流I0。

●此時(shí)光電二極管中電壓、電流的情況如圖2-16中曲線（2）中的F段。此即為：光電二極管處于加反向偏壓的工作狀態(tài)。

●當(dāng)RF又增大時(shí)，即：0時(shí)，（也由于光生電流IF有繼續(xù)保持恒定的趨向，仍假定：PN結(jié)兩端電壓UF在0V附近向正、負(fù)方向微變時(shí)，回路電流IF仍恒定為短路電流I0。）則：PN結(jié)兩端電壓為UF=EF-（IF·RF）≈EF-（I0·RF）<0；故UF變?yōu)樨?fù)數(shù)。

●UF變?yōu)樨?fù)數(shù)即意味著PN結(jié)兩端開始產(chǎn)生了光生電動(dòng)勢(shì)。這時(shí)PN結(jié)兩端電壓方向反轉(zhuǎn)，變?yōu)檎螂妷骸?span id="qikxeat" class="italic">UF變?yōu)镻N結(jié)上的光生電動(dòng)勢(shì)。PN結(jié)兩端變?yōu)檎蚱茫?span id="slokfsu" class="italic">RF上的壓降值等于EF與UF同向相加。

●但這時(shí)PN結(jié)中流過的電流卻仍是反向電流。這是因?yàn)檫@時(shí)PN結(jié)中流過的電流相當(dāng)于電源內(nèi)部電流，是由負(fù)極（N區(qū)）流向正極（P區(qū)）的。

●這時(shí)，光電二極管中電壓、電流的情況就開始進(jìn)入了圖2-16里曲線（2）中的R段（PN結(jié)中電壓為正向，電流卻為反向電流）。

●若電阻RF繼續(xù)增大，就如圖2-16里曲線（2）中的R段，PN結(jié)兩端的光生電壓UF也將隨之增大，回路電流IF也由恒定向減小的方向變化。

●當(dāng)RF增為無(wú)窮大時(shí)，回路電流IF=0；PN結(jié)兩端的光生電壓UF即成為開路光生電壓U0，即變?yōu)?span id="n1nkimj" class="italic">UF=U0。

（2）有光照射時(shí)，圖2-15（e）的情況分析

△ 如果給光電二極管加上正向電壓EZ，[如圖2-15（e）所示]，當(dāng)使EZ>U0時(shí)，EZ使光電二極管的PN結(jié)處于正向偏置，并且在正向電壓UZ作用下，PN結(jié)中流過正向電流IZ。這種情況就進(jìn)入了圖2-16里曲線（2）的Z段。這時(shí)的光電二極管相當(dāng)于外加電源EZ的一個(gè)負(fù)載。這種情況，只用于理論分析，實(shí)際使用中光電二極管一般不工作于這種狀態(tài)中。

（3）無(wú)光照射時(shí)，圖2-15中圖（f），（g）的情況分析

△ 無(wú)光照射時(shí)的情況如圖2-15的圖（f）和（g），其特性與普通二極管類似。

●在圖2-15的（f）圖的情況下：這時(shí)的PN結(jié)兩端，在正向電壓U的作用下，光電二極管中有正向電流Id；此時(shí)光電二極管中電壓、電流的情況如圖2-16中（1）曲線的H段。

●在圖2-15的（g）圖的情況下：這時(shí)的PN結(jié)兩端，在反向電壓US作用下，光電二極管中有反向飽和電流（Is）流過，也稱為暗電流。此時(shí)光電二極管中電壓、電流的情況如圖2-16中（1）曲線的S段。

① 無(wú)光照射時(shí)，光電二極管中的正向電流Id分析

△ 無(wú)光照射，而加正向電壓時(shí)，如圖2-15（f）所示。光電二極管中的正向電流Id與普通二極管相同：即

式中：q——電子電量（q=1.6×10-19C）；

k——玻耳茲曼常數(shù)（k=1.3807×10-2 3J/K）；

T——絕對(duì)溫度；

U——PN結(jié)的兩端在所加電壓（正向電壓時(shí)為正值）；

Is——光電二極管中的反向飽和電流的數(shù)量。

這種情況下，光電二極管中的正向電流Id和正向電壓U的關(guān)系，可參考圖2-16中（1）曲線的H段。

② 無(wú)光照射時(shí)，光電二極管中的反向飽和電流Is分析

△ 無(wú)光照射且加反向電壓時(shí)，如圖2-15（g）所示光電二極管中的反向電流仍由式（2-18）決定，只是式中U取負(fù)值（即加反向電壓）。反向電流與正向電流Id的方向相反。當(dāng)U趨向于 -∞時(shí)，光電二極管中的反向電流即趨于反向飽和電流Is；這種情況下，光電二極管中的反向飽和電流Is和反向電壓-U的關(guān)系，可參考圖2-16中（1）曲線的S段。無(wú)光照射時(shí)的反向電流，也稱為暗電流。

