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1、4.7 光电二极管外形光变化电流变化光电转换器光敏特性 （a） （b） 光电二极管的符号与光电特性的测量电路（a）符号 （b）光电特性的测量电路硅光电二极管光电二极管的伏安特性有光有光光电接收二极管光电接收二极管反偏反偏状态状态光电流（恒流）光电流（恒流）光电流与照度线性关系光电流与照度线性关系无光无光暗电流暗电流l国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和和2DU两种系列。两种系列。l2CU系列以系列以N-Si为衬底，为衬底，2DU系列以系列以P-Si为衬底为衬底l2CU系列光电二极管只有系列光电二极管只有两个引出线两个引出线，l而而
2、2DU系列光电二极管有系列光电二极管有三条引出线三条引出线，除了前极、后极外，除了前极、后极外，还设了一个环极。还设了一个环极。l硅光电二极管结构示意图硅光电二极管结构示意图l2DU管加环极的目的是为了减少暗电管加环极的目的是为了减少暗电流和噪声。流和噪声。光电二极管的受光面一般都涂有光电二极管的受光面一般都涂有SiO2防反射膜，而防反射膜，而SiO2中中又常含有少量的钠、钾、氢等正离子。又常含有少量的钠、钾、氢等正离子。SiO2是电介质，这些正离子在是电介质，这些正离子在SiO2中是不能移动的，但是中是不能移动的，但是它们的静电感应却可以使它们的静电感应却可以使P-Si表面产生一个感应电子层
3、。表面产生一个感应电子层。这个电子层与这个电子层与N-Si的导电类型相同，可以使的导电类型相同，可以使P-Si表面与表面与NSi连通起来。连通起来。当管子加反偏压时，从前极流出的暗电子流，除了有当管子加反偏压时，从前极流出的暗电子流，除了有PN结的反向漏电子流外，还有通过表面感应电子层产生的漏电结的反向漏电子流外，还有通过表面感应电子层产生的漏电子流，从而使从前极流出的暗电子流增大。子流，从而使从前极流出的暗电子流增大。为了减小暗电流，设置一个为了减小暗电流，设置一个N+-Si的环把受光面（的环把受光面（N-Si）包）包围起来，并从围起来，并从N+-Si环上引出一条引线（环极），使它接到比前环
4、上引出一条引线（环极），使它接到比前极电位更高的电位上，为表面漏电子流提供一条不经过负载即极电位更高的电位上，为表面漏电子流提供一条不经过负载即可达到电源的通路。可达到电源的通路。这样，即可达到减小流过负载的暗电流、减小噪声的目的。这样，即可达到减小流过负载的暗电流、减小噪声的目的。如果使用时环极悬空，除了暗电流、噪声大些外，其它性如果使用时环极悬空，除了暗电流、噪声大些外，其它性能均不受影响。能均不受影响。2CU管子，因为是以管子，因为是以N-Si为衬底，虽然受光面的为衬底，虽然受光面的SiO2防反射防反射膜中也含有少量的正离子，而它的静电感应不会使膜中也含有少量的正离子，而它的静电感应不会
5、使N-Si表面产表面产生一个和生一个和P-Si导电类型相同的导电层，从而也就不可能出现表导电类型相同的导电层，从而也就不可能出现表面漏电流，所以不需要加环极。面漏电流，所以不需要加环极。l光电二极管的用法光电二极管的用法：l光电二极管的用法只能有两种。光电二极管的用法只能有两种。l一种是不加外电压，直接与负载相接。一种是不加外电压，直接与负载相接。l另一种是加反向电压，如图所示。另一种是加反向电压，如图所示。la)不加外电源不加外电源b)加反向外电源加反向外电源c)2DU环极接法环极接法l实际上，不是不能加正向电压，只是正接以后就与普通二实际上，不是不能加正向电压，只是正接以后就与普通二极管一
6、样，只有单向导电性，而表现不出它的光电效应。极管一样，只有单向导电性，而表现不出它的光电效应。l加反向电压时，伏安特性曲线常画成如下图所示的形式。加反向电压时，伏安特性曲线常画成如下图所示的形式。l与与硅光电池的伏安特性曲线硅光电池的伏安特性曲线图比较，有两点不同。图比较，有两点不同。l一是把硅光电池的伏安特性曲线图中一是把硅光电池的伏安特性曲线图中、象限里的图线对于象限里的图线对于纵轴反转了一下，变为上图纵轴反转了一下，变为上图(a)。这里是以横轴的正向代表负。这里是以横轴的正向代表负电压，这样处理对于以后的电路设计很方便。电压，这样处理对于以后的电路设计很方便。l二是因为开路电压二是因为开
