光电信息转换器件

光电信息转换器件第一页，共九十八页，编辑于2023年，星期五

3．光伏效应。在入射光能量作用下能使物体产生一定方向的电动势。以PN结为例，由于光线照射PN结而产生的电子和空穴，在内电场作用下分别移向N和P区，从而对外形成光生电动势。相应器件：光电池、光敏二极管（PD、PIN、APD）、光敏三极管等。

4．光电热效应。光照引起材料温度发生变化而产生电流的现象。相应器件：热电探测器。第二页，共九十八页，编辑于2023年，星期五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，共九十八页，编辑于2023年，星期五光电器件的分类一、按工作波段分二、按应用分将光信息（光能）转换成电信息（电能）换能器：探测器非成像型：光信息转换成电信息成像型变像管像增强器摄像管固体成像器件CCD、CMOS真空摄像管紫外光探测器、可见光探测器、红外光探测器第四页，共九十八页，编辑于2023年，星期五光电信息转换器件的主要特性和参数如下：1．光电特性——

IФ[光电流]＝F（Ф）[光通量]2．光谱特性——IФ[光电流]＝F（λ）[入射光波长]3．伏安特性——

IФ[光电流]＝F（Ｕ）[电压]4．频率特性——

IФ[光电流]＝F（f）[入射光调制频率]——导致电子瓶颈的主要原因5．暗电流——

Ф＝0时光电信息转换器件输出的电流，有时称为IФ=06．灵敏度——对于复色光:S(积分灵敏度)=ΔI/ΔФ

对于单色光:S（λ）(光谱灵敏度)＝ΔI（λ）/ΔФ（λ）光通量变化量所致的光电流变化量的大小§3.1光电信息转换器件第五页，共九十八页，编辑于2023年，星期五光电倍增管由光窗、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。侧窗式端窗式一、结构与原理§3.1.1光电倍增管第六页，共九十八页，编辑于2023年，星期五K光电阴极电子光学系统倍增极阳极原理图图3.1.1-2多级倍增管的工作原理第七页，共九十八页，编辑于2023年，星期五1．光窗光窗是入射光的通道，是对光吸收较多的部分。常用的光窗材料有钠钙玻璃和熔凝石英等。2．光电阴极它的作用是接收入射光，向外发射光电子。制作光电阴极的材料多是化合物半导体。3．电子光学系统任务：（1）使前一级发射出来的电子尽可能没有散失地落到下一个倍增极上，使下一级的收集率接近于1；（2）使前一级各部分发射出来的电子，落到后一级上时所经历的时间尽可能相同。第八页，共九十八页，编辑于2023年，星期五4．倍增系统每个倍增极由二次电子倍增材料构成。光电倍增管是利用二次电子发射（高速电子打到金属表面，由于电子的动能被金属吸收，改变了金属原子内电子能量的状态，使有些电子从金属表面逸出）现象制成的。如果每个电子落到某一倍增极上从该倍增极打出σ个二次电子，那么很明显地：式中，I——阳极电流；

i0——光阴极发出的光电流；

n———光电倍增极的级数。第九页，共九十八页，编辑于2023年，星期五光电倍增管的电流放大系数β可用下式表示：5.阳极用来收集末级倍增极发射出来的电子。现在普遍采用金属网来作阳极，靠近末级倍增极附近。倍增系统有聚焦型和非聚焦型两类（根据两极间的电子运动轨迹是否平行分类）。第十页，共九十八页，编辑于2023年，星期五盒第十一页，共九十八页，编辑于2023年，星期五第十二页，共九十八页，编辑于2023年，星期五倍增极结构形式特点聚焦型直瓦片式极间电子渡越时间零散小，但绝缘支架可能积累电荷而影响电子光学系统的稳定性圆瓦片式结构紧凑，体积小，但灵敏度的均匀性差些。非聚焦型百叶窗式工作面积大，与大面积光电阴极配合可制成探测弱光的倍增管，但极间电压高时，有的电子可能越级穿过，收集率较低，渡越时间差异较大。盒栅式收集率较高（可达95%），结构紧凑，但极间电子渡越时间差异较大。第十三页，共九十八页，编辑于2023年，星期五

