光电子技术(第二版)全套课件电子教案板

光电子技术

OPTOELECTRONIC

TECNOLOGY

（第二版）

课程简介：

本课程介绍光电子技术的理论和应用基础；介绍光电子系统的光源、光调制、光探测、光存储、光显示等器件原理、结构、应用技术和新的发展。进入21世记，光电子技术发展迅速，在人类生产和生活中展现辉煌。本课程特别选择对人类社会有重大影响的信息、能源、公安国防、生物医学等领域，介绍光电子技术的重要作用；介绍发展中的纳米光电子技术，反映光电子科学与技术的发展前沿。

第1章光源第2章光辐射的调制第3章光探测器第4章光电成像器件第5章光存储器第6章平板显示器件

第7章光电子技术在现代社会中的应用

第8章发展中的纳米光电子技术光电子技术

绪论光电子学

20世纪-电子学世纪

电子：是信息和能量的载体。电子学—电子技术—电子产业，特别是电子信息产业：通信、微电子-大规模集成电路、计算机……。20世纪，电子学、电子技术取得了令人瞩目的成就。然而，电子技术突破不了光的衍射极限，芯片集成度不能再提高。

20世纪下半叶，激光及其相关技术的发展显示出极大的优越性。

光子电子

信息容量光频1014Hz微波1010Hz

响应能力10-15S,Tb/s10-9S,Gb/s

互连与并行能力天然优势无

存储能力三维存储，Tb/cm3并行存取一、二维存储串行存取

光子可产生和携带巨大能量；可进行高强度、超精细的加工；激光武器；激光医疗……光子：也是信息和能量的载体。

光子携带信息：非接触、高精度地检测，光信息的传输、探测、处理、显示、存储……

1970年，荷兰科学家Poldervaart首次提出“光子学”。国际科技界普遍认为：

21世纪将是光子学世纪：光子学—光子技术—光子产业。然而，目前实用的光子器件集成度还很低，以光控光还比较困难，而电子技术在这些方面早已成熟。现阶段必须同时并用光子和电子，发挥它们各自的优点。光电子学就是这样一个学科，它研究光子和电子的相互作用，使它们优势结合，是光子学的第一个阶段。

光电子技术

以光电子学为基础，光子技术与电子技术相互渗透、优势结合而产生。包括:

光电子信息技术:

光电检测与信息处理；光通信；光传感；光存储；光显示

光电子能源技术：

太阳能利用；高效节能光源；激光核聚变高功率激光器；激光加工；激光生命科学

光电子技术在现代科技、经济、军事、文化、医学等各个领域发挥着极其重要的作用。

以它为支撑的光电子产业是当今世界各国争相发展的支柱产业，是竞争激烈、发展迅速的高科技企业的主力军。

光电子技术课程教学目标：

通过前6章课堂教学和实践环节，使学生掌握光电子技术的基本知识和应用技术，能够正确地选择和应用光电子器件，建立合适的光电系统，培养运用光电子技术解决实际问题的能力。第7、8两章旨在使学生扩充知识面，加深对光电子技术重要性的认识；了解学科发展方向，积极参与科研活动，加强创新能力的培养。对学生学习的要求：用心阅读教材；

专心听讲，适当笔记；课后及时复习小结；认真完成作业；

重视实践环节。第1章光源1.1辐射度学与光度学的基础知识1.2热辐射光源1.3气体放电光源1.4激光器1.5发光二极管(LED)一切能产生光辐射的辐射源都称为光源

天然光源人造光源电磁波谱按照发光机理，光源的分类：需要了解各类光源的发光机理、重要特性、适用场合，以便正确选用光源。光纤激光器发光二极管1.1辐射度学与光度学的

介绍描述光辐射的一套参量一、辐射度的基本物理量

1.辐射能单位为J（焦耳）

2.辐射通量又称辐射功率单位为W（瓦、焦耳每秒）

3.辐射强度描述点辐射源的辐射功率在不同方向上的分布。基础知识单位:（瓦每球面度）4.辐射出射度与辐射亮度单位：（瓦每平方米）

单位：

（瓦每球面度平方米）

的定义的定义5.辐射照度

单位：（瓦每平方米）6.光谱辐射量

辐射量的光谱密度，辐射量随波长的变化率。光谱辐射通量与波长的关系其它辐射度量都有类似关系。二、光度的基本物理量1.光谱光视效率V(λ):

人眼对各种光波长的相对灵敏度详见表1.1

2.光度量

光度量与辐射度量是一一对应的。

辐射度量是客观物理量，

光度量体现了人的视觉特性。⑴光能单位：lm·s（流明·秒）⑵光通量单位：lm（流明）⑶发光强度单位：cd（坎德拉）

发光强度是光度量中最基本的单位。在明视觉时，规定：

时，

即：1W=683lm此时，V(λ）=1V(λ）＜11W＜683lm

时，可见，辐射通量与光通量之间的换算关系：

1W=683V(λ）lm

，定义：Km=683lm

/W有关系式：⑷光出射度与光亮度

单位：lm

/m2单位：

cd/m2实用单位：sb(熙提)1sb=

104cd/m2⑸光照度

单位：lx（勒克斯）

1lx=1lm/m2普适关系式：三、光源的辐射效率与发光效率辐射效率发光效率

单位：

lm/W1.2热辐射光源一、理想的热辐射光源

α(λ，T)=1—绝对黑体在热平衡条件下绝对黑体热辐射能力最强。由于内部原子、分子的热运动而产生辐射的光源辐射光谱是连续光谱普朗克公式维恩位移定律斯蒂芬—玻尔兹曼定律随着温度T的升高，峰值波长

向短波方向移动，总出射度

迅速增加。绝对黑体的温度决定了它的辐射光谱分布灰体：α(λ，T)＜1的热辐射光源，

具有与绝对黑体类似的辐射规律。色温；相关色温1.太阳与黑体辐射器二、实际的热辐射光源太阳的光谱分布非常接近于绝对黑体黑体辐射器：科学制作的小孔空腔结构，可以很好地实现绝对黑体的辐射功能。常用作标准光源，最高工作温度是3000K。2.白炽灯与卤钨灯灰体钨丝做灯丝玻璃泡壳;色温约2800K,辐射光谱约0.4～3μm。可见光占6～12%，用于照明；加红外滤光片可作为近红外光源。石英泡壳;泡壳内充入微量卤族元素或其化合物（如溴化硼）;形成卤钨循环。

色温3200K以上,辐射光谱为0.25～3.5μm。发光效率可达30lm/W(为白炽灯的2～3倍)，作仪器白光源.卤钨灯

白炽灯1.3气体放电光源发光机理：气体放电。

泡壳：用玻璃或石英等材料制造；电极：阴极、阳极或不区分（交流灯）泡壳内充入发光用的气体：金属蒸气、金属化合物蒸气、惰性气体基本结构气体放电光源的特点：①发光效率高,节能。②电极牢固紧凑，耐震，抗冲击。③寿命长，比白炽灯长2～10倍。④辐射光谱可以选择，只要选用适当的发光材料。一、汞灯

