藍色--第3章 半導(dǎo)體光電檢測器件及應(yīng)用 1-2

1、2022-4-151光電檢測技術(shù)光電檢測技術(shù)主講人：李方強電話：158508139802022-4-152小結(jié)小結(jié)n1，光電變換的物理基礎(chǔ)。n2，光電效應(yīng)和光熱效應(yīng) 光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)等 熱釋電效應(yīng)、輻射熱計效應(yīng)、溫差電效n3，光電檢測器件的特性參數(shù) 響應(yīng)度、響應(yīng)時間、響應(yīng)頻率、噪聲等2022-4-153第三章 半導(dǎo)體光電檢測器件及應(yīng)用3.1 光敏電阻3.2.1 光生伏特器件-光電池3.2.2 光電二極管與光電三極管3.2.3 發(fā)光器件3.2.4 光電耦合器件3.2.5 光電位置敏感器件3.2.6光熱輻射檢測器件3.2.7各種光電檢測器件的性能比較2022-4-1543.1 光敏電阻光敏

2、電阻利用具有光電導(dǎo)效應(yīng)的材料（如Si、Ge等本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體，如CdS、CdSe、PbO）可以制成電導(dǎo)率隨入射光輻射量變化而變化的器件，這類器件被稱為光電導(dǎo)器件或光敏電阻。為什么光照會引起電導(dǎo)率的變化呢？ 光吸收使半導(dǎo)體中形成光生載流子，載流子濃度的增大使其電導(dǎo)率增大。2022-4-155基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點：體積小、堅固耐用、價格低廉、光譜響應(yīng)范圍寬，廣泛應(yīng)用于微弱輻射信號的檢測技術(shù)領(lǐng)域。2022-4-1563.1.1、光敏電阻的結(jié)構(gòu)及工作原理UbbIpIp金屬電極金屬電極光電導(dǎo)材料光電導(dǎo)材料入射光入射光光敏電阻原理及符號光敏電阻符號工作原理2022-4-157UIp電極入射光當入

3、射光子使半導(dǎo)體物質(zhì)中的電子由價帶躍升到導(dǎo)帶時，導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴均參與導(dǎo)電，因此電阻顯著減小，電導(dǎo)增加，或連接電源和負載電阻，可輸出電信號，此時可得出光電導(dǎo)g與光電流I光的表達式為：工作原理g=gL-gdI光=IL-Id2022-4-158工作原理光敏電阻按半導(dǎo)體材料的不同可分為本征型和雜質(zhì)型兩種，本征型半導(dǎo)體光敏電阻常 用于可見光長波段檢測，雜質(zhì)型常用于紅外波段至遠紅外波段光輻射的檢測。光敏電阻設(shè)計的基本原則光敏電阻在弱光輻射下光電導(dǎo)靈敏度Sg與光敏電阻兩電極間距離l的平方成反比 ，在強輻射作用下Sg與l的二分之三次方成反比，因此在設(shè)計光敏電阻時，盡可能地縮短光敏電阻兩極間距離。20

4、22-4-159光敏電阻的基本結(jié)構(gòu)12321-光電導(dǎo)材料；2-電極；3-襯底材料絕緣基底光電導(dǎo)體膜2022-4-1510工作性能特點：n光譜響應(yīng)范圍相當寬?？梢姽狻⒓t外、遠紅外、紫外區(qū)域n工作電流大，可達數(shù)毫安。n所測光電強度范圍寬，既可測弱光，也可測強光。n靈敏度高，光電增益可以等于1。n無選擇極性之分，使用方便。缺點： 強光下光電線性度較差，弛豫時間過長，頻率特性差。2022-4-1511光敏電阻的種類及應(yīng)用主要材料：Si、Ge、II-VI族和III-V族化合物，以及一些有機物。分紫外光、可見光、紅外及遠紅外敏感的光敏電阻。應(yīng)用：照相機、光度計、光電自動控制、輻射測量、能量輻射、物體搜索和

5、跟蹤、紅外成像和紅外通信等技術(shù)方面制成的光輻射接收器件。2022-4-15123.1.2、光敏電阻特性參數(shù)1、光電特性光敏電阻的光電流I光與輸入輻射照度有下列關(guān)系式：其中：I光為光電流，I光=IL-Id； E為照度，為光照指數(shù)，與材料的入射強弱有關(guān)，對CdS光電導(dǎo)體，弱光照射下=1，強光下=0.5； U為光敏電阻兩端所加電壓，為電壓指數(shù)，與光電導(dǎo)體和電極材料間接觸有關(guān)，歐姆接觸時=1，非歐姆接觸時=1.1-1.2 Sg為光電導(dǎo)靈敏度，單位S/lx OI光ECdS的光電特性對CdS光電導(dǎo)體，弱光照射下=1，強光下=0.5；為什么？ 光照增強的同時，載流子濃度不光照增強的同時，載流子濃度不斷的增加

6、，同時光敏電阻的溫度也在斷的增加，同時光敏電阻的溫度也在升高，從而導(dǎo)致載流子運動加劇，因升高，從而導(dǎo)致載流子運動加劇，因此復(fù)合幾率也增大，光電流呈飽和趨此復(fù)合幾率也增大，光電流呈飽和趨勢。（冷卻可以改善）勢。（冷卻可以改善）UESIg光2022-4-15132、伏安特性（輸出特性） 一定光照下，光敏電阻的光電流與所加電壓關(guān)系即為伏安特性。3.1.2、光敏電阻特性參數(shù)允許的功耗線O10電壓V/VI光/mA510050100 lx10 lx250mW光敏電阻的伏安特性 光敏電阻為一純電阻，符合歐姆定律，曲線為直線。但對大多數(shù)半導(dǎo)體，電場強度超過 時，不再遵守歐姆定律。而CdS在100V時就不成線性