（4）有光照射時(shí)，光電二極管的短路電流I0分析

① 光量子效率（η）

△ 先介紹一下量子效率（Quantum Efficiency）的概念。光敏元件（材料）受光照射后會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)，在材料內(nèi)部激發(fā)出電子-空穴對(duì)，但并非每個(gè)超過禁帶能量（Eg）的光子都能在光敏元件中激發(fā)出電子-空穴對(duì)，而是只有一部分光子能通過激發(fā)產(chǎn)生光電效應(yīng)使材料釋放出自由電子（光電子）。光敏器件的光量子效率，即表示光敏材料在光電效應(yīng)中釋放出的自由電子數(shù)與入射的光子數(shù)之比值，用η表示。

△ 若設(shè)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)入射到光敏二極管受光面的光子數(shù)為NP，而相應(yīng)激發(fā)產(chǎn)生出的光電子數(shù)為Ne；則這個(gè)光敏二極管的光量子效率η即為Ne與NP的比值，即

并且

式（2-20）中，P為入射光的物理輻射功率；IP為在P功率光照射下光敏二極管中產(chǎn)生的光電流。這樣，將式（2-20）代入式（2-19），則光敏二極管的光量子效率η又可表示為

式中：λ——入射光的波長(zhǎng)；

h——普朗克常數(shù)（6.626×10-34J·s；）；

q——電子電量（q=1.6×10-19C）；

c——光速。

△ 不同的材料和構(gòu)造的光敏器件，其光量子效率η也不相同；即使是同種材料和構(gòu)造的光敏器件，用不同波長(zhǎng)的入射光照射時(shí)，其η也不相同。圖2-17示出了不同材料的光敏器件，在不同的入射光波長(zhǎng)照射時(shí)呈現(xiàn)出不同的響應(yīng)度（IP/P）及其對(duì)應(yīng)的光量子效率的狀況。由圖2-17中可以看出，通常情況下，硅光敏二極管的光量子效率η在其峰值波長(zhǎng)附近約為75%～90%，鍺光敏二極管的光量子效率在其峰值波長(zhǎng)附近約為40%～50%，InGaAs光敏二極管的光量子效率在其峰值波長(zhǎng)附近約為70%～85%。

② 光電二極管中的光電流IP與入射光功率P的關(guān)系

△ 由式（2-21）可以看出，光生電流IP和入射光功率P的關(guān)系可以表示為

由式（2-22）又可以看出，在入射光的波長(zhǎng)（光源）和光敏器件（材料）一定時(shí)可以看成一個(gè)常數(shù)，并且，即為光電二極管傳感器的響應(yīng)度SW。因此，可以令

將響應(yīng)度SW代入式（2-22），這樣，在光電二極管中由光生伏特效應(yīng)產(chǎn)生的光電流IP可寫為

△ 式（2-24）表明：在光電二極管的PN結(jié)上，由光生伏特效應(yīng)產(chǎn)生的光電流IP與入射光的輻射功率P成正比。因此，光電二極管的入射光功率與輸出電流之間的變換關(guān)系具有良好的線性。

③ 光電二極管中的短路光電流I0與入射光功率P的關(guān)系

△ 圖2-15（b）的情況相當(dāng)于光電二極管PN結(jié)中光電流IP的一種特殊情況，即PN結(jié)兩端短路時(shí)的情況。這時(shí)的光電流IP就是短路光電流I0；當(dāng)光照功率為P時(shí)，由于IP=I0；式（2-24）可以表示為

