第三章-光电检测技术常用器件及应用

第三章光电检测技术常用器件及应用第一页，编辑于星期一：五点五十九分。1、光电器件的类型与特点2、光电导器件---光敏电阻3、光生伏特效应------光电池、光电二极管、光电三极管等4、光电发射效应---光电管、光电倍增管等主要内容5、光热效应----热敏电阻、热电偶第二页，编辑于星期一：五点五十九分。光电检测器件的类型光电检测器件是利用物质的光电效应把光信号转换成电信号的器件.光电检测器件分为两大类:光子(光电子)检测器件---------光电效应热电检测器件-------光热效应第三页，编辑于星期一：五点五十九分。光电检测器件光子器件热电器件真空器件固体器件光电管光电倍增管真空摄像管变像管像增强管光敏电阻光电池光电二极管光电三极管电荷耦合器件CCD热电偶/热电堆热辐射计/热敏电阻热释电探测器第四页，编辑于星期一：五点五十九分。光电检测器件的特点光子器件热电器件响应波长有选择性，一般有截止波长，超过该波长，器件无响应。响应波长无选择性，对可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感响应快，吸收辐射产生信号需要的时间短，一般为纳秒到几百微秒响应慢，一般为几毫秒第五页，编辑于星期一：五点五十九分。3.1光敏电阻光敏电阻是光电导型器件。光敏电阻材料：主要是硅、锗和化合物半导体，例如：硫化镉（CdS），硫化锌（ZnS）等。特点：光谱响应范围宽（特别是对于红光和红外辐射）；偏置电压低，工作电流大；动态范围宽，既可测强光，也可测弱光；光电导增益大，灵敏度高；无极性，使用方便；在强光照射下，光电线性度较差响应时间较长，频率特性较差。第六页，编辑于星期一：五点五十九分。光敏电阻(LDR)和它的符号：

符号第七页，编辑于星期一：五点五十九分。1.光敏电阻的工作原理光敏电阻结构：在一块均匀光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。（如图）工作机理：当接受光照的时候，光生载流子迅速增加，阻值急剧减小。在外电场作用下，光生载流子沿一定方向运动，形成电流。第八页，编辑于星期一：五点五十九分。入射光第九页，编辑于星期一：五点五十九分。第十页，编辑于星期一：五点五十九分。本征型和杂质型光敏电阻本征型光敏电阻：当入射光子的能量等于或大于半导体材料的禁带宽度Eg时，激发一个电子－空穴对，在外电场的作用下，形成光电流。杂质型光敏电阻：对于Ｎ型半导体，当入射光子的能量等于或大于杂质电离能ΔＥ时，将施主能级上的电子激发到导带而成为导电电子，在外电场的作用下，形成光电流。本征型用于可见光长波段,杂质型用于红外波段。价带导带电子空穴Eg价带导带电子空穴ΔＥ施主第十一页，编辑于星期一：五点五十九分。光电导与光电流光敏电阻两端加电压（直流或交流）．无光照时，阻值（暗电阻）很大，电流（暗电流）很小；光照时，光生载流子迅速增加，阻值（亮电阻）急剧减少．在外场作用下，光生载流子沿一定方向运动，形成光电流（亮电流）。光电流：亮电流和暗电流之差；

I光

=IL-Id光电导：亮电流和暗电流之差；

g

=gL-gd第十二页，编辑于星期一：五点五十九分。光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是说暗电流要小，亮电流要大，这样光敏电阻的灵敏度就高。光电流与光照强度／电阻结构的关系。第十三页，编辑于星期一：五点五十九分。无光照，暗电导率光照下电导率

第十四页，编辑于星期一：五点五十九分。附加光电导率,简称光电导光电导相对值要制成附加光电导相对值高的光敏电阻应使p0和n0小，因此光敏电阻一般采用禁带宽度大的材料或在低温下使用。第十五页，编辑于星期一：五点五十九分。当光照稳定时，光生载流子的浓度为无光照时，光敏电阻的暗电流为光照时，光敏电阻的光电流为第十六页，编辑于星期一：五点五十九分。２．光敏电阻的工作特性光电特性伏安特性时间响应和频率特性温度特性第十七页，编辑于星期一：五点五十九分。光电特性：光电流与入射光照度的关系：

(1)弱光时，γ=1，光电流与照度成线性关系

(2)强光时，γ=0.5，光电流与照度成抛物线 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）光敏电阻的光电特性第十八页，编辑于星期一：五点五十九分。在弱光照下，光电流与E具有良好的线性关系在强光照下则为非线性关系其他光敏电阻也有类似的性质。第十九页，编辑于星期一：五点五十九分。光电导灵敏度:光电导g与照度E之比. 不同波长的光，光敏电阻的灵敏度是不同的。在选用光电器件时必须充分考虑到这种特性。第二十页，编辑于星期一：五点五十九分。光电导增益