7、了。 厘米伏4102022-4-15143.1.2、光敏電阻特性參數(shù)3、溫度特性 光敏電阻為多數(shù)載流子導(dǎo)電的光電器件，具有復(fù)雜的溫度特性。不同材料的光敏電阻溫度特性不同。書25頁中圖3-5中為CdS和CdSe光敏電阻不同照度下的溫度特性曲線?？梢钥闯鰷囟壬呖梢詫?dǎo)致材料光電導(dǎo)率的下降。實際中往往采用控制光敏電阻工作的溫度的辦法提高工作穩(wěn)定性。2022-4-15153.1.2、光敏電阻特性參數(shù) 換句話說，溫度的變化，引起溫度噪聲，導(dǎo)致光敏電阻靈敏度、光照特性、響應(yīng)率等都發(fā)生變化。為了提高靈敏度，必須采用冷卻裝置，尤其是雜質(zhì)型半導(dǎo)體對長波長紅外輻射檢測領(lǐng)域更為重要。溫度特性20406080100T

8、501001502000I2022-4-15163.1.2、光敏電阻特性參數(shù)4、前歷效應(yīng) 指光敏電阻的時間特性與工作前“歷史”有關(guān)的一種現(xiàn)象。即測試前光敏電阻所處狀態(tài)對光敏電阻特性的影響。 暗態(tài)前歷效應(yīng)：指光敏電阻測試或工作前處于暗態(tài)，當它突然受到光照后光電流上升的快慢程度。一般地，工作電壓越低，光照度越低，則暗態(tài)前歷效應(yīng)就越重，光電流上升越慢。 1-黑暗放置3分鐘后 2-黑暗放置60分鐘后 3-黑暗放置24小時后2022-4-1517 亮態(tài)前歷效應(yīng)：光敏電阻測試或工作前已處于亮態(tài)，當照度與工作時所要達到的照度不同時，所出現(xiàn)的一種滯后現(xiàn)象。3.1.2、光敏電阻特性參數(shù)前歷效應(yīng)2022-4-15

9、183.1.2、光敏電阻特性參數(shù)5、頻率特性 光敏電阻的時間常數(shù)較大，所以其上限頻率f上低，只有PbS光敏電阻的工作頻率特性達到幾千赫茲。當E=0.11lx時，光敏電阻tr=1.4s， E=10lx時， 光敏電阻tr=66mS, E=100lx時， 光敏電阻tr=6mS。 同時，時間特性與輸入光的照度、工作溫度有明顯的依賴關(guān)系。4123O1f/Hz相對輸出0.41051010.20.60.81021031041-Se；2-CdS；3-TlS；4-PbS2022-4-15193.1.2、光敏電阻特性參數(shù)6、時間響應(yīng) 光敏電阻的時間常數(shù)較大，慣性大，時間響應(yīng)比其它光電器件差。頻率響應(yīng)低。 時間特性

10、與光照度、工作溫度有明顯的依賴關(guān)系。rfEtOi(%)tO1006337rf矩形光矩形光脈沖脈沖10lx100lx2022-4-15203.1.2、光敏電阻特性參數(shù)7、光譜特性相對靈敏度與波長的關(guān)系可見光區(qū)光敏電阻的光譜特性 光譜特性曲光譜特性曲線覆蓋了整個可見線覆蓋了整個可見光區(qū)，峰值波長在光區(qū)，峰值波長在515515600nm600nm之間。之間。尤其硫化鎘（尤其硫化鎘（2 2）的峰值波長與人眼的峰值波長與人眼的很敏感的峰值波的很敏感的峰值波長（長（555nm555nm）是很）是很接近的，因此可用接近的，因此可用于與人眼有關(guān)的儀于與人眼有關(guān)的儀器。器。2022-4-15213.1.2、光敏

11、電阻特性參數(shù)光譜特性紅外區(qū)光敏電阻的光譜特性注明：此特性與所用材料的光譜響應(yīng)、制造工藝、摻雜濃度和使用的環(huán)境溫度有關(guān)。2022-4-15221、常用光敏電阻uCdSCdS光敏電阻：光敏電阻：峰值響應(yīng)波長0.52um，摻銅或氯時峰值波長變長，光譜響應(yīng)向紅外區(qū)延伸，其亮暗電導(dǎo)比在10lx照度上可達1011(一般約為106)，其時間常數(shù)與入射光強度有關(guān)，100lx下可達幾十毫秒。是可見光波段最靈敏的光敏電阻。uPbSPbS光敏電阻：光敏電阻：響應(yīng)波長在近紅外波段，室溫下響應(yīng)波長可達3um，峰值探測率D*=1.51011cmHz1/2/w。缺點主要是響應(yīng)時間太長，室溫條件下100-300uS。內(nèi)阻約為

12、1M，u銻化銦（銻化銦（InSbInSb）光敏電阻：）光敏電阻：長波限7.5um，內(nèi)阻低（約50），峰值探測率D*=1.21011cmHz1/2/w。時間常數(shù)0.02uS。零度時探測率可提高2-3倍。u碲鎘汞HgCdTe系列光敏電阻。其性能優(yōu)良，最有前途的光敏電阻。不同的Cd組分比例，可實現(xiàn)1-3um,3-5um,8-14um的光譜范圍的探測。例如Hg0.8Cd0.2Te響應(yīng)在大氣窗口8-14um，峰值波長10.6um，Hg0.72Cd0.28Te 響應(yīng)波長在3-5um.u碲錫鉛（碲錫鉛（PbSnTePbSnTe）系列光敏電阻：）系列光敏電阻：不同的錫組分比例，響 應(yīng)波長不同。主要用在8-10

