第三章 光电检测技术常用器件及应用4

1、1、光电器件的类型与特点2、光电检测器件的特性参数3、光电导器件-光敏电阻4、光生伏特效应-光电池、光电二极管、光电三极管等6、光电发射效应-光电管、光电倍增管等主要内容主要内容7、光热效应-热敏电阻、热电偶5、发光器件及耦合器件光电测量中的常用光源 根据光谱宽度，可将光源分为相干光源和非相干光源相干光源 ： 激光（气体、固体、半导体）非相干光源：除了激光之外的其他光源1、热辐射光源 （白炽灯，太阳光 等）2、气体放电光源（汞灯、脉冲氙灯等）3、固体发光光源（LED发光二极管）白炽灯利用热辐射发出可见光的电白炽灯利用热辐射发出可见光的电光源。光源。 在灯泡内充入卤钨循环剂（如氯化在灯泡内充入卤

2、钨循环剂（如氯化碘、溴化硼等），可以形成卤钨循碘、溴化硼等），可以形成卤钨循环，就构成了环，就构成了卤钨灯卤钨灯。卤钨灯的工。卤钨灯的工作温度为作温度为3200K，光效为，光效为30lm/W。白炽灯利用气体放电原理制成的光利用气体放电原理制成的光源称为气体放电光源。源称为气体放电光源。 制作时在灯中充入发光用的气体，在电场作用制作时在灯中充入发光用的气体，在电场作用下激励出电子和离子，气体变成导电体。下激励出电子和离子，气体变成导电体。当离子向当离子向阴极，电子向阳极运动时，从电场中获得能量，使阴极，电子向阳极运动时，从电场中获得能量，使内层电子跃迁到高能级，引起原子的激发内层电子跃迁到高能级

3、，引起原子的激发，受激原，受激原子回到低能级时就会发射出可见辐射或紫外辐射。子回到低能级时就会发射出可见辐射或紫外辐射。气体放电光源有辉光放电灯、弧光放电灯、高频放气体放电光源有辉光放电灯、弧光放电灯、高频放电灯等电灯等气体放电光源发光二极管的基本工作原理与特性发光二极管（LED-Light Emitting Diode ）是一种固态发光，是利用半导体或类似结构把电能转换成光能的元件，属于低场下的注入式电致发光。1907年首次发现半导体二极管在正向偏置的情况下年首次发现半导体二极管在正向偏置的情况下发光。发光。1923年，由年，由Losev在产生在产生p-n结的结的SiC中发现注入中发现注入式

4、电致发光式电致发光60年代末，年代末，LED得到迅速发展得到迅速发展1964年，年，Gvimmeiss和和Scholz以以GaP间接带材间接带材料隙得到橙、黄、绿的料隙得到橙、黄、绿的LED70年代末，人们开始用发光二极管作为数码显示器年代末，人们开始用发光二极管作为数码显示器和图像显示器。和图像显示器。 发展史发展史 发光二极管发光二极管（即（即LED）是一种）是一种注入电致发光注入电致发光器件，器件，它由它由P型和型和 N型半型半导体组合而成。其导体组合而成。其发光机理常分为发光机理常分为PN结注入发光与异质结注入发光与异质结注入发光两种结注入发光两种。 发光二极管的发光机理1 1、制作半

5、导体发光二极管的材料是掺杂的，热平、制作半导体发光二极管的材料是掺杂的，热平衡状态下的衡状态下的N N区很多自由电子，区很多自由电子，P P区有很多多空穴。区有很多多空穴。2 2、当加以正向电压时，、当加以正向电压时，N N区导带中的电子可越过区导带中的电子可越过PNPN结的势垒进入结的势垒进入P P区。区。P P区的空穴也向区的空穴也向N N区扩散区扩散3 3、于是电子与空穴有机会相遇，复合发光。由于、于是电子与空穴有机会相遇，复合发光。由于空穴迁移率低于自由电子，则复合发光主要发生在空穴迁移率低于自由电子，则复合发光主要发生在p p区。区。光的颜色（波长）决定于材料禁带宽度光的颜色（波长）

6、决定于材料禁带宽度EgEg，光的强，光的强弱与电流有关弱与电流有关 1. PN结注入发光 为了提高载流子注入效率，可以采用异质结。由于为了提高载流子注入效率，可以采用异质结。由于p区和区和n区的禁带宽度不相等，当加上正向电压时两个势垒均减小，但区的禁带宽度不相等，当加上正向电压时两个势垒均减小，但P P区的势区的势垒减小多，两区的价带几乎相同，空穴就不断向垒减小多，两区的价带几乎相同，空穴就不断向n区扩散。区扩散。对对n区电子，区电子，势垒仍然较高，不能注入势垒仍然较高，不能注入p区区。这样，禁带宽的这样，禁带宽的p区成为注入源，禁带区成为注入源，禁带窄的窄的n区成为载流子复合发光的发光区。由