二、光电倍增管的特性1．光电特性

2．光谱特性

3．伏安特性

4．放大特性

5．频率特性（可达1MHZ以上）

6．疲乏特性

7．暗电流Iφ=0第十四页，共九十八页，编辑于2023年，星期五1．光电特性

RLAD4D3D2D1

KR5R4R3R2R1

+-

特点：线性增加，然后偏离直线。

第十五页，共九十八页，编辑于2023年，星期五2．光谱特性特点：带内响应，带外截止，并有峰值存在(图所示的光电阴极：锑钾铯Sb-K-Cs）。

RLAD4D3D2D1

KR5R4R3R2R1

+-第十六页，共九十八页，编辑于2023年，星期五表示阳极电流Ia对于最后一级倍增极和阳极间的电压U的关系。作此曲线时，其余各电极的电压保持恒定。特点：（1）光通量不变，曲线由上升至饱和。

（2）电压不变，阳极电流随光通量增加3．伏安特性第十七页，共九十八页，编辑于2023年，星期五放大特性是指电流放大系数β或灵敏度随电源电压U增大的关系。4．放大特性5.频率特性（可达1MHZ以上）特点：随着电源电压升高，放大系数或灵敏度增大。第十八页，共九十八页，编辑于2023年，星期五

疲劳指在工作过程中灵敏度降低。6．疲劳特性特点：随阳极电流的增大，灵敏度下降随使用时间的增长，灵敏度下降

RLAD4D3D2D1

KR5R4R3R2R1

+-

1-20分钟；2-40分钟阳极电流对灵敏度的影响示意图第十九页，共九十八页，编辑于2023年，星期五暗电流Iφ=0的来源：光电阴极和光电倍增极的热电子发射。温度T越高，热电子发射越多，则暗电流越大。如果需要较小的暗电流，可通过冷却光电倍增管来减小暗电流。暗电流的另一组成部分是光电倍增管的漏电流。7．暗电流第二十页，共九十八页，编辑于2023年，星期五三、光电倍增管的供电电路

1．电阻链分压型供电电路

光电倍增管具有极高的灵敏度和快速响应等特点，使它在光谱探测和极微弱快速光信息的探测等方面成为首选的光电探测器。图3.1.1-6所示为典型光电倍增管的电阻分压式供电电路。电路由11个电阻构成电阻链分压器，分别向10级倍增极提供电压UDD。第二十一页，共九十八页，编辑于2023年，星期五

当入射辐射信号为高速的迅变信号或脉冲时，末3级倍增极电流变化会引起较大UDD的变化，引起光电倍增管增益的起伏，将破坏信息的变换。在末3极并联3个电容C1、C2与C3，通过电容的充放电过程使末3级电压稳定。2．末极的并联电容第二十二页，共九十八页，编辑于2023年，星期五分压器电流一般应大于阳极电流的20倍。但过分增大分压器电流，假如分压器又靠近管子，则管子受到分压器的加热而增大暗电流和噪声。分压器电阻的功率应为计算功率的2倍，这样可预防由于电阻发热而引起阻值改变。输出大脉冲电流（如100毫安以上），用一般分压器会出现饱和，这时可使后面几级间的分压电阻为前面的几倍至十几倍，饱和电流会大大提高。

极间电容计算。设输出脉冲为矩形波，如要求极间电压变化小于1％，则旁路电容值的大小可按下式计算五、分析与计算（课本100页）第二十三页，共九十八页，编辑于2023年，星期五式中

