第8章 光電式1.2光敏二極管

1、 8.1.2 光敏二極管和光敏晶體管光敏二極管和光敏晶體管 1. 結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu)原理 光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似。光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似。 它裝在它裝在透明玻璃外殼透明玻璃外殼中，中， 其其PN結(jié)裝在管的頂部，可以直接受結(jié)裝在管的頂部，可以直接受 到光照射（見圖到光照射（見圖8-8）。）。 光敏二極管結(jié)構(gòu)簡圖和符號 NP 光 光敏二極管在電路中一般是處光敏二極管在電路中一般是處 于于反向反向工作狀態(tài)工作狀態(tài) （如圖（如圖8-9）。）。 圖 8-9 光敏二極管接線圖 R L E 在沒有光照射時：在沒有光照射時： 反向電阻很大，反向電阻很大， 反向電流很小，反向電流很小， 這時反向電

2、流稱為這時反向電流稱為暗電流暗電流。 當光照射在當光照射在 PN 結(jié)上，結(jié)上， 光子打在光子打在PN結(jié)附近，結(jié)附近， 使使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生結(jié)附近產(chǎn)生光生電子電子和和光生空光生空 穴穴對，對， 它們在它們在PN結(jié)處的內(nèi)電場作用下作定結(jié)處的內(nèi)電場作用下作定 向運動，形成光電流。向運動，形成光電流。 光的照度越大，光電流越大。光的照度越大，光電流越大。 結(jié)論：結(jié)論： 光敏二極管在不受光照射時處于截光敏二極管在不受光照射時處于截 止狀態(tài)，止狀態(tài)， 受光照射時處于導(dǎo)通狀態(tài)。受光照射時處于導(dǎo)通狀態(tài)。 光敏晶體管與一般晶體管很相似，光敏晶體管與一般晶體管很相似， 具有兩個具有兩個PN結(jié)，如圖結(jié)，如圖8-1

3、0（a）所示，）所示， 只是它的發(fā)射極一邊做得很大，以擴只是它的發(fā)射極一邊做得很大，以擴 大光的照射面積。大光的照射面積。 NPN型光敏晶體管結(jié)構(gòu)簡圖和基本電路 NP c 光 N e b b e c (a)(b) R L E 光敏晶體管接線如圖光敏晶體管接線如圖8-10（b）所示，）所示， 大多數(shù)光敏晶體管的基極無引出線，大多數(shù)光敏晶體管的基極無引出線， 當集電極加上相對于發(fā)射極為正的電壓當集電極加上相對于發(fā)射極為正的電壓 而不接基極時，集電結(jié)就是反向偏壓。而不接基極時，集電結(jié)就是反向偏壓。 當光照射在當光照射在集電結(jié)集電結(jié)時，就會在結(jié)附時，就會在結(jié)附 近產(chǎn)生電子近產(chǎn)生電子空穴對，光生電子被拉

4、到空穴對，光生電子被拉到 集電極，基區(qū)留下空穴，集電極，基區(qū)留下空穴， 使基極與發(fā)射極間的電壓升高，這使基極與發(fā)射極間的電壓升高，這 樣便會有大量的電子流向集電極，形成樣便會有大量的電子流向集電極，形成 輸出電流，輸出電流， NPN型光敏晶體管結(jié)構(gòu)簡圖和基本電路 NP c 光 N e b b e c (a)(b) R L E 且集電極電流為光電流的且集電極電流為光電流的倍，所以倍，所以 光敏晶體管有放大作用。光敏晶體管有放大作用。 光敏晶體管的光敏晶體管的光電靈敏度光電靈敏度比光敏二比光敏二 極管高得多，極管高得多， 但在需要高增益或大電流輸出的場但在需要高增益或大電流輸出的場 合，需采用合，

5、需采用達林頓達林頓光敏管。光敏管。 c e 圖圖8-11是達林頓光敏管的等效電路。是達林頓光敏管的等效電路。 它是一個光敏晶體管和一個晶它是一個光敏晶體管和一個晶 體管以共集電極連接方式構(gòu)成的集體管以共集電極連接方式構(gòu)成的集 成器件。成器件。 由于增加了一級電流放大，所以輸由于增加了一級電流放大，所以輸 出電流能力大大加強，出電流能力大大加強， 甚至可以不必經(jīng)過進一步放大，便甚至可以不必經(jīng)過進一步放大，便 可直接驅(qū)動可直接驅(qū)動靈敏繼電器靈敏繼電器。 但由于無光照時的暗電流也增大，但由于無光照時的暗電流也增大， 因此適合于開關(guān)狀態(tài)或位式信號的光電因此適合于開關(guān)狀態(tài)或位式信號的光電 變換。變換。

