课程主要内容

光敏电阻的工作原理
当入射光子使半导体物质中的电子由价带跃升到导带时，导 带中的电子和价带中的空穴均参与导电，因此电阻显著减小， 电导增加。
光电导g与光电流Ip的表达式为：
电极
g = gL - gd
入射光
Ip= IL - Id
Ip U
光敏电阻的伏安特性
➢ 在一定弱光照射下1、热敏电阻
热敏电阻是用金属氧化物或半导体材料作为电阻体的温 敏元件。
有三种基本类型：
正温度系数，PTC 负温度系数，NTC 临界温度系数CTC
特点： 温度系数大、灵敏度高 电阻值大、引线电阻可忽略 体积小，热响应快，廉价 互换性差、测温范围窄 在汽车、家电领域得到大量应用
2、热电偶
热端
AI
T+Δ
第三章 半导体光电检测器件及应用
3.1 光敏电阻 3.2 光生伏特器件
3.2.1 光电池 3.2.2 光电二极管与光电三极管 3.3 发光器件 3.4 光电耦合器件 3.5 光电位置敏感器件 3.6 光热辐射检测器件
3.5 光电位置敏感器件（PSD）
1、一维光电位置敏感器件（PSD）的工作原理
依图中所示，电流I0、I1、I2、入射光位置xA和电极间距2L之间有如下关系：
3、热释电器件
“自发极化的电介质，其自发极化强度Ps（单位面积 上的电荷量）与温度存在着如下关系：
当温度升高时，极化强度减低，当温度升高一定值时，
自发极化消失，这个温度称为”居里点“。
在居里点以下，Ps是温度t的函数， Ps 利用这一关系制造出热释电器件，温
度的升高，电极化强度减小，相当于
热”释放了“部分电荷，可由放大器
入
①
射
②
I1
光
xA
I2
0
A
P层
i层
N层
③ I0
L
L
一维PSD器件可用来测量光斑在一维方向 上的位置和位置移动量。
2、二维光电位置敏感器件（PSD）的工作原理 测量光束在二维坐标中的位置
第三章 半导体光电检测器件及应用
3.1 光敏电阻 3.2 光生伏特器件
3.2.1 光电池 3.2.2 光电二极管与光电三极管 3.3 发光器件 3.4 光电耦合器件 3.5 光电位置敏感器件 3.6 光热辐射检测器件
光电三极管的主要特性
伏安特性
➢ 光电三极管在不同的照度下的伏安特性，就像一般三级管在 不同的基极电流时的输出特性一样。
➢ 只要将入射光照在集电极与基极之间的PN结附近，所产生 的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看作一般的晶体 管。
第三章 半导体光电检测器件及应用
3.1 光敏电阻 3.2 光生伏特器件
T
IB
冷端
T
温差热电偶
Φc
T+ΔT J1
B
A
J2 I
G
辐射热电偶
涂黑金箔 T+ΔT
N T_
P
RL
T I+
半导体辐射 热电偶
基于温差电效应， 多用于测温。
采用金属材料制成，用于探 测入射辐射，温升小，对材 料的要求高，结构严格且复 杂，成本高。
P型半导体冷端带正电， N型半导体冷端带负电， 最小可检测功率一般为 10-11W。
➢ 光电三级管由光窗、集电极引出线、发射极引出线和基极引出线 组成。
光电三极管与光电二极管的比较
▪ 光电三级管的灵敏度比光电二极管高，输出电流也比光电二极管 大，多为毫安级。
▪ 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，所以多用来作光电开关元件或光电逻辑元件。
光电三极管的工作原理
转变成电压输出。
O Ps
热释电器件不同于其它光电器件的
特点：在恒定辐射作用情况下输出信
号电压为零，只有在交变辐射作用下 O
才会有信号输出。
Tc
T
Tc
T
课程主要内容
➢ 第一章 绪论 —— 光电检测技术概述 ➢ 第二章 光电检测器件工作原理及特性 ➢ 第三章 半导体光电检测器件及应用 ➢ 第四章 光电信号检测电路 ➢ 第五章 光电直接检测系统 ➢ 第六章 光外差检测系统
第三章 半导体光电检测器件及应用
3.1 光敏电阻 3.2 光生伏特器件
3.2.1 光电池 3.2.2 光电二极管与光电三极管 3.3 发光器件 3.4 光电耦合器件 3.5 光电位置敏感器件 3.6 光热辐射检测器件