Ia——阳极电流脉冲幅度（安）；

Δt——脉冲宽度（秒）；

U

——阳极与最后一级（末级）倍增极之间的电压（伏）；

C

——储能电容（法拉）。阳极与最后一级倍增级之间的电容值：前几级的电容值根据倍增级电流与阳极电流的比值相应减小。第二十四页，共九十八页，编辑于2023年，星期五第二十五页，共九十八页，编辑于2023年，星期五五、光电倍增管的典型应用1．光谱探测领域的应用光电倍增管不但具有极高的光电灵敏度、极快的响应速度、极低的暗电流和噪声，还能够在很大范围内调整内增益。因此，它在微光探测、快速光子计数和微光时域分析等领域得到广泛的应用。（1）发射光谱发射光谱分析仪的基本原理如图3.1.1-7所示。6、光电倍增管第二十六页，共九十八页，编辑于2023年，星期五（2）吸收光谱

吸收光谱仪是光谱分析中的另一种重要的仪器。吸收光谱仪的原理图如图3.1.1-8所示，它与发射光谱仪的主要差别是光源。发射光谱仪的光源为被测光源，而吸收光谱仪的光源为已知光谱分布的光源。吸收光谱仪与发射光谱仪相比，它比发射光谱仪多一个承载被测物的样品池。7、光电倍增管第二十七页，共九十八页，编辑于2023年，星期五检测气体检测牛奶检测火山灰检测水质检测尾气第二十八页，共九十八页，编辑于2023年，星期五2．时间分辨荧光免疫分析中的应用

荧光标记是一种非放射性标记，已成为现代分析检测中的重要手段。

1983年，由Pettersson和Eskola等提出了用时间分辨荧光免疫分析（Time-ResolvedFluoroImmunoAssay,TRFIA）法测定人绒毛膜促性腺激素和胰磷脂酶在临床医学研究中的应用，在20多年中，获得迅速发展。成为最有发展前途的一种全新的非同位素免疫分析技术。（1）时间分辨荧光免疫分析法TRFIA的原理

时间分辨荧光免疫分析法是用镧系元素为标记物，标记抗原或抗体，用时间分辨技术测量荧光，同时利用波长和时间两种分辨，极其有效地排除了非特异荧光的干扰，大大地提高了分析灵敏度。第二十九页，共九十八页，编辑于2023年，星期五图3.1.1-10所示为载荷配位体β-NTA的螯合物荧光时间特性。图中，激发光刚刚结束的时刻为初始时刻t=0，在最初的很短时间内，短寿命荧光很快结束，长寿命荧光在400ns时间内也会消失或降低到很低的程度，而有用的荧光出现在400ns~800ns时间段内（图中斜线所标注的时间段）。在800ns~1000ns时间内有用的荧光将衰减到零。1000ns后开始新的循环。第三十页，共九十八页，编辑于2023年，星期五前沿：光电探测器——微通道板（MicrochannelPlate，MCP）

MCP是近些年发展起来的新一代光电成象器件，可将微弱电子图像或信号均匀放大到104倍以上。它是由数百万个内壁镀有半导体层的内径约为10μm的微管规则排列熔压而形成的二维阵列，厚度约为1mm，两端抛光并附有一块光阴极板，当光阴极受到一幅图象光的照射时，各点上根据图象的明暗发射强弱不同的光子流，通入到相应毛细管微通道中而获得电子的倍增，在MCP的另一面上敷有一层荧光层，在受到微通道管中出射的电子轰击时发光，最后得到一个增强的光学图象。第三十一页，共九十八页，编辑于2023年，星期五目前微通道板的应用已从微光夜视仪拓展到高速示波器、高速摄影、高速开关、高速光电倍增管、各种带能粒子探测器等领域，特别是在空间技术、高能核物理、激光武器等方面获得了越来越广泛的应用。

MCP使用中的注意点：

1．保持端面的清洁，不能用手触摸。2．避免碰撞，挤压造成机械破损。3．避免真空不高的情况下加高压，以免引起通道内孔放电。4．防止两端面间高压击穿造成绝缘破坏。5．防止MCP一次性直接暴露在强粒子束中。

