光电信息转换器件特性与分类
3.3 光电信息转换组合器件
补充： 可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件，共有三个 PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一 个NPN管所组成，其等效图解如图所示。
A
IC1 IB1
G
可控硅等效图解图
电路符号 K
当阳极加正向电压时，一旦有足够的门极电流流入，就形成强烈的正 反馈： Ig↑→ Ib2↑ → Ic2 (=2Ib2) ↑= Ib1↑→ Ic1 (= 1Ib1) ↑
图3.3.1-3 电平转换电路
2．用于逻辑门电路
图a为两个光电耦合器组成的与门电路，如果在输入端A和B 同时输入高电平“1”，则两个发光二极管GY1和GY2都发光,
两个光敏三极管GG1， 和GG2都导通，在输出 端C就呈现高电平“1”。 在输入端A或B中只要 有一个为低电平“0”， 则其中有一个光敏三 极管不导通，输出端C 就为“0”，故为与门 电路。
补充： 1. 双向可控硅特性曲线
T2
G
T1
工作在第一象限有二种触 发方式 1 ＋ 和 1 － ，工作在第三 象限有二种触发方式 3 ＋ 和 3 － 。
1＋： T1对 T2加正电压， G 对T2加正电压；
图4.2.1-6 双向可控硅特性曲线
1－： T1对 T2加正电压， G 对T2加负电压；
2．双向可控硅的触发方式 四种触发方式
过压保护电路是利用光电耦合器的通断与否进行控制。电压 正常时，光电耦合器几乎无输出，VT管被反偏而截止。当某种原 因使电路电压升高时（零线断线或零线错接成相线等），取样电 路次级电压随之升高，光电耦合器满足工作条件。光耦输出电流 增大，使VT管偏置电压升高并饱和导通，执行机构继电器动作吸 合，切断电源进而达到保护电器的目的。若故障消除，电压随之 正常，该电路立即退出工作，恢复电路供电。
光电信息转换的原理和应用
光电信息转换的原理和应用1. 光电信息转换的概述光电信息转换是指将光信号转换为电信号或将电信号转换为光信号的过程。
光电信息转换技术广泛应用于光通信、光存储、光传感等领域。
本文将介绍光电信息转换的原理和应用。
2. 光电信息转换的原理光电信息转换的原理主要基于光电效应、光电二极管和光电倍增管等光电器件的工作原理。
2.1 光电效应光电效应是指当光照射到金属或半导体材料表面时，将光能转化为电能的现象。
根据光电效应的性质，可以将光电器件分为光电导、光电阻、光电电压和光电流四种类型。
2.2 光电二极管光电二极管是利用PN结的光生电离效应工作的光电器件。
当光照射到PN结时，电子和空穴被激发，并在内部产生电压，从而实现光信号到电信号的转换。
2.3 光电倍增管光电倍增管是一种能将光信号放大的光电器件。
它主要由光敏阴极、一系列二次电子倍增结构和阳极组成。
当光照射到光敏阴极时，通过二次电子倍增结构的作用，将光信号放大。
3. 光电信息转换的应用光电信息转换技术在各个领域都有广泛的应用。
3.1 光通信光电信息转换技术在光通信领域中起到关键作用。
光纤通信系统中，光信号经过光电转换器转换为电信号后，再经过电信号的传输和处理，最终再转换为光信号进行传输。
光电转换器的性能对于光通信系统的传输质量和速率有重要影响。
3.2 光存储光电信息转换技术在光存储领域也有重要应用。
光存储器件利用光电效应将光信号转换为电信号，并将电信号存储在介质中。
光存储器件的快速读写速度和大容量特性使其成为一种重要的数据存储方式。
3.3 光传感光电信息转换技术在光传感领域中广泛应用。
光传感器可以将光信号转换为电信号，并通过电信号分析光的强度、颜色、波长等参数，实现对环境中光的测量和感知。
光传感器被广泛应用于光电测量、光学成像、光学通信等领域。
3.4 其他应用领域除了上述应用领域，光电信息转换技术还被应用于光电子学、光学仪器、光电显示等领域。
随着光电信息转换技术的不断发展和应用扩展，其在更多领域中的应用将得到进一步推进。
光电信息科学与工程中的光电子器件研究进展
光电信息科学与工程中的光电子器件研究进展光电信息科学与工程作为一门跨学科的领域，涉及了光学、电子学、信息学等多个学科的知识，在科学技术的发展中起着重要的作用。
光电子器件作为光电信息科学与工程领域的核心组成部分，其研究进展直接影响着这一学科的发展。
本文将对光电子器件的研究进展进行探讨，介绍其中的一些重要成果。
一、光电子器件的定义及分类光电子器件是指将光和电的相互作用转化为实现光学功能的电子器件。
