光电感应器件的研究

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1、 班 级 XXXXX 学 号 XXXXXXXX 本科毕业设计论文题 目 光电感应器件研究及典型 电路设计与实现 学 院 XXXXXX 专 业 电子信息科学与技术 学生姓名 XXXXX 导师姓名 XXXXX 毕业设计（论文）诚信声明书 本人声明：本人所提交的毕业论文光电感应器件研究及典型电路的设计与实现是本人在指引教师指引下独立研究、写作的成果，论文中引用她人的无论以何种方式发布的文字、研究成果，均在论文中加以阐明：有关教师、同窗和其她人员对本文的写作、修订提出过并为我在论文中加以采纳的意见、建议，均已在我的道谢辞中加以阐明并深道谢意。本论文和资料若有不实之处，本人承当一切有关责任。论文作者：

2、XXXX （签字） 时间：5月18日指引教师已阅： （签字） 时间：5月18日 西 安 电 子 科 技 大 学 毕业设计（论文）任务书 学生姓名 XXXXX 学 号 XXXXXXX 指引教师 XXXXX 职 称 XXXXXXXX 学 院 XXXXXX 专 业 电子信息科学与技术 题目名称 光电感应器件研究及典型电路设计与实现 任务与规定 随着电子产业的迅速发展，不断的新元件被用于生产中，为了实现自动化、迅速有效的实现生产。其中，光电感应器件就在这之中被广泛使用，通信行业中的光通信中、生产车间里面的计数器以及其她行业中的应用。因此本课题规定学生对光敏器件这个领域有进一步的研究，它的分类、封装、功

3、能及重要应用范畴等特点的熟悉、学习，在这基本之上去选择一种应用最广泛、也容易实现的例子光电计数器研究并实现。开始日期 1月15日 完毕日期 5月20日 院长（签字） 月 日注：本任务书一式两份，一份交学院，一份学生自己保存。西 安 电 子 科 技 大 学 毕业设计（论文）工作筹划学生姓名 XXXXX 学 号 XXXXXXX 指引教师 XXXXX 职 称 XXXXXX 学 院 XXXXX 专 业 电子信息科学与技术 题目名称 光电感应器件研究及典型电路设计与实现 一、 毕业设计（论文）进度起止时间工作内容.1.15-.3.15查阅有关文献资料，学习有关光敏器件的基本内容，熟悉Altiuum De

4、signer.3.16-.3.20设计出合理的实现方案，并作出实现的原理电路图.3.21-.4.10对所实现的光电计数电路进行测试仿真，编辑并绘制PCB板原理图.4.11-.5.6整顿资料，撰写毕业论文.5.7-.5.20整顿资料，准备毕业论文答辩二、重要参照书目（资料）1孙小安，模拟电子技术，西北大学出版社，10月2江晓安，董秀峰，杨颂华，数字电子技术，西安电子科技大学出版社，6月3雷思孝，冯育长，单片机系统设计及工程应用，西安电子科技大学出版社，1月，Page(s):141-1465陈振官,陈宏威等,光电子电路及制作实例,北京国防工业出版社,6 李忠播,袁宏,电子设计与仿真技术,北京机械工

5、业出版社,7 黄正谨,综合电子设计与实践,南京东南大学出版社,8 蔡雅铮,计数器及其逻辑设计,高等教育出版社,1985,Page(s):31-329 黎民,数字计数器的制作与使用,香港万里出版社,1982,Page(s):56-58三、重要仪器设备及材料硬件：计算机、Internet等软件：Altiuum Designer Winter 09、Windows操作系统等四、教师的指引安排状况（场地安排、指引方式等）1.每周集中报告、指引一次2.采用面谈方式（教学楼A楼201教室），电话、邮箱随时联系指引五、对筹划的阐明注:本筹划一式两份，一份交学院，一份学生自己保存（筹划书双面打印）西 安 电

6、子 科 技 大 学毕业设计（论文）中期检查表学 院XXXXXX专 业电子信息科学与技术学生姓名XXXXX学 号XXXXX班 级XXXXXX导师姓名XXXXX职 称XXXXX单 位西安电子科技大学题目名称光电感应器件研究及典型电路设计与实现检 查 内 容检 查 结 果题目与否更换及更换因素否学生出勤状况全勤进 度 评 价（完毕总工作量的比例）85%质量评价、进度描述硬件完毕及论文草稿完毕。审题精确，资料充足，重点突出，论述具体。总 体 评 价（按优、良、中、及格、不及格五个档评价）优存在的问题与建议 在指引教师的指引下，完毕论文的修改工作，完全按照校规定打印装订。准时参与答辩。学院审核（盖章）注

