光電檢測器件

光電檢測器件第一頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日1光電器件的分類一、按工作波段分紫外光探測器可見光探測器紅外光探測器二、按應用分換能器將光信息（光能）轉換成電信息（電能）非成像型光信息轉換成電信息探測器變像管成像型像增強器攝像管真空攝像管固體成像器件CCD第二頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日2探測器件熱光電探測元件光電探測元件氣體光電探測元件外光電效應內光電效應非放大型放大型光電導探測器光磁電效應探測器光生伏特探測器本征型摻雜型非放大放大型真空光電管充氣光電管光電倍增管變像管攝像管像增強器光敏電阻紅外探測器光電池光電二極管光電三極管光電場效應管雪崩型光電二極管第三頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日33.1光敏電阻利用具有光電導效應的材料（如Si、Ge等本征半導體與雜質半導體，如CdS、CdSe、PbO）可以制成電導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器件或光敏電阻。結構特點：體積小、堅固耐用、價格低廉、光譜響應范圍寬，廣泛應用于微弱輻射信號的檢測技術領域。第四頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日43.1.1、光敏電阻的結構及工作原理UbbIpIp金屬電極光電導材料入射光光敏電阻原理及符號光敏電阻符號工作原理第五頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日5UIp電極入射光當入射光子使半導體物質中的電子由價帶躍升到導帶時，導帶中的電子和價帶中的空穴均參與導電，因此電阻顯著減小，電導增加，或連接電源和負載電阻，可輸出電信號，此時可得出光電導g與光電流I光的表達式為：工作原理g=gL-gdI光=IL-Id第六頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日6工作原理光敏電阻按半導體材料的不同可分為本征型和雜質型兩種，本征型半導體光敏電阻常用于可見光長波段檢測，雜質型常用于紅外波段至遠紅外波段光輻射的檢測。光敏電阻設計的基本原則光敏電阻在弱光輻射下光電導靈敏度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，因此在設計光敏電阻時，盡可能地縮短光敏電阻兩極間距離。光電流Ip=ΔσSU/L第七頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日7光敏電阻的基本結構12321-光電導材料；2-電極；3-襯底材料絕緣基底光電導體膜第八頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日8三種形式⑴梳狀式玻璃基底上蒸鍍梳狀金屬膜而制成；或在玻璃基底上面蝕刻成互相交叉的梳狀槽，在槽內填入黃金或石墨等導電物質，在表面再敷上一層光敏材料。如圖所示。絕緣基底光電導體膜第九頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日9⑵刻線式在玻璃基片上鍍制一層薄的金屬箔，將其刻劃成柵狀槽，然后在槽內填入光敏電阻材料層后制成。其結構如下圖所示。注意：與梳狀式的區(qū)別第十頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日10⑶涂膜式在玻璃基片上直接涂上光敏材料膜后而制成。其結構如右下圖所示。2、光敏電阻在電路中的符號第十一頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日11注意：靈敏度與光電增益的區(qū)別（1）靈敏度是光電導體在光照下產生光電導能力的大小。（2）增益指在工作狀態(tài)下，各參數(shù)對光電導效應的增強能力。材料特性結構參數(shù)第十二頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日12工作性能特點：光譜響應范圍相當寬。可見光、紅外、遠紅外、紫外區(qū)域工作電流大，可達數(shù)毫安。所測光電強度范圍寬，既可測弱光，也可測強光靈敏度高，光電增益可以大于1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。第十三頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日13光敏電阻的種類及應用主要材料：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、物體搜索和跟蹤、紅外成像和紅外通信等技術方面制成的光輻射接收器件。第十四頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日143.1.2、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系式：其中：I光為光電流，I光=IL-Id；E為照度，γ為光照指數(shù)，與材料的入射光強弱有關，對CdS光電導體，弱光照射下γ=1，強光下γ=0.5；U為光敏電阻兩端所加電壓，α為電壓指數(shù)，與光電導體和電極材料間接觸有關，歐姆接觸時α=1，非歐姆接觸時αSg為光電導靈敏度，單位S/lxOI光ECdS的光電特性對CdS光電導體，弱光照射下γ=1，強光下γ=0.5；為什么？光照增強的同時，載流子濃度不斷的增加，同時光敏電阻的溫度也在升高，從而導致載流子運動加劇，因此復合幾率也增大，光電流呈飽和趨勢。（冷卻可以改善）第十五頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日152、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/mA510050100lx10lx250mW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時就不成線性了。

