光敏二极管和光敏三极管课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Chapter 3:,光纤传感系统中的光器件-active,1: Erbium ASE light source,2: Fiber laser,3：LED, LD,4: Photo detector,用途：传感系统的光源,一些气体的特征吸收谱线,1: Erbium ASE light source,EDF ASE光源的结构及器件选择,EDF,WDM,反向ASE输出,正向泵浦,正向ASE输出,残余泵浦,图7.1 EDF ASE光源的基本构成,隔离器,隔离器,EDF ASE光源的输出特性,图7.2 前向输出ASE与泵浦功率的关系,图7.3 后向输出ASE与泵浦功率的关系,图7.4 反射镜对前向ASE输出的增强作用,图7.5 反射镜对后向ASE输出的增强作用,2: Fiber laser,用途：,A、作为DTS的光源，可调谐的FL作为FBG的解调光源。,B: 本身就是传感器，如 DFB-FL,Construction & working principle,Energy transfer,Upconversion pump,Double cladding pump,光纤激光器的组成,光纤激光器的性能指标：,3：LED, LD,用途1：直接作为传感器的光源,用途2：LD可作为ASE、FL的泵浦,EDF,WDM,反向ASE输出,正向泵浦,正向ASE输出,残余泵浦,隔离器,隔离器,问题：用LD泵浦比其他光源泵浦有何优点？,发光机理：,(a),直接带隙半导体,( b),间接带隙半导体,波尔兹曼分布,粒子数反转,器件的外形：,ELED的结构,SLED的结构,注入电流,有源区,解理面,解理面,L,增益介质,R1,R2,z=0,z=L,832 830 828 826 824,832 830 828 826 824,832 830 828 826 824,驱动电流增大 ,LED的,数字调制,(a)及,模拟调制,( b),问题：固体激光器如何调制？,光源非线性谐波的产生,FP-LD的增益曲线(a)腔模(b)及输出的纵模(c),LD的多模(a)及单模(b)输出谱,商用产品的数据表单,LD、LED与光纤的耦合,在光发射机中，光源发出的光信号要送入光纤中去，这就涉及到光源与光纤的耦合问题，如下图。光源与光纤的耦合效率与光源的类型和光纤的类型有关。,一般说来，LD与单模光纤的耦合效率可以达到30%50%，LED与单模光纤的耦合效率非常低，只有百分之几甚至更小。,光源与光纤耦合示意图,影响耦合效率的主要因素是,光源的发散角,和,光纤的数值孔径,。,发散角大，耦合效率低；数值孔径大，耦合效率高。,此外，,光源发光面和光纤端面的尺寸、形状及两者之间的距离都会影响到耦合效率,。,光源与光纤的耦合一般采用两种方法，即,直接耦合,与,透镜耦合,。,直接耦合是将光纤端面直接对准光源发光面进行耦合的方法。当光源发光面积大于纤芯面积时，这是一种有效的方法。这种直接耦合的方法结构简单，但耦合效率低。,当光源发光面积小于纤芯面积时，可在光源与光纤之间放置透镜，使更多的发散光线会聚进入光纤来提高耦合效率，如下图。,面发光二极管与光纤的透镜耦合,(a) 光纤端部做成球透镜、 (b) 采用截头透镜、 4.31(c)采用集成微透镜,对于发散光束非对称的边发光二极管和半导体激光器可以利用,圆柱透镜,的方法，如下图 (a)、(b)所示。,或者利用大数值孔径的,自聚焦透镜,（GR,I,N），其耦合效率可以提高到60%，甚至更高。,单模光纤和半导体激光器的耦合可以采用如下图 (c)所示自聚焦透镜或者在光纤端面用电弧放电形成半球透镜的方法。,光源与光纤的透镜耦合,利用物质在光的照射下电导性能改变或产生电动势的光电器件光电探测器，常见的有,光敏电阻、光电池和光敏晶体管等。,一、光敏电阻,光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。,优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。,不足：需要外部电源，有电流时会发热。,4、光电探测器,1. 光敏电阻的工作原理和结构,当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。,为实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度,E,g,，即,h,= = ,E,g,(eV),式中和入射光的频率和波长。,一种光电导体，存在一个照射光的波长限,C,，只有波长小于,C,的光照射在光电导体上，才能产生电子在能级间的跃迁，从而使光电导体电导率增加。,光敏电阻的结构如图所示。管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有,A,金属封装的硫化镉光敏电阻结构图,光导电材料,绝缘衬低,引线,电极,引线,光电导体,限，因此光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用硫状图案，,结构,见下图。,1-光导层;,2-玻璃窗口;,3-金属外壳;,4-电极;,5-陶瓷基座;,6-黑色绝缘玻璃; 7-电阻引线。,R,G,1,2,3,4,5,6,7,(,a,)结构,(,b,)电极,(,c,)符号,它是在一定的掩模下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。这种硫状电极，由于在间距很近的电极之间有可能采用大的灵敏面积，所以提高了光敏电阻的灵敏度。图（c）是光敏电阻的代表符号。,CdS光敏电阻的结构和符号,光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光电导体严密封装在玻璃壳体中。如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小，其连线电路如图所示。,光敏电阻具有,很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜,，因此应用比较广泛。