《光敏二极管》PPT课件.ppt

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1、2.2 2.2 光敏二极管光敏二极管n n光敏二极管的工作原理和结构光敏二极管的工作原理和结构n n光敏二极管的基本特性光敏二极管的基本特性n n光敏二极管的基本型号光敏二极管的基本型号n n光敏二极管的应用举例光敏二极管的应用举例n n光敏二极管广泛应用于光纤通信、红外线遥光敏二极管广泛应用于光纤通信、红外线遥控器、光电耦合器、控制伺服电机转速的检控器、光电耦合器、控制伺服电机转速的检测、光电读出装置等场合。测、光电读出装置等场合。12.2.1 2.2.1 光敏二极管工作原理和结构光敏二极管工作原理和结构n n光生伏特效应（产生一定方向电动势）制光生伏特效应（产生一定方向电动势）制成的光电元

2、件。成的光电元件。n n光敏二极管的结构与普通半导体二极管一光敏二极管的结构与普通半导体二极管一样，都有一个样，都有一个PNPN结，两根电极引线，而且结，两根电极引线，而且都是非线性器件，具有单向导电性能。不都是非线性器件，具有单向导电性能。不同之处在于光敏二极管的同之处在于光敏二极管的PNPN结装在管壳的结装在管壳的顶部，可以直接受到光的照射。顶部，可以直接受到光的照射。2n n半导体材料吸收光子能量使电子激发。若能量大于禁带半导体材料吸收光子能量使电子激发。若能量大于禁带半导体材料吸收光子能量使电子激发。若能量大于禁带半导体材料吸收光子能量使电子激发。若能量大于禁带宽度的光子照射在宽度的光

3、子照射在宽度的光子照射在宽度的光子照射在PNPN结空间电荷区附近，在结两边产结空间电荷区附近，在结两边产结空间电荷区附近，在结两边产结空间电荷区附近，在结两边产生电子一空穴对。这些光生载流子在生电子一空穴对。这些光生载流子在生电子一空穴对。这些光生载流子在生电子一空穴对。这些光生载流子在PNPN结内建电场作结内建电场作结内建电场作结内建电场作用下，各自向相反方向运动，即用下，各自向相反方向运动，即用下，各自向相反方向运动，即用下，各自向相反方向运动，即P P区的电子穿过区的电子穿过区的电子穿过区的电子穿过PNPN结进结进结进结进入入入入NN区，区，区，区，NN区的空穴进入区的空穴进入区的空穴进

4、入区的空穴进入P P区，形成自区，形成自区，形成自区，形成自NN区向区向区向区向P P区的光生区的光生区的光生区的光生电流。这样的载流子运动，由于中和部分空间电荷，使电流。这样的载流子运动，由于中和部分空间电荷，使电流。这样的载流子运动，由于中和部分空间电荷，使电流。这样的载流子运动，由于中和部分空间电荷，使内电场势垒降低，从而使正向电流增大。当光生电流和内电场势垒降低，从而使正向电流增大。当光生电流和内电场势垒降低，从而使正向电流增大。当光生电流和内电场势垒降低，从而使正向电流增大。当光生电流和正向电流相等时，正向电流相等时，正向电流相等时，正向电流相等时，PNPN结两端建立起稳定的电势差结

5、两端建立起稳定的电势差结两端建立起稳定的电势差结两端建立起稳定的电势差(P(P区区区区相对于相对于相对于相对于NN区是正的区是正的区是正的区是正的)，这就是光生电压。当入射光的强，这就是光生电压。当入射光的强，这就是光生电压。当入射光的强，这就是光生电压。当入射光的强度发生变化，光生载流子的多少也相应发生变化，因而度发生变化，光生载流子的多少也相应发生变化，因而度发生变化，光生载流子的多少也相应发生变化，因而度发生变化，光生载流子的多少也相应发生变化，因而通过光敏二极管的电流也随之变化，于是在光敏二极管通过光敏二极管的电流也随之变化，于是在光敏二极管通过光敏二极管的电流也随之变化，于是在光敏二

