第三章之光电三极管教材

硅
硅的峰值波长为 900nm，锗的峰值波长为 锗 1500nm 。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 入射光 线进行探测时,则采用锗管 16000 较合适。 λ/nm
光电三极管的主要特性——伏安特性
光电三极管的伏安特性曲线如图所示。光电三极管在不同 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。光电三极管能把光信号变成电信号，而 且输出的电信号较大。
I/mA
6 4 2
2500lx 2000lx 1500lx
1000lx
500lx
伏安特性
0
20 40
U/V
60
80
光电三极管的主要特性——光照特性
光电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，从而使光电三极管 既可作线性转换元件，也可作开关元件。
发射极接地之晶体管的情形也一样，电流 以晶体管之电流放大率(hfe)被放大而成为 流至外部端子之光电流(Ic)，为便于了解 起见，请参照左图所示。
光电二极管的工作原理
为了提高光电三极管的频率响应、增益和减小 体积。将光电二极管、三极管制作在一个硅片上构 成集成器件。
达林顿 光电三极管
光电三极管的主要特性——光谱特性
光电三极管的应用
1．亮通光电控制电路 当有光线照射于 光电器件上时，使继 电器有足够的电流而
动作，这种电路称为
亮通光电控制电路， 也叫明通控制电路。 最简单的亮通电路如 图所示。

2.7.7 光伏探测器使用要点

1）极性结型器件都有确定的极性，如要加电压使用时，光
电结必须加反向电压，即P端与外电源的低电位相接。

2）使用时对入射光强范围的选择应视用途而定。 用于开关电路或逻辑电路时光照可以强些。 用于模拟量测量时，光照不宜过强。 因为一般器件都有这样的性质：光照弱些，负载电阻小些，

正常运用时，集电极加正电压。因此，集电结为反偏臵，
发射结为正偏臵，集电结为光电结。

当光照到集电结上时，集电结即产生光电流Ip向基区注入， 同时在集电极电路即产生了一个被放大的电流Ic（＝Ie＝（1 ＋β）Ip），β为电流放大倍数。

因此，光电晶体管的电流放大作用与普通晶体管在上偏流
电路中接一个光电二极管的作用是完全相同的。
加反偏压使用时，光电线性好，反之则差。

3）灵敏度主要决定于器件，但也与使用条件和方法有关， 例如光源和接收器在光谱特性上是否匹配；入射光的方向 与器件光敏面法线是否一致等。

4）结型器件的响应速度都很快。它主要决定于负载电阻和 结电容所构成的时间常数（τ＝RC）。负载电阻大，输出电 压可以大，但τ会变大，响应变慢。相反，负载电阻小些， 输出电压要减小，但τ会变小，响应速度变快。

图d又是从图c简化来的，因为Cf很小，除了高频情况要考虑
它的分流作用外，在低频情况下，它的阻抗很大，可不计。 因此具体应用时多用图d和图c两种形式。 流过负载的交变电流复振幅为 ： IL＝Ip· 1/(1+jωτ)

ω：入射光的调制圆频率，ω＝2πf，f为入射光的调制频率。 τ = CfRL
雪崩二极管
当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生 所谓的自持雪崩。 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。

第三章 光电阴极与光电倍增管
3.1、光电管及其基本特性
光窗
Uo
（a)结构
（b)测量电路
利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制 成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件， 如光电管和光电倍增管。
1. 结构与工作原理
光电管有真空光电管和充气 光电管或称电子光电管和离子光 电管两类。两者结构相似，如图。 它们由一个阴极和一个阳极构成， 并且密封在一只真空玻璃管内。 阴极装在玻璃管内壁上，其上涂 有光电发射材料。阳极通常用金 属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻 璃管的中央。
光电 倍增 管的 光照 特性
6、光电倍增管工作原理
UOUT RL A K D D D3 D 4 1 IA 2 R1 R2 R3 R4 R5
光电倍增管及其基本特性
由阴极、次阴极（倍增电极）、阳极组成阴极由半导体光电材料锑铯做成， 次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料形成。次阴极可达30级。通常为 12~14级。 使用时在各个倍增电极上均加上电压，阴极电位最低，以后依次升高， 阳极最高。相邻两个倍增电极之间有电位差，因此存在加速电场。
二、光电倍增管及其基本特性
当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小， 只有零点几μA，很不容易探测。这时常用光电倍增管对 电流进行放大，下图为其内部结构示意图。
1. 结构和工作原理
由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成。光阴极是由半 导体光电材料锑铯做成；次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯 材料而形成的，次阴极多的可达30级；阳极是最后用来收集电子 的，收集到的电子数是阴极 光电阴极 阳极 发射电子数的105~106倍。即 光电倍增管的放大倍数可达 几万倍到几百万倍。光电倍 增管的灵敏度就比普通光电 管高几万倍到几百万倍。因 第一倍增极 第三倍增极 此在很微弱的光照时，它就 能产生很大的光电流。 入射光

因此在具体讨论光伏探测器的工作特性之前，首 先必须弄清楚它的工作模式问题。
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2
一、 结型光电器件工作原理
为了便于理解在后面将要引入的光伏探测器的
等效电PN路结，光有伏必探要测先器讨的论典一型下结光构伏如探图测所器示的。光电转
换规律。
为了说明光功率
转换成光电流的关系，
设想光伏探测器两端
被短路，并用一理想
池和可见光区。
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20
3.频率特性
结型光电器件，PN结内载流子的扩散、漂移，产 生与复合都需要一定的时间，当光照变化很快时，光 电流变化就滞后于光照变化。
对矩形脉冲光，用光电流上升时间常数tr和下降 时间常数tf来表征光电流滞后于光照的程度；对正弦
型光照常用频率特性曲线表示
由图可见：负载大时频
率特性变差右，图减为小硅负光载可减
IP与光照有关，
随着光照增大
开路电压 短路电流 不同光照下的伏而安增特大性曲线
.
7
光伏效应有两个重要参数:
开路电压和短路电流
当负载电阻RL断开(IL＝0)时，P端对N端的电压 称为开路电压，用Uoc表示
Uoc
kTln1( q
Ip I0
)
UockqTlnII0 p ()kqTlnS(E I0 E)
当RL＝0 时所得的电流 称为光电池短路电流， 以Isc表示
IscIp SEE
在要在线求性输测出量电中流,光与光
Voc
照度电实成池际这线常应就以性用是电关时硅流系，光形都时电式接池，使负载 电负阻载用在，,因的光条此开电件短路池路许电光电可压照流的和与的短情负这况下
越照载小范的种重越围特线要关路性好内性的系电曲关光，使出,流线由系 照并用什与此是特限麽光图光性?制照可电的在看池强光