【正文】 ） 很厚的 本征半導(dǎo)體 (Intrinsic semiconductor)。 這樣 ， PN結(jié)的內(nèi)電場就基本上全集中于 I 層中 ，從而使 PN結(jié)雙電層的間距加寬 ， 結(jié)電容變小 。 由式 τ = CjRL與 f = 1/2π τ 知 ， Cj小 ， τ 則小 ， 頻帶將變寬 。 PSi NSi ISi PIN管結(jié)構(gòu)示意圖 光電器件及特性 最大特點：頻帶寬 ， 可達 10GHz。 另一個特點是 ， 因為 I層很厚 ， 在反偏壓下運用可承受較高的反向電壓 ， 線性輸出范圍寬 。 由耗盡層寬度與外加電壓的關(guān)系可知 ， 增加反向偏壓會使耗盡層寬度增加 ， 從而結(jié)電容要進一步減小 ， 使頻帶寬度變寬 。 不足： I層電阻很大 ， 管子的輸出電流小 ， 一般多為零點幾微安至數(shù)微安 。 目前有將 PIN管與前置運算放大器集成在同一硅片上并封裝于一個管殼內(nèi)的商品出售 。 光電器件及特性 （ 2） 雪崩光電二極管 (APD) 雪崩光電二極管是利用 PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來工作的一種二極管 。 這種管子 工作電壓很高 ， 約 100～ 200V， 接近于反向擊穿電壓 。 結(jié)區(qū)內(nèi)電場極強 ， 光生電子在這種強電場中可得到極大的加速 ， 同時與晶格碰撞而產(chǎn)生電離雪崩反應(yīng) 。 因此 ， 這種管子有很高的內(nèi)增益 ， 可達到幾百 。 當(dāng)電壓等于反向擊穿電壓時 ， 電流增益可達 106， 即產(chǎn)生所謂的雪崩 。 這種管子響應(yīng)速度特別快 ， 帶寬可達 100GHz， 是目前響應(yīng)速度最快的一種光電二極管 。 噪聲大是這種管子目前的一個主要缺點 。 由于雪崩反應(yīng)是隨機的 ， 所以它的噪聲較大 ， 特別是工作電壓接近或等于反向擊穿電壓時 ， 噪聲可增大到放大器的噪聲水平 ， 以至無法使用 。 但由于 APD的響應(yīng)時間極短 ， 靈敏度很高 ， 它在光通信中應(yīng)用前景廣闊 。 光電器件及特性 2. 光敏三極管 (Phototransistor)(自學(xué) ) 光敏三極管有 PNP型和 NPN型兩種 ， 如圖 。 其結(jié)構(gòu)與一般三極管很相似 ， 具有電流增益 ,只是它的發(fā)射極一邊做的很大 ,以擴大光的照射面積 ,且其基極不接引線 。 當(dāng)集電極加上正電壓 ,基極開路時 ,集電極處于反向偏置狀態(tài) 。 當(dāng)光線照射在集電結(jié)的基區(qū)時 ,會產(chǎn)生電子 空穴對 ,在內(nèi)電場的作用下 ,光生電子被拉到集電極 ,基區(qū)留下空穴 ,使基極與發(fā)射極間的電壓升高 ,這樣便有大量的電子流向集電極 ,形成輸出電流 ,且集電極電流為光電流的 β 倍 。 P P N N N P e b b c RL E e c 第 8章 光電式傳感器 光敏三極管的主要特性： 光敏三極管存在一個最佳靈敏度的峰值波長 。 當(dāng)入射光的波長增加時 ， 相對靈敏度要下降 。 因為光子能量太小 ， 不足以激發(fā)電子空穴對 。 當(dāng)入射光的波長縮短時 ， 相對靈敏度也下降 ， 這是由于光子在半導(dǎo)體表面附近就被吸收 ， 并且在表面激發(fā)的電子空穴對不能到達 PN結(jié) ， 因而使相對靈敏度下降 。 （ 1）光譜特性 相對靈敏度/% 硅 鍺 入射光 λ/197。 4000 8000 12021 16000 100 80 60 40 20 0 硅的峰值波長為 9000197。，鍺的峰值波長為 15000197。由于鍺管的暗電流比硅管大 ， 因此鍺管的性能較差 。故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時 ， 一般選用硅管；但對紅外線進行探測時 ,則采用鍺管較合適 。 光電器件及特性 光敏晶體管的伏安特性 （ 2）伏安特性 如圖所示 。 光敏三極管在不同的照度下的伏安特性 ， 就像一般晶體管在不同的基極電流時的輸出特性一樣 。 