6、极管通过光敏二极管的电流也随之变化，于是在光敏二极管两端的电压也发生变化，光敏二极管就这样将光信号变两端的电压也发生变化，光敏二极管就这样将光信号变两端的电压也发生变化，光敏二极管就这样将光信号变两端的电压也发生变化，光敏二极管就这样将光信号变为电信号。为电信号。为电信号。为电信号。3图图2.1 2.1 光敏二极管光敏二极管 处于反向偏置状态，处于反向偏置状态，处于反向偏置状态，处于反向偏置状态，无光照，其反向电阻很大，反向电流（暗电流）很小。无光照，其反向电阻很大，反向电流（暗电流）很小。无光照，其反向电阻很大，反向电流（暗电流）很小。无光照，其反向电阻很大，反向电流（暗电流）很小。有光照，

7、有光照，有光照，有光照，PNPN结电子结电子结电子结电子-空穴对，参与导电（反向电压作用），空穴对，参与导电（反向电压作用），空穴对，参与导电（反向电压作用），空穴对，参与导电（反向电压作用），大得多的反向电流（光电流）。光电流与光照强度成正比。大得多的反向电流（光电流）。光电流与光照强度成正比。大得多的反向电流（光电流）。光电流与光照强度成正比。大得多的反向电流（光电流）。光电流与光照强度成正比。外电路接上负载，便可获得随光照强弱变化的电信号。外电路接上负载，便可获得随光照强弱变化的电信号。外电路接上负载，便可获得随光照强弱变化的电信号。外电路接上负载，便可获得随光照强弱变化的电信号。42.

8、2.2 2.2.2 光敏二极管的基本特性光敏二极管的基本特性n n光谱特性光谱特性n n伏安特性伏安特性n n光照特性光照特性n n温度特性温度特性n n响应特性响应特性51.1.光谱特性图光谱特性图2.22.2n n材料不同，其光谱响应峰值波长也不同。材料不同，其光谱响应峰值波长也不同。材料不同，其光谱响应峰值波长也不同。材料不同，其光谱响应峰值波长也不同。n n硅管硅管硅管硅管1.1m1.1m1.1m1.1m左右，锗管左右，锗管左右，锗管左右，锗管1.8m1.8m1.8m1.8m，n n由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管性能较差。由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管性能较差。由于锗管的暗电流

9、比硅管大，因此锗管性能较差。由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管性能较差。故在探测可见光或赤热物体时，都用硅管；但对红故在探测可见光或赤热物体时，都用硅管；但对红故在探测可见光或赤热物体时，都用硅管；但对红故在探测可见光或赤热物体时，都用硅管；但对红外光进行探测时，采用锗管较为合适。外光进行探测时，采用锗管较为合适。外光进行探测时，采用锗管较为合适。外光进行探测时，采用锗管较为合适。n n入射光入射光入射光入射光波长长波长长波长长波长长时：光时：光时：光时：光子能量子能量子能量子能量太小，太小，太小，太小，不足以不足以不足以不足以激发电激发电激发电激发电子子子子-空空空空穴对穴对穴对穴对n n入

10、射光入射光入射光入射光波长短波长短波长短波长短时，光时，光时，光时，光波穿透波穿透波穿透波穿透能力下能力下能力下能力下降，在降，在降，在降，在表面激表面激表面激表面激发电子发电子发电子发电子-空穴对空穴对空穴对空穴对n n入射光射度不变；输出的光电流（或相对灵敏度）入射光射度不变；输出的光电流（或相对灵敏度）入射光射度不变；输出的光电流（或相对灵敏度）入射光射度不变；输出的光电流（或相对灵敏度）随光波波长的变化而变化。随光波波长的变化而变化。随光波波长的变化而变化。随光波波长的变化而变化。62.2.伏安特性图伏安特性图2.32.3n光敏二极管光敏二极管的伏安特性的伏安特性的环境条件：的环境条件

