第3章 §31 光電信息轉(zhuǎn)換器件

1、四種光電效應(yīng)四種光電效應(yīng)： 1外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)。在入射光能量作用下，某些物體內(nèi)。在入射光能量作用下，某些物體內(nèi)的電子逸出物體表面，向外發(fā)射電子。相應(yīng)器件：的電子逸出物體表面，向外發(fā)射電子。相應(yīng)器件：光電光電倍增管倍增管等。等。第三章第三章 光電信息轉(zhuǎn)換器件光電信息轉(zhuǎn)換器件2光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)。光作用下，半導(dǎo)體材料中的電子受。光作用下，半導(dǎo)體材料中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子的激發(fā)，將由價帶越到能量大于或等于禁帶寬度的光子的激發(fā)，將由價帶越過禁帶躍遷到導(dǎo)帶，從而使導(dǎo)帶中電子濃度加大，材料過禁帶躍遷到導(dǎo)帶，從而使導(dǎo)帶中電子濃度加大，材料的電阻率減小。相應(yīng)器件：的電阻率減小。相應(yīng)器件

2、：光敏電阻光敏電阻等。等。3光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)。在入射光能量作用下能使物體。在入射光能量作用下能使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢。以產(chǎn)生一定方向的電動勢。以PN結(jié)為例，由于光結(jié)為例，由于光線照射線照射PN結(jié)而產(chǎn)生的電子和空穴，在內(nèi)電場作結(jié)而產(chǎn)生的電子和空穴，在內(nèi)電場作用下分別移向用下分別移向N和和P區(qū)，從而對外形成光生電動區(qū)，從而對外形成光生電動勢。相應(yīng)器件：勢。相應(yīng)器件：光電池、光敏二極管、光敏三極光電池、光敏二極管、光敏三極管管等。等。 4光電熱效應(yīng)光電熱效應(yīng)。光照引起材料溫度發(fā)生變化。光照引起材料溫度發(fā)生變化而產(chǎn)生電流的現(xiàn)象。相應(yīng)器件：而產(chǎn)生電流的現(xiàn)象。相應(yīng)器件： 熱電探測器熱電探測器。光電信息

3、轉(zhuǎn)換器件的主要特性和參數(shù)如下：光電信息轉(zhuǎn)換器件的主要特性和參數(shù)如下：1光電特性光電特性 I 光電流光電流F（）光通量光通量2光譜特性光譜特性 I 光電流光電流F（）入射光波長入射光波長3伏安特性伏安特性 I 光電流光電流F（）（）電壓電壓4頻率特性頻率特性 I 光電流光電流F（f）入射光調(diào)制頻率入射光調(diào)制頻率 導(dǎo)致電子瓶頸的主要原因?qū)е码娮悠款i的主要原因5暗電流暗電流 0時光電信息轉(zhuǎn)換器件輸出的電流，時光電信息轉(zhuǎn)換器件輸出的電流， 有時稱為有時稱為I=06 靈敏度靈敏度 對于復(fù)色光對于復(fù)色光: S(積分靈敏度積分靈敏度) =I / 對于單色光對于單色光: S（）(光譜靈敏度光譜靈敏度)I（）/

4、（）3.1 光電信息轉(zhuǎn)換器件光電信息轉(zhuǎn)換器件光電倍增管由光窗、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、光電倍增管由光窗、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、電子倍增系統(tǒng)和陽極等五個主要部分組成，其外形如電子倍增系統(tǒng)和陽極等五個主要部分組成，其外形如圖圖3.1.1-1所示。所示。側(cè)窗式側(cè)窗式端窗式端窗式一、結(jié)構(gòu)與原理一、結(jié)構(gòu)與原理3.1.1 光電倍增管光電倍增管1D2D3D4DAK倍增極倍增極陽極陽極原理圖原理圖圖圖3.1.1-2 多級倍增管的工作原理多級倍增管的工作原理1光窗光窗光窗是入射光的光窗是入射光的通道通道，是對光吸收較多的部分。常用，是對光吸收較多的部分。常用的光窗材料有鈉鈣玻璃和熔凝石英等。的光窗材料有鈉鈣玻

5、璃和熔凝石英等。2光電陰極光電陰極它的作用是接收入射光，向外它的作用是接收入射光，向外發(fā)射光電子發(fā)射光電子。制作光電。制作光電陰極的材料多是化合物半導(dǎo)體。陰極的材料多是化合物半導(dǎo)體。3電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng)任務(wù)：（任務(wù)：（1）使前一級發(fā)射出來的電子盡可能沒有散）使前一級發(fā)射出來的電子盡可能沒有散失地落到下一個倍增極上，使下一級的失地落到下一個倍增極上，使下一級的收集率接近于收集率接近于1；（2）使前一級各部分發(fā)射出來的電子，落到后一級上時）使前一級各部分發(fā)射出來的電子，落到后一級上時所經(jīng)歷的所經(jīng)歷的時間盡可能相同時間盡可能相同。4倍增系統(tǒng)倍增系統(tǒng)0nIi每個倍增極由二次電子倍增材料構(gòu)成。光電

6、倍每個倍增極由二次電子倍增材料構(gòu)成。光電倍增管是利用增管是利用二次電子發(fā)射二次電子發(fā)射（高速電子打到金屬表面（高速電子打到金屬表面，由于電子的動能被金屬吸收，改變了金屬原子內(nèi)，由于電子的動能被金屬吸收，改變了金屬原子內(nèi)電子能量的狀態(tài)，使有些電子從金屬表面逸出）現(xiàn)電子能量的狀態(tài)，使有些電子從金屬表面逸出）現(xiàn)象制成的。象制成的。如果每個電子落到某一倍增極上從該倍增極打如果每個電子落到某一倍增極上從該倍增極打出出個二次電子，那么很明顯地：個二次電子，那么很明顯地：式中，式中， I 陽極電流；陽極電流； i0 光陰極發(fā)出的光電流；光陰極發(fā)出的光電流； n 光電倍增極的級數(shù)。光電倍增極的級數(shù)。光電倍增管

