光电检测技术 第四章资料

1、 掌握内容光伏特探测器原理和特性。理解内容光伏探测器的电路偏置(pin zh)了解内容第4章 光伏特(ft)探测器共一百二十七页 4.1光伏特效应4.2光伏探测器的工作(gngzu)模式4.3光电池4.4硅光电二极管和三极管 第四章 主要(zhyo)内容共一百二十七页光生伏特效应：光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在PN结上产生电动势的效应。为什么PN结会因光照产生光生伏特效应呢？有下面两种情况(qngkung)： 不加偏压的PN结 处于反偏的PN结4.1光生伏特(ft)效应内光电效应共一百二十七页4.1光生(un shn)伏特效应无光照(gungzho)P-N结无光照流过PN结的电流方程：

2、一、半导体P-N结共一百二十七页 不加偏压的光照(gungzho)PN结当光照射在PN结时，如果电子能量大于半导体禁带 宽度（E0 Eg）,可激发出电子空穴对，在 PN结内电场作用下空穴移向P区，而电子移向N区， 使P区和N区之间产生电压，这个电压就是光生电动 势。如果用一个理想电流表接通PN结，则有由N区 流向P区的电流Ip通过，称为短路光电流。 基于这种效应的器件有 光电池光照射(zhosh)P-N结一、半导体P-N结共一百二十七页 PN结中光生电子与空穴的流动，使P区的电势增高，这相当于在PN结上加一正向偏压U，这个正向电压使PN结势垒由eVD降至eVDeU。同时，这个正向电压还引起电流

3、IdIs0(eqU/KT1)流过PN结，Id的方向正好与上述光电流Ip的方向相反。所以(suy)，在入射光辐射作用下流过PN结的总电流为 I=Is0(eqU/KT1) Ip (另解)有光照无偏压(pin y)流过PN结的电流方程：共一百二十七页 有光照时，若p-n结外电路接上负载电阻 ，如下图所示，此时p-n结内出现两种方向相反的电流(dinli)：一种是光激发产生的电子空穴对，在内建电场作用下，形成的光生电流(dinli) ，它与光照有关，其方向与p-n结反向饱和电流(dinli) 相同；另一种是光生电流(dinli) 流过负载 产生电压降，相当于在p-n结施加正向偏置电压，从而产生正向电流

4、(dinli) 。流过p-n结的总电流(dinli)是两者之差：以p-n结的正向电流 的方向为正方向有光照无偏压流过PN结的电流方程：共一百二十七页 处于反偏的PN结：无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；有光照时，光子能量足够大产生光生电子空穴(kn xu)对， 在PN结电场作用下，形成光电流，电流方向与反向电流一致，光照越大光电流越大。具有这种性能的器件有： 光敏二极管、光敏晶体管.一、半导体P-N结共一百二十七页 如果给PN结加上一个反向偏置电压U，外加电压所建的电场方向(fngxing)与PN结内建电场方向(fngxing)相同，则PN结的势垒高度由eVD增加到eVDeU，使光照产生的

5、电子空穴对在强电场作用下更容易产生漂移运动，提高了器件的频率特性。 在光照反偏条件下工作时，观察到的光电信号是光电流，而不是光电压，这便是结型光电探测器的工作原理。从这个意义上说，反偏PN结在光照下好像是以光电导方式工作，但实质上两者的工作原理是不同的。有光照(gungzho)反偏压流过PN结的电流方程：I=Is0(eqU/KT1) Ip共一百二十七页 正向(zhn xin)偏置：无光电效应 反向偏置：光电导工作模式 零偏置：光伏特工作模式图4-2 光照(gungzho)下PN结及其伏安特性曲线P-N结的电流电压特性共一百二十七页根据光照PN结时流过p-n结的电流，可画出在不同照度(zho d

6、)下PN结光电器件的伏安特性曲线。4.2 工作(gngzu)模式第一象限正偏压，Id本来就很大，所以光电流Ip不起重要作用。第三象限反向偏压，这时IdIs0，它是普通二极管中的反向饱和电流，现在称为暗电流（对应于光照度E0），数值很小，这时的光电流（等于I-Is0）是流过探测器的主要电流，对应于光导工作模式。在第四象限中，外偏压为0，流过探测器的电流仍为反向光电流。随着光功率的不同，出现明显的非线性。这时探测器的输出通过负载电阻RL上的电压或流过RL上的电流来体现，因此称为光伏工作模式。 共一百二十七页 如图4-3所示，一个PN结光伏探测器就等效为一个普通二极管和一个电流源（光电流源）的并联，

7、它的工作模式则由外偏压回路决定。如图（c）所示，在零偏压的开路状态，为光伏工作模式。如图（d）所示，当外回路采用反偏电压Ub，即外加P端为负，N端为正的电压时。无光照时的电阻很大，电流很小；有光照时，电阻变小，电流就变大，而且流过它的光电流随照度变化而变化。从外表看，PN结光伏探测器与光敏电阻一样(yyng)，同样也具有光电导工作模式，所以称为光导工作模式. 共一百二十七页下图示出了p-n结在光伏工作(gngzu)模式下的等效电路：共一百二十七页 光电池工作原理也是基于光生伏特效应，可以直接(zhji)将光能转换成电能的器件。有光线作用时就是电源，广泛用于宇航电源，另一类用于检测和自动控制等。

