【正文】 大特點：頻帶寬，可達 10GHz。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。 （ 1） PIN管結(jié)光電二極管 PIN管是光電二極管中的一種。光敏二極管的光電流 I 與照度之間呈線性關(guān)系。反向電流也叫做 暗電流 ．當光照射時，光敏二極管的工作原理與光電池的工作原理很相似。光敏二極管在電路中一般是處于 反向工作狀態(tài) ， 如圖所示 。 鍺光敏二極管有 A， B， C， D四類；硅光敏二極管有 2CU1A～ D系列 、 2DU1～ 4系列 。 2CU系列的光電二極管只有兩條引線，而 2DU系列光電二極管有三條引線。 國產(chǎn)硅光電二極管按襯底材料的導電類型不同，分為 2CU和 2DU兩種系列。 按結(jié)構(gòu)分 ， 有同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)之分 。 光生電勢與光電池相同 ， 但輸出電流普遍比光電池小 ， 一般為幾 μA到幾十 μA。C ISC UOC ISC / μA 600 400 200 UOC—— 開路電壓 ISC —— 短路電流 硅光電池在 1000lx照度下的溫度特性曲線 三、光敏二極管和光敏三極管 光電二極管和光電池一樣 ， 其 基本結(jié)構(gòu)也是一個 PN結(jié) 。由圖可見，開路電壓與短路電流均隨溫度而變化，它將關(guān)系到應用光電池的儀器設備的溫度漂移，影響到測量或控制精度等主要指標，因此，當光電池作為測量元件時，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補償措施。 由圖可知 ， 硅光電池具有較高的頻率響應 ， 如曲線 2， 而硒光電池則較差 ， 如曲線 1。 由于光電池 PN結(jié)面積較大 ， 極間電容大 ， 故頻率特性較差 。 1—— 硒光電池 2—— 硅光電池 (3) 頻率特性 光電池作為測量 、 計數(shù) 、 接收元件時常用調(diào)制光輸入 。從曲線可看出，硒光電池在可見光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長在 540nm附近，適宜測可見光。從圖中可以看出，負載電阻 RL越小，光電流與強度的線性關(guān)系越好，且線性范圍越寬。光電池在不同照度下，其內(nèi)阻也不同，因而應選取適當?shù)耐饨迂撦d近似地滿足“短路”條件。 I U Id U I RL IΦ (a) (b) (c) 圖 光電池符號和基本工作電路 L/klx L/klx 5 4 3 2 1 0 2 4 6 8 10 開路電壓 Uoc /V 0 1 2 3 4 5 Uoc/V Isc /mA Isc/mA (a) 硅光電池 (b)硒光電池 （ 1）光照特性 開路電壓曲線：光生電動勢與照度之間的特性曲線 ，當照度為 2022lx時趨向飽和 。 若將外電路斷開 ， 就可測出光生電動勢 。 當光照到PN結(jié)區(qū)時 ， 如果光子能量足夠大 ， 將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子 空穴對 ， 在 N區(qū)聚積負電荷 ， P區(qū)聚積正電荷 ，這樣 N區(qū)和 P區(qū)之間出現(xiàn)電位差 。 光電池的示意圖 硅光電池的結(jié)構(gòu)如圖所示 。 且工作溫度最高 ， 更耐受宇宙射線的輻射 。 ?硒光電池光電轉(zhuǎn)換效率低 (％ )、 壽命短 ， 適于接收可見光 (響應峰值波長 )， 最適宜制造照度計 。 目前 ,應用最廣 、 最有發(fā)展前途的是硅光電池 。 命名方式： 把光電池的半導體材料的名稱冠于光電池 (或太陽能電池 )之前 。 它是基于光生伏特效應制成的 ， 是發(fā)電式有源元件 。