光电器件课件

光电检测领域应用
光功率检测
结型光电器件作为光电探测器，能够 快速响应光功率的变化，用于实时监 测光网络的传输状态。
光谱分析
结合光谱仪，结型光电器件可以对不 同波长的光信号进行探测和分析，用 于光谱分析和物质成分检测。
光电控制领域应用
光控开关
结型光电器件可以实现高速的光控开关功能，用于光信号的路由、分束和合束 等控制。
本的结型光电器件。
集成化与模块化的探索
03
未来研究将进一步探索结型光电器件的集成化与模块化技术，
以满足大规模光电系统集成和光电信息处理的需求。
05
CATALOGUE
结型光电器件的制备与工艺
材料选择与制备
01
02
03
材料纯度
选择高纯度的材料，以减 少杂质和缺陷对器件性能 的影响。
材料匹配
确保材料之间的晶格常数 和热膨胀系数相匹配，以 减小应力集中和热失配。
生物医学
结型光电器件在生物医学领域具有广泛的应用， 如光学成像、光谱分析等。
结型光电器件的历史与发展
早期研究
20世纪60年代，随着半导体材料 和光学技术的发展，人们开始研 究结型光电器件。
技术进步
随着材料、工艺和设计的不断改 进，结型光电器件的性能不断提 高，应用领域不断扩大。
未来展望
随着物联网、人工智能等技术的 快速发展，结型光电器件在未来 的信息社会中将发挥更加重要的 作用。
1 2
结构设计
优化器件结构，提高光电器件的性能和稳定性。
界面工程
优化界面质量，减少界面态和缺陷，提高载流子 输运效率。
3
工艺调控
通过精细调控工艺参数，实现性能优化和提升。
06

10
1. 光敏电阻的工作原理及结构
当无光照时，光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流很小 当有光照时，光敏电阻值(亮电阻)急剧减少，电流迅速增加
11
光敏电阻的结构
1.玻璃 2.光电导层 3.电极 4.绝缘衬底 5.金属壳 6.黑色绝缘玻璃 7.引线
光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响， 因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。
27
光敏三极管外形
28
2． 基本特性
（1）光谱特性 （2）伏安特性 （3）光照特性 （4）温度特性 （5）频率响应
29
（1）光谱特性
入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降
硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性 可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。 在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。
（2）伏安特性
21
温度对光谱特性影响
随着温度升高，光谱响应峰值向短波方向移动。因此， 采取降温措施，可以提高光敏电阻对长波光的响应。
硫化铅光敏电阻的光谱温度特性
22
4 光敏二极管和光敏晶体管
工作原理 基本特性
23
1． 工作原理
结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中在 电路中一般是处于反向工作状态的
光敏二极管
（2）亮电阻 光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的 亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。
（3）光电流 亮电流与暗电流之差，称为光电流。
14பைடு நூலகம்
3．光敏电阻的基本特性
15
（1）伏安特性
在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系
在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大； 在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。 光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的， 耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。

光电转换器的基本结构和工作原理
结构
由光电二极管、电容器和电荷 放大器构成。
工作原理
将光电二极管产生的电流转化 成电磁波信号，再将其放大后 经过处理，将其转化成数字信 号输出。
应用领域
广泛应用于电视、医学影像、 机器视觉、安检等领域。
光电耦合器件的结构和工作原理
图例
光电耦合器件是利用光电二极管 和光敏三极管，将输入和输出电 路隔离，可以根据不同的信号类 型分为模拟输入输出型、数字输 入输出型和复合型。
应用
用于音视频传输、数据传输、光网络传输。
特点
抗外部干扰，传输距离远，传输速度快，能满足高速光通信的应用需求。
光电器件的发展趋势
未来光电器件的研究方向主要包括高速大容量、多功能一体化和高效率低功 耗等方面发展，将更广泛地应用于导航和遥感、信息传输和处理、半导体光 电应用等领域。
光纤结构
由光纤芯、包层和护套组成， 用于光信号的传输。
光电器件的工作原理
1 内光电效应
光照射到半导体材料，产生光生载流子的现 象。
2 外光电效应
光照射到表面金属或半导体-金属接触面上， 使金属或接触层中电子被激发而逸出并变成 电流。
3 光吸收
在半导体材料中吸收光机能，电子被提高到 传导带中，产生电流。
反向工作状态
当PN结正极连接于负电源，负极连接于正电源， 电场会使少数载流子受势阱束缚在PN结，形成 空间电荷区。
光电二极管的结构和工作原理
图例
光电二极管由PN结和两个电极组 成，相当于一个同时具有光电转 换和整流特性的器件。
应用
在遥控器，照相机和电脑鼠标等 电子产品中广泛使用，也可以用 于测量光强度、光谱分析和红外 测温等。

