傳感器技術(shù)主講：吳秋寧 第 五 章 光 傳 感 器 第 一 節(jié) 概 述 第 二 節(jié) 外 光 電 效 應(yīng) 器 件 第 三 節(jié) 內(nèi) 光 電 效 應(yīng) 器 件 第 四 節(jié) 新 型 光 電 傳 感 器 第 五 節(jié) 光 敏 傳 感 器 的 應(yīng) 用 舉 例光 傳 感 器 是 各 種 光 電 檢 測 系 統(tǒng) 中 實 現(xiàn) 光 電 轉(zhuǎn) 換的 關(guān) 鍵 元 件 ， 它 是 把 光 信 號 （ 紅 外 、 可 見 及 紫外 光 輻 射 ） 轉(zhuǎn) 變 成 為 電 信 號 的 器 件 。 一 、 光 譜光 波 ： 波 長 為 10106nm的 電 磁 波可 見 光 ： 波 長 380780nm紫 外 線 ： 波 長 10380nm，波 長 300380nm稱 為 近 紫 外 線波 長 200300nm稱 為 遠 紫 外 線波 長 10200nm稱 為 極 遠 紫 外 線 ，紅 外 線 ： 波 長 780106nm波 長 3m（ 即 3000nm） 以 下 的 稱 近 紅 外 線波 長 超 過 3m的 紅 外 線 稱 為 遠 紅 外 線 。光 譜 分 布 如 圖 所 示 。第 一 節(jié) 概 述 遠紫外 近紫外 可 見 光 近 紅 外 遠 紅 外極 遠 紫 外0.01 0.1 1 100.05 0.5 5波 長 / m光 的 波 長 與 頻 率 的 關(guān) 系 由 光 速 確 定 ， 真 空 中 的 光 速c=2.99793 1010cm/s， 通 常 c3 1010cm/s。光 的 波 長 和 頻 率 的 關(guān) 系 為 的 單 位 為 H z， 的 單 位 為 cm。 =3 1010cm/s 二 、 光 源 （ 發(fā) 光 器 件 ）1、 鎢 絲 白 熾 燈用 鎢 絲 通 電 加 熱 作 為 光 輻 射 源 最 為 普 通 ， 一 般 白 熾燈 的 輻 射 光 譜 是 連 續(xù) 的 。發(fā) 光 范 圍 ： 可 見 光 外 、 大 量 紅 外 線 和 紫 外 線 ， 所 以 任 何光 敏 元 件 都 能 和 它 配 合 接 收 到 光 信 號 。2、 氣 體 放 電 燈定 義 ： 利 用 電 流 通 過 氣 體 產(chǎn) 生 發(fā) 光 現(xiàn) 象 制 成 的 燈 。氣 體 放 電 燈 的 光 譜 是 不 連 續(xù) 的 ， 光 譜 與 氣 體 的 種類 及 放 電 條 件 有 關(guān) 。 改 變 氣 體 的 成 分 、 壓 力 、 陰 極 材料 和 放 電 電 流 大 小 ， 可 得 到 主 要 在 某 一 光 譜 范 圍 的 輻射 。 它 們 經(jīng) 常 用 作 光 電 檢 測 儀 器 的 單 色 光 源 。氣 體 放 電 燈 消 耗 的 能 量 僅 為 白 熾 燈 1/21/3。 3、 發(fā) 光 二 極 管 LED（ LightEmittingDiode）由 半 導(dǎo) 體 PN結(jié) 構(gòu) 成 ， 其 工 作 電 壓 低 、 響 應(yīng) 速 度 快 、壽 命 長 、 體 積 小 、 重 量 輕 ， 因 此 獲 得 了 廣 泛 的 應(yīng) 用 。在 半 導(dǎo) 體 PN結(jié) 中 ， P區(qū) 的 空 穴 由 于 擴 散 而 移 動 到 N區(qū) ， N區(qū) 的 電 子 則 擴 散 到 P區(qū) ， 在 PN結(jié) 處 形 成 勢 壘 （ 內(nèi)電 場 ） ， 從 而 抑 制 了 空 穴 和 電 子 的 繼 續(xù) 擴 散 。 當 PN結(jié)上 加 有 正 向 電 壓 時 ， 勢 壘 （ 內(nèi) 電 場 ） 降 低 ， 電 子 由 N區(qū)注 入 到 P區(qū) ， 空 穴 則 由 P區(qū) 注 入 到 N區(qū) ， 稱 為 少 數(shù) 載 流 子注 入 。 所 注 入 到 P區(qū) 里 的 電 子 和 P區(qū) 里 的 空 穴 復(fù) 合 ， 注入 到 N區(qū) 里 的 空 穴 和 N區(qū) 里 的 電 子 復(fù) 合 ， 這 種 復(fù) 合 同 時伴 隨 著 以 光 子 形 式 放 出 能 量 ， 因 而 有 發(fā) 光 現(xiàn) 象 。 4、 激 光 器激 光 是 20世 紀 60年 代 出 現(xiàn) 的 最 重 大 科 技 成 就 之一 ， 具 有 高 方 向 性 、 高 單 色 性 和 高 亮 度 三 個 重要 特 性 。 激 光 波 長 從 0.24m到 遠 紅 外 整 個 光頻 波 段 范 圍 。激 光 器 種 類 繁 多 ， 按 工 作 物 質(zhì) 分 類 ：u固 體 激 光 器 （ 如 紅 寶 石 激 光 器 ）u氣 體 激 光 器 （ 如 氦 -氖 氣 體 激 光 器 、 二 氧 化 碳激 光 器 ）u半 導(dǎo) 體 激 光 器 （ 如 砷 化 鎵 激 光 器 ）u液 體 激 光 器 。 三 、 光 電 效 應(yīng)是 指 物 體 吸 收 了 光 能 后 轉(zhuǎn) 換 為 該 物 體 中 某 些 電 子 的 能量 ， 從 而 產(chǎn) 生 的 電 效 應(yīng) 。 光 電 傳 感 器 的 工 作 原 理 基 于光 電 效 應(yīng) 。 光 電 效 應(yīng) 分 為 外 光 電 效 應(yīng) 和 內(nèi) 光 電 效 應(yīng) 兩大 類1、 外 光 電 效 應(yīng)在 光 線 的 作 用 下 ， 物 體 內(nèi) 的 電 子 逸 出 物 體 表 面 向 外發(fā) 射 的 現(xiàn) 象 稱 為 外 光 電 效 應(yīng) 。 