根据其工作原理和功能，光电子器件可以分为光电转换器件、光电控制器件和光电显示器件。
其中光电转换器件用于将光信号转换为电信号或者将电信号转换为光信号；光电控制器件则通过光信号对电子器件的工作状态进行控制；光电显示器件则能够将电信号转换为可见的光输出。
二、光电转换器件的研究进展1. 光电开关光电开关是一种能够通过光信号控制电流通断的器件。
随着光纤通信的发展，光电开关在光纤通信系统中起着重要的作用。
研究人员通过设计新型的光电介质材料和结构，成功地实现了高速、低损耗、小尺寸的光电开关。
2. 光电传感器光电传感器是一类能够将光信号转换为电信号的器件，广泛应用于光电测量、图像拍摄等领域。
近年来，光电传感器的灵敏度、响应速度等性能有了显著提升，为光电信息科学与工程领域的发展提供了有力支持。
三、光电控制器件的研究进展1. 光电晶体管光电晶体管是一种能够通过光信号调节电流放大倍数的器件。
近年来，研究人员通过将新型光敏材料引入到晶体管结构中，成功地实现了高增益、高速度、低噪声的光电晶体管。
2. 光电开关阵列光电开关阵列是一种能够通过光信号对多个电子器件进行控制的器件。
研究人员通过集成光电开关和电子器件，成功地实现了高密度、高速度、低功耗的光电开关阵列，为光电信息传输和光电计算提供了新的可能。
四、光电显示器件的研究进展1. 有机发光二极管（OLED）有机发光二极管是一种能够在电流的作用下发光的器件。
OLED具有自发光、低功耗、高对比度等优点，广泛应用于面板显示、照明等领域。
光电检测器件的类型复习
一般摄像管应具有的结构 它主要由两大部分组成 光电变换与存贮部分 信号阅读部分。
1．光电变换与存贮部分 (1) 光电变换部分 构成：光敏元件。 根据材料分类： 光电发射体 光电导体——视像管。 (2)电荷存贮与积累部分 帧周期内要求信号不能漏走—存贮元件具有足够的绝缘能力。 2．信号阅读部分 阅读部分—扫描电子枪系统
像管 ——变像管＆像增强管
一、典型结构与工作原理
物镜
目镜
阴极
阳极
荧光屏
目标物所发出某波长范围的辐射通过物镜在半透明光电阴极上形成目标的像，引起光电发射。阴极面每一点发射的电子束密度正比于该点的辐照度。这样，光阴极将光学图像转变成电子束密度图像。通过阳极的电子透镜作用，使阴极发出的光电子聚焦成像在荧光屏上。荧光屏在一定速度的电子轰击下发出可见的荧光，最终，在荧光屏上便可得到目标物的可见图像。
3
缺点：探测率较低和时间常数较大。要同时获得灵敏度高、响应快的性能是困难的。新型热电探测器——热释电探测器的出现及其近年来的发展，逐步解决了这一矛盾。
二、热电探测器的特点
起源：1826年 红外探测器件。
01
应用：高、低温的温度探测领域。
02
基本原理：基于温差电第一效应——塞贝克效应。两种不同材料或材料相同而逸出功不同的物体，当它们构成回路时，如果两个接触点的温度不同，回路中就会产生温差电动势。只要两触点间的温差不变，温差电动势将得到保持。
分类：本征光电导效应与杂质光电导效应
——内光电效应
器件：光敏电阻、由光敏电阻制作的光导管。
光电导效应
利用半导体光电导效应制成的器件称为光电导器件，也称光敏电阻。
01
02
光敏电阻材料：主要是硅、锗和化合物半导体，例如：硫化镉（CdS），锑化铟（InSb）等。
光敏和光电晶体管
光敏和光电晶体管光敏和光电晶体管是两种常见的光电转换器件，它们在光电信号的检测和转换方面起着重要的作用。
下面将对光敏和光电晶体管进行详细介绍。
一、光敏器件简介光敏器件是一类能够感受并转换光信号的电子器件，根据其工作原理的不同，可以分为光电导、光电阻、光电二极管等。
光敏器件常用于光电检测、光控开关、光电自动控制等领域。
1. 光电导光电导是一种基于光电效应的器件，其特点是当光线照射到导电材料表面时，导电材料的电导率会发生变化。
光电导的工作原理是光子进入导电材料后，激发了导电材料中的电子，使电子跃迁到导带中，导致电导率的变化。
光电导器件通常由光电导材料、电极和其他辅助元件组成。
2. 光电阻光电阻是一种基于光电效应的器件，其特点是当光线照射到光电阻上时，光电阻的电阻值会发生变化。
光电阻的工作原理是光子进入光电阻后，激发了光电阻中的电子，使电子跃迁到导带中，导致电阻值的变化。
光电阻器件通常由光敏材料、电极和其他辅助元件组成。
3. 光电二极管光电二极管是一种能够将光信号转化为电信号的器件，它利用光电效应将光子能量转换为电子能量，从而产生电流。
光电二极管由一个光敏材料和两个电极组成。
