蓝色--第3章 半导体光电检测器件及应用 1-2

1、2021-12-91光电检测技术光电检测技术主讲人：李方强电话：158508139802021-12-92小结小结n1，光电变换的物理基础。n2，光电效应和光热效应 光电导效应、光生伏特效应等 热释电效应、辐射热计效应、温差电效n3，光电检测器件的特性参数 响应度、响应时间、响应频率、噪声等2021-12-93第三章 半导体光电检测器件及应用3.1 光敏电阻3.2.1 光生伏特器件-光电池3.2.2 光电二极管与光电三极管3.2.3 发光器件3.2.4 光电耦合器件3.2.5 光电位置敏感器件3.2.6光热辐射检测器件3.2.7各种光电检测器件的性能比较2021-12-943.1 光敏电阻光敏

2、电阻利用具有光电导效应的材料（如Si、Ge等本征半导体与杂质半导体，如CdS、CdSe、PbO）可以制成电导率随入射光辐射量变化而变化的器件，这类器件被称为光电导器件或光敏电阻。为什么光照会引起电导率的变化呢？ 光吸收使半导体中形成光生载流子，载流子浓度的增大使其电导率增大。2021-12-95基本结构基本结构结构特点：体积小、坚固耐用、价格低廉、光谱响应范围宽，广泛应用于微弱辐射信号的检测技术领域。2021-12-963.1.1、光敏电阻的结构及工作原理UbbIpIp金属电极金属电极光电导材料光电导材料入射光入射光光敏电阻原理及符号光敏电阻符号工作原理2021-12-97UIp电极入射光当入

3、射光子使半导体物质中的电子由价带跃升到导带时，导带中的电子和价带中的空穴均参与导电，因此电阻显著减小，电导增加，或连接电源和负载电阻，可输出电信号，此时可得出光电导g与光电流I光的表达式为：工作原理g=gL-gdI光=IL-Id2021-12-98工作原理光敏电阻按半导体材料的不同可分为本征型和杂质型两种，本征型半导体光敏电阻常 用于可见光长波段检测，杂质型常用于红外波段至远红外波段光辐射的检测。光敏电阻设计的基本原则光敏电阻在弱光辐射下光电导灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距离l的平方成反比 ，在强辐射作用下Sg与l的二分之三次方成反比，因此在设计光敏电阻时，尽可能地缩短光敏电阻两极间距离。20

4、21-12-99光敏电阻的基本结构12321-光电导材料；2-电极；3-衬底材料绝缘基底光电导体膜2021-12-910工作性能特点：n光谱响应范围相当宽。可见光、红外、远红外、紫外区域n工作电流大，可达数毫安。n所测光电强度范围宽，既可测弱光，也可测强光。n灵敏度高，光电增益可以等于1。n无选择极性之分，使用方便。缺点： 强光下光电线性度较差，弛豫时间过长，频率特性差。2021-12-911光敏电阻的种类及应用主要材料：Si、Ge、II-VI族和III-V族化合物，以及一些有机物。分紫外光、可见光、红外及远红外敏感的光敏电阻。应用：照相机、光度计、光电自动控制、辐射测量、能量辐射、物体搜索和

5、跟踪、红外成像和红外通信等技术方面制成的光辐射接收器件。2021-12-9123.1.2、光敏电阻特性参数1、光电特性光敏电阻的光电流I光与输入辐射照度有下列关系式：其中：I光为光电流，I光=IL-Id； E为照度，为光照指数，与材料的入射强弱有关，对CdS光电导体，弱光照射下=1，强光下=0.5； U为光敏电阻两端所加电压，为电压指数，与光电导体和电极材料间接触有关，欧姆接触时=1，非欧姆接触时=1.1-1.2 Sg为光电导灵敏度，单位S/lx OI光ECdS的光电特性对CdS光电导体，弱光照射下=1，强光下=0.5；为什么？ 光照增强的同时，载流子浓度不光照增强的同时，载流子浓度不断的增加

6、，同时光敏电阻的温度也在断的增加，同时光敏电阻的温度也在升高，从而导致载流子运动加剧，因升高，从而导致载流子运动加剧，因此复合几率也增大，光电流呈饱和趋此复合几率也增大，光电流呈饱和趋势。（冷却可以改善）势。（冷却可以改善）UESIg光2021-12-9132、伏安特性（输出特性） 一定光照下，光敏电阻的光电流与所加电压关系即为伏安特性。3.1.2、光敏电阻特性参数允许的功耗线O10电压V/VI光/mA510050100 lx10 lx250mW光敏电阻的伏安特性 光敏电阻为一纯电阻，符合欧姆定律，曲线为直线。但对大多数半导体，电场强度超过 时，不再遵守欧姆定律。而CdS在100V时就不成线性