7、的電流放大系數(shù)光電倍增管的電流放大系數(shù)可用下式表示：可用下式表示：0nIi5. 陽極陽極用來用來收集末級倍增極發(fā)射出來的電子收集末級倍增極發(fā)射出來的電子?，F(xiàn)在普?，F(xiàn)在普遍采用金屬網(wǎng)來作陽極，靠近末級倍增極附近。遍采用金屬網(wǎng)來作陽極，靠近末級倍增極附近。 倍增系統(tǒng)有倍增系統(tǒng)有聚焦型聚焦型和和非聚焦型非聚焦型兩類（根據(jù)兩極間兩類（根據(jù)兩極間的電子運(yùn)動軌跡是否平行分類）。的電子運(yùn)動軌跡是否平行分類）。 二、光電倍增管的特性二、光電倍增管的特性1光電特性光電特性2光譜特性光譜特性 3伏安特性伏安特性 4放大特性放大特性 5頻率特性頻率特性 （可達(dá)（可達(dá)1MHZ以上）以上） 6疲乏特性疲乏特性 7暗電流

8、暗電流 I= 01光電特性光電特性 RL AD4 D3D2D1 KR5R4 R3R2R1 +- 特點(diǎn)：線性增加，然后偏離直線。特點(diǎn)：線性增加，然后偏離直線。 2光譜特性光譜特性( (圖所示的光電陰極：銻鉀銫圖所示的光電陰極：銻鉀銫SbSb-K-Cs-K-Cs）。）。 RL AD4 D3D2D1 KR5R4 R3R2R1 +-表示陽極電流表示陽極電流 Ia 對于最對于最后一級倍增極和陽極間的電后一級倍增極和陽極間的電壓壓U的關(guān)系。作此曲線時，的關(guān)系。作此曲線時，其余各電極的電壓保持恒定。其余各電極的電壓保持恒定。特點(diǎn)：特點(diǎn)： （1）光通量不變，曲線）光通量不變，曲線由上升至飽和。由上升至飽和。

9、（2）電壓）電壓不變，陽極電不變，陽極電流隨光通量增加流隨光通量增加3伏安特性伏安特性 放大特性是指電放大特性是指電流放大系數(shù)流放大系數(shù)或靈敏或靈敏度隨電源電壓度隨電源電壓U增大增大的關(guān)系。的關(guān)系。4放大特性放大特性5. 頻率特性（可達(dá)頻率特性（可達(dá)1MHZ以上）以上）特點(diǎn)：特點(diǎn)： 隨著電源電壓升高，放隨著電源電壓升高，放大系數(shù)或靈敏度增大。大系數(shù)或靈敏度增大。 疲勞指在工作過疲勞指在工作過程中靈敏度降低。程中靈敏度降低。6疲勞特性疲勞特性特點(diǎn)：特點(diǎn)： 隨陽極電流的增大，靈敏度下降隨陽極電流的增大，靈敏度下降 隨使用時間的增長，靈敏度下降隨使用時間的增長，靈敏度下降 RL AD4 D3D2D1

10、 KR5R4 R3R2R1 +- 1-20分鐘；分鐘； 2-40分鐘分鐘 陽極電流對靈敏度的影響示意圖陽極電流對靈敏度的影響示意圖暗電流暗電流I=0的來源：光的來源：光電陰極和光電倍增極的電陰極和光電倍增極的熱電熱電子發(fā)射子發(fā)射。溫度。溫度T越高，熱電越高，熱電子發(fā)射越多，則暗電流越大子發(fā)射越多，則暗電流越大。如果需要較小的暗電流，。如果需要較小的暗電流，可通過冷卻光電倍增管來減可通過冷卻光電倍增管來減小暗電流。暗電流的另一組小暗電流。暗電流的另一組成部分是光電倍增管的成部分是光電倍增管的漏電漏電流流。7暗電流暗電流三、光電倍增管的供電電路三、光電倍增管的供電電路 1電阻鏈分壓型供電電路電阻鏈

11、分壓型供電電路 光電倍增管具有極高的靈敏度和快速響應(yīng)等特點(diǎn)，光電倍增管具有極高的靈敏度和快速響應(yīng)等特點(diǎn)，使它在光譜探測和極微弱快速光信息的探測等方面成為使它在光譜探測和極微弱快速光信息的探測等方面成為首選的光電探測器。首選的光電探測器。 圖圖3.1.1-6所示為典型光電倍增管的電阻分壓式供所示為典型光電倍增管的電阻分壓式供電電路。電路由電電路。電路由11個電阻構(gòu)成電阻鏈分壓器，分別向個電阻構(gòu)成電阻鏈分壓器，分別向10級倍增極提供電壓級倍增極提供電壓UDD。 當(dāng)入射輻射信號為高速的當(dāng)入射輻射信號為高速的迅變信號或脈沖迅變信號或脈沖時，末時，末3級倍級倍增極電流變化會引起較大增極電流變化會引起較大

12、UDD的變化的變化，引起光電倍增管增益，引起光電倍增管增益的的起伏起伏，將破壞信息的變換。在末，將破壞信息的變換。在末3極并聯(lián)極并聯(lián)3個電容個電容C1、C2與與C3，通過電容的充放電過程使末，通過電容的充放電過程使末3級電壓穩(wěn)定。級電壓穩(wěn)定。2 2末極的并聯(lián)電容末極的并聯(lián)電容五、分析與計(jì)算五、分析與計(jì)算1.1.分壓電阻的確定分壓電阻的確定總電壓總電壓U UAKAK在在1000100013001300伏之間，伏之間，倍增極間電壓在倍增極間電壓在8080100100伏之間。伏之間。max)2010(ARIIAKAKRURIR R1 1與末幾極與末幾極R R應(yīng)取較大數(shù)值，中間電阻可均勻分配。應(yīng)取較大

