光敏二極管和光敏三極管

1、Chapter 3:光纖傳感系統(tǒng)中的光器件-active 1: Erbium ASE light source 2: Fiber laser 3：LED, LD 4: Photo detector 用途：傳感系統(tǒng)的光源一些氣體的特征吸收譜線 1: Erbium ASE light source980/1480nm泵浦光源WDM濾波器ED光纖分束器光源模塊光學濾波器放大器信號處理接收模塊 EDF ASE光源的結構及器件選擇 EDFWDM反向ASE輸出正向泵浦正向ASE輸出殘余泵浦圖7.1 EDF ASE光源的基本構成隔離器隔離器 EDF ASE光源的輸出特性 圖7.2 前向輸出ASE與泵浦功率的

2、關系 圖7.3 后向輸出ASE與泵浦功率的關系 圖7.4 反射鏡對前向ASE輸出的增強作用 圖7.5 反射鏡對后向ASE輸出的增強作用 2: Fiber laser用途：A、作為DTS的光源，可調諧的FL作為FBG的解調光源。DBR后反射鏡 相位 增益光輸出控制電路/波長監(jiān)測分束器耦合器耦合器耦合器探測器信號處理B: 本身就是傳感器，如 DFB-FLConstruction & working principleEnergy transferUpconversion pumpDouble cladding pump光纖激光器的組成光纖激光器的性能指標： 3：LED, LD用途1：直接作

3、為傳感器的光源用途2：LD可作為ASE、FL的泵浦EDFWDM反向ASE輸出正向泵浦正向ASE輸出殘余泵浦隔離器隔離器問題：用LD泵浦比其他光源泵浦有何優(yōu)點？發(fā)光機理： (a) 直接帶隙半導體直接帶隙半導體 ( b) 間接帶隙半導體間接帶隙半導體波爾茲曼分布粒子數(shù)反轉器件的外形：ELED的結構SLED的結構注入電流有源區(qū)解理面解理面L增益介質R1R2z=0z=L832 830 828 826 824832 830 828 826 824832 830 828 826 824驅動電流增大 LED的數(shù)字調制(a)及模擬調制( b)問題：固體激光器如何調制？光源非線性諧波的產生FP-LD的增益曲線(

4、a)腔模(b)及輸出的縱模(c)LD的多模(a)及單模(b)輸出譜商用產品的數(shù)據(jù)表單LD、LED與光纖的耦合 在光發(fā)射機中，光源發(fā)出的光信號要送入光纖中去，這就涉及到光源與光纖的耦合問題，如下圖。光源與光纖的耦合效率與光源的類型和光纖的類型有關。 一般說來，LD與單模光纖的耦合效率可以達到30%50%，LED與單模光纖的耦合效率非常低，只有百分之幾甚至更小。光源與光纖耦合示意圖 影響耦合效率的主要因素是光源的發(fā)散角和光纖的數(shù)值孔徑。發(fā)散角大，耦合效率低；數(shù)值孔徑大，耦合效率高。此外，光源發(fā)光面和光纖端面的尺寸、形狀及兩者之間的距離都會影響到耦合效率。 光源與光纖的耦合一般采用兩種方法，即直接耦

5、合與透鏡耦合。 直接耦合是將光纖端面直接對準光源發(fā)光面進行耦合的方法。當光源發(fā)光面積大于纖芯面積時，這是一種有效的方法。這種直接耦合的方法結構簡單，但耦合效率低。 當光源發(fā)光面積小于纖芯面積時，可在光源與光纖之間放置透鏡，使更多的發(fā)散光線會聚進入光纖來提高耦合效率，如下圖。50 m2 m20 m0.7 m光纖球端P電極微透鏡InP透鏡N-InP襯底(a)(b)(c)面發(fā)光二極管與光纖的透鏡耦合(a) 光纖端部做成球透鏡、 (b) 采用截頭透鏡、 4.31(c)采用集成微透鏡 對于發(fā)散光束非對稱的邊發(fā)光二極管和半導體激光器可以利用圓柱透鏡的方法，如下圖 (a)、(b)所示。 或者利用大數(shù)值孔徑的

