现代光电检测技术003

1、第3章 光电检测器件工作原理及特性13.1 光电检测器件的物理基础一、光电检测中的基础知识二、半导体基础知识2光电检测中的基础知识1. 辐射度学和光度学基本概念1) 辐射能和光能 辐射能：以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐（射） 能，用符号Qe 表示，其计量单位为焦耳（J）。 光能：光通量在可见光范围内对时间的积分，以Qv表示，其 计量单位为流明秒（lms）。 辐射度学：研究各种电磁辐射的传播和量度光度学：仅可见光波的传播和量度，必须考虑人眼的响应，包 含了生理因素3 辐射功率是单位时间内通过某一截面的辐射能，以符号 表示， 其计量单位为瓦（W），即 为了从数量上描述电磁辐射对视觉的刺激强

2、度，引入光通量 定义： 对光通量：其中：C比例系数，683 lm/W， 视见函数，描述人眼对各种波长辐射能的相对敏感度， 即辐射通量. 2) 辐射功率（或称辐射通量）和光通量 4 辐射出射度：面辐射源单位面积上辐射的辐射通量，即光出射度：面光源从单位面积上辐射的光通量，即3）辐射出(射)度和光出(射)度 5 发光强度的单位是坎德拉（candela），简称为坎cd。1979年第十六届国际计量大会通过决议，将坎德拉重新定义为：在给定方向上能发射5401012Hz的单色辐射源，在此方向上的辐强度为（1/683）W/sr，其发光强度定义为一个坎德拉cd。点光源的发光强度： 对点光源在给定方向的立体角元

3、d内发射的辐通量de，与该方向立体角元d之比定义为点光源在该方向的辐(射)强度Ie，即 dSdAN4) 辐(射)强度和发光强度 一般点光源是各向异性的，其发光强度分布随方向而异。6 光源表面某一点处的面元在给定方向上的辐强度除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积，称为辐射亮度Le，即 对可见光，亮度Lv 定义为光源表面某一点处的面元在给定方向上的发光强度除以该面元在垂直给定方向平面上的正投影面积，即 Lv 的计量单位是坎德拉每平方米cdm2。 5） 辐(射)亮度和亮度式中，为所给方向与面元法线之间的夹角。辐亮度Le的计量单位为瓦（特）每球面度平方米W（srm2 ）。7辐射照度表示每单位面

4、积接受的辐射通量，即：无需考虑dS所接受的辐射通量的方向，与dS的取向无关。单位：W/m2。6) 辐射照度与光照度单位：lx(勒克斯）。1lx=1lm/m2。入射到单位面积上的光通量为光照度，即：8lxEv光照度W/m2Ee辐射照度cd/m2Lv光亮度W/srm2Le辐射亮度lm/m2Mv光出射度W/m2Me辐射出射度cdIv发光强度W/srIe辐射强度lmv光功率(光通量)We辐射功率(辐射通量)lmsQv光能JQe辐射能单位定义符号名称单位定义符号名称光度系统参量辐射度系统参量辐射度系统参量和光度系统参量92. 半导体基础知识原子的电子壳层交叠电子的共有化能带3s3s3s2p2p2p原子能

5、级允带允带允带禁带禁带原子中的电子轨道10EvEe价带禁带导带本征半导体EvEcEd 施主能级EdN型半导体EcEaEa受主能级EvP型半导体杂质吸收本征吸收11 当半导体材料的局部位置（如表面）收到光照时，使得局部位置的光生载流子浓度比平均浓度高，此时电子会从浓度高的点向浓度低的点运动，称为扩散。扩散有一定的方向，可形成电流扩散电流。 （2-1）其中：Dn、Dp为电子和空穴的扩散系数。 （2-2）1) 载流子的扩散扩散电流密度JD：在扩散过程中，流过单位面积的电流。12E2）载流子的漂移根据欧姆定律，沿x方向： J的大小与载流子浓度和载流子沿电场的漂移速度成正比，对N型半导体：(2-3)而则

6、(2-4)(2-5)(2-6)联立（2-3）、（2-6）得：同理，对P型半导体有：（2-8）（2-7） 则漂移产生的电子电流密度和空穴电流密度为：（2-9）（2-10）13当扩散和漂移同时存在时，总的电子电流密度和空穴电流密度为：（2-11）（2-12）总电流密度：（2-13）141. 光电导效应光电效应：物质受到光辐射后，其电学性质发生了变化的现象。光电效应外光电效应：物质受到光辐射作用后，产生电 子发射的现象。内光电效应：物质受到光辐射作用后，内部电 子的能量状态发生变化，但不从 表面发射电子的现象。光电导效应：在光辐射的作用下产生半导体电导率变化的现象。 光照载流子浓度增加束缚态电子激发