13、數(shù)值，中間電阻可均勻分配。2.2.并聯(lián)電容的確定并聯(lián)電容的確定 光電倍增管用于探測高速的迅變信號或脈沖光電倍增管用于探測高速的迅變信號或脈沖時，常在最后幾級并聯(lián)旁路電容時，常在最后幾級并聯(lián)旁路電容C1C1、C2C2、C3C3（使（使末末3 3級電壓穩(wěn)定級電壓穩(wěn)定, ,要求極間電壓變化小于要求極間電壓變化小于1 1 ）。）。UtICA1001C C2 2、C C3 3的電容值，大概為的電容值，大概為C C1 1的的1/1/、1/1/2 2，約為，約為0.0020.0020.005F0.005F。 3.3.高壓電源高壓電源一般配有專用高壓直流電源，一般配有專用高壓直流電源，電源模塊內(nèi)部有保護(hù)電路。

14、電源模塊內(nèi)部有保護(hù)電路。4.4.接地方式接地方式陰極接地（正高壓接法陰極接地（正高壓接法 ）：輸入光脈沖時用）：輸入光脈沖時用; ; 陽極接地（負(fù)高壓接法）：一般采用此陽極接地（負(fù)高壓接法）：一般采用此方式方式, ,便于與后面的放大器相連便于與后面的放大器相連, ,操作安全。操作安全。 一、結(jié)構(gòu)與原理一、結(jié)構(gòu)與原理3.1.2 光敏電阻光敏電阻利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成。當(dāng)入射光子使電子由價帶躍升到利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成。當(dāng)入射光子使電子由價帶躍升到導(dǎo)帶時，導(dǎo)帶中的電阻和價帶中的空穴二者均參與導(dǎo)電，因?qū)r，導(dǎo)帶中的電阻和價帶中的空穴二者均參與導(dǎo)電，因此電阻顯著減小，稱為光敏電阻。此電阻顯著減小，稱為光敏電

15、阻。光敏電阻光敏電阻結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：在一塊勻質(zhì)的光電導(dǎo)體兩端加上電極。：在一塊勻質(zhì)的光電導(dǎo)體兩端加上電極。光敏電阻有以下光敏電阻有以下優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1光譜響應(yīng)相當(dāng)寬。光譜響應(yīng)相當(dāng)寬。2所測的光強(qiáng)范圍寬，既可對強(qiáng)光響應(yīng)，也可對弱光響應(yīng)。所測的光強(qiáng)范圍寬，既可對強(qiáng)光響應(yīng)，也可對弱光響應(yīng)。3無極性之分，使用方便，成本低，壽命長。無極性之分，使用方便，成本低，壽命長。4靈敏度高，工作電流大，可達(dá)數(shù)毫安。靈敏度高，工作電流大，可達(dá)數(shù)毫安。光敏電阻的不足：光敏電阻的不足： 強(qiáng)光照射下線性較差，頻率特性也較差。強(qiáng)光照射下線性較差，頻率特性也較差。光電導(dǎo)體光電導(dǎo)體光照光照電極電極二、特性二、特性2光譜特性光譜特性1光照

16、特性光照特性有以下關(guān)系式：有以下關(guān)系式：式中：式中：I 通過光敏電阻的電流；通過光敏電阻的電流；U 加于光敏電阻的電壓；加于光敏電阻的電壓；L 光敏電阻上的照度；光敏電阻上的照度； K 比例系數(shù)；比例系數(shù)；a 電壓指數(shù)，一般近于電壓指數(shù)，一般近于1；b 照度指數(shù)。照度指數(shù)。baLKUI 光譜特性與所用的材料和工藝（隨薄層的減薄光譜峰值移向短光譜特性與所用的材料和工藝（隨薄層的減薄光譜峰值移向短波方向）過程有關(guān)。波方向）過程有關(guān)。光譜特性光譜特性1 1硫化鎘單晶硫化鎘單晶2 2硫化鎘多晶硫化鎘多晶3 3硒化鎘單晶硒化鎘單晶4 4硫化鎘與硒化鎘硫化鎘與硒化鎘 混合多晶混合多晶 對紅外光對紅外光靈敏

17、的靈敏的 光敏電阻光敏電阻 對可見光靈敏對可見光靈敏的光敏電阻的光敏電阻 3伏安特性伏安特性 因伏安特性成線性，光敏電阻除用積分靈敏度外，用比靈敏因伏安特性成線性，光敏電阻除用積分靈敏度外，用比靈敏度也很方便。度也很方便。Sb（比靈敏度比靈敏度）I /（U）（比靈敏度乘以電壓為積分靈敏度）（比靈敏度乘以電壓為積分靈敏度）式中式中 I 光敏電阻被照射時和黑暗時的電流差；光敏電阻被照射時和黑暗時的電流差； U 光敏電阻上所加的電壓；光敏電阻上所加的電壓； 照射于光敏電阻上的光通量。照射于光敏電阻上的光通量。 在一定光照下，光電流與所加電壓的關(guān)系為伏安特性。圖為在一定光照下，光電流與所加電壓的關(guān)系為