6、自聚焦透鏡（GRIN），其耦合效率可以提高到60%，甚至更高。 單模光纖和半導體激光器的耦合可以采用如下圖 (c)所示自聚焦透鏡或者在光纖端面用電弧放電形成半球透鏡的方法。光源柱透鏡光纖(a)光源柱透鏡球面透鏡光纖(b)光源自聚焦透鏡光纖(c)光源與光纖的透鏡耦合利用物質在光的照射下電導性能改變或產生電動勢的光電器件光電探測器，常見的有光敏電阻、光電池和光敏晶體管等。一、光敏電阻 光敏電阻又稱光導管，為純電阻元件，其工作原理是基于光電導效應，其阻值隨光照增強而減小。優(yōu)點：靈敏度高，光譜響應范圍寬，體積小、重量輕、機械強度高，耐沖擊、耐振動、抗過載能力強和壽命長等。不足：需要外部電源，有電流時會

7、發(fā)熱。 4、光電探測器1. 1. 光敏電阻的工作原理和結構光敏電阻的工作原理和結構 當光照射到光電導體上時，若光電導體為本征半導體材料，而且光輻射能量又足夠強，光導材料價帶上的電子將激發(fā)到導帶上去，從而使導帶的電子和價帶的空穴增加，致使光導體的電導率變大。為實現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光導體材料的禁帶寬度Eg，即 h= = Eg(eV) 式中和入射光的頻率和波長。 一種光電導體，存在一個照射光的波長限C，只有波長小于C的光照射在光電導體上，才能產生電子在能級間的躍遷，從而使光電導體電導率增加。ch24.1 光敏電阻的結構如圖所示。管芯是一塊安裝在絕緣襯底上帶有兩個歐姆接觸電極的光電導體

8、。光導體吸收光子而產生的光電效應，只限于光照的表面薄層，雖然產生的載流子也有少數(shù)擴散到內部去，但擴散深度有A金屬封裝的硫化鎘光敏電阻結構圖光導電材料絕緣襯低引線電極引線光電導體限，因此光電導體一般都做成薄層。為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極一般采用硫狀圖案，結構見下圖。1-光導層; 2-玻璃窗口; 3-金屬外殼; 4-電極;5-陶瓷基座; 6-黑色絕緣玻璃; 7-電阻引線。RG1234567(a)結構 (b)電極 (c)符號它是在一定的掩模下向光電導薄膜上蒸鍍金或銦等金屬形成的。這種硫狀電極，由于在間距很近的電極之間有可能采用大的靈敏面積，所以提高了光敏電阻的靈敏度。圖（c）是光敏電阻的代表

9、符號。CdS光敏電阻的結構和符號 光敏電阻的靈敏度易受濕度的影響，因此要將導光電導體嚴密封裝在玻璃殼體中。如果把光敏電阻連接到外電路中，在外加電壓的作用下，用光照射就能改變電路中電流的大小，其連線電路如圖所示。 光敏電阻具有很高的靈敏度，很好的光譜特性，光譜響應可從紫外區(qū)到紅外區(qū)范圍內。而且體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、價格便宜，因此應用比較廣泛。 RGRLEI2. 2. 光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性（1 1）暗電阻、亮電阻、光電流）暗電阻、亮電阻、光電流暗電流：光敏電阻在室溫條件下，全暗（無光照射）后經過一定時間測量的電阻值，稱為暗電阻。此時在給定電壓下流過的電流。亮

10、電流：光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻。此時流過的電流。光電流：亮電流與暗電流之差。 光敏電阻的暗電阻越大，而亮電阻越小則性能越好。也就是說，暗電流越小，光電流越大，這樣的光敏電阻的靈敏度越高。 實用的光敏電阻的暗電阻往往超過1M,甚至高達100M，而亮電阻則在幾k以下，暗電阻與亮電阻之比在102106之間，可見光敏電阻的靈敏度很高。 （2 2）光照特性）光照特性下圖表示CdS光敏電阻的光照特性。在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流和光通量之間的關系。不同類型光敏電阻光照特性不同，但光照特性曲線均呈非線性。因此它不宜作定量檢測元件，這是光敏電阻的不足之處。一般在自動控制系統(tǒng)中用作

11、光電開關。012345I/mA L/lx10002000（3 3）光譜特性）光譜特性 光譜特性與光敏電阻的材料有關。從圖中可知，硫化鉛光敏電阻在較寬的光譜范圍內均有較高的靈敏度，峰值在紅外區(qū)域；硫化鎘、硒化鎘的峰值在可見光區(qū)域。因此，在選用光敏電阻時，應把光敏電阻的材料和光源的種類結合起來考慮，才能獲得滿意的效果。204060801004080120160200240/m312相對靈敏度1硫化鎘2硒化鎘3硫化鉛（4） 伏安特性 在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關系稱為伏安特性。圖中曲線1、2分別表示照度為零及照度為某值時的伏安特性。由曲線可知，在給定偏壓下,光照度較大，光電流也