7、了。 厘米伏4102021-12-9143.1.2、光敏电阻特性参数3、温度特性 光敏电阻为多数载流子导电的光电器件，具有复杂的温度特性。不同材料的光敏电阻温度特性不同。书25页中图3-5中为CdS和CdSe光敏电阻不同照度下的温度特性曲线。可以看出温度升高可以导致材料光电导率的下降。实际中往往采用控制光敏电阻工作的温度的办法提高工作稳定性。2021-12-9153.1.2、光敏电阻特性参数 换句话说，温度的变化，引起温度噪声，导致光敏电阻灵敏度、光照特性、响应率等都发生变化。为了提高灵敏度，必须采用冷却装置，尤其是杂质型半导体对长波长红外辐射检测领域更为重要。温度特性20406080100T

8、501001502000I2021-12-9163.1.2、光敏电阻特性参数4、前历效应 指光敏电阻的时间特性与工作前“历史”有关的一种现象。即测试前光敏电阻所处状态对光敏电阻特性的影响。 暗态前历效应：指光敏电阻测试或工作前处于暗态，当它突然受到光照后光电流上升的快慢程度。一般地，工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越重，光电流上升越慢。 1-黑暗放置3分钟后 2-黑暗放置60分钟后 3-黑暗放置24小时后2021-12-917 亮态前历效应：光敏电阻测试或工作前已处于亮态，当照度与工作时所要达到的照度不同时，所出现的一种滞后现象。3.1.2、光敏电阻特性参数前历效应2021-12-9

9、183.1.2、光敏电阻特性参数5、频率特性 光敏电阻的时间常数较大，所以其上限频率f上低，只有PbS光敏电阻的工作频率特性达到几千赫兹。当E=0.11lx时，光敏电阻tr=1.4s， E=10lx时， 光敏电阻tr=66mS, E=100lx时， 光敏电阻tr=6mS。 同时，时间特性与输入光的照度、工作温度有明显的依赖关系。4123O1f/Hz相对输出0.41051010.20.60.81021031041-Se；2-CdS；3-TlS；4-PbS2021-12-9193.1.2、光敏电阻特性参数6、时间响应 光敏电阻的时间常数较大，惯性大，时间响应比其它光电器件差。频率响应低。 时间特性

10、与光照度、工作温度有明显的依赖关系。rfEtOi(%)tO1006337rf矩形光矩形光脉冲脉冲10lx100lx2021-12-9203.1.2、光敏电阻特性参数7、光谱特性相对灵敏度与波长的关系可见光区光敏电阻的光谱特性 光谱特性曲光谱特性曲线覆盖了整个可见线覆盖了整个可见光区，峰值波长在光区，峰值波长在515515600nm600nm之间。之间。尤其硫化镉（尤其硫化镉（2 2）的峰值波长与人眼的峰值波长与人眼的很敏感的峰值波的很敏感的峰值波长（长（555nm555nm）是很）是很接近的，因此可用接近的，因此可用于与人眼有关的仪于与人眼有关的仪器。器。2021-12-9213.1.2、光敏

11、电阻特性参数光谱特性红外区光敏电阻的光谱特性注明：此特性与所用材料的光谱响应、制造工艺、掺杂浓度和使用的环境温度有关。2021-12-9221、常用光敏电阻uCdSCdS光敏电阻：光敏电阻：峰值响应波长0.52um，掺铜或氯时峰值波长变长，光谱响应向红外区延伸，其亮暗电导比在10lx照度上可达1011(一般约为106)，其时间常数与入射光强度有关，100lx下可达几十毫秒。是可见光波段最灵敏的光敏电阻。uPbSPbS光敏电阻：光敏电阻：响应波长在近红外波段，室温下响应波长可达3um，峰值探测率D*=1.51011cmHz1/2/w。缺点主要是响应时间太长，室温条件下100-300uS。内阻约为

12、1M，u锑化铟（锑化铟（InSbInSb）光敏电阻：）光敏电阻：长波限7.5um，内阻低（约50），峰值探测率D*=1.21011cmHz1/2/w。时间常数0.02uS。零度时探测率可提高2-3倍。u碲镉汞HgCdTe系列光敏电阻。其性能优良，最有前途的光敏电阻。不同的Cd组分比例，可实现1-3um,3-5um,8-14um的光谱范围的探测。例如Hg0.8Cd0.2Te响应在大气窗口8-14um，峰值波长10.6um，Hg0.72Cd0.28Te 响应波长在3-5um.u碲锡铅（碲锡铅（PbSnTePbSnTe）系列光敏电阻：）系列光敏电阻：不同的锡组分比例，响 应波长不同。主要用在8-10

13、um波段探测 ，但探测率低，应用不广泛。3.1.3、光敏电阻的应用电路2021-12-9232、基本偏置电路3.1.3、光敏电阻的应用电路RPURLULI 忽略暗电导Gd(暗电阻很大)： G=Gp=SgE或G=Sg 即 对R求导得到 负号表示电阻是随温度的增加而减小。当光通量变化时，电阻变化Rp，电流变化I，即有： 即 ESRg1ESRRg2ppLbRRRUII2pLbppLbppLbRRURRRURRRUI22pLbgpRRUSRI2021-12-9242、基本偏置电路3.1.3、光敏电阻的应用电路URLULI输出电压LpLbgppLLbpLRRRUSRRRRURU2222021-12-92