第三十二页，共九十八页，编辑于2023年，星期五一、结构与原理§3.1.2光敏电阻利用光电导效应制成。当入射光子使电子由价带跃升到导带时，导带中的电阻和价带中的空穴二者均参与导电，因此电阻显著减小，称为光敏电阻。光敏电阻结构：在一块匀质的光电导体两端加上电极。光敏电阻有以下优点：1．光谱响应相当宽。2．所测的光强范围宽，既可对强光响应，也可对弱光响应。3．无极性之分，使用方便，成本低，寿命长，结构简单，廉价。4．灵敏度高（但远低于光电倍增管），工作电流大，可达数毫安。光敏电阻的不足：强光照射下线性较差，频率特性也较差。光电导体光照电极第三十三页，共九十八页，编辑于2023年，星期五二、特性2．光谱特性（工作波段）1．光照特性（工作效率）有以下关系式：式中：I——通过光敏电阻的电流；

U——加于光敏电阻的电压；

L——光敏电阻上的照度；

K——比例系数；

a——电压指数，一般近于1；

b——照度指数。光谱特性与所用的材料和工艺（随薄层的减薄光谱峰值移向短波方向）过程有关。第三十四页，共九十八页，编辑于2023年，星期五3．伏安特性（工作品质）

因伏安特性成线性，光敏电阻除用积分灵敏度外，用比灵敏度也很方便。Sb（比灵敏度）＝ΔI/（UΦ）（比灵敏度乘以电压为积分灵敏度）式中△I——光敏电阻被照射时和黑暗时的电流差；

U——光敏电阻上所加的电压；

Φ——照射于光敏电阻上的光通量。

在一定光照下，光电流与所加电压的关系为伏安特性。图为照度为0和某值时的伏安特性。第三十五页，共九十八页，编辑于2023年，星期五4．频率特性光敏电阻的频率特性较差，这是因为光敏电阻的导电性与被俘获的载流子有关，由于光强的变化，俘获和释放载流子都需要时间。5．疲乏特性初制时不稳定，经人为光照老化后，性能可达到稳定。光敏电阻的使用寿命，在密封良好，使用合理的情况下，几乎是无限长的。6．温度特性光敏电阻与其它半导体器件一样，性质受温度的影响较大。随着温度的升高灵敏度要下降。7．暗电阻和暗电流暗阻与亮阻相差越大，灵敏度越高，随着温度的升高，暗电阻下降第三十六页，共九十八页，编辑于2023年，星期五第三十七页，共九十八页，编辑于2023年，星期五三、电路在入射光通量变化范围一定的情况下，为了使输出电压Vo变化范围最大，一般取

RL

=RG

当入射光通量Φ连续变化时，RG为光敏电阻变化的中间值，即当入射光通量Φ跳跃变化时，当入射光通量变化时，会引起I和U的同时变化，使系统线性变坏，噪声增加。为了降低噪声，提高信息转换精度，一般采用偏置电路。第三十八页，共九十八页，编辑于2023年，星期五

典型偏置电路入射光通量的变化仅引起输出电压的变化入射光通量的变化仅引起Ic的变化第三十九页，共九十八页，编辑于2023年，星期五四．应用举例

图为路灯自动电熄装置，分两部分组成，电阻R、电容C和二极管D组成半波整流滤波电路；CdS光敏电阻和继电器组成光控继电器。路灯接在继电器常闭触点上，由光控继电器来控制路灯的点燃和熄灭。J220V~第四十页，共九十八页，编辑于2023年，星期五应用：光束阻断报警器电路图光敏电阻R4被照射时，阻值较小，因此三极管VT1及单向晶闸管SCR均截止；当光束被阻断时，VT1的基极电压上升，VT1、SCR导通，蜂鸣器BZ得电发声报警。S1为复位开关。按下S1后，电路停止报警。