12、越大。在一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流越大，而且無飽和現(xiàn)5010015020012U/V02040象。但是電壓不能無限地增大，因為任何光敏電阻都受額定功率、最高工作電壓和額定電流的限制。超過最高工作電壓和最大額定電流，可能導致光敏電阻永久性損壞。I/ A（5）頻率特性當光敏電阻受到脈沖光照射時，光電流要經過一段時間才能達到穩(wěn)定值，而在停止光照后，光電流也不立刻為零，這就是光敏電阻的時延特性。由于不同材料的光敏，20406080100I / %f / Hz010102103104電阻時延特性不同，所以它們的頻率特性也不同，如圖。硫化鉛的使用頻率比硫化鎘高得多，但多數(shù)光敏電阻的時延都比較大

13、，所以，它不能用在要求快速響應的場合。硫化鉛硫化鎘（6）穩(wěn)定性 圖中曲線1、2分別表示兩種型號CdS光敏電阻的穩(wěn)定性。初制成的光敏電阻，由于體內機構工作不穩(wěn)定，以及電阻體與其介質的作用還沒有達到平衡，所以性能是不夠穩(wěn)定的。但在人為地加溫、光照及加負載情況下，經一至二周的老化，性能可達穩(wěn)定。光敏電阻在開始一段時間的老化過程中，有些樣品阻值上I / %408012016021T/h0400 800 1200 1600升，有些樣品阻值下降，但最后達到一個穩(wěn)定值后就不再變了。這就是光敏電阻的主要優(yōu)點。 光敏電阻的使用壽命在密封良好、使用合理的情況下，幾乎是無限長的。 （7）溫度特性其性能(靈敏度、暗電

14、阻)受溫度的影響較大。隨著溫度的升高，其暗電阻和靈敏度下降，光譜特性曲線的峰值向波長短的方向移動。硫化鎘的光電流I和溫度T的關系如圖所示。有時為了提高靈敏度，或為了能夠接收較長波段的輻射，將元件降溫使用。例如，可利用制冷器使光敏電阻的溫度降低。I / A100150200-50-1030 5010-30T / C2040608010001.02.03.04.0/mI/mA+20 C-20 C二、光電池二、光電池 光電池是利用光生伏特效應把光直接轉變成電能的器件。由于它可把太陽能直接變電能，因此又稱為太陽能電池。它是基于光生伏特效應制成的，是發(fā)電式有源元件。它有較大面積的PN結，當光照射在PN結

15、上時，在結的兩端出現(xiàn)電動勢。命名方式：把光電池的半導體材料的名稱冠于光電池(或太陽能電池)之前。如，硒光電池、砷化鎵光電池、硅光電池等。目前,應用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池。l硅光電池價格便宜，轉換效率高，壽命長，適于接受紅外光。l硒光電池光電轉換效率低(0.02)、壽命短，適于接收可見光(響應峰值波長0.56m)，最適宜制造照度計。l砷化鎵光電池轉換效率比硅光電池稍高，光譜響應特性則與太陽光譜最吻合。且工作溫度最高，更耐受宇宙射線的輻射。因此，它在宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測器等電源方面的應用是有發(fā)展前途的。光電池的示意圖硅光電池的結構如圖所示。它是在一塊N型硅片上用擴散的辦法摻入一些P型雜

16、質(如硼)形成PN結。當光照到PN結區(qū)時，如果光子能量足夠大，將在結區(qū)附近激發(fā)出電子- -空穴對，在N區(qū)聚積負電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差。若將PN結兩端用導線連起來，電路中有電流流過，電流的方向由P區(qū)流經外電路至N區(qū)。若將外電路斷開，就可測出光生電動勢。1. 1. 光電池的結構和工作原理光電池的結構和工作原理+光PNSiO2RL(a) 光電池的結構圖I光(b) 光電池的工作原理示意圖 P N光電池的表示符號、基本電路及等效電路如圖所示。IUIdUIRLI(a)(b)(c)圖4.3-17 光電池符號和基本工作電路L/klx L/klx 5432100.10.20.30.4

