第4章受光器件

1、4.1 受光器件工作原理l1、光敏二极管2光敏二极管的性质l1、入射截止长波长3)nm(24.1ggLEEhc 不同的材料禁带宽度不一样，截止波长不相同，对光的灵敏度也不一样。l2、光谱响应4l3、伏安特性5没有光照时二极管的伏安特性曲线1kTqUDeII光电二极管工作在反向区6当光辐射作用到光电二极管上时， 以自建电场方向为正方向光电二极管的全电流方程为 )/exp(1 (-kTqUIIIdp 式中为光电材料的光电转换效率，为材料对光的吸收系数。 7定义电流与电压的正方向均以PN结内建电场的方向相同的方向为正向 8, e)1 (ehqIIdsc 当U=0（PN结被短路）时的输出电流ISC即短

2、路电流，并有 当I=0时（PN结开路），PN结两端的开路电压UOC为 ) 1ln(OCDIIqKTUl4、响应速度 光敏二极管的响应速度用上升时间和下降时间来描述。 9 以f频率调制的辐射作用于PN结硅光电二极管光敏面时，PN结硅光电二极管的电流产生要经过下面3个过程： 1) 在PN结区内产生的光生载流子渡越结区的时间，称为漂移时间记为dr ； 2) 在PN结区外产生的光生载流子扩散到PN结区内所需要的时间，称为扩散时间记为p； 3) 由PN结电容Cj和管芯电阻Ri及负载电阻RL构成的RC延迟时间RC 。 l 光敏二极管响应速度决定入射光的频率，当入射光信号的变化周期小与响应时间时，不能正确的

3、将光信号转化成成电信号，因此入射光频率不能超过截止频率101 t=c2cjdrfRt其中l提高响应速度的措施11（1）减小结电容尽量减小结面积尽量降低阴极层的杂质浓度（2）减少扩散时间4.1.2 光敏三极管1213能带图NPN光敏三极管的等效电路14光电流与发射结的电压关系曲线154.2受光器件的结构164.2.1光敏二极管17光敏二极管剖面图外形图1819204.2.2光敏三极管214.2.3 OPIC222324254.3受光器件的特性264.3.1 分光灵敏度特性与方向性1 、分光灵敏度特性2、方向性274.3.2光敏二极管的电学特性28 光敏三极管的灵敏度比光敏二极管高，是光敏二极管的

4、数十倍，故输出电流要比光敏二极管大得多，一般为毫安级 但其他特性不如光敏二极管好，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。 光敏三极管的输出电路基本上与光敏二极管输出电路相同，输出电压的计算也同光敏二极管相同，只是灵敏度S要比光敏二极管的灵敏度大些。 注意，一般光敏三极管的输出脚同光敏二极管相同，是二只而不是三只。4.3.3光敏三极管29 为了得到更高的灵敏度和更大的输出电流，把光敏三极管和普通三极管按达林顿联接方法接在一起，封装在一个管壳内，称为光电达林顿管，如图所示。 30光敏三极管的特性参数 1、输出电流CPFEII

5、h hEF为晶体管的直流放大倍数l2、响应速度： 三极管的响应速度比二极管的慢得多，相差几个数量级。 米勒效应：在电子学中，反相放大电路中，输入与输出之间的电容由于放大器的放大作用其等效到输入端的电容值会扩大1+K倍，1919年米尔顿-米勒发现这个效应，这个效用同样适用于半导体三极管31光电三极管的响应时间主要由RC延时电路的时间常数决定l3、暗电流 在没有光照的时候，三极管的集电极也有电流输出，称为暗电流，暗电流较大， 暗电流随温度变化较大，在使用光敏三极管的时候，一定要控制暗电流的值。32l4、光敏三极管的驱动电路 三极管的集电结要反偏，才能使晶体管处于放大状态，由于硅达林顿型硅光敏三极管

6、的集电极饱和电压高，不能直接接到TTL电路。334.3.4 OPIC的参数l1、灵敏度：OPIC的灵敏度用电压灵敏度来描述，与二极管的灵敏度特性一样。l2、响应速度 OPIC的响应速度取决于光敏二极管和集成电路 344.4 受光器件的基本使用方法35一、光敏二极管的输入电路反向偏置电路的响应速度快，输出信号与输入信号同相位。36静态电路的设计1 1、 图解计算法图解计算法已知Ub,过（Ub,0);(0,Ub/RL)两点做直线，直线为负载线，负载线和对应于输入光照度的交点为器件的输入工作点 当输入光照度变化时，输出的电压电流值也改变，从负载线和光照度曲线的交点可以求出输出电压电流的范围37例例:

7、 : 如图所示电源电压为如图所示电源电压为9V9V，光敏二极管的伏安特性曲线如图，光敏二极管的伏安特性曲线如图b b所示，光敏二极管的光照度在所示，光敏二极管的光照度在0-150LX0-150LX之间变化，若光照度在此之间变化，若光照度在此范围内作正弦变化，要使光敏电阻的电压幅值为范围内作正弦变化，要使光敏电阻的电压幅值为3V,3V,求所需要的求所需要的负载电阻负载电阻R R，并作出负载线，并作出负载线2、解析计算法：对光电器件的非线性伏安特性进行分段折线化，称为折线化伏安特性。折线化的画法一QMO0iUQI0arctanGGarctan0UpIdI折线化的画法 做直线与最大光照线切线，两切线

8、的交点为M点39iMUO0UGarctan0arctanG折线化的画法二 过最大照度线的拐点和原点连线QM0O0iUQI0arctanGGarctan0UpIdI折线化伏安特性可用下列参数确定： 转折电压U0对应于曲线转折点M处的电压值。 初始电导G0非线性区近似直线的初始斜率。 结间漏电导G线性区各平行直线的平均斜率。光电灵敏度S单位输入光功率所引起的光电流值。pIS光电灵敏度的表达式：为输入光功率为输入光功率I Ip p为对应的光电流为对应的光电流1、确定线性工作区域(确定 U0 , G0 , G , S 的关系) 000maxG UGUS max00SUGGmax00SGGU折线化伏安特

9、性的分析： 在输入光通量变化范围minmax为已知的条件下，用解析法计算输入电路的工作状态：000bLUUGG Umax00SUGG1LLRGmax00LbLSGGUGGG0max000max00LbbUSGGGGUUSUGG2、计算负载电阻和偏置电压：当已知电源电压时可求负载电阻当负载电阻可求电源电压为保证光敏二极管线性输出，负载线与对应的伏安特性曲线交点不能低于M点，设负载线过M点00maxLbGUUGUS max0UUUminmaxLbLG USUGG max0LbLG USUGG maxminLLUSSGGGG当光照度由当光照度由 变化到变化到 时，输出时，输出电压值的变化范围为电压值

10、的变化范围为 M点点3、计算输出电压幅度：minmax=0maxmaxminLbGUUGUS H点点maxminmaxmin1LLIIIUGSGG maxminISS 2LLSPU IGGG 4、计算输出电流幅度：通常 ，上式可简化为：GGL5、计算输出电功率：输出电流幅值输出电流幅值45例题已知光电二极管的伏安特性曲线如图所示，若光敏面为0.1平方毫米，照度的变化为e=120+80sin(wt),为使光电二极管的输出电压幅值为2V，求所需的负载电阻R和电源电压，光敏二极管的灵敏度为0.4uA/uW.46二、光敏二极管与放大晶体管组合的放大电路集电极输出电路适用于脉冲入射光电路，输出信号与输入

11、信号的相位相反，输出信号一般较大。而发射极输出电路适用于模拟信号电路，电阻RB可以减小暗电流，输出信号与输入信号的相位相同，输出信号一般较小。集电极输出电路发射极输出电路47三、光敏二极管与运放组合的放大电路 a、无偏置电路可以用于测量宽范围的入射光，例如照度计等 b、反向偏置电路的响应速度快输出信号与输入信号同相位。484.4.2 光敏三极管1、光敏三极管基本电路492、光敏三极管的基本工作点的确定504.4.3 OPIC传感器：能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息按照一定规律变换成电信号或者其他所需形式的信息输出，它是实现自动检测和自动控制的首要环节光耦合器：光耦合器以光为媒介传输

12、电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用； 光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。光断续器：又称为穿透型光电感应器,光遮断器,光电断续器,光电遮断器，也就是将发光组件与受光组件面对面排列并设置于同一封装内，利用检测物体通过时会遮光的原理便得以实现检测功能。51521）高速型光敏二极管的结构及原理 基区的P型扩散层和集电区的N型外延层构成PN结，N型集电极厚度太薄，灵敏度降低，切断扩散电流，提高响应速度532）高灵敏度二极管的结构及原理 集电区的N型外延层和P型衬

13、底构成PN结，P型衬底有大量的光生载流子，扩散时间较大，所以不利于高速响应。543）光拾波器光敏二极管的结构554.5 受光器件的应用例4.5.1光敏二极管1、基本放大电路0()fpbbeVRIIV560()1+/)fpbbefbeVRIIVRR （57582、OP放大电路 (1) 无偏置电路（电流放大型）： 运算放大器两输入端的输入阻抗是光电二极管的负载电阻，可表示为/ 1infZRA 当A ， 100k时， 10。可以认为光电二极管是处于短路工作状态，能取出近于理想的短路电流。处于电流放大状态的运算放大器，其输出电压Uo与输入短路光电流成比例，并有 即输出信号与输入光通量成正比。此外，电流

