光電子技術(shù)(第二版)全套課件電子教案板

光電子技術(shù)

OPTOELECTRONIC

TECNOLOGY

（第二版）

課程簡介：

本課程介紹光電子技術(shù)的理論和應(yīng)用基礎(chǔ)；介紹光電子系統(tǒng)的光源、光調(diào)制、光探測、光存儲(chǔ)、光顯示等器件原理、結(jié)構(gòu)、應(yīng)用技術(shù)和新的發(fā)展。進(jìn)入21世記，光電子技術(shù)發(fā)展迅速，在人類生產(chǎn)和生活中展現(xiàn)輝煌。本課程特別選擇對人類社會(huì)有重大影響的信息、能源、公安國防、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，介紹光電子技術(shù)的重要作用；介紹發(fā)展中的納米光電子技術(shù)，反映光電子科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展前沿。

第1章光源第2章光輻射的調(diào)制第3章光探測器第4章光電成像器件第5章光存儲(chǔ)器第6章平板顯示器件

第7章光電子技術(shù)在現(xiàn)代社會(huì)中的應(yīng)用

第8章發(fā)展中的納米光電子技術(shù)光電子技術(shù)

緒論光電子學(xué)

20世紀(jì)-電子學(xué)世紀(jì)

電子：是信息和能量的載體。電子學(xué)—電子技術(shù)—電子產(chǎn)業(yè)，特別是電子信息產(chǎn)業(yè)：通信、微電子-大規(guī)模集成電路、計(jì)算機(jī)……。20世紀(jì)，電子學(xué)、電子技術(shù)取得了令人矚目的成就。然而，電子技術(shù)突破不了光的衍射極限，芯片集成度不能再提高。

20世紀(jì)下半葉，激光及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展顯示出極大的優(yōu)越性。

光子電子

信息容量光頻1014Hz微波1010Hz

響應(yīng)能力10-15S,Tb/s10-9S,Gb/s

互連與并行能力天然優(yōu)勢無

存儲(chǔ)能力三維存儲(chǔ)，Tb/cm3并行存取一、二維存儲(chǔ)串行存取

光子可產(chǎn)生和攜帶巨大能量；可進(jìn)行高強(qiáng)度、超精細(xì)的加工；激光武器；激光醫(yī)療……光子：也是信息和能量的載體。

光子攜帶信息：非接觸、高精度地檢測，光信息的傳輸、探測、處理、顯示、存儲(chǔ)……

1970年，荷蘭科學(xué)家Poldervaart首次提出“光子學(xué)”。國際科技界普遍認(rèn)為：

21世紀(jì)將是光子學(xué)世紀(jì)：光子學(xué)—光子技術(shù)—光子產(chǎn)業(yè)。然而，目前實(shí)用的光子器件集成度還很低，以光控光還比較困難，而電子技術(shù)在這些方面早已成熟。現(xiàn)階段必須同時(shí)并用光子和電子，發(fā)揮它們各自的優(yōu)點(diǎn)。光電子學(xué)就是這樣一個(gè)學(xué)科，它研究光子和電子的相互作用，使它們優(yōu)勢結(jié)合，是光子學(xué)的第一個(gè)階段。

光電子技術(shù)

以光電子學(xué)為基礎(chǔ)，光子技術(shù)與電子技術(shù)相互滲透、優(yōu)勢結(jié)合而產(chǎn)生。包括:

光電子信息技術(shù):

光電檢測與信息處理；光通信；光傳感；光存儲(chǔ)；光顯示

光電子能源技術(shù)：

太陽能利用；高效節(jié)能光源；激光核聚變高功率激光器；激光加工；激光生命科學(xué)

光電子技術(shù)在現(xiàn)代科技、經(jīng)濟(jì)、軍事、文化、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著極其重要的作用。

以它為支撐的光電子產(chǎn)業(yè)是當(dāng)今世界各國爭相發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，是競爭激烈、發(fā)展迅速的高科技企業(yè)的主力軍。

光電子技術(shù)課程教學(xué)目標(biāo)：

通過前6章課堂教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)，使學(xué)生掌握光電子技術(shù)的基本知識和應(yīng)用技術(shù)，能夠正確地選擇和應(yīng)用光電子器件，建立合適的光電系統(tǒng)，培養(yǎng)運(yùn)用光電子技術(shù)解決實(shí)際問題的能力。第7、8兩章旨在使學(xué)生擴(kuò)充知識面，加深對光電子技術(shù)重要性的認(rèn)識；了解學(xué)科發(fā)展方向，積極參與科研活動(dòng)，加強(qiáng)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。對學(xué)生學(xué)習(xí)的要求：用心閱讀教材；

專心聽講，適當(dāng)筆記；課后及時(shí)復(fù)習(xí)小結(jié)；認(rèn)真完成作業(yè)；

重視實(shí)踐環(huán)節(jié)。第1章光源1.1輻射度學(xué)與光度學(xué)的基礎(chǔ)知識1.2熱輻射光源1.3氣體放電光源1.4激光器1.5發(fā)光二極管(LED)一切能產(chǎn)生光輻射的輻射源都稱為光源

天然光源人造光源電磁波譜按照發(fā)光機(jī)理，光源的分類：需要了解各類光源的發(fā)光機(jī)理、重要特性、適用場合，以便正確選用光源。光纖激光器發(fā)光二極管1.1輻射度學(xué)與光度學(xué)的

介紹描述光輻射的一套參量一、輻射度的基本物理量

1.輻射能單位為J（焦耳）

2.輻射通量又稱輻射功率單位為W（瓦、焦耳每秒）

3.輻射強(qiáng)度描述點(diǎn)輻射源的輻射功率在不同方向上的分布?；A(chǔ)知識單位:（瓦每球面度）4.輻射出射度與輻射亮度單位：（瓦每平方米）

單位：

（瓦每球面度平方米）

的定義的定義5.輻射照度

單位：（瓦每平方米）6.光譜輻射量

輻射量的光譜密度，輻射量隨波長的變化率。光譜輻射通量與波長的關(guān)系其它輻射度量都有類似關(guān)系。二、光度的基本物理量1.光譜光視效率V(λ):

人眼對各種光波長的相對靈敏度詳見表1.1

2.光度量

光度量與輻射度量是一一對應(yīng)的。

輻射度量是客觀物理量，

光度量體現(xiàn)了人的視覺特性。⑴光能單位：lm·s（流明·秒）⑵光通量單位：lm（流明）⑶發(fā)光強(qiáng)度單位：cd（坎德拉）

發(fā)光強(qiáng)度是光度量中最基本的單位。在明視覺時(shí)，規(guī)定：

時(shí)，

即：1W=683lm此時(shí)，V(λ）=1V(λ）＜11W＜683lm

時(shí)，可見，輻射通量與光通量之間的換算關(guān)系：

1W=683V(λ）lm

，定義：Km=683lm

/W有關(guān)系式：⑷光出射度與光亮度

單位：lm

/m2單位：

cd/m2實(shí)用單位：sb(熙提)1sb=

104cd/m2⑸光照度

單位：lx（勒克斯）

1lx=1lm/m2普適關(guān)系式：三、光源的輻射效率與發(fā)光效率輻射效率發(fā)光效率

單位：

lm/W1.2熱輻射光源一、理想的熱輻射光源

α(λ，T)=1—絕對黑體在熱平衡條件下絕對黑體熱輻射能力最強(qiáng)。由于內(nèi)部原子、分子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生輻射的光源輻射光譜是連續(xù)光譜普朗克公式維恩位移定律斯蒂芬—玻爾茲曼定律隨著溫度T的升高，峰值波長

向短波方向移動(dòng)，總出射度

迅速增加。絕對黑體的溫度決定了它的輻射光譜分布灰體：α(λ，T)＜1的熱輻射光源，

具有與絕對黑體類似的輻射規(guī)律。色溫；相關(guān)色溫1.太陽與黑體輻射器二、實(shí)際的熱輻射光源太陽的光譜分布非常接近于絕對黑體黑體輻射器：科學(xué)制作的小孔空腔結(jié)構(gòu)，可以很好地實(shí)現(xiàn)絕對黑體的輻射功能。常用作標(biāo)準(zhǔn)光源，最高工作溫度是3000K。2.白熾燈與鹵鎢燈灰體鎢絲做燈絲玻璃泡殼;色溫約2800K,輻射光譜約0.4～3μm?？梢姽庹?～12%，用于照明；加紅外濾光片可作為近紅外光源。石英泡殼;泡殼內(nèi)充入微量鹵族元素或其化合物（如溴化硼）;形成鹵鎢循環(huán)。

色溫3200K以上,輻射光譜為0.25～3.5μm。發(fā)光效率可達(dá)30lm/W(為白熾燈的2～3倍)，作儀器白光源.鹵鎢燈

白熾燈1.3氣體放電光源發(fā)光機(jī)理：氣體放電。

泡殼：用玻璃或石英等材料制造；電極：陰極、陽極或不區(qū)分（交流燈）泡殼內(nèi)充入發(fā)光用的氣體：金屬蒸氣、金屬化合物蒸氣、惰性氣體基本結(jié)構(gòu)氣體放電光源的特點(diǎn)：①發(fā)光效率高,節(jié)能。②電極牢固緊湊，耐震，抗沖擊。③壽命長，比白熾燈長2～10倍。④輻射光譜可以選擇，只要選用適當(dāng)?shù)陌l(fā)光材料。一、汞燈

