光敏二极管和光敏三极管的结构原理

利用物体在光线作用下产生一定向的电动势的“阻挡层光电效应”器件,除光电池外,还有光敏二极管和光敏三极管。

  利用物体在光线作用下产生一定向的电动势的“阻挡层光电效应”器件,除光电池外,还有光敏二极管和光敏三极管。


光敏二极管和光敏三极管

  大多数半导体二极管和三极管都是对光敏感的。也就是说,当二极管或三极管的P-N结受到光照射时,通过P-N结的电流将增大。因此,常规的二极管和三极管都用金属罐或其他壳体密封起来,以防光照。但是光电导结型光敏管则必须使P-N结能受到最大的光照射。

  为了便于接受光照,光敏二极管的P-N结装在管的顶部,上面有一个用透镜制成的窗口,以便使入射光集中在P-N结上。

  光敏二极管在电路中往往工作在反向偏置,如下图a所示。


光敏二极管

  这时流过的反向电流很小,这是因为P型材料中的电子和N型中的空穴很少。但是当光照射在P-N结上时,在耗尽区内,吸收光子而激发出的电子-空穴对越过结区,使少数载流子的浓度大大增加,因此通过P-N结产生稳态光电流。和光敏电阻的情况相同,入射光子必须具有足够的能量使电子越过材料价带和导带之间的能隙。由于漂过光敏二极管结区后的电子-空穴对立刻被重新俘获,故其增益系数为1。

  此外,还有雪崩光敏二极管,它通过反向电压击穿,引起电流增益,它类似光电倍增管的工作原理:当反向偏置接近反向击穿电压时,一个入射光子激发出一个电子,电子通过碰撞电离又产生更多的二次电子-空穴对。因此雪崩光敏二极管的功率比上述一般光敏二极管大104倍。

  光敏三极管的结构与光敏二极管相似,不过它具有两个P-N结,大多数光敏三极管的基极无引出线。当有光照时,一个反向偏置结能给出几μA电流;在同样条件下,三极管的集电极-基极结能产生几mA电流,即该结中激发的光电流将放大hfe倍(三极管的电流放大系数)。又因为光敏三极管壳体的顶部是用透明材料做成的集光镜,这样,如下图b中示出的PNP型光敏管能把光线聚焦在N型材料上,作用面积可达到0.1cm2,从而增大了P-N结中流过的电流。所以,光敏三极管比光敏二极管具有更高的灵敏度。


光敏三极管

  当场效应三极管的构造能使光线聚焦照射到栅极时,则可当作光敏三极管使用,如下图c所示。


光敏场效应三极管

  光照使栅流增大,从而使栅阻尺两端电压降增大。这个电压变化又反过来影响从源极到漏极的主电流,从而使负载电阻两端的电压降也增大,这个电压降是输出信号,可用来操纵继电器等控制器件进行工作。

  光敏二极管和三极管的体积很小,所需偏置电压不大于几十伏。光敏二极管有很高的带宽,而雪崩光敏二极管的性能可与光电倍增管相媲美。光敏二极管在光耦合隔离器、光学数据传输装置和测试技术中得到广泛应用。光敏三极管的带宽较窄,但作为一种高电流响应器件,应用十分广泛。

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