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1、1,2.2 光敏二極管,2.2.1 光敏二極管的工作原理和結構 2.2.2 光敏二極管的基本特性 2.2.3 光敏二極管的基本型號 2.2.4 光敏二極管的應用舉例 光敏二極管廣泛應用于光纖通信、紅外線遙控器、光電耦合器、控制伺服電機轉速的檢測、光電讀出裝置等場合。,2,2.2.1 光敏二極管工作原理和結構,光生伏特效應(產生一定方向電動勢)制成的光電元件。 光敏二極管的結構與普通半導體二極管一樣,都有一個PN結,兩根電極引線,而且都是非線性器件,具有單向導電性能。不同之處在于光敏二極管的PN結裝在管殼的頂部,可以直接受到光的照射。,3,半導體材料吸收光子能量使電子激發(fā)。若能量大于禁帶寬度的光
2、子照射在PN結空間電荷區(qū)附近,在結兩邊產生電子一空穴對。這些光生載流子在PN結內建電場作用下,各自向相反方向運動,即P區(qū)的電子穿過PN結進入N區(qū),N區(qū)的空穴進入P區(qū),形成自N區(qū)向P區(qū)的光生電流。這樣的載流子運動,由于中和部分空間電荷,使內電場勢壘降低,從而使正向電流增大。當光生電流和正向電流相等時,PN結兩端建立起穩(wěn)定的電勢差(P區(qū)相對于N區(qū)是正的),這就是光生電壓。當入射光的強度發(fā)生變化,光生載流子的多少也相應發(fā)生變化,因而通過光敏二極管的電流也隨之變化,于是在光敏二極管兩端的電壓也發(fā)生變化,光敏二極管就這樣將光信號變?yōu)殡娦盘枴?4,圖2.1 光敏二極管,處于反向偏置狀態(tài), 無光照,其反向電
3、阻很大,反向電流(暗電流)很小。 有光照,PN結電子-空穴對,參與導電(反向電壓作用),大得多的反向電流(光電流)。光電流與光照強度成正比。 外電路接上負載,便可獲得隨光照強弱變化的電信號。,5,2.2.2 光敏二極管的基本特性,光譜特性 伏安特性 光照特性 溫度特性 響應特性,6,1.光譜特性圖2.2,材料不同,其光譜響應峰值波長也不同。 硅管1.1m左右,鍺管1.8m, 由于鍺管的暗電流比硅管大,因此鍺管性能較差。故在探測可見光或赤熱物體時,都用硅管;但對紅外光進行探測時,采用鍺管較為合適。,入射光波長長時:光子能量太小,不足以激發(fā)電子-空穴對,入射光波長短時,光波穿透能力下降,在表面激發(fā)
4、電子-空穴對,入射光射度不變;輸出的光電流(或相對靈敏度)隨光波波長的變化而變化。,7,2.伏安特性圖2.3,光敏二極管的伏安特性的環(huán)境條件:環(huán)境照度不變。 在無偏壓時,光敏二極管仍有光電流輸出。(光電效應性質)。,8,3.光照特性圖2.4,光敏二極管的光照特性如左圖所示,它描述了光敏二極管的光電流與照度的關系。 光敏二極管光照特性的線性好。,9,4.溫度特性圖2.5,溫度變化對光敏二極管輸出電流的影響較小,但是對暗電流的影響卻十分顯著,如上圖所示。光敏二極管在高照度下工作時,由于亮電流比暗電流大得多,溫度影響相對來說比較小。但在低照度下工作時,因為亮電流較小,暗電流隨溫度的變化就會嚴重影響輸
5、出信號的溫度穩(wěn)定性,因此可作如下幾點考慮:選用硅光敏二極管,這是因為硅管的暗電流要比鍺管小幾個數(shù)量級;在電路中采取適當?shù)臏囟妊a償措施;將光信號進行調制,對輸出的電信號采用交流放大,利用電路中隔直電容的作用,隔斷暗電流。,10,5.響應特性,硅光敏二極管的上升時間tr5ns,響應速度很快,因此,硅光敏二極管適合于要求快速響應或入射光調制頻率較高的場合。,11,2.2.3 光敏二極管的型號參數(shù),工作電壓:無光照的條件下,暗電流不大于0.1A時所能承受的最高反向電壓值。 暗電流:無光照及最高反向工作電壓。暗電流越小,光敏二極管的性能越穩(wěn)定,檢測弱光的能力越強。 光電流:一定光照,最高反向工作電壓。其
6、測量的一般條件是:2856K鎢絲光源,照度為10001x。 光電靈敏度:對光敏感的程度,用在每微瓦的入射光能量下所產生的光電流。 響應時間:光信號轉化為電信號所需要的時間。響應時間越短,二極管的工作頻率越高。 結電容Cj:指光敏二極管PN結的電容。Cj是影響光電響應速度的主要因索。結面積越小,結電容Cj也就越小,則工作頻率越高。,12,表2.2 2DU型光敏二極管的型號參數(shù),正向壓降:一定的正向電流時,它兩端產生的壓降。 表中的光敏二極管主要用于可見光和近紅外光探測器,以及光電轉換的自動控制儀器、觸發(fā)器、光電耦合、編碼器、特性識別、過程控制和激光接收等方面。,13,2.2.4 光敏二極管的應用
7、,1.光電路燈控制電路 2.光強測量電路 3.照度計,14,1.光電路燈控制電路-圖2.6,從圖可知,在無光射時,光敏二極管(反向)截止,電阻R1上的壓降VA很小,則晶體管T1截止,T2截止,繼電器J不動作,路燈保持亮。有光照射時,光敏管產生光電流IL,R1電壓下降,VA上升,光強達到某一值時T1導通,T2導通,J動作常閉端打開,使路燈滅。即白天燈滅,晚上燈亮,起到了自動控制的作用。,15,2.光強測量電路-圖2.7,圖由穩(wěn)壓管、光敏二極管和電橋組成的測量電路。無光照時,VA很大,F(xiàn)ET導通,調整RW,使電橋平衡,即指針為0。有光照時,光敏管產生IL,A點電位VA下降,R2上電流下降,VB減小;光照不同,IL不同,VA不同,R2上壓降不同,光強可以通過電流計讀數(shù)顯示出來。,16,3.照度計-圖2.8便攜式照度計電路,便攜式照度計電路如圖2.8所示。其中,光電傳感器TFA1001W是將光敏二極管與放大器Rf集成在一起,使輸出為線性,靈敏度為5A/lx。此電路采用9V電池供電,接200負載電阻,可獲得的輸出電壓為16,S1TFA1001W光電集成傳感器靈敏度; 光照靈敏度。,