【正文】 用小面積光電池。 總的來說，由于硅光電池光敏面積大，結(jié)電容大，頻響較低。 光電池的溫度特性曲線主要指光照射時它的開路電壓Voc與短路電流 Isc隨溫度變化的情況。光電池的溫度曲線如下圖所示。 它的開路電壓 Voc隨著溫度的升高而減小，其值約為 2～3mV／ oC； 短路電流 I sc 隨著溫度的升高而增大，但增大比例很小，約為 105～ 103mA/oC數(shù)量級。 ④ 溫度特性 當(dāng)光電池密封良好、電極引線可靠、應(yīng)用合理時 ,光電池的性能是相當(dāng)穩(wěn)定的 ,使用壽命也很長。硅光電池的性能比硒光電池更穩(wěn)定。光電池的性能和壽命除了與光電池的材料及制造工藝有關(guān)外 ,在很大程度上還與使用環(huán)境條件有密切關(guān)系。如在高溫和強光照射下 ,會使 光電池的性能變壞 ,而且降低使用壽命，這在使用中要加以注意。下 表給出了幾種硅光電池的性能參數(shù)，以供參考。 ⑤ 穩(wěn)定性 幾種硅光電池的性能參數(shù) 第第 3 章章 半導(dǎo)體光電檢測器件及應(yīng)用半導(dǎo)體光電檢測器件及應(yīng)用 真空光電器件真空光電器件 光電陰極光電陰極 、 光電管、光電管、 光電倍增管光電倍增管 （（ 1）光電倍增管的結(jié)構(gòu)）光電倍增管的結(jié)構(gòu) （（ 2）光電倍增管的工作原理）光電倍增管的工作原理 （（ 3）光電倍增管的特性參數(shù)）光電倍增管的特性參數(shù) （（ 4）光電倍增管的供電電路）光電倍增管的供電電路 （（ 5）光電倍增管的輸出電路）光電倍增管的輸出電路　　　　微通道板光電倍增管　　　　　微通道板光電倍增管　 光電導(dǎo)器件光電導(dǎo)器件 光敏電光敏電 阻、阻、 結(jié)型光電器件結(jié)型光電器件 光電光電 池、光敏二極管池、光敏二極管 、三極管、三極管 、 光電耦合器光電耦合器 件、件、 光電位置敏感器件光電位置敏感器件 　　 光光 熱輻射檢測器件熱輻射檢測器件 　　 硅光敏二極管結(jié)構(gòu) 2 光敏二極管 光敏二極管是基于 PN結(jié)的光電效應(yīng)工作的，它主要用于可見光及紅外光譜區(qū)。光敏二極管通常在 反偏置 條件下工作，也可用在 零偏置 狀態(tài)。 制作光敏二極管的材料有硅、鍺、砷化鎵、碲化鉛等，目前在可見光區(qū)應(yīng)用最多的是硅光敏二極管。 工作原理與電池相似，利用光子引起的 電子躍遷 將光信號轉(zhuǎn)變成電信號，光生電流與光強成正比。 光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似。 它裝在透明玻璃外殼中 , 其 PN結(jié)裝在管的頂部 , 可以直接受到光照射。將光敏二極管的 PN結(jié)設(shè)置在透明管殼頂部的正下方216。 光敏二極管結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，它們都有一個 PN結(jié)，并且都是單向?qū)щ姷姆蔷€性元件。為了提高轉(zhuǎn)換效率采用大面積受光，因此 PN結(jié)面積比一般二極管大。注： 發(fā)光二極管與光敏二極管不同，發(fā)光二極管利用固體材料發(fā)光（電致發(fā)光），材料不同發(fā)光顏色不同，是一種將電能轉(zhuǎn)化為光能的器件，加正向電壓時，在 NP的電子、空穴結(jié)合過程中發(fā)射一定頻率的光信號。 工作時加正向電壓。