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1、关于半导体结型光电器件第一页，讲稿共六十一页哦 结型器件与均质型器件（如结型器件与均质型器件（如PC探测器）探测器）比较，主要区别在于：比较，主要区别在于：1、产生光电转换的部位不同。产生光电转换的部位不同。光电导光电导器件不管那一部分受光，电导率都会增大；器件不管那一部分受光，电导率都会增大；而结型器件只有光照到其结区，所产生的光而结型器件只有光照到其结区，所产生的光生载流子才能产生有效作用。生载流子才能产生有效作用。2、光电导器件无极性，工作时必须加、光电导器件无极性，工作时必须加偏压；偏压；而光伏器件有确定的正负极性而光伏器件有确定的正负极性，工作，工作时可以加偏压，也可以不加偏压都能把
2、光信时可以加偏压，也可以不加偏压都能把光信号转换成电信号。号转换成电信号。第二页，讲稿共六十一页哦 3、光电导器件的光电效应主要依赖于非、光电导器件的光电效应主要依赖于非平衡载流子中多数载流子的产生与复合运动，平衡载流子中多数载流子的产生与复合运动，驰豫时间大，响应速度慢，频率响应性能较差。驰豫时间大，响应速度慢，频率响应性能较差。而光伏器件主要依赖于结区非平衡载流子中少而光伏器件主要依赖于结区非平衡载流子中少数载流子的漂移运动，数载流子的漂移运动，驰豫时间短，频率特性驰豫时间短，频率特性好。好。4、有些器件如、有些器件如APD（雪崩二极管）、（雪崩二极管）、光电光电三极管等具有很大的内增益，
3、不仅灵敏度高，还三极管等具有很大的内增益，不仅灵敏度高，还可以通过较大的电流。可以通过较大的电流。基于上述特点，基于上述特点，PV探测器应用非常广泛，探测器应用非常广泛，多用于光度测量、光开关、图象识别、自动控多用于光度测量、光开关、图象识别、自动控制等方面制等方面。第三页，讲稿共六十一页哦一、结型光电器件工作原理一、结型光电器件工作原理 1、平衡下的、平衡下的P-N结结 由半导体理论可得：由半导体理论可得：势垒高度势垒高度 结区宽度结区宽度 第四页，讲稿共六十一页哦 结电容结电容 结电流结电流 其方向从其方向从P区经区经P-N结指向结指向n区。区。是反向饱和电流，是反向饱和电流，A是结区面积
4、，是结区面积，V是结区电是结区电压。压。第五页，讲稿共六十一页哦2、光照下的、光照下的PN结结 P-N结光电效应和结光电效应和P-N结工作模式结工作模式 当光照射当光照射P-N结时，只要光子能量大于结时，只要光子能量大于材料禁带宽度，就会在结区产生电子材料禁带宽度，就会在结区产生电子空穴空穴对。这些非平衡载流子在内建电场作用下发对。这些非平衡载流子在内建电场作用下发生漂移，在生漂移，在n区边界积累光生电子，在区边界积累光生电子，在P区边区边界积累光生空穴，在界积累光生空穴，在P-N结上产生一个由积结上产生一个由积累的光生载流子产生的光生电场，即在累的光生载流子产生的光生电场，即在P区区与与n区
5、之间产生光生电压。这就是第三章所区之间产生光生电压。这就是第三章所讲的光生伏特效应。讲的光生伏特效应。第六页，讲稿共六十一页哦 原则上，原则上，P-N结可工作于正偏、零偏结可工作于正偏、零偏与反偏状态。但在正偏置时，外偏置电与反偏状态。但在正偏置时，外偏置电压产生的电流远大于光生载流子产生的压产生的电流远大于光生载流子产生的电流，看不到明显的光电效应。电流，看不到明显的光电效应。P-N结处结处于于零偏置零偏置或或反偏置反偏置时，光生电流在外电时，光生电流在外电路形成光电流，具有明显的光电效应。路形成光电流，具有明显的光电效应。所以结型光电器件一般都所以结型光电器件一般都工作于零偏或工作于零偏或