6、2. 基本特性基本特性 (1) 光譜特性光譜特性 在一定照度時，輸出的光電流（或用相在一定照度時，輸出的光電流（或用相 對靈敏度表示）與入射光波長的關(guān)系。對靈敏度表示）與入射光波長的關(guān)系。 硅和鍺光敏二（晶體）極管的光譜硅和鍺光敏二（晶體）極管的光譜 特性曲線如圖特性曲線如圖8-12所示。所示。 光敏二極(晶體)管的光譜特性 100 80 60 40 20 0 410 2 810 2 1210 2 1610 2 2010 2 入射光 鍺 硅 / nm S / (%) 硅的峰值波長約為硅的峰值波長約為0.9m，鍺的峰，鍺的峰 值波長約為值波長約為1.5m， 此時靈敏度最大，此時靈敏度最大， 而當

7、入射光的波長增長或縮短時，而當入射光的波長增長或縮短時， 相對靈敏度都會下降。相對靈敏度都會下降。 鍺管的暗電流較大，因此性能較差，鍺管的暗電流較大，因此性能較差， 故在可見光或探測熾熱狀態(tài)物體時，一故在可見光或探測熾熱狀態(tài)物體時，一 般都用硅管。般都用硅管。 但對紅外光的探測，用鍺管較為適宜。但對紅外光的探測，用鍺管較為適宜。 (2) 伏安特性伏安特性 圖圖8-13（a）為硅光敏二極管的伏安）為硅光敏二極管的伏安 特性，橫坐標表示所加的反向偏壓。特性，橫坐標表示所加的反向偏壓。 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 I / mA 1200 1x 1000 1x 800 1x 60

8、0 1x 400 1x 200 1x 0 10 20 30 40 50 10 8 6 4 2 0 10 20 30 40 50 500 1x 400 1x 300 1x 200 1x 100 1x I / mA 反 向 電 壓 / V集 電 極 發(fā) 射 極 電 壓 / V (a)(b) 當光照時，反向電流隨著光照強度當光照時，反向電流隨著光照強度 的增大而增大，的增大而增大， 在不同的照度下，伏安特性曲線幾在不同的照度下，伏安特性曲線幾 乎平行，所以只要沒達到飽和值，它的乎平行，所以只要沒達到飽和值，它的 輸出實際上不受偏壓大小的影響。輸出實際上不受偏壓大小的影響。 圖圖8-13（b）為硅光敏

9、晶體管的伏）為硅光敏晶體管的伏 安特性。安特性。 縱坐標為光電流，縱坐標為光電流， 橫坐標為集電極橫坐標為集電極發(fā)射極電壓。發(fā)射極電壓。 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 I / mA 1200 1x 1000 1x 800 1x 600 1x 400 1x 200 1x 0 10 20 30 40 50 10 8 6 4 2 0 10 20 30 40 50 500 1x 400 1x 300 1x 200 1x 100 1x I / mA 反 向 電 壓 / V集 電 極 發(fā) 射 極 電 壓 / V (a )(b ) 由于晶體管的放大作用，在同樣由于晶體管的放大作用，在同樣

10、 照度下，其光電流比相應(yīng)的二極管大照度下，其光電流比相應(yīng)的二極管大 上百倍。上百倍。 （3） 頻率特性頻率特性 光敏管輸出的光電流（或相對靈敏光敏管輸出的光電流（或相對靈敏 度）隨頻率變化的關(guān)系。度）隨頻率變化的關(guān)系。 光敏二極管的頻率特性是半導(dǎo)體光光敏二極管的頻率特性是半導(dǎo)體光 電器件中最好的一種，普通光敏二極管電器件中最好的一種，普通光敏二極管 頻率響應(yīng)時間達頻率響應(yīng)時間達10s。 光敏晶體管的頻率特性受負載電光敏晶體管的頻率特性受負載電 阻的影響，阻的影響， 圖圖8-14為光敏晶體管頻率特性。為光敏晶體管頻率特性。 光敏晶體管的頻率特性 100 80 60 40 20 0 110100

11、100 k 10 k RL1 k S / (%) f / kHz 減小負載電阻可以提高頻率響應(yīng)減小負載電阻可以提高頻率響應(yīng) 范圍，范圍， 但輸出電壓響應(yīng)也減小。但輸出電壓響應(yīng)也減小。 (4) 溫度特性溫度特性 光敏管的暗電流及光電流與溫度的光敏管的暗電流及光電流與溫度的 關(guān)系。關(guān)系。 光敏晶體管的溫度特性曲線如圖光敏晶體管的溫度特性曲線如圖8- 15所示。所示。 光敏晶體管的溫度特性 10 0 25 50 20 30 40 50 60 7010 20 30 40 50 60 70 80 100 200 300 400 溫 度 / 暗 電 流 / mA 光 電 流 / A 溫 度 / (a)(b) 溫度變化對光電流影響很小溫度變化對光電流