第03章光电检测器件课件.ppt

1、第第03章章-光电检测器件光电检测器件探测器件探测器件热光电探测元件热光电探测元件光电探测元件光电探测元件气体光电探测元气体光电探测元件件外光电效应外光电效应内光电效应内光电效应非放大型非放大型放放 大大 型型光电导探测光电导探测器器光磁电效应探测光磁电效应探测器器光生伏特探测光生伏特探测器器本征型本征型掺杂型掺杂型非放大非放大放大型放大型真空光电管真空光电管充气光电管充气光电管光电倍增管光电倍增管变像管变像管摄像管摄像管像增强器像增强器光敏电阻光敏电阻红外探测器红外探测器光电池光电池光电二极管光电二极管光电三极管光电三极管光电场效应管光电场效应管雪崩型光电二极管雪崩型光电二极管UbbIpIp

2、金属电极金属电极光电导材料光电导材料入射光入射光光敏电阻符号光敏电阻符号UI Ip p电极电极入射光入射光光电流光电流Ip=SU/L12321-光电导材料；光电导材料；2-电极；电极；3-衬底材料衬底材料绝缘基底绝缘基底光电导光电导体膜体膜绝缘基底绝缘基底光电导体膜光电导体膜pR材料特性材料特性结构参数结构参数应用：照相机、光度计、光电自动控制、辐射测应用：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。通信等技术方面制成的光辐射接收器件。其中：其中：I光光为光电流，为光电流，I光光

3、=IL-Id；E为照度，为照度，为光照指数，与为光照指数，与材料的入射光强弱有关，对材料的入射光强弱有关，对CdS光电导体，弱光照射下光电导体，弱光照射下=1，强光，强光下下=0.5；U为光敏电阻两端所加电压，为光敏电阻两端所加电压，为电压指数，与光电导体和电极为电压指数，与光电导体和电极材料间接触有关，欧姆接触时材料间接触有关，欧姆接触时=1，非欧姆接触时，非欧姆接触时=1.1-1.2 Sg为光电导灵敏度，单位为光电导灵敏度，单位S/lx OI光光ECdS的光电特的光电特性性对对CdS光电导体，光电导体，弱光照射下弱光照射下=1，强光下强光下=0.5；为什么？；为什么？光照增强的同时，载流子

4、浓度不光照增强的同时，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，光电流呈饱和趋此复合几率也增大，光电流呈饱和趋势。（冷却可以改善）势。（冷却可以改善）UESIg光允许的允许的功耗线功耗线O10电压电压V/VI光光/mA510050100 lx10 lx250mW光敏电阻的伏安特性光敏电阻的伏安特性 光敏电阻为一纯电阻，光敏电阻为一纯电阻，符合欧姆定律，曲线为直线符合欧姆定律，曲线为直线。但对大多数半导体，电场。但对大多数半导体，电场强度超过强度超过 时，不再时，不再遵守欧姆定律。

5、而遵守欧姆定律。而CdSCdS在在100V100V时就不成线性了。时就不成线性了。厘米伏410 换换句话说，温度的变化，引起温度噪声，导致光敏电阻灵句话说，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，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。检测领域更为重要。20406080100T501001502000I 指指光敏电阻的时间特性与工作前光敏电阻的时间特性与工作前“历史历史”有关的一种现象有关的一种现象。即测试前光

6、敏电阻所处状态对光敏电阻特性的影响。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：暗态前历效应：指光敏电阻测试或工作前处于暗态，当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。越慢。1-黑暗放置黑暗放置3分钟后分钟后 2-黑暗放置黑暗放置60分钟后分钟后 3-黑暗放置黑暗放置24小时后小时后 同同时，时间特性与输时，时间特性与输入光的照度、工作温度有入光的照度、工作温度有明显的依赖

