3.2 其他类型的光生伏特器件

3.2.1 PIN型光电二极管

为了提高PN结硅光电二极管的时间响应，消除在PN结外光生载流子的扩散运动时间，常采用在P区与N区之间生成I型层，构成如图3-6（a）所示的PIN结构光电二极管。PIN结构的光电二极管与PN结型的光电二极管在外形上没有区别，如图3-6（b）所示。

PIN型光电二极管在反向电压作用下，耗尽区扩展到整个半导体，光生载流子在内建电场的作用下只产生漂移电流，因此，PIN型光电二极管在反向电压作用下的时间响应只取决于τdr与τRC，在10 -9s左右。

3.2.2 雪崩光电二极管

PIN型光电二极管提高了PN结光电二极管的时间响应，但未能提高器件的光电灵敏度。为了提高光电二极管的灵敏度，人们设计了雪崩光电二极管，使光电二极管的光电灵敏度提高到需要的程度。

1．结构

如图3-7所示为三种雪崩光电二极管的结构示意图。图3-7（a）所示为在P型硅基片上扩散杂质浓度大的N+层，制成P型N结构；图3-7（b）所示为在N型硅基片上扩散杂质浓度大的P+层，制成N型P结构的雪崩光电二极管。无论P型N还是N型P结构，都必须在基片上蒸涂金属铂形成硅化铂（约10 nm）保护环。图3-7（c）所示为PIN型雪崩光电二极管。由于PIN型光电二极管在较高的反向偏置电压的作用下其耗尽区会扩展到整个PN结结区，形成自身保护（具有很强的抗击穿功能），因此，雪崩光电二极管不必设置保护环。目前，市场上的雪崩光电二极管基本上都是PIN型的。

2．工作原理

雪崩光电二极管为具有内增益的一种光生伏特器件。它利用光生载流子在强电场内的定向运动产生雪崩效应，以获得光电流的增益。在雪崩过程中，光生载流子在强电场的作用下进行高速定向运动，具有很高动能的光生电子或空穴与晶格原子碰撞，使晶格原子电离产生二次电子-空穴对；二次电子和空穴对在电场的作用下获得足够的动能，又使晶格原子电离产生新的电子-空穴对，此过程像“雪崩”似地继续下去。电离产生的载流子数远大于光激发产生的光生载流子数，这时雪崩光电二极管的输出电流迅速增加。其电流倍增系数定义为

式中，I为倍增输出电流，I0为倍增前的输出电流。

雪崩倍增系数M与碰撞电离率有密切的关系。碰撞电离率表示一个载流子在电场作用下，漂移单位距离所产生的电子-空穴对数目。实际上电子电离率αn和空穴电离率αP是不完全一样的，它们都与电场强度有密切关系。由实验确定，电离率α与电场强度E近似有以下关系

式中，A、b、m都为与材料有关的系数。

假定αn=αP=α，可以推导出

式中，XD为耗尽层的宽度。上式表明，当

时，M→∞。因此，称式（3-13）为发生雪崩击穿的条件。其物理意义是：在强电场作用下，当通过耗尽区的每个载流子平均能产生一对电子-空穴对，就发生雪崩击穿现象。当M→∞时，PN结上所加的反向偏压就是雪崩击穿电压UBR。

实验发现，在反向偏压略低于击穿电压时，也会发生雪崩倍增现象，不过这时的M值较小，M随反向偏压U的变化可用经验公式近似表示为

式中，指数n与PN结的结构有关。对N+P结，n≈2；对P+N结，n≈4。由上式可见，当U→UBR时，M→∞, PN结将发生击穿。

适当调节雪崩光电二极管的工作偏压，便可得到较大的倍增系数。目前，雪崩光电二极管的偏压分为低压和高压两种，低压在几十伏左右，高压达几百伏。雪崩光电二极管的倍增系数可达几百倍，甚至数千倍。

