光电信息转换器件实用教案

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1、光电信息转换器件的主要特性和参数如下：光电信息转换器件的主要特性和参数如下：1光电特性光电特性 I 光电流光电流F（）光通量光通量2光谱特性光谱特性 I 光电流光电流F（）入射光波长入射光波长3伏安特性伏安特性 I 光电流光电流F（）（）电压电压4频率特性频率特性 I 光电流光电流F（f）入射光调制频率入射光调制频率 导致电子瓶颈导致电子瓶颈(pn jn)的主要原因的主要原因5暗电流暗电流 0时光电信息转换器件输出的电流，时光电信息转换器件输出的电流， 有时称为有时称为I=06 灵敏度灵敏度 对于复色光对于复色光: S(积分灵敏度积分灵敏度) =I / 对于单色光对于单色光: S（）(光谱灵敏

2、度光谱灵敏度)I（）/（）3.1 光电信息光电信息(xnx)转换器件转换器件第1页/共90页第一页，共91页。光光电电倍倍增增管管由由光光窗窗、光光电电阴阴极极、电电子子(dinz)光光学学系系统统、电电子子(dinz)倍倍增增系系统统和和阳阳极极等等五五个个主主要要部部分组成，其外形如图分组成，其外形如图3.1.1-1所示。所示。侧窗式侧窗式端窗式端窗式一、结构一、结构(jigu)与原理与原理3.1.1 光电倍增光电倍增(bi zn)管管第2页/共90页第二页，共91页。第3页/共90页第三页，共91页。K倍增倍增(bi zn)极极阳极阳极原理图原理图图图3.1.1-2 多级倍增管的工作原理

3、多级倍增管的工作原理第4页/共90页第四页，共91页。1光窗光窗光光窗窗是是入入射射光光的的通通道道，是是对对光光吸吸收收较较多多的的部部分分(b fen)。常用的光窗材料有钠钙玻璃和熔凝石英等。常用的光窗材料有钠钙玻璃和熔凝石英等。2光电阴极光电阴极它它的的作作用用是是接接收收(jishu)入入射射光光，向向外外发发射射光光电电子子。制作光电阴极的材料多是化合物半导体。制作光电阴极的材料多是化合物半导体。3电子电子(dinz)光学系统光学系统任任务务：（1）使使前前一一级级发发射射出出来来的的电电子子(dinz)尽尽可可能能没没有有散散失失地地落落到到下下一一个个倍倍增增极极上上，使使下下一

4、一级级的的收收集集率率接接近近于于1；（2）使使前前一一级级各各部部分分发发射射出出来来的的电电子子(dinz)，落落到到后后一一级级上上时时所所经经历历的的时时间间尽尽可可能相同。能相同。第5页/共90页第五页，共91页。4倍增倍增(bi zn)系统系统每个倍增每个倍增(bi zn)极由二次电子倍增极由二次电子倍增(bi zn)材材料构成。光电倍增料构成。光电倍增(bi zn)管是利用二次电子发射（高管是利用二次电子发射（高速电子打到金属表面，由于电子的动能被金属吸收，改变速电子打到金属表面，由于电子的动能被金属吸收，改变了金属原子内电子能量的状态，使有些电子从金属表面逸了金属原子内电子能量

5、的状态，使有些电子从金属表面逸出）现象制成的。出）现象制成的。如果每个电子落到某一倍增极上从该倍增极打出如果每个电子落到某一倍增极上从该倍增极打出个二个二次电子，那么次电子，那么(n me)很明显地：很明显地：式中，式中， I 阳极电流；阳极电流； i0 光阴极发出的光电流；光阴极发出的光电流； n 光电倍增极的级数。光电倍增极的级数。第6页/共90页第六页，共91页。光电倍增管的电流光电倍增管的电流(dinli)放大系数放大系数可用下式表示：可用下式表示：5. 阳极阳极(yngj)用来收集末级倍增极发射出来的电子。现用来收集末级倍增极发射出来的电子。现在普遍采用金属网来作阳极在普遍采用金属网

6、来作阳极(yngj)，靠近末，靠近末级倍增极附近。级倍增极附近。 倍增倍增(bi zn)系统有聚焦型和非聚焦型两系统有聚焦型和非聚焦型两类（根据两极间的电子运动轨迹是否平行分类）类（根据两极间的电子运动轨迹是否平行分类）。第7页/共90页第七页，共91页。 二、光电倍增二、光电倍增(bi zn)管的特性管的特性1光电特性光电特性(txng)2光谱特性光谱特性(txng) 3伏安特性伏安特性(txng) 4放大特性放大特性(txng) 5频率特性频率特性(txng) （可达（可达1MHZ以上）以上） 6疲乏特性疲乏特性(txng) 7暗电流暗电流 I= 0第8页/共90页第八页，共91页。1光电

7、特性光电特性(txng) RL AD4 D3D2D1 KR5R4 R3R2R1 +- 特点：线性增加特点：线性增加(zngji)(zngji)，然后偏离直线。，然后偏离直线。 第9页/共90页第九页，共91页。2光谱光谱(gungp)特性特性( (图所示的光电阴极图所示的光电阴极(ynj)(ynj)：锑钾铯：锑钾铯Sb-K-CsSb-K-Cs）。）。 RL AD4 D3D2D1 KR5R4 R3R2R1 +-第10页/共90页第十页，共91页。表示阳极电流表示阳极电流(dinli) Ia 对于最后一级倍增极和阳极间对于最后一级倍增极和阳极间的电压的电压U的关系。作此曲线时，的关系。作此曲线时，

