第4章受光器件

第四章受光器件4.1受光器件工作原理1、光敏二極管2光敏二極管的性質(zhì)1、入射截止長波長3不同的材料禁帶寬度不一樣，截止波長不相同，對光的靈敏度也不一樣。2、光譜響應(yīng)43、伏安特性5沒有光照時二極管的伏安特性曲線光電二極管工作在反向區(qū)6當(dāng)光輻射作用到光電二極管上時，以自建電場方向?yàn)檎较蚬怆姸O管的全電流方程為式中η為光電材料的光電轉(zhuǎn)換效率，α為材料對光的吸收系數(shù)。7定義電流與電壓的正方向均以PN結(jié)內(nèi)建電場的方向相同的方向?yàn)檎?/p>

8當(dāng)U=0（PN結(jié)被短路）時的輸出電流ISC即短路電流，并有當(dāng)I=0時（PN結(jié)開路），PN結(jié)兩端的開路電壓UOC為4、響應(yīng)速度

光敏二極管的響應(yīng)速度用上升時間和下降時間來描述。

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以f頻率調(diào)制的輻射作用于PN結(jié)硅光電二極管光敏面時，PN結(jié)硅光電二極管的電流產(chǎn)生要經(jīng)過下面3個過程：

1)在PN結(jié)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光生載流子渡越結(jié)區(qū)的時間，稱為漂移時間記為τdr

；2)在PN結(jié)區(qū)外產(chǎn)生的光生載流子擴(kuò)散到PN結(jié)區(qū)內(nèi)所需要的時間，稱為擴(kuò)散時間記為τp；3)由PN結(jié)電容Cj和管芯電阻Ri及負(fù)載電阻RL構(gòu)成的RC延遲時間τRC

。

光敏二極管響應(yīng)速度決定入射光的頻率，當(dāng)入射光信號的變化周期小與響應(yīng)時間時，不能正確的將光信號轉(zhuǎn)化成成電信號，因此入射光頻率不能超過截止頻率10提高響應(yīng)速度的措施11（1）減小結(jié)電容盡量減小結(jié)面積盡量降低陰極層的雜質(zhì)濃度（2）減少擴(kuò)散時間4.1.2光敏三極管1213能帶圖NPN光敏三極管的等效電路14光電流與發(fā)射結(jié)的電壓關(guān)系曲線154.2受光器件的結(jié)構(gòu)164.2.1光敏二極管17光敏二極管剖面圖外形圖1819204.2.2光敏三極管214.2.3OPIC222324254.3受光器件的特性264.3.1分光靈敏度特性與方向性1、分光靈敏度特性2、方向性274.3.2光敏二極管的電學(xué)特性28

光敏三極管的靈敏度比光敏二極管高，是光敏二極管的數(shù)十倍，故輸出電流要比光敏二極管大得多，一般為毫安級但其他特性不如光敏二極管好，在較強(qiáng)的光照下，光電流與照度不成線性關(guān)系。頻率特性和溫度特性也變差，故光敏三極管多用作光電開關(guān)或光電邏輯元件。

光敏三極管的輸出電路基本上與光敏二極管輸出電路相同，輸出電壓的計(jì)算也同光敏二極管相同，只是靈敏度S要比光敏二極管的靈敏度大些。注意，一般光敏三極管的輸出腳同光敏二極管相同，是二只而不是三只。4.3.3光敏三極管29為了得到更高的靈敏度和更大的輸出電流，把光敏三極管和普通三極管按達(dá)林頓聯(lián)接方法接在一起，封裝在一個管殼內(nèi)，稱為光電達(dá)林頓管，如圖所示。30光敏三極管的特性參數(shù)

1、輸出電流

hEF為晶體管的直流放大倍數(shù)2、響應(yīng)速度：三極管的響應(yīng)速度比二極管的慢得多，相差幾個數(shù)量級。

米勒效應(yīng)：在電子學(xué)中，反相放大電路中，輸入與輸出之間的電容由于放大器的放大作用其等效到輸入端的電容值會擴(kuò)大1+K倍，1919年米爾頓-米勒發(fā)現(xiàn)這個效應(yīng)，這個效用同樣適用于半導(dǎo)體三極管31光電三極管的響應(yīng)時間主要由RC延時電路的時間常數(shù)決定3、暗電流

在沒有光照的時候，三極管的集電極也有電流輸出，稱為暗電流，暗電流較大，

暗電流隨溫度變化較大，在使用光敏三極管的時候，一定要控制暗電流的值。324、光敏三極管的驅(qū)動電路

三極管的集電結(jié)要反偏，才能使晶體管處于放大狀態(tài)，由于硅達(dá)林頓型硅光敏三極管的集電極飽和電壓高，不能直接接到TTL電路。334.3.4OPIC的參數(shù)1、靈敏度：OPIC的靈敏度用電壓靈敏度來描述，與二極管的靈敏度特性一樣。2、響應(yīng)速度OPIC的響應(yīng)速度取決于光敏二極管和集成電路