泡壳内充汞蒸气1.低压汞灯

作253.7nm紫外光源；作荧光灯（…日光灯）。2.高压汞灯

可见辐射加强，呈带状光谱，可作高效照明光源。3.球形超高压汞灯

很好的蓝绿光点光源。二、钠灯

泡壳内充的是氖氩混合气体与金属钠滴。低压钠灯：发出波长589nm、589.6nm

两条谱线的单色光源。高压钠灯：接近白光，亮度高，用于照明光源。三、金属卤化物灯

泡壳内充的是金属卤化物气体。通过金属卤化物循环，提供足够的金属原子气体。铊灯（碘化铊）：绿光，峰值535nm。镝灯（碘化镝、碘化铊）：色温6000K。钠铊铟灯（碘化钠、碘化铊、碘化铟）：

近白色光源,色温5500K。四、氙灯

泡壳内充的是是惰性气体—氙。色温6000K，亮度高，被称为“小太阳”，寿命长。长弧氙灯:短弧氙灯:脉冲氙灯:日光色点光源大范围照明光源脉冲时间极短（nS～pS)，光很强,用于光泵、光信号源、照相制版、高速摄影五、氘灯

泡壳内充有高纯度的氘气灯的紫外辐射强度高、稳定性好、寿命长，常用作连续紫外光源（185～400nm）。1.4激光器1.4.1激光器概述

20世纪激光的诞生标志着人类对光子的掌握和利用进入了一个崭新的阶段。

激光器的基本结构

激光形成机理电泵浦或光泵浦；造成工作物质中粒子数反转分布，自发辐射引发受激辐射；谐振腔对辐射光波选频放大。激光的优越性高亮度、高方向性、高单色性和高度的时间空间相干性

已有数百种激光器，输出波长从近紫外直到远红外，辐射功率从毫瓦到万瓦、兆瓦级。激光将对21世纪的科技腾飞和产业革命产生深远的影响！1.气体激光器工作物质是气体或金属蒸气，通过气体放电实现粒子数反转。工作物质（气体）均匀性好，输出光束的质量相当高。2.固体激光器工作物质是掺杂的晶体或光学玻璃，光泵浦。有脉冲输出激光器和连续输出激光器。主要优点：能量大、峰值功率高、结构紧凑、坚固可靠和使用方便。3.染料激光器工作物质是有机染料溶液，光泵浦。输出激光波长可以在很宽范围内调谐，有极好的光束质量。有连续输出的激光器，也有脉冲输出的激光器。可产生超短光脉冲，峰值功率达几百MW。4.半导体激光器（LD）工作物质是半导体材料形成的P-N结。与结平面垂直的晶体解理面构成F-P谐振腔。对P-N结正向注入电流或光泵浦，可激发激光。体积小，重量轻，易调制，功耗低；波长覆盖面广（0.33～44μm）；能量转换效率高，有大功率、高集成度器件。主要优点5.光纤激光器工作物质主要是稀土掺杂的光纤，用光泵浦，谐振腔有多种形式。是近年来发展起来的新型激光器，具有一系列独特的优点。在光通信系统、光能源系统中都有重要作用。

1.4.2固体激光器介绍几种代表性的固体激光器YAG激光器

基质晶体Y3Al5O12热物理性能优良，使激光器既可连续工作又可高效率脉冲工作。输出波长1064nm，加倍频技术可输出532nm。已经实现了KW级大功率输出，广泛用于激光加工、激光医疗、科学研究之中。输出波长2.94μm,用于激光医疗。

输出波长2.1μm,用于激光医疗,空间光通信。可调谐的固体激光器

输出激光有宽的调谐范围（700-1000nm，峰值波长800nm），应用广泛，并实现飞秒脉冲。

可调谐范围700-800nm。采用调Q技术，输出755nm脉冲激光，在激光医疗中很重要。

激光二极管（LD）泵浦的固体激光器LD泵浦:实现高效率的能量转换,有端面泵浦和侧面泵浦。

获得百瓦级高功率激光输出。下图是纵向、双端面泵浦一个横向、侧面泵浦的激光器市场上高功率的LD泵浦固体激光器都是用侧面泵浦方式，输出功率可达6000W以上。非线性频率转换得到短波长固体激光器

固体激光器的波长多在红外波段。用非线性材料进行波长转换,可得到短波长固体激光器。

LD泵浦固体激光器与准相位匹配频率转换结合，以期制造出结构简单小巧、价格便宜的可调谐激光器。研究趋势用LD泵浦晶体得到1064nm激光，再用KTP晶体进行腔内倍频，得到532nm绿激光。还用非线性频率转换得到蓝光、紫外固体激光器。1.4.3半导体激光器一、半导体材料的能带晶体中电子的共有化运动晶体中的能带关于价带导带禁带导电载流子：电子、空穴I型、N型、P型半导体关于施主能级受主能级费米统计分布式中，Ef为费米能级，是电子占据率大于或小于0.5的能级分界线。二、PN结的能带PN结空间电荷区与自建电场的形成PN结的能带弯曲重掺杂P型、N型半导体的能带热平衡时PN结的能带弯曲

加上正向电压后，

PN结势垒降低PN结达到动态平衡时，一个平衡系统只能有一个费米能级。自建电场的方向由N区指向P区，P区、N区的电子能级差为：PN结加上正向电压时，热平衡被破坏，PN结区势垒降低，实现了粒子数反转分布。

电子、空穴复合发光，引发受激辐射。经谐振腔选频，可形成激光输出。PN结就是光辐射的有源区。

三、实用中代表性的LD的结构阈值电流Ith注入电流I＞Ith,才能形成激光。器件结构要着力于降低Ith。同质结单异质结（SH）双异质结（DH）、条形异质结LD:增益导引条形DHLD掩埋条形DHLD

量子阱（QW）LD单量子阱（SQW）多量子阱（MQW）超晶格结构

MQW结构的优越性：

阈值电流很低改善频率啁啾调制速率高温度特性好MQW的能带分布反馈激光器

谐振腔是波纹光栅结构分布反馈基于布拉格衍射原理DFB激光器DBR激光器每一个栅距相当于一个微F-P腔,易形成单纵模振荡。波纹光栅相当于许多微F-P腔多级调谐，使波长选择性大大提高，谱线宽度窄。在高速调制时仍然保持单纵模特性。

温度特性好。波纹光栅分布反馈的优点MQW-DFBLD性能优越，广泛应用于高速光纤通信系统中。四、LD的工作特性I＞Ith形成激光输出,光功率急剧上升，

P-I曲线的线性好。

斜率效率。

I＜Ith自发辐射阶段，光功率较小

。LD是对温度很敏感的器件，温度升高，性能劣化。需要控制温度，以稳定输出光功率和峰值波长。

1.P-I特性2.光谱特性I＜IthI＞Ith单纵模LD是矩形光波导:厚度为d，条形宽度为W

。出光发散角：

约30°～40°约6°～8°3.调制特性具有直接调制的能力

调制电流模拟调制数字调制LD芯片的调制频率达10GHZ

量级。五、LD的应用及新的发展

LD体积小，重量轻，易调制，功耗低；效率高，寿命长，有大功率、高集成度器件。已成为最重要的激光器之一。

光通信

光盘存储、光显示

激光印刷、信息处理、办公自动化设备

激光加工、激光医疗

各种半导体激光器需求量极大，是光电子产业的重要支柱。

LD的发展日新月异

垂直腔表面发射LD（VCSEL）利于与光纤耦合；适合大面积二维列阵集成。

有源区是多量子阱结构，腔长只有几个微米。动态单纵模特性好，阈值电流可小于1μA。微腔LD如应变量子阱（SL-QW）结构，调制频率已达30GHZ以上。

高速宽带LD普通LD的谐振腔长为几百微米，造成自发辐射模式很多，其中只有一个或几个模式形成激光（β:10-4～10-5）。因而带来能量损失、速度限制和噪声。微腔LD的谐振腔长为光波长量级，使得自发辐射模式极大压缩（β≤1），阈值大大降低，获得超高速响应（大于100Gb/s）。甚至可实现无阈值激光器。微腔LD及其二维面阵是一种高效、高密度光源，总功耗极低，是超大规模集成光路器件。激光器的重要变革可调谐LD用于DWDM光交换技术实现5-7nm范围连续调谐实现100nm范围波长调谐短波长LD

