光电检测器件

光电检测器件第一页，共一百二十六页，2022年，8月28日1光电器件的分类一、按工作波段分紫外光探测器可见光探测器红外光探测器二、按应用分换能器将光信息（光能）转换成电信息（电能）非成像型光信息转换成电信息探测器变像管成像型像增强器摄像管真空摄像管固体成像器件CCD第二页，共一百二十六页，2022年，8月28日2探测器件热光电探测元件光电探测元件气体光电探测元件外光电效应内光电效应非放大型放大型光电导探测器光磁电效应探测器光生伏特探测器本征型掺杂型非放大放大型真空光电管充气光电管光电倍增管变像管摄像管像增强器光敏电阻红外探测器光电池光电二极管光电三极管光电场效应管雪崩型光电二极管第三页，共一百二十六页，2022年，8月28日33.1光敏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。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。第四页，共一百二十六页，2022年，8月28日43.1.1、光敏电阻的结构及工作原理UbbIpIp金属电极光电导材料入射光光敏电阻原理及符号光敏电阻符号工作原理第五页，共一百二十六页，2022年，8月28日5UIp电极入射光当入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-Id第六页，共一百二十六页，2022年，8月28日6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。光电流Ip=ΔσSU/L第七页，共一百二十六页，2022年，8月28日7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第八页，共一百二十六页，2022年，8月28日8三种形式⑴梳状式玻璃基底上蒸镀梳状金属膜而制成；或在玻璃基底上面蚀刻成互相交叉的梳状槽，在槽内填入黄金或石墨等导电物质，在表面再敷上一层光敏材料。如图所示。绝缘基底光电导体膜第九页，共一百二十六页，2022年，8月28日9⑵刻线式在玻璃基片上镀制一层薄的金属箔，将其刻划成栅状槽，然后在槽内填入光敏电阻材料层后制成。其结构如下图所示。注意：与梳状式的区别第十页，共一百二十六页，2022年，8月28日10⑶涂膜式在玻璃基片上直接涂上光敏材料膜后而制成。其结构如右下图所示。2、光敏电阻在电路中的符号第十一页，共一百二十六页，2022年，8月28日11注意：灵敏度与光电增益的区别（1）灵敏度是光电导体在光照下产生光电导能力的大小。（2）增益指在工作状态下，各参数对光电导效应的增强能力。材料特性结构参数第十二页，共一百二十六页，2022年，8月28日12工作性能特点：光谱响应范围相当宽。可见光、红外、远红外、紫外区域工作电流大，可达数毫安。所测光电强度范围宽，既可测弱光，也可测强光灵敏度高，光电增益可以大于1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。第十三页，共一百二十六页，2022年，8月28日13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。第十四页，共一百二十六页，2022年，8月28日143.1.2、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，γ为光照指数，与材料的入射光强弱有关，对CdS光电导体，弱光照射下γ=1，强光下γ=0.5；U为光敏电阻两端所加电压，α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α=1，非欧姆接触时αSg为光电导灵敏度，单位S/lxOI光ECdS的光电特性对CdS光电导体，弱光照射下γ=1，强光下γ=0.5；为什么？光照增强的同时，载流子浓度不断的增加，同时光敏电阻的温度也在升高，从而导致载流子运动加剧，因此复合几率也增大，光电流呈饱和趋势。（冷却可以改善）第十五页，共一百二十六页，2022年，8月28日152、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/mA510050100lx10lx250mW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时就不成线性了。

第十六页，共一百二十六页，2022年，8月28日163.1.2、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。第十七页，共一百二十六页，2022年，8月28日173.1.2、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。温度特性第十八页，共一百二十六页，2022年，8月28日183.1.2、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小时后第十九页，共一百二十六页，2022年，8月28日19