8、 光电池种类很多，有硒光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓、氧化铜等等。光电池符号4.3 光电池（有源器件(qjin)）共一百二十七页太阳能手机充电器太阳能供LED电警示太阳能电池光电池（有源器件(qjin)）共一百二十七页 结构：光电池实质是一个大面积PN结，上电极为栅状受光电极，下电极是一层衬底铝。 原理：当光照射PN结的一个面时，电子空穴对迅速扩散，在结电场作用(zuyng)下建立一个与光照强度有关的电动势。一般可产生0.2V0.6V电压50mA电流。 光电池结构 光电池工作原理图 光电池（有源器件(qjin)）共一百二十七页 光电池的工作(gngzu)原理（a）光电池工作(gngzu)原

9、理图 （b）光电池等效电路图 （c）进一步简化图4-7 光电池的工作原理图和等效电路共一百二十七页光电池的特性(txng)参数光照特性开路电压，光生电动势与照度之间关系称开路电压曲线，开路电压与光照度关系是非线性关系，在照度2000lx下趋于饱和。短路电流，短路电流与照度之间关系称短路电流曲线，短路电流是指外接负载RL相对(xingdu)内阻很小时的光电流。共一百二十七页光电池的特性(txng)参数光照(gungzho)特性开路电压，光生电动势与照度之间关系称开路电压曲线，开路电压与光照度关系是非线性关系，在照度2000lx下趋于饱和。短路电流，短路电流与照度之间关系称短路电流曲线，短路电流是

10、指外接负载RL相对内阻很小时的光电流。光照特性主要包括有：伏安特性、照度-电流电压特性和照度-负载特性。共一百二十七页图4-8 硅光电池伏安(f n)特性曲线伏安(f n)特性当E=0时， 当光电池外接负载电阻RL后，负载电阻RL上所得电压和电流在特性曲线转弯点时，电流和电压乘积为最大，光电池输出功率为最大。可以看出：负载电阻愈小，光电池工作愈接近短路状态线性就较好。共一百二十七页（1）当负载电阻断开时，P端对N端的电压称为开路电压，一般情况，由于p-n结光生电流远大于反向饱和电流。得到：在一定温度下，开路电压与光电流的对数成正比，也可以(ky)说与照度或光通量的对数成正比。即：下面分析(fn

11、x)两种情况：Uoc一般为0.450.6V，最大不超过0.756V，因为Uoc不能超过PN结热平衡时的接触电动势差或内建电势UD。共一百二十七页（2）当负载电阻短路时(实际为外接负载RL相对内阻很小时(xiosh)，光生电压接近于零，流过器件的电流叫短路电流，其方向从p-n结内部看是从n区指向p区，这时光生载流子不再积累于p-n结两侧，所以p-n结又恢复到平衡状态。这时p-n结光电器件的短路光电流与照度（弱照度）或光通量成正比，从而得到最大线性区，这在线性测量中被广泛p-n结应用。 IscIpSeE 硅单晶光电池短路(dunl)电流可达3540mA/cm2共一百二十七页硅光电池的Uoc、Isc

12、与照度(zho d)的关系 照度-电流(dinli)电压特性光电池的短路光电流Isc与入射光照度成正比，而开路电压UOC与光照度的对数成正比。共一百二十七页开路电压UOC和短路电流Isc与光电池受光面积也有关系。在光照度一定(ydng)时，UOC与受光面积的对数成正比，短路电流Isc与受光面积成正比。电流(dinli)、电压与受光面积的关系共一百二十七页光照与负载(fzi)特性 光电流在弱光照射下与光照度成线性关系。光照增加到一定程度后，输出电流非线性缓慢地增加，直至饱和，并且(bngqi)负载电阻越大，越容易出现饱和，即线性范围较小。因此，如欲获得较宽的光电线性范围，负载电阻不能取很大。光电

13、池不同负载电阻下的光电特性共一百二十七页 光电池作为测量元件使用时，一般不做电压源使用，而作为电流源的形式(xngsh)应用。 测量用光电池主要作为光电探测用，对它的要求是线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性好、寿命长，被广泛应用在光度、色度(s d)、光学精密计量和测试中。共一百二十七页光谱特性 光谱特性表示(biosh)在入射光能量保持一定的条件下，光电池所产生的短路电流与入射光波之间的关系。 器件的长波限取决于材料的禁带宽度，短波则受材料表面反射损失的限制，其峰值不仅与材料有关，而且随制造工艺及使用环境温度不同而有所不同。光电池的特性(txng)参数共一百二十七页光电池谱特性(tx

14、ng) 光电池对不同波长的光灵敏度不同。硅光电池的光谱响应峰值在0.8m附近(fjn)，波长范围0.41.2m。硅光电池可在很宽的波长范围内应用。 硒光电池光谱响应峰值在0.5m附近, 波 长范围0.380.75m。光电池的特性参数共一百二十七页频率特性 频率特性指光电池相对 输出电流与光的调制频 率之间关系。硅、硒光电池的频率特 性不同(b tn)，硅光电池频率 响应较好，硒光电池较差。所以高速计数器的转换 一般采用硅光电池作为 传感器元件。 硅、硒光电池的频率特性 光电池的特性(txng)参数共一百二十七页（1）要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻； 负载大时频率特性变差，减小负载可减

15、小时间常数，提高频响。但负载电阻的减小会使输出电压降低，实际使用时视具体情况而定。（2）光电池面积越大则响应时间越大，因为(yn wi)光电池面积越大则结电容 越大，在给定负载 时，时间常数 就越大，故要求短的响应时间，必须选用小面积光电池。 总的来说，由于硅光电池光敏面积大，结电容大，频响较低。为了提高频响，光电池可在光电导模式下使用，只要加12伏的反向偏置电压，则响应时间会从1微秒下降到几百纳秒。频率特性光电池的特性(txng)参数共一百二十七页温度(wnd)特性光电池的特性(txng)参数 光电池的参数随工作环境温度改变而变化。 开路电压具有负温度系数，而短路电流具有正温度系数。共一百二