向 外 發(fā) 射 的 電 子 叫 做 光電 子 。 基 于 外 光 電 效 應(yīng) 的 光 電 器 件 有 光 電 管 、 光 電 倍增 管 等 。光 子 是 具 有 能 量 的 粒 子 ， 每 個 光 子 的 能 量 ：E=hh普 朗 克 常 數(shù) ， 6.626 10 -34Js； 光 的 頻 率 （ s-1） 根 據(jù) 愛 因 斯 坦 假 設(shè) ， 一 個 電 子 只 能 接 受 一 個 光 子的 能 量 ， 所 以 要 使 一 個 電 子 從 物 體 表 面 逸 出 ， 必須 使 光 子 的 能 量 大 于 該 物 體 的 表 面 逸 出 功 ， 超 過部 分 的 能 量 表 現(xiàn) 為 逸 出 電 子 的 動 能 。 外 光 電 效 應(yīng)多 發(fā) 生 于 金 屬 和 金 屬 氧 化 物 ， 從 光 開 始 照 射 至 金屬 釋 放 電 子 所 需 時 間 不 超 過 10-9s。根 據(jù) 能 量 守 恒 定 理 式 中 m 電 子 質(zhì) 量 ； v 0電 子 逸 出 速 度 。 02021 Amh 該 方 程 稱 為 愛 因 斯 坦 光 電 效 應(yīng) 方 程 。 n光 電 子 能 否 產(chǎn) 生 ， 取 決 于 光 電 子 的 能 量 是 否 大 于 該 物體 的 表 面 電 子 逸 出 功 A0。 不 同 的 物 質(zhì) 具 有 不 同 的 逸 出 功 ，即 每 一 個 物 體 都 有 一 個 對 應(yīng) 的 光 頻 閾 值 ， 稱 為 紅 限 頻 率或 波 長 限 。 光 線 頻 率 低 于 紅 限 頻 率 ， 光 子 能 量 不 足 以 使物 體 內(nèi) 的 電 子 逸 出 ， 因 而 小 于 紅 限 頻 率 的 入 射 光 ， 光 強再 大 也 不 會 產(chǎn) 生 光 電 子 發(fā) 射 ； 反 之 ， 入 射 光 頻 率 高 于 紅限 頻 率 ， 即 使 光 線 微 弱 ， 也 會 有 光 電 子 射 出 。n當 入 射 光 的 頻 譜 成 分 不 變 時 ， 產(chǎn) 生 的 光 電 流 與 光 強 成正 比 。 即 光 強 愈 大 ， 意 味 著 入 射 光 子 數(shù) 目 越 多 ， 逸 出 的電 子 數(shù) 也 就 越 多 。n光 電 子 逸 出 物 體 表 面 具 有 初 始 動 能 m v 02/2， 因 此 外 光電 效 應(yīng) 器 件 （ 如 光 電 管 ） 即 使 沒 有 加 陽 極 電 壓 ， 也 會 有光 電 子 產(chǎn) 生 。 為 了 使 光 電 流 為 零 ， 必 須 加 負 的 截 止 電 壓 ，而 且 截 止 電 壓 與 入 射 光 的 頻 率 成 正 比 。 當 光 照 射 在 物 體 上 ， 使 物 體 的 電 阻 率 發(fā) 生變 化 ， 或 產(chǎn) 生 光 生 電 動 勢 的 現(xiàn) 象 叫 做 內(nèi) 光 電 效 應(yīng) ，它 多 發(fā) 生 于 半 導(dǎo) 體 內(nèi) 。 根 據(jù) 工 作 原 理 的 不 同 ， 內(nèi)光 電 效 應(yīng) 分 為 光 電 導(dǎo) 效 應(yīng) 和 光 生 伏 特 效 應(yīng) 兩 類 ：（ 1） 光 電 導(dǎo) 效 應(yīng)在 光 線 作 用 ， 電 子 吸 收 光 子 能 量 從 鍵 合 狀 態(tài)過 渡 到 自 由 狀 態(tài) ， 而 引 起 材 料 電 導(dǎo) 率 的 變 化 ， 這種 現(xiàn) 象 被 稱 為 光 電 導(dǎo) 效 應(yīng) 。 基 于 這 種 效 應(yīng) 的 光 電器 件 有 光 敏 電 阻 。2、 內(nèi) 光 電 效 應(yīng) 過 程 ： 當 光 照 射 到 半 導(dǎo) 體 材 料 上 時 ， 價 帶 中 的 電 子 受到 能 量 大 于 或 等 于 禁 帶 寬 度 的 光 子 轟 擊 ， 并 使 其 由 價帶 越 過 禁 帶 躍 入 導(dǎo) 帶 ， 如 圖 ， 使 材 料 中 導(dǎo) 帶 內(nèi) 的 電 子和 價 帶 內(nèi) 的 空 穴 濃 度 增 加 ， 從 而 使 電 導(dǎo) 率 變 大 。導(dǎo) 帶價 帶禁 帶 自 由 電 子 所 占 能 帶不 存 在 電 子 所 占 能 帶價 電 子 所 占 能 帶Eg 電 子 能 級 示 意 圖 材 料 的 光 導(dǎo) 性 能 決 定 于 禁 帶 寬 度 ， 對 于 一 種 光電 導(dǎo) 材 料 ， 總 存 在 一 個 照 射 光 波 長 限 0， 只 有波 長 小 于 0的 光 照 射 在 光 電 導(dǎo) 體 上 ， 才 能 產(chǎn) 生電 子 能 級 間 的 躍 進 ， 從 而 使 光 電 導(dǎo) 體 的 電 導(dǎo) 率增 加 。式 中 、 分 別 為 入 射 光 的 頻 率 和 波 長 。 Eg24.1 hch為 了 實 現(xiàn) 能 級 的 躍 遷 ， 入 射 光 的 能 量 必 須 大 于 光 電 導(dǎo)材 料 的 禁 帶 寬 度 Eg， 即 （ 2） 光 生 伏 特 效 應(yīng)在 光 線 作 用 下 能 夠 使 物 體 產(chǎn) 生 一 定 方 向 的電 動 勢 的 現(xiàn) 象 叫 做 光 生 伏 特 效 應(yīng) ?；?于 該 效 應(yīng) 的 光 電 器 件 有 光 電 池 和 光 敏 二 極 管 、三 極 管 。 