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第二十页，共一百二十六页，2022年，8月28日203.1.2、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-PbS第二十一页，共一百二十六页，2022年，8月28日213.1.2、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。时间特性与光照度、工作温度有明显的依赖关系。Τ’rΤ’fEtOi(%)tO1006337τrτf矩形光脉冲10lx100lx第二十二页，共一百二十六页，2022年，8月28日223.1.2、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线覆盖了整个可见光区，峰值波长在515～600nm之间。尤其硫化镉（2）的峰值波长与人眼的很敏感的峰值波长（555nm）是很接近的，因此可用于与人眼有关的仪器。1-Se；2-CdS；3-TlS；4-PbS第二十三页，共一百二十六页，2022年，8月28日233.1.2、光敏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。第二十四页，共一百二十六页，2022年，8月28日241、常用光敏电阻CdS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。PbS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Dλ*=1.5Χ1011cm·Hz1/2/w。缺点主要是响应时间太长，室温条件下100-300uS。内阻约为1MΩ，锑化铟（InSb）光敏电阻：长波限7.5um，内阻低（约50Ω），峰值探测率Dλ*=1.2Χ1011cm·Hz1/2/w。时间常数0.02uS。零度时探测率可提高2-3倍。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.碲锡铅（PbSnTe）系列光敏电阻：不同的锡组分比例，响应波长不同。主要用在8-10um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第二十五页，共一百二十六页，2022年，8月28日252、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=SgΦ即对R求导得到负号表示电阻是随输入辐射的增加而减小。当光通量变化时，电阻变化ΔRp，电流变化ΔI，即有：

即第二十六页，共一百二十六页，2022年，8月28日262、基本偏置电路3.1.3、光敏电阻的应用电路URLULI输出电压第二十七页，共一百二十六页，2022年，8月28日273.1.3、光敏电阻的应用电路1、火焰检测报警器R12kΩ中心站放大器VDW6VR2200kΩR3PbSC168nFC268uFR43.9MΩR5820kΩR71kΩR832kΩR63.9kΩR9150kΩC44.7nF+C3100uFV1V2V3PbS光敏电阻：Rd=1MΩ,Rl=0.2MΩ，峰值波长2.2um。恒压偏置电路高输入阻抗放大电路Vo第二十八页，共一百二十六页，2022年，8月28日28快门按钮驱动单元UthURUth=???UR=???+_ARp210kΩRp110kΩR2300ΩR15.1kΩC11uFMVDVRCdSUbb3.1.3、光敏电阻的应用电路2、照相机电子快门第二十九页，共一百二十六页，2022年，8月28日293、照明灯的光电控制电路3.1.3、光敏电阻的应用电路CKVDRCdS常闭灯~220V半波整流测光与控制执行控制第三十页，共一百二十六页，2022年，8月28日303.1.4、光敏电阻使用的注意事项测光的光源光谱特性与光敏电阻的光敏特性相匹配。要防止光敏电阻受杂散光的影响。要防止使光敏电阻的电参数(电压,功耗)超过允许值。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γ大的光敏电阻。模拟信息传输:则以选用γ值小、线性特性好的光敏电阻。第三十一页，共一百二十六页，2022年，8月28日31分类按用途太阳能光电池：用作电源（效率高，成本低）测量用光电池：探测器件（线性、灵敏度高等）按材料硅光电池：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薄膜光电池：CdS增强抗辐射能力紫光电池：PN结非常薄：0.2-0.3µm,短波峰值600nm3.2光电池第三十二页，共一百二十六页，2022年，8月28日32光电池是一种利用光生伏特效应制成的不需加偏压就能将光能转化成电能的光电器件。3.2.1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、下电极的区分符号第三十三页，共一百二十六页，2022年，8月28日333.2.2硅光电池的特性参数1、光照特性伏安特性由光电池的电流方程：

Rs很小，可忽略，上式变为：RsRLVDIpI+ILRLVDILIp=Sg·E第三十四页，共一百二十六页，2022年，8月28日341、光照特性3.2.2硅光电池的特性参数负载电流ILERL1RL2RL3RL4RL4RL5RL=∞RL=0Voc1Voc5Isc1Isc2Isc3Isc4Is当IL=0时一般Ip>>Is,

当RL=0时，Isc=Ip=Sg·E下面看两个关系：当E=0时第三十五页，共一百二十六页，2022年，8月28日351、Voc，Isc与E的关系：当IL=0，RL=∞时一般Ip>>Is,且Ip=Sg·E

