【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 電壓Uoc。曲線在縱軸的截距，代表該照度下的短路電流Isc?！?，因?yàn)樗荒艽笥赑N結(jié)熱平衡時(shí)的接觸電勢(shì)差。硅單晶光電池短路電流為35～40mA/cm2。二、光電二極管 光電二極管和光電池一樣，其基本結(jié)構(gòu)也是一個(gè)PN結(jié)。它和光電池相比，重要的不同點(diǎn)是結(jié)面積小，因此它的頻率特性特別好。光生電勢(shì)與光電池相同，但輸出電流普遍比光電池小，一般為數(shù)微安到數(shù)十微安。按材料分，光電二極管有硅、砷化稼、銻化錮、鈰化鉛光電二極管等許多種。按結(jié)構(gòu)分，也有同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)之分。其中最典型的還是同質(zhì)結(jié)硅光電二極管。三、PIN管PIN管是光電二極管中的一種。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層（相對(duì)）很厚的本征半導(dǎo)體。這樣，PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)就基本上全集中于I層中，從而使PN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小。由式τ = CjRL與f = 1/2πτ知，Cj小，τ則小，頻帶將變寬。因此，這種管子最大的特點(diǎn)是頻帶寬，可達(dá)10GHz。另一個(gè)特點(diǎn)是，因?yàn)镮層很厚，在反偏壓下運(yùn)用可承受較高的反向電壓，線性輸出范圍寬。由耗盡層寬度與外加電壓的關(guān)系可知，增加反向偏壓會(huì)使耗盡層寬度增加，從而結(jié)電容要進(jìn)一步減小，使頻帶寬度變寬。所不足的是，I層電阻很大，管子的輸出電流小，一般多為零點(diǎn)幾微安至數(shù)微安。目前有將PIN管與前置運(yùn)算放大器集成在同一硅片上并封裝于一個(gè)管殼內(nèi)的商品出售。四、雪崩光電二極管雪崩光電二極管是利用PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來(lái)工作的一種二極管。這種管子工作電壓很高，約100～200V，接近于反向擊穿電壓。結(jié)區(qū)內(nèi)電場(chǎng)極強(qiáng)，光生電子在這種強(qiáng)電場(chǎng)中可得到極大的加速，同時(shí)與晶格碰撞而產(chǎn)生電離雪崩反應(yīng)。因此，這種管子有很高的內(nèi)增益，可達(dá)到幾百。當(dāng)電壓等于反向擊穿電壓時(shí)，電流增益可達(dá)106，即產(chǎn)生所謂的自持雪崩。這種管子響應(yīng)速度特別快，帶寬可達(dá)100GHz，足目前響應(yīng)速度最快的一種光電二極管。噪聲大是這種管子目前的一個(gè)主要缺點(diǎn)。由于雪崩反應(yīng)是隨機(jī)的，所以它的噪聲較大，特別是工作電壓接近或等于反向擊穿電壓時(shí)，噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以至無(wú)法使用。五、光電晶體管光電晶體管和普通晶體管類似，也有電流放大作用。只是它的集電極電流不只是受基極電路的電流控制，也可以受光的控制。所以光電晶體管的外形，有光窗、集電極引出線、發(fā)射極引出線和基極引出線（有的沒(méi)有）。制作材料一般為半導(dǎo)體硅，管型為NPN型，國(guó)產(chǎn)器件稱為3DU系列。正常運(yùn)用時(shí)，集電極加正電壓。因此，集電結(jié)為反偏置，發(fā)射結(jié)為正偏置，集電結(jié)為光電結(jié)。當(dāng)光照到集電結(jié)上時(shí)，集電結(jié)即產(chǎn)生光電流Ip向基區(qū)注入，同時(shí)在集電極電路即產(chǎn)生了一個(gè)被放大的電流Ic〔＝Ie＝（1＋β）Ip〕，β為電流放大倍數(shù)。因此，光電晶體管的電流放大作用與普通晶體管在上偏流電路中接一個(gè)光電二極管的作用是完全相同的。光電晶體管的靈敏度比光電二極管高，輸出電流也比光電二極管大，多為毫安級(jí)。但它的光電特性不如光電二極管好，在較強(qiáng)的光照下，光電流與照度不成線性關(guān)系。所以光電晶體管多用來(lái)作光電開(kāi)關(guān)元件或光電邏輯元件[5]。