13、um波段探測 ，但探測率低，應(yīng)用不廣泛。3.1.3、光敏電阻的應(yīng)用電路2022-4-15232、基本偏置電路3.1.3、光敏電阻的應(yīng)用電路RPURLULI 忽略暗電導(dǎo)Gd(暗電阻很大)： G=Gp=SgE或G=Sg 即 對R求導(dǎo)得到 負號表示電阻是隨溫度的增加而減小。當光通量變化時，電阻變化Rp，電流變化I，即有： 即 ESRg1ESRRg2ppLbRRRUII2pLbppLbppLbRRURRRURRRUI22pLbgpRRUSRI2022-4-15242、基本偏置電路3.1.3、光敏電阻的應(yīng)用電路URLULI輸出電壓LpLbgppLLbpLRRRUSRRRRURU2222022-4-152

14、53.1.3、光敏電阻的應(yīng)用電路1、火焰檢測報警器R12k中心站放大器VDW6VR2200kR3PbSC168nFC268uFR43.9MR5820kR71kR832kR63.9kR9150kC44.7nF+ C3 100uFV1V2V3PbS光敏電阻：Rd=1M, Rl=0.2M，峰值波長2.2um。恒壓偏置電路高輸入阻抗放大電路Vo2022-4-1526快門按鈕驅(qū)動單元UthUR+_ARp210kRp110kR2300R15.1kC11uFMVDVRCdSUbb3.1.3、光敏電阻的應(yīng)用電路2、照相機電子快門2022-4-15273、照明燈的光電控制電路3.1.3、光敏電阻的應(yīng)用電路CKV

15、DRCdS常閉燈220V半波整流測光與控制執(zhí)行控制2022-4-15283.1.4、光敏電阻使用的注意事項測光的光源光譜特性與光敏電阻的光敏特性相匹配。要防止光敏電阻受雜散光的影響。要防止使光敏電阻的電參數(shù)(電壓,功耗)超過允許值。根據(jù)不同用途，選用不同特性的光敏電阻。 一般, 數(shù)字信息傳輸:亮電阻與暗電阻差別大，光照指數(shù)大的光敏電阻。 模擬信息傳輸:則以選用值小、線性特性好的光敏電阻。2022-4-1529怎樣檢測光敏電阻的好與壞怎樣檢測光敏電阻的好與壞n光敏電阻的好與壞可用萬用表R*100電阻檔，按下圖連好。沒有光照時，阻值在1M以上，有較強光照時，阻值在10K一下。兩者相差1001000

16、倍2022-4-1530課堂小結(jié)課堂小結(jié)n1，光敏電阻的工作原理。n2，光敏電阻的結(jié)構(gòu)。n3，光敏電阻的特點。n4，光敏電阻的特性參數(shù)：光電特性、伏安特性、頻率特性、溫度特性、前歷效應(yīng)、時間響應(yīng)、光譜特性等。n5，光敏電阻的應(yīng)用。2022-4-15313.2 光生伏特器件光生伏特器件光生伏特器件：光生伏特效應(yīng)制造的光電敏感器件。光生伏特效應(yīng)：少數(shù)載流子導(dǎo)電的光電效應(yīng)。光電導(dǎo)效應(yīng)：多數(shù)載流子導(dǎo)電的光電。兩者同屬于內(nèi)光電效應(yīng)。少子導(dǎo)電的特點：暗電流小、噪聲低、響應(yīng)速度快、光電特性的線性度好、受溫度的影響小等特點。這些特點是光電導(dǎo)器件所無法比擬的。缺點：與光電導(dǎo)器件相對比，對微弱信號的檢測能力較弱，

17、光譜的響應(yīng)范圍不夠?qū)挕?022-4-15323.2.1光電池光電池光電池：PN結(jié)光電器件，不需要外加偏置電壓就能將光能直接轉(zhuǎn)換成電能。用途分為：太陽能光電池和測量光電池。太陽能光電池：主要用作電源，要求：轉(zhuǎn)換效率高成本低。具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、可靠性高、壽命長、在空間能直接利用太陽能轉(zhuǎn)換成電能的特點。1，是航天工業(yè)上的重要電源2，廣泛的應(yīng)用于供電困難的場所和人們的日常生活中。測量光電池：用作光電檢測，在不加偏置電壓的情況下將光信號轉(zhuǎn)變成電信號。要求：線性范圍寬、靈敏度高、光譜響應(yīng)合適、穩(wěn)定性好、和壽命長。廣泛應(yīng)用于光度、色度、光學(xué)精密計量和測試中。2022-4-1533n按材料按材料

18、硅光電池：光譜響應(yīng)寬，頻率特性好硅光電池：光譜響應(yīng)寬，頻率特性好 硒光電池：波譜峰值位于人眼視覺內(nèi)硒光電池：波譜峰值位于人眼視覺內(nèi) 薄膜光電池：薄膜光電池：CdS增強抗輻射能力增強抗輻射能力 紫光電池：紫光電池：PN結(jié)非常?。航Y(jié)非常薄：0.2-0.3 m,短波峰值短波峰值600nm3.2.1 光電池光電池 2022-4-15343.2.1 光電池的基本結(jié)構(gòu)和工作原理光電池的基本結(jié)構(gòu)和工作原理1、金屬-半導(dǎo)體接觸型（硒光電池）基本結(jié)構(gòu)2、PN結(jié)型NP)(電極)(電極入射光線幾個特征： 1、柵狀電極 2、受光表面的保護膜 3、上、下電極的區(qū)分符號符號2022-4-15353.2.2 硅光電池的特性

19、參數(shù)硅光電池的特性參數(shù)1、光照特性、光照特性伏安特性伏安特性硅光電池工作在第四象限，若工作在反偏置狀態(tài)，則伏安特性將近伸到第三象限。由光電池的電流方程： Rd很小，可忽略，上式變?yōu)椋篟dRLVDIpI+ILRLVDILIp=SgE1kTRIVqspLdLeIII1kTqVspLeIII1kTqVsgLeIESI2022-4-15361、光照特性3.2.2 硅光電池的特性參數(shù)硅光電池的特性參數(shù)負載電流負載電流ILERL1RL2RL3RL4RL4RL5RL=RL=0Voc1Voc5Isc1Isc2Isc3Isc4Is當IL=0時 一般IpIs, 當RL=0時，Isc=Ip=SgE1kTqVsgLe