泡殼內(nèi)充汞蒸氣1.低壓汞燈

作253.7nm紫外光源；作熒光燈（…日光燈）。2.高壓汞燈

可見輻射加強(qiáng)，呈帶狀光譜，可作高效照明光源。3.球形超高壓汞燈

很好的藍(lán)綠光點(diǎn)光源。二、鈉燈

泡殼內(nèi)充的是氖氬混合氣體與金屬鈉滴。低壓鈉燈：發(fā)出波長589nm、589.6nm

兩條譜線的單色光源。高壓鈉燈：接近白光，亮度高，用于照明光源。三、金屬鹵化物燈

泡殼內(nèi)充的是金屬鹵化物氣體。通過金屬鹵化物循環(huán)，提供足夠的金屬原子氣體。鉈燈（碘化鉈）：綠光，峰值535nm。鏑燈（碘化鏑、碘化鉈）：色溫6000K。鈉鉈銦燈（碘化鈉、碘化鉈、碘化銦）：

近白色光源,色溫5500K。四、氙燈

泡殼內(nèi)充的是是惰性氣體—氙。色溫6000K，亮度高，被稱為“小太陽”，壽命長。長弧氙燈:短弧氙燈:脈沖氙燈:日光色點(diǎn)光源大范圍照明光源脈沖時(shí)間極短（nS～pS)，光很強(qiáng),用于光泵、光信號源、照相制版、高速攝影五、氘燈

泡殼內(nèi)充有高純度的氘氣燈的紫外輻射強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、壽命長，常用作連續(xù)紫外光源（185～400nm）。1.4激光器1.4.1激光器概述

20世紀(jì)激光的誕生標(biāo)志著人類對光子的掌握和利用進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。

激光器的基本結(jié)構(gòu)

激光形成機(jī)理電泵浦或光泵浦；造成工作物質(zhì)中粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，自發(fā)輻射引發(fā)受激輻射；諧振腔對輻射光波選頻放大。激光的優(yōu)越性高亮度、高方向性、高單色性和高度的時(shí)間空間相干性

已有數(shù)百種激光器，輸出波長從近紫外直到遠(yuǎn)紅外，輻射功率從毫瓦到萬瓦、兆瓦級。激光將對21世紀(jì)的科技騰飛和產(chǎn)業(yè)革命產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響！1.氣體激光器工作物質(zhì)是氣體或金屬蒸氣，通過氣體放電實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。工作物質(zhì)（氣體）均勻性好，輸出光束的質(zhì)量相當(dāng)高。2.固體激光器工作物質(zhì)是摻雜的晶體或光學(xué)玻璃，光泵浦。有脈沖輸出激光器和連續(xù)輸出激光器。主要優(yōu)點(diǎn)：能量大、峰值功率高、結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固可靠和使用方便。3.染料激光器工作物質(zhì)是有機(jī)染料溶液，光泵浦。輸出激光波長可以在很寬范圍內(nèi)調(diào)諧，有極好的光束質(zhì)量。有連續(xù)輸出的激光器，也有脈沖輸出的激光器?？僧a(chǎn)生超短光脈沖，峰值功率達(dá)幾百M(fèi)W。4.半導(dǎo)體激光器（LD）工作物質(zhì)是半導(dǎo)體材料形成的P-N結(jié)。與結(jié)平面垂直的晶體解理面構(gòu)成F-P諧振腔。對P-N結(jié)正向注入電流或光泵浦，可激發(fā)激光。體積小，重量輕，易調(diào)制，功耗低；波長覆蓋面廣（0.33～44μm）；能量轉(zhuǎn)換效率高，有大功率、高集成度器件。主要優(yōu)點(diǎn)5.光纖激光器工作物質(zhì)主要是稀土摻雜的光纖，用光泵浦，諧振腔有多種形式。是近年來發(fā)展起來的新型激光器，具有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。在光通信系統(tǒng)、光能源系統(tǒng)中都有重要作用。

1.4.2固體激光器介紹幾種代表性的固體激光器YAG激光器

基質(zhì)晶體Y3Al5O12熱物理性能優(yōu)良，使激光器既可連續(xù)工作又可高效率脈沖工作。輸出波長1064nm，加倍頻技術(shù)可輸出532nm。已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了KW級大功率輸出，廣泛用于激光加工、激光醫(yī)療、科學(xué)研究之中。輸出波長2.94μm,用于激光醫(yī)療。

輸出波長2.1μm,用于激光醫(yī)療,空間光通信。可調(diào)諧的固體激光器

輸出激光有寬的調(diào)諧范圍（700-1000nm，峰值波長800nm），應(yīng)用廣泛，并實(shí)現(xiàn)飛秒脈沖。

可調(diào)諧范圍700-800nm。采用調(diào)Q技術(shù)，輸出755nm脈沖激光，在激光醫(yī)療中很重要。

激光二極管（LD）泵浦的固體激光器LD泵浦:實(shí)現(xiàn)高效率的能量轉(zhuǎn)換,有端面泵浦和側(cè)面泵浦。

獲得百瓦級高功率激光輸出。下圖是縱向、雙端面泵浦一個(gè)橫向、側(cè)面泵浦的激光器市場上高功率的LD泵浦固體激光器都是用側(cè)面泵浦方式，輸出功率可達(dá)6000W以上。非線性頻率轉(zhuǎn)換得到短波長固體激光器

固體激光器的波長多在紅外波段。用非線性材料進(jìn)行波長轉(zhuǎn)換,可得到短波長固體激光器。

LD泵浦固體激光器與準(zhǔn)相位匹配頻率轉(zhuǎn)換結(jié)合，以期制造出結(jié)構(gòu)簡單小巧、價(jià)格便宜的可調(diào)諧激光器。研究趨勢用LD泵浦晶體得到1064nm激光，再用KTP晶體進(jìn)行腔內(nèi)倍頻，得到532nm綠激光。還用非線性頻率轉(zhuǎn)換得到藍(lán)光、紫外固體激光器。1.4.3半導(dǎo)體激光器一、半導(dǎo)體材料的能帶晶體中電子的共有化運(yùn)動(dòng)晶體中的能帶關(guān)于價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶導(dǎo)電載流子：電子、空穴I型、N型、P型半導(dǎo)體關(guān)于施主能級受主能級費(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布式中，Ef為費(fèi)米能級，是電子占據(jù)率大于或小于0.5的能級分界線。二、PN結(jié)的能帶PN結(jié)空間電荷區(qū)與自建電場的形成PN結(jié)的能帶彎曲重?fù)诫sP型、N型半導(dǎo)體的能帶熱平衡時(shí)PN結(jié)的能帶彎曲

加上正向電壓后，

PN結(jié)勢壘降低PN結(jié)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，一個(gè)平衡系統(tǒng)只能有一個(gè)費(fèi)米能級。自建電場的方向由N區(qū)指向P區(qū)，P區(qū)、N區(qū)的電子能級差為：PN結(jié)加上正向電壓時(shí)，熱平衡被破壞，PN結(jié)區(qū)勢壘降低，實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。

電子、空穴復(fù)合發(fā)光，引發(fā)受激輻射。經(jīng)諧振腔選頻，可形成激光輸出。PN結(jié)就是光輻射的有源區(qū)。

三、實(shí)用中代表性的LD的結(jié)構(gòu)閾值電流Ith注入電流I＞Ith,才能形成激光。器件結(jié)構(gòu)要著力于降低Ith。同質(zhì)結(jié)單異質(zhì)結(jié)（SH）雙異質(zhì)結(jié)（DH）、條形異質(zhì)結(jié)LD:增益導(dǎo)引條形DHLD掩埋條形DHLD

量子阱（QW）LD單量子阱（SQW）多量子阱（MQW）超晶格結(jié)構(gòu)

MQW結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性：

閾值電流很低改善頻率啁啾調(diào)制速率高溫度特性好MQW的能帶分布反饋激光器

諧振腔是波紋光柵結(jié)構(gòu)分布反饋基于布拉格衍射原理DFB激光器DBR激光器每一個(gè)柵距相當(dāng)于一個(gè)微F-P腔,易形成單縱模振蕩。波紋光柵相當(dāng)于許多微F-P腔多級調(diào)諧，使波長選擇性大大提高，譜線寬度窄。在高速調(diào)制時(shí)仍然保持單縱模特性。

溫度特性好。波紋光柵分布反饋的優(yōu)點(diǎn)MQW-DFBLD性能優(yōu)越，廣泛應(yīng)用于高速光纖通信系統(tǒng)中。四、LD的工作特性I＞Ith形成激光輸出,光功率急劇上升，

P-I曲線的線性好。

斜率效率。

I＜Ith自發(fā)輻射階段，光功率較小

。LD是對溫度很敏感的器件，溫度升高，性能劣化。需要控制溫度，以穩(wěn)定輸出光功率和峰值波長。

1.P-I特性2.光譜特性I＜IthI＞Ith單縱模LD是矩形光波導(dǎo):厚度為d，條形寬度為W

。出光發(fā)散角：

約30°～40°約6°～8°3.調(diào)制特性具有直接調(diào)制的能力

調(diào)制電流模擬調(diào)制數(shù)字調(diào)制LD芯片的調(diào)制頻率達(dá)10GHZ

量級。五、LD的應(yīng)用及新的發(fā)展

LD體積小，重量輕，易調(diào)制，功耗低；效率高，壽命長，有大功率、高集成度器件。已成為最重要的激光器之一。

光通信

光盤存儲(chǔ)、光顯示

激光印刷、信息處理、辦公自動(dòng)化設(shè)備

激光加工、激光醫(yī)療

各種半導(dǎo)體激光器需求量極大，是光電子產(chǎn)業(yè)的重要支柱。

LD的發(fā)展日新月異

垂直腔表面發(fā)射LD（VCSEL）利于與光纖耦合；適合大面積二維列陣集成。

有源區(qū)是多量子阱結(jié)構(gòu)，腔長只有幾個(gè)微米。動(dòng)態(tài)單縱模特性好，閾值電流可小于1μA。微腔LD如應(yīng)變量子阱（SL-QW）結(jié)構(gòu)，調(diào)制頻率已達(dá)30GHZ以上。

