光电检测技术课件-第三章 结型光电器件.ppt

1、光电池、光电二极管、光电晶体管、光电池、光电二极管、光电晶体管、PIN管、雪崩光电二极管、管、雪崩光电二极管、光可控硅、象限式光电器件、位置敏感探测器（光可控硅、象限式光电器件、位置敏感探测器（PSD）、光电）、光电耦合器件等耦合器件等PN结型、结型、PIN结型、肖特基结型结型、肖特基结型PN内建电场消弱扩内建电场消弱扩散、增强漂移，散、增强漂移，直到两者达到平直到两者达到平衡。衡。漂移漂移扩散扩散E内内外加偏压外加偏压UPN漂移漂移扩散扩散E内内)1e(IIkTqU0DUID当外加偏压时：当外加偏压时：正向正向反向反向P PNNP P光伏效应光伏效应-光生伏特光生伏特效应，是效应，是指光照射

2、指光照射半导体的半导体的结区或金结区或金属和半导属和半导体的结区体的结区时，产生时，产生电位差的电位差的现象。现象。NP P光伏工作模式：光伏工作模式：光导工作模式：光导工作模式：工作在零偏工作在零偏置状态下置状态下工作在反工作在反偏状态下偏状态下RLNP PRLUbNP PNP PRLE E=0E E1 1E E2 2UILI IP PI ID DSEE E漂移漂移扩散扩散扩散电流扩散电流漂移电流漂移电流光电流光电流UU）（eIIkTqUp10DpLIIIIDIPRLURsCjRshILLLSLLRI)RR(IU基本原理基本原理NP PRLI IP PI ID D扩散电流扩散电流漂移电流漂移

3、电流光电流光电流U光伏工作区光伏工作区RL1RL2LLRUIE E=0E E1 1E E2 2UIL10kTqUpLeIIIUE=0E E1 1E E2 2 IscUocI1IIlnqkTU0pESIIEPL0LR0IL)1e(IIIKTqU0PL0pIIlnqkT0RIULLUocISC短路电流短路电流0EIESlnqkT开开路路电电压压短短路路电电流流NE ERLI IL LP1IIlnqkTU0poc)1e(IIIKTqU0PL0pIIlnqkT0EIESlnqkT(1)开路时开路时对数对数关系关系ILUIsc4Isc1Isc2Isc3Uoc4Uoc2Uoc1Uoc31E2E3E4E0I

4、LLR例：例：设一光电池，在入射辐照度为设一光电池，在入射辐照度为100W/m2时的开路电压为时的开路电压为0.412V，求该，求该光电池在入射辐射照度变为光电池在入射辐射照度变为150W/m2时的开路电压，已知环境温度为时的开路电压，已知环境温度为T=300K。(波耳兹曼常数波耳兹曼常数K=1.3810-23焦焦/度度)。ILU1E2E3E4EUoc4Isc4Isc1Isc2Isc3Uoc2Uoc1Uoc32.4K12K 120I硅光电池光照与负载特性硅光电池光照与负载特性负载电阻越小，负载电阻越小，线性范围越大线性范围越大线性区线性区RL1RL2(3)有限大负载时有限大负载时(2)短路时短

5、路时ESIIEPL0LR线性线性关系关系IscUocEUocIsct tI Is s1.0t tE0.370.370.630.63上上下下对于矩形对于矩形脉冲光照脉冲光照 对于正弦对于正弦形光照形光照 tEtIs光电池外形：光电池外形：ESIIIEP0P光导工作区光导工作区E E=0E E1 1E E2 2UI)1e(IIIkTqU0pLU0URIUbLLI IP PEP PNRLUbI ID DESRIRUELLLL光电池工作区光电池工作区UbRLE E=0E E1 1E E2 2UIL光敏二极管工作区光敏二极管工作区U)1e(IIIkTqU0pLLbLR/)UU(IRLUb IPRLUb=

6、0RLEI IL LP PNRLUb硅光电二极管和光电池的区别硅光电二极管和光电池的区别 例：例：设有一光电二极管工作时的外加电源电压为设有一光电二极管工作时的外加电源电压为Ub=9V,光敏二极管上的输照度在光敏二极管上的输照度在0100W/m2之间做正弦变化，之间做正弦变化，要使输出电压的变化范围为要使输出电压的变化范围为6V，求所需的负载电阻的大，求所需的负载电阻的大小，试做出负载线。小，试做出负载线。I（A A）U(V)-0.5-5.5E=0E=0E=100W/m0W/m2 2RLUb=-9VLbRU 透镜（光窗）透镜（光窗）光敏面光敏面入射入射光光P-SiN-Si前极前极后极后极2CU

7、型型N+N-SiP-Si前极前极后极后极环极环极 N+2DU型型环极环极外形图外形图:bceUbNN+PIdIPESI)II(IEPdPC集成光电三极管：集成光电三极管：EPE内内E外外主要表现为主要表现为4个方个方面：面：光光电电流流暗暗电电流流有电流放大作用，所以光电三极有电流放大作用，所以光电三极管的光电流和暗电流都大的多，管的光电流和暗电流都大的多，必要时可采用温控或电路补偿必要时可采用温控或电路补偿主要取决于主要取决于结电容结电容Cj和和负载电阻负载电阻RL时间常数时间常数小于小于0.1s s时间常数长达时间常数长达510s s取决于发射结电容取决于发射结电容C、RL和光生载和光生载

