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第3章 结型光电器件 1.结型光电器件工作原理 2.硅光电池 3.硅光二极管和硅光三极管 4.结型光电器件的放大电路 5.特殊结型光电二极管 6.光电耦合器件 3．2．2硅光电池的特性参数 1．光照特性 光电池的光照特性主要有伏安特性、照度?电流电压特性和照度?负载特性。 硅光电池的伏安特性，表示输出电流和电压随负载电阻变化的曲线。 图3 ?5为不同照度时的伏安特性曲线，一般硅光电池工作在第四象限。若硅光电池工作在反偏置状态，则伏安特性将延伸到第三象限(与图3 ?2类似)。 3．5．3雪崩光电二极管 雪崩光电二极管(APD)是借助强电场产生载流子倍增效应(即雪崩倍增效应)的一种高速光电二极管，如图3?35所示。下面简述它的工作原理和特性。 一般雪崩光电二极管有以下特征： ①灵敏度很高，电流增益可达102～103； ②响应速度快，响应时间只有0.5 ns，响应频率可达100 GHz； ③噪声等效功率很小，约为10?15 W； ④反偏压高，可达200 V，接近于反向击穿电压。 雪崩光电二极管广泛应用于光纤通讯、弱信号检测、激光测距等领域。  3．5．4 紫外光电二极管 紫外光是频率很高的电磁波，由于半导体材料对电磁波的吸收与波的频率有关，频率越高吸收越大，所以大多数紫外光生载流子将产生在材料的表面附近，还没有到达结区就因密度太大而被复合掉，响应率很低。因此，在设计紫外光电二极管时必须考虑以上因素。 研究和分析认为，制造时采用浅PN结和肖特基结的结构，可以增强对蓝、紫波长光的吸收和响应率。 3．5．5半导体色敏器件 半导体色敏器件是根据人眼视觉的三色原理，利用不同结深的光电二极管对各种波长的光谱响应率不同的现象制成的。 1．半导体色敏器件的工作原理 图3?36所示为半导体色敏器件的结构示意图和等效电路。 从图可见，它由在同一块硅片上制造两个深浅不同的PN结构成，其中PDl为深结，它对波长长的光响应率高；PD2为浅结，它对波长短的光响应率高。 这种结构相当于两个光电二极管反向串联，所以又称为双结光电二极管。图3?37所示为双结光电二极管的光谱响应特性。 3．6结型光电器件的应用实例——光电耦合器件 光电耦合器件是发光器件与接收器件组合的一种元件。发光器件常采用发光二极管；接收器件常用光电二极管、光电三极管及光集成电路等。 它以光作为媒介把输入端的电信号耦 合到输出端，因此也称为光电耦合器。 发光二极管、光电二极管、光电三极管等都是结型光电器件，所以它们的组合也是结型光电器件的典型应用。 光电耦合器件具有体积小、寿命长、无触点、抗干扰能力强、输出和输入之间隔离、可单向传输信号等特点。 有时还可以取代继电器、变压器、斩波器等，目前已被广泛用于隔离电路、开关电路、数模转换电路、逻辑电路及长线传输、高压控制、线性放大、电平匹配等单元电路。 光电隔离器的结构原理图 光电隔离器的结构原理图如图3?44所示，发光器件常采用发光二极管。 接收器中采用光电二极管时，被命名为GD?210系列光电耦合器； 接收器中采用光电三极管时，则命名为GD?310系列光电耦合器，如图3?44(a)和图3?44(b)；还有以光集成组件为接收器件的，如图3?44(c)中接收器为光电二极管?高速开关三极管组件； 图3?44(d)中接收器为光电三极管?达林顿晶体管组件；图3?44(e)中接收器为光集成电路。这种结构可以提高器件的频率响应和电流传输比。 2．光传感器 按结构不同，光传感器又可分为透过型和反射型两种。 透过型光传感器又称光断续器，是将保持一定距离的发光器件和光接收器件相对组装而成，如图3?45(a)所示， 当物体从两器件之间通过时将引起透射光的通和断，从而判断物体的数量和有无；如图3?45(b)所示，把发光器件和光接收器件以某一交叉角度安放在同一方向则组成反射型光传感器。 通过测量物体经过时反射光量的变化，可检测物体的数目、长度；也可组成光编码器，应用于数字控制系统中；在高速印刷机中用作定时控制和位置控制；在传真机、复印机中用于对纸的检测或图像色彩浓度的调整。 2．输出电路 图3?47是光电耦合器件的几种输出电路，图3?47(a)和图3?47(b)是光电三极管输出电路，图3?47(c)是光电二极管——晶体管输出电路，图3?47(d)是光电二极管——达林顿晶体管输出电路。 * * *