光敏二極管和光敏三極管

光敏二極管和光敏三極管第1頁/共76頁用途：傳感系統(tǒng)的光源一些氣體的特征吸收譜線1:ErbiumASElightsource第2頁/共76頁第3頁/共76頁第4頁/共76頁EDFASE光源的結(jié)構(gòu)及器件選擇

EDFWDM反向ASE輸出正向泵浦正向ASE輸出殘余泵浦圖7.1EDFASE光源的基本構(gòu)成隔離器隔離器

EDFASE光源的輸出特性

圖7.2前向輸出ASE與泵浦功率的關(guān)系第5頁/共76頁圖7.3后向輸出ASE與泵浦功率的關(guān)系第6頁/共76頁圖7.4反射鏡對前向ASE輸出的增強作用圖7.5反射鏡對后向ASE輸出的增強作用第7頁/共76頁第8頁/共76頁2:Fiberlaser用途：A、作為DTS的光源，可調(diào)諧的FL作為FBG的解調(diào)光源。第9頁/共76頁B:本身就是傳感器，如DFB-FL第10頁/共76頁Construction&workingprinciple第11頁/共76頁第12頁/共76頁Energytransfer第13頁/共76頁Upconversionpump第14頁/共76頁Doublecladdingpump第15頁/共76頁光纖激光器的組成第16頁/共76頁光纖激光器的性能指標：第17頁/共76頁第18頁/共76頁第19頁/共76頁第20頁/共76頁3：LED,LD用途1：直接作為傳感器的光源第21頁/共76頁用途2：LD可作為ASE、FL的泵浦EDFWDM反向ASE輸出正向泵浦正向ASE輸出殘余泵浦隔離器隔離器問題：用LD泵浦比其他光源泵浦有何優(yōu)點？第22頁/共76頁發(fā)光機理：(a)直接帶隙半導體(b)間接帶隙半導體第23頁/共76頁波爾茲曼分布粒子數(shù)反轉(zhuǎn)第24頁/共76頁器件的外形：第25頁/共76頁ELED的結(jié)構(gòu)第26頁/共76頁SLED的結(jié)構(gòu)第27頁/共76頁注入電流有源區(qū)解理面解理面L增益介質(zhì)R1R2z=0z=L第28頁/共76頁832830828826824832830828826824832830828826824驅(qū)動電流增大→→第29頁/共76頁LED的數(shù)字調(diào)制(a)及模擬調(diào)制(b)問題：固體激光器如何調(diào)制？第30頁/共76頁光源非線性諧波的產(chǎn)生第31頁/共76頁FP-LD的增益曲線(a)腔模(b)及輸出的縱模(c)第32頁/共76頁LD的多模(a)及單模(b)輸出譜第33頁/共76頁商用產(chǎn)品的數(shù)據(jù)表單第34頁/共76頁第35頁/共76頁第36頁/共76頁第37頁/共76頁第38頁/共76頁第39頁/共76頁LD、LED與光纖的耦合

在光發(fā)射機中，光源發(fā)出的光信號要送入光纖中去，這就涉及到光源與光纖的耦合問題，如下圖。光源與光纖的耦合效率與光源的類型和光纖的類型有關(guān)。一般說來，LD與單模光纖的耦合效率可以達到30%~50%，LED與單模光纖的耦合效率非常低，只有百分之幾甚至更小。光源與光纖耦合示意圖第40頁/共76頁

影響耦合效率的主要因素是光源的發(fā)散角和光纖的數(shù)值孔徑。發(fā)散角大，耦合效率低；數(shù)值孔徑大，耦合效率高。此外，光源發(fā)光面和光纖端面的尺寸、形狀及兩者之間的距離都會影響到耦合效率。光源與光纖的耦合一般采用兩種方法，即直接耦合與透鏡耦合。直接耦合是將光纖端面直接對準光源發(fā)光面進行耦合的方法。當光源發(fā)光面積大于纖芯面積時，這是一種有效的方法。這種直接耦合的方法結(jié)構(gòu)簡單，但耦合效率低。第41頁/共76頁