当光线照射到光电二极管上时，光子的能量被光敏材料吸收，形成光电流。
光电二极管的电流与光照强度成正比。
二、光敏和光电晶体管的应用光敏和光电晶体管广泛应用于光电检测、自动控制、通信、图像传感和光谱分析等领域。
1. 光电检测光敏和光电晶体管能够感受光信号并将其转换为电信号，因此在光电检测方面有着重要的应用。
例如，在自动光控系统中，光敏和光电晶体管可以感知光照强度的变化，并根据设定的阈值来控制光源的亮度。
2. 自动控制光敏和光电晶体管在自动控制系统中也起着重要的作用。
例如，在照明系统中，通过光敏和光电晶体管感知环境光照强度的变化，可以实现自动调节灯光亮度的功能，提高能源利用效率。
3. 通信光敏和光电晶体管在光通信领域也有广泛应用。
光敏和光电晶体管可以将光信号转换为电信号，实现光信号的接收和解码。
光电检测器件工作原理及特性
光电检测器件的应用
02
光电检测器件工作原理
光电转换原理是指光子与物质相互作用，将光能转换为电能的过程。在光电检测器件中，光子通过照射在光敏材料上，激发出电子-空穴对，形成光生电流或电压。
光电转换效率是衡量光电检测器件性能的重要参数，它与光敏材料的性质、光的波长和入射角度等因素有关。
光电转换原理
光电检测器件的光谱响应特性
光电检测器件对不同波长的光具有不同的响应能力，这种响应能力即为光谱响应特性。
总结词
光谱响应特性描述了光电检测器件在不同波长光线下的敏感度。不同类型的光电检测器件具有不同的光谱响应范围，例如硅光电二极管对可见光和近红外光敏感，而硒镉汞光电探测器则对中红外光敏感。了解光谱响应特性对于选择适合特定应用的光电检测器件至关重要。
光电检测器件通常由光敏材料、电极和封装结构组成。光敏材料是实现光电转换的核心部分，电极的作用是收集和传输光生电流或电压，而封装结构则起到保护和支撑器件的作用。
不同类型的光电检测器件可能在结构上有所差异，但它们的基本原理是相似的。
光电检测器件的基本结构
光电检测器件的工作过程通常包括光的吸收、电荷的分离和电流或电压的产生三个步骤。
总结词
光电检测器件在接收光信号时产生的随机波动，即噪声特性。
详细描述
噪声特性是评价光电检测器件性能的重要参数。常见的噪声源包括散粒噪声、热噪声和闪烁噪声等。低噪声光电检测器件能够在弱光信号下提供更高的信噪比，从而提高检测精度和灵敏度。了解和优化光电检测器件的噪声特性对于提高其性能和应用范围具有重要意义。
总结词
影响光电检测器件稳定性的因素包括材料、工艺、封装等。
详细描述
采用高品质的材料和先进的工艺技术可以制造出具有高稳定性的光电检测器件。此外，良好的封装和保护措施也可以提高器件的稳定性，使其在恶劣环境下仍能保持性能参数的稳定。
光电技术
光电技术复习大纲1. 光电技术特征是什么?它的核心是什么?它的最基本的理论是什么?（1）光电技术的特征：利用光电结合的原理和方法，实现信息的获取、发送、探测、传输、变换、存储、处理和重现等。
（2）核心：光与电之间的转换机理体现于光电器件之中最基本的理论：光的波粒二象性。
2. 什么是光电器件?它的分类有哪些?举例说明.（1）凡能完成光电或电光转换及在光电系统中能对光路传输，光电转换起到调节或控制作用的器件，都应归入光电器件。
（2）电光信息转换：1.发光二极管2.半导体激光器3.液晶显示器4.阴极射线管5.等离子体显示板光电信息转换：光电发射效应器件：光电倍增管；光电导效应器件：光敏电阻；光生伏特效应器件：光敏二极管；热释电效应器件：热释电探测器。
3. 光学具有哪些学说?几何光学和波动光学它们研究内容主要是什么?（1）光的粒子性，光的波动性，光的电磁学说，光的量子学说，几何光学，物理光学，量子光学，应用光学。
（2）几何光学是几个实验得来的基本原理出发的，来研究光的传播问题的学科。
用波动光学可以圆满的解释光的干涉和衍射现象，也能解释光的直线传播，在进一步研究中观察到了光的偏振和偏振光的干涉。
4. 什么是光程?发生全发射的条件是什么?（1l 与该介质的折射率 n 的乘积（2）（）5. 光的干涉条件是什么?衍射现象是什么?干涉和衍射现象本质是什么?（1）1`频率相同；2.相位差恒定；3光矢量振动方向平行。
(2)光的衍射是指光波在传播过程中遇到障碍物时，所发生的偏离直线传播的现象；(3)光的衍射现象与光的干涉现象其实质都是相干光波叠加引起的光强的重新分布；6. 辐射度量与光度量的根本区别是什么?可见光的波段是多少?(1)辐射度学： 对电磁辐射能量进行客观计量的学科称辐射度学；是用能量单位描述光辐射能的客观物理量。