+ ++ 硅光敏二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理與硅光電池相似，不同的地方是：① 就制作襯底材料的摻雜濃度而言，光電池較高，約為 1016～　　 1019原子數(shù)／厘米 3，而硅光電二極管摻雜濃度約為 1012～　　 1013原子數(shù)／厘米 3 ；② 光電池的電阻率低，約為 ～ ／厘米，而硅光電　　二極管則為 1000歐姆／厘米，③ 光電池在 零偏下 工作，而硅光電二極管在 反偏下 工作；④ 一般光電池的光敏面面積都比硅光電二極管的光敏面大得多。 光敏二極管基本電路 REDgI（ 1）光敏二極管的結(jié)構(gòu)與工作原理： 無光照時：處于截止狀態(tài)，反向電阻很大，反向電流很??； 有光照時：處于導(dǎo)通狀態(tài)，產(chǎn)生光生電子空穴對， 在電場作用下形成光電流，光照越強光電流越大；光電流方向與反向電流一致。 ① 光照特性 （ 2） 基本特性 下圖是硅光敏二極管在小負載電阻下的光照特性。光電流與照度成線性關(guān)系。 硅光敏二極管的光譜響應(yīng)如下：　　　 當(dāng)入射波長＞ 時響應(yīng)下降， 因波長長光子能量小于禁帶寬度， 不產(chǎn)生電子、空穴對； 當(dāng)入射波長＜ 時，響應(yīng)也逐漸下降，波長短的光穿透深度小，使光電流減小。② 光譜特性當(dāng) 反向偏壓較低時，光電流隨電壓變化比較敏感，隨反向偏壓的加大，反向電流趨于飽和，這時光生電流與所加偏壓幾乎無關(guān)，只取決于光照強度。③ 伏安特性 由于反向飽和電流與溫度密切有關(guān)，因此光敏二極管的暗電流對溫度變化很敏感。 ④ 溫度特性 光敏管的頻率響應(yīng)是指光敏管輸出的光電流隨頻率的變化關(guān)系。光敏管的頻響與本身的物理結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)、負載以及入射光波長等因素有關(guān)。 下圖中光敏二極管頻率響應(yīng)曲線說明，調(diào)制頻率高于 1000Hz時，硅光敏二極管靈敏度急劇下降。光敏二極管頻率響應(yīng)曲線 ⑤ 頻率響應(yīng) ? 將光敏二極管以線列或面陣形式集合在一起，用來同時探測被測物體各部位提供的不同光信息，并將這些信息轉(zhuǎn)換為電信號的器件 。（ 2）光敏二極管陣列 216。光敏三極管光敏三極管 和普通三極管相似，也有電流放大作用，只和普通三極管相似，也有電流放大作用，只是它的集電極電流不只是受基極電路的電流控制，同時也是它的集電極電流不只是受基極電路的電流控制，同時也受光輻射的控制。受光輻射的控制。 3 光敏三極管幾種光敏三極管幾種光敏三極管216。 光敏三極管由光窗、集電極引出線、發(fā)射極引出線和基極引出線組成，由兩個ＰＮ結(jié)，即 發(fā)射結(jié) 和 集電結(jié) 組成。是將 基極 — 集電極 結(jié)作為光敏二極管，集電結(jié)做受光結(jié)，尺寸做的很大，以擴大光照面積。與普通三極管不同的是，大多數(shù)光敏三極管的基極無引線，通?；鶚O不引出，但一些光敏三極管的基極有引出，用于溫度補償和附加控制等作用。光敏晶極管結(jié)構(gòu) N NPcbe(1) 光敏三極管結(jié)構(gòu)和工作原理 光敏三極管本質(zhì)上是相當(dāng)于在基極和集電極之間接有光電二極管的普通三極管。 　 在正常工作情況下，此二極管應(yīng)反向偏置。因此，不管是 PNP還是 NPN型光敏三極管，一般用基極 — 集電極結(jié)作為受光結(jié)。 