,R,G,R,L,E,I,2. 光敏电阻的主要参数和基本特性,（1）暗电阻、亮电阻、光电流,暗电流：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时在给定电压下流过的电流。,亮电流：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。此时流过的电流。,光电流：亮电流与暗电流之差。,光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。,实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1M,甚至高达100M，而亮电阻则在几,k,以下，暗电阻与亮电阻之比在10,2,10,6,之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。,（2）光照特性,下图表示CdS光敏电阻的光照特性。在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。,0,1,2,3,4,5,I,/mA,L,/lx,1000,2000,（3）光谱特性,光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。,20,40,60,80,100,40,80,120,160,200,240,/m,3,1,2,相对灵敏度,1硫化镉,2硒化镉,3硫化铅,（4） 伏安特性,在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。图中曲线1、2分别表示照度为,零,及照度为,某值,时的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下,光照度较大，光电流也越大。在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现,50,100,150,200,1,2,U,/V,0,20,40,象。但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。,I,/,A,（5）频率特性,当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。由于不同材料的光敏，,20,40,60,80,100,I,/ %,f,/ Hz,0,10,10,2,10,3,10,4,电阻,时延特性不同，所以它们的频率特性也不同，如图。,硫化铅,的使用频率比,硫化镉,高得多，但多数,光敏电阻的,时延都比较大，所以，它不能用在要求快速响应的场合。,硫化铅,硫化镉,（6）稳定性,图中曲线1、2分别表示两种型号CdS光敏电阻的稳定性。初制成的光敏电阻，由于,体内机构工作不稳定,，以及,电阻体与其介质的作用还没有达到平衡,，所以性能是不够稳定的。但在人为地加温、光照及加负载情况下，经一至二周的老化，性能可达稳定。光敏电阻在开始一段时间的老化过程中，有些样品阻值上,I,/ %,40,80,120,160,2,1,T,/h,0,400,800,1200,1600,升，有些样品阻值下降，但最后达到一个稳定值后就不再变了。这就是光敏电阻的主要优点。,光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况下，几乎是,无限长,的。,（7）温度特性,其性能(灵敏度、暗电阻)受温度的影响较大。随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。硫化镉的光电流,I,和温度,T,的关系如图所示。有时为了提高灵敏度，或为了能够接收较长波段的辐射，将元件降温使用。例如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。,I,/ A,100,150,200,-50,-10,30,50,10,-30,T,/ C,20,40,60,80,100,0,1.0,2.0,3.0,4.0,/m,I,/mA,+20 C,-,20 C,二、光电池,光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件,。由于它可把太阳能直接变电能，因此又称为太阳能电池。它是基于光生伏特效应制成的，是发电式有源元件。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。,命名方式：,把光电池的半导体材料的名称冠于光电池(或太阳能电池)之前。如，硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等。目前,应用最广、最有发展前途的是硅光电池。,硅光电池价格便宜，,转换效率高，寿命长，适于接受红外光,。,硒光电池光电转换效率低,(0.02,),、寿命短，适于接收可见光,(,响应峰值波长,0.56,m),，,最适宜制造照度计。,砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性则与太阳光谱最吻合。且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因此，它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的。,光电池的示意图,硅光电池的结构如图所示。它是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质(如硼)形成PN结。,当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子,-,空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差,。若将PN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。