光敏二极管

12.2.1光敏二极管工作原理和结构光生伏特效应（产生一定方向电动势）制成的光电元件。光敏二极管的结构与普通半导体二极管一样，都有一个PN结，两根电极引线，而且都是非线性器件，具有单向导电性能。不同之处在于光敏二极管的PN结装在管壳的顶部，可以直接受到光的照射。2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PN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PN结内建电场作用下，各自向相反方向运动，即P区的电子穿过PN结进入N区，N区的空穴进入P区，形成自N区向P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，PN结两端建立起稳定的电势差(P区相对于N区是正的)，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为电信号。3图2.1光敏二极管•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。•有光照，PN结－＞电子-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。•外电路接上负载，便可获得随光照强弱变化的电信号。42.2.2光敏二极管的基本特性光谱特性伏安特性光照特性温度特性响应特性51.光谱特性－图2.2材料不同，其光谱响应峰值波长也不同。硅管－＞1.1μm左右，锗管－＞1.8μm，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；但对红外光进行探测时，采用锗管较为合适。入射光波长长时：光子能量太小，不足以激发电子-空穴对入射光波长短时，光波穿透能力下降，在表面激发电子-空穴对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。62.伏安特性－图2.3光敏二极管的伏安特性的环境条件：环境照度不变。在无偏压时，光敏二极管仍有光电流输出。（光电效应性质）。73.光照特性－图2.4光敏二极管的光照特性如左图所示，它描述了光敏二极管的光电流与照度的关系。光敏二极管光照特性的线性好。84.温度特性－图2.5温度变化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：①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；②在电路中采取适当的温度补偿措施；③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作用，隔断暗电流。95.响应特性硅光敏二极管的上升时间tr≤5ns，响应速度很快，因此，硅光敏二极管适合于要求快速响应或入射光调制频率较高的场合。102.2.3光敏二极管的型号参数工作电压:无光照的条件下，暗电流不大于0.1μA时所能承受的最高反向电压值。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，检测弱光的能力越强。光电流:一定光照，最高反向工作电压。其测量的一般条件是:2856K钨丝光源，照度为10001x。光电灵敏度: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。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，二极管的工作频率越高。结电容Cj:指光敏二极管PN结的电容。Cj是影响光电响应速度的主要因索。结面积越小，结电容Cj也就越小，则工作频率越高。11表2.22DU型光敏二极管的型号参数正向压降：一定的正向电流时，它两端产生的压降。表中的光敏二极管主要用于可见光和近红外光探测器，以及光电转换的自动控制仪器、触发器、光电耦合、编码器、特性识别、过程控制和激光接收等方面。122.2.4光敏二极管的应用1.光电路灯控制电路2.光强测量电路3.照度计131.光电路灯控制电路-图2.6从图可知，在无光射时，光敏二极管（反向）截止，电阻R1上的压降VA很小，则晶体管T1截止，T2截止，继电器J不动作，路灯保持亮。有光照射时，光敏管产生光电流IL，R1电压下降，VA上升，光强达到某一值时T1导通，T2导通，J动作常闭端打开，使路灯灭。即白天灯灭，晚上灯亮，起到了自动控制的作用。142.光强测量电路-图2.7图由稳压管、光敏二极管和电桥组成的测量电路。无光照时，VA很大，FET导通，调整RW，使电桥平衡，即指针为0。有光照时，光敏管产生IL，A点电位VA下降，R2上电流下降，VB减小；光照不同，IL不同，VA不同，R2上压降不同，光强可以通过电流计读数显示出来。153.照度计-图2.8便携式照度计电路便携式照度计电路如图2.8所示。其中，光电传感器TFA1001W是将光敏二极管与放大器Rf集成在一起，使输出为线性，灵敏度为5μA/lx。此电路采用9V电池供电，接200Ω负载电阻，可获得的输出电压为15LRSU10S1—TFA1001W光电集成传感器灵敏度；Φ—光照灵敏度。