雪崩光电二极管暗电流和光电流与偏置电压的关系曲线如图3-8所示。从图3-8可以看到，当工作偏压增加时，输出亮电流（即光电流和暗电流之和）按指数形式增加。在偏压较低时，不产生雪崩过程，即无光电流倍增。所以，当光脉冲信号入射后，产生的光电流脉冲信号很小（如A点波形）。当反向偏压升至B点时，光电流便产生雪崩倍增，这时光电流脉冲信号输出增大到最大（如B点波形）。当偏压接近雪崩击穿电压时，雪崩电流维持自身流动，使暗电流迅速增加，光激发载流子的雪崩放大倍率却减小，即光电流灵敏度随反向偏压增加反而减小，如在C 点处光电流的脉冲信号减小。换句话说，当反向偏压超过B点后，由于暗电流增加的速度更快，使有用的光电流脉冲幅值减小。所以最佳工作点在接近雪崩击穿点附近。有时为了压低暗电流，会把工作点向左移动一些，虽然灵敏度有所降低，但是暗电流和噪声特性有所改善。

从图3-8所示的伏安特性曲线可以看出，在雪崩击穿点附近电流随偏压变化的曲线较陡，当反向偏压有较小变化时，光电流将有较大变化。另外，在雪崩过程中PN结上的反向偏压容易产生波动，将影响增益的稳定性。所以，在确定工作点后，对偏压的稳定度要求很高。

3．噪声

由于雪崩光电二极管中载流子的碰撞电离是不规则的，碰撞后的运动方向变得更加随机，所以它的噪声比一般光电二极管要大些。在无倍增的情况下，其噪声电流主要为如式（3-6）所示的散粒噪声。当雪崩倍增M倍后，雪崩光电二极管的噪声电流的均方根值可近似由下式计算：

式中，指数n与雪崩光电二极管的材料有关。对于锗管，n=3；对于硅管，2.3＜n＜2.5。

显然，由于信号电流按M倍增大，而噪声电流按Mn/2倍增大。因此，随着M的增大，噪声电流比信号电流增大得更快。

3.2.3 硅光电池

硅光电池是一种不需加偏置电压就能把光能直接转换成电能的PN结光电器件。按硅光电池的功用可将其分为两大类：太阳能硅光电池和测量硅光电池。

太阳能硅光电池主要用做向负载提供电源，对它的要求主要是光电转换效率高、成本低。由于它具有结构简单、体积小、重量轻、可靠性高、寿命长、可在空间直接将太阳能转换成电能等特点，因此成为航天工业中的重要电源，而且还被广泛地应用于供电困难的场所和一些日用便携电器中。

测量硅光电池的主要功能是光电探测，即在不加偏置的情况下将光信号转换成电信号，此时对它的要求是线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性高、寿命长等。它常被应用在光度、色度、光学精密计量和测试设备中。

1．硅光电池的基本结构和工作原理

硅光电池按衬底材料的不同可分为2DR型和2CR型。图3-9（a）所示为2DR型硅光电池的结构，它是以P型硅为衬底（即在本征型硅材料中掺入三价元素硼或镓等），然后在衬底上扩散磷而形成N型层并将其作为受光面。2CR型硅光电池则是以N型硅作为衬底（在本征型硅材料中掺入五价元素磷或砷等），然后在衬底上扩散硼而形成P型层并将其作为受光面，构成PN结，再经过各种工艺处理，分别在衬底和光敏面上制作输出电极，涂上二氧化硅作为保护膜，即成硅光电池。

硅光电池受光面的输出电极多做成如图3-9（b）所示的梳齿状或“E”字型电极，目的是减小硅光电池的内电阻。另外，在光敏面上涂一层极薄的二氧化硅透明膜，它既可以起到防潮、防尘等保护作用，又可以减小硅光电池的表面对入射光的反射，增强对入射光的吸收。

2．硅光电池工作原理

硅光电池工作原理示意图如图3-10所示。当光作用于PN结时，耗尽区内的光生电子与空穴在内建电场力的作用下分别向N区和P区运动，在闭合的电路中将产生如图中所示的输出电流IL，且在负载电阻RL上产生的电压降为U。由欧姆定律可得，PN结获得的偏置电压为

