第三章--光辐射检测器件

1、光敏电阻：利用光电导效应的材料制成光敏电阻：利用光电导效应的材料制成电导电导率率随着随着入射光辐射量入射光辐射量变化而变化的器件。变化而变化的器件。 1、光敏电阻的结构及工作原理、光敏电阻的结构及工作原理在绝缘材料装上在绝缘材料装上梳形光电导体梳形光电导体并封闭在金属并封闭在金属或塑料外壳内，再在两端连上电极。或塑料外壳内，再在两端连上电极。光电导材料主要采用光电导材料主要采用N型金属硫化物型金属硫化物或或硒化物硒化物。工作时在两端加上适当的偏置电压，则有电工作时在两端加上适当的偏置电压，则有电流通过。当改变光照，流通过。当改变光照，半导体内部因产生光半导体内部因产生光生载流子生载流子而而电阻

2、减小电阻减小。电阻的变化反应在电。电阻的变化反应在电流的变化。流的变化。光敏电阻分为：光敏电阻分为：本征型半导体光敏电阻本征型半导体光敏电阻、杂质杂质型半导体光敏电阻型半导体光敏电阻。本征型半导体光敏电阻常用于本征型半导体光敏电阻常用于可见光长波长可见光长波长检测。检测。杂质型半导体光敏电阻常用于杂质型半导体光敏电阻常用于红外波段光辐射红外波段光辐射甚至甚至于于远红外波段光辐射远红外波段光辐射的检测的检测 。光敏电阻特点：光敏电阻特点：光谱响应范围宽光谱响应范围宽工作电流大工作电流大所测的光电强度范围宽所测的光电强度范围宽灵敏度高灵敏度高无选择极性之分，使用方便无选择极性之分，使用方便使用的光

3、电导材料有使用的光电导材料有-族、族、-族化族化合物，硅、锗等，以及一些有机物。合物，硅、锗等，以及一些有机物。 常用光电导材料常用光电导材料光电导器件材料禁带宽度/eV光谱响应范围/nm峰值波长/nm硫化镉（CdS）2.45400800515550硒化镉（CdSe）1.74680750720730硫化铅（PbS）0.4050030002000碲化铅（PbTe）0.3160045002200硒化铅（PbSe）0.2570058004000硅（Si）1.124501100850锗（Ge）0.6655018001540锑化铟（InSb）0.1660070005500砷化铟（InAs）0.33100

4、0400035002、光敏电阻特性参数、光敏电阻特性参数 1）光电导灵敏度光电导灵敏度Sg按灵敏度定义（响应量与输入量之比）有按灵敏度定义（响应量与输入量之比）有:/EG=SpgGp：光电导，单位为西门子：光电导，单位为西门子S（-1）。）。E：照度，单位为勒克斯（：照度，单位为勒克斯（lx）。）。Sg:单位为西门子单位为西门子/勒克斯（勒克斯（S/lx）或）或Sm2/W。2)光电特性光电特性 光电流光电流与与照度照度的关系称为光电特性。的关系称为光电特性。UESIg光I光光：光电流：光电流E：照度：照度：电压指数：电压指数Sg：光电导灵敏度：光电导灵敏度U：光敏电阻两端所加的电压：光敏电阻两

5、端所加的电压：光照指数：光照指数与材料和入射光强弱有关与材料和入射光强弱有关，对于硫化镉光电，对于硫化镉光电导体，在弱光照下导体，在弱光照下1，在强光照下，在强光照下1/2，一般一般0.51。UESIg光3）光谱特性光谱特性 光谱特性多用光谱特性多用相对灵敏度相对灵敏度与与波长波长的关系曲的关系曲线表示。线表示。 1-硫化镉单晶硫化镉单晶 2-硫化镉多晶硫化镉多晶 3-硒化镉多晶硒化镉多晶4-硫化镉与硒化镉混合多晶硫化镉与硒化镉混合多晶红外区几种光敏电阻的光谱特性曲线红外区几种光敏电阻的光谱特性曲线4）伏安特性）伏安特性 在一定的在一定的光照下光照下，加到，加到光敏电阻两端的电光敏电阻两端的电

6、压压与与光敏电阻的光电流光敏电阻的光电流之间的关系称为光之间的关系称为光敏电阻的伏安特性。敏电阻的伏安特性。光敏电阻的伏安特性曲线光敏电阻的伏安特性曲线5）时间和频率特性时间和频率特性 光敏电阻的时间常数大，从而影响了光敏光敏电阻的时间常数大，从而影响了光敏电阻对变化光照的响应。光敏电阻采用交电阻对变化光照的响应。光敏电阻采用交变光照时，其变光照时，其输出将随入射光频率的增加输出将随入射光频率的增加而减小而减小。照度越大时间常数越大。照度越大时间常数越大。1-硒硒2-硫化镉硫化镉3-硫化铊硫化铊4-硫化铅硫化铅6）温度特性）温度特性 光敏电阻的温度特性很复杂光敏电阻的温度特性很复杂 ，一般情况