光存储、光显示的需要。红光、绿光、蓝光、紫光LD用有机材料（聚合物）作LD的有源层，易得到短波长LD，是目前的研究热点。大功率LD作为固体激光器、光纤放大器的泵浦光源；光存储、光印刷光源；激光加工、激光医疗光源产生大功率LD的途径：

﹡提高单个LD的输出功率；

﹡发展列阵LD:一维LD列阵;二维LD列阵;激光棒

（脉冲）功率可达几千乃至几万瓦。高性能LD组件适于10Gb/s以上速率的EAM/LD波长可选择的光电集成回路（OEIC）

1.53～1.61μm范围的多波长光源EAM：电吸收光调制器。EAM与LD集成，实现光调制，-3dB带宽为14GHZ。含有EAM、半导体光放大器（SOA）、合波器(MMI）、微列阵DFB激光器，波长选择范围达45nm。40个DFB-LD波长等间隔、光强大小一致、每个集成一个EAM，适用于DWDM全光网络。1.4.4光纤激光器一、光纤、光波导光纤光导纤维，光传输的通路，纤芯折射率大于包层，光基于全内反射在纤芯中传输。纤芯中掺入稀土离子Nd3+、Er3+、Pr3+、Tm3+、Yb3+,→有源光纤,

光泵浦，激光器的工作物质。当光纤中光强超过上限，产生非线性光学效应。光波导在光电集成回路中、各种光器件模块里，必有光信号的通路，即光波导。光波导类似于光纤的纤芯，其折射率高于周围材料（衬底和包层）。波导截面是几微米尺度，用光刻技术制得各种光波导。Y分叉光波导光波导可构成光分路器、耦合器、干涉器、阵列波导光栅等大量光无源器件。

向光波导中掺杂，或造成非线性光学效应时，又可制备出多种光有源器件。二、光纤激光器的基本结构激光工作物质的基质是光纤，主要包括稀土掺杂光纤激光器、受激拉曼散射光纤激光器等。掺杂光纤激光器由增益介质、谐振腔和光泵浦源三部分组成。

1.增益介质

光纤基质材料：硅玻璃、氟化物玻璃与石英，视掺杂元素而选择；光纤长度：典型值在0.5～5m之间。光增益由掺杂离子决定：掺Nd3+光纤激光器，可在1060nm等3个波长获得激光。

掺Er3+光纤激光器，

输出1550nm激光，光纤通信波长。掺Tm3+光纤激光器，可输出1435～1500nm波长激光，光纤通信波长。还可输出1700～2100nm波长、810nm波长激光，用于生物医学、光纤传感。掺Pr3+光纤激光器，可输出1290～1315nm波长激光，光纤通信波长。

2.谐振腔有多种结构：

F-P腔将光纤端面抛光，对端面直接镀膜成为腔镜。环形腔

光栅谐振腔

在增益光纤的两端熔接光纤布拉格光栅（FBG）而构成。掺Er3+光纤光栅激光器3.包层光泵浦常规光纤很细，泵浦光进入纤芯不足，激光输出功率小。双包层光纤技术的实现是一个重要的突破。内包层直径在百μm左右，是泵浦光的导管，有大的数值孔径（NA），可以接收更多的泵浦光。泵浦光在内外包层界面上全反射，反复穿过纤芯不断激励工作物质。泵浦效率大大提高。

内包层截面设计成多种形状：

矩形和D字形截面内包层具有95%的耦合效率,光纤激光器已有千瓦、万瓦级激光输出。

三、光纤激光器的优点①能量转换效率高，光—光转换效率达80%以上。②光纤损耗小；激光场约束在纤芯内，能产生甚高亮度和甚高峰值功率，阈值低、仅数毫瓦。③光纤激光器波长范围可在380～3900nm，可以多波长运行，易调谐。激光束质量高，易实现单模、单频运转和超短脉冲输出。④光纤细、长，因而表面积大，易散热，无须专门制冷系统；光纤可卷绕成小体积，使光纤激光器结构紧凑，小巧灵活。⑤耐高振动、高冲击；工作寿命长，可达10万小时。四、应用于通信系统的光纤激光器和光纤放大器1．掺Er3+、Tm3+、Pr3+光纤激光器是光纤通信波段1280～1620nm光源；2.光纤放大器主要由增益光纤和光泵浦源两部分组成。在光泵浦的作用下对输入增益光纤的信号光加以放大、增强。

它使光通信线路上传统的光—电—光型中继器变革为全光型中继器，是光纤通信发展史上重要的里程碑。

掺Er3+、Tm3+、Pr3+光纤放大器和拉曼光纤放大器对于光纤通信系统非常重要。3．光纤激光器和光纤放大器的增益光纤容易与传输光纤耦合。4．光纤激光器和光纤放大器与现有的光纤器件（如耦合器、偏振器和调制器）完全相容，可以组成完全由光纤器件构成的全光纤传输系统。5．光纤激光器可以作为光孤子源，是光孤子通信的理想光源。五、高功率光纤激光器光纤激光器光束质量高，可大功率，无需水冷，结构紧凑小巧，对激光加工、激光医疗相当有吸引力。

实现千瓦级以上大功率激光器的关键技术：

1.石英光纤中掺Yb3+

Yb3+具有很宽的吸收带（800～1064nm）与荧光带（970～1200nm），可选的泵浦源很多。泵浦—发射的转换效率高。可高浓度掺杂获得高增益。

Yb3+能级为简单的二能级，亚稳态寿命长，小功率泵浦就可在极窄的纤芯内形成高密度的粒子数反转，从而可输出稳定的强激光。2.双包层侧面泵浦技术3.高可靠性泵浦光源

光纤侧面生出许多杈纤，每分杈耦合一个宽面多模大功率LD（＞100W）。高功率掺镱光纤激光器输出可达数万瓦,比大功率的气体、固体激光器优势显著。1.5发光二极管（LED）LED是一种极有竞争力的新型节能光源，它的优点有：•效率高•光色纯•能耗小•寿命长•可靠耐用•应用灵活•绿色环保结构是半导体PN结，无谐振腔。对其正向注入电流，电子与空穴复合发光，是非相干光。1962年第一只红色LED问世，接着是黄色、绿色、橙色LED，早期的LED亮度不高。1993年日本利亚公司的中村秀二研制成功兰光LED，是LED发展史上重要的里程碑。之后，人们发展了超高亮度的红、绿、蓝LED。

