1、四、光电检测器件和放大电路的连接,各种类型集成放大器广泛应用于光电检测。1.以光电极管为例，介绍三种与IC放大电路的典型连接方法。,(1)电流放大型（电流从二极管负流正）运算放大器两输入端间的输入阻抗是光电二极管的负载电阻。,当A104，Rf100k时，则Zinl0，可认为光电二极管处于短路状态，能取出短路电流。,R为运算放大器平衡电阻。,(2)电压放大型,要求：运算放大器的漏电流比光电流小得多，具有很高的输入阻抗。,当负载电阻RL取1M以上时，工作在光电池状态下的光电二极管处于接近开路状态，可以得到与开路电压成比例的输出信号，即,弱光短路电流检测光电池,即取出信号与输入光通量成正比(教材公式
2、有错）。,电流放大器因输入阻抗低而响应速度较高，并且放大器噪声较低，所以信噪比提高。这些优点使其广泛应用于弱光信号的检测中。,LED发光原理,工作原理：当PN结加上正向电压时，结区势垒降低，P区和N区的多数载流子向对方扩散。由于电子迁移率比空穴大得多，所以出现大量电子向P区扩散，这些电子与P区价带上的空穴复合发光。即电注入载流子扩散复合发光。,制作发光二极管的材料：直接跃迁材料：GaAs、GaN和ZnSe；间接跃迁材料：GaP，GaAs，宽禁带,IV: Photo-detectorIII-V & II-VI: LED/LD & Photo-detector,半导体光电材料,LED橫截面結構示意
3、圖,p, n - cladding 的主要功能為侷限載子(電子與電洞),DBR 的功能在於反射往下行進的光線,Window layer的能帶間隙必須比活性區的能帶間隙高，以避免吸光,GaAs substrate,1,DBR,Active,2,3,4,GaP Window,p,n,i,人眼對光之敏感度頻譜,Human eyes are sensitive to green light (555 nm), and hence the development of green (or yellowish green) AlGaInP LED is desirable.,InxGa1-xN LED的發
4、光範圍,Eg x Eg,InN + (1-x) Eg,GaN b x (1-x)b Bowing ParameterEg,InN = 0.77 eV, Eg,GaN = 3.42 eV, b = 1.43 eVReference: Wu et al., Appl. Phys. Lett. 80, 4741, 2002.III-N is very efficient between 250 nm and 570 nm.,Nichia公司在1997年發表的InGaN半導體雷射,(Epitaxially Laterally Overgrown GaNSubstrate),白光LED三种发光原理,Ga
5、N芯片LED+YAG： 波长的蓝光LED涂上一层YAG荧光物质，利用InGaN蓝光LED (460nm)照射此YAG荧光粉产生555nm黄光，再利用透镜原理将黄光与蓝光混合，得出白光。,目前白光LED技术仍以日亚化学领先，拥有众多专利权。日本住友电工亦开发出以ZnSe（锌，硒）为材料的白光LED，不过发光效率较差。,InGaN LED的結構,正負電極都在基板的上方!,可見光區的光電半導體材料,寿命长,理论上为10萬小時，一般大於5萬小時。（是荧光灯的10倍）发热量低，耗电量小,白炽灯的1/8,荧光灯的1/3）体积小,重量輕,可封裝成各种类型堅固耐用,不怕震動。环氧树脂封装，防水，耐恶劣环境使用
6、多色显示,利用RGB可实现七彩色显示。工作溫度穩定性好。响应时间快,一般為毫微秒(ns)級。冷光，不是熱光源。電壓低,可以用太陽能電池作電源，,LED的优势,2.光电池用作检测元件,任务：用光电池设计一个光功率计？,对光电池而言，Rl近似等于0。图中，光电池用作检测元件使用时的电路如右图所示。此电路可实现光电池的线性：Vo=2RfI2RfS。,用场效应管作为前级放大器的阻抗变换器,场效应管具有很高的输入阻抗，光电流是通过反馈电阻Rf形成压降的。电路的输出电压为：,逻辑辨向电路,运动方向的信号特征：正转：A波形超前于B波形；只有当A为高电平之后，才发生B波形的正向跳变。反转：具有类似的规律。,设