当以IL为电流和电压的正方向时，可以得到如图3-11所示的伏安特性曲线。从该曲线可以看出，负载电阻RL所获得的功率为

式中，光电池输出电流IL应包括光生电流IP、扩散电流与暗电流等三部分，即

3．硅光电池的输出功率

将式（3-17）代入式（3-18），得到负载所获得的功率为

因此，功率PL与负载电阻的阻值有关，当RL=0（电路为短路）时，U=0，输出功率PL=0；当RL=∞（电路为开路）时，IL=0，输出功率PL=0; ∞ ＜RL＜0时，输出功率PL＞0。显然，存在着最佳负载电阻Ropt，在最佳负载电阻情况下负载可以获得最大的输出功率Pmax。通过对式（3-19）求关于RL的1阶导数，令=0，求得最佳负载电阻Ropt的阻值。

在实际工程计算中，常通过分析图3-11所示的伏安特性曲线得到经验公式，即当负载电阻为最佳负载电阻时，输出电压

而此时的输出电流近似等于光电流，即

式中，S为硅光电池的电流灵敏度。

硅光电池的最佳负载电阻为

从上式可以看出硅光电池的最佳负载电阻Ropt与入射辐通量Φe, λ有关，它随入射辐通量Φe, λ的增大而减小。

负载电阻所获得的最大功率为

4．硅光电池的光电转换效率

将硅光电池的输出功率与入射辐通量之比，定义为硅光电池的光电转换效率，记为η。当负载电阻为最佳负载电阻Ropt时，硅光电池输出最大功率Pm与入射辐通量之比，定义为硅光电池的最大光电转换效率，记为ηm。有

式中，ηλ是与材料有关的光谱光电转换效率，表明硅光电池的最大光电转换效率与入射光的波长及材料的性质有关。

常温下，GaAs材料的硅光电池的最大光电转换效率最高，为22% ～28%。实际使用效率仅为10% ～15%，因为实际器件的光敏面总存在一定的反射损失、漏电导和串联电阻的影响等。

表3-2所示为典型硅光电池的基本特性参数。应用硅光电池时应查阅相关厂家的技术资料。

3.2.4 光电三极管

光电三极管与普通半导体三极管一样有两种基本结构，即NPN结构与PNP结构。用N型硅材料为衬底制作的光电三极管为NPN结构，称为3DU型；用P型硅材料为衬底制作的光电三极管为PNP结构，称为3CU型。图3-12（a）所示为3DU型NPN光电三极管的原理结构，图（b）所示为光电三极管的电路符号，从图中可以看出，它们虽然只有两个电极（集电极和发射极），常不把基极引出来，但仍然称为光电三极管，因为它们具有半导体三极管的两个PN结的结构和电流的放大功能。

1．工作原理

光电三极管的工作原理分为两个过程：一是光电转换；二是光电流放大。下面以NPN型硅光电三极管为例讨论其基本工作原理。光电转换过程与一般光电二极管相同，在集-基PN结区内进行。光激发产生的电子-空穴对在反向偏置的PN结内电场的作用下，电子流向集电区被集电极所收集，而空穴流向基区与正向偏置的发射结发射的电子流复合，形成基极电流Ip，基极电流将被集电结放大β倍，这与一般半导体三极管的放大原理相同。不同的是一般三极管是由基极向发射结注入空穴载流子，控制发射极的扩散电流，而光电三极管是由注入到发射结的光生电流控制的。集电极输出的电流为

可以看出，光电三极管的电流灵敏度是光电二极管的β倍。相当于将光电二极管与三极管接成如图3-12（c）所示的电路形式，光电二极管的电流Ip被三极管放大β倍。在实际的生产工艺中也常采用这种形式，以便获得更好的线性和更大的线性范围。3CU型光电三极管在原理上和3DU型相同，只是它以P型硅为衬底材料构成PNP的结构形式，其工作时的电压极性与之相反，集电极的电位为负。为了提高光电三极管的频率响应、增益和减小体积，常将光电二极管、光电三极管或三极管制作在一个硅片上构成集成光电器件。如图3-13所示为三种形式的集成光电器件。图3-13（a）所示为光电二极管与三极管集成而构成的集成光电器件，它比图3-12（c）所示的光电三极管具有更大的动态范围，因为光电二极管的反向偏置电压不受三极管集电结电压的控制。图3-13（b）所示的电路为由图3-12（c）所示的光电三极管与三极管集成构成的集成光电器件，它具有更高的电流增益（灵敏度更高）。图3-13（c）所示的电路为由图3-12（b）所示的光电三极管与三极管集成构成的集成光电器件，也称为达林顿光电三极管。达林顿光电三极管中可以用更多的三极管集成而成为电流增益更高的集成光电器件。