高发光效率的白光LED，节能环保的照明工程。LED的发展历程1.5.1普通亮度LED一、材料与构型

GaP、GaAsP、GaN,峰值波长是可见光，用于光显示。

GaAs，峰值波长867nm，用于光电检测。

InGaAsP，峰值波长1.3μm、1.55μm,用于短距离光纤通信。LED采用双异质结、量子阱结构分为：面发光型－发光功率较大

边发光型－易与光纤耦合面发光型LED的光输出面发光型LED用于光显示边发光型LED用于短距离光纤通信二、主要工作特性谱线宽度Δλ在几十～上百μm。为发光光谱的峰值波长。

P-I特性I:10～数十mAP:几百μW～mWP-I特性曲线的线性区很宽。

光谱特性

调制特性

可以直接调制

边发光型在几百MHZ面发光型在几十MHZ调制带宽:

LED体积小，寿命长（可超过10万小时），耗电少，能与集成电路共电源，使用方便，应用广泛。1.5.2超高亮度LED法向强度在1000mcd以上的红、绿、蓝LED

,光效达50～100lm/W。一、实现超高亮度的关键技术2．有源区采用量子阱结构。3．分布布拉格反射（DBR）结构，克服衬底吸收。4．出光窗口的纹理结构，增加光输出。1．发展新的四元合金材料AlGaInP、AlGaInN是直接带隙，带隙宽度覆盖了整个可见光波段，发光效率高。

二、超高亮度彩色LED的应用

1.LED全彩显示屏用于城市广场、体育场馆、调度中心、交通信息、演出、展览等大型显示。2.交通信号灯充分发挥LED色光鲜艳、节能、寿命长、免维护的优点。

大屏幕由2R1G1B构成的像素块组成3.景观照明美轮美奂广州塔LED结构轻巧、可控性好、色彩丰富，适应各种装饰照明和任意艺术造型的灯光雕塑。梦幻广场亚运之夜4.手机应用用作手机的按键显示、面板背光源、照相闪光灯。

5.LCD显示屏的背光源电视机、监视器大量用LCD（液晶）显示屏，背光源用LED，显色质量好，寿命长，对环境无污染。1.5.3白光LED

现代社会，照明光源用量巨大，耗能极大，对环境的污染严重。1999年10月，美国HP公司R

Haize等人提出，半导体已在电子学方面完成了一场革命，第二场将在照明领域发生。

实现半导体照明光源就是要开发白光LED。一．产业化的白光LED技术InGaN/YAC-Ce白光LED选用发射波长为460nm的InGaN蓝光LED芯片，安装在支撑LED的杯中，涂以含有YAG-Ce荧光粉的环氧树脂或硅橡胶。LED芯片发出蓝光，蓝光激发荧光粉产生较宽谱带黄光，蓝光与黄光混合而成为白光。2.RGBLED采用RGB三种基色LED组成白光照明光源。RGB三种色光比例要求严格，各色LED发光随时间会有不同的改变，需要有好的反馈机制和调光技术。

3.紫外光LED/三基色荧光粉用紫外光GaN或InGaNLED芯片激发红、绿、蓝三基色荧光粉，产生红、绿、蓝色光混合而成白光。4.提高显色指数已研发了多种技术，使白光LED的显色指数Ra可以大于90，甚至95。5.功率型白光LED照明，必须是大功率器件。太阳的显色指数为100二、照明工程⑴室内照明

取代白炽灯、日光灯，LED还可兼任室内无线通信。

⑵道路照明

亮度高，显色性好。

白光LED可以用在一切需要照明的场合车用LED灯比传统车用灯节电、小型、可平面安装、快速响应、耐震动、长寿命。⑷矿灯

大功率LED矿灯工作温度不到60℃，不会引起井下任何可燃气体爆炸，是非常安全的。⑶汽车用灯实现白光LED照明可以减少全球用于照明的电量的50%，减少全球总耗电的10%。全年合计节支2500亿美元，还可减少二氧化碳、二氧化硫等污染废气3.5万亿吨。

白光LED:

将带来21世纪宏伟的照明革命！第二章光辐射的调制2.1机械调制2.2电光调制2.3声光调制2.4

磁光调制2.5电吸收光调制光辐射的调制是用数字或模拟信号改变光波波形的幅度、频率或相位的过程在光通信系统中，

需要把声音、图像、数据信息加载到光波上进行传输。在光电检测系统中，

使探测光为调制光，可以比非调制光具有更强的抗干扰能力。

光辐射的调制方法：

内调制：即LD和LED的直接调制

外调制：将光源与调制器分开设立外调制器：机械调制电光调制声光调制磁光调制外调制技术适用于所有光源。电吸收光调制2.1机械调制利用斩波器通断光通量，使探测光成为调制光。调制光并配上合适的有源带通滤波器，以克服杂散光的干扰。斩波器有源带通滤波器探测器输出的光电流设计有源带通滤波器，f0为方波频率。通频带△f窄，杂散光被滤去。优点：容易实现；能对辐射的任何光谱成分进行调制。缺点：有运动部分，寿命较短，体积较大，调制频率不高。一些机械调制装置2.2电光调制在强电场作用下介质折射率改变而产生的光调制。适用于单色光源。一、电光效应

线性电光效应（Pockels）二次电光效应（Kerr）介质原本是单轴晶体。介质原本是各向同性晶体。

电光调制基于线性电光效应。1.的纵向电光效应KDP负单轴晶体

强电场E//Z轴,KDP变为双轴晶体；线偏振光沿Z轴入射，分解成X、Y方向上振幅相同的两个线偏振光。光传播方向与电场方向一致与X轴对应的主折射率：

与Y轴对应的主折射率：

式中，no为KDP晶体o光折射率，为电光系数。X、Y方向两偏振光射出晶体时有光程差:则相位差为：半波电压:

造成光程差

2.的横向电光效应光传播方向与电场方向垂直对KDP晶体采用45°-Z切。强电场E//Z轴,KDP变为双轴晶体。入射光沿X轴方向进入晶体，其偏振方向与Z、Y成45°，在晶体中分解为Z、Y方向两个振幅相同的线偏振光。与Z轴对应的主折射率：与Y轴对应的主折射率：

式中ne是晶体e光折射率，E=U/d，U为外加电压。两个线偏振光射出晶体时有光程差：则相位差为：消除自然双折射横向电光效应的优点：适当地增加L/d，就可以增强电光效应的作用而降低晶体上所需的电压；电极设在横向，不影响光的传播；在外加电压U一定时，加长晶体通光长度并不影响晶体内的电场强度，因而可以加长晶体长度获得较大的相位延迟。半波电压为:通常，纵向是数千伏，横向只是数百伏。3.电光晶体材料

用于线性电光效应的电光晶体，除要求电光效应强以外，还需综合考虑：对使用的波段要有较高的透过率；光学均匀性好、耐压高；对光波和调制波的损耗小；折射率随温度的变化较小；化学性质稳定，易于获得大尺寸晶体等。

、在可见和近红外区主要有KDP类晶体、LiTaO3、LiNbO3、KTN等。在中红外区有GaAs、Cucl、CdTe等。KDP类晶体、LiNbO3（LN）晶体应用广泛。见表2.1二、电光强度（或振幅）调制在Pockels效应中，通过晶体的两正交线偏振光形成了固定的相位差δ。在晶体的光输出端后置检偏器P2，使N2⊥N1。透过检偏器P2的光强I2便受到电信号的调制。横向电光调制装置分析横向电光调制：入射光(光强I1）进入晶体，其振幅A1分解成Az、Ay：两线偏振光到达检偏器，能透过P2的光振幅：这两个线偏振光射出晶体，有固定相位差：二者有固定相位差π+δ，则通过P2的光强：式中，

