第三章之光电三极管

相100 对 80 灵 60 敏 度 40 /% 20 0 100
光电三极管的频率特性
RL=100kΩ 500
ຫໍສະໝຸດ Baidu
RL=1kΩ
1000
RL=10kΩ
5000 10000 调制频率 / Hz
光电三极管的应用电路
光电三极管主要应用于开关控制电路及逻辑电路。
J A R1 R2
3DG12 V
R1 A R2
J
3DG12 V
光电倍增管的应用
用于测量辐射光谱在狭窄波长范围内 的辐射功率。用于分析仪器中，如光谱辐 射仪。
3.4 发光器件
1. 白炽光源
1879年爱迪生发明白炽灯
白炽光源
用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，一 般白炽灯的辐射光谱是连续的。
发光范围：可见光、大量红外线和紫外线， 所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。
+5V
Rb1
LED
Vin
Rb2
Re
LED的特点及应用
一、特点
1、 LED辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角大。 2、 LED的发光颜色非常丰富，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。而 且通过红、绿、蓝三原色的组合，可以实现全色化。 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发出的光也能辨认。正是基于这一 优势，在室外用信息板、广告牌、道路通行状况告示牌等方 面的应用正迅速扩大。
石英套
栅极，Grill 光束 屏蔽 光电倍增管示意图
共有9个打拿极(dynatron)，所加直流电压共为9010V
阳极
1个光子产生106~107个电子
光电倍增管的特点
• • • • • • • 放大倍数很高，用于探测微弱信号； 光电特性的线性关系好 ； 工作频率高 ； 性能稳定，使用方便 ； 供电电压高； 玻璃外壳，抗震性差； 价格昂贵，体积大；
UF和IF为二极管参数 例如： GaAs电流选用20mA，GaP电 流选用10mA，即可获得足够 亮度。
u /V
阈值特性与材料有关： GaAs是1.0V；GaAsP、GaAlAs 约为1.5V；发红光的GaP是 1.8V，发绿光的GaP是2.0V， 反向击穿电压一般在-5V以上 。
LED信号控制电路
发光二极管的工作原理 发光二极管是少数载流子在PN结区的 注入与复合而产生发光的一种半导体光 源，也称作注入式场致发光光源
光输出
N-AIyGa1-yAs P- GaAs
P-AIxGa1-xAs
导光层 衬底
光纤 圆形蚀刻孔
条形接触 (确定有源区) 接合材料 金属化层 有源区 金属化层 (用于电接触) 衬底 SiO2绝缘层 双异质结 层 双异质结
特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特 性差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高， 是可取之处。
荧光灯将电光源带入新天地
2. 气体放电光源
定义： 利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。
气体放电灯的光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条 件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可 得到主要在某一光谱范围的辐射。 低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光 源，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯的 辐射波长为589nm，可被用作单色光源。如果光谱灯涂以荧光剂 ，由于光线与涂层材料的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化 为更长的波长，通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范 围的波长，如照明日光灯。 气体放电灯消耗的能量为白炽灯1/2-1/3
λ/nm
/%
伏安特性
光电三极管的伏安特性曲线如图所示。光电三极管在不 同的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基极电流时 的输出特性一样。因此，只要将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。光电三极管能把光信号 变成电信号，而且输出的电信号较大。
I/mA
伏安特性
6 4 2 0
金属化层 (用于电接触) 限制层 SiO2绝缘层 金属化层 热沉 热沉
SiO2绝缘层
有源区 圆形金属触点
发光二极管的类型：正面发光型LED和侧面发光型LED
球透镜 环氧树脂 P层 有源层 n层 发光区 微透镜 P型限制层 有源层 波导层 n型限制层
图 3.14两类发光二极管(LED) (a) 正面发光型； (b) 侧面发光型
光电倍增管的结构及工作原理
倍增极
阳极
阴极在光照下发射出光电子，光电子受到电极间电场作 用获得较大能量打在倍增电极上，产生二次电子发射，经过 多极倍增的光电子到达阳极被收集而形成阳极电流，随光信 号的变化。在倍增极不变的条件下，阳极电流随光信号变化 。
光电倍增管（photomultiplier tube, PMT）
照明领域的又一次革命
3. 发光二极管(Light emitting diode)
LED的发展历史
1965年世界上的第一只商用化LED诞生，用锗制成， 单价45美元，为红光LED，发光效率0.1 lm/w. 1968年利用半导体搀杂工艺使GaAsP材料的LED的发 光效率达到1 lm/w, 并且能够发出红光、橙光和黄 光.