6、反偏状态反偏状态。第七页，讲稿共六十一页哦 光照下的电流方程光照光照下的电流方程光照 未受光照时，结电流方程是未受光照时，结电流方程是 受到光照时，光激发载流子在受到光照时，光激发载流子在P-n结上内结上内电场作用下形成光生电流电场作用下形成光生电流IP，总电流是两者之，总电流是两者之差，差，此处此处V是外电路加到是外电路加到P-n结上的电压，正向是结上的电压，正向是P区为正，区为正，n区为负。区为负。第八页，讲稿共六十一页哦光电流在光电流在P-n结上是由结上是由n区指向区指向P区，故与区，故与外电压产生电流方向相反。如以光电流外电压产生电流方向相反。如以光电流 方向为电流正方向，则：方向为电
7、流正方向，则：第九页，讲稿共六十一页哦二、光电池二、光电池 光电池是根据光生伏特效应制成的将光能转光电池是根据光生伏特效应制成的将光能转换成电能的一种器件。换成电能的一种器件。PN结的光生伏特效应：结的光生伏特效应：当用适当波长的光照当用适当波长的光照射射PN结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向电子拉向n区，光生空穴拉向区，光生空穴拉向p区，相当于区，相当于PN结上加一结上加一个正电压。个正电压。半导体内部产生电动势（光生电压）；半导体内部产生电动势（光生电压）；如将如将PN结结短路，则会出现电流（光生电流）。短路，则会出现电流（光生电流
8、）。第十页，讲稿共六十一页哦1、光电池的结构特点、光电池的结构特点 光电池核心部分是一个光电池核心部分是一个PN结，一般作成面积大结，一般作成面积大的薄片状，来接收更多的入射光。的薄片状，来接收更多的入射光。在在N型硅片上扩散型硅片上扩散P型杂质（如硼），受光面型杂质（如硼），受光面是是P型层型层 或在或在P型硅片上扩散型硅片上扩散N型杂质（如磷），型杂质（如磷），受光面是受光面是N型层型层第十一页，讲稿共六十一页哦 受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和保护作用。用和保护作用。上电极做成栅状，便于更多的光入射。上电极做成栅状，便于更多的光入射。由于光子入
9、射深度有限，为使光照到由于光子入射深度有限，为使光照到PN结上结上，实际使用的光电池制成薄，实际使用的光电池制成薄P型或薄型或薄N型。型。第十二页，讲稿共六十一页哦第十三页，讲稿共六十一页哦2、光电池等效电路、光电池等效电路第十四页，讲稿共六十一页哦第十五页，讲稿共六十一页哦第十六页，讲稿共六十一页哦3、光电池的特性、光电池的特性 （1）伏安特性）伏安特性 无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导体二极管相同。体二极管相同。有光照时，沿电流轴方向平移，平移幅度与光照有光照时，沿电流轴方向平移，平移幅度与光照度成正比。度成正比。曲线与电压轴交点称为曲线与电压轴
10、交点称为开路电压开路电压VOC，与电流轴，与电流轴交点称为交点称为短路电流短路电流ISC。第十七页，讲稿共六十一页哦光电池伏安特性曲线光电池伏安特性曲线第十八页，讲稿共六十一页哦反向电流随光照度的增加而上升反向电流随光照度的增加而上升IU照度增加照度增加第十九页，讲稿共六十一页哦 （2）时间和频率响应时间和频率响应 硅光电池频率特性好硅光电池频率特性好 硒光电池频率特性差硒光电池频率特性差 硅光电池是目前使用最广泛的光电池硅光电池是目前使用最广泛的光电池 第二十页，讲稿共六十一页哦 要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻RL；光电池面积越大则响应时间越