當光源發(fā)光面積小于纖芯面積時，可在光源與光纖之間放置透鏡，使更多的發(fā)散光線會聚進入光纖來提高耦合效率，如下圖。面發(fā)光二極管與光纖的透鏡耦合(a)光纖端部做成球透鏡、(b)采用截頭透鏡、4.31(c)采用集成微透鏡第42頁/共76頁

對于發(fā)散光束非對稱的邊發(fā)光二極管和半導體激光器可以利用圓柱透鏡的方法，如下圖(a)、(b)所示?；蛘呃么髷?shù)值孔徑的自聚焦透鏡（GRIN），其耦合效率可以提高到60%，甚至更高。單模光纖和半導體激光器的耦合可以采用如下圖(c)所示自聚焦透鏡或者在光纖端面用電弧放電形成半球透鏡的方法。光源與光纖的透鏡耦合第43頁/共76頁利用物質(zhì)在光的照射下電導性能改變或產(chǎn)生電動勢的光電器件光電探測器，常見的有光敏電阻、光電池和光敏晶體管等。一、光敏電阻光敏電阻又稱光導管，為純電阻元件，其工作原理是基于光電導效應，其阻值隨光照增強而減小。優(yōu)點：靈敏度高，光譜響應范圍寬，體積小、重量輕、機械強度高，耐沖擊、耐振動、抗過載能力強和壽命長等。不足：需要外部電源，有電流時會發(fā)熱。

4、光電探測器第44頁/共76頁1.光敏電阻的工作原理和結(jié)構(gòu)

當光照射到光電導體上時，若光電導體為本征半導體材料，而且光輻射能量又足夠強，光導材料價帶上的電子將激發(fā)到導帶上去，從而使導帶的電子和價帶的空穴增加，致使光導體的電導率變大。為實現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光導體材料的禁帶寬度Eg，即

hν==≥Eg(eV)

式中ν和λ—入射光的頻率和波長。一種光電導體，存在一個照射光的波長限λC，只有波長小于λC的光照射在光電導體上，才能產(chǎn)生電子在能級間的躍遷，從而使光電導體電導率增加。第45頁/共76頁

光敏電阻的結(jié)構(gòu)如圖所示。管芯是一塊安裝在絕緣襯底上帶有兩個歐姆接觸電極的光電導體。光導體吸收光子而產(chǎn)生的光電效應，只限于光照的表面薄層，雖然產(chǎn)生的載流子也有少數(shù)擴散到內(nèi)部去，但擴散深度有A金屬封裝的硫化鎘光敏電阻結(jié)構(gòu)圖光導電材料絕緣襯低引線電極引線光電導體限，因此光電導體一般都做成薄層。為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極一般采用硫狀圖案，結(jié)構(gòu)見下圖。第46頁/共76頁1--光導層;2--玻璃窗口;3--金屬外殼;4--電極;5--陶瓷基座;6--黑色絕緣玻璃;7--電阻引線。RG1234567(a)結(jié)構(gòu)(b)電極(c)符號它是在一定的掩模下向光電導薄膜上蒸鍍金或銦等金屬形成的。這種硫狀電極，由于在間距很近的電極之間有可能采用大的靈敏面積，所以提高了光敏電阻的靈敏度。圖（c）是光敏電阻的代表符號。CdS光敏電阻的結(jié)構(gòu)和符號第47頁/共76頁

光敏電阻的靈敏度易受濕度的影響，因此要將導光電導體嚴密封裝在玻璃殼體中。如果把光敏電阻連接到外電路中，在外加電壓的作用下，用光照射就能改變電路中電流的大小，其連線電路如圖所示。光敏電阻具有很高的靈敏度，很好的光譜特性，光譜響應可從紫外區(qū)到紅外區(qū)范圍內(nèi)。而且體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、價格便宜，因此應用比較廣泛。

RGRLEI第48頁/共76頁2.光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性（1）暗電阻、亮電阻、光電流暗電流：光敏電阻在室溫條件下，全暗（無光照射）后經(jīng)過一定時間測量的電阻值，稱為暗電阻。此時在給定電壓下流過的電流。亮電流：光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻。此時流過的電流。光電流：亮電流與暗電流之差。