7、于区成为载流子复合发光的发光区。由于n区所发射的光子能量区所发射的光子能量hv比比EG2 小得多，它进入小得多，它进入p区不会引起本征吸收而直接透射出去。区不会引起本征吸收而直接透射出去。 2. 异质结注入发光异质结注入发光为了进一步提高载流为了进一步提高载流子注入效率，常常采子注入效率，常常采用双异质结用双异质结(DH)(DH)注入。注入。双异质结双异质结注入发光注入发光LED的特性参数 LED的发光光谱指LED发出光的相对强度(或能量)随波长(或频率)变化的分布曲线。它直接决定着发光二极管的发光颜色 发光二极管发射的光通量与输人电能之比表发光二极管发射的光通量与输人电能之比表示发光效率，单

8、位示发光效率，单位lm/W；也有把光强度与注入；也有把光强度与注入电流之比称为发光效率，单位为电流之比称为发光效率，单位为cdA（坎（坎/安）。安）。2 2、发光效率发光效率对比：发光效率对比：白炽灯白炽灯 9lm/w日光灯日光灯 40lm/wLED 60lm/w10.90.1亮度ttrtf3. 时间响应时间响应响应时间指器件启亮响应时间指器件启亮(上升上升)与熄灭与熄灭(衰减衰减)时间的延迟。实验时间的延迟。实验证明，二极管的上升时间随电流的增加而近似呈指数衰减。证明，二极管的上升时间随电流的增加而近似呈指数衰减。它的响应时间一般是很短的，如它的响应时间一般是很短的，如GaAs1-xPx仅为

9、几个仅为几个ns，GaP约为约为100ns。 发光二极管的寿命定义为亮度降低到原有亮度一半时所经历的时间。二极管的寿命一般都很长，在电流密度小于在电流密度小于lA/cm2时，一般可达时，一般可达106h，最长可达最长可达109h。随着工作时间的加长，亮度下降的现象叫老化。电流密度大，老化快。 4. 寿命LED特点发光二极管的应用 1998年发白光的年发白光的LED开发成功。开发成功。高效节能超长寿命：以相高效节能超长寿命：以相同亮度比较，同亮度比较，3W的的LED节能灯节能灯333小时耗小时耗1度电，而普度电，而普通通60W白炽灯白炽灯17小时耗小时耗1度电，普通度电，普通5W节能灯节能灯20

10、0小小时耗时耗1度电。度电。CREE公司实验室最高光效已达公司实验室最高光效已达260lm/W，而市面上的单颗大功率而市面上的单颗大功率LED也已经突破也已经突破100lm/W。绿色。绿色环保：不含汞和氙等有害元素。环保：不含汞和氙等有害元素。2.照明七段式数码管文字显示器的内部接线14划字码管3、数字、文字以及图像显示4、显示器彩色大面积显示设备，如电子商标及大屏幕显示彩色大面积显示设备，如电子商标及大屏幕显示LCDLED与LCD比较LCD 液晶屏是 Liquid Crystal Display 的简称，LCD 的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电

11、线，透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面。LED显示器与LCD显示器相比，LED在亮度、功耗、可视角度和刷新速率等方面，都更具优势。LED与LCD的功耗比大约为1:10，而且更高的刷新速率使得LED在视频方面有更好的性能表现，能提供宽达160的视角。有机LED显示屏的单个元素反应速度是LCD液晶屏的1000倍，在强光下也可以照看不误，并且适应零下40度的低温。利用LED技术，可以制造出比LCD更薄、更亮、更清晰的显示器，拥有广泛的应用前景。LED的分辨率一般较低，价格也比较昂贵，因为集成度更高。 等离子显示器（PDPPDP） 等离子屏：英文为等离子屏：英文为Plasm

12、a Display Panel, 其是在两张其是在两张薄玻璃板之间充填混合气体，薄玻璃板之间充填混合气体，施加电压使之产生离子气体，施加电压使之产生离子气体，然后使等离子气体放电，与然后使等离子气体放电，与基板中的荧光体发生反应，基板中的荧光体发生反应，产生彩色影像。产生彩色影像。等离子彩电又称等离子彩电又称“壁挂式电视壁挂式电视”，不受磁力和磁场影，不受磁力和磁场影响，具有机身纤薄、重量轻、屏幕大、色彩鲜艳、画响，具有机身纤薄、重量轻、屏幕大、色彩鲜艳、画面清晰、亮度高、失真度小、节省空间等优点。耗电面清晰、亮度高、失真度小、节省空间等优点。耗电量大，一台量大，一台42寸的耗电量为寸的耗电量