第十六頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日163.1.2、光敏電阻特性參數(shù)3、溫度特性光敏電阻為多數(shù)載流子導電的光電器件，具有復雜的溫度特性。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е虏牧瞎怆妼实南陆怠嶋H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。第十七頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日173.1.2、光敏電阻特性參數(shù)

換句話說，溫度的變化，引起溫度噪聲，導致光敏電阻靈敏度、光照特性、響應率等都發(fā)生變化。為了提高靈敏度，必須采用冷卻裝置，尤其是雜質型半導體對長波長紅外輻射檢測領域更為重要。溫度特性第十八頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日183.1.2、光敏電阻特性參數(shù)4、前歷效應指光敏電阻的時間特性與工作前“歷史”有關的一種現(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：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小時后第十九頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日19

亮態(tài)前歷效應：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)前歷效應第二十頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日203.1.2、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系。4123O1f/Hz相對輸出0.41051010.20.60.81021031041-Se；2-CdS；3-TlS；4-PbS第二十一頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日213.1.2、光敏電阻特性參數(shù)6、時間響應

光敏電阻的時間常數(shù)較大，慣性大，時間響應比其它光電器件差。頻率響應低。時間特性與光照度、工作溫度有明顯的依賴關系。Τ’rΤ’fEtOi(%)tO1006337τrτf矩形光脈沖10lx100lx第二十二頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日223.1.2、光敏電阻特性參數(shù)7、光譜特性相對靈敏度與波長的關系可見光區(qū)光敏電阻的光譜特性光譜特性曲線覆蓋了整個可見光區(qū)，峰值波長在515～600nm之間。尤其硫化鎘（2）的峰值波長與人眼的很敏感的峰值波長（555nm）是很接近的，因此可用于與人眼有關的儀器。1-Se；2-CdS；3-TlS；4-PbS第二十三頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日233.1.2、光敏電阻特性參數(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、制造工藝、摻雜濃度和使用的環(huán)境溫度有關。第二十四頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日241、常用光敏電阻CdS光敏電阻：峰值響應波長0.52um，摻銅或氯時峰值波長變長，光譜響應向紅外區(qū)延伸，其亮暗電導比在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，100lx下可達幾十毫秒。是可見光波段最靈敏的光敏電阻。PbS光敏電阻：響應波長在近紅外波段，室溫下響應波長可達3um，峰值探測率Dλ*=1.5Χ1011cm·Hz1/2/w。缺點主要是響應時間太長，室溫條件下100-300uS。內阻約為1MΩ，銻化銦（InSb）光敏電阻：長波限7.5um，內阻低（約50Ω），峰值探測率Dλ*=1.2Χ1011cm·Hz1/2/w。時間常數(shù)0.02uS。零度時探測率可提高2-3倍。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響應在大氣窗口8-14um，峰值波長10.6um，Hg0.72Cd0.28Te響應波長在3-5um.碲錫鉛（PbSnTe）系列光敏電阻：不同的錫組分比例，響應波長不同。主要用在8-10um波段探測，但探測率低，應用不廣泛。3.1.3、光敏電阻的應用電路第二十五頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日252、基本偏置電路3.1.3、光敏電阻的應用電路RPURLULI忽略暗電導Gd(暗電阻很大)：G=Gp=SgE或G=SgΦ即對R求導得到負號表示電阻是隨輸入輻射的增加而減小。當光通量變化時，電阻變化ΔRp，電流變化ΔI，即有：