7、，一般情况下下相对光电导率随温度的升高而下降相对光电导率随温度的升高而下降。硫化镉光敏电阻的温度特性曲线硫化镉光敏电阻的温度特性曲线a) 硫化镉单晶硫化镉单晶 b) 硫化镉多晶硫化镉多晶3、光敏电阻的应用、光敏电阻的应用优点：光谱响应范围宽，测光范围宽，灵优点：光谱响应范围宽，测光范围宽，灵敏度高，无极性之分。敏度高，无极性之分。缺点：响应时间长、频率特性差、强光线缺点：响应时间长、频率特性差、强光线性差、受温度影响大。性差、受温度影响大。主要用在主要用在红外区的弱光探测红外区的弱光探测和和开关控制开关控制上。上。1）使用中的注意事项：）使用中的注意事项：（1）当用于模拟量测量时，因光照指数）

8、当用于模拟量测量时，因光照指数与光照强弱有关，只有在弱光照下光电流与光照强弱有关，只有在弱光照下光电流与入射辐射通量成与入射辐射通量成线性线性关系。关系。 （2）用于光度量测试仪器时，必须对光）用于光度量测试仪器时，必须对光谱特性曲线进行修正，保证其谱特性曲线进行修正，保证其与人眼的光与人眼的光谱光视效率曲线谱光视效率曲线符合。符合。（3）光敏电阻的光谱特性与温度有关，）光敏电阻的光谱特性与温度有关，温度低时，灵敏范围和峰值波长都向长波温度低时，灵敏范围和峰值波长都向长波方向移动，可采取方向移动，可采取冷却灵敏面的冷却灵敏面的办法来提办法来提高光敏电阻在长波区的灵敏度。高光敏电阻在长波区的灵敏

9、度。（4）光敏电阻的温度特性很复杂，电阻）光敏电阻的温度特性很复杂，电阻温度系数有正有负，一般说，温度系数有正有负，一般说，光敏电阻不光敏电阻不适于在高温下使用，温度高时输出将明显适于在高温下使用，温度高时输出将明显减小，甚至无输出。减小，甚至无输出。（5）光敏电阻频带宽度都比较窄，在室）光敏电阻频带宽度都比较窄，在室温下只有少数品种能超过温下只有少数品种能超过1000Hz，而且，而且光电增益与带宽之积为一常量，如要求光电增益与带宽之积为一常量，如要求带宽较宽，必须以牺牲灵敏度为代价。带宽较宽，必须以牺牲灵敏度为代价。（6）设计负载电阻时，应考虑到光敏电）设计负载电阻时，应考虑到光敏电阻的额定

10、功耗，阻的额定功耗，负载电阻值不能很小负载电阻值不能很小。2）火焰检测报警器）火焰检测报警器3）照相机电子快门）照相机电子快门4）照明灯的光电控制）照明灯的光电控制利用利用半导体半导体PN结光伏效应结光伏效应制成的器件称为制成的器件称为光生伏特器件光生伏特器件，也称，也称结型光电器件结型光电器件。这类器件品种很多，包括：这类器件品种很多，包括：光电池光电池、光电二极管光电二极管、光电晶体管、光电场、光电晶体管、光电场效应管、效应管、PIN管、雪崩光电二极管、光可控管、雪崩光电二极管、光可控硅、阵列式光电器件、象限式光电器件、位硅、阵列式光电器件、象限式光电器件、位置敏感探测器（置敏感探测器（P

11、SD）、光电耦合器件等。）、光电耦合器件等。暗电流小、噪声低、响应速度快、光电特性暗电流小、噪声低、响应速度快、光电特性线形度好、温度影响小线形度好、温度影响小等特点。等特点。1、光电池、光电池光电池是利用光生伏特效应直接将光电池是利用光生伏特效应直接将光能光能转转换为换为电能电能的器件。的器件。目前主要有硒光电池、硅光电池、砷化镓光目前主要有硒光电池、硅光电池、砷化镓光电池和锗光电池四大类。电池和锗光电池四大类。硒光电池：光谱响应与人眼接近，频谱较宽硒光电池：光谱响应与人眼接近，频谱较宽硅光电池：转换效率高硅光电池：转换效率高砷化镓光电池砷化镓光电池：量子效率高、噪声小、光谱：量子效率高、噪

12、声小、光谱响应在紫外区和可见光区响应在紫外区和可见光区锗光电池锗光电池：长波响应宽，多用于红外探测：长波响应宽，多用于红外探测1）光电池的基本结构）光电池的基本结构光电池的基本结构就是一个光电池的基本结构就是一个PN结。因衬结。因衬底材料导电类型不同而分成底材料导电类型不同而分成2CR系列和系列和2DR系列两种。系列两种。光电池在光照下能够产生光生电势，光电光电池在光照下能够产生光生电势，光电流实际流动方向为，流实际流动方向为，从从P端流出，经过外端流出，经过外电路，流入电路，流入N端。端。作为太阳能电池使用时，为作为太阳能电池使用时，为提高其输出功提高其输出功率率，可将硅光电池单体经串联或并

