光电信号检测第三章(二)

1、 3.3.2 光电三极管的基本结构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。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、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）。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，管型为制作材料一般为半导体硅，管型为NPNNPN型，型，国产器件称为国产器件称为3DU3DU系列。系列。 光电晶体管的灵敏度比光电二极管高，输出光

2、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。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。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所以光电晶体管多用来作光电开关元件或光电逻辑元件。电逻辑元件。 正常运用时，集电极加正电压。因此，集电结为正常运用时，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。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当光照到集电结上时，集电结即产生光电流IpI

3、p向向基区注入，同时在集电极电路即产生了一个被放基区注入，同时在集电极电路即产生了一个被放大的电流大的电流IcIcIeIe（1 1）IpIp, ,为电流放大倍为电流放大倍数。数。因此，光电晶体管的电流放大作用与普通晶体管因此，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在上偏流电路中接一个光电二极管的作用是完全相同的。相同的。 发射极发射极集电极集电极基极基极发射极发射极集电极集电极光电三极管的工作原理光电三极管的工作原理cbeIcIpIbVo光敏三极管的结构原理、工作原理和电气图光敏三极管的结构原理、工作原理和电气图形符号。形符号。pppcIIII1 光电三

4、极管的工作原理光电三极管的工作原理 工作过程：一、光电转换；二、光电流放工作过程：一、光电转换；二、光电流放大。大。VCCVCC基本基本应用应用电路电路 达林顿光电三极管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。

5、光谱特性光谱特性 入射光硅锗/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

6、较大。光电三极管的主要特性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。 光照特性光照特性光电三极管的主要特性光电三极管的主要特性： I/AL/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

7、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。温度特性温度特性光电三极管的主要特性光电三极管的主要特性： 暗电流/mA10 20 305070T /C25 0504060光电流/mA100 0200300400801020 30 4050 60 70T/C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频率特

8、性光电三极管的主要特性光电三极管的主要特性： RL=1kRL=10kRL=100k0100100050050001000010020406080调制频率 / Hz相对灵敏度/% 光电三极管主要应用于开关控制电路及逻辑光电三极管主要应用于开关控制电路及逻辑电路。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 1亮通光电控制电路亮通光电控制电路 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 2暗通光电控制电路暗通光

9、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 3、路灯、霓虹灯的自动控制电路、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。印刷机纸张监控器印刷机纸张监控器 光控电焊眼罩光控电焊眼罩 汽车车灯全自动控制器 光电倍增管是建立在光电子

10、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。 真空光电管真空光电管90V DC直流放大直流放大阴极阴极R-+光束光束e阳极丝（阳极丝（Ni）抽真空抽真空 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（Dark current，40K的放射线激发）。真空光电管真空光电管 阳极倍增极 阴极在光照下发射出光电子，光电子受

11、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（光电倍增管（photomultiplier tube, PMT） 石英套石英套光束光束1个光子产生个光子产生106107个电子个电子栅极，栅极，Grill阳极阳极屏蔽屏蔽光电倍增管示意图光电倍增管示意图共有共有9个打拿极个打拿极(dynatron)，所加直流电压共为，所加直流电压共为90 10V 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

12、震性差；价格昂贵，体积大； 用于测量辐射光谱在狭窄波长范围内的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。辐射功率。用于分析仪器中，如光谱辐射仪。 1. 1. 白炽光源白炽光源 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。 2. 2. 气体放电光源气体放电光源 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

13、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

14、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 球 透 镜环 氧 树 脂P层n层有 源 层发 光 区微 透 镜P型 限 制 层n型 限 制 层有 源 层波 导 层：正面发光型正面发光型LEDLED和和侧面发光型侧面发光型LEDLED GaAsPGaP e1.1 nse2.1 nse 6.4ns1001000100.110f / MHz H( f )发光二极管LED的频率响应 原理：由正向原理：由正向偏置电压产生的偏置电压产生的注

15、入电流进行自注入电流进行自发辐射而发光。发辐射而发光。4 3 2 1 0 50 100 150 电流电流/mA输出光功率输出光功率/ mW0025257070 LED驱动电路及伏安特性 UccRLUFIFRL为限流电阻：FFccLIUURUF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。 1.0 1.5 2.0 2.5 120100806040200mAi /Vu / 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。 +5VLEDReRb

16、2Rb1VinLEDLED信号控制电路信号控制电路 。 ，通过选用不同，通过选用不同的材料，可以实现各种发光颜色。如采用的材料，可以实现各种发光颜色。如采用GaP:ZnOGaP:ZnO或或GaAaPGaAaP材料的红色材料的红色LEDLED，GaAaPGaAaP材料的橙色、黄色材料的橙色、黄色LEDLED，以及，以及GaNGaN蓝色蓝色LEDLED等。而且通过红、绿、蓝三等。而且通过红、绿、蓝三原色的组合，可以实现全色化。原色的组合，可以实现全色化。 随着各种颜色随着各种颜色LEDLED辉度的迅辉度的迅速提高，即使在日光下，由速提高，即使在日光下，由LEDLED发出的光也能辨认。发出的光也能辨

17、认。正是基于这一优势，在室外用信息板、广告牌、道正是基于这一优势，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。路通行状况告示牌等方面的应用正迅速扩大。 。在其他显示器件不能使用的极小的。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。大。 基本上不需要维修。可作为基本上不需要维修。可作为地板、马路、广场地面的信号光源，是一个新地板、马路、广场地面的信号光源，是一个新

18、的应用领域的应用领域 二、二、 应用应用 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梅曼和第一只激光器 2 2、按工、按工作方式分类作方式分类 连续式（功率可达连续式（功率可达10104 4 W W） 脉冲式（瞬时功率可达脉冲式（瞬时功率可达10101717W W /cm/cm2 2 ）激光器的种类：激光器