當(dāng)集電極加上相對于發(fā)射極為正電壓且基極開路時，基極 — 集電極結(jié)處于反向偏壓下，它的工作機理完全與反偏壓的光敏二極管相同。入射光子在基區(qū)及收集區(qū)被吸收而產(chǎn)生電子 — 空穴對，形成光生電壓。由此產(chǎn)生的光生電流由基極進入發(fā)射極，從而在集電極回路中得到一個放大了的信號電流。因此，可以說， 光敏三極管是一種相當(dāng)于將基極集電極光敏二極管的電流加以放大的普通晶體管放大器。167。 當(dāng)具有光敏特性的當(dāng)具有光敏特性的 PN 結(jié)受到光輻射時，形成光電流，結(jié)受到光輻射時，形成光電流，由此產(chǎn)生的光生電流由基極進入發(fā)射極，從而在集電極回路由此產(chǎn)生的光生電流由基極進入發(fā)射極，從而在集電極回路中得到一個放大了相當(dāng)于中得到一個放大了相當(dāng)于 β倍的信號電流。與倍的信號電流。與 光敏二極管光敏二極管 相相比，具有很大的光電流放大作用，即很高的靈敏度。比，具有很大的光電流放大作用，即很高的靈敏度。光敏三極管的原理結(jié)構(gòu)如圖所示。正常運行時，集電極為 反偏置，發(fā)射極為 正偏置 。集電極為光電結(jié)，集電極產(chǎn)生的光電流 向基區(qū)注入，同時在集電極產(chǎn)生一個被放大的電流 。 顯然 β 為三極管的電流放大倍數(shù)。 216。硅（ Si）光敏晶體極管一般都是 NPN結(jié)構(gòu)，光照射在集電結(jié)的基區(qū)，產(chǎn)生電子 空穴，光生電子被拉向集電極，基區(qū)留下正電荷（空穴），使基極與發(fā)射極之間的電壓升高，這樣，發(fā)射極便有大量電子經(jīng)基極流向集電極，形成三極管輸出電流，使晶體管具有電流增益。 　 — 光敏三極管電流放大系數(shù) 216。在負載電阻 RL 上的 輸出電壓為： N NPcbe+ 216。所以光敏三極管對光信號具有放大作用 光敏三極管等效電路 　 　 與光敏電阻、光敏二極管類似，光敏三極管也存在最佳靈敏度的峰值波長。硅管的峰值波長約為 900nm， 鍺管的峰值波長約為1500nm。 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，一般都選用硅管；但對紅外線進行探測時，則采用鍺管較合適。（ 2） 光敏三極管特性參數(shù) ① 光敏三極管的光譜特性 　 光敏三極管在不同的照度下的伏安特性與一般晶體管在不同的基極電流時的輸出特性類似。因此，只要將入射的強度看作是三極管的基極電流 ib， 就可將光敏三極管看成一般的晶體管。光敏三極管不僅能把光信號變成電信號、而且輸山的電信號較大 。② 光敏三極管的伏安特性 光敏三極管的光照特性如下圖所示，為光敏三極管的輸出電流 I 和照度之間的關(guān)系。它們之間呈近似線性關(guān)系。當(dāng)光照足夠大 (幾千勒克斯 )時，會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。因而在大照度時，光敏三極管不能作線性轉(zhuǎn)換元件，但可以作開關(guān)元件使用。③ 光敏三極管的光照特性　 　 溫度特性反映了光敏三極管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。從曲線看，溫度變化對光電流和暗電流都有影響，對暗電流的影響更大。所以精密測量時，電子線路中應(yīng)采取溫度補償措施，否則將會導(dǎo)致輸出誤差。④ 光敏三極管的溫度特性 光敏三極管的頻率特性曲線如下圖所示。