11、：环境照度不环境照度不变。变。在无偏压时，在无偏压时，光敏二极管光敏二极管仍有光电流仍有光电流输出。（光输出。（光电效应性质）。电效应性质）。73.3.光照特性图光照特性图2.42.4n n光敏二极管的光敏二极管的光照特性如光照特性如左图所示，左图所示，它描述了光它描述了光敏二极管的敏二极管的光电流与照光电流与照度的关系。度的关系。n n光敏二极管光光敏二极管光照特性的线照特性的线性好。性好。84.4.温度特性图温度特性图2.5 2.5 n n温度变化对光敏二极管输出电流的影响较小，但是对暗温度变化对光敏二极管输出电流的影响较小，但是对暗温度变化对光敏二极管输出电流的影响较小，但是对暗温度变化

12、对光敏二极管输出电流的影响较小，但是对暗电流的影响却十分显著，如上图所示。光敏二极管在高电流的影响却十分显著，如上图所示。光敏二极管在高电流的影响却十分显著，如上图所示。光敏二极管在高电流的影响却十分显著，如上图所示。光敏二极管在高照度下工作时，由于亮电流比暗电流大得多，温度影响照度下工作时，由于亮电流比暗电流大得多，温度影响照度下工作时，由于亮电流比暗电流大得多，温度影响照度下工作时，由于亮电流比暗电流大得多，温度影响相对来说比较小。但在低照度下工作时，因为亮电流较相对来说比较小。但在低照度下工作时，因为亮电流较相对来说比较小。但在低照度下工作时，因为亮电流较相对来说比较小。但在低照度下工作

13、时，因为亮电流较小，暗电流随温度的变化就会严重影响输出信号的温度小，暗电流随温度的变化就会严重影响输出信号的温度小，暗电流随温度的变化就会严重影响输出信号的温度小，暗电流随温度的变化就会严重影响输出信号的温度稳定性，因此可作如下几点考虑：稳定性，因此可作如下几点考虑：稳定性，因此可作如下几点考虑：稳定性，因此可作如下几点考虑：选用硅光敏二极管，选用硅光敏二极管，选用硅光敏二极管，选用硅光敏二极管，这是因为硅管的暗电流要比锗管小几个数量级；这是因为硅管的暗电流要比锗管小几个数量级；这是因为硅管的暗电流要比锗管小几个数量级；这是因为硅管的暗电流要比锗管小几个数量级；在电在电在电在电路中采取适当的温

14、度补偿措施；路中采取适当的温度补偿措施；路中采取适当的温度补偿措施；路中采取适当的温度补偿措施；将光信号进行调制，将光信号进行调制，将光信号进行调制，将光信号进行调制，对输出的电信号采用交流放大，利用电路中隔直电容的对输出的电信号采用交流放大，利用电路中隔直电容的对输出的电信号采用交流放大，利用电路中隔直电容的对输出的电信号采用交流放大，利用电路中隔直电容的作用，隔断暗电流。作用，隔断暗电流。作用，隔断暗电流。作用，隔断暗电流。95.5.响应特性响应特性n n硅光敏二极管的上升时间硅光敏二极管的上升时间tr5nstr5ns，响应速度很快，因此，硅光敏二极管响应速度很快，因此，硅光敏二极管适合于

15、要求快速响应或入射光调制频适合于要求快速响应或入射光调制频率较高的场合。率较高的场合。102.2.3 2.2.3 光敏二极管的型号参数光敏二极管的型号参数n n工作电压工作电压工作电压工作电压:无光照的条件下，暗电流不大于无光照的条件下，暗电流不大于无光照的条件下，暗电流不大于无光照的条件下，暗电流不大于0.1A0.1A时所能承受的最高反向电压值。时所能承受的最高反向电压值。时所能承受的最高反向电压值。时所能承受的最高反向电压值。n n暗电流暗电流暗电流暗电流:无光照及最高反向工作电压。暗电流越小，光敏二极管的性能越稳定，无光照及最高反向工作电压。暗电流越小，光敏二极管的性能越稳定，无光照及最