19、的种类： 固体固体 （如红宝石（如红宝石AlAl2 2O O3 3） 液体液体 （如某些染料）（如某些染料） 气体气体 （如（如He-NeHe-Ne、COCO2 2） 半导体（如砷化镓半导体（如砷化镓 GaAsGaAs） 自由电子激光器自由电子激光器1 1、按工作、按工作物质分类物质分类 激光器的工作原理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工作物质激励能源激励能源光学谐振腔光学谐振腔产生激光必要条件1. 1. 实现粒子数反转实现粒子数反转. .使原子被激发使原子被激发. .要实现光放大要实现光放大 激光的形成过程激光的形成过程 工作物质工作物质 激励激励、受激辐射、受激辐射 自

20、激振荡增益自激振荡增益 外界能量注入（泵浦）外界能量注入（泵浦） 光学谐振腔光学谐振腔光学谐振腔 一、气体激光器一、气体激光器 He-NeHe-Ne气体激光器气体激光器He -Ne He -Ne 激光器中激光器中HeHe是辅助物质，是辅助物质，NeNe是激活物质，是激活物质，HeHe与与NeNe之比为之比为51 51 101101。NeNe原子可以产生多条激光谱线原子可以产生多条激光谱线, ,最强的三条最强的三条: : 0 063286328 、1 115 15 m m、3 339 39 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

21、，波长：1.06m，四能级； 钕玻璃： 激活离子：Nd，波长:1.06m，四能级； 二、固体激光器二、固体激光器 19601960年年5 5月月1515日，加州休斯实验室的梅日，加州休斯实验室的梅曼（曼（T.H.Maiman,1927T.H.Maiman,1927）制成了世界上第一）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，台红宝石激光器，获得了世界上第一束激光，波长为波长为694.3694.3纳米。纳米。红宝石激光器红宝石激光器 灯泵浦灯泵浦Nd:YAGNd:YAG激光器激光器 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

22、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。 灯泵浦灯泵浦Nd:YAGNd:YAG激光器激光器 固体激光器固体激光器 1kW的脉冲Nd:YAG激光器 液体激光器三、染料激光器三、染料激光器 半导体激光器四、半导体激光器（LD，Laser Diode） 半导体激光器半导体激光器是向半导体PN结注入电流， 实现粒子粒子数反转分布数反转分布，产生受激辐射受激辐射，再利用谐振腔的正反馈正反馈，实现光放大光放大而产生激光振荡激光振荡的。LDLD的工作原理和基本结构的工作原理和基本结构 (a) 光强的角分布； (b) 辐射光束 1.00.80.60.40.208060402

23、0020406080T 300 K辐 射 角 (度 )相对光强(a )(b )典 型 半 导体激光器的远场辐射特性，图中和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半导体激光光源特性 短波长AlGaAs/GaAs1098765432100 20 4060 80I / mA P / mW3.53.02.52.01.51.00.50050100150IthI / mA P / mW(a)(b)半导体激光器的光功率特性 五、激光器的基本特性1 1、单色性、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632.8n

24、m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4.710-3nm。激光的单色性比一般光要高出106107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；CO2：10.6m CO： 5.4m YAG：1.06m 准分子：0.24m； 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 2、方向性好、方向性好HeNe气体激光：310-4rad；

25、 固体激光：10-2rad 半导体激光：5-10。 激光的方向性带来两个激光的方向性带来两个结果：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 3、高亮度、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

26、。 4 4、相干性好、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。 光电科学系光电科学系 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。

27、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

28、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 1、输入阻抗低，分得噪声电压小，抑制输入端的噪声干扰；2 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 3、采用光耦合，且密封安装，抑制外界杂散光干扰；4 4、寄生电容小(0.5pF-2pF)，绝缘电阻大(105-107M)，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Ic/mAIc3Ic2Ic1Uc/VIF3IF2IF1Q3Q2Q1IFIFIFQIFO

29、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：%100FQCQQII如果在小信号下，交流电流传输比用微小变量定义：%100FCII 与与I IF F的关系：的关系： 由于发光二极管发出的光不总与电流成正比，所以有如图示的变化。4 3 2 1 0 50 100 150 电流电流/mA输出功率输出功率/ mW发光二极管的P-I曲线0 10 20 30 40 50 60 7012010080604020IF/mAIF与的关系曲线 2、最高工作频率，mff /M Hz相对输出1.00.7070f m1f m2f m3RL1RL2RL3 最高

30、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 1、代替脉冲变压器耦合信号，带宽宽，失真小。、代替脉冲变压器耦合信号，带宽宽，失真小。2 2、代替继电器，无断电时的冲击电流和触点抖动。、代替继电器，无断电时的冲击电流和触点抖动。3 3、完成电平匹配和电平转换功能。、完成电平匹配和电平转换功能。4 4、用于计算机作为光电耦合接口器件，提高可靠、用于计算机作为光电耦合接口器件，提高可靠性。性。5 5、饱和压降低，代替三极管做为开关元件。、饱和压降低，代替三极管做为开关元件。6 6、在稳压电源中，作为过电流自动保护器件，简

31、、在稳压电源中，作为过电流自动保护器件，简单可靠。单可靠。 光电耦合器件光电耦合器件光电耦合继电光电耦合继电器器光电隔离器（传感器）光电隔离器（传感器） 1 1、一维光电位置敏感器件（、一维光电位置敏感器件（PSDPSD）的工作原理）的工作原理LIIIIxLxLIILxLIIIIIAAA1212020121022 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0AxAI1I2I0N层LL入射光 1、热敏电阻p 热敏电阻热敏电阻p 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。p 有三种基本类型：p正温度系数，PTCp负温度系数，NTCp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