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半导体光电探测器的新进展

半导体光电探测器的新进展
半导体光电探测器的新进展

半导体光电探测器的新进展

摘要

半导体光电探测是半导体光电子学的重要部分,半导体光电探测器在光纤通信,红外遥感等领域有广泛的应用。本文介绍了几种最新的半导体光电探测器结构,旨在探讨国内外当前半导体光电探测器的研究现状及发展趋势。

关键词:光电探测器,位敏探测器,红外探测器

Abstract

Semiconductor photoelectric detection is an important part of the semiconductor optoelectronics, semiconductor photodetectorare widely used in the field of optical fiber communications, infrared remote sensing. This article describes several new semiconductor photodetector structure, aims to explore the current status and development trends of the semiconductor photodetector. Keywords: Photodetector , Position sensitive detector, Infrared detectors

一、引言

半导体光电探测器是利用半导体材料的光电效应来接收和探测光信号的器件,它通过吸收光子产生电子-空穴对,从而在外电路产生与入射光强度成正比的光电流以方便测量入射光。半导体光电探测器由于体积小,重量轻,响应速度快,灵敏度高,易于与其他半导体器件集成,是光源的最理想探测器,可广泛用于光通信、信号处理、传感系统和测量系统。随着现代科学技术的发展,特别是光电子技术的发展,现代武器装备的精度和性能有了很大的提高,使现代战争具备了新的特点。半导体光电探测器是军用光电子设备和系统的关键器件,已广泛用于军事领域。军用光电子设备是指利用半导体光电探测器探测、变换、传输、存储、处理光和辐射的各种军事装置,半导体光电探测器技术在军事上的应用,大大扩展了作战的时域、空域和频域,影响和改变了传统的作战方式和效率,并在许多方面提高了武器的威力、作战指挥、战场管理能力。半导体光电探测器器件在新型武器系统中起着不可替代的作用。

目前,半导体光电探测器已有很大进展,这将大大提高军用光电子装备的性能和竞争力。在军事领域中,最为广泛应用的半导体光电探测器是光电探测器(PD)、位敏探测器(PSD)和红外探测器。

二、光电探测器最新进展

近年来光电探测器的研究引起人们的重视,在标准CMOS工艺下的Si光电探测器的发展更是取得了瞩目的结果。2005是CMOS发表的量较大的时期,同时在这一阶段的光电探测器的发展也呈现逐年上升趋势,光电探测器的的应用范围也在逐步的扩大,为我们以后的研究开发奠定了一定的发展空间。在现在这个注重创新与节能的时代,光电探测器的有着不可替代的作用,在工业及军事等各个领域都有着广阔的发展前景。

2.1硅基光电探测器]1[

本节介绍PIN光电探测器、N阱/P衬底光电探测器、P+/N阱/P衬底双光电探测器和空间调制探测器。其中,响应度高响应速度快的PIN光电探测器虽然是硅基光电探测器,但是由于其中加入了本征层,不能与标准CMOS工艺兼容。

1、PIN光电探测器

在光电探测器的P型区域和N型区域之间加入一层本征层就形成了PIN光电探测器,由于本征层的加入耗尽区的宽度大大提高,进而提高了PIN光电探测器的性能,下面介绍的PIN光电探测器的PN结是横向的,所以称为横向PIN光电探测器。制作横向PIN 光电探测器的Si衬底是未掺杂的,所以衬底电阻率较Si衬底形成,由于本征衬底是未掺杂的,所以PIN电探测器具有比较宽的耗尽区,因而具有比较大的量子效率和较高的响应度。然而,在横向结构的PIN探测器中,电场强度由表面到内部迅速减小,也就是说探测器的表面集中了大部分的电场强度。在低频下,横向PIN测器的响应度是比较高的,但只有在表面处生成的光生载流子才是快速载流子,可以工作在高速率下。而在衬底中产生的载流子因为通过扩散运动到达电极,从而很大程度上削弱了PIN 光电探测器的性能。此外,由于标CMOS工艺中的衬底材料通常为P型的,所以采用本征衬底的横向PIN光电探测器与标准的CMOS工艺不兼容。

2、N阱/P衬底光电探测器

N阱/P衬底结构的光电探测器是利用N阱与P衬底形成的PN结二极管来形成光生电流信号。在入射光照射下,该光电探测器的光生电流主要由P衬底扩散电流、N阱扩散电流和PN 结耗尽区漂移电流所构成。对于波长为850nm的入射光,硅衬底的吸收深度约为二十微米,这导致衬底扩散电流占据了总光生电流的较大比例,由于衬底深处的载流子扩散时间过长,因而阱扩散电流来说,由于在亚微米CMOS工艺中阱区域产生的光生载流子在到达耗尽区之前扩散距离端扩散时间少。通常来讲,N阱扩散电流的本征带宽可达到数百兆赫兹。但与吸收深度相比,阱的阱深太浅,产生的光生载流子较少,因而响应度比较低。N阱扩散电流带宽与漂移电流相比,N阱扩散电流的本征带宽仍相对较低。

3、叉指型P+/N阱/P衬底双光电探测器

由上一小节的叙述,由于CMOS工艺中P衬底中产生的载流子通过扩散运动达到电极,其扩散速度和本征带宽都非常差,因此要想提高光电探测器的本征带宽必须将P衬底产生的光生载流子消除。为了避免漂移区外衬底产生的扩散光生载流子的对探测器速度的影响,并且在标准CMOS下不增加工艺的复杂度。在叉指型双光电二极管中,叉指P+区域和N阱构成一个叉指二极管,称为工作二极管;N阱区域和P衬底构成一个二极管,叫做屏蔽二极管。在标准CMOS工艺中,不需要做任何修改就可以实现该光电探测器。当双光电探测器工作时,N阱接到接收机接收的电源电压,P+区域和接收机的输入端连接,而P衬底和接收机的“地”连接。由于屏蔽二极管的两个电极与接收机的电源电压和地连接,所以产生在P 衬底的扩散载流子流进了接收机的电源,没有对光接收机的输入光电流产生贡献。而由P+和N阱构成的二极管的本身响应速度比较高,它产生的光电流输入光接收机,形成光响应。由于P+区域使用叉指形状,能够增加耗尽区的面积,提高工作二极管的响应度。

4、空间调制光电探测器

由于CMOS工艺衬底深处的慢载流子的影响,光电探测器的响应速度不能提高,为了提高光电探测器的响应速度,必须抑制或去除衬底深处的慢载流子。在标准CMOS工艺下,空间调制光电探测器便使用了这种原理从而提高了探测器的工作速度。空间调制光电探测器由一个受光光电探测器和一个非受光光电探测器组成,由于衬底产生的低速载流子被探测器通过光电流之差消除,所以空间调制探测器的工作速度得到了明显的提高。空间调制光电探测器的结构能够兼容与商用CMOS工艺。

2.2常见的标准CMOS光电探测器]3~2[

常见的光电探测器均是基于PN结来构造的,其原理是利用型半导体区域形成的PN 结耗尽区(即光电二极管)来进行光信号探测。

1、N+/PWELL光电探测器

常见的标准CMOS光电探测器原理是减小P-SUB区慢扩散光生载流子的影响,利用PWELL形成的PN 结耗尽区来形成具有较高本征带宽的光生电流信号,但由于是制作在P-SUB P-SUB都是/PWELL光电探测器不能实现与P-SUB有效隔离,即P-SUB PWELL 形成的PN 结耗尽区并形成光生电流,因而本征带宽不是很高。

2、P+/NWELL/P-SUB CMOS 双光电探测器

当该双光电探测器处于工作状态时,P+区的引出电极为输出端,NWELL的引出电极连接电源(VDD),P-SUB的引出电极则连接至地(GND)。此时两个二极管均处于反偏状态。由于电源和地均等效为交流地,故在交流状态下NWELL/P-SUB屏蔽二极管完全被短路至交流地。由于P-SUB区光生载流子完全被屏蔽二极管所吸收,不能扩散到工作二极管区域,因而P-SUB区光生载流子形成的扩散电流完全被短路至交流地,从而彻底消除了P-SUB 区慢扩散载流子对光电探测器响应速度的限制。此外,该双光电探测器还利用插指型P+区使工作二极管的PN耗尽区最大化,从而可迅速地收集工作二极管区域内的光生载流子,使光电探测器的响应度和本征带宽得到了进一步提高。