2．光电三极管特性

（1）伏安特性

图3-14所示为硅光电三极管在不同光照下的伏安特性曲线。从特性曲线可以看出，光电三极管在偏置电压为零时，无论光照度有多强，集电极电流都为零，这说明光电三极管必须在一定的偏置电压作用下才能工作。偏置电压要保证光电三极管的发射结处于正向偏置，而集电结处于反向偏置。随着偏置电压的增高伏安特性曲线趋于平坦。但是，与图3-4所示光电二极管的伏安特性曲线不同，光电三极管的伏安特性曲线向上偏斜，间距增大。这是因为光电三极管除具有光电灵敏度外，还具有电流增益β，并且β值随光电流的增大而增大。

特性曲线的弯曲部分为饱和区，在饱和区光电三极管的偏置电压提供给集电结的反偏电压太低，集电极的收集能力低，造成三极管饱和。因此，应使光电三极管工作在偏置电压大于5V的线性区域。

（2）时间响应（频率特性）

光电三极管的时间响应常与PN结的结构及偏置电路等参数有关。为分析光电三极管的时间响应，首先画出光电三极管输出电路的微变等效电路。图3-15（a）所示为光电三极管的输出电路，图3-15（b）为其微变等效电路。分析等效电路图，不难看出，由电流源Ip、基-射结电阻rbe、电容Cbe和基-集结电容Cbc构成的部分等效电路为光电二极管的等效电路，表明光电三极管的等效电路是在光电二极管的等效电路基础上增加了电流源Ic、集-射结电阻Rce、电容Cce和输出负载电阻RL。

选择适当的负载电阻，使其满足RL＜Rce，这时可以导出光电三极管电路的输出电压为

可见，光电三极管的时间响应由以下四部分组成：

① 光生载流子对发射结电容Cbe和集电结电容Cbc的充放电时间；

② 光生载流子渡越基区所需要的时间；

③ 光生载流子被收集到集电极的时间；

④ 输出电路的等效负载电阻RL与等效电容Cce所构成的RC时间。

总时间常数为上述四项和，因此它比光电二极管的响应时间要长得多。

光电三极管常用于各种光电控制系统，其输入的信号多为光脉冲信号，属于大信号或开关信号，因而光电三极管的时间响应是非常重要的参数，直接影响光电三极管的质量。

为了提高光电三极管的时间响应，应尽可能地减小发射结阻容时间常数rbeCbe和时间常数RLCce。即：一方面在工艺上设法减小结电容Cbe、Cce；另一方面要合理选择负载电阻RL，尤其在高频应用的情况下应尽量降低负载电阻RL。

图3-16绘出了在不同负载电阻RL下，光电三极管的时间响应与集电极电流Ic的关系曲线。从曲线可以看出光电三极管的时间响应不但与负载电阻RL有关，而且与光电三极管的输出电流有关，增大输出电流可以减小时间响应，提高光电三极管的频率响应。

（3）温度特性

硅光电二极管和硅光电三极管的暗电流ID和亮电流IL均随温度而变化。由于硅光电三极管具有电流放大功能，所以其暗电流ID和亮电流IL受温度的影响要比硅光电二极管大得多。图3-17（a）所示为光电二极管与光电三极管暗电流ID的温度特性曲线，随着温度的升高暗电流增长很快；图3-17（b）所示为光电二极管与光电三极管亮电流IL的温度特性曲线，光电三极管亮电流IL随温度的变化要比光电二极管快。由于暗电流的增加，使输出的信噪比变差，不利于弱光信号的检测。在进行弱光信号的检测时应考虑温度对光电器件输出的影响，必要时应采取恒温或温度补偿的措施。