17、0.5246810開路電壓Uoc /V0.10.20.30.4 0.50.30.1012345Uoc/VIsc /mAIsc/mA(a) 硅光電池(b)硒光電池（1 1）光照特性）光照特性開路電壓曲線：光生電動勢與照度之間的特性曲線，當照度為2000lx時趨向飽和。短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線2. 基本特性開路電壓短路電流短路電流短路電流，指外接負載相對于光電池內阻而言是很小的。光電池在不同照度下，其內阻也不同，因而應選取適當?shù)耐饨迂撦d近似地滿足“短路”條件。 下圖表示硒光電池在不同負載電阻時的光照特性。從圖中可以看出，負載電阻RL越小，光電流與強度的線性關系越好，且線性范圍越寬。

18、02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx 50 10010005000RL=0204060801000.40.60.81.01.20.2I / %12/m(2) (2) 光譜特性光譜特性 光電池的光譜特性決定于材料。從曲線可看出，硒光電池在可見光譜范圍內有較高的靈敏度，峰值波長在540nm附近，適宜測可見光。硅光電池應用的范圍400nm1100nm，峰值波長在850nm附近，因此硅光電池可以在很寬的范圍內應用。1硒光電池2硅光電池(3) (3) 頻率特性頻率特性 光電池作為測量、計數(shù)、接收元件時常用調制光輸入。光電池的頻率響應就是指輸出電流隨調制光頻率變化的關系。由于光電

19、池PN結面積較大，極間電容大，故頻率特性較差。圖示為光電池的頻率響應曲線。由圖可知，硅光電池具有較高的頻率響應，如曲線2，而硒光電池則較差，如曲線1。204060801000I / %1234512f / kHz1硒光電池2硅光電池（4 4）溫度特性）溫度特性 光電池的溫度特性是指開路電壓和短路電流隨溫度變化的關系。由圖可見，開路電壓與短路電流均隨溫度而變化，它將關系到應用光電池的儀器設備的溫度漂移，影響到測量或控制精度等主要指標，因此，當光電池作為測量元件時，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補償措施。2004060904060UOC/ mVT / CISCUOCISC / A600400200

20、UOC開路電壓ISC 短路電流硅光電池在1000lx照度下的溫度特性曲線三、光敏二極管和光敏三極管三、光敏二極管和光敏三極管 光電二極管和光電池一樣，其基本結構也是一個PN結。它和光電池相比，重要的不同點是結面積小，因此它的頻率特性特別好。光生電勢與光電池相同，但輸出電流普遍比光電池小，一般為幾A到幾十A。按材料分，光電二極管有硅、砷化鎵、銻化銦光電二極管等許多種。按結構分，有同質結與異質結之分。其中最典型的是同質結硅光電二極管。 國產硅光電二極管按襯底材料的導電類型不同，分為2CU和2DU兩種系列。2CU系列以N-Si為襯底，2DU系列以P-Si為襯底。2CU系列的光電二極管只有兩條引線，而

21、2DU系列光電二極管有三條引線。 1. 光敏二極管光敏二極管符號如圖。鍺光敏二極管有A，B，C，D四類；硅光敏二極管有2CU1AD系列、2DU14系列。 光敏二極管的結構與一般二極管相似、它裝在透明玻璃外殼中，其PN結裝在管頂，可直接受到光照射。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)，如圖所示。PN光光敏二極管符號RL 光PN光敏二極管接線 光敏二極管在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小。反向電流也叫做暗電流當光照射時，光敏二極管的工作原理與光電池的工作原理很相似。當光不照射時，光敏二極管處于載止狀態(tài)，這時只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層形成微小的反向電流即暗電流；受光照射

22、時，PN結附近受光子轟擊，吸收其能量而產生電子- -空穴對，從而使P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，因此在外加反向偏壓和內電場的作用下， P區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進入N區(qū)， N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進入P區(qū)，從而使通過PN結的反向電流大為增加，這就形成了光電流。光敏二極管的光電流 I 與照度之間呈線性關系。光敏二極管的光照特性是線性的，所以適合檢測等方面的應用。（1 1） PINPIN管結光電二極管管結光電二極管 PIN管是光電二極管中的一種。它的結構特點是，在P型半導體和N型半導體之間夾著一層（相對）很厚的本征半導體。這樣，PN結的內電場就基本上全集中于 I 層中，從而使PN結雙電層的

23、間距加寬，結電容變小。 由式 = CjRL與 f = 1/2知，Cj小，則小，頻帶將變寬。 P-Si N-Si I-SiPIN管結構示意圖最大特點：頻帶寬，可達10GHz。另一個特點是，因為I層很厚，在反偏壓下運用可承受較高的反向電壓，線性輸出范圍寬。由耗盡層寬度與外加電壓的關系可知，增加反向偏壓會使耗盡層寬度增加，從而結電容要進一步減小，使頻帶寬度變寬。不足：I層電阻很大，管子的輸出電流小，一般多為零點幾微安至數(shù)微安。目前有將PIN管與前置運算放大器集成在同一硅片上并封裝于一個管殼內的商品出售。 （2 2） 雪崩光電二極管雪崩光電二極管(APD)(APD) 雪崩光電二極管是利用PN結在高反向