16、高反向工作电压。暗电流越小，光敏二极管的性能越稳定，无光照及最高反向工作电压。暗电流越小，光敏二极管的性能越稳定，检测弱光的能力越强。检测弱光的能力越强。检测弱光的能力越强。检测弱光的能力越强。n n光电流光电流光电流光电流:一定光照，最高反向工作电压。其测量的一般条件是一定光照，最高反向工作电压。其测量的一般条件是一定光照，最高反向工作电压。其测量的一般条件是一定光照，最高反向工作电压。其测量的一般条件是:2856K:2856K钨丝光源，钨丝光源，钨丝光源，钨丝光源，照度为照度为照度为照度为10001x10001x。n n光电灵敏度光电灵敏度光电灵敏度光电灵敏度:对光敏感的程度，用在每微瓦的

17、入射光能量下所产生的光电流。对光敏感的程度，用在每微瓦的入射光能量下所产生的光电流。对光敏感的程度，用在每微瓦的入射光能量下所产生的光电流。对光敏感的程度，用在每微瓦的入射光能量下所产生的光电流。n n响应时间响应时间响应时间响应时间:光信号转化为电信号所需要的时间。响应时间越短，二极管的工作光信号转化为电信号所需要的时间。响应时间越短，二极管的工作光信号转化为电信号所需要的时间。响应时间越短，二极管的工作光信号转化为电信号所需要的时间。响应时间越短，二极管的工作频率越高。频率越高。频率越高。频率越高。n n结电容结电容结电容结电容Cj:Cj:指光敏二极管指光敏二极管指光敏二极管指光敏二极管P

18、NPN结的电容。结的电容。结的电容。结的电容。CjCj是影响光电响应速度的主要因索。结是影响光电响应速度的主要因索。结是影响光电响应速度的主要因索。结是影响光电响应速度的主要因索。结面积越小，结电容面积越小，结电容面积越小，结电容面积越小，结电容CjCj也就越小，则工作频率越高。也就越小，则工作频率越高。也就越小，则工作频率越高。也就越小，则工作频率越高。11表表2.2 2DU2.2 2DU型光敏二极管的型号参数型光敏二极管的型号参数n n正向压降：一定的正向电流时，它两端产生的压降。正向压降：一定的正向电流时，它两端产生的压降。正向压降：一定的正向电流时，它两端产生的压降。正向压降：一定的正

19、向电流时，它两端产生的压降。n n表中的光敏二极管主要用于表中的光敏二极管主要用于表中的光敏二极管主要用于表中的光敏二极管主要用于可见光可见光可见光可见光和和和和近红外光探测器近红外光探测器近红外光探测器近红外光探测器，以及光电转换的自动控制仪器、触发器、光电耦合、以及光电转换的自动控制仪器、触发器、光电耦合、以及光电转换的自动控制仪器、触发器、光电耦合、以及光电转换的自动控制仪器、触发器、光电耦合、编码器、特性识别、过程控制和激光接收等方面。编码器、特性识别、过程控制和激光接收等方面。编码器、特性识别、过程控制和激光接收等方面。编码器、特性识别、过程控制和激光接收等方面。122.2.4 2.

20、2.4 光敏二极管的应用光敏二极管的应用n n1.1.光电路灯控制电路光电路灯控制电路n n2.2.光强测量电路光强测量电路n n3.3.照度计照度计131.1.光电路灯控制电路光电路灯控制电路-图图2.6 2.6 n n从图可知，在无光射从图可知，在无光射从图可知，在无光射从图可知，在无光射时，光敏二极管（反时，光敏二极管（反时，光敏二极管（反时，光敏二极管（反向）截止，电阻向）截止，电阻向）截止，电阻向）截止，电阻R1R1R1R1上上上上的压降的压降的压降的压降VAVAVAVA很小，则晶很小，则晶很小，则晶很小，则晶体管体管体管体管T1T1T1T1截止，截止，截止，截止，T2T2T2T2截