可用作火灾报警器、翻墙报警器（需要怎样改进？）等。第四十一页，共九十八页，编辑于2023年，星期五一、原理与结构

由光照产生的电子和空穴在内电场的作用下才形成光生电动势和光电流。光电池的光电效率非常低，最高也只能是百分之十几。利用光生伏特效应§3.1.3光电池扩散光照问题：根据光电池的工作原理，入射到光电池上那一部分的光才是有用的？试想提高效率的可能办法？第四十二页，共九十八页，编辑于2023年，星期五np二氧化硅电极第四十三页，共九十八页，编辑于2023年，星期五第四十四页，共九十八页，编辑于2023年，星期五光电池的输出也受外接负载电阻大小的影响，如图3.1.3－3所示。当RL＝0时，U＝0，则

I＝Iφ＝Sφ即输出电流与入射光通量φ成线性关系。图3.1.3－3负载大小对光电池输出的影响RL(a)RL(b)UIrDID等效成第四十五页，共九十八页，编辑于2023年，星期五当RL≠0时，U≠0，随着U的增大，PN结的等效电阻rD开始变小，则ID开始增大；

Iφ＝I＋ID

当U继续增大到PN结的导通电压时（RL非常大时），U就不会再增大，此时，PN结的rD变得很小，光照所产生的光电流Iφ几乎全部流向二极管，即：

Iφ≈ID

这时，在负载RL上除有少量的电流维持PN结的导通电压U外，光照产生的光电流几乎都消耗在光电池内部。对外输出电流减小，结果负载电阻不能太大。RL(b)UIrDID第四十六页，共九十八页，编辑于2023年，星期五二、特性1．光照特性指光生电动势和光电流与照度的关系。光电池的电动势与照度成非线性关系，而短路电流与照度成线性关系。所以，当用光电池作为测量元件时，应以电流源的形式来使用。而且，为保证测量有线性关系，所用负载电阻应较小。0200040006000800010000L(勒克斯)(a)硅光电池的光照特性0.40.30.20.1543210Isc(毫安/厘米2

)Uoc(伏)UocIscUoc(伏)010002000300040005000L(勒克斯)(b)硒光电池的光照特性0.40.30.20.10.30.20.10Isc(毫安/厘米2

)UocIsc第四十七页，共九十八页，编辑于2023年，星期五02004006008001000L(勒克斯)(

c)光照特性与负载电阻的关系0.50.40.30.20.10I(毫安)RL=050Ω10010005000第四十八页，共九十八页，编辑于2023年，星期五2．光谱特性光电池的光谱特性决定于所采用的材料。20040060080010001200(

d)光谱特性100806040200I(%)1-硒2-硅λ(nm)第四十九页，共九十八页，编辑于2023年，星期五3．伏安特性光电池的负载线由U=IRL

决定。01002003004000.60.50.40.30.20.1900(勒克斯)800700600500400300200100a0.5kΩ1kΩ3kΩI(毫安)U(毫伏)(e)伏安特性第五十页，共九十八页，编辑于2023年，星期五4．频率特性光电池的PN结或阻挡层的面积大，极间电容大，因此频率特性较差。负载电阻越大，电路的旁路作用越显著，频率特性高频部分下降越厉害。不宜于检测交变光通量。如欲改善频率特性，需减小负载电阻或减小光电池面积，使它的结电容减小。012345(

d)频率特性10080604020I(%)1-硒2-硅f(kHz)第五十一页，共九十八页，编辑于2023年，星期五5．温度特性硅光电池的开路电压随温度的升高而降低。0306090(g)温度特性600500400300200100Isc(毫安)Uoc(毫伏)UocIsc605040302010T(℃)第五十二页，共九十八页，编辑于2023年，星期五三、电路光电池用作太阳能电池时的电路如图3.1.3－5所示。在黑夜或光线微弱时，为防止蓄电池经过光电池放电而设置二极管D。1．光电池用作太阳能电池光电池的作用主要是换能和检测第五十三页，共九十八页，编辑于2023年，星期五优点是环保，取之不尽用之不竭。缺点是效率不够高。第五十四页，共九十八页，编辑于2023年，星期五第五十五页，共九十八页，编辑于2023年，星期五第五十六页，共九十八页，编辑于2023年，星期五聚光光伏太阳能（CPV）