光电导增益反比于电极间距的平方。量子效率：光电流与入射光子流之比。第二十一页，编辑于星期一：五点五十九分。伏安特性在一定的光照下，光敏电阻的光电流与所加的电压关系光敏电阻是一个纯电阻，因此符合欧姆定律，其伏安特性曲线为直线。不同光照度对应不同直线第二十二页，编辑于星期一：五点五十九分。受耗散功率的限制，在使用时，光敏电阻两端的电压不能超过最高工作电压，图中虚线为允许功耗曲线由此可确定光敏电阻正常工作电压。第二十三页，编辑于星期一：五点五十九分。光敏电阻时间常数比较大，其上限截止频率低。只有PbS光敏电阻的频率特性稍好些，可工作到几千赫。频率特性第二十四页，编辑于星期一：五点五十九分。光敏电阻的时间响应特性较差材料受光照到稳定状态，光生载流子浓度的变化规律：停止光照，光生载流子浓度的变化为响应时间第二十五页，编辑于星期一：五点五十九分。光敏电阻是多数载流子导电，温度特性复杂。随着温度的升高，光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降，温度的变化也会影响光谱特性曲线。例如：硫化铅光敏电阻，随着温度的升高光谱响应的峰值将向短波方向移动。尤其是红外探测器要采取制冷措施温度特性第二十六页，编辑于星期一：五点五十九分。前历效应光敏电阻时间特性与工作前“历史”有关的现象暗态前历亮态前历第二十七页，编辑于星期一：五点五十九分。常用光敏电阻参数第二十八页，编辑于星期一：五点五十九分。光敏电阻参数使用材料：硫化镉（CdS），硫化铅（PbS），锑化铟（InSb），碲镉汞（HgCdTe），碲锡铅（PbSnTe）.光敏面：1-3mm工作温度：-40–80oC极限电压：10–300V耗散功率：<100W时间常数：5–50ms光谱峰值波长：因材料而不同，在可见/红外远红外暗电阻：108欧姆亮电阻：104

欧姆第二十九页，编辑于星期一：五点五十九分。特性总结弱光照射下光电流与入射辐射通量成线性关系用于光度量测试仪器时，须对光谱特性曲线进行修正，保证与人眼光谱光视效率曲线符合光谱特性与温度有关，不适合在高温下使用频带宽度窄设计负载电阻应考虑到光敏电阻的额定功耗第三十页，编辑于星期一：五点五十九分。光敏电阻的应用---照明灯的光电控制电路

基本功能：根据自然光的情况决定是否开灯。基本结构：整流滤波电路；光敏电阻及继电器控制；触电开关执行电路基本原理：光暗时，光敏电阻阻值很高，继电器关，灯亮；光亮时，光敏电阻阻值降低，继电器工作，灯关。照明灯自动控制电路K220V灯常闭CdS第三十一页，编辑于星期一：五点五十九分。以硫化铅光敏电阻为探测元件的火焰探测器电路1、暗电阻为1MΩ,亮电阻为0.2MΩ，峰值响应波长为2.2μm，恰为火焰的峰值辐射光谱。（匹配）硫化铅光敏电阻处于V1管组成的恒压偏置电路，其偏置电压约为6V，电流约为6μA。V1管集电极电阻两端并联68μF的电容，可以抑制100Hz以上的高频，使其成为只有几十赫兹的窄带放大器。V2、V3构成二级负反馈互补放大器，火焰的闪动信号经二级放大后送给中心控制站进行报警处理。采用恒压偏置电路是为了在更换光敏电阻或长时间使用后，器件阻值的变化不至于影响输出信号的幅度，保证火焰报警器能长期稳定的工作。光敏电阻的应用-----火焰检测报警器第三十二页，编辑于星期一：五点五十九分。火焰探测报警器电路图光敏电阻的应用-----火焰检测报警器V1管集电极电阻两端并联68μF的电容，可以抑制100Hz以上的高频2k6V220k68m68mpbs820k3.9MV1V21k32k100m150k3.9KV34.7n12V中心站放大器暗电阻为1MΩ,亮电阻为0.2MΩ，峰值响应波长为2.2μm，恰为火焰的峰值辐射光谱恒压偏置电路：输出电路的电压灵敏度不因光敏电阻的阻值而改变，保证火焰报警器能长期稳定的工作。放大电路，将信号放大传送给中心站集电极和发射极的电流大致相等第三十三页，编辑于星期一：五点五十九分。光敏电阻的应用----照相机电子快门硫化镉光敏电阻，与人眼光谱响应接近按动快门，电路接通Ur电位下降电压比较器输出，三极管导通，快门工作光敏电阻决定了充电电流的大小，即为电容充电的时间长短，即为快门开启的时间第三十四页，编辑于星期一：五点五十九分。3.2光生伏特器件光电池、光电二极管、光电晶体管、PIN管、雪崩光电二极管、光可控硅、阵列式光电器件、象限式光电器件、位置敏感探测器（PSD）等第三十五页，编辑于星期一：五点五十九分。

利用半导体PN结光生伏特效应制成的器件称为光生伏特器件，也称结型光电器件。

光生伏特效应是基于两种材料相接触形成内建势垒，光子激发的光生载流子被内建电场扫向势垒的两边，从而形成了光生电动势。

光生伏特效应是少数载流子导电的光电效应，而光电导效应是多数载流子导电的光电效应。第三十六页，编辑于星期一：五点五十九分。3.2.1光电池

光电池是一种不需加偏压就能把光能直接转换成电能的p-n结光电器件。

按光电池的用途可分为两类：即太阳能光电池和测量光电池

光电池的基本结构就是一个p-n结，由于制作p-n结的材料不同，目前有硒光电池、硅光电池、砷化镓光电池和锗光电池。第三十七页，编辑于星期一：五点五十九分。1光电池的概述按用途光电池可分为太阳能光电池和测量光电池。