11、大，因为光电池面积光电池面积越大则响应时间越大，因为光电池面积越大则结电容越大则结电容Cj越大，在给定负载时，时间常数就越大。越大，在给定负载时，时间常数就越大。故要求短的响应时间，必须选用小面积的光电池。故要求短的响应时间，必须选用小面积的光电池。第二十一页，讲稿共六十一页哦开路电压下降大约开路电压下降大约 2 2 3mV/3mV/度度短路电流上升大约短路电流上升大约 10 10-5-5 1010-3-3mA/mA/度度 （3 3）温度特性温度特性 随着温度的上升，硅光电池的光谱响应向长波方向移动，随着温度的上升，硅光电池的光谱响应向长波方向移动，开路电压下降，短路电流上升。光电池做探测器件
12、时，测量开路电压下降，短路电流上升。光电池做探测器件时，测量仪器应考虑温度的漂移，要进行补偿。仪器应考虑温度的漂移，要进行补偿。第二十二页，讲稿共六十一页哦（4 4）光谱响应度）光谱响应度 硅光电池：硅光电池：响应波长响应波长0.4-1.10.4-1.1微米，微米，峰值波长峰值波长0.8-0.90.8-0.9微米。微米。硒光电池：硒光电池：响应波长响应波长0.34-0.750.34-0.75微米，微米，峰值波长峰值波长0.540.54微米。微米。第二十三页，讲稿共六十一页哦（5）光电池的光照特性）光电池的光照特性 连接方式：开路电压输出连接方式：开路电压输出-(a)短路电流输出短路电流输出-(
13、b)光光电电池池在在不不同同的的光光强强照照射射下下可可产产生生不不同同的的光电流和光生电动势。光电流和光生电动势。第二十四页，讲稿共六十一页哦短路电流在很大范围内与光强成线性短路电流在很大范围内与光强成线性关系。关系。开路电压随光强变化是非线性的，并开路电压随光强变化是非线性的，并且当照度在且当照度在2000lx时趋于饱和。时趋于饱和。光照特性光照特性-开路电压输出：开路电压输出：非线性非线性(电压电压-光强光强)，灵，灵敏度高敏度高 短路电流输出：短路电流输出：线性好线性好(电流电流-光强光强)，灵敏度低灵敏度低第二十五页，讲稿共六十一页哦 开关测量开关测量（开路电压输出）。（开路电压输出
14、）。线性检测线性检测（短路电流输出）（短路电流输出）第二十六页，讲稿共六十一页哦 随着负载随着负载RL的增大，线性范围将越来越小。的增大，线性范围将越来越小。因此，在要求输出电流与光照度成线性关系时，因此，在要求输出电流与光照度成线性关系时，负载电阻在条件许可的情况下越小越好，并限制负载电阻在条件许可的情况下越小越好，并限制在适当的光照范围内使用。在适当的光照范围内使用。第二十七页，讲稿共六十一页哦4、光电池的应用、光电池的应用 （1）光电探测器件光电探测器件 利用光电池做探测器有频率响应高，光电流利用光电池做探测器有频率响应高，光电流随光照度线性变化等特点。随光照度线性变化等特点。（2）将太
15、阳能转化为电能）将太阳能转化为电能 实际应用中，把硅光电池经串联、并联组成实际应用中，把硅光电池经串联、并联组成电池组。电池组。第二十八页，讲稿共六十一页哦硅太阳能电池硅太阳能电池 硅太阳能电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅硅太阳能电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池。太阳能电池、非晶硅太阳能电池。单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率为率为23%,23%,而规模生产的单晶硅太阳能电池而规模生产的单晶硅太阳能电池,其效率为其效率为15%15%。多晶硅半导体材料的价格比较低廉多晶硅半导体材料的价格比较低廉,但是由于它但是由于它存在着较