8、其余各电极的电压保持恒定。其余各电极的电压保持恒定。特点：特点： （1）光通量不变，曲线由上）光通量不变，曲线由上升至饱和。升至饱和。 （2）电压不变，阳极电流）电压不变，阳极电流(dinli)随光通量增加随光通量增加3伏安伏安(f n)特性特性第11页/共90页第十一页，共91页。 放大特性是指电放大特性是指电流放大系数流放大系数或灵敏度或灵敏度随电源随电源(dinyun)电电压压U增大的关系。增大的关系。4放大放大(fngd)特性特性5. 频率特性（可达频率特性（可达1MHZ以上以上(yshng)）特点：特点： 随着电源电压升高，放大系随着电源电压升高，放大系数或灵敏度增大。数或灵敏度增大

9、。第12页/共90页第十二页，共91页。 疲劳指在工作过程疲劳指在工作过程(guchng)中灵敏度降中灵敏度降低。低。6疲劳疲劳(plo)特特性性特点：特点： 随阳极随阳极(yngj)(yngj)电流的增大，灵敏度下降电流的增大，灵敏度下降 随使用时间的增长，灵敏度下降随使用时间的增长，灵敏度下降 RL AD4 D3D2D1 KR5R4 R3R2R1 +- 1-20分钟；分钟； 2-40分钟分钟 阳极电流对灵敏度的影响示意图阳极电流对灵敏度的影响示意图第13页/共90页第十三页，共91页。暗暗电电流流I=0的的来来源源：光光电电阴阴极极和和光光电电倍倍增增极极的的热热电电子子发发射射。温温度度

10、T越越高高，热热电电子子发发射射越越多多，则则暗暗电电流流越越大大。如如果果需需要要(xyo)较较小小的的暗暗电电流流，可可通通过过冷冷却却光光电电倍倍增增管管来来减减小小暗暗电电流流。暗暗电电流流的的另另一一组组成成部部分分是是光光电电倍倍增增管管的漏电流。的漏电流。7暗电流暗电流第14页/共90页第十四页，共91页。三、光电倍增三、光电倍增(bizn)管的供电电路管的供电电路1电阻电阻(dinz)链分压型供电电链分压型供电电路路 光电倍增光电倍增(bi zn)管具有极高的灵敏度和快速响应管具有极高的灵敏度和快速响应等特点，使它在光谱探测和极微弱快速光信息的探测等方等特点，使它在光谱探测和极

11、微弱快速光信息的探测等方面成为首选的光电探测器。面成为首选的光电探测器。 图图3.1.1-6所所示示为为典典型型光光电电倍倍增增管管的的电电阻阻分分压压式式供供电电电电路路。电电路路由由11个个电电阻阻构构成成电电阻阻链链分分压压器器，分分别别向向10级级倍倍增增极极提供电压提供电压UDD。 第15页/共90页第十五页，共91页。 当入射辐射信号为高速的迅变信号或脉冲时，末当入射辐射信号为高速的迅变信号或脉冲时，末3级倍增极电流变化会引起较大级倍增极电流变化会引起较大UDD的变化，引起光的变化，引起光电倍增管增益的起伏，将破坏信息的变换。在末电倍增管增益的起伏，将破坏信息的变换。在末3极极并联

12、并联3个电容个电容C1、C2与与C3，通过电容的充放电过程，通过电容的充放电过程(guchng)使末使末3级电压稳定。级电压稳定。2 2末极的并联末极的并联(bnglin)(bnglin)电容电容第16页/共90页第十六页，共91页。五、分析五、分析(fnx)与计算与计算1.1.分压电阻分压电阻(dinz)(dinz)的确定的确定总电压总电压(diny)UAK(diny)UAK在在1000100013001300伏之间，伏之间，倍增极间电压在倍增极间电压在8080100100伏之间。伏之间。R R1 1与末几极与末几极R R应取较大数值，中间电阻可均匀分配。应取较大数值，中间电阻可均匀分配。第

13、17页/共90页第十七页，共91页。2.2.并联并联(bnglin)(bnglin)电电容的确定容的确定 光电倍增管用于探测高速的迅变信号或脉冲光电倍增管用于探测高速的迅变信号或脉冲(michng)(michng)时，常在最后几级并联旁路电容时，常在最后几级并联旁路电容C1C1、C2C2、C3C3（使末（使末3 3级电压稳定级电压稳定, ,要求极间电压变化小于要求极间电压变化小于1 1 ）。）。C2C2、C3C3的电容的电容(dinrng)(dinrng)值，大概值，大概为为C1C1的的1/1/、1/21/2，约为，约为0.0020.0020.005F0.005F。 第18页/共90页第十八页

14、，共91页。3.3.高压电源高压电源一般配有专用高压一般配有专用高压(goy)(goy)直直流电源，电源模块内部有保护流电源，电源模块内部有保护电路。电路。4.4.接地接地(jid)(jid)方式方式阴极阴极(ynj)(ynj)接地（正高压接法接地（正高压接法 ）：输入光脉冲）：输入光脉冲时用时用; ; 阳极接地（负高压接法）：一般采用此方式阳极接地（负高压接法）：一般采用此方式, ,便于与后面的放大器相连便于与后面的放大器相连, ,操作安全。操作安全。 第19页/共90页第十九页，共91页。第20页/共90页第二十页，共91页。一、结构一、结构(jigu)与原理与原理3.1.2 光敏电阻光敏