因此 ， 只要將入射光照在發(fā)射極 e與基極 b之間的 PN結(jié)附近 ， 所產(chǎn)生的光電流看作基極電流 ， 就可將光敏三極管看作一般的晶體管 。 光敏三極管能把光信號變成電信號 ， 而且輸出的電信號較大 。 0 500lx 1000lx 1500lx 2021lx 2500lx I/mA 2 4 6 20 40 60 80 U/V 光電器件及特性 光敏晶體管的光照特性 I / μA L/lx 200 400 600 800 1000 0 （ 3） 光照特性 光敏三極管的光照特性如圖所示 。 它給出了光敏三極管的輸出電流 I 和照度之間的關(guān)系 。 它們之間呈現(xiàn)了近似線性關(guān)系 。 當(dāng)光照足夠大 (幾 klx)時 ， 會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象 ， 從而使光敏三極管既可作線性轉(zhuǎn)換元件 ， 也可作開關(guān)元件 。 光電器件及特性 暗電流 /mA 光電流 /mA 10 20 30 40 50 60 70 T /186。C 25 0 50 100 0 200 300 400 10 20 30 40 50 60 70 80 T/186。C 光敏晶體管的溫度特性 （ 4） 溫度特性 光敏三極管的溫度特性曲線反映的是光敏三極管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系 。 從特性曲線可以看出 ， 溫度變化對光電流的影響很小 ， 而對暗電流的影響很大 ． 所以電子線路中應(yīng)該對暗電流進行溫度補償 ， 否則將會導(dǎo)致輸出誤差 。 光電器件及特性 （ 5） 光敏三極管的頻率特性 光敏三極管的頻率特性曲線如圖所示 。 光敏三極管的頻率特性受負(fù)載電阻的影響 ， 減小負(fù)載電阻可以提高頻率響應(yīng) 。 一般來說 ， 光敏三極管的頻率響應(yīng)比光敏二極管差 。 對于鍺管 ， 入射光的調(diào)制頻率要求在 5kHz以下 。 硅管的頻率響應(yīng)要比鍺管好。 0 100 1000 500 5000 10000 20 40 60 100 80 RL =1kΩ RL =10kΩ RL =100kΩ 入射光調(diào)制頻率 / HZ 相對靈敏度/% 光敏晶體管的頻率特性 光電器件及特性 第四節(jié) 新型光電器件（自學(xué)） 一、色敏光電傳感器 P + N P SiO2 電極 1 電極 2 電極 3 1 2 3 色敏光電傳感器和等效電路 色敏光電傳感器實際上是光電傳感器的一種特殊類型 。 它是兩只結(jié)深不同的的光電二極管組合體 ，其結(jié)構(gòu)和工作原理的等效電路如圖所示 。 新型光電器件 二、固態(tài)圖象傳感器 (Solid State Image Sensor) 固態(tài)圖象傳感器由 光敏元件陣列 和 電荷轉(zhuǎn)移器件 集合而成 。它的核心是 電荷轉(zhuǎn)移器件 CTD(Charge Transfer Device),最常用的是電荷耦合器件 CCD(Charge Coupled Device)。 CCD自 1970年問世以后 ， 由于它的低噪聲等特點 ， 被廣泛應(yīng)用在微光電視攝像、 信息存儲和信息處理等方面 。 CCD的結(jié)構(gòu)和基本原理 P型 Si 耗盡區(qū) 電荷轉(zhuǎn)移方向 Ф1 Ф2 Ф3 輸出柵 輸入柵 輸入二極管 輸出二極管 SiO2 CCD的 MOS結(jié)構(gòu) 新型光電器件 一、煙塵濁度監(jiān)測儀 (Smoke Turbidity Monitor) 防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務(wù)之一 。 為了消除工業(yè)煙塵污染 ， 首先要知道煙塵排放量 ， 因此必須對煙塵源進行監(jiān)測 、 自動顯示和超標(biāo)報警 。 煙道里的煙塵濁度是用通過光在煙道里傳輸過程中的變化大小來檢測的 。 