△ 由式（2-25）可見：在光電二極管的PN結(jié)上，由光生伏特效應(yīng)產(chǎn)生的短路電流I0與入射光的輻射功率P成正比。也因此，光電二極管的入射光功率P與短路光電流之間具有良好的線性關(guān)系。在有光照射的情況下，光電二極管中的短路電流I0，可參考圖2-16中（2）曲線的U=0時(shí)的情況（I0點(diǎn)）。

（5）有光照射時(shí)，光電二極管的開路電壓U0

△ 有光照射，且PN結(jié)兩端開路時(shí)的情況如圖2-15（a）所示；PN結(jié)兩端的光生伏特電壓為U0，如圖2-16中曲線（2）中的I=0時(shí)的情況（U0點(diǎn)）。

△ 在圖2-16里的曲線（2）中：

●PN結(jié)中電流I=0的情況，可以認(rèn)為其意味著：由光生伏特電壓U0產(chǎn)生的正向電流Id，恰與光生電流I0的方向相反，因而相互平衡，抵消掉了。即有

●又根據(jù)式（2-18）PN結(jié)基本關(guān)系式，可知PN結(jié)兩端開路，PN結(jié)中電流I=0時(shí)，如下關(guān)系成立

整理式（2-27），并取以e為底的對(duì)數(shù)可得

△ 當(dāng)s時(shí)，式（2-28）可寫為

△ 由式（2-25），將I0=SW·P代入式（2-29），可得光生伏特電壓U0與輸入光功率P的關(guān)系，即

由此可見，PN結(jié)兩端開路時(shí)，光電二極管兩端的光生伏特電壓U0與輸入光功率P的對(duì)數(shù)成正比。

△ 由式（2-30）也可以看出，U0受溫度的影響較大。除了式（2-30）中的溫度T因素之外，式中的反向飽和電流Is也與溫度T有關(guān)。在Si光敏二極管的情況下，光生伏特電壓U0的溫度系數(shù)與普通的Si二極管的正向端電壓的溫度系數(shù)相同，都約為-2mV/℃；這大約是短路光電流I0溫度系數(shù)的10倍以上。因此，光生伏特電壓U0僅在精度要求不高的場(chǎng)合才能作為傳感器的輸出信號(hào)使用，多數(shù)場(chǎng)合都使用光電流量作為光電二極管傳感器的輸出信號(hào)。

（6）當(dāng)輸入光功率P變化時(shí)，光敏二極管特性曲線的變化

△ 當(dāng)光照功率P增強(qiáng)時(shí)，圖2-18中的曲線（2）將向下平移。由式（2-25）可知I0=SW·P；所以光電流I0會(huì)隨著光照功率P的增強(qiáng)而線性增強(qiáng)。當(dāng)光照功率P等量增加時(shí)，曲線（2）也等間隔下移，如圖2-18所示情況。

△ 當(dāng)光照功率P增強(qiáng)時(shí)，由式（2-30）可知，光敏二極管的正向開路電壓（光生電壓）U0與光照功率P的對(duì)數(shù)成正比，這種關(guān)系也反映在圖2-18中。表現(xiàn)為當(dāng)光照功率P線性增加時(shí)，曲線（2）在線性下移，但正向開路電壓U0卻沿橫軸（U）方向變化不大的特征。

（7）對(duì)圖2-16中的曲線（2）中的R段情況的歸納：

△ 以圖2-15（c）和（d）為背景，在光電二極管PN結(jié)兩極回路里串聯(lián)了電阻R，并接受光照時(shí)的情況下，電阻R上會(huì)同時(shí)有光生電流IR和光生端電壓UR存在。當(dāng)光照功率固定不變時(shí)，回路中串接的電阻R兩端的電壓UR和其中電流IR之間關(guān)系，就如圖2-16里曲線（2）中的R段所示：

●當(dāng)電阻R值很大時(shí)：端電壓UR對(duì)于電阻值R的變化，顯示出近似恒壓的特性。

●當(dāng)電阻R值很小時(shí)：回路電流IR對(duì)于電阻值R的變化，顯示出近似恒流特性。

●當(dāng)電阻R值適中變化，而回路中又未加入反向電壓時(shí)：電阻R兩端電壓UR和回路電流IR的變化特征，就如圖2-16中（2）曲線中的R段的特征。

●當(dāng)回路中加入反向電壓時(shí)EF時(shí)：當(dāng)回路中串接的電阻RF>EF/I0時(shí)，PN結(jié)兩端便開始產(chǎn)生了光生電動(dòng)勢(shì)，PN結(jié)變?yōu)檎蚱谩＿@樣也同樣是進(jìn)入了圖2-16里曲線（2）中的R段。若電阻RF繼續(xù)增大，PN結(jié)兩端的光生電壓也將隨之增大，回路電流也向減小的方向變化，當(dāng)電阻RF增至無(wú)窮大時(shí)，PN結(jié)兩端的光生電壓即增為開路電壓U0；這個(gè)過程仍然是在R段中變化的。