16、十七页 当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合理时,光电池的性能是相当(xingdng)稳定的,使用寿命也很长。硅光电池的性能比硒光电池更稳定。光电池的性能和寿命除了与光电池的材料及制造工艺有关外,在很大程度上还与使用环境条件有密切关系。如在高温和强光照射下,会使光电池的性能变坏,而且降低使用寿命,这在使用中要加以注意。表4.1给出了几种硅光电池的性能参数,以供参考。 光电池的特性(txng)参数稳定性共一百二十七页表4.1 几种(j zhn)硅光电池的性能参数 共一百二十七页5、 光电池偏置(pin zh)电路(a)基本形式 (b)等效电路 (c)图解法 图4-14 硅光电池无偏置(pin

17、zh)电路共一百二十七页 可以用图4-14（c）定性分析，也可定量地描述负载电阻和入射光通量对电路工作状态(zhungti)（I、U、P）的影响，即光电池偏置(pin zh)电路共一百二十七页根据(gnj)所选负载电阻的数值不同可以把光电池的工作曲线分作四个区域，分别如下图中、表示，对应的四个工作状态为短路或线性电流放大、线性电压放大、空载电压输出和功率放大。 光电池偏置(pin zh)电路图4-15共一百二十七页短路或线性电流放大 一种电流变换(binhun)状态，如图4-15(b)中的I区域。要求硅光电池送给负载电阻RL（这时RLRm，且RL0）的电流与光照度成线性关系。如果需要放大信号，

18、则应选用电流放大器。为此要求负载电阻或后续放大电路输入阻抗尽可能小，才能使输出电流尽可能大，即接近短路电流Isc，因为只有短路电流才与入射光照度有良好的线性关系，即：光电池偏置(pin zh)电路共一百二十七页线性电压输出 当负载电阻很小甚至接近于零的时候，电路工作在短路及线性电流放大状态；而当负载电阻稍微增大，但小于临界负载电阻Rm时，电路就处于线性电压输出状态，如图4-15(b)中的区域，此时RLRm且RL，要求光电池应通过高输入阻抗变换器与后续(hux)放大电路连接，相当于输出开路，开路电压可写成：当光通量较大(jio d)时， 光电池偏置电路共一百二十七页 开路电压与入射光通量的对数成

19、正比，即随入射光通量增大按对数规律增大，但开路电压并不会无限增大，它的最大值受PN结势垒高度的限制，通常光电池的开路电压为0.450.6 V。在入射光强从零到某一定值作跳跃变化的光电开关等应用中，简单地利用UOC电压变化，不需加任何偏置电源即可组成控制电路，这是它的一个优点。 此外，由伏安特性可以看到对于较小的入射光通量，开路电压输出变化较大，这对弱光信号的检测特别有利，但光电池开路电压与入射光功率(gngl)呈非线性关系，同时受温度影响大，其频率特性也不理想，如果希望得到大的电压输出，则不如采用光电二极管或光电三极管。光电池偏置(pin zh)电路共一百二十七页 特点是工作(gngzu)时不

20、需外加偏压，接收面积小，使用方便。 缺点是响应时间长，它由结电容和外接负载电阻的乘积决定。 其掺杂浓度高。 电阻率低(为0.10.01/cm)易于输出光电流； 硅光电池较广泛用于充电储能 。 输出电压与光电流成线性关系，也就是与入射光功率成线性关系。 硅光电池的长波限由硅的禁带宽度决定，为1.15um峰值波长约为0.8um。如果P型硅片上的N型扩散层做得很薄(小于0.5um)，峰值波长可向着短波方向微移，对兰紫光谱仍有响应。使用(shyng)特点共一百二十七页光电池的应用(yngyng) 光电池短路电流与照度有较好的线性关系,作为测量元件使用时,常当作(dn zu)电流源使用。光电池的受光面积

21、,一般要比光电二极管和光电三极管大得多,因此它的光电流比后两者大,受光面积越大光电流也越大,适于需要输出大电流的场合。作电流源使用共一百二十七页 右图给出了硅光电池的输出伏安特性曲线。由图可见,对于0.5k的负载线,照度每变化100lx时,相应的负载线上的线段基本上相等,输出电流和电压(diny)随照度变化有较好的线性。而对于3k的负载线,照度每变化100lx时,相应的负载线上的线段不等,输出电流和电压(diny)与照度的关系就会出现非线性。光电池的应用(yngyng)作电流源使用共一百二十七页 在光电检测中,在一定的负载下工作,希望输出电流和电压与照度成线性关系。要确定这样的负载线,只要将工

22、作中最大照度(图中为900lx)的伏安特性(txng)曲线上的转弯点A与原点O连成直线,就是所需的负载线。在检测中,如要求光电池性能稳定,有好的线性关系,则负载电阻应取得小一些,电阻越小性能越好,即负载线应在OA线的左面。这时输出的电压虽有所减少,但光电流基本不变。反之,如果光电池的负载电阻已定,例如0.5k,则线性关系成立的最大的照度(在图中为900lx)可从伏安特性(txng)曲线确定,照度超过此值,则电流和电压与照度成非线性关系。光电池的应用(yngyng)作电流源使用共一百二十七页 图中伏安特性曲线是在受光面积为1cm2的情况下得到的。如果受光面积不是1cm2,则光电流的大小应作相应(