3.2.2硅光电池的特性参数用于光电池检测当V=0，RL=0时，第三十六页，共一百二十六页，2022年，8月28日362、Isc与E和RL的关系：3.2.2硅光电池的特性参数RL=120ΩRL=2.4kΩRL=12kΩE/lxJ/uA·mm2

当RL=0时，

Isc=Ip=Sg·E

当RL不为0时RLVDIL第三十七页，共一百二十六页，2022年，8月28日37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第三十八页，共一百二十六页，2022年，8月28日382、输出特性3.2.2硅光电池的特性参数RL/Ω0100200300400500Voc/VIsc/mA400200

010080400PLVocILRMUL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，光电池以电流使用。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。第三十九页，共一百二十六页，2022年，8月28日393、光谱特性3.2.2硅光电池的特性参数第四十页，共一百二十六页，2022年，8月28日404、温度特性3.2.2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。第四十一页，共一百二十六页，2022年，8月28日413.2.3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。第四十二页，共一百二十六页，2022年，8月28日42光电池与外电路的连接方式3.2.3硅光电池的应用-10VVociC3DG62CR×21kΩ硅三极管的放大光电流电路-10VVociC3AX42CR锗三极管的放大电路1kΩ光电池作缓变信号检测时的变换电路举例第四十三页，共一百二十六页，2022年，8月28日43硅三极管放大光电流的电路+4VVociC3DG7A2CR1kΩ2AP7100Ω3.2.3硅光电池的应用+_Δ∞VocRf2CR采用运算放大器的电路光电池的变换电路举例第四十四页，共一百二十六页，2022年，8月28日441．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。逆变器

交流负载

直流负载太阳能电池电源系统阻塞二极管

调节控制器太阳电池方阵第四十五页，共一百二十六页，2022年，8月28日45第四十六页，共一百二十六页，2022年，8月28日46(a)光电追踪电路+12VR4R3R6R5R2R1WBG1BG2图(a)为光电池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。光电池在检测和控制方面应用中的几种基本电路第四十七页，共一百二十六页，2022年，8月28日47BG2BG1+12VCJR1R2(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。第四十八页，共一百二十六页，2022年，8月28日48(c)光电池触发电路R1R2R3R4R5R6BG1BG2BG3BG4C1C2C3+12VW

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。第四十九页，共一百二十六页，2022年，8月28日49+12V5G23(d)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。第五十页，共一百二十六页，2022年，8月28日50220VC1路灯CJD-108V200μF200μFC2C3100μFR1R3R5R7R4R6R7R2J470kΩ200kΩ10kΩ4.3kΩBG1280kΩ25kΩ57kΩ10kΩ路灯自动控制器BG2BG3BG42CR第五十一页，共一百二十六页，2022年，8月28日51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第五十二页，共一百二十六页，2022年，8月28日523.3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基本结构相同，由一个PN结；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1012~1013/cm3，Ω/cm，光电二极管1000Ω/cm。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：硅、锗、PIN、APD第五十三页，共一百二十六页，2022年，8月28日533.3光电二极管与光电三极管光电二极管的工作原理NP光+_外加反向偏压符号第五十四页，共一百二十六页，2022年，8月28日54光电二极管的基本结构3.3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级后级环级VARLhν等效电路第五十五页，共一百二十六页，2022年，8月28日55光电二极管的伏安特性IUOE2>E1>E0E0E1E3加正向偏压时，表现为单向导电性。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。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E=200lxE=400lx第五十六页，共一百二十六页，2022年，8月28日56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。第五十七页，共一百二十六页，2022年，8月28日57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/mA1020305070T/ºC250504060第五十八页，共一百二十六页，2022年，8月28日58光电二极管的典型应用电路应用电路EhνRLVoRL+EVohν第五十九页，共一百二十六页，2022年，8月28日59光电二极管的典型应用电路电流放大型VoRf2CR+_ACRf2CRVo+_ARLRf电压放大型第六十页，共一百二十六页，2022年，8月28日60PIN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。PIN光电二极管P-SiN-SiI-SiPIN管结构示意图第六十一页，共一百二十六页，2022年，8月28日61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。第六十二页，共一百二十六页，2022年，8月28日62

