光生伏特器件 54節(jié)

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1、5.4光電三極管光電三極管的兩種基本結(jié)構(gòu)，即?NPN結(jié)構(gòu)-用N型硅材料為襯底制作的，稱為3DU型；?PNP結(jié)構(gòu)-用P型硅材料為襯底制作的，稱為3CU型。(a)原理結(jié)構(gòu)(b)電路符號(hào)(c)工作原理圖5-123DC型硅光電三極管1.工作原理光電三極管的工作原理分為：一是光電轉(zhuǎn)換，是在集-基PN結(jié)區(qū)內(nèi)進(jìn)行的。光激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對在反向偏置的PN結(jié)內(nèi)電場的作用下，電子流向集電區(qū)被集電極所收集，而空穴流向基區(qū)與正向偏置的發(fā)射結(jié)發(fā)射的電子流復(fù)合，形成基極電流Ip。二是光電流放大，基極電流被放大β倍。不同點(diǎn):一般半導(dǎo)體三極管是由基極

2、向發(fā)射結(jié)注入空穴載流子，控制發(fā)射極的擴(kuò)散電流，而光電三極管是由注入到發(fā)射極的光生電流控制的。集電極輸出的電流為（5-25）3CU型光電三極管在原理上和3DU型相同，其工作時(shí)的電壓極性與之相反，集電極的電位為負(fù)的。(a)光電二極管-三極管集成器件(b)光電三極管-三極管集成器件(c)達(dá)林頓光電三極管圖5-13集成光電器件2.光電三極管特性⑴伏安特性光電三極管的偏置電壓要保證光電三極管的發(fā)射結(jié)處于正向偏置，而集電結(jié)處于反向偏置。光電三極管β值隨光電流的增大而增大。圖5-14光電三極管伏安特性曲線⑵時(shí)間響應(yīng)（頻率特性）光電三極管

3、的時(shí)間響應(yīng)常與PN結(jié)的結(jié)構(gòu)及偏置電路等參數(shù)有關(guān)。(a)光電三極管輸出電路(b)微變等效電路圖5-15光電三極管電路選擇適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻，使其滿足RL＜Rce，可以導(dǎo)出光電三極管電路的輸出電壓為（5-26）光電三極管的時(shí)間響應(yīng)由以下四部分組成：①光生載流子對發(fā)射結(jié)電容Cbe和集電結(jié)電容Cbc充放電時(shí)間；②光生載流子渡越基區(qū)所需要的時(shí)間；③光生載流子被收集到集電極的時(shí)間；④輸出電路等效負(fù)載電阻RL與等效電容Cce所構(gòu)成的RC時(shí)間；提高光電三極管的時(shí)間響應(yīng)的措施--應(yīng)盡可能的減小發(fā)射結(jié)阻容時(shí)間常數(shù)rbeCbe和時(shí)間常數(shù)RLCce。

4、即：?一方面在工藝上設(shè)法減小結(jié)電容Cbe、Cce；?一方面要合理選擇負(fù)載電阻RL，尤其在高頻應(yīng)用的情況下應(yīng)盡量降低負(fù)載電阻RL。光電三極管的時(shí)間響應(yīng)不但與負(fù)載電阻RL有關(guān)，而且與光電三極管的輸出電流有關(guān)，增大輸出電流可以減小時(shí)間響應(yīng)，提高光電三極管的頻率響應(yīng)。圖5-16光電三極管的時(shí)間響應(yīng)與集電極電流的關(guān)系曲線⑶溫度特性在進(jìn)行弱光信號(hào)的檢測時(shí)應(yīng)考慮溫度的影響，必要時(shí)應(yīng)采取恒溫或溫度補(bǔ)償?shù)拇胧?a)暗電流Id的溫度特性曲線(b)亮電流IL的溫度特性曲線圖5-17光電二極管、光電三極管的溫度特性曲線⑷光譜響應(yīng)對于光電三極管，

5、減薄PN結(jié)的厚度可以使短波段波長的光譜響應(yīng)得到提高，因?yàn)镻N結(jié)的厚度減薄后，長波段的輻射光譜很容易穿透PN結(jié)，而沒有被吸收。短波段的光譜容易被減薄的PN結(jié)吸收。圖5-183DU3光電三極管的光譜響應(yīng)在使用時(shí)要注意它的極限參數(shù)UCEM和UCE，不能使工作電壓超過UCEM。表5-3典型光電三極管的特性參數(shù)3.光電三極管的應(yīng)用⑴光電三極管的光控原理a.暗導(dǎo)通原理當(dāng)一定波長的光照射VT1時(shí)，光控開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)。無光照射VT1時(shí)，時(shí)光控開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)。圖(a)光電三極管的暗導(dǎo)通原理b.亮導(dǎo)通原理有一定波長的光照射VT3時(shí)，電路為

6、導(dǎo)通狀態(tài)。無光照射VT3時(shí)，VT4飽和導(dǎo)通，RL中無電流。圖(b)光電三極管的亮導(dǎo)通原理⑵列車燈自動(dòng)開關(guān)列車通過隧道時(shí)，無光照射光電三極管，光控開關(guān)自動(dòng)點(diǎn)亮車廂內(nèi)的燈；列車出隧道時(shí)，有光照射，自動(dòng)關(guān)燈。圖(c)礦燈自動(dòng)開關(guān)電路⑶地下室換氣控制器當(dāng)工作人員進(jìn)入地下室時(shí)，打開照明燈，換氣電扇工作。當(dāng)工作人員離開關(guān)掉照明燈時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉氣扇。圖(d)地下室換氣控制器4.光電二極管與光電三極管的主要差別⑴響應(yīng)時(shí)間的差別：光電二極管的響應(yīng)時(shí)間在百ns以下，PIN結(jié)型和雪崩型還要??；光電三極管的響應(yīng)時(shí)間長達(dá)5~10微秒，復(fù)合型光電三極管

7、的響應(yīng)時(shí)間更長。例如，在工作頻率低于10MHz的電路中，應(yīng)選用P-N結(jié)型光電二極管；高于10MHz的電路中，應(yīng)選用PIN結(jié)型光電二極管；只有工作頻率低于200~300kHz時(shí)，才應(yīng)選用光電三極管⑵光電流的差別光電二極管的光電流一般只有幾微安到幾百微安；光電三極管的光電流一般都在幾毫安以上，至少有幾百微安。光電二極管和光電三極管的暗電流則相差不多，一般都不超過1μA，大多數(shù)在0.5μA以下。⑶輸出特性的差別光電二極管在很寬的入射光照度范圍內(nèi)(10-3~103lx)都具有線性的光電流-照度特性；光電三極管輸出特性的線性較差。