24、電壓下產生的雪崩效應來工作的一種二極管。 這種管子工作電壓很高，約100200V，接近于反向擊穿電壓。結區(qū)內電場極強，光生電子在這種強電場中可得到極大的加速，同時與晶格碰撞而產生電離雪崩反應。因此，這種管子有很高的內增益，可達到幾百。當電壓等于反向擊穿電壓時，電流增益可達106，即產生所謂的雪崩。這種管子響應速度特別快，帶寬可達100GHz，是目前響應速度最快的一種光電二極管。 噪聲大是這種管子目前的一個主要缺點。由于雪崩反應是隨機的，所以它的噪聲較大，特別是工作電壓接近或等于反向擊穿電壓時，噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以至無法使用。但由于APD的響應時間極短，靈敏度很高，它在光通信中應用前

25、景廣闊。 2. 光敏三極管光敏三極管有PNP型和NPN型兩種，如圖。其結構與一般三極管很相似，具有電流增益,只是它的發(fā)射極一邊做的很大,以擴大光的照射面積,且其基極不接引線。當集電極加上正電壓,基極開路時,集電極處于反向偏置狀態(tài)。當光線照射在集電結的基區(qū)時,會產生電子-空穴對,在內電場的作用下,光生電子被拉到集電極,基區(qū)留下空穴,使基極與發(fā)射極間的電壓升高,這樣便有大量的電子流向集電極,形成輸出電流,且集電極電流為光電流的倍。 PPNNNPe b bc RL Eec光敏三極管的主要特性：光敏三極管存在一個最佳靈敏度的峰值波長。當入射光的波長增加時，相對靈敏度要下降。因為光子能量太小，不足以激發(fā)

26、電子空穴對。當入射光的波長縮短時，相對靈敏度也下降，這是由于光子在半導體表面附近就被吸收，并且在表面激發(fā)的電子空穴對不能到達PN結，因而使相對靈敏度下降。（1 1）光譜特性）光譜特性相對靈敏度/%硅鍺入射光/40008000120001600010080604020 0硅的峰值波長為9000，鍺的峰值波長為15000。由于鍺管的暗電流比硅管大，因此鍺管的性能較差。故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般選用硅管；但對紅外線進行探測時,則采用鍺管較合適。0500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA24620406080光敏晶體管的伏安特性（2 2）伏安特性）伏安特性 光敏三極

27、管的伏安特性曲線如圖所示。光敏三極管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶體管在不同的基極電流時的輸出特性一樣。因此，只要將入射光照在發(fā)射極e與基極b之間的PN結附近，所產生的光電流看作基極電流，就可將光敏三極管看作一般的晶體管。光敏三極管能把光信號變成電信號，而且輸出的電信號較大。U/V光敏晶體管的光照特性I / AL/lx200400600800100001.02.03.0（3 3）光照特性）光照特性 光敏三極管的光照特性如圖所示。它給出了光敏三極管的輸出電流 I 和照度之間的關系。它們之間呈現(xiàn)了近似線性關系。當光照足夠大(幾klx)時，會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，從而使光敏三極管既可作線性轉換元件，也

28、可作開關元件。 暗電流/mA光電流/mA10 20 30 40 50 60 70T /C25 050100 02003004001020 30 4050 60 70 80T/C光敏晶體管的溫度特性（4 4）溫度特性）溫度特性 光敏三極管的溫度特性曲線反映的是光敏三極管的暗電流及光電流與溫度的關系。從特性曲線可以看出，溫度變化對光電流的影響很小，而對暗電流的影響很大所以電子線路中應該對暗電流進行溫度補償，否則將會導致輸出誤差。（5 5）光敏三極管的頻率特性）光敏三極管的頻率特性 光敏三極管的頻率特性曲線如圖所示。光敏三極管的頻率特性受負載電阻的影響，減小負載電阻可以提高頻率響應。一般來說，光敏三極管的頻率響應比光敏二極管差。對于鍺管，入射光的調制頻率要求在5kHz以下。硅管的頻率響應要比鍺管好。0100100050050001000020406010080RL=1kRL=10kRL=100k入射光調制頻率 / HZ相對靈敏度/%圖4.