勢 壘 效 應(yīng) （ 結(jié) 光 電 效 應(yīng) ） 。接 觸 的 半 導(dǎo) 體 和 PN結(jié) 中 ， 當 光 線 照 射 其 接觸 區(qū) 域 時 ， 便 引 起 光 電 動 勢 ， 這 就 是 結(jié) 光 電 效 應(yīng) 。以 PN結(jié) 為 例 ， 光 線 照 射 PN結(jié) 時 ， 設(shè) 光 子 能 量 大 于 禁帶 寬 度 E g， 使 價 帶 中 的 電 子 躍 遷 到 導(dǎo) 帶 ， 而 產(chǎn) 生 電 子空 穴 對 ， 在 阻 擋 層 內(nèi) 電 場 的 作 用 下 ， 被 光 激 發(fā) 的 電 子移 向 N區(qū) 外 側(cè) ， 被 光 激 發(fā) 的 空 穴 移 向 P區(qū) 外 側(cè) ， 從 而使 P區(qū) 帶 正 電 ， N區(qū) 帶 負 電 ， 形 成 光 電 動 勢 。 側(cè) 向 光 電 效 應(yīng) 。當 半 導(dǎo) 體 光 電 器 件 受 光 照 不 均 勻 時 ， 有 載流 子 濃 度 梯 度 將 會 產(chǎn) 生 側(cè) 向 光 電 效 應(yīng) 。 當 光 照部 分 吸 收 入 射 光 子 的 能 量 產(chǎn) 生 電 子 空 穴 對 時 ，光 照 部 分 載 流 子 濃 度 比 未 受 光 照 部 分 的 載 流 子濃 度 大 ， 就 出 現(xiàn) 了 載 流 子 濃 度 梯 度 ， 因 而 載 流子 就 要 擴 散 。 如 果 電 子 遷 移 率 比 空 穴 大 ， 那 么空 穴 的 擴 散 不 明 顯 ， 則 電 子 向 未 被 光 照 部 分 擴散 ， 就 造 成 光 照 射 的 部 分 帶 正 電 ， 未 被 光 照 射部 分 帶 負 電 ， 光 照 部 分 與 未 被 光 照 部 分 產(chǎn) 生 光電 動 勢 。 基 于 該 效 應(yīng) 的 光 電 器 件 如 半 導(dǎo) 體 光 電位 置 敏 感 器 件 （ PSD） 。 利 用 物 質(zhì) 在 光 的 照 射 下 發(fā) 射 電 子 的 外 光 電 效 應(yīng) 而 制成 的 光 電 器 件 ， 一 般 都 是 真 空 的 或 充 氣 的 光 電 器 件 ，如 光 電 管 和 光 電 倍 增 管 。一 、 光 電 管 及 其 基 本 特 性 光 電 管 的 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖光陽 極光 電 陰 極 光 窗1. 結(jié) 構(gòu) 與 工 作 原 理光 電 管 有 真 空 光 電 管 和 充 氣光 電 管 或 稱 電 子 光 電 管 和 離 子 光電 管 兩 類 。 兩 者 結(jié) 構(gòu) 相 似 ， 如 圖 。它 們 由 一 個 陰 極 和 一 個 陽 極 構(gòu) 成 ，并 且 密 封 在 一 只 真 空 玻 璃 管 內(nèi) 。陰 極 裝 在 玻 璃 管 內(nèi) 壁 上 ， 其 上 涂有 光 電 發(fā) 射 材 料 。 陽 極 通 常 用 金屬 絲 彎 曲 成 矩 形 或 圓 形 ， 置 于 玻璃 管 的 中 央 。 第 二 節(jié) 外 光 電 效 應(yīng) 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(yīng) 時 間 、 峰 值 探 測 率 和 溫 度 特 性 來 描 述 。（ 1） 光 電 管 的 伏 安 特 性2. 主 要 性 能 在 一 定 的 光 照 射下 ， 對 光 電 器 件 的 陰極 所 加 電 壓 與 陽 極 所產(chǎn) 生 的 電 流 之 間 的 關(guān)系 稱 為 光 電 管 的 伏 安特 性 。 光 電 管 的 伏 安特 性 如 圖 所 示 。 它 是應(yīng) 用 光 電 傳 感 器 參 數(shù)的 主 要 依 據(jù) 。圖 4.2-2光 電 管 的 伏 安 特 性 50 20lm40lm60lm80lm100lm120lm100 150 200024681012 陽 極 與 末 級 倍 增 極 間 的 電 壓 /VIA/A （ 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 。其 特 性 曲 線 如 圖 所 示 。 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 。 曲 線 2為 銻 銫 陰 極的 光 電 管 光 照 特 性 ，它 成 非 線 性 關(guān) 系 。 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 。 光 電 管 的 光 照 特 性255075100 20 0.5 1.5 2.0 /1mIA/A 1.0 2.51 （ 3） 光 電 管 光 譜 特 性由 于 光 陰 極 對 光 譜 有 選 擇 性 ， 因 此 光 電 管對 光 譜 也 有 選 擇 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 。 一 般 對 于 光 電 陰 極 材 料 不 同 的 光 電 管 ，它 們 有 不 同 的 紅 限 頻 率 0， 因 此 它 們 可 用 于 不 同 的 光譜 范 圍 。 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 0， 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 。 