15、电阻(un mn din z)利利用用光光电电导导效效应应制制成成。当当入入射射光光子子使使电电子子由由价价带带跃跃升升到到导导带带时时，导导带带中中的的电电阻阻和和价价带带中中的的空空穴穴(kn xu)二二者者均均参参与与导导电电，因因此此电电阻阻显显著著减小，称为光敏电阻。减小，称为光敏电阻。光敏电阻光敏电阻结构结构：在一块匀质的光电导体两端加上电极。：在一块匀质的光电导体两端加上电极。光敏电阻有以下光敏电阻有以下优点优点：1光谱响应相当宽。光谱响应相当宽。2所测的光强范围宽，既可对强光响应，也可对弱光响应。所测的光强范围宽，既可对强光响应，也可对弱光响应。3无极性之分，使用方便，成本低，

16、寿命长。无极性之分，使用方便，成本低，寿命长。4灵敏度高，工作电流大，可达数毫安。灵敏度高，工作电流大，可达数毫安。光敏电阻的不足：光敏电阻的不足： 强光照射下线性较差，频率特性也较差。强光照射下线性较差，频率特性也较差。光电导体光照电极第21页/共90页第二十一页，共91页。二、特性二、特性(txng)2光谱光谱(gungp)特性特性1光照光照(gungzho)特特性性有以下关系式：有以下关系式：式中：式中：I 通过光敏电阻的电流；通过光敏电阻的电流；U 加于光敏电阻的电压；加于光敏电阻的电压；L 光敏电阻上的照度；光敏电阻上的照度； K 比例系数；比例系数；a 电压指数，一般近于电压指数，

17、一般近于1；b 照度指数。照度指数。光谱特性与所用的材料和工艺（随薄层的减薄光谱峰值移向短波方向）光谱特性与所用的材料和工艺（随薄层的减薄光谱峰值移向短波方向）过程有关。过程有关。第22页/共90页第二十二页，共91页。光谱光谱(gungp)(gungp)特特性性1 1硫化镉单晶硫化镉单晶2 2硫化镉多晶硫化镉多晶3 3硒化镉单晶硒化镉单晶4 4硫化镉与硒化镉硫化镉与硒化镉 混合混合(hnh)(hnh)多多晶晶 对红外光对红外光灵敏灵敏(ln (ln mn)mn)的的 光光敏电阻敏电阻 对可见光灵敏对可见光灵敏的光敏电阻的光敏电阻 第23页/共90页第二十三页，共91页。3伏安伏安(f n)特

18、性特性 因伏安特性成线性，光敏电阻除用积分因伏安特性成线性，光敏电阻除用积分(jfn)灵敏度外，用比灵敏度也很灵敏度外，用比灵敏度也很方便。方便。Sb（比灵敏度比灵敏度）I /（U）（比灵敏度乘以电压（比灵敏度乘以电压(diny)为积分灵敏度）为积分灵敏度）式中式中 I 光敏电阻被照射时和黑暗时的电流差；光敏电阻被照射时和黑暗时的电流差； U 光敏电阻上所加的电压；光敏电阻上所加的电压； 照射于光敏电阻上的光通量。照射于光敏电阻上的光通量。 在一定光照下，光电流与所加电压的关系为伏安特性。图为照度为在一定光照下，光电流与所加电压的关系为伏安特性。图为照度为0和某值时的伏安特性。和某值时的伏安特

19、性。第24页/共90页第二十四页，共91页。4频率特性频率特性导致电子导致电子(dinz)瓶颈的主要原瓶颈的主要原因因光敏电阻的频率特性较差，这是因为光敏电阻的导光敏电阻的频率特性较差，这是因为光敏电阻的导电性与被俘获的载流子有关，由于光强的变化电性与被俘获的载流子有关，由于光强的变化(binhu)，俘获和释放载流子都需要时间。，俘获和释放载流子都需要时间。5疲乏疲乏(pf)特性特性初制时不稳定，经人为光照老化后，性能可达到稳定。光敏初制时不稳定，经人为光照老化后，性能可达到稳定。光敏电阻的使用寿命，在密封良好，使用合理的情况下，几乎是无限电阻的使用寿命，在密封良好，使用合理的情况下，几乎是无

20、限长的。长的。6温度特性温度特性光敏电阻与其它半导体器件一样，性质受温度的影响较大。光敏电阻与其它半导体器件一样，性质受温度的影响较大。随着温度的升高灵敏度要下降。随着温度的升高灵敏度要下降。7暗电阻和暗电流暗电阻和暗电流暗阻与亮阻相差越大，灵敏度越高，随着温度的升高，暗阻与亮阻相差越大，灵敏度越高，随着温度的升高，暗电阻下降。暗电阻下降。第25页/共90页第二十五页，共91页。三、电路三、电路(dinl)在入射光通量变化范围一定的在入射光通量变化范围一定的情况下，为了情况下，为了(wi le)使输出电压使输出电压Vo变化范围最大，一般取变化范围最大，一般取 RL = RG 当入射光通量当入射

21、光通量连续变化时，连续变化时，RG为光敏电阻为光敏电阻(un mn din z)变化的中间值，即变化的中间值，即当入射光通量当入射光通量跳跃变化时，跳跃变化时，第26页/共90页第二十六页，共91页。补充补充(bchng)：证明：当入射光通量跳跃(tioyu)变化时， RG(RG max RG min )1/2证明：设两个证明：设两个(lin )光强时的光敏电阻值分别为光强时的光敏电阻值分别为RG max和和RG min则两个状态下的电流差为：则两个状态下的电流差为：则两种状态下光敏电阻的输出电压之差为：则两种状态下光敏电阻的输出电压之差为：要求两个工作状态的电压差最大，则要求：要求两个工作状

