西安电子科技大学：《光电探测技术与系统》课程电子教案（PPT课件讲稿）光敏二极管、晶体管

S4-4/5光敏二极管和光敏晶体管 1.结构原理 光敏二极管的结构与一般二极管相似。它装在透明玻璃外壳 中，其PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射（见图7-7)。 光敏三极管在电路中一般是处于反向工作状态（见图78），在 没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称 为暗电流，当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附 近产生光生电子和光生空穴对，它们在P结处的内电场作用下 作定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。因此 光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导 通状态。 2022/10/7

2022/10/7 1 S4-4/5 光敏二极管和光敏晶体管 1. 结构原理 光敏二极管的结构与一般二极管相似。它装在透明玻璃外壳 中，其PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射（见图7-7）。 光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态（见图7-8），在 没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称 为暗电流，当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附 近产生光生电子和光生空穴对，它们在PN结处的内电场作用下 作定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。因此 光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导 通状态

光 星 Q 十0 N P 图7-7光敏二极管结构简图和符号 2022/10/7 2

2022/10/7 2 图 7-7 光敏二极管结构简图和符号 N P ＋ － 光

图7-8光敏二极管接线图 2022/10/7 3

2022/10/7 3 图 7-8 光敏二极管接线图 RL E

光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个PN结，如图79 (所示，只是它的发射极一边做得很夫，以护夫光的照射面 积。光敏晶体管接线如图79(b)所示，大多数光敏晶体管的 基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接 基极时，集电结就是反向偏压，当光照射在集电结时，就会在 结附近产生电子一空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空 穴，使基极与发射极间的电压升高，这样便会有大量的电子流 向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的β倍，所以 光敏品体管有放大作用。 2022/10/7 4

2022/10/7 4 光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个PN结，如图7-9 （a）所示，只是它的发射极一边做得很大，以扩大光的照射面 积。 光敏晶体管接线如图7-9（b）所示，大多数光敏晶体管的 基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接 基极时，集电结就是反向偏压， 当光照射在集电结时，就会在 结附近产生电子—空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空 穴，使基极与发射极间的电压升高，这样便会有大量的电子流 向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的β倍，所以 光敏晶体管有放大作用

光敏品体管的光电灵敏度虽然比光敏三极管高得多，但在 需要高增益或大电流输出的场合，需采用达林顿光敏管。图710 是达林顿光敏管的等效电路，它是一个光敏晶体管和一个晶体 管以共集电极连接方式构成的集成器件。由于增加了一级电流 放大，所以输出电流能力大大加强，甚至可以不必经过进一步 放大，便可直接驱动灵敏继电器。但由于无光照时的暗电流也 增大，因此适合于开关状态或位式信号的光电变换。 2022/10/7 5

2022/10/7 5 光敏晶体管的光电灵敏度虽然比光敏二极管高得多，但在 需要高增益或大电流输出的场合，需采用达林顿光敏管。图7-10 是达林顿光敏管的等效电路，它是一个光敏晶体管和一个晶体 管以共集电极连接方式构成的集成器件。由于增加了一级电流 放大，所以输出电流能力大大加强，甚至可以不必经过进一步 放大，便可直接驱动灵敏继电器。但由于无光照时的暗电流也 增大，因此适合于开关状态或位式信号的光电变换

光 N P N 三E e b R (a (b) 图8.9NPN型光敏晶体管结构简图和基本电路 2022/10/7 6

2022/10/7 6 图 8 - 9 NPN型光敏晶体管结构简图和基本电路 N P c 光 N e b b e c (a) (b) RL E

o e 图710达林顿光敏管的等效电路 (a结构简化模型；(b)基本电路 2022/10/7 7

2022/10/7 7 图 7 -10 (a) 结构简化模型； (b) 基本电路 ce

2.基本特性 管的光谱特性是指在一定照度时，输出 的光电流（或用相对灵敏度表示）与入射光波长的关系。硅和 锗光敏三（晶体）极管的光谱特性曲线如图711所示。从曲线可 以看出，硅的峰值波长约为0.9μm,锗的峰值波长约为1.5m, 此时灵敏度最大，而当入射光的波长增长或缩短时，相对灵敏 度都会下降。一般来讲，锗管的暗电流较大，因此性能较差， 故在可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。但对红外 光的探测，用锗管较为适宜。 2022/10/7 8

2022/10/7 8 2. 基本特性 (1) 光谱特性 光敏管的光谱特性是指在一定照度时， 输出 的光电流（或用相对灵敏度表示）与入射光波长的关系。硅和 锗光敏二（晶体）极管的光谱特性曲线如图7-11所示。从曲线可 以看出，硅的峰值波长约为0.9μm，锗的峰值波长约为1.5 μm， 此时灵敏度最大，而当入射光的波长增长或缩短时，相对灵敏 度都会下降。一般来讲， 锗管的暗电流较大，因此性能较差， 故在可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。但对红外 光的探测， 用锗管较为适宜

10 8 锗 硅 (%)/S 40 20 入射光 0 4x1028×10212×10216×10220×102 1/nm 图711光敏二极（晶体）管的光谱特性 2022/10/7 9

2022/10/7 9 图 7-11 光敏二极(晶体)管的光谱特性 100 80 60 40 20 0 4×102 8×102 12×102 16×102 20×102 入射光 锗 硅  / nm S / (%)

(2)伏安特性图7-12(a)为硅光敏二极管的伏安特性，横 坐标表示加的及向偏压。当光照时，反向电流随着光照强度 的增大而增大，在不同的照度下，伏安特性曲线几乎平行，所 以只要没达到饱和值，它的输出实际上不受偏压大小的影响。 图712(b)为硅光敏晶体管的伏安特性。纵坐标为光电流， 横坐标为集电极发射极电压。从图中可见，由于晶体管的放天 作用，在同样照度下，其光电流比相应的二极管大上百倍。 2022/10/7 10

2022/10/7 10 (2) 伏安特性 图7-12（a）为硅光敏二极管的伏安特性，横 坐标表示所加的反向偏压。当光照时，反向电流随着光照强度 的增大而增大，在不同的照度下，伏安特性曲线几乎平行，所 以只要没达到饱和值，它的输出实际上不受偏压大小的影响。 图7-12（b）为硅光敏晶体管的伏安特性。纵坐标为光电流， 横坐标为集电极-发射极电压。 从图中可见，由于晶体管的放大 作用，在同样照度下，其光电流比相应的二极管大上百倍