13、联构成，可将硅光电池单体经串联或并联构成阵列结构，作为光电检测器使用时可按不阵列结构，作为光电检测器使用时可按不同测量要求制做。同测量要求制做。2）光电池的特性参数）光电池的特性参数 伏安特性、输出特性、光谱特性、温度伏安特性、输出特性、光谱特性、温度特性特性和和频率特性频率特性。（1）伏安特性）伏安特性硅光电池的伏安特性，表示硅光电池的伏安特性，表示输出电流输出电流和和输输出电压出电压随随负载电阻负载电阻变化的曲线。变化的曲线。光电池等效电路光电池等效电路 光电池伏安特性曲线光电池伏安特性曲线 伏安特性曲线方程为：伏安特性曲线方程为：()1dqVIRkTLsIII eIL为光电池等效电路中的

14、为光电池等效电路中的恒流源恒流源Is为光电池等效二极管为光电池等效二极管反向饱和电流反向饱和电流 Rd为光电池等效电路中串联为光电池等效电路中串联电阻电阻 Rd很小很小 ，则方程改写为：，则方程改写为：(1)qVkTLsIII e其中其中(1)qVkTLsIII eLISLS为光电灵敏度为光电灵敏度, L为入射光强度为入射光强度mWmAlxALISL/ 或l短路电流：短路电流：V=0SLIILsl开路电压：开路电压：I=0ssscsLsLocISLqkTIIqkTIIqkTIIqkTVlnlnln) 1ln(可以看出，可以看出，开路电压开路电压与与入射光强入射光强成成对数对数关关系。而系。而短

15、路电流短路电流与与入射光强入射光强成线性关系。成线性关系。ssscsLsLocISLqkTIIqkTIIqkTIIqkTVlnlnln) 1ln(电压、电流随入射电压、电流随入射光强度变化特性光强度变化特性 电压、电流与受光电压、电流与受光面积面积A变化特性变化特性 当外接负载电阻时，如果当外接负载电阻时，如果负载电阻值比负载电阻值比Rd小得多小得多，则输出电流可以近似认为就，则输出电流可以近似认为就是是短路电流短路电流。此时，输出电流与光强仍。此时，输出电流与光强仍为线性关系。为线性关系。光电池在不同负载电阻下的光电特性光电池在不同负载电阻下的光电特性 l负载电阻愈小，线性度愈好负载电阻愈小

16、，线性度愈好，且线性范，且线性范围愈宽围愈宽l光强愈大，线性范围愈小光强愈大，线性范围愈小（2）输出特性）输出特性光电池两端连接某一负载光电池两端连接某一负载RL,其上的电流设为其上的电流设为IL，电压降为，电压降为VL，则光电流在，则光电流在RL上产生的电上产生的电功率为：功率为： PL = VL IL转换效率转换效率：电功率电功率与与入射光功率入射光功率之间的比之间的比值。值。 IL、 VL、 PL有如图的关系有如图的关系ocLscLVVRIIR时，当时当,0RM为为功率最大值功率最大值PM对应的负载电阻值，称对应的负载电阻值，称为为最佳负载最佳负载。（3）光谱特性）光谱特性用用单位辐射通

17、量的不同波长单位辐射通量的不同波长的光分别照射的光分别照射时光电池短路电流大小的相对值表示。时光电池短路电流大小的相对值表示。硅光电池：光谱响应范围硅光电池：光谱响应范围 0.4 0.9m 峰值波长峰值波长 0.80.9 m硒光电池硒光电池：光谱响应范围：光谱响应范围 0.340.75 m 峰值波长峰值波长 0.54 m（4）温度特性）温度特性（5）频率特性）频率特性3）光电池的应用）光电池的应用作为光电检测器件、将太阳能转变为电能作为光电检测器件、将太阳能转变为电能作为检测器件，有着作为检测器件，有着光敏面积大，频率响光敏面积大，频率响应高应高，光电流随照度线性变化光电流随照度线性变化等特点

18、。用等特点。用在光电读数、光电开关、光栅测量技术、在光电读数、光电开关、光栅测量技术、激光准直、电影还音等装置上。激光准直、电影还音等装置上。作为太阳能电池，可常用于作为太阳能电池，可常用于卫星、微波站、卫星、微波站、野外灯塔、航标灯，无人气象站野外灯塔、航标灯，无人气象站等无输电等无输电线路地区的电源供给。线路地区的电源供给。2、光电二极管、光电二极管光电二极管其基本结构也是一个光电二极管其基本结构也是一个PN结。结。与光电池相比，重要的不同点是与光电池相比，重要的不同点是结面积小结面积小，频率特性频率特性特别好特别好。光生电势与光电池相同，但。光生电势与光电池相同，但输出电流普遍比输出电流

19、普遍比光电池小光电池小，一般为数微安到数十微安。，一般为数微安到数十微安。按材料分，光电二极管有按材料分，光电二极管有硅、砷化镓、锑化铟、铈化硅、砷化镓、锑化铟、铈化铅铅光电二极管等许多种。光电二极管等许多种。国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和和2DU两种系列。两种系列。2CU系列以系列以N-Si为衬底，为衬底，2DU系列以系列以P-Si为衬底为衬底。 1）光电二极管的结构）光电二极管的结构从结构特性来分，有从结构特性来分，有PN结、结、PIN结、异质结、结、异质结、肖特基势垒及点接触型肖特基势垒及点接触型等。等。2CU系列光电