（4）光谱响应

硅 光电二极管与硅光电三极管具有相同的光谱响应。图3-18所示为典型的3 DU3硅光电三极管的光谱响应特性曲线，它的响应范围为0.4～1.0 μm，峰值波长为0.85 μm。对于光电二极管，减薄PN结的厚度可以使短波段波长的光谱响应得到提高，因为PN结的厚度变薄后，长波段的辐射光谱很容易穿透PN结，而没有被吸收。短波段的光谱容易被减薄的PN结吸收。因此，利用PN结的这个特性可以制造出具有不同光谱响应的光生伏特器件，如蓝敏光生伏特器件和色敏光生伏特器件等。但是，一定要注意，蓝敏光生伏特器件是以牺牲长波段光谱响应为代价获得的（减薄PN结厚度，减少了长波段光子的吸收）。

表3-3所示为典型光电三极管的特性参数。在应用时要注意它的极限参数UCEM和UCE，不能使工作电压超过UCEM，否则，将损坏光电三极管。

3.2.5 色敏光生伏特器件

色敏光生伏特器件是根据人眼视觉的三原色原理，利用不同厚度的PN结光电二极管对不同波长光谱灵敏度的差别，实现对彩色光源或物体颜色的测量。色敏光生伏特器件具有结构简单、体积小、重量轻、变换电路容易掌握、成本低等特点，被广泛应用于颜色测量与颜色识别等领域。例如彩色印刷生产线中色标位置的判别，颜料、染料的颜色测量与判别，彩色电视机荧光屏彩色的测量与调整等，是一种非常有发展前途的新型半导体光电器件。

1．双色硅色敏器件的工作原理

双结光电二极管色敏器件的结构和等效电路如图3-19所示。它是由在同一硅片上制作的两个深浅不同PN结的光电二极管PD1和PD2组成的。根据半导体对光的吸收理论，PN结深，对长波光谱辐射的吸收增加，长波光谱的响应增加，而PN结浅对短波长的响应较好。因此，具有浅PN结的PD1的光谱响应峰值在蓝光范围，深结PD2的光谱响应峰值在红光范围。这种双结光电二极管的光谱响应如图3-20所示，具有双峰效应，即PD1为蓝敏，PD2为红敏。

双结光电二极管只能通过测量单色光的光谱辐射功率与黑体辐射相接近的光源色温来确定颜色。用双结光电二极管测量颜色时，通常测量两个光电二极管的短路电流比（Isc2/Isc1）与入射波长的关系。从如图3-21所示关系曲线中不难看出，每一种波长的光都对应一个短路电流比值，根据短路电流比值判别入射光的波长，达到识别颜色的目的。上述双结光电二极管只能用于测定单色光的波长，不能用于测量多种波长组成的混合色光，即便已知混合色光的光谱特性，也很难对光的颜色进行精确检测。

国际照明委员会（CIE）根据三原色原理建立了标准色度系统，制定了等能光谱色的光谱三刺激值，得出了如图3-22（a）所示的CIE1931-RGB 系统标准色度光谱三刺激值曲线σrgb。从曲线中看到光谱三刺激值有一部分为负值，计算很不方便，又难以理解。因此1931年CIE又推荐了一个新的国际通用色度系统，称为CIE1931-XYZ系统。它是在CIE1931-RGB系统的基础上改用三个假想的原色x、y、z所建立的一个新的色度系统。同样，在该系统中也定出了匹配等能量光谱色的三刺激值，得出了如图3-22（b）所示的CIE1931-XYZ标准色度观察者光谱三刺激值曲线σxyz。根据以上理论，对任何一种颜色，都可由颜色的三刺激值x、y、z表示，计算公式为

式中，Φ（λ）为进入人眼的光谱辐通量，称为色刺激函数，K为调整系数。

根据色度学理论，日本的深津猛夫等人研制出可以识别混合色光的三色色敏光电器件。图3-23所示为非晶态硅集成全色色敏传感器的结构示意图。它是在一块非晶态硅基片上制作三个检测元件，并分别配上R、G、B滤色片，得到如图3-24所示的近似于CIE1931-RGB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。

2．三色硅色敏器件的工作原理

图3-25所示为一种典型硅集成三色色敏器件的颜色识别电路方框图。

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。微处理器根据式（3-27）进行颜色识别与判别，并在软件的支持下，在显示器上显示出被测物的颜色。颜色计算公式为

式中，Ro1、Go1、Bo1为放大器的输出电压。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R′=G′=B′=33%。