7、：此表由指引教师填写，中期检查成绩将作为毕业设计总成绩的一部分；此表装订入毕业设计（论文）中。西 安 电 子 科 技 大 学 毕业设计（论文）成绩登记表学 院XXXXXX专 业电子信息科学与技术姓 名XXXXXX学 号XXXXXX成 绩题目名称光电感应器件研究及典型电路设计与实现指引教师XXXXXX职称XXXXX指引教师评语及对成绩的评估意见 光电感应器件是近年来人们新型研究出的一类电子器件，它应用诸多领域，同步，发展和更新快，种类多。本课题规定具体研究这一类器件的多种特性以及它的一种典型应用。 该同窗进一步研究了光电感应这一类器件，从器件的分类、代表器件、各类器件的特性以及各类器件的应用领域

8、和作用等基本上分别作了具体论述。对于器件的典型应用选用常用的光电计数器，从方案设计到设计原理电路和电路工作流程均论述明细，从原理电路到计数器的实现过程的运用软件设计电路和绘制PCB板的过程和软件功能简介很具体。全文内容重点突出，格式符合规范化规定。 该同窗在毕业设计期间，工作认真，有着独立思考和解决问题的能力。同步体现对资料整合及理解掌握。 建议成绩评估为“ ”。 签名 年 月 日评阅人评语及成绩评估意见 签名 年 月 日答辩小组意见签名 年 月 日学院答辩委员会意见答辩委员会主任签名 年 月 日注：学院、专业名均写全称；成绩登记表双面打印 摘 要随着社会的迅速发展，其中电子产业发展是遥遥领先

9、 。各行各业追求高速高效的生产，其中光电感应器件对此有很大的奉献。光电感应器件就是运用光电效应将光信号转换成电信号或者装置中既能将光信号装换成电信号也能将电信号转换成光信号的的一类装置。其中，能将电信号转换成光信号的一般也叫做发光器件，而前者一般是做成光电传感器，也是此类器件的重要应用。无论是在现代通信行业还是在其她非电子行业中光电感应器件的应用非常的广泛。此类器件具有构造简朴、非接触、高可靠性、高精度和反映快等长处，因此在非电子行业中一般被应用于检测、计数等，而在通信行业中，目前的光通信里就应用光电效应及这一类器件的特点，做成连接器和耦合器、光发射/接受器、光波分复用/解复用器、光滤波器、光

10、放大器、光开关以及光分插复用器等来提高现代通信。它的应用虽然非常广泛，但是本论文中重要讲述它的简朴应用光电计数器。光电计数器常用在商场或者会场的入口、生产线上面产品等进行计数功能这一简朴应用。本作品电路重要采用常用分立元件和小规模集成电路，构造简朴可靠，可以提供精确的记录值，成本低廉，实用性强，二次开发性高。核心词：光电感应器件 光电效应 光电传感器 光通信 光电计数器AbstractWith the rapid development of society, including electronic industry development is far ahead. All walks o

11、f life pursuit of high speed and high efficient production, which have a great device photoelectric sensor of contribution.Photoelectric sensor devices is the use of the photoelectric effect will signal light into electrical signal or device can pack into electrical signals will be light signals wil

12、l be able to convert electrical signal light signals of a class of device. Among them, can convert electrical signal light signals general also called glowing device, and the former general, it is the photoelectric sensor, also is the main application of this kind of device. Whether in modern commun

13、ications industry or in the rest of the electronics industry, the application of the photoelectric sensor devices is very extensive.This kind of device has simple structure, the contact, high reliability, high precision and quick response and other advantages, so in the electronic industry is genera

14、lly used in testing, counting, and in communications industry, now the application of optical photoelectric effect and the characteristics of this kind of device, and made a connector and coupler, light emission/receiver, light WDM/solution multiplex, light filters, optical amplifiers, light switch

15、and light points into multiplex and to improve the modern communications.The application of it there is a very extensive, but this thesis mainly about its simple application-photoelectric counter. Photoelectric counter in the mall or common entrance, the production line above products to count the s

16、imple application function.This work mainly by the circuit commonly used division components and small-scale integration circuit, the structure is simple, reliable and can provide the accurate statistics value, low cost, practical strong, secondary development high.Keywords: photoelectric sensor dev

17、icesphotoelectric effect photoelectric sensorsoptical communications photoelectric counter 目 录第一章 绪 论11.1 光电感应器件概述11.2 光电感应器件的应用2第二章 光电感应器件原理32.1 光电感应器件的概念32.2 光电感应器件的分类32.2.1 按使用的场合分类32.2.2 按光电效应原理分类42.2.3 按光电感应器件的构成分类42.3 基于光电效应构成的光电感应器件52.3.1 外光电效应器件52.3.2 光电导效应器件92.3.3 光生伏特效应器件122.4 基于光电感应器件特性的光