第五十七页，共九十八页，编辑于2023年，星期五光电池便携式冰箱雷诺电动小车，车顶配有蜂窝状光电池第五十八页，共九十八页，编辑于2023年，星期五光电池用作检测元件使用时的电路如图3.1.3－6所示，此电路可实现光电池的线性输出。对光电池而言，RL近似等于0。图中，2．光电池用作检测元件

光电池作为测量元件时，应一电流源的形式来使用。第五十九页，共九十八页，编辑于2023年，星期五一、结构和工作原理§3.1.4光敏二极管是一种用PN结单向导电性的结型光电信息转换器件。其PN结装在管子的顶部，以便接收光照。其上面有一个透镜制成的窗口，使光线集中在敏感面。

光敏二极管和光敏三极管是光电转换半导体器件，与光敏电阻器相比具有灵敏度高、高频性能好，可靠性好、体积小、使用方便等优点。第六十页，共九十八页，编辑于2023年，星期五第六十一页，共九十八页，编辑于2023年，星期五光敏二极管也叫光电二极管。光敏二极管工作时一般加反向偏压，即正极接电源负极，负极接电源正极。无光照时，处于反偏的光敏二极管工作在截止状态，这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层，形成微小的反向电流，即暗电流。受光照时，PN结及其附近受光子轰击吸收其能量而产生电子空穴对，在外加电场和内电场的共同作用下，使通过PN结的反向电流大大增加，形成了光电流。光照强度越大，反向电流越大。注意与光电池用法的不同，因而灵敏度大不相同。第六十二页，共九十八页，编辑于2023年，星期五光电二极管（PD，photodiode）把光信号转换为电信号的功能，是由半导体PN结的光电效应实现的。PN结界面电子和空穴的扩散运动内部电场漂移运动如果光子的能量大于或等于带隙（hf

≥Eg）当入射光作用在PN结时发生受激吸收内部电场的作用下，电子向N区运动空穴向P区运动在耗尽层形成漂移电流。第六十三页，共九十八页，编辑于2023年，星期五PD管的使用要点：光敏二极管工作在反向电压下，如果加正向偏压就与普通二极管一样，只有单向导电性。反向电压使二极管饱和，光电流仅取决于入射光功率。在负载电阻较小情况下光电流与入射光功率呈线性关系。大反偏压的施加，增加了耗尽层的宽度和结电场，电子—空穴在耗尽层复合机会少，提高光敏二极管的灵敏度和频率响应特性。第六十四页，共九十八页，编辑于2023年，星期五1光照特性二．特性线性好,适合检测方面应用第六十五页，共九十八页，编辑于2023年，星期五2.光谱特性

决定于所采用的材料，图为锗光敏二极管的光谱响应曲线。波长增长，不足以激发自由载流子。波长太短，入射性能差，无法入射到PN结。第六十六页，共九十八页，编辑于2023年，星期五3.伏安特性

在零偏压时，硅光敏二极管仍然有光电流输出，此为光生伏特效应所产生的短路电流。第六十七页，共九十八页，编辑于2023年，星期五

4.温度特性+EGGUIbBGRLRcR图（d）为光敏二极管在电压不变和照度不变的情况下，光电流I随温度T的变化。第六十八页，共九十八页，编辑于2023年，星期五5.暗电流

曲线1和2分别为锗和硅光敏二极管的暗电流随温度变化的曲线。硅器件的暗电流及其温度系数比锗器件小。

光敏二极管的暗电流非常小，是1uA数量级，直接绝对测量不容易测准。还要求在暗处测量，不能见光，要经运放放大把电压测量线引出。020406080IΦ=0(微安)T(℃)(e)暗电流特性1010.10.012－硅1－锗第六十九页，共九十八页，编辑于2023年，星期五6.频率特性RsRDRLCisC节电容Rs体电阻RD