344.4受光器件的基本使用方法35一、光敏二極管的輸入電路反向偏置電路的響應(yīng)速度快，輸出信號與輸入信號同相位。36靜態(tài)電路的設(shè)計(jì)1、

圖解計(jì)算法已知Ub,過（Ub,0);(0,Ub/RL)兩點(diǎn)做直線，直線為負(fù)載線，負(fù)載線和對應(yīng)于輸入光照度的交點(diǎn)為器件的輸入工作點(diǎn)當(dāng)輸入光照度變化時，輸出的電壓電流值也改變，從負(fù)載線和光照度曲線的交點(diǎn)可以求出輸出電壓電流的范圍37例:如圖所示電源電壓為9V，光敏二極管的伏安特性曲線如圖b所示，光敏二極管的光照度在0-150LX之間變化，若光照度在此范圍內(nèi)作正弦變化，要使光敏電阻的電壓幅值為3V,求所需要的負(fù)載電阻R，并作出負(fù)載線2、解析計(jì)算法：對光電器件的非線性伏安特性進(jìn)行分段折線化，稱為折線化伏安特性。折線化的畫法一折線化的畫法做直線與最大光照線切線，兩切線的交點(diǎn)為M點(diǎn)39折線化的畫法二過最大照度線的拐點(diǎn)和原點(diǎn)連線折線化伏安特性可用下列參數(shù)確定：轉(zhuǎn)折電壓U0—對應(yīng)于曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)M處的電壓值。初始電導(dǎo)G0—非線性區(qū)近似直線的初始斜率。結(jié)間漏電導(dǎo)G—線性區(qū)各平行直線的平均斜率。光電靈敏度S—單位輸入光功率所引起的光電流值。φ為輸入光功率Ip為對應(yīng)的光電流1、確定線性工作區(qū)域(確定U0,G0,G,S的關(guān)系)折線化伏安特性的分析：在輸入光通量變化范圍Φmin~Φmax為已知的條件下，用解析法計(jì)算輸入電路的工作狀態(tài)：2、計(jì)算負(fù)載電阻和偏置電壓：當(dāng)已知電源電壓時可求負(fù)載電阻當(dāng)負(fù)載電阻可求電源電壓為保證光敏二極管線性輸出，負(fù)載線與對應(yīng)的伏安特性曲線交點(diǎn)不能低于M點(diǎn)，設(shè)負(fù)載線過M點(diǎn)當(dāng)光照度由變化到時，輸出電壓值的變化范圍為M點(diǎn)3、計(jì)算輸出電壓幅度：Φ=0H點(diǎn)4、計(jì)算輸出電流幅度：通常，上式可簡化為：5、計(jì)算輸出電功率：輸出電流幅值45例題已知光電二極管的伏安特性曲線如圖所示，若光敏面為0.1平方毫米，照度的變化為e=120+80sin(wt),為使光電二極管的輸出電壓幅值為2V，求所需的負(fù)載電阻R和電源電壓，光敏二極管的靈敏度為0.4uA/uW.46二、光敏二極管與放大晶體管組合的放大電路集電極輸出電路適用于脈沖入射光電路，輸出信號與輸入信號的相位相反，輸出信號一般較大。而發(fā)射極輸出電路適用于模擬信號電路，電阻RB可以減小暗電流，輸出信號與輸入信號的相位相同，輸出信號一般較小。集電極輸出電路發(fā)射極輸出電路47三、光敏二極管與運(yùn)放組合的放大電路

a、無偏置電路可以用于測量寬范圍的入射光，例如照度計(jì)等b、反向偏置電路的響應(yīng)速度快．輸出信號與輸入信號同相位。484.4.2光敏三極管1、光敏三極管基本電路492、光敏三極管的基本工作點(diǎn)的確定504.4.3OPIC傳感器：能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息按照一定規(guī)律變換成電信號或者其他所需形式的信息輸出，它是實(shí)現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)光耦合器：光耦合器以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用；

光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。光斷續(xù)器：又稱為穿透型光電感應(yīng)器,光遮斷器,光電斷續(xù)器,光電遮斷器，也就是將發(fā)光組件與受光組件面對面排列并設(shè)置于同一封裝內(nèi)，利用檢測物體通過時會遮光的原理便得以實(shí)現(xiàn)檢測功能。51521）高速型光敏二極管的結(jié)構(gòu)及原理基區(qū)的P型擴(kuò)散層和集電區(qū)的N型外延層構(gòu)成PN結(jié)，N型集電極厚度太薄，靈敏度降低，切斷擴(kuò)散電流，提高響應(yīng)速度532）高靈敏度二極管的結(jié)構(gòu)及原理集電區(qū)的N型外延層和P型襯底構(gòu)成PN結(jié)，P型襯底有大量的光生載流子，擴(kuò)散時間較大，所以不利于高速響應(yīng)。543）光拾波器光敏二極管的結(jié)構(gòu)554.5受光器件的應(yīng)用例4.5.1光敏二極管1、基本放大電路5657582、OP放大電路