3、差分光电探测器

该全差分光电探测器由两个形状和尺寸完全相同且对称的方形P+/NWELL/P-SUB 双光电二极管组成,且每个双光电二极管的受光区域面积为总受光区域面积的一半。由P+/NWELL/P-SUB CMOS 双光电探测器的工作原理可得该结构的优点是避免慢光生载流子大大降低光电探测器的本征带宽和光信号探测速度。提高了响应度。但不足之处是设计较为简单,不能达到较好的全差分特性。

2.3谐振腔增强型光电探测器]5~4[

1、PIN RCE 光电探测器

该类型的探测器能够成为高速光电探测的首要选择的器件,主要基于其噪声小、暗电流特性好。工作波长在1.55μ 左右,入射光垂直进入器件,上下反射镜都是由Brag 反射镜构成,合理的优化设计反射镜的堆栈结构,调整顶部反射镜、底部反射镜的反射率,以及谐振腔腔体的尺寸厚度,使得器件的量子效率达到最大值。

2、RCE肖特基光电探测器

RCE肖特基光电探测器是首批被报道的RCE器件之一。光从顶层入射时金属层的透光较差,所以顶层应换成半透明层肖特基接触。近年来谐振腔增强结构的光电探测器是光电子器件的主要新种类,它很好的解决了普通光电二极管量子效率和带宽间相互约束的关系,所以RCE 光电探测器对肖特基型光电检测器具有很大的影响力。现已报道光电二极管的3dB 响应带宽可做到l00GHz,其采用的谐振腔结构。采用分子束外延法MBE来生长反射镜结构,顶层反射镜为Au接触层,在Au接触层上再淀积一层Si3N4增透膜来增加透光,底层反射镜是由AlAs-GaAs材料组成DBR反射镜结构。并通过合理的优化设计InGaAs吸收层在谐振腔腔体中的位置,使得光生载流子的输运时间最短,从而提高探测器的响应速率。

3、金属/半导体/金属(MSM)结构的RCE光探测器

MSM结构基于其平面配置结构电极,本身电容较小,极易获得高的响应带宽(20~50GHz),谐振微腔的引入,进一步缩小了器件的响应光谱宽(<1nm)。虽然响应带宽较高,但量子效率仍然不高。

4、RCE 雪崩光电二极管(APD)

RCE 雪崩光电二极管的结构也得到很大的关注和研究,并有相应的成果展。电子在跃迁的

过程中得到足够多的能量,同时在电场的作用力下加速,形成碰撞电离,形成的电子-空穴对在电场的作用下加速,进而产生更多的电子-空穴对,这就是二极管的雪崩倍增效应,使得光电二极管在低压下即可获得较大增益,增益区电场强度得到了增强,器件可在小功率下工作。现在,已报道的实际测得的RCE光电探测器最好的性能指标为:量子效率73%,光谱响应半峰宽为1.7nm,接近理论上的极值,很难在保持量子效率很高的同时获得窄的谱线宽。另外,由于驻波效应的影响,吸收层的位置也会对量子效率造成影响。当吸收层非常薄时(<200nm),可采用改变谐振腔的腔长或者材料来进行调谐时,吸收层位置的微小移动将会影响吸收层中的光电场分布在最值的之间波动,影响器件的量子效率。

5、SOI 基CMOS RCE光电探测器

普通的RCE光电探测器利用VCSEL激光器提供光源,其入射光方式都是垂直入射,在衬底上依次生长底层DBR层、吸收层、顶层DBR。为了结构的简单,有些顶层DBR直接利用空气与半导体界面的反射,其反射率约为34%。SOI基CMOS RCE光探测器的DBR 顶镜反射镜采用Si组成,底部反射镜由材料本身的埋氧化层厚度决定,PN结的耗尽区作为器件的吸收层,来设计850nm 通信波段的RCE光探测器。入射光透过顶部反射镜进入谐振腔,在上下反射镜构成的谐振腔作用下光在其中来回的行进,若腔体设计合理,可使得光波得到谐振增强,耗尽层中吸收的光能量转化为电信号输出。

目前,随着光纤通信、红外遥感和军事应用需求的不断增长促进了半导体光电器件及其光电路的发展。围绕着光电系统开展各种关键技术研究,以实现具有高集成度、高性能、低功耗和低成本的光电探测器。光电探测器作为光纤通信中解复用接受技术的关键器件之一,未来应该具有一些鲜明的特点:信道中心波长位置可以调谐、高速、单片集成,相应的其他一些特点也应该具有:信道波长的分辨能力强、调谐时间短、温度稳定性高、结构密集,成本低等。响应度与量子效率之间相互约束的问题不仅在RCE 光电探测器这种结构的器件上得以解决,同时还使其具有量子效率高、响应度高以及波长选择等特性,成就了谐振腔型光电探测器的在WDM系统中的解复用接受应用的理想选择。不过,还有部分需要改进,如可调谐、较好的通带性能、易于集成等。所以,还是需要进一步的研究RCE光电探测器的

性能,以期这些特性的实现]6[。

三、红外探测器最新进展

红外探测器的发展基础是物理学和技术科学的进展。HgCdTe FPA和非制冷焦平面阵列,军事装备和广阔的民用市场需求推动探测器技术进一步发展。所有物体均发射与其温度和特性相关的热辐射,环境温度附近物体的热辐射大多位于红外波段。红外辐射占据相当宽的电磁波段(0.8μm~1000μm)。可知,红外辐射提供了客观世界的丰富信息,充分利用这些信息是人们追求的目标。将不可见的红外辐射转换成可测量的信号的器件就是红外探测器。探测器作为红外整机系统的核心关键部件,探测、识别和分析红外信息并加以控制。热成像是红外技术的一个重要方面,得到了广泛应用,首要的当属军事应用。反之,由于应用的驱使,红外探测器的研究、开发乃至生产,越来越受重视而得以长足发展。1800年Herschel 发现太阳光谱中的红外线用的涂黑水银温度计为最早的红外探测器,此后,尤其是二次大战以来,不断出现新器件。现代科学技术的进展提供红外探测器研制的广阔天地,高性能新型探测器层出不穷。今天的探测器制备已成为涉及物理、材料等基础科学和光、机、微电子和计算机等多领域的综合科学技术。

3.1物理学的进展是红外探测器的基础]7[

红外辐射与物质(材料)相互作用产生各种效应。100多年来,从经典物理到20世纪开创的近代物理,特别是量子力学、半导体物理等学科的创立,到现代的介观物理、低维结构物理等等,有许多而且越来越多可用于红外探测的物理现象和效应。

3.2 新技术飞速发展促进红外探测器更新换代]7[

60年代以前多为单元探测器扫描成像,但灵敏度低,二维扫描系统结构复杂笨重。增加探测元,例如有N元组成的探测器,灵敏度增加N1/2倍,一个M×N阵列,灵敏度增长(M×N)1/2倍。元数增加还将简化光机扫描机构,大规模凝视焦平面阵列,不再需要光机扫描,大大简化整机系统。现代探测器技术进入第二、第三代,重要标志之一就是元数大大增加。另一方面是开发同时覆盖两个波段以上的双色和多光谱探测器。所有进展都离不开新技术特别是半导体技术的开发和进步。几项具有里程碑意义的技术有:

(1)半导体精密光刻技术

使探测器技术由单元向多元线列探测器迅速发展,即后来称为第一代探测器。

(2)Si集成电路技术

Si读出电路与光敏元大面阵耦合,诞生了所谓第二代的大规模红外焦平面阵列探测器。更进一步有Z平面和灵巧型智能探测器等新品种。此项技术还诱导产生非制冷焦平面阵列,使一度冷落的热探测器重现勃勃生机。