16、多的晶粒间界而有较多的弱点。多晶硅太阳存在着较多的晶粒间界而有较多的弱点。多晶硅太阳能电池的实验室最高转换效率为能电池的实验室最高转换效率为18%,18%,工业规模生产工业规模生产的转换效率为的转换效率为10%10%。第二十九页，讲稿共六十一页哦非晶硅太阳能电池非晶硅太阳能电池 非晶硅薄膜太阳能电池组件的制造采用薄膜工艺非晶硅薄膜太阳能电池组件的制造采用薄膜工艺,具有较多的优点具有较多的优点,例如例如:沉积温度低、衬底材料价格较低沉积温度低、衬底材料价格较低廉廉,能够实现大面积沉积。能够实现大面积沉积。非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大,是单晶硅是单晶硅的的40倍
17、倍,1微米厚的非晶硅薄膜微米厚的非晶硅薄膜,可以吸引大约可以吸引大约90%有用有用的太阳光能。的太阳光能。非晶硅太阳能电池的稳定性较差非晶硅太阳能电池的稳定性较差,从而影响了它从而影响了它的迅速发展的迅速发展。第三十页，讲稿共六十一页哦化合物太阳能电池化合物太阳能电池 三五族化合物电池和二六族化合物电池。三五族化合物电池和二六族化合物电池。三五族化合物电池主要有三五族化合物电池主要有GaAs电池、电池、InP电池、电池、GaSb电池等电池等;二六族化合物电池主要有二六族化合物电池主要有CaS/CuInSe电池、电池、CaS/CdTe电池等。电池等。在三五族化合物太阳能电池中在三五族化合物太阳能
18、电池中,GaAs电池的转换电池的转换效率最高效率最高,可达可达28%;第三十一页，讲稿共六十一页哦GaAs 化合物太阳能电池化合物太阳能电池Ga是其它产品的副产品是其它产品的副产品,非常稀少珍贵非常稀少珍贵;As 不是稀有不是稀有元素元素,有毒。有毒。GaAs化合物材料尤其适用于制造高效电池和多结电池化合物材料尤其适用于制造高效电池和多结电池,这是由于这是由于GaAs具有十分理想的光学带隙以及较高的吸具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率。收效率。GaAs 化合物太阳能电池虽然具有诸多优点化合物太阳能电池虽然具有诸多优点,但是但是GaAs材料的价格不菲材料的价格不菲,因而在很大程度上限制了用
19、因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。电池的普及。第三十二页，讲稿共六十一页哦太阳能太阳能 太阳能特点：太阳能特点：无枯竭危险；无枯竭危险；绝对干净；绝对干净；不受资源分布地不受资源分布地域的限制；域的限制；可在用电处就近发电；可在用电处就近发电；能源质量高；能源质量高；使用者从感情上容易接受；使用者从感情上容易接受；获取能源花费的获取能源花费的时间短。时间短。要使太阳能发电真正达到实用水平，一是要提高要使太阳能发电真正达到实用水平，一是要提高太阳能光电变换效率并降低成本；二是要实现太阳能太阳能光电变换效率并降低成本；二是要实现太阳能发电同现在的电网联网。发电同现在的电网联网。第三十三页
20、，讲稿共六十一页哦三、光敏二极管三、光敏二极管 光敏二极管与普通二极管一样有一个光敏二极管与普通二极管一样有一个PN结，属于单结，属于单向导电性的非线形元件。外形不同之处是在光电二极向导电性的非线形元件。外形不同之处是在光电二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，实现管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，实现光电转换。光电转换。为了获得尽可能大的光生电流，需要较大的工作面，为了获得尽可能大的光生电流，需要较大的工作面，即即PN结面积比普通二极管大得多，以扩散层作为它的受光结面积比普通二极管大得多，以扩散层作为它的受光面。面。为了提高光电转换能力，为了提高光电转换能力，PN结的深度较普