二、
１．
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结装在管的顶部, 可以直接受到光照射（见图8 5）。 光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态（见图8-6 所示）, 在没有光照射时, 反向电阻很大, 反向电流很小, 这反向 电流称为暗电流。 当光照射在PN结上时, 光子打在PN结附近, 使PN结附近产生光生电子和光生空穴对。它们在PN结处的内 电场作用下作定向运动, 形成光电流。光的照度越大, 光电流越 大。 因此光敏二极管在不受光照射时, 处于截止状态, 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, 具有两个PN结, 只是它 的发射极一边做得很大, 以扩大光的照射面积。图8 - 7为NPN 型光敏晶体管的结构简图和基本电路。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而不 接基极时, 集电结就是反向偏压；当光照射在集电结上时, 就 会在结附近产生电子-空穴对, 从而形成光电流, 相当于三极管 的基极电流。由于基极电流的增加, 因此集电极电流是光生 电流的β倍, 所以光敏晶体管有放大作用。
第8章光电式传感器
8.1 光电器件 8.2 光纤传感器 8.３ 红外传感器
返回主目录
第8章 光电式传感器
8.1 光电器件
光电器件是将光能转换为电能的一种传感器件, 它是构 成光电式传感器最主要的部件。 光电器件响应快、结构简单、 使用方便, 而且有较高的可靠性, 因此在自动检测、计算机和 控制系统中, 应用非常广泛。
1．
光电耦合器的发光和接收元件都封装在一个外壳内, 一般 有金属封装和塑料封装两种。 耦合器常见的组合形式如图8 15所示。
图(a)所示的组合形式结构简单、成本较低, 且输出电流 较大, 可达100 mA, 响应时间为3~4μs。 图(b)形式结构简单, 成本较低、 响应时间快, 约为1μs, 但输出电流小, 在50~300 μA之间。图（c）形式传输效率高, 但只适用于较低频率的装 置中。 图（d）是一种高速、高传输效率的新颖器件。对图 中所示无论何种形式, 为保证其有较佳的灵敏度, 都考虑了发 光与接收波长的匹配。

1.硒
2.硫化镉
3.硫化砣
4.硫化铅
前历效应
▪ 前历效应是指光敏电阻的响应特性与工作前的“历史” 有关的一种现象。前历效应有暗态前历效应与亮态前历 效应之分。
▪ 暗态前历效应是指光敏电阻测试或工作前处于暗态，当 它突然受到光照后表现为暗态前历越长，光电流上升越 慢。(一般情况下工作电压越低，光照度越低，则暗态前 历效应就越重。)
光敏电阻的分类光敏电阻的分类光敏电阻分为两类光敏电阻分为两类本征型光敏电阻和掺杂型光本征型光敏电阻和掺杂型光敏电阻前者只有当入射光子能量敏电阻前者只有当入射光子能量hh等于或大于等于或大于半导体材料的禁带宽度半导体材料的禁带宽度egeg时才能激发一个电子时才能激发一个电子空穴对在外加电场作用下形成光电流后者光空穴对在外加电场作用下形成光电流后者光子的能量子的能量hh只要等于或大于只要等于或大于ee杂质电离能杂质电离能时就能把施主能级上的电子激发到导带而成为导电就能把施主能级上的电子激发到导带而成为导电电子在外加电场作用下形成电流
光敏电阻的基本特性
▪ 光敏电阻为多数电子导电的光电敏感器件，它与其他光 电器件的特性的差别表现在它的基本特性参数上。光敏 电阻的基本特性参数包含光电导特性、时间响应、光谱 响应、伏安特性与噪声特性
光电特性和γ值
▪ 讨论光电导效应时我们看到，光敏电阻在弱辐射和强辐 射作用下表现出不同的光电特性（线性与非线性）， 弱光照下：
最常用的光电导器件是光敏电阻，有以下特点：
▪ 光谱响应范围宽，尤其是对红光和红外辐射有较 高的响应度。
▪ 偏置电压低，工作电流大。 ▪ 动态范围宽，既可测强光，也可测弱光。 ▪ 光电导增益大，灵敏度高。 ▪ 光敏电阻无极性，使用方便。
光敏电阻的结构
▪ 光敏电阻是在一块均质光电导体两端加上电极， 贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其它绝缘材料基 板上，两端接有电极引线，封装在带有窗口的金 属或塑料外壳内而成的