7、路电压UOC一般都比外加的反向电压小很多，二者一般都比外加的反向电压小很多，二者比较可略而不计，所以实用曲线常画为上图比较可略而不计，所以实用曲线常画为上图(b)的形式。的形式。l微变等效电路与频率特性微变等效电路与频率特性：l光电二极管的等效电路可表达如下：光电二极管的等效电路可表达如下：l其中图其中图a为实际电路；为实际电路；l图图b为考虑到光电二极管结构、功能后画出的微变等效电路，为考虑到光电二极管结构、功能后画出的微变等效电路，其中其中Ip为光电流，为光电流，V为理想二极管，为理想二极管，Cf为结电容，为结电容，Rsh为漏电为漏电阻，阻，Rs为体电阻，为体电阻，RL为负载电阻；为负载电
8、阻；l图图c是从图是从图b简化来的，因为正常运用时，光电二极管要加简化来的，因为正常运用时，光电二极管要加反向电压，反向电压，Rsh很大，很大，Rs很小，所以图很小，所以图b中的中的V、Rsh、Rs都可都可以不计，因而有图以不计，因而有图c的形式；的形式；l图图d又是从图又是从图c简化来的，因为简化来的，因为Cf很小，除了高频情况要考虑很小，除了高频情况要考虑它的分流作用外，在低频情况下，它的阻抗很大，可不计。它的分流作用外，在低频情况下，它的阻抗很大，可不计。l因此具体应用时多用图因此具体应用时多用图d和图和图c两种形式。两种形式。l流过负载的交变电流复振幅为流过负载的交变电流复振幅为：IL
9、Ip1/(1+j)：入射光的调制圆频率，：入射光的调制圆频率，2f，f为入射光的调制频率。为入射光的调制频率。=CfRLIL的模量为的模量为可见，可见，IL是频率的函数，随着入射光调制频率的增加而减小。是频率的函数，随着入射光调制频率的增加而减小。当当=1/时，时，这时这时f=1/2称为称为上限截止频率上限截止频率，或称为，或称为带宽带宽。几种国产几种国产2CU型硅光电二极管的特性型硅光电二极管的特性几种国产几种国产2DU型硅光电二极管的特性型硅光电二极管的特性2.7.2 PIN2.7.2 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型半型半
10、导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。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结双电层的间距加宽，结电容变小。结双电层的间距加宽，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。则小，频带将变宽。因此，这种管子最大的特点是因此，这种管子最大的特点是频带宽频带宽，可达，可达10GHz。另一个。另一个特点是，因为特点是，因为I层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，压，线性输出范围宽线性输出范围宽。PIN硅光电二极管l
11、由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会使由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会使耗尽层宽度增加，从而结电容要进一步减小，使频带宽度耗尽层宽度增加，从而结电容要进一步减小，使频带宽度变宽。变宽。l所不足的是，所不足的是，I层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。零点几微安至数微安。l目前有将目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅片上并封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。装于一个管壳内的商品出售。PIN光电二极管光电转换2.7.3 2.7.3 雪崩光电二极管雪崩光电二极管雪崩光电二极管是
12、利用雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。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，接近于反向击，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中可得到穿电压。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反应。因此，极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此，这种管子有很高的内增益，可达到几百。这种管子有很高的内增益，可达到几百。雪崩二极管当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生，