20、IESI當E=0時 1kTqVsLeII1lnspocIIqkTVspocIIqkTVln2022-4-153702000 40006000800010000123454 . 03 . 02 . 01 . 0scIocU)/(2cmmAIsc)(VUoc)(LxE1、Voc，Isc與E的關(guān)系： 當IL=0，RL=時 一般IpIs,且Ip=SgE 3.2.2 硅光電池的特性參數(shù)硅光電池的特性參數(shù)用于光電池檢測當V=0，RL=0時， 1lnspocIIqkTV1lnsgocIESqkTVESIIgpsc兩個關(guān)系：兩個關(guān)系：2022-4-15382、Isc與E和RL的關(guān)系：3.2.2 硅光電池的特性

21、參數(shù)硅光電池的特性參數(shù)RL=120RL=2.4kRL=12kE/lxJ/uAmm2 當RL=0時， Isc=Ip=SgE 當RL不為0時 1kTqVsgLeIESI2022-4-1539光電池光照特性特征：1、Voc與光照E成對數(shù)關(guān)系；典型值在0.45-0.6V。作電 源時，轉(zhuǎn)化效率10%左右。最大15.5-20%。2、Isc與E成線性關(guān)系，常用于光電池檢測， Isc典型值 35-45mA/cm2。2、RL越小，線性度越好，線性范圍越寬。3、光照增強到一定程度，光電流開始飽和，與負載 電阻有關(guān)。負載電阻越大越容易飽和。3.2.2 硅光電池的特性參數(shù)硅光電池的特性參數(shù)2022-4-15402、輸

22、出特性3.2.2 硅光電池的特性參數(shù)硅光電池的特性參數(shù)RL/0 100 200 300 400 500Voc/VIsc/mA400200 010080400PLVocILRM UL隨RL的增大而增大，直到接近飽和。RL小時IL趨近于短路電流Isc。在RL=RM時，有最大輸出功率，RM稱為最佳負載。光電池作為換能器件時要考慮最大輸出問題，跟入射光照度也有關(guān)。作為測量使用，光電池使用電流工作，短路電流Isc與光照度成線性關(guān)系，RL的存在使IL隨光照度非線性的增加。RL增大，線性范圍越來越小。2022-4-15413、光譜特性3.2.2 硅光電池的特性參數(shù)硅光電池的特性參數(shù)2022-4-15424、

23、溫度特性3.2.2 硅光電池的特性參數(shù)硅光電池的特性參數(shù)Voc具有負溫度系數(shù)，其值約為2-3mV/度。Isc具有正溫度系數(shù)，但隨溫度升高增長的比例很小，約為10-5-10-3mA/度T0 . 29 . 18 . 1200400600ocUscI)(mVUoc)(mAIsc200204060 80 100總結(jié)：總結(jié)：當光電池接收強光照時要考慮溫度升高的影響。如硅光電池不能超過200度。2022-4-15433.2.3 硅光電池的應(yīng)用硅光電池的應(yīng)用1、光電池用作太陽能電池 把光能直接轉(zhuǎn)化成電能，需要最大的輸出功率和轉(zhuǎn)化效率。即把受光面做得較大，或把多個光電池作串、并聯(lián)組成電池組，與鎳鎘蓄電池配合，

24、可作為衛(wèi)星、微波站等無輸電線路地區(qū)的電源供給。2、光電池用作檢測元件 利用其光敏面大，頻率響應(yīng)高，光電流與照度線性變化，適用于開關(guān)和線性測量等。2022-4-1544光電池與外電路的連接方式3.2.3 硅光電池的應(yīng)用硅光電池的應(yīng)用-10VVociC3DG62CR21k硅三極管的放大光電流電路-10VVociC3AX42CR鍺三極管的放大電路1k光電池作緩變信號檢測時的的變換電路舉例2022-4-1545硅三極管放大光電流的電路+4VVociC3DG7A2CR1k2AP71003.2.3 硅光電池的應(yīng)用硅光電池的應(yīng)用+_VocRf2CR采用運算放大器的電路光電池的變換電路舉例2022-4-154

25、61 1太陽電池電源太陽電池電源 太陽電池電源系統(tǒng)主要由太陽電池方陣、蓄電池組、調(diào)節(jié)控制和阻塞二極管組成。如果還需要向交流負載供電，則加一個直流交流變換器，太陽電池電源系統(tǒng)框圖如圖。太陽能電池電源系統(tǒng)逆變器 交流負載 直流負載阻塞二極管 調(diào)節(jié)控制器太陽電池方陣2022-4-15472022-4-1548(a) 光電追蹤電路+12VR4R3R6R5R2R1WBG1BG2 圖 (a)為光電地構(gòu)成的光電跟蹤電路，用兩只性能相似的同類光電池作為光電接收器件。當入射光通量相同時，執(zhí)行機構(gòu)按預(yù)定的方式工作或進行跟蹤。當系統(tǒng)略有偏差時，電路輸出差動信號帶動執(zhí)行機構(gòu)進行糾正，以此達到跟蹤的目的。光電池在檢測和