23、xingyng)改变。另外,由于不同光源频谱不同,当光源的种类不同(例如太阳光、白炽灯、萤光灯等)时,即使照度相同,光电池的输出也不相同,输出与照度成比例的范围(或最大照度)亦有区别。光电池的应用(yngyng)作电流源使用共一百二十七页 如图 (a)所示的情况。当硅光电池与锗管相接时,锗管的基极工作电压在0.20.3V之间,而硅光电池的开路电压可达0.5V左右(zuyu)(有负载时电压小于0.5V),因此,可把光电池直接接至锗管的基极使它工作。利用图(b)的图解分析可知,当照度自100lx变至800lx时,锗管中的基极电流IB(图中光电池伏安曲线与锗管输入特性曲线AB的交点)和集电极电流IC

24、=IB与照度E几乎成线性变化。光电池的应用(yngyng)光电池作为控制元件时通常接非线性负载，控制 晶体管工作。图 光电池接非线性负载的情况共一百二十七页对于硅管,其基极(j j)的工作电压为0.60.7V,一个光电池0.5V电压不能直接控制它的工作。这时可用两个光电池串联后接入基极。光电池的应用(yngyng)光电池作为电源使用时，根据使用要求进行连接。 需要高电压时应将光电池串联使用； 需要大电流时应将光电池并联使用。光电池电路连接 共一百二十七页 图 (a)中采用了可变电阻RW,其优点是光电池所需的附加电压可任意调节;(b)中采用了二极管D,其特点是对晶体管的工作点随温度(wnd)的变

25、化有补偿作用,但二极管的正向压降为确定的数值,不能任意调节。 光电计数器、光电继电器等开关电路经常采用左图所示的线路。光电池的应用(yngyng) 用偏压电阻产生附加电压。如下图。图中(a)和(b)分别用可变电阻RW和二极管D产生所需的附加电压,假设为0.3V至0.5V。这样光电池本身只需0.2V至0.4V的光电动势就可以控制晶体管的工作了。图 用可变电阻RW、二极管D产生所需的附加电压 共一百二十七页 硅光电池的开路（负载电阻RL趋于无限大时）电压与照度的关系是非线性的,因此,作为测量元件使用时,一般不宜当作电压源使用。而且硅光电池的开路电压最大也只有0.6V左右,因此如果希望得到大的电压输

26、出,不如采用光电二极管和光电三极管,因为它们在外加反向电压下工作(gngzu),可得到几伏甚至十几伏的电压输出。但如果照度跳跃式变化,如从零跳变至某值,对电压的线性关系无要求,光电池可有0.5V左右(开路电压)的电压变化,亦可适合于开关电路或继电器工作(gngzu)状态。作电压(diny)源使用光电池的应用共一百二十七页 若要增加光电池的输出电压,类似于光电二极管可加反向电压,如下图(a)所示,有时为了改善线性亦可加反向电压。为加以说明,光电池的伏安特性曲线画于下图(b)。图中画出了光电池加反向电压时的负载线AB和不加反向电压时的负载线AB。在相同负载电阻RL情况下,这两条负载线互相平行。显然

27、,工作于AB段要比工作于AB段为好,在同样的照度(zho d)变化下(自0变至3),不论电压或电流变化的大小都成线性关系。但光电池加反向电压后的暗电流和噪声有所增大,因而要选用反向暗电流小的光电池,并注意光电池不能因加反向电压而击穿。光电池的应用(yngyng)作电压源使用共一百二十七页 图 加反向(fn xin)电压的光电池 (a)电路；(b)伏安特性曲线 光电池的应用(yngyng)作电压源使用共一百二十七页图 路灯自动(zdng)控制器电路光电池的应用(yngyng)实例共一百二十七页硅光电二极管和光电池，都是基于p-n结的光电效应而工作的，它主要用于可见光及红外光谱区。 （1）硅光电二

28、极管通常工作在反偏置条件下，即光电导工作模式：可以减小光生载流子度越时间及结电容，可获得较宽的线性输出和较高的响应频率，适用于测量高频调制的光信号(xnho)。（2）硅光电二极管也可工作在零偏置状态，即光伏工作模式：暗电流等于零。 硅光电二极管后继电路采用电流电压变换电路，线性区范围扩大，得到广泛应用。4.4光电二极管和光电三极管共一百二十七页光敏晶体管工作原理主要基于光生伏特效应。特点：响应速度快、频率响应好、灵敏度高、 可靠性高;广泛应用于可见光和远红外探测，以及自动(zdng)控制、自动(zdng)报警、自动(zdng)计数等领域和装置。 光敏二极管和光敏三极管共一百二十七页光敏二极管

29、光敏二极管结构与一般二极管相似，它们都有一个(y )PN结，并且都是单向导电的非线性元件。为了提高转换效率大面积受光，PN结面积比一般二极管大。硅光敏二极管结构 光敏二极管和光敏三极管共一百二十七页工作原理： 光敏二极管在电路中一般处于(chy)反向偏置状态， 无光照时，反向电阻很大， 反向电流很小； 有光照时，PN结处产生光生 电子空穴对； 在电场作用下形成光电流， 光照越强光电流越大； 光电流方向与反向电流一致。 光敏二极管基本电路 光敏二极管和光敏三极管共一百二十七页 基本特性 光照(gungzho)特性 右图是硅光敏二极管在小 负载电阻下的光照特性。 光电流与照度成线性关系。 光敏二极