20、二系列光电二极管只有两个引出线，而极管只有两个引出线，而2DU系列光电二极系列光电二极管有三条引出线，除了前极、后极外，还设管有三条引出线，除了前极、后极外，还设了一个环极。了一个环极。硅光电二极管的封装可采用平面镜和聚硅光电二极管的封装可采用平面镜和聚焦透镜作入射窗口，有利于焦透镜作入射窗口，有利于提高灵敏度提高灵敏度 。聚焦位置与入射光方向有关，能够减小杂聚焦位置与入射光方向有关，能够减小杂散背景光的干扰，但也引起灵敏度随入射散背景光的干扰，但也引起灵敏度随入射光方向而变化。光方向而变化。 2）工作原理）工作原理硅光电二极管通常是用在硅光电二极管通常是用在电压反偏电压反偏的光的光电导工作模

21、式。电导工作模式。光电二极管光电转换示意图光电二极管光电转换示意图 3）光电二极管的特性参数）光电二极管的特性参数（1）结电容）结电容光电二极管的重要工作区是光电二极管的重要工作区是势垒区势垒区它的厚它的厚度对光电二极管的特性有着非常重要的影响。度对光电二极管的特性有着非常重要的影响。 结电容结电容可表示为：可表示为： UNCjN：掺杂浓度：掺杂浓度U：外加电压：外加电压（2）光谱特性）光谱特性光谱特性主要决定于：光谱特性主要决定于：表面层表面层(半导体薄层与金属薄层半导体薄层与金属薄层)材料的材料的禁带宽度禁带宽度Eg；表面抗反射涂层的性质与厚度，表面抗反射涂层的性质与厚度，器件的结构器件的

22、结构。2DU和和2DUL系列光电二极管的光谱特性系列光电二极管的光谱特性 （3）光电特性）光电特性反向偏压足够大时反向偏压足够大时，光生电流与所加的，光生电流与所加的电压几乎无关，它仅取决于电压几乎无关，它仅取决于光照强度光照强度。反向偏压为反向偏压为1.5V时扩散时扩散PN结光电二极结光电二极管的光照特性管的光照特性 （4）伏安特性）伏安特性光电二极管的用法只能有两种。光电二极管的用法只能有两种。一种是一种是不加外电压，直接与负载相接不加外电压，直接与负载相接。另一种。另一种是是加反向电压加反向电压 。a) 不加外电源不加外电源 b) 加反向外电源加反向外电源 c) 2DU环极接法环极接法由

23、于多数场合由于多数场合光电二极管都是加反向电光电二极管都是加反向电压压，所以其伏安特性曲线常画成如下图，所以其伏安特性曲线常画成如下图所示。所示。反偏反偏可以可以减小载流子的渡越时间减小载流子的渡越时间和和二极管的二极管的极间电容极间电容，有利于，有利于提高器件的响应灵敏度提高器件的响应灵敏度和和响应频率响应频率。但反向偏置电压也不能太高，以。但反向偏置电压也不能太高，以免引起雪崩击穿。免引起雪崩击穿。 4）几种光电二极管）几种光电二极管 按材料分：有按材料分：有锗、硅制作的光电二极管锗、硅制作的光电二极管，也有也有III-V族化合物及其它化合物制作的二族化合物及其它化合物制作的二极管。极管。

24、按结构分：按结构分：有有PN结、结、PIN结、异质结、肖结、异质结、肖特基势垒及点接触型特基势垒及点接触型等。等。按对光的响应分：有用于按对光的响应分：有用于紫外光、可见光紫外光、可见光及红外光及红外光等种类。等种类。 （1）点接触光电二极管）点接触光电二极管光电面很小光电面很小(结面很小结面很小)，势垒电容很小势垒电容很小，响应响应很快很快。（2）扩散型）扩散型PN结光电二极管结光电二极管 耗尽层厚度比结的任何一边的扩散长度要耗尽层厚度比结的任何一边的扩散长度要小的管子。它的工作区主要是小的管子。它的工作区主要是结两边的扩结两边的扩散区。频率特性较差。散区。频率特性较差。（3）耗尽层型光电二

25、极管）耗尽层型光电二极管耗尽区耗尽区比结的任一边的扩散长度大的管子。比结的任一边的扩散长度大的管子。它的光电转换区域主要是在耗尽层内，光电它的光电转换区域主要是在耗尽层内，光电流主要是由流主要是由漂移电流漂移电流引起的，这种管子有很引起的，这种管子有很高的频率响应。高的频率响应。（4）PIN光电二极管光电二极管又称为快速光电二极管。又称为快速光电二极管。PIN光电二极管具有以下优点：光电二极管具有以下优点：使使PN结的结的结时间距离拉大结时间距离拉大，结电容变小结电容变小。由于由于内建电场内建电场基本上全集中在基本上全集中在I层，提高了层，提高了量子效率量子效率。增加了对长波的吸收增加了对长波