反向偏置电阻RL

负载电阻

频率特性：是半导体光电器件中最好的一种：反向电压使得电子的渡越时间减小，响应快，频率高。负载电阻越大，频率响应越差：高频旁路作用显著，高频响应变差。（见下页）入射波长越长，频率响应越差：入射较深，在PN结外形成的光生载流子需要时间扩散到PN结才能形成光电流。第七十页，共九十八页，编辑于2023年，星期五

三、电路图3.1.4-3是光敏二极管的输出电路和等效电路。图(a)和图(b)的差别是输出电压U是反向的。因为iφ=Sφ，由图(c)可知：+EUR(a)+EUR(b)RL(c)iφ图3.1.4-3光敏二极管等效电路(a)(b)输出电路；(c)等效电路RL=R//RiCj第七十一页，共九十八页，编辑于2023年，星期五上式中，为了得到较大的输出电压uL，除串接较大的R外，后级电路的输入阻抗应尽可能大些。在图3.1.4－3(c)中，Cj是结电容，一般较小，故在中频内可忽略，但在高频时不能忽略，Cj直接影响光敏二极管的高频特性。令RL(c)iφCj则光敏二极管的上限频率为：减少负载电阻RL，可使上限频率fH提高第七十二页，共九十八页，编辑于2023年，星期五五、光敏二极管典型应用电路反向偏置电路实例，较大负载时输出电压大，但响应速度慢。如图与晶体管组合应用电路，(a)图为光敏二极管组成的光信号放大电路；(b)图为光敏二极管组成的开关电路。FH=1/(2CRL)第七十三页，共九十八页，编辑于2023年，星期五与运算放大器的组合应用电路第七十四页，共九十八页，编辑于2023年，星期五应用：光敏二极管组成的防盗报警器电路报警器装在抽屉里。白天打开抽屉时，开关接通，但VT1截止。夜晚小偷打开抽屉时，防盗器就会发出响亮的“呜-呜-”报警声使小偷不敢轻易下手。光敏二极管VD、晶体管VT1和电阻R1组成了光控开关；集成电路IC、晶体管VT2和扬声器YD组成了报警电路。IC选用KD-9561型四声模拟报警音响集成块。VT1和VT2选用3DG201硅三极管，它们的β值大于60即可。VD选用2CU型光敏二极管。R1和R2选用1W碳膜电阻。YD选用2.5英寸电动扬声器，阻抗为8Ω。电源选用3节5号干电池。K选用小型自复位常闭触点按钮开关。抽屉报警器可用于仓库、住宅的报警。可用于制作精美贺年卡。KR1110k4.5VVT13DG201VT23DG201R2240k345218YDVD2CUICKD9561第七十五页，共九十八页，编辑于2023年，星期五四、PIN管电场主要分布在耗尽区内，耗尽区的电场足以使载流子的漂移速度达到极限。在扩散区，场的分布趋于零，所以运动速度慢，影响光电检测器响应速度。为保证光电检测器有快的响应速度和高的效率，应当设法尽量减小零电场P区和N区的厚度而增加耗尽区的厚度，并且还应尽量避免光生电子一空穴对在零电场区里产生，工艺上采取以下措施：

将N层做成轻掺杂，使耗尽区变宽或变厚。这种掺杂很轻的N层，称作本征I层；另外，为了制成低电阻的接触，在I层的两端再做成重掺杂的P层和N层，并且它们的宽度很窄，或厚度很薄。这样，便构成了PIN型的光敏二极管。第七十六页，共九十八页，编辑于2023年，星期五

这种管子的最大特点是频带宽，可达10GHz。另一特点是线性输出范围宽。P-I-N光敏二极管比P-N光敏二极管更灵敏，更有用。第七十七页，共九十八页，编辑于2023年，星期五第七十八页，共九十八页，编辑于2023年，星期五能够消除暗电流的比例运放光电路第七十九页，共九十八页，编辑于2023年，星期五五、APD(雪崩光电二极管)