辐射度学研究范围为整个电磁辐射谱区。
光度学：在可见光波段内，考虑到人眼的主观因素后的相应计量学科称为光度学 。
光电器件的物理特性与应用
光电器件的物理特性与应用光电器件是一种利用光（包括可见光、红外线、紫外线等）与电的相互转换特性进行工作的电子元件。
其内部构造一般包括发光二极管、光敏二极管、光伏二极管、光电转换器、激光二极管等几种主要器件。
光电器件具有响应速度快、灵敏度高、能耗低、体积小等优点，因此应用于通信、医疗、工业、能源等领域。
1. 光电器件的基本物理原理光电器件的基本物理原理是光与电的相互转换。
其中，发光二极管利用半导体的pn结发生注入复合，产生光子，从而实现光电转换。
光敏二极管是用光子击穿pn结，使其产生扩散电流，实现光电转换。
光伏二极管又称太阳能电池，是利用光照射半导体材料，使其产生光生电流，实现光电转换。
光电转换器则是将光子转换为电子，其内部结构一般包括光电表面、电磁铁等器件。
激光二极管则是利用宽禁带半导体材料与光子的特定相互作用形成的光源器件，具有激光功率大、发射波长好、调制速度快等特点。
2. 光电器件的应用及特点（1）通信领域在通信领域中，光电器件是实现光纤通信的关键器件之一。
利用发光二极管发出脉冲光，通过光纤传输到接收端，然后利用光敏二极管将光信号转换为电信号进行解调。
光纤通信的优点是传输带宽大、抗干扰能力强、安全性高等，是现代通信的重要组成部分。
（2）医疗领域在医疗领域，光电器件被广泛应用于医用激光器、光学注视器、光学活检等设备中。
医用激光器利用激光二极管发出激光能量，通过光导纤维传输到患者体内进行治疗；光学注视器则利用光电转换器将图像转换为电信号，通过显示器显示出来，帮助医生进行手术操作；光学活检则利用光伏二极管将光信号转换为电信号，通过计算机分析得出病变部位的信息，提高医疗诊断的精度和准确性。
（3）工业领域在工业领域，光电器件被广泛应用于激光切割、激光打标、光学测量等设备中。
激光切割利用激光二极管发出高能量激光，通过镜头将激光聚焦到工件上进行切割；激光打标则利用激光的高能量将工件表面进行雕刻、标记等操作；光学测量则利用光电转换器对距离、位移、角度等进行测量。
光电二极管的特性及原理
光电二极管的特性及原理光电二极管（Photodiode）是一种能够将光信号转换为电信号的半导体器件。
它具有高灵敏度、快速响应和广泛的波长响应范围的特点，因此被广泛应用于光电转换、光通信、光测量等领域。
本文将详细介绍光电二极管的特性及其工作原理。
1.光电二极管的特性：（1）高灵敏度：光电二极管能够将入射的光信号转换为电流信号，具有很高的光电转换效率。
其灵敏度可以通过材料选择、结构设计以及工艺改进等手段来提高。
（2）快速响应：光电二极管具有快速的响应速度，能够迅速响应光信号的变化，并产生相应的电信号。
这使得光电二极管在光通信和光测量等高速应用中起到重要作用。
（3）波长响应范围广：不同类型的光电二极管对于不同波长的光具有不同的响应特性。
通常，可见光电二极管能够响应整个可见光谱范围，而红外光电二极管可以响应更长波长的光。
这使得光电二极管能够适应不同的光信号处理需求。
2.光电二极管的工作原理：一般来说，光电二极管采用PN结构，即材料中掺杂有P型和N型半导体，形成一个结。
当没有光照射时，PN结处的内建电场通过扩散过程和漂移过程使得电子向P区域扩散，空穴向N区域扩散，形成一个电子漂移电流和一个空穴漂移电流，相互抵消，使得整个结处的电流为零。
而当光照射到PN结上时，光子能量会激发材料中的电子跃迁到导带，形成自由电子，从而增加了电子的浓度。
同时，也会产生空穴与自由电子复合的现象，减少了空穴的浓度。
因此，光电二极管PN结处的电流会发生变化，形成一个光电流。
此外，光电二极管可以根据工作模式的不同分为正向偏置和反向偏置两种。
正向偏置时，PN结处的载流子会受到电场力的引导，从而增加载流子的移动速度，提高光电二极管的响应速度。
反向偏置时，由于PN结反相，电流基本为零，只有在光照射下才会有微小的光电流产生。
3.光电二极管的应用：（1）光电转换：光电二极管广泛应用于光电转换领域，可以将光信号转换为电信号，并进行放大、处理等操作。
光电检测技术常用器件及应用
3、数字、文字以及图像显示
七段式数码管 14划字码管 文字显示器的内部接线
4、显示器
彩色大面积显示设备，如电子商标及大屏幕显示
LCD