(3)先进的薄层材料生长技术

分子束外延、金属有机化学汽相淀积和液相外延等技术可重复、精密控制生长大面积高度均匀材料,使制备大规模红外焦平面阵列成为可能。也是量子阱探测器出现的前提。

(4)微型制冷技术

高性能探测器低温要求驱动微型制冷机的开发,制冷技术又促进了探测器的研制和应用。我国红外探测器研制从1958年开始,至今已40多年。先后研制过PbS、PbSe、Ge:Au、Ge:Hg 、InSb、PbSnTe、HgCdTe、PtSi/Si、GaAs/AlGaAs量子阱和热释电探测器等。随着低维材料出现,纳米电子学、光电一体化等技术日新月异,21世纪红外探测器必有革命性的进展。物理学及材料科学是现代技术发展的主要基础,现代技术飞速发展对物理学研究又有巨大的反作用。

3.3高性能红外探测器-碲镉汞探测器]8[

1959年,英国Lawson等首先制成可变带隙Hg1-xCdxTe固溶体合金,提供了红外探测器设计空前的自由度。碲镉汞有三大优势:1)本征激发、高的吸收系数和高的量子效率(可超过80%)且有高的探测率;2)其最吸引人的特性是改变Hg、Cd配比调节响应波段,可以工作在各个红外光谱区段并获得最佳性能。而且晶格参数几乎恒定不变,对制备复合禁带异质结结构新器件特别重要,3)同样的响应波段,工作温度较高,可工作的温度范围也较宽。碲镉汞中,弱Hg-Te键(比Cd-Te键弱约30%),可通过热处理或特定途径形成P或N型,并可完成转型。其电学性质如1载流子浓度低,2少数载流子寿命长,3电子空穴有效质量比大,电子迁移率高,4介电常数小等有利于探测器性能。

第一代碲镉汞探测器主要是多元光导型,美国采用60、120和180元光导探测器作为热像仪通用组件,英国则以70年代中期开发的SPRITE为通用组件。SPRITE是一种三电极光导器件,利用半导体中非平衡载流子扫出效应,当光点扫描速度与载流子双极漂移速度匹配,使探测器在完成辐射探测的同时实现信号的时间延迟积分功能。8条SPRIET的性能可相当100元以上的多元探测器。结构、制备工艺和后续电子学大大简化。现有技术又克服了高光机扫描速度和空间分辨率受限制等两个缺陷。1992年诞生了第一台国产化通用组件高性能热像仪,SPRITE探测器研制成功是关键。到90年代初,第一代碲镉汞光导探测器纷纷完成技

术鉴定,性能达到世界先进水平。兵器工业211所的SPRITE、32和60元探测器已实用化并投入批量生产,规模和市场不断扩大。国外在80年代就已大批量生产。

由于电极、杜瓦瓶设计和制冷机方面的重重困难,第一代碲镉汞探测器元数一般无法超过200。大的碲镉汞光敏阵列和Si读出集成电路分别制备并最佳化,然后两者进行电学耦合和机械联结形成混合式焦平面阵列,就是第二代碲镉汞探测器。目前国际上已研制出256×256甚至640×480规模的长波IRFPA。中波红外已有用于天文的1024×1024的规模,现阶段典型产品是法国的4N系列288×4扫描式FPA。国内仍处于研制开发阶段。

晶体碲镉汞材料也有鲜明的弱势:1相图液线和固线分离大,分凝引起径向、纵向组分不均匀;2高Hg压使大直径晶体生长困难,晶格结构完整性差;3重复生产成品率低。薄膜材料的困难在于难以获得理想的CdZnTe衬底材料。人们致力于研究替代衬底,日本和法国还报道Ge衬底,目标是与MCT的晶格匹配并有利于与Si读出线路的耦合。

优质碲镉汞材料制备困难、均匀性差、器件工艺特殊,成品率低,因而成本高一直是困扰碲镉汞IRFPA的主要障碍。人们始终没有放弃寻找材料的努力,但迄今还没有一种新材料能超过碲镉汞的基本优点。为满足军事应用更高的性能要求,碲镉汞FPA仍然是首选探测器。

3.4 非致冷焦平面阵列(UFPA)红外探测器]9[

非制冷焦平面阵列省去了昂贵的低温制冷系统和复杂的扫描装置,敏感器件以热探测器为主。突破了历来热像仪成本高昂的障碍,"使传感器领域发生变革"。另外,它的可靠性也大大提高、维护简单、工作寿命延长,因为低温制冷系统和复杂扫描装置常常是红外系统的故障源。非致冷探测器的灵敏度(D)比低温碲镉汞要小1个量级以上,但是以大的焦平面阵列来弥补,便可和第一代MCT探测器争雄。对许多应用,特别是监视与夜视而言已经足够。广阔的准军事和民用市场更是它施展拳脚的领域。为避免大量投资,把硅集成电路工艺引入低成本、非制冷红外探测器开发生产,制造大型高密度阵列和推进系统集成化的信号处理,即大规模焦平面阵列技术,潜力十分巨大。正因为如此,单元性能较低的热电探测器又重新引人注目,而且可能成为21世纪最具竞争力的探测器之一。目前发展最快、前景看好的有两类UFPA:

(1)热释电FPA。热释电探测器的研究早在60年代和70年代就颇为盛行,有过多种材料,较新型的有钛酸锶钡(BST)陶瓷和钛酸钪铅(PST)等。美国TI公司推出的328×240钛酸锶钡(BST)FPA已形成产品,NETD优于0.1K,有多种应用。计划中还有640×480的FPA,发展趋势是将铁电材料薄膜淀积于硅片上,制成单片式热释电焦平面,有很高的潜在性能,可望实现1000×1000阵列的优质成像。

(2)微测辐射热计。它是在IC-CMOS硅片上以淀积技术,用Si3N4支撑有高电阻温度系数和高电阻率的热敏电阻材料VOX或α-Si,做成微桥结构器件(单片式FPA)。接收热辐射引起温度变化而改变阻值,直流耦合无须斩波器,仅需一半导体制冷器保持其稳定的工作温度。90年代初,由Honeywell公司首先开发,研制成工作在8μm~14μm的320×240 UFPA,并以此制成实用的热像系统,NETD已达到0.1K以下,可望在近期达到0.02K。此类FPA90年代发展神速,成为热点。与热释电UFPA比较,微测辐射热计采用硅集成工艺,制造成本低廉;有好的线性响应和高的动态范围;像元间好的绝缘而有低的串音和图像模糊;低的1/f噪声;以及高的帧速和潜在高灵敏度(理论NETD可达0.01K)。其偏置功率受耗散功率限制和大的噪声带宽不足以与热释电相比。

3.5红外探测器技术的发展]10[

历史上,红外探测器的发展得益于战争尤其是二次大战的刺激。随后的冷战时期,到现今的局部战争,人们不断加深对红外探测器重要性的认识。至今,军事应用仍占整个红外敏感器

市场的75%。更高的性能指标和降低成本对红外技术提出了愈来愈高的要求。由于民用需求的急剧增长,军事应用的比例正在稳步减小。据美国市场调查,到2002年军事应用将下降到50%以下。今后焦平面红外图像系统及传感器的需求量会继续增长,年增长率将达29%。军事应用中的商用成品有望每年增加15%。估计增长最快的将是非制冷焦平面系统,年增长率将超过60%。2002年美国红外技术市场将达到12亿美元。据中国光学学会预测,今后5年,我国热像设备总数在4万台左右,而年自产不足500台。所有这些,势必使21世纪的红外科学技术加速开拓前进,首先是红外探测器技术的突飞猛进。

四、位敏探测器最新进展

位敏探测器(PSD)是一种重要的光传感器。薄膜型晶硅基分离器件具有很多优点,其中主要优点是有潜力制作大面积器件而没有内部中断或分界面,以便它们对光输进信息提供连续的传感。PSD用于准直、光处理和机器人视觉系统等。

2001年,澳大利亚西部大学电气与电子工程学院的J.Henry等人,用新的氢化非晶硅(a-Si∶H)肖特基势垒结构制作的薄膜位敏探测器PSD与常规的晶体硅器件位敏探测器进行了比较研究。测得a-Si∶H结构的器件输出线性相关系数为r=0.983-0.997,晶硅器件如Pt/C-Si和Au-In/C-Si器件的r近似为1。另外a-Si∶H结构器件的空间分辨小于50 m,而晶

硅(C-Si)结构器件的空间分辨小于10 m]11[。

五、结语

半导体光电探测器正朝着超高速、高灵敏度、宽带宽以及单片集成的方向发展,它可广泛地应用于光通讯、信号处理、传感系统和丈量系统。光电探测器技术正在飞速发展,光电探测器已成为某些军事领域的关键器件和设备,并且在军事领域的作用日益增加。