光敏電阻的暗電阻越大，而亮電阻越小則性能越好。也就是說，暗電流越小，光電流越大，這樣的光敏電阻的靈敏度越高。實用的光敏電阻的暗電阻往往超過1MΩ,甚至高達100MΩ，而亮電阻則在幾kΩ以下，暗電阻與亮電阻之比在102～106之間，可見光敏電阻的靈敏度很高。第49頁/共76頁（2）光照特性下圖表示CdS光敏電阻的光照特性。在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流和光通量之間的關(guān)系。不同類型光敏電阻光照特性不同，但光照特性曲線均呈非線性。因此它不宜作定量檢測元件，這是光敏電阻的不足之處。一般在自動控制系統(tǒng)中用作光電開關(guān)。012345I/mAL/lx10002000第50頁/共76頁（3）光譜特性光譜特性與光敏電阻的材料有關(guān)。從圖中可知，硫化鉛光敏電阻在較寬的光譜范圍內(nèi)均有較高的靈敏度，峰值在紅外區(qū)域；硫化鎘、硒化鎘的峰值在可見光區(qū)域。因此，在選用光敏電阻時，應把光敏電阻的材料和光源的種類結(jié)合起來考慮，才能獲得滿意的效果。204060801004080120160200240λ/μm312相對靈敏度1——硫化鎘2——硒化鎘3——硫化鉛第51頁/共76頁（4）伏安特性在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關(guān)系稱為伏安特性。圖中曲線1、2分別表示照度為零及照度為某值時的伏安特性。由曲線可知，在給定偏壓下,光照度較大，光電流也越大。在一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流越大，而且無飽和現(xiàn)5010015020012U/V02040象。但是電壓不能無限地增大，因為任何光敏電阻都受額定功率、最高工作電壓和額定電流的限制。超過最高工作電壓和最大額定電流，可能導致光敏電阻永久性損壞。I/μA第52頁/共76頁（5）頻率特性當光敏電阻受到脈沖光照射時，光電流要經(jīng)過一段時間才能達到穩(wěn)定值，而在停止光照后，光電流也不立刻為零，這就是光敏電阻的時延特性。由于不同材料的光敏，20406080100I/%f/Hz010102103104電阻時延特性不同，所以它們的頻率特性也不同，如圖。硫化鉛的使用頻率比硫化鎘高得多，但多數(shù)光敏電阻的時延都比較大，所以，它不能用在要求快速響應的場合。硫化鉛硫化鎘第53頁/共76頁（6）穩(wěn)定性

圖中曲線1、2分別表示兩種型號CdS光敏電阻的穩(wěn)定性。初制成的光敏電阻，由于體內(nèi)機構(gòu)工作不穩(wěn)定，以及電阻體與其介質(zhì)的作用還沒有達到平衡，所以性能是不夠穩(wěn)定的。但在人為地加溫、光照及加負載情況下，經(jīng)一至二周的老化，性能可達穩(wěn)定。光敏電阻在開始一段時間的老化過程中，有些樣品阻值上I/%408012016021T/h040080012001600升，有些樣品阻值下降，但最后達到一個穩(wěn)定值后就不再變了。這就是光敏電阻的主要優(yōu)點。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。第54頁/共76頁（7）溫度特性其性能(靈敏度、暗電阻)受溫度的影響較大。隨著溫度的升高，其暗電阻和靈敏度下降，光譜特性曲線的峰值向波長短的方向移動。硫化鎘的光電流I和溫度T的關(guān)系如圖所示。有時為了提高靈敏度，或為了能夠接收較長波段的輻射，將元件降溫使用。例如，可利用制冷器使光敏電阻的溫度降低。I/μA100150200-50-10305010-30T/oC2040608010001.02.03.04.0λ/μmI/mA+20oC-20oC第55頁/共76頁二、光電池

