1、 8.1.2 光敏二极管和光敏晶体管光敏二极管和光敏晶体管 1.结构原理结构原理 光敏二极管的结构与一般二极管相似。光敏二极管的结构与一般二极管相似。它装在它装在透明玻璃外壳透明玻璃外壳中，中，其其PN结装在管的顶部，可以直接受结装在管的顶部，可以直接受到光照射（见图到光照射（见图8-8）。）。光敏二极管结构简图和符号 NP光 光敏二极管在电路中一般是处光敏二极管在电路中一般是处于于反向反向工作状态工作状态（如图（如图8-9）。）。图 8-9 光敏二极管接线图 RLE 在没有光照射时：在没有光照射时：反向电阻很大，反向电阻很大，反向电流很小，反向电流很小，这时反向电流称为这时反向电流称为暗电流
2、暗电流。当光照射在当光照射在 PN 结上，结上，光子打在光子打在PN结附近，结附近，使使PN结附近产生光生结附近产生光生电子电子和和光生空光生空穴穴对，对，它们在它们在PN结处的内电场作用下作定结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。光的照度越大，光电流越大。结论：结论：光敏二极管光敏二极管在不受光照射时处于截在不受光照射时处于截止状态，止状态，受光照射时处于导通状态。受光照射时处于导通状态。光敏晶体管与一般晶体管很相似，光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个具有两个PN结，如图结，如图8-10（a）所示，）所示，只是它的发射极一边做得很大，以扩
3、只是它的发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。大光的照射面积。NPN型光敏晶体管结构简图和基本电路 NPc光Nebbec(a)(b)RLE 光敏晶体管接线如图光敏晶体管接线如图8-10（b）所示，）所示，大多数光敏晶体管的基极无引出线，大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压。而不接基极时，集电结就是反向偏压。当光照射在当光照射在集电结集电结时，就会在结附时，就会在结附近产生电子近产生电子空穴对，光生电子被拉到空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，集电极，基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高
4、，这使基极与发射极间的电压升高，这样便会有大量的电子流向集电极，形成样便会有大量的电子流向集电极，形成输出输出电流，电流，NPN型光敏晶体管结构简图和基本电路 NPc光Nebbec(a)(b)RLE 且集电极电流为光电流的且集电极电流为光电流的倍，所以倍，所以光敏晶体管有放大作用。光敏晶体管有放大作用。光敏晶体管的光敏晶体管的光电灵敏度光电灵敏度比光敏二比光敏二极管高得多，极管高得多，但在需要高增益或大电流输出的场但在需要高增益或大电流输出的场合，需采用合，需采用达林顿达林顿光敏管。光敏管。ce 图图8-11是达林顿光敏管的等效电路。是达林顿光敏管的等效电路。它是一个光敏晶体管和一个晶它是一个
5、光敏晶体管和一个晶体管以共集电极连接方式构成的集体管以共集电极连接方式构成的集成器件。成器件。由于增加了一级电流放大，所以输由于增加了一级电流放大，所以输出电流能力大大加强，出电流能力大大加强，甚至可以不必经过进一步放大，便甚至可以不必经过进一步放大，便可直接驱动可直接驱动灵敏继电器灵敏继电器。但由于无光照时的但由于无光照时的暗电流也增大，暗电流也增大，因此适合于开关状态或位式信号的光电因此适合于开关状态或位式信号的光电变换。变换。2.基本特性基本特性 (1)光谱特性光谱特性 在一定照度时，输出的光电流（或用相在一定照度时，输出的光电流（或用相对灵敏度表示）与入射光波长的关系。对灵敏度表示）与