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常见的光电耦合电路及其应用分析

常见的光电耦合电路及其应用分析 光电耦合电路是设计中常用的将信号进行隔离和转换并再次利用的一种应用,它主要是将输入的电信号通过介质转换成光信号,再根据介质和电路的特性转换成电信号输出,实现“电-光-电”之间的转换。同时将由于电路之间由于电容/电感等元器件或电磁感应等造成的干扰基本上排除。可见光电耦合电路在各位的设计应用中发挥着重要的作用。 光电耦合器是将光电耦合电路进行了集成和封装后得到的ic产品,它把红外光发射器件和红外光接受器件以及信号处理电路等封装在同一管座内的器件。最常用的发光器件就是LED发光二极管了,当输入电信号加到输入端会导致LED发光,光接受器件接受LED的发光的光信号后将其转换成电信号并输出。 光电耦合电路结构独特,可有效抑噪声消除干扰、开关速度快、体积小、可替代变压器隔离等,并可以组成和应用到开光电路、逻辑电路、隔离耦合电路、高压稳压电路、继电器替代电路等,故小编整理和总结了几种常见的光电耦合电路图,并对他们的应用需要和范围进行分析,希望能给大家的学习、掌握和应用这种电路有一定的指导作用。 (1)组成的多谐振荡器电路图 工作流程为接通电源后: A、电容C两端电压不能突变,电阻R数值大于Rl,电源电压Ec主要加在R上,F点电位很低,LED处于截止状态; B、电容充电电压增加导致F点电位逐渐增高,到达一定程度使LED导通发光,光敏三极管导通饱和,输出电压发生跃变使之接近电源电压;(即U0约=Ec) C、电容上存留电荷通过三极管、LED通路快速放电,并对其反向充电到达一定程度后导致LED截止及三极管截止???; D、电容再次通过电阻R和RL放电进行反向充电,LED发光光敏三极管再次饱和,如此循环形成振荡。 作用:多谐振荡器也叫自激多谐振荡器,它的作用是产生交流信号。将直流电变为交流

(完整版)光电材料

目录 目录 ------------------------------------------------------------------------------------------- 1 1前言----------------------------------------------------------------------------------------- 2 2 有机光电材料 ------------------------------------------------------------------------------ 2 2.1光电材料的分类 --------------------------------------------------------------------- 2 2.2有机光电材料的应用 ---------------------------------------------------------------- 3 2.2.1有机太阳能电池材料--------------------------------------------------------- 3 2.2.2有机电致发光二极管和发光电化学池 --------------------------------------- 4 2.2.3有机生物化学传感器--------------------------------------------------------- 4 2.2.4有机光泵浦激光器 ----------------------------------------------------------- 4 2.2.5有机非线性光学材料--------------------------------------------------------- 5 2.2.6光折变聚合物材料与聚合物信息存储材料 ---------------------------------- 5 2.2.7聚合物光纤------------------------------------------------------------------- 6 2.2.8光敏高分子材料与有机激光敏化体系 --------------------------------------- 6 2.2.9 有机光电导材料 ------------------------------------------------------------- 6 2.2.10 能量转换材料 -------------------------------------------------------------- 7 2.2.11 染料激光器----------------------------------------------------------------- 7 2.2.12 纳米光电材料 -------------------------------------------------------------- 7 3 光电转化性能原理 ------------------------------------------------------------------------- 7 4 光电材料制备方法 ------------------------------------------------------------------------- 8 4.1 激光加热蒸发法 ------------------------------------------------------------------- 8 4.2 溶胶-凝胶法 ---------------------------------------------------------------------- 8 4.3 等离子体化学气相沉积技术(PVCD)------------------------------------------ 9 4.4 激光气相合成法 ------------------------------------------------------------------ 9 5 光电材料的发展前景---------------------------------------------------------------------- 10

光电探测器原理

光电探测器原理

光电探测器原理及应用 光电探测器种类繁多,原则上讲,只要受到光照后其物理性质发生变化的任何材料都可以用来制作光电探测器。现在广泛使用的光电探测器是利用光电效应工作的,是变光信号为电信号的元件。 光电效应分两类,内光电效应和外光电效应。他们的区别在于,内光电效应的入射光子并不直接将光电子从光电材料 内部轰击出来,而只是将光电材料内部的光 电子从低能态激发到高能态。于是在低能态 留下一个空位——空穴,而高能态产生一个 自由移动的电子,如图二所示。 硅光电探测器是利用内光电效应的。 由入射光子所激发产生的电子空穴对,称为光生电子空穴对,光生电子空穴对虽然仍在材料内部,但它改变了半导体光电材料的导电性能,如果设法检测出这种性能的改变,就可以探测出光信号的变化。 无论外光电效应或是内光电效应,它们的产生并不取决于入射光强,而取决于入射光波的波长λ或频率ν,这是因为光子能量E只和ν有关: E=hν(1) 式中h为普朗克常数,要产生光电效应,每个光子的能量必须足够大,光波波长越短,频率越高,每个光子所具有的能量hν也就越大。光强只反映了光子数量的多少,并不反映每个光子的能量大小。 目前普遍使用的光电探测器有耗尽层光电二极管和雪崩光电二极管,是由半导体材料制作的。 半导体光电探测器是很好的固体元件,主要有光导型,热电型和P—N结型。但在许多应用中,特别是在近几年发展的光纤系统中,光导型探测器处理弱信号时噪声性能很差;热电型探测器不能获得很高的灵敏度。而硅光电探测器在从可见光到近红外光区能有效地满足上述条件,是该波长区理想的光接收器件。 一、耗尽层光电二极管 在半导体中,电子并不处于单个的分裂 能级中,而是处于能带中,一个能带有许多

肖特基光电二极管

肖特基势垒光电二极管原理及应用 引言 肖特基势垒光电二极管又称金属-半导体光电二极管,其势垒不再是p-n结,而是金属和半导体接触形成的阻挡层,即肖特基势垒。 1 肖特基势垒二极管结构原理及特性 1.1简述 图1 肖特基势垒二极管 肖特基二极管(如图1)是以其发明人肖特基博士(Schottky)命名的,SBD 是肖特基势垒二极管(Schottky Barrier Diode,缩写成SBD)的简称。SBD不是利用p型半导体与n型半导体接触形成p-n结原理制作的,而是利用金属与半导体接触形成的金属-半导体结原理制作的。因此,SBD也称为金属-半导体(接触)二极管或表面势垒二极管,它是一种热载流子二极管。是近年来问世的低功耗、大电流、超高速半导体器件。其反向恢复时间极短(可以小到几纳秒),正向导通压降仅0.4V左右,而整流电流却可达到几千安培。这些优良特性是快恢复二极管所无法比拟的,中、小功率肖特基整流二极管大多采用封装形式。 1.2结构原理 图2 肖特基势垒二极管结构原理及等效电路