的关系曲线

选取工作点：若要得到光强随时间正弦变化的调制光,可使调制电压为：则有：式中，可在光路中插入波晶片，取代

则只需在晶体上加调制电压就可得到正弦调制光强。

是声音、图像、数据电信号，

若则有泡克尔斯（Pockels）电光调制器线性好，性能稳定，可得到很高的调制频率。

三、电光相位调制在电光效应装置图2.6、图2.7中，若使起偏器透光方向N1与双轴晶体的其中一个光轴平行，则仅是一个线偏振光通过晶体，其位相被电信号调制。

在右图中，若

Y偏振光的折射率，

在晶体入射面处光场为

则光通过晶体后的光场：式中，略去常数相位因子：则可见，该光波的位相因子受电压U影响。设U为正弦调制电压

令则有：

可见，该输出光波的位相受到电信号的调制。四、电光调制的频率特性

实际应用中，需要电光调制器达到高的调制频率和足够宽的调制带宽。影响调制频率和调制带宽的主要因素为：

1.光在晶体中的传输时间当调制频率很高时，在的时间内，外电场会发生可观的变化。光通过晶体的不同部位时，其相位延迟不同，这就限制了调制频率。2.晶体谐振电路的带宽实用中，电光调制器构成谐振电路：调制波与光波以相同速度在晶体中传播，调制频率可达几个。为了适应高频率宽频带调制信号的要求，采用行波调制器。调制带宽仅在ω0附近的有限频带内。

五、光波导调制器晶体制作的电光调制器属于体调制器，需要施加相当高的电压，才能实现电光调制。光波导调制器可以把光场限制在很小的区域里，从而大大降低所需要的调制电压和调制功率。光波导宽度d极窄，远小于长度L。采用横向电光调制，半波电压可为几伏。调制频率可达100GHz。相位调制器M-Z干涉型强度调制器定向耦合器型强度调制器通过耦合区两波导间倏逝场作用，光功率可在两波导间转换。也是一种光开关2.3声光调制利用超声波引起介质折射率变化而产生的光调制。一、声光效应适用于单色光源驱动电源电-声换能器声光介质

形成声光栅，栅距

声光效应分为两种类型：入射光波被声光栅衍射，衍射光的强度、频率、方向等都随超声场变化。这就是声光效应。拉曼-奈斯衍射

布拉格衍射只有零级、1级衍射光产生多级衍射光声光调制器采用布拉格（Bragg）衍射布拉格衍射条件：零级、1级衍射光强：式中，为声光效应产生的附加相移：有应用价值的是一级衍射光

式中，为声光介质的品质因数。

应选择大的材料，常用声光介质见表2.2。二、声光调制布拉格声光调制器

的关系曲线选取工作点：若使作正弦变化，频率为ω，则有要实现光强调制，超声波应是高频调幅波，则电-声换能器上驱动信号应是高频调幅电信号。高频振荡（ωs）激发声光栅，产生布拉格衍射。

振幅调制（ω）使衍射光成为调制光。

将图像、声音信号加载到高频振荡（ωs）上，则衍射光就携带了图像、声音信号。三、声光调制器的调制带宽声波以比光波慢得多的速度在介质中传播。因此声波通过宽度为b的光束需要较长的渡越时间τ：这就对最高的调制频率带来限制：

为了提高选取大的声光介质：用细束（b小）激光用较高的ωs

声光调制器的调制带宽不如电光调制器,但它光能利用率高,所需要的驱动功率小。在激光打印机、激光印刷设备中得到广泛应用。2.4磁光调制一、磁光效应磁场也能使晶体产生光各向异性，称为磁光效应。

1.法拉第效应光波通过磁光介质、平行于磁场方向传播，线偏振光的偏振面发生旋转的现象。

磁致旋光K:Verdet常数，与材料、波长相关。非互易性：磁致旋光的方向决定于磁场方向而与光传播方向无关。以顺着磁场方向为基准，光矢右旋（K>0），介质为正旋体，光矢左旋（K<0），介质为负旋体。

非互易性的直接应用是光隔离器。在法拉第效应装置中，设计N1、N2成45°角，线圈电流产生的磁场造成旋光角45°。入射线偏振光的光矢右旋45°，刚好通过检偏器，光从左向右导通；若光从检偏器端射入，线偏振光通过介质仍然右旋45°，光矢与N1方向垂直，不能通过起偏器，从右向左不导通。光隔离器是光通信系统中必不可少的器件。

2.克尔效应反射光的偏振方向随磁场改变的现象。克尔效应主要应用在光磁存储中。光波在铁磁材料表面反射时，铁磁材料（如YIG）的磁化强度比非铁磁介质强得多。

二、磁光调制：饱和磁化强度

基于法拉第效应。θ随电信号改变，从而使出射光被调制。目前只在红外波段（1～5）μm实现，调制频率不高。2.5电吸收光调制

量子受限斯塔克效应表现出很好的吸收特性：吸收边陡峭，热稳定性良好。电控可使吸收峰移动，从而使光通断。量子受限斯塔克效应基本结构是一个PIN管，I区部分为多量子阱结构，是量子限制的具有斯塔克效应的吸收材料。

电吸收光调制器（EAM）EAM啁啾低、尺寸小、驱动电压低，调制速率可高达40Gbit/s。

EAM-DFBLD模块是当今最受重视的光通信器件。第三章光探测器3.1光探测器的理论基础

3.2光热探测器3.3光电探测器

3.4集成光电子器件3.5微光机电系统

光探测器是将光信号转变为电信号的关键器件，在光电子技术中至关重要。有两种工作机理：

基于光电效应将光信号直接转变为电信号而实现光探测；

吸收光能先转换成热能，然后再转换成电信号而实现光探测。3.1光探测器的理论基础光探测器的物理效应主要是光热效应和光电效应。3.1.1光热效应当光照射到理想的黑色吸收体上时，黑体将对所有波长的光能量全部吸收，并转换为热能，称为光热效应

。热能增大，导致吸收体的物理、机械性能变化，通过测量这些变化可确定光能量或光功率的大小，这类器件统称为光热探测器。光热探测器对光辐射的响应有两个过程：

器件吸收光能量使自身温度发生变化

把温度变化转换为相应的电信号

共性个性光热探测器的最大特点是：从紫外到40μm以上宽波段范围，其响应灵敏度与光波波长无关，是对光波长无选择性探测器。响应速度较慢。探测器遵从的热平衡方程：

设入射光的表达式为：代入热平衡方程，得到：

解得：器件的平均温升

器件随频率ω的交变温升

式中，是器件的热时间常数。表明器件温升滞后于辐射功率的变化。

因此，光热探测器常用于低频调制辐照场合。设计时应尽力降低器件的热时间常数，主要是减少器件的热容量。3.1.2光电效应光电效应是物质在光的作用下释放出电子的物理现象。分为:光电导效应