LCD 液晶屏是 Liquid Crystal Display 的简称， LCD 的构造是在 两片平行的玻璃 当中放置液态的 晶体，两片玻璃 中间有许多垂直 和水平的细小电 线，透过通电与 否来控制杆状水 晶分子改变方向， 将光线折射出来 产生画面。
发光二极管的发光机理
发光二极管 （即LED）是一种 注入电致发光器件， 它由P型和 N型半 导体组合而成。其 发光机理常分为PN 结注入发光与异质 结注入发光两种。
1. PN结注入发光
1、制作半导体发光二极管的材料是掺杂的，热平 衡状态下的N区很多自由电子，P区有很多多空穴。 2、当加以正向电压时，N区导带中的电子可越过PN 结的势垒进入P区。P区的空穴也向N区扩散 3、于是电子与空穴有机会相遇，复合发光。由于 空穴迁移率低于自由电子，则复合发光主要发生在 p区。 光的颜色（波长）决定于材料禁带宽度Eg，光的强 弱与电流有关
4. 寿命
发光二极管的寿命定义为亮度降低到原有亮 度一半时所经历的时间。二极管的寿命一般都很 长，在电流密度小于lA/cm2时，一般可达106h， 最长可达109h。随着工作时间的加长，亮度下降 的现象叫老化。电流密度大，老化快。
LED特点
1、 LED辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角较大。 2、 LED的发光颜色丰富，通过选用不同的材料，可以实 现各种发光颜色。如采用GaP:ZnO或GaAaP材料的红色 LED，GaAaP材料的橙色、黄色LED，以及GaN蓝色LED 等。 3、LED的辉度高。随着各种颜色LED辉度的迅速提高，即 使在日光下，由LED发出的光也能视认。 4、LED的单元体积小。再加上低电压、低电流驱动的特 点，可作为电子仪器设备、家用电器的指示灯、信号灯的 使用。 5、寿命长，基本上不需要维修。可作为地板、马路、广场 地面的信号光源，是一个新的应用领域。
光电转换器的特性及其驱动电路
光电转换器的特性及其驱动电路一、光电转换器的概述光电转换器是指将光信号转换为电信号的器件，其应用广泛，如激光测距、光电传感等。
具体来说，光电转换器包括两个核心部分：光敏元件和光电转换电路。
目前在光敏元件中，应用最广泛的是光电二极管和光电晶体管。
它们的主要特点是响应速度快、增益高、干扰抗性强等。
光电转换电路则根据传感器的不同，采用不同的电路实现器件对光信号的捕获、放大、滤波和数字化等操作，以便输出稳定的电信号。
二、光电转换器的特性1.电流-光功率特性电流-光功率特性是光敏元件的基本特性之一。
它定义为在一定光功率下，光敏元件输出的电流大小，通常以 mA/W 为单位来表示。
在实际应用中，我们需要通过这个特性来了解光敏元件的响应情况以及光功率与电流之间的关系。
光敏元件的电流-光功率特性可以分为线性区和饱和区两个部分。
处于线性区时，光敏元件的输出电流与光功率成正比关系。
而当光功率超过一个临界值时，光敏元件的输出电流基本不再增加，这个临界值也就是饱和光功率。
2.响应速度响应速度是光敏元件的重要指标之一，它定义为当光敏元件受到光信号时，输出信号从零电平达到其最大电平所需的时间。
响应速度的大小依赖于光敏元件的材料、结构、工艺等多方面因素。
当应用中需要高速光电转换时，我们需要选择具有高响应速度的光敏元件，并设计适应的电路来保证信号不失真。
3.噪声特性噪声是指电子元器件在正常情况下内部随机分布而导致的不确定性信号。
在光电转换器应用中，噪声特性是影响转换精度和信噪比的关键因素之一。
光敏元件的噪声分为热噪声和暗电流噪声两种，热噪声主要与温度有关，而暗电流噪声则与器件的制造工艺有关。
四、光电转换器的驱动电路驱动电路是将光敏元件的输出信号转换为数字信号的关键环节。
驱动电路主要实现了放大、滤波、模数转换和数字输出等功能。
不同的光敏元件和应用场合需要不同的驱动电路，其设计挑战主要包括以下几点。
1.增益控制光敏元件的输出信号较弱，因此需要低噪声、高精度的放大器来放大输出信号，以满足后续处理电路的需求。
第14次-光电转换-了解
10
=1.1到1.2 电压指数
1.0 弱光照
照度指数 0.5 强光照 弱光： 1， 1，
为线性关系
2024/9/30
11
4、响应速度 上升响应时间tr：光生载流子从零上升到 稳定值的63%所需要的时间。 下降响应时间t f：光照停止后，光生载流 子下降到稳定值的37%所需要的时间。
tr t f
I e P e P G
h Td
h
G：光电导增益。
RI
e h
G
RV
e h
GR
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影响响应度的因素:
1）与入射光频率成反比，越大，响应度越小 2）与量子效率成正比
3）与G成正比，即与光生载流子寿命成正比， 与渡越时间成反比。
2、光谱特征 光敏电阻只对一定范围内旳光波才有响应，对有
①当电阻RL 0时，短路
电流即光电流，Isc IP
实际电路上R s很小，R sh 很大
eV
短路电流：Isc IP IS (e kT 1) Ish
IP
eV
IS (e kT
V 1)
R sh
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②开路时，I 0
开路电压：Voc
kT e
ln( IP
Ish IS
1)
一般情况，PN结两端电压
自由空穴，还没来得及分离，又复合掉了，而只有进入
耗尽层的光子才有可能被利用，所以，量子效率低。
（2）由于P区和N区载流子的扩散速度比PN结内载流子
的漂移速度小的多，使得响应时间很长。
2024/9/30
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PIN光电二极管，就是在P区和N区之间加入一层 本征层，厚度约为毫米量级。
光电信息转换器件
2020/3/20
10
专业导论
光敏二极管
2020/3/20
目 录 • 雪崩光敏二极管
引言
频率响应很高，带宽可达100GHz。是目前 响应最快的一种光敏二极管。适用于光纤通信、
第1章 激光测距及其他微弱光的探测等。
第2章 • 光敏二极管阵列
第3章
将光敏二极管以线列或面阵形式集合在一起，
用途：主要用于防盗报警和安全报警装置、
引言
自动门、自动照明装置、火灾报警
第1章
等一些自动控制系统中。
第2章 特点：（与测辐射计、温差热电堆等比较）
第3章
频率特性好，室温下工作，无需致冷，
第4章
体积小，重量轻，坚固。
第5章
第6章
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专业导论
热释电摄像管
2020/3/20
目 录 • 热释电摄像管
热释电也可制成探测器阵列，已有320240 引 言 像敏元的热释电热成象系统上市，主要用于红
体积小。
第5章
第6章
8
专业导论
光敏二极管
目 录 • (1) 结构
引言 第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章
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专业导论
光敏二极管
目 录 (2) 特性 引 言 • 体积小，稳定性好； 第1章 • 灵敏度高，响应速度快； 第2章 • 易于获得定向性； 第3章 • 光谱响应在可见和红外区。
用来同时探测被测物体各部位提供的不同光信
第4章 息，并将这些信息转换为电信号的器件。
第5章
第6章
11
专业导论
象限探测器
2020/3/20
目录 引言 第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章
半导体 光电器件 分类
分为三大类：
①发光二极管（LED）和激光二极管（LD）：将电能转换成光辐射的电致发光器件。
发光管的发散角大，光谱范围宽，寿命长，可靠性高，调制电路简单，成本低，广泛用于速率不太高、传输距离不太远的通信系统，以及显示屏和自动控制等。
激光管的光谱较窄、发散角小、方向性强、色散小，于1962 年研制成功后，得到迅速发展，广泛用于大容量、长距离的光纤通信系统以及光电集成电路。
缺点是温度特性差，寿命比LED 短。
②光电探测器或光电接收器：通过电子过程探测光信号的器件。
即将射到它表面上的光信号转换为电信号，如PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD ）等，目前广泛用于光纤通信系统。
③太阳电池。
将光辐射能转换成电能的器件。
1954年应用硅PN结首先研制成太阳电池。
它能把阳光以高效率直接转换成电能，以低运行成本提供永久性的电力，并且没有污染，为最清洁的能源。
根据其结构不同，其效率可达5%～20%。
光电元件知识点总结
光电元件知识点总结一、光电元件的定义光电元件是一种可以把光信号转换成电信号的器件，或者把电信号转换成光信号的器件。
光电元件具有灵敏度高、响应速度快、可靠性好等特点，广泛应用于光通信、光电子、光电测量、光电开关等领域。