肖特基势垒二极管(也叫热载子二极管)在机械构造上与点接触二极管很相似,但它比点接触二极管要耐用,而且功率也更大。图2(a)给出了肖特基势垒二极管的基本构造。图2(b)是其等效电路。这种形式的电路是威廉姆·肖特基(William Schottky)在1938年研究多数载流子的整流现象时提出的。 肖特基二极管是贵金属(金、银、铝、铂等) A为正极,以N型半导体B为负极,利用二者接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的金属-半导体器件。因为N型半导体中存在着大量的电子,贵金属中仅有极少量的自由电子,所以电子便从浓度高的B中向浓度低的A中扩散。显然,金属A中没有空穴,也就不存在空穴自A向B的扩散运动。随着电子不断从B扩散到A,B表面电子浓度逐渐降低,表面电中性被破坏,于是就形成势垒,其电场方向为B→A。但在该电场作用之下,A中的电子也会产生从A→B的漂移运动,从而削弱了由于扩散运动而形成的电场。当建立起一定宽度的空间电荷区后,电场引起的电子漂移运动和由于浓度不同引起的电子扩散运动达到相对的平衡,这时便形成了肖特基势垒。 典型的肖特基整流管的内部电路结构以N型半导体为基片,在上面形成用砷作掺杂剂的N-外延层。阳极(阻挡层)金属材料是钼。二氧化硅(SiO2)是用来消除边缘区域的电场,提高管子的耐压值。N型基片具有很小的通态电阻,其掺杂浓度较N-层要高100%倍。在基片下边形成N+阴极层,其作用是减小阴极的接触电阻。通过调整结构参数,可在基片与阳极金属之间形成合适的肖特基势垒,当加上正偏压E时,金属A和N型基片B分别接电源的正、负极,此时势垒宽度变窄。加负偏压-E时,势垒宽度就变宽。 综上所述,肖特基整流管的结构原理与PN结整流管有很大的区别,通常将PN 结整流管称作结整流管,而把金属-半导管整流管叫肖特基整流管。近年来,采用硅平面工艺制造的铝硅肖特基二极管也已问世,这不仅可以大量节省贵金属,而且还大幅度降低了成本,还改善了参数的一致性。 肖特基整流管仅用一种载流子(电子)输送电荷,在势垒外侧无过剩少数载流子的积累,因此,不存在电荷储存问题,使开关特性获得明显改善。其反向恢复时间已能缩短到10ns以内。但它的反向耐压值较低,一般不超过去时100V。因此适宜在低压、大电流情况下工作。利用肖特基二极管的低压降这一特点,从而能够提高其在低压、大电流整流(或续流)电路的效率。 1.3 肖特基势垒二极管特性及应用 肖特基势垒二极管属于一种低功耗、超高速半导体器件。最显著的特点为反向恢复时间极短(可以小到几纳秒),正向导通压降仅0.4V左右。其多用作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管,也有用在微波通信等电路中作整流二极管、小信号检波二极管使用。在通信电源、变频器等中比较常见。但是,它也有一些缺点:耐压比较低,漏电流稍大些。选用时要全面考虑。 1.3.1 性能比较

PC817A光电耦合器

PC817A/B/C--- 电光耦合器 光耦特性与应用 1.概述 光耦合器亦称光电隔离器,简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用,所以,它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成:光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管(LED),使之发出一定波长的光,被光探测器接收而产生光电流,再经过进一步放大后输出。这就完成了电—光—电的转换,从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离,电信号传输具有单向性等特点,因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件,因而具有很强的共模抑制能力。所以,它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件,可以大大增加计算机工作的可靠性。 光耦的主要优点是:信号单向传输,输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离,输出信号对输入端无影响,抗干扰能力强,工作稳定,无触点,使用寿命长,传输效率高。光耦合器是70年代发展起来产新型器件,现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。在单片开关电源中,利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路,通过调节控制端电流来改变占空比,达到精密稳压目的。 十几年来,新型光耦合器不断涌现,满足了各种光控制的要求。其应用范围已扩展到计测仪器,精密仪器,工业用电子仪器,计算机及其外部设备、通信机、信号机和道路情报系统,电力机械等领域。这里侧重介绍该器件的工作特性,驱动和输出电路及部分实际应用电路。 近年来问世的线性光耦合器能够传输连续变化的模拟电压或模拟电流信号,使其应用领域大为拓宽。下面分别介绍光耦合器的工作原理及检测方法。 2. 光耦的性能及类型 用于传递模拟信号的光耦合器的发光器件为二极管、光接收器为光敏三极管。当有电流通过发光二极管时,便形成一个光源,该光源照射到光敏三极管表面上,使光敏三极管产生集电极电流,该电流的大小与光照的强弱,亦即流过二极管的正向电流的大小成正比。由于光耦合器的输入端和输出端之间通过光信号来传输,因而两部分之间在电气上完全隔离,没有电信号的反馈和干扰,故性能稳定,抗干扰能力强。发光管和光敏管之间的耦合电容小(2pf左右)、耐压高(2.5KV左右),故共模抑制比很高。输入和输出间的电隔离度取决于两部分供电电源间的绝缘电阻。此外,因其输入电阻小(约10Ω),对高内阻源的噪声相当于被短接。因此,由光耦合器构成的模拟信号隔离电路具有优良的电气性能。 事实上,光耦合器是一种由光电流控制的电流转移器件,其输出特性与普通双极型晶体管的输出特性相似,因而可以将其作为普通放大器直接构成模拟放大电路,并且输入与输出间可实现电隔离。然而,这类放大电路的工作稳定性较差,

光电耦合器的发展及应用(精)

光电耦合器的发展及应用 摘要:半导体光电耦合器现已发展成为一类特殊的半导体隔离器件。它体积小、寿命长、无触点、抗干扰、能隔离,并具有单向信号传输和容量连接等功能。文中介绍了光电耦合器的典型结构和特点以及国内外的发展现状,最后给出了半导体电隔离耦合器件的多种应用电路实例。 关键词:发光器件光接收器件输入输出光电耦合器 随着半导体技术和光 电子学的发展,一种 能有效地隔离噪音和 抑制干扰的新型半导 体器件——光电耦合 器于1966年问世了。 光电耦合器的优点是 体积小、寿命长、无 触点、抗干扰能力 强、能隔离噪音、工 作温度宽,输入输出之间电绝缘,单向传输信号及逻辑电路易连接等。光电耦合器按光接收器件可分为有硅光敏器件(光敏二极管、雪崩型光敏二极管、PIN 光敏二极管、光敏三极管等)、光敏可控硅和光敏集成电路。把不同的发光器件和各种光接收器组合起来,就可构成几百个品种系列的光电耦合器,因而,该器件已成为一类独特的半导体器件。其中光敏二极管加放大器类的光电耦合器随着近年来信息处理的数字化、高速化以及仪器的系统化和网络化的发展,其需求量不断增加。 1 光电耦合器的结构特点 光电耦合器的主要结构是把发光器件和光接收器件组装在一个密闭的管壳内,然后利用发光器件的管脚作输入端,而把光接收器的管脚作为输出端。当在输入端加电信号时,发光器件发光。这样,光接收器件由于光敏效应而在光照后产生光电流并由输出端输出。从而实现了以“光”为媒介的电信号传输,而器件的输入和输出两端在电气上是绝缘的。这样就构成了一种中间通过光传输信号的新型半导体电子器件。光电耦合器的封装形式一般有管形、双列直插式和光导纤维连接三种。图1是三种系列的光电耦合器电路图。 光电耦合的主要特点如下: ●输入和输出端之间绝缘,其绝缘电阻一般都大于10 10Ω,耐压一般可超过1kV,有的甚至可以达到10kV以上。

半导体光电探测器(精)

半导体光电探测器 摘要:本文介绍了光电与系统的组成、一些半导体光电探测器的结构和工作原 理,最后阐述了光电导探测器与光伏探测器的区别。 关键词:半导体光电探测器,光电系统,光电导探测器,光伏探测器 Semiconductor photoelectric detector Abstract:This paper introduces the composition of photoelectric and system, the structure and working principle of some semiconductor photoelectric detector,finally describes the distinction of photoconductive detector and photovoltaic detector. Key words:semiconductor photoelectric detector,photoelectric system,photoconductive detector,photovoltaic detector 引言 光电探测器是一种受光器件,具有光电变换功能。光敏器件的种类繁多,有光敏电阻、光电二极管、光电三极管、光晶闸管、集成光敏器件等;有雪崩型的及非雪崩型的;有PN结型、PIN结型及异质结型的等。由于光电探测器的响应速度快,体积小,暗电流小,使之在光纤通讯系统、光纤测试系统、光纤传感器、光隔离器、彩电光纤传输、电视图象传输、快速光源的光探测器、微弱光信号的探测、激光测距仪的接收器件、高压电路中的光电测量及光电互感器、计算机数据传输、光电自动控制及光测量等方面得到了广泛应用。 半导体光电探测器是用半导体材料制作的能接收和探测光辐射的器件。光照射到器件的光敏区时,它就能将光信号转变成电信号,是一种光电转换功能的测光元件。它在国防和工农业生产中有着重要和广泛的应用。 半导体光电探测器可分为光电导型和光伏型两种。光电导型是指各种半导体光电导管,即光敏电阻;光伏型包括光电池、P-N结光电二极管、PIN光电二级管、雪崩光电二极管、光电三级管等。本文首先介绍了光电系统的组成,然后分别介绍了各元件的结构和工作原理,最后将这两类探测器进行比较。 一、光电子系统的组成 现代光电子系统非常复杂,但它的基本组成可用图1-1-1来说明:待传送信号经过编码器编码后加到调制器上去调制光源发出的光,被调制后的光由发射光学系统发送出去。发射光学系统又称为发射天线,因为光波是一种电磁波,发射光学系统所起的作用和无线电发射天线所起的作用完全相同。发送出去的光信号经过传输介质,如大气等,到达接收端,由接收光学系统或接收天线将光聚焦到

半导体光电催化技术.