21、通二极管结的深度较普通二极管浅。浅。1、光敏二极管结构、光敏二极管结构第三十四页，讲稿共六十一页哦2 2、光电二极管（光敏二极管）符号、光电二极管（光敏二极管）符号光敏二极管符号光敏二极管符号 光敏二极管接法光敏二极管接法 第三十五页，讲稿共六十一页哦3、光敏二极管的偏置、光敏二极管的偏置 （1）可以不加偏压，与光电池不同，光敏）可以不加偏压，与光电池不同，光敏二极管一般在负偏压情况下使用。二极管一般在负偏压情况下使用。（2）大反偏压的施加，增加了耗尽层的宽度和）大反偏压的施加，增加了耗尽层的宽度和结电场，电子结电场，电子空穴在耗尽层复合机会少，提高了光空穴在耗尽层复合机会少，提高了光敏二极管
22、的灵敏度。敏二极管的灵敏度。（3）增加了耗尽层的宽度，结电容减小，）增加了耗尽层的宽度，结电容减小，提高器件的频响特性。提高器件的频响特性。但是，为了提高灵敏度及频响特性，却不能无但是，为了提高灵敏度及频响特性，却不能无限地加大反向偏压，因为它还受到限地加大反向偏压，因为它还受到PN结反向击穿电结反向击穿电压等因素的限制。压等因素的限制。第三十六页，讲稿共六十一页哦 光敏二极管体积光敏二极管体积小，灵敏度高，响应时小，灵敏度高，响应时间短，光谱响应在可见间短，光谱响应在可见到近红外区中，光电检到近红外区中，光电检测中应用多。测中应用多。扩散型扩散型P-i-N硅光硅光敏二极管和雪崩光敏二敏二极管
23、和雪崩光敏二极管极管扩散型扩散型P-i-N硅光敏二极管硅光敏二极管第三十七页，讲稿共六十一页哦 选择一定厚度的选择一定厚度的i层，具有高速响应特性。层，具有高速响应特性。i层所起的作用层所起的作用:(1)为了取得较大的为了取得较大的PN结击穿电压，必须选择高电阻结击穿电压，必须选择高电阻率的基体材料，这样势必增加了串联电阻，使时间常数率的基体材料，这样势必增加了串联电阻，使时间常数增大，影响管子的频率响应。增大，影响管子的频率响应。而而i层的存在，使击穿电压不再受到基体材料的限制，层的存在，使击穿电压不再受到基体材料的限制，从而可选择低电阻率的基体材料。这样不但提高了击穿电从而可选择低电阻率的
24、基体材料。这样不但提高了击穿电压，还减少了串联电阻和时间常数。压，还减少了串联电阻和时间常数。(2)反偏下，耗尽层较无反偏下，耗尽层较无i层时要大得多，从而使结层时要大得多，从而使结电容下降，提高了频率响应。电容下降，提高了频率响应。四、扩散型四、扩散型PIN硅光敏二极管硅光敏二极管第三十八页，讲稿共六十一页哦PIN管的最大特点是管的最大特点是 频带宽，可达频带宽，可达10GHz。另一特点是线性输出范围宽。另一特点是线性输出范围宽。缺点缺点:由于由于I层的存在，管子的输出电流小，层的存在，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。第三十九页，讲稿共六十一页哦五、
25、雪崩光敏二极管五、雪崩光敏二极管 1.工作原理工作原理 由于存在因碰撞电离引起的内增益机理由于存在因碰撞电离引起的内增益机理，雪崩管具有高的增益带宽乘积和极快的，雪崩管具有高的增益带宽乘积和极快的时间响应特性。时间响应特性。通过一定的工艺可以使它在通过一定的工艺可以使它在1.06微米波微米波长处的量子效率达到长处的量子效率达到30，非常适于可见，非常适于可见光及近红外区域的应用。光及近红外区域的应用。第四十页，讲稿共六十一页哦 当光敏二极管的当光敏二极管的PN结上加相当大的反向偏压时，结上加相当大的反向偏压时，在结区产生一个很高的电场，使进入场区的光生载在结区产生一个很高的电场，使进入场区的光