13、即产生所谓的自持雪崩。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，是目前响响应速度最快应速度最快的一种光电二极管。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，特别是工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的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。噪声水平，以至无法使用。2.7.4 2.7.4 光电晶体管光电晶体管光电晶体管和普通晶体管类似，也有电流放大作用。
14、只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。光的控制。光电晶体管的外形，有光窗、集电极引出线、发射极引光电晶体管的外形，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）。出线和基极引出线（有的没有）。制作材料一般为半导体硅，管型为制作材料一般为半导体硅，管型为NPN型，国产器件称型，国产器件称为为3DU系列。系列。光电晶体管原理性结构如右图光电晶体管原理性结构如右图l正常运用时，集电极加正电压。因此，集电结为反偏置，发正常运用时，集电极加正电压。因此，集电结为反偏置
15、，发射结为正偏置，集电结为光电结。射结为正偏置，集电结为光电结。l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，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。为电流放大倍数。l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。路中接一个光电二极管的作用是完全相同的。l光电晶体管的灵敏度比光电二极管高，输出电流也比光电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
16、极管大，多为毫安级。二极管大，多为毫安级。l但它的光电特性不如光电二极管好，在较强的光照下，光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。电流与照度不成线性关系。l所以光电晶体管多用来作光电开关元件或光电逻辑元件。所以光电晶体管多用来作光电开关元件或光电逻辑元件。l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2.7.5 2.7.5 阵列式或象限式结型光电器件阵列式或象限式结型光电器件l利用集成电路技术使利用集成电路技术使2个至几百个光电二极管或光电池排成一个至几百个光电二极管或光电池排成一行，集成在一块集成电路片子上，即成为阵列式的一维光电器行，集成在
17、一块集成电路片子上，即成为阵列式的一维光电器件，也可以使光电二极管或光电池制成象限式的二维光电器件。件，也可以使光电二极管或光电池制成象限式的二维光电器件。l这两种器件中，衬底是共用的，而各光敏元都是独立的，分这两种器件中，衬底是共用的，而各光敏元都是独立的，分别有各自的前极引出线。别有各自的前极引出线。l这种器件的特点是，光敏元密集度大，总尺寸小，容易作到这种器件的特点是，光敏元密集度大，总尺寸小，容易作到各各单元多数一致，便于信号处理。单元多数一致，便于信号处理。l就目前的应用看，两个并列的光电二极管或光电池，可用就目前的应用看，两个并列的光电二极管或光电池，可用来辨别光点移动的方向。来辨
18、别光点移动的方向。l24个并列的光敏元，可用来收集光点移动的相位信息。个并列的光敏元，可用来收集光点移动的相位信息。l几十个至几百个或更多并列的光敏元，可用来摄取光学图几十个至几百个或更多并列的光敏元，可用来摄取光学图象或用作空间频谱分析。象或用作空间频谱分析。l象限式光电器件可用来确定光点在二维平面上的位置坐标。象限式光电器件可用来确定光点在二维平面上的位置坐标。多用于准直、定位、跟踪或频谱分析等方面。多用于准直、定位、跟踪或频谱分析等方面。2.7.6 2.7.6 光电位置探测器（光电位置探测器（PSDPSD）Position Sensitive DetectorsPosition Sens