18、电感应器件162.4.1 发光感应器件162.4.2 检测光电感应器件18第三章 光电计数器的方案设计253.1 方案设计253.2 计数器系统特点26第四章 系统硬件电路设计274.1 原理电路图274.2 原理电路论述274.3 光电计数系统构成294.3.1 电源供电部分294.3.2 信号采集部分294.3.3 系统复位部分304.3.4 脉冲生成部分314.3.5 译码计数部分334.3.6 驱动显示部分35第五章 PCB板设计395.1 Altium Desiger Winter 09概述395.2 原理图设计405.3 PCB板的设计43第六章 焊接调试476.1 电路的焊接47

19、6.2 电路的调试486.3 问题与改善48第七章 总结与展望517.1 本文总结517.2 展望前景52致 谢53参照文献55附录A 光电计数器实物图57附录B 元器件清单59第一章 绪 论1.1 光电感应器件概述当今生活是信息时代，是或取信息和解决信息，以及信息应用的时代。光电感应器件的传感和信息检测技术的重要性在于它是获取信息并对信息尽心一定解决的基本技术，是获取信息和信息加工解决的重要手段之一。其中光电感应的专干和检测是一门知识面广、综合限度高、实用性很强的专业课程。它是从传感器的基本理论入手，着重讲述传感器的构造域感测原理，光电感应器件的典型应用就是传感和检测设备。对于传感装置，一般

20、它是一种二端口的装置，不同的传感装置输入-输出特性不同，而同一传感装置适应不同的被检测信号呈现的特新也有所不同。特别当被检测信号为静态信号时的两种状态下，传感装置的输入-输出特性完全不同。感测技术在诸多新知识里面均有应用，以信息的传感、转换、解决为核心，从基本物理概念入手，论述热工量、机械量、几何量等参数的测量及原理和措施。光电传感器是将光信号转换成电信号的一种传感器。它的理论基本是光电效应，此类效应大体可以分为三类：第一类是外光电效应，即在光照射下，能使电子逸出物体表面。运用这种效应所做成的器件有真空光电管、光电倍增管等。第二类是内光电效应，即在光照射下，能使物体的电阻率发生变化。此类器件涉

21、及各类半导体光敏电阻。第三类是光生伏特效应，即在光线照射下，物体内部产生电动势的现象，次电动势称为光生电动势。此类器件涉及光电池、光电晶体管等。光电效应就是运用光电元件受光照后，电特性发生变化。敏感的光波长是在可见光附近，涉及外波长和紫外波长。数字式电子计数器有直观和计数精确的长处，目前已在各行业中普遍使用，数字式电子计数器有诸多计数触发方式，它是由市级使用条件和环境决定的。有采用机械方式的接触式触发，有采用电子传感器的非接触式触发的。光电式传感器就是其中之一，它是一种非触发式点子啊传感器。本文采用光电传感器制作光电式电子计数器，即红外光电传感器制作的计数器。这种光电计数器的应用实例就是生产车

22、间的流水线上对产品的计数操作。它是通过红外线发射和接受进行计数，分直射式和反射式两种。一般用于流水线上面的是直射式的发射、接受分体，发生器和接受器分别位于流水线的两边，中间没有阻挡时发射器发出的红外线射到接受器，接受器收到发射来的红外线经由相反解决使之没有信号输出，有工件通过阻挡光路传播时，接受器失去红外线信号，便输出一种脉冲信号到外部运算累加器进行计数。而反射式就是发射器和接受在同一器件中，它是通过检测与否有物体通过而经物体反射红外线来工作的。本文光电采用的直射式计数器在工厂的生产流水线上做产品记录，商场、电影院或者会场等场合的人数记录。它有着其她计数器不可取代的长处，该红外光电计数器只有两

23、位数，但通过级联可以扩展为四位，甚至更多。1.2 光电感应器件的应用光电感应器件运用最广泛的是制作成多种传感器测量以及实现自动化控制。常用的光电感应器件运用于传感器有：1. 光温度计：被测物体发出的光投射到光电器件上，光电器件输出反映光源参数；此类器件重要有红外线辐射温度计，热释电传感器，2. 浊度计：恒光源穿过，部分吸取，部分由光电器件吸取，吸取量反映被测物参 数；其她的此类器件尚有湿度传感器，各类的温度传感器等。正是由于此类器件的作用强大，对生活中常用的控制自动化实现起到很大的增进作用，对平常生活中也提供很大的以便。第二章 光电感应器件原理前面讲述的按使用场合分类的光电感应器件，不管是直射

24、型、反射片型、近接反射型以及光纤型，发光器件和感应器件都涉及在内，在同一装置中。因此此处的分类的光电感应器件特性是具体哪种光电器件的特性研究。2.1 光电感应器件的概念光电感应器件总的来说是运用光电效应能将光信号转换为电信号的感光器件，此类器件中同步也涉及将电信号转换成电信号的装置，即涉及发光器件和光探测器件两类器件。典型应用就是光电传感器。常用实例的基本原理是一种器件中涉及发光器件和感光器件，发光器件将光线经透镜聚焦，经传播至感光器件后聚焦。感光器件将收到之光线讯号转变成电信号，此电信号更可进一步作多种不同的开关、计数或者控制动作等，其基本原理即对发光器件与感光器件间的光线做遮蔽之动作所获得