7、电导率增大二. 光电检测器件的物理基础15价带中的电子吸收光子能量导带本征吸收光生自由空穴光生自由电子1）本征光电导效应光电导效应本征光电导效应：在光的作用下由本征吸收引起 的半导体电导率变化的现象。 杂质光电导效应激发条件：（禁带宽度）截止波长 注意单位！16L本征半导体样品光S无光照时，常温激发暗态暗电导：dark样品外加电压U，暗电流：无光照时，光生载流子亮态亮电导：light亮电流：17定义：光电导光电流：2）光电导弛豫i(%)t03763100rf矩形脉冲光照下光电导驰豫过程上升时间常数下降时间常数18光电导增益M:在电场作用下，光生载流子形成的外电流与光 生载流子在半导体内部形成的

8、电流之比。载流子的寿命载流子在两极间的渡越时间引线电极引线绝缘衬低光导电材料光电导器件结构：3) 光电导增益192. 杂质光电导效应截止波长 3. 光生伏特效应光生伏特效应是基于半导体PN结基础上的一种将光能转换成电能的效应。当入射辐射作用在半导体PN结上产生本征吸收时，价带中的光生空穴与导带中的光生电子在PN结内建电场的作用下分开，并分别向两个方向运动，形成光生伏特电压或光生电流的现象。204. 光热效应 热释电效应：+_+_+_+_+_+_+P(T1)(a)温度低：自发极化强度大，表面感应电荷多+_+_+_+_+_+_+P(T2)j(b)温度高：自发极化强度小，表面感应电荷少“释放电荷”极

9、化晶体21 辐射热计效应 温差电效应光照射材料温度变化电阻率变化两种不同材料的结点温差电动势温差光照射22光电管光电倍增管真空摄像管变像管像增强器光敏电阻光电池光电二极管光电三极管光电耦合器光导纤维与光纤维传感器位置传感器PSD电荷耦合器件CCD自扫描光电二极管列阵CCD热电偶和热电堆真空光电器件固体光电器件光电检测器热辐射计和热敏电阻热释电探测器热电检测器光辐射检测器2.2 光电检测器件的特性参数23光电检测器件的特性参数：一、响应特性二、噪声特性三、线性度四、工作温度24一、响应特性响应度（或称灵敏度）：光电检测器输出信号与输入光 功率之比。 描述光电检测器件的光-电转换效率。电压响应度

10、光电检测器输出电压V0 与入射光功率P 之比电流响应度 光电检测器输出电流I0 与入射光功率P 之比25或光电导灵敏度 光电检测器的光电导G与输入光功率P或光照度E之比常用响应度参数：262. 光谱响应度：光电检测器的输出信号与入射的单色辐射通量 （光通量）之比。3. 积分响应度：光电检测器的输出信号与入射光通量之比。 描述检测器对各种波长的光连续辐射通量的反应程度。 响应度是随入射光波长变化而变化的274. 响应时间：光入射到光电检测器或入射被中断后，光电检测 器的输出信号上升到稳定值或下降到光照射前初 始值所需的时间。t00.91上升时间r下降时间f入射光tI0.1描述光电检测器对入射光响

11、应的快慢28二、噪声特性显示信号处理前放探测器光学系统背景目标光子噪声探测器噪声信号放大及处理电路噪声热噪声散粒噪声产生-复合噪声1/f 噪声温度噪声信号辐射噪声背景辐射噪声29热噪声：载流子热运动引起的电流起伏或电压起伏。 起伏的电流或电压按时间取的平均值为零，但均方根不为零。 热噪声均方电流： 热噪声均方电压：测量系统的噪声带宽 （频率范围）检测器件电阻热噪声正比于温度302. 散粒噪声：载流子的随机涨落造成的噪声。 随机涨落：入射的光子、表面逸出的光电子、 PN结中通过结区的载流子散粒噪声均方电流：器件电流的直流分量平均值313. 信噪比：在负载电阻上产生的信号功率与噪声功率之比。 判断

12、噪声大小的参数若负载电阻为RL：以分贝表示：32三、线性度线性度：光电检测器输出的电流或电压与输入的光通量成比 例的程度和范围。 若在某一规定范围内光电检测器件的响应度是常数，则这一范围为线性区。线性区的下限 光电器件的暗电流和噪声决定线性区的上限 饱和效应或过载决定33四、工作温度 光电检测器件的工作温度：最佳工作状态时的温度五、光电检测器件的合理选择 1. 根据待测光信号的大小，确定检测器的动态范围； 2. 检测器的光谱响应范围是否与待测光信号的光谱匹配； 3. 检测器的最小分辨率、信噪比； 4. 当待测光信号功率变化时，检测器的线性度； 5. 检测器的稳定性、测量精度、测量方式等因素。