2DR以什么为衬底？第三十八页，编辑于星期一：五点五十九分。第三十九页，编辑于星期一：五点五十九分。第四十页，编辑于星期一：五点五十九分。光电池外形光敏面第四十一页，编辑于星期一：五点五十九分。能提供较大电流的大面积光电池外形第四十二页，编辑于星期一：五点五十九分。

光电池的主要功能是在不加偏置的情况下能将光信号转换成电信号硅光电池按基底材料不同分为2DR型和2CR型。2DR型硅光电池是以P型硅作基底，2CR型光电池则是以N型硅作基底，然后在基底上扩散磷（或硼）作为受光面。构成PN结后，分别在基底和光敏面上制作输出电极，涂上二氧化硅作保护膜（防潮防腐，减少反射），即成光电池。如下图所示。工作原理如下图所示(a)结构示意图(b)符号（c）电极结构为便于透光和减小串联电阻硅光电池的电流方程2光电池的基本结构和工作原理第四十三页，编辑于星期一：五点五十九分。3光电池的特性参数1)伏安特性光照特性主要有伏安特性、照度-电流电压特性和照度-负载特性。硅光电池的伏安特性，表示输出电流和电压随负载电阻变化的曲线。式中，ID是结电流，I0是反向饱和电流，是光电池加反向偏压后出现的暗电流。

不同照度时的伏-安特性曲线一般硅光电池工作在第四象限。若硅光电池工作在反偏置状态，则伏安特性将延伸到第三象限？？硅光电池的电流方程式当E=0时第四十四页，编辑于星期一：五点五十九分。当IL＝0时，RL=∞(开路)时，光电池的开路电压，以Voc表示式中SE表示光电池的光电灵敏度，E表示入射光照度。当IP>>I0当RL＝0时所得的电流称为光电池短路电流，以ISC表示Uoc一般为0.45～0.6V，最大不超0.756v，因为它不能大于PN结热平衡时的接触电势差。短路电流与照度、开路电压与照度、负载电流与照度的关系？第四十五页，编辑于星期一：五点五十九分。2）光谱特性硅光电池的光谱响应特性表示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长之间的关系，一般用相对响应表示。在线性测量中，不仅要求光电池有高的灵敏度和稳定性，同时还要求与人眼视见函数有相似的光谱响应特性。下图是2CR型硅光电池的光谱曲线(右)，其响应范围为0.4～1.1μm，峰值波长为0.8～0.9μm

，右图中的硒光电池的光谱响应曲线与视见函数相似。3）频率特性下图是硅光电池的频率特性曲线。由图可见，负载大时频率特性变差，减小负载可减小时间常数τ，提高频响。但是负载电阻RL的减小会使输出电压降低，实际使用时视具体要求而定。（为什么？）第四十六页，编辑于星期一：五点五十九分。4）温度特性

光电池的温度特性曲线主要指光照射时它的开路电压Voc与短路电流Isc随温度变化的情况。光电池的温度曲线如下图所示。它的开路电压VOC随着温度的升高而减小，其值约为2～3mV／oC；短路电流Isc随着温度的升高而增大，但增大比例很小，约为10-5～10-3mA/oC数量级。

第四十七页，编辑于星期一：五点五十九分。5）光电池的光照特性连接方式：开路电压输出---(a)

短路电流输出---(b)光电池在不同的光强照射下可产生不同的光电流和光生电动势。短路电流在很大范围内与光强成线性关系。开路电压随光强变化是非线性的，并且当照度在2000lx时趋于饱和。第四十八页，编辑于星期一：五点五十九分。光照特性---开路电压输出：非线性(电压---光强)，灵敏度高短路电流输出：线性好(电流---光强)，灵敏度低开关测量（开路电压输出），线性检测（短路电流输出）第四十九页，编辑于星期一：五点五十九分。负载RL的增大线性范围也越来越小。因此，在要求输出电流与光照度成线性关系时，负载电阻在条件许可的情况下越小越好，并限制在适当的光照范围内使用。第五十页，编辑于星期一：五点五十九分。4光电池的应用1)光电探测器件利用光电池做探测器有频率响应高，光电流随光照度线性变化等特点。2)将太阳能转化为电能实际应用中，把硅光电池经串联、并联组成电池组。第五十一页，编辑于星期一：五点五十九分。其他光电池及在照度测量中的应用柔光罩下面为圆形光电池第五十二页，编辑于星期一：五点五十九分。光电池在动力方面的应用太阳能赛车太阳能电动机模型太阳能硅光电池板第五十三页，编辑于星期一：五点五十九分。光电池在动力方面的应用（续）太阳能发电第五十四页，编辑于星期一：五点五十九分。光电池在动力方面的应用光电池在人造卫星上的应用第五十五页，编辑于星期一：五点五十九分。太阳能庭院灯的典型构造它由以下元件构成：一个塑料外壳顶部的一块太阳能电池一个单块的AA镍镉电池一个小的控制器板一个LED光源一个光敏电阻器，用于检测黑暗第五十六页，编辑于星期一：五点五十九分。第五十七页，编辑于星期一：五点五十九分。在这一模块的另外一面，是四个电池组成的太阳能电池阵（大小为5厘米x5厘米）和光敏电阻器：光敏电阻器

第五十八页，编辑于星期一：五点五十九分。太阳能电池通过一个二极管（可以防止电池的电流在夜间流回太阳能电池）直接与电池连接。电池是一个完全标准的AA镍镉电池。这样的一块电池可以产生约1.2伏的电压，最多可储存约700毫安时的电量。在白天，电池进行充电，除了冬季白天较短的日子或者天气非常阴的日子外，都可以达到最大充电量。