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100～200V，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100GHz，是目前响应速度最快的一种光电二极管。

雪崩光电二极管(APD)第六十三页，共一百二十六页，2022年，8月28日63雪崩光电二极管(APD)原理图第六十四页，共一百二十六页，2022年，8月28日64APD的缺点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。第六十五页，共一百二十六页，2022年，8月28日65思考题某光敏电阻与负载电阻RL=2kΩ串接于12伏的直流电源上，无光照时负载电阻上的输出电压为u1=20mV，有光照时负载上的输出电流u2=2V，试求：光敏电阻的暗电阻和亮电阻值；若光敏电阻的光导灵敏度S=6×10-6s/lx，求光敏电阻所受的照度？第六十六页，共一百二十六页，2022年，8月28日663.3.2光电三极管的基本结构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。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出线（有的没有）。制作材料一般为半导体硅，管型为NPN型，国产器件称为3DU系列。第六十七页，共一百二十六页，2022年，8月28日67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。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。所以光电晶体管多用来作光电开关元件或光电逻辑元件。第六十八页，共一百二十六页，2022年，8月28日68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。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＋β）Ip）β为电流放大倍数。因此，光电晶体管的电流放大作用与普通晶体管在上偏流电路中接一个光电二极管的作用是完全相同的。第六十九页，共一百二十六页，2022年，8月28日69发射极集电极基极发射极集电极光电三极管的工作原理cbeIcIpIbVo光敏三极管的结构原理、工作原理和电气图形符号第七十页，共一百二十六页，2022年，8月28日70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基本应用电路第七十一页，共一百二十六页，2022年，8月28日71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第七十二页，共一百二十六页，2022年，8月28日72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。光谱特性入射光硅锗λ/nm40080012001600相对灵敏度/%100806040200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。第七十三页，共一百二十六页，2022年，8月28日73伏安特性伏安特性光电三极管的伏安特性曲线如图所示。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/V500lx1000lx1500lx2000lx2500lx第七十四页，共一百二十六页，2022年，8月28日74I/μAL/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klx)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。光照特性第七十五页，共一百二十六页，2022年，8月28日75暗电流/mA1020305070T/ºC250504060光电流/mA10002003004008010203040506070T/ºC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。温度特性第七十六页，共一百二十六页，2022年，8月28日76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=1kΩRL=10kΩRL=100kΩ0100100050050001000010020406080调制频率/Hz相对灵敏度/%光电三极管的频率特性频率特性第七十七页，共一百二十六页，2022年，8月28日77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。JR2R1A3DG12VJR2R1A3DG12V第七十八页，共一百二十六页，2022年，8月28日78

当有光线照射于光电器件上时，使继电器有足够的电流而动作，这种电路称为亮通光电控制电路，也叫明通控制电路。最简单的亮通电路如图所示。

1．亮通光电控制电路第七十九页，共一百二十六页，2022年，8月28日79如果光电继电器不受光照时能使继电器动作，而受光照时继电器释放，则称它为暗通控制电路。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。2．暗通光电控制电路第八十页，共一百二十六页，2022年，8月28日80

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第八十一页，共一百二十六页，2022年，8月28日813.5光电耦合器件第八十二页，共一百二十六页，2022年，8月28日82光电耦合器件的工作原理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。第八十三页，共一百二十六页，2022年，8月28日83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。第八十四页，共一百二十六页，2022年，8月28日84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、输入阻抗低，分得噪声电压小，抑制输入端的噪声干扰；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、采用光耦合，且密封安装，抑制外界杂散光干扰；4、寄生电容小(0.5pF-2pF)，绝缘电阻大(105-107MΩ)，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。第八十五页，共一百二十六页，2022年，8月28日85光电耦合器件的主要参数1、电流传输比βIc/mAIc3Ic2Ic1Uc/VIF3IF2IF1Q3Q2Q1ΔIFΔIFΔIFQIFO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：如果在小信号下，交流电流传输比用微小变量定义：β在饱和区和截止区都变小。第八十六页，共一百二十六页，2022年，8月28日86β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β有如图示的变化。43210

