光电信号检测第三章(二)

3.3.2

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。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。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。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。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。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/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。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。光电三极管的主要特性：伏安特性I/mA024620406080U/V500lx1000lx1500lx2000lx2500lx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。

光照特性光电三极管的主要特性：I/μAL/lx200400600800100001.02.03.0光敏晶体管的光照特性

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。温度特性光电三极管的主要特性：暗电流/mA1020305070T/ºC25

0504060光电流/mA100

02003004008010203040506070T/ºC光电三极管的温度特性

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。光电三极管的频率特性频率特性光电三极管的主要特性：RL=1kΩRL=10kΩRL=100kΩ0100100050050001000010020406080调制频率/Hz相对灵敏度/%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

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。2．暗通光电控制电路

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。

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防止闪电等短时干扰的路灯控制电路

印刷机纸张监控器可以自动监测每次印刷的纸张是否为一张，如果不是一张则发出报警讯响，停止印刷，待整理好纸张后，再开始工作。印刷机纸张监控器

光控电焊眼罩汽车车灯全自动控制器

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。3.3.3光电倍增管

Photo-Multipliertube（PMT）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）。真空光电管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。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放大倍数很高，用于探测微弱信号；光电特性的线性关系好；工作频率高；性能稳定，使用方便；供电电压高；玻璃外壳，抗震性差；价格昂贵，体积大；光电倍增管的特点

用于测量辐射光谱在狭窄波长范围内的辐射功率。用于分析仪器中，如光谱辐射仪。光电倍增管的应用1.白炽光源

用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，一般白炽灯的辐射光谱是连续的。发光范围：可见光、大量红外线和紫外线，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。3.4发光器件2.气体放电光源定义：利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。气体放电灯的光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可得到主要在某一光谱范围的辐射。

低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯的辐射波长为589nm，可被用作单色光源。如果光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层材料的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长，通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围的波长，如照明日光灯。气体放电灯消耗的能量为白炽灯1/2-1/33.4.1发光二极管(Lightemittingdiode)由半导体PN结构成，其工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。半导体中，由于空穴和电子的扩散，在PN结处形成势垒，从而抑制了空穴和电子的继续扩散。当PN结上加有正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到P区，空穴则由P区注入到N区，称为少数载流子注入。所注入到P区里的电子和P区里的空穴复合，注入到N区里的空穴和N区里的电子复合，这种复合同时伴随着以光子形式放出能量，因而有发光现象。发光二极管是少数载流子在PN结区的注入与复合而产生发光的一种半导体光源，也称作注入式场致发光光源P-AIxGa1-xAsN-AIyGa1-yAsP-GaAs光输出发光二极管的工作原理有源区圆形金属触点SiO2绝缘层SiO2绝缘层金属化层热沉双异质结层衬底限制层接合材料金属化层光纤圆形蚀刻孔金属化层(用于电接触)SiO2绝缘层双异质结热沉衬底导光层金属化层(用于电接触)条形接触(确定有源区)有源区

图3.14两类发光二极管(LED)(a)正面发光型；(b)侧面发光型发光二极管的类型：正面发光型LED和侧面发光型LED

LED的光谱特性LED的发光谱决定其发光色，目前可实现各类颜色。LED具有正的温度系数，温度升高时，发射波长红移，约为：0.2-0.3nm/度0.20.40.60.8

1.0

06007008009001000GaAsPλp=670nmλp=655nmGaAsPλp=565nmGaPλp=950nmGaAsλ/nm相对灵敏度发光二极管的光谱特性发光二极管LED的频率响应

发光二极管LED的P-I特性曲线

原理：由正向偏置电压产生的注入电流进行自发辐射而发光。4321050100150电流/mA输出光功率/mW0℃25℃70℃LED驱动电路及伏安特性

UccRLUFIFRL为限流电阻：UF和IF为二极管参数例如：GaAs电流选用20mA，GaP电流选用10mA，即可获得足够亮度。1.01.52.02.5120100806040200阈值特性与材料有关：GaAs是1.0V；GaAsP、GaAlAs约为1.5V；发红光的GaP是1.8V，发绿光的GaP是2.0V，反向击穿电压一般在-5V以上。+5VLEDReRb2Rb1VinLED信号控制电路