30、管和光敏三极管硅光电二极管光照(gungzho)特性共一百二十七页 伏安特性当反向偏压较低时，光电流随电压变化比较敏感，随反向偏压的加大，光生(un shn)电流趋于饱和，这时光生(un shn)电流与所加偏压几乎无关，只取决于光照强度。光敏二极管和光敏三极管共一百二十七页光谱(gungp)特性 当入射波长900nm时，响应下降，因波长长， 光子能量小于禁带宽度，不产生电子空穴对； 当入射波长900nm时，响应也逐渐下降，波长短 的光穿透深度小，使光电流减小。硅光敏二极管光谱响应 光敏晶极管光谱响应 光敏二极管和光敏三极管共一百二十七页 硅光电二极管的光谱响应特性主要由硅材料决定，响应波长范围

31、大约是0.41.15um。峰值响应波长一般(ybn)为0.8lum。硅光电二极管对砷化镓激光波长的探测最佳，对氦、氖激光及红宝石激光亦有较高的探测灵敏度。光谱(gungp)特性光敏二极管和光敏三极管共一百二十七页 温度特性由于反向(fn xin)饱和电流与温度密切有关，因此光敏二极管的暗电流对温度变化很敏感。 光敏二极管暗电流与温度关系 光敏二极管和光敏三极管共一百二十七页 频率响应光敏管的频率响应是指光敏管输出的光电流随频率的变化关系。光敏管的频响与本身的物理结构、工作状态、负载以及入射光波长等因素有关(yugun)。图光敏二极管频率响应曲线说明调制频率高于1000Hz时，硅光敏晶体管灵敏度

32、急剧下降。光敏二极管和光敏三极管图4-26 2CU型硅光电二极管的响应(xingyng)时间-负载曲线光敏二极管频率响应曲线共一百二十七页 硅光电二极管电路可视为一个高内阻恒流源电路。一般，结电阻 RD 107;串联电阻RSRS，负载电阻上的输出电压: UL=Ip RD R L/ （ RD + RL ）由于 RD R L 所以UL Ip R L 式中： Ip 为光电流。 由于硅光电二极管加的反偏电压U0大于Ip R L，所以在任何辐射强度下硅光电二极管都不会饱和，因而(yn r)只处于线性工作范围。光敏二极管和光敏三极管(a)实际(shj)电路 (b)等效电路 (c)高频简化等效电路 (d)低

33、频等效电路硅光电二极管的频率响应还可以用等效电路来计算共一百二十七页 如果入射光是调制的光信号，则负载上的信号电压亦随调制频率而变化；当调制频率很高时，输出电压会下降。而影响(yngxing)频率响应的主要因素是：光生载流子在P区的扩散时间p； 在势垒区的漂移时间d；结电容和负载电阻决定的电路时间常数c。载流子的总渡越时间为p+d+c，实际决定于c。 由于RDR L 所以 ULIp R L/（1+jR L Cj）光敏二极管和光敏三极管共一百二十七页光敏二极管和光敏三极管当UL从峰值下降到0.707倍峰值时响应频率为 C=1/（RL Cj）=1/c 结电容Cj一般很小（约l0pF），适当加大反偏

34、压，Cj还可减小一些。最主要的是选择合适的负载电阻RL，选用R L时必须(bx)考虑到噪声性能：硅光电二极管内阻热噪声可以忽略，仅考虑负载电阻热噪声及散粒噪声即可；所以R L的选择要考虑频率响应及噪声两个因素。 硅光电二极管的时间常数一般在0.1us以内，PIN管和雪崩光电二极管的时间常数在ns数量级。表4.2给出了几种硅光电二极管的特性(txng)参数,表4.3给出了几种硅PIN光电二极管的特性(txng)参数,表4.4给出了几种硅（锗）光电三极管的特性(txng)参数,以供参考。共一百二十七页表4.2 几种硅光电二极管的特性(txng)参数 共一百二十七页表4.3 几种硅PIN光电二极管的

35、特性(txng)参数 共一百二十七页表4.4 几种硅（锗）光电三极管的特性(txng)参数 共一百二十七页 与普通晶体管不同的是，光敏晶体管是将基极集电极结作为光敏二极管，集电结做受光结，另外发射极的尺寸做的很大，以扩大(kud)光照面积。 大多数光敏晶体管的基极无引线，集电结加反偏。玻璃封装上有个小孔，让光照射到基区。光敏晶极管结构 光敏二极管和光敏三极管光敏三极管共一百二十七页 硅（Si）光敏晶体极管一般都是NPN结构，光照射在集电结的基区，产生电子、空穴，光生电子被拉向集电极，基区留下正电荷（空穴），使基极与发射极之间的电压升高，这样，发射极便有大量电子经基极流向(li xin)集电极，

36、形成三极管输出电流，使晶体管具有电流增益。在负载电阻RL上的输出电压为： 光敏三极管晶体管电流放大系数 光敏二极管和光敏三极管共一百二十七页光敏二极管和光敏三极管光电三极管的工作(gngzu)原理可见，光信号是在集-基结区内进行光电变换后，再由集电极、基极和发射极构成的晶体三极管中放大而输出电信号的。 PNP型光电三极管的原理与NPN的相同，只是(zhsh)PNP工作时集电极接电源负极，发射极接电源正极。 工作时各极所加的电压与普通晶体管相同，即需要保证集电极反偏置，发射极正偏置。由于集电极反偏置，内建电场的方向有c到b ，与硅光电二极管工作原理相同，如果有光照到bc集的结上，则光生电子流向c