光伏效应

光电发射效应

3.1.2.1半导体中的载流子载流子:能参与导电的自由电子和自由空穴。载流子浓度:单位体积内的载流子数。

I:N:P:室温下

（施主浓度）全电离时（受主浓度）一、热平衡状态下的载流子浓度由（1.26）式，可得出：上式表明：禁带愈小，温度升高，

np就愈大，导电性愈好。在本征半导体中，

平衡态判据

则有可得出，少子浓度：二、非平衡状态下的载流子

半导体受光照、外电场作用，载流子浓度就要发生变化，这时半导体处于非平衡态。

载流子浓度对于热平衡时浓度的增量，称为非平衡载流子。

半导体材料吸收光子能量而转换成电能是光电器件工作的基础。1.半导体对光的吸收

本征吸收

或为长波限。

杂质吸收

电离能

半导体对光的吸收主要是本征吸收2.光生载流子半导体受光照射而产生的非平衡载流子。约为1010cm-3

;

多子浓度约为

少子浓度约为

而热平衡时，可见，一切半导体光电器件对光的响应都是少子的行为。载流子的复合：电子-空穴对消失。只要有自由的电子和空穴，复合过程就存在。

直接复合间接复合光生载流子的寿命

—光生载流子的平均生存时间复合率：单位时间内载流子浓度减少量：三、载流子的扩散与漂移1.扩散载流子因浓度不均匀而发生的定向运动。

2.漂移载流子受电场作用所发生的运动。

欧姆定律的微分形式

对于电子电流

｝同理，对于空穴电流有漂移电流密度矢量

3.1.2.2光电导效应半导体材料受光照,吸收光子引起载流子浓度增大，从而材料的电导率增大。、稳态光电导与光电流暗态下

亮态下

光电导

光电流

定义光电导增益

电子在两极间的渡越时间

如果定义

则有以上分析，对光敏电阻的设计和选用很有指导意义。二、响应时间光电导张驰过程

非平衡载流子的产生与复合都不是立即完成的，需要一定的时间。半导体材料受阶跃光照：

受光时t=0时，停光时t=0时,（光照下的稳态值）光电导张驰过程的时间常数就是载流子的寿命τ2.半导体材料受正弦型光照（即正弦调制光）:可得出当

上限截止频率带宽光电导增益与带宽之积为一常数：

这一结论有一定的普遍性：

它表示材料的光电灵敏度与频率带宽是相互制约的。3.1.2.3光伏效应光照射到半导体PN结上，光子在结区激发出电子-空穴对。

P区、N区两端产生电位差—光电动势

一、热平衡状态下的PN结由第一章已知，在热平衡状态下，由于自建场的作用，PN结能带发生弯曲。由式（3.7）、（3.8）可得出

在室温下，

得出在一定温度下，PN结两边的掺杂浓度愈高，材料的禁带愈宽，UD愈大。以上两式表明：PN结两边少数载流子与多数载流子之间的关系。热平衡状态下，PN结中漂移运动等于扩散运动，净电流为零。当在PN结两端外加电压U，使势垒高度由qUD变为q(UD–U)，引起多数载流子扩散时，少数载流子产生增量Δnp、Δpn，有关系式：扩散电流密度则流过PN结的电流密度为PN结电流方程为PN结导电特性：

正向偏置，电流随着电压的增加急剧上升。

反向偏置，电流为反向饱和电流。热平衡状态

，I=0二、光照下的PN结产生电子-空穴对。

在自建电场作用下，

光电流Iφ的方向与I0相同。光照下PN结的电流方程为短路(RL→0)情况,U=0

短路电流为光照下PN结的两个重要参量:

开路(RL→∞)情况,I=0开路电压为3.1.2.4光电发射效应光照到某些金属或半导体材料上，若入射的光子能量足够大，致使电子从材料中逸出，称为光电发射效应，又称外光电效应。

爱因斯坦定律当hν＝W，对应的光波长为阈值波长或长波限。金属材料的电子逸出功

W

—从费米能级至真空能级的能量差。

半导体材料的电子逸出功

良好的光电发射体，应该具备的基本条件：

光吸收系数大；光电子逸出深度大；表面势垒低

。金属光电发射的量子效率都很低,且大多数金属的光谱响应都在紫外或远紫外区。半导体光电发射的量子效率远高于金属：光电发射的过程是体积效应，表面能带弯曲降低了电子逸出功，特别是负电子亲和势材料(NEA)。P型Si的光电子需克服的有效亲和势为由于能级弯曲，使这样就形成了负电子亲和势。正电子亲和势材料的阈值波长

负电子亲和势材料的阈值波长

从而光谱响应可扩展到可见、红外区。

3.1.3光探测器的噪声光探测器在光照下输出的电流或电压信号是在平均值上下随机起伏，即含有噪声。

用均方噪声、表示噪声值的大小。

噪声的功率谱表示噪声功率随频率的变化关系。

光探测器中固有噪声主要有：热噪声、散粒噪声、产生-复合噪声、1/f噪声、温度噪声。、热噪声热噪声存在于任何导体与半导体中，是由于载流子的热运动而引起的随机起伏。

热噪声属于白噪声，降低温度和通带，可减少噪声功率。

二、散粒噪声在光子发射、电子发射、电子流中存在的随机起伏

。散粒噪声也属于白噪声。三、产生-复合噪声在半导体器件中，载流子不断地产生-复合，使得载流子浓度存在随机起伏。四、1/f噪声是一种低频噪声，几乎所有探测器中都存在。

多数器件的1/f噪声在200～300Hz以上已衰减为很低水平。五、温度噪声在光热探测器中，由于器件本身吸收和传导等热交换引起的温度起伏。低频时

也具有白噪声性质。光电探测器噪声功率谱综合示意图3.1.4光探测器的性能参数一、光电特性和光照特性光电流I,大小为微安级或毫安级。

光电特性

光照特性

线性度很重要。

二、光谱特性光谱特性决定于光电器件的材料。

光谱特性对选择光电器件和光源有重要意义，应尽量使二者的光谱特性匹配。光电器件的灵敏度（响应率）光谱灵敏度积分灵敏度

积分灵敏度不但与探测器有关，而且与采用的光源有关。

三、等效噪声功率和探测率等效噪声功率

探测器的最小可探测功率

（噪声功率水平）

等效噪声功率越小，说明探测器本身的噪声水平低，探测器的性能越好。用探测率D作为探测器探测能力的指标:

探测率D表明探测器探测单位入射辐射功率时的信噪比，其值越大越好。归一化等效噪声功率为归一化探测率为在给出时，常要标记出它们的测量条件

如D*(500K,800,50)。四、响应时间与频率特性如同光电导驰豫，光探测器对信号光的响应表现出惰性。对于矩形光脉冲信号，其响应出现上升沿和下降沿，响应时间τ。对于正弦型调制光，响应率随频率升高而降低

。响应时间τ越小，频率特性越好。3.2光热探测器3.2.1热敏电阻

由Mn、Ni、Co、Cu氧化物或Ge、Si、InSb等半导体做成的电阻器，其阻值随温度而变化，称为热敏电阻。

当它们吸收了光辐射，温度发生变化，从而引起电阻的阻值相应改变，将引起回路电流或电压的变化，这样就可以探测入射光通量。正温度系数

负温度系数3.2.2热释电探测器热释电探测器探测率高，是光热探测器中性能最好的。一、工作原理基于热电晶体的热释电效应。

热电晶体是压电晶体中的一种，它具有自发极化的特性。存在宏观的电偶极矩，面束缚电荷密度等于自发极化矢量Ps。

当用斩波器调制入射光，使矩形光脉冲（周期小于ΔQ的平均寿命）作用到热电晶体表面的黑吸收层上，交变的ΔT使得晶体表面始终存在正比于入射光强的极化电荷。这种现象称为热释电效应。