26、的吸收，提高了长波灵敏度，提高了长波灵敏度，其响应波长范围其响应波长范围0.41.1um。可承受较高的反向偏压可承受较高的反向偏压，使线性输出范围，使线性输出范围变宽。变宽。不足的是，不足的是，I层电阻很大，管子的层电阻很大，管子的输出电流小输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。一般多为零点几微安至数微安。（5）雪崩光电二极管）雪崩光电二极管与光电倍增管相对应的半导体器件，具与光电倍增管相对应的半导体器件，具有十分有十分高的响应率高的响应率、高的增益带宽乘积高的增益带宽乘积和和极快的时问响应极快的时问响应持性。持性。 为了实现均匀倍增，衬底材料的为了实现均匀倍增，衬底材料的掺杂浓度要掺杂浓度

27、要均匀，缺陷要少均匀，缺陷要少；同时在结构上采用保护环。；同时在结构上采用保护环。带保护环的雪崩光电二极管称为保护环雪崩带保护环的雪崩光电二极管称为保护环雪崩光电二极管，记作光电二极管，记作GAPD。一般雪崩光电二极管具有以下特性：一般雪崩光电二极管具有以下特性： 灵敏度很高灵敏度很高；响应速度快响应速度快；噪声等效功率很小，约噪声等效功率很小，约10-15W；反偏压高，可达反偏压高，可达200V，接近于反向击穿电，接近于反向击穿电压。压。 缺点：缺点：噪声大噪声大 。工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声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。可增大到放

28、大器的噪声水平，以至无法使用。 4、阵列式或象限式结型光电器件阵列式或象限式结型光电器件将将2个至几百个光电二极管或光电池排成个至几百个光电二极管或光电池排成一行，集成在一块集成电路片子上，即成一行，集成在一块集成电路片子上，即成为为阵列式的一维光电器件阵列式的一维光电器件。也可以使光电。也可以使光电二极管或光电池制成象限式的二维光电器二极管或光电池制成象限式的二维光电器件。件。特点：特点：光敏元密集度大，总尺寸小，容易光敏元密集度大，总尺寸小，容易作到各单元多数一致，便于信号处理作到各单元多数一致，便于信号处理 5、光电位置敏感器件（、光电位置敏感器件（PSD）PSD是利用离子注入技术制成的

29、一种可确是利用离子注入技术制成的一种可确定光的能量中心位置的结型光电器件，定光的能量中心位置的结型光电器件，有有一维的和二维的两种。一维的和二维的两种。 当入射光是一个小光斑，照射到光敏面时，当入射光是一个小光斑，照射到光敏面时，其其输出输出则与则与光的能量中心位置光的能量中心位置有关。其特有关。其特点是，它对点是，它对光斑的形状无严格要求光斑的形状无严格要求，光敏，光敏面上无象限分隔线，对光斑位置可连续测面上无象限分隔线，对光斑位置可连续测量。量。 1）、一维光电位置敏感器）、一维光电位置敏感器 LIIIIIxLxLIILxLIIAAA12120020122光斑能量中心对于器件中心的位置光斑

30、能量中心对于器件中心的位置 LIIIIxA12122）二维光电位置敏感器）二维光电位置敏感器两种形式：两种形式：单面型单面型、双面型双面型。单面型单面型)I)/(I-IL(Iy)I)/(I-IL(IxDCDCBABA双面型双面型)I)/(I-IL(Iy)I)/(I-IL(IxDCDCBABA6、光电耦合器件、光电耦合器件1）发光器件发光器件按激发方法可分按激发方法可分光致发光光致发光、化学发光化学发光、摩擦摩擦发光发光、阴极射线致发光阴极射线致发光、电致发光电致发光等。等。按光谱宽度可分为按光谱宽度可分为相干光相干光与与非相干光非相干光。主要。主要的相干光源是激光。的相干光源是激光。光电源分为

31、光电源分为3种：种：热辐射光源热辐射光源（白炽灯、卤钨（白炽灯、卤钨灯等）、灯等）、气体放电光源气体放电光源（汞灯、脉冲氙灯（汞灯、脉冲氙灯等）、等）、固体发光光源固体发光光源（发光二极管等）。（发光二极管等）。 激光光源激光光源按激光工作物质的分为：按激光工作物质的分为：气体激光器气体激光器、固体固体激光器激光器、半导体激光器半导体激光器以及以及染料激光器染料激光器等；等；按工作方式分为：按工作方式分为：连续工作激光器连续工作激光器和和脉冲工脉冲工作激光器作激光器；按工作波长范围分为：按工作波长范围分为：紫外光激光器紫外光激光器、可见可见光激光器和红外光激光器光激光器和红外光激光器等。等。（

32、1）发光二极管（）发光二极管（LED）发光二极管是发光二极管是少数载流子在少数载流子在PN结区的注入与结区的注入与复合复合而产生发光的一种半导体光源。把而产生发光的一种半导体光源。把电能电能直接转换成直接转换成光能光能的半导体器件。的半导体器件。LED有有5种类型：种类型：表面发光二极管表面发光二极管（SLED）、）、侧面发光二侧面发光二极管极管（ELED）、）、平面平面LED、圆顶型圆顶型LED和超发光和超发光LED。发光二极管的基本结构是发光二极管的基本结构是PN结结施加正向电压施加正向电压LED发出的光是荧光发出的光是荧光a）发光二极管工作原理）发光二极管工作原理发光二极管的材料发光二极