37、集，光生空穴流向b集，相当于外界向基极注入一个控制电流:Ib 发射极是正向偏置和普通晶体管一样有放大作用。 当基极无引线时，集电极电流Ic等于发射极电流Ie， 即 ：Ic=Ie=（1+）Ib式中：为电流放大倍数；Ib的大小与光照通量有关；光照越强，Ib电流越大，Ic也越大。共一百二十七页伏安特性光敏晶体管具有放大作用(zuyng)，伏安特性曲线如图所示光敏二极管和光敏三极管光敏晶体管的等效电路光敏晶体管的伏安(f n)特性曲线共一百二十七页在零偏置时，光电三极管没有电流输出而光电二极管有电流输出。原因是它们都能产生光生电动势，只因光电三极管的集电结在无反向偏压(pin y)时没有放大作用，所以

38、此时没有电流输出(或仅有很小的漏电流)。工作电压较低时，输出光电流与入射光强成非线性关系。所以一般工作在电压较高或入射光强较大的场合，作控制系统的开关元件使用。光电流比光电二极管大几十倍，具有很好的直接驱动能力。易与数字逻辑电平接口。伏安(f n)特性光敏二极管和光敏三极管共一百二十七页 光敏晶体管的光谱特性硅材料的光敏管峰值波长(bchng)在0.9m附近（可见光） 灵敏度最大；可见光或探测赤热状物体时一般都用硅管锗管的峰值波长约为1.5m（红外光）对红外进行探测时用锗管较适宜。 光敏晶体管光谱特性 光敏二极管和光敏三极管光敏三极管共一百二十七页 光电三极管常在开关状态下工作所以响应时间和频

39、率特性是其重要的参数之一。光电三极管频率响应与光电二极管相同外，还受光电三极管基区渡越时间和发射结电容的限制(xinzh)。一般在510us。响应(xingyng)时间和频率特性光敏二极管和光敏三极管共一百二十七页 硅光电二极管和三极管的光电流均随温度而变化，由于暗电流的增加，使输出信噪比变差，不利于弱光信号的探测，若弱信号检测时要考虑温度的影响，要采取恒温或补偿(bchng)措施。 温度(wnd)特性光敏二极管和光敏三极管共一百二十七页 制作PN结的材料，可以是同一种半导体中参杂突变形成的同质结，也可以是由两种不同的半导体材料接触形成的异质结，或金属与半导体结合形成的肖特基结。“结”指一个单

40、晶体内部根据杂质的种类和含量(hnling)的不同而形成的接触区域，严格说来是指其中的过渡区。 结的种类很多，常见的有：PN结、PI结、NI结、P+P结、N+N结其它(qt)类型的光电二极管共一百二十七页P型、本征型及N型硅PIN光电二极管是常用的光电探测器;有较高的灵敏度;有高的反向击穿压，时间常数(sh jin chn sh)小。通常可在较高的反向偏压下工作；结电容小，响应速度快；对红外波长电有较好的响应.其它(qt)类型的光电二极管PIN型光电二极管共一百二十七页 雪崩型硅光电二极管是一种具有内增益的半导体光敏器件。处于反向偏置的PN结，其势垒区内有很强的电场，当光照射到PN结上时。便产

41、生了光生载流子。光生载流子在这个强电场作用(zuyng)下，将加速运动。光生载流子在运动过程中，可能碰撞其它原子而产生大量新的二次电子空穴对。它们在运动过程中也获得足够大的动能，又碰撞出大量新的二次电子空穴对。这样下去象雪崩一样迅速地碰撞出大量电子和空穴，形成强大的电流，便形成倍增效应。特点：电流增益大 灵敏度高频率响应快不需要后续庞大的放大电路在微弱辐射信号的探测方面被广泛地应用。其缺点是工艺要求高，稳定性差，受温度影响大雪崩(xubng)型硅光电二极管(APD)其它类型的光电二极管共一百二十七页PIN型硅光电二极管，高速光电二极管，响应时间达1nS，适用于遥控装置。雪崩式光电二极管，具有高

42、速响应和放大功能，高电流增益，可有效读取微弱光线(gungxin)，用于0.8m范围的光纤通信、光磁盘受光元件装置。光电闸流晶体管（光激可控硅），由入射光线触发导通的可控硅元件。其它(qt)类型的光电二极管共一百二十七页达林顿光电三极管（光电复合晶体管），输入是光电三极管，输出是普通晶体管，增益大，I=IgI1I2 。光敏场效应晶体管，具有灵敏度高、线性动态范围大、光谱响应范围宽、输出阻抗低、体积小等优点。广泛(gungfn)用于对微弱信号和紫外光的检测。半导体色敏传感器，可直接测量从可见光到红外波段的单色辐射波长。其它(qt)类型的光电二极管共一百二十七页又称光电隔离器 “光耦”器件(qji

43、n)由发光元件和接收光敏元件（光敏电阻、光敏二极管、晶体管等）集成在一起，发光管辐射可见光或红外光，受光器件在光辐射作用下控制输出电流大小。通过电光、光电，两次转换进行输入输出耦合。其它(qt)类型的光电二极管光电耦合器件共一百二十七页 “光耦”集成器件的特点：输入输出完全隔离，有独立的输入输出抗，器件有很强的抗干扰能力和隔离性能可避免(bmin)振动、噪声干扰。 特别适宜做数字电路 开关信号传输、逻辑 电路隔离器、计算机 测量、控制系统中做 无触点开关等。光电耦合器件(qjin)其它类型的光电二极管共一百二十七页光电耦合器用于天然气点火器电路(dinl)其它(qt)类型的光电二极管共一百二十