2.4.2.2 光敏二極管的特性和主要參數(shù)

△ 主要以Si平面型光電二極管BS500B（日本夏普）為例，說明光電二極管的有關(guān)特性參數(shù)。BS500的外形及引腳圖示于圖2-19中，其特征參數(shù)如下。

型號(hào)： BS500B；

結(jié)構(gòu)： Si-平面型；

短路電流： 0.55μA/100lx；

暗電流： 10pA（max）/（1V反壓）；

結(jié)電容： 600～1000pF/（0V反壓）；

峰值波長(zhǎng)： nm；

有效受光面積：5.34mm2；

帶有視覺靈敏度修正濾光鏡。

（1）典型光電二極管的短路電流-光照度特性

△ 光電二極管BS500B的基本特性：

BS500B的短路電流-光照度特性，即為這種光電傳感器的基本特性。

圖2-20為BS500B的短路電流-光照度特性，可以看出，這種光敏二極管傳感器在非常寬的照度范圍里，其基本特性都具有良好的線性。

△ 由于BS500B的基本特性在全量程范圍里保持良好的線性，所以其基本參數(shù)中的100lx照度下的短路電流值，即可認(rèn)為是這種光電傳感器的光照度靈敏度。即

Slx=0.55μA/100lx

△ 光電二極管短路電流的大小，由光電二極管傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定。它與光敏二極管感光部位的有效面積成正比，有效面積越大短路電流也越大；但同時(shí)無(wú)光照時(shí)的暗電流也增大。

（2）光敏二極管短路電流的溫度特性

△ 圖2-21示出了BS500B短路電流的溫度特性。光敏二極管傳感器的短路光電流也是隨環(huán)境溫度而有微小改變的。溫度上升，短路光電流也隨之均勻增大。

△ 由圖2-21可以看出，光敏二極管短路電流的溫度系數(shù)很小，僅為+0.02%/℃；比光生電壓U0的溫度系數(shù)低10以上。因此，在要求高精度、高穩(wěn)定度的場(chǎng)合，應(yīng)盡量選取光敏二極管的光電流作為傳感器的輸出量使用。

（3）光敏二極管的暗電流與反向電壓的關(guān)系特性

△ 光敏二極管在無(wú)光照時(shí)，在所加反向電壓作用下，仍會(huì)有反向電流流過。這種電流的數(shù)值很小，稱為暗電流。暗電流值是光敏二極管傳感器的重要參數(shù)之一，它會(huì)影響光敏二極管的光電變換質(zhì)量和工作穩(wěn)定性，因此希望它數(shù)值越小越好。

△BS500B光敏二極管的標(biāo)稱暗電流值為10pA（max）/（1V反壓）。暗電流的大小，還與環(huán)境溫度及光敏二極管上所加反向電壓的大小有關(guān)。圖2-22示出了BS500B光敏二極管的暗電流與環(huán)境溫度及所加反向電壓數(shù)值的關(guān)系。由特性曲線圖可以看出，光敏傳感器自體的溫度越高、或反向電壓越大，其暗電流也越大。

△ 如果把Si光敏二極管的暗電流與GaAsP光敏二極管的暗電流比較一下，會(huì)發(fā)現(xiàn)由于GaAsP光敏二極管的禁帶寬度（Eg）比Si光敏二極管要大，因此GaAsP光敏二極管可以獲得比Si光敏二極管更小的暗電流。一般情況下GaAsP光敏二極管的暗電流大約只有Si光敏二極管的1/10左右。在要求暗電流小、溫度穩(wěn)定性高的場(chǎng)合，可考慮采用GaAsP光敏二極管。