26、控制方面應(yīng)用中的幾種基本電路2022-4-1549BG2BG1+12VC J R1 R2(b) 光電開關(guān) 圖 (b)所示電路為光電開關(guān)，多用于自動控制系統(tǒng)中。無光照時，系統(tǒng)處于某一工作狀態(tài)，如通態(tài)或斷態(tài)。當光電池受光照射時，產(chǎn)生較高的電動勢，只要光強大于某一設(shè)定的閾值，系統(tǒng)就改變工作狀態(tài)，達到開關(guān)目的。2022-4-1550(c) 光電池觸發(fā)電路 圖 (c)為光電池觸發(fā)電路。當光電池受光照射時，使單穩(wěn)態(tài)或雙穩(wěn)態(tài)電路的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，改變其工作狀態(tài)或觸發(fā)器件(如可控硅)導(dǎo)通。R1R2R3R4R5R6BG1BG2BG3BG4C1C2C3+12VW2022-4-1551+12V5G23(d) 光電池放大電

27、路C3-12VWR1R2R3R4R5C1C218765432圖(d)為光電池放大電路。在測量溶液濃度、物體色度、紙張的灰度等場合，可用該電路作前置級，把微弱光電信號進行線性放大，然后帶動指示機構(gòu)或二次儀表進行讀數(shù)或記錄。 在實際應(yīng)用中，主要利用光電池的光照特性、光譜特性、頻率特性和溫度特性等，通過基本電路與其它電子線路的組合可實現(xiàn)或自動控制的目的。2022-4-1552220VC1路燈CJD-108V200F200FC2C3100FR1R3R5R7R4R6R7R2J470k200k10k4.3kBG1280k25k57k10k路燈自動控制器路燈自動控制器BG2BG3BG42CR2022-4-1

28、553光電二極管的分類： 按材料分，光電二極管有硅、砷化鎵、銻化銦光電二極管等許多種。按結(jié)構(gòu)分，有同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)之分。其中最典型的是同質(zhì)結(jié)硅光電二極管。 國產(chǎn)硅光電二極管按襯底材料的導(dǎo)電類型不同，分為2CU和2DU兩種系列。2CU系列以N-Si為襯底，2DU系列以P-Si為襯底。2CU系列的光電二極管只有兩條引線，而2DU系列光電二極管有三條引線。 3.3 光電二極管與光電三極管光電二極管與光電三極管N型區(qū)和P型區(qū)是同種半導(dǎo)體材料（例如鍺、硅、砷化鎵）稱之為“同質(zhì)結(jié)”，“異質(zhì)結(jié)”是指由兩種帶隙寬度不同的半導(dǎo)體材料長在同一塊單晶上形成的結(jié)。 2022-4-15543.3 光電二極管與光電三極管光

29、電二極管與光電三極管光電二極管與光電池的特性比較基本結(jié)構(gòu)相同，由一個PN結(jié)；光電二極管的光敏面小，結(jié)面積小，頻率特性好，雖然光生電動勢相同,但光電流普遍比光電池小,為數(shù)微安。摻雜濃度：光電池約為1016-1019/cm3，硅光電二極管10121013/cm3，電阻率：光電池0.1-0.01/cm，光電二極管1000/cm。1. 光電池零偏壓下工作，光電二極管反偏壓下工作。光電二極管的類型：光電二極管的類型：硅、鍺、PIN、APD2022-4-15553.3 光電二極管與光電三極管光電二極管與光電三極管光電二極管的工作原理光電二極管的工作原理NP光+_外加反向偏壓符號2022-4-1556光電二

30、極管的基本結(jié)構(gòu)光電二極管的基本結(jié)構(gòu)3.3 光電二極管與光電三極管光電二極管與光電三極管N環(huán)極前極N+N+P后極環(huán)型光電二極管的結(jié)構(gòu)前極后極環(huán)級VARLh等效電路2022-4-1557光電二極管的伏安特性光電二極管的伏安特性IUOE2E1E0E0E1E2u加正向偏壓時， 表現(xiàn)為單向?qū)щ娦?。u作為光敏二極管使用時，需要加反向偏壓，當有光照時會產(chǎn)生光電流，且光電流遠大于反向飽和電流。u反向偏壓可以減小載流子的渡越時間和二極管的極間電容。反向偏壓較小時反向電壓達到一定值時。 uiO暗電流暗電流E = 200 lxE = 400 lx2022-4-1558光電二極管的光譜特性光電二極管的光譜特性1、光敏

31、二極管在較小負載電阻下，光電流與入射光功率有較好的線性關(guān)系。2、光敏二極管的響應(yīng)波長與GaAs激光管和發(fā)光二極管的波長一致，組合制作光電耦合器件。3、光電二極管結(jié)電容很小，頻率響應(yīng)高，帶寬可達100kHz。2022-4-1559光電二極管的溫度特性光電二極管的溫度特性 光電二極管的溫度特性主要是指反向飽和電流對溫度的依賴性，暗電流對溫度的變化非常敏感。暗電流/mA10 20305070T /C25 05040602022-4-1560光電二極管的典型應(yīng)用電路光電二極管的典型應(yīng)用電路應(yīng)用電路EhRLVoRL+EVoh2022-4-1561光電二極管的典型應(yīng)用電路光電二極管的典型應(yīng)用電路電流放大型

32、VoRf2CR+_ACRf2CRVo+_ARLRf電壓放大型2022-4-1562 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本征層中，從而使PN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小。時間常數(shù)變小，頻帶變寬。PINPIN光電二極管光電二極管 P-Si N-Si I-SiPIN管結(jié)構(gòu)示意圖2022-4-1563特點：1、頻帶寬，可達10GHz。2、本征層很厚，在反偏壓下運用可承受較高的反向電壓，線性輸出范圍寬。3、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，且集中在本征層，從而結(jié)

33、電容要進一步減小，使頻帶寬度變寬。4、本征層電阻很大，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芯片上并封裝成一個器件。 2022-4-1564 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100200V，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)生所謂的雪崩。這種管子響應(yīng)速度特別快，帶寬可達100GHz，是目前響應(yīng)速度最快的一種光電二