热释电探测器只能探测调制和脉冲辐射。热释电器件的基本结构:是一个以热电晶体为电介质的平板电容器，Ps

的方向垂直于电容器的极板平面。

为热释电系数

二、基本电路如果把辐射通量为的光照射到热释电器件光敏面上，则其温升为

由它引起热释电电量变化从而产生的电流为输出电压为电压响应率为，也等于零，即不能响应恒定辐射

。ω高频时，，响应很差。热释电探测器适于接收低频调制光，约20HZ左右。三、热释电器件的主要材料常用的热电晶体材料有：硫酸三甘肽（TGS）钽酸锂（LiTaO3）等。还有一些陶瓷材料如钛锆酸铅（PZT）等。不论哪种材料，都有一个特定温度，称居里温度。只有低于居里温度，材料才有自发极化性质。

应使器件工作于离居里温度稍远一点，热释电系数变化较平稳的区段。热释电敏感元件都作成薄片,以降低热容量。薄片的两个面分别有正负电极，受光面有黑化吸收层。为提高响应率：3.3光电探测器3.3.1光电导器件典型的光电导器件是光敏电阻。

、光敏电阻材料与电阻结构

现在使用的光电导材料有Ⅲ-Ⅳ、Ⅲ-Ⅴ族化合物、硅、锗等，以及一些有机物。目前大都使用N型半导体光敏电阻。本征半导体：

掺杂半导体：

掺杂半导体光敏电阻的长波限大于本征半导体光敏电阻，因而它对红外波段较为敏感。光敏面作成蛇形，

电极作成梳状，

有利于提高灵敏度。

二、光敏电阻的主要特性1.光电特性α约为1；

γ在0.5～1之间

电阻结构在弱光照下，如L<100lx,γ＝1GP～L具有良好的线性关系,

Sg为常数：一般，L>100lx时，GP～L则为非线性关系。

为方便表达，仍可用关系式：但Sg不是常数：流过光敏电阻的亮电流2.光谱特性1－硫化镉单晶2－硫化镉多晶3－硒化镉多晶4－硫化镉与硒化镉混合多晶

对红外光灵敏的光敏电阻

对可见光灵敏的光敏电阻

3.频率特性光敏电阻在一定的光照下阻值稳定。它因高度的稳定性而广泛地应用在自动化技术中。光敏电阻的频率特性差，不适于接收高频光信号。4.伏安特性1－硒化镉；2－硫化镉3－硫化铊；4－硫化铅5.温度特性光敏电阻的特性参数受温度的影响较大，而且这种变化没有规律。在要求高的装置中，必须采用冷却装置。

6.前历效应暗态前历效应

亮态前历效应

7.噪声在红外探测中，采用光调制技术，800～1000HZ时可以消除1/f噪声和产生-复合噪声。光敏电阻优点：

①光谱响应范围相当宽。

②工作电流大，达数毫安。③既可测弱光，也可测强光。

④灵敏度高。⑤偏置电压低，无极性之分，使用方便。三、光敏电阻的偏置电路1.基本偏置电路微变等效电路

为了使光敏电阻正常工作，必须正确选择Ub、RL。为不使光敏电阻在任何光照下因过热而烧坏由基本偏置电路知负载线方程为联立二式得在伏安特性曲线中，要使负载线与PM曲线不相交，则有此关系式对其它光电器件也适用（当负载线方程相同时）。2.恒流偏置电路在基本偏置电路中如果

可见I与光敏电阻无关，基本恒定。光照改变引起输出电压的变化为电压灵敏度：提高I或选择大的RG，可显著提高电压灵敏度。实用中常采用的晶体管恒流偏置电路。

适用于微弱光信号的探测。3.恒压偏置电路在基本偏置电路中，当

光敏电阻上的电压为光照改变输出电压的变化为可见，输出电压信号与光敏电阻的阻值无关。需要更换光敏电阻时，对电路状态影响不大。

实际常采用的恒压偏置电路4.恒功率偏置电路在基本偏置电路中，若

光敏电阻消耗的功率为这种电路的特点是负载可获得最大功率输出。5.控制电路光敏电阻在一定光照下阻值稳定，适用作光控继电器。

电流控制

电压控制

光控开关电路

3.3.2结型光电器件3.3.2.1基本原理结型光电器件有N+P型

、P+N型，形成易受光照的PN结。N+P型

P+N型光照射PN结，产生光电动势。用导线连接P区和N区，就有电流通过。

结型光电器件等效于一个电流源和一个普通二极管的并联。

受光照射时

φ＝0，伏安特性与普通二极管完全一样。

受光照射时，φ>0

伏安特性曲线向下移动一距离Iφ。第三象限：U<0,I<0,光敏二极管区域；

加反向偏压，光电导模式。第四象限：U>0,I<0,光电池区域；

自供电，光伏工作模式。U=0，短路情况，Isc与φ成线性关系。I=0，开路情况，Uoc与φ成非线性关系。

光电池与光敏二极管虽然都是结型光电器件，但二者工作条件不同；在制造产品时，它们的结构、工艺及受光面积均不同。两者的性能指标不一样，不能相互通用。3.3.2.2光电池主要有硒光电池、硅光电池、砷化镓光电池、锗光电池等。按用途可分为两大类：

太阳能光电池，要求转换效率高、成本低。

测量光电池，要求光照特性的线性度好。

2CR型（P＋N）、2DR型（N＋P）。硅光电池性能稳定、换能效率高，既可用于探测，又可用作能源，应用广泛。有2CR型

底面：负电极光敏面：梳状正电极，涂上二氧化硅保护膜。

正、负极银丝引线一、基本特性1.光照特性光电池的开路电压为硅光电池硒光电池

硅光电池的光电动势Uoc在0.45～0.6V之间。

开路条件：RD为光电池内阻。

短路电流Isc与照度成线性关系,

受光照结面积越大，Isc亦越大。

光电池作测量时，应利用Isc，电路应满足短路条件：

光电池在不同照度下内阻不同:

光照度越大,RD越小,要求RL要更小。

RL越小，光电流和照度的线性关系越好，而且线性范围也较宽。2.伏安特性用光电流方向为电流的正方向负载线方程：每条照度曲线有各自的拐点通过拐点的负载线是光照特性是否线性的分界线3.光谱特性I/％：各波长入射光能量一定时的相对光谱响应硅光电池光谱响应范围：

400～1100nm峰值响应：约850nm4.频率特性光电池的PN结面积大，极间电容大，因此频率特性较差。

光电池的响应与调制光频率的关系。由表3.3可见：要响应时间短，则RL要小；光电池的面积要小。

选择合适的负载RL,以兼顾频率特性和输出电压的要求。5.温度特性光电池的温度特性主要指开路电压和短路电流随温度变化的情况。控制工作温度≤20°较好。请仔细阅读

6.使用要点二、基本电路1.自偏置电路光电池的优点在于能输出较大电流，常用在需输出大的电流的场合，如用于光电控制。用光电池的光电控制电路光电池开路电压的应用2.零伏偏置电路短路工作情况，用于测量。放大器的输入电阻A0～104，Rf<100KΩri≈0～10Ω这种电路线性好，输出光电流大，噪声低，信噪比好，在辐射测量方面很重要。3.光电池作为能源的应用光电池输出功率

