光敏二极管和光敏三极管
光敏二、三极管的光电性能研究和光电倍增管特性实验资料
物电学院综合与设计性实验方案(学生)姓名潘虹吉学号1430140518 2016 年12 月日实验课程名称电子与光电子材料学院专业材料科学与工程实验项目名称光敏二、三极管的光电性能研究和光电倍增管特性实验实验班级2014级1班实验项目类型探究型实验方案编写人潘虹吉项目合作人员罗刚实验地点实训楼实验时间2016.12.指导教师审阅范强老师实验员曹进老师一、目的与要求综述：光敏二、三极管的光电性能研究目的：1．掌握光敏二、三极管的原理和特性2．利用DH-CGOP1光电传感器设计实验仪、万用表等测试光敏二、三极管的伏安特性曲线；3.利用DH-CGOP1光电传感器设计实验仪、万用表等测试光敏二、三极管的光照特性曲线；光电倍增管特性实验目的：1.了解光电倍增管的基本特性，学习光电倍增管基本参数的测量方法。
2.掌握暗电流的测量方法；3.光电倍增管放大倍数的计算；4.掌握光电倍增管光电特性测量；二、主要实验原理、内容与步骤：1.光敏二极管工作原理光敏二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。
它的核心部分也是一个PN结，和普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光照，PN结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。
光敏二极管是在反向电压作用之下工作的。
没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗电流。
当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子---空穴对，称为光生载流子。
它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也。
光敏三极管的应用电路
光敏二极管和光敏三极管简介及应用光敏二极管和光敏三极管是光电转换半导体器件，与光敏电阻器相比具有灵敏度高、高频性能好，可靠性好、体积小、使用方便等优。
一、光敏二极管1．结构特点与符号光敏二极管和普通二极管相比虽然都属于单向导电的非线性半导体器件，但在结构上有其特殊的地方。
光敏二极管使用时要反向接入电路中，即正极接电源负极，负极接电源正极。
2. 光电转换原理根据PN结反向特性可知，在一定反向电压范围内，反向电流很小且处于饱和状态。
此时，如果无光照射PN结，则因本征激发产生的电子-空穴对数量有限，反向饱和电流保持不变，在光敏二极管中称为暗电流。
当有光照射PN结时，结内将产生附加的大量电子空穴对（称之为光生载流子），使流过PN结的电流随着光照强度的增加而剧增，此时的反向电流称为光电流。
不同波长的光（兰光、红光、红外光）在光敏二极管的不同区域被吸收形成光电流。
被表面P型扩散层所吸收的主要是波长较短的兰光，在这一区域，因光照产生的光生载流子（电子），一旦漂移到耗尽层界面，就会在结电场作用下，被拉向N区，形成部分光电流；彼长较长的红光，将透过P型层在耗尽层激发出电子一空穴对，这些新生的电子和空穴载流子也会在结电场作用下，分别到达N区和P区，形成光电流。
波长更长的红外光，将透过P型层和耗尽层，直接被N区吸收。
在N区内因光照产生的光生载流子（空穴）一旦漂移到耗尽区界面，就会在结电场作用下被拉向P区，形成光电流。
因此，光照射时，流过PN结的光电流应是三部分光电流之和。
二、光敏三极管光敏三极管和普通三极管的结构相类似。
不同之处是光敏三极管必须有一个对光敏感的PN 结作为感光面，一般用集电结作为受光结，因此，光敏二极管实质上是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的普通二极管。
其结构及符号如图Z0130所示。
三、光敏二极管的两种工作状态光敏二极管又称光电二极管，它是一种光电转换器件，其基本原理是光照到P-N结上时，吸收光能并转变为电能。
光敏二极管和光敏三极管
光敏三极管的光谱特性
2）光敏三极管的伏安特性 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 射光照在发射极与基极之间的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。
光敏三极管的符号
光敏三极管
1）光敏三极管的光谱特性
从曲线可以看出，光敏三极管存在一个 最佳灵敏度的峰值波长。硅的峰值波长 为9000埃，锗的峰值波长为15000埃。 由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管 的性能较差。故在可见光或探测炽热状 态物体时，一般都选用硅管；但对红外 线进行探测时，则采用锗管较合适。
光敏三极管的伏安特性
3）光敏三极管的光照特性
给出了光敏三极管的输出电流和照 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（几千勒克斯） 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。
光敏三板管的光照特性