所 以 ， 對 各 種 不 同 波 長 區(qū) 域 的 光 ， 應(yīng)選 用 不 同 材 料 的 光 電 陰 極 。 國 產(chǎn) G D-4型 的 光 電 管 ， 陰 極 是 用 銻 銫 材 料 制 成 的 。其 紅 限 0=7000， 它 對 可 見 光 范 圍 的 入 射 光 靈 敏 度 比 較高 ， 轉(zhuǎn) 換 效 率 ： 25%30%。 它 適 用 于 白 光 光 源 ， 因 而被 廣 泛 地 應(yīng) 用 于 各 種 光 電 式 自 動 檢 測 儀 表 中 。 對 紅 外 光源 ， 常 用 銀 氧 銫 陰 極 ， 構(gòu) 成 紅 外 傳 感 器 。 對 紫 外 光 源 ，常 用 銻 銫 陰 極 和 鎂 鎘 陰 極 。 另 外 ， 銻 鉀 鈉 銫 陰 極 的 光 譜范 圍 較 寬 ， 為 30008500， 靈 敏 度 也 較 高 ， 與 人 的 視 覺光 譜 特 性 很 接 近 ， 是 一 種 新 型 的 光 電 陰 極 ； 但 也 有 些 光電 管 的 光 譜 特 性 和 人 的 視 覺 光 譜 特 性 有 很 大 差 異 ， 因 而在 測 量 和 控 制 技 術(shù) 中 ， 這 些 光 電 管 可 以 擔 負 人 眼 所 不 能勝 任 的 工 作 ， 如 坦 克 和 裝 甲 車 的 夜 視 鏡 等 。一 般 充 氣 光 電 管 當 入 射 光 頻 率 大 于 8000H z時 ， 光 電流 將 有 下 降 趨 勢 ， 頻 率 愈 高 ， 下 降 得 愈 多 。 二 、 光 電 倍 增 管 及 其 基 本 特 性當 入 射 光 很 微 弱 時 ， 普 通 光 電 管 產(chǎn) 生 的 光 電 流 很小 ， 只 有 零 點 幾 A， 很 不 容 易 探 測 。 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 。1. 結(jié) 構(gòu) 和 工 作 原 理由 光 陰 極 、 次 陰 極 (倍 增 電 極 )以 及 陽 極 三 部 分 組 成 。 光 陰 極 是 由 半導(dǎo) 體 光 電 材 料 銻 銫 做 成 ； 次 陰 極 是 在 鎳 或 銅 -鈹 的 襯 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 105106倍 。 即光 電 倍 增 管 的 放 大 倍 數(shù) 可 達幾 萬 倍 到 幾 百 萬 倍 。 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 。 因此 在 很 微 弱 的 光 照 時 ， 它 就能 產(chǎn) 生 很 大 的 光 電 流 。 （ 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) 的 乘 積 。 如 果 n個 倍 增 電 極 的 都 相 同 ，則 M=因 此 ， 陽 極 電 流 I 為 I =i i 光 電 陰 極 的 光 電 流光 電 倍 增 管 的 電 流 放 大 倍 數(shù) 為 = I / i =M與 所 加 電 壓 有 關(guān) ， M在 105108之 間 ， 穩(wěn) 定 性 為 1 左右 ， 加 速 電 壓 穩(wěn) 定 性 要 在 0.1 以 內(nèi) 。 如 果 有 波 動 ， 倍增 系 數(shù) 也 要 波 動 ， 因 此 M具 有 一 定 的 統(tǒng) 計 漲 落 。 一 般陽 極 和 陰 極 之 間 的 電 壓 為 10002500V， 兩 個 相 鄰 的 倍增 電 極 的 電 位 差 為 50100V。 對 所 加 電 壓 越 穩(wěn) 越 好 ，這 樣 可 以 減 小 統(tǒng) 計 漲 落 ， 從 而 減 小 測 量 誤 差 。 2. 主 要 參 數(shù) ni nini 10310410510625 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 。 而 一 個 光 子 在陽 極 上 產(chǎn) 生 的 平 均 電 子 數(shù) 叫 做 光 電 倍 增 管 的 總靈 敏 度 。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) 。另 外 ， 由 于 光 電 倍 增 管 的 靈 敏 度 很 高 ， 所以 不 能 受 強 光 照 射 ， 否 則 將 會 損 壞 。 （ 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 常可 以 用 補 償 電 路 消 除 。 如 果 光 電 倍 增 管 與 閃 爍 體 放 在 一 處 ， 在 完 全 蔽 光情 況 下 ， 出 現(xiàn) 的 電 流 稱 為 本 底 電 流 ， 其 值 大 于 暗 電 流 。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 。 光 電倍 增管 的光 照特 性與 直 線 最 大偏 離 是 3%10 1310 1010 910 710 510 310 1 在 45mA處 飽 和10 14 10 10 10 6 10 2光 通 量 /1m陽極電流/A（ 4） 光 電 倍 增 管 的 光 譜 特 性光 譜 特 性 反 應(yīng) 了 光 電 倍 增 管 的 陽 極 輸 出 電 流 與 照 射在 光 電 陰 極 上 的 光 通 量 之 間 的 函 數(shù) 關(guān) 系 。 