充满电时，镍镉电池能使LED亮起约15小时。照明灯自动控制电路K储能电池灯常闭CdS第五十九页，编辑于星期一：五点五十九分。第六十页，编辑于星期一：五点五十九分。1光电二极管的概述3.2.2光敏二极管与光电三极管第六十一页，编辑于星期一：五点五十九分。光电二极管的分类第六十二页，编辑于星期一：五点五十九分。光电二极管的工作模式第六十三页，编辑于星期一：五点五十九分。光电二极管的表示符号和电路接法1、光敏二极管管在电路中的表示符号2、2CU电路接法3、2DU电路接法2DU电路接法第六十四页，编辑于星期一：五点五十九分。第六十五页，编辑于星期一：五点五十九分。外加反向偏压与光电池不同，光敏二极管一般在负偏压情况下使用大反偏压的施加，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。增加了耗尽层的宽度，结电容减小，提高器件的频响特性。但是，为了提高灵敏度及频响特性，却不能无限地加大反向偏压，因为它还受到PN结反向击穿电压等因素的限制。第六十六页，编辑于星期一：五点五十九分。光敏二极管体积小，灵敏度高，响应时间短，光谱响应在可见到近红外区中，光电检测中应用多。扩散型P-i-N硅光敏二极管和雪崩光敏二极管扩散型P-i-N硅光敏二极管第六十七页，编辑于星期一：五点五十九分。选择一定厚度的i层，具有高速响应特性。i层所起的作用:(1)为了取得较大的PN结击穿电压，必须选择高电阻率的基体材料，这样势必增加了串联电阻，使时间常数增大，影响管子的频率响应。而i层的存在，使击穿电压不再受到基体材料的限制，从而可选择低电阻率的基体材料。这样不但提高了击穿电压，还减少了串联电阻和时间常数。

(2)反偏下，耗尽层较无i层时要大得多，从而使结电容下降，提高了频率响应。第六十八页，编辑于星期一：五点五十九分。PIN管的最大特点是频带宽，可达10GHz。另一特点是线性输出范围宽。缺点:

由于I层的存在，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。第六十九页，编辑于星期一：五点五十九分。雪崩光敏二极管由于存在因碰撞电离引起的内增益机理，雪崩管具有高的增益带宽乘积和极快的时间响应特性。通过一定的工艺可以使它在1.06微米波长处的量子效率达到30％，非常适于可见光及近红外区域的应用。第七十页，编辑于星期一：五点五十九分。

当光敏二极管的PN结上加相当大的反向偏压时，在结区产生一个很高的电场，使进入场区的光生载流子获得足够的能量，通过碰撞使晶格原子电离，而产生新的电子—空穴对。新的电子—空穴对在强电场的作用下分别向相反方向运动．在运动过程中，又有可能与原子碰撞再一次产生电子—空穴对。只要电场足够强，此过程就将继续下去，达到载流子的雪崩倍增。通常，雪崩光敏二极管的反向工作偏压略低于击穿电压。第七十一页，编辑于星期一：五点五十九分。雪崩光电二极管的

倍增电流、噪声与偏压的关系曲线第七十二页，编辑于星期一：五点五十九分。在偏置电压较低时的A点以左，不发生雪崩过程；随着偏压的逐渐升高，倍增电流逐渐增加从B点到c点增加很快，属于雪崩倍增区；偏压再继续增大，将发生雪崩击穿；同时噪声也显著增加，如图中c点以有的区域。因此，最佳的偏压工作区是c点以左，否则进入雪崩击穿区烧坏管子。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。第七十三页，编辑于星期一：五点五十九分。雪崩光电二极管具有电流增益大，灵敏度高，频率响应快，带宽可达100GHz。是目前响应最快的一种光敏二极管。不需要后续庞大的放大电路等特点。因此它在微弱辐射信号的探测方向被广泛地应用。在设计雪崩光敏二极管时，要保证载流子在整个光敏区的均匀倍增，这就需要选择无缺陷的材料，必须保持更高的工艺和保证结面的平整。其缺点是工艺要求高，稳定性差，受温度影响大。第七十四页，编辑于星期一：五点五十九分。雪崩光电二极管与光电倍增管比较体积小结构紧凑工作电压低使用方便但其暗电流比光电倍增管的暗电流大，相应的噪声也较大故光电倍增管更适宜于弱光探测第七十五页，编辑于星期一：五点五十九分。光敏二极管阵列

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。第七十六页，编辑于星期一：五点五十九分。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。第七十七页，编辑于星期一：五点五十九分。2

光敏三极管（光电三极管）光电三极管是由光电二极管和一个晶体三极管构成，相当于在晶体三极管的基极和集电极间并联一个光电二极管。同光电二极管一样，光电三极管外壳也有一个透明窗口，以接收光线照射。日前用得较多的是NPN和PNP两种平面光敏三极管管。第七十八页，编辑于星期一：五点五十九分。NPN光电三极管结构原理简图第七十九页，编辑于星期一：五点五十九分。光电三极管工作原理NPN光电三极管（3DU型），使用时光电二极管的发射极接电源负极，集电极接电源正极。光电三极管不受光时，相当于普通三极管基极开路的状态。集电结(基—集结)处于反向偏置，基极电流等于0，因而集电极电流很小，为光电三极管的暗电流。当光子入射到集电结时，就会被吸收而产生电子—空穴对，处于反向偏置的集电结内建电场使电子漂移到集电极，空穴漂移到基极，形成光生电压，基极电位升高。第八十页，编辑于星期一：五点五十九分。发射结集电结BECNNP基极发射极集电极第八十一页，编辑于星期一：五点五十九分。如同普通三极管的发射结(基—发结)加上了正向偏置，当基极没有引线时，集电极电流就等于发射极电流。这样晶体三极管起到电流放大的作用。由于光敏三极管基极电流是由光电流供给，因此一般基极不需外接点，所以通常只有集电极和发射极两个引脚线。第八十二页，编辑于星期一：五点五十九分。3.光敏二极管与光敏三极管特性比较