25、的信号加以运用以完毕多种自动化控制。 2.2 光电感应器件的分类2.2.1 按使用的场合分类 对照型：即直射型。这种形式的光电感应器件是最早的形式，发光器件和感光器件分开两端，一边发射光源，一边感光接受光，在两者之间若有物体干扰或者阻挡光线传播，就会引起电路的开关或其她操作进而实现自动化检测或计数等操作。 反射片型：即反射型。这种形式是发光器件和感光器件均在同一镜头中，发光器件发射出光线经反射片反射会感光器件，即在同一距离光线会来回两次。工作原理同对照型。 近接反射型：这种是比较现代化一点的光电感应器件应用，装置同反射片型，只是发光器发出的光线是通过物体表面反射回感光器件中的。这样制作的长处就

26、是有前景遮蔽功能和背景遮蔽功能。 光纤型：原理和反射型同样，只是它是运用光纤电缆将在同一镜头中的发光器件和感光器件引导至需要的地方。即一般用于工作困难的环境。2.2.2 按光电效应原理分类 外光电效应：即光电子发射，它是发生在物体表面，被光激发产生的电子逸出物体的表面的现象。基于外光电效应的光电感应器件重要有：光电管、光电倍增管等。 内光电效应：是发生在物体内部，被光激发所产生的载流子（即自由电子或空穴）仍在物质内部运动，是物体的电导率发生变化或者产生光生伏特的现象。它涉及光电导效应和光伏特效应。u 光电导效应：当入射光射入到半导体时，半导体吸取入射光子产生电子空穴对，使电导率增大。基于这种效

27、应的器件重要有：光敏电阻。u 光生伏特效应：在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。基于这种效应的器件重要有：光电池和光敏二极管、光敏三极管等。2.2.3 按光电感应器件的构成分类光电感应器件分为发光光电感应器件和检测（受光）光电感应器件。1) 发光光电感应器件：即能将电能转换成光能的半导体器件。其中半导体发光器件重要有三类：发光管、FP激光器、DBF激光器。2) 检测光电感应器件：即能将光能转换为电能的器件。重要有光电（光敏）二极管、光电（光敏）三极管等。本作品对于光电感应器件的典型应用光电计数器，就是运用红外发射管和红外接受管作为光电计数器的传感器进行计数，采用的这两种器件均属于光电二

28、极管类，同步也属直射型光电感应器用于检测信号的变化作为计数的变量。2.3 基于光电效应构成的光电感应器件从光电感应器件的主线原理光电效应，根据它的不同，电子器件显现出的特性也就不同，从而运用于不同的电路与器件中。2.3.1 外光电效应器件（一） 光电管（1） 光电管的构造与工作原理光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离子光电管两类。两者构造相似，如图。它们由一种阴极和一种阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极一般用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。 图2.1 光电管构造示意图 （2） 光电管的重要性能1.光电管的伏安特性 在一定

29、的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。光电管的伏安特性如图2.2所示。它是应用光电传感器参数的重要根据。 阳极与末级倍增极间的电压/V 图2.2光电管的伏安特性 2.光电管的光照特性一般指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定期，光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。其特性曲线如图所示。曲线1表达氧铯阴极光电管的光照特性，光电流I与光通量成线性关系。曲线2为锑铯阴极的光电管光照特性，它成非线性关系。光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之间比）称为光电管的敏捷度。 图2.3光电管的光照特性3. 光电管光谱特性 由于光阴极对光谱有选择性，因此

30、光电管对光谱也有选择性。保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限频率0，因此它们可用于不同的光谱范畴。除此之外，虽然照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率0，并且强度相似，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电子的数量还会不同，即同一光电管对于不同频率的光的敏捷度不同，这就是光电管的光谱特性。因此，对多种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。 国产GD-4型的光电管，阴极是用锑铯材料制成的。其红限0=7000，它对可见光范畴的入射光敏捷度比较高，转换效率：25%30%。它合用于白光光源，因而被广泛地应用于多种

31、光电式自动检测仪表中。对红外光源，常用银氧铯阴极，构成红外传感器。对紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。此外，锑钾钠铯阴极的光谱范畴较宽，为30008500，敏捷度也较高，与人的视觉光谱特性很接近，是一种新型的光电阴极；但也有些光电管的光谱特性和人的视觉光谱特性有很大差别，因而在测量和控制技术中，这些光电管可以肩负人眼所不能胜任的工作，如坦克和装甲车的夜视镜等。 一般充气光电管当入射光频率不小于8000Hz时，光电流将有下降趋势，频率愈高，下降得愈多。（二） 光电倍增管（1） 光电倍增管的构造和工作原理由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分构成。光阴极是由半导体光电材料锑铯做成；次阴极是在镍