高速寬帶LD普通LD的諧振腔長為幾百微米，造成自發(fā)輻射模式很多，其中只有一個(gè)或幾個(gè)模式形成激光（β:10-4～10-5）。因而帶來能量損失、速度限制和噪聲。微腔LD的諧振腔長為光波長量級，使得自發(fā)輻射模式極大壓縮（β≤1），閾值大大降低，獲得超高速響應(yīng)（大于100Gb/s）。甚至可實(shí)現(xiàn)無閾值激光器。微腔LD及其二維面陣是一種高效、高密度光源，總功耗極低，是超大規(guī)模集成光路器件。激光器的重要變革可調(diào)諧LD用于DWDM光交換技術(shù)實(shí)現(xiàn)5-7nm范圍連續(xù)調(diào)諧實(shí)現(xiàn)100nm范圍波長調(diào)諧短波長LD

光存儲(chǔ)、光顯示的需要。紅光、綠光、藍(lán)光、紫光LD用有機(jī)材料（聚合物）作LD的有源層，易得到短波長LD，是目前的研究熱點(diǎn)。大功率LD作為固體激光器、光纖放大器的泵浦光源；光存儲(chǔ)、光印刷光源；激光加工、激光醫(yī)療光源產(chǎn)生大功率LD的途徑：

﹡提高單個(gè)LD的輸出功率；

﹡發(fā)展列陣LD:一維LD列陣;二維LD列陣;激光棒

（脈沖）功率可達(dá)幾千乃至幾萬瓦。高性能LD組件適于10Gb/s以上速率的EAM/LD波長可選擇的光電集成回路（OEIC）

1.53～1.61μm范圍的多波長光源EAM：電吸收光調(diào)制器。EAM與LD集成，實(shí)現(xiàn)光調(diào)制，-3dB帶寬為14GHZ。含有EAM、半導(dǎo)體光放大器（SOA）、合波器(MMI）、微列陣DFB激光器，波長選擇范圍達(dá)45nm。40個(gè)DFB-LD波長等間隔、光強(qiáng)大小一致、每個(gè)集成一個(gè)EAM，適用于DWDM全光網(wǎng)絡(luò)。1.4.4光纖激光器一、光纖、光波導(dǎo)光纖光導(dǎo)纖維，光傳輸?shù)耐?，纖芯折射率大于包層，光基于全內(nèi)反射在纖芯中傳輸。纖芯中摻入稀土離子Nd3+、Er3+、Pr3+、Tm3+、Yb3+,→有源光纖,

光泵浦，激光器的工作物質(zhì)。當(dāng)光纖中光強(qiáng)超過上限，產(chǎn)生非線性光學(xué)效應(yīng)。光波導(dǎo)在光電集成回路中、各種光器件模塊里，必有光信號的通路，即光波導(dǎo)。光波導(dǎo)類似于光纖的纖芯，其折射率高于周圍材料（襯底和包層）。波導(dǎo)截面是幾微米尺度，用光刻技術(shù)制得各種光波導(dǎo)。Y分叉光波導(dǎo)光波導(dǎo)可構(gòu)成光分路器、耦合器、干涉器、陣列波導(dǎo)光柵等大量光無源器件。

向光波導(dǎo)中摻雜，或造成非線性光學(xué)效應(yīng)時(shí)，又可制備出多種光有源器件。二、光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)激光工作物質(zhì)的基質(zhì)是光纖，主要包括稀土摻雜光纖激光器、受激拉曼散射光纖激光器等。摻雜光纖激光器由增益介質(zhì)、諧振腔和光泵浦源三部分組成。

1.增益介質(zhì)

光纖基質(zhì)材料：硅玻璃、氟化物玻璃與石英，視摻雜元素而選擇；光纖長度：典型值在0.5～5m之間。光增益由摻雜離子決定：摻Nd3+光纖激光器，可在1060nm等3個(gè)波長獲得激光。

摻Er3+光纖激光器，

輸出1550nm激光，光纖通信波長。摻Tm3+光纖激光器，可輸出1435～1500nm波長激光，光纖通信波長。還可輸出1700～2100nm波長、810nm波長激光，用于生物醫(yī)學(xué)、光纖傳感。摻Pr3+光纖激光器，可輸出1290～1315nm波長激光，光纖通信波長。

2.諧振腔有多種結(jié)構(gòu)：

F-P腔將光纖端面拋光，對端面直接鍍膜成為腔鏡。環(huán)形腔

光柵諧振腔

在增益光纖的兩端熔接光纖布拉格光柵（FBG）而構(gòu)成。摻Er3+光纖光柵激光器3.包層光泵浦常規(guī)光纖很細(xì)，泵浦光進(jìn)入纖芯不足，激光輸出功率小。雙包層光纖技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)重要的突破。內(nèi)包層直徑在百μm左右，是泵浦光的導(dǎo)管，有大的數(shù)值孔徑（NA），可以接收更多的泵浦光。泵浦光在內(nèi)外包層界面上全反射，反復(fù)穿過纖芯不斷激勵(lì)工作物質(zhì)。泵浦效率大大提高。

內(nèi)包層截面設(shè)計(jì)成多種形狀：

矩形和D字形截面內(nèi)包層具有95%的耦合效率,光纖激光器已有千瓦、萬瓦級激光輸出。

三、光纖激光器的優(yōu)點(diǎn)①能量轉(zhuǎn)換效率高，光—光轉(zhuǎn)換效率達(dá)80%以上。②光纖損耗??；激光場約束在纖芯內(nèi)，能產(chǎn)生甚高亮度和甚高峰值功率，閾值低、僅數(shù)毫瓦。③光纖激光器波長范圍可在380～3900nm，可以多波長運(yùn)行，易調(diào)諧。激光束質(zhì)量高，易實(shí)現(xiàn)單模、單頻運(yùn)轉(zhuǎn)和超短脈沖輸出。④光纖細(xì)、長，因而表面積大，易散熱，無須專門制冷系統(tǒng)；光纖可卷繞成小體積，使光纖激光器結(jié)構(gòu)緊湊，小巧靈活。⑤耐高振動(dòng)、高沖擊；工作壽命長，可達(dá)10萬小時(shí)。四、應(yīng)用于通信系統(tǒng)的光纖激光器和光纖放大器1．摻Er3+、Tm3+、Pr3+光纖激光器是光纖通信波段1280～1620nm光源；2.光纖放大器主要由增益光纖和光泵浦源兩部分組成。在光泵浦的作用下對輸入增益光纖的信號光加以放大、增強(qiáng)。

它使光通信線路上傳統(tǒng)的光—電—光型中繼器變革為全光型中繼器，是光纖通信發(fā)展史上重要的里程碑。

摻Er3+、Tm3+、Pr3+光纖放大器和拉曼光纖放大器對于光纖通信系統(tǒng)非常重要。3．光纖激光器和光纖放大器的增益光纖容易與傳輸光纖耦合。4．光纖激光器和光纖放大器與現(xiàn)有的光纖器件（如耦合器、偏振器和調(diào)制器）完全相容，可以組成完全由光纖器件構(gòu)成的全光纖傳輸系統(tǒng)。5．光纖激光器可以作為光孤子源，是光孤子通信的理想光源。五、高功率光纖激光器光纖激光器光束質(zhì)量高，可大功率，無需水冷，結(jié)構(gòu)緊湊小巧，對激光加工、激光醫(yī)療相當(dāng)有吸引力。

實(shí)現(xiàn)千瓦級以上大功率激光器的關(guān)鍵技術(shù)：

1.石英光纖中摻Y(jié)b3+

Yb3+具有很寬的吸收帶（800～1064nm）與熒光帶（970～1200nm），可選的泵浦源很多。泵浦—發(fā)射的轉(zhuǎn)換效率高?？筛邼舛葥诫s獲得高增益。

Yb3+能級為簡單的二能級，亞穩(wěn)態(tài)壽命長，小功率泵浦就可在極窄的纖芯內(nèi)形成高密度的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而可輸出穩(wěn)定的強(qiáng)激光。2.雙包層側(cè)面泵浦技術(shù)3.高可靠性泵浦光源

光纖側(cè)面生出許多杈纖，每分杈耦合一個(gè)寬面多模大功率LD（＞100W）。高功率摻鐿光纖激光器輸出可達(dá)數(shù)萬瓦,比大功率的氣體、固體激光器優(yōu)勢顯著。1.5發(fā)光二極管（LED）LED是一種極有競爭力的新型節(jié)能光源，它的優(yōu)點(diǎn)有：?效率高?光色純?能耗小?壽命長?可靠耐用?應(yīng)用靈活?綠色環(huán)保結(jié)構(gòu)是半導(dǎo)體PN結(jié)，無諧振腔。對其正向注入電流，電子與空穴復(fù)合發(fā)光，是非相干光。1962年第一只紅色LED問世，接著是黃色、綠色、橙色LED，早期的LED亮度不高。1993年日本利亞公司的中村秀二研制成功蘭光LED，是LED發(fā)展史上重要的里程碑。之后，人們發(fā)展了超高亮度的紅、綠、藍(lán)LED。