1）光照特性

光照特性是指光敏二极管和光敏三极管的光电流与照度之间的关系曲线，图3-14是光敏二极管和光敏三极管的光照特性曲线。由图可见，光敏二极管管的光照特性的线性较好，而光敏三极管管的光电流在弱光照时有弯曲，强光照时又趋向于饱和，只有在中间一段光照范围内线性较好，这是由于光敏三极管管的电流放大倍数在小电流或大电流时都要下降而造成的。第八十三页，编辑于星期一：五点五十九分。2）伏安特性

伏安特性表示为当入射光的照度(或光通量)一定时，光敏二极管和光敏三极管输出的光电流与所加偏压的关系。硅光电管的伏安特性曲线。

光敏二极管管光敏三极管管第八十四页，编辑于星期一：五点五十九分。光敏三极管管的光电流在毫安量级，光敏二极管管的光电流在微安量级。在零偏压时光敏三极管管没有光电流输出，但光敏二极管管有光电流输出。

工作电压较低时输出电流有非线性，光敏三极管管的非线性更严重。（因为放大倍数与工作电压有关）在一定的偏压下，光敏三极管管的伏安曲线在低照度时间隔较均匀，在高照度时曲线越来越密第八十五页，编辑于星期一：五点五十九分。IL－T特性ID－T特性3）温度特性光敏二极管和光敏三极管的光电流和暗电流均随温度而变化，但光敏三极管管因有电流放大作用，所以它的光电流和暗电流受温度影响比光敏二极管管大得多，如图所示。由于暗电流的增加，使输出信噪比变差，必要时要采取恒温或补偿措施。下图为光电管的温度特性第八十六页，编辑于星期一：五点五十九分。4）频率响应特性光敏二极管管的频率特性主要决定于光生载流子的渡越时间。在实际使用时，应根据频率响应要求选择最佳的负载电阻。下图为用脉冲光源测出的2CU型光敏二极管管的响应时间与负载RL的关系曲线，从图中可以看出当负载超过104Ω以后，响应时间增加得更快。（负载减小，上下响应时间也减小？？）二极管的负载电阻与响应时间的关系三极管的频率响应特性（UCE=5V,T=25℃）光敏二极管管、PIN管和雪崩光电二极管、光敏三极管管的时间常数见P66第八十七页，编辑于星期一：五点五十九分。光伏二极管、三极管使用要点1光伏二极管、三极管器件有确定的极性，需要加电压使用时，光电结必须加反向电压。使用时对入射光强范围选择应视用途而定。灵敏度主要决定于器件，但也与使用条件和方法有关结型器件响应速度都很快，主要取决与负载电阻和结电容构成的时间常数灵敏度与频带宽度之积为一常数器件的各种参量差不多都和温度有关系除了温度变化，电、磁场的干扰都会引起电路发生误动作，背景光或光反馈也是引起误动作的重要因素。现年48岁的谢毅，是中国两院最年轻女院士，获2015年度世界杰出女科学家成就奖。谢毅此次得奖是因为在新型能源材料上面，取得重大突破，发现了二维超薄半导体可以提高光电、热电的转换效率。第八十八页，编辑于星期一：五点五十九分。3光电倍增管也称为真空光电器件是一种建立在外光电效应、二次电子发射效应和电子光学理论基础上，能够将微弱光信号转换成光电子并获倍增效应的真空光电发射器件。光电倍增管是基于外光电效应的器件，它包括真空光电二极管、光电倍增管、变像管、像增强管和真空电子束摄像管。第八十九页，编辑于星期一：五点五十九分。光电管：光电倍增管：被半导体光电器件取代

极高灵敏度～106

快速响应～pS应用：微弱光信号、快速脉冲弱光信号真空光电器件缺点：结构复杂工作电压高体积庞大优点：灵敏度高稳定性好响应速度快噪声小第九十页，编辑于星期一：五点五十九分。真空光电管构造示意图

真空光电管由玻壳、光电阴极和阳极三部分组成

1光电管第九十一页，编辑于星期一：五点五十九分。充气型光电管：光电管的特点：光电阴极面积大，灵敏度较高，一般积分灵敏度可达20～200μA/lm；暗电流小，最低可达10-14A；光电发射弛豫过程极短。