LED的特点及应用一、特点

1、

LED辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角大。

2、

LED的发光颜色非常丰富，通过选用不同的材料，可以实现各种发光颜色。如采用GaP:ZnO或GaAaP材料的红色LED，GaAaP材料的橙色、黄色LED，以及GaN蓝色LED等。而且通过红、绿、蓝三原色的组合，可以实现全色化。

3、LED的辉度高。随着各种颜色LED辉度的迅速提高，即使在日光下，由LED发出的光也能辨认。正是基于这一优势，在室外用信息板、广告牌、道路通行状况告示牌等方面的应用正迅速扩大。

4、LED的单元体积小。在其他显示器件不能使用的极小的范围内也可使用，再加上低电压、低电流驱动的特点，作为电子仪器设备、家用电器的指示灯、信号灯的使用范围还会进一步扩大。

5、寿命长，基本上不需要维修。可作为地板、马路、广场地面的信号光源，是一个新的应用领域二、应用

1、指示灯

2、数字显示用显示器利用LED进行数字显示，有点矩阵型和字段型两种方式。点矩阵型数字显示字段型数字显示树脂反射框引线框架LED芯片

3、平面显示器

LED平面显示器可分为单片型、混合型及点矩阵型等几大类。

4、光源

LED除用做显示器件外，还可用做各种装置、系统的光源。例如HBLED。梅曼和第一只激光器3.4.2激光器

2、按工作方式分类

连续式（功率可达104W）脉冲式（瞬时功率可达1017W/cm2

）激光器的种类：

固体（如红宝石Al2O3）液体（如某些染料）气体（如He-Ne、CO2）半导体（如砷化镓GaAs）自由电子激光器1、按工作物质分类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——激励能源——光学谐振腔产生激光必要条件1.实现粒子数反转２.使原子被激发３.要实现光放大

激光的形成过程

工作物质

激励、受激辐射自激振荡增益

外界能量注入（泵浦）

光学谐振腔部分反射镜全反射镜光学谐振腔一、气体激光器He-Ne气体激光器He-Ne激光器中He是辅助物质，Ne是激活物质，He与Ne之比为5∶110∶1。Ne原子可以产生多条激光谱线,最强的三条:

0．6328ｍ、1．15m、3．39ｍ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

1960年5月15日，加州休斯实验室的梅曼（T.H.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。红宝石激光器灯泵浦Nd:YAG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。灯泵浦Nd:YAG激光器

固体激光器1kW的脉冲Nd:YAG激光器液体激光器三、染料激光器半导体激光器四、半导体激光器（LD，LaserDiode）半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。LD的工作原理和基本结构(a)光强的角分布；(b)辐射光束典型半导体激光器的远场辐射特性，图中θ‖和θ⊥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短波长AlGaAs/GaAs半导体激光器的光功率特性五、激光器的基本特性1、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的激光。He-Ne激光器产生的632.8nm谱线，线宽只有10-9nm。

光缆

普通光源中单色性最好的用来作为长度基准器的氪灯(Kr86)，其谱线宽度为4.7×10-3nm。激光的单色性比一般光要高出106～107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。单色性决定物质对激光能量的吸收和精细聚焦的可能性；CO2：10.6μmCO：5.4μmYAG：1.06μm准分子：0.24μm；

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，可以小于或等于10-3-10-5弧度。激光通过直径为D的孔径时，由于衍射会产生一定发散：2、方向性好HeNe气体激光：3×10-4rad；

固体激光：10-2rad

半导体激光：5°-10°。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。3、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。4、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。3.5光电耦合器件光电科学系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。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。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。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。β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2、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。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。光电耦合器件光电耦合继电器光电隔离器（传感器）3.6光电位置敏感器件（PSD）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：P层i层0AxA②①③I1I2I0N层LL入射光3.7光热辐射检测器件1、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。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