1、光電接收器件的原理和應用光電接收器件的原理和應用 一、引言 光電子技術是一門正在迅速發展的高科技技術，它在國防、國民經濟、光通信等領域乃至人們的日常生活中，正得到越來越多的應用，扮演著越來越重要的角色。 光電子技術的關鍵問題之一是光電子器件。它可以分為兩大類別：光電轉換器件以及電光轉換器件。 光電轉換器件的作用是將光輻射信號轉變為電子學信號，主要分成光電探測器和作為能源轉換用的太陽能電池等。而電光轉換器件恰恰相反，它是將電子學信號轉變成光信號輸出。 常用的電光轉換器件有發光二極管與激光二極管等，而常用的光電轉換器件有光敏電阻、光電二極管、光電三極管等。 二、光電接收器件的基本知識 2.1 光電

2、接收器件的定義及光譜范圍 光電接收器件是光電信息轉換的器件，其輸出光電信息量與入射光的強弱和性質有關。 光電接收器件的光譜范圍包括： A、紫外光: 0.01-0.38m B、可見光: 0.38-0.78m紅光 0.78-0.622m 橙光 0.622-0.597m黃光 0.597-0.577m 綠光 0.577-0.492m藍光 0.492-0.455m紫光 0.455-0.38mC、紅外光: 0.78-1000m 2.2 光的基本度量單位制 光的基本度量有如下兩種單位制 1) 輻射度量：包括整個光譜范圍，其波長范圍在0.01-1000m之間。 2) 光度量：它是針對可見光而言，與人眼的光譜范

3、圍一致，其波長范圍在0.38-0.78m之間。 入射到光電器件光敏面上的光，其基本度量單位有通量和照度兩種。對于輻射度量是輻射通量和幅照度，而對于光度量是光通量和光照度。 輻射通量：用來表示光源的輻射本領。光源表面一個元面積dS的輻射通量，即在單位時間內通過該元面積dS的輻射能，亦即輻射功率。我們稱此功率為該元面積dS的輻射通量。 若光源的輻射能Qe是時間t的函數，輻射通量Qe可表示為 e=dQe/dt 其中Qe的單位為焦耳，t的單位為秒，e的單位為瓦。 幅照度：用來表示光源輻射到物體表面的輻射通量強弱的量。輻射到元面積dS的輻射通量de與該元面積dS之比稱為Ee，即 Ee=de/dS 在均勻

4、輻射下，則 Ee=e/S 其中e的單位為瓦，S的單位為平方米，Ee的單位為瓦/平方米。 光通量：按人眼的感覺強度進行度量的輻射能大小稱為光能，它和輻射能大小以及人眼的視覺靈敏度成正比。 在單位時間內通過元面積dS的光能，稱為該元面積dS的光通量。若光能Qv是時間t的函數，光通量v可表示為 v=dQv/dt 其中若Qv的單位為lm.s，t的單位為s，則光通量v的單位為lm（流明）。 光照度：表示物體表面被光源照明強弱的量。照射到元面積dS的光通量與該元面積之比稱為光照度Ev，即 Ev=dv/dS 在均勻照明下， Ev=v/S 其中v的單位為lm，S的單位為m2，Ev的單位為lx（勒克司）。表 1

5、 基本度量的單位和符號 輻射度量 光度量 量的 名稱 符號 單位 名稱 代號 量 的名稱 符號 單位 名稱 代號 輻射 能量 Qe 焦耳 J 光 能量 Qv 流明.秒 lm.s 輻射 通量 e 瓦特 w 光 通量 v 流明 lm 幅 照度 Ee 瓦特/米2 W/m2 光 照度 Ev 勒克司 lx 表 2 一些實際情況下的光照度近似值（單位為勒克司） 無月夜天光在地面上產生的照度 310-4 接近天頂的滿月在地面上產生的照度 0.2 辦公室工作所必需的照度 20-100 晴朗的夏日采光良好的室內照度 100-500 夏天太陽不直接照射的露天地點的照度 1000-10000 2.3 光電接收器件的

6、基本特性 1、靈敏度 光電接收器件的靈敏度是指光電接收器件輸出電流（或電壓）與入射通量（或照度）之比。分為單色靈敏度和積分靈敏度兩種。 (1)單色靈敏度 所謂單色是指單一波長。當某一波長為的光入射到光電器件時，光電器件輸出的光電流與該波長的入射通量 （或照度E）之比，稱為該器件的絕對單色靈敏度，即 S= I / 或 S= I / E 由于光電器件對某一波長最敏感，所以對此波長有最大靈敏度Smax。 為了測試方便往往采用相對單色靈敏度Sr，它定義為某一波長的絕對單色靈敏度與最大靈敏度之比。 (2)積分靈敏度 對于連續光譜的輻射光源，包含有各種波長的光，那么入射到光電器件的總通量等于所有波長的通量