22、态的电压差最大，则要求：第27页/共90页第二十七页，共91页。补充补充(bchng)：证明(zhngmng)：E（4P max RL）1/2 证明：光敏电阻证明：光敏电阻(un mn din z)上的电压为上的电压为UEI RLEQQ1Q2Q3UIIL2L1Pmax图中画出了图中画出了Pmax曲线、以及分别对应于不同负载电阻的三条负载线曲线、以及分别对应于不同负载电阻的三条负载线EQ1、EQ2、EQ3对于工作点对于工作点Q来说，其电流与电压的关系为：来说，其电流与电压的关系为：而而Q又在又在Pmax曲线上，即曲线上，即U = Pmax / I有：有：当当 时，即方程只有一个解或没有解时，即方

23、程只有一个解或没有解即负载线和即负载线和Pmax曲线只有一个或没曲线只有一个或没有交点，光敏电阻的功率不会超有交点，光敏电阻的功率不会超过过Pmax即要求：即要求：E（4P max RL）1/2第28页/共90页第二十八页，共91页。当入射光通量变化时，会引起当入射光通量变化时，会引起I和和U的同时变化的同时变化 ，使，使系统线性变坏，噪声增加。为了降低噪声，提高信息转系统线性变坏，噪声增加。为了降低噪声，提高信息转换精度，可采取以下换精度，可采取以下(yxi)办法：办法：1采用光调制技术，一般调制频率为采用光调制技术，一般调制频率为8001000Hz。2制冷或恒温，使热噪声减少。制冷或恒温，

24、使热噪声减少。3采用合理的偏置，选择采用合理的偏置，选择(xunz)最佳的偏置电流，最佳的偏置电流，使信噪比使信噪比 达到最高。达到最高。第29页/共90页第二十九页，共91页。 典型典型(dinxng)偏置电路偏置电路第30页/共90页第三十页，共91页。四应用(yngyng)举例 图为路灯(ldng)自动电熄装置，分两部分组成，电阻R、电容C和二极管D组成半波整流滤波电路；CdS光敏电阻和继电器组成光控继电器。路灯(ldng)接在继电器常闭触点上，由光控继电器来控制路灯(ldng)的点燃和熄灭。J第31页/共90页第三十一页，共91页。3.1.3 光电池光电池第32页/共90页第三十二页，

25、共91页。第33页/共90页第三十三页，共91页。第34页/共90页第三十四页，共91页。一一、原原理理(yunl)与结构与结构 由由光光照照产产生生的的电电子子(dinz)和和空空穴穴在在内内电电场场的的作作用用下下才才形形成成光光生生电电动动势势和和光光电电流流。光光电电池池的的光光电电效效率率非非常低，最高也只能是百分之十几。常低，最高也只能是百分之十几。利用光生伏特利用光生伏特(ft)效效应应扩散扩散光照光照第35页/共90页第三十五页，共91页。np二氧化硅电极第36页/共90页第三十六页，共91页。光电池的输出光电池的输出(shch)受外接负载电阻受外接负载电阻:当当RL0时，时，

26、U0，则，则 IIS即输出即输出(shch)电流与入射光通量电流与入射光通量成线性关系。成线性关系。第37页/共90页第三十七页，共91页。当当RL0时，当时，当U继续增大到继续增大到PN结的导通电压时结的导通电压时（RL非常大时），非常大时），U就不会再增大，此时，就不会再增大，此时，PN结的结的rD变得很小，光照所产生的光电流变得很小，光照所产生的光电流I几乎全部几乎全部(qunb)流向二极管，即：流向二极管，即： IID 这时，在负载这时，在负载RL上除有少量的电流维持上除有少量的电流维持PN结的导结的导通电压通电压U外，光照产生的光电流几乎都消耗在光电池内外，光照产生的光电流几乎都消耗

27、在光电池内部。部。第38页/共90页第三十八页，共91页。二、特性二、特性(txng)1光照光照(gungzho)特性特性 指光生电动势和光电流与照度的关系。光电池的电动势与照度指光生电动势和光电流与照度的关系。光电池的电动势与照度成非线性关系，而短路电流与照度成线性关系。所以，当用光电池成非线性关系，而短路电流与照度成线性关系。所以，当用光电池作为测量元件时，应以电流源的形式作为测量元件时，应以电流源的形式(xngsh)来使用。而且，为保来使用。而且，为保证测量有线性关系，所用负载电阻应较小。证测量有线性关系，所用负载电阻应较小。2光谱特性光谱特性光电池的光谱特性决定于所采用的材料。光电池的

28、光谱特性决定于所采用的材料。3伏安特性伏安特性 光电池的负载线由光电池的负载线由 U=RLI 决定。决定。 负载短接或很小时，负载线与伏安负载短接或很小时，负载线与伏安特性的交点为等距离，电流正比于照度，特性的交点为等距离，电流正比于照度，数值也大。负载电阻较大时，负载线与数值也大。负载电阻较大时，负载线与伏安特性的交点相互间距不等，即电流伏安特性的交点相互间距不等，即电流不与照度成正比，光照特性不是直线，不与照度成正比，光照特性不是直线，电流也减小。电流也减小。第39页/共90页第三十九页，共91页。4频率特性频率特性 光电池的光电池的PN结或阻挡层的面积大，极间电容大，结或阻挡层的面积大，