3.2.2 光电三极管 • 光电晶体管和普通晶体管类似，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。 • 光电晶体管的外形，有光窗、集电极引出线、 发射极引出线和基极引出线（有的没有）。 • 制作材料一般为半导体硅，管型为NPN型， • 国产器件称为3DU系列。
GaAsP λ p=655nm
700
800
900
发光二极管的光谱特性
1000 λ/nm
发光二极管LED的频率响应
10
ì Æ µÂÊÏÓ¦ H( f )
e £ ½1.1 ns e£ ½2.1 ns e £ ½6.4 ns
100 µ÷ Æ µÂÊf / MHz ÖÆ 1000
0.1 10
发光二极管LED的P-I特性曲线
20 40
2500lx 2000lx 1500lx 1000lx
500lx
U/V
60
80
温度特性
光电三极管的温度特性曲线反映的是光电三极管的暗电流及 光电流与温度的关系。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流 的影响很小，而对暗电流的影响很大．所以电子线路中应该对暗 电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。
• 光电晶体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。 • 但它的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。 • 所以光电晶体管多用来作光电开关元件 或光电逻辑元件。
• 正常运用时，集电极加正电压。因此，集 电结为反偏臵，发射结为正偏臵，集电结 为光电结。 基区面积做得较大，发射区面积却做得较 小，入射光线主要被基区吸收。与光电二极 管一样，入射光在基区中激发出电子与空穴 。在基区漂移场的作用下，电子被拉向集电 区，而空穴被积聚在靠近发射区的一边。
LED的光谱特性
LED的发光谱决定 其发光颜色，目前 可实现各类颜色。 LED具有正的温度 系数，温度升高时 ，发射波长红移， 约为：0.2-0.3nm/ 度
GaP λ p=565nm 相 对 0.8 灵 0.6 敏 0.4 度 0.2 0 600 1.0
GaAsP λ p=670nm GaAs λ p=950nm
由于空穴的积累而引起发射区势垒的降低，其结 果相当于在发射区两端加上一个正向电压，从而引 起了倍率为β+1(相当于三极管共发射极电路中的电 流增益)的电子注入，这就是硅光电三极管的工作原 理。Ic（＝Ie＝（1＋β）Ip）β为电流放大倍数。
•因此，光电晶体管的电流放大作用与普通晶 体管在上偏流电路中接一个光电二极管的作用 是完全相同的。
3、路灯、霓虹灯的自动控制电路
如要求路灯控制灵敏，可采用如图电路。
防止闪电等短时干扰的路灯控制电路
印刷机纸张监控器
印刷机纸张监控器可以自动监测每次印刷的纸张是 否为一张，如果不是一张则发出报警讯响，停止印刷， 待整理好纸张后，再开始工作。
光控电焊眼罩
汽车车灯全自动控制器
3.3.3 光电倍增管
光电三极管的主要特性： 光谱特性
光电三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。当入射光的 波长增加时，相对灵敏度要下降。因为光子能量太小，不足以 激发电子空穴对。当入射光的波长缩短时，相对灵敏度也下降， 这是由于光子在半导体表面附近就被吸收，并且在表面激发的 电子空穴对不能到达PN结，因而使相对灵敏度下降。
光电三极管的工作原理
Vo
集电极
集电极
c
Ip Ic Ib
b
e
基极
发射极
发射极
I c I p I p 1 I p
光敏三极管的结构原理、工作原理和电气图形符号
光电三极管的工作原理
工作过程：一、光电转换；二、光电流放大
VCC
基本 应用 电路