半导体光电催化第一章 1.原子轨道相互交迭情况 原子钟的电子分布在内外层电子轨道上,每一层轨道对应确定的能量。当原子相互接近并形成晶体时,不同原子的内外壳层。电子轨道之间就有一定的交迭,相邻原子最外层轨道交迭最多,内层轨道交迭最少。当原子组成晶体后,由于原子轨道的交迭,电子不再完全局限在某一个原子钟,它可以转移到相邻原子上去,而且可以从邻近的原子轨移到更远的原子上去,以致任何一个电子可以在整个晶体中以一个原子转移到另一个原子,不再属于某个原子所有,这即晶体中的电子共有化运动。 2.用能级的形式解释能带 禁带:在相邻两个能带之间的区域中,不存在电子占有的能级,将这两个能带间的区域称为禁带。每个能带和禁带的宽度是由各种晶体的具体原子结构和晶体结构所决定的。禁带宽度为零点几到几个电子伏。由于可得出①同一晶体的某个能带,其宽度一定,这是因为能带宽度主要取决于电子轨道的交迭程度。对同一晶体,原子间距是常数,所以各轨道的交迭程度一定。②同一晶体的不同能带,上面的宽,下面的窄。这是因为上面的能带与原子的外层轨道相对应,外层轨道交迭多,能带就宽,内层轨道交迭少,能带就窄。由此可见,能带的宽窄实际上反映了电子共有化的自由程度。 3.满带:能带全部被电子填满。内层电子轨道对应的能带。 零带:能带中可占据能级全部是空的。 价带:价电子所处的能带,最高电子占有能带。(HDMO),可能是全部填满或部分填满。导带:最低空能带(LLIMO) 4.能带对不同材料的解释(对导体,半导体电导率的差别) 按电阻来分:金属导体p<10-6Ω·m绝缘体p>107Ω·m半导体10-6

半导体发光二极管灯具介绍

半导体发光二极管灯具介绍 一、定义 半导体发光二极管灯具即LED(Light Emitting Diode)灯具,是一种半导体固体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料,在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射,直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。LED照明产品就是利用LED作为光源制造出来的照明器具。 半导体发光二极管灯具 二、前景 当前全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下,节约能源是我们未来面临的重要的问题,在照明领域,LED发光产品的应用正吸引着世人的目光,LED作为一种新型的绿色光源产品,必然是未来发展的趋势,二十一世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代。

LED灯具 LED被称为第四代照明光源或绿色光源,具有节能、环保、寿命长、体积小等特点,可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。近年来,世界上一些经济发达国家围绕LED的研制展开了激烈的技术竞赛。美国从2000年起投资5亿美元实施“国家半导体照明计划”,欧盟也在2000年7月宣布启动类似的“彩虹计划”。我国科技部在“863”计划的支持下,2003年6月份首次提出发展半导体照明计划。 三、优点 高节能:节能能源无污染即为环保。直流驱动,超低功耗(单管 0.03-0.06瓦)电光功率转换接近100%,相同照明效果比传统光源节能80%以上。 LED灯泡 寿命长:LED光源有人称它为长寿灯,意为永不熄灭的灯。固体冷光源,环氧树脂封装,灯体内也没有松动的部分,不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点,使用寿命可达6万到10万小时,比传统光源寿命长10倍以上。 多变幻:LED光源可利用红、绿、蓝三基色原理,在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合,即可产生256×256×256=16777216种颜色,形成不同光色的组合变化多端,实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。 利环保:环保效益更佳,光谱中没有紫外线和红外线,既没有热量,也没有辐射,眩光小,而且废弃物可回收,没有污染不含汞元素,冷光源,可以安全触摸,属于典型的绿色照明光源。

各种光电耦合器参数

常用参数 正向压降VF:二极管通过的正向电流为规定值时,正负极之间所产生的电压降。 正向电流IF:在被测管两端加一定的正向电压时二极管中流过的电流。 反向电流IR:在被测管两端加规定反向工作电压VR时,二极管中流过的电流。 反向击穿电压VBR::被测管通过的反向电流IR为规定值时,在两极间所产生的电压降。结电容CJ:在规定偏压下,被测管两端的电容值。 反向击穿电压V(BR)CEO:发光二极管开路,集电极电流IC为规定值,集电极与发射集间的电压降。 输出饱和压降VCE(sat):发光二极管工作电流IF和集电极电流IC为规定值时,并保持 IC/IF≤CTRmin时(CTRmin在被测管技术条件中规定)集电极与发射极之间的电压降。 反向截止电流ICEO:发光二极管开路,集电极至发射极间的电压为规定值时,流过集电极的电流为反向截止电流。 电流传输比CTR:输出管的工作电压为规定值时,输出电流和发光二极管正向电流之比为电流传输比CTR。 脉冲上升时间tr、下降时间tf:光耦合器在规定工作条件下,发光二极管输入规定电流IFP 的脉冲波,输出端管则输出相应的脉冲波,从输出脉冲前沿幅度的10%到90%,所需时间为脉冲上升时间tr。从输出脉冲后沿幅度的90%到10%,所需时间为脉冲下降时间tf。 传输延迟时间tPHL、tPLH:光耦合器在规定工作条件下,发光二极管输入规定电流IFP的脉冲波,输出端管则输出相应的脉冲波,从输入脉冲前沿幅度的50%到输出脉冲电平下降到1.5V时所需时间为传输延迟时间tPHL。从输入脉冲后沿幅度的50%到输出脉冲电平上升到1.5V时所需时间为传输延迟时间tPLH。 入出间隔离电容CIO:光耦合器件输入端和输出端之间的电容值。 入出间隔离电阻RIO:半导体光耦合器输入端和输出端之间的绝缘电阻值。 入出间隔离电压VIO:光耦合器输入端和输出端之间绝缘耐压值。 最大额定值 参数名称 符号 最大额定值 单位 V 反向电压 5 V R I 正向电流 50 mA

光电探测器原理

光电探测器原理及应用 光电探测器种类繁多,原则上讲,只要受到光照后其物理性质发生变化的任何材料都可以用来制作光电探测器。现在广泛使用的光电探测器是利用光电效应工作的,是变光信号为电信号的元件。 光电效应分两类,内光电效应和外光电效应。他们的区别在于,内光电效应 的入射光子并不直接将光电子从光电材料内 部轰击出来,而只是将光电材料内部的光电 子从低能态激发到高能态。于是在低能态留 下一个空位——空穴,而高能态产生一个自 由移动的电子,如图二所示。 硅光电探测器是利用内光电效应的。 由入射光子所激发产生的电子空穴对,称为光生电子空穴对,光生电子空穴对虽然仍在材料内部,但它改变了半导体光电材料的导电性能,如果设法检测出这种性能的改变,就可以探测出光信号的变化。 无论外光电效应或是内光电效应,它们的产生并不取决于入射光强,而取决于入射光波的波长λ或频率ν,这是因为光子能量E只和ν有关: E=hν(1) 式中h为普朗克常数,要产生光电效应,每个光子的能量必须足够大,光波波长越短,频率越高,每个光子所具有的能量hν也就越大。光强只反映了光子数量的多少,并不反映每个光子的能量大小。 目前普遍使用的光电探测器有耗尽层光电二极管和雪崩光电二极管,是由半导体材料制作的。 半导体光电探测器是很好的固体元件,主要有光导型,热电型和P—N结型。但在许多应用中,特别是在近几年发展的光纤系统中,光导型探测器处理弱信号时噪声性能很差;热电型探测器不能获得很高的灵敏度。而硅光电探测器在从可见光到近红外光区能有效地满足上述条件,是该波长区理想的光接收器件。一、耗尽层光电二极管 在半导体中,电子并不处于单个的分裂 能级中,而是处于能带中,一个能带有许多