50100150

电流/mA输出功率/mW发光二极管的P-I曲线β01020304050607012010080604020IF/mAIF与β的关系曲线第八十七页，共一百二十六页，2022年，8月28日872、最高工作频率，f/MHz相对输出1.00.7070fm1fm2fm3RL1>RL2>RL3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。第八十八页，共一百二十六页，2022年，8月28日88光电耦合器件的应用1、代替脉冲变压器耦合信号，带宽宽，失真小。2、代替继电器，无断电时的冲击电流和触点抖动。3、完成电平匹配和电平转换功能。4、用于计算机作为光电耦合接口器件，提高可靠性。5、饱和压降低，代替三极管做为开关元件。6、在稳压电源中，作为过电流自动保护器件，简单可靠。第八十九页，共一百二十六页，2022年，8月28日89光电耦合器件光电耦合继电器光电隔离器（传感器）第九十页，共一百二十六页，2022年，8月28日903.6光电位置敏感器件（PSD）第九十一页，共一百二十六页，2022年，8月28日91P层i层0AxA②①③I1I2I0N层LL入射光1、一维光电位置敏感器件（PSD）的工作原理依图中所示，电流I0、I1、I2、入射光位置xA和电极间距2L之间有如下关系：其中，P型层电阻是均匀的。一维PSD器件可用来测量光斑在一维方向上的位置和位置移动量。第九十二页，共一百二十六页，2022年，8月28日923.7光热辐射检测器件第九十三页，共一百二十六页，2022年，8月28日931、热敏电阻热敏电阻热敏电阻是用金属氧化物或半导体材料作为电阻体的温敏元件。有三种基本类型：正温度系数，PTC负温度系数，NTC临界温度系数CTC特点：温度系数大、灵敏度高电阻值大、引线电阻可忽略体积小，热响应快，廉价互换性差、测温范围窄在汽车、家电领域得到大量应用第九十四页，共一百二十六页，2022年，8月28日94半导体对光的吸收本征和杂质吸收产生光生载子晶格吸收、自由电子吸收不产生光生载子光电导率变化，伴随少量的热能产生热能产生，温升造成电阻值变化光敏电阻热敏电阻第九十五页，共一百二十六页，2022年，8月28日95负温度系数热敏电阻和金属材料温度特性比较热敏电阻的电阻与温度关系为：A，C，D为与材料有关的常数。电阻随温度的变化规律为：对负温度系数材料：第九十六页，共一百二十六页，2022年，8月28日96热敏电阻的基本结构电极引线黏合剂发黑材料热敏元件衬底导热基体第九十七页，共一百二十六页，2022年，8月28日97第九十八页，共一百二十六页，2022年，8月28日98热敏电阻应用范围家用电器（如空调机、微波炉、电风扇、电取暖炉等）的温度控制与温度检测办公自动化设备（如复印机、打印机等）的温度检测或温度补偿。工业、医疗、环保、气象、食品加工设备的温度控制与检验。仪表线圈、集成电路、石英晶体振荡器和热电偶的温度补偿。热敏电阻特点稳定性好、可靠性高。阻值范围宽：0.1～1000KΩ阻值精度高。第九十九页，共一百二十六页，2022年，8月28日99热电偶又称温差电偶，1826年就出现。其工作原理是热电效应。热电偶是温度测量中应用最普遍的测温器件，它的特点是测温范围宽，性能稳定，有足够的测量精度，能够满足工业过程温度测量的需要；结构简单，动态响应好；输出为电信号，可以远传，便于集中检测和自动控制。2、热电偶检测器第一百页，共一百二十六页，2022年，8月28日100热电偶工作原理热端T+ΔT冷端TABII温差热电偶T+ΔTJ1BAJ2IGΦc辐射热电偶T+ΔTNPTTRLI+_涂黑金箔半导体辐射热电偶基于温差热电效应，多用于测温，采用金属材料制成，用于探测入射辐射，温升小，对材料的要求高，结构严格且复杂，成本高。P型半导体冷端带正电，N型半导体冷端带负电，最小可检测功率一般为10-11W。第一百零一页，共一百二十六页，2022年，8月28日101热电堆工作原理光热端冷端涂黑金箔mVRL热电堆提高了热电偶的响应时间和灵敏度。其结构是多个热电偶串联。热电堆的灵敏度为每个热电偶灵敏度的和。总结：热电偶型红外辐射探测器的时间常数较大，响应时间长，动态特性差，被测辐射变化频率一般应在10Hz以下。第一百零二页，共一百二十六页，2022年，8月28日102第一百零三页，共一百二十六页，2022年，8月28日103应用范围适合高低温环境温度测量。如：在陶瓷生产中热电偶是热工监测与测试的计量工具。第一百零四页，共一百二十六页，2022年，8月28日1043、热释电器件热释电器件利用热释电效应制成的热或红外辐射检测器件，具有以下优点：宽的频率响应，工作频率可近兆赦兹，一般热检测器时间常数典型值在1-0.01s范围内。而热释电器件的有效时间常数可低至10-4-3×10-5s。检测率高，有大面积均匀的敏感面，工作时不接外偏置。与热敏电阻比，受环境温度变化影响小。热释电器件的强度和可靠性比其它多数热检测器好，制造容易。第一百零五页，共一百二十六页，2022年，8月28日105