如果煙道濁度增加 ， 光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加 ， 到達光檢測器的光減少 ， 因而光檢測器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化 。 第五節(jié) 光電式傳感器的應(yīng)用 光電式傳感器的應(yīng)用 平行 光源 光電 探測 放大 顯示 刻度 校正 報警器 吸收式煙塵濁度檢測系統(tǒng)原理圖 煙道 光電式傳感器的應(yīng)用 二、光電轉(zhuǎn)速傳感器 2 3 1 2 3 1 (a) (b) 光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表工作原理圖 下圖是光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表的工作原理圖 。 圖 (a)是在待測轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔的轉(zhuǎn)速調(diào)置盤 ， 在調(diào)置盤一邊由白熾燈產(chǎn)生恒定光 ， 透過盤上小孔到達光敏二極管組成的光電轉(zhuǎn)換器上 ， 轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號 ， 經(jīng)過放大整形電路輸出整齊的脈沖信號 ，轉(zhuǎn)速由該脈沖頻率決定 。 在待測轉(zhuǎn)速的軸上固定一個涂上黑白相間條紋的圓盤，它們具有不同的反射率。當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，反光與不反光交替出現(xiàn)，光電敏感器件間斷地接收光的反射信號，轉(zhuǎn)換為電脈沖信號。 光電式傳感器的應(yīng)用 三、光電池應(yīng)用 光電池 (Photoelectric battery)主要有兩大類型的應(yīng)用： ? 將光電池作光伏器件使用 ， 利用光伏作用直接將太陽能轉(zhuǎn)換成電能 ， 即太陽能電池 。 這是人們探索新能源的一個重要研究課題 。 太陽能電池已在宇宙開發(fā) 、 航空 Aviation、 通信設(shè)施 Communication、 太陽電池地面發(fā)電站 、 日常生活和交通事業(yè)中得到廣泛應(yīng)用 。 隨著太陽電池技術(shù)不斷發(fā)展 ， 成本會逐漸下降 ， 太陽電池將獲得更廣泛的應(yīng)用 。 ? 將光電池作 光電轉(zhuǎn)換器件 (Optoelectronic Transform Device)應(yīng)用 ， 需要光電池具有靈敏度高 、 響應(yīng)時間短等特性 ， 但不必需要像太陽電池那樣的光電轉(zhuǎn)換效率 。 這一類光電池需要特殊的制造工藝 ， 主要用于光電檢測和自動控制系統(tǒng)中 。 光電式傳感器的應(yīng)用 1．太陽電池電源 (Solar battery power source) 太陽電池電源系統(tǒng)主要由太陽電池方陣、蓄電池組、調(diào)節(jié)控制和阻塞二極管組成。如果還需要向交流負(fù)載供電，則加一個直流－交流變換器，太陽電池電源系統(tǒng)框圖如圖。 調(diào)節(jié)控制器 逆變器 交流負(fù)載 太陽 電池 方陣 直流負(fù)載 太陽能電池電源系統(tǒng) 阻塞二極管 光電式傳感器的應(yīng)用 2．光電池在光電檢測和自動控制方面的應(yīng)用 光電池作為 光電探測 (Photoelectric detection)使用時 ， 其基本原理與 光敏二極管 (Photodiode)相同 ， 但它們的基本結(jié)構(gòu)和制造工藝不完全相同 。 由于光電池工作時不需要外加電壓；光電轉(zhuǎn)換效率高 ， 光譜范圍寬 ， 頻率特性好 ， 噪聲低等 ， 它已廣泛地用于光電讀出 、 光電耦合 、 光柵 (Grating)測距 、 激光準(zhǔn)直 、 電影還音 、 紫外光監(jiān)視器和燃?xì)廨啓C的熄火保護裝置等 。 光電式傳感器的應(yīng)用