光電池是利用光生伏特效應把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件。由于它可把太陽能直接變電能，因此又稱為太陽能電池。它是基于光生伏特效應制成的，是發(fā)電式有源元件。它有較大面積的PN結(jié)，當光照射在PN結(jié)上時，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動勢。命名方式：把光電池的半導體材料的名稱冠于光電池(或太陽能電池)之前。如，硒光電池、砷化鎵光電池、硅光電池等。目前,應用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池。硅光電池價格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長，適于接受紅外光。硒光電池光電轉(zhuǎn)換效率低(0.02％)、壽命短，適于接收可見光(響應峰值波長0.56μm)，最適宜制造照度計。砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高，光譜響應特性則與太陽光譜最吻合。且工作溫度最高，更耐受宇宙射線的輻射。因此，它在宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測器等電源方面的應用是有發(fā)展前途的。第56頁/共76頁光電池的示意圖硅光電池的結(jié)構(gòu)如圖所示。它是在一塊N型硅片上用擴散的辦法摻入一些P型雜質(zhì)(如硼)形成PN結(jié)。當光照到PN結(jié)區(qū)時，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對，在N區(qū)聚積負電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差。若將PN結(jié)兩端用導線連起來，電路中有電流流過，電流的方向由P區(qū)流經(jīng)外電路至N區(qū)。若將外電路斷開，就可測出光生電動勢。1.光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理+光PN－SiO2RL(a)光電池的結(jié)構(gòu)圖I光(b)光電池的工作原理示意圖PN第57頁/共76頁光電池的表示符號、基本電路及等效電路如圖所示。IUIdUIRLIΦ(a)(b)(c)圖4.3-17光電池符號和基本工作電路第58頁/共76頁L/klx

L/klx

5432100.10.20.30.40.5246810開路電壓Uoc

/V0.10.20.30.4

0.50.30.1012345Uoc/VIsc

/mAIsc/mA(a)硅光電池(b)硒光電池（1）光照特性開路電壓曲線：光生電動勢與照度之間的特性曲線，當照度為2000lx時趨向飽和。短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線2.基本特性開路電壓短路電流短路電流第59頁/共76頁短路電流，指外接負載相對于光電池內(nèi)阻而言是很小的。光電池在不同照度下，其內(nèi)阻也不同，因而應選取適當?shù)耐饨迂撦d近似地滿足“短路”條件。下圖表示硒光電池在不同負載電阻時的光照特性。從圖中可以看出，負載電阻RL越小，光電流與強度的線性關(guān)系越好，且線性范圍越寬。02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx

50Ω100Ω1000Ω5000ΩRL=0第60頁/共76頁204060801000.40.60.81.01.20.2I/%12λ/μm(2)光譜特性光電池的光譜特性決定于材料。從曲線可看出，硒光電池在可見光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長在540nm附近，適宜測可見光。硅光電池應用的范圍400nm—1100nm，峰值波長在850nm附近，因此硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應用。1——硒光電池2——硅光電池第61頁/共76頁(3)頻率特性

光電池作為測量、計數(shù)、接收元件時常用調(diào)制光輸入。光電池的頻率響應就是指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。由于光電池PN結(jié)面積較大，極間電容大，故頻率特性較差。圖示為光電池的頻率響應曲線。由圖可知，硅光電池具有較高的頻率響應，如曲線2，而硒光電池則較差，如曲線1。204060801000I/%1234512f/kHz1——硒光電池2——硅光電池第62頁/共76頁（4）溫度特性

光電池的溫度特性是指開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。由圖可見，開路電壓與短路電流均隨溫度而變化，它將關(guān)系到應用光電池的儀器設備的溫度漂移，影響到測量或控制精度等主要指標，因此，當光電池作為測量元件時，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補償措施。2004060904060UOC/mVT/oCISCUOCISC

/μA600400200UOC——開路電壓ISC——短路電流硅光電池在1000lx照度下的溫度特性曲線第63頁/共76頁三、光敏二極管和光敏三極管光電二極管和光電池一樣，其基本結(jié)構(gòu)也是一個PN結(jié)。它和光電池相比，重要的不同點是結(jié)面積小，因此它的頻率特性特別好。光生電勢與光電池相同，但輸出電流普遍比光電池小，一般為幾μA到幾十μA。按材料分，光電二極管有硅、砷化鎵、銻化銦光電二極管等許多種。按結(jié)構(gòu)分，有同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)之分。其中最典型的是同質(zhì)結(jié)硅光電二極管。國產(chǎn)硅光電二極管按襯底材料的導電類型不同，分為2CU和2DU兩種系列。2CU系列以N-Si為襯底，2DU系列以P-Si為襯底。2CU系列的光電二極管只有兩條引線，而2DU系列光電二極管有三條引線。第64頁/共76頁1.光敏二極管光敏二極管符號如圖。鍺光敏二極管有A，B，C，D四類；硅光敏二極管有2CU1A～D系列、2DU1～4系列。光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似、它裝在透明玻璃外殼中，其PN結(jié)裝在管頂，可直接受到光照射。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)，如圖所示。PN光光敏二極管符號RL

