4光电检测器件(3)光电二极管

1、第三章第三章 半导体光电检测器件及应用半导体光电检测器件及应用3.1 光敏电阻光敏电阻3.2 光生伏特器件光生伏特器件-光电池光电池3.3 光电二极管与光电三极管光电二极管与光电三极管3.4 发光器件发光器件3.5 光电耦合器件光电耦合器件3.6 光电位置敏感器件光电位置敏感器件3.7 光热辐射检测器件光热辐射检测器件3.8 各种光电检测器件的性能比较各种光电检测器件的性能比较光电二极管的分类：光电二极管的分类： 按材料分，光电二极管有硅、砷化镓、锑化铟光电二按材料分，光电二极管有硅、砷化镓、锑化铟光电二极管等许多种。按结构分，有同质结与异质结之分。其中极管等许多种。按结构分，有同质结与异质结

2、之分。其中最典型的是同质结硅光电二极管。最典型的是同质结硅光电二极管。 3.3 3.3 光电二极管与光电三极管光电二极管与光电三极管光电二极管的应用：光电式转速表光电二极管的应用：光电式转速表 转速是指每分钟或每秒钟内旋转物体转动的圈数。机械式转速表和接触式电子转速转速是指每分钟或每秒钟内旋转物体转动的圈数。机械式转速表和接触式电子转速表精度不高，影响被测物的运转状态，已不能满足自动化的要求。光电式转速表属于反表精度不高，影响被测物的运转状态，已不能满足自动化的要求。光电式转速表属于反射式光电传感器，它可以在距被测物数十毫米处非接触地测量转速。由于光电器件的动射式光电传感器，它可以在距被测物数

3、十毫米处非接触地测量转速。由于光电器件的动态特性较好，所以可以用于高转速的测量而又不干扰被测物的转动，下面是它的原理图。态特性较好，所以可以用于高转速的测量而又不干扰被测物的转动，下面是它的原理图。 光电二极管的应用：光电式转速表光电二极管的应用：光电式转速表 光源光源l发出的光线经透镜发出的光线经透镜2会聚成平行光束，照射到旋转物体上的反光纸会聚成平行光束，照射到旋转物体上的反光纸4反射回来，反射回来，经透镜经透镜5聚焦后落在光敏二极管聚焦后落在光敏二极管6上。它产生与转速对应的电脉冲信号，经放大整形电路上。它产生与转速对应的电脉冲信号，经放大整形电路8得到了得到了TTL 电平的脉冲信号，再

4、经频率计电路电平的脉冲信号，再经频率计电路9处理后由显示器处理后由显示器10显示出每分钟或每秒钟显示出每分钟或每秒钟的转数即转速。的转数即转速。光电二极管的基本结构光电二极管的基本结构N环极前极N+N+P后极环型光电二极管的结构环型光电二极管的结构前级后级环级VARLh等效电路等效电路3.3 3.3 光电二极管光电二极管 光敏二极管与普通二极管一样有一个光敏二极管与普通二极管一样有一个PN结，属于单向导电性的非线形元结，属于单向导电性的非线形元件。外形不同之处是在光电二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照件。外形不同之处是在光电二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，实现光电转换。射

5、，实现光电转换。 光电二极管（光敏二极管）光电二极管（光敏二极管）光敏二极管符号光敏二极管符号 光敏二极管接法光敏二极管接法 可以不加偏压，与光电池不同，光敏二极管一般在负偏压情况下使用。可以不加偏压，与光电池不同，光敏二极管一般在负偏压情况下使用。 外加反向偏压外加反向偏压 光敏二极管体积小，灵敏度高，响应时间短，光谱响应在可光敏二极管体积小，灵敏度高，响应时间短，光谱响应在可见到近红外区中，光电检测中应用多。见到近红外区中，光电检测中应用多。光电二极管的光照特性光电二极管的光照特性光电二极管的伏安特性光电二极管的伏安特性IUOE2E1E0E0E1E3u加正向偏压时，加正向偏压时， 表现为单

6、向导电性。表现为单向导电性。u作为光敏二极管使用时，需要加反向偏压，当有光照时会产生光电流，且光作为光敏二极管使用时，需要加反向偏压，当有光照时会产生光电流，且光电流远大于反向饱和电流。电流远大于反向饱和电流。u反向偏压可以减小载流子的渡越时间和二极管的极间电容。反向偏压可以减小载流子的渡越时间和二极管的极间电容。反向偏压较小时反向偏压较小时反向电压达到一定值时。反向电压达到一定值时。 uiO暗电流暗电流E = 200 lxE = 400 lx光电二极管的光谱特性光电二极管的光谱特性1、光敏二极管在较小负载、光敏二极管在较小负载电阻下，光电流与入射光功电阻下，光电流与入射光功率有较好的线性关系