3.2.6 光生伏特器件组合件

光生伏特器件组合件是在一块硅片上制造出按一定方式排列的具有相同光电特性的光生伏特器件阵列。它广泛应用于光电跟踪、光电准值、图像识别和光电编码等方面。用光电组合器件代替由分立光生伏特器件组成的变换装置，不仅具有光敏点密集，结构紧凑，光电特性一致性好，调节方便等优点，而且它独特的结构设计可以完成分立元件所无法完成的检测工作。

目前，市场上的光生伏特器件组合件主要有硅光电二极管组合件、硅光电三极管组合件和硅光电池组合件。它们分别排列成象限式、阵列式、楔环式和按指定编码规则组成的列阵方式。

本节主要讨论象限阵列光生伏特器件组合件和楔环阵列光生伏特器件组合件。

1．象限阵列光生伏特器件组合件

图3-26所示为几种典型的象限阵列光生伏特器件组合件。其中，图3-26（a）所示为2象限光生伏特器件组合件，它是在一片PN结光电二极管（或光电池）的光敏面上经光刻的方法制成两个面积相等的P区（前极为P型硅），形成一对特性参数极为相近的PN结光电二极管（或光电池）。这样构成的光电二极管（或光电池）组合件具有1维位置的检测功能，或称具有2象限的检测功能。当被测光斑落在2象限器件的光敏面上时，光斑偏离的方向或大小就可以被如图3-27（b）所示的电路检测出来。如图3-27（a）所示，光斑偏向P2区，P2的电流大于P1的电流，放大器的输出电压将为大于零的正电压，电压值的大小反映光斑偏离的程度；反之，若光斑偏向P1区，输出电压将为负电压，负电压的大小反映光斑偏向P1区的程度。因此，由2象限器件组成的电路具有1维位置的检测功能，在薄板材料的生产中常被用来检测和控制边沿的位置，以便卷制成整齐的卷。

图3-26（b）所示为4象限光生伏特器件组合件，它具有2维位置的检测功能，可以完成光斑在x, y两个方向的偏移。

采用4象限光生伏特器件组合件测定光斑的中心位置，可根据器件坐标轴线与测量系统基准线间的安装角度不同，采用下面不同的电路形式进行测定。

（1）和差电路

当器件坐标轴线与测量系统基准线间的安装角度为0°（器件坐标轴线与测量系统基准线平行）时，采用如图3-28所示的和差检测电路。用加法器先计算相邻象限输出光电信号之和，再计算和信号之差，最后，通过除法器获得偏差值。

设入射光斑形状为弥散圆，其半径为r，光出射度均匀，投射到4象限组合器件每个象限上的面积分别为S1、S2、S3、S4，光斑中心O′相对器件中心O的偏移量OO′=p（可用直角坐标x、y表示），由运算电路得到的输出偏离信号分别为

式中，K为放大器的放大倍数，它与光斑的直径和光出射度有关；u1、u2、u3、u4分别为4个象限输出的信号电压经放大器放大后的电压值；ux、uy分别表示光斑在x方向和y方向偏离4象限组合器件中心（O点）的情况。

为了消除光斑自身总能量的变化对测量结果的影响，通常采用和差比幅电路（除法电路），经比幅电路处理后输出的信号为

（2）直差电路

当4象限组合器件的坐标线与基准线成45°时，常采用如图3-29所示的直差电路。直差电路输出的偏移量为

这种电路简单，而且，它的灵敏度和线性等特性相对较差。

象限光生伏特器件组合件虽然能够用于光斑相位的探测、跟踪和对准工作，但是，它的测量精度受到器件本身缺陷的限制。象限光生伏特器件组合件的明显缺陷为：

① 光刻分割区将产生盲区，盲区会使微小光斑的测量受到限制；

② 若被测光斑全部落入某一象限光敏区，输出信号将无法测出光斑的位置，因此它的测量范围受到限制；

③ 测量精度与光源的光强及其漂移密切相关，使测量精度的稳定性受到限制。

图3-26（c）所示为8象限阵列器件，它的分辨率虽然比4象限的高，但仍解决不了上述的缺陷。

表3-4所示为典型4象限光电二极管器件的特性参数。

2．线阵列光生伏特器件组合件

线阵列光生伏特器件组合件是在一块硅片上制造出光敏面积相等，间隔也相等的一串特性相近的光生伏特器件阵列。如图3-30所示为由16只光电二极管构成的典型线阵列光生伏特器件组合件，其型号为16NC。图3-30（a）所示为器件的正面视图，它由16个共阴的光电二极管构成，每个光电二极管的光敏面积为5 mm × 0.8 mm，间隔为1.2 mm。16个光电二极管的N极为硅片的衬底，P极为光敏面，分别用金属线引出到管座，如图3-30（b）所示。光电二极管线阵列器件的原理电路如图3-30（c）所示，N为公共的负极，应用时常将N极接电源的正极，而将每个阳极通过负载电阻接地，并由阳极输出信号。