即第二十六頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日262、基本偏置電路3.1.3、光敏電阻的應用電路URLULI輸出電壓第二十七頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日273.1.3、光敏電阻的應用電路1、火焰檢測報警器R12kΩ中心站放大器VDW6VR2200kΩR3PbSC168nFC268uFR43.9MΩR5820kΩR71kΩR832kΩR63.9kΩR9150kΩC44.7nF+C3100uFV1V2V3PbS光敏電阻：Rd=1MΩ,Rl=0.2MΩ，峰值波長2.2um。恒壓偏置電路高輸入阻抗放大電路Vo第二十八頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日28快門按鈕驅動單元UthURUth=???UR=???+_ARp210kΩRp110kΩR2300ΩR15.1kΩC11uFMVDVRCdSUbb3.1.3、光敏電阻的應用電路2、照相機電子快門第二十九頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日293、照明燈的光電控制電路3.1.3、光敏電阻的應用電路CKVDRCdS常閉燈~220V半波整流測光與控制執(zhí)行控制第三十頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日303.1.4、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)γ大的光敏電阻。模擬信息傳輸:則以選用γ值小、線性特性好的光敏電阻。第三十一頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日31分類按用途太陽能光電池：用作電源（效率高，成本低）測量用光電池：探測器件（線性、靈敏度高等）按材料硅光電池：光譜響應寬，頻率特性好硒光電池：波譜峰值位于人眼視覺內薄膜光電池：CdS增強抗輻射能力紫光電池：PN結非常?。?.2-0.3μm,短波峰值600nm3.2光電池第三十二頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日32光電池是一種利用光生伏特效應制成的不需加偏壓就能將光能轉化成電能的光電器件。3.2.1光電池的基本結構和工作原理1、金屬-半導體接觸型（硒光電池）基本結構2、PN結型幾個特征：1、柵狀電極2、受光表面的保護膜3、上、下電極的區(qū)分符號第三十三頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日333.2.2硅光電池的特性參數(shù)1、光照特性伏安特性由光電池的電流方程：

Rs很小，可忽略，上式變?yōu)椋篟sRLVDIpI+ILRLVDILIp=Sg·E第三十四頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日341、光照特性3.2.2硅光電池的特性參數(shù)負載電流ILERL1RL2RL3RL4RL4RL5RL=∞RL=0Voc1Voc5Isc1Isc2Isc3Isc4Is當IL=0時一般Ip>>Is,

當RL=0時，Isc=Ip=Sg·E下面看兩個關系：當E=0時第三十五頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日351、Voc，Isc與E的關系：當IL=0，RL=∞時一般Ip>>Is,且Ip=Sg·E

3.2.2硅光電池的特性參數(shù)用于光電池檢測當V=0，RL=0時，第三十六頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日362、Isc與E和RL的關系：3.2.2硅光電池的特性參數(shù)RL=120ΩRL=2.4kΩRL=12kΩE/lxJ/uA·mm2

當RL=0時，

Isc=Ip=Sg·E

當RL不為0時RLVDIL第三十七頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日37光電池光照特性特征：1、Voc與光照E成對數(shù)關系；典型值在0.45-0.6V。作電源時，轉化效率10%左右。最大15.5-20%。2、Isc與E成線性關系，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。負載電阻越大越容易飽和。3.2.2硅光電池的特性參數(shù)第三十八頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日382、輸出特性3.2.2硅光電池的特性參數(shù)RL/Ω0100200300400500Voc/VIsc/mA400200

010080400PLVocILRMUL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。作為測量使用，光電池以電流使用。短路電流Isc與光照度成線性關系，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。第三十九頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日393、光譜特性3.2.2硅光電池的特性參數(shù)第四十頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日404、溫度特性3.2.2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/度總結：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。第四十一頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日413.2.3硅光電池的應用1、光電池用作太陽能電池把光能直接轉化成電能，需要最大的輸出功率和轉化效率。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，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，頻率響應高，光電流與照度線性變化，適用于開關和線性測量等。第四十二頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日42光電池與外電路的連接方式3.2.3硅光電池的應用-10VVociC3DG62CR×21kΩ硅三極管的放大光電流電路-10VVociC3AX42CR鍺三極管的放大電路1kΩ光電池作緩變信號檢測時的變換電路舉例第四十三頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日43硅三極管放大光電流的電路+4VVociC3DG7A2CR1kΩ2AP7100Ω3.2.3硅光電池的應用+_Δ∞VocRf2CR采用運算放大器的電路光電池的變換電路舉例第四十四頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日441．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。逆變器