高發(fā)光效率的白光LED，節(jié)能環(huán)保的照明工程。LED的發(fā)展歷程1.5.1普通亮度LED一、材料與構(gòu)型

GaP、GaAsP、GaN,峰值波長是可見光，用于光顯示。

GaAs，峰值波長867nm，用于光電檢測。

InGaAsP，峰值波長1.3μm、1.55μm,用于短距離光纖通信。LED采用雙異質(zhì)結(jié)、量子阱結(jié)構(gòu)分為：面發(fā)光型－發(fā)光功率較大

邊發(fā)光型－易與光纖耦合面發(fā)光型LED的光輸出面發(fā)光型LED用于光顯示邊發(fā)光型LED用于短距離光纖通信二、主要工作特性譜線寬度Δλ在幾十～上百μm。為發(fā)光光譜的峰值波長。

P-I特性I:10～數(shù)十mAP:幾百μW～mWP-I特性曲線的線性區(qū)很寬。

光譜特性

調(diào)制特性

可以直接調(diào)制

邊發(fā)光型在幾百M(fèi)HZ面發(fā)光型在幾十MHZ調(diào)制帶寬:

LED體積小，壽命長（可超過10萬小時(shí)），耗電少，能與集成電路共電源，使用方便，應(yīng)用廣泛。1.5.2超高亮度LED法向強(qiáng)度在1000mcd以上的紅、綠、藍(lán)LED

,光效達(dá)50～100lm/W。一、實(shí)現(xiàn)超高亮度的關(guān)鍵技術(shù)2．有源區(qū)采用量子阱結(jié)構(gòu)。3．分布布拉格反射（DBR）結(jié)構(gòu)，克服襯底吸收。4．出光窗口的紋理結(jié)構(gòu)，增加光輸出。1．發(fā)展新的四元合金材料AlGaInP、AlGaInN是直接帶隙，帶隙寬度覆蓋了整個(gè)可見光波段，發(fā)光效率高。

二、超高亮度彩色LED的應(yīng)用

1.LED全彩顯示屏用于城市廣場、體育場館、調(diào)度中心、交通信息、演出、展覽等大型顯示。2.交通信號燈充分發(fā)揮LED色光鮮艷、節(jié)能、壽命長、免維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。

大屏幕由2R1G1B構(gòu)成的像素塊組成3.景觀照明美輪美奐廣州塔LED結(jié)構(gòu)輕巧、可控性好、色彩豐富，適應(yīng)各種裝飾照明和任意藝術(shù)造型的燈光雕塑。夢幻廣場亞運(yùn)之夜4.手機(jī)應(yīng)用用作手機(jī)的按鍵顯示、面板背光源、照相閃光燈。

5.LCD顯示屏的背光源電視機(jī)、監(jiān)視器大量用LCD（液晶）顯示屏，背光源用LED，顯色質(zhì)量好，壽命長，對環(huán)境無污染。1.5.3白光LED

現(xiàn)代社會(huì)，照明光源用量巨大，耗能極大，對環(huán)境的污染嚴(yán)重。1999年10月，美國HP公司R

Haize等人提出，半導(dǎo)體已在電子學(xué)方面完成了一場革命，第二場將在照明領(lǐng)域發(fā)生。

實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體照明光源就是要開發(fā)白光LED。一．產(chǎn)業(yè)化的白光LED技術(shù)InGaN/YAC-Ce白光LED選用發(fā)射波長為460nm的InGaN藍(lán)光LED芯片，安裝在支撐LED的杯中，涂以含有YAG-Ce熒光粉的環(huán)氧樹脂或硅橡膠。LED芯片發(fā)出藍(lán)光，藍(lán)光激發(fā)熒光粉產(chǎn)生較寬譜帶黃光，藍(lán)光與黃光混合而成為白光。2.RGBLED采用RGB三種基色LED組成白光照明光源。RGB三種色光比例要求嚴(yán)格，各色LED發(fā)光隨時(shí)間會(huì)有不同的改變，需要有好的反饋機(jī)制和調(diào)光技術(shù)。

3.紫外光LED/三基色熒光粉用紫外光GaN或InGaNLED芯片激發(fā)紅、綠、藍(lán)三基色熒光粉，產(chǎn)生紅、綠、藍(lán)色光混合而成白光。4.提高顯色指數(shù)已研發(fā)了多種技術(shù)，使白光LED的顯色指數(shù)Ra可以大于90，甚至95。5.功率型白光LED照明，必須是大功率器件。太陽的顯色指數(shù)為100二、照明工程⑴室內(nèi)照明

取代白熾燈、日光燈，LED還可兼任室內(nèi)無線通信。

⑵道路照明

亮度高，顯色性好。

白光LED可以用在一切需要照明的場合車用LED燈比傳統(tǒng)車用燈節(jié)電、小型、可平面安裝、快速響應(yīng)、耐震動(dòng)、長壽命。⑷礦燈

大功率LED礦燈工作溫度不到60℃，不會(huì)引起井下任何可燃?xì)怏w爆炸，是非常安全的。⑶汽車用燈實(shí)現(xiàn)白光LED照明可以減少全球用于照明的電量的50%，減少全球總耗電的10%。全年合計(jì)節(jié)支2500億美元，還可減少二氧化碳、二氧化硫等污染廢氣3.5萬億噸。

白光LED:

將帶來21世紀(jì)宏偉的照明革命！第二章光輻射的調(diào)制2.1機(jī)械調(diào)制2.2電光調(diào)制2.3聲光調(diào)制2.4

磁光調(diào)制2.5電吸收光調(diào)制光輻射的調(diào)制是用數(shù)字或模擬信號改變光波波形的幅度、頻率或相位的過程在光通信系統(tǒng)中，

需要把聲音、圖像、數(shù)據(jù)信息加載到光波上進(jìn)行傳輸。在光電檢測系統(tǒng)中，

使探測光為調(diào)制光，可以比非調(diào)制光具有更強(qiáng)的抗干擾能力。

光輻射的調(diào)制方法：

內(nèi)調(diào)制：即LD和LED的直接調(diào)制

外調(diào)制：將光源與調(diào)制器分開設(shè)立外調(diào)制器：機(jī)械調(diào)制電光調(diào)制聲光調(diào)制磁光調(diào)制外調(diào)制技術(shù)適用于所有光源。電吸收光調(diào)制2.1機(jī)械調(diào)制利用斬波器通斷光通量，使探測光成為調(diào)制光。調(diào)制光并配上合適的有源帶通濾波器，以克服雜散光的干擾。斬波器有源帶通濾波器探測器輸出的光電流設(shè)計(jì)有源帶通濾波器，f0為方波頻率。通頻帶△f窄，雜散光被濾去。優(yōu)點(diǎn)：容易實(shí)現(xiàn)；能對輻射的任何光譜成分進(jìn)行調(diào)制。缺點(diǎn)：有運(yùn)動(dòng)部分，壽命較短，體積較大，調(diào)制頻率不高。一些機(jī)械調(diào)制裝置2.2電光調(diào)制在強(qiáng)電場作用下介質(zhì)折射率改變而產(chǎn)生的光調(diào)制。適用于單色光源。一、電光效應(yīng)

線性電光效應(yīng)（Pockels）二次電光效應(yīng)（Kerr）介質(zhì)原本是單軸晶體。介質(zhì)原本是各向同性晶體。

電光調(diào)制基于線性電光效應(yīng)。1.的縱向電光效應(yīng)KDP負(fù)單軸晶體

強(qiáng)電場E//Z軸,KDP變?yōu)殡p軸晶體；線偏振光沿Z軸入射，分解成X、Y方向上振幅相同的兩個(gè)線偏振光。光傳播方向與電場方向一致與X軸對應(yīng)的主折射率：

與Y軸對應(yīng)的主折射率：

式中，no為KDP晶體o光折射率，為電光系數(shù)。X、Y方向兩偏振光射出晶體時(shí)有光程差:則相位差為：半波電壓:

造成光程差

2.的橫向電光效應(yīng)光傳播方向與電場方向垂直對KDP晶體采用45°-Z切。強(qiáng)電場E//Z軸,KDP變?yōu)殡p軸晶體。入射光沿X軸方向進(jìn)入晶體，其偏振方向與Z、Y成45°，在晶體中分解為Z、Y方向兩個(gè)振幅相同的線偏振光。與Z軸對應(yīng)的主折射率：與Y軸對應(yīng)的主折射率：

式中ne是晶體e光折射率，E=U/d，U為外加電壓。兩個(gè)線偏振光射出晶體時(shí)有光程差：則相位差為：消除自然雙折射橫向電光效應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)：適當(dāng)?shù)卦黾覮/d，就可以增強(qiáng)電光效應(yīng)的作用而降低晶體上所需的電壓；電極設(shè)在橫向，不影響光的傳播；在外加電壓U一定時(shí)，加長晶體通光長度并不影響晶體內(nèi)的電場強(qiáng)度，因而可以加長晶體長度獲得較大的相位延遲。半波電壓為:通常，縱向是數(shù)千伏，橫向只是數(shù)百伏。3.電光晶體材料

用于線性電光效應(yīng)的電光晶體，除要求電光效應(yīng)強(qiáng)以外，還需綜合考慮：對使用的波段要有較高的透過率；光學(xué)均勻性好、耐壓高；對光波和調(diào)制波的損耗?。徽凵渎孰S溫度的變化較??；化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，易于獲得大尺寸晶體等。