光电耦合器工作原理详细解说

光电耦合器工作原理详细解说 光电耦合器件简介 光电偶合器件(简称光耦)是把发光器件(如发光二极体)和光敏器件(如光敏三极管)组装在一起,通过光线实现耦合构成电—光和光—电的转换器件。光电耦合器分为很多种类,图1所示为常用的三极管型光电耦合器原理图。 当电信号送入光电耦合器的输入端时,发光二极体通过电流而发光,光敏元件受到光照后产生电流,CE导通;当输入端无信号,发光二极体不亮,光敏三极管截止,CE不通。对于数位量,当输入为低电平“0”时,光敏三极管截止,输出为高电平“1”;当输入为高电平“1”时,光敏三极管饱和导通,输出为低电平“ 0”。若基极有引出线则可满足温度补偿、检测调制要求。这种光耦合器性能较好,价格便宜,因而应用广泛。 图一最常用的光电耦合器之内部结构图三极管接收型 4脚封装

图二光电耦合器之内部结构图三极管接收型 6脚封装 图三光电耦合器之内部结构图双发光二极管输入三极管接收型 4脚封装

图四光电耦合器之内部结构图可控硅接收型 6脚封装

图五光电耦合器之内部结构图双二极管接收型 6脚封装 光电耦合器之所以在传输信号的同时能有效地抑制尖脉冲和各种杂讯干扰,使通道上的信号杂讯比大为提高,主要有以下几方面的原因: (1)光电耦合器的输入阻抗很小,只有几百欧姆,而干扰源的阻抗较大,通常为105~106Ω。据分压原理可知,即使干扰电压的幅度较大,但馈送到光电耦合器输入端的杂讯电压会很小,只能形成很微弱的电流,由于没有足够的能量而不能使二极体发光,从而被抑制掉了。 (2)光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系,也没有共地;之间的分布电容极小,而绝缘电阻又很大,因此回路一边的各种干扰杂讯都很难通过光电耦合器馈送到另一边去,避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。 (3)光电耦合器可起到很好的安全保障作用,即使当外部设备出现故障,甚至输入信号线短接时,也不会损坏仪表。因为光耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压。 (4)光电耦合器的回应速度极快,其回应延迟时间只有10μs左右,适于对回应速度要求很高的场合。 光电隔离技术的应用 微机介面电路中的光电隔离 微机有多个输入埠,接收来自远处现场设备传来的状态信号,微机对这些信号处理后,输出各种控制信号去执行相应的操作。在现场环境较恶劣时,会存在较大的杂讯干扰,若这些干扰随输入信号一起进入微机系统,会使控制准确性降低,产生误动作。因而,可在微机的输入和输出端,用光耦作介面,对信号及杂讯进行隔离。典型的光电耦合电路如图6所示。该电路主要应用在“A/D转换器”的数位信号输出,及由

半导体电子元器件基本知识

半导体电子元器件基本知识 四、光隔离器件 光耦合器又称光电耦合器,是由发光源和受光器两部分组成。发光源常用砷化镓红外发光二极管,发光源引出的管脚为输入端。常用的受光器有光敏三极管、光敏晶闸管和光敏集成电路等。受光器引出的管脚为输出端。光耦合器利用电---光----电两次转换的原理,通过光进行输入与输出之间的耦合。 光耦合器输入与输出之间具有很高的绝缘电阻,可以达到10的10次方欧姆,输入与输出间能承受2000V以上的耐压,信号单向传输而无反馈影响。具有抗干扰能力强、响应速度快、工作可靠等优点,因而用途广泛。如在:高压开关、信号隔离转换、电平匹配等电路中。 光隔离常用如图: 五、电容 有电解电容、瓷片电容、涤纶电容、纸介电容等。 利用电容的两端的电压不能突变的特性可以达到滤波和平滑电压的目的以及电路之间信号的耦合。电解电容是有极性的(有+、-之分)使用时注意极性和耐压。 电路原理图一般用C1、C2、C?等表示。 半导体二极管、三极管、场效应管是电路中最常用的半导体器件,PN结是构成各种半导体器件的重要基础。 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。具有热敏、光敏、掺杂特性;根据掺入的杂质不同,可分为:N型半导体、P型半导体。 PN结是采用特定的制造工艺,使一块半导体的两边分别形成P型半导体和N型半导体,它们交界面就形成PN结。PN结具有单向导电性,即在P端加正电压,N端接负时PN结电阻很低,PN结处于导通状态,加反向电压时,PN结呈高阻状态,为截止,漏电流很小。 一、二极管 将PN结加上相应的电极引线和管壳就成为半导体二极管。 P结引出的电极称为阳极(正极),N结引出的电极称为阴极(负极),原理图中一般常用D1、D2、D?等表示。 二极管正向导通特性(死区电压):硅管的死区电压大于0。5V,诸管大于0。1V。用数字式万用表的二极管档可直接测量出正极和负极。利用二极管的单向导电性可以组成整流电路。将交流电压变为单向脉动电压。 使用注意事项: 1、在整流电路中流过二极管的平均电流不能超过其最大整流电流; 2、在震荡电路或有电感的回路中注意其最高反向击穿电压的使用问题; 3、整流二极管不应直接串联(大电流时)或并联使用,串联使用时,每个二极管应并联一个均压电阻,其大小按100V(峰值)70K左右计算,并联使用时,每个二极管应串联10

半导体光电效应及其应用

半导体光电效应及其应用 量子力学无疑是20世纪最伟大的科学成就之一,它的诞生是人类对自然界,尤其对微观世界的认识有了质的飞跃,对许多造福人类的高新技术的发展起了奠基、催生和巨大的推动作用。 自20世纪中期开始,电子工业取得了长足的进步,目前已成为世界上最大的产业,而其基础为半导体材料。为了适应电子工业的巨大需求,从第一代半导体材料:硅、锗(1822年,瑞典化学家白则里用金属钾还原氟化硅得到了单质硅。)发展到第二代半导体材料:Ⅲ——Ⅴ族化合物,再到现在的第三代半导体材料:宽带隙半导体。半导体领域取得了突飞猛进的发展。 一、光电效应 光照射到某些物质上,引起物质的电性 质发生变化,也就是光能量转换成电能。这 类光致电变的现象被人们统称为光电效应 (Photoelectric effect)。这一现象是 1887年赫兹在实验研究麦克斯韦电磁理论 时偶然发现的。1905年,爱因斯坦在《关于光的产生和转化的一个启发性观点》一文中,用光量子理论对光电效应进行了全面的解释。1916年,美国科学家密立根通过精密的定量实验证明了爱因斯坦的理论解释,从而也证明了光量子理论。 光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏特效应。前一种现象发生在物体表面,物体在光的照射下光电子飞到物体外部的现象,又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部,物体受光照射后,其内部的原子释放出电子并不溢出物体表面,而是仍留在内部,称为内光电效应。内、外光电效应在光电器件和光电子技术中具有重要的作用,根据这些效应可制成不同的光电转换器件(光敏器件)。 通过大量的实验总结出光电效应具有如下实验规律: 1、每一种金属在产生光电效应是都存在一极限频率(或称截止频率),即照射光的频率不能低于某一临界值。相应的波长被称做极限波长

常用光电耦合器代换大全

常用光电耦合器代换大全 常用光电耦合器代换大全 时间: 2012-05-19 18:15:51 来源: 山阳维修网 光电耦合器结构及代换型号 时间: 2010-10-25 03:22:21 来源: 山阳维修网 光电耦合器在彩电控制电路中应用比较广泛,维修人员也常接触到光电耦合器。 笔者依据光电耦合器的特性,设计了一个方便的测试光电耦合器好坏的电路,如图1所示。该电路简单、准确,使用方便。 电路原理 当接通电源后,LED不发光,按下S2,LED会发光。调Rp,LED的发光强度会发生变化,说明光电耦合器是好的。实际制作时,可用面包板安装元器件和焊接。另外,若S2用轻触常开开关,S1用钮子开关,电池用纽扣电池AG3等,再加上集成块座可把该测试电路安装在一个小印板上,整个装置只相当于1/2火柴盒大小。 附:常见光电耦合器结构及代换型号见图2。光耦