六、陣列式或象限式結(jié)型光電器件利用集成電路技術(shù)使2個(gè)至幾百個(gè)光電二極管或光電池排成一行，集成在一塊集成電路片子上，即成為陣列式的一維光電器件，也可以使光電二極管或光電池制成象限式的二維光電器件。這兩種器件中，襯底是共用的，而各光敏元都是獨(dú)立的，分別有各自的前極引出線。這種器件的特點(diǎn)是，光敏元密集度大，總尺寸小，容易作到各單元多數(shù)一致，便于信號(hào)處理。就目前的應(yīng)用看，兩個(gè)并列的光電二極管或光電池，可用來(lái)辨別光點(diǎn)移動(dòng)的方向。2～4個(gè)并列的光敏元，可用來(lái)收集光點(diǎn)移動(dòng)的相位信息。幾十個(gè)至幾百個(gè)或更多并列的光敏元，可用來(lái)攝取光學(xué)圖象或用作空間頻譜分析。象限式光電器件可用來(lái)確定光點(diǎn)在二維平面上的位置坐標(biāo)。多用于準(zhǔn)直、定位、跟蹤或頻譜分析等方面[6]。七、光電位置探測(cè)器（PSD，Position Sensitive Detectors）PSD是利用離子注入技術(shù)制成的一種可確定光的能量中心位置的結(jié)型光電器件，有一維的和二維的兩種。當(dāng)入射光是一個(gè)小光斑，照射到光敏面時(shí)，其輸出則與光的能量中心位置有關(guān)。這種器件和象限光電器件比較，其特點(diǎn)是，它對(duì)光斑的形狀無(wú)嚴(yán)格要求，光敏面上無(wú)象限分隔線，對(duì)光斑位置可連續(xù)測(cè)量[7]。第四章 光電傳感器在光通信中的應(yīng)用—基于PSD的位置測(cè)量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置包括測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)射裝置、接收裝置和數(shù)據(jù)處理的三部分組成。 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖⑴系統(tǒng)發(fā)射部分系統(tǒng)光源選用半導(dǎo)體激光器，輸出功率50mW，波長(zhǎng)850mn，符合探測(cè)器的光譜響應(yīng)范圍，激光光源既具有準(zhǔn)直性好，頻率單一，能量集中，功率穩(wěn)定性好，受外界干擾小等特點(diǎn)，與其它光源相比，可以更好的提高精度。系統(tǒng)中的光學(xué)系統(tǒng)用來(lái)調(diào)節(jié)激光器的光斑之能被光電探測(cè)器有效地接受。 ⑵系統(tǒng)接收部分主要是由PSD及其處理電路組成，處理電路我使用的是自己設(shè)計(jì)的鎖相放大電路，PSD選用的是日本濱松公司生產(chǎn)的PSD S599101，圖43是PSD實(shí)物圖。它完成光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換功能，不但具有一維PSD位置檢測(cè)誤差小和位置分辨率高的特點(diǎn)，同時(shí)具有二維PSD自身反應(yīng)速度快和模糊電流低的優(yōu)點(diǎn)。PSD S599101輸出的是四路電流信號(hào)，將四路輸出信號(hào)分別連接四個(gè)鎖相放大器。利用鎖相放大器將微弱的電流信號(hào)從噪聲中提取出來(lái)，并轉(zhuǎn)換到數(shù)據(jù)采集卡可以檢測(cè)到的電壓信號(hào)。⑶數(shù)據(jù)處理部分主要是通過(guò)DAQ1202/PCI數(shù)據(jù)采集卡將電壓信號(hào)傳送到上位機(jī)，利用LabVIEW數(shù)據(jù)提取和處理程序，將四路電壓信號(hào)提取出來(lái)，并利用LabVIEW計(jì)算程序算出偏移量[8]。 虛擬儀器VI測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成框圖 基于虛擬儀器的測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖基于虛擬儀器的偏移量測(cè)試系統(tǒng)主要由以下幾部分組成，其中包括半導(dǎo)體激光發(fā)射器、光學(xué)系統(tǒng)、位置敏感器件（PSD）、信號(hào)轉(zhuǎn)換與合成、數(shù)據(jù)采集與虛擬儀器軟件六部分組成。⑴ 系統(tǒng)中光學(xué)系統(tǒng)的作用有兩個(gè)：一是盡可能多的收集到達(dá)的光輻射，并以最小的損失投射到探測(cè)器上；另外一個(gè)是對(duì)進(jìn)入的輻射進(jìn)行光學(xué)濾波，以提高光學(xué)信號(hào)的信噪比。