14、53.1.3、光敏电阻的应用电路1、火焰检测报警器R12k中心站放大器VDW6VR2200kR3PbSC168nFC268uFR43.9MR5820kR71kR832kR63.9kR9150kC44.7nF+ C3 100uFV1V2V3PbS光敏电阻：Rd=1M, Rl=0.2M，峰值波长2.2um。恒压偏置电路高输入阻抗放大电路Vo2021-12-926快门按钮驱动单元UthUR+_ARp210kRp110kR2300R15.1kC11uFMVDVRCdSUbb3.1.3、光敏电阻的应用电路2、照相机电子快门2021-12-9273、照明灯的光电控制电路3.1.3、光敏电阻的应用电路CKV

15、DRCdS常闭灯220V半波整流测光与控制执行控制2021-12-9283.1.4、光敏电阻使用的注意事项1.测光的光源光谱特性与光敏电阻的光敏特性相匹配。2.要防止光敏电阻受杂散光的影响。3.要防止使光敏电阻的电参数(电压,功耗)超过允许值。4.根据不同用途，选用不同特性的光敏电阻。 一般, 数字信息传输:亮电阻与暗电阻差别大，光照指数大的光敏电阻。 模拟信息传输:则以选用值小、线性特性好的光敏电阻。2021-12-929怎样检测光敏电阻的好与坏怎样检测光敏电阻的好与坏n光敏电阻的好与坏可用万用表R*100电阻档，按下图连好。没有光照时，阻值在1M以上，有较强光照时，阻值在10K一下。两者相

16、差1001000倍2021-12-930课堂小结课堂小结n1，光敏电阻的工作原理。n2，光敏电阻的结构。n3，光敏电阻的特点。n4，光敏电阻的特性参数：光电特性、伏安特性、频率特性、温度特性、前历效应、时间响应、光谱特性等。n5，光敏电阻的应用。2021-12-9313.2 光生伏特器件光生伏特器件光生伏特器件：光生伏特效应制造的光电敏感器件。光生伏特效应：少数载流子导电的光电效应。光电导效应：多数载流子导电的光电。两者同属于内光电效应。少子导电的特点：暗电流小、噪声低、响应速度快、光电特性的线性度好、受温度的影响小等特点。这些特点是光电导器件所无法比拟的。缺点：与光电导器件相对比，对微弱信号

17、的检测能力较弱，光谱的响应范围不够宽。2021-12-9323.2.1光电池光电池光电池：PN结光电器件，不需要外加偏置电压就能将光能直接转换成电能。用途分为：太阳能光电池和测量光电池。太阳能光电池：主要用作电源，要求：转换效率高成本低。具有结构简单、体积小、质量轻、可靠性高、寿命长、在空间能直接利用太阳能转换成电能的特点。1，是航天工业上的重要电源2，广泛的应用于供电困难的场所和人们的日常生活中。测量光电池：用作光电检测，在不加偏置电压的情况下将光信号转变成电信号。要求：线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性好、和寿命长。广泛应用于光度、色度、光学精密计量和测试中。2021-12-933

18、n按材料按材料 硅光电池：光谱响应宽，频率特性好硅光电池：光谱响应宽，频率特性好 硒光电池：波谱峰值位于人眼视觉内硒光电池：波谱峰值位于人眼视觉内 薄膜光电池：薄膜光电池：CdS增强抗辐射能力增强抗辐射能力 紫光电池：紫光电池：PN结非常薄：结非常薄：0.2-0.3 m,短波峰值短波峰值600nm3.2.1 光电池光电池 2021-12-9343.2.1 光电池的基本结构和工作原理光电池的基本结构和工作原理1、金属-半导体接触型（硒光电池）基本结构2、PN结型NP)(电极)(电极入射光线几个特征： 1、栅状电极 2、受光表面的保护膜 3、上、下电极的区分符号符号2021-12-9353.2.2

19、 硅光电池的特性参数硅光电池的特性参数1、光照特性、光照特性伏安特性伏安特性硅光电池工作在第四象限，若工作在反偏置状态，则伏安特性将近伸到第三象限。由光电池的电流方程： Rd很小，可忽略，上式变为：RdRLVDIpI+ILRLVDILIp=SgE1kTRIVqspLdLeIII1kTqVspLeIII1kTqVsgLeIESI2021-12-9361、光照特性3.2.2 硅光电池的特性参数硅光电池的特性参数负载电流负载电流ILERL1RL2RL3RL4RL4RL5RL=RL=0Voc1Voc5Isc1Isc2Isc3Isc4Is当IL=0时 一般IpIs, 当RL=0时，Isc=Ip=SgE1