7、关系。明显的依赖关系。4123O1f/Hz相对输出相对输出0.41051010.20.60.81021031041-Se1-Se；2-CdS2-CdS；3-TlS3-TlS；4-PbS4-PbSrfEtOi(%)tO1006337rf矩形光矩形光脉冲脉冲10lx100lx相对灵敏度与波长的关系相对灵敏度与波长的关系可见光区光敏电阻的光谱特性可见光区光敏电阻的光谱特性 光谱特性曲光谱特性曲线覆盖了整个可见线覆盖了整个可见光区，峰值波长在光区，峰值波长在515515600nm600nm之间。之间。尤其硫化镉（尤其硫化镉（2 2）的峰值波长与人眼的峰值波长与人眼的很敏感的峰值波的很敏感的峰值波长（长

8、（555nm555nm）是很）是很接近的，因此可用接近的，因此可用于与人眼有关的仪于与人眼有关的仪器。器。1-Se；2-CdS；3-TlS；4-PbS红外区光敏电阻的光谱特性红外区光敏电阻的光谱特性注明：此特性与所用材料的光谱响应、制造工艺、掺杂浓注明：此特性与所用材料的光谱响应、制造工艺、掺杂浓度和使用的环境温度有关。度和使用的环境温度有关。uCdSCdS光敏电阻：光敏电阻：峰值响应波长峰值响应波长0.52um0.52um，掺铜或氯时峰值波长变长，光，掺铜或氯时峰值波长变长，光谱响应向红外区延伸，其亮暗电导比在谱响应向红外区延伸，其亮暗电导比在10lx10lx照度上可达照度上可达101011

9、11(一般约为一般约为10106 6)，其时间常数与入射光强度有关，其时间常数与入射光强度有关，100lx100lx下可达几十毫秒。是可见光波段下可达几十毫秒。是可见光波段最灵敏的光敏电阻。最灵敏的光敏电阻。uPbSPbS光敏电阻：光敏电阻：响应波长在近红外波段，室温下响应波长可达响应波长在近红外波段，室温下响应波长可达3um3um，峰，峰值探测率值探测率D D*=1.5=1.510101111cmHzcmHz1/21/2/w/w。缺点主要是响应时间太长，室温条件。缺点主要是响应时间太长，室温条件下下100-300uS100-300uS。内阻约为。内阻约为1M1M，u锑化铟（锑化铟（InSbI

10、nSb）光敏电阻：）光敏电阻：长波限长波限7.5um7.5um，内阻低（约，内阻低（约5050），），峰值峰值探测率探测率D*=1.21011cmHz1/2/w。时间常数。时间常数0.02uS。零度时探测率可提高。零度时探测率可提高2-3倍。倍。u碲镉汞碲镉汞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组组分比例，可实现分比例，可实现1-3um,3-5um,8-14um的光谱范围的探测。例如的光谱范围的探测。例如Hg0.8Cd0.2Te响应在响应在大气窗口大气窗口8-14um，峰值波长，峰值波长10.6um，Hg0.7

11、2Cd0.28Te 响应波长在响应波长在3-5um.u碲锡铅（碲锡铅（PbSnTePbSnTe）系列光敏电阻：）系列光敏电阻：不同的锡组分比例，响不同的锡组分比例，响 应波长不同应波长不同。主要用在。主要用在8-10um波段探测波段探测，但探测率低，应用不广泛。，但探测率低，应用不广泛。RPURLULI 忽略暗电导忽略暗电导Gd(暗电阻很大暗电阻很大)：G=Gp=SgE或或G=Sg 即即 对对R求导得到求导得到 负号表示电阻是随输入辐射的增加而减小。负号表示电阻是随输入辐射的增加而减小。当光通量变化时，电阻变化当光通量变化时，电阻变化Rp，电流变化电流变化I，即有：，即有：即即 ESRg1ES

12、RRg2ppLbRRRUII2pLbppLbppLbRRURRRURRRUI22pLbgpRRUSRIURLULI输出电压输出电压LpLbgppLLbpLRRRUSRRRRURU222R R1 12k2k中心站中心站放大器放大器V VDWDW6V6VR R2 2200k200kR R3 3PbSPbSC C1 168nF68nFC C2 268uF68uFR R4 43.9M3.9MR R5 5820k820kR R7 71k1kR R8 832k32kR R6 63.9k3.9kR R9 9150k150kC C4 44.7nF4.7nF+C+C3 3 100uF 100uFV V1 1V