32、或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的，次阴极多的可达30级；阳极是最后用来收集电子的，收集到的电子数是阴极发射电子数的105106倍。即光电倍增管的放大倍数可达几万倍到几百万倍。光电倍增管的敏捷度就比一般光电管高几万倍到几百万倍。因此在很单薄的光照时，它就能产生很大的光电流。如图2.4所示的光电倍增管的原理示意图。 图2.4光电倍增管原理示意图（2） 光电倍增管的重要参数 1. 倍增系数M 倍增系数M等于n个倍增电极的二次电子发射系数的乘积。如果n个倍增电极的都相似，则M=1因此，阳极电流 I 为 i 光电阴极的光电流光电倍增管的电流放大倍数为 M与所加电压有关，M在105108之间，稳定性为

33、1左右，加速电压稳定性要在0.1以内。如果有波动，倍增系数也要波动，因此M具有一定的记录涨落。一般阳极和阴极之间的电压为10002500V，两个相邻的倍增电极的电位差为50100V。对所加电压越稳越好，这样可以减小记录涨落，从而减小测量误差。 图2.5 光电倍增管的特性曲线2. 光电阴极敏捷度和光电倍增管总敏捷度 一种光子在阴极上可以打出的平均电子数叫做光电倍增管的阴极敏捷度。而一种光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的总敏捷度。 光电倍增管的最大敏捷度可达10A/lm，极间电压越高，敏捷度越高；但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极电流不稳。 此外，由于光电倍增管的敏捷度很高，因此不能

34、受强光照射，否则将会损坏。 3.暗电流和本底脉冲 一般在使用光电倍增管时，必须把管子放在暗室里避光使用，使其只对入射光起作用；但是由于环境温度、热辐射和其他因素的影响，虽然没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流，这是热发射所致或场致发射导致的，这种暗电流一般可以用补偿电路消除。如果光电倍增管与闪烁体放在一处，在完全蔽光状况下，浮现的电流称为本底电流，其值不小于暗电流。增长的部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发，被激发的闪烁体照射在光电倍增管上而导致的，本底电流具有脉冲形式。 3. 光电倍增管的光谱特性光谱特性反映了光电倍增管的阳极输出电流与照射在光电阴极上的光通量之间的函

35、数关系。对于较好的管子，在很宽的光通量范畴之内，这个关系是线性的，即入射光通量不不小于104lm时，有较好的线性关系。光通量大，开始浮现非线性，如图所示。 图2.6 光电倍增管的光谱特性2.3.2 光电导效应器件l 光敏电阻11. 光敏电阻的概述光敏电阻是运用半导体和光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而变化的电阻器：入射光强，电阻小；入射光弱，电阻增大。它是没有极性, 纯正是一种电阻器件, 使用时既可加直流电压, 也可以加交流电压；无光照时, 光敏电阻值（暗电阻）很大, 电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范畴的光照时, 它的阻值（亮电阻）急剧减少, 电路中电流迅速增大；一般但

36、愿暗电阻越大越好, 亮电阻越小越好,此时光敏电阻的敏捷度高。 实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级, 亮电阻在几千欧如下。2. 光敏电阻的特点光谱响应范畴宽（特别是对于红光和红外辐射）；偏置电压低，工作电流大；动态范畴宽，既可测强光，也可测弱光；光电导增益大，敏捷度高；无极性，使用以便；在强光照射下，光电线性度较差；光电响应时间较长，频率特性较差。3. 光敏电阻的重要参数暗电阻（RD）：光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻, 此时流过的电流称为暗电流(ID)。 亮电阻(RL)：光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻, 此时流过的电流称为亮电流(IL)。 光电流：亮电流与暗电流之差称为光电流。敏捷度：

37、是指光敏电阻在光照射和无光照射电阻值的相对变化。时间常数：指光敏电阻从光照跃变开始稳定亮电流的63%时所需的时间。最高工作电压(VM)：指光敏电阻在额定功率下所容许承受的最高电压。电阻温度系数：指光敏电阻在环境温度变化1度时其电阻值的相对变化。4. 光敏电阻的构造光敏电阻制成薄片状构造，以便吸取更大的光能。当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子-空穴对，参与导电，使电路中的电流增强。为了提高敏捷度，光敏电阻的电极常采用梳妆图案，它是咋一定的掩膜下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。光敏电阻构造图所示。光敏电阻一般由光敏层、玻璃基片（或树脂防潮膜）和电极等构成。光敏电阻在电路中一