4）光敏三极管的温度Байду номын сангаас性 它反映的是光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。
光敏二极管工作原理： 光敏二极管由于工作在反向状态，无光照时，少数载流子产生暗电流10-8～10-9安培，处于截 止状态。 有光照时，半导体内受激发产生电子—空穴对，少数载流子浓度大大增加，在反向电压的作用 下，形成光电流，处于导通状态。
光敏二极管的符号和接线
光敏三极管工作原理：
无光照时，集电结反偏，其反向饱和电流Icbo经发射结放大为集射之间的穿透电流Iceo——暗电流。 有光照时：集电结附近基区受光照产生激发，增加的少数载流子的浓度，使得集电结反向饱和电流 (集电结光电流)大大增加。经发射结放大为集射之间光电流，即光敏三极管的光电流。
光电阻、光敏二极管、光敏三极管电路符号
光电阻、光敏二极管和光敏三极管是电子领域中常见的光敏元件，它们在光控制电路中起着重要的作用。
光电阻又称光敏电阻，是一种导电材料，它的电阻值随光强度的变化而变化。
光敏二极管和光敏三极管则是半导体器件，它们能够将光信号转换成电信号。
在本文中，我们将一起来探讨这三种光敏元件的电路符号及其应用。
1. 光电阻的电路符号是一个类似变阻器的图案，但在其中还有一个箭头指向光敏元件，表示这是一个受光控制的电阻元件。
光电阻常用于光敏电路中，如光控开关、光敏控制器等。
当光照强度增加时，光电阻的电阻值减小；当光照强度减小时，光电阻的电阻值增加。
这种特性使得光电阻在光控制电路中具有很大的应用空间。
2. 光敏二极管的电路符号类似于普通二极管，但在箭头处有一个光线的符号，表示这是一个受光控制的二极管。
光敏二极管是一种能够将光信号转换成电信号的器件，它的工作原理是基于内部光电效应。
当有光照射到光敏二极管时，它的导通电阻会明显减小，从而使得电路中的电流增大。
光敏二极管常用于光电传感器、光电开关等领域。
3. 光敏三极管的电路符号也类似于普通三极管，但在箭头处同样有一个光线的符号，表示这是一种受光控制的三极管。
光敏三极管也是一种能够将光信号转换成电信号的器件，它具有较高的光敏度和响应速度。
在实际电路中，光敏三极管常用于光电开关、光电传感器、光控制器等领域。
在实际应用中，光电阻、光敏二极管和光敏三极管常常需要与其他元件配合使用，以构成完整的光控制电路。
可以将光敏元件与运算放大器、比较器等元件结合起来，实现光控制电路对环境光强度的监测和控制。
光敏元件还可以与单片机或其他数字电路相连，实现数字化的光控制功能。
总结回顾：通过本文的介绍，我们了解了光电阻、光敏二极管和光敏三极管的电路符号及其应用。
在现代电子技术中，光敏元件在光控制领域有着广泛的应用，它们为光控制电路的设计和实现提供了重要的支持。
希望本文能够帮助您更全面、深刻和灵活地理解光敏元件及其在电子领域中的作用。
光电二极管与光电三极管
光电二极管与光电三极管一、光电二极管（Photodiode）光电二极管是一种基于半导体材料的光电器件，它利用光电效应将光信号转化为电信号。
光电二极管的结构和正常的二极管类似，由P型和N型半导体材料构成，并且在P-N结附近形成一个细微的PN结。
当光照射到PN结处时，光子的能量会被电子吸收，从而激发电子-空穴对的产生。
光电二极管的工作原理是利用光电效应，该效应是指当光照射到半导体材料上时，光子的能量会激发材料中的电子跃迁到导带中，形成电子-空穴对。
当光照强度越大时，激发的电子-空穴对数量越多，产生的电流也越大。
因此，光电二极管可以通过测量电流大小来检测光照强度。
1.快速响应速度：光电二极管具有快速的响应速度，能够在纳秒级别内检测到光的变化。
2.高灵敏度：光电二极管对光信号非常敏感，能够检测到较低光强度下的光信号。
3.低噪声：光电二极管的噪声很低，能够准确地检测到微弱的光信号。
4.宽波长范围：光电二极管可以检测多种波长的光信号，通常在可见光和红外光范围内。
1.光通信：光电二极管作为光信号的接收器，在光通信中发挥重要作用。
2.光谱分析：光电二极管可以用于测量、分析和检测光谱信号，例如光谱仪，气体和液体分析等。
3.光电测量：光电二极管可以用于测量光强度的变化，例如光照度计、照度计等。
4.医疗设备：光电二极管可以用于心率监测、血氧测量、生物检测等医疗设备中。
5.光电控制：光电二极管可以用于光敏开关、光电电路等光电控制领域。
二、光电三极管（Phototransistor）光电三极管是光电传感器中另一种常见的光电器件，它是在光电二极管的基础上发展而来的。
光电三极管同样基于光电效应，将光信号转化为电信号，但是相较于光电二极管，光电三极管具有更高的灵敏度和增益。
光电三极管的结构和普通的三极管类似，由P型、N型和P型三个区域组成。
在光电三极管中，光照射到PN结处时会产生电子-空穴对，电子会从P区域注入到N区域，形成电流。
光电传感器有哪几种分类？
光电传感器有哪几种分类？光电传感器有哪几种？根据光电效应现象的不同将光电效应分为三类：外光电效应、内光电效应及光生伏特效应。
光电器件有光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池等。
下面小编介绍下光电传感器分类。