、在可見和近紅外區(qū)主要有KDP類晶體、LiTaO3、LiNbO3、KTN等。在中紅外區(qū)有GaAs、Cucl、CdTe等。KDP類晶體、LiNbO3（LN）晶體應(yīng)用廣泛。見表2.1二、電光強(qiáng)度（或振幅）調(diào)制在Pockels效應(yīng)中，通過晶體的兩正交線偏振光形成了固定的相位差δ。在晶體的光輸出端后置檢偏器P2，使N2⊥N1。透過檢偏器P2的光強(qiáng)I2便受到電信號的調(diào)制。橫向電光調(diào)制裝置分析橫向電光調(diào)制：入射光(光強(qiáng)I1）進(jìn)入晶體，其振幅A1分解成Az、Ay：兩線偏振光到達(dá)檢偏器，能透過P2的光振幅：這兩個(gè)線偏振光射出晶體，有固定相位差：二者有固定相位差π+δ，則通過P2的光強(qiáng)：式中，

的關(guān)系曲線

選取工作點(diǎn)：若要得到光強(qiáng)隨時(shí)間正弦變化的調(diào)制光,可使調(diào)制電壓為：則有：式中，可在光路中插入波晶片，取代

則只需在晶體上加調(diào)制電壓就可得到正弦調(diào)制光強(qiáng)。

是聲音、圖像、數(shù)據(jù)電信號，

若則有泡克爾斯（Pockels）電光調(diào)制器線性好，性能穩(wěn)定，可得到很高的調(diào)制頻率。

三、電光相位調(diào)制在電光效應(yīng)裝置圖2.6、圖2.7中，若使起偏器透光方向N1與雙軸晶體的其中一個(gè)光軸平行，則僅是一個(gè)線偏振光通過晶體，其位相被電信號調(diào)制。

在右圖中，若

Y偏振光的折射率，

在晶體入射面處光場為

則光通過晶體后的光場：式中，略去常數(shù)相位因子：則可見，該光波的位相因子受電壓U影響。設(shè)U為正弦調(diào)制電壓

令則有：

可見，該輸出光波的位相受到電信號的調(diào)制。四、電光調(diào)制的頻率特性

實(shí)際應(yīng)用中，需要電光調(diào)制器達(dá)到高的調(diào)制頻率和足夠?qū)挼恼{(diào)制帶寬。影響調(diào)制頻率和調(diào)制帶寬的主要因素為：

1.光在晶體中的傳輸時(shí)間當(dāng)調(diào)制頻率很高時(shí)，在的時(shí)間內(nèi)，外電場會(huì)發(fā)生可觀的變化。光通過晶體的不同部位時(shí)，其相位延遲不同，這就限制了調(diào)制頻率。2.晶體諧振電路的帶寬實(shí)用中，電光調(diào)制器構(gòu)成諧振電路：調(diào)制波與光波以相同速度在晶體中傳播，調(diào)制頻率可達(dá)幾個(gè)。為了適應(yīng)高頻率寬頻帶調(diào)制信號的要求，采用行波調(diào)制器。調(diào)制帶寬僅在ω0附近的有限頻帶內(nèi)。

五、光波導(dǎo)調(diào)制器晶體制作的電光調(diào)制器屬于體調(diào)制器，需要施加相當(dāng)高的電壓，才能實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制。光波導(dǎo)調(diào)制器可以把光場限制在很小的區(qū)域里，從而大大降低所需要的調(diào)制電壓和調(diào)制功率。光波導(dǎo)寬度d極窄，遠(yuǎn)小于長度L。采用橫向電光調(diào)制，半波電壓可為幾伏。調(diào)制頻率可達(dá)100GHz。相位調(diào)制器M-Z干涉型強(qiáng)度調(diào)制器定向耦合器型強(qiáng)度調(diào)制器通過耦合區(qū)兩波導(dǎo)間倏逝場作用，光功率可在兩波導(dǎo)間轉(zhuǎn)換。也是一種光開關(guān)2.3聲光調(diào)制利用超聲波引起介質(zhì)折射率變化而產(chǎn)生的光調(diào)制。一、聲光效應(yīng)適用于單色光源驅(qū)動(dòng)電源電-聲換能器聲光介質(zhì)

形成聲光柵，柵距

聲光效應(yīng)分為兩種類型：入射光波被聲光柵衍射，衍射光的強(qiáng)度、頻率、方向等都隨超聲場變化。這就是聲光效應(yīng)。拉曼-奈斯衍射

布拉格衍射只有零級、1級衍射光產(chǎn)生多級衍射光聲光調(diào)制器采用布拉格（Bragg）衍射布拉格衍射條件：零級、1級衍射光強(qiáng)：式中，為聲光效應(yīng)產(chǎn)生的附加相移：有應(yīng)用價(jià)值的是一級衍射光

式中，為聲光介質(zhì)的品質(zhì)因數(shù)。

應(yīng)選擇大的材料，常用聲光介質(zhì)見表2.2。二、聲光調(diào)制布拉格聲光調(diào)制器

的關(guān)系曲線選取工作點(diǎn)：若使作正弦變化，頻率為ω，則有要實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)調(diào)制，超聲波應(yīng)是高頻調(diào)幅波，則電-聲換能器上驅(qū)動(dòng)信號應(yīng)是高頻調(diào)幅電信號。高頻振蕩（ωs）激發(fā)聲光柵，產(chǎn)生布拉格衍射。

振幅調(diào)制（ω）使衍射光成為調(diào)制光。

將圖像、聲音信號加載到高頻振蕩（ωs）上，則衍射光就攜帶了圖像、聲音信號。三、聲光調(diào)制器的調(diào)制帶寬聲波以比光波慢得多的速度在介質(zhì)中傳播。因此聲波通過寬度為b的光束需要較長的渡越時(shí)間τ：這就對最高的調(diào)制頻率帶來限制：

為了提高選取大的聲光介質(zhì)：用細(xì)束（b?。┘す庥幂^高的ωs

聲光調(diào)制器的調(diào)制帶寬不如電光調(diào)制器,但它光能利用率高,所需要的驅(qū)動(dòng)功率小。在激光打印機(jī)、激光印刷設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。2.4磁光調(diào)制一、磁光效應(yīng)磁場也能使晶體產(chǎn)生光各向異性，稱為磁光效應(yīng)。

1.法拉第效應(yīng)光波通過磁光介質(zhì)、平行于磁場方向傳播，線偏振光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。

磁致旋光K:Verdet常數(shù)，與材料、波長相關(guān)。非互易性：磁致旋光的方向決定于磁場方向而與光傳播方向無關(guān)。以順著磁場方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，光矢右旋（K>0），介質(zhì)為正旋體，光矢左旋（K<0），介質(zhì)為負(fù)旋體。

非互易性的直接應(yīng)用是光隔離器。在法拉第效應(yīng)裝置中，設(shè)計(jì)N1、N2成45°角，線圈電流產(chǎn)生的磁場造成旋光角45°。入射線偏振光的光矢右旋45°，剛好通過檢偏器，光從左向右導(dǎo)通；若光從檢偏器端射入，線偏振光通過介質(zhì)仍然右旋45°，光矢與N1方向垂直，不能通過起偏器，從右向左不導(dǎo)通。光隔離器是光通信系統(tǒng)中必不可少的器件。

2.克爾效應(yīng)反射光的偏振方向隨磁場改變的現(xiàn)象?？藸栃?yīng)主要應(yīng)用在光磁存儲(chǔ)中。光波在鐵磁材料表面反射時(shí)，鐵磁材料（如YIG）的磁化強(qiáng)度比非鐵磁介質(zhì)強(qiáng)得多。

二、磁光調(diào)制：飽和磁化強(qiáng)度

基于法拉第效應(yīng)。θ隨電信號改變，從而使出射光被調(diào)制。目前只在紅外波段（1～5）μm實(shí)現(xiàn)，調(diào)制頻率不高。2.5電吸收光調(diào)制

量子受限斯塔克效應(yīng)表現(xiàn)出很好的吸收特性：吸收邊陡峭，熱穩(wěn)定性良好。電控可使吸收峰移動(dòng)，從而使光通斷。量子受限斯塔克效應(yīng)基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)PIN管，I區(qū)部分為多量子阱結(jié)構(gòu)，是量子限制的具有斯塔克效應(yīng)的吸收材料。

電吸收光調(diào)制器（EAM）EAM啁啾低、尺寸小、驅(qū)動(dòng)電壓低，調(diào)制速率可高達(dá)40Gbit/s。

EAM-DFBLD模塊是當(dāng)今最受重視的光通信器件。第三章光探測器3.1光探測器的理論基礎(chǔ)

3.2光熱探測器3.3光電探測器

3.4集成光電子器件3.5微光機(jī)電系統(tǒng)

光探測器是將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕年P(guān)鍵器件，在光電子技術(shù)中至關(guān)重要。有兩種工作機(jī)理：

基于光電效應(yīng)將光信號直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柖鴮?shí)現(xiàn)光探測；

吸收光能先轉(zhuǎn)換成熱能，然后再轉(zhuǎn)換成電信號而實(shí)現(xiàn)光探測。3.1光探測器的理論基礎(chǔ)光探測器的物理效應(yīng)主要是光熱效應(yīng)和光電效應(yīng)。3.1.1光熱效應(yīng)當(dāng)光照射到理想的黑色吸收體上時(shí)，黑體將對所有波長的光能量全部吸收，并轉(zhuǎn)換為熱能，稱為光熱效應(yīng)

。熱能增大，導(dǎo)致吸收體的物理、機(jī)械性能變化，通過測量這些變化可確定光能量或光功率的大小，這類器件統(tǒng)稱為光熱探測器。光熱探測器對光輻射的響應(yīng)有兩個(gè)過程：

器件吸收光能量使自身溫度發(fā)生變化

把溫度變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號

共性個(gè)性光熱探測器的最大特點(diǎn)是：從紫外到40μm以上寬波段范圍，其響應(yīng)靈敏度與光波波長無關(guān)，是對光波長無選擇性探測器。響應(yīng)速度較慢。探測器遵從的熱平衡方程：