⑵ 光電探測(cè)器的作用是將光能轉(zhuǎn)換成電能，是整個(gè)光電系統(tǒng)的關(guān)鍵。⑶ 電子系統(tǒng)就是傳感器信號(hào)調(diào)理設(shè)備。它們是測(cè)試系統(tǒng)的重要的組成部分，是測(cè)試系統(tǒng)的基礎(chǔ)，沒(méi)有高質(zhì)量的傳感器和各種高質(zhì)量的調(diào)理放大器，測(cè)試系統(tǒng)就沒(méi)有了基礎(chǔ)。信號(hào)調(diào)理SC (Signal conditioning)它包括：放大、濾波、隔離等組成[9]。⑷ 數(shù)據(jù)采集卡主要核心還是A/D技術(shù)：我設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用DAQ12O2/PCI數(shù)據(jù)采集卡，它是LabVIEW程序的左右手，它具有高級(jí)的定時(shí)功能，A/D精度達(dá)到12位。采樣頻率100KHz，采樣深度2048，可同步執(zhí)行16路數(shù)據(jù)采集，并可同過(guò)擴(kuò)展達(dá)到256路數(shù)據(jù)通道。⑸ 系統(tǒng)中的軟件功能是由具有測(cè)試分析儀器功能的LabVIEW構(gòu)成，并利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與顯示存儲(chǔ)[10]。 PSD基本原理本文所述的位置敏感探測(cè)器(PSD)是一種利用半導(dǎo)體的“橫向光電效應(yīng)”制成的光電探測(cè)器。由極為均勻的表面電阻層和對(duì)向電極來(lái)檢出信號(hào)并通過(guò)放大和運(yùn)算而獲得被測(cè)位置。PSD是在高阻半導(dǎo)體硅的表面或兩面形成均勻的電阻層，并在電阻層的兩端制作電信號(hào)引出電極的具有特殊結(jié)構(gòu)的硅電池（硅光電二極管）。PSD從誕生之日起，就以其很高的靈敏度、良好的瞬態(tài)效應(yīng)特性、快速的響應(yīng)速度而受到工業(yè)界的青瞇。PSD是一種對(duì)其感光面上入射光點(diǎn)位置敏感的光電器件。即當(dāng)入射光斑落在器件感光面的不同位置時(shí)，PSD將對(duì)應(yīng)輸出不同的電信號(hào)。通過(guò)對(duì)此輸出電信號(hào)的處理，即可確定入射光點(diǎn)在PSD的位置。入射光點(diǎn)的強(qiáng)度和尺寸大小對(duì)PSD的位置輸出信號(hào)均無(wú)關(guān)。PSD的位置輸出只與入射光點(diǎn)的“重心”位置有關(guān)。PSD可分為一維PSD和二維PSD。一維PSD可以測(cè)定光點(diǎn)的一維位置坐標(biāo)，二維PSD可測(cè)光斑的平面位置坐標(biāo)。由于PSD是分割型元件，對(duì)光斑的形狀無(wú)嚴(yán)格的要求，光敏面上無(wú)象限分隔線，所以對(duì)光斑位置可進(jìn)行連續(xù)測(cè)量從而獲得連續(xù)的坐標(biāo)信號(hào)[11]。 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的PSD的特性參數(shù)一、本測(cè)試系統(tǒng)使用的PSD 本設(shè)計(jì)測(cè)量系統(tǒng)中的PSD 采用日本濱松公司生產(chǎn)的PSD S599101,它不但具有一維PSD位置檢測(cè)誤差小和位置分辨率高的特點(diǎn)，同時(shí)具有二維PSD自身反應(yīng)速度快和模糊電流低的優(yōu)點(diǎn)。PSD S599101輸出的是四路電流信號(hào)，通過(guò)公式（），（）就可計(jì)算出相對(duì)的位置量x和y的值。計(jì)算公式如下： （） （）式中L=10mm。表41本系統(tǒng)采用的PSD器件主要參數(shù)二維PSD尺寸9mm *9mm光譜響應(yīng)范圍（nm）3201100峰值向應(yīng)靈敏度（A/w）位置測(cè)量誤差(um)150位置分辨率(um)5暗電流(nA)10極間電阻（k）7 S599101實(shí)物圖 PSD信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)在測(cè)量各種物理量時(shí)，用傳感器將其變換成為電信號(hào)，然后輸入到分析儀器（測(cè)量?jī)x器）中去。但是，僅想獲得必要的信號(hào)是很難做到的。通常是連不必要的信號(hào)（也就是噪聲）也一起被測(cè)量了。在各種情況下，噪聲都有可能混進(jìn)來(lái)