13、为380W等离子屏工作机理类似普通日光灯，有三层结构。等离子屏工作机理类似普通日光灯，有三层结构。在第一层的里面涂有导电在第一层的里面涂有导电材料的垂直，中间层是灯材料的垂直，中间层是灯泡阵列，第三层表面涂有泡阵列，第三层表面涂有导电材料的水平条。要点导电材料的水平条。要点亮某个地址的灯泡，开始亮某个地址的灯泡，开始要在相应行上加较高的电要在相应行上加较高的电压，等该灯泡点亮后，可压，等该灯泡点亮后，可用低电压维持氖气灯泡的用低电压维持氖气灯泡的亮度。关掉某个灯泡，只亮度。关掉某个灯泡，只要将相应的电压降低。灯要将相应的电压降低。灯泡开关的周期时间是泡开关的周期时间是15ms，通过改变控制电压

14、，可以通过改变控制电压，可以使等离子板显示不同灰度使等离子板显示不同灰度的图形。的图形。OLED其柔性的特征将使得可折其柔性的特征将使得可折叠电视、电脑成为可能。还存在使用寿命短、大型叠电视、电脑成为可能。还存在使用寿命短、大型化难等缺陷。具备了信息显示和器件制造所要的所化难等缺陷。具备了信息显示和器件制造所要的所有优异特征，是公认的下一代显示器主流。有优异特征，是公认的下一代显示器主流。6.1 为什么说发光二极管的发光区在为什么说发光二极管的发光区在PN 结的结的P 区？这与电区？这与电子、空穴的迁移率有关吗？子、空穴的迁移率有关吗？答：答：这是因为发光二极管在正向电压的作用下，电子由这是因

15、为发光二极管在正向电压的作用下，电子由N区向区向P 区运动，而空穴向区运动，而空穴向N区运动。但由于电子的迁移率区运动。但由于电子的迁移率N 比空穴的迁移率比空穴的迁移率p高高20 倍左右，电子很快从倍左右，电子很快从N 区迁移区迁移到到P 区，因而复合发光主要发生在区，因而复合发光主要发生在P 区。区。6.2 为什么发光二极管必须在正向电压下才能发光？反向为什么发光二极管必须在正向电压下才能发光？反向偏置的发光二极管能发光吗？偏置的发光二极管能发光吗？答：答：由于由于 LED 的发光机理是非平衡载流子即电子与空穴的发光机理是非平衡载流子即电子与空穴的扩散运动导致复合发光，因此要求扩散运动占优

16、势，所的扩散运动导致复合发光，因此要求扩散运动占优势，所以必须加正向电压。在不加偏加或加反向偏压的情况下，以必须加正向电压。在不加偏加或加反向偏压的情况下，PN 结内部的漂移运动占主要优势，而这种少子运动复合结内部的漂移运动占主要优势，而这种少子运动复合几率小，不足以使几率小，不足以使LED 发光。发光。习题6.3 发光二极管的发光光谱由哪些因素决定？光谱的半宽度发光二极管的发光光谱由哪些因素决定？光谱的半宽度有何意义？有何意义？答：答：发光二极管的发光光谱发光二极管的发光光谱由材料的种类、性质及发光中由材料的种类、性质及发光中心的结构决定，而与器件的几何形状和封装方式无关。心的结构决定，而与

17、器件的几何形状和封装方式无关。谱线半宽度谱线半宽度（半功率宽度（半功率宽度2 ）在在LED 谱线的峰值谱线的峰值P两侧两侧 处，存在两个光强等于峰值一半的点，它们之间处，存在两个光强等于峰值一半的点，它们之间的宽度。的宽度。意义：意义：它是一个反映它是一个反映LED 单色性的参数。半宽度越小，则单色性的参数。半宽度越小，则发光光谱单色性越好，发光功率集中于半谱线宽度内。发光光谱单色性越好，发光功率集中于半谱线宽度内。半导体激光器半导体激光器是向半导体半导体激光器是向半导体PN结注入电流结注入电流，实现粒实现粒子数子数反转反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正