33、管的材料直接带直接带(直接跃迁直接跃迁)材料材料 ： GaAs和和GaN间接带间接带(间接跃迁间接跃迁)材料：材料：GaP 混合晶体材料：混合晶体材料：GaAs1-xPx b)光谱特性光谱特性指发光的相对强度指发光的相对强度(或能量或能量)随波长随波长(或频率或频率)变化的分布曲线。变化的分布曲线。发射光谱的形成是由材料的种类、性质以发射光谱的形成是由材料的种类、性质以及发光中心的结构决定。及发光中心的结构决定。描述光谱分布的两个主要参量是它的峰值描述光谱分布的两个主要参量是它的峰值波长和半强度宽度波长和半强度宽度(称为半宽度称为半宽度)。材料材料禁带宽度（禁带宽度（eVeV） 峰值波长（峰值

34、波长（nmnm）颜色颜色外量子效率外量子效率GaP2.24565绿10-3GaP2.24700红3102GaP2.24585黄10-3GaAs1xPx1.841.94620680红310-3GaN3.5440蓝10410-3Ga1xAlxAs1.81.92640700红410-3GaAsSi1.449101020红外0.1峰值光子的能量还与温度有关，它随温度的峰值光子的能量还与温度有关，它随温度的增加而减少。在结温上升时，谱带波长以增加而减少。在结温上升时，谱带波长以0.20.3nm的比例向长波方向移动。的比例向长波方向移动。c) 伏安特性伏安特性UTUT为开启电压，为开启电压，UUT时时导通

35、发光；导通发光；UUT时截止时截止不发光。一般为不发光。一般为1.5伏。伏。反向击穿电压反向击穿电压 一般在一般在-5V以上。以上。 正向电流与电压的关系正向电流与电压的关系为为 ：)/exp(0mkTeVii m为复合因子，标志器件发光特性的好坏。为复合因子，标志器件发光特性的好坏。d) 寿命寿命发光二极管的寿命定义为亮度降低到原有亮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。度一半时所经历的时间。老化的快慢与工作电流密度有关。随着电流老化的快慢与工作电流密度有关。随着电流密度的加大，老化变快，寿命变短。密度的加大，老化变快，寿命变短。f) 响应时间响应时间响应时间是指注入电

36、流后发光二极管启亮响应时间是指注入电流后发光二极管启亮（上升）或熄灭（衰减）的时间。（上升）或熄灭（衰减）的时间。发光二极管的上升时间随着电流的增大近似发光二极管的上升时间随着电流的增大近似地成指数减小。地成指数减小。 （2）发光二极管的应用）发光二极管的应用a) 数字、文字及图像显示数字、文字及图像显示 七段式数码七段式数码 14划字码管划字码管 二极管作矩阵排列二极管作矩阵排列 横向横向(行行)输入信号输入信号纵向纵向(列列)转换开关转换开关纵向输入信号纵向输入信号横向转换开关横向转换开关 b) 指示、照明指示、照明 c) 光源光源d) 光电开关、报警、遥控、耦合光电开关、报警、遥控、耦合

37、(3) 激光器激光器激光器是一种新型的发光器件，具有方向激光器是一种新型的发光器件，具有方向性强、单色性好、相干性好、亮度高等突性强、单色性好、相干性好、亮度高等突出优点。出优点。a) 激光器的工作原理激光器的工作原理激光器一般是由工作物质、谐振腔和泵浦激光器一般是由工作物质、谐振腔和泵浦源组成。源组成。l受激辐射受激辐射原子的两个能级之间产生跃迁的吸收、自原子的两个能级之间产生跃迁的吸收、自发发射和受激辐射的三个基本过程。发发射和受激辐射的三个基本过程。 吸收吸收：能量刚好等于：能量刚好等于h12的光子碰击系统时，的光子碰击系统时，处于能态处于能态E1上的原子会上的原子会吸收光子而进入激发态

38、吸收光子而进入激发态E2。 自发辐射自发辐射：原子在激发：原子在激发态是不稳定的，在没有态是不稳定的，在没有任何外界刺激的条件下，任何外界刺激的条件下，有自发返回基态的趋势，有自发返回基态的趋势，并放出能量为并放出能量为h12的光的光子子 受激辐射受激辐射：当能量为：当能量为h12的入射光子激励的入射光子激励已处于激发态的原子后，原子因受激而已处于激发态的原子后，原子因受激而跃回基态，并发射出频率、位相和方向跃回基态，并发射出频率、位相和方向都与入射光子相同的能量为都与入射光子相同的能量为h12的光子。的光子。l粒子数反转粒子数反转分布反转是使受激辐射从次要地位转化分布反转是使受激辐射从次要地