7、A、B：两信号高电平。adAdt；bdBdt表示微分脉冲。正向计数条件：A.b反向计数条件：B.a,金属光电材料,满足上述条件的材料就会得到较高的量子效率。,金属对上述条件都不满足。反射系数大(约为99)，吸收系数小；体内自由电子多，由碰撞引起的能量散射损失大、逸出深度小，逸出功大。因此量子效率较低。,大多数金属的光谱响应都在紫外或远紫外区，只能适应对紫外灵敏的光电器件。,半导体光电材料,半导体光电材料的光吸收系数比金属要大得多；由于体内自由电子少，散射能量损失小，所以它的量子效率比金属大得多。,半导体光响应波长延伸至可见光和近红外波段范围。,70年代以后，在半导体光电发射材料的基础上发展了一
8、种负电子亲和势光电阴极，长波限延伸至1.6um。量子效率明显提高。,光敏二极管的工作原理,当无光照时：处于反偏的光电二极管工作在截止状态，只有少数载流子在反向偏压的作用下渡过阻挡层，形成微小的反向电流，这就是暗电流。,光照时：PN结接收小于阈值波长的光能后产生电子-空穴对，使P区和N区的少子浓度大增。因此在外加反偏电压和内电场的作用下，P区少子（光生）电子）漂过势垒区进入N区，N区少子（光生）空穴）漂过势垒区进入P区，空穴与电子漂移形成光电流。,光敏二极管：光生载流子漂移产生电流。,4扩散型PIN硅光敏二极管,问题：二极管的电场主要分布在耗尽区内，其电场足以使载流子的漂移速度达到极限。在扩散区
9、， 由于场的分布趋于零，所以运动速度很慢。这样，就影响了光电检测器响应速度的提高。,措施：为了保证光电检测器有快的响应速度和高的效率， 应设法尽量减小零电场P区和N区的厚度，增加耗尽区的厚度，并尽量避免光生电子一空穴对在零电场区里产生。,PIN光敏二极管的工作原理,工艺措施：（1）N层轻掺杂(称为本征I层),使耗尽区变宽或变厚；（2）为了制成低电阻接触，I层两端做成重掺杂的P层和N层，且宽度很窄，厚度很薄；（3）P层采用宽禁带材料，使光穿过P层不被吸收，避免在P区产生光生载流子；（4）由于光基本在I区被吸收，N区也很难产生光生载流子。,OLED工作原理,光的颜色：取决于发射层有机物分子的类型。
10、生产商会在同一片OLED上放置几种有机薄膜，这样就能构成彩色显示器。,光的亮度：取决于施加电流的大小。电流越大，亮度就越高。,例题1,1.用LED光源作路灯，已知路灯高10米，灯距为16米，要使两盏灯之间路面的照度为20lux，则每个LED灯的光通量要多少lm？,解：这里r=16/2=8m因此S=3.1482=200m2于是有：= Es=20lux200m2=4000lm。假设用每个为20lm的功率LED来作这个灯的光源，需要200个才能满足要求。,例题2,2.一个发射角为60、光强I=1cd的LED，在向其法向距离为0.1m的平面上照射时，它的照度是多少 ？,解：发射角为60，发光强度为1c
11、d的LED光源的等效光通量=I=1 4 60/360 2（lm）. 照射到0.1m 法线距离面元时，该被照面元的面积S为：S=（d tan30）23.14(0.10.58) 20.0105m2 . E=/S=2/0.0105190lux。 如果距离为1m时，则照射角上的照度E仅为1.92lux。,热释电探测器的工作原理,热释电传感器将 8-12um人体温度与背景温度的差异信号变为电信号。菲涅尔透镜作用有两个:一是将红外信号折射（反射）在PIR上，二是将感应区分为若干明区和暗区，使移动的物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号。,在居里点以下，极化强度是温度的函数，利用这一关系制造的热敏类探测器，称为热择电探测器（PIR: Passive InfraRed )。,LED发光原理,工作原理：当PN结加上正向电压时，结区势垒降低，P区和N区的多数载流子向对方扩散。由于电子迁移率比空穴大得多，所以出现大量电子向P区扩散，这些电子与P区价带上的空穴复合发光。即电注入载流子扩散复合发光。,制作发光二极管的材料：直接跃迁材料：GaAs、GaN和ZnSe；间接跃迁材料：GaP，GaAs，宽禁带,