29、极间电容大，因此频率特性较差。负载电阻越大，电路的旁路作用因此频率特性较差。负载电阻越大，电路的旁路作用越显著，频率特性高频部分下降越显著，频率特性高频部分下降(xijing)越厉害。越厉害。如欲改善频率特性，需减小负载电阻或减小光电池面如欲改善频率特性，需减小负载电阻或减小光电池面积，使它的结电容减小。积，使它的结电容减小。5温度温度(wnd)特性特性硅光电池的开路电压随温度的升高硅光电池的开路电压随温度的升高(shn o)而降而降低。低。第40页/共90页第四十页，共91页。三三 、 电电 路路(dinl)光光电电池池(dinch)用用作作太太阳阳能能电电池池(dinch)时时的的电电路路

30、如如图图所所示示。在在黑黑夜夜或或光光线线微微弱弱时时，为为防防止止蓄蓄电电池池(dinch)经经过过光光电电池池(dinch)放放电电而设置二极管而设置二极管D。1光光电电池池(dinch)用用作作太太阳阳能能电电池池(dinch)第41页/共90页第四十一页，共91页。光电池用作检测光电池用作检测(jin c)元件使用时的电路如图所示，元件使用时的电路如图所示，此电路可实现光电池的线性输此电路可实现光电池的线性输出。对光电池而言，出。对光电池而言，RL近似近似等于等于0。图中，。图中，2光电池用作检测光电池用作检测(jin c)元件元件第42页/共90页第四十二页，共91页。一一 、 结结

31、 构构 和和 工工 作作(gngzu)原理原理3.1.4 光敏二极管光敏二极管是是一一种种用用PN结结单单向向导导电电性性的的结结型型光光电电信信息息转转换换器器件件。其其PN结结装装在在管管子子的的顶顶部部，以以便便接接收收光光照照。其其上上面面有有一一个个透透镜镜(tujng)制制成成的的窗窗口口，使使光光线线集中在敏感面。集中在敏感面。第43页/共90页第四十三页，共91页。 光光敏敏二二极极管管工工作作时时一一般般加加反反向向偏偏压压，无无光光照照时时，处处于于反反偏偏的的光光敏敏二二极极管管工工作作在在截截止止状状态态(zhungti)，这这时时只只有有少少数数载载流流子子在在反反向

32、向偏偏压压的的作作用用下下，渡渡越越阻阻挡挡层层，形形成成微微小小的的反反向向电电流流，即即暗暗电电流流。受受光光照照时时，PN结结及及其其附附近近受受光光子子轰轰击击吸吸收收其其能能量量而而产产生生电电子子空空穴穴对对，在在外外加加电电场场和和内内电电场场的的共共同同作作用用下下，使使通通过过PN结结的的反反向向电电流流大大大大增增加，形成了光电流。加，形成了光电流。第44页/共90页第四十四页，共91页。光光光光电电电电二二二二极极极极管管管管（PDPD，photodiodephotodiode）把把把把光光光光信信信信号号号号转转转转换换换换为为为为电电电电信信信信号号号号的的的的功功功

33、功能能能能(gngnng)(gngnng)， 是由半导体是由半导体是由半导体是由半导体PNPN结的光电效应实现的。结的光电效应实现的。结的光电效应实现的。结的光电效应实现的。PN结界面结界面电子和空穴电子和空穴的扩散运动的扩散运动内部电场内部电场漂移漂移(pio y)运动运动如果光子的能量大于或如果光子的能量大于或等于带隙（等于带隙（hf Eg）当入射光作用在当入射光作用在PN结时结时发生发生(fshng)受激吸收受激吸收内部电场的作用下，内部电场的作用下，电子向电子向N区运动区运动空穴向空穴向P区运动区运动在耗尽层在耗尽层形成漂移电流。形成漂移电流。第45页/共90页第四十五页，共91页。1

34、 光照(gungzho)特性 二特性二特性(txng)线性好,适合检测(jin c)方面应用第46页/共90页第四十六页，共91页。2. 光谱(gungp)特性 决定于所采用(ciyng)的材料，图为锗光敏二极管的光谱响应曲线。第47页/共90页第四十七页，共91页。3. 伏安(f n)特性 在零偏压时，硅光敏二极管仍然有光电流输出，此为光生伏特效应所产生的短路(dunl)电流。第48页/共90页第四十八页，共91页。 4. 温度(wnd)特性+EGGUIbBGRLRcR图（d）为光敏二极管在电压不变和照度不变的情况(qngkung)下，光电流I随温度T的变化。第49页/共90页第四十九页，共

35、91页。5. 暗电流 uRWR1GG 曲线(qxin)1和2分别为锗和硅光敏二极管的暗电流随温度变化的曲线(qxin)。硅器件的暗电流及其温度系数比锗器件小。第50页/共90页第五十页，共91页。6. 频率特性C 节电容RD 反向(fn xin)偏置电阻RL 负载电阻RDRLCis第51页/共90页第五十一页，共91页。iRLCIcIL i= ic+ iLU(jC+1/RL) U= i/(jC+1/RL) =Umax/1+(CRL)21/2 ej 上限频率(pnl)： 负载电阻两端的电压会随着调制的入射光频率(pnl)的提高而下降，当频率(pnl)增加到FH时,U=0.707Umax， 则称此

36、时的频率(pnl)为上限频率(pnl)或截止频率(pnl)。 当U=0.707 Umax时， 1+(CRL)22， 即： CRL1 1/(CRL), FH=1/(2CRL)减少负载电阻减少负载电阻RL，可使上限可使上限(shngxin)频率频率fH提高提高第52页/共90页第五十二页，共91页。 光敏二极管等效简化联接电路如下图，其结电容c=5微微法，负载电阻RL 100千欧，求：此电路的上限频率(pnl)为多少？ 例例1：isRLCIcIL第53页/共90页第五十三页，共91页。 光光敏敏二二极极管管的的联联接接和和伏伏安安特特性性如如下下图图，若若光光敏敏二二极极管管上上的的照照度度L10