34、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。但由于APD的響應(yīng)時間極短，靈敏度很高，它在光通信中應(yīng)用前景廣闊。 雪崩光電二極管(APD)2022-4-1565雪崩光電二極管(APD)原理圖2022-4-15663.3.2 光電三極管的基本結(jié)構(gòu)光電三極管的基本結(jié)構(gòu)n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。n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）。n制作材料一般為半導(dǎo)體

35、硅，管型為NPN型，n國產(chǎn)器件稱為3DU系列。2022-4-1567n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。n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。n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。2022-4-1568n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)。n當光照到集電結(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）Ip）為電流放大倍數(shù)。n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

36、的。 2022-4-1569發(fā)射極發(fā)射極集電極集電極基極基極發(fā)射極發(fā)射極集電極集電極光電三極管的工作原光電三極管的工作原理理cbeIcIpIbVo光敏三極管的結(jié)構(gòu)原理、工作原理和電氣圖形符號pppcIIII12022-4-1570光電三極管的工作原理光電三極管的工作原理工作過程：一、光電轉(zhuǎn)換；二、光電流放大VCCVCC基本基本應(yīng)用應(yīng)用電路電路2022-4-1571達林頓光電三極管電路 為了提高光電三極管的頻率響應(yīng)、增益和減小體積。將光電二極管、三極管制作在一個硅片上構(gòu)成集成器件2022-4-1572光電三極管的主要特性： 光電三極管存在一個最佳靈敏度的峰值波長。當入射光的波長增加時，相對靈敏度

37、要下降。因為光子能量太小，不足以激發(fā)電子空穴對。當入射光的波長縮短時，相對靈敏度也下降，這是由于光子在半導(dǎo)體表面附近就被吸收，并且在表面激發(fā)的電子空穴對不能到達PN結(jié)，因而使相對靈敏度下降。光譜特性光譜特性入射光硅鍺/nm400080001200016000相對靈敏度/%10080604020 0硅的峰值波長為900nm，鍺的峰值波長為1500nm。由于鍺管的暗電流比硅管大，因此鍺管的性能較差。故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般選用硅管；但對紅外線進行探測時,則采用鍺管較合適。2022-4-1573伏安特性伏安特性伏安特性 光電三極管的伏安特性曲線如圖所示。光電三極管在不同的照度下的伏安特性

38、，就像一般晶體管在不同的基極電流時的輸出特性一樣。因此，只要將入射光照在發(fā)射極e與基極b之間的PN結(jié)附近，所產(chǎn)生的光電流看作基極電流，就可將光敏三極管看作一般的晶體管。光電三極管能把光信號變成電信號，而且輸出的電信號較大。I/mA024620406080U /V500lx1000lx1500lx2000lx2500lx2022-4-1574I/AL/lx200400600800100001.02.03.0光敏晶體管的光照特性 光電三極管的光照特性如圖所示。它給出了光敏三極管的輸出電流 I 和照度之間的關(guān)系。它們之間呈現(xiàn)了近似線性關(guān)系。當光照足夠大(幾klx)時，會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，從而使光電三極管

39、既可作線性轉(zhuǎn)換元件，也可作開關(guān)元件。 光照特性光照特性2022-4-1575暗電流/mA10 20 305070T /C25 0504060光電流/mA100 02003004008010203040506070T/C光電三極管的溫度特性 光電三極管的溫度特性曲線反映的是光電三極管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。從特性曲線可以看出，溫度變化對光電流的影響很小，而對暗電流的影響很大所以電子線路中應(yīng)該對暗電流進行溫度補償，否則將會導(dǎo)致輸出誤差。溫度特性2022-4-1576 光電三極管的頻率特性曲線如圖所示。光電三極管的頻率特性受負載電阻的影響，減小負載電阻可以提高頻率響應(yīng)。一般來說，光電三極管的頻

40、率響應(yīng)比光電二極管差。對于鍺管，入射光的調(diào)制頻率要求在5kHz以下。硅管的頻率響應(yīng)要比鍺管好。RL=1kRL=10kRL=100k0100100050050001000010020406080調(diào)制頻率 / Hz相對靈敏度/%光電三極管的頻率特性頻率特性頻率特性2022-4-1577光電三極管的應(yīng)用電路光電三極管的應(yīng)用電路光電三極管主要應(yīng)用于開關(guān)控制電路及邏輯電路。JR2R1A3DG12VJR2R1A3DG12V2022-4-1578 當有光線照射于光當有光線照射于光電器件上時，使繼電器電器件上時，使繼電器有足夠的電流而動作，有足夠的電流而動作，這種電路稱為這種電路稱為亮通亮通光電光電控制電路，

41、也叫控制電路，也叫明通明通控控制電路。最簡單的亮通制電路。最簡單的亮通電路如圖所示。電路如圖所示。 1 1亮通光電控制電路亮通光電控制電路2022-4-1579如果光電繼電器不受光如果光電繼電器不受光照時能使繼電器動作，而照時能使繼電器動作，而受光照時繼電器釋放，則受光照時繼電器釋放，則稱它為稱它為暗通暗通控制電路?？刂齐娐?。 另一種方法是在亮通電路的基礎(chǔ)上加一級倒相器，也可完另一種方法是在亮通電路的基礎(chǔ)上加一級倒相器，也可完成暗通電路的作用。成暗通電路的作用。 要說明的是，亮通和暗通是相對而言的，以上分析都是假要說明的是，亮通和暗通是相對而言的，以上分析都是假定繼電器高壓開關(guān)工作在常開狀態(tài)，

