3.3 光生伏特器件的偏置电路

PN结型光生伏特器件一般有自偏置电路、反向偏置电路和零伏偏置电路等三种偏置电路。每种偏置电路使得PN结光生伏特器件工作在特性曲线的不同区域，表现出不同的特性，使变换电路的输出具有不同特征。为此，掌握光生伏特器件的偏置电路是非常重要的。

前面介绍硅光电池的光电特性时，已经讨论了自偏置电路。自偏置电路的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的输出功率。但是，自偏置电路的输出电流或输出电压与入射辐射间的线性关系很差，因此，在测量电路中很少采用自偏置电路。关于自偏置电路的计算问题本节不再赘述。

3.3.1 反向偏置电路

定义加在光生伏特器件上的偏置电压与内建电场的方向相同的偏置电路称为反向偏置电路。所有的光生伏特器件都可以进行反向偏置，尤其是光电三极管、光电场效应管、复合光电三极管等必须进行反向偏置。图3-40所示为光生伏特器件的反向偏置电路。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。因此，反向偏置电路被广泛地应用到大范围的线性光电检测与光电变换中。

1．反向偏置电路的输出特性

在如图3-40所示的反向偏置电路中，Ubb≫kT/q时，流过负载电阻RL的电流为

输出电压

光生伏特器件的反向偏置电路的输出特性曲线如图3-41所示。从特性曲线不难看出反向偏置电路的输出电压的动态范围取决于电源电压Ubb与负载电阻RL，电流IL的动态范围也与负载电阻RL有关。适当地设计RL，可以获得所需要的电流、电压动态范围。图3-41的特性曲线中，静态工作点都为Q点。当负载电阻RL1＞RL2时，负载电阻RL1所对应的特性曲线1输出电压的动态范围要大于负载电阻RL2所对应的特性曲线2输出电压的动态范围；而特性曲线1输出电流的动态范围要小于特性曲线2输出电流的动态范围。应用时要注意选择适当的负载。

2．输出电流、电压与辐射量间的关系

由式（3-37）可以求得反向偏置电路的输出电流与入射辐射量的关系

由于制造光生伏特器件的半导体材料一般都采用高阻轻掺杂的器件（太阳能电池除外），因此暗电流都很小，可以忽略不计。即反向偏置电路的输出电流与入射辐射量的关系可简化为

同样，反向偏置电路的输出电压与入射辐射量的关系为

输出信号电压为

表明，反向偏置电路输出信号电压ΔU与入射辐射量的变化成正比，变化方向相反，输出电压随入射辐射量增加而减小。

例3-1 用2CU2D光电二极管探测激光器输出的调制信号Φe, λ=20+5 sinωt（μW）的辐通量时，若已知电源电压为15 V,2CU2D的光电流灵敏度Si=0.5 μA/μW，结电容Cj=3 pF，引线分布电容Ci=7 pF。试求负载电阻RL=2 MΩ时该电路的偏置电阻RB。并计算输出信号电压最大情况下的最高截止频率。

解 首先求出入射辐通量的峰值

Φm=20+5=25（μW）

再求出2CU2D的最大输出光电流

Im=SiΦm=12.5（μA）

设输出信号电压最大时的偏置电阻为RB，则

可得RB=3 MΩ。

输出电压最大时的最高截止频率为

3．反向偏置电路的设计与计算

反向偏置电路的设计与计算常采用图解的方法，下面通过例题讨论它的设计与计算。

例3-2已知某光电三极管的伏安特性曲线如图3-42所示。当入射光通量为正弦调制量，即Φv,λ=55+40sinωtlm时，要得到5V的输出电压，试设计该光电三极管的变换电路，并画出输入/输出的波形图，分析输入与输出信号间的相位关系。

解首先根据题目的要求，找到入射光通量的最大值与最小值：

Φmax=55+40=95（lm）

Φmin=55-40=15（lm）

在特性曲线中画出光通量的变化波形，补充必要的特性曲线。

再根据题目对输出信号电压的要求，确定光电三极管集电极电压的变化范围。本题要求输出电压为5V，指的是有效值，集电极电压变化范围应为双峰值。即

在Φmax特性曲线上找到靠近饱和区与线性区域的临界点A，过A点作垂线交于横轴的C点，在横轴上找到满足题目对输出信号幅度要求的另一点 D，过 D作垂线交Φmin特性曲线于B点，过A、B点作直线，该直线即为负载线。负载线与横轴的交点为电源电压Ubb，负载线的斜率为负载电阻RL。于是可得：Ubb=20 V, RL=5 kΩ。最后，画出输入光信号与输出电压的波形图。从图中可以看出输出信号与入射光信号为反向关系。