26、生载流子获得足够的能量，通过碰撞使晶格原子电离，流子获得足够的能量，通过碰撞使晶格原子电离，而产生新的电子而产生新的电子空穴对。空穴对。新的电子新的电子空穴对在强电场的作用下分别向相空穴对在强电场的作用下分别向相反方向运动在运动过程中，又有可能与原子碰撞反方向运动在运动过程中，又有可能与原子碰撞再一次产生电子再一次产生电子空穴对。空穴对。只要电场足够强，此过程就将继续下去，达只要电场足够强，此过程就将继续下去，达到载流子的雪崩倍增。通常，雪崩光敏二极管的到载流子的雪崩倍增。通常，雪崩光敏二极管的反向工作偏压略低于击穿电压。反向工作偏压略低于击穿电压。第四十一页，讲稿共六十一页哦雪崩光电二极管的
27、雪崩光电二极管的倍增电流、噪声与偏压的关系曲线倍增电流、噪声与偏压的关系曲线第四十二页，讲稿共六十一页哦 在偏置电压较低时的在偏置电压较低时的A点以左，不发生雪崩过点以左，不发生雪崩过程；随着偏压的逐渐升高，倍增电流逐渐增加。从程；随着偏压的逐渐升高，倍增电流逐渐增加。从B点到点到c点增加很快，属于雪崩倍增区；偏压再继续增大，点增加很快，属于雪崩倍增区；偏压再继续增大，将发生雪崩击穿；同时噪声也显著增加，如图中将发生雪崩击穿；同时噪声也显著增加，如图中c点以点以右的区域。因此，最佳的偏压工作区是右的区域。因此，最佳的偏压工作区是c点以左，否点以左，否则进入雪崩击穿区烧坏管子。则进入雪崩击穿区烧
28、坏管子。由于击穿电压会随温度漂移，必须根据环境温由于击穿电压会随温度漂移，必须根据环境温度变化相应调整工作电压。度变化相应调整工作电压。第四十三页，讲稿共六十一页哦 2.雪崩光电二极管特点雪崩光电二极管特点 雪崩光电二极管具有电流增益大，灵敏度高，频率雪崩光电二极管具有电流增益大，灵敏度高，频率响应快，带宽可达响应快，带宽可达100GHz。是目前响应最快的一种光敏二。是目前响应最快的一种光敏二极管。极管。不需要后续庞大的放大电路等特点。因此它在微弱辐射信号不需要后续庞大的放大电路等特点。因此它在微弱辐射信号的探测方向被广泛地应用。的探测方向被广泛地应用。在设计雪崩光敏二极管时，要保证载流子在整
29、个光在设计雪崩光敏二极管时，要保证载流子在整个光敏区的均匀倍增，这就需要选择无缺陷的材料，必须保敏区的均匀倍增，这就需要选择无缺陷的材料，必须保持更高的工艺和保证结面的平整。持更高的工艺和保证结面的平整。其缺点是工艺要求高，稳定性差，受温度影响大。其缺点是工艺要求高，稳定性差，受温度影响大。第四十四页，讲稿共六十一页哦 3.雪崩光电二极管与光电倍增管比较雪崩光电二极管与光电倍增管比较体积小结构紧凑工作电压低使用方便但其暗电流比光电倍增管的暗电流大，相应的噪声也较大故光电倍增管更适宜于弱光探测第四十五页，讲稿共六十一页哦六、光敏二极管阵列六、光敏二极管阵列 将将光光敏敏二二极极管管以以线线列列或
30、或面面阵阵形形式式集集合合在在一一起起，用用来来同同时时探探测测被被测测物物体体各各部部位位提提供供的的不不同同光光信信息息，并并将将这这些些信信息息转转换换为为电电信信号号的的器件。器件。第四十六页，讲稿共六十一页哦七、象限探测器七、象限探测器 象象限限探探测测器器有有二二象象限限和和四四象象限限探探测测器器，又又分分光光电电二二极极管管象象限限探探测测器器和和硅硅光光电电池池象象限限探探测测器。器。象象限限探探测测器器是是在在同同一一块块芯芯片片上上制制成成两两或或四四个个探探测测器器，中中间间有有沟沟道道将将它它们们隔隔开开，因因而而这这两两或四个探测器有完全相同性能参数。或四个探测器有