13、V2 2V V3 3PbS光敏电阻：光敏电阻：Rd=1M,Rl=0.2M，峰值波长，峰值波长2.2um。恒压恒压偏置偏置电路电路高输入高输入阻抗放阻抗放大电路大电路Vo快门快门按钮按钮驱动驱动单元单元UthURUth=?UR=?+_ARp210kRp110kR2300R15.1kC11uFMVDVRCdSUbbCKVDRCdS常闭常闭灯灯220V半波整流半波整流测光与控制测光与控制执行控制执行控制分类分类1、金属、金属-半导体接触型（硒光电池）半导体接触型（硒光电池）基本结构基本结构2、PN结型结型NP)(电极)(电极入射光线几个特征：几个特征：1、栅状电极、栅状电极 2、受光表面的保护膜、受

14、光表面的保护膜 3、上、下电极的区分、上、下电极的区分符号符号1、光照特性、光照特性伏安特性伏安特性由光电池的电流方程：由光电池的电流方程：Rs很小，可忽略，上式变为：很小，可忽略，上式变为：RsRLVDIpI+ILRLVDILIp=SgE1kTRIVqspLsLeIII1kTqVspLeIII1kTqVsgLeIESI1、光照特性、光照特性负载电流负载电流ILERL1RL2RL3RL4RL4RL5RL=RL=0Voc1Voc5Isc1Isc2Isc3Isc4Is当当IL=0时时 一般一般IpIs,当当RL=0时，时，Isc=Ip=SgE下面看两个关系：下面看两个关系：1kTqVsgLeIES

15、I当当E=0时时 1kTqVsLeII1lnspocIIqkTVspocIIqkTVln02000 40006000800010000123454.03.02.01.0scIocU)/(2cmmAIsc)(VUoc)(LxE1、Voc，Isc与与E的关系：的关系：当当IL=0，RL=时时 一般一般IpIs,且且Ip=SgE 用于光电池检测用于光电池检测当当V=0V=0，R RL L=0=0时，时，1lnspocIIqkTV1lnsgocIESqkTVESIIgpsc2、Isc与与E和和RL的关系：的关系：RL=120RL=2.4kRL=12kE/lxJ/uAmm2 当当RL=0时，时，Isc=

16、Ip=SgE 当当RL不为不为0时时 RLVDIL1kTqVsgLeIESI光电池光照特性特征：光电池光照特性特征：1、Voc与光照与光照E成对数关系；典型值在成对数关系；典型值在0.45-0.6V。作电。作电 源时，转化效率源时，转化效率10%左右。最大左右。最大15.5-20%。2、Isc与与E成线性关系，常用于光电池检测，成线性关系，常用于光电池检测，Isc典型值典型值 35-45mA/cm2。2、RL越小，线性度越好，线性范围越宽。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、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

17、。电阻有关。负载电阻越大越容易饱和。2、输出特性、输出特性RL/0 100 200 300 400 500Voc/VIsc/mA400200 010080400PLVocILRMUL随随RL的增大而增大，直到接近饱和的增大而增大，直到接近饱和。RL小时小时IL趋近于短路电流趋近于短路电流Isc。在在RL=RM时，有最大输出功率，时，有最大输出功率，RM称称为最佳负载。光电池作为换能器件时为最佳负载。光电池作为换能器件时要考虑最大输出问题，跟入射光照度要考虑最大输出问题，跟入射光照度也有关。也有关。作为测量使用，光电池以电流使用。作为测量使用，光电池以电流使用。短路电流短路电流Isc与光照度成线

18、性关系，与光照度成线性关系，RL的存在使的存在使IL随光照度非线性的增加。随光照度非线性的增加。RL增大，线性范围越来越小。增大，线性范围越来越小。3、光谱特性、光谱特性4、温度特性、温度特性Voc具有负温度系数具有负温度系数，其值约为，其值约为2-3mV/度。度。Isc具有正温度系数具有正温度系数，但随温度升高增长的比，但随温度升高增长的比例很小，约为例很小，约为10-5-10-3mA/度度T0.29.18.1200400600ocUscI)(mVUoc)(mAIsc200204060 80 100总结：总结：当光电池接收强光当光电池接收强光照时要考虑温度升高的影照时要考虑温度升高的影响。如