18、伏安特性。圖為照度為照度為0和某值時的伏安特性。和某值時的伏安特性。4頻率特性頻率特性導(dǎo)致電子瓶頸的主要原因?qū)е码娮悠款i的主要原因光敏電阻的頻率特性較差，這是因?yàn)楣饷綦娮璧膶?dǎo)光敏電阻的頻率特性較差，這是因?yàn)楣饷綦娮璧膶?dǎo)電性與被俘獲的載流子有關(guān)，由于光強(qiáng)的變化，俘獲和電性與被俘獲的載流子有關(guān)，由于光強(qiáng)的變化，俘獲和釋放載流子都需要時間。釋放載流子都需要時間。5疲乏特性疲乏特性初制時不穩(wěn)定，經(jīng)人為光照老化后，性能可達(dá)到穩(wěn)定初制時不穩(wěn)定，經(jīng)人為光照老化后，性能可達(dá)到穩(wěn)定。光敏電阻的使用壽命，在密封良好，使用合理的情況下。光敏電阻的使用壽命，在密封良好，使用合理的情況下，幾乎是無限長的。，幾乎是無限長

19、的。6溫度特性溫度特性光敏電阻與其它半導(dǎo)體器件一樣，性質(zhì)受溫度的影響光敏電阻與其它半導(dǎo)體器件一樣，性質(zhì)受溫度的影響較大。隨著溫度的升高靈敏度要下降。較大。隨著溫度的升高靈敏度要下降。7暗電阻和暗電流暗電阻和暗電流暗阻與亮阻相差越大，靈敏度越高，隨著溫度的升高，暗阻與亮阻相差越大，靈敏度越高，隨著溫度的升高，暗電阻下降。暗電阻下降。三、電路三、電路在入射光通量變化范圍一定的在入射光通量變化范圍一定的情況下，為了使輸出電壓情況下，為了使輸出電壓Vo變化范變化范圍最大，一般取圍最大，一般取 RL = RG 當(dāng)入射光通量當(dāng)入射光通量連續(xù)變化時，連續(xù)變化時，RG為光敏電阻變化的中間值，即為光敏電阻變化的

20、中間值，即2minmaxGGGRRR當(dāng)入射光通量當(dāng)入射光通量跳躍變化時，跳躍變化時，minmaxGGGRRR證明：當(dāng)入射光通量跳躍變化時，證明：當(dāng)入射光通量跳躍變化時， RG(RG max RG min )1/2證明：設(shè)兩個光強(qiáng)時的光敏電阻值分別為證明：設(shè)兩個光強(qiáng)時的光敏電阻值分別為RG max和和RG min則兩個狀態(tài)下的電流差為：則兩個狀態(tài)下的電流差為：)(maxminminmaxmaxmin21GLGLGGGLGLRRRRRRERRERREII則兩種狀態(tài)下光敏電阻的輸出電壓之差為：則兩種狀態(tài)下光敏電阻的輸出電壓之差為：要求兩個工作狀態(tài)的電壓差最大，則要求：要求兩個工作狀態(tài)的電壓差最大，則

21、要求：)()()(VVmaxminmaxmin212o1oGLGLGGLLLRRRRRRERRIERIE21minmax21)(0GGGLLooRRRRdR)Vd(V證明：證明：E（4P max RL）1/2 證明：光敏電阻上的電壓為證明：光敏電阻上的電壓為UEI RLEQQ1Q2Q3UIIL2L1Pmax圖中畫出了圖中畫出了Pmax曲線、以及分別對應(yīng)于不同負(fù)載電阻的三條負(fù)載曲線、以及分別對應(yīng)于不同負(fù)載電阻的三條負(fù)載線線EQ1、EQ2、EQ3對于工作點(diǎn)對于工作點(diǎn)Q來說，其電流與電壓的關(guān)系為：來說，其電流與電壓的關(guān)系為：LRUEI/ )(而而Q又在又在Pmax曲線上，即曲線上，即U = Pmax

22、 / I有：有：0max2LLRPIREI當(dāng)當(dāng) 時，即方程只有一個解或沒有解時，即方程只有一個解或沒有解04max22LLRPRE即負(fù)載線和即負(fù)載線和Pmax曲線只有一個或曲線只有一個或沒有交點(diǎn)，光敏電阻的功率不會沒有交點(diǎn)，光敏電阻的功率不會超過超過Pmax即要求：即要求：E（4P max RL）1/2當(dāng)入射光通量變化時，會引起當(dāng)入射光通量變化時，會引起I和和U的同時變化的同時變化 ，使系統(tǒng)線性變壞，噪聲增加。為了降低噪聲，提高信使系統(tǒng)線性變壞，噪聲增加。為了降低噪聲，提高信息轉(zhuǎn)換精度，可采取以下辦法：息轉(zhuǎn)換精度，可采取以下辦法：1采用光調(diào)制技術(shù)，一般調(diào)制頻率為采用光調(diào)制技術(shù)，一般調(diào)制頻率為8

23、001000Hz。2制冷或恒溫，使熱噪聲減少。制冷或恒溫，使熱噪聲減少。3采用合理的偏置，選擇最佳的偏置電流，使信采用合理的偏置，選擇最佳的偏置電流，使信噪比噪比 達(dá)到最高。達(dá)到最高。 典型典型偏置電路偏置電路四應(yīng)用舉例四應(yīng)用舉例 圖為路燈自動電熄裝置，分兩部分組成，電阻圖為路燈自動電熄裝置，分兩部分組成，電阻R、電容、電容C和二極管和二極管D組成半波整流濾波電路；組成半波整流濾波電路；CdS光敏電阻和繼電器組光敏電阻和繼電器組成光控繼電器。路燈接在繼電器常閉觸點(diǎn)上，由光控繼電器來成光控繼電器。路燈接在繼電器常閉觸點(diǎn)上，由光控繼電器來控制路燈的點(diǎn)燃和熄滅?？刂坡窡舻狞c(diǎn)燃和熄滅。J3.1.3 光