39、位转化为主导地位的必要条件。为主导地位的必要条件。由泵浦源完成。由泵浦源完成。光泵浦、电泵浦。光泵浦、电泵浦。l谐振腔谐振腔谐振腔对共振频率有选择增谐振腔对共振频率有选择增益作用。益作用。产生稳定振荡的条件是共振产生稳定振荡的条件是共振腔的长度腔的长度L恰好等了辐射光半恰好等了辐射光半波长的整数倍，即波长的整数倍，即 nmL2共振腔是产生激光的又一共振腔是产生激光的又一必要条件。必要条件。b)激光器类型激光器类型按工作物质分：气体激光器、固体激光器、按工作物质分：气体激光器、固体激光器、染料激光器和半导体激光器等。染料激光器和半导体激光器等。l气体激光器气体激光器以气体为工作物质的激光器。以气

40、体为工作物质的激光器。多数采用高压放电方式泵浦。多数采用高压放电方式泵浦。最常见的有最常见的有氦氦-氖激光器氖激光器、氩离子激光器氩离子激光器、二二氧化碳激光器氧化碳激光器、氦氦-镉激光器镉激光器和和铜蒸气激光器铜蒸气激光器等。等。 氦氦-氖激光器氖激光器1961年由佳万博士及其同事们发明。年由佳万博士及其同事们发明。激光器的结构有内腔式、半内腔式和外腔式激光器的结构有内腔式、半内腔式和外腔式 l固体激光器固体激光器使用的工作物质是具有特殊功能的高质使用的工作物质是具有特殊功能的高质量的光学玻璃或光学晶体，里面掺入具量的光学玻璃或光学晶体，里面掺入具有发射激光能力的金属离子。有发射激光能力的金

41、属离子。固体激光器有红宝石、钕玻璃和钆铝石固体激光器有红宝石、钕玻璃和钆铝石榴石等激光器。榴石等激光器。红宝石激光器红宝石激光器 l半导体激光器半导体激光器半导体激光器的工作物质是半导体材料，半导体激光器的工作物质是半导体材料，它的原理与前面讨论过的发光二极管没它的原理与前面讨论过的发光二极管没有太多差异，有太多差异，PN结就是激活介质。结就是激活介质。GaAs半导体激光器半导体激光器 半导体激光器输出半导体激光器输出-电流特性电流特性 影响阈值电流的因素很多影响阈值电流的因素很多温度越高，阈值电流越大。温度越高，阈值电流越大。腔长越长，阈值电流越小。腔长越长，阈值电流越小。还与材料，结区表面

42、透过损还与材料，结区表面透过损耗等因素有关。耗等因素有关。 l染料激光器染料激光器染料激光器是以染料为工作物质。染料激光器是以染料为工作物质。染料染料高反镜高反镜激光激光半反镜半反镜激励光激励光c)激光器的特性激光器的特性 单色性单色性方向性方向性高亮度高亮度相干性相干性2）光电耦合器件）光电耦合器件将发光器件（将发光器件（LED)和光敏器件和光敏器件(光电二、三极光电二、三极管等管等)密封装在一起形成的一个电密封装在一起形成的一个电光光电器电器件。件。 光耦合器件分为两类：光耦合器件分为两类：光电隔离器光电隔离器：是在电路之间传送信息，以：是在电路之间传送信息，以便实现电路间的电气隔离和消除

43、噪声影响。便实现电路间的电气隔离和消除噪声影响。光传感器光传感器：是一种固体传感器，主要用于：是一种固体传感器，主要用于检测物体的位置或检测物体有无的状态。检测物体的位置或检测物体有无的状态。光耦合器件具有体积小、寿命长、无触点、光耦合器件具有体积小、寿命长、无触点、抗干扰能力强、输出和输入之间绝缘、可抗干扰能力强、输出和输入之间绝缘、可单向传输模拟或数字信号等特点。单向传输模拟或数字信号等特点。 光电耦合器件的发光件常采用光电耦合器件的发光件常采用LED发光发光二极管、二极管、LD半导体激光器和微形钨丝灯半导体激光器和微形钨丝灯等。等。光电接收器件常采用光电二极管、光电光电接收器件常采用光电

44、二极管、光电三极管、光电池及光敏电阻等。三极管、光电池及光敏电阻等。（1）光电隔离器）光电隔离器把发光器件和光电接收器件组装在同一把发光器件和光电接收器件组装在同一管壳内，且两者的管心相对、相互靠近，管壳内，且两者的管心相对、相互靠近，除光路部分外，其他部分完全遮光就构除光路部分外，其他部分完全遮光就构成光电隔离器。成光电隔离器。 （2）光传感器）光传感器透过型和反射型两种。透过型和反射型两种。透过型透过型光传感器是将保持一定距离的发光传感器是将保持一定距离的发光器件和光接收器件相对组装而成。当光器件和光接收器件相对组装而成。当物体从两器件之间通过时将引起透射光物体从两器件之间通过时将引起透射