設(shè)入射光的表達(dá)式為：代入熱平衡方程，得到：

解得：器件的平均溫升

器件隨頻率ω的交變溫升

式中，是器件的熱時(shí)間常數(shù)。表明器件溫升滯后于輻射功率的變化。

因此，光熱探測器常用于低頻調(diào)制輻照場合。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡力降低器件的熱時(shí)間常數(shù)，主要是減少器件的熱容量。3.1.2光電效應(yīng)光電效應(yīng)是物質(zhì)在光的作用下釋放出電子的物理現(xiàn)象。分為:光電導(dǎo)效應(yīng)

光伏效應(yīng)

光電發(fā)射效應(yīng)

3.1.2.1半導(dǎo)體中的載流子載流子:能參與導(dǎo)電的自由電子和自由空穴。載流子濃度:單位體積內(nèi)的載流子數(shù)。

I:N:P:室溫下

（施主濃度）全電離時(shí)（受主濃度）一、熱平衡狀態(tài)下的載流子濃度由（1.26）式，可得出：上式表明：禁帶愈小，溫度升高，

np就愈大，導(dǎo)電性愈好。在本征半導(dǎo)體中，

平衡態(tài)判據(jù)

則有可得出，少子濃度：二、非平衡狀態(tài)下的載流子

半導(dǎo)體受光照、外電場作用，載流子濃度就要發(fā)生變化，這時(shí)半導(dǎo)體處于非平衡態(tài)。

載流子濃度對于熱平衡時(shí)濃度的增量，稱為非平衡載流子。

半導(dǎo)體材料吸收光子能量而轉(zhuǎn)換成電能是光電器件工作的基礎(chǔ)。1.半導(dǎo)體對光的吸收

本征吸收

或?yàn)殚L波限。

雜質(zhì)吸收

電離能

半導(dǎo)體對光的吸收主要是本征吸收2.光生載流子半導(dǎo)體受光照射而產(chǎn)生的非平衡載流子。約為1010cm-3

;

多子濃度約為

少子濃度約為

而熱平衡時(shí)，可見，一切半導(dǎo)體光電器件對光的響應(yīng)都是少子的行為。載流子的復(fù)合：電子-空穴對消失。只要有自由的電子和空穴，復(fù)合過程就存在。

直接復(fù)合間接復(fù)合光生載流子的壽命

—光生載流子的平均生存時(shí)間復(fù)合率：單位時(shí)間內(nèi)載流子濃度減少量：三、載流子的擴(kuò)散與漂移1.擴(kuò)散載流子因濃度不均勻而發(fā)生的定向運(yùn)動(dòng)。

2.漂移載流子受電場作用所發(fā)生的運(yùn)動(dòng)。

歐姆定律的微分形式

對于電子電流

｝同理，對于空穴電流有漂移電流密度矢量

3.1.2.2光電導(dǎo)效應(yīng)半導(dǎo)體材料受光照,吸收光子引起載流子濃度增大，從而材料的電導(dǎo)率增大。、穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)與光電流暗態(tài)下

亮態(tài)下

光電導(dǎo)

光電流

定義光電導(dǎo)增益

電子在兩極間的渡越時(shí)間

如果定義

則有以上分析，對光敏電阻的設(shè)計(jì)和選用很有指導(dǎo)意義。二、響應(yīng)時(shí)間光電導(dǎo)張馳過程

非平衡載流子的產(chǎn)生與復(fù)合都不是立即完成的，需要一定的時(shí)間。半導(dǎo)體材料受階躍光照：

受光時(shí)t=0時(shí)，停光時(shí)t=0時(shí),（光照下的穩(wěn)態(tài)值）光電導(dǎo)張馳過程的時(shí)間常數(shù)就是載流子的壽命τ2.半導(dǎo)體材料受正弦型光照（即正弦調(diào)制光）:可得出當(dāng)

上限截止頻率帶寬光電導(dǎo)增益與帶寬之積為一常數(shù)：

這一結(jié)論有一定的普遍性：

它表示材料的光電靈敏度與頻率帶寬是相互制約的。3.1.2.3光伏效應(yīng)光照射到半導(dǎo)體PN結(jié)上，光子在結(jié)區(qū)激發(fā)出電子-空穴對。

P區(qū)、N區(qū)兩端產(chǎn)生電位差—光電動(dòng)勢

一、熱平衡狀態(tài)下的PN結(jié)由第一章已知，在熱平衡狀態(tài)下，由于自建場的作用，PN結(jié)能帶發(fā)生彎曲。由式（3.7）、（3.8）可得出

在室溫下，

得出在一定溫度下，PN結(jié)兩邊的摻雜濃度愈高，材料的禁帶愈寬，UD愈大。以上兩式表明：PN結(jié)兩邊少數(shù)載流子與多數(shù)載流子之間的關(guān)系。熱平衡狀態(tài)下，PN結(jié)中漂移運(yùn)動(dòng)等于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，凈電流為零。當(dāng)在PN結(jié)兩端外加電壓U，使勢壘高度由qUD變?yōu)閝(UD–U)，引起多數(shù)載流子擴(kuò)散時(shí)，少數(shù)載流子產(chǎn)生增量Δnp、Δpn，有關(guān)系式：擴(kuò)散電流密度則流過PN結(jié)的電流密度為PN結(jié)電流方程為PN結(jié)導(dǎo)電特性：

正向偏置，電流隨著電壓的增加急劇上升。

反向偏置，電流為反向飽和電流。熱平衡狀態(tài)

，I=0二、光照下的PN結(jié)產(chǎn)生電子-空穴對。

在自建電場作用下，

光電流Iφ的方向與I0相同。光照下PN結(jié)的電流方程為短路(RL→0)情況,U=0

短路電流為光照下PN結(jié)的兩個(gè)重要參量:

開路(RL→∞)情況,I=0開路電壓為3.1.2.4光電發(fā)射效應(yīng)光照到某些金屬或半導(dǎo)體材料上，若入射的光子能量足夠大，致使電子從材料中逸出，稱為光電發(fā)射效應(yīng)，又稱外光電效應(yīng)。

愛因斯坦定律當(dāng)hν＝W，對應(yīng)的光波長為閾值波長或長波限。金屬材料的電子逸出功

W

—從費(fèi)米能級至真空能級的能量差。

半導(dǎo)體材料的電子逸出功

良好的光電發(fā)射體，應(yīng)該具備的基本條件：

光吸收系數(shù)大；光電子逸出深度大；表面勢壘低

。金屬光電發(fā)射的量子效率都很低,且大多數(shù)金屬的光譜響應(yīng)都在紫外或遠(yuǎn)紫外區(qū)。半導(dǎo)體光電發(fā)射的量子效率遠(yuǎn)高于金屬：光電發(fā)射的過程是體積效應(yīng)，表面能帶彎曲降低了電子逸出功，特別是負(fù)電子親和勢材料(NEA)。P型Si的光電子需克服的有效親和勢為由于能級彎曲，使這樣就形成了負(fù)電子親和勢。正電子親和勢材料的閾值波長

負(fù)電子親和勢材料的閾值波長

從而光譜響應(yīng)可擴(kuò)展到可見、紅外區(qū)。

3.1.3光探測器的噪聲光探測器在光照下輸出的電流或電壓信號是在平均值上下隨機(jī)起伏，即含有噪聲。

用均方噪聲、表示噪聲值的大小。

噪聲的功率譜表示噪聲功率隨頻率的變化關(guān)系。

光探測器中固有噪聲主要有：熱噪聲、散粒噪聲、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲、1/f噪聲、溫度噪聲。、熱噪聲熱噪聲存在于任何導(dǎo)體與半導(dǎo)體中，是由于載流子的熱運(yùn)動(dòng)而引起的隨機(jī)起伏。

熱噪聲屬于白噪聲，降低溫度和通帶，可減少噪聲功率。

二、散粒噪聲在光子發(fā)射、電子發(fā)射、電子流中存在的隨機(jī)起伏

。散粒噪聲也屬于白噪聲。三、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲在半導(dǎo)體器件中，載流子不斷地產(chǎn)生-復(fù)合，使得載流子濃度存在隨機(jī)起伏。四、1/f噪聲是一種低頻噪聲，幾乎所有探測器中都存在。

多數(shù)器件的1/f噪聲在200～300Hz以上已衰減為很低水平。五、溫度噪聲在光熱探測器中，由于器件本身吸收和傳導(dǎo)等熱交換引起的溫度起伏。低頻時(shí)

也具有白噪聲性質(zhì)。光電探測器噪聲功率譜綜合示意圖3.1.4光探測器的性能參數(shù)一、光電特性和光照特性光電流I,大小為微安級或毫安級。

光電特性

光照特性

線性度很重要。

二、光譜特性光譜特性決定于光電器件的材料。

光譜特性對選擇光電器件和光源有重要意義，應(yīng)盡量使二者的光譜特性匹配。光電器件的靈敏度（響應(yīng)率）光譜靈敏度積分靈敏度

積分靈敏度不但與探測器有關(guān)，而且與采用的光源有關(guān)。

三、等效噪聲功率和探測率等效噪聲功率

探測器的最小可探測功率

（噪聲功率水平）

等效噪聲功率越小，說明探測器本身的噪聲水平低，探測器的性能越好。用探測率D作為探測器探測能力的指標(biāo):

探測率D表明探測器探測單位入射輻射功率時(shí)的信噪比，其值越大越好。歸一化等效噪聲功率為歸一化探測率為在給出時(shí)，常要標(biāo)記出它們的測量條件

