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1、3.3.2 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。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。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
2、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。 发射极集电极基极 发射极集电极光电三极管的工作原理cbeIcIp IbVo光敏三极管的结构原理、工作原理和电气图形符号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 构成集成器件光电三极管的主要特性：光电三极管存在一个最
3、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/%100806040200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。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
4、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/V500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/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
5、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。 光照特性暗电流/mA10 20 305070T /C250504060光电流/mA1000200300400801020 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 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
6、。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。JR2R1A3DG12 VJR2R1A3DG12 V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
7、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暗通光电控制电路如要求路灯控制灵敏，可采用如图电图电 路。3、路灯、霓虹灯的自动控制电路防止闪电闪电 等短时时干扰扰的路灯控制电电路 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。印刷机纸张监控器光控电焊电焊 眼罩汽车车车车 灯全自动动控制器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
8、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）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）。光电倍增管的结构及工作原理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
9、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 。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个打拿极(dynatron)，所加直流电压共为9010V 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；光电倍增管的特点用于测量辐射光谱在狭窄波长范围内 的辐射功率。用于分
10、析仪器中，如光谱辐 射仪。光电倍增管的应用3.4 发光器件1. 白炽光源用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，一般白炽灯的辐射光谱是连续的。 发光范围：可见光、大量红外线和紫外线，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。 特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是 可取之处。 3.4 发光器件2. 气体放电光源定义：定义： 利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。 气体放电灯的光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条气体放电灯的光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条 件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大
11、小，可件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可 得到主要在某一光谱范围的辐射。得到主要在某一光谱范围的辐射。 低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光是光谱仪器中常用的光 源，统称为光谱灯。例如低压源，统称为光谱灯。例如低压汞灯汞灯的辐射波长为的辐射波长为254nm254nm，钠灯钠灯的的 辐射波长为辐射波长为589nm589nm，可，可被用作被用作单色光源。如果光谱灯涂以荧光剂单色光源。如果光谱灯涂以荧光剂 ，由于光线与涂层材料的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化，由于光线与涂层材料的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化 为更长的波长
12、，通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范为更长的波长，通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范 围的波长，如照明日光灯。围的波长，如照明日光灯。气体放电灯气体放电灯消耗的能量为白炽灯消耗的能量为白炽灯1/2-1/31/2-1/33.4.1 发光二极管(Light emitting diode)由半导体由半导体PNPN结构成，其工作电压低、响应速度快、寿结构成，其工作电压低、响应速度快、寿 命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。 半导体中，由于空穴和电子的扩散，在PN结处形成势垒，从 而抑制了空穴和电子的继续扩散。当PN结上加有正向电压时，
13、势 垒降低，电子由N区注入到P区，空穴则由P区注入到N区，称为少 数载流子注入。所注入到P区里的电子和P区里的空穴复合，注入 到N区里的空穴和N区里的电子复合，这种复合同时伴随着以光子 形式放出能量，因而有发光现象。发光二极管是少数载流子在PN结区的 注入与复合而产生发光的一种半导体光 源，也称作注入式场致发光光源P-AIxGa1-xAsN-AIyGa1-yAsP- GaAs光输出发光二极管的工作原理有源区 圆形金属触点SiO2绝缘层SiO2绝缘层 金属化层 热沉双异质结 层衬底限制层接合材料 金属化层光纤 圆形蚀刻孔金属化层 (用于电接触)SiO2绝缘层双异质结热沉衬底导光层金属化层 (用于
14、电接触)条形接触 (确定有源区)有源区图 3.14两类发光二极管(LED)(a) 正面发光型； (b) 侧面发光型 发光二极管的类型发光二极管的类型：正面发光型LED和侧面发光型LED LED的光谱特性LED的发光谱决定 其发光颜色，目前 可实现各类颜色。 LED具有正的温度 系数，温度升高时 ，发射波长红移， 约为：0.2-0.3nm/ 度0.20.20.40.40.60.60.80.81.01.00 060060070070080080090090010001000GaAsP p=670nmp=670nmp=655nmp=655nmGaAsPGaAsPp=565nmp=565nmGaPp=
15、950nmp=950nmGaAsGaAs/nmnm相对灵敏度相对灵敏度发光二极管的光谱特性发光二极管的光谱特性发光二极管LED的频率响应 发光二极管LED的P-I特性曲线原理：由正向偏置电压产生的注入电流进行自发辐射而发光4 3 2 1 0 50 100 150 电流/mA输出光功率/ mW02570LED驱动电路及伏安特 性 UccRLUFIFRL为限流电阻UF和IF为二极管参数例如： GaAs电流选用20mA，GaP电 流选用10mA，即可获得足够 亮度。1.0 1.5 2.0 2.5 120100806040200阈值特性与材料有关： GaAs是1.0V；GaAsP、GaAlAs 约为1.5V；发红光的GaP是 1.8V，发绿光的GaP是2.0V， 反向击穿电压一般在-5V以上 。+5VLEDReRb2Rb1VinLED信号控制电路 LEDLED的特点及应用的特点及应用一、特点一、特点1 1、 LEDLED辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角大辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角大。2 2、 LEDLED的发光颜色非常丰富的发光颜色非常丰富，通过选用不同的材料，可以实现各种发光颜色。如采用GaP:ZnO或GaAaP材料的红 色LED，GaAaP材料的橙色、黄色LED，以及Ga