20、kTqVsgLeIESI当E=0时 1kTqVsLeII1lnspocIIqkTVspocIIqkTVln2021-12-93702000 40006000800010000123454 . 03 . 02 . 01 . 0scIocU)/(2cmmAIsc)(VUoc)(LxE1、Voc，Isc与E的关系： 当IL=0，RL=时 一般IpIs,且Ip=SgE 3.2.2 硅光电池的特性参数硅光电池的特性参数用于光电池检测当V=0，RL=0时， 1lnspocIIqkTV1lnsgocIESqkTVESIIgpsc两个关系：两个关系：2021-12-9382、Isc与E和RL的关系：3.2.2

21、 硅光电池的特性参数硅光电池的特性参数RL=120RL=2.4kRL=12kE/lxJ/uAmm2 当RL=0时， Isc=Ip=SgE 当RL不为0时 1kTqVsgLeIESI2021-12-939光电池光照特性特征：1、Voc与光照E成对数关系；典型值在0.45-0.6V。作电 源时，转化效率10%左右。最大15.5-20%。2、Isc与E成线性关系，常用于光电池检测， Isc典型值 35-45mA/cm2。2、RL越小，线性度越好，线性范围越宽。3、光照增强到一定程度，光电流开始饱和，与负载 电阻有关。负载电阻越大越容易饱和。3.2.2 硅光电池的特性参数硅光电池的特性参数2021-1

22、2-9402、输出特性3.2.2 硅光电池的特性参数硅光电池的特性参数RL/0 100 200 300 400 500Voc/VIsc/mA400200 010080400PLVocILRM UL随RL的增大而增大，直到接近饱和。RL小时IL趋近于短路电流Isc。在RL=RM时，有最大输出功率，RM称为最佳负载。光电池作为换能器件时要考虑最大输出问题，跟入射光照度也有关。作为测量使用，光电池使用电流工作，短路电流Isc与光照度成线性关系，RL的存在使IL随光照度非线性的增加。RL增大，线性范围越来越小。2021-12-9413、光谱特性3.2.2 硅光电池的特性参数硅光电池的特性参数2021-

23、12-9424、温度特性3.2.2 硅光电池的特性参数硅光电池的特性参数Voc具有负温度系数，其值约为2-3mV/度。Isc具有正温度系数，但随温度升高增长的比例很小，约为10-5-10-3mA/度T0 . 29 . 18 . 1200400600ocUscI)(mVUoc)(mAIsc200204060 80 100总结：总结：当光电池接收强光照时要考虑温度升高的影响。如硅光电池不能超过200度。2021-12-9433.2.3 硅光电池的应用硅光电池的应用1、光电池用作太阳能电池 把光能直接转化成电能，需要最大的输出功率和转化效率。即把受光面做得较大，或把多个光电池作串、并联组成电池组，与

24、镍镉蓄电池配合，可作为卫星、微波站等无输电线路地区的电源供给。2、光电池用作检测元件 利用其光敏面大，频率响应高，光电流与照度线性变化，适用于开关和线性测量等。2021-12-944光电池与外电路的连接方式3.2.3 硅光电池的应用硅光电池的应用-10VVociC3DG62CR21k硅三极管的放大光电流电路-10VVociC3AX42CR锗三极管的放大电路1k光电池作缓变信号检测时的的变换电路举例2021-12-945硅三极管放大光电流的电路+4VVociC3DG7A2CR1k2AP71003.2.3 硅光电池的应用硅光电池的应用+_VocRf2CR采用运算放大器的电路光电池的变换电路举例20

25、21-12-9461 1太阳电池电源太阳电池电源 太阳电池电源系统主要由太阳电池方阵、蓄电池组、调节控制和阻塞二极管组成。如果还需要向交流负载供电，则加一个直流交流变换器，太阳电池电源系统框图如图。太阳能电池电源系统逆变器 交流负载 直流负载阻塞二极管 调节控制器太阳电池方阵2021-12-9472021-12-948(a) 光电追踪电路+12VR4R3R6R5R2R1WBG1BG2 图 (a)为光电地构成的光电跟踪电路，用两只性能相似的同类光电池作为光电接收器件。当入射光通量相同时，执行机构按预定的方式工作或进行跟踪。当系统略有偏差时，电路输出差动信号带动执行机构进行纠正，以此达到跟踪的目的

26、。光电池在检测和控制方面应用中的几种基本电路2021-12-949BG2BG1+12VC J R1 R2(b) 光电开关 图 (b)所示电路为光电开关，多用于自动控制系统中。无光照时，系统处于某一工作状态，如通态或断态。当光电池受光照射时，产生较高的电动势，只要光强大于某一设定的阈值，系统就改变工作状态，达到开关目的。2021-12-950(c) 光电池触发电路 图 (c)为光电池触发电路。当光电池受光照射时，使单稳态或双稳态电路的状态翻转，改变其工作状态或触发器件(如可控硅)导通。R1R2R3R4R5R6BG1BG2BG3BG4C1C2C3+12VW2021-12-951+12V5G23(d