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 10-4lm時 ， 有 較 好 的 線 性 關(guān) 系 。 光 通量 大 ， 開 始 出 現(xiàn) 非 線 性 ， 如 圖 所 示 。 利 用 物 質(zhì) 在 光 的 照 射 下 電 導(dǎo) 性 能 改 變 或 產(chǎn) 生 電 動勢 的 光 電 器 件 稱 內(nèi) 光 電 效 應(yīng) 器 件 ， 常 見 的 有 光 敏電 阻 、 光 電 池 和 光 敏 晶 體 管 等 。一 、 光 敏 電 阻光 敏 電 阻 又 稱 光 導(dǎo) 管 ， 為 純 電 阻 元 件 ， 其 工作 原 理 是 基 于 光 電 導(dǎo) 效 應(yīng) ， 其 阻 值 隨 光 照 增 強 而減 小 。優(yōu) 點 ： 靈 敏 度 高 ， 光 譜 響 應(yīng) 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 。不 足 ： 需 要 外 部 電 源 ， 有 電 流 時 會 發(fā) 熱 。 第 三 節(jié) 內(nèi) 光 電 效 應(yīng) 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(dǎo) 體 上 時 ， 若 光 電 導(dǎo) 體 為 本 征 半導(dǎo) 體 材 料 ， 而 且 光 輻 射 能 量 又 足 夠 強 ， 光 導(dǎo) 材 料 價 帶上 的 電 子 將 激 發(fā) 到 導(dǎo) 帶 上 去 ， 從 而 使 導(dǎo) 帶 的 電 子 和 價帶 的 空 穴 增 加 ， 致 使 光 導(dǎo) 體 的 電 導(dǎo) 率 變 大 。 為 實 現(xiàn) 能級 的 躍 遷 ， 入 射 光 的 能 量 必 須 大 于 光 導(dǎo) 體 材 料 的 禁 帶寬 度 Eg， 即 h=Eg(eV)式 中 和 入 射 光 的 頻 率 和 波 長 。一 種 光 電 導(dǎo) 體 ， 存 在 一 個 照 射 光 的 波 長 限 C， 只 有波 長 小 于 C的 光 照 射 在 光 電 導(dǎo) 體 上 ， 才 能 產(chǎn) 生 電 子 在能 級 間 的 躍 遷 ， 從 而 使 光 電 導(dǎo) 體 電 導(dǎo) 率 增 加 。ch 24.1 光 敏 電 阻 的 結(jié) 構(gòu) 如 圖 所 示 。 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(dǎo) 體 。 光 導(dǎo) 體 吸 收光 子 而 產(chǎn) 生 的 光 電 效 應(yīng) ， 只 限 于 光 照 的 表 面 薄 層 ， 雖 然產(chǎn) 生 的 載 流 子 也 有 少 數(shù) 擴 散 到 內(nèi) 部 去 ， 但 擴 散 深 度 有 A金 屬 封 裝 的 硫 化 鎘 光 敏 電 阻 結(jié) 構(gòu) 圖光 導(dǎo) 電 材 料 絕 緣 襯 低引 線電 極引 線 光 電 導(dǎo) 體 限 ， 因 此 光 電 導(dǎo) 體 一般 都 做 成 薄 層 。 為 了獲 得 高 的 靈 敏 度 ， 光敏 電 阻 的 電 極 一 般 采用 梳 狀 圖 案 ， 結(jié) 構(gòu) 見下 圖 。 1-光 導(dǎo) 層 ;2-玻 璃 窗 口 ;3-金 屬 外 殼 ;4-電 極 ;5-陶 瓷 基 座 ;6-黑 色 絕 緣 玻 璃 ;7-電 阻 引 線 。RG1 2 3 4567(a)結(jié) 構(gòu) (b)電 極 (c)符 號它 是 在 一 定 的 掩 模 下 向 光 電 導(dǎo) 薄 膜 上 蒸 鍍 金 或銦 等 金 屬 形 成 的 。 這 種 梳 狀 電 極 ， 由 于 在 間 距很 近 的 電 極 之 間 有 可 能 采 用 大 的 靈 敏 面 積 ， 所以 提 高 了 光 敏 電 阻 的 靈 敏 度 。 圖 （ c） 是 光 敏 電阻 的 代 表 符 號 。CdS光 敏 電 阻 的 結(jié) 構(gòu) 和 符 號 光 敏 電 阻 的 靈 敏 度 易 受 濕 度 的 影 響 ， 因 此 要 將 導(dǎo)光 電 導(dǎo) 體 嚴 密 封 裝 在 玻 璃 殼 體 中 。 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 。光 敏 電 阻 具 有 很 高 的 靈 敏 度 ， 很 好 的 光 譜 特 性 ，光 譜 響 應(yīng) 可 從 紫 外 區(qū) 到 紅 外 區(qū) 范 圍 內(nèi) 。 而 且 體 積 小 、重 量 輕 、 性 能 穩(wěn) 定 、 價 格 便 宜 ， 因 此 應(yīng) 用 比 較 廣 泛 。 RGRLE I （ 2） 光 照 特 性下 圖 表 示 CdS光 敏 電 阻 的 光 照 特 性 。 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 。 不 同 類型 光 敏 電 阻 光 照 特 性 不 同 ， 但 光 照 特 性 曲 線 均 呈 非 線性 。 因 此 它 不 宜 作 定 量 檢 測 元 件 ， 這 是 光 敏 電 阻 的 不足 之 處 。 一 般 在 自 動 控 制 系 統(tǒng) 中 用 作 光 電 開 關(guān) 。 012345I/mA L/lx1000 2000 （ 3） 光 譜 特 性光 譜 特 性 與 光 敏 電 阻 的 材 料 有 關(guān) 。 