图3-31所示为由15只光电三极管构成的线阵列光生伏特器件组合件。图3-31（a）为器件的俯视图，每只光电三极管的光敏面积为1.5mm ×0.8mm，间隔为1.2mm，光敏区总长度为28.6 mm，封装在如图3-31（a）所示的DIP30管座中。光电三极管线阵列器件的原理电路图如图3-31（b）所示。图3-31（c）与（d）所示分别为该管座的两个侧视图，表明其安装尺寸。显然，光电三极管线阵列器件没有公共的电极，应用时可以更灵活地设置各种偏置电路。

另外，还有用硅光电池等其他光生伏特器件构成的线阵列器件。线阵列光生伏特器件组合件是一种能够进行并行传输的光电传感器件，在精度要求和灵敏度要求并不太高的多通道检测装置、光电编码器和光电读出装置中得到广泛的应用。但是，线阵列CCD传感器的出现使这种器件的应用受到很大的冲击。

3．楔环阵列组合件

图3-32所示为一种用于光学功率谱探测的阵列光电器件组合器件，它是在一块N型硅衬底上制造出如图中所示的多个P型区，构成光电二极管或硅光电池的光敏单元阵列。显然，这些光敏单元由楔与环两种图形构成，故称其为楔环探测器。楔环探测器中的楔形光电器件可以用来检测光的功率谱分布，极角方向（楔形区）用来检测功率在角度方向的分布，环形区探测器用来检测功率在半径方向的分布。因此，可以将被测光功率谱的能量密度分布以极坐标的方式表示。

显然，这种变换方式可以完成并行光电变换，通过并行变换电路和并行A/D转换电路将楔与环传感器所得到的瞬时功率谱能量密度信息送入到计算机，计算机在软件的作用下完成图像识别、分析等工作。

目前，楔环探测器已广泛应用于面粉粒度分析、癌细胞早期识别与疑难疾病的诊断技术中。

另外，还有以其他方式排列的光生伏特器件组合件，如角度、长度等光电码盘传感器中的探测器，常以格雷码的形式构成光生伏特器件组合件。

∗3.2.7光电位置敏感器件（PSD）

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，是一种对入射到光敏面上的光电位置敏感的光电器件。因此，称其为光电位置敏感器件（PSD, Position Sensing Detector）。PSD器件具有比象限探测器件在光点位置测量方面更多的优点。例如，它对光斑的形状无严格的要求，即它的输出信号与光斑是否聚焦无关；光敏面也无须分割，消除了象限探测器件盲区的影响；它可以连续测量光斑在光电位置敏感器件上的位置，且位置分辨率高，一维PSD器件的位置分辨可高达0.2 μm。

1. PSD器件的工作原理

图3-33所示为PIN型PSD器件的结构示意图。它由3层构成，上面为P型层，中间为I型层，下面为N型层；在P型层上设置有两个电极，两电极间的P型层除具有接收入射光的功能外，还具有横向的分布电阻特性。即P型层不但为光敏层，而且是一个均匀的电阻层。

当光束入射到PSD器件光敏层上距中心点的距离为xA时，在入射位置上产生与入射辐射成正比的信号电荷，此电荷形成的光电流通过电阻P型层分别由电极①与②输出。设P型层的电阻是均匀的，两电极间的距离为2L，流过两电极的电流分别为I1和I2，则流过N型层上电极的电流为