21、止，截止，截止，截止，继电器继电器继电器继电器J J J J不动作，路灯不动作，路灯不动作，路灯不动作，路灯保持亮。有光照射时，保持亮。有光照射时，保持亮。有光照射时，保持亮。有光照射时，光敏管产生光电流光敏管产生光电流光敏管产生光电流光敏管产生光电流ILILILIL，R1R1R1R1电压下降，电压下降，电压下降，电压下降，VAVAVAVA上上上上升，光强达到某一值升，光强达到某一值升，光强达到某一值升，光强达到某一值时时时时T1T1T1T1导通，导通，导通，导通，T2T2T2T2导通，导通，导通，导通，J J J J动作常闭端打开，使动作常闭端打开，使动作常闭端打开，使动作常闭端打开，使路灯

22、灭。即白天灯灭，路灯灭。即白天灯灭，路灯灭。即白天灯灭，路灯灭。即白天灯灭，晚上灯亮，起到了自晚上灯亮，起到了自晚上灯亮，起到了自晚上灯亮，起到了自动控制的作用。动控制的作用。动控制的作用。动控制的作用。142.2.光强测量电路光强测量电路-图图2.72.7n n图由稳压管、光敏二极管和电桥组成的测量电路。图由稳压管、光敏二极管和电桥组成的测量电路。图由稳压管、光敏二极管和电桥组成的测量电路。图由稳压管、光敏二极管和电桥组成的测量电路。无光照时，无光照时，无光照时，无光照时，VAVA很大，很大，很大，很大，FETFET导通，调整导通，调整导通，调整导通，调整RWRW，使电桥，使电桥，使电桥，使

23、电桥平衡，即指针为平衡，即指针为平衡，即指针为平衡，即指针为0 0。有光照时，光敏管产生。有光照时，光敏管产生。有光照时，光敏管产生。有光照时，光敏管产生ILIL，A A点点点点电位电位电位电位VAVA下降，下降，下降，下降，R2R2上电流下降，上电流下降，上电流下降，上电流下降，VBVB减小；光照不同，减小；光照不同，减小；光照不同，减小；光照不同，ILIL不同，不同，不同，不同，VAVA不同，不同，不同，不同，R2R2上压降不同，光强可以通过电上压降不同，光强可以通过电上压降不同，光强可以通过电上压降不同，光强可以通过电流计读数显示出来。流计读数显示出来。流计读数显示出来。流计读数显示出来

24、。153.3.照度计照度计-图图2.82.8便携式照度计电路便携式照度计电路n n便携式照度计电路如图便携式照度计电路如图便携式照度计电路如图便携式照度计电路如图2.82.82.82.8所示。其中，光电传感器所示。其中，光电传感器所示。其中，光电传感器所示。其中，光电传感器TFA1001WTFA1001WTFA1001WTFA1001W是将光敏二极管与放大器是将光敏二极管与放大器是将光敏二极管与放大器是将光敏二极管与放大器RfRfRfRf集成在一起，集成在一起，集成在一起，集成在一起，使输出为线性，灵敏度为使输出为线性，灵敏度为使输出为线性，灵敏度为使输出为线性，灵敏度为5A/lx5A/lx5A/lx5A/lx。此电路采用。此电路采用。此电路采用。此电路采用9V9V9V9V电电电电池供电，接池供电，接池供电，接池供电，接200200200200负载电阻，可获得的输出电压为负载电阻，可获得的输出电压为负载电阻，可获得的输出电压为负载电阻，可获得的输出电压为16161616S S S S1 1 1 1TFA1001WTFA1001WTFA1001WTFA1001W光电集成传感器灵敏度；光电集成传感器灵敏度；光电集成传感器灵敏度；光电集成传感器灵敏度；光照灵敏度。光照灵敏度。光照灵敏度。光照灵敏度。16