從 圖 中 可 知 ， 硫化 鉛 光 敏 電 阻 在 較 寬 的 光 譜 范 圍 內(nèi) 均 有 較 高 的 靈 敏 度 ，峰 值 在 紅 外 區(qū) 域 ； 硫 化 鎘 、 硒 化 鎘 的 峰 值 在 可 見 光 區(qū) 域。 因 此 ， 在 選 用 光 敏 電 阻 時 ， 應(yīng) 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 。 2040608010040 80 120 160 200 240 /m31 2相對靈敏度 1硫 化 鎘2硒 化 鎘3硫 化 鉛 （ 4） 伏 安 特 性在 一 定 照 度 下 ， 加 在 光 敏 電 阻 兩 端 的 電 壓 與 電 流 之間 的 關(guān) 系 稱 為 伏 安 特 性 。 圖 中 曲 線 1、 2分 別 表 示 照 度為 零 及 照 度 為 某 值 時 的 伏 安 特 性 。 由 曲 線 可 知 ， 在 給定 偏 壓 下 ,光 照 度 較 大 ， 光 電 流 也 越 大 。 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) 50100150200 12U/V0 20 40 象 。 但 是 電 壓 不 能 無 限 地增 大 ， 因 為 任 何 光 敏 電 阻都 受 額 定 功 率 、 最 高 工 作電 壓 和 額 定 電 流 的 限 制 。超 過 最 高 工 作 電 壓 和 最 大額 定 電 流 ， 可 能 導(dǎo) 致 光 敏電 阻 永 久 性 損 壞 。I/A （ 5） 頻 率 特 性當 光 敏 電 阻 受 到 脈 沖 光 照 射 時 ， 光 電 流 要 經(jīng) 過 一 段 時 間才 能 達 到 穩(wěn) 定 值 ， 而 在 停 止 光 照 后 ， 光 電 流 也 不 立 刻 為零 ， 這 就 是 光 敏 電 阻 的 時 延 特 性 。 由 于 不 同 材 料 的 光 敏 ，20406080100I /% f /H z0 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 。 硫 化 鉛 的 使 用 頻 率比 硫 化 鎘 高 得 多 ， 但 多 數(shù)光 敏 電 阻 的 時 延 都 比 較 大 ，所 以 ， 它 不 能 用 在 要 求 快速 響 應(yīng) 的 場 合 。硫 化 鉛硫 化 鎘 （ 6） 穩(wěn) 定 性圖 中 曲 線 1、 2分 別 表 示 兩 種 型 號 CdS光 敏 電 阻 的 穩(wěn)定 性 。 初 制 成 的 光 敏 電 阻 ， 由 于 體 內(nèi) 機 構(gòu) 工 作 不 穩(wěn) 定 ，以 及 電 阻 體 與 其 介 質(zhì) 的 作 用 還 沒 有 達 到 平 衡 ， 所 以 性能 是 不 夠 穩(wěn) 定 的 。 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 。 光 敏 電 阻在 開 始 一 段 時 間 的 老 化 過 程 中 ， 有 些 樣 品 阻 值 上I /% 4080120160 21 T/h0 400 800 1200 1600 升 ， 有 些 樣 品 阻 值 下 降 ， 但最 后 達 到 一 個 穩(wěn) 定 值 后 就 不再 變 了 。 這 就 是 光 敏 電 阻 的主 要 優(yōu) 點 。光 敏 電 阻 的 使 用 壽 命 在密 封 良 好 、 使 用 合 理 的 情 況下 ， 幾 乎 是 無 限 長 的 。 （ 7） 溫 度 特 性其 性 能 (靈 敏 度 、 暗 電 阻 )受 溫 度 的 影 響 較 大 。 隨 著 溫度 的 升 高 ， 其 暗 電 阻 和 靈 敏 度 下 降 ， 光 譜 特 性 曲 線 的峰 值 向 波 長 短 的 方 向 移 動 。 硫 化 鎘 的 光 電 流 I和 溫 度 T的 關(guān) 系 如 圖 所 示 。 有 時 為 了 提 高 靈 敏 度 ， 或 為 了 能 夠接 收 較 長 波 段 的 輻 射 ， 將 元 件 降 溫 使 用 。 例 如 ， 可 利用 制 冷 器 使 光 敏 電 阻 的 溫 度 降 低 。I /A 100150200-50 -10 30 5010-30 T /C 204060801000 1.0 2.0 3.0 4.0 /mI/mA+20C -20C 二 、 光 電 池 光 電 池 是 利 用 光 生 伏 特 效 應(yīng) 把 光 直 接 轉(zhuǎn) 變 成 電 能 的器 件 。 由 于 它 可 把 太 陽 能 直 接 變 電 能 ， 因 此 又 稱 為 太 陽能 電 池 。 它 是 基 于 光 生 伏 特 效 應(yīng) 制 成 的 ， 是 發(fā) 電 式 有 源元 件 。 它 有 較 大 面 積 的 PN結(jié) ， 當 光 照 射 在 PN結(jié) 上 時 ，在 結(jié) 的 兩 端 出 現(xiàn) 電 動 勢 。命 名 方 式 ： 把 光 電 池 的 半 導(dǎo) 體 材 料 的 名 稱 冠 于 光 電 池 (或 太 陽 能 電池 )之 前 。 如 ， 硒 光 電 池 、 砷 化 鎵 光 電 池 、 硅 光 電 池 等 。 目 前 ,應(yīng)用 最 廣 、 最 有 發(fā) 展 前 途 的 是 硅 光 電 池 。l硅 光 電 池 價 格 便 宜 ， 轉(zhuǎn) 換 效 率 高 ， 壽 命 長 ， 適 于 接 受 紅 外 光 。l硒 光 電 池 光 電 轉(zhuǎn) 換 效 率 低 (0.02 )、 壽 命 短 ， 適 于 接 收 可 見 光(響 應(yīng) 峰 值 波 長 0.56m)， 最 適 宜 制 造 照 度 計 。