27、) 光电池放大电路C3-12VWR1R2R3R4R5C1C218765432图(d)为光电池放大电路。在测量溶液浓度、物体色度、纸张的灰度等场合，可用该电路作前置级，把微弱光电信号进行线性放大，然后带动指示机构或二次仪表进行读数或记录。 在实际应用中，主要利用光电池的光照特性、光谱特性、频率特性和温度特性等，通过基本电路与其它电子线路的组合可实现或自动控制的目的。2021-12-952220VC1路灯CJD-108V200F200FC2C3100FR1R3R5R7R4R6R7R2J470k200k10k4.3kBG1280k25k57k10k路灯自动控制器路灯自动控制器BG2BG3BG42CR

28、2021-12-953光电二极管的分类： 按材料分，光电二极管有硅、砷化镓、锑化铟光电二极管等许多种。按结构分，有同质结与异质结之分。其中最典型的是同质结硅光电二极管。 国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和2DU两种系列。2CU系列以N-Si为衬底，2DU系列以P-Si为衬底。2CU系列的光电二极管只有两条引线，而2DU系列光电二极管有三条引线。 3.3 光电二极管与光电三极管光电二极管与光电三极管N型区和P型区是同种半导体材料（例如锗、硅、砷化镓）称之为“同质结”，“异质结”是指由两种带隙宽度不同的半导体材料长在同一块单晶上形成的结。 2021-12-9543.3 光电二极

29、管与光电三极管光电二极管与光电三极管光电二极管与光电池的特性比较1. 基本结构相同，由一个PN结；2. 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。3. 掺杂浓度：光电池约为1016-1019/cm3，硅光电二极管10121013/cm3，4. 电阻率：光电池0.1-0.01/cm，光电二极管1000/cm。5. 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、PIN、APD2021-12-9553.3 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工作原理光电二极管的工作原理NP光+_外加

30、反向偏压符号2021-12-956光电二极管的基本结构光电二极管的基本结构3.3 光电二极管与光电三极管光电二极管与光电三极管N环极前极N+N+P后极环型光电二极管的结构前极后极环级VARLh等效电路2021-12-957光电二极管的伏安特性光电二极管的伏安特性IUOE2E1E0E0E1E2u加正向偏压时， 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。反向偏压较小时反向电压达到一定值时。 uiO暗电流暗电流E = 200 lxE = 400 lx2021-12-958光电二极

31、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电阻下，光电流与入射光功率有较好的线性关系。2、光敏二极管的响应波长与GaAs激光管和发光二极管的波长一致，组合制作光电耦合器件。3、光电二极管结电容很小，频率响应高，带宽可达100kHz。2021-12-959光电二极管的温度特性光电二极管的温度特性 光电二极管的温度特性主要是指反向饱和电流对温度的依赖性，暗电流对温度的变化非常敏感。暗电流/mA10 20305070T /C25 05040602021-12-960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EhRLVoRL+EVoh2021-12-961光电二极管的典型应

32、用电路光电二极管的典型应用电路电流放大型VoRf2CR+_ACRf2CRVo+_ARLRf电压放大型2021-12-962 PIN管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。这样，PN结的内电场就基本上全集中于本征层中，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小。时间常数变小，频带变宽。PINPIN光电二极管光电二极管 P-Si N-Si I-SiPIN管结构示意图2021-12-963特点：1、频带宽，可达10GHz。2、本征层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，线性输出范围宽。3、由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会

33、使耗尽层宽度增加，且集中在本征层，从而结电容要进一步减小，使频带宽度变宽。4、本征层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一芯片上并封装成一个器件。 2021-12-964 雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。 这种管子工作电压很高，约100200V，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此，这种管子有很高的内增益，可达到几百。当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生所谓的雪崩。这种管子响应速度特别快，带宽可达10

34、0GHz，是目前响应速度最快的一种光电二极管。 噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无法使用。但由于APD的响应时间极短，灵敏度很高，它在光通信中应用前景广阔。 雪崩光电二极管(APD)2021-12-965雪崩光电二极管(APD)原理图2021-12-9663.3.2 光电三极管的基本结构光电三极管的基本结构n光电晶体管和普通晶体管类似，也有电流放大作用。只是它的集电极电流不只是受基极电路的电流控制，也可以受光的控制。n光电晶体管的外形，有光窗、集电极引出线、发射极引出线和基极引

35、出线（有的没有）。n制作材料一般为半导体硅，管型为NPN型，n国产器件称为3DU系列。2021-12-967n光电晶体管的灵敏度比光电二极管高，输出电流也比光电二极管大，多为毫安级。n但它的光电特性不如光电二极管好，在较强的光照下，光电流与照度不成线性关系。n所以光电晶体管多用来作光电开关元件或光电逻辑元件。2021-12-968n正常运用时，集电极加正电压。因此，集电结为反偏置，发射结为正偏置，集电结为光电结。n当光照到集电结上时，集电结即产生光电流Ip向基区注入，同时在集电极电路即产生了一个被放大的电流Ic（Ie（1）Ip）为电流放大倍数。n因此，光电晶体管的电流放大作用与普通晶体管在上偏