19、硅光电池不能超过响。如硅光电池不能超过200度。度。光电池与外电路的连接方式光电池与外电路的连接方式-10VVociC3DG62CR21k硅三极管的放大光电硅三极管的放大光电流电路流电路-10VVociC3AX42CR锗三极管的放大电路锗三极管的放大电路1k光电池作缓变信号检测时的的变换电路举例光电池作缓变信号检测时的的变换电路举例硅三极管放大光电流的电路硅三极管放大光电流的电路+4VVociC3DG7A2CR1k2AP7100+_VocRf2CR采用运算放大器的电路采用运算放大器的电路光电池的变换电路举例光电池的变换电路举例1 1太阳电池电源太阳电池电源 太阳电池电源系统主要由太阳电池方阵、

20、蓄电池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。源系统框图如图。逆变器逆变器 交流负载交流负载 直流负载直流负载太阳能电池电源系统太阳能电池电源系统阻塞二极管阻塞二极管 调节控制器调节控制器太阳太阳电池电池方阵方阵(a)光电追踪电路光电追踪电路+12VR4R3R6R5R2R1WBG1BG2 图图(a)为光电地构成的光电跟踪电路，用两只性能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

21、收器件。当入射光通量相似的同类光电池作为光电接收器件。当入射光通量相同时，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光电池在检测和控制方面应用中的几种基本电路BG2BG1+12VC J R1 R2(b)光电开关光电开关 图图(b)所示电路为光电开关，多用于自动控制系统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。中。无光照时，

22、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，达到开关目于某一设定的阈值，系统就改变工作状态，达到开关目的。的。(c)光电池触发电路光电池触发电路R1R2R3R4R5R6BG1BG2BG3BG4C1C2C3+12VW 图图(c)为光电池触发电路。当光电池受光照为光电池触发电路。当光电池受光照射时，使单稳态或双稳态电路的状态翻转，射时，使单稳态或双稳态电路的状态翻转，改变其工作状态或触发器件改变其工作状态或触发器件(如可控硅如可控硅)导通导通。+12V5G23(d)光电池放

23、大电路光电池放大电路C3-12VWR1R2R3R4R5C1C218765432图图(d)为光电池放大电路。在测量溶液浓度、物体色度为光电池放大电路。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、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。表进行读数或记录。在 实 际 应 用在 实 际 应 用中，主要利用光中，主要利用光电池的光照特性电池的光照特性、光谱特性、频、光谱特性、频率特性和温度特率特性和温度特性等，通过基本性等，通过基本电路与其它电子电路与其它电子线路

24、的组合可实线路的组合可实现或自动控制的现或自动控制的目的。目的。220VC1路灯路灯CJD-108V200FF200FFC2C3100FFR1R3R5R7R4R6R7R2J470k200k10k4.3kBG1280k25k57k10k路灯自动控制器路灯自动控制器BG2BG3BG42CR光电二极管的分类：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。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

25、的导电类型不同国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为，分为2CU2CU和和2DU2DU两种系列。两种系列。2CU2CU系列以系列以N-SiN-Si为衬底为衬底，2DU2DU系列以系列以P-SiP-Si为衬底。为衬底。2CU2CU系列的光电二极管只系列的光电二极管只有两条引线，而有两条引线，而2DU2DU系列光电二极管有三条引线。系列光电二极管有三条引线。光电二极管与光电池的特性比较光电二极管与光电池的特性比较基本结构相同，由一个基本结构相同，由一个PN结；结；光电二极管的光敏面小，结面积小，频率特性好，虽然光电二极管的光敏面小，结面积小，频率特性好，虽然光生电动势相同光生电动势相同,但

26、光电流普遍比光电池小但光电流普遍比光电池小,为数微安。为数微安。掺杂浓度：光电池约为掺杂浓度：光电池约为1016-1019/cm3，硅光电二极管，硅光电二极管10121013/cm3，电阻率：光电池电阻率：光电池0.1-0.01/cm，光电二极管，光电二极管1000/cm。1.光电池零偏压下工作，光电二极管反偏压下工作。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：光电二极管的类型：硅、锗、硅、锗、PINPIN、APDAPD光电二极管的工作原理光电二极管的工作原理NP光光+_外加外加反向反向偏压偏压符号符号光电二极管的基本结构光电二极管的基本结构N环极环极前极前极N+N+P后极