13、34利用具有光电导效应的材料（如Si、Ge等本征半导体与杂质半导体，如CdS、CdSe、PbO）可以制成电导率随入射光辐射量变化而变化的器件，这类器件被称为光电导器件或光敏电阻。结构特点：体积小、坚固耐用、价格低廉、光谱响应范围宽，广泛应用于微弱辐射信号的检测技术领域。3.1 光敏电阻35某光敏电阻与负载电阻RL=2k串接于12伏的直流电源上，无光照时负载电阻上的输出电压为u1=20mV，有光照时负载上的输出电流u2=2V，试求：光敏电阻的暗电阻和亮电阻值；若光敏电阻的光导灵敏度S=610-6s/lx，求光敏电阻所受的照度？思考题36第三章 半导体光电检测器件及应用3.1 光敏电阻3.2 光生

14、伏特器件-光电池3.3 光电二极管与光电三极管3.4 发光器件3.5 光电耦合器件3.6 光电位置敏感器件3.7 光热辐射检测器件3.8 各种光电检测器件的性能比较37利用具有光电导效应的材料（如Si、Ge等本征半导体与杂质半导体，如CdS、CdSe、PbO）可以制成电导率随入射光辐射量变化而变化的器件，这类器件被称为光电导器件或光敏电阻。结构特点：体积小、坚固耐用、价格低廉、光谱响应范围宽，广泛应用于微弱辐射信号的检测技术领域。3.1 光敏电阻383.1.1 光敏电阻的结构及工作原理UbbIpIp金属电极光电导材料入射光光敏电阻原理及符号光敏电阻符号工作原理39UIp电极入射光当入射光子使本

15、征半导体物质中的电子由价带跃升到导带时，导带中的电子和价带中的空穴均参与导电，因此电阻显著减小，电导增加，或连接电源和负载电阻，可输出电信号，此时可得出光电导g与光电流I光的表达式为：工作原理g=gL-gdI光=IL-Id40工作原理光敏电阻设计的基本原则光敏电阻在弱光辐射下光电导灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距离l的平方成反比 ，在强辐射作用下Sg与l的二分之三次方成反比，因此在设计光敏电阻时，尽可能地缩短光敏电阻两极间距离。光敏电阻按半导体材料的不同可分为本征型和杂质型两种:本征型半导体光敏电阻常用于可见光长波段检测。杂质型常用于红外波段至远红外波段光辐射的检测。41光敏电阻的基本结构123

16、21-光电导材料；2-电极；3-衬底材料绝缘基底光电导体膜42工作性能特点：光谱响应范围相当宽。可见光、红外、远红外、紫外区域工作电流大，可达数毫安。所测光电强度范围宽，既可测弱光，也可测强光灵敏度高，光电增益可以大于1无选择极性之分，使用方便。缺点： 强光下光电线性度较差，弛豫时间过长，频率特性差。43光敏电阻的种类及应用主要材料：Si、Ge、II-VI族和III-V族化合物，以及一些有机物。分紫外光、可见光、红外及远红外敏感的光敏电阻。应用：照相机、光度计、光电自动控制、辐射测量、能量辐射、物体搜索和跟踪、红外成像和红外通信等技术方面制成的光辐射接收器件。443.1.2 光敏电阻特性参数1

17、、光电特性光敏电阻的光电流I光与输入辐射照度有下列关系式：其中：I光为光电流，I光=IL-Id； E为照度，为光照指数，与材料的入射强弱有关，对CdS光电导体，弱光照射下=1，强光下=0.5； U为光敏电阻两端所加电压，为电压指数，与光电导体和电极材料间接触有关，欧姆接触时=1，非欧姆接触时=1.1-1.2 Sg为光电导灵敏度，单位S/lx OI光ECdS的光电特性对CdS光电导体，弱光照射下=1，强光下=0.5；为什么？ 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）452、伏安特性（输出特性）

18、 一定光照下，光敏电阻的光电流与所加电压关系即为伏安特性。3.1.2 光敏电阻特性参数允许的功耗线O10电压V/VI光/mA510050100 lx10 lx250mW光敏电阻的伏安特性 光敏电阻为一纯电阻，符合欧姆定律，曲线为直线。但对大多数半导体，电场强度超过 时，不再遵守欧姆定律。而CdS在100V时就不成线性了。 463.1.2 光敏电阻特性参数3、温度特性 光敏电阻为多数载流子导电的光电器件，具有复杂的温度特性。不同材料的光敏电阻温度特性不同。书25页中图3-5中为CdS和CdSe光敏电阻不同照度下的温度特性曲线。可以看出温度升高可以导致材料光电导率的下降。实际中往往采用控制光敏电阻