36、流电路中接一个光电二极管的作用是完全相同的。 2021-12-969发射极发射极集电极集电极基极基极发射极发射极集电极集电极光电三极管的工作原光电三极管的工作原理理cbeIcIpIbVo光敏三极管的结构原理、工作原理和电气图形符号pppcIIII12021-12-970光电三极管的工作原理光电三极管的工作原理工作过程：一、光电转换；二、光电流放大VCCVCC基本基本应用应用电路电路2021-12-971达林顿光电三极管电路 为了提高光电三极管的频率响应、增益和减小体积。将光电二极管、三极管制作在一个硅片上构成集成器件2021-12-972光电三极管的主要特性： 光电三极管存在一个最佳灵敏度的峰

37、值波长。当入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降。因为光子能量太小，不足以激发电子空穴对。当入射光的波长缩短时，相对灵敏度也下降，这是由于光子在半导体表面附近就被吸收，并且在表面激发的电子空穴对不能到达PN结，因而使相对灵敏度下降。光谱特性光谱特性入射光硅锗/nm400080001200016000相对灵敏度/%10080604020 0硅的峰值波长为900nm，锗的峰值波长为1500nm。由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管的性能较差。故在可见光或探测赤热状态物体时，一般选用硅管；但对红外线进行探测时,则采用锗管较合适。2021-12-973伏安特性伏安特性伏安特性 光电三极管的伏安特性曲线如图

38、所示。光电三极管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。因此，只要将入射光照在发射极e与基极b之间的PN结附近，所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看作一般的晶体管。光电三极管能把光信号变成电信号，而且输出的电信号较大。I/mA024620406080U /V500lx1000lx1500lx2000lx2500lx2021-12-974I/AL/lx200400600800100001.02.03.0光敏晶体管的光照特性 光电三极管的光照特性如图所示。它给出了光敏三极管的输出电流 I 和照度之间的关系。它们之间呈现了近似线性关系。当光照足够大(几kl

39、x)时，会出现饱和现象，从而使光电三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。 光照特性光照特性2021-12-975暗电流/mA10 20 305070T /C25 0504060光电流/mA100 02003004008010203040506070T/C光电三极管的温度特性 光电三极管的温度特性曲线反映的是光电三极管的暗电流及光电流与温度的关系。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流的影响很小，而对暗电流的影响很大所以电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。温度特性2021-12-976 光电三极管的频率特性曲线如图所示。光电三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可

40、以提高频率响应。一般来说，光电三极管的频率响应比光电二极管差。对于锗管，入射光的调制频率要求在5kHz以下。硅管的频率响应要比锗管好。RL=1kRL=10kRL=100k0100100050050001000010020406080调制频率 / Hz相对灵敏度/%光电三极管的频率特性频率特性频率特性2021-12-977光电三极管的应用电路光电三极管的应用电路光电三极管主要应用于开关控制电路及逻辑电路。JR2R1A3DG12VJR2R1A3DG12V2021-12-978 当有光线照射于光当有光线照射于光电器件上时，使继电器电器件上时，使继电器有足够的电流而动作，有足够的电流而动作，这种电路称

41、为这种电路称为亮通亮通光电光电控制电路，也叫控制电路，也叫明通明通控控制电路。最简单的亮通制电路。最简单的亮通电路如图所示。电路如图所示。 1 1亮通光电控制电路亮通光电控制电路2021-12-979如果光电继电器不受光如果光电继电器不受光照时能使继电器动作，而照时能使继电器动作，而受光照时继电器释放，则受光照时继电器释放，则称它为称它为暗通暗通控制电路。控制电路。 另一种方法是在亮通电路的基础上加一级倒相器，也可完另一种方法是在亮通电路的基础上加一级倒相器，也可完成暗通电路的作用。成暗通电路的作用。 要说明的是，亮通和暗通是相对而言的，以上分析都是假要说明的是，亮通和暗通是相对而言的，以上分

42、析都是假定继电器高压开关工作在常开状态，如工作在常闭状态，则亮定继电器高压开关工作在常开状态，如工作在常闭状态，则亮通和暗通也就反过来。通和暗通也就反过来。2 2暗通光电控制电路暗通光电控制电路2021-12-980 如要求路灯控制灵敏，可采用如图电路。如要求路灯控制灵敏，可采用如图电路。3、路灯、霓虹灯的自动控制电路、路灯、霓虹灯的自动控制电路2021-12-981 防止闪电等短时干扰的路灯控制电路防止闪电等短时干扰的路灯控制电路 2021-12-982汽车车灯全自动控制器汽车车灯全自动控制器2021-12-983n LED平面显示器可分为单片型、混合型及点矩阵型等几大类。 n LED除用做