8、流子的基区渡越时间流子的基区渡越时间硅管硅管硅管硅管锗管锗管电压电压跟随跟随器器ABABC缺点：缺点：由于表面分割，从而产生死区由于表面分割，从而产生死区若光斑落入一个象限，则无法判断输光斑的准确位置若光斑落入一个象限，则无法判断输光斑的准确位置受光强变化的影响，分辨率不高受光强变化的影响，分辨率不高每个区域相当每个区域相当于一个光电二于一个光电二极管极管它们应有相同它们应有相同的转换效率的转换效率优点：优点：耗尽耗尽层厚度变大层厚度变大，结电容变小，响应时间变小，结电容变小，响应时间变小,最高可达最高可达0.1ns耗尽层厚度变大，增大了对光的吸收和光电转换区域耗尽层厚度变大，增大了对光的吸收

9、和光电转换区域增加了对长波的吸收，提高了长波灵敏度，增加了对长波的吸收，提高了长波灵敏度，0.41.1m可承受较高的反向偏压，线性范围变宽可承受较高的反向偏压，线性范围变宽P PNxALLI123I 2112IIIILxL2xLIIA1L2xLIIA21）一维）一维PSD123IPI1I22）二维）二维PSDa.两面分离型两面分离型PSDIPb.表面分离型表面分离型PSDxxyyxxxxIIIILxyyyyIIIILyxxxxIIIILxyyyyIIIILyIPxxyyc.改进型表面分离型改进型表面分离型PSDyyxxyxyxIIII)II()II(LxyyxxyxyxIIIIIIIILy)(

10、)(3）PSD转换放大电路转换放大电路4）光电位置传感器的特征和用途）光电位置传感器的特征和用途对光斑形状无严格要求，只与光的能量重心有关对光斑形状无严格要求，只与光的能量重心有关光敏面无死区，可连续测量光斑位置，分辨率高，可达光敏面无死区，可连续测量光斑位置，分辨率高，可达0.2m可同时检测位置和光强，因可同时检测位置和光强，因PSD输出总电流与入射光强有关输出总电流与入射光强有关被广泛的应用于激光束的监控（对准、位移和振动），平面被广泛的应用于激光束的监控（对准、位移和振动），平面度检测、一维长度检测，二维位置检测系统度检测、一维长度检测，二维位置检测系统5）注意事项）注意事项注意光谱匹配

11、注意光谱匹配所加反偏电压不要过大或过小所加反偏电压不要过大或过小 注意使用注意使用PSD时的时的环境温度环境温度过小会减小会影响响应频率过小会减小会影响响应频率过大会反向击穿过大会反向击穿注意位置测量误差注意位置测量误差-高反向电压高反向电压下工作的光敏二极管，高电场加速了光生载流下工作的光敏二极管，高电场加速了光生载流子的速度，产生二次载流子对。子的速度，产生二次载流子对。适合适合0.81.1m弱光的探测弱光的探测特征：特征：灵敏度高，电流增益可达灵敏度高，电流增益可达102103响应速度快，只有响应速度快，只有0.5ns，响应频率可达，响应频率可达100GHZ噪声等效功率很小，约为噪声等效

12、功率很小，约为10-15W反向偏压高，可达反向偏压高，可达200V广泛应用于光纤通讯、弱信号检测、激光测距等领域广泛应用于光纤通讯、弱信号检测、激光测距等领域采用浅采用浅PN结的结构结的结构肖特基是金属与半导体接触形成的：肖特基是金属与半导体接触形成的：n型半导体表面上覆盖型半导体表面上覆盖一层极薄的金属膜（能透光），所以在表面处形成结区。一层极薄的金属膜（能透光），所以在表面处形成结区。可以看成是结深为零、表面覆盖着薄而透明金属膜的可以看成是结深为零、表面覆盖着薄而透明金属膜的PN结结光谱范围在：光谱范围在：1901100nm紫外光电二极管广泛应用于：激光辐射探测、天文物理研究、紫外光电二极

13、管广泛应用于：激光辐射探测、天文物理研究、光谱学、医学生物等研究中。光谱学、医学生物等研究中。根据人眼视觉的三色原理，利用不同结深的光电二极管对根据人眼视觉的三色原理，利用不同结深的光电二极管对各种波长的光谱响应率不同的现象制成的各种波长的光谱响应率不同的现象制成的1I2IR1R2R1R2A2B2A1B102aIIlnU1AU202B12B2ARUURUU21B11B1ARURUU2B1BUU122A1A0RR)UU(U1SC2SCa1SC2SCaoIIlnU)IlnI(lnUUI2I102scIIln01scIIln2AU01aIIlnU用于复色光测量的色敏器件：用于复色光测量的色敏器件：应