7、的積分，即總通量 光電器件輸出的電流（或電壓）與入射的總通量（或照度）之比，成為積分靈敏度。即 S=I/ 或 S=I/E 積分靈敏度的單位同單色靈敏度。2、光譜響應 光電器件的單色靈敏度是入射光波長的函數，即單色靈敏度的大小隨入射光的波長改變而改變，下圖為2DU型半導體硅光電二極管的光譜響應曲線。 一般光電器件都有截止波長（短波限和長波限）和峰值波長（靈敏度最大的波長）。在截止波長內部都有靈敏度響應。2DU型的短波截止波長為0.4m左右，長波截止波長為1.1m 左右，即光譜范圍為0.4-1.1m，其峰值波長為0.9m。不同種類的光電器件的光譜范圍和峰值波長是不同的。 3、頻率響應 如果入射到光

8、電器件的光為交變光，光的變化頻率為f，那么隨著頻率不斷增加，光電器件輸出的交變電流的幅值將隨著減小。當電流值減小到原來幅值的0.707倍時，此時的光頻率稱為截止頻率fh。 fh=1/（2） 其中為光電器件的時間常數。 由上式可知，光電器件的時間常數越小，光電器件的頻率響應越好，說明光電器件能夠檢測變化很快的光信號。 三、常用光電接收器件介紹 3.1 光敏電阻 1、光敏電阻的結構及種類 光敏電阻的結構：光敏電阻是利用半導體光電導體材料制成的。最簡單的光敏電阻的原理圖和符號如下圖所示。 它由一塊涂在絕緣板上的光電導體薄膜和兩個電極構成。當加上一定電壓后，光生載流子在電場的作用下沿著一定方向運動，即

9、在電路中產生電流，這就達到了光電轉換的目的。 光敏電阻的分類： 光敏電阻按照它的光譜特性及最佳工作波長范圍，基本分為三類： 1)對紫外光敏感的光敏電阻，如硫化鎘和硒化鎘等； 2)對可見光敏感的光敏電阻，如硒化鎘、硫化鉈和硫化鎘等； 3）對紅外光敏感的光敏電阻，如硫化鉛、硒化鉛、碲化鉛和銻化銦等。 2、光敏電阻的工作原理及參數 1)光電流 當光敏電阻無光照的時候，電路中有微小的電流通過，這種電流稱為暗電流IDK。暗電流是在室溫條件下熱激發載流子而形成的電流。當有光照射的時候，又可以得到一個電流值，稱為亮電流ILt。由于光照而產生的光電流應等于電流的增加值，即 = ILt-IDK 一般暗電流很小，

10、有時可以忽略，那么I= ILt。 光電流與外加直流電壓V和入射照度E的關系，可以用下式表示： I=SgVE 式中Sg是光電導靈敏度，它與材料特性有關；是電壓指數，與電壓值大小有關，一般在工作電壓范圍內，近似為1；是照度指數，其值在弱光時為1，在強光時為0.5。 當所加電壓一定時，光電流與照度曲線如下圖所示。 2)時間常數 光敏電阻的頻率響應與其他光電器件比較起來低的多。其頻率響應特性往往用時間常數的大小來表示。如下圖所示。 對于弱光（-100lx）時間常數是這樣確定的： 光電流由t1時間上升到穩態值的63%時所花費的時間定義為上升時間常數r。 光電流由t2時間下降到穩態值的37%時所花費的時間

11、定義為下降時間常數f。 一般下降時間常數比上升時間常數大些。另外時間常數與光照強弱有關，光照越強時間常數越小，反之則越大。 3)耗散功率 加在光敏電阻兩端的電壓與流過它的電流的乘積稱為光敏電阻的耗散功率。 為了不使光敏電阻因過熱而燒壞，要求光敏電阻的實際耗散功率小于或等于極限功率。 4)噪聲 在檢測微弱信號（如紅外探測）時，應當考慮器件的噪聲。光敏電阻的固有噪聲主要有三種：熱噪聲、產生-復合噪聲及低頻噪聲。在頻率低于100Hz以下時，以低頻噪聲為主；在100-1000Hz左右時以產生-復合噪聲為主；頻率在1000Hz左右之后以熱噪聲為主。 在紅外探測中，為了減小噪聲一般采取如下措施： A采取光

12、調制技術，一般調制頻率為800Hz或1000Hz，這樣可以消除低頻噪聲和產生-復合噪聲； B采用制冷裝置來降低器件的溫度，使熱噪聲減到最??； C設計合理的偏置電路，達到最佳運用狀態，即選擇最佳偏置電流使信噪比最大。 3.2 半導體光電管 1、光電二極管 光電二極管的內部結構是做成PN結，在外加電場的作用下，形成二極管的反向電流即光電流，通過外加負載產生電壓輸出。光電二極管的結構、偏置電路及符號如下圖所示。 2、光電三極管 光電三極管有NPN和PNP兩種結構。用硅材料制作的時候，NPN結構為3DU型，PNP結構為3CU型。下圖為3DU型光電三極管的工作原理示意圖和符號。 光電三極管的工作包括兩個