合器(opticalcoupler,英文缩写为OC)亦称光电隔离器或光电耦合器,简称光耦。它是以光为媒介来传输电信号的器件,通常把发光器(红外线发光二极管LED)与受光器(光敏半导体管)封装在同一管壳。当输入端加电信号时发光器发出光线,受光器接受光线之后就产生光电流,从输出端流出,从而实现了“电—光—电”转换。以光为媒介把输入端信号耦合到输出端的光电耦合器,由于它具有体积小、寿命长、无触点,抗干扰能力强,输出和输入之间绝缘,单向传输信号等优点,在数字电路上获得广泛的应用。各品牌光耦替代型号Fairchild NEC Part Nnmber TOSHIBA Par Number Lv PartNnmber

TOSHIBA Par Number Lv H11A617 TLP421 B PS2501-1 TLP421 A H11A817 TLP421

光电耦合器的作用与选型

光电耦合器的作用与选型技巧经验总结 光电耦合器(简称光耦),是一种把发光元件和光敏元件封装在同一壳体内,中间通过电→光→电的转换来传输电信号的半导体光电子器件。光电耦合器可根据不同要求,由不同种类的发光元件和光敏元件组合成许多系列的光电耦合器。本篇文章主要以线性与非线性两个方面分别介绍光电耦合器的作用,以及华强北IC代购网工程师的一些光电耦合器选型技巧经验总结,望对大家的电路设计有所帮助。 光电耦合器的作用介绍 1、线性光电耦合器 线性光耦器件又分为两种:无反馈型和反馈型; 无反馈型线性光耦器件实际上是在器件的材料和生产工艺上采取一定措施(使得光耦器件的输入输出特性的非线性得到改善。但由于固有特性,改善能力十分有限。这种光耦器件主要用于对线性区的范围要求不大的情况,例如开关电源的电压隔离反馈电路中经常使用的PC816A和NEC2501H等线性光耦。不过这种光耦器件只是在有限的范围内线性度较高,所以不适合使用在对测试精度以及范围要求较高的场合。 另一种线性光耦是反馈型器件。其作用原理是将普通光耦的单发单收模式稍加改变,增加一个用于反馈的光接受电路用于反馈,通过这样的方式来抵消直通通路的非线性,从而达到实现线性隔离的目的。这种器件例如德州仪器公司曾经出品现已停产的TIL300A,CLARE公司生产的LOC 系列线性光耦,惠普公司生产的HCNR200/201线性光耦等。 2、非线性光电耦合器 非线性光耦的电流传输特性曲线是非线性的,这类光耦适合于开关信号的传输,不适合于传输模拟量。常用的4N系列光耦属于非线性光耦。如4N25、4N26、4N35、4N36。 选型技巧经验总结 在设计光耦光电隔离电路时必须正确选择光耦合器的型号及参数,选型经验总结如下: 1、由于光电耦合器为信号单向传输器件,而电路中数据的传输是双向的,电路板的尺寸要求一定,结合电路设计的实际要求,就要选择单芯片集成多路光耦的器件; 2、光耦合器的电流传输比(CTR)的允许范围是不小于500%。因为当CTR<500%时,光耦中的LED就需要较大的工作电流(>5.0 mA),才能保证信号在长线传输中不发生错误,这会增大光耦的功耗; 3、光电耦合器的传输速度也是选取光耦必须遵循的原则之一,光耦开关速度过慢,无法对输入电平做出正确反应,会影响电路的正常工作。

光电探测器

一`光电探测器 第一节 光辐射探测器的主要指标 光信号的探测是光谱测量中的重要一环,在不同的场合和针对不同的目的所采用的探测器也不同,最重要的考虑是探测器的应用波长范围、探测灵敏度以及响应时间。光探测器是将光辐射能转变为另一种便于测量的物理量的器件,它的门类繁多,一般来说可以按照在探测器上所产生的物理效应,分成光热探测器、光电探测器和光压探测器,光压探测器使用得很少。本章将着重介绍光谱学测量中常用的探测器。 光热探测器是探测元件吸收光辐射后引起温度的变化,例如光能被固体晶格振动吸收引起固体的温度升高,因此对光能的测量可以转变为对温度变化的测量。这种探测器的主要特点是:具有较宽的光波长响应范围,但时间响应较慢,测量灵敏度相对也低一些,经常用于光功率或光能量的测量。 光电探测器是将光辐射能转变为电流或电压信号进行测量,是最常使用的光信号探测器。它的主要特点是:探测灵敏度高,时间响应快,可以对光辐射功率的瞬时变化进行测量,但它具有明显的光波长选择特性。光电探测器又分内光电效应器件和外光电效应器件,内光电效应是通过光与探测器靶面固体材料的相互作用,引起材料内电子运动状态的变化,进而引起材料电学性质的变化。例如半导体材料吸收光辐射产生光生载流子,引起半导体的电导率发生变化,这种现象称为光电导效应,所对应的器件称为光导器件;又如半导体PN 结在光辐照下,产生光生电动势,称为光生伏特效应,利用这种效应制成的器件称为光伏效应器件。 外光电效应器件是依据爱因斯坦的光电效应定律,探测器材料吸收辐射光能使材料内的束縛电子克服逸出功成为自由电子发射出来。 P k E h E -=ν ---------------------------------- (2.1-1) 上式中 νh 是入射光子的能量,E p 是探测器材料的功函数,即光电子的逸出功,E k 是光电子离开探测器表面的动能。这种探测器有一个截止频率和截止波长C ν和C λ: h p E c = ν , () ()nm eV E E hC p p C 1240= = λ --------(2.1-2)

半导体光电探测器的新进展

半导体光电探测器的新进展 摘要 半导体光电探测是半导体光电子学的重要部分,半导体光电探测器在光纤通信,红外遥感等领域有广泛的应用。本文介绍了几种最新的半导体光电探测器结构,旨在探讨国内外当前半导体光电探测器的研究现状及发展趋势。 关键词:光电探测器,位敏探测器,红外探测器 Abstract Semiconductor photoelectric detection is an important part of the semiconductor optoelectronics, semiconductor photodetectorare widely used in the field of optical fiber communications, infrared remote sensing. This article describes several new semiconductor photodetector structure, aims to explore the current status and development trends of the semiconductor photodetector. Keywords: Photodetector , Position sensitive detector, Infrared detectors 一、引言 半导体光电探测器是利用半导体材料的光电效应来接收和探测光信号的器件,它通过吸收光子产生电子-空穴对,从而在外电路产生与入射光强度成正比的光电流以方便测量入射光。半导体光电探测器由于体积小,重量轻,响应速度快,灵敏度高,易于与其他半导体器件集成,是光源的最理想探测器,可广泛用于光通信、信号处理、传感系统和测量系统。随着现代科学技术的发展,特别是光电子技术的发展,现代武器装备的精度和性能有了很大的提高,使现代战争具备了新的特点。半导体光电探测器是军用光电子设备和系统的关键器件,已广泛用于军事领域。军用光电子设备是指利用半导体光电探测器探测、变换、传输、存储、处理光和辐射的各种军事装置,半导体光电探测器技术在军事上的应用,大大扩展了作战的时域、空域和频域,影响和改变了传统的作战方式和效率,并在许多方面提高了武器的威力、作战指挥、战场管理能力。半导体光电探测器器件在新型武器系统中起着不可替代的作用。 目前,半导体光电探测器已有很大进展,这将大大提高军用光电子装备的性能和竞争力。在军事领域中,最为广泛应用的半导体光电探测器是光电探测器(PD)、位敏探测器(PSD)和红外探测器。 二、光电探测器最新进展 近年来光电探测器的研究引起人们的重视,在标准CMOS工艺下的Si光电探测器的发展更是取得了瞩目的结果。2005是CMOS发表的量较大的时期,同时在这一阶段的光电探测器的发展也呈现逐年上升趋势,光电探测器的的应用范围也在逐步的扩大,为我们以后的研究开发奠定了一定的发展空间。在现在这个注重创新与节能的时代,光电探测器的有着不可替代的作用,在工业及军事等各个领域都有着广阔的发展前景。 2.1硅基光电探测器]1[

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