交流負載

直流負載太陽能電池電源系統(tǒng)阻塞二極管

調節(jié)控制器太陽電池方陣第四十五頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日45第四十六頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日46(a)光電追蹤電路+12VR4R3R6R5R2R1WBG1BG2圖(a)為光電池構成的光電跟蹤電路，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)行機構按預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)行機構進行糾正，以此達到跟蹤的目的。光電池在檢測和控制方面應用中的幾種基本電路第四十七頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日47BG2BG1+12VCJR1R2(b)光電開關圖(b)所示電路為光電開關，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，產生較高的電動勢，只要光強大于某一設定的閾值，系統(tǒng)就改變工作狀態(tài)，達到開關目的。第四十八頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日48(c)光電池觸發(fā)電路R1R2R3R4R5R6BG1BG2BG3BG4C1C2C3+12VW

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，改變其工作狀態(tài)或觸發(fā)器件(如可控硅)導通。第四十九頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日49+12V5G23(d)光電池放大電路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，然后帶動指示機構或二次儀表進行讀數(shù)或記錄。

在實際應用中，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。第五十頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日50220VC1路燈CJD-108V200μF200μFC2C3100μFR1R3R5R7R4R6R7R2J470kΩ200kΩ10kΩ4.3kΩBG1280kΩ25kΩ57kΩ10kΩ路燈自動控制器BG2BG3BG42CR第五十一頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日51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。按結構分，有同質結與異質結之分。其中最典型的是同質結硅光電二極管。國產硅光電二極管按襯底材料的導電類型不同，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第五十二頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日523.3光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構相同，由一個PN結；光電二極管的光敏面小，結面積小，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1012~1013/cm3，Ω/cm，光電二極管1000Ω/cm。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：硅、鍺、PIN、APD第五十三頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日533.3光電二極管與光電三極管光電二極管的工作原理NP光+_外加反向偏壓符號第五十四頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日54光電二極管的基本結構3.3光電二極管與光電三極管N環(huán)極前極N+N+P后極環(huán)型光電二極管的結構前級后級環(huán)級VARLhν等效電路第五十五頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日55光電二極管的伏安特性IUOE2>E1>E0E0E1E3加正向偏壓時，表現(xiàn)為單向導電性。作為光敏二極管使用時，需要加反向偏壓，當有光照時會產生光電流，且光電流遠大于反向飽和電流。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E=200lxE=400lx第五十六頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日56光電二極管的光譜特性1、光敏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系。2、光敏二極管的響應波長與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、光電二極管結電容很小，頻率響應高，帶寬可達100kHz。第五十七頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日57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/mA1020305070T/oC250504060第五十八頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日58光電二極管的典型應用電路應用電路EhνRLVoRL+EVohν第五十九頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日59光電二極管的典型應用電路電流放大型VoRf2CR+_ACRf2CRVo+_ARLRf電壓放大型第六十頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日60PIN管是光電二極管中的一種。它的結構特點是，在P型半導體和N型半導體之間夾著一層（相對）很厚的本征半導體。這樣，PN結的內電場就基本上全集中于本征層中，從而使PN結雙電層的間距加寬，結電容變小。時間常數(shù)變小，頻帶變寬。PIN光電二極管P-SiN-SiI-SiPIN管結構示意圖第六十一頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日61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。第六十二頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日62

雪崩光電二極管是利用PN結在高反向電壓下產生的雪崩效應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。結區(qū)內電場極強，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生電離雪崩反應。因此，這種管子有很高的內增益，可達到幾百。當電壓等于反向擊穿電壓時，電流增益可達106，即產生所謂的雪崩。這種管子響應速度特別快，帶寬可達100GHz，是目前響應速度最快的一種光電二極管。