(1)無偏置電路（電流放大型）：運(yùn)算放大器兩輸入端的輸入阻抗是光電二極管的負(fù)載電阻，可表示為

當(dāng)A＝，＝100kΩ時，＝10Ω?？梢哉J(rèn)為光電二極管是處于短路工作狀態(tài)，能取出近于理想的短路電流。處于電流放大狀態(tài)的運(yùn)算放大器，其輸出電壓Uo與輸入短路光電流成比例，并有

即輸出信號與輸入光通量成正比。此外，電流放大器因輸入阻抗低而響應(yīng)速度較高，并且放大器噪聲較低，信噪比提高。這些優(yōu)點(diǎn)使其廣泛應(yīng)用于弱光信號的檢測中。59

(2)反向偏置電路（阻抗變換型）反向偏置光電二極管具有恒流源性質(zhì)，內(nèi)阻很大，且飽和光電流和輸入光通量成正，如圖中所示的運(yùn)算放大器具有很高的輸入阻抗，光電流是通過反饋電阻形成壓降的。電路的輸入電壓Uo為

Uo與輸入光通量成正比。當(dāng)實(shí)際的負(fù)載電阻與放大器連接時，由于放大器輸出阻抗Ro較小，>>Ro，則負(fù)載功率Po為60這種電路響應(yīng)速度快，可以得到很高的功率放大倍數(shù)。

此外，使用雙極型晶體管的放大電路時，OP放大器的輸入偏置電流會影響信號電流，因此用場效應(yīng)管代替雙極性晶體管作前置極，其偏置電流很小，因此適用于光功率很小的場合。61

(3)電容耦合電路對于反向偏置電路，暗電流隨溫度的變化較大，為了減小這種影響，采用電容耦合電路不能對直流信號進(jìn)行放大62

(4)對數(shù)二極管633、調(diào)制光檢出電路6465光電檢測電路的動態(tài)設(shè)計(jì)

在許多場合下，光電檢測電路接收到的是隨時間變化的光信號，例如瞬變信號或各種形式的調(diào)制光信號。這類信號的特點(diǎn)是信號微弱，需要多級放大以及信號中包含著豐富的頻率分量等。與緩慢變化光信號檢測電路的靜態(tài)計(jì)算不同，在分析和設(shè)計(jì)交變光信號檢測電路時，需要解決下述幾項(xiàng)動態(tài)計(jì)算問題，即：

1）確定檢測電路的動態(tài)工作狀態(tài)，使在交變光信號作用下負(fù)載上能獲得非線性失真最小的電信號輸出。

2）使檢測電路具有足夠?qū)挼念l率響應(yīng)，以能對復(fù)雜的瞬變光信號或周期性光信號進(jìn)行無頻率失真的變換和傳輸。661、輸入電路動態(tài)工作狀態(tài)的計(jì)算

在交變光信號輸入電路中，為提供檢測器件的正常工作條件首先要建立直流工作點(diǎn)。另一方面輸入電路和后續(xù)電路通常是經(jīng)阻容連接等多種方式耦合的。后續(xù)電路的等效輸入阻抗將和輸入電路的直流負(fù)載電阻并聯(lián)組成檢測器的交流負(fù)載。這是不同于靜態(tài)計(jì)算的主要區(qū)別之一?，F(xiàn)以光電二極管的兩種工作狀態(tài)為例介紹它們的動態(tài)計(jì)算方法。671)．光電二極管交流檢測電路圖a給出了反向偏置光電二極管交流檢測電路的基本形式。

首先確定在交流光信號作用下電路的最佳工作狀態(tài)。假定輸入光照度為正弦變化，具有的形式，光照度的變化范圍為。若在信號通頻帶范圍內(nèi)，耦合電容Cc可認(rèn)為是短路，則等效交流負(fù)載電阻是和的并聯(lián)。對應(yīng)的交流負(fù)載線MN應(yīng)該通過特性曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)M，以便能充分利用器件的線性區(qū)間，其斜率由和的并聯(lián)電阻決定。交流負(fù)載線與光照度E＝對應(yīng)的伏安特性相交于Q點(diǎn)，該點(diǎn)對應(yīng)交變輸入光照度的直流分量，是輸入直流偏置電路的靜態(tài)工作點(diǎn).682、光電檢測電路的頻率特性光電器件自身的慣性和檢測電路的耦合電容、分布電容等非電阻性參數(shù)的存在使光電檢測電路需要一個過渡過程才能對快速變化的輸入光信號建立穩(wěn)定的響應(yīng)。為了表征這種動態(tài)響應(yīng)能力，通常采用兩種分析方法，即時域分析法和頻域法。691)．光電檢測電路的高頻特性

除熱釋電探測器件外，大多數(shù)的光電、熱電探測器件對檢測電路的影響突出地表現(xiàn)在對高頻光信號響應(yīng)的衰減上。因此，首先討論光電檢測電路的高頻特性。

現(xiàn)以反向偏置光電二極管交流檢測電路為例，圖中給出了該電路的微變等效電路圖。這里忽略了耦合電容Cc的影響，因?yàn)閷τ诟哳l信號Cc可以認(rèn)為是短路的。但光電二極管結(jié)電容Cj的作用必須考慮。列出該電路的電路方程為70

式中