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1、光敏二极管 3.4.1 光敏二极管光敏二极管 1.结构原理结构原理 光敏二极管的结构与一般二极管相似。它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射（见图8-7）。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态（见图8-8），在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为暗电流，当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，它们在PN结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。因此光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。1ppt课件光敏二极管 图 8-7 光敏二极管结构简图和符号 2ppt课件光
2、敏二极管 处于反向偏置状态，处于反向偏置状态，处于反向偏置状态，处于反向偏置状态，无光照，其反向电阻很大，反向电流（暗电流）很小。无光照，其反向电阻很大，反向电流（暗电流）很小。无光照，其反向电阻很大，反向电流（暗电流）很小。无光照，其反向电阻很大，反向电流（暗电流）很小。有光照，有光照，有光照，有光照，PNPN结电子结电子结电子结电子-空穴对，参与导电（反向电压作用），空穴对，参与导电（反向电压作用），空穴对，参与导电（反向电压作用），空穴对，参与导电（反向电压作用），大得多的反向电流（光电流）。光电流与光照强度成正比。大得多的反向电流（光电流）。光电流与光照强度成正比。大得多的反向电流（光
3、电流）。光电流与光照强度成正比。大得多的反向电流（光电流）。光电流与光照强度成正比。外电路接上负载，便可获得随光照强弱变化的电信号。外电路接上负载，便可获得随光照强弱变化的电信号。外电路接上负载，便可获得随光照强弱变化的电信号。外电路接上负载，便可获得随光照强弱变化的电信号。3ppt课件光敏二极管 图 8-8 光敏二极管接线图 4ppt课件光敏二极管 5ppt课件光敏二极管 2 光敏二极管的基本特性光照特性光照特性光谱特性光谱特性伏安特性伏安特性光照特性光照特性温度特性温度特性响应特性响应特性6ppt课件光敏二极管 图为硅光敏二极管的光电流图为硅光敏二极管的光电流I与照度与照度L的特性曲线。从
4、的特性曲线。从图中可以看出其光照特性线性较好。图中可以看出其光照特性线性较好。1、光照特性、光照特性 7ppt课件光敏二极管 2、光谱特性、光谱特性 图为锗光敏二极管的光谱响应曲线，从图中可以看出它图为锗光敏二极管的光谱响应曲线，从图中可以看出它的光谱响应长波限、短波限以及峰值响应波长。的光谱响应长波限、短波限以及峰值响应波长。8ppt课件光敏二极管 n光敏二极管的伏安特性的环境条件：环境照度不变。在无偏压时，光敏二极管仍有光电流输出。（光电效应性质）。3.伏安特性伏安特性9ppt课件光敏二极管 4.温度特性温度特性图为光敏二极管在电压不变（图为光敏二极管在电压不变（50伏）和照度不变的情况下
5、，其光伏）和照度不变的情况下，其光电流电流I随温度随温度T的变化。的变化。10ppt课件光敏二极管 5.暗电流暗电流 图中曲线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。硅器件的暗电流及其温度系数都比锗器件要小，因此对锗器件要适当的温度补偿。11ppt课件光敏二极管 6.频率特性频率特性光敏二极管的频率特性较好。主要决定于光生载流子的渡越时间、负载电阻和结电容的乘积。其频率响应可以近似的用图所示的交流等效电路来计算其频率响应可以近似的用图所示的交流等效电路来计算对于调制频率=2 f 的入射光，输出电压Vo可表示为：RLIPCjRLVo=IPRL1+(CjRL)21/2=Cj RL可以
6、计算出光敏二极管的上限频率：12ppt课件光敏二极管 频率特性：频率特性：负载电阻越大，频率响应越差负载电阻越大，频率响应越差 入射波长越长，频率响应越差入射波长越长，频率响应越差13ppt课件光敏二极管 三电路三电路图是光敏二极管的输出电路和等效电路。图(a)和图(b)的差别是输出电压U是反向的。因为i=S,由图(c)可知，uL=iRL=S RL 14ppt课件光敏二极管 1.1.光电路灯控制电路光电路灯控制电路从图可知，在无光射时，光敏二极管（反向）截止，电阻R1上的压降VA很小，则晶体管T1截止，T2截止，继电器J不动作，路灯保持亮。有光照射时，光敏管产生光电流IL，R1电压下降，VA上
7、升，光强达到某一值时T1导通，T2导通，J动作常闭端打开，使路灯灭。即白天灯灭，晚上灯亮，起到了自动控制的作用。15ppt课件光敏二极管 2.光强测量电路图由稳压管、光敏二极管和电桥组成的测量电路。无光照时，VA很大，FET导通，调整RW，使电桥平衡，即指针为0。有光照时，光敏管产生IL，A点电位VA下降，R2上电流下降，VB减小；光照不同，IL不同，VA不同，R2上压降不同，光强可以通过电流计读数显示出来。16ppt课件光敏二极管 便携式照度计电路 便携式照度计电路如图2.8所示。其中，光电传感器TFA1001W是将光敏二极管与放大器Rf集成在一起，使输出为线性，灵敏度为5A/lx。此电路采
8、用9V电池供电，接200负载电阻，可获得的输出电压为17S S S S1 1 1 1TFA1001WTFA1001WTFA1001WTFA1001W光电集成传感器灵敏度；光电集成传感器灵敏度；光电集成传感器灵敏度；光电集成传感器灵敏度；光照灵敏度。光照灵敏度。光照灵敏度。光照灵敏度。17ppt课件光敏二极管 四四PIN管（快速光敏二极管）管（快速光敏二极管）这种管子的最大特点是频带宽、线性输出范这种管子的最大特点是频带宽、线性输出范围宽。缺点是输出电流小，一般多为零点几围宽。缺点是输出电流小，一般多为零点几微安至数微安微安至数微安。光敏二极管中PN结光生电流主要由耗尽层电子空穴在外加电场与内电
9、场的作用下的漂移运动形成的。因电场主要分布在耗尽区，所以耗尽区的载流子漂移运动速度很快，而在扩散区，由于场的分布为零，因此载流子的扩散运动速度很慢。这就影响了光电检测器件的响应速度的提高。将将N层做成轻掺杂，使耗尽区变宽或变厚。这种掺杂很轻的层做成轻掺杂，使耗尽区变宽或变厚。这种掺杂很轻的N层层,称作本称作本征征I层；另外，为了制成低电阻的接触，在层；另外，为了制成低电阻的接触，在I层的两端再做成重掺杂的层的两端再做成重掺杂的P层和层和N层，并且层，并且它们的宽度很窄，或厚度很薄。它们的宽度很窄，或厚度很薄。18ppt课件光敏二极管 五五APDPIN管的缺点：耗尽区加宽但反向偏压又不能很高，故载流子的漂移时间要拉长 其光电流很微弱，使用时要多次放大，这要引进放大器的噪声因此为了克服PIN管的缺点，首先使光电流在内部先进行放大。APD的工作原理：在加很高的反向偏压后，P-N结内形成了很强的电场区。光照后初始载流子在强电场下获得很大的动能，因此在其高速运动过程中要与晶体中的晶格发生碰撞作用，于是产生新的电子-空穴对。经过多次碰撞电离后，便使载流子迅速增加，从而反向电流也迅速增大形成雪崩倍增效应。19ppt课件