如D*(500K,800,50)。四、響應(yīng)時(shí)間與頻率特性如同光電導(dǎo)馳豫，光探測器對信號光的響應(yīng)表現(xiàn)出惰性。對于矩形光脈沖信號，其響應(yīng)出現(xiàn)上升沿和下降沿，響應(yīng)時(shí)間τ。對于正弦型調(diào)制光，響應(yīng)率隨頻率升高而降低

。響應(yīng)時(shí)間τ越小，頻率特性越好。3.2光熱探測器3.2.1熱敏電阻

由Mn、Ni、Co、Cu氧化物或Ge、Si、InSb等半導(dǎo)體做成的電阻器，其阻值隨溫度而變化，稱為熱敏電阻。

當(dāng)它們吸收了光輻射，溫度發(fā)生變化，從而引起電阻的阻值相應(yīng)改變，將引起回路電流或電壓的變化，這樣就可以探測入射光通量。正溫度系數(shù)

負(fù)溫度系數(shù)3.2.2熱釋電探測器熱釋電探測器探測率高，是光熱探測器中性能最好的。一、工作原理基于熱電晶體的熱釋電效應(yīng)。

熱電晶體是壓電晶體中的一種，它具有自發(fā)極化的特性。存在宏觀的電偶極矩，面束縛電荷密度等于自發(fā)極化矢量Ps。

當(dāng)用斬波器調(diào)制入射光，使矩形光脈沖（周期小于ΔQ的平均壽命）作用到熱電晶體表面的黑吸收層上，交變的ΔT使得晶體表面始終存在正比于入射光強(qiáng)的極化電荷。這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。

熱釋電探測器只能探測調(diào)制和脈沖輻射。熱釋電器件的基本結(jié)構(gòu):是一個(gè)以熱電晶體為電介質(zhì)的平板電容器，Ps

的方向垂直于電容器的極板平面。

為熱釋電系數(shù)

二、基本電路如果把輻射通量為的光照射到熱釋電器件光敏面上，則其溫升為

由它引起熱釋電電量變化從而產(chǎn)生的電流為輸出電壓為電壓響應(yīng)率為，也等于零，即不能響應(yīng)恒定輻射

。ω高頻時(shí)，，響應(yīng)很差。熱釋電探測器適于接收低頻調(diào)制光，約20HZ左右。三、熱釋電器件的主要材料常用的熱電晶體材料有：硫酸三甘肽（TGS）鉭酸鋰（LiTaO3）等。還有一些陶瓷材料如鈦鋯酸鉛（PZT）等。不論哪種材料，都有一個(gè)特定溫度，稱居里溫度。只有低于居里溫度，材料才有自發(fā)極化性質(zhì)。

應(yīng)使器件工作于離居里溫度稍遠(yuǎn)一點(diǎn)，熱釋電系數(shù)變化較平穩(wěn)的區(qū)段。熱釋電敏感元件都作成薄片,以降低熱容量。薄片的兩個(gè)面分別有正負(fù)電極，受光面有黑化吸收層。為提高響應(yīng)率：3.3光電探測器3.3.1光電導(dǎo)器件典型的光電導(dǎo)器件是光敏電阻。

、光敏電阻材料與電阻結(jié)構(gòu)

現(xiàn)在使用的光電導(dǎo)材料有Ⅲ-Ⅳ、Ⅲ-Ⅴ族化合物、硅、鍺等，以及一些有機(jī)物。目前大都使用N型半導(dǎo)體光敏電阻。本征半導(dǎo)體：

摻雜半導(dǎo)體：

摻雜半導(dǎo)體光敏電阻的長波限大于本征半導(dǎo)體光敏電阻，因而它對紅外波段較為敏感。光敏面作成蛇形，

電極作成梳狀，

有利于提高靈敏度。

二、光敏電阻的主要特性1.光電特性α約為1；

γ在0.5～1之間

電阻結(jié)構(gòu)在弱光照下，如L<100lx,γ＝1GP～L具有良好的線性關(guān)系,

Sg為常數(shù)：一般，L>100lx時(shí)，GP～L則為非線性關(guān)系。

為方便表達(dá)，仍可用關(guān)系式：但Sg不是常數(shù)：流過光敏電阻的亮電流2.光譜特性1－硫化鎘單晶2－硫化鎘多晶3－硒化鎘多晶4－硫化鎘與硒化鎘混合多晶

對紅外光靈敏的光敏電阻

對可見光靈敏的光敏電阻

3.頻率特性光敏電阻在一定的光照下阻值穩(wěn)定。它因高度的穩(wěn)定性而廣泛地應(yīng)用在自動(dòng)化技術(shù)中。光敏電阻的頻率特性差，不適于接收高頻光信號。4.伏安特性1－硒化鎘；2－硫化鎘3－硫化鉈；4－硫化鉛5.溫度特性光敏電阻的特性參數(shù)受溫度的影響較大，而且這種變化沒有規(guī)律。在要求高的裝置中，必須采用冷卻裝置。

6.前歷效應(yīng)暗態(tài)前歷效應(yīng)

亮態(tài)前歷效應(yīng)

7.噪聲在紅外探測中，采用光調(diào)制技術(shù)，800～1000HZ時(shí)可以消除1/f噪聲和產(chǎn)生-復(fù)合噪聲。光敏電阻優(yōu)點(diǎn)：

①光譜響應(yīng)范圍相當(dāng)寬。

②工作電流大，達(dá)數(shù)毫安。③既可測弱光，也可測強(qiáng)光。

④靈敏度高。⑤偏置電壓低，無極性之分，使用方便。三、光敏電阻的偏置電路1.基本偏置電路微變等效電路

為了使光敏電阻正常工作，必須正確選擇Ub、RL。為不使光敏電阻在任何光照下因過熱而燒壞由基本偏置電路知負(fù)載線方程為聯(lián)立二式得在伏安特性曲線中，要使負(fù)載線與PM曲線不相交，則有此關(guān)系式對其它光電器件也適用（當(dāng)負(fù)載線方程相同時(shí)）。2.恒流偏置電路在基本偏置電路中如果

可見I與光敏電阻無關(guān)，基本恒定。光照改變引起輸出電壓的變化為電壓靈敏度：提高I或選擇大的RG，可顯著提高電壓靈敏度。實(shí)用中常采用的晶體管恒流偏置電路。

適用于微弱光信號的探測。3.恒壓偏置電路在基本偏置電路中，當(dāng)

光敏電阻上的電壓為光照改變輸出電壓的變化為可見，輸出電壓信號與光敏電阻的阻值無關(guān)。需要更換光敏電阻時(shí)，對電路狀態(tài)影響不大。

實(shí)際常采用的恒壓偏置電路4.恒功率偏置電路在基本偏置電路中，若

光敏電阻消耗的功率為這種電路的特點(diǎn)是負(fù)載可獲得最大功率輸出。5.控制電路光敏電阻在一定光照下阻值穩(wěn)定，適用作光控繼電器。

電流控制

電壓控制

光控開關(guān)電路

3.3.2結(jié)型光電器件3.3.2.1基本原理結(jié)型光電器件有N+P型

、P+N型，形成易受光照的PN結(jié)。N+P型

P+N型光照射PN結(jié)，產(chǎn)生光電動(dòng)勢。用導(dǎo)線連接P區(qū)和N區(qū)，就有電流通過。

結(jié)型光電器件等效于一個(gè)電流源和一個(gè)普通二極管的并聯(lián)。

受光照射時(shí)

φ＝0，伏安特性與普通二極管完全一樣。

受光照射時(shí)，φ>0

伏安特性曲線向下移動(dòng)一距離Iφ。第三象限：U<0,I<0,光敏二極管區(qū)域；

加反向偏壓，光電導(dǎo)模式。第四象限：U>0,I<0,光電池區(qū)域；

自供電，光伏工作模式。U=0，短路情況，Isc與φ成線性關(guān)系。I=0，開路情況，Uoc與φ成非線性關(guān)系。

光電池與光敏二極管雖然都是結(jié)型光電器件，但二者工作條件不同；在制造產(chǎn)品時(shí)，它們的結(jié)構(gòu)、工藝及受光面積均不同。兩者的性能指標(biāo)不一樣，不能相互通用。3.3.2.2光電池主要有硒光電池、硅光電池、砷化鎵光電池、鍺光電池等。按用途可分為兩大類：

太陽能光電池，要求轉(zhuǎn)換效率高、成本低。

測量光電池，要求光照特性的線性度好。

2CR型（P＋N）、2DR型（N＋P）。硅光電池性能穩(wěn)定、換能效率高，既可用于探測，又可用作能源，應(yīng)用廣泛。有2CR型

底面：負(fù)電極光敏面：梳狀正電極，涂上二氧化硅保護(hù)膜。

正、負(fù)極銀絲引線一、基本特性1.光照特性光電池的開路電壓為硅光電池硒光電池

硅光電池的光電動(dòng)勢Uoc在0.45～0.6V之間。

開路條件：RD為光電池內(nèi)阻。

短路電流Isc與照度成線性關(guān)系,

受光照結(jié)面積越大，Isc亦越大。

光電池作測量時(shí)，應(yīng)利用Isc，電路應(yīng)滿足短路條件：

光電池在不同照度下內(nèi)阻不同:

光照度越大,RD越小,要求RL要更小。

RL越小，光電流和照度的線性關(guān)系越好，而且線性范圍也較寬。2.伏安特性用光電流方向?yàn)殡娏鞯恼较蜇?fù)載線方程：每條照度曲線有各自的拐點(diǎn)通過拐點(diǎn)的負(fù)載線是光照特性是否線性的分界線3.光譜特性I/％：各波長入射光能量一定時(shí)的相對光譜響應(yīng)硅光電池光譜響應(yīng)范圍：