,1. 光电池的结构和工作原理,+,光,P,N,SiO,2,R,L,(,a) 光电池的结构图,I,光,(,b) 光电池的工作原理示意图,P,N,光电池的表示符号、基本电路及等效电路如图所示。,I,U,I,d,U,I,R,L,I,(a),(b),(c),图4.3-17 光电池符号和基本工作电路,L,/,k,lx,L,/,k,lx,5,4,3,2,1,0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,2,4,6,8,10,开路电压,U,oc,/V,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.3,0.1,0,1,2,3,4,5,U,oc,/V,I,sc,/mA,I,sc,/mA,(a) 硅光电池,(b)硒光电池,（1）光照特性,开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线，当照度为2000lx时趋向饱和。,短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线,2. 基本特性,开路电压,短路电流,短路电流,短路电流，指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的。光电池在不同照度下，其内阻也不同，因而应选取适当的外接负载近似地满足“短路”条件。 下图表示硒光电池在不同负载电阻时的光照特性。从图中可以看出，负载电阻R,L,越小，光电流与强度的线性关系越好，且线性范围越宽。,0,2,4,6,8,10,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,I,/mA,L,/,k,lx,50,100,1000,5000,R,L,=0,20,40,60,80,100,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,0.2,I,/ %,1,2,/m,(2) 光谱特性,光电池的光谱特性决定于材料。从曲线可看出，硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在540nm附近，适宜测可见光。硅光电池应用的范围400nm1100nm，峰值波长在850nm附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内应用。,1硒光电池,2硅光电池,(3) 频率特性,光电池作为测量、计数、接收元件时常用调制光输入。光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频率变化的关系。由于光电池PN结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。图示为光电池的频率响应曲线。由图可知，硅光电池具有较高的频率响应，如曲线2，而硒光电池则较差，如曲线1。,20,40,60,80,100,0,I,/ %,1,2,3,4,5,1,2,f,/,k,Hz,1硒光电池,2硅光电池,（4）温度特性,光电池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化的关系。由图可见，开路电压与短路电流均随温度而变化，它将关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响到测量或控制精度等主要指标，因此，当光电池作为测量元件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补偿措施。,20,0,40,60,90,40,60,U,OC,/,mV,T,/ C,I,SC,U,OC,I,SC,/,A,600,400,200,U,OC,开路电压,I,SC,短路电流,硅光电池在1000lx照度下的温度特性曲线,三、光敏二极管和光敏三极管,光电二极管和光电池一样，其,基本结构也是一个PN结,。它和光电池相比，重要的不同点是,结面积小，因此它的频率特性特别好,。,光生电势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为几A到几十A,。按材料分，光电二极管有硅、砷化镓、锑化铟光电二极管等许多种。按结构分，有同质结与异质结之分。其中最典型的是同质结硅光电二极管。,国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和2DU两种系列。2CU系列以N-Si为衬底，2DU系列以P-Si为衬底。2CU系列的光电二极管只有两条引线，而2DU系列光电二极管有三条引线。,1. 光敏二极管,光敏二极管符号如图。锗光敏二极管有A，B，C，D四类；硅光敏二极管有2CU1AD系列、2DU14系列。,光敏二极管的结构与一般二极管相似、它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于,反向工作状态,，如图所示。,P,N,光,光敏二极管符号,R,L,光,P,N,光敏二极管接线,光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小。反向电流也叫做,暗电流,当光照射时，光敏二极管的工作原理与光电池的工作原理很相似。当光不照射时，光敏二极管处于载止状态，这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流即暗电流；,受光照射时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子,-,空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下， P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区， N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，这就形成了光电流,。