二、光电元件的分类光电元件主要包括光电探测器、光电脉冲调制器、光发射器件等几大类。
其中光电探测器主要包括光电二极管、光电三极管、光敏电阻、光电场效应管等；光电脉冲调制器主要包括光电开关、光电倍增管、光电触发器等；光发射器件主要包括LED、LD、光电继电器等。
三、光电二极管光电二极管是一种将光信号转换为电信号的器件。
它主要由PN结及PN结两侧的金属电极组成。
当光线照射到PN结上时，光子能量会导致PN结的电子和空穴对被激发出来，从而产生电流。
光电二极管的工作波长范围取决于所使用的半导体材料，一般包括可见光和红外光等不同波长范围。
四、光电三极管光电三极管是一种依靠光信号控制电信号的器件。
它是在三极管基础上加上一个光敏电阻接在基极和发射极间的器件，当光线照射到光敏电阻上时，会改变光敏电阻的电阻值，从而影响基极与发射极之间的电流。
光电三极管的输出电流与输入光信号的强度呈线性关系。
五、光敏电阻光敏电阻是一种可以将光信号转换为电阻信号的器件。
它是一种半导体材料加工成薄膜状，当光线照射到其表面时，光子能量会激发出电子和空穴对，从而改变材料的电阻值。
光敏电阻的灵敏度取决于其材料的光敏特性和加工工艺。
六、光电场效应管光电场效应管是一种可以将光信号转换为电信号的器件。
它采用光电效应和场效应相结合的原理来实现。
当光线照射到场效应管的栅极上时，会激发出光电子，从而改变栅极和源极之间的电流，实现光信号的转换功能。
七、光电开关光电开关是一种利用光信号控制电信号开关的器件。
它主要由发光器件和光敏探测器两部分组成，当光线照射到光敏探测器上时，会产生电信号，从而控制开关的闭合和断开。
八、光电倍增管光电倍增管是一种可以将光信号转换为电信号并进行放大处理的器件。
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任务：（1）使前一级发射出来的电子尽可能没有散失 地落到下一个倍增极上，使下一级的收集率接近于1；（2 ）使前一级各部分发射出来的电子，落到后一级上时所经 历的时间尽可能相同。
光电信息转换器件特性和分类
4．倍增系统
每个倍增极由二次电子倍增材料构成。光电倍 增管是利用二次电子发射（高速电子打到金属表面 ，由于电子的动能被金属吸收，改变了金属原子内 电子能量的状态，使有些电子从金属表面逸出）现 象制成的。
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2．末极的并联电容
当入射辐射信号为高速的迅变信号或脉冲时，末3级倍 增极电流变化会引起较大UDD的变化，引起光电倍增管增益 的起伏，将破坏信息的变换。在末3极并联3个电容C1、C2 与C3，通过电容的充放电过程使末3级电压稳定。
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五、分析与计算
1.分压电阻的确定
光电信息转换器件特性和分类
§3.1.2 光敏电阻
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三、光电倍增管的供电电路
光电倍增管具有极高的灵敏度和快速响应等特点， 使它在光谱探测和极微弱快速光信息的探测等方面成为 首选的光电探测器。
1．电阻链分压型供电电路
图3.1.1-6所示为典型光电倍增管的电阻分压式供 电电路。电路由11个电阻构成电阻链分压器，分别向 10级倍增极提供电压UDD。
如果每个电子落到某一倍增极上从该倍增极打 出σ个二次电子，那么很明显地：
式中，
I i0 n
I —— 阳极电流； i0 —— 光阴极发出的光电流； n ———光电倍增极的级数。
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光电倍增管的电流放大系数β可用下式表示：
I n
i0
倍增系统有聚焦型和非聚焦型两类（根据两极间 的电子运动轨迹是否平行分类）。
5. 阳极
用来收集末级倍增极发射出来的电子。现在普 遍采用金属网来作阳极，靠近末级倍增极附近。
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二、光电倍增管的特性
1．光电特性 2．光谱特性 3．伏安特性 4．放大特性 5．频率特性 （可达1MHZ以上） 6．疲乏特性 7．暗电流 Iφ= 0
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1．光电特性
+
R5
RL
A
R4
D4
R3