标准类型1）漫反射型：一般型或能量型(-8)，聚焦式(-8-H)，带背景抑制功能型(-8-H)光电传感器光电传感器，带背景分析功能型(-8-HW)2）反射板型：一般型(-6)，带偏振滤波功能型(-54,-55)，带透明体检测功能型(-54-G)，带前景抑制功能型(-54-V)3）对射型4）槽型5）光纤传感器：塑料光纤型，玻璃光纤型6）色标传感器，颜色传感器，荧光传感器7）光通讯8）激光测距：三角反射原理型，相位差原理型，时间差原理型9）光栅10）防爆/隔爆型安全类型1）安全对射光电2）安全光栅3）安全光幕4）安全控制器门控类型1）雷达传感器：区域检测型雷达传感器雷达传感器2）主动式传感器：单光束型，多光束型，区域检测型3）被动式传感器：区域检测型4）电梯光幕5）通用光电：槽形，对射型等特长①检测距离长如果在对射型中保留10m以上的检测距离等，便能实现其他检测手段（磁性、超声波等）无法远距离检测。
②对检测物体的限制少由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理，所以不象接近传感器等将检测物体限定在金属，它可对玻璃、塑料、木材、液体等几乎所有物体进行检测。
③响应时间短光本身为高速，并且传感器的电路都由电子零件构成，所以不包含机械性工作时间，响应时间非常短。
④分辨率高能通过高级设计技术使投光光束集中在小光点，或通过构成特殊的受光光学系统，来实现高分辨率。
也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。
⑤可实现非接触的检测可以无须机械性地接触检测物体实现检测，因此不会对检测物体和传感器造成损伤。
因此，传感器能长期使用。
⑥可实现颜色判别通过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据被投光的光线波长和检测物体的颜色组合而有所差异。
光敏二三极管实验指导书
目录光敏二三极管综合实验仪说明............................................. - 1 -实验一光照度测试实验.................................................. - 3 -实验二光敏二极管暗电流测量............................................ - 6 -实验三光敏二极管光电流测量............................................ - 9 -实验四光敏二极管光照特性测试......................................... - 11 -实验五光敏二极管伏安特性测试......................................... - 13 -实验六光敏二极管光谱特性测试......................................... - 16 -实验七光敏二极管灵敏度测量........................................... - 18 -实验八光敏二极管时间特性测试......................................... - 20 -实验九光敏三极管暗电流测量........................................... - 22 -实验十光敏三极管光电流测量........................................... - 25 -实验十一光敏三极管光照特性测试....................................... - 27 -实验十二光敏三极管伏安特性测试....................................... - 29 -实验十三光敏三极管光谱特性测试....................................... - 31 -实验十四光敏三极管灵敏度测量......................................... - 33 -实验十五光敏三极管时间特性测试....................................... - 35 -实验十六光控开关设计实验（二次开发）................................. - 37 -实验十七光电报警设计实验（二次开发）................................. - 39 -实验十八简易光功率计设计实验（二次开发）............................. - 41 -光敏二三极管综合实验仪说明ZY12230B光敏二三极管综合实验仪所有器件和光路结构集成于主机箱中。
光电二极管三极管的性能及运用
光电二极管及光电三极管的工作原理及用途可得工贸的光电二极管和光电三极管具有低功耗、响应速度快、抗干扰性能强等特点，可得公司是一家专业从事研发, 生产,销售LED和红外光电器件的高新技术企业：其中光敏二极管、850nm/940nm红外发射管，LED数码管，数码模块，以及发光二极管等产品以良好的品质受到市场的认可。
在红外遥制系统中，光电二极管(也称光敏二极管)及光电三极管(也称光敏三极管)均为红外线接收管，它把接收到的红外线变成电信号，经过放大及信号处理后用于各种控制。
除广泛用于红外线遥控外，还可用于光纤通信、光纤传感器、工业测量、自动控制、火灾报警器、防盗报警器、光电读出装置(纸带读出器、条形码读出器等)及光电耦合器等方面。
不同用途的光电二极管有不同的外形及封装，但用于红外遥控的光电二极管一般都是树脂封装的。