l砷 化 鎵 光 電 池 轉(zhuǎn) 換 效 率 比 硅 光 電 池 稍 高 ， 光 譜 響 應(yīng) 特 性 則 與 太陽 光 譜 最 吻 合 。 且 工 作 溫 度 最 高 ， 更 耐 受 宇 宙 射 線 的 輻 射 。 因 此 ， 它 在 宇 宙 飛 船 、 衛(wèi) 星 、 太 空 探 測 器 等 電 源 方 面 的 應(yīng) 用 是 有 發(fā) 展 前途 的 。 光 電 池 的 示 意 圖 硅 光 電 池 的 結(jié) 構(gòu) 如 圖 所 示 。 它 是 在 一 塊 N型 硅 片 上 用 擴散 的 辦 法 摻 入 一 些 P型 雜 質(zhì) (如 硼 )形 成 PN結(jié) 。 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 。 若 將 PN結(jié) 兩 端 用 導(dǎo) 線連 起 來 ， 電 路 中 有 電 流 流 過 ， 電 流 的 方 向 由 P區(qū) 流 經(jīng) 外電 路 至 N區(qū) 。 若 將 外 電 路 斷 開 ， 就 可 測 出 光 生 電 動 勢 。1. 光 電 池 的 結(jié) 構(gòu) 和 工 作 原 理+光 PN SiO 2RL(a)光 電 池 的 結(jié) 構(gòu) 圖 I 光(b)光 電 池 的 工 作 原 理 示 意 圖P N 光 電 池 的 表 示 符 號 、 基 本 電 路 及 等 效 電 路 如 圖 所 示 。I U Id UI RLI(a) (b) (c)圖 光 電 池 符 號 和 基 本 工 作 電 路 L/klx L/klx 543210 0.10.20.30.40.52 4 6 8 10開 路 電 壓 Uoc /V 0.10.20.30.40.50.30.10 1 2 3 4 5Uoc/VIsc /mAIsc/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 2000lx時 趨 向 飽 和 。短 路 電 流 曲 線 ： 光 電 流 與 照 度 之 間 的 特 性 曲 線2. 基 本 特 性 開 路 電 壓短 路 電 流 短 路 電 流 短 路 電 流 ， 指 外 接 負 載 相 對 于 光 電 池 內(nèi) 阻 而 言 是很 小 的 。 光 電 池 在 不 同 照 度 下 ， 其 內(nèi) 阻 也 不 同 ，因 而 應(yīng) 選 取 適 當 的 外 接 負 載 近 似 地 滿 足 “ 短 路 ”條 件 。 下 圖 表 示 硒 光 電 池 在 不 同 負 載 電 阻 時 的光 照 特 性 。 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 。 0 2 4 6 8 100.10.20.30.40.5 I/mA L/klx 5010010005000RL=0 20406080100 0.4 0.6 0.8 1.0 1.20.2I /% 1 2/m (2) 光 譜 特 性光 電 池 的 光 譜 特 性 決 定 于 材 料 。 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 。 硅 光 電 池 應(yīng) 用 的 范圍 400nm1100nm， 峰 值 波 長 在 850nm附 近 ， 因 此 硅光 電 池 可 以 在 很 寬 的 范 圍 內(nèi) 應(yīng) 用 。 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 。 光 電 池 的 頻 率 響 應(yīng) 就 是 指 輸 出 電 流 隨 調(diào) 制光 頻 率 變 化 的 關(guān) 系 。 由 于 光 電 池 PN結(jié) 面 積 較 大 ， 極間 電 容 大 ， 故 頻 率 特 性 較 差 。 圖 示 為 光 電 池 的 頻 率響 應(yīng) 曲 線 。 由 圖 可 知 ， 硅 光 電 池 具 有 較 高 的 頻 率 響應(yīng) ， 如 曲 線 2， 而 硒 光 電 池 則 較 差 ， 如 曲 線 1。 204060801000I /% 1 2 3 4 51 2 f /kH z1硒 光 電 池2硅 光 電 池 （ 4） 溫 度 特 性光 電 池 的 溫 度 特 性 是 指 開 路 電 壓 和 短 路 電 流 隨 溫 度變 化 的 關(guān) 系 。 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(yīng) 用 光 電 池 的 儀 器 設(shè) 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 。 200 40 60 904060UOC/mV T /CISCUOC ISC /A600400200 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) 。 它 和 光 電 池 相 比 ， 重 要 的 不 同 點 是 結(jié) 面 積 小 ， 因此 它 的 頻 率 特 性 特 別 好 。 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 A到 幾 十 A。 按材 料 分 ， 光 電 二 極 管 有 硅 、 砷 化 鎵 、 銻 化 銦 光 電 二 極管 等 許 多 種 。 按 結(jié) 構(gòu) 分 ， 有 同 質(zhì) 結(jié) 與 異 質(zhì) 結(jié) 之 分 。 