24、電池光電池一、原理與結(jié)構(gòu)一、原理與結(jié)構(gòu) 由光照產(chǎn)生的電子和空穴在內(nèi)電場的作用下由光照產(chǎn)生的電子和空穴在內(nèi)電場的作用下才形成光生電動勢和光電流。光電池的光電效率才形成光生電動勢和光電流。光電池的光電效率非常低，最高也只能是百分之十幾。非常低，最高也只能是百分之十幾。利用光生伏特效應(yīng)利用光生伏特效應(yīng)擴(kuò)散擴(kuò)散光照光照np二氧化硅二氧化硅電極電極光電池的輸出受外接負(fù)載電阻光電池的輸出受外接負(fù)載電阻:當(dāng)當(dāng)RL0時，時，U0，則，則 IIS即輸出電流與入射光通量即輸出電流與入射光通量成線性關(guān)系。成線性關(guān)系。當(dāng)當(dāng)RL0時，當(dāng)時，當(dāng)U繼續(xù)增大到繼續(xù)增大到PN結(jié)的導(dǎo)通電壓時結(jié)的導(dǎo)通電壓時（RL非常大時），非常大

25、時），U就不會再增大，此時，就不會再增大，此時，PN結(jié)的結(jié)的rD變得很小，光照所產(chǎn)生的光電流變得很小，光照所產(chǎn)生的光電流I幾乎全部流向二幾乎全部流向二極管，即：極管，即： IID 這時，在負(fù)載這時，在負(fù)載RL上除有少量的電流維持上除有少量的電流維持PN結(jié)的結(jié)的導(dǎo)通電壓導(dǎo)通電壓U外，光照產(chǎn)生的光電流幾乎都消耗在光外，光照產(chǎn)生的光電流幾乎都消耗在光電池內(nèi)部。電池內(nèi)部。二、特性二、特性1光照特性光照特性 指光生電動勢和光電流與照度的關(guān)系。光電池的電動勢與照度指光生電動勢和光電流與照度的關(guān)系。光電池的電動勢與照度成非線性關(guān)系，而短路電流與照度成線性關(guān)系。所以，成非線性關(guān)系，而短路電流與照度成線性關(guān)系。

26、所以，當(dāng)用光電池當(dāng)用光電池作為測量元件時，應(yīng)以電流源的形式來使用作為測量元件時，應(yīng)以電流源的形式來使用。而且，為保證測量有。而且，為保證測量有線性關(guān)系，所用負(fù)載電阻應(yīng)較小。線性關(guān)系，所用負(fù)載電阻應(yīng)較小。2光譜特性光譜特性光電池的光譜特性決定于所采用的材料。光電池的光譜特性決定于所采用的材料。3伏安特性伏安特性 光電池的負(fù)載線由光電池的負(fù)載線由 U=RLI 決定。決定。 負(fù)載短接或很小時，負(fù)載線與伏安負(fù)載短接或很小時，負(fù)載線與伏安特性的交點(diǎn)為等距離，電流正比于照度，特性的交點(diǎn)為等距離，電流正比于照度，數(shù)值也大。負(fù)載電阻較大時，負(fù)載線與數(shù)值也大。負(fù)載電阻較大時，負(fù)載線與伏安特性的交點(diǎn)相互間距不等，

27、即電流伏安特性的交點(diǎn)相互間距不等，即電流不與照度成正比，光照特性不是直線，不與照度成正比，光照特性不是直線，電流也減小。電流也減小。4頻率特性頻率特性 光電池的光電池的PN結(jié)或阻擋層的面積大，極間電容大，結(jié)或阻擋層的面積大，極間電容大，因此頻率特性較差。負(fù)載電阻越大，電路的旁路作用因此頻率特性較差。負(fù)載電阻越大，電路的旁路作用越顯著，頻率特性高頻部分下降越厲害。如欲改善頻越顯著，頻率特性高頻部分下降越厲害。如欲改善頻率特性，需減小負(fù)載電阻或減小光電池面積，使它的率特性，需減小負(fù)載電阻或減小光電池面積，使它的結(jié)電容減小。結(jié)電容減小。5溫度特性溫度特性硅光電池的開路電壓隨溫度的升高而降低。硅光電池

28、的開路電壓隨溫度的升高而降低。三、電路三、電路光電池用作太陽光電池用作太陽能電池時的電路如圖能電池時的電路如圖所示。在黑夜或光線所示。在黑夜或光線微弱時，為防止蓄電微弱時，為防止蓄電池經(jīng)過光電池放電而池經(jīng)過光電池放電而設(shè)置二極管設(shè)置二極管D。1光電池用作太陽能電池光電池用作太陽能電池光電池用作檢測元件使光電池用作檢測元件使用時的電路如圖所示，此電用時的電路如圖所示，此電路可實(shí)現(xiàn)光電池的線性輸出。路可實(shí)現(xiàn)光電池的線性輸出。對光電池而言，對光電池而言，RL近似等于近似等于0。圖中，。圖中，2光電池用作檢測元件光電池用作檢測元件SRIRVff220一、結(jié)構(gòu)和工作原理一、結(jié)構(gòu)和工作原理3.1.4 光敏

29、二極管光敏二極管是一種用是一種用PN結(jié)單向?qū)ЫY(jié)單向?qū)щ娦缘慕Y(jié)型光電信息轉(zhuǎn)換器電性的結(jié)型光電信息轉(zhuǎn)換器件。其件。其PN結(jié)裝在管子的頂結(jié)裝在管子的頂部，以便接收光照。其上面部，以便接收光照。其上面有一個透鏡制成的窗口，使有一個透鏡制成的窗口，使光線集中在敏感面。光線集中在敏感面。 光敏二極管工作時一般加反向偏光敏二極管工作時一般加反向偏壓壓，無光照時無光照時，處于反偏的光敏二極，處于反偏的光敏二極管工作在截止?fàn)顟B(tài)，這時只有少數(shù)載管工作在截止?fàn)顟B(tài)，這時只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層，形成層，形成微小的反向電流，即暗電流微小的反向電流，即暗電流。受光照時受