19、工作的温度的办法提高工作稳定性。473.1.2 光敏电阻特性参数 换句话说，温度的变化，引起温度噪声，导致光敏电阻灵敏度、光照特性、响应率等都发生变化。为了提高灵敏度，必须采用冷却装置，尤其是杂质型半导体对长波长红外辐射检测领域更为重要。温度特性483.1.2 光敏电阻特性参数4、前历效应 指光敏电阻的时间特性与工作前“历史”有关的一种现象。即测试前光敏电阻所处状态对光敏电阻特性的影响。 暗态前历效应：指光敏电阻测试或工作前处于暗态，当它突然受到光照后光电流上升的快慢程度。一般地，工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越重，光电流上升越慢。 1-黑暗放置3分钟后 2-黑暗放置60分钟后 3

20、-黑暗放置24小时后49 亮态前历效应：光敏电阻测试或工作前已处于亮态，当照度与工作时所要达到的照度不同时，所出现的一种滞后现象。3.1.2 光敏电阻特性参数前历效应503.1.2 光敏电阻特性参数5、频率特性 光敏电阻的时间常数较大，所以其上限频率f上低，只有PbS光敏电阻的工作频率特性达到几千赫兹。当E=0.11lx时，光敏电阻tr=1.4s， E=10lx时， 光敏电阻tr=66mS, E=100lx时， 光敏电阻tr=6mS。 同时，时间特性与输入光的照度、工作温度有明显的依赖关系。4123O1f/Hz相对输出0.41051010.20.60.81021031041-Se；2-CdS；

21、3-TlS；4-PbS513.1.2 光敏电阻特性参数6、时间响应 光敏电阻的时间常数较大，惯性大，时间响应比其它光电器件差。频率响应低。 时间特性与光照度、工作温度有明显的依赖关系。rfEtOi(%)tO1006337rf矩形光脉冲10lx100lx523.1.2 光敏电阻特性参数7、光谱特性相对灵敏度与波长的关系可见光区光敏电阻的光谱特性 光谱特性曲线覆盖了整个可见光区，峰值波长在515600nm之间。尤其硫化镉（2）的峰值波长与人眼的很敏感的峰值波长（555nm）是很接近的，因此可用于与人眼有关的仪器。533.1.2 光敏电阻特性参数光谱特性红外区光敏电阻的光谱特性注明：此特性与所用材料

22、的光谱响应、制造工艺、掺杂浓度和使用的环境温度有关。541、常用光敏电阻CdS光敏电阻：峰值响应波长0.52um，掺铜或氯时峰值波长变长，光谱响应向红外区延伸，其亮暗电导比在10lx照度上可达1011(一般约为106)，其时间常数与入射光强度有关，100lx下可达几十毫秒。是可见光波段最灵敏的光敏电阻。PbS光敏电阻：响应波长在近红外波段，室温下响应波长可达3um，峰值探测率D*=1.51011cmHz1/2/w。缺点主要是响应时间太长，室温条件下100-300uS。内阻约为1M，锑化铟（InSb）光敏电阻：长波限7.5um，内阻低（约50），峰值探测率D*=1.21011cmHz1/2/w。

23、时间常数0.02uS。零度时探测率可提高2-3倍。碲镉汞HgCdTe系列光敏电阻。其性能优良，最有前途的光敏电阻。不同的Cd组分比例，可实现1-3um,3-5um,8-14um的光谱范围的探测。例如Hg0.8Cd0.2Te响应在大气窗口8-14um，峰值波长10.6um，Hg0.72Cd0.28Te 响应波长在3-5um.碲锡铅（PbSnTe）系列光敏电阻：不同的锡组分比例，响应波长不同。主要用在8-10um波段探测 ，但探测率低，应用不广泛。3.1.3 光敏电阻的应用电路552、基本偏置电路3.1.3 光敏电阻的应用电路RPURLULI 忽略暗电导Gd(暗电阻很大)： G=Gp=SgE或G=

24、Sg 即 对R求导得到 负号表示电阻是随温度的增加而减小。当光通量变化时，电阻变化Rp，电流变化I，即有： 即 562、基本偏置电路3.1.3 光敏电阻的应用电路URLULI输出电压573.1.3 光敏电阻的应用电路1、火焰检测报警器R12k中心站放大器VDW6VR2200kR3PbSC168nFC268uFR43.9MR5820kR71kR832kR63.9kR9150kC44.7nF+ C3 100uFV1V2V3PbS光敏电阻：Rd=1M, Rl=0.2M，峰值波长2.2um。恒压偏置电路高输入阻抗放大电路Vo58快门按钮驱动单元UthURUth=?UR=?+_ARp210kRp110k

