4.7光電二極管外形光變化－電流變化光電轉(zhuǎn)換器光敏特性（a）（b）光電二極管的符號與光電特性的測量電路（a）符號（b）光電特性的測量電路硅光電二極管國產(chǎn)硅光電二極管按襯底材料的導(dǎo)電類型不同，分為2CU和2DU兩種系列。2CU系列以N-Si為襯底，2DU系列以P-Si為襯底2CU系列光電二極管只有兩個引出線，而2DU系列光電二極管有三條引出線，除了前極、后極外，還設(shè)了一個環(huán)極。硅光電二極管結(jié)構(gòu)示意圖2DU管加環(huán)極的目的是為了減少暗電流和噪聲。光電二極管的受光面一般都涂有SiO2防反射膜，而SiO2中又常含有少量的鈉、鉀、氫等正離子。SiO2是電介質(zhì)，這些正離子在SiO2中是不能移動的，但是它們的靜電感應(yīng)卻可以使P-Si表面產(chǎn)生一個感應(yīng)電子層。這個電子層與N-Si的導(dǎo)電類型相同，可以使P-Si表面與N－Si連通起來。當(dāng)管子加反偏壓時，從前極流出的暗電子流，除了有PN結(jié)的反向漏電子流外，還有通過表面感應(yīng)電子層產(chǎn)生的漏電子流，從而使從前極流出的暗電子流增大。為了減小暗電流，設(shè)置一個N+-Si的環(huán)把受光面（N-Si）包圍起來，并從N+-Si環(huán)上引出一條引線（環(huán)極），使它接到比前極電位更高的電位上，為表面漏電子流提供一條不經(jīng)過負(fù)載即可達(dá)到電源的通路。這樣，即可達(dá)到減小流過負(fù)載的暗電流、減小噪聲的目的。如果使用時環(huán)極懸空，除了暗電流、噪聲大些外，其它性能均不受影響。2CU管子，因?yàn)槭且訬-Si為襯底，雖然受光面的SiO2防反射膜中也含有少量的正離子，而它的靜電感應(yīng)不會使N-Si表面產(chǎn)生一個和P-Si導(dǎo)電類型相同的導(dǎo)電層，從而也就不可能出現(xiàn)表面漏電流，所以不需要加環(huán)極。加反向電壓時，伏安特性曲線常畫成如下圖所示的形式。與硅光電池的伏安特性曲線圖比較，有兩點(diǎn)不同。一是把硅光電池的伏安特性曲線圖中Ⅰ、Ⅱ象限里的圖線對于縱軸反轉(zhuǎn)了一下，變?yōu)樯蠄D(a)。這里是以橫軸的正向代表負(fù)電壓，這樣處理對于以后的電路設(shè)計很方便。二是因?yàn)殚_路電壓UOC一般都比外加的反向電壓小很多，二者比較可略而不計，所以實(shí)用曲線常畫為上圖(b)的形式。微變等效電路與頻率特性：光電二極管的等效電路可表達(dá)如下：其中圖a為實(shí)際電路；圖b為考慮到光電二極管結(jié)構(gòu)、功能后畫出的微變等效電路，其中Ip為光電流，V為理想二極管，Cf為結(jié)電容，Rsh為漏電阻，Rs為體電阻，RL為負(fù)載電阻；圖c是從圖b簡化來的，因?yàn)檎＿\(yùn)用時，光電二極管要加反向電壓，Rsh很大，Rs很小，所以圖b中的V、Rsh、Rs都可以不計，因而有圖c的形式；圖d又是從圖c簡化來的，因?yàn)镃f很小，除了高頻情況要考慮它的分流作用外，在低頻情況下，它的阻抗很大，可不計。因此具體應(yīng)用時多用圖d和圖c兩種形式。流過負(fù)載的交變電流復(fù)振幅為：IL＝Ip·1/(1+jωτ)幾種國產(chǎn)2CU型硅光電二極管的特性