30、光照時，PN結(jié)及其附近受光子轟結(jié)及其附近受光子轟擊吸收其能量而擊吸收其能量而產(chǎn)生電子空穴對產(chǎn)生電子空穴對，在，在外加電場和內(nèi)電場的共同作用下，使外加電場和內(nèi)電場的共同作用下，使通過通過PN結(jié)的結(jié)的反向電流大大增加，形成反向電流大大增加，形成了光電流了光電流。把光信號轉(zhuǎn)換為電把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的功能，信號的功能， 是由半導(dǎo)體是由半導(dǎo)體PN結(jié)的結(jié)的實(shí)現(xiàn)的。實(shí)現(xiàn)的。PN結(jié)界面結(jié)界面電子和空穴電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動的擴(kuò)散運(yùn)動內(nèi)部電場內(nèi)部電場漂移運(yùn)動漂移運(yùn)動如果光子的能量大于或如果光子的能量大于或等于帶隙（等于帶隙（hf Eg）當(dāng)入射光作用在當(dāng)入射光作用在PN結(jié)時結(jié)時發(fā)生受激吸收發(fā)生受激吸收內(nèi)部電場的作

31、用下，內(nèi)部電場的作用下，電子向電子向N區(qū)運(yùn)動區(qū)運(yùn)動空穴向空穴向P區(qū)運(yùn)動區(qū)運(yùn)動在耗盡層在耗盡層形成漂移電流。形成漂移電流。1 光照特性 二特性二特性線性好,適合檢測方面應(yīng)用2. 光譜特性 決定于所采用的材料，圖為鍺光敏二極管的光譜響應(yīng)曲線。3. 伏安特性 在零偏壓時，硅光敏二極管仍然有光電流輸出，此為光生伏特效應(yīng)所產(chǎn)生的短路電流。 4. 溫度特性+EGGUIbBGRLRcR圖（d）為光敏二極管在電壓不變和照度不變的情況下，光電流I隨溫度T的變化。5. 暗電流 uRWR1GG 曲線1和2分別為鍺和硅光敏二極管的暗電流隨溫度變化的曲線。硅器件的暗電流及其溫度系數(shù)比鍺器件小。6. 頻率特性C 節(jié)電容R

32、D 反向偏置電阻RL 負(fù)載電阻RDRLCisiRLCIcIL i= ic+ iLU(jC+1/RL) U= i/(jC+1/RL) =Umax/1+(CRL)21/2 ej 上限頻率： 負(fù)載電阻兩端的電壓會隨著調(diào)制的入射光頻率的提高而下降，當(dāng)頻率增加到FH時,U=0.707Umax， 則稱此時的頻率為上限頻率或截止頻率。 當(dāng)U=0.707 Umax時， 1+(CRL)22， 即： CRL1 1/(CRL), FH=1/(2CRL)減少負(fù)載電阻減少負(fù)載電阻RL，可使上限頻率可使上限頻率fH提高提高 光敏二極管等效簡化聯(lián)接電路如下圖，其結(jié)電容c=5微微法，負(fù)載電阻RL 100千歐，求：此電路的上限

33、頻率為多少？ 例例1：isRLCIcIL 光敏二極管的聯(lián)接和伏安特性如下圖，若光敏二極管上光敏二極管的聯(lián)接和伏安特性如下圖，若光敏二極管上的照度的照度L100+100Sin（ t t）勒克斯，為使光敏二極管上有）勒克斯，為使光敏二極管上有10V10V的電壓變化。請選擇合適的負(fù)載電阻和電源電壓，并繪出的電壓變化。請選擇合適的負(fù)載電阻和電源電壓，并繪出電流、電壓隨光強(qiáng)變化曲線。電流、電壓隨光強(qiáng)變化曲線。 例例1：RLEUU（V）I（A）10200Lx150Lx100Lx50Lx2 三電路分析與計(jì)算三電路分析與計(jì)算四、四、PIN管管 PIN管是光電二極管中的一種。是在管是光電二極管中的一種。是在P型

34、半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N型半型半導(dǎo)體之間夾著一層（相對）很厚的本征半導(dǎo)體。導(dǎo)體之間夾著一層（相對）很厚的本征半導(dǎo)體。 這樣，這樣，PN結(jié)的內(nèi)電場就基本上全集中于結(jié)的內(nèi)電場就基本上全集中于I層中，從而使層中，從而使PN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小。結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小。 由式由式 = CfRL與與f = 1/2知，知，Cf小，小，則小，頻帶將變寬。則小，頻帶將變寬。因此，這種管子最大的特點(diǎn)是因此，這種管子最大的特點(diǎn)是頻帶寬頻帶寬，可達(dá)，可達(dá)10GHz。另一個。另一個特點(diǎn)是，因?yàn)樘攸c(diǎn)是，因?yàn)镮層很厚，在反偏壓下運(yùn)用可承受較高的反向電層很厚，在反偏壓下運(yùn)用可承受較高的反向電壓，壓，線性輸出范

35、圍寬線性輸出范圍寬。 由耗盡層寬度與外加電壓的關(guān)系可知，增加反向偏由耗盡層寬度與外加電壓的關(guān)系可知，增加反向偏壓會使耗盡層寬度增加，從而結(jié)電容要進(jìn)一步減小，壓會使耗盡層寬度增加，從而結(jié)電容要進(jìn)一步減小，使頻帶寬度變寬。使頻帶寬度變寬。 所不足的是，所不足的是，I層電阻很大，管子的輸出電流小，層電阻很大，管子的輸出電流小，一般多為零點(diǎn)幾微安至數(shù)微安。一般多為零點(diǎn)幾微安至數(shù)微安。 目前有將目前有將PIN管與前置運(yùn)算放大器集成在同一硅片管與前置運(yùn)算放大器集成在同一硅片上并封裝于一個管殼內(nèi)的商品出售。上并封裝于一個管殼內(nèi)的商品出售。 雪崩光電二極管是利用雪崩光電二極管是利用PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪

36、結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來工作的一種二極管。崩效應(yīng)來工作的一種二極管。 這種管子工作電壓很高，約這種管子工作電壓很高，約100200V，接近于反向擊，接近于反向擊穿電壓。結(jié)區(qū)內(nèi)電場極強(qiáng)，光生電子在這種強(qiáng)電場中可得到穿電壓。結(jié)區(qū)內(nèi)電場極強(qiáng)，光生電子在這種強(qiáng)電場中可得到極大的加速，同時與極大的加速，同時與晶格碰撞而產(chǎn)生電離雪崩反應(yīng)晶格碰撞而產(chǎn)生電離雪崩反應(yīng)。因此，。因此，這種管子有很高的內(nèi)增益，可達(dá)到幾百。這種管子有很高的內(nèi)增益，可達(dá)到幾百。雪崩二極管五、五、APD(雪崩光電二極管雪崩光電二極管)APD載流子雪崩式倍增示意圖載流子雪崩式倍增示意圖(只畫出電子）只畫出電子）I0NPP(N)光

37、當(dāng)電壓等于反向擊穿電壓時，電流增益可達(dá)當(dāng)電壓等于反向擊穿電壓時，電流增益可達(dá)106，即，即產(chǎn)生所謂的自持雪崩。產(chǎn)生所謂的自持雪崩。 這種管子響應(yīng)速度特別快，帶寬可達(dá)這種管子響應(yīng)速度特別快，帶寬可達(dá)100GHz，是目，是目前前響應(yīng)速度最快響應(yīng)速度最快的一種光電二極管。的一種光電二極管。 噪聲大是這種管子目前的一個主要缺點(diǎn)。噪聲大是這種管子目前的一個主要缺點(diǎn)。 由于雪崩反應(yīng)是隨機(jī)的，所以它的噪聲較大，特別由于雪崩反應(yīng)是隨機(jī)的，所以它的噪聲較大，特別是工作電壓接近或等于反向擊穿電壓時，噪聲可增大到是工作電壓接近或等于反向擊穿電壓時，噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以至無法使用。放大器的噪聲水平，以至無

38、法使用。 一般一般光電二級管光電二級管的反向偏壓在的反向偏壓在幾十伏幾十伏以以下（目的是增加耗盡層的寬度），下（目的是增加耗盡層的寬度），PIN光電光電二級管的反向偏置電壓二級管的反向偏置電壓在幾伏左右在幾伏左右（目的是（目的是使本征區(qū)載流子完全耗盡），而使本征區(qū)載流子完全耗盡），而APD的反偏的反偏壓一般在壓一般在幾百伏左右?guī)装俜笥遥康氖瞧骷舸?，并（目的是器件擊穿，并在雪崩區(qū)建立高電場）。在雪崩區(qū)建立高電場）。一原理與結(jié)構(gòu)一原理與結(jié)構(gòu) 光敏三極管的集電極電流受光通量的控光敏三極管的集電極電流受光通量的控制。其外形由光窗、制。其外形由光窗、集電極和發(fā)射極集電極和發(fā)射極的引出的引出腳組成。

39、腳組成。 光敏三極管的靈敏度較高，光敏三極管的靈敏度較高，一般為毫安級，但它在較強(qiáng)的一般為毫安級，但它在較強(qiáng)的光照下，光電流與照度不成線光照下，光電流與照度不成線性關(guān)系。頻率特性和溫度特性性關(guān)系。頻率特性和溫度特性也變差，故光敏三極管多用作也變差，故光敏三極管多用作光電開關(guān)或光電邏輯元件。光電開關(guān)或光電邏輯元件。3.1.5 光敏三極管光敏三極管I Ic cIICI+ E U N N P 正常運(yùn)用時，集電極加正電壓。因此，集電結(jié)為反偏置，正常運(yùn)用時，集電極加正電壓。因此，集電結(jié)為反偏置，發(fā)射結(jié)為正偏置，發(fā)射結(jié)為正偏置，集電結(jié)為光電結(jié)集電結(jié)為光電結(jié)。 當(dāng)光照到集電結(jié)上時，當(dāng)光照到集電結(jié)上時，集電結(jié)

40、即產(chǎn)生光電流集電結(jié)即產(chǎn)生光電流Ip向基區(qū)注入向基區(qū)注入，同時在集電極電路即產(chǎn)生了一個被放大的電流同時在集電極電路即產(chǎn)生了一個被放大的電流Ic（Ie（1）Ip），），為電流放大倍數(shù)。為電流放大倍數(shù)。 光電晶體管的電流放大作用與光電晶體管的電流放大作用與普通晶體管在上偏流電路中普通晶體管在上偏流電路中接一個光電二極管接一個光電二極管的作用是完全相同的。的作用是完全相同的。 光電晶體管的靈敏度比光電二極管高，輸出電流也比光電光電晶體管的靈敏度比光電二極管高，輸出電流也比光電二極管大，多為毫安級。二極管大，多為毫安級。 它的光電特性不如光電二極管好，在較強(qiáng)的光照下，光電它的光電特性不如光電二極管好，在