42、如工作在常閉狀態(tài)，則亮定繼電器高壓開關(guān)工作在常開狀態(tài)，如工作在常閉狀態(tài)，則亮通和暗通也就反過來。通和暗通也就反過來。2 2暗通光電控制電路暗通光電控制電路2022-4-1580 如要求路燈控制靈敏，可采用如圖電路。如要求路燈控制靈敏，可采用如圖電路。3、路燈、霓虹燈的自動控制電路、路燈、霓虹燈的自動控制電路2022-4-1581 防止閃電等短時干擾的路燈控制電路防止閃電等短時干擾的路燈控制電路 2022-4-1582汽車車燈全自動控制器汽車車燈全自動控制器2022-4-1583n LED平面顯示器可分為單片型、混合型及點矩陣型等幾大類。 n LED除用做顯示器件外，還可用做各種裝置、系統(tǒng)的光源

43、。例如HBLED。 2022-4-1584梅曼和第一只激光器梅曼和第一只激光器3.4.2 3.4.2 激光器激光器2022-4-1585 2、按工作、按工作方式分類方式分類 連續(xù)式（功率可達連續(xù)式（功率可達104 W） 脈沖式（瞬時功率可達脈沖式（瞬時功率可達1017W /cm2 ）激光器的種類：激光器的種類： 固體固體 （如紅寶石（如紅寶石AlAl2 2O O3 3） 液體液體 （如某些染料）（如某些染料） 氣體氣體 （如（如He-NeHe-Ne、COCO2 2） 半導(dǎo)體（如砷化鎵半導(dǎo)體（如砷化鎵 GaAsGaAs） 自由電子激光器自由電子激光器1、按工作物、按工作物質(zhì)分類質(zhì)分類2022-4

44、-1586激光器的工作原理自由輻射、受激吸收和受激輻射工作物質(zhì)工作物質(zhì)激勵能源激勵能源光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔產(chǎn)生激光必要條件1. 1. 實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn). .使原子被激發(fā)使原子被激發(fā). .要實現(xiàn)光放大要實現(xiàn)光放大 2022-4-1587激光的形成過程 工作物質(zhì)工作物質(zhì) 激勵、受激輻射激勵、受激輻射 自激振蕩增益自激振蕩增益 外界能量注入（泵浦）外界能量注入（泵浦） 光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔2022-4-1588一、氣體激光器2022-4-1589He-NeHe-Ne氣體激光器氣體激光器He -Ne He -Ne 激光器中激光器中HeHe是輔助物質(zhì)，是輔助物質(zhì)，NeNe是激活物質(zhì)

45、，是激活物質(zhì)，HeHe與與NeNe之比為之比為51 51 101101。NeNe原子可以產(chǎn)生多條激光譜線原子可以產(chǎn)生多條激光譜線, ,最強的三條最強的三條: : 0 063286328 、1 115 15 m m、3 339 39 2022-4-1590根據(jù)工作物質(zhì)分類： 紅寶石：激活離子Cr3+，波長：694.3nm，三能級； Nd:YAG：激活離子：Nd，波長：1.06m，四能級； 釹玻璃： 激活離子：Nd，波長:1.06m，四能級； 二、固體激光器YAG:是釔鋁石榴石的簡稱 2022-4-15911960年5月15日，加州休斯實驗室的梅曼（T.H.Maiman,1927）制成了世界上第一

46、臺紅寶石激光器，獲得了世界上第一束激光，波長為694.3納米。紅寶石激光器2022-4-1592燈泵浦燈泵浦Nd:YAGNd:YAG激光器激光器 大功率激光器中，典型的Nd:YAG棒一般是長150mm，直徑7-10mm。泵浦過程中激光棒發(fā)熱，限制了每個棒的最大輸出功率。單棒Nd:YAG激光器的功率范圍約為50-800W。 2022-4-1593固體激光器固體激光器2022-4-15941kW的脈沖Nd:YAG激光器2022-4-1595液體激光器三、染料激光器2022-4-1596半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器四、半導(dǎo)體激光器（LD，Laser Diode）2022-4-1597半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激

47、光器是向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流， 實現(xiàn)粒子粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射受激輻射，再利用諧振腔的正反饋正反饋，實現(xiàn)光放大光放大而產(chǎn)生激光振蕩激光振蕩的。LDLD的工作原理和基本結(jié)構(gòu)的工作原理和基本結(jié)構(gòu)2022-4-1598(a) 光強的角分布； (b) 輻射光束 1.00.80.60.40.2080604020020406080T 300 K輻 射 角 (度 )相 對 光 強(a)(b)典型半導(dǎo)體激光器的遠場輻射特性，圖中和分別為平行于結(jié)平面和垂直于結(jié)平面的輻射角，整個光束的橫截面呈橢圓形。半導(dǎo)體激光光源特性2022-4-1599短波長AlGaAs/GaAs1098765432100 2

48、0 4060 80I / mA P / mW3.53.02.52.01.51.00.50050100150IthI / mA P / mW(a)(b)半導(dǎo)體激光器的光功率特性2022-4-15100五、激光器的基本特性1 1、單色性、單色性激光自然光波長能量激光中單色性最好的是氣體激光器產(chǎn)生激光中單色性最好的是氣體激光器產(chǎn)生的激光。的激光。He-NeHe-Ne激光器產(chǎn)生的激光器產(chǎn)生的632.8nm632.8nm譜譜線，線寬只有線，線寬只有1010-9-9nmnm。 普通光源中單色性最好的普通光源中單色性最好的用來作為長度基準器的氪燈用來作為長度基準器的氪燈(Kr86)(Kr86)，其譜線寬度為

49、，其譜線寬度為4.74.71010-3-3nmnm。激光的單色性比一。激光的單色性比一般光要高出般光要高出10106 610107 7倍以上倍以上 . . 自然光由波場范圍較寬的光構(gòu)成，激光的譜線展寬極小，具有很好的單色性。單自然光由波場范圍較寬的光構(gòu)成，激光的譜線展寬極小，具有很好的單色性。單色性決定物質(zhì)對激光能量的吸收和精細聚焦的可能性；色性決定物質(zhì)對激光能量的吸收和精細聚焦的可能性；COCO2 2：10.6m CO10.6m CO： 5.4m YAG5.4m YAG：1.06m 1.06m 準分子：準分子：0.24m0.24m；2022-4-15101 從光源發(fā)出的激光平行傳播的程度成為