14、放大器因输入阻抗低而响应速度较高，并且放大器噪声较低，信噪比提高。这些优点使其广泛应用于弱光信号的检测中。410SRRIUffscofRinZ59 (2) 反向偏置电路（阻抗变换型）反向偏置光电二极管具有恒流源性质，内阻很大，且饱和光电流和输入光通量成正，如图中所示的运算放大器具有很高的输入阻抗，光电流是通过反馈电阻 形成压降的。电路的输入电压Uo为 SRRIIRUffpf0Uo与输入光通量成正比。当实际的负载电阻 与放大器连接时，由于放大器输出阻抗Ro较小， Ro，则负载功率Po为LRLRLpfLLLRIRRURRRUP/)/(22202020060 这种电路响应速度快，可以得到很高的功率放

15、大倍数。 此外，使用双极型晶体管的放大电路时，OP放大器的输入偏置电流会影响信号电流，因此用场效应管代替双极性晶体管作前置极，其偏置电流很小，因此适用于光功率很小的场合。61 (3) 电容耦合电路 对于反向偏置电路，暗电流随温度的变化较大，为了减小这种影响，采用电容耦合电路不能对直流信号进行放大62 (4) 对数二极管633、调制光检出电路6465光电检测电路的动态设计 在许多场合下，光电检测电路接收到的是随时间变化的光信号，例如瞬变信号或各种形式的调制光信号。这类信号的特点是信号微弱，需要多级放大以及信号中包含着丰富的频率分量等。与缓慢变化光信号检测电路的静态计算不同，在分析和设计交变光信号

16、检测电路时，需要解决下述几项动态计算问题，即： 1）确定检测电路的动态工作状态，使在交变光信号作用下负载上能获得非线性失真最小的电信号输出。 2）使检测电路具有足够宽的频率响应，以能对复杂的瞬变光信号或周期性光信号进行无频率失真的变换和传输。661、输入电路动态工作状态的计算输入电路动态工作状态的计算 在交变光信号输入电路中，为提供检测器件的正常工作条件首先要建立直流工作点。另一方面输入电路和后续电路通常是经阻容连接等多种方式耦合的。后续电路的等效输入阻抗将和输入电路的直流负载电阻并联组成检测器的交流负载。这是不同于静态计算的主要区别之一。现以光电二极管的两种工作状态为例介绍它们的动态计算方法

17、。 67 1)光电二极管交流检测电路 图a给出了反向偏置光电二 极管交流检测电路的基本形式。 首先确定在交流光信号作 用下电路的最佳工作状态。 假定输入光照度为正弦变化， 具有 的形式，光照度的变化范围为 。若在信号通频带范围内，耦合电容Cc可认为是短路，则等效交流负载电阻是 和 的并联。对应的交流负载线MN应该通过特性曲线的转折点M，以便能充分利用器件的线性区间，其斜率由 和 的并联电阻决定。交流负载线与光照度E 对应的伏安特性相交于Q点，该点对应交变输入光照度的直流分量，是输入直流偏置电路的静态工作点.tEEemsin00EmEE 0bRLR682 2、光电检测电路的频率特性、光电检测电路

18、的频率特性 光电器件自身的惯性和检测电路的耦合电容、分布电容等非电阻性参数的存在使光电检测电路需要一个过渡过程才能对快速变化的输入光信号建立稳定的响应。为了表征这种动态响应能力，通常采用两种分析方法，即时域分析法和频域法。69 1)光电检测电路的高频特性 除热释电探测器件外，大多数的光电、热电探测器件对检测电路的影响突出地表现在对高频光信号响应的衰减上。因此，首先讨论光电检测电路的高频特性。 现以反向偏置光电二极管交流检测电路为例，图中给出了该电路的微变等效电路图。这里忽略了耦合电容Cc的影响，因为对于高频信号Cc可以认为是短路的。但光电二极管结电容Cj的作用必须考虑。列出该电路的电路方程为 eS = i+i+i+iEbjgL70 式中， 是输入光照度， 是负载电流， 是偏置电流， 是结电容电流， 是光电二极管反 向漏电流。式中各光、电量均是复数值。 求解上二式可得 将 改写成下列形式 式中， 称作检测电路的时间常数。由上式可见检测电路的频率特性不仅与光电二极管参数 和g有关，而且取决于放大电路的参数 和 有关 。 tsinEE=em0Li