3.4 半导体光电器件的特性参数与选择

从上述几节可以看出，半导体光电器件种类很多，功能各异。掌握各种半导体光电器件的特性及其参数是实际应用中正确地选用半导体光电器件的关键。

1．半导体光电器件的特性参数

半导体光电器件主要包括光电导器件与光生伏特器件等两大类，它们的主要特性参数如表3-6所示。从表中可以看出，主要特性参数包括光谱响应特性、时间响应特性、光电响应的线性和它们的偏置特性。在实际应用中，并不是对所有的特性都有严格的要求，常常是对光电器件的某些特性有要求而对另外的特性要求不严或根本不做任何要求。例如，用光电器件进行火灾探测与报警时，对器件的光谱响应和灵敏度的要求很严，必须在发“火”点有很强的响应，而对响应速度则要求很低。因此，要根据具体情况选择具有不同特性参数的器件。

下面分别对半导体光电器件的主要特性参数进行比较。

（1）光电变换的线性

光电二极管（包括PIN与雪崩管）的线性最好，其他依次为零伏或反向偏置状态的光电池、光电三极管、复合光电三极管等。光敏电阻的光电变换的线性最差。

（2）动态范围

动态范围分为线性动态范围与非线性动态范围。在线性动态范围方面，反向偏置状态的光电二极管动态范围最好，光电池、光电三极管、复合光电三极管较好，光敏电阻最差。光敏电阻的非线性动态范围要比其他光电器件宽。

（3）灵敏度

光敏电阻的灵敏度最高，其他依次为雪崩光电二极管、复合光电三极管和光电三极管，光电二极管的灵敏度最低。

（4）时间响应

PIN与雪崩光电二极管的时间响应最快，其他依次为光电三极管、复合光电三极管和光电池，时间响应最慢的是光敏电阻，它不但惯性大，而且还具有很强的前例效应。

（5）光谱响应

光谱响应主要与光电器件的材料有关，要视具体情况。一般来讲光敏电阻族的光谱响应要比光生伏特器件的光谱响应范围宽。尤其在红外波段光敏电阻的光谱响应更为突出。

（6）供电电源与应用的灵活性

光敏电阻没有极性，可用于交、直流电源。光电池不须外加电源就能进行光电变换，但线性很差，而其他光生伏特器件必须在直流偏置电源下才能工作。因此，光电池的应用灵活性较高，光敏电阻与其他光生伏特器件的应用灵活性较差，但它们都适应于低压下工作。

（7）暗电流与噪声

光电二极管的暗电流最低，光敏电阻、光电三极管、复合光电三极管和光电池的暗电流较大，尤其是放大倍率大的多极复合光电三极管及大面积的光电池的暗电流更大。

光敏电阻的噪声源有三种，而其他光电器件的噪声源只考虑一种，但是，这并不能说明光敏电阻的噪声最大。具有高放大倍率的复合光电三极管与光敏面积较大的光电池的噪声最大。

2．半导体光电器件的应用选择

半导体光电器件的应用选择，实际上是指一些应用注意事项与应用技巧或方法。在很多要求不太严格的应用中，可采用任何一种光电器件。不过在某些情况下，选用某种器件会更合适些。例如，当需要定量测量光源的发光强度时，选用光电二极管比选用光电三极管要好些，因为光度测量时对光电变换的线性和动态范围的要求比对灵敏度的要求高。但是在要求对弱辐射进行探测时（发火点的探测），对微弱光探测本领的要求高，这时，必须考虑灵敏度、光谱响应和噪声等特性，对器件的响应速度则不必过多地考虑。因此，光敏电阻是首选。

当测量对象为高速运动的物体时，光电器件的时间响应成为首选，而灵敏度和线性成为次要因素。如探测10 -7s的光脉冲是否到来，必须选用响应时间小于10 -7s 的PIN光电二极管作为探测器件，光谱响应带宽与灵敏度的高低成为次要因素。

当然，在有些情况下选用几种光电器件都可以实现光电变换任务。例如，对于速度并不太快的物体进行速度测量，机械量的非接触尺寸测量等，可选用光电二极管、光电三极管、光电池、光敏电阻等低响应速度的器件，这时就要看体积、成本、电源等情况，选用最合理的光电器件。

为了提高转换效率，无畸变地把光学信息变换成光电信号，这时不仅要合理选用光电器件，还必须考虑光学系统和电子处理系统的设计，使每个环节相互匹配，以及相关的单元器件都处于最佳的工作状态。

为学习和掌握光电信息技术，将选用光电器件的基本原则归纳如下。

（1）光电器件必须和辐射信号源及光学系统在光谱特性上实现匹配。例如，测量波长是紫外波段，则需选用专门的紫外光电半导体器件，或者后面要讲的光电倍增管（PMT）；对于可见光，则可选用光敏电阻与硅光生伏特器件；对红外波段的信号，则选用光敏电阻，或红外响应的光生伏特器件。

（2）光电器件的光电转换特性或动态范围必须与光信号的入射辐射能量相匹配。其中首先要注意的是器件的感光面要和入射光匹配好。因此，光源必须照射到器件的有效位置，如果发生变化，则测量电路的光电灵敏度将发生变化。如太阳能电池具有大的感光面，一般用于对杂散光或者没有达到聚焦状态的光束进行探测。又如光敏电阻是一个可变电阻，有光照的部分电阻就降低，必须设计光线照在两电极间的全部电阻体上，以便有效地利用全部感光面。光电二、三极管的感光面只是在结附近的一个极小的面积，故一般把透镜作为光的入射窗，并使入射光经透镜聚焦到感光面的灵敏点上。光电池的感光面积较大，输出的光电流与感光面积较小的其他器件相比，在照射光晃动的情况下影响要小些。一般要使入射通量的变化中心处于光电器件光电特性的线性范围内，以确保获得良好的线性。对微弱的光信号，器件必须有合适的灵敏度，以确保一定的信噪比与输出足够强的信号。

（3）光电器件的时间响应特性必须与光信号的调制形式、信号频率及波形相匹配，以确保变换后的信号不产生频率失真引起的输出波形失真。当然，变换电路的频率响应特性也要与之匹配。

（4）光电器件与变换电路必须与后面的应用电路的输入阻抗良好地匹配，以保证具有足够大的变换系数、线性范围、信噪比及快速的动态响应等。

（5）为保证器件长期工作时的可靠性，必须注意选择器件的参数和使用环境等。一般在长时间连续工作的条件下，要求器件的参数应该高于使用环境的要求，并留有足够的余地，能够保证在最恶劣环境下正常工作。另外还需要考虑光电器件工作的小环境设计（如制冷控温等的设计），以便满足长时间连续工作的要求。当器件的工作条件超过器件最大容限时，器件的特性将急剧恶化，特别是当工作电流超过容限值时，往往会发生永久性的损坏。使用环境的温度和电流容限一样，当超过温度的容限值后，由于器件内部的温度积累将引起特性缓慢恶化，使器件毁于一旦。总之，保证器件工作在额定使用条件范围内，是使器件稳定可靠地工作的必要条件。