雪崩光電二極管(APD)第六十三頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日63雪崩光電二極管(APD)原理圖第六十四頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日64APD的缺點噪聲大是這種管子目前的一個主要缺點。由于雪崩反應是隨機的，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的響應時間極短，靈敏度很高，它在光通信中應用前景廣闊。第六十五頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日65思考題某光敏電阻與負載電阻RL=2kΩ串接于12伏的直流電源上，無光照時負載電阻上的輸出電壓為u1=20mV，有光照時負載上的輸出電流u2=2V，試求：光敏電阻的暗電阻和亮電阻值；若光敏電阻的光導靈敏度S=6×10-6s/lx，求光敏電阻所受的照度？第六十六頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日663.3.2光電三極管的基本結構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。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體硅，管型為NPN型，國產器件稱為3DU系列。第六十七頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日67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系。所以光電晶體管多用來作光電開關元件或光電邏輯元件。第六十八頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日68正常運用時，集電極加正電壓。因此，集電結為反偏置，發(fā)射結為正偏置，集電結為光電結。當光照到集電結上時，集電結即產生光電流Ip向基區(qū)注入，同時在集電極電路即產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。第六十九頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日69發(fā)射極集電極基極發(fā)射極集電極光電三極管的工作原理cbeIcIpIbVo光敏三極管的結構原理、工作原理和電氣圖形符號第七十頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日70光電三極管的工作原理工作過程：一、光電轉換；二、光電流放大VCCVCC基本應用電路第七十一頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日71達林頓光電三極管電路

為了提高光電三極管的頻率響應、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成集成器件第七十二頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日72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，因而使相對靈敏度下降。光譜特性入射光硅鍺λ/nm40080012001600相對靈敏度/%100806040200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。第七十三頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日73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，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結附近，所產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/V500lx1000lx1500lx2000lx2500lx第七十四頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日74I/μAL/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和照度之間的關系。它們之間呈現(xiàn)了近似線性關系。當光照足夠大(幾klx)時，會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，從而使光電三極管既可作線性轉換元件，也可作開關元件。光照特性第七十五頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日75暗電流/mA1020305070T/oC250504060光電流/mA10002003004008010203040506070T/oC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．所以電子線路中應該對暗電流進行溫度補償，否則將會導致輸出誤差。溫度特性第七十六頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日76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。一般來說，光電三極管的頻率響應比光電二極管差。對于鍺管，入射光的調制頻率要求在5kHz以下。硅管的頻率響應要比鍺管好。RL=1kΩRL=10kΩRL=100kΩ0100100050050001000010020406080調制頻率/Hz相對靈敏度/%光電三極管的頻率特性頻率特性第七十七頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日77光電三極管的應用電路光電三極管主要應用于開關控制電路及邏輯電路。JR2R1A3DG12VJR2R1A3DG12V第七十八頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日78

當有光線照射于光電器件上時，使繼電器有足夠的電流而動作，這種電路稱為亮通光電控制電路，也叫明通控制電路。最簡單的亮通電路如圖所示。

1．亮通光電控制電路第七十九頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日79如果光電繼電器不受光照時能使繼電器動作，而受光照時繼電器釋放，則稱它為暗通控制電路。另一種方法是在亮通電路的基礎上加一級倒相器，也可完成暗通電路的作用。要說明的是，亮通和暗通是相對而言的，以上分析都是假定繼電器高壓開關工作在常開狀態(tài)，如工作在常閉狀態(tài)，則亮通和暗通也就反過來。2．暗通光電控制電路第八十頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日80

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第八十一頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日813.5光電耦合器件第八十二頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日82光電耦合器件的工作原理光電耦合器以光電轉換原理傳輸信息，由于光耦兩側是電絕緣的，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）封裝在一個組件內構成；當發(fā)光二極管流過電流IF時發(fā)出紅外光，光敏三極管受光激發(fā)后導通，并在外電路作用下產生電流IC。第八十三頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日83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，把它放在物體的側面就能使用。第八十四頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日84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，可以抑制尖脈沖及各種噪聲，發(fā)光器件為電流驅動器件。可理解為：1、輸入阻抗低，分得噪聲電壓小，抑制輸入端的噪聲干擾；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、采用光耦合，且密封安裝，抑制外界雜散光干擾；4、寄生電容小(0.5pF-2pF)，絕緣電阻大(105-107MΩ)，抑制反饋噪聲。響應速度快；使用方便，結構小巧，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。第八十五頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日85光電耦合器件的主要參數(shù)1、電流傳輸比βIc/mAIc3Ic2Ic1Uc/VIF3IF2IF1Q3Q2Q1ΔIFΔIFΔIFQIFO定義為在直流狀態(tài)下，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：如果在小信號下，交流電流傳輸比用微小變量定義：β在飽和區(qū)和截止區(qū)都變小。第八十六頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日86β與IF的關系：