C 二、光電池 光電池是利用光生伏特效應把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件 。C 20 40 60 80 100 0 λ/μm I/mA +20 186。 例如 ， 可利用制冷器使光敏電阻的溫度降低 。 硫化鎘的光電流 I和溫度 T的關(guān)系如圖所示 。 （ 7）溫度特性 其性能 (靈敏度 、 暗電阻 )受溫度的影響較大 。這就是光敏電阻的主要優(yōu)點。 但在人為地加溫 、 光照及加負載情況下 ， 經(jīng)一至二周的老化 ， 性能可達穩(wěn)定 。 硫化鉛 硫化鎘 （ 6）穩(wěn)定性 圖中曲線 2分別表示兩種型號 CdS光敏電阻的穩(wěn)定性 。由于不同材料的光敏， 20 40 60 80 100 I / % f / Hz 0 10 102 103 104 電阻 時延特性不同，所以它們的頻率特性也不同，如圖。超過最高工作電壓和最大額定電流 ， 可能導致光敏電阻永久性損壞 。 在一定的光照度下 ， 所加的電壓越大 ， 光電流越大 ， 而且無飽和現(xiàn) 50 100 150 200 1 2 U/V 0 20 40 象 。 圖中曲線 2分別表示照度為 零 及照度為 某值 時的伏安特性 。因此，在選用光敏電阻時，應把光敏電阻的材料和光源的種類結(jié)合起來考慮，才能獲得滿意的效果。 0 1 2 3 4 5 I/mA L/lx 1000 2022 （ 3）光譜特性 光譜特性與光敏電阻的材料有關(guān)。因此它不宜作定量檢測元件 ， 這是光敏電阻的不足之處 。 在一定外加電壓下 ，光敏電阻的光電流和光通量之間的關(guān)系 。 實用的光敏電阻的暗電阻往往超過 1MΩ,甚至高達100MΩ，而亮電阻則在幾 kΩ以下，暗電阻與亮電阻之比在 102～ 106之間，可見光敏電阻的靈敏度很高。 光敏電阻的暗電阻越大，而亮電阻越小則性能越好。 此時流過的電流 。 此時在給定電壓下流過的電流 。 而且體積小 、重量輕 、 性能穩(wěn)定 、 價格便宜 ， 因此應用比較廣泛 。 如果把光敏電阻連接到外電路中 ， 在外加電壓的作用下 ， 用光照射就能改變電路中電流的大小 ， 其連線電路如圖所示 。 圖 （ c） 是光敏電阻的代表符號 。 RG 1 2 3 4 5 6 7 (a)結(jié)構(gòu) (b)電極 (c)符號 它是在一定的掩模下向光電導薄膜上蒸鍍金或銦等金屬形成的 。 6黑色絕緣玻璃 。 4電極 。 2玻璃窗口 。 為了獲得高的靈敏度 ， 光敏電阻的電極一般采用硫狀圖案 ， 結(jié)構(gòu) 見下圖 。 管芯是一塊安裝在絕緣襯底上帶有兩個歐姆接觸電極的光電導體 。 一種光電導體 ， 存在一個照射光的波長限 λC， 只有波長小于 λC的光照射在光電導體上 ， 才能產(chǎn)生電子在能級間的躍遷 ， 從而使光電導體電導率增加 。 第三節(jié) 內(nèi)光電效應器件 1. 光敏電阻的工作原理和結(jié)構(gòu) 當光照射到光電導體上時 ， 若光電導體為本征半導體材料 ， 而且光輻射能量又足夠強 ， 光導材料價帶上的電子將激發(fā)到導帶上去 ， 從而使導帶的電子和價帶的空穴增加 ， 致使光導體的電導率變大 。 優(yōu)點：靈敏度高，光譜響應范圍寬，體積小、重量輕、機械強度高，耐沖擊、耐振動、抗過載能力強和壽命長等。 利用物質(zhì)在光的照射下電導性能改變或產(chǎn)生電動勢的光電器件 稱 內(nèi)光電效應器件，常見的有 光敏電阻光電池和光敏晶體管等。對于較好的管子，在很寬的光通量范圍之內(nèi)，這個關(guān)系是線性的，即入射光通量小于 104lm時，有較好的線性關(guān)系。 增加的部分是宇宙射線對閃爍體的照射而使其激發(fā) ， 被激發(fā)的閃爍體照射在光電倍增管上而造成的 ， 本底電流 具有 脈沖形式 。 （ 3） 暗電流和本底脈沖 一般在使用光電倍增管時 ， 必須把管子放在暗室里避光使用 ， 使其只對入射光起作用；但是由于環(huán)境溫度 、 熱輻射和其它因素的影響 ，即使沒有光信號輸入 ， 加上電壓后陽極仍有電流 ， 這種電流稱為 暗電流 ， 這是熱發(fā)射所致或場致發(fā)射造成的 ， 這種暗電流通?？梢杂醚a償電路消除 。 光電倍增管的最大靈敏度可達 10A/lm，極間電壓越高，靈敏度越高；但極間電壓也不能太高，太高反而會使陽極電流不穩(wěn)。 2. 主要參數(shù) ni?ni?ni? 103 104 105 106 25 50 75 100 125 極間電壓 /V 放大倍數(shù) 光電倍增管的特性曲線 （ 2）光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度 一個光子在陰極上能夠打出的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的 陰極靈敏度 。一般陽極和陰極之間的電壓為 1000~2500V，兩個相鄰的倍增電極的電位差為 50~100V。 i — 光電陰極的光電流 光電倍增管的電流放大倍數(shù) β為 β= I / i = M與所加電壓有關(guān)， M在 105~108之間，穩(wěn)定性為 1％左右，加速電壓穩(wěn)定性要在 ％以內(nèi)。 （ 1） 倍增系數(shù) M 倍增系數(shù) M等于 n個倍增電極的二次電子發(fā)射系數(shù) δ的乘積 。光電倍增管的靈敏度就比普通光電管高幾萬倍到幾百萬倍。 光陰極是由半導體光電材料銻銫做成；次陰極是在鎳或銅 鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料而形成的 ， 次陰極多的可達 30級；陽極是最后用來收集電子 入射光 光電陰極 第一倍增極 陽極 第三倍增極 的，收集到的電子數(shù)是陰極發(fā)射電子數(shù)的 105~106倍。 這時常用光電倍增管對電流進行放大 ， 下圖為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 。 一般充氣光電管當入射光頻率大于 8000Hz時，光電流將有下降趨勢，頻率愈高，下降得愈多。另外，銻鉀鈉銫陰極的光譜范圍較寬，為 3000~8500197。對 紅外光源 ，常用銀氧銫陰極，構(gòu)成紅外傳感器。它對可見光范圍的入射光靈敏度比較高，轉(zhuǎn)換效率： 25%~30%。 國產(chǎn) GD4型的光電管，陰極是用銻銫材料制成的。除此之外，即使照射在陰極上的入射光的頻率高于紅限頻率 υ0，并且強度相同，隨著入射光頻率的不同，陰極發(fā)射的光電子的數(shù)量還會不同，即同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性。保持光通量和陰極電壓不變，陽極電流與光波長之間的關(guān)系叫光電管的光譜特性。光照特性曲線的斜率（光電流與入射光光通量之間比）稱為光電管的靈敏度。曲線 1表示 氧銫陰極 光電 管的光照特性，光電流 I與光通量成線性關(guān)系。 圖 光電管的伏安特性 50 20μlm 40μlm 60μlm 80μlm 100μlm 120μlm 100 150 200 0 2 4 6 8 10 12 陽極與末級倍增極間的電壓 /V IA/ μA （ 2） 光電管的光照特性 通常指當光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時，光通量與光電流之間的關(guān)系為光電管的光照特性。 光電管的伏安特性如圖所示 。 第二節(jié) 外光電效應器件 光電器件的性能主要由伏安特性 、 光照特性 、 光譜特性 、 響應時間 、 峰值