【文章內(nèi)容簡介】 圖 3. pn 結(jié)上的光電激發(fā) 無光照時(shí)，若給 PN 結(jié)加上一個(gè)適當(dāng)?shù)姆聪螂妷?，則反向電壓加強(qiáng)了內(nèi)建電場，使PN 結(jié)空間電荷區(qū)拉寬，勢壘增大；被光照時(shí)，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生的光生載流子被加強(qiáng)了的內(nèi)建電場拉開，光生電子被拉向 N 區(qū)，光生空穴被拉向 P 區(qū)，于是形成了以少數(shù)載流子漂移運(yùn)動(dòng)為主的光電流。 圖 4 為使用 Altium Designer 07 Winter 軟件繪制的光電二極管的工作電路圖，在 光電 二極管上加上反向偏置電壓 15V。經(jīng)過仿真后得出結(jié)果：無光照時(shí)負(fù)載上輸出電壓為低電平，有光照時(shí)，負(fù)載輸出電壓為高電平。 圖 與普通二極管相比 ,光電二極管受光面大， PN 結(jié)面積更大， PN 結(jié)深度較淺； 表面有防反射的 SiO2 保護(hù)層，外加負(fù)向的偏置電壓。實(shí)際上，不是不能加正向電壓，只是正接以后就與普通二極管一樣，只有單向?qū)щ娦裕憩F(xiàn)不出它的光電效應(yīng)。 光伏探測器 的特性 光電二極管的基本特性有光照 特性、伏安特性、溫度特性和頻率特性。 （ 1）光照特性 光照特性主要體現(xiàn)了光電流與光照度的關(guān)系， 圖 5 是光電流與光照度的特性圖，由圖 5 可知 兩者之間的關(guān)系 是：線性好 。光電流較小 。靈敏度低。 4123Ic(mA) 8 1 2Ee=20000lx1 0 0 0 0 l x5 0 0 0 l x2 0 0 0 l x1 0 0 0 l xV ( V ) 圖 5. 15V 反向偏壓時(shí)的光照特性曲線 （ 2）伏安特性 光電二極管的伏安特性可參考下圖，反向偏置電壓與光電流 呈線性關(guān)系。 圖 （ 3）溫度特性 光電二極管的溫度特性 描述 光電流和暗電流隨溫度變化的性質(zhì)，硅光電二極管的溫度升高，信噪比降低。 （ 4）頻率特性 光電二極管的頻率特性是所有 半導(dǎo)體光電器件中最好的一種 。 這主要是由于光電二極管的結(jié)電容較?。?小于 20181。F) ；光生載流子在薄層中的擴(kuò)散時(shí)間及 PN 結(jié)中的漂移時(shí)0 250 500 750 1000 1250102030405060E)(AI?間 較短，故其響應(yīng)頻率可以達(dá)到很高。 快 速硅 PIN 光電二極管 本次實(shí)驗(yàn)采用的光電二極管是 GT106 型快速硅 PIN 光電二極管。該光電二極管的主要特點(diǎn)是響應(yīng)度高，響應(yīng)速度特別快；噪聲低、性能穩(wěn)定可靠。 PIN 結(jié)光電二極管在 p 型和 n 型半導(dǎo)體之間加入一個(gè)本征區(qū)域，其表面做得很薄，使得入射輻射透入本征區(qū)內(nèi)被吸收，產(chǎn)生電子一空穴對(duì)。本征區(qū)內(nèi)的電場使電子一空穴對(duì)分開，并快速通過本征區(qū)分 別進(jìn)入 n 區(qū)和 p 區(qū)。器件的頻率響應(yīng)和效率都比用同樣材料制作的 pn 結(jié)光電二極管好。 圖 光電二極管結(jié)構(gòu) GT106 型快速硅 PIN 光電二極管采用硅 PIN 內(nèi)外管復(fù)合結(jié)構(gòu)。為保證極快的響應(yīng)速度，采用背面蝕洞法，使 I 層盡量薄。這樣， 載流子 高速 通過漂移區(qū)的時(shí)候 ， 被電極收集在外電路里就產(chǎn)生了光電流。用外 管來短路慢速的光生載流子，從而實(shí)現(xiàn)了快速響應(yīng)的目的。 GT106 型快速硅 PIN 光電二極管 的光譜響應(yīng)曲線如圖 8. 圖 光電二極管 的光譜響應(yīng)曲線 167。 光電信號(hào)輸出 要實(shí)現(xiàn)光信號(hào)對(duì)電路的控制，即對(duì)光電二極管進(jìn)行持續(xù)照射，當(dāng)有物件通過時(shí)對(duì)光進(jìn)行遮擋，輸出一次低電平，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)一次。光電轉(zhuǎn)換電路需要控制計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入端，產(chǎn)生矩形脈沖波。經(jīng)過測試， GT106 型光電二極管的光電流為微安量級(jí)，因此在偏置電路中加上 1M 歐的負(fù)載電阻，可以實(shí)現(xiàn)無光照時(shí)負(fù)載電阻上輸出低電平，有光照時(shí)負(fù)載電阻上輸出高電平。