为减少可见光的干扰常采用黑色树脂，可以滤掉700nm波长以下的光线。
常见的几种光电二极管外形。
对方形或长方形的管子，往往做出标记角，指示受光面的方向。
一般如引脚长短不一样，长者为正极。
光电三极管可以等效为一个光电二极管与一只晶体三极管的组合，所以它具有电流放大作用。
其等效电路、外形及电路符号，光电三极管一般仅引出集电极及发射极两个引脚，外形与一般发光二极管一样，常用透明树脂封装。
光电二极管及光电三极管的管芯主要用硅材料制作。
光电二极管的两种工作状态当光电二极管加上反压时，管子的反向电流将随光照强度的变化而变化如同一个光敏电阻，光照强度越大电阻越小，反向电流越大。
大多数情况都工作于这种状态。
光电二极管上不加电压，利用P?N结受光照射时产生正向电压的原理，可看作微型光电池。
这种工作状态一般用作光电检测器。
光电二极管的工作电压VR ，允许的最高反向电压一般不超过10V，最高的可达50V。
暗电流ID及光电流IL ，无光照时，加一定反压时的反向漏电流称为暗电流ID，一般ID小于100nA ???。
加一定反压并受到光照时流过管子的电流称为光电流 IL，一般光电流IL为几十微安 ???，并且与照度成线性关系。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
信号处理
探测器
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：
光纤
(a)
光源 柱透镜 球面透镜 光纤 光源 自聚焦透镜 光纤
(b )
(c)
光源与光纤的透镜耦合
4、光电探测器
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。
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。
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Eg，即
hν= h c = 1.24≥Eg(eV) 式中ν和λ— 入射光的频率和波长。
限，因此光电导体一
电极
引线
般都做成薄层。为了
获得高的灵敏度，光
引线 光导电材料
绝缘衬低
光电导体 A
敏电阻的电极一般采
用硫状图案，结构见 下图。
金属封装的硫化镉光敏电阻结构图
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。
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
反向ASE输出
隔离器
WDM 正向泵浦
EDF
正向ASE输出
隔离器
残余泵浦
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
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
1: Erbium ASE light source
• 用途：传感系统的光源
一些气体的特征吸收谱线
滤波器
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。
1 23
4
5 6
RG
7
(a)结构
(b)电极
(c)符号
CdS光敏电阻的结构和符号
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。
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。
后反射镜 相位 增益
DBR
控制电路/波长监测
光输出 分束器
耦合器 耦合器 耦合器
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。
光 纤 球端
50 m
2 m 20 m
0.7 m
P电 极
微透镜
InP 透 镜 N-InP 衬 底
(a)
(b)
(c)
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
ED光纤
980/1480nm
泵浦光源
WDM
分束器
光源模块
接收模块 光学滤波器 放大器 信号处理
• EDF ASE光源的结构及器件选择
反向ASE输出
隔离器
正向ASE输出
隔离器
WDM 正向泵浦
EDF
残余泵浦
图7.1 EDF ASE光源的基本构成
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
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（GRIN），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 柱透镜
SLEL
增益介质
解理面
R2 z=L
驱动电流增大 →
→
832 830 828 826 824
832 830 828 826 824
832 830 828 826 824
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
一种光电导体，存在一个照射光的波长限λC，只有 波长小于λC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