31、完全相同性能参数。当当被被测测体体位位置置发发生生变变化化时时，来来自自目目标标的的辐辐射射量量使使象象限限间间产产生生差差异异，这这种种差差异异会会引引起起象象限限间间信信号号输输出出变变化化，从从而而确确定定目目标标方方位位，同同时时可可起起制制导导、跟踪、搜索、定位等作用。跟踪、搜索、定位等作用。第四十七页，讲稿共六十一页哦八、光敏三极管（光电三极管）八、光敏三极管（光电三极管）光光电电三极管是由光三极管是由光电电二极管和一个晶体三极二极管和一个晶体三极管构成管构成，相当于在晶体三极管的基极和集电极间并，相当于在晶体三极管的基极和集电极间并联一个光电二极管。联一个光电二极管。同光电二极管
32、一样，光电三极管外壳也有同光电二极管一样，光电三极管外壳也有一个透明窗口，以接收光线照射。一个透明窗口，以接收光线照射。日前用得日前用得较较多的是多的是NPNNPN和和PNPPNP两种平面硅光两种平面硅光电电三极管三极管。第四十八页，讲稿共六十一页哦1、NPN光电三极管结构原理简图光电三极管结构原理简图第四十九页，讲稿共六十一页哦2、光电三极管工作原理、光电三极管工作原理 NPN光电三极管（光电三极管（3DU型），使用时光电二极型），使用时光电二极管的发射极接电源负极，集电极接电源正极。管的发射极接电源负极，集电极接电源正极。光电三极管不受光时，相当于普通三极管基极开光电三极管不受光时，相当于
33、普通三极管基极开路的状态。集电结路的状态。集电结(基基集结集结)处于反向偏置，基极电处于反向偏置，基极电流等于流等于0，因而集电极电流很小，为光电三极管的，因而集电极电流很小，为光电三极管的暗电流。暗电流。当光子入射到集电结时，就会被吸收而产生电子当光子入射到集电结时，就会被吸收而产生电子空穴对，处于反向偏置的集电结内建电场使电子空穴对，处于反向偏置的集电结内建电场使电子漂移到集电极，空穴漂移到基极，形成光生电压，漂移到集电极，空穴漂移到基极，形成光生电压，基极电位升高。基极电位升高。第五十页，讲稿共六十一页哦发射结发射结发射结发射结集电结集电结集电结集电结B BE EC CN NN NP P
34、基极基极基极基极发射极发射极发射极发射极集电极集电极集电极集电极第五十一页，讲稿共六十一页哦 如同普通三极管的发射结如同普通三极管的发射结(基基发结发结)加上了正向偏置，当基极没有引线时，加上了正向偏置，当基极没有引线时，集电极电流就等于发射极电流。集电极电流就等于发射极电流。这样晶体三极管起到电流放大的作这样晶体三极管起到电流放大的作用。用。由于光敏三极管基极电流是由光电由于光敏三极管基极电流是由光电流供给，因此一般基极不需外接点，流供给，因此一般基极不需外接点，所所以通常只有集电极和发射极两个引脚线。以通常只有集电极和发射极两个引脚线。第五十二页，讲稿共六十一页哦 光光电电三极管与光三极管
35、与光电电二极管相比，具有二极管相比，具有较较高的高的输输出光出光电电流，但流，但线线性性差。差。线线性差性差主要是由电流放大倍数主要是由电流放大倍数 的非线性所致的非线性所致 在大照度时，光敏三极管不能作线性转换元件，但可以作开关元在大照度时，光敏三极管不能作线性转换元件，但可以作开关元件使用。件使用。光电三极管的光照特性3、光电三极管特性、光电三极管特性第五十三页，讲稿共六十一页哦（1）光敏三极管的伏安特性）光敏三极管的伏安特性 硅硅光光电电三三极极管管的的光光电电流流在在毫毫安安量量级级，硅硅光光电电二二极极管管的光电流在微安量级。的光电流在微安量级。在在零零偏偏压压时时硅硅光光电电三三极