27、后极环型光电二极管的结构环型光电二极管的结构前级前级后级后级环级环级VARLh等效电路等效电路光电二极管的伏安特性光电二极管的伏安特性IUOE2E1E0E0E1E3u加正向偏压时，加正向偏压时，表现为单向导电性。表现为单向导电性。u作为光敏二极管使用时，需要加反向偏压，当有光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，且光电流远大于反向饱和电流。照时会产生光电流，且光电流远大于反向饱和电流。u反向偏压可以减小载流子的渡越时间和二极管的极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。间电容。反向偏压较小时反向偏压较小时反向电压达到一定值时。反向电压达到一定值时。uiO暗电

28、流暗电流E=200 lxE=400 lx光电二极管的光谱特性光电二极管的光谱特性1、光敏二极管在较小负载、光敏二极管在较小负载电阻下，光电流与入射光功电阻下，光电流与入射光功率有较好的线性关系。率有较好的线性关系。2、光敏二极管的响应波长、光敏二极管的响应波长与与GaAs激光管和发光二极激光管和发光二极管的波长一致，组合制作光管的波长一致，组合制作光电耦合器件。电耦合器件。3、光电二极管结电容很小、光电二极管结电容很小，频率响应高，带宽可达，频率响应高，带宽可达100kHz。光电二极管的温度特性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光电二极管的温度特性主要是指反向饱和电流对

29、温度的依赖性，暗电流对温度的变化非常电流对温度的依赖性，暗电流对温度的变化非常敏感。敏感。暗电流暗电流/mA10 20305070T/C25 0504060光电二极管的典型应用电路光电二极管的典型应用电路应用电路应用电路EhRLVoRL+EVoh光电二极管的典型应用电路光电二极管的典型应用电路电流放大型电流放大型VoRf2CR+_ACRf2CRVo+_ARLRf电压放大型电压放大型 PIN PIN管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，在管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，在P P型半导体和型半导体和N N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。

30、这样，半导体。这样，PNPN结的内电场就基本上全集中于本征层中，结的内电场就基本上全集中于本征层中，从而使从而使PNPN结双电层的间距加宽，结电容变小。时间常数变结双电层的间距加宽，结电容变小。时间常数变小，频带变宽。小，频带变宽。PINPIN光电二极管光电二极管 P-Si N-Si I-SiPIN管结构示意图管结构示意图特点：特点：1 1、频带宽，可达、频带宽，可达10GHz10GHz。2 2、本征层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向、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。电压，线性输出范围宽。3 3、由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向、由耗尽层宽度与外加

31、电压的关系可知，增加反向偏压会使耗尽层宽度增加，且集中在本征层，从而偏压会使耗尽层宽度增加，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。结电容要进一步减小，使频带宽度变宽。4 4、本征层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为、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。目前有将零点几微安至数微安。目前有将PINPIN管与前置运算放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。大器集成在同一芯片上并封装成一个器件。雪崩光电二极管是利用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结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。来工作的一种二极管。这种管

32、子这种管子工作电压很高工作电压很高，约，约100100200V200V，接近于反向击穿电压，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，。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，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，的内增益，可达到几百。当电压等于反向击穿电压时，电流增益电流增益可达可达10106 6，即产生所谓的雪崩。这种管子响应速度特别快，即产生所谓的雪崩。这种管子响应速度特别快，带宽带宽可达可达100GHz100GHz，是目

33、前响应速度最快的一种光电二极管。，是目前响应速度最快的一种光电二极管。雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)(APD)雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)(APD)原理图原理图3.3.2 3.3.2 光电三极管的基本结构光电三极管的基本结构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、工作原理和电气图形符号光敏三极管的结构原理、工作原理和电气图形符号pppcIIII1光电三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、光电流放大工作过程：一、光电转换；二、光电流放大VCCVCC基本基