由于發(fā)光二極管發(fā)出的光不總與電流成正比，所以β有如圖示的變化。43210

50100150

電流/mA輸出功率/mW發(fā)光二極管的P-I曲線β01020304050607012010080604020IF/mAIF與β的關系曲線第八十七頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日872、最高工作頻率，f/MHz相對輸出1.00.7070fm1fm2fm3RL1>RL2>RL3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，阻值越大，最高工作頻率越低。第八十八頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日88光電耦合器件的應用1、代替脈沖變壓器耦合信號，帶寬寬，失真小。2、代替繼電器，無斷電時的沖擊電流和觸點抖動。3、完成電平匹配和電平轉換功能。4、用于計算機作為光電耦合接口器件，提高可靠性。5、飽和壓降低，代替三極管做為開關元件。6、在穩(wěn)壓電源中，作為過電流自動保護器件，簡單可靠。第八十九頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日89光電耦合器件光電耦合繼電器光電隔離器（傳感器）第九十頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日903.6光電位置敏感器件（PSD）第九十一頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日91P層i層0AxA②①③I1I2I0N層LL入射光1、一維光電位置敏感器件（PSD）的工作原理依圖中所示，電流I0、I1、I2、入射光位置xA和電極間距2L之間有如下關系：其中，P型層電阻是均勻的。一維PSD器件可用來測量光斑在一維方向上的位置和位置移動量。第九十二頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日923.7光熱輻射檢測器件第九十三頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日931、熱敏電阻熱敏電阻熱敏電阻是用金屬氧化物或半導體材料作為電阻體的溫敏元件。有三種基本類型：正溫度系數(shù)，PTC負溫度系數(shù)，NTC臨界溫度系數(shù)CTC特點：溫度系數(shù)大、靈敏度高電阻值大、引線電阻可忽略體積小，熱響應快，廉價互換性差、測溫范圍窄在汽車、家電領域得到大量應用第九十四頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日94半導體對光的吸收本征和雜質吸收產生光生載子晶格吸收、自由電子吸收不產生光生載子光電導率變化，伴隨少量的熱能產生熱能產生，溫升造成電阻值變化光敏電阻熱敏電阻第九十五頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日95負溫度系數(shù)熱敏電阻和金屬材料溫度特性比較熱敏電阻的電阻與溫度關系為：A，C，D為與材料有關的常數(shù)。電阻隨溫度的變化規(guī)律為：對負溫度系數(shù)材料：第九十六頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日96熱敏電阻的基本結構電極引線黏合劑發(fā)黑材料熱敏元件襯底導熱基體第九十七頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日97第九十八頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日98熱敏電阻應用范圍家用電器（如空調機、微波爐、電風扇、電取暖爐等）的溫度控制與溫度檢測辦公自動化設備（如復印機、打印機等）的溫度檢測或溫度補償。工業(yè)、醫(yī)療、環(huán)保、氣象、食品加工設備的溫度控制與檢驗。儀表線圈、集成電路、石英晶體振蕩器和熱電偶的溫度補償。熱敏電阻特點穩(wěn)定性好、可靠性高。阻值范圍寬：0.1～1000KΩ阻值精度高。第九十九頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日99熱電偶又稱溫差電偶，1826年就出現(xiàn)。其工作原理是熱電效應。熱電偶是溫度測量中應用最普遍的測溫器件，它的特點是測溫范圍寬，性能穩(wěn)定，有足夠的測量精度，能夠滿足工業(yè)過程溫度測量的需要；結構簡單，動態(tài)響應好；輸出為電信號，可以遠傳，便于集中檢測和自動控制。2、熱電偶檢測器第一百頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日100熱電偶工作原理熱端T+ΔT冷端TABII溫差熱電偶T+ΔTJ1BAJ2IGΦc輻射熱電偶T+ΔTNPTTRLI+_涂黑金箔半導體輻射熱電偶基于溫差熱電效應，多用于測溫，采用金屬材料制成，用于探測入射輻射，溫升小，對材料的要求高，結構嚴格且復雜，成本高。P型半導體冷端帶正電，N型半導體冷端帶負電，最小可檢測功率一般為10-11W。第一百零一頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日101熱電堆工作原理光熱端冷端涂黑金箔mVRL熱電堆提高了熱電偶的響應時間和靈敏度。其結構是多個熱電偶串聯(lián)。熱電堆的靈敏度為每個熱電偶靈敏度的和。總結：熱電偶型紅外輻射探測器的時間常數(shù)較大，響應時間長，動態(tài)特性差，被測輻射變化頻率一般應在10Hz以下。第一百零二頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日102第一百零三頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日103應用范圍適合高低溫環(huán)境溫度測量。如：在陶瓷生產中熱電偶是熱工監(jiān)測與測試的計量工具。第一百零四頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日1043、熱釋電器件熱釋電器件利用熱釋電效應制成的熱或紅外輻射檢測器件，具有以下優(yōu)點：寬的頻率響應，工作頻率可近兆赦茲，一般熱檢測器時間常數(shù)典型值在1-0.01s范圍內。而熱釋電器件的有效時間常數(shù)可低至10-4-3×10-5s。檢測率高，有大面積均勻的敏感面，工作時不接外偏置。與熱敏電阻比，受環(huán)境溫度變化影響小。熱釋電器件的強度和可靠性比其它多數(shù)熱檢測器好，制造容易。第一百零五頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日105