感谢观看
THANKS
THE FIRST LESSON OF THE SCHOOL YEAR
阳极
通常采用导电材料，收集产生的 电子并传导至外部电路。
光电发射器件的材料
硅材料
最常见的光电发射器件材 料，具有优良的光电性能 和稳定性。
化合物半导体材料
如砷化镓、磷化铟等，具 有较高的光电转换效率和 较宽的响应光谱范围。
宽禁带半导体材料
如氮化镓、碳化硅等，具 有高击穿电场和高温稳定 性，适用于高功率和高频 率应用。
军事领域
光电发射器件在激光雷达 、导弹制导、夜视仪等领 域有广泛应用。
01
光电发射器件的结 构与特性
光电发射器件的结构光窗阴极通常采用金属材料，负责收集光 子并将其转换为电子。
透明材料，允许光线进入光敏层 。
光敏层
光电发射器件的核心部分，负责 吸收光子并产生电子-空穴对。
光电发射器件的基本结构
包括阴极、光窗、光敏层和阳极 等部分。
倍增
在光电发射器件中，由于碰撞电离等过程，光生载流子数量 不断增加，形成倍增效应。
光电流的产生与
光电流
在电极上收集到的光生载流子形成的光电流。
输出
通过电路将光电流输出，实现光电转换。
01
光电发射器件的制 备工艺
材料制备
材料选择
选择具有高光电转换效率的材料 ，如硅、锗、硫化铅等。
材料纯化
通过提纯技术将材料中的杂质和缺 陷降低到最低限度，以提高器件性 能。
光电发射器件的性 能测试与表征
光电转换效率的测试与表征
光电转换效率
描述光电发射器件将光能转换为电能的效率，通常以电流或电压输 出与输入光功率的比值表示。

IP与Ie近似相等，因此，恒压偏置 电路的输出电压为
Uo Ec Ic Rc ——恒压
dUo=－RcdIc=－RcdIe= RcSgUwdφ
恒压电路电 压灵敏度为
Sv RcU W Sg
电压灵敏度与光电阻无关
2
23
例2-1
在如图2-13所示的恒流偏置电路中，已知电源电压为12V，Rb为 820Ω，Re为3.3kΩ，三极管的放大倍率不小于80，稳压二极管的输 出电压为4 V，光照度为40lx时输出电压为6V，80 lx时为8V。（设
它是目前所有红外探测器中性能最优良最有前途的探 测器件。由HgTe（碲化汞）和CdTe两种材料混合制 造，其中x标明Cd元素含量的组分。不同x，Eg不同。 一般组分x的变化范围为0.18~0.4，对应长波长的变化 范围为1~30μm。
2
7
光敏电阻分类
紫外光敏电阻器：对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉 光敏电阻器等，用于探测紫外线。
光敏电阻的暗电阻与其检测前是否被曝光有关，这称 为光敏电阻的前例效应。
受时间响应的
限制，光敏电阻的光 照频率必然受到限制， 频率特性曲线反应这 种限制。如图PbS频 率特性较好。
硒光敏电阻
PbS CdS
TeS
2
18
5.噪声特性
光敏电阻的主要噪声有热噪声、产生复合和低频噪声(或 称1/f噪声)。
1、热噪声 ——由光敏电阻内载流子的热运动产生的噪声。
火灾时 R3突然 下降， 电流跃 变，经 C2耦合 送下面 放大。
2
26
三.光敏电阻式光控开关
以光敏电阻为核心元件的带继电器控制输出的光控开关 电路有许多形式，如自锁亮激发、暗激发及精密亮激发、 暗激发等等，下面介绍其中一种典型电路。

温度特性
总结词
光电导器件在不同温度下的性能表现。
详细描述
温度特性对于光电导器件的应用至关重要。随着温度的升高 ，光电导器件的响应速度可能会变慢，灵敏度可能会降低。 了解温度特性有助于优化器件性能，提高其在不同环境下的 稳定性。
频率响应特性
总结词
光电导器件在不同频率的光信号下的响应速度。
详细描述
频率响应特性描述了光电导器件在不同频率的光信号下的响应速度。对于高速 光电导器件，其频率响应范围通常较高，能够快速响应变化的光信号。了解频 率响应特性有助于在特定应用中优化光电导器件的性能。
雪崩光电二极管
总结词
雪崩光电二极管是一种高灵敏度的光电导器件，它利用电场中的雪崩倍增效应放大光生 电流。
详细描述
雪崩光电二极管由P型和N型半导体材料构成，其结构类似于普通光电二极管。在强电 场作用下，光生载流子在倍增光电 二极管具有灵敏度高、响应速度快、线性范围宽等优点，广泛应用于高速光信号检测、
03
常见光电导器件介绍
硅光电二极管
总结词
硅光电二极管是一种常用的光电导器件 ，它利用光生载流子原理实现光电转换 。
VS
详细描述
硅光电二极管由P型和N型半导体材料构 成，当光照射在PN结上时，光子能量大 于硅的禁带宽度，产生电子-空穴对，形 成光生电流。硅光电二极管具有响应速度 快、稳定性好、线性范围宽等优点，广泛 应用于光通信、光纤传感、光谱分析等领 域。
频率响应
总结词
频率响应是衡量光电导器件响应速度的参数，它表示 光电导器件对不同频率光信号的响应能力。
详细描述
频率响应是指光电导器件在不同频率光信号下的响应 速度和幅度的变化。频率响应越快，说明光电导器件 对快速变化的光信号响应能力越强，能够适应高速光 信号的探测。在高频光信号下，频率响应决定了光电 导器件的带宽和时间常数等参数，对实时探测和高速 通信等领域具有重要意义。