50、方向性。從光源發(fā)出的激光平行傳播的程度成為方向性。激光器輸出的光束發(fā)散角度很小，可以小于或等激光器輸出的光束發(fā)散角度很小，可以小于或等于于1010-3-3-10-10-5-5弧度。激光通過直徑為弧度。激光通過直徑為D D的孔徑時，由的孔徑時，由于衍射會產(chǎn)生一定發(fā)散：于衍射會產(chǎn)生一定發(fā)散：2 2、方向性好、方向性好HeNe氣體激光：310-4rad； 固體激光：10-2rad 半導(dǎo)體激光：5-10。2022-4-15102激光的方向性帶來兩個結(jié)果：激光的方向性帶來兩個結(jié)果： 光源表面的亮度高；被照射地方光的照度大。 一個具有10mW功率的He-Ne激光器可產(chǎn)生比太陽高幾千倍的亮度，可在屏幕上形成

51、面積很小但照度很大的光斑。 激光定位、導(dǎo)向、測距等就利用了方向性好的特點。2022-4-151033 3、高亮度、高亮度 亮度是光源在單位面積上，向某一方向的單位立體角內(nèi)發(fā)射的功率。 激光的輸出功率雖然有個限度，但由于其光束細（發(fā)散特別小），功率密度特別大，因而其亮度也特別大。把分散在180范圍內(nèi)的光集中到0.18 范圍，亮度提高100萬倍。通過調(diào)Q等技術(shù)，壓縮脈沖寬度，還可以進一步提高亮度。2022-4-151044 4、相干性好、相干性好自然光由無數(shù)的原子與分子發(fā)射，產(chǎn)生波長各不相同的雜亂光，合成后不能形成整齊有序的大振幅光波。相干長度只有幾個mm或幾十cm。 激光是受激輻射，單色性、發(fā)散

52、角小，在空間和時間上有很好的相干性。兩激光束合成后能形成相位整齊、規(guī)則有序的大振幅光波。相干長度達到幾十公里。采用穩(wěn)頻技術(shù)，HeNe激光線寬可壓縮到10kHz，相干長度可達30km。 全息照相全息照相相干計量、全息照相、全息存儲等就利用了激光相干性好的特點。2022-4-151053.5 光電耦合器件光電耦合器件2022-4-15106光電耦合器以光電轉(zhuǎn)換原理傳輸信息，由于光耦兩側(cè)是電絕緣的，所以對地電位差干擾有很強的抑制能力，同時光耦對電磁干擾也有很強的抑制能力。 光電耦合器由發(fā)光器件（發(fā)光二極管）和受光器件（光敏三極管）封裝在一個組件內(nèi)構(gòu)成； 當發(fā)光二極管流過電流IF時發(fā)出紅外光，光敏三極

53、管受光激發(fā)后導(dǎo)通，并在外電路作用下產(chǎn)生電流IC。2022-4-15107光耦合器件有透光型與反射型兩種。在透光型光耦合器件中，發(fā)光器件與受光器件面對面安放，在它們之間有一間隔，當物體通過這一間隔時，發(fā)射光被切斷。利用這一現(xiàn)象可以檢測出物體的有無。采用這種方式的耦合器件后邊連接的接口電路設(shè)計比較簡單，檢測位置精度也高。反射型光耦合器件從發(fā)光器件來的光反射到物體上面由受光器件來檢測出，比起透光型來顯得體積小，把它放在物體的側(cè)面就能使用。2022-4-15108光電耦合器件的特點光電耦合器件的特點 具有電隔離的功能； 信號的傳輸是單向性的，適用于模擬和數(shù)字信號傳輸； 具有抗干擾和噪聲的能力，可以抑制

54、尖脈沖及各種噪聲，發(fā)光器件為電流驅(qū)動器件。可理解為：1 1、輸入阻抗低，分得噪聲電壓小，抑制輸入端的噪聲干擾；2 2、LED發(fā)光需要一定能量，因此可以抑制高電壓、低能量的干擾；3 3、采用光耦合，且密封安裝，抑制外界雜散光干擾；4 4、寄生電容小(0.5pF-2pF)，絕緣電阻大(105-107M)，抑制反饋噪聲。 響應(yīng)速度快； 使用方便，結(jié)構(gòu)小巧，防水抗震，工作溫度范圍寬； 即具有耦合特性又具有隔離特性。2022-4-15109光電耦合器件的主要參數(shù)光電耦合器件的主要參數(shù)1、電流傳輸比Ic/mAIc3Ic2Ic1Uc/VIF3IF2IF1Q3Q2Q1IFIFIFQIFO 定義為在直流狀態(tài)下，

55、光電耦合器件的集電極電流Ic與發(fā)光二極管的注入電流IF之比。如圖中在Q點處電流傳輸比為：%100FQCQQII如果在小信號下，交流電流傳輸比用微小變量定義：%100FCII2022-4-15110與IF的關(guān)系： 由于發(fā)光二極管發(fā)出的光不總與電流成正比，所以有如圖示的變化。4 3 2 1 0 50 100 150 電流電流/mA輸出功率輸出功率/ mW發(fā)光二極管的P-I曲線0 10 20 30 40 50 60 7012010080604020IF/mAIF與的關(guān)系曲線2022-4-151112、最高工作頻率，mff / M Hz相對輸出1.00.7070f m1f m2f m3RL1RL2RL3 最高工作頻率取決于發(fā)光器件與光電接收器件的頻率特性。同時與負載電阻的阻值有關(guān)，阻值越大，最高工作頻率越低。2022-4-15112光電耦合