36、极管管没没有有光光电电流流输输出出，但但硅硅光光电二极管有光电流输出。电二极管有光电流输出。工工作作电电压压较较低低时时输输出出电电流流有有非非线线性性，硅硅光光电电三三极极管管的的非线性更严重。（因为放大倍数与工作电压有关）。非线性更严重。（因为放大倍数与工作电压有关）。在在一一定定的的偏偏压压下下，硅硅光光电电三三极极管管的的伏伏安安曲曲线线在在低低照照度度时时间隔间隔 较均匀，在高照度时曲线越来越密。较均匀，在高照度时曲线越来越密。第五十四页，讲稿共六十一页哦硅光电三极管硅光电三极管硅光电二极管硅光电二极管第五十五页，讲稿共六十一页哦 （2）光敏三极管的温度特性）光敏三极管的温度特性 温
37、度特性反映了光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。温度特性反映了光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。温温度度变变化化对对光光电电流流和和暗暗电电流流都都有有影影响响，对对暗暗电电流流的的影影响响更更大大。精精密密测量时，应采取温度补偿措施，否则将会导致输出误差。测量时，应采取温度补偿措施，否则将会导致输出误差。光光电电三极管三极管的光电流和的光电流和暗电流受温度影响比暗电流受温度影响比光光电电二极管二极管大得多。大得多。第五十六页，讲稿共六十一页哦 （3）光敏三极管的（调制）频率特性）光敏三极管的（调制）频率特性 光光敏敏三三极极管管的的频频率率特特性性受受负负载载电电阻阻的的影影响响，
38、减减小小负负载载电电阻阻可以提高频率响应。可以提高频率响应。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。对对于于锗锗管管，入入射射光光的的调调制制频频率率要要求求在在5000Hz以以下下，硅硅管管的的频频率率响应要比锗管好。响应要比锗管好。第五十七页，讲稿共六十一页哦九、光电耦合器件九、光电耦合器件 1、定义：、定义：发光器件与光接受器件的组合器件。发光器件与光接受器件的组合器件。2、类型：、类型：光电耦合隔离器：在电路之间传递信息，又光电耦合隔离器：在电路之间传递信息，又能实现电路间的电气隔离和消除噪声。能实现电路间的电气隔离和消除噪声。光传感
39、器：用于检测物体的位置或物体有无的光传感器：用于检测物体的位置或物体有无的状态。状态。3、发光器件：、发光器件：LED、LD灯等灯等4、光接受器件：、光接受器件：光电二极管三极管，光电池，光敏电阻。光电二极管三极管，光电池，光敏电阻。第五十八页，讲稿共六十一页哦5、工作原理与特点、工作原理与特点 （1）发光器件与光接受器件封装一体，但不接触，有很）发光器件与光接受器件封装一体，但不接触，有很强的电气绝缘性，信号通过光传输。强的电气绝缘性，信号通过光传输。（2）特点：）特点：具有电隔离（具有电隔离（欧姆）功能；欧姆）功能；信号传输单向（脉冲或直流），适用于模拟数字信号；信号传输单向（脉冲或直流）
40、，适用于模拟数字信号；具有抗干扰和噪声能力；具有抗干扰和噪声能力；响应速度快（微纳秒，直流兆赫兹），体积小，寿响应速度快（微纳秒，直流兆赫兹），体积小，寿命长，使用方便；命长，使用方便；既有耦合特性，又有隔离功能；既有耦合特性，又有隔离功能；第五十九页，讲稿共六十一页哦6、光电耦合器件的应用 代替脉冲变压器耦合从零到几兆赫兹的信号，失真小；代替继电器使用，做光电开关用；把不同电位的两组电路互连，完成电平匹配和电平转移；作为计算机主机与输入输出端的接口，大大提高计算机的可靠性；在稳压电源中作为过流保护器件，简单可靠。第六十页，讲稿共六十一页哦2022/9/29感谢大家观看第六十一页，讲稿共六十一页哦