雪崩光电二极管(APD)(又称累崩光电二极管或崩溃光二极体)是一种半导体光检测器，其原理类似于光电倍增管。在加上一个较高的反向偏置电压后（在硅材料中一般为100-200V），APD是利用雪崩倍增效应使光生电流达到很高的数值，电流增益可达106。因此，雪崩光电二极管是灵敏度很高的光电信息转换器件。

PIN管比PD管有所改进，但由于很宽的本征层，从而影响响应速度，而且产生的光电流仍比较微弱。

应用光生载流子在其耗尽区(高场区)内的碰撞电离效应而获得光生电流的雪崩倍增。第八十页，共九十八页，编辑于2023年，星期五APD载流子雪崩式倍增示意图(只画出电子）第八十一页，共九十八页，编辑于2023年，星期五雪崩光电二极管是灵敏度很高的光电信息转换器件。影响雪崩光敏二极管工作的因素有：

(a)雪崩过程伴有一定的噪声，并受温度的影响较大；

(b)由于材料本身（特别是表面部分）具有一定的缺陷，使PN结的各区域电场分布不均匀，局部的高电场区首先发生击穿，使漏电流变大，这相当于增强了噪声。为避免这一情况发生，在选择材料和工艺上应加以注意。

（c）雪崩光敏二极管的工作偏压必须适当。过小时，增益太小；过大时，噪声大，而且电压过高可能使管子被击穿烧毁。由于击穿电压会随温度漂移，必须根据环境温度变化相应调整工作电压。第八十二页，共九十八页，编辑于2023年，星期五雪崩光电二极管常常用于高速应用（100GHz），因为雪崩过程中产生的多余噪声仍然低于外部放大器连接到高频运作的常规光电二极管所产生的噪声。典型的应用包括微光测量，光谱，测距和空间/光纤通信。第八十三页，共九十八页，编辑于2023年，星期五比较PD、PIN、APD的结构及性能的不同。结构：性能：工作电压的区别：一般光电二级管的反向偏压在几十伏以下（目的是增加耗尽层的宽度），PIN光电二级管的反向偏置电压在几伏左右或不加（目的是使本征区载流子完全耗尽），而APD的反偏压一般在几百伏左右（目的是器件击穿，并在雪崩区建立高电场）。

第八十四页，共九十八页，编辑于2023年，星期五六光敏二极管阵列光敏二极管阵列是将光敏二极管以线列或面阵形式集合在一起，用来同时探测被测物体各部位提供的不同光信息，并将这些信息转换为电信号的器件。与光敏二极管阵列类似，还有象限探测器。象限探测器有二象限和四象限探测器，又分光电二极管象限探测器和硅光电池象限探测器。象限探测器是在同一块芯片上制成两或四个探测器，中间有沟道将它们隔开，因而这两或四个探测器有完全相同性能参数。当被测体位置发生变化时，来自目标的辐射量使象限间产生差异，这种差异会引起象限间信号输出变化，从而确定目标方位，同时可起制导、跟踪、搜索、定位等作用。第八十五页，共九十八页，编辑于2023年，星期五§3.1.5光敏三极管

光敏三极管和普通三极管相似，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和电流控制，同时也受光辐射的控制。通常基极不引出，但一些光敏三极管的基极有引出，用于温度补偿和附加控制等作用。当具有光敏特性的PN结受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于β倍的信号电流。不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，与光敏二极管相比，具有很大的光电流放大作用，即很高的灵敏度。第八十六页，共九十八页，编辑于2023年，星期五一．原理与结构光敏三极管的集电极电流受光通量的控制。其外形由光窗、集电极和发射极的引出脚组成。

光敏三极管的灵敏度较高，一般为毫安级，但它在较强的光照下，光电流与照度不成线性关系。频率特性和温度特性也变差，故光敏三极管多用作光电开关或光电逻辑元件。Ic＝βIφ+

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P第八十七页，共九十八页，编辑于2023年，星