光PN光敏二極管接線

第65頁/共76頁

光敏二極管在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小。反向電流也叫做暗電流．當光照射時，光敏二極管的工作原理與光電池的工作原理很相似。當光不照射時，光敏二極管處于載止狀態(tài)，這時只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層形成微小的反向電流即暗電流；受光照射時，PN結(jié)附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子-空穴對，從而使P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，因此在外加反向偏壓和內(nèi)電場的作用下，P區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進入N區(qū)，N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進入P區(qū)，從而使通過PN結(jié)的反向電流大為增加，這就形成了光電流。光敏二極管的光電流I與照度之間呈線性關(guān)系。光敏二極管的光照特性是線性的，所以適合檢測等方面的應用。第66頁/共76頁（1）PIN管結(jié)光電二極管

PIN管是光電二極管中的一種。它的結(jié)構(gòu)特點是，在P型半導體和N型半導體之間夾著一層（相對）很厚的本征半導體。這樣，PN結(jié)的內(nèi)電場就基本上全集中于I層中，從而使PN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小。由式τ=CjRL與f=1/2πτ知，Cj小，τ則小，頻帶將變寬。P-SiN-SiI-SiPIN管結(jié)構(gòu)示意圖第67頁/共76頁最大特點：頻帶寬，可達10GHz。另一個特點是，因為I層很厚，在反偏壓下運用可承受較高的反向電壓，線性輸出范圍寬。由耗盡層寬度與外加電壓的關(guān)系可知，增加反向偏壓會使耗盡層寬度增加，從而結(jié)電容要進一步減小，使頻帶寬度變寬。不足：I層電阻很大，管子的輸出電流小，一般多為零點幾微安至數(shù)微安。目前有將PIN管與前置運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。

第68頁/共76頁（2）雪崩光電二極管(APD)

雪崩光電二極管是利用PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應來工作的一種二極管。這種管子工作電壓很高，約100～200V，接近于反向擊穿電壓。結(jié)區(qū)內(nèi)電場極強，光生電子在這種強電場中可得到極大的加速，同時與晶格碰撞而產(chǎn)生電離雪崩反應。因此，這種管子有很高的內(nèi)增益，可達到幾百。當電壓等于反向擊穿電壓時，電流增益可達106，即產(chǎn)生所謂的雪崩。這種管子響應速度特別快，帶寬可達100GHz，是目前響應速度最快的一種光電二極管。噪聲大是這種管子目前的一個主要缺點。由于雪崩反應是隨機的，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，噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以至無法使用。但由于APD的響應時間極短，靈敏度很高，它在光通信中應用前景廣闊。第69頁/共76頁2.光敏三極管光敏三極管有PNP型和NPN型兩種，如圖。其結(jié)構(gòu)與一般三極管很相似，具有電流增益,只是它的發(fā)射極一邊做的很大,以擴大光的照射面積,且其基極不接引線。當集電極加上正電壓,基極開路時,集電極處于反向偏置狀態(tài)。當光線照射在集電結(jié)的基區(qū)時,會產(chǎn)生電子-空穴對,在內(nèi)電場的作用下,光生電子被拉到集電極,基區(qū)留下空穴,使基極與發(fā)射極間的電壓升高,這樣便有大量的電子流向集電極,形成輸出電流,且集電極電流為光電流的β倍。

PPNNNPeb

bcRLEec第70頁/共76頁光敏三極管的主要特性：光敏三極管存在一個最佳靈敏度的峰值波長。當入射光的波長增加時，相對靈敏度要下降。因為光子能量太小，不足以激發(fā)電子空穴對。當入射光的波長縮短時，相對靈敏度也下降，這是由于光子在半導體表面附近就被吸收，并且在表面激發(fā)的電子空穴對不能到達PN結(jié)，因而使相對靈敏度下降。（1）光譜特性相對靈敏度/%硅鍺入射光λ/?400080001200016000100806040200硅的峰值波長為9000?，鍺的峰值波長為15000?。