44、七页透射式，当不透明物质位于中间时会阻断光路，接受器产生相应的电信号。反射式，光电开关的发射与接受器件光轴在同一平面上，以某一角度相交，交点处为待测点，当有物体经过待测点时，接受元件接收(jishu)到物体表面反射的光线。光电开关结构与外形 光电开关其它(qt)类型的光电二极管共一百二十七页 1)光电二极管电路分析 光电二极管和光电三极管的电路分析方法与一般晶体三极管类似,是依据伏安特性曲线和等效电路进行分析。 从光电二极管和光电三极管伏安特性与一般晶体三极管类似,差别在于参变量不同可知,只要用光电二极管的灵敏度S=I/E(A/lx)(或S=I/(A/lm),即照度(zho d)变化E时所引起

45、的光电流变化IC,代替晶体管的电流放大系数=IC/IB,则可仿效共射极晶体三极管放大器的分析和计算方法。基本(jbn)电路分析和计算共一百二十七页 晶体管的与工作点的选择有关,工作点可由改变基极电流(dinli)IB进行控制。与此类似,光电二极管工作点由照度的平均值(例如照度从100lx变至200lx时,其平均值为150lx),以及该照度下光电二极管上的电压决定。在电压一定时,如果照度的平均值不变,则它的工作点不变;如果照度在0与最大值之间变化,则当最大值改变时,平均值或工作点也有所改变。以光电二极管作测量用时,希望光电流随光通量或照度成比例变化,且应尽量工作于线性较好的区域。基本电路分析(f

46、nx)和计算共一百二十七页 光电二极管的连接(linji)电路和伏安特性如图1所示。若光电二极管上照度的变化Ev=100+100sint(lx),为使光电二极管上有10V的电压变化,求所需的负载电阻RL和电源电压E,并给出电流和电压的变化曲线。例 与晶体管的图解法类似,找出照度(zho d)为200lx这条伏安特性曲线上的弯曲处A点,它在U轴上投影C点的电压为2V。因为照度(zho d)变至零时需改变电压10V,所以电源电压为 E=2+10=12V解基本电路分析和计算共一百二十七页图1 光电二极管GG的连接电路(dinl)和伏安特性基本电路分析(fnx)和计算共一百二十七页 在电压U轴上找到1

47、2V的点,连接、两点的直线即为所求负载(fzi)线。从图上可得A点的电流为10A,则所需负载(fzi)电阻为 与晶体管放大器图解法相似,照度变化时的电流(dinli)和电压的波形,如图 1(b)所示。如果光电二极管伏安特性的线性较好,则电流(dinli)和电压的交变分量也呈正弦变化。 基本电路分析和计算共一百二十七页 由图可知,加大负载电阻RL和电源电压E可使输出的电压变化加大,但RL增大会使时间常数增大,响应速度降低(jingd),当要求照度变化频率较高时,RL的选取要兼顾输出电压的大小和响应速度两个方面。 有时希望公用一个电源,即电源E已给定。如电压E大于计算值,这时的工作情况只要把图1的

48、负载线向右平移至给定电压E即得,不过,这时光电二极管上的功耗要增加,二极管上的电压和功耗必须在光电二极管的允许电压和最大允许功耗内。基本电路(dinl)分析和计算共一百二十七页 如图 1(a)所示的输出有时接至有隔直流电容的交流放大器,与一般(ybn)晶体管放大器类似,这时除应有直流负载线外,还需有交流负载线(可参阅有关晶体管放大器的书籍)。 光电二极管的等效电路如图 1(a)所示。在入射照度一定时,光电二极管相当于一个恒流源,图中以is表示。等效电路中的RD为反向偏置时的结电阻,CJ为结电容,Rs为光电二极管的体电阻与电极接触电阻之和,RL为负载电阻。光电二极管在电路中的作用,可以此为依据进

49、行计算。基本电路(dinl)分析和计算共一百二十七页图4-24 光电二极管的高频(o pn)等效电路 基本电路分析(fnx)和计算共一百二十七页 光电二极管的高频响应通常受三个因素的影响:结电容CJ和负载电阻RL决定的时间常数RLCJ;光生载流子的扩散时间;载流子在PN结(耗尽层)中的漂移时间。当时间常数RLCJ较大时,光电二极管的高频响应主要受RLCJ的限制。电流源Is=SEmsint由调制光照度Ev=EQ+Emsint的正弦部分产生,其中EQEm,S为光电二极管的灵敏度。因反向偏置时的结电阻RD较大,故在并联电路中的作用可忽略;Rs的值较小,在串联(chunlin)电路中的作用也可忽略,则

50、等效电路简化成图4-24(b)。例解 在图1(a)所示的电路(dinl)中,若光电二极管的结电容CJ=5pF,RL=100k,求此电路的频率特性的上限频率值。基本电路分析和计算共一百二十七页 从图可得如下(rxi)方程式: 所以(suy) （1）（2）基本电路分析和计算共一百二十七页 入射光的调制频率升高时,由于结电容的存在,负载上的电流IL会减小。当负载电流或端电压U下降(xijing)为最大(即频率为零时)值的0.707时,称该频率fH为上限频率。由(3.10)、(3.11)式可知,当满足HCJ=1/RL,即时,负载(fzi)上的电流或电压下降为最大值的0.707。则得上限频率为基本电路分