38、般用字母“R”或“RL”、“RG”表达。 图2.7 光敏电阻的构造图 图2.8 光敏电阻的封装外形5. 光敏电阻的基本特性（1） 伏安特性在一定的光照下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系如图2.9所示。在给定的偏压状况下，光照强度越大，光电流也就越大；在一定的光照强度下，所加电压越大，光电流越大，没有饱和现象。光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定；耗散功率又和面积以及散热条件等因素有光。 图2.9 光敏电阻的电压和电流的关系 （2）光照特性 光敏电阻的光电流与光强的关系如图2.10所示 图2.10光敏电阻的光电电流与光强的关系 （3）光谱特性 光敏电阻对不同波长的光，敏捷度是不同的。

39、具体关系如图2.11所示。 图2.11 光敏电阻的光谱特性（4） 响应时间光电导的弛豫现象：光电流的变化对于光的变化，在时间上有一种滞后。一般用响应时间t表达： 图2.12光敏电阻的响应时间曲线 （5） 频率特性 不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，因此它们的特性也就不同。其特性曲线如图2.13所示。 图2.13 光敏电阻的频率特性曲线 （6）温度对光谱特性影响随着温度的升高，光谱响应峰值向短波方向移动。因此，采用降温措施可以提高光敏电阻对波长的响应。其关系图如图2.14所示。 图2.14 温度对光敏电阻光谱特性的影响曲线 2.3.3 光生伏特效应器件光生伏特效应的光电感应器件重要有光电池、

40、红外发射与接受管和光电二、三极管，其中，光电二、三极管一般是用作光电检测，因此这两类器件在背面的光电检测器件中简介。(一)光电池（1） 光电池的构造和工作原理光电池是运用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。它是基于光生伏特效应制成的，是发电式有源元件。同步它能将太阳能转换成电能，顾又称为太阳能电池。构造中，它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端浮现电动势。光电池构造如下图所示。它是在一块N型硅片上用扩散的措施掺入某些P型杂质形成PN结。当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出点子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样这样N区和P区之间浮现电位差。若

41、将PN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。 图2.15 光电池构造图 图2.16 光电池的构造原理图（2） 光电池在电路中的应用光电池的表达符号、基本电路及等效电路如图所示。 图2.17 光电池符号及基本工作电路（3） 光电池的应用特性 光电池重要应用三大方面：一是无电场合提供电源，重要为广大无电地区居民生活生产提供电力，以及微波中继源、通信电源等。也涉及某些移动电源和备用电源；二是太阳能日用电子产品，如各类的太阳能充电器、太阳能路灯等；三是并网发电，只是这个方面目前国际上还推广不是诸多。平时的光电池的类型除了单晶、多晶、

42、非晶硅电池之外，尚有多元化合物光电池，它是指制作材料不是用单一元素半导体材料制成。目前已有的多元化化合光电池有硫化镉光电池、砷化镓光电池及铜铟硒光电池。 目前应用最广最有发展前程的事硅光电池，它价格便宜，转化效率高，寿命长，适合接受红外光。（二） 红外发射管与红外接受管（1）红外发射管 红外发射管概述红外线发射管也称红外线发射二极管，属于二极管类。它是可以将电能直接转换成近红外光（不可见光）并能辐射出去的发光器件，重要应用于多种光电开关及遥控发射电路中。红外线发射管的构造、原理与一般发光二极管相近，只是使用的半导体材料不同。红外发光二极管一般使用砷化镓（GaAs）、砷铝化镓（GaAlAs）等材

43、料，采用全透明或浅蓝色、黑色的树脂封装。 外形构造目前市面上生产的小功率红外发射管形状如图2.18所示。 图2.18 红外发射管外形 应用范畴重要用于红外控制系统的发射源发射信号经频率调制后一般接受距离可超过10米，无干扰时可超过30米。红外发射LED大量用于，多种远近距离红外夜视监控摄像机。设计中采用的是小功率发射管，耗电低，作为在电路板上的器件，因此发射距离都限制在2cm之内。（2）红外接受管 红外接受管概述红外接受管的作用是进行光电转换，是在LED行业中命名的，红外接受二极管又叫红外光电二极管，也可称红外光敏二极管,是专门用来接受和感应红外线发射管发出的红外线光线的。一般状况下都是与红外

44、线发射管成套运用在产品设备当中。广泛用于多种家用电器的遥控接受器中，如音响、彩色电视机、空调器、VCD视盘机、DVD视盘机以及录像机等。 红外接受管外形构造本设计中采用的小功率黑色树脂封装的红外接受管外形如图2.19所示。图2.19 红外接受管外形 分类红外线接受管有两种，一种是光电二极管，另一种是光电三极管。光电二极管就是将光信号转化为电信号，光电三极管在将光信号转化为电信号的同步，也把电流放大了。因此，光电三极管也分为两种，分别是NPN型和PNP型。 设计中采用是二极管类型。 特性原理红外线接受管是将红外线光信号变成电信号的半导体器件，它的核心部件是一种特殊材料的PN结，和一般二极管相比，