缺点：真空光电管一般体积都比较大、工作电压高达百伏到数百伏、玻壳容易破碎等

第九十二页，编辑于星期一：五点五十九分。入射光窗

(a)侧窗式(b)端窗式1）光入射通道2）短波阈值作用：1）基本结构第九十三页，编辑于星期一：五点五十九分。硼硅玻璃（无钾玻璃）

常用的玻璃材料，可以透过从近红外至300nm的入射光，不适合于紫外区的探测。透紫玻璃（UV玻璃）

很好地透过紫外光，和硼硅玻璃一样被广泛使用。分光应用领域一般都要求用透紫玻璃，其截止波长可接近185nm。

窗口材料合成石英

紫外光波长延伸至160nm氟化镁（镁氟化物）极好的紫外线透过性，接近115nm，蓝宝石紫外光波长延伸至150nm

第九十四页，编辑于星期一：五点五十九分。2）光电阴极作用:1)光电转换能力2)长波波长阈值3)决定整管灵敏度第九十五页，编辑于星期一：五点五十九分。3）.电子倍增极

－－由许多倍增极组成，决定整管灵敏度最关键部分作用－－倍增10-15级倍增极第九十六页，编辑于星期一：五点五十九分。2.工作原理1）.光子透过入射窗口入射在光电阴极上;2).光电阴极上的电子受光子激发，离开表面发射到真空中;3).光电子通过电场加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增级上，倍增级将发射出比入射电子数目更多的二次电子。入射电子经N级倍增极倍增后，光电子就放大N次；4).经过倍增后的二次电子由阳极收集，形成阳极光电流。第九十七页，编辑于星期一：五点五十九分。光电倍增管应用举例滨松生产的高通量（high-throughput）PET系统第九十八页，编辑于星期一：五点五十九分。光电倍增管应用举例

PET扫描图像显示了许多疾病的早期征兆

第九十九页，编辑于星期一：五点五十九分。3.2.3 发光器件光源相干源（激光）非相干源（光电源）热辐射光源（白炽灯、卤钨灯）气体放电光源（汞灯、脉冲氙灯）固体发光光源（发光二极管）第一百页，编辑于星期一：五点五十九分。1、发光二极管（注入式场致发光光源）

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。发光二极管（LED）的类型表面发光二极管（SLED）侧面发光二极管（ELED）平面LED圆顶型LED超发光LED第一百零一页，编辑于星期一：五点五十九分。（1）发光二极管的原理加正向偏压基片NP电极铝电极SiO2发光二极管原理结构第一百零二页，编辑于星期一：五点五十九分。（2）发光二极管的光谱特性

根据材料不同，目前能制造出红、橙、黄、绿、蓝、红外等各种颜色的发光二极管（3）响应时间

是指注入电流后发光二极管起亮（上升）或熄灭（衰减）的时间。上升时间随电流的增大近似地成指数减小。（4）工作电压和工作电流LED（发光二极管）的工作电压随制造材料不同也不同。普通做提醒指示用磷砷化镓材料的在1.55V-----1.85V之间;磷化镓材料的在1.85V-----2.15V之间，这种LED有红、绿、黄、橙（双色LED)多种发光颜色供选择。一般工作电流很小，约在5-----10mA(0.005A-----0.010A),亮度不是很高，不能用于照明。手电筒中用的LED是一种超高亮度的，它的工作电压较高，通常为3.35V------3.65V,工作电流也相对较大，在30mA-----50mA，亮度很高，目前发光颜色单一，为冷光色。

第一百零三页，编辑于星期一：五点五十九分。（4）发光二极管的应用数字、文字及图像显示指示、照明光源光电开关、光电报警、光电遥控、光电耦合

数码管K1K2K3K4K5+VKabcdefg5×7点阵器件的基本显示电路第一百零四页，编辑于星期一：五点五十九分。2、激光器能发射激光的装置。按工作介质分，激光器可分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器和染料激光器4大类。近来还发展了自由电子激光器，大功率激光器通常都是脉冲式输出。第一百零五页，编辑于星期一：五点五十九分。激光器的原理工作原理：激光是受激辐射的光放大，粒子数反转，增益大于损耗。激光器组成：由三部分组成：工作物质，谐振腔和泵浦源。激光的特性：

单色性，方向性，高亮度，相干性。泵浦源工作物质第一百零六页，编辑于星期一：五点五十九分。激光器的特性参数功率（平均／峰值），能量波长，频率，线宽脉冲宽度，重复频率光斑直径，发散角，Ｍ－平方因子模式，波长可调谐性稳定性（波长／频率／功率／能量／方向等），寿命，光电效率第一百零七页，编辑于星期一：五点五十九分。激光器的类型气体、固体、半导体激光器紫外、可见和红外激光器连续、准连续和脉冲激光器单频、单模激光器可调谐激光器超短脉冲激光器第一百零八页，编辑于星期一：五点五十九分。He-Ne激光器的基本结构形式气体激光器光束质量好，线宽窄，相干性好，谱线丰富。效率低，能耗高，寿命较短，体积大。原子（氦－氖）激光器，离子（氩，氪，金属蒸汽）激光器，分子（CO2,CO,准分子)激光器。第一百零九页，编辑于星期一：五点五十九分。固体激光器运行方式多样：连续，脉冲，调Ｑ，锁模等，可以获得高平均功率，高重复率，高脉冲能量，高峰值功率激光；主要在红外波段工作，采用光学泵浦方式；结构紧凑，寿命较长，稳定可靠；Nd：YAG，红宝石，钕玻璃激光器。第一百一十页，编辑于星期一：五点五十九分。固体激光晶体棒第一百一十一页，编辑于星期一：五点五十九分。固体激光实验装置第一百一十二页，编辑于星期一：五点五十九分。微型固体激光器第一百一十三页，编辑于星期一：五点五十九分。半导体激光器体积小，效率高，能耗低，寿命长，稳定可靠；线宽较宽，波长可调谐，能产生超短脉冲，直接高频调制；可批量生产，单片集成；发散角大，温度特性差，容易产生噪声。第一百一十四页，编辑于星期一：五点五十九分。半导体激光器第一百一十五页，编辑于星期一：五点五十九分。白光激光器第一百一十六页，编辑于星期一：五点五十九分。激光器在光电检测中的应用激光测距，测长，测平面度等激光大气污染检测激光ＤＮＡ检测激光海洋探测激光制导激光雷达激光干涉测量（探伤）激光全息测量第一百一十七页，编辑于星期一：五点五十九分。激光武器——