25、R2300R15.1kC11uFMVDVRCdSUbb3.1.3 光敏电阻的应用电路2、照相机电子快门593、照明灯的光电控制电路3.1.3 光敏电阻的应用电路CKVDRCdS常闭灯220V半波整流测光与控制执行控制603.1.4 光敏电阻使用的注意事项1. 测光的光源光谱特性与光敏电阻的光敏特性相匹配。2. 要防止光敏电阻受杂散光的影响。3. 要防止使光敏电阻的电参数(电压,功耗)超过允许值。4. 根据不同用途，选用不同特性的光敏电阻。 一般: 数字信息传输:亮电阻与暗电阻差别大，光照指数大的光敏电阻。 模拟信息传输:则以选用值小、线性特性好的光敏电阻。61分类按用途 太阳能光电池：用作电源

26、（效率高，成本低） 测量用光电池：探测器件（线性、灵敏度高等）按材料 硅光电池：光谱响应宽，频率特性好 硒光电池：波谱峰值位于人眼视觉内 薄膜光电池：CdS增强抗辐射能力 紫光电池：PN结非常薄：0.2-0.3 m,短波峰值600nm3.2 光电池62 光电池是一种利用光生伏特效应制成的不需加偏压就能将光能转化成电能的光电器件。 1、金属-半导体接触型（硒光电池）基本结构2、PN结型几个特征： 1、栅状电极 2、受光表面的保护膜 3、上、下电极的区分符号3.2.1 光电池的基本结构和工作原理631、光照特性伏安特性硅光电池工作在第四象限，若工作在反偏置状态，则伏安特性将近伸到第三象限。由光电池

27、的电流方程： Rs很小，可忽略，上式变为：RsRLVDIpI+ILRLVDILIp=SgE3.2.2 硅光电池的特性参数641、光照特性3.2.2 硅光电池的特性参数负载电流ILERL1RL2RL3RL4RL4RL5RL=RL=0Voc1Voc5Isc1Isc2Isc3Isc4Is当IL=0时 一般IpIs, 当RL=0时，Isc=Ip=SgE下面看两个关系：当E=0时 651、Voc，Isc与E的关系： 当IL=0，RL=时 一般IpIs,且Ip=SgE 3.2.2 硅光电池的特性参数用于光电池检测当V=0，RL=0时， 662、Isc与E和RL的关系：3.2.2 硅光电池的特性参数RL=1

28、20RL=2.4kRL=12kE/lxJ/uAmm2 当RL=0时， Isc=Ip=SgE 当RL不为0时 RLVDIL 为什么RL的增加会使光电流减小？67光电池光照特性特征：1、Voc与光照E成对数关系；典型值在0.45-0.6V。作电 源时，转化效率10%左右。最大15.5-20%。2、Isc与E成线性关系，常用于光电池检测， Isc典型值 35-45mA/cm2。2、RL越小，线性度越好，线性范围越宽。3、光照增强到一定程度，光电流开始饱和，与负载 电阻有关。负载电阻越大越容易饱和。3.2.2 硅光电池的特性参数682、输出特性3.2.2 硅光电池的特性参数RL/0 100 200 3

29、00 400 500Voc/VIsc/mA400200 010080400PLVocILRMUL随RL的增大而增大，直到接近饱和RL小时IL趋近于短路电流Isc。在RL=RM时，有最大输出功率，RM称为最佳负载。光电池作为换能器件时要考虑最大输出问题，跟入射光照度也有关。作为测量使用，光电池以电流使用。短路电流Isc与光照度成线性关系，RL的存在使IL随光照度非线性的增加。RL增大，线性范围越来越小。693、光谱特性3.2.2 硅光电池的特性参数704、温度特性3.2.2 硅光电池的特性参数Voc具有负温度系数，其值约为2-3mV/度。Isc具有正温度系数，但随温度升高增长的比例很小，约为10

30、-5-10-3mA/度总结：当光电池接收强光照时要考虑温度升高的影响。如硅光电池不能超过200度。713.2.3 硅光电池的应用1、光电池用作太阳能电池 把光能直接转化成电能，需要最大的输出功率和转化效率。即把受光面做得较大，或把多个光电池作串、并联组成电池组，与镍镉蓄电池配合，可作为卫星、微波站等无输电线路地区的电源供给。2、光电池用作检测元件 利用其光敏面大，频率响应高，光电流与照度线性变化，适用于开关和线性测量等。72光电池与外电路的连接方式3.2.3 硅光电池的应用-10VVociC3DG62CR21k硅三极管的放大光电流电路-10VVociC3AX42CR锗三极管的放大电路1k光电池

31、作缓变信号检测时的的变换电路举例73硅三极管放大光电流的电路+4VVociC3DG7A2CR1k2AP71003.2.3 硅光电池的应用+_VocRf2CR采用运算放大器的电路光电池的变换电路举例741太阳电池电源 太阳电池电源系统主要由太阳电池方阵、蓄电池组、调节控制和阻塞二极管组成。如果还需要向交流负载供电，则加一个直流交流变换器，太阳电池电源系统框图如图。逆变器 交流负载 直流负载太阳能电池电源系统阻塞二极管 调节控制器太阳电池方阵75(a) 光电追踪电路+12VR4R3R6R5R2R1WBG1BG2 图 (a)为光电地构成的光电跟踪电路，用两只性能相似的同类光电池作为光电接收器件。当入