D3
R2
D2
D1
-
R1
K
特点：线性增加，然后偏离直线。
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2．光谱特性
+
R5
RL
A
R4
D4
R3
D3
R2
D2
D1
-
R1
K
(图所示的光电阴极：锑钾铯Sb-K-Cs）。
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3．伏安特性
表示阳极电流 Ia 对于最 后一级倍增极和阳极间的电 压U的关系。作此曲线时， 其余各电极的电压保持恒定。
有时称为IФ=0 6． 灵敏度—— 对于复色光: S(积分灵敏度) =ΔI /ΔФ
对于单色光: S（λ）(光谱灵敏度)＝ΔI（λ）/ΔФ（λ）
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§3.1.1 光电倍增管
一、结构与原理 光电倍增管由光窗、光电阴极、电子光学系统、
电子倍增系统和阳极等五个主要部分组成，其外形如 图3.1.1-1所示。
总电压UAK在1000～1300伏之 倍间增，极间电压在80～100伏之间。
IR(10~2)0IAmax
RAK
U AK IR
R1与末几极R应取较大数值，中间电阻可均匀分配。
光电信息转换器件特性和分类
2.并联电容的确定
光电倍增管用于探测高速的迅变信号或脉冲 时，常在最后几级并联旁路电容C1、C2、C3 （使末3级电压稳定,要求极间电压变化小于1 ％ ）。
+
R5
RL
A
R4
D4
R3
D3
R2
D2
D1
-
R1
K
疲劳指在工作过 程中灵敏度降低。
1-20分钟； 2-40分钟
特点：
阳极电流对灵敏度的影响示意图
• 随阳极电流的增大，灵敏度下降
• 随使用时间的增长，灵敏度下降 光电信息转换器件特性和分类
7．暗电流
暗 电 流 Iφ=0 的 来 源 ： 光 电阴极和光电倍增极的热电 子发射。温度T越高，热电 子发射越多，则暗电流越大 。如果需要较小的暗电流， 可通过冷却光电倍增管来减 小暗电流。暗电流的另一组 成部分是光电倍增管的漏电 流。
C1
10
0IAt U
C2、C3的电容值，大概为C1的1/δ、 1/δ2，约为0.002～0.005μF。
光电信息转换器件特性和分类
3.高压电源 一般配有专用高压直流电源， 电源模块内部有保护电路。
4.接地方式 •阴极接地（正高压接法 ）：输入光脉冲时用; •阳极接地（负高压接法）：一般采用此 方式,便于与后面的放大器相连,操作安全。
光电信息转换器件 特性和分类
光电信息转换器件特性和分类
3．光伏效应。在入射光能量作用下能使物体 产生一定方向的电动势。以PN结为例，由于光 线照射PN结而产生的电子和空穴，在内电场作 用下分别移向N和P区，从而对外形成光生电动 势。相应器件：光电池、光敏二极管、光敏三极 管等。
4．光电热效应。光照引起材料温度发生变化而 产生电流的现象。相应器件： 热电探测器。
特点： （1）光通量不变，曲线
由上升至饱和。 （2）电压不变，阳极电
流随光通量增加
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4．放大特性
放大特性是指电 流放大系数β或灵敏 度随电源电压U增大 的关系。
特点： 随着电源电压升高，放
大系数或灵敏度增大。
5. 频率特性（可达1MHZ以上）
光电信息转换器件特性和分类
6．疲劳特性
光电信息转换器件特性和分类
光电信息转换器件的主要特性和参数如下： 1．光电特性—— IФ [光电流]＝F（Ф）[光通量] 2．光谱特性—— IФ [光电流]＝F（λ）[入射光波长] 3．伏安特性—— IФ [光电流]＝F（Ｕ）[电压] 4．频率特性—— IФ [光电流]＝F（f）[入射光调制频率] —— 导致电子瓶颈的主要原因 5．暗电流—— Ф＝0时光电信息转换器件输出的电流，
侧窗式
端窗式
光电信息转换器件特性和分类
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原理图
倍增极
D1
D3
阳极
A
D2
D4
K
图3.1.1-2 多级倍增管的工作原理
光电信息转换器件特性和分类
ห้องสมุดไป่ตู้
1．光窗
光窗是入射光的通道，是对光吸收较多的部分。常用 的光窗材料有钠钙玻璃和熔凝石英等。
2．光电阴极
它的作用是接收入射光，向外发射光电子。制作光电 阴极的材料多是化合物半导体。