“自發(fā)極化的電介質，其自發(fā)極化強度Ps（單位面積上的電荷量）與溫度存在著如下關系：當溫度升高時，極化強度減低，當溫度升高一定值時，自發(fā)極化消失，這個溫度稱為”居里點“。在居里點以下，Ps是溫度t的函數(shù)，利用這一關系制造出熱釋電器件，溫度的升高，電極化強度減小，相當于熱”釋放了“部分電荷，可由放大器轉變成電壓輸出。TcPsTOPsTOTc

熱釋電器件不同于其它光電器件的特點：在恒定輻射作用情況下輸出信號電壓為零。只有在交變輻射作用下才會有信號輸出。第一百零六頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日106熱釋電紅外線傳感器主要是由一種高熱電系數(shù)的材料，如鋯鈦酸鉛系陶瓷、鉭酸鋰、硫酸三甘鈦等制成的探測元件。電源開關控制、防盜防火報警、自動覽測。適合交變的信號測量。第一百零七頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日107第一百零八頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日108光電倍增管

Photo-Multipliertube（PMT）第一百零九頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日109真空光電管90VDC直流放大陰極R-+光束e陽極絲（Ni）抽真空陰極表面可涂漬不同光敏物質：高靈敏(K,Cs,Sb其中二者)、紅光敏(Na/K/Cs/Sb,Ag/O/Cs)、紫外光敏、平坦響應(Ga/As，響應受波長影響小)。產生的光電流約為硒光電池的1/10。優(yōu)點：阻抗大，電流易放大；響應快；應用廣。缺點：有微小暗電流（Darkcurrent，40K的放射線激發(fā)）。第一百一十頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日110光電倍增管的結構及工作原理光電陰極陽極倍增極陰極在光照下發(fā)射出光電子，光電子受到電極間電場作用獲得較大能量打在倍增電極上，產生二次電子發(fā)射，經過多極倍增的光電子到達陽極被收集而形成陽極電流，隨光信號的變化。在倍增極不變的條件下，陽極電流隨光信號變化。第一百一十一頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日111光電倍增管（photomultipliertube,PMT）石英套光束1個光子產生106~107個電子柵極，Grill陽極屏蔽光電倍增管示意圖共有9個打拿極(dynatron)，所加直流電壓共為9010V光電倍增管是建立在光電子發(fā)射效應、二次電子發(fā)射效應和電子光學理論的基礎上，能夠將微弱光信號轉換成光電子并獲得倍增效應的真空光電發(fā)射器件。第一百一十二頁，共一百二十六頁，2022年，8月28日112一．結構與原理

光電倍增管由光窗、光電陰極、電子光學系統(tǒng)、電子倍增系統(tǒng)和陽極等五個主要部分組成，其外形如圖3.1.1-1所示。側窗式端窗式光電倍增管光電倍增管第一百一十三頁，共一百二十六頁，20