37、0+100Sin（t）勒勒克克斯斯，为为使使光光敏敏二二极极管管上上有有10V的的电电压压变变化化(binhu)。请请选选择择合合适适的的负负载载电电阻阻和和电电源源电电压压，并并绘绘出出电电流流、电电压压随随光强变化光强变化(binhu)曲线。曲线。 例例1：RLEUU（V）I（A）10200Lx150Lx100Lx50Lx2 三电路分析三电路分析(fnx)与计算与计算第54页/共90页第五十四页，共91页。四、四、PIN管管 PIN管是光电二极管中的一种。是在管是光电二极管中的一种。是在P型半导体和型半导体和N型半导体之间型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。夹着一层（相对）很厚的

38、本征半导体。 这样，这样，PN结的内电场就基本上全集中于结的内电场就基本上全集中于I层中，从而使层中，从而使PN结双电结双电层的间距加宽，结电容变小。层的间距加宽，结电容变小。 由式由式 = CfRL与与f = 1/2知，知，Cf小，小，则小，频带将变宽。因此，则小，频带将变宽。因此，这种管子最大的特点是频带宽，可达这种管子最大的特点是频带宽，可达10GHz。另一个特点是，因为。另一个特点是，因为I层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，线性输出层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，线性输出(shch)范围宽。范围宽。 第55页/共90页第五十五页，共91页。由耗尽层宽度与外加电压由

39、耗尽层宽度与外加电压(diny)的关系可知，的关系可知，增加反向偏压会使耗尽层宽度增加，从而结电容增加反向偏压会使耗尽层宽度增加，从而结电容要进一步减小，使频带宽度变宽。要进一步减小，使频带宽度变宽。所不足的是，所不足的是，I层电阻很大，管子的输出电流小，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。一般多为零点几微安至数微安。目前有将目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅管与前置运算放大器集成在同一硅片上并封装于一个管壳内的商品出售。片上并封装于一个管壳内的商品出售。 第56页/共90页第五十六页，共91页。第57页/共90页第五十七页，共91页。第58页/共90页第五十八

40、页，共91页。 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结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。雪崩效应来工作的一种二极管。 这种管子工作电压很高，约这种管子工作电压很高，约100200V，接近于反，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，光生电子在这种强电场向击穿电压。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，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩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。因此反应。因此(ync)，这种管子有很高的内增益，可达到，这种管子有很高的内增益，可达到几百。几百。雪崩(xubng)二极管五、五、APD(雪崩雪崩(xubn

41、g)光光电二极管电二极管)第59页/共90页第五十九页，共91页。APD载流子雪崩式倍增示意图载流子雪崩式倍增示意图(只画出电子）只画出电子）第60页/共90页第六十页，共91页。 当电压等于反向击穿电压时，电流增益当电压等于反向击穿电压时，电流增益(zngy)可达可达106，即产生所谓的自持雪崩。，即产生所谓的自持雪崩。 这种管子响应速度特别快，带宽可达这种管子响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前，是目前响应速度最快的一种光电二极管。响应速度最快的一种光电二极管。 噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。 由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别是

42、由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无法使用。的噪声水平，以至无法使用。 第61页/共90页第六十一页，共91页。一一一一般般般般光光光光电电电电二二二二级级级级管管管管的的的的反反反反向向向向偏偏偏偏压压压压在在在在几几几几十十十十伏伏伏伏以以以以下下下下（目目目目的的的的是是是是增增增增加加加加耗耗耗耗尽尽尽尽层层层层的的的的宽宽宽宽度度度度），PINPIN光光光光电电电电二二二二级级级级管管管管的的的的反反反反向向向向偏偏偏偏置置置置电电电电压压压压在在在在几

43、几几几伏伏伏伏左左左左右右右右（目目目目的的的的是是是是使使使使本本本本征征征征区区区区载载载载流流流流子子子子完完完完全全全全耗耗耗耗尽尽尽尽），而而而而APDAPD的的的的反反反反偏偏偏偏压压压压一一一一般般般般在在在在几几几几百百百百伏伏伏伏左左左左右右右右（目目目目的的的的是是是是器器器器件件件件(qjin)(qjin)击穿，并在雪崩区建立高电场）。击穿，并在雪崩区建立高电场）。击穿，并在雪崩区建立高电场）。击穿，并在雪崩区建立高电场）。第62页/共90页第六十二页，共91页。一原理与结构一原理与结构 光光敏敏三三极极管管的的集集电电极极电电流流受受光光通通量量的的控控制制。其其外外形

44、形由由光光窗窗、集集电电极极和和发发射射极的引出极的引出(yn ch)脚组成。脚组成。 光敏三极管的灵敏度较高，光敏三极管的灵敏度较高，一般为毫安级，但它在较强的一般为毫安级，但它在较强的光照下，光电流与照度不成线光照下，光电流与照度不成线性关系。频率特性和温度性关系。频率特性和温度(wnd)特性也变差，故光敏特性也变差，故光敏三极管多用作光电开关或光电三极管多用作光电开关或光电逻辑元件。逻辑元件。3.1.5 光敏三极管光敏三极管I Ic cI+ E U N N P第63页/共90页第六十三页，共91页。正常运用时，集电极加正电压。因此，集电结为反偏置，发射结正常运用时，集电极加正电压。因此，

