【文章內(nèi)容簡介】 電壓Uoc。曲線在縱軸的截距，代表該照度下的短路電流Isc。～，因為它不能大于PN結(jié)熱平衡時的接觸電勢差。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PN結(jié)。它和光電池相比，重要的不同點是結(jié)面積小，因此它的頻率特性特別好。光生電勢與光電池相同，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)特點是，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層（相對）很厚的本征半導(dǎo)體。這樣，PN結(jié)的內(nèi)電場就基本上全集中于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是頻帶寬，可達10GHz。另一個特點是，因為I層很厚，在反偏壓下運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，增加反向偏壓會使耗盡層寬度增加，從而結(jié)電容要進一步減小，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，一般多為零點幾微安至數(shù)微安。目前有將PIN管與前置運算放大器集成在同一硅片上并封裝于一個管殼內(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)電場極強，光生電子在這種強電場中可得到極大的加速，同時與晶格碰撞而產(chǎn)生電離雪崩反應(yīng)。因此，這種管子有很高的內(nèi)增益，可達到幾百。當(dāng)電壓等于反向擊穿電壓時，電流增益可達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主要缺點。由于雪崩反應(yīng)是隨機的，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，噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以至無法使用。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（有的沒有）。制作材料一般為半導(dǎo)體硅，管型為NPN型，國產(chǎn)器件稱為3DU系列。正常運用時，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，集電結(jié)即產(chǎn)生光電流Ip向基區(qū)注入，同時在集電極電路即產(chǎn)生了一個被放大的電流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。但它的光電特性不如光電二極管好，在較強的光照下，光電流與照度不成線性關(guān)系。所以光電晶體管多用來作光電開關(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個至幾百個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，而各光敏元都是獨立的，分別有各自的前極引出線。這種器件的特點是，光敏元密集度大，總尺寸小，容易作到各單元多數(shù)一致，便于信號處理。就目前的應(yīng)用看，兩個并列的光電二極管或光電池，可用來辨別光點移動的方向。2～4個并列的光敏元，可用來收集光點移動的相位信息。幾十個至幾百個或更多并列的光敏元，可用來攝取光學(xué)圖象或用作空間頻譜分析。象限式光電器件可用來確定光點在二維平面上的位置坐標。多用于準直、定位、跟蹤或頻譜分析等方面[6]。七、光電位置探測器（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)入射光是一個小光斑，照射到光敏面時，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，其特點是，它對光斑的形狀無嚴格要求，光敏面上無象限分隔線，對光斑位置可連續(xù)測量[7]。第四章 光電傳感器在光通信中的應(yīng)用—基于PSD的位置測量系統(tǒng)實驗裝置包括測試系統(tǒng)的發(fā)射裝置、接收裝置和數(shù)據(jù)處理的三部分組成。 實驗裝置示意圖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850mn，符合探測器的光譜響應(yīng)范圍，激光光源既具有準直性好，頻率單一，能量集中，功率穩(wěn)定性好，受外界干擾小等特點，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)用來調(diào)節(jié)激光器的光斑之能被光電探測器有效地接受。 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實物圖。它完成光信號到電信號的轉(zhuǎn)換功能，不但具有一維PSD位置檢測誤差小和位置分辨率高的特點，同時具有二維PSD自身反應(yīng)速度快和模糊電流低的優(yōu)點。PSD S599101輸出的是四路電流信號，將四路輸出信號分別連接四個鎖相放大器。利用鎖相放大器將微弱的電流信號從噪聲中提取出來，并轉(zhuǎn)換到數(shù)據(jù)采集卡可以檢測到的電壓信號。⑶數(shù)據(jù)處理部分主要是通過DAQ1202/PCI數(shù)據(jù)采集卡將電壓信號傳送到上位機，利用LabVIEW數(shù)據(jù)提取和處理程序，將四路電壓信號提取出來，并利用LabVIEW計算程序算出偏移量[8]。 虛擬儀器VI測試系統(tǒng)的構(gòu)成框圖 基于虛擬儀器的測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖基于虛擬儀器的偏移量測試系統(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：一是盡可能多的收集到達的光輻射，并以最小的損失投射到探測器上；另外一個是對進入的輻射進行光學(xué)濾波，以提高光學(xué)信號的信噪比。⑵ 光電探測器的作用是將光能轉(zhuǎn)換成電能，是整個光電系統(tǒng)的關(guān)鍵。⑶ 電子系統(tǒng)就是傳感器信號調(diào)理設(shè)備。它們是測試系統(tǒng)的重要的組成部分，是測試系統(tǒng)的基礎(chǔ)，沒有高質(zhì)量的傳感器和各種高質(zhì)量的調(diào)理放大器，測試系統(tǒng)就沒有了基礎(chǔ)。信號調(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，它具有高級的定時功能，A/D精度達到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，并可同過擴展達到256路數(shù)據(jù)通道。⑸ 系統(tǒng)中的軟件功能是由具有測試分析儀器功能的LabVIEW構(gòu)成，并利用計算機的強大的數(shù)據(jù)處理和存儲功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與顯示存儲[10]。 PSD基本原理本文所述的位置敏感探測器(PSD)是一種利用半導(dǎo)體的“橫向光電效應(yīng)”制成的光電探測器。由極為均勻的表面電阻層和對向電極來檢出信號并通過放大和運算而獲得被測位置。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是一種對其感光面上入射光點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，PSD將對應(yīng)輸出不同的電信號。通過對此輸出電信號的處理，即可確定入射光點在PSD的位置。入射光點的強度和尺寸大小對PSD的位置輸出信號均無關(guān)。PSD的位置輸出只與入射光點的“重心”位置有關(guān)。PSD可分為一維PSD和二維PSD。一維PSD可以測定光點的一維位置坐標，二維PSD可測光斑的平面位置坐標。由于PSD是分割型元件，對光斑的形狀無嚴格的要求，光敏面上無象限分隔線，所以對光斑位置可進行連續(xù)測量從而獲得連續(xù)的坐標信號[11]。 本設(shè)計系統(tǒng)中的PSD的特性參數(shù)一、本測試系統(tǒng)使用的PSD 本設(shè)計測量系統(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位置檢測誤差小和位置分辨率高的特點，同時具有二維PSD自身反應(yīng)速度快和模糊電流低的優(yōu)點。PSD S599101輸出的是四路電流信號，通過公式（），（）就可計算出相對的位置量x和y的值。計算公式如下： （） （）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實物圖 PSD信號處理電路設(shè)計在測量各種物理量時，用傳感器將其變換成為電信號，然后輸入到分析儀器（測量儀器）中去。但是，僅想獲得必要的信號是很難做到的。通常是連不必要的信號（也就是噪聲）也一起被測量了。在各種情況下，噪聲都有可能混進來