34、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，激发电子空穴对。当入射光的波长缩短时，相对灵

35、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电子空穴对不能到达PNPN结，因而使相对灵敏度下降。结，因而使相对灵敏度下降。光谱特性光谱特性入射光入射光硅硅锗锗/nm400080001200016000相对灵敏度相对灵敏度/%10080604020 0硅的峰值波长为硅的峰值波长为900nm900nm，锗，锗的峰值波长为的峰值波长为1500nm1500nm。由。由于锗管的暗电流比硅管大，于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管的性能较差。故因此锗管的性能较差。故在可见光或探测赤热状态在可见光或探测赤热状态物体时，

36、一般选用硅管；物体时，一般选用硅管；但对红外线进行探测时但对红外线进行探测时,则则采用锗管较合适。采用锗管较合适。伏安特性伏安特性伏安特性伏安特性 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的输出特性一样。因此，只要将入射光照在发射极e e与基极与基极b b之之间的间的PNPN结附近，所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三结附近，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

37、。光电三极管能把光信号变成电信号，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。而且输出的电信号较大。I/mA024620406080U/V500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/AL/lx200400600800100001.02.03.0光敏晶体管的光照特性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极管的输出电流 I I 和照度之间的关系。它们之间呈现和照度之间的关系。它们之间呈现了近似线性关系。当光照足够大了近似线性关系。当光照足够大(几几klx)klx)

38、时，会出现饱时，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。作开关元件。光照特性光照特性暗电流暗电流/mA10 20 305070T/C25 0504060光电流光电流/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，温度变化对光电流光电流与温度的关系。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流的影响很小，而对暗电流

39、的影响很大所以电子线路中应该对暗的影响很小，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。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 光电三极管的频率特性曲线如图所示。光电三极管的频率特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的调制频率要求在5 5k kHzHz以下。硅管的频率响应要比锗管好。以下

40、。硅管的频率响应要比锗管好。RL=1kRL=10kRL=100k0100100050050001000010020406080调制频率调制频率/Hz相相对对灵灵敏敏度度/%光电三极管的频率特性光电三极管的频率特性频率特性频率特性J JR R2 2R R1 1A A3DG123DG12V VJ JR R2 2R R1 1A A3DG123DG12V V 1 1亮通光电控制电路亮通光电控制电路2暗通光电控制电路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光电耦合器以光电转换原理传输信息，由于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光耦两侧是电绝缘

41、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。强的抑制能力。光电耦合器由发光器件（发光光电耦合器由发光器件（发光二极管）和受光器件（光敏三二极管）和受光器件（光敏三极管）封装在一个组件内构成；极管）封装在一个组件内构成；当发光二极管流过电流当发光二极管流过电流I IF F时发时发出红外光，光敏三极管受光激出红外光，光敏三极管受光激发后导通，并在外电路作用下发后导通，并在外电路作用下产生电流产生电流I IC C。光耦合器件有光耦合器件有透光型透光型与与反射型反射型两种。在透光两种。在透光型光耦合器件中，发光器件与受光器件面对

42、面安型光耦合器件中，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。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，把它放在得体积小，把它放在物体的侧面就能使用。物体的

43、侧面就能使用。具有电隔离的功能；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；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：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；、输入阻抗低，分得噪声电压小，抑制输入端的噪声干扰；2 2、LEDLED发光需要一定能量，因此可以抑制高电压、低能量的干扰；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；

44、、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、寄生电容小(0.5pF-2pF)(0.5pF-2pF)，绝缘电阻大，绝缘电阻大(10(105 5-10-107 7M M)，抑制反馈噪声。，抑制反馈噪声。响应速度快；响应速度快；使用方便，结构小巧，防水抗震，工作温度范围宽；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。即具有耦合特性又具有隔离特性。1、电流传输比、电流传输比I Ic c/mA/mAI Ic3c3I Ic2c2I Ic1c1U Uc c/V VI IF3F3I IF2F2I IF1F1Q Q3 3Q Q2 2Q Q1 1I IF FI