19、itive DetectorslPSD是利用离子注入技术制成的一种可确定光的能量中心位是利用离子注入技术制成的一种可确定光的能量中心位置的结型光电器件，有一维的和二维的两种。置的结型光电器件，有一维的和二维的两种。l当入射光是一个小光斑，照射到光敏面时，其输出则与光的当入射光是一个小光斑，照射到光敏面时，其输出则与光的能量中心位置有关。能量中心位置有关。l这种器件和象限光电器件比较，其特点是，它对光斑的形状这种器件和象限光电器件比较，其特点是，它对光斑的形状无严格要求，无严格要求，l光敏面上无象限分隔线，光敏面上无象限分隔线，l对光斑位置可连续测量。对光斑位置可连续测量。 光电开关与光电耦合器
20、光电开关与光电耦合器l光电开关和光电耦合器都是由发光端和受光端组成的组合光电开关和光电耦合器都是由发光端和受光端组成的组合件。件。l光电开关不封闭，发光端与受光端之间可以插入调制板。光电开关不封闭，发光端与受光端之间可以插入调制板。l光电耦合器则是把发光元件与受光元件都封闭在一个不透光电耦合器则是把发光元件与受光元件都封闭在一个不透光的管壳内。光的管壳内。ll光电开关与光电耦合器结构示意图光电开关与光电耦合器结构示意图la)光电开关光电开关b)光电耦合器光电耦合器l发光端与受光端彼此独立，完全没有电的联系，两端之间发光端与受光端彼此独立，完全没有电的联系，两端之间的电阻一般都在的电阻一般都在1
21、011以上。以上。l光电开关多用于光电计数、报警、安全保护、无接触开关，光电开关多用于光电计数、报警、安全保护、无接触开关，及各种光电控制等方面。及各种光电控制等方面。l光电耦合器多用于电位隔离、电平匹配、抗干扰电路、逻光电耦合器多用于电位隔离、电平匹配、抗干扰电路、逻辑电路、模辑电路、模/数转换、长线传输、过流保护，及高压控制等数转换、长线传输、过流保护，及高压控制等方面。方面。2.7.7 2.7.7 光伏探测器使用要点光伏探测器使用要点l1）极性结型器件都有确定的）极性结型器件都有确定的极性极性，如要加电压使用时，光，如要加电压使用时，光电结必须加反向电压，即电结必须加反向电压，即P端与外
22、电源的低电位相接。端与外电源的低电位相接。l2）使用时对入射）使用时对入射光强范围的选择光强范围的选择应视用途而定。应视用途而定。l用于开关电路或逻辑电路时光照可以强些。用于开关电路或逻辑电路时光照可以强些。l用于模拟量测量时，光照不宜过强。用于模拟量测量时，光照不宜过强。l因为一般器件都有这样的性质：光照弱些，负载电阻小些，因为一般器件都有这样的性质：光照弱些，负载电阻小些，加反偏压使用时，光电线性好，反之则差。加反偏压使用时，光电线性好，反之则差。l3）灵敏度灵敏度主要决定于器件，但也与使用条件和方法有关，主要决定于器件，但也与使用条件和方法有关，例如光源和接收器在光谱特性上是否匹配；入射
23、光的方向例如光源和接收器在光谱特性上是否匹配；入射光的方向与器件光敏面法线是否一致等。与器件光敏面法线是否一致等。l4）结型器件的）结型器件的响应速度响应速度都很快。它主要决定于负载电阻和都很快。它主要决定于负载电阻和结电容所构成的时间常数（结电容所构成的时间常数（RC）。负载电阻大，输出）。负载电阻大，输出电压可以大，但电压可以大，但会变大，响应变慢。相反，负载电阻小些，会变大，响应变慢。相反，负载电阻小些，输出电压要减小，但输出电压要减小，但会变小，响应速度变快。会变小，响应速度变快。l5）灵敏度与频带宽度灵敏度与频带宽度之积为一常数的结论，对结型光电器之积为一常数的结论，对结型光电器件也适用。件也适用。l6）器件的）器件的各种参量各种参量差不多都差不多都与温度有关与温度有关，但其中受温度，但其中受温度影响最大的是暗电流。暗电流大的器件，容易受温度变化影响最大的是暗电流。暗电流大的器件，容易受温度变化的影响，而使电路工作不稳定，同时噪声也大。的影响，而使电路工作不稳定，同时噪声也大。l7）除了温度变化，电、磁场）除了温度变化，电、磁场干扰干扰可引起电路发生误动作可引起电路发生误动作外，背景光或光反馈也是引起电路误动作的重要因素，应外，背景光或光反馈也是引起电路误动作的重要因素，应设法消除。设法消除。几种国产几种国产3DU3DU型光电三极管的特性型光电三极管的特性