若以PSD器件的几何中心点O为原点，光斑中心距原点O的距离为xA，则

利用式（3-32）即可测出光斑能量中心对于器件中心的位置xA，它只与电流I1和I2的和、差及其比值有关，而与总电流无关。

PSD器件已被广泛地应用于激光自准直、光点位移量和震动的测量、平板平行度的检测和二维位置测量等领域。目前，已有一维和二维两种PSD器件。下面分别讨论。

2．一维PSD器件

一维PSD器件主要用来测量光斑在一维方向上的位置或位置移动量。图3-34（a）为典型一维PSD器件S1543的原理结构示意图，其中①和②为信号电极，③为公共电极。它的光敏面为细长的矩形条。图3-34（b）所示为S1543的等效电路，它由电流源Ip、理想二极管VD、结电容Cj、横向分布电阻RD和并联电阻Rsh组成。被测光斑在光敏面上的位置由式（3-32）计算。即

所输出的总光电流为

由式（3-33）和式（3-34）可以看出，一维PSD器件不但能检测光斑中心在一维空间的位置，而且能检测光斑的强度。

图3-35所示为一维PSD位置检测电路原理图。光电流I1经反向放大器A1放大后分别送给放大器A3与A4，而光电流I2经反向放大器A2放大后也分别送给放大器A3与A4。放大器A3为加法电路，完成光电流I1与I2的相加运算（放大器A5用来调整运算后信号的相位）；放大器A4用做减法电路，完成光电流I2与I1的相减运算。最后，用除法电路计算出（I2-I1）与（I1+I2）的商，即为光点在一维PSD光敏面上的位置信号x。光敏区长度L，可通过调整放大器的放大倍率，利用标定的方式进行综合调整。

3．二维PSD器件

二维PSD器件可用来测量光斑在平面上的二维位置（即x, y坐标值），它的光敏面常为正方形，比一维PSD器件多一对电极，它的结构如图3-36（a）所示，在正方形PIN硅片的光敏面上设置两对电极，其位置分别标注为Y1、Y2和X3、X4，其公共N极常接电源Ubb。二维PSD器件的等效电路如图3-36（b）所示，它与图3-34（b）类似，也由电流源Ip、理想二极管VD、结电容Cj、两个方向的横向分布电阻RD和并联电阻Rsh构成。由等效电路不难看出光电流Ip由两个方向的四路电流分量构成，即：IX3、IX4、IY1、IY2。可将这些电流作为位移信号输出。

显然，当光斑落到二维PSD器件上时，光斑中心位置的坐标值可分别表示为

上式对靠近器件中心点的光斑位置测量误差很小，随着距中心点距离的增大，测量误差也会增大。为了减小测量误差常将二维PSD器件的光敏面进行改进。改进后的PSD器件的光敏面如图3-37所示。四个引出线分别从四个对角线端引出，光敏面的形状好似正方形产生了枕形畸变。这种结构的优点是光斑在边缘的测量误差大大减小。

改进后的等效电路比改进前多了四个相邻电极间的电阻，入射光点（如图中黑点）位置（x, y）的计算公式变为

根据式（3-36），可以设计出二维PSD的光点位置检测电路。图3-38所示为基于改进后二维PSD的光点位置检测电路原理图。电路利用了加法器、减法器和除法器进行各分支电流的加、减和除的运算，以便计算出光点在PSD中的位置坐标。目前，市场上已有适用于各种型号的PSD器件的转换电路板，可以根据需要选用。

在图3-38所示电路中加入A/D数据采集系统，将PSD检测电路所测得的x与y的位置信息送入计算机，可使PSD位置检测电路得到更加广泛的应用。当然，上述电路也可以进一步的简化，在各个前置放大器的后面都加上A/D数据采集电路，并将采集到的数据送入计算机，在计算机软件的支持下完成光点位置的检测工作。

4. PSD的主要特性

PSD器件属于特种光生伏特器件，它的基本特性与一般硅光生伏特器件基本相同。例如，光谱响应、时间响应和温度响应等与前面讲述的PN结光生伏特器件相同。作为位置传感器， PSD有其独特特性，即位置检测特性。PSD的位置检测特性近似于线性。图3-39所示为典型一维PSD（S1544）位置检测误差特性曲线，由曲线可知，越接近中心位置的测量误差越小。因此，利用PSD来检测光斑位置时，应尽量使光点靠近器件中心。

表3-5所示为几种典型PSD器件的基本特性参数，供应用时参考。