32、射光通量相同时，执行机构按预定的方式工作或进行跟踪。当系统略有偏差时，电路输出差动信号带动执行机构进行纠正，以此达到跟踪的目的。光电池在检测和控制方面应用中的几种基本电路76BG2BG1+12VC J R1 R2(b) 光电开关 图 (b)所示电路为光电开关，多用于自动控制系统中。无光照时，系统处于某一工作状态，如通态或断态。当光电池受光照射时，产生较高的电动势，只要光强大于某一设定的阈值，系统就改变工作状态，达到开关目的。77(c) 光电池触发电路R1R2R3R4R5R6BG1BG2BG3BG4C1C2C3+12VW 图 (c)为光电池触发电路。当光电池受光照射时，使单稳态或双稳态电路的状态

33、翻转，改变其工作状态或触发器件(如可控硅)导通。78图(d)为光电池放大电路。在测量溶液浓度、物体色度、纸张的灰度等场合，可用该电路作前置级，把微弱光电信号进行线性放大，然后带动指示机构或二次仪表进行读数或记录。在实际应用中，主要利用光电池的光照特性、光谱特性、频率特性和温度特性等，通过基本电路与其它电子线路的组合可实现或自动控制的目的。+12V-12V5G23(d) 光电池放大电路C3WR1R2R3R4R5C1C21876543279220VC1路灯CJD-108V200F200FC2C3100FR1R3R5R7R4R6R7R2J470k200k10k4.3kBG1280k25k57k10k

34、路灯自动控制器BG2BG3BG42CR80光电二极管的分类： 按材料分，光电二极管有硅、砷化镓、锑化铟光电二极管等许多种。按结构分，有同质结与异质结之分。其中最典型的是同质结硅光电二极管。 国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和2DU两种系列。2CU系列以N-Si为衬底，2DU系列以P-Si为衬底。2CU系列的光电二极管只有两条引线，而2DU系列光电二极管有三条引线。 3.3 光电二极管与光电三极管813.3 光电二极管与光电三极管光电二极管与光电池的特性比较光电基本结构相同，由一个PN结；二极管的光敏面小，结面积小，频率特性好，虽然光生电动势相同,但光电流普遍比光电池小,为数

35、微安。掺杂浓度：光电池约为1016-1019/cm3，硅光电二极管10121013/cm3，电阻率：光电池0.1-0.01/cm，光电二极管1000/cm。光电池零偏压下工作，光电二极管反偏压下工作。光电二极管的类型：硅、锗、PIN、APD823.3 光电二极管与光电三极管光电二极管的工作原理NP光+_外加反向偏压符号8384光电二极管的基本结构3.3 光电二极管与光电三极管N环极前极N+N+P后极环型光电二极管的结构前级后级环级VARLh等效电路85光电二极管的伏安特性IUOE2E1E0E0E1E3加正向偏压时， 表现为单向导电性。作为光敏二极管使用时，需要加反向偏压，当有光照时会产生光电流

36、，且光电流远大于反向饱和电流。反向偏压可以减小载流子的渡越时间和二极管的极间电容。反向偏压较小时反向电压达到一定值时。 uiO暗电流E = 200 lxE = 400 lx86光电二极管的光谱特性1、光敏二极管在较小负载电阻下，光电流与入射光功率有较好的线性关系。2、光敏二极管的响应波长与GaAs激光管和发光二极管的波长一致，组合制作光电耦合器件。3、光电二极管结电容很小，频率响应高，带宽可达100kHz。87光电二极管的温度特性 光电二极管的温度特性主要是指反向饱和电流对温度的依赖性，暗电流对温度的变化非常敏感。暗电流/mA10 20305070T /C25 050406088光电二极管的典

37、型应用电路应用电路EhRLVoRL+EVoh89光电二极管的典型应用电路电流放大型VoRf2CR+_ACRf2CRVo+_ARLRf电压放大型90PIN管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。这样，PN结的内电场就基本上全集中于本征层中，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小。时间常数变小，频带变宽。PIN光电二极管 P-Si N-Si I-SiPIN管结构示意图91特点：1、频带宽，可达10GHz。2、本征层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，线性输出范围宽。3、由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会使耗尽层宽度

38、增加，且集中在本征层，从而结电容要进一步减小，使频带宽度变宽。4、本征层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一芯片上并封装成一个器件。 92 雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。 这种管子工作电压很高，约100200V，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此，这种管子有很高的内增益，可达到几百。当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生所谓的雪崩。这种管子响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的