43、显示器件外，还可用做各种装置、系统的光源。例如HBLED。 2021-12-984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2021-12-985 2、按工作、按工作方式分类方式分类 连续式（功率可达连续式（功率可达104 W） 脉冲式（瞬时功率可达脉冲式（瞬时功率可达1017W /cm2 ）激光器的种类：激光器的种类： 固体固体 （如红宝石（如红宝石AlAl2 2O O3 3） 液体液体 （如某些染料）（如某些染料） 气体气体 （如（如He-NeHe-Ne、COCO2 2） 半导体（如砷化镓半导体（如砷化镓 GaAsGaAs） 自由电子激光器自由电子激光器1、按

44、工作物、按工作物质分类质分类2021-12-986激光器的工作原理自由辐射、受激吸收和受激辐射工作物质工作物质激励能源激励能源光学谐振腔光学谐振腔产生激光必要条件1. 1. 实现粒子数反转实现粒子数反转. .使原子被激发使原子被激发. .要实现光放大要实现光放大 2021-12-987激光的形成过程 工作物质工作物质 激励、受激辐射激励、受激辐射 自激振荡增益自激振荡增益 外界能量注入（泵浦）外界能量注入（泵浦） 光学谐振腔光学谐振腔光学谐振腔2021-12-988一、气体激光器2021-12-989He-NeHe-Ne气体激光器气体激光器He -Ne He -Ne 激光器中激光器中HeHe是

45、辅助物质，是辅助物质，NeNe是激活物质，是激活物质，HeHe与与NeNe之比为之比为51 51 101101。NeNe原子可以产生多条激光谱线原子可以产生多条激光谱线, ,最强的三条最强的三条: : 0 063286328 、1 115 15 m m、3 339 39 2021-12-990根据工作物质分类： 红宝石：激活离子Cr3+，波长：694.3nm，三能级； Nd:YAG：激活离子：Nd，波长：1.06m，四能级； 钕玻璃： 激活离子：Nd，波长:1.06m，四能级； 二、固体激光器YAG:是钇铝石榴石的简称 2021-12-9911960年5月15日，加州休斯实验室的梅曼（T.H.

46、Maiman,1927）制成了世界上第一台红宝石激光器，获得了世界上第一束激光，波长为694.3纳米。红宝石激光器2021-12-992灯泵浦灯泵浦Nd:YAGNd:YAG激光器激光器 大功率激光器中，典型的Nd:YAG棒一般是长150mm，直径7-10mm。泵浦过程中激光棒发热，限制了每个棒的最大输出功率。单棒Nd:YAG激光器的功率范围约为50-800W。 2021-12-993固体激光器固体激光器2021-12-9941kW的脉冲Nd:YAG激光器2021-12-995液体激光器三、染料激光器2021-12-996半导体激光器半导体激光器四、半导体激光器（LD，Laser Diode）2

47、021-12-997半导体激光器半导体激光器是向半导体PN结注入电流， 实现粒子粒子数反转分布数反转分布，产生受激辐射受激辐射，再利用谐振腔的正反馈正反馈，实现光放大光放大而产生激光振荡激光振荡的。LDLD的工作原理和基本结构的工作原理和基本结构2021-12-998(a) 光强的角分布； (b) 辐射光束 1.00.80.60.40.2080604020020406080T 300 K辐 射 角 (度 )相 对 光 强(a)(b)典型半导体激光器的远场辐射特性，图中和分别为平行于结平面和垂直于结平面的辐射角，整个光束的横截面呈椭圆形。半导体激光光源特性2021-12-999短波长AlGaAs

48、/GaAs1098765432100 20 40 60 80I / mA P / mW3.53.02.52.01.51.00.50050100150IthI / mA P / mW(a)(b)半导体激光器的光功率特性2021-12-9100五、激光器的基本特性1 1、单色性、单色性激光自然光波长能量激光中单色性最好的是气体激光器产生激光中单色性最好的是气体激光器产生的激光。的激光。He-NeHe-Ne激光器产生的激光器产生的632.8nm632.8nm谱谱线，线宽只有线，线宽只有1010-9-9nmnm。 普通光源中单色性最好的普通光源中单色性最好的用来作为长度基准器的氪灯用来作为长度基准器的

49、氪灯(Kr86)(Kr86)，其谱线宽度为，其谱线宽度为4.74.71010-3-3nmnm。激光的单色性比一。激光的单色性比一般光要高出般光要高出10106 610107 7倍以上倍以上 . . 自然光由波场范围较宽的光构成，激光的谱线展宽极小，具有很好的单色性。单自然光由波场范围较宽的光构成，激光的谱线展宽极小，具有很好的单色性。单色性决定物质对激光能量的吸收和精细聚焦的可能性；色性决定物质对激光能量的吸收和精细聚焦的可能性；COCO2 2：10.6m CO10.6m CO： 5.4m YAG5.4m YAG：1.06m 1.06m 准分子：准分子：0.24m0.24m；2021-12-9