死光武器一般指激光武器

激光武器是一种利用定向发射的激光束直接毁伤目标或使之失效的定向能武器。根据作战用途的不同，激光武器可分为战术激光武器和战略激光武器两大类。武器系统主要由激光器和跟踪、瞄准、发射装置等部分组成，通常采用的激光器有化学激光器、固体激光器、CO2激光器等。第一百一十八页，编辑于星期一：五点五十九分。3.2.4 光电耦合器件类型：光电耦合／隔离器：在电路之间传递信息，又能实现电路间的电气隔离和消除噪声。光传感器：用于检测物体的位置或物体有无的状态。结构：发光器件：LED，LD光接收器件：光电二极管／三极管，光电池，光敏电阻。定义：发光器件与光接收器件的组合器件（光耦合器）。电路符号第一百一十九页，编辑于星期一：五点五十九分。1工作原理和特点工作原理：发光器件与光接收器件封装一体(有金属封装和树脂封装),但不接触，有很强的电气绝缘性（高于兆欧量级），信号通过光传输。发光管引线（a）黑色树脂封装

发光管管芯光电管管芯光电管引线黑色树脂发光管引线发光管管芯光电管引线光电管管芯金属壳(b)金属壳封装第一百二十页，编辑于星期一：五点五十九分。光电耦合继电器光电隔离器（传感器）第一百二十一页，编辑于星期一：五点五十九分。几种不同封装的光电耦合器件结构（a）对射式（b）反光式第一百二十二页，编辑于星期一：五点五十九分。2.光电耦合器件的特点

⑴

具有电隔离的功能

它的输入、输出信号间完全没有电路的联系，所以输入和输出回路的电子零位可以任意选择。绝缘电阻高达1010~l012Ω，击穿电压高达100~25kV，耦合电容小于1PF。

⑵

信号传输方式

信号传输是单向性的，不论脉冲、直流都可以使用。适用于模拟信号和数字信号。

⑶

具有抗干扰和噪声的能力

它作为继电器和变压器使用时，可以使线路板上看不到磁性元件。它不受外界电磁干扰、电源干扰和杂光影响。

第一百二十三页，编辑于星期一：五点五十九分。⑷

响应速度快

⑹即具有耦合特性又具有隔离特性

它能很容易地把不同电位的两组电路互连起来，圆满地完成电平匹配、电平转移等功能；

一般可达微秒数量级，甚至纳秒数量级。它可传输的信号频率在直流至10MHz之间。

⑸

实用性强

具有一般固体器件的可靠性，体积小(一般φ6×6mm)，重量轻，抗震，密封防水，性能稳定，耗电省，成本低，工作温度范围在－55~+l00℃之间。

第一百二十四页，编辑于星期一：五点五十九分。3、光电耦合器件的特性参数：（1）电流传输比β在直流工作状态下，将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，定义为光电耦合器件的电流传输比，用β表示。在其中部取一工作点Q：在传输小信号时，交流电流传输比：Ic1Ic3Ic2IC/mAIF2IF3IF1QQ2Q1Q3ΔIFΔIFΔIFOUC/V图3-49光电耦合器的输出特性曲线第一百二十五页，编辑于星期一：五点五十九分。10302050406070020401006080120IF/mAβ/%图3-50IF与β的关系曲线第一百二十六页，编辑于星期一：五点五十九分。（2）最高工作频率fm光电耦合器件的频率特性分别取决于发光器件与光电接收器件的频率特性。由发光二极管与光电二极管组成的光电耦合器件的频率响应最高，其fm接近于10MHzfm1fm3fm2f/MHz0.7071.0相对输出0RL1>RL2>RL3RL1RL2RL3光电耦合器件的频率特性

~RFCiRF0EFUiRL

~UoCoEcRc光电耦合器件的频率特性测量电路第一百二十七页，编辑于星期一：五点五十九分。4光电耦合器件的抗干扰特性强有力的抑制尖脉冲及各种噪声等的干扰，从而提高性噪比，原因：光电耦合器的输入阻抗很低，一般为10Ω~1KΩ，而干扰源的内阻很大，一般为103~106Ω，按一般分压比的原理来计算，能够馈送到光电耦合器件输入端的干扰噪声就变的很小了；一般干扰噪声源的内阻很大，虽然能供给较大的干扰电压，但可供的能量很小，只能形成微弱的电流。而光电耦合器件输入端的发光二极管只有在通过一定的电流时才能发光，因此，即使电压幅值很高的干扰，由于没有足够的能量，也不能使发光二极管发光；第一百二十八页，编辑于星期一：五点五十九分。光电耦合器件的输入/输出端是用光耦合的，且这种耦合又在一个密封管壳内进行的，因而不会受到外界光的干扰；光电耦合器件的输入/输出间的寄生电容很小（0.5~2pF），绝缘电阻又非常大（1011~1013Ω