51、析和计算共一百二十七页 现已知CJ=510-12 F,RL=100k,所以上限(shngxin)频率为 可见,减小负载电阻RL,可使上限频率(pnl)fH提高。此结论对其它光电器件亦适用。基本电路分析和计算共一百二十七页光电三极管可分为测量和开关两种工作(gngzu)状态。测量工作(gngzu)状态要求电信号与光照度或光通量成比例变化,而光电三极管线性不是很好,故常用在开关工作(gngzu)状态。开关工作(gngzu)情况只有黑暗和照亮两个工作(gngzu)状态,又分输出电流和输出电压两种情况,下面分别进行讨论。 2) 光电三极管电路(dinl)分析基本电路分析和计算共一百二十七页 如图2(a

52、)所示,光电三极管的输出电流导入晶体(jngt)三极管的基极。晶体(jngt)三极管工作在导通和截止两种状态,对基极电流或光电三极管的输出电流的大小有一定的要求。若忽略晶体(jngt)管基极与发射极间的电压降,则得光电三极管的电路如图2(b)所示。照度变化(binhu)时要求有较大的输出电流变化(binhu)基本电路分析和计算共一百二十七页图2 光电三极管电路(dinl)分析 基本(jbn)电路分析和计算共一百二十七页 设光电三极管被照亮时的照度为E,它的两条简化伏安特性曲线(E=0和E=E)示于图2(c)(为了简化,特性曲线的上升部分画成与电流轴重合)。图中还给出了所允许的最大电流Imax、

53、最大电压Umax和最大耗散功率Pmax曲线。根据(gnj)图2(b)可列出电压方程为 为了简化设备,一般共用(n yn)电源,则E为已知。图中给出了同一E不同GL的四条负载线NM、NM、NM、NM。 基本电路分析和计算共一百二十七页 与它们对应的电导GLGLGLGL。由图可见,光照为E时,为使光电三极管的光电流大,负载线应在NM直线的右边,由于(yuy)不允许超过最大耗散功率,又必须在NM的左边,对应于负载线NM的电阻和电导可按如下方法求出:M点的U=0,I=IL(照度为E时的M点光电流),代入上式可得或 负载电导(din do)必须略大于 （3）基本电路分析和计算共一百二十七页 已知光照时的

54、电流IL后,欲使晶体管饱和(boh)的电阻RC亦可求出,即上式中的为晶体管电流放大系数。 现举一例说明:设图2(a)中的E=18V,光电三极管采用3DU13,它在照度(zho d)100lx时的电流IL=0.7mA。晶体管采用3DG6B,=30。根据式(3)得（取为24k)（4）基本电路分析和计算共一百二十七页 如果RC取得较大(jio d),则饱和时的集电极电流(Ic=E/RC)和基极电流都可减小,因而照度可以减低,光电三极管的电阻RL(RL=E/IL)也可取得较大。 由于光电三极管有暗电流,不能使晶体管完全截止,为使两个工作状态分别可靠,可加反向偏置电压,如图3.42(a)中的虚线部分所示

55、。而照度为E时,也应保证管子饱和导通。 根据(gnj)(4)式得 （取为910k）基本电路分析和计算共一百二十七页 电导GL一定 图3为光电三极管输出(shch)较大电压信号时的电路原理图。比较图 3(b)中的负载线NM和NM可知,它们的电导GL相同,电源电压E和E不同,当光照E足够大时(最上面一条伏安曲线),两种光照情况下的光电三极管电压都为零(M和M点的电压)。照度E=0时,光电三极管的电压各为OB和OB(A和A点的电压),因而电源电压越大,得到的电压变化越大,如果电源电压取最大允许电压Umax(也可能被允许的功耗曲线Pmax所限制,而不能达到此值),则可得到最大的电压变化。照度较大(ji

56、o d)时要求有较大(jio d)的输出电压变化基本电路分析和计算共一百二十七页图3 光电三极管输出较大电压信号(xnho)时的电路原理图基本电路(dinl)分析和计算共一百二十七页 比较负载线NM和NM,它们的电导GL和GL不同,电源电压(diny)E相同,分以下两种情况讨论: (a)照度E不大时,由图可见,当照度由E=0变至E时,对应于负载线NM的电压变化为OB;对应于负载线NM的电压变化为CB。 (b)照度E足够大时,对应于照度E的光电三极管的电压都为零(M和M点的电压)。 电源(dinyun)电压E一定基本电路分析和计算共一百二十七页 Pmax=IU为常数的图形是直角双曲线。由解析几何

57、可知,把渐近线作为坐标轴时,其切线在坐标系内的长度NM也为切点(qidin)Q所平分,即QN=QM,如图4所示。 求极限(jxin)情况下的电导和电压变化基本电路分析和计算共一百二十七页图4 Pmax=IU的直角(zhjio)双曲线图形基本电路(dinl)分析和计算共一百二十七页故可求得 (5) 如果照度变化(binhu)足够大,即从零变至Ev(见图4),则电压变化为 式中,I0为A点的暗电流。把(5)式的GL代入上式得到电压(diny)变化为 基本电路分析和计算共一百二十七页 实际运用GL远比(5)式求得的小,这是因为:电导过大有可能使光电流超过其允许值;比较图4中的负载线NM、NM可见,它们的电压相差(OB和OB之差)不大,而光电流显著减小(从OM减小到OM);由于照度波动,实际照度有可能达不到Ev。照度变化不大时,电导较小