（4）光敏二極管的光譜靈敏度特性

△ 多數(shù)Si光敏二極管的光譜靈敏度特性如圖2-23的曲線①所示。一般的Si光敏二極管，在800～900nm的波長(zhǎng)范圍里存在著最大光譜靈敏度峰值。由式（2-6）可知，Si材料的臨界波長(zhǎng)λ0為1119n m，圖2-23的曲線①反映出了Si材料臨界波長(zhǎng)及光電流響應(yīng)的起始位置，波長(zhǎng)大于1119nm的光將不能在Si中產(chǎn)生光電效應(yīng)。

△ 由于測(cè)定工作是在入射光總能量保持恒定的條件下進(jìn)行的，當(dāng)波長(zhǎng)更短的光入射時(shí)，每個(gè)光子能量增大了，但光子的總數(shù)量便減少了；并且，在短波長(zhǎng)的入射光中，有些光子不能被Si材料吸收，未能產(chǎn)生光電效應(yīng)而透射出去了，光量子效率η降低了。因此，在波長(zhǎng)更短的區(qū)域中，光敏器件的相對(duì)靈敏度也會(huì)降低，形成如圖2-23曲線那樣的光譜響應(yīng)特性。

△GaAsP光敏二極管的相對(duì)光譜靈敏度特性，如圖2-23的曲線②所示。GaAsP的禁帶寬度（Eg）比Si的禁帶寬度更大，即GaAsP光敏二極管產(chǎn)生光電效應(yīng)的臨界波長(zhǎng)更短一些，因此GaAsP光敏二極管的光譜靈敏度曲線會(huì)較Si材料向波長(zhǎng)更短的可見光一側(cè)移動(dòng)一些。

△GaAsP光敏二極管的相對(duì)光譜靈敏度的峰值波長(zhǎng)及響應(yīng)區(qū)域基本上處于可見光的范圍里，并且與人眼視敏特性的范圍類似，因而可以直接用于檢測(cè)可見光照度，而不需要外加紅外光濾除鏡。

（5）裝有視覺校正濾鏡的光敏二極管的光譜靈敏度特性

△ 由于Si光敏二極管的光譜響應(yīng)特性除含有可見光區(qū)外，還包含有紅外區(qū)域，并且其峰值波長(zhǎng)也與人眼的視敏特性相差較多，因而有些用于檢測(cè)可見光的Si光敏傳感器，需要在其外殼的窗口上加裝光譜修飾濾鏡，用來(lái)濾除紅外光并修飾其光譜響應(yīng)特性。

△ 夏普的BS500光敏傳感器就安裝有視覺靈敏度校正濾鏡。其修飾后的相對(duì)光譜靈敏度特性如圖2-24所示。Si光敏二極管加裝了視覺靈敏度校正濾鏡后，可把普通Si光敏二極管光譜響應(yīng)特性修正到可見光譜范圍里，并使其相對(duì)光譜靈敏度特性曲線形狀與視敏函數(shù)曲線相近似。這樣便可以使光敏二極管的光譜響應(yīng)靈敏度與人眼的視覺特性相接近，使光敏傳感器輸出的電信號(hào)值與人眼感覺到的亮度情況較為一致，并在可見光照度范圍內(nèi)保持良好的線性。

（6）光敏二極管傳感器的響應(yīng)速度

△ 光敏二極管傳感器的響應(yīng)速度主要由二極管內(nèi)部PN結(jié)的結(jié)電容Cj及負(fù)載電阻RL決定。PN結(jié)接合面的電容量（Cj）會(huì)明顯影響光敏二極管的頻率響應(yīng)上限和光脈沖響應(yīng)的上升時(shí)間（tR）及下降時(shí)間（tF）；如圖2-25所示。

△ 光敏二極管傳感器頻率響應(yīng)特性的-3dB截止頻率限ft可用下式表示

如圖2-25所示，設(shè)光敏二極管傳感器響應(yīng)的時(shí)間常數(shù)CjRL=τ；并設(shè)光脈沖發(fā)生時(shí)刻為t0，從光電二極管的響應(yīng)值上升到穩(wěn)態(tài)值的10 %起，至響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的90 %所經(jīng)歷的時(shí)間為上升時(shí)間tR；則一般情況下