），因而输出系统内的各种干扰噪声很难通过光电耦合器件反馈到输入系统中。第一百二十九页，编辑于星期一：五点五十九分。5光电耦合器件的应用

（1）用于电平转换

工业控制系统所用集成电路的电源电压和信号脉冲的幅度常不尽相同，如TTL的电源为5V，HTL为12V，PMOS为－22V，CMOS则为5~20V。如果在系统中必须采用二种集成电路芯片，就必需对电平进行转换，以便逻辑控制的实现。

图5-53所示为利用光电耦合器件实现PMOS电路的电平与TTL电路电平的转换电路。光电耦合器件不但使前后两种不同电平的脉冲信号耦合起来而且使输入与输出电路完全隔离。

第一百三十页，编辑于星期一：五点五十九分。（2）

用于逻辑门电路

利用光电耦合器件可以构成各种逻辑电路，图3-54所示为两个光电耦合器组成的与门电路，如果在输入端Ui1和Ui2同时输入高电平"1"，则两个发光二极管GD1和GD2都发光，两个光敏三极管TD1和TD2都导通，输出端就呈现高电平“1”。若输入端Ui1或Ui2中有一个为低电平“0”，则输出光电三极管中必有一个不导通，使得输出信号为“0”，故为与门逻辑电路，Uo=Ui1·Ui2。光电耦合器件还可以构成与非、或、或非、异或等逻辑电路。

第一百三十一页，编辑于星期一：五点五十九分。

图3-55所示典型应用电路中左侧的输入电路电源为13.5V的HTL逻辑电路，中间的中央运算器、处理器等电路为+5V电源，后边的输出部分依然为抗干扰特性高的HTL电路。

将这些电源与逻辑电平不同的部分耦合起来需要采用光电耦合器。

输入信号经光电耦合器送至中央运算、处理部分的TTL电路，TTL电路的输出又通过光电耦合器送到抗干扰能力高的HTL电路，光电耦合器成了TTL和HTL两种电路的媒介。

高阈值逻辑(HighThresholdLogic，简称HTL)特点是阈值电压比较高。当电源电压为15V时，阈值电压达7-8V。有较强的抗干扰能力。TTL高电平3.6~5V，低电平0V~2.4V，CMOS电平Vcc可达到12V，CMOS电路输出高电平约为0.9Vcc，而输出低电平约为0.1Vcc。第一百三十二页，编辑于星期一：五点五十九分。

（3）

隔离方面的应用

有时为隔离干扰，或者为使高压电路与低压信号分开，可采用光电耦合器。图3-55所示电路中表明了光电耦合器件的又一个重要的功能，即隔离功能。

在电子计算机与外围设备相连的情况下，会出现感应噪声、接地回路噪声等问题。为了使输入、输出设备及长线传输设备等外围设备的各种干扰不窜入计算机，以便提高计算机工作的可靠性，亦采用光电耦合器把计算机与外围设备隔离开来。

第一百三十三页，编辑于星期一：五点五十九分。（4）

可控硅控制电路中的应用

可控硅整流器，或SCR，是一种很普通的单向低压控制高压的器件，可以将其用于光触发的形式。同样，双向可控硅是由一种很普通的SCR发展改进的器件，它也可用于光触发形式。将一只SCR和一只LED密封在一个封装中，就可以构成一只光耦合的SCR；而将一只双向可控硅和一只LED密封在一个封装中就可以制成一只光耦合的双向可控硅。

第一百三十四页，编辑于星期一：五点五十九分。3.2.5光电位置敏感器件（PSD）PSD用于测量光斑的位置或位置的移动量右图为一维PSD结构示意图，光束入射光敏层,在入射位置产生与入射辐射成正比的信号电荷,该电荷形成的光电流(I1,I2)由信号电极1和2输出，３为公共电极XＡ:位置信号I0=I1+I2

Ｐ层i层Ｎ层L光LxAI1I2I0１２３A0第一百三十五页，编辑于星期一：五点五十九分。二维PSD的工作原理x,yY1Y2X3X4Ubb(N)第一百三十六页，编辑于星期一：五点五十九分。3.2.6光热辐射检测器件

工作原理：基于光辐射与物质相互作用的热效应而制成的将入射到器件的辐射能转换成热能（入射辐射引起升温阶段），然后将热能转换成电能（各种电信号的输出）特点：工作时不需要制冷，光谱响应无波长选择；热时间常数一般为毫秒至秒的数量级，与器件的大小、形状和颜色等参数有关；吸收交变辐射能所引起的温升与吸收系数成正比，因此，所有的热敏器件都被涂黑；另外，还与工作频率f有关，f增高，温升下降第一百三十七页，编辑于星期一：五点五十九分。1、热敏电阻大部分半导体热敏电阻由各种氧化物按一定比例混合，经高温烧结而成。工作原理：吸入辐射后引起温升从而使电阻改变，导致负载电阻两端电压的变化，并给出电信号。特点（与一般金属电阻比较）温度系数大，灵敏度高，比一般金属电阻大10-100倍；结构简单，体积小，可以测量近似几何点的温度；电阻率高，热惯性小，适宜做动态测量；阻值与温度的变化关系呈非线性，温度升高时，其电阻值下降，同时灵敏度也下降；无选择的吸收各种波长的辐射；不足之处是稳定性和互换性较差。第一百三十八页，编辑于星期一：五点五十九分。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