39、一种光电二极管。 噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无法使用。但由于APD的响应时间极短，灵敏度很高，它在光通信中应用前景广阔。 雪崩光电二极管(APD)93雪崩光电二极管(APD)原理图943.3.2 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。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）。制作材料一般为半导体硅，管型为NPN型，国产器件称为3DU系列。9596

40、光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。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。所以光电晶体管多用来作光电开关元件或光电逻辑元件。97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。当光照到集电结上时，集电结即产生光电流Ip向基区注入，同时在集电极电路即产生了一个被放大的电流Ic（Ie（1）Ip）为电流放大倍数。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相同的。 98发射极集电极基极发射极集电极光电三极管的工作原理cbeIcIpIbVo光敏三极管的结构原

41、理、工作原理和电气图形符号99光电三极管的工作原理工作过程：一、光电转换；二、光电流放大VCCVCC基本应用电路100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101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。光谱特性入射光硅锗/nm400080001200016000相对灵敏度/%

42、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。102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，而且输出的电信号较大。I/mA024620406080U/V500lx1000lx1500lx2

43、000lx2500lx103I/AL/lx200400600800100001.02.03.0光敏晶体管的光照特性 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104暗电流/mA10 20305070T /C25 0504060光电流/mA100 02003004008010203040506070T/C光电三极管的温度特性 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。从特性曲线可以看出，温度变化

44、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105 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。RL=1kRL=10kRL=100k0100100050050001000010020406080调制频率 / Hz相对灵敏度/%光电三极管的频率特性频率特性106光电三极管的应用电路光电三极管主要应用于开关控制电路及逻辑电路。JR2R1A3DG12VJR2R1

45、A3DG12V107 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亮通光电控制电路108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。 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。2暗通光电控制电路109 如要求路灯控制灵敏，可采用如图电路。3、路灯、霓虹灯的自动控制电路110 防止闪电等短时干扰的路灯控制电路 111

46、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112 光控电焊眼罩汽车车灯全自动控制器113 光电倍增管是建立在光电子发射效应、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。3.3.3 光电倍增管 Photo-Multiplier tube （PMT）114真空光电管90V DC直流放大阴极R-+光束e阳极丝（Ni）抽真空 阴极表面可涂渍不同光敏物质：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

47、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）。115光电倍增管的结构及工作原理光电阴极阳极倍增极 阴极在光照下发射出光电子，光电子受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。116光电倍增管（photomultiplier tube, PMT） 石英套光束1个光子产生106107个电子栅极，Grill阳极屏蔽光电倍增管示意图共有9个

48、打拿极(dynatron)，所加直流电压共为9010V117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，抗震性差；价格昂贵，体积大；光电倍增管的特点118 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。光电倍增管的应用1193.5 光电耦合器件120光电耦合器件的工作原理 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。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

49、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。121光电耦合器的种类较多，常见有：光电二极管型光电三极管型光敏电阻型光控晶闸管型光电达林顿型集成电路型等（外形有金属圆壳封装，塑封双列直插等） 122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。123

50、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、输入阻抗低，分得噪声电压小，抑制输入端的噪声干扰；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、采用光耦合，且密封安装，抑制外界杂散光干扰；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。124光电耦合器之所以在传输信号的同时能有效地抑制尖脉冲和各种杂讯干扰，使通道上的信号杂讯比大为

51、提高，主要的原因： （1）光电耦合器的输入阻抗很小，只有几百欧姆，而干扰源的阻抗较大，通常为105106。据分压原理可知，即使干扰电压的幅度较大，但馈送到光电耦合器输入端的杂讯电压会很小，只能形成很微弱的电流，由于没有足够的能量而不能使二极体发光，从而被抑制掉了。 （2）光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地；之间的分布电容极小，而绝缘电阻又很大，因此回路一边的各种干扰杂讯都很难通过光电耦合器馈送到另一边去，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。 （3）光电耦合器可起到很好的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，甚至输入信号线短接时，也不会损坏仪表。因为光耦合器件的输入回路和输

52、出回路之间可以承受几千伏的高压。 （4）光电耦合器的响应速度极快，其响应延迟时间只有10s左右，适于对响应速度要求很高的场合。 125说明：（1）在光电耦合器的输入部分和输出部分必须分别采用独立的电源，若两端共用一个电源，则光电耦合器的隔离作用将失去意义。 （2）当用光电耦合器来隔离输入输出通道时，必须对所有的信号（包括数位量信号、控制量信号、状态信号）全部隔离，使得被隔离的两边没有任何电气上的联系，否则这种隔离是没有意义的。 126光电耦合器件的主要参数1、电流传输比Ic/mAIc3Ic2Ic1Uc/VIF3IF2IF1Q3Q2Q1IFIFIFQIFO 定义为在直流状态下，光电耦合器件的集电