13、過程：一是光電轉換。光電轉換的過程是在基極-集電極結區內進行，與一般光電二極管相同。二是光電流放大?；鶚O-集電極結區內產生的光電流被晶體管放大了倍（幾十倍）。因此光電三極管的靈敏度比光電二極管的靈敏度高。 3、光電管的主要特性 前面介紹的光電器件的基本特性，如靈敏度、光譜響應、頻率響應等，是選擇器件的主要依據。但是如果要正確使用光電管，必須了解它的外特性，即光電管的輸出特性。 1）光電特性 當光電管的工作偏壓一定時，光電管輸出光電流與入射光照度（通量）的關系，稱為光電特性。在光強小于100毫瓦時，光電二極管和光電三極管輸出的光電流與入射照度（或通量）為線性關系。如下圖所示。 2）伏安特性 當入

14、射光的照度（或通量）一定時，光電管輸出的光電流與偏壓的關系稱為伏安特性。 下圖為光電二極管和光電三極管的特性曲線。 3）溫度特性 光電二極管的暗電流和光電流隨溫度的變化均有變化。對于硅光電二極管來說，在偏壓和光強不變的情況下，一般在零度以上時溫度改變25-30度，暗電流可以增大10倍。 下圖為光電二極管的溫度特性。 光電三極管因有電流放大作用，所以光電三極管的光電流和暗電流受溫度影響比光電二極管大的多，變化規律與光電二極管類似。 鍺光電管的溫度特性比硅光電管差。在弱信號檢測時要考慮溫度的影響，一般采取的措施是恒溫和電路補償。 四、光電器件探測信號的形式 了解了光電器件的基本原理和特性后，我們就

15、可以利用光電接收器件進行一些實際物理量的測量，從而制作出很實用的器件。下圖是光電器件探測信號的幾種形式。 4.1 被測對象為輻射源： 物體輻射通量被光電器件探測，從而確定輻射物體的存在。火警報警、偵察、武器制導等就屬于這種形式。 4.2光透過式：光透過均勻介質時，光被吸收而減弱的規律為 =0e-d 其中0為入射介質表面的通量，為介質吸收系數，d為介質的厚度。 利用這種形式可以測量液體或者氣體的濃度、透明度或渾濁度，檢測透明薄膜的厚度和質量，檢測透明容器的疵病，測量膠片的密度以及膠片圖象的判讀等等。 4.3光由被測量對象反射： 光反射有鏡面反射和漫反射兩種，它們反射的物理性質是不同的。 根據它們

16、的特點可以有不同的應用： 利用鏡面反射可以判斷光信號的有無； 而利用漫反射可以檢測物體表面的外觀質量等。另外比如激光測距、激光制導、文字判讀等都屬于這種形式。 4.4光由被測量對象遮擋： 利用這種形式可以進行產品的光電計數、光控開關、防盜報警等。 4.5被測量對象經光信息量化： 上述的四種形式都是模擬量的變換。而隨著數字技術的不斷發展，要求對被測量對象進行光信息量化處理。所謂量化就是將一個連續變量經過分級，用有限個離散量來表示（模數轉換過程）。 用這種形式可以進行精密測量長度、測量角度、工件尺寸檢測和自動控制等。 4.6光信息傳輸： 信息（調制器）-探測器-信息（解調器） 五、聲光控制電路的設

17、計和制作 用途：通過接收外部的聲音和光信號來給出光信號，達到監視報警或者照明的目的。 組成：印刷電路板1塊（裸板）， 5V電源盒（四節1.5V電池）， 集成電路LM324、7404各1片， 發光二極管1個，二極管 IN41481個（NPN）， 光敏電阻1個（5-30K）， 拾音器1個 電阻: 300K3個，20K、10K各2個， 62K1個 電容: 電解電容220、3.3F各1個, 瓷片電容104（0.1F）1個 5.1電路原理圖 聲光控制電路的電路結構及原理圖如下圖所示。 5.2 工作原理 本電路利用聲音信號和光敏電阻的特性來達到控制燈的亮滅，從而達到監視報警或者照明的目的。 光敏電阻的特點

18、為：當有一定強度的光信號照射到接收面時，光敏電阻的電阻很小，大約為幾K；而當接收面被遮?。ㄒ簿褪枪庑盘柡苋醯臅r候），光敏電阻的電阻很大，大約為幾十K乃至到上百K以上。 1）當光信號很強時：這時無論拾音器（喇叭）是否接收到聲音信號，由于光敏電阻在強光照射下呈現的電阻很小，所以通過D3反相器輸出的是高電平，發光二極管不亮。 2）當光信號很弱時：此時光敏電阻的電阻較大。當沒有聲音信號時，光敏電阻上的壓降很小，通過D3反相器輸出的是高電平，發光二極管不亮。當接收到足夠強度的聲音信號時，光敏電阻上的壓降很大，通過D3反相器輸出的是低電平，發光二極管亮。 通過如上所述的方法，我們利用光敏電阻的特性，加上一些非常簡單的器件，就達到了給出監視光信號強弱的報警信號或者照明信號的目的。5.3 聲光控制電路的安裝和使用 集成電路采用LM324運算放大器和7