400～1100nm峰值響應(yīng)：約850nm4.頻率特性光電池的PN結(jié)面積大，極間電容大，因此頻率特性較差。

光電池的響應(yīng)與調(diào)制光頻率的關(guān)系。由表3.3可見：要響應(yīng)時(shí)間短，則RL要?。还怆姵氐拿娣e要小。

選擇合適的負(fù)載RL,以兼顧頻率特性和輸出電壓的要求。5.溫度特性光電池的溫度特性主要指開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況?？刂乒ぷ鳒囟取?0°較好。請仔細(xì)閱讀

6.使用要點(diǎn)二、基本電路1.自偏置電路光電池的優(yōu)點(diǎn)在于能輸出較大電流，常用在需輸出大的電流的場合，如用于光電控制。用光電池的光電控制電路光電池開路電壓的應(yīng)用2.零伏偏置電路短路工作情況，用于測量。放大器的輸入電阻A0～104，Rf<100KΩri≈0～10Ω這種電路線性好，輸出光電流大，噪聲低，信噪比好，在輻射測量方面很重要。3.光電池作為能源的應(yīng)用光電池輸出功率

選擇最佳負(fù)載電阻

工作點(diǎn)應(yīng)選伏安特性相應(yīng)照度曲線的拐點(diǎn)a。

當(dāng)照度大于500lx時(shí)，估算RM的簡易公式為照度不同，特性曲線的拐點(diǎn)不同，RM不同。需要根據(jù)全天日照情況，選一較為合適的負(fù)載。最佳負(fù)載隨照度的變化太陽能光電池品種很多，應(yīng)用較多的有：單晶硅電池，換能效率15％～23％多晶硅電池，換能效率12％～19％非晶與多晶硅薄膜電池，換能效率9％～13％3.3.2.3光電二極管（PD）

光電二極管與光電池不同之處：

①光電池?fù)诫s濃度較高，約為1016～1019原子數(shù)/cm3，而硅光電二極管約為1012～1013原子數(shù)/cm3；

②光電池的電阻率低，約為0.1～0.01Ω/cm，而硅光電二極管則為1000Ω/cm；③光電池通常在零偏置下工作，而硅光電二極管通常在反向偏置下工作；

④光電池的受光面積比硅光電二極管大得多，因此，硅光電二極管的光電流小得多，通常在微安級。硅光電二極管2CU:P+N型,有兩根引出線：P,N

2DU:N+P型，有三根引出線

：前極（N）、后極（P），環(huán)極。要點(diǎn)：2CU、2DU反向偏置；環(huán)極接法；等效電路PD的封裝：金屬外殼入射窗口凸透鏡、平鏡一、基本特性1.光照特性線性好；靈敏度低：I/μA2.伏安特性類似于普通三極管，光照取代了Ib。3.溫度特性硅光電二極管的光電流和暗電流均隨溫度而變化，要設(shè)法克服溫度變化的影響。

4.頻率特性光電二極管的結(jié)電容小，頻率特性是半導(dǎo)體光電器件中最好的一種。負(fù)載RL為1kΩ時(shí)，截止頻率可達(dá)1.5MHZ以上。

二、特殊光電二極管1.PIN光電二極管大大減小結(jié)電容，頻帶寬，可達(dá)10GHZ。

線性輸出范圍寬。

輸出電流很小，器件一般做成PIN-FET模塊。2.雪崩光電二極管（APD）工作電壓很高，約100～200V。管子有很高的內(nèi)增益，可達(dá)102～103。

響應(yīng)速度特別快，帶寬可達(dá)100GHZ。廣泛應(yīng)用于光纖通信、激光測距及光纖傳感技術(shù)中。三、基本電路1.緩變信號的基本電路當(dāng)入射光信號為恒定或緩變時(shí)，通常采用直流檢測電路。

直流負(fù)載線方程：

為PD兩端電壓。由于普通PD輸出電流小，通常要加直流放大器。用伏安特性曲線計(jì)算Ub、RL、輸出電壓、輸出電流等參數(shù)，有圖解計(jì)算法解析計(jì)算法圖解計(jì)算法直觀方便。若直流放大器的輸入電阻為ri,PD的偏置電阻RL1,則

RL

、Ub對輸出信號的影響圖解法計(jì)算使直流負(fù)載線通過拐點(diǎn)M

,確定RL或Ub。2.交變信號的基本電路光電檢測電路常常接收的是隨時(shí)間變化的光信號，如調(diào)制光、干涉條紋和莫爾條紋等。檢測電路要使用交流放大器

⑴中頻情況微變等效電路交流負(fù)載R'L交流負(fù)載線過拐點(diǎn)⑵高頻情況

微變等效電路

對于調(diào)制頻率ω＝2πf的入射光輸出電壓光信號頻率較高時(shí),負(fù)載的選取要兼顧輸出和頻率響應(yīng)兩個(gè)方面。時(shí)間常數(shù)光電二極管用于精密測量和信號傳遞。但它靈敏度低，易受溫度影響。宜用噪聲低、輸入阻抗高的場效應(yīng)管作前置放大，并采用溫度補(bǔ)償。

3.3.2.4光電三極管光電三極管是在光電二極管PN結(jié)的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)發(fā)射結(jié)，對光電流放大。有e、c兩極引出線和e、c、b三極引出線的兩種管子。后者若使用基極b，使光電三極管可同時(shí)加上電信號和光信號，進(jìn)行雙重控制，也可用來補(bǔ)償溫度變化，減小暗電流。

3DU型：NPN3CU型：PNP集電結(jié)反偏置，發(fā)射結(jié)正偏置光電三極管的工作有兩個(gè)過程：一是光電轉(zhuǎn)換，二是光電流放大。

光電三極管可看作由一個(gè)硅光電二極管和普通晶體管組合而成。一、基本特性

1.光照特性靈敏度高，輸出電流毫安級。光照特性呈現(xiàn)出一定的非線性，在于β不是常數(shù)。特性曲線中部近似線性。2.伏安特性光電三極管的伏安特性與光電二極管類似，特性曲線稍有不同：

在零偏壓時(shí)硅光電三極管沒有光電流輸出。

在一定的偏壓下，硅光電三極管的伏安特性曲線在低照度下較均勻，在高照度時(shí)曲線越來越密。用伏安特性曲線進(jìn)行電路參數(shù)計(jì)算同光電二極管。3.溫度特性光電三極管受溫度的影響比光電二極管大得多。4.頻率特性頻率特性比光電二極管差。二、基本電路1.測量電路光電三極管可看成是一個(gè)靈敏度高的光電二極管。光電流較大，使用較方便。用作測量時(shí)，其基本電路與光電二極管相同。

接電阻Rb，使rbe

減小并趨于穩(wěn)定，可使暗電流及隨溫度的變化減小。除用Rb

以外，還利用二極管進(jìn)行溫度補(bǔ)償。Re作反饋電阻，可改善測量的線性。利用基極引出線，形成基極偏流，減小了光電三極管的rbe，還有利于提高頻率特性。2.控制電路用無基極引出線的硅光電三極管作光控繼電器。無光照時(shí)集電極電流基本為零，使繼電器靈敏而準(zhǔn)確地工作。

電流控制電壓控制亮通電路暗通電路有斯密特觸發(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(dòng)作。T2、T3

組成斯密特觸發(fā)電路，即射極耦合觸發(fā)器。

斯密特觸發(fā)器輸入（Ui)、輸出（Uo)之間的關(guān)系如圖：可見斯密特觸發(fā)器能把漸變信號變?yōu)檐S變信號，是雙穩(wěn)態(tài)電路，從而使繼電器可靠地動(dòng)作。JEC-2是內(nèi)含斯密特觸發(fā)器的IC片。

當(dāng)7腳電平上升，2腳電平突降。用JEC-2的暗通光電控制電路3.3.2.5光電場效應(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:有柵極、源極、漏極。

光入射于柵源PN結(jié)，產(chǎn)生光生柵電壓?！鱑GS控制△ID,作用可等效為光電二極管與場效應(yīng)管的組合。基本電路無光照時(shí)溝道被夾斷，

有光入射光敏面時(shí)，光電流在柵電阻上產(chǎn)生壓降

當(dāng)時(shí)，即有使溝道開啟的最小光照度為光電場效應(yīng)管可以通過改變RG的值調(diào)節(jié)光電靈敏度，這在實(shí)用中是很有意義的。光電場效應(yīng)管比光電二極管有更高的靈敏度，噪聲低，靈敏度可以調(diào)節(jié)。但響應(yīng)速度慢，一般只適宜探測恒定或緩慢變化的光信號。3.3.2.6組合式光電探測器隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，出現(xiàn)了多種組合式光電探測器。

一、光電探測器與放大器的組合器件1.達(dá)林頓光電管適于作光控繼電器。2.光電二極管前置放大器組件適于光信號測量

二、列陣式光電探測器列陣式器件中，各光敏單元是獨(dú)立的。光敏元密集度大，總尺寸小，容易作到各單元參數(shù)一致，便于信號處理。

三、象限式光電探測器可以用來確定光斑在二維平面上的位置坐標(biāo)，用于準(zhǔn)直、定位、跟蹤或頻譜分析等。

四象限光電探測器

四象限器件中若接收到的光斑偏中心，必然造成4個(gè)輸出u1、u2、u3、u4有差別?？赏ㄟ^和差電路得出：可由此跟蹤、校正偏心。四、光電位置探測器（PSD）可確定光斑的能量中心的位置。

對光斑位置連續(xù)測量，位置分辨率高，可同時(shí)檢測位置和光強(qiáng)。