但負(fù) 載上的輸出情況與計(jì)數(shù)器所需要的時(shí)鐘信號(hào)是反向的，因此將負(fù)載輸出連接到 555 定時(shí)器上，再對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行控制。 555 定時(shí)器是一種多用途的數(shù)字 模擬混合集成電路，利用它能極方便地構(gòu)成施密特觸發(fā)器、多諧振蕩器或者單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。下面是 555 的引腳圖以及功能表。 圖 定時(shí)器的引腳圖及功能表 將 555 定時(shí)器的ν Ⅰ 1和ν Ⅰ 2兩個(gè)輸入端連在一起作為信號(hào)輸入端，即可以得到施密特觸發(fā)器。施密特觸發(fā)器的輸出電壓ν 0由高電平變?yōu)榈碗娖胶陀傻碗娖阶優(yōu)楦唠娖剿鶎?duì)應(yīng)的ν Ⅰ 也不相同，這樣就形成了施密特觸發(fā)器 的觸發(fā)特性。施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性是回滯的。傳輸特性圖如下： 圖 根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)出光電轉(zhuǎn)換電路。使用仿真軟件繪制出電路圖。 第二章 計(jì)數(shù)電路 167。 十進(jìn)制計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì) 光電計(jì)數(shù)器需要對(duì)光電信號(hào)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，利用 TTL 器件 74160 可以實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制的計(jì)數(shù)，要實(shí)現(xiàn)兩位的計(jì)數(shù)，低位計(jì)數(shù)到 10 自動(dòng)進(jìn)位，整體計(jì)數(shù)達(dá)到 99 以后實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)，從 0 開始計(jì)數(shù)。使用兩個(gè) 160 接成計(jì)數(shù)電路。 74160 的 1 號(hào)引腳懸空， 2 號(hào)引腳為時(shí)鐘輸入信號(hào)， 6 號(hào)引腳為預(yù)置數(shù)端，可以懸空可以接零， 7 號(hào)引腳 ENP 和 10 號(hào)引腳 ENT 連接后接高電平，電路才可以工作在計(jì)數(shù)狀態(tài)， 1 1 1 14 號(hào)引腳為輸出信號(hào)端， 15 號(hào)引腳為進(jìn)位輸出端，計(jì)數(shù)器產(chǎn)生進(jìn)位時(shí)自動(dòng)輸出一次高電平。 74161 的功能表如 表 1： 表 74160的功能表 RD39。 LD39。 ET EP 工作模式 L X X X RESET (Clear)清零 H L X X LOAD (Pn Qn)置數(shù) H H H H COUNT (Increment)計(jì)數(shù) H H L X NO CHANGE (Hold)保持（不變） H H X L NO CHANGE (Hold)保持（不變） 使用 protues 軟件繪制電路圖，然后進(jìn)行仿真，計(jì)數(shù)部分的電路 圖如圖 11： 圖 最初設(shè)計(jì)方案是將低位 160的進(jìn)位輸出端接到高位的時(shí)鐘輸入上，在仿真時(shí)候發(fā)現(xiàn)當(dāng)計(jì)數(shù)到 9時(shí)進(jìn)位輸出端就會(huì)輸出信號(hào)，導(dǎo)致出現(xiàn)高位提前計(jì)數(shù)的情況。對(duì)電路進(jìn)行修改，當(dāng)?shù)臀坏妮敵鲂盘?hào)為 0000 時(shí)輸出進(jìn)位脈沖。具體實(shí)現(xiàn)方法為在 Q0Q1Q2Q3端加上非門，之后經(jīng)過四輸入與門，再作為高位計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)。改動(dòng)后對(duì)電路進(jìn)行仿真，在計(jì)數(shù)器的四個(gè)輸出端加入示波器，波形輸出如 圖 12， 波形輸出檢測正常，為二進(jìn)制的計(jì)數(shù)。 圖 167。 顯示譯碼電路設(shè)計(jì) 計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)的結(jié)果需要通過譯碼器連接顯示電路。譯碼器的邏輯功能是將每個(gè)輸入的二進(jìn)制代碼譯成對(duì)應(yīng)的輸出高、低電平信號(hào)或另一個(gè)代碼。常用的譯碼器電路有二進(jìn)制譯碼器、二 十進(jìn)制譯碼器和顯示譯碼器三類。由于