光电耦合器件还可以构成与非、 或、或非、异或等逻辑电路。
•18
图6-41所示典型应用电路中左侧的输入电路电源为13.5V的HTL 逻辑电路，中间的中央运算器、处理器等电路为+5V电源，后边的 输出部分依然为抗干扰特性高的HTL电路。 将这些电源与逻 辑电平不同的部 分耦合起来需要 采用光电耦合器。
因此该点的电流传输比为
βQ=ICQ/ IFQ╳100%
（6-19）
如果工作点选在靠近截止区的Q1点时，虽然发光电流IF变化了ΔIF，
但相应的ΔIC1，变化量却很小。这样，β值很明显地要变小。同理， 当工作点选在接近饱和区Q3点时，β值也要变小。这说明工作点选 择在输出特性的不同位置时，就具有不同的β值。
•1
光电耦合器件的电路符号
如图6-29所示，图中的发光二
极管泛指一切发光器件，图中
的光电二极管也泛指一切光电
接收器件。
图6-30所示为几种不同封装
的光电耦合器，图中（a）、
（b）、（c）分别为三种不同安
装方式光电发射器件与光电接收
器件分别安装器件的两臂上，分
离尺寸一般在4~12mm，分开的
目的是要检测两臂间是否存在物
(6-21)
由上式可以看出，其的直流分量为 A ，交流分量的幅度随频率的
升高逐级减弱。
2
可以用一次分量来近似地表示整个的交流分量 而不会带来太大的
误差。
Uf(t)= 2 A/π cos2πFt
(6-22)
如图6-38所示，继电器开关干
扰常由绕组与接触点间的寄生
电容Cs窜入光电耦合器件的输
入端。图6-38(b)所示为它的交
过光电耦合器件反馈到输入系统。
•13
(2)光电耦合器件抑制干扰噪声电平的估算

率为谐振腔内形成的驻波频率，也是激光发出的激光频率。
图3-30 GaAs激光器光谱分布曲线
光源光电器件3.3节课件
2.异质结激光器 为了降低激光器在室温下的阈值电流，实现室温下的连续
振荡。 ⑴ 单异质结激光器
单异质结激光器在低温下阈值电流密度与同质结差不多， 但在温度变化时，单异质结激光器得阈值随温度的变化较小， 如室温下的阈值电流密度可降至8000 A/cm2，但也只能实现室 温下的脉冲振荡。
3.3.1 半导体激光器的分类 半导体激光器，也称激光二极管(Laser Diode，简称LD)，
是以半导体材料作为激光工作物质的一类激光器。它可分为
1.从半导体激光器的反射激光看
半导体结型二极管注入式激光器
垂直腔表面发射半导体激光器
2.从结型看
同质结激光器
异质结激光器
3.从制造工艺看
一般半导体激光器
3.半导体激光器的应用 半导体激光器自1962年问世以来，发展极为迅速。特别
是进入20世纪80年代，借用微电子学制作技术，现已大量生 产半导体激光器。以半导体LD条和LD堆为代表的高功率半导 体激光器品种繁多。
LD在激光通信、光纤通信、光存储、光陀螺、激光打印、 光盘录放、测距、制导、引信以及光雷达等方面已经获得了 广泛应用，大功率LD可用于医疗、加工和作为固体激光器的 泵浦源等。
使激光物质产生粒子反转的方法有： ❖固体激光器常采用适当谱线的强光对激光物质进行照射； ❖气体激光常采用使气体电离的方法； ❖半导体激光器采用注入载流子的方法。
光源光电器件3.3节课件
3.谐振腔
※产生谐振的方法
在激光物质的两侧放置相互平行的反光镜，形成光的 “共 振”现象。通常将能使光产生“共振”的装置称为“共振腔” 或“谐 振腔”。