幾種國產(chǎn)2DU型硅光電二極管的特性

2.7.2PIN管PIN管是光電二極管中的一種。是在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層（相對）很厚的本征半導(dǎo)體。這樣，PN結(jié)的內(nèi)電場就基本上全集中于I層中，從而使PN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小。由式τ=CfRL與f=1/2πτ知，Cf小，τ則小，頻帶將變寬。因此，這種管子最大的特點(diǎn)是頻帶寬，可達(dá)10GHz。另一個特點(diǎn)是，因?yàn)镮層很厚，在反偏壓下運(yùn)用可承受較高的反向電壓，線性輸出范圍寬。PIN硅光電二極管2.7.3雪崩光電二極管雪崩光電二極管是利用PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來工作的一種二極管。這種管子工作電壓很高，約100～200V，接近于反向擊穿電壓。結(jié)區(qū)內(nèi)電場極強(qiáng)，光生電子在這種強(qiáng)電場中可得到極大的加速，同時與晶格碰撞而產(chǎn)生電離雪崩反應(yīng)。因此，這種管子有很高的內(nèi)增益，可達(dá)到幾百。雪崩二極管當(dāng)電壓等于反向擊穿電壓時，電流增益可達(dá)106，即產(chǎn)生所謂的自持雪崩。這種管子響應(yīng)速度特別快，帶寬可達(dá)100GHz，是目前響應(yīng)速度最快的一種光電二極管。噪聲大是這種管子目前的一個主要缺點(diǎn)。由于雪崩反應(yīng)是隨機(jī)的，所以它的噪聲較大，特別是工作電壓接近或等于反向擊穿電壓時，噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以至無法使用。2.7.4光電晶體管光電晶體管和普通晶體管類似，也有電流放大作用。只是它的集電極電流不只是受基極電路的電流控制，也可以受光的控制。光電晶體管的外形，有光窗、集電極引出線、發(fā)射極引出線和基極引出線（有的沒有）。制作材料一般為半導(dǎo)體硅，管型為NPN型，國產(chǎn)器件稱為3DU系列。光電晶體管原理性結(jié)構(gòu)如右圖光電晶體管的靈敏度比光電二極管高，輸出電流也比光電二極管大，多為毫安級。但它的光電特性不如光電二極管好，在較強(qiáng)的光照下，光電流與照度不成線性關(guān)系。所以光電晶體管多用來作光電開關(guān)元件或光電邏輯元件。光電晶體管的伏安特性曲線如圖2.7.5陣列式或象限式結(jié)型光電器件利用集成電路技術(shù)使2個至幾百個光電二極管或光電池排成一行，集成在一塊集成電路片子上，即成為陣列式的一維光電器件，也可以使光電二極管或光電池制成象限式的二維光電器件。這兩種器件中，襯底是共用的，而各光敏元都是獨(dú)立的，分別有各自的前極引出線。這種器件的特點(diǎn)是，光敏元密集度大，總尺寸小，容易作到各單元多數(shù)一致，便于信號處理。就目前的應(yīng)用看，兩個并列的光電二極管或光電池，可用來辨別光點(diǎn)移動的方向。2～4個并列的光敏元，可用來收集光點(diǎn)移動的相位信息。幾十個至幾百個或更多并列的光敏元，可用來攝取光學(xué)圖象或用作空間頻譜分析。象限式光電器件可用來確定光點(diǎn)在二維平面上的位置坐標(biāo)。多用于準(zhǔn)直、定位、跟蹤或頻譜分析等方面。光電開關(guān)與光電耦合器光電開關(guān)和光電耦合器都是由發(fā)光端和受光端組成的組合件。光電開關(guān)不封閉，發(fā)光端與受光端之間可以插入調(diào)制板。光電耦合器則是把發(fā)光元件與受光元件都封閉在一個不透光的管殼內(nèi)。

光電開關(guān)與光電耦合器結(jié)構(gòu)示意圖a)光電開關(guān)

b)光電耦合器發(fā)光端與受光端彼此獨(dú)立，完全沒有電的聯(lián)系，兩端之間的電阻一般都在1011Ω以上。光電開關(guān)多用于光電計數(shù)、報警、安全保護(hù)、無接觸開關(guān)，及各種光電控制等方面。光電耦合器多用于電位隔離、電平匹配、抗干擾電路、邏輯電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、長線傳輸、過流保護(hù)，及高壓控制等方面。2.7.7光伏探測器使用要點(diǎn)1）極性結(jié)型器件都有確定的極性，如要加電壓使用時，光電結(jié)必須加反向電壓，即P端與外電源的低電位相接。

2）使用時對入射光強(qiáng)范圍的選擇應(yīng)視用途而定。用于開關(guān)電路或邏輯電路時光照可以強(qiáng)些。用于模擬量測量時，光照不宜過強(qiáng)。因?yàn)橐话闫骷加羞@樣的性質(zhì)：光照弱些，負(fù)載電阻小些，加反偏壓使