其中 最 典 型 的 是 同 質(zhì) 結(jié) 硅 光 電 二 極 管 。國 產(chǎn) 硅 光 電 二 極 管 按 襯 底 材 料 的 導(dǎo) 電 類 型 不 同 ， 分為 2CU和 2DU兩 種 系 列 。 2CU系 列 以 N-Si為 襯 底 ，2DU系 列 以 P-Si為 襯 底 。 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 。 1. 光 敏 二 極 管光 敏 二 極 管 符 號 如 圖 。 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 。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 頂 ， 可 直 接 受 到 光 照 射 。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 。 P N光光 敏 二 極 管 符 號 RL 光P N光 敏 二 極 管 接 線 光 敏 二 極 管 在 沒 有 光 照 射 時 ， 反 向 電 阻 很 大 ， 反 向電 流 很 小 。 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 。 當 光 不照 射 時 ， 光 敏 二 極 管 處 于 載 止 狀 態(tài) ， 這 時 只 有 少 數(shù) 載 流子 在 反 向 偏 壓 的 作 用 下 ， 渡 越 阻 擋 層 形 成 微 小 的 反 向 電流 即 暗 電 流 ； 受 光 照 射 時 ， PN結(jié) 附 近 受 光 子 轟 擊 ， 吸收 其 能 量 而 產(chǎn) 生 電 子 -空 穴 對 ， 從 而 使 P區(qū) 和 N區(qū) 的 少 數(shù)載 流 子 濃 度 大 大 增 加 ， 因 此 在 外 加 反 向 偏 壓 和 內(nèi) 電 場 的作 用 下 ， P區(qū) 的 少 數(shù) 載 流 子 渡 越 阻 擋 層 進 入 N區(qū) ， N區(qū)的 少 數(shù) 載 流 子 渡 越 阻 擋 層 進 入 P區(qū) ， 從 而 使 通 過 PN結(jié) 的反 向 電 流 大 為 增 加 ， 這 就 形 成 了 光 電 流 。 光 敏 二 極 管 的光 電 流 I 與 照 度 之 間 呈 線 性 關(guān) 系 。 光 敏 二 極 管 的 光 照 特性 是 線 性 的 ， 所 以 適 合 檢 測 等 方 面 的 應(yīng) 用 。 （ 1） PIN管 結(jié) 光 電 二 極 管PIN管 是 光 電 二 極 管 中 的 一 種 。 它 的 結(jié) 構(gòu) 特 點 是 ，在 P型 半 導(dǎo) 體 和 N型 半 導(dǎo) 體 之 間 夾 著 一 層 （ 相 對 ） 很 厚的 本 征 半 導(dǎo) 體 。 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 = CjRL與 f=1/2知 ， Cj小 ， 則 小 ， 頻 帶 將 變寬 。 P-Si N-SiI-SiPIN管 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 最 大 特 點 ： 頻 帶 寬 ， 可 達 10G H z。 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 。 （ 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100G H z， 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 。 2. 光 敏 三 極 管光 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 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 倍 。 P PNN NPe b b c RL Ee c 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 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 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/4000 8000 12000 16000100806040200 硅 的 峰 值 波 長 為 9000，鍺 的 峰 值 波 長 為 15000。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 。 0 500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI / mA246 20 40 60 80光 敏 晶 體 管 的 伏 安 特 性 （ 2） 伏 安 特 性光 敏 三 極 管 的 伏 安 特 性 曲 線 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 。 U/V 光 敏 晶 體 管 的 光 照 特 性I /A L/lx200 400 600 800 100001.02.03.0 （ 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 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