3.2.1 光电池 3.2.2 光电二极管与光电三极管 3.3 发光器件 3.4 光电耦合器件 3.5 光电位置敏感器件 3.6 光热辐射检测器件
发光二极管（LED）
发光二极管是少数载流子在PN结区的注入和复合而产生 发光的一种半导体光源，也称注入式场致发光光源。
发光二极管
表面发光二极管 侧面发光二极管
工作过程：一、光电转换，二、光电流放大。
c
Ip
Ic
b Ib
e
Vo
集电极
集电极
基
发射极
发射极
极
▪ 正常运用时，集电极加正电压，集电结为反偏置，发射结为正偏置。
▪ 当光照到集电结上时，集电结即产生光电流，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。
▪ 光电三极管等效于一个光电二极管与普通三极管集电极-基极的并联。
光电二极管的工作原理
_ P
光 N
+ 外加 反向 偏压
符号
光电二极管的伏安特性
I
E2>E1>E0
E2 E1
E0
O
U
➢ 在反向偏压 U 较小时，光电流 I 随反向偏压的变化较为明显 ➢ 在反向偏压 U 较大时，光电流 I 趋于饱和，取决于入射光功率 E
2、 光电三极管
➢ 光电三级管的作用和普通三级管类似，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，也可以受光的控制。
3.4 光电耦合器件
光电耦合器件把发光器件和光接收器件组合的 一种器件，它是以光作为媒质把输入端的电信 号耦合到输出端，因此也称为光耦合器。
➢ 光电耦合器件由发光器件和受 光器件封装在一个组件内构成；
➢ 当发光二极管流过电流IF时发 出红外光，光敏三极管受光激 发后导通，并在外电路作用下 产生电流IC。
➢ 无光照时，伏安特性曲线与普通二极管相同。 ➢ 有光照时，伏安特性曲线发生平移，平移量与光照度成正比。 ➢ 曲线与电压轴的交点称为开路电压 Voc ➢ 曲线与电流轴的交点称为短路电流 Isc
光电池的等效电路
光电池的伏安特性曲线
伏安特性曲线方程
其中IL = S·E， Is 为等效二极管的反向饱和电流，q 为电子
通信
平面发光二极管 圆顶形发光二极管
显示、报警、计算
超发光二极管 —— 介于激光和荧光之间
发光二极管的工作原理
基本结构：PN结 工作偏压：正向偏压
发光二极管的光谱特性
光谱特性决定了发光颜色 半导体材料不同，光谱特性不同
第三章 半导体光电检测器件及应用
3.1 光敏电阻 3.2 光生伏特器件
3.2.1 光电池 3.2.2 光电二极管与光电三极管 3.3 发光器件 3.4 光电耦合器件 3.5 光电位置敏感器件 3.6 光热辐射检测器件
即为伏安特性。
1
0
➢ 光敏电阻为一纯电阻，符合
欧姆定律，伏安特性曲线为
直线。
5
I光/mA
➢ 光敏电阻使用时的实际功耗
不应超过额定值。 O
100 lx 10 lx
50
100
电压V/V
第三章 半导体光电检测器件及应用
3.1 光敏电阻 3.2 光生伏特器件
3.2.1 光电池 3.2.2 光电二极管与光电三极管 3.3 发光器件 3.4 光电耦合器件 3.5 光电位置敏感器件 3.6 光热辐射检测器件
3.2 光生伏特器件
3.2.1 光电池
光电池是一种利用光生伏特效应制成的不需加偏压就 能将光能转化成电能的光电器件。
▪ 按用途 太阳能光电池：用作电源（效率高，成本低） 测量用光电池：探测器件（线性、灵敏度高等）
▪ 按材料 硅光电池 硒光电池 砷化镓光电池 锗光电池
光电池的伏安特性
某一光照度下，输出电流和 电压的特性。
电荷量，k 为玻尔兹曼常数，T为热力学温度。
3.2.2 光电二极管与光电三极管
1、光电二极管
光电二极管与光电池的比较
①属于光生伏特器件，基本结构相同，核心是一个PN结。 ②光电二极管的光敏面小，结面积小，频率特性好，虽然 光生电动势相同，但光电流普遍比光电池小，为数微安。 ③掺杂浓度：光电池约为1016~1019/cm3，光电二极管约为 1012~1013/cm3。 ④光电池零偏压下工作，光电二极管反偏压下工作。