18、反馈，实现光放大而产生激光振荡的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的1 1、工作物质（产生粒子数反转分布）、工作物质（产生粒子数反转分布）2 2、激励能源（辐射源或电源）、激励能源（辐射源或电源）3 3、有一个谐振腔（提供正反馈和高增益，维持、有一个谐振腔（提供正反馈和高增益，维持受激辐射。）受激辐射。）获得激光必须具备三个要素获得激光必须具备三个要素：（激励源）（激励源）（激光物质）（激光物质）（谐振腔）（谐振腔）半导体激光产生过程：在激光物质中，产生激光的必要条件之一就是受激辐射要占主导地位，此时就必须从外部给工作物质输入能量，使处于激发态的载流子多于处于基态的载流子，也就是把载流子的正常分

19、布倒转过来粒子数反转粒子数反转的条件粒子数反转的条件：增益大于阈值增益或注入电流大于阈值电流。粒子数分布反转 通常是由具有一定几何形状和光学反射特性的两块反射镜按特定的方式组合而成。作用：提供正反馈和增益,维持受激辐射的持续振荡。对腔内往返振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光具有一定的定向性和单色性。谐振腔在激光物质的两测放置相互平行的反射面。作用是让所选光能在其内反复振荡而加强 。光在共振腔内获得增益，当腔内增益大于损耗，产生激光振荡。谐振腔这样的激光器面积大，也称为这样的激光器面积大，也称为大面积激光器大面积激光器。PN结型二极管注入式激光器n 粒子数反转的条件粒子数反转的条件：增

20、益大于阈值增益或注入电流大于阈值电流。反射吸收散射衍射透过谐振腔失掉偏振损失起偏器泡克尔晶体增益损耗增益损耗增益=损耗增益和损耗增益和损耗半导体激光器的结构驱动电源驱动电源工作物质工作物质谐振腔谐振腔注入式注入式光子激励光子激励电子束激励电子束激励PN结（同质结）结（同质结）异质结异质结单异质结单异质结双异质结（双异质结（DH）解理面解理面布拉格反馈布拉格反馈分布反馈式分布反馈式DFB分布布拉格反射式分布布拉格反射式DBR LDLD发射的是发射的是受激辐射光受激辐射光 LEDLED发射的是发射的是自发辐射光自发辐射光 LD 的特点及应用激光的特性 n方向性好方向性好 n亮度高亮度高 n单色性好

21、单色性好 n相干性好相干性好 方向性好 单色性好高亮度由于激光具有方向性好、亮度高、单色性由于激光具有方向性好、亮度高、单色性好、相干性好等特点而在许多领域得到广好、相干性好等特点而在许多领域得到广泛应用：泛应用：1：激光应用于军事领域：激光应用于军事领域2：激光在信息技术领域：激光在信息技术领域-全息照相与光存储中的应用全息照相与光存储中的应用 3：激光在光通信领域领域的应用：激光在光通信领域领域的应用 4：激光在医学领域的应用：激光在医学领域的应用 5：激光在工业加工领域中的应用：激光在工业加工领域中的应用 6：激光在物理、化学、生物领域的应用：激光在物理、化学、生物领域的应用 7：激光应

22、用于科学研究领域：激光冷冻原子与原子钟、激光引发核聚变：激光应用于科学研究领域：激光冷冻原子与原子钟、激光引发核聚变 雷达（分辨率高，可测云雾）等。雷达（分辨率高，可测云雾）等。测量：测量：准直、测距等。准直、测距等。医疗：医疗：激光手术刀，激光手术刀，血管内窥镜，血管内窥镜，治癌等。治癌等。形形色色的激光武器n激光枪)2cos() , (1iiniiirwtrAt r O形形色色的激光武器n机载激光武器 激光用于通讯激光测距与激光雷达激光切割长度测量激光在信息技术领域的应用n全息照相全息照相n光存储光存储n大屏幕显示大屏幕显示n 由惠更斯-费涅尔原理可知，任何物体发出的光波 n 可以看成是由

23、物体上各物点发出球面波的总和，其表达式为：n n 通常底片上的感光乳胶只对光强有响应，其感光特性，频率响应远远跟不上光波的频率（大于1014Hz），无法直接记录相位，而底片的感光程度直接由原物各处的亮度决定，这样底片上各点的明暗只能反映光波的振幅分布，但丢失了物光波的位相信息。其相片只能呈现一个平面像而失去了立体感，这就是普通照相，如上图。 凸透镜成像凸透镜成像底片底片物体物体普通成像原理简图普通成像原理简图n 物体光波的记录采用了干涉法，把具有振幅和相位信息的物光O和未受物体影响的参考光R相干涉，其干涉条纹将以强度分布的形式记录在全息底片H H（即全息干板）上，经显影定影处理后形成全息图。全