在通常情況下，下降時(shí)間tF≈tR；由式（2-31）和式（2-32）可以看出，光敏二極管的結(jié)電容Cj值會(huì)直接影響傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。對(duì)于要求高速動(dòng)作的場(chǎng)合，應(yīng)選用結(jié)電容Cj小的光敏二極管傳感器，或設(shè)法減小結(jié)電容Cj的數(shù)值。

△ 設(shè)法增大PN結(jié)兩側(cè)耗盡層的寬度，也就是相當(dāng)于拉寬了PN結(jié)電容兩極板的間距，可以減小結(jié)電容Cj的數(shù)值，有助于提高光敏二極管的頻寬上限，提高響應(yīng)速度。圖2-26示出了幾種典型的光敏二極管的結(jié)電容Cj與所加反向電壓之間的關(guān)系。由圖可見，光敏二極管的結(jié)電容Cj與光敏二極管的有效受光面積和所加的反向電壓有關(guān)。一般情況下，有效受光面積大的光敏二極管受光靈敏度較高，但其結(jié)電容Cj也大，響應(yīng)速度相對(duì)較慢。并且光敏二極管PN結(jié)上所加的反向電壓越大，結(jié)電容Cj就越小，這是因?yàn)镻N結(jié)上所加的反向電壓越大，PN結(jié)兩側(cè)的空間電荷區(qū)就越寬，這樣就相當(dāng)于增大了PN結(jié)電容的等效介質(zhì)的厚度，使結(jié)電容隨反向電壓的增大而減小。

△ 由此可知，在要求高速響應(yīng)的場(chǎng)合，應(yīng)給光敏二極管加上一定的反向電壓來(lái)使用，以減小Cj對(duì)傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的影響；但由圖2-22又可知道當(dāng)反向電壓增大時(shí)，光敏二極管的暗電流也會(huì)隨之增大。因此給光電二極管加反向偏壓時(shí)應(yīng)全面考慮，設(shè)置一個(gè)合適的反向電壓值來(lái)兼顧響應(yīng)速度和暗電流兩方面的性能要求。

△ 由式（2-31）和式（2-32）可知，當(dāng)光敏二極管的結(jié)電容Cj一定后，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性就由回路中的負(fù)載電阻RL決定。圖2-27示出了BS500B所連接的負(fù)載電阻RL與其光脈沖響應(yīng)上升時(shí)間（tR）之間的關(guān)系。BS500B在零反壓時(shí)的結(jié)電容約為600～1000pF，屬于結(jié)電容偏大的低速動(dòng)作型光電傳感器。從圖2-27可以看出，負(fù)載電阻RL越大，響應(yīng)時(shí)間（tR）越長(zhǎng)，動(dòng)作越慢。減小RL就可以縮短響應(yīng)時(shí)間，提高傳感器的工作速度。但RL太小又會(huì)使傳感器的檢測(cè)輸出電壓變小，降低傳感器的檢測(cè)靈敏度，因此使用時(shí)也應(yīng)全面考慮，選擇一個(gè)合適的負(fù)載電阻值，兼顧響應(yīng)速度和靈敏度。圖2-28示出了使用BS500B的光脈沖響應(yīng)測(cè)試電路原理圖圖（a）和對(duì)應(yīng)的光脈沖的響應(yīng)情況圖（b）。

2.4.3 光電二極管的應(yīng)用電路

2.4.3.1 光電二極管的基本使用方法

（1）基本連接電路

△ 圖2-29示出了光電二極管的基本使用電路，光電二極管處于反向偏置狀態(tài)。光電流IP基本上正比于入射光的輻射功率，因而輸出電壓U0也基本上正比于入射光輻射功率。電路中，若提高反向偏壓E，可提高響應(yīng)速度（減小結(jié)電容Cj），但也會(huì)使暗電流增大；減小負(fù)載電阻RL也可以提高響應(yīng)速度（減小tR），但輸出電壓U0也會(huì)降低。

（2）射極跟隨輸出受光電路

△ 圖2-30示出了光電二極管與晶體管組成的射極輸出電路，這種方式是光電二極管常用的傳感輸出電路。這種電路的輸入阻抗高，輸出信號(hào)與輸入光信號(hào)的相位相同。射極跟隨電路無(wú)電壓放大作用，但輸出阻抗小，具有電流放大作用。易于與前端的傳感器及后級(jí)信號(hào)處理電路阻抗匹配，適用于輸出脈沖光信號(hào)和模擬光信號(hào)。