45、集电结为反偏置，发射结为正偏置，集电结为光电结。为正偏置，集电结为光电结。当光照到集电结上时，集电结即产生光电流当光照到集电结上时，集电结即产生光电流Ip向基区注入，同时向基区注入，同时在集电极电路即产生了一个被放大在集电极电路即产生了一个被放大(fngd)的电流的电流Ic（Ie（1）Ip），），为电流放大为电流放大(fngd)倍数。倍数。光电晶体管的电流放大光电晶体管的电流放大(fngd)作用与普通晶体管在上偏流电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。路中接一个光电二极管的作用是完全相同的。 第64页/共90页第六十四页，共91页。光电晶体管的灵敏度比光电二极管高

46、，输出电流也比光电二极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。管大，多为毫安级。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。照度不成线性关系。光电晶体管多用来作光电开关元件光电晶体管多用来作光电开关元件(yunjin)或光电逻辑元件或光电逻辑元件(yunjin)。光电晶体管的伏安特性曲线如图光电晶体管的伏安特性曲线如图第65页/共90页第六十五页，共91页。几种几种(j zhn)国产国产3DU型光电三型光电三极管的特性极管的特性第66页/共90页第六十六页，共91页。第67页/共9

47、0页第六十七页，共91页。第68页/共90页第六十八页，共91页。温度温度(wnd)(wnd)特特性性光电三极管受温度光电三极管受温度(wnd)的的影响比光电二极管大得多。影响比光电二极管大得多。第69页/共90页第六十九页，共91页。4.4.频率特性频率特性频率特性比频率特性比光电二极管光电二极管差。差。 二、基本二、基本(jbn)电路电路1.1.测量测量(cling)(cling)电路电路光电三极管可看成是一个灵敏度高的光电二极管。光电三极管可看成是一个灵敏度高的光电二极管。光电流较大光电流较大(jio d)，使用较方便。用作测量时，使用较方便。用作测量时，其基本电路与光电二极管相同。其基

48、本电路与光电二极管相同。 第70页/共90页第七十页，共91页。接电阻接电阻(dinz)Rb(dinz)Rb，使使rbe rbe 减小并趋于稳减小并趋于稳定，可使暗电流及随定，可使暗电流及随温度的变化减小。温度的变化减小。除用除用Rb Rb 以外，还利用二以外，还利用二极管进行温度补偿。极管进行温度补偿。ReRe作反馈作反馈(fnku)(fnku)电阻，电阻，可改善测量的线性。可改善测量的线性。第71页/共90页第七十一页，共91页。2.2.控制电路控制电路 用无基极引出用无基极引出(yn ch)线的硅线的硅光电三极管作光控光电三极管作光控继电器。无光照时继电器。无光照时集电极电流基本为集电极

49、电流基本为零，使继电器灵敏零，使继电器灵敏工作。工作。 电流电流(dinli)控制控制第72页/共90页第七十二页，共91页。电压电压(diny)控制控制亮通电路亮通电路(dinl)暗通电路暗通电路(dinl)第73页/共90页第七十三页，共91页。有斯密特触发器的光控电路有斯密特触发器的光控电路(dinl)光线明暗渐变，达预定亮度继电器准确光线明暗渐变，达预定亮度继电器准确(zhnqu)动作。动作。第74页/共90页第七十四页，共91页。附：斯密特触发器（滞回比较附：斯密特触发器（滞回比较(bjio)器）器）UREF 为为参参考考电电压压；输输出出(shch)电电压压 uO 为为 +UZ 或

50、或 -UZ；uI 为输入电压。为输入电压。当当 u+ = u- 时时，输输出出(shch)电压的状态发生跳变。电压的状态发生跳变。比比较较器器有有两两个个不不同同的的门门限限电电平平，故故传输特性呈滞回形状。传输特性呈滞回形状。 +UZuIuO - -UZOUT- -UT+ +图图 8.2.6滞回比较器滞回比较器第75页/共90页第七十五页，共91页。若若 uO= UZ ，当当 uI 逐逐渐渐减减小小时时，使使 uO 由由 UZ 跳变为跳变为 UZ 所需的门限所需的门限(mnxin)电平电平 UT- 回回差差(门门限限(mnxin)宽宽度度) UT ：若若 uO = UZ ，当当 uI 逐逐渐

51、渐(zhjin)增增大大时时，使使 uO 由由 +UZ 跳变为跳变为 -UZ 所需的门限电平所需的门限电平 UT+ 第76页/共90页第七十六页，共91页。 作用(zuyng)：产生矩形波、三角波和锯齿波，或用于波形变换。抗干扰能力强。第77页/共90页第七十七页，共91页。T2 T2 、T3 T3 组成组成(z chn)(z chn)斯密特触斯密特触发电路，即射极耦合触发器。发电路，即射极耦合触发器。 斯密特触发器输入（斯密特触发器输入（Ui)Ui)、输、输出出(shch)(shch)（Uo)Uo)之间的关系之间的关系如图：如图： 斯密特触发器把渐变信号斯密特触发器把渐变信号(xnho)变为

52、跃变信号变为跃变信号(xnho)，是双稳态电路，从而使继电器可靠是双稳态电路，从而使继电器可靠地动作。地动作。JEC-2JEC-2是内含斯密特触发器的是内含斯密特触发器的ICIC片。片。 第78页/共90页第七十八页，共91页。用用JEC-2JEC-2的暗通的暗通光电控制电路光电控制电路附：附： 光电场效应管光电场效应管光电场效应管的结构与普通光电场效应管的结构与普通(ptng)(ptng)结型结型场效应管类似场效应管类似: :有栅极、源极、漏极。有栅极、源极、漏极。 第79页/共90页第七十九页，共91页。光入射于栅源光入射于栅源PNPN结，产生光生结，产生光生(un shn)(un shn