其受負載電阻的影響，減小負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 5000Hz以下，硅管的頻率響應(yīng)要比鍺管好。　 　 實驗證明，光敏三極管的截止頻率和它的基區(qū)厚度成反比關(guān)系。如果要求截止頻率高，那么基區(qū)就要??；但基區(qū)變薄，光電靈敏度將降低，在制造時要適當(dāng)兼顧兩者。⑤ 光敏三極管的頻率特性　 　 光照特性指光電二極管和光電三極管的光電流與照度之間的關(guān)系，可見，硅光電二極管的光照特性的線性較好，而硅光電三極管的光電流在弱光照時有彎曲，強光照時又趨向于飽和，只有在中間一段范圍內(nèi)線性較好，這是由于硅光電三極管的電流放大倍數(shù)在小電流或大電流時都要下降而造成的。（ 3） 硅光電三極管與硅光電二極管特性比較① 光照特性② 伏安特性 伏安特性表示為當(dāng)入射光的照度 (或光通量 )一定時，光電二極管和光電三極管輸出的光電流與所加偏壓的關(guān)系。硅光電二極管和三極管的伏安特性曲線如下： 硅光電二極管 硅光電三極管硅光電二極管和硅光電三極管的 光電流 和 暗電流 均隨溫度而變化，但硅光電三極管因有電流放大作用，所以它的光電流和暗電流受溫度影響比硅光電二極管大得多，如圖所示。由于暗電流的增加，使輸出信噪比變差，必要時要采取恒溫或補償措施。下圖為光電管的溫度特性 。IL－ T 特性ID－ T 特性③ 溫度特性　 硅光電二極管的頻率特性主要決定于光生載流子的渡越時間。在實際使用時，應(yīng)根據(jù)頻率響應(yīng)要求選擇最佳負載電阻。 下圖為用脈沖光源測出的 2CU型硅光電二極管的響應(yīng)時間與負載 RL的關(guān)系曲線，從中可以看出當(dāng)負載超過 104Ω以后，響應(yīng)時間增加得更快 . ④ 頻率響應(yīng)特性（１） PIN型硅光電二極管 ，高速光電二極　　　　　管，響應(yīng)時間達 1ns，適用于遙控裝置4 其它光電管 PIN管的最大優(yōu)點是： 頻帶寬，可達 10GHz。 另一特點是線性輸出范圍寬。缺點 : 由于 I層的 存在 ， 管子的輸出電流小，一般多為零點幾微安至數(shù)微安。? 由于存在因碰撞電離引起的內(nèi)增益機理，雪崩管具有高的增益帶寬乘積和極快的時間響應(yīng)特性。? 通過一定的工藝可以 使它在 量子效率達到 30％，非常適于可見光及近紅外區(qū)域的應(yīng)用。（２）雪崩式光電二極管 ，具有高速響應(yīng)和放大功 能，高電流增益，可有效讀取微弱光線，主要 用于 。? 當(dāng)光敏二極管 的 PN結(jié)上加相當(dāng)大的反向偏壓時，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生一個很高的電場，使進入場區(qū)的光生載流子獲得足夠的能量，通過碰撞使晶格原子電離，而產(chǎn)生新的電子 — 空穴對。? 新的電子 — 空穴對在強電場的作用下分別向相反方向運動．在運動過程中，又有可能與原子碰撞再一次產(chǎn)生電子 — 空穴對。? 只要電場足夠強，此過程就將繼續(xù)下去，達到載流子的雪崩倍增。通常，雪崩光敏二極管的反向工作偏壓略低于擊穿電壓。雪崩光敏二極管的工作原理：雪崩光電二極管的倍增電流、噪聲與偏壓的關(guān)系曲線? 在偏置電壓較低 時的 A點以左，不發(fā)生雪崩過程；隨著偏壓的逐漸升高，倍增電流逐漸增加? 從 B點到 c點增加很快，屬于雪崩倍增區(qū)；偏壓再繼續(xù)增大，將發(fā)生雪崩擊穿；同時噪聲? 也顯著增加，如 圖中 c點以有的區(qū)域。因此，最佳的偏壓工作區(qū) 是 c點以左，否則進入