选择最佳负载电阻

工作点应选伏安特性相应照度曲线的拐点a。

当照度大于500lx时，估算RM的简易公式为照度不同，特性曲线的拐点不同，RM不同。需要根据全天日照情况，选一较为合适的负载。最佳负载随照度的变化太阳能光电池品种很多，应用较多的有：单晶硅电池，换能效率15％～23％多晶硅电池，换能效率12％～19％非晶与多晶硅薄膜电池，换能效率9％～13％3.3.2.3光电二极管（PD）

光电二极管与光电池不同之处：

①光电池掺杂浓度较高，约为1016～1019原子数/cm3，而硅光电二极管约为1012～1013原子数/cm3；

②光电池的电阻率低，约为0.1～0.01Ω/cm，而硅光电二极管则为1000Ω/cm；③光电池通常在零偏置下工作，而硅光电二极管通常在反向偏置下工作；

④光电池的受光面积比硅光电二极管大得多，因此，硅光电二极管的光电流小得多，通常在微安级。硅光电二极管2CU:P+N型,有两根引出线：P,N

2DU:N+P型，有三根引出线

：前极（N）、后极（P），环极。要点：2CU、2DU反向偏置；环极接法；等效电路PD的封装：金属外壳入射窗口凸透镜、平镜一、基本特性1.光照特性线性好；灵敏度低：I/μA2.伏安特性类似于普通三极管，光照取代了Ib。3.温度特性硅光电二极管的光电流和暗电流均随温度而变化，要设法克服温度变化的影响。

4.频率特性光电二极管的结电容小，频率特性是半导体光电器件中最好的一种。负载RL为1kΩ时，截止频率可达1.5MHZ以上。

二、特殊光电二极管1.PIN光电二极管大大减小结电容，频带宽，可达10GHZ。

线性输出范围宽。

输出电流很小，器件一般做成PIN-FET模块。2.雪崩光电二极管（APD）工作电压很高，约100～200V。管子有很高的内增益，可达102～103。

响应速度特别快，带宽可达100GHZ。广泛应用于光纤通信、激光测距及光纤传感技术中。三、基本电路1.缓变信号的基本电路当入射光信号为恒定或缓变时，通常采用直流检测电路。

直流负载线方程：

为PD两端电压。由于普通PD输出电流小，通常要加直流放大器。用伏安特性曲线计算Ub、RL、输出电压、输出电流等参数，有图解计算法解析计算法图解计算法直观方便。若直流放大器的输入电阻为ri,PD的偏置电阻RL1,则

RL

、Ub对输出信号的影响图解法计算使直流负载线通过拐点M

,确定RL或Ub。2.交变信号的基本电路光电检测电路常常接收的是随时间变化的光信号，如调制光、干涉条纹和莫尔条纹等。检测电路要使用交流放大器

⑴中频情况微变等效电路交流负载R'L交流负载线过拐点⑵高频情况

微变等效电路

对于调制频率ω＝2πf的入射光输出电压光信号频率较高时,负载的选取要兼顾输出和频率响应两个方面。时间常数光电二极管用于精密测量和信号传递。但它灵敏度低，易受温度影响。宜用噪声低、输入阻抗高的场效应管作前置放大，并采用温度补偿。

3.3.2.4光电三极管光电三极管是在光电二极管PN结的基础上，增加一个发射结，对光电流放大。有e、c两极引出线和e、c、b三极引出线的两种管子。后者若使用基极b，使光电三极管可同时加上电信号和光信号，进行双重控制，也可用来补偿温度变化，减小暗电流。

3DU型：NPN3CU型：PNP集电结反偏置，发射结正偏置光电三极管的工作有两个过程：一是光电转换，二是光电流放大。

光电三极管可看作由一个硅光电二极管和普通晶体管组合而成。一、基本特性

1.光照特性灵敏度高，输出电流毫安级。光照特性呈现出一定的非线性，在于β不是常数。特性曲线中部近似线性。2.伏安特性光电三极管的伏安特性与光电二极管类似，特性曲线稍有不同：

在零偏压时硅光电三极管没有光电流输出。

在一定的偏压下，硅光电三极管的伏安特性曲线在低照度下较均匀，在高照度时曲线越来越密。用伏安特性曲线进行电路参数计算同光电二极管。3.温度特性光电三极管受温度的影响比光电二极管大得多。4.频率特性频率特性比光电二极管差。二、基本电路1.测量电路光电三极管可看成是一个灵敏度高的光电二极管。光电流较大，使用较方便。用作测量时，其基本电路与光电二极管相同。

接电阻Rb，使rbe

减小并趋于稳定，可使暗电流及随温度的变化减小。除用Rb

以外，还利用二极管进行温度补偿。Re作反馈电阻，可改善测量的线性。利用基极引出线，形成基极偏流，减小了光电三极管的rbe，还有利于提高频率特性。2.控制电路用无基极引出线的硅光电三极管作光控继电器。无光照时集电极电流基本为零，使继电器灵敏而准确地工作。

电流控制电压控制亮通电路暗通电路有斯密特触发器的光控电路光线明暗渐变，达预定亮度继电器准确动作。T2、T3

组成斯密特触发电路，即射极耦合触发器。

斯密特触发器输入（Ui)、输出（Uo)之间的关系如图：可见斯密特触发器能把渐变信号变为跃变信号，是双稳态电路，从而使继电器可靠地动作。JEC-2是内含斯密特触发器的IC片。

当7脚电平上升，2脚电平突降。用JEC-2的暗通光电控制电路3.3.2.5光电场效应管光电场效应管的结构与普通结型场效应管类似:有栅极、源极、漏极。

光入射于栅源PN结，产生光生栅电压。△UGS控制△ID,作用可等效为光电二极管与场效应管的组合。基本电路无光照时沟道被夹断，

有光入射光敏面时，光电流在栅电阻上产生压降

当时，即有使沟道开启的最小光照度为光电场效应管可以通过改变RG的值调节光电灵敏度，这在实用中是很有意义的。光电场效应管比光电二极管有更高的灵敏度，噪声低，灵敏度可以调节。但响应速度慢，一般只适宜探测恒定或缓慢变化的光信号。3.3.2.6组合式光电探测器随着半导体工艺的发展，出现了多种组合式光电探测器。

一、光电探测器与放大器的组合器件1.达林顿光电管适于作光控继电器。2.光电二极管前置放大器组件适于光信号测量

二、列阵式光电探测器列阵式器件中，各光敏单元是独立的。光敏元密集度大，总尺寸小，容易作到各单元参数一致，便于信号处理。

三、象限式光电探测器可以用来确定光斑在二维平面上的位置坐标，用于准直、定位、跟踪或频谱分析等。

四象限光电探测器

四象限器件中若接收到的光斑偏中心，必然造成4个输出u1、u2、u3、u4有差别。可通过和差电路得出：可由此跟踪、校正偏心。四、光电位置探测器（PSD）可确定光斑的能量中心的位置。

对光斑位置连续测量，位置分辨率高，可同时检测位置和光强。