45、在构造上采用了大的变化，红外线接受管为了更多更大面积的接受入射光线，PN结面积尽量做的比较大，电极面积尽量减小，并且PN结的结深很浅，一般不不小于1微米。红外线接受二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小（一般不不小于0.1微安），称为暗电流。当有红外线光照时，携带能量的红外线光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子-空穴对（简称：光生载流子）。它们在反向电压作用下参与漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。这种特性称为“光电导”。红外线接受二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载

46、，负载上就获得了电信号，并且这个电信号随着光的变化而相应变化。 2.4 基于光电感应器件特性的光电感应器件按光电感应器件构成有发光器件和检测光电感应器件两种。其中，发光器件涉及发光管（LED）、FP激光器及DBF激光器这几种常用器件；而检测类光电感应器件有光电二极管和光电三极管，它们的特性已在光生伏特效应感应器件中有所研究，此处就不再多论述。2.4.1 发光感应器件（一） 发光管（LED）1未经谐振输出，发非相干光的半导体发光器件称为发光管。发光二极管简称LED，它是一种将电能转换成光能的半导体器件，重要由IIIV族化合物半导体，如砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）制成。它由一种PN结构成。

47、当加正向电压时，P区和N区的多数载流子扩散至对方与少数载流子复合，复合过程中有一部分以光子的形式放出，使二极管发光。发出的光波可以是红外光或可见光，例如砷化镓发射红外光。发光二级管发射可见光时常用作显示屏件，如批示灯、七段数码管、矩阵显示屏等。工作时加正向电压，并接入限流电阻，工作电流一般为几到几十毫安。电流愈大，发出的光愈强，但是会浮现亮度衰退的老化现象，使用寿命将缩短。发光二极管导通时管电压降为1.82.2V。发光管的特点：输出功率低，发射角大，光谱宽，调制速率低，价格低廉，适合于短距离通信。其发光二极管的符号如图2.20所示。 图2.20 发光二极管符号（二） FP激光器FP激光器是以F

48、-P（Fabry-perot）腔为谐振腔，发出多纵模相干光的半导体发光器件。此类器件的特点：输出功率大，发射角较小，光谱较窄，调制速率高。适合较长距离通信。 FP激光器性能参数工作波长：激光器发出光谱的中心波长；光谱宽度：多纵模激光器的均方根谱宽；阈值电流：当器件的工作电流超过阈值电流时激光器发出相干性较好的激 输出光功率：激光器输出端口发出的光功率。（三） DFB激光器DFB激光器是在FP激光器的基本上采用光栅滤光器件使掐金只有一种纵横输出，此类器件的特点：输出光功率大，发射角较小，光谱较窄，调制速率低，适合长距离通信。DFB激光器在目前的光纤通信系统中得到了广泛应用，由于它与一般FP激光器

49、相比，具有如下特点： 动态单纵横窄线宽输出由于DFB激光器中光栅的栅距很小，形成一种微型谐振腔，对波长具有良好的选择性，使主模和边模的阀值增益相对较大，从而得到比FP激光器窄许多的线宽，并能保持动态单纵横模输出。 波长稳定性好由于DFB激光器内的光栅有助于锁定给定的波长，其温度漂移约为0.8A每摄氏度，比FP激光器要好诸多。 DFB激光器构造 图2.21 DFB激光器的构造 DFB激光器性能参数：工作波长：激光器发出光谱的中心波长。边模克制比：激光器工作主模与最大边模的功率比。20dB光谱宽度：由激光器输出光谱的最高点减少20dB处光谱宽度。阈值电流：当器件的工作电流超过阈值电流时激光器发出相

50、干性较好的激光。输出光功率：激光器输出端口发出的光功率。2.4.2 检测光电感应器件（一）光电二极管4（1）光电二极管概述光电二极管又叫光敏二极管，是一种可以将光能转换成电能的半导体器件。与一般二极管相似，光电二极管也是具有一种PN结的半导体器件，所不同的事光电二极管壳上有一种透明的窗口，以便使光线可以照射到PN结上，将光线强度的变化转换成电流的变化。常用的有透明塑封光电二极管、金属壳封装光电二极管、树脂封装光电二极管等。光电二极管有许多种类、常用的有PN结型、PIN结型、雪崩型和肖特基结型等。其中硅材料PN结型光电二极管最为常用。（2） 光电二极管的工作原理发光二极管管芯是一种具有光敏特性的

51、PN结，它被封装在管壳内。发光二极管管芯的光敏面是通过扩散工艺在N型单晶硅上形成的一层薄膜。光敏二极管的管芯以及管芯上的PN结面积做得较大，而管芯上的电极面积做得较小，PN结的结深比一般半导体二极管做得浅，这些构造上的特点都是为了提高光电转换的能力。此外，与一般半导体二极管同样，在硅片上生长了一层SiO2保护层，它把PN结的边沿保护起来，从而提高了管子的稳定性，减少了暗电流。光敏二极管与一般光敏二极管同样，它的PN结具有单向导电性，因此，光敏二极管工作时应加上反向电压，当无光照时，电路中也有很小的反向饱和漏电流，此时相称于光敏二极管截止;当有光照射时，PN结附近受光子的轰击，半导体内被束缚的价