“自发极化的电介质，其自发极化强度Ps（单位面积上的电荷量）与温度存在着如下关系：当温度升高时，极化强度减低，当温度升高一定值时，自发极化消失，这个温度称为”居里点“。在居里点以下，Ps是温度t的函数，利用这一关系制造出热释电器件，温度的升高，电极化强度减小，相当于热”释放了“部分电荷，可由放大器转变成电压输出。TcPsTOPsTOTc

热释电器件不同于其它光电器件的特点：在恒定辐射作用情况下输出信号电压为零。只有在交变辐射作用下才会有信号输出。第一百零六页，共一百二十六页，2022年，8月28日106热释电红外线传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成的探测元件。电源开关控制、防盗防火报警、自动览测。适合交变的信号测量。第一百零七页，共一百二十六页，2022年，8月28日107第一百零八页，共一百二十六页，2022年，8月28日108光电倍增管

Photo-Multipliertube（PMT）第一百零九页，共一百二十六页，2022年，8月28日109真空光电管90VDC直流放大阴极R-+光束e阳极丝（Ni）抽真空阴极表面可涂渍不同光敏物质：高灵敏(K,Cs,Sb其中二者)、红光敏(Na/K/Cs/Sb,Ag/O/Cs)、紫外光敏、平坦响应(Ga/As，响应受波长影响小)。产生的光电流约为硒光电池的1/10。优点：阻抗大，电流易放大；响应快；应用广。缺点：有微小暗电流（Darkcurrent，40K的放射线激发）。第一百一十页，共一百二十六页，2022年，8月28日110光电倍增管的结构及工作原理光电阴极阳极倍增极阴极在光照下发射出光电子，光电子受到电极间电场作用获得较大能量打在倍增电极上，产生二次电子发射，经过多极倍增的光电子到达阳极被收集而形成阳极电流，随光信号的变化。在倍增极不变的条件下，阳极电流随光信号变化。第一百一十一页，共一百二十六页，2022年，8月28日111光电倍增管（photomultipliertube,PMT）石英套光束1个光子产生106~107个电子栅极，Grill阳极屏蔽光电倍增管示意图共有9个打拿极(dynatron)，所加直流电压共为9010V光电倍增管是建立在光电子发射效应、二次电子发射效应和电子光学理论的基础上，能够将微弱光信号转换成光电子并获得倍增效应的真空光电发射器件。第一百一十二页，共一百二十六页，2022年，8月28日112一．结构与原理

光电倍增管由光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极等五个主要部分组成，其外形如图3.1.1-1所示。侧窗式端窗式光电倍增管光电倍增管第一百一十三页，共一百二十六页，20