6、入射光波长的关系。硅和锗光敏二（晶体）极管的光谱硅和锗光敏二（晶体）极管的光谱特性曲线如图特性曲线如图8-12所示。所示。光敏二极(晶体)管的光谱特性10080604020041028102121021610220102入射光锗硅/nmS/(%)硅的峰值波长约为硅的峰值波长约为0.9m，锗的峰，锗的峰值波长约为值波长约为1.5m，此时灵敏度最大，此时灵敏度最大，而当入射光的波长增长或缩短时，而当入射光的波长增长或缩短时，相对灵敏度都会下降。相对灵敏度都会下降。锗管的暗电流较大，因此性能较差，锗管的暗电流较大，因此性能较差，故在可见光或探测炽热状态物体时，一故在可见光或探测炽热状态物体时，一般都
7、用硅管。般都用硅管。但对红外光的探测，用锗管较为适宜。但对红外光的探测，用锗管较为适宜。(2)伏安特性伏安特性 图图8-13（a）为硅光敏二极管的伏安）为硅光敏二极管的伏安特性，横坐标表示所加的反向偏压。特性，横坐标表示所加的反向偏压。0.100.080.060.040.02I/mA1200 1x1000 1x800 1x600 1x400 1x200 1x0 10 20 30 40 50108642010 20 30 40 50500 1x400 1x300 1x200 1x100 1xI/mA反 向 电 压/V集 电 极 发 射 极 电 压/V(a)(b)当光照时，反向电流随着光照强度当光
8、照时，反向电流随着光照强度的增大而增大，的增大而增大，在不同的照度下，伏安特性曲线几在不同的照度下，伏安特性曲线几乎平行，所以只要没达到饱和值，它的乎平行，所以只要没达到饱和值，它的输出实际上不受偏压大小的影响。输出实际上不受偏压大小的影响。图图8-13（b）为硅光敏晶体管的伏为硅光敏晶体管的伏安特性。安特性。纵坐标为光电流，纵坐标为光电流，横坐标为集电极横坐标为集电极发射极电压。发射极电压。0.100.080.060.040.02I /mA1200 1x1000 1x800 1x600 1x400 1x200 1x0 10 20 30 40 50108642010 20 30 40 5050
9、0 1x400 1x300 1x200 1x100 1xI /mA反 向 电 压/V集 电 极 发 射 极 电 压/V(a)(b)由于晶体管的放大作用，在同样由于晶体管的放大作用，在同样照度下，其光电流比相应的二极管大照度下，其光电流比相应的二极管大上百上百倍。倍。（3）频率特性频率特性 光敏管输出的光电流（或相对灵敏光敏管输出的光电流（或相对灵敏度）随频率变化的关系。度）随频率变化的关系。光敏二极管的频率特性是半导体光光敏二极管的频率特性是半导体光电器件中最好的一种，普通光敏二极管电器件中最好的一种，普通光敏二极管频率响应时间达频率响应时间达10s。光敏晶体管的频率特性受负载电光敏晶体管的频
10、率特性受负载电阻的影响，阻的影响，图图8-14为光敏晶体管频率特性。为光敏晶体管频率特性。光敏晶体管的频率特性 100806040200110100100 k10 kRL1 kS/(%)f/kHz 减小负载电阻可以提高频率响应减小负载电阻可以提高频率响应范围，范围，但输出电压响应也减小。但输出电压响应也减小。(4)温度特性温度特性 光敏管的暗电流及光电流与温度的光敏管的暗电流及光电流与温度的关系。关系。光敏晶体管的温度特性曲线如图光敏晶体管的温度特性曲线如图8-15所示。所示。光敏晶体管的温度特性100255020 30 40 50 60 7010 20 30 40 50 60 70 80100200300400温 度 /暗 电 流 /mA光 电 流 /A温 度 /(a)(b)温度变化对光电流影响很小温度变化对光电流影响很小(图图(b)，而对暗电流影响很大而对暗电流影响很大(图图(a)。所以在电子线路中应该对暗电流进所以在电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，行温度补偿，否则将会导致否则将会导致输出误差。输出误差。表表 8-2 2CU型硅光敏二极管的型硅光敏二极管的基本参数基本参数 表表8-3 3DU型硅光敏晶体管型硅光敏晶体管的基本参数的基本参数