光敏二极管的光电流,I,与照度之间呈线性关系。光敏二极管的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。,（1） PIN管结光电二极管,PIN管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。这样，PN结的内电场就基本上全集中于 I 层中，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小。,由式,=,C,j,R,L,与,f,= 1/2,知，,C,j,小，,则小，频带将变宽。,P-Si,N-Si,I-Si,PIN管结构示意图,最大特点：频带宽，可达10GHz。另一个特点是，因为I层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，线性输出范围宽。由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会使耗尽层宽度增加，从而结电容要进一步减小，使频带宽度变宽。,不足：I层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅片上并封装于一个管壳内的商品出售。,（2） 雪崩光电二极管(APD),雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。,这种管子,工作电压很高,，约100200V，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，,光生电子在这种强电场中可得到极大的加速,，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此，这种管子有很高的内增益，可达到几百。当电压等于反向击穿电压时，,电流增益可达10,6,，即产生所谓的雪崩。这种管子响应速度特别快，,带宽可达100GHz,，是目前响应速度最快的一种光电二极管。,噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无法使用。但由于APD的响应时间极短，灵敏度很高，它在光通信中应用前景广阔。,2. 光敏三极管,光敏三极管有PNP型和NPN型两种，如图。其结构与一般三极管很相似，具有电流增益,只是它的发射极一边做的很大,以扩大光的照射面积,且其基极不接引线。当集电极加上正电压,基极开路时,集电极处于反向偏置状态。,当光线照射在集电结的基区时,会产生电子-空穴对,在内电场的作用下,光生电子被拉到集电极,基区留下空穴,使基极与发射极间的电压升高,这样便有大量的电子流向集电极,形成输出电流,且集电极电流为光电流的倍。,P,P,N,N,N,P,e,b,b,c,R,L,E,e,c,光敏三极管的主要特性：,光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。当入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降。因为光子能量太小，不足以激发电子空穴对。当入射光的波长缩短时，相对灵敏度也下降，这是由于光子在半导体表面附近就被吸收，并且在表面激发的电子空穴对不能到达PN结，因而使相对灵敏度下降。,（1）光谱特性,相对灵敏度/%,硅,锗,入射光,/,4000,8000,12000,16000,100,80,60,40,20,0,硅的峰值波长为9000，锗的峰值波长为15000。由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管的性能较差。故在可见光或探测赤热状态物体时，一般选用硅管；但对红外线进行探测时,则采用锗管较合适。,0,500lx,1000lx,1500lx,2000lx,2500lx,I,/mA,2,4,6,20,40,60,80,光敏晶体管的伏安特性,（2）伏安特性,光敏三极管的伏安特性曲线如图所示。光敏三极管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。因此，只要将入射光照在发射极e与基极b之间的PN结附近，所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看作一般的晶体管。光敏三极管能把光信号变成电信号，而且输出的电信号较大。,U,/V,光敏晶体管的光照特性,I,/ A,L/,lx,200,400,600,800,1000,0,1.0,2.0,3.0,（3）光照特性,光敏三极管的光照特性如图所示。它给出了光敏三极管的输出电流,I,和照度之间的关系。它们之间呈现了近似线性关系。当光照足够大(几klx)时，会出现饱和现象，从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。,暗电流/mA,光电流/mA,10,20,30,40,50,60,70,T,/C,25,0,50,100,0,200,300,400,10,20,30,40,50,60,70,80,T,/C,光敏晶体管的温度特性,（4）温度特性,光敏三极管的温度特性曲线反映的是光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流的影响很小，而对暗电流的影响很大所以电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。,（5）光敏三极管的频率特性,光敏三极管的频率特性曲线如图所示。光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。对于锗管，入射光的调制频率要求在5,k,Hz以下。硅管的频率响应要比锗管好。,0,100,1000,500,5000,10000,20,40,60,100,80,R,L,=1k,R,L,=10k,R,L,=100k,入射光调制频率 / H,Z,相对灵敏度/%,图4.3-15光敏晶体管的频率特性,