△ 射極跟隨受光電路（圖2-30）的輸出阻抗r0由晶體管Q的β值及輸入阻抗rbe值、以及發(fā)射極電阻Re決定。在不考慮負(fù)載時(shí)，圖2-30電路的輸出阻抗r0由式（2-33）決定。輸出阻抗

可見，射極跟隨受光電路的輸出阻抗是較低的。并且晶體管的β值越大，輸出阻抗越低，電流放大作用也就越強(qiáng)。

△ 射極跟隨受光電路（圖2-30）的輸入阻抗ri，主要由晶體管Q的β參數(shù)、輸入阻抗rbe，以及射極電阻Re決定；此外光電器件的串聯(lián)電阻RB值和射極輸出電路所帶的負(fù)載情況也會(huì)影響到整個(gè)電路的輸入電阻。在不考慮RB及負(fù)載時(shí)，圖2-30電路的輸入阻抗ri由式（2-34）決定。輸入阻抗

△ 電阻RB相當(dāng)于晶體管Q輸入回路中的一個(gè)分流電阻，減小RB可以分流一部分光電流，有利于減小暗電流。但RB太小會(huì)帶來(lái)光電流損失，影響受光靈敏度。

（3）光電二極管與晶體管組成集電極輸出電路

△ 圖2-31為常用的電壓負(fù)反饋型集電極輸出受光電路。輸出信號(hào)與輸入光信號(hào)的相位相反。電路有一定的電壓放大作用，適用于對(duì)脈沖光入射信號(hào)進(jìn)行放大和輸出。

（4）光電二極管與運(yùn)算放大器組合使用電路

△ 圖2-32（a）電路中，光電二極管基本上工作于無(wú)反壓狀態(tài)。以k點(diǎn)為虛地點(diǎn)，則有U0/Rf=IP；輸出電壓U0為

反饋電阻Rf可用于調(diào)整放大倍數(shù)，輸出電壓U0正比于光電流IP；這種電路可用于放大和輸出脈沖光信號(hào)和模擬光信號(hào)。也適用于測(cè)量寬范圍的入射光量，如用于照度計(jì)的受光電路等。但響應(yīng)速度不如加反向偏置電壓的受光電路。

△ 圖2-32（b）為光電二極管加反向偏壓方式，其光電響應(yīng)速度有所提高。由于運(yùn)算放大器使用了同相輸入方式，輸出信號(hào)與輸入光信號(hào)相位相同。設(shè)圖2-32（b）中k點(diǎn)為虛地，且k、p兩點(diǎn)電位十分接近；并且假定運(yùn)算放大器的輸入阻抗無(wú)窮大，則有

且

也是由于k、p兩點(diǎn)電位十分接近，所以可以有

由于I相等的關(guān)系，有式（2-36）與式（2-38）相等；即

所以，圖2-32（b）中輸出電壓U0與輸入光電流IP的關(guān)系為

△ 由式（2-40）可以看出，圖2-32（b）電路中：

●輸出電壓U0與輸入光電流IP成線性關(guān)系。

●增大電阻RL，可以提高受光靈敏度；但分流作用也降低，暗電流也會(huì)隨之增大。

●調(diào)節(jié)Rf與RB的比值，可以調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，改變輸出電壓值。

（5）對(duì)數(shù)輸出型光電二極管受光電路

△ 使用光電二極管與普通二極管及運(yùn)算放大器組合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)壓縮型光電信號(hào)輸出電路。圖2-33示出了這種對(duì)數(shù)壓縮型輸出電路的基本形式。使用對(duì)數(shù)規(guī)律放大輸出光電變換信號(hào)，可以使寬范圍變化的輸入光信號(hào)能夠按對(duì)數(shù)的規(guī)律壓縮后輸出，這樣可以展寬對(duì)光信息的量程范圍。此外，圖2-33電路中，光電二極管未加反向偏壓，暗電流小，可感受更低的光照度變化。這種放大輸出形式常在對(duì)數(shù)型照度計(jì)中使用。