45、 IF FI IF FQ QI IF FO O 定义为在直流状态下，定义为在直流状态下，光电耦合器件的集电极电流光电耦合器件的集电极电流I Ic c与发光二极管的注入电流与发光二极管的注入电流I IF F之比。如图中在之比。如图中在Q Q点处电流传点处电流传输比为：输比为：%100FQCQQII如果在小信号下，交流电流如果在小信号下，交流电流传输比用微小变量定义：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由于发光二极管发出的光不总与电流成正比，所以比，所以有如图示的变化。有如图示的变化。4 3 2 1 0 50 100 150 电

46、流电流/mA输出功率输出功率/mW发光二极管的发光二极管的P-IP-I曲线曲线0 10 20 30 40 50 60 7012010080604020I IF F/mA/mAI IF F与与的关系曲线的关系曲线2、最高工作频率，、最高工作频率，mff/M Hz相相对对输输出出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，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。阻值越大，最高工作频率越低。光电耦合器件光电耦合继电器光电隔离器（传感器）P

47、P层层i i层层0 0A Ax xA AI I1 1I I2 2I I0 0N N层层L LL L入入射射光光1、一维光电位置敏感器件（、一维光电位置敏感器件（PSD）的工作原理）的工作原理LIIIIxLxLIILxLIIIIIAAA1212020121022依图中所示，电流依图中所示，电流I I0 0、I I1 1、I I2 2、入射光位置、入射光位置x xA A和电极间和电极间距距2L2L之间有如下关系：之间有如下关系：其中，其中，P P型层电阻是均匀的。型层电阻是均匀的。一维一维PSDPSD器件可用来测量光斑在一维方向上的位置和位器件可用来测量光斑在一维方向上的位置和位置移动量。置移动量

48、。1 1、热敏电阻、热敏电阻半导体对光的吸收半导体对光的吸收本征和杂质吸收本征和杂质吸收产生光生载子产生光生载子晶格吸收、自由电子吸收晶格吸收、自由电子吸收不产生光生载子不产生光生载子光电导率变化，光电导率变化，伴随少量的热伴随少量的热能产生能产生热能产生，温热能产生，温升造成电阻值升造成电阻值变化变化光敏电阻光敏电阻热敏电阻热敏电阻p负温度系数热敏电阻和金属材料温度特负温度系数热敏电阻和金属材料温度特 性比较性比较热敏电阻的电阻与温度热敏电阻的电阻与温度关系为：关系为：TDCeATTRA，C，D为与材料有关的常数。为与材料有关的常数。电阻随温度的变化规律为：电阻随温度的变化规律为：RTRT对

49、负温度系数材料：对负温度系数材料：0Tp热敏电阻的基本结构热敏电阻的基本结构电极引线电极引线黏合剂黏合剂发黑材料发黑材料热敏元件热敏元件衬底衬底导热基体导热基体2 2、热电偶检测器、热电偶检测器热端热端T+T冷端冷端TABII温差热电偶温差热电偶T+TJ1BAJ2IGc辐射热电偶辐射热电偶T+TNPTTRLI+_涂黑金箔涂黑金箔半导体辐射半导体辐射热电偶热电偶基于温差热电基于温差热电效应，多用于效应，多用于测温，测温，采用金属材料制成，用于探采用金属材料制成，用于探测入射辐射，温升小，对材测入射辐射，温升小，对材料的要求高，结构严格且复料的要求高，结构严格且复杂，成本高。杂，成本高。P型半导体

50、冷端带正电，型半导体冷端带正电，N型半导体冷端带负电，型半导体冷端带负电，最小可检测功率一般为最小可检测功率一般为10-11W。光光热端热端冷端冷端涂黑金箔涂黑金箔mVRL 热电堆提高了热电偶热电堆提高了热电偶的响应时间和灵敏度。的响应时间和灵敏度。其结构是多个热电偶串其结构是多个热电偶串联。联。热电堆的灵敏度为每热电堆的灵敏度为每个热电偶灵敏度的和。个热电偶灵敏度的和。总结：热电偶型红外辐射探测器的时间常数较大，总结：热电偶型红外辐射探测器的时间常数较大，响应时间长，动态特性差，被测辐射变化频率一般响应时间长，动态特性差，被测辐射变化频率一般应在应在10Hz以下。以下。3 3、热释电器件、热