24、息照相获得的底片并不直接显示物体的形象，而仅是一张干涉图，如上图所示。n 由光干涉理论分析知，所产生的干涉图样的亮暗对比度反映了物光波振幅的大小；条纹的形状、走向，间隔等几何特征反映了物光波的位相分布。这样全息图就记录下了来自物光的全部振幅和位相信息。实实验验原原理理全息底片全息底片n 全息图上只能看到复杂的 干涉条纹，要看到原来物体的 像，必须使全息图再现原来物体发出的光波，称为全息图的再现，这一过程是利用光栅衍射原理来完成的。n 如图，用一束与参考光相同的再现光沿原参考光的方向照射全息图，图上每一组干涉条纹可看作一复杂的光栅,它使再现光产生衍射。在衍射光栅的栅格间距小的地方，光的衍射角大；

25、在衍射光栅的栅格间距大的地方，光的衍射角小。即可在原物位置处看到与原物相同的立体图象。实实验验原原理理英女王的全息照片 多路合成角度全息用于艺术品展示 全息激光防伪标签，已经是一个很大的产业 光电耦合器件 发光器件：常用LED、LD和微形钨丝灯等。 接收器件：常用光电二极管、光电三极管、光电池及光敏电阻等。光电耦合器件发送端与接收端是电、磁绝缘的，只有光信息相连。 光电耦合器件：将发光器件与光电接收器件组合在一起具有信号传输功能的器件。光电耦合器件电路符号 光电耦合器件的基本结构如图，发光器件与光电接收器件靠得很近，但不接触。 光电开光电开关基本关基本电路电路R Rx xR RL L+V+VC

26、CCC限流限流电阻电阻5V50100mA图中（图中（a）、（）、（b）、（）、（c）分别为三种不同安装方式光电发）分别为三种不同安装方式光电发射器件与光电接收器件分别安装器件的两臂上，分离尺寸一射器件与光电接收器件分别安装器件的两臂上，分离尺寸一般般412mm，分开的目的是要检测两臂间是否存在物体，以，分开的目的是要检测两臂间是否存在物体，以及物体的运动速度等参数。这种封装的器件常被称为及物体的运动速度等参数。这种封装的器件常被称为对射式对射式光电开关。光电开关。 光电耦合器件的特点 具有电隔离的功能具有电隔离的功能它的输入、输出信号间完全没有电路的联系。绝缘电阻高它的输入、输出信号间完全没有

27、电路的联系。绝缘电阻高达达1010l012，击穿电压高达，击穿电压高达10025kV，耦合电，耦合电容小于容小于1PF。 信号传输方式是单向性的信号传输方式是单向性的 具有抗干扰和噪声的能力具有抗干扰和噪声的能力它不受外界电磁干扰、电源干扰和杂光影响。它不受外界电磁干扰、电源干扰和杂光影响。 n 响应速度快响应速度快n 一般可达微秒级，甚至纳秒级。信号频率在直流一般可达微秒级，甚至纳秒级。信号频率在直流至至10MHz之间。之间。n 实用性强实用性强n 具有一般固体器件的可靠性，体积小具有一般固体器件的可靠性，体积小(一般一般66mm)，重量轻，抗震，密封防水，性能稳，重量轻，抗震，密封防水，性

28、能稳定，耗电省，成本低，工作温度范围在定，耗电省，成本低，工作温度范围在55+l00之间。之间。n 即具有耦合特性又具有隔离特性即具有耦合特性又具有隔离特性光电耦合器件的应用 1. 用于电平转换 工业控制系统所用集成电路的电源电压和信号脉冲的幅度常不尽相同，如TTL的电源为5V，HTL为12V，PMOS为22V，CMOS则为520V。如果在系统中必须采用二种集成电路芯片，就必需对电平进行转换，以便逻辑控制的实现。 2. 用于逻辑门电路 利用光电耦合器件可以构成各种逻辑电路，如图所示为两个光电耦合器组成的与门电路。光电耦合器件还可以构成与非、或、或非、异或等逻辑电路。 3. 隔离方面的应用 有时为隔离干扰，或者为使高压电路与低压信号分开，可采用光电耦合器。 在电子计算机与外围设备相连的情况下，会出现感应噪声、接地回路噪声等问题。为了使输入、输出设备及长线传输设备等外围设备的各种干扰不窜入计算机，以便提高计算机工作的可靠性，亦采用光电耦合器把计算机与外围设备隔离开来。 6.8 产生激光的三个必要条件是什么？产生激光的三个必要条件是什么？答：答：（1）泵浦源泵浦源，将处于低能态的电子激发到较高能态上去；，