41、較強(qiáng)的光照下，光電流與照度不成線性關(guān)系。流與照度不成線性關(guān)系。 光電晶體管多用來作光電開關(guān)元件或光電邏輯元件。光電晶體管多用來作光電開關(guān)元件或光電邏輯元件。 光電晶體管的伏安特性曲線如圖光電晶體管的伏安特性曲線如圖幾種國產(chǎn)3DU型光電三極管的特性溫度特性溫度特性光電三極管受溫度的影響比光電三極管受溫度的影響比光電二極管大得多。光電二極管大得多。4.4.頻率特性頻率特性頻率特性比頻率特性比光電二極管光電二極管差。差。 二、基本電路二、基本電路1.1.測量電路測量電路光電三極管可看成是一個靈敏度高的光電二極光電三極管可看成是一個靈敏度高的光電二極管。管。光電流較大，使用較方便。光電流較大，使用較方

42、便。用作測量時，用作測量時，其基本電路與光電二極管相同。其基本電路與光電二極管相同。 接電阻接電阻R Rb b，使，使r rbebe 減小并趨于穩(wěn)定，減小并趨于穩(wěn)定，可使暗電流及隨溫可使暗電流及隨溫度的變化減小。度的變化減小。除用除用R Rb b 以外，還利用以外，還利用二極管進(jìn)行溫度補(bǔ)償。二極管進(jìn)行溫度補(bǔ)償。R Re e作反饋電阻，可改作反饋電阻，可改善測量的線性。善測量的線性。2.2.控制電路控制電路 用無基極引用無基極引出線的硅光電三出線的硅光電三極管作光控繼電極管作光控繼電器。無光照時集器。無光照時集電極電流基本為電極電流基本為零，使繼電器靈零，使繼電器靈敏工作。敏工作。 電流控制電流

43、控制電壓控制電壓控制亮通電路亮通電路暗通電路暗通電路有斯密特觸發(fā)器的光控電路有斯密特觸發(fā)器的光控電路光線明暗漸變，達(dá)預(yù)定亮度繼電器準(zhǔn)確動作。光線明暗漸變，達(dá)預(yù)定亮度繼電器準(zhǔn)確動作。附：斯密特觸發(fā)器（滯回比較器）附：斯密特觸發(fā)器（滯回比較器）UREF 為參考電壓；為參考電壓；輸出電壓輸出電壓 uO 為為 +UZ 或或 - -UZ；uI 為輸入電壓。為輸入電壓。當(dāng)當(dāng) u+ = u- - 時，輸出電壓時，輸出電壓的狀態(tài)發(fā)生跳變。的狀態(tài)發(fā)生跳變。OF22REFF2FuRRRURRRu 比較器有兩個不同的門限電平，比較器有兩個不同的門限電平，故傳輸特性呈滯回形狀。故傳輸特性呈滯回形狀。 +UZuIuO

44、- -UZOUT- -UT+ +圖圖 8.2.6滯回比較器滯回比較器若若 uO= UZ ，當(dāng)，當(dāng) uI 逐漸減小時，使逐漸減小時，使 uO 由由 UZ 跳跳變?yōu)樽優(yōu)?UZ 所需的門限電平所需的門限電平 UT ZF22REFF2FTURRRURRRU 回差回差( (門限寬度門限寬度) ) UT ：ZF22TTT2URRRUUU 若若 uO = UZ ，當(dāng)，當(dāng) uI 逐漸增大時，使逐漸增大時，使 uO 由由 + +UZ 跳變跳變?yōu)闉?- -UZ 所需的門限電平所需的門限電平 UT+ ZF22REFF2FTURRRURRRU 作用作用：產(chǎn)生矩形波、三角波和鋸齒波，或用于波形：產(chǎn)生矩形波、三角波和鋸齒

45、波，或用于波形變換。變換?？垢蓴_能力強(qiáng)抗干擾能力強(qiáng)。T T2 2 、T T3 3 組成斯密特觸發(fā)電路，組成斯密特觸發(fā)電路，即射極耦合觸發(fā)器。即射極耦合觸發(fā)器。 斯密特觸發(fā)器輸入（斯密特觸發(fā)器輸入（U Ui i) )、輸、輸出（出（U Uo o) )之間的關(guān)系如圖：之間的關(guān)系如圖： 斯密特觸發(fā)器把漸變信號斯密特觸發(fā)器把漸變信號變?yōu)檐S變信號，是雙穩(wěn)態(tài)電路，變?yōu)檐S變信號，是雙穩(wěn)態(tài)電路，從而使繼電器可靠地動作。從而使繼電器可靠地動作。JEC-2JEC-2是內(nèi)含斯密特觸發(fā)器的是內(nèi)含斯密特觸發(fā)器的ICIC片。片。 用用JEC-2JEC-2的暗通的暗通光電控制電路光電控制電路附：附： 光電場效應(yīng)管光電場效應(yīng)

46、管光電場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)與普通結(jié)型場效應(yīng)管光電場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)與普通結(jié)型場效應(yīng)管類似類似: :有柵極、源極、漏極。有柵極、源極、漏極。 光入射于柵源光入射于柵源PNPN結(jié)，產(chǎn)生光生柵電壓。結(jié)，產(chǎn)生光生柵電壓。U UGS GS 控制控制I ID D, ,作用可等效為作用可等效為光電二極管與場效應(yīng)管的組合。光電二極管與場效應(yīng)管的組合。基本電路基本電路GPUU無光照時溝道被夾斷，無光照時溝道被夾斷，0DI 有光入射光敏面時，光電流在柵電阻上產(chǎn)生壓降有光入射光敏面時，光電流在柵電阻上產(chǎn)生壓降 GIR;當(dāng)當(dāng)GGPUI RU時，即有時，即有IIS LGIGI RS R L使溝道開啟的使溝道開啟的最小光照度為最小光照度為minGPIGUULS R0DIDmGSIgUGImDRLLSgI)(minGmIDRgSLIS光電場效