7、。率有较好的线性关系。2、光敏二极管的响应波长、光敏二极管的响应波长与与GaAs激光管和发光二极激光管和发光二极管的波长一致，组合制作光管的波长一致，组合制作光电耦合器件。电耦合器件。3、光电二极管结电容很小、光电二极管结电容很小，频率响应高，带宽可达，频率响应高，带宽可达100kHz。光电二极管的应用光电二极管的应用1 1：卫生间灯光自动控制：卫生间灯光自动控制 人进入卫生间时，灯自动亮；人走出卫生间，灯自动灭，并且只有在天黑时人进入卫生间时，灯自动亮；人走出卫生间，灯自动灭，并且只有在天黑时这种控制才起作用，白天灯不会亮。该电路由这种控制才起作用，白天灯不会亮。该电路由4部分电路组成：部分

8、电路组成：为光电检测人为光电检测人体进出电路；体进出电路；为微分触发电路；为微分触发电路；为双稳态电路；为双稳态电路；为驱动电路。为驱动电路。光电二极管的应用光电二极管的应用1 1：卫生间灯光自动控制：卫生间灯光自动控制 电路电路是由红外发光二极管、光电二极管及三极管是由红外发光二极管、光电二极管及三极管VT1组成的人体进出检测组成的人体进出检测电路（安装在卫生间进门口）。电路（安装在卫生间进门口）。光电二极管的应用光电二极管的应用1 1：卫生间灯光自动控制：卫生间灯光自动控制 无人遮挡红外线时，无人遮挡红外线时，PD接收到红外线，光电源使接收到红外线，光电源使VT1导通，其集电极呈低导通，其

9、集电极呈低电平；当有人进出遮挡红外线时，电平；当有人进出遮挡红外线时，VT1截止，其集电极呈高电平。当人进入或走截止，其集电极呈高电平。当人进入或走出卫生间时，集电极输出一个正脉冲。出卫生间时，集电极输出一个正脉冲。光电二极管的应用光电二极管的应用1 1：卫生间灯光自动控制：卫生间灯光自动控制 电路电路是微分触发电路，当人体进出遮挡红是微分触发电路，当人体进出遮挡红外线时，外线时，VT1集电极产生一个正脉冲。由于集电极产生一个正脉冲。由于C1的的电压不能突变，在电压不能突变，在R3上形成一个尖脉冲，它使上形成一个尖脉冲，它使VT2触发导通，其波形如图所示。触发导通，其波形如图所示。光电二极管的

10、应用光电二极管的应用1 1：卫生间灯光自动控制：卫生间灯光自动控制 电路电路是由是由NE555及外围电路组成的双稳态电路。在天黑时，及外围电路组成的双稳态电路。在天黑时，VT2每触发导每触发导通一次，通一次，NE555的的3脚电平变换一次（高电平时，灯亮；低电平时，灯灭）；白脚电平变换一次（高电平时，灯亮；低电平时，灯灭）；白天，由于光敏电阻阻值减小，双稳态电路不起作用，天，由于光敏电阻阻值减小，双稳态电路不起作用，3脚呈低电平。脚呈低电平。光电二极管的应用光电二极管的应用1 1：卫生间灯光自动控制：卫生间灯光自动控制 电路电路是是驱动电路，由驱动电路，由VT4驱动继电器驱动继电器K。当。当3

11、脚输出高电平时，脚输出高电平时，VT4导通，导通，K吸合，灯亮；吸合，灯亮；3脚输出低电平时，灯灭。脚输出低电平时，灯灭。光电二极管的应用光电二极管的应用2 2：光电路灯自动控制：光电路灯自动控制光电二极管的典型应用电路光电二极管的典型应用电路应用电路应用电路EhRLVoRL+EVoh光电二极管的典型应用电路光电二极管的典型应用电路电流放大型电流放大型VoRf2CR+_ACRf2CRVo+_ARLRf电压放大型电压放大型光电二极管与光电池的特性比较基本结构相同，由一个PN结组成；光电二极管的光敏面小，结面积小，频率特性好，虽然光生电动势相同,但光电流普遍比光电池小,为数微安。掺杂浓度：光电池约为1016-1019/cm3，硅光电二极管10121013/cm3，电阻率：光电池0.1-0.01/cm，光电二极管1000/cm。1. 光电池零偏压下工作，光电二极管反偏压下工作。光电二极管的类型：光电二极管的类型：硅、锗