45、光的通和断，从而判断物体的数量和有无。的通和断，从而判断物体的数量和有无。 反射型反射型光传感器是把发光器件和光接收光传感器是把发光器件和光接收器件以某一交叉角度安放在同一方向。器件以某一交叉角度安放在同一方向。通过测量物体经过时反射光量的变化，通过测量物体经过时反射光量的变化，可检测物体的数目、长度。可检测物体的数目、长度。3）光电耦合器的特点）光电耦合器的特点l具有电隔离的功能。具有电隔离的功能。 l信号传输是单向性的，不论脉冲、直流都可信号传输是单向性的，不论脉冲、直流都可以使用，适用于模拟信号和数字信号。以使用，适用于模拟信号和数字信号。l具有抗干扰和噪声的能力。具有抗干扰和噪声的能力

46、。 l响应速度快。响应速度快。l使用方便。使用方便。4）光电耦合器件的特性参数）光电耦合器件的特性参数光电耦合器件的主要特性为传输特性与光电耦合器件的主要特性为传输特性与隔离特性。隔离特性。（1）电流传输比）电流传输比/100%QCQFQIIIC:光电耦合器件的集电极光电耦合器件的集电极电流电流IF:发光二极管的注入电流发光二极管的注入电流交流电流传输比交流电流传输比 :/100%CFII 的大小与的大小与IF有关有关 随外界温度也有关随外界温度也有关 随外界温度的变化。在随外界温度的变化。在0以下时，以下时，值随值随温度温度T的升高而上升；在的升高而上升；在0以上时，以上时，值随值随T的增加

47、而下降。的增加而下降。 （2）最高工作频率）最高工作频率fm光电耦合器件的频率特性分别取决于发光光电耦合器件的频率特性分别取决于发光器件与光电接收器件的频率特性。器件与光电接收器件的频率特性。光电耦合器光电耦合器频率特性频率特性 频率特性测量电路频率特性测量电路 最高工作频率最高工作频率fm与负载电阻的关系：与负载电阻的关系： （3）脉冲上升时间）脉冲上升时间tr和下降时间和下降时间tf5) 光电耦合器件的抗干扰特性光电耦合器件的抗干扰特性光电耦合器件的重要优点之一就是能强光电耦合器件的重要优点之一就是能强有力地抑止尖脉冲及各种噪音等的干扰。有力地抑止尖脉冲及各种噪音等的干扰。6) 光电耦合器

48、件的应用光电耦合器件的应用 (1) 电平转换电平转换(2) 逻辑门电路逻辑门电路(3) 隔离方面的应隔离方面的应用用(4) 可控硅控制电路种的应用可控硅控制电路种的应用典型光耦典型光耦合可控硅合可控硅 典型光耦合典型光耦合双向可控硅双向可控硅 热电检测器件工作原理是基于光辐射与物质热电检测器件工作原理是基于光辐射与物质相互作用的热效应而制成的器件。相互作用的热效应而制成的器件。 工作的物理过程是：工作的物理过程是：器件吸收入射辐射功率产生温升，温升引起器件吸收入射辐射功率产生温升，温升引起材料各种有赖于温度的参量的变化，监测其材料各种有赖于温度的参量的变化，监测其中一种性能的变化，来探知辐射的

49、存在和强中一种性能的变化，来探知辐射的存在和强弱。弱。 热电探测器件的时间常数定义为热电探测器件的时间常数定义为=CH/GCH：热容：热容G：热导：热导的数量级约为几毫秒至几秒，比光电器件的的数量级约为几毫秒至几秒，比光电器件的时间常数大得多。时间常数大得多。为使探测器的热容小，应尽量使探测器的结为使探测器的热容小，应尽量使探测器的结构小、重量轻。构小、重量轻。热电检测器件大致分为热敏电阻型、热电偶热电检测器件大致分为热敏电阻型、热电偶型、气动型型、气动型(高莱元件高莱元件)和热释电型四类。和热释电型四类。 、热敏电阻、热敏电阻热敏电阻是由电阻温度系数大的导体材料热敏电阻是由电阻温度系数大的导

50、体材料制成的电阻元件，也称它为测辐射热计。制成的电阻元件，也称它为测辐射热计。在吸收入射辐射后引起温升而使电阻改变，在吸收入射辐射后引起温升而使电阻改变，导致负载电阻两端电压的变化。导致负载电阻两端电压的变化。热敏电阻有金属的和半导体的两种。热敏电阻有金属的和半导体的两种。金属的热敏电阻金属的热敏电阻，电阻温度系数多为正的，电阻温度系数多为正的，绝对值比半导体的小，它的电阻与温度的关绝对值比半导体的小，它的电阻与温度的关系基本上是线性的，耐高温能力较强。系基本上是线性的，耐高温能力较强。半导体的热敏电阻半导体的热敏电阻，电阻温度系数多为负的，电阻温度系数多为负的，绝对值比金属的大十多倍，它的电阻与温度绝对值比金属的大十多倍，它的电阻与温度的关系是非线性的，耐高温能力较差。的关系是非线性的，耐高温能力较差。热敏电阻具备如下特点：热敏电阻具备如下特点：热敏电阻的温度系数大，灵敏度高。热敏电阻的温度系数大，灵敏度高。结构简单，体积小，可以测量近似几何点结构简单，体积小，可以测量近似几何点的温度。的温度。电阻率高，热惯性小，适宜做动态测量。电阻率高，热惯性小，适宜做动态测量。阻值与温度的变