△ 圖2-33中，以k點(diǎn)為虛地，輸出電壓VOUT=VD；由式（2-30）可知二極管Dlog兩端的電壓VD為

式中：IP——流過二極管Dlog的正向電流，也是流過光電二極管DP的光電流；

P——入射光的物理輻射功率；

Is——二極管Dlog的反向飽和電流。

由式（2-41）可見，二極管Dlog將光電流IP的變化轉(zhuǎn)化為依對(duì)數(shù)規(guī)律變化的端電壓VD，并且VD又與入射光的物理輻射功率P的對(duì)數(shù)成正比。這樣就實(shí)現(xiàn)了電路的輸出電壓VOUT與光電流IP和入射光的物理輻射功率P的對(duì)數(shù)成正比的光電變換特性。

△ 利用普通二極管的對(duì)數(shù)型電流-電壓特性，用二極管Dlog代替線性運(yùn)放電路中的反饋電阻Rf，二極管Dlog兩端的電壓VD即成為IP的對(duì)數(shù)函數(shù)。圖2-34示出了使用線性反饋電阻Rf時(shí)及使用二極管Dlog時(shí)運(yùn)算放大器的輸出特性對(duì)比。可以看出電路的輸出特性由直線型增長(zhǎng)變?yōu)榱藢?duì)數(shù)壓縮型。

2.4.3.2 用光電二極管做照度計(jì)

△ 光敏二極管的應(yīng)用之一是做照度計(jì)。用來(lái)制作照度計(jì)使用的光敏二極管，其光譜靈敏度曲線必須符合標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)視敏函數(shù)曲線，并應(yīng)具有良好的光電變換線性和合適的指向性。由圖2-20和圖2-24可知，帶有視覺校正濾鏡的BS500B的輸出電流與光照度成正比，并基本合乎視敏特性。

△ 圖2-35是一個(gè)照度計(jì)電路。使用普通運(yùn)算放大器LF411和BS500B光敏二極管組成了光電變換和線性放大輸出電路。BS500B的光照度靈敏度為0.55μA/100lx，即Slx=5.5×10-3μA/1lx。

△ 設(shè)圖2-35中k點(diǎn)為虛地，且k、p兩點(diǎn)電位十分接近；并且假定運(yùn)算放大器A1的輸入阻抗無(wú)窮大，則電路的輸出電壓可表示為

VOUT=Rf·IP=5.5×10-3·Rf（mV/lx）

Rf為運(yùn)算放大器A 1的反饋電阻，Rf=R1+RV 1，取Rf=180k Ω；則可以得到輸出電壓：

VOUT=5.5×10-3μA×180kΩ=1mV/1lx；

此即表明光電傳感器輸出電路有1mV/1lx的照度-電壓變換靈敏度。

△ 調(diào)整電位器RV1，可以補(bǔ)償由于元件參數(shù)的離散性而引起的照度-電壓變換靈敏度誤差。電容C1的作用是對(duì)周圍電燈光等明暗波動(dòng)變化的閃爍光進(jìn)行平均化，使電路的輸出電壓不產(chǎn)生波動(dòng)。

△ 照度計(jì)的最低照度特性由BS500B的暗電流最大值決定。已知BS500B的光電流隨照度線性變化，并且其暗電流的最大值為10pA，其對(duì)應(yīng)的最小照度值Emin為

這個(gè)數(shù)值已足夠小，照度計(jì)的最低照度標(biāo)準(zhǔn)可以比Emin值略高。

△ 現(xiàn)將照度計(jì)的最低照度標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)為0.0025lx；則：最低照度Emin=0.0025lx時(shí)，對(duì)應(yīng)的最小輸出電壓為

（VOUT）min=l（mV/lx）×0.0025lx=0.0025（mV）

△ 由于BS5000的動(dòng)態(tài)范圍可以達(dá)到118dB；設(shè)電路輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)倍數(shù)為KP，則有：20log（KP）=118；

亦即電路輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)倍數(shù)：KP=10（118/20）≈8×105倍；

這樣，可測(cè)量的最高照度為：Emax=0.0025lx×8×105=2000lx；

對(duì)應(yīng)此最高照度（Emax）的最大輸出電壓（VOUT）max為

（VOUT）max=lmV/lx×2000lx=2000（mV）

所以這個(gè)照度計(jì)可測(cè)光量的范圍為0.0025～2000lx；與之對(duì)應(yīng)的電信號(hào)輸出電壓為0.0025mV～2V范圍。