集成光电器件 为了提高光电三极管的频率响应、增益和减 小体积。将光电二极管、三极管制作在一个硅片 上构成集成器件
暗电流/mA
50
光电流/mA
400 300 200 100 0
25 0 10 20 30 40 50 60 70
T /º C
10 20 30 40 50 60 70 80
T/º C
光电三极管的温度特性
频率特性
光电三极管的频率特性曲线如图所示。光电三极管的频率特 性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。一般来 说，光电三极管的频率响应比光电二极管差。对于锗管，入射光 的调制频率要求在5kHz以下。硅管的频率响应要比锗管好。
3.4.1 发光二极管(Light emitting diode)
由半导体PN结构成，其工作电压低、响应速度快、寿 命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。 半导体中，由于空穴和电子的扩散，在PN结处形成势垒，从 而抑制了空穴和电子的继续扩散。当PN结上加有正向电压时，势 垒降低，电子由N区注入到P区，空穴则由P区注入到N区，称为少 数载流子注入。所注入到P区里的电子和P区里的空穴复合，注入 到N区里的空穴和N区里的电子复合，这种复合同时伴随着以光子 形式放出能量，因而有辐射发光现象。
1．亮通光电控制电路 当有光线照射于光 电器件上时，使继电器
有足够的电流而动作，
这种电路称为亮通光电 控制电路，也叫明通控 制电路。最简单的亮通 电路如图所示。
2．暗通光电控制电路 如果光电继电器不受光
照时能使继电器动作，而
受光照时继电器释放，则
称它为暗通控制电路。
另一种方法是在亮通电路的基础上加一级倒相器，也可完 成暗通电路的作用。 要说明的是，亮通和暗通是相对而言的，以上分析都是假 定继电器高压开关工作在常开状态，如工作在常闭状态，则亮 通和暗通也就反过来。
Photo-Multiplier tube （PMT）
光电倍增管是建立在光电子发射效应、二次电子发 射效应和电子光学理论的基础上，能够将微弱光信号转 换成光电子并获得倍增效应的真空光电发射器件。
真空光电管
光束 阴极 抽真空 e 阳极丝（Ni） 直流放大
R - 90V DC + 阴极表面可涂渍不同光敏物质：高灵敏(K,Cs,Sb其中二者)、红光敏 (Na/K/Cs/Sb, Ag/O/Cs)、紫外光敏、平坦响应(Ga/As，响应受波长影响 小)。产生的光电流约为硒光电池的1/10。 优点：阻抗大，电流易放大；响应快；应用广。 缺点：有微小暗电流（Dark current，40K的放射线激发）。
原理：由正向偏置电压产生的注入电流进行自发辐射而发光
4 输 出 3 光 功 2 率 1
0℃
25℃ 70℃
/ mW
0
50 100 电流/mA 150
LED驱动电路及伏安特性
i / mA
Ucc
120 100
RL为限流电阻
RL IF
80 60 40
RL
U cc U F
IF
UF
20 0 1.0 1.5 2.0 2.5
100 相 对 80 灵 敏 60 度 40 20 0 4000 8000 12000 16000
硅
硅的峰值波长为900nm，锗 的峰值波长为1500nm。由 锗 于锗管的暗电流比硅管大， 因此锗管的性能较差。故 在可见光或探测赤热状态 物体时，一般选用硅管； 但对红外线进行探测时,则 入射光 采用锗管较合适。
1971年出现GaP材料的绿光LED，发光效率也达到1 lm/w.
80年代，重大技术突破，开发出AlGaAs材料的 LED，发光效率达到 10 lm/w. 1990年到2001年，AlInGaP的高亮度LED成熟，发 光效率达到 40—50 lm/w. 1990年基于SiC材料的蓝光LED出现，发光效率为 0.04 lm/w. 90年代中期出现以蓝宝石为衬底的GaN蓝光LED， 到目前仍然为该技术.