53、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：如果在小信号下，交流电流传输比用微小变量定义：在饱和区和截止区都变小。127与IF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/mA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1282、最高工作频率，f /M Hz相对输出1.00.7070f m1f m2f m3RL1RL2RL3 最高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

54、越大，最高工作频率越低。129光电耦合器件的应用1、代替脉冲变压器耦合信号，带宽宽，失真小。2、代替继电器，无断电时的冲击电流和触点抖动。3、完成电平匹配和电平转换功能。4、用于计算机作为光电耦合接口器件，提高可靠性。5、饱和压降低，代替三极管做为开关元件。6、在稳压电源中，作为过电流自动保护器件，简单可靠。130光电耦合器的应用 用于电平转换 用于逻辑门电路 起隔离作用应用在测量仪器、精密仪器、工业和医用电子仪器自动控制、遥控和遥测、各种通信装置、计算机系统及农业电子设备等广阔领域。131光电耦合器件光电耦合继电器光电隔离器（传感器）1323.6 光电位置敏感器件（PSD）PSD 是一种对其

55、感光面上入射光点位置敏感的光电器件（也称为坐标光电池 ）。即当入射光点落在器件感光面的不同位置时，PSD 将对应输出不同的电信号。通过对此输出电信号的处理，即可确定入射光点在 PSD 的位置。入射光点的强度和尺寸大小对 PSD 的位置输出信号均无关。PSD 的位置输出只与入射光点的“重心”位置有关。PSD有两种：一维PSD和二维PSD，一维PSD用于测定光点的一维坐标位置，二维PSD用于测定光点的二维坐标位置。 133P层i层0AxAI1I2I0N层LL入射光1、一维光电位置敏感器件（PSD）的工作原理依图中所示，电流I0、I1、I2、入射光位置xA和电极间距2L之间有如下关系：其中，P型层电

56、阻是均匀的。一维PSD器件可用来测量光斑在一维方向上的位置和位置移动量。134PSD是一种独特的半导体光电器件，它不仅是光电转换器,更重要的是光电流的分配器,通过合理设置分流层和收集电流的电极,根据各电极上收集到的电流的比例确定入射光的位置。 PSD一般为PIN结构。在硅板的底层表面上以胶合方式制成二片均匀的P和N电阻层，在P和N电阻层之间注入离子而产生I层，即本征层。在P层表面电阻层的两端各设置一输出极。当一束具有一定强度的光点照射到PSD的I层时，光点附近就会产生电子空穴对，在PN结电场的作用下，空穴进入P区，电子进入N区。由于P区杂质浓度相对较高，空穴迅速沿P区表面向两侧扩散，最终导致P

57、层空穴横向浓度呈梯度变化，这时同一层面上的不同位置呈现一定的电位差，这种现象称为横向光电效应。 135PSD表面P层为感光面,两边各有一信号输出电极1、2。底层的公共电极3可用来加反偏电压。当入射光点照射到PSD光敏面上某一点时,假设产生总的光生电流为I0,由于在入射光点与信号电极之间存在横向电动势,若在2个信号电极上接上负载电阻,光电流将分别流向2个信号电极,从而在信号电极上分别得到光电流I1和I2。显然,I1和I2之和等于总的光电流I0,而I1和I2的分流关系取决于入射光点位置到2个信号电极间的等效电阻R1和R2。其中R1和R2的值取决于入射光点的位置。 136PSD通常工作在反向偏压状态

58、，即PSD的公用极3接正电压，输出极1和2分别接地，这时流经电极3的电流I0与入射光的强度成正比，流经电极1、2的电流I1、I2与入射光的强度和入射光点的位置有关，由于P层为均匀的电阻层，因此I1、I2与光点到相应电极的距离成反比，并且I0= I1+I2。如果将坐标原点设在器件的中心点，I1、I2与I0具有如下关系： 137从上式可知，PSD测量结果XA与I1、I2比值有关，入射光强的变化不影响测量结果，这给测量带来了极大的方便。因此PSD在工业自动控制、位置变化等技术领域得到越来越广泛的应用。1383.7 光热辐射检测器件1391、热敏电阻热敏电阻热敏电阻是用金属氧化物或半导体材料作为电阻体

59、的温敏元件。有三种基本类型：正温度系数，PTC负温度系数，NTC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140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，伴随少量的热能产生热能产生，温升造成电阻值变化光敏电阻热敏电阻141负温度系数热敏电阻和金属材料温度特 性比较热敏电阻的电阻与温度关系为：A，C，D为与材料有关的常数。电阻随温度的变化规律为：对负温度系数材料：142热敏电阻的基本结构电极引线黏合剂发黑材料热敏元件衬底导热基体143144热电偶又称温差电偶