14、用：应用：工业上工业上-自动检测纸，纸浆、染料的颜色等自动检测纸，纸浆、染料的颜色等医学上医学上-测定皮肤、牙齿的颜色测定皮肤、牙齿的颜色其它其它-电视机彩色调整，商品颜色及代码的读取等电视机彩色调整，商品颜色及代码的读取等光电耦合器件：光电耦合器件：发光器件与光接收器件组合的一种元件，发光器件常采用发光器件与光接收器件组合的一种元件，发光器件常采用发发光二极管光二极管接收器件常采用接收器件常采用光电二极管光电二极管、光电三极管光电三极管及及光集成光集成电路电路等。它以光作为媒介把输入端的电信号耦合到输出端等。它以光作为媒介把输入端的电信号耦合到输出端-也称为光电耦合器。也称为光电耦合器。体积

15、小、寿命长、无触点、抗干扰能力强、输出和输入之体积小、寿命长、无触点、抗干扰能力强、输出和输入之间隔离、可单向传输信号。间隔离、可单向传输信号。有时还可取代继电器、变压器、斩波器有时还可取代继电器、变压器、斩波器已被广泛应用于：隔离电路、开关电路、数模转换电路、已被广泛应用于：隔离电路、开关电路、数模转换电路、逻辑电路及长线传输、高压控制、线性放大、电平匹配等逻辑电路及长线传输、高压控制、线性放大、电平匹配等光电隔离器：光电隔离器：在电路之间传送信息，实现电路间的电气隔离在电路之间传送信息，实现电路间的电气隔离和消除噪声影响等和消除噪声影响等光传感器：光传感器：用于检测物体的有无状态或位置用于

16、检测物体的有无状态或位置发光器件和光发光器件和光接收器件组装接收器件组装在同一管壳中，在同一管壳中，两者的管心相两者的管心相对、互相靠过，对、互相靠过，除光路部分外，除光路部分外，其它部分完全其它部分完全遮光就构成了遮光就构成了隔离器隔离器可检测物体的数目、长度、也可应用可检测物体的数目、长度、也可应用于数字控制系统中，在高速印刷中用于数字控制系统中，在高速印刷中用作定时控制和位置控制，在传真机、作定时控制和位置控制，在传真机、复印机中用于对纸的检测或图像色彩复印机中用于对纸的检测或图像色彩浓度的调整浓度的调整通过透过光的通断来判断通过透过光的通断来判断物体的数量和有无物体的数量和有无透过型：

17、透过型：自动自动报警报警反射型：反射型：各种机械运程的行程限制各种机械运程的行程限制液面位置的行程限制液面位置的行程限制LED光电探测器光电探测器液面液面1.发光二极管的驱动电路发光二极管的驱动电路2.输出电路输出电路补充习题：补充习题：1.光电池工作时不接外电源，为什么说在负载电阻不为零时，光电池工作时不接外电源，为什么说在负载电阻不为零时，工作工作时光电池的时光电池的PN结是实际上是工作在正向偏压下？结是实际上是工作在正向偏压下？3.设有一光电池工作于线性段，当入射辐照度为设有一光电池工作于线性段，当入射辐照度为100 W/m2时输出电流的大小时输出电流的大小为为2 mA,设负载电阻大小设

18、负载电阻大小50。求此负载下的电流灵敏度和电压灵敏度。求此负载下的电流灵敏度和电压灵敏度。求当入射辐照度改变为求当入射辐照度改变为50W/m2时的输出电流和输出电压时的输出电流和输出电压 2.设一光电池，在入射辐照度为设一光电池，在入射辐照度为100W/m2时的开路电压为时的开路电压为0.41V，求该光电，求该光电池在入射辐射照度变为池在入射辐射照度变为150W/m2时的开路电压，已知环境温度为时的开路电压，已知环境温度为T=300K。(波耳兹曼常数波耳兹曼常数K=1.3810-23焦焦/度度)。4.画出光电二极管的电路图，和不同照度下的伏安特性曲线，画出负载线，写画出光电二极管的电路图，和不

19、同照度下的伏安特性曲线，画出负载线，写出光电流方程说明其与辐射照度的关系。出光电流方程说明其与辐射照度的关系。6.在结型光电探测器中，哪些器件具有电流放大作用？简述其放大原理。在结型光电探测器中，哪些器件具有电流放大作用？简述其放大原理。5.设有一光电二极管工作时的外加电源电压为设有一光电二极管工作时的外加电源电压为Ub=9V,光光敏二极管上的辐照度在敏二极管上的辐照度在0100W/m2之间做正弦变化，要之间做正弦变化，要使输出交变电压的幅值为使输出交变电压的幅值为3V，求所需的负载电阻的大小，求所需的负载电阻的大小，试做出负载线。试做出负载线。I（A A）U(V)-0.5-5.5E=0E=0E=100W/m0W/m2 27.说明光电隔离器的主要组成及工作原理，画出说明光电隔离器的主要组成及工作原理，画出5种常见光电隔离器的结种常见光电隔离器的结构图构图8.借助图形说明透射型和反射型光电传感器的工作原理借助图形说明透射型和反射型光电传感器的工作原理