52、电子吸取光子能量而被击发产生电子一空穴对。这些载流子的数目，对于多数载流子影响不大，但对P区和N区的少数载流子来说，则会使少数载流子的浓度大大提高，在反向电压作用下，反向饱和漏电流大大增长，形成光电流，该光电流随入射光强度的变化而相应变化。光电流通过负载RL时，在电阻两端将得到随人射光变化的电压信号。光敏二极管就是这样完毕电功能转换的，红外发射和接受管只是材料不同，光电转换的与上述光敏二极管原理相似。（3） 光电二极管的检测 光电二极管的正、负极判断光电二极管两管脚有正、负极之分，一般，接近管键或色点的是正极，另一脚是负极；较长的是正极，较短的是负极。 用万用表检测光电二极管的好坏将万用表置“

53、RlK”挡，黑表笔（表内电池正极）接光电二极管正极，红表笔接负极，测其正向电阻，应为1020k；对调两表笔，即红表笔接光电二极管正极，黑表笔接负极，然后用一遮光物（例如黑纸片等）将光电二极管的透明窗口遮住，这时测得的是无光照状况下的反向电阻，应为无穷大； 移去遮光物，使光电二极管的透明窗口朝向光源（自然光、白炽灯或手电筒等)，这时表针应向右偏转至几k处，这阐明被测管是好的。如果在无光照和有光照时测得的反向电阻均为0或无穷大，则阐明此 光电二极管是坏的，不能使用。（4） 光电二极管的对的选用光电二极管的种类诸多，并且参数相差较大，选用时要根据电路的规定。一方面拟定选用什么类别的，再拟定选用什么型

54、号的，最后再从同型号中选用参数满足电路规定的光电二极管。（5） 光电二极管的参数开路电压：PN结两端开路时，其电压称为开路电压。与光通量对数成正比， 其温度系数很大。 短路电流： PN结两端短路时，其电流称为短路电流。短路电流与照度成正比，其温度系数很小。 暗电流：是指光敏二极管在无光照及最高反向工作电压条件下的漏电流。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。暗电流随温度与反偏电压而变化。 响应特性：由PN结的结电容与负载电阻决定。反偏电压越大，结电容越小，工作频率越高。（6） 光电二极管图示及符号 光电二极管的外形与电路符号 图2.22 光电二极管的外形 图2.23 光电二极

55、管符号 光电二极管的工作原理图及正、负极鉴别 图2.24 光电二极管工作原理示意图 图2.25 光电二极管正、负极判断标示（三） 光电三极管光电三极管的作用也是实现光电转换。但是，光电二极管的光电转换的敏捷度低，而光电三极管实质是在光电二极管的基本上加了一级放大，其光电转换的敏捷度大大提高。同步，光电三极管也叫光敏晶体管，光敏三极管。（1） 光电三极管的外形光电三极管为NPN构造，基极即为光窗口。大多数光电三极管只有发射极E和集电极C两个管脚。也有部分光电二极管基极B有引出管脚，作为温度补偿，不用时可将其减去。光敏晶体管和一般三极管的构造相类似。不同之处是光敏晶体管有一种对光敏感的PN结作为感

56、光面，一般用集电结作为受光结，因此，光敏晶体实质上是一种相称于在基极和集电极之间接有光敏二极管的三极管。当光照射到 PN 结附近时，由于光生伏特效应，产生光电流。该电流相称于三极管的基极电流，因此将被放大（ 1+ ）倍，因此光敏三极管具有比光敏二极管更高的敏捷度。 图2.26 光电三极管的外形 图2.27 光电三极管的电路符号 图2.28 光电三极管中电流 光电三极管的工作原理光电三极管可以等效为光电二极管和一般三极管的组合元件。如图2.24所示。 图2.29光电三极管的等效电路 图2.29中ICBO随入射光的变化而变化，约为几十微安，而由于三极管的电流放大作用，集电极电流ICEO可达基极电流的几十倍。因此，光电三极管具有较高的光电转换的敏捷度。（2） 光电三极管的检测 从外观上检查鉴别光电三极管的引脚 接近管键或色点的是发射极E，离管键或色点较远的是集电极C，较长的管脚是发射极E，较短的管脚是集电极C。如图2.30所示。 图2.30光电三极管的引脚辨认 用万用表检测光电三极管的好坏 将万用表置于“R1k”挡，用黑表笔接光电二极管的集电极C，红表笔结光电三极管的发射极E。用遮光物遮住光电三