53、)栅电压。栅电压。UGS UGS 控制控制(kngzh)ID,(kngzh)ID,作用作用可等效为光电二极管与场效应管可等效为光电二极管与场效应管的组合。的组合。基本基本(jbn)电电路路第80页/共90页第八十页，共91页。无光照时沟道无光照时沟道(u do)(u do)被被夹断，夹断， 有光入射光敏面时，光电流在栅电阻有光入射光敏面时，光电流在栅电阻(dinz)(dinz)上产生上产生压降压降 当当时，即有时，即有使沟道使沟道(u do)开启的最开启的最小光照度为小光照度为第81页/共90页第八十一页，共91页。光电场效应管可以通过光电场效应管可以通过改变改变RGRG的值调节的值调节(ti

54、oji)(tioji)光电灵敏度，光电灵敏度，这在实用中是很有意义这在实用中是很有意义的。的。 光电场效应管比光电二极管有更高的光电场效应管比光电二极管有更高的灵敏度，噪声低，灵敏度可以调节。但响灵敏度，噪声低，灵敏度可以调节。但响应速度慢，应速度慢， 一般只适宜探测恒定一般只适宜探测恒定(hngdng)(hngdng)或缓慢变化的光信号。或缓慢变化的光信号。第82页/共90页第八十二页，共91页。二、光电达林顿管二、光电达林顿管它是把光敏三极管和普三极管按达林顿联接方法它是把光敏三极管和普三极管按达林顿联接方法(fngf)接在一起，封装在一个管壳内制成的。接在一起，封装在一个管壳内制成的。第

55、83页/共90页第八十三页，共91页。 一、热释电效应一、热释电效应(xioyng)3.1.6 热释电热释电 具具有有自自发发(zf)极极化化的的晶晶体体。晶晶体体发发生生温温度度变变化化时时，就就会会产产生生热释电效应，因而称为热释电晶体。热释电效应，因而称为热释电晶体。式式中中，Ae为为电电极极面面积积，是是与与晶晶体体材材料料有有关关的的常常数数。若若在在两两电电极极间间接接上上负载负载(fzi)Z，则负载，则负载(fzi)中就有热释电电流通过，其大小为：中就有热释电电流通过，其大小为：(/Z为热释电系数为热释电系数)Is只与只与温度变化率有关，与温度本身无关温度变化率有关，与温度本身无

56、关。第84页/共90页第八十四页，共91页。 热释电输出阻抗(sh ch z kn)高，而输出信号微弱,故需阻抗变换和信号放大 。第85页/共90页第八十五页，共91页。第86页/共90页第八十六页，共91页。第87页/共90页第八十七页，共91页。三、菲涅尔透镜三、菲涅尔透镜(tujng) 热释电信息转换器件前面需安装菲涅尔透镜，外来热释电信息转换器件前面需安装菲涅尔透镜，外来(wili)移动的辐射能量通过菲涅尔透镜断续地聚光于热移动的辐射能量通过菲涅尔透镜断续地聚光于热释电上，使热释电输出相应的电信号。它是一种由特殊设释电上，使热释电输出相应的电信号。它是一种由特殊设计的塑料透镜组，透镜组

57、的每个透镜都有一个不大的视场，计的塑料透镜组，透镜组的每个透镜都有一个不大的视场，而相邻两个透镜的视场不连续，也不重叠，彼此相隔一个而相邻两个透镜的视场不连续，也不重叠，彼此相隔一个微小的盲区。同时，菲涅尔透镜也能增加热释电的探测距微小的盲区。同时，菲涅尔透镜也能增加热释电的探测距离。不加菲涅尔透镜时，热释电的探测距离为离。不加菲涅尔透镜时，热释电的探测距离为2米左右，加米左右，加上菲涅尔透镜后，探测距离可达上菲涅尔透镜后，探测距离可达10米以上。米以上。 一般热释电在一般热释电在0.220um光谱光谱(gungp)范围内非常平坦，范围内非常平坦，通过加滤光片可用于不同场合的检测。通过加滤光片

58、可用于不同场合的检测。第88页/共90页第八十八页，共91页。 菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用，即将热释红外信号折菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用，即将热释红外信号折射（反射）在传感器上，第二个作用是将探测射（反射）在传感器上，第二个作用是将探测(tnc)区域内分为若干区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测个明区和暗区，使进入探测(tnc)区域的移动物体能以温度变化的形区域的移动物体能以温度变化的形式在传感器上产生变化热释红外信号。式在传感器上产生变化热释红外信号。 很多探测很多探测(tnc)器上都有个器上都有个塑料的小帽子（菲涅尔透镜）。塑料的小帽子（菲涅尔透镜）。 第89页/共90页第八十九页，共91页。谢谢(xi xie)大家观赏！第90页/共90页第九十页，共91页。内容(nirng)总结光电信息转换器件的主要特性和参数如下：。倍增系统有聚焦型和非聚焦型两类（根据两极间的电子运动(yndng)轨迹是否平行分类）。强光照射下线性较差，频率特性也较差。要求两个工作状态的电压差最大，则要求：。1采用光调制技术，一般调制频率为8001000Hz。CdS光敏电阻和继电器组成光控继电器。路灯接在继电器常闭触点上，由光控继电器来控制路灯的点燃和熄灭。硅器件的暗电流及其温度系数比锗器件小。谢谢大家观赏第九十一页，共91页。