50、101 从光源发出的激光平行传播的程度成为方向性。从光源发出的激光平行传播的程度成为方向性。激光器输出的光束发散角度很小，可以小于或等激光器输出的光束发散角度很小，可以小于或等于于1010-3-3-10-10-5-5弧度。激光通过直径为弧度。激光通过直径为D D的孔径时，由的孔径时，由于衍射会产生一定发散：于衍射会产生一定发散：2 2、方向性好、方向性好HeNe气体激光：310-4rad； 固体激光：10-2rad 半导体激光：5-10。2021-12-9102激光的方向性带来两个结果：激光的方向性带来两个结果： 光源表面的亮度高；被照射地方光的照度大。 一个具有10mW功率的He-Ne激光器

51、可产生比太阳高几千倍的亮度，可在屏幕上形成面积很小但照度很大的光斑。 激光定位、导向、测距等就利用了方向性好的特点。2021-12-91033 3、高亮度、高亮度 亮度是光源在单位面积上，向某一方向的单位立体角内发射的功率。 激光的输出功率虽然有个限度，但由于其光束细（发散特别小），功率密度特别大，因而其亮度也特别大。把分散在180范围内的光集中到0.18 范围，亮度提高100万倍。通过调Q等技术，压缩脉冲宽度，还可以进一步提高亮度。2021-12-91044 4、相干性好、相干性好自然光由无数的原子与分子发射，产生波长各不相同的杂乱光，合成后不能形成整齐有序的大振幅光波。相干长度只有几个mm

52、或几十cm。 激光是受激辐射，单色性、发散角小，在空间和时间上有很好的相干性。两激光束合成后能形成相位整齐、规则有序的大振幅光波。相干长度达到几十公里。采用稳频技术，HeNe激光线宽可压缩到10kHz，相干长度可达30km。 全息照相全息照相相干计量、全息照相、全息存储等就利用了激光相干性好的特点。2021-12-91053.5 光电耦合器件光电耦合器件2021-12-9106光电耦合器以光电转换原理传输信息，由于光耦两侧是电绝缘的，所以对地电位差干扰有很强的抑制能力，同时光耦对电磁干扰也有很强的抑制能力。 光电耦合器由发光器件（发光二极管）和受光器件（光敏三极管）封装在一个组件内构成； 当发

53、光二极管流过电流IF时发出红外光，光敏三极管受光激发后导通，并在外电路作用下产生电流IC。2021-12-9107光耦合器件有透光型与反射型两种。在透光型光耦合器件中，发光器件与受光器件面对面安放，在它们之间有一间隔，当物体通过这一间隔时，发射光被切断。利用这一现象可以检测出物体的有无。采用这种方式的耦合器件后边连接的接口电路设计比较简单，检测位置精度也高。反射型光耦合器件从发光器件来的光反射到物体上面由受光器件来检测出，比起透光型来显得体积小，把它放在物体的侧面就能使用。2021-12-9108光电耦合器件的特点光电耦合器件的特点 具有电隔离的功能； 信号的传输是单向性的，适用于模拟和数字信

54、号传输； 具有抗干扰和噪声的能力，可以抑制尖脉冲及各种噪声，发光器件为电流驱动器件。可理解为：1 1、输入阻抗低，分得噪声电压小，抑制输入端的噪声干扰；2 2、LED发光需要一定能量，因此可以抑制高电压、低能量的干扰；3 3、采用光耦合，且密封安装，抑制外界杂散光干扰；4 4、寄生电容小(0.5pF-2pF)，绝缘电阻大(105-107M)，抑制反馈噪声。 响应速度快； 使用方便，结构小巧，防水抗震，工作温度范围宽； 即具有耦合特性又具有隔离特性。2021-12-9109光电耦合器件的主要参数光电耦合器件的主要参数1、电流传输比Ic/mAIc3Ic2Ic1Uc/VIF3IF2IF1Q3Q2Q1

55、IFIFIFQIFO 定义为在直流状态下，光电耦合器件的集电极电流Ic与发光二极管的注入电流IF之比。如图中在Q点处电流传输比为：%100FQCQQII如果在小信号下，交流电流传输比用微小变量定义：%100FCII2021-12-9110与IF的关系： 由于发光二极管发出的光不总与电流成正比，所以有如图示的变化。4 3 2 1 0 50 100 150 电流电流/mA输出功率输出功率/ mW发光二极管的P-I曲线0 10 20 30 40 50 60 7012010080604020IF/mAIF与的关系曲线2021-12-91112、最高工作频率，mff / M Hz相对输出1.00.7070f m1f m2f m3RL1RL2RL3 最高工作频率取决于发光器件与光电接收器件的频率特性。同时与负载电阻的阻值有关，阻值越大，最高工作频率越低。2021-12-9112光电耦合器件的应用