第三章之第二部分光电三极管

3.3.2 光电三极管的基本结构 光电晶体管和普通晶体管类似，也有电流放大 作用。只是它的集电极电流不只是受基极电路 的电流控制，也可以受光的控制。 光电晶体管的外形，有光窗、集电极引出线、 发射极引出线和基极引出线(有的没有)。 制作材料一般为半导体硅，管型为NPN型， 国产器件称为3DU系列。

光电晶体管的灵敏度比光电二极管高， 输出电流也比光电二极管大，多为毫安 级。 但它的光电特性不如光电二极管好，在 较强的光照下，光电流与照度不成线性 关系。 所以光电晶体管多用来作光电开关元件 或光电逻辑元件。

正常运用时，集电极加正电压。因此，集 电结为反偏臵，发射结为正偏臵，集电结 为光电结。 当光照到集电结上时，集电结即产生光电 流Ip向基区注入，同时在集电极电路即产 生了一个被放大的电流Ic(=Ie=(1+β )Ip)β为电流放大倍数。 因此，光电晶体管的电流放大作用与普通 晶体管在上偏流电路中接一个光电二极管 的作用是完全相同的。

光电三极管的工作原理Vo

集电极

集电极

cIp Ic Ib

b

e

基极

发射极

发射极

I c I p I p 1 I p光敏三极管的结构原理、工作原理和电气图形符号

光电三极管的工作原理工作过程：一、光电转换；二、光电流放大VCC

基本 应用 电路

VCC

达林顿光电三极管电路 为了提高光电三极管的频率响应、增益和减小 体积。将光电二极管、三极管制作在一个硅片上 构成集成器件

光电三极管的主要特性： 光谱特性光电三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。当入射光的 波长增加时，相对灵敏度要下降。因为光子能量太小，不足以 激发电子空穴对。当入射光的波长缩短时，相对灵敏度也下降， 这是由于光子在半导体表面附近就被吸收，并且在表面激发的 电子空穴对不能到达PN结，因而使相对灵敏度下降。100 相 对 80 灵 敏 60 度 40 20 0 4000 8000 12000 16000

硅

硅的峰值波长为900nm,锗 的峰值波长为1500nm。由 锗 于锗管的暗电流比硅管大， 因此锗管的性能较差。故 在可见光或探测赤热状态 物体时，一般选用硅管； 但对红外线进行探测时,则 入射光 采用锗管较合适。λ/nm

/%

伏安特性光电三极管的伏安特性曲线如图所示。光电三极管在不 同的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基极电流时 的输出特性一样。因此，只要将入射光照在发射极e与基极b之 间的PN结附近，所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三 极管看作一般的晶体管。光电三极管能把光信号变成电信号， 而且输出的电信号较大。I/mA

伏安特

性

6 4 2 020 40

2500lx 2000lx 1500lx 1000lx

500lxU/V

60

80

光照特性光电三极管的光照特性如图所示。它给出了光敏三 极管的输出电流 I 和照度之间的关系。它们之间呈现 了近似线性关系。当光照足够大(几klx)时，会出现饱 和现象，从而使光电三极管既可作线性转换元件，也可 作开关元件。I/μA

3.0 2.0

1.00 200 400 600 800 1000

L/lx

光敏晶体管的光照特性

温度特性光电三极管的温度特性曲线反映的是光电三极管的暗电流及 光电流与温度的关系。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流 的影响很小，而对暗电流的影响很大.所以电子线路中应该对暗 电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。暗电流/mA50

光电流/mA400 300 200 100 0

25 0 10 20 30 40 50 60 70

T /º C

10 20 30 40 50 60 70 80

T/º C

光电三极管的温度特性

频率特性光电三极管的频率特性曲线如图所示。光电三极管的频率特 性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。一般来 说，光电三极管的频率响应比光电二极管差。对于锗管，入射光 的调制频率要求在5kHz以下。硅管的频率响应要比锗管好。

相100 对 80 灵 60 敏 度 40 /% 20 0 100

光电三极管的频率特性

RL=100kΩ 500

RL=1kΩ

1000

RL=10kΩ

5000 10000 调制频率 / Hz

光电三极管的应用电路光电三极管主要应用于开关控制电路及逻辑电路。

J A R1 R23DG12 V

R1 A R2

J3DG12 V

1.亮通光电控制电路 当有光线照射于光 电器件上时，使继电器

有足够的电流而动作，这种电路称为亮通光电 控制电路，也叫明通控 制电路。最简单的亮通 电路如图所示。

2.暗通光电控制电路 如果光电继电器不受光

照时能使继电器动作，而受光照时继电器释放，则

称它为暗通控制电路。另一种方法是在亮通电路的基础上加一级倒相器，也可完 成暗通电路的作用。 要说明的是，亮通和暗通是相对而言的，以上分析都是假 定继电器高压开关工作在常开状态，如工作在常闭状态，则亮 通和暗通也就反过来。

3、路灯、霓虹灯的自动控制电路如要求路灯控制灵敏，可采用如图电路。

防止闪电等短时干扰的路灯控制电路

印刷机纸张监控器印刷机纸张监控器可以自动监测每次印刷的纸张是 否为一张，如果不是一张则发出报警讯响，停止印刷， 待整理好纸张后，再开始工作。

光控电焊眼罩

汽车车灯全自动控制器

3.3.3 光电倍增管Photo-Multiplier tube (PMT)光电倍增管是建立在光电子发射效应、二次电子发 射效应和电子光学理论的基础上，能够将微弱光信号转 换成光电子并获得倍增效应的真空光电发射器件。

真空光电管光束 阴极 抽真空 e 阳极丝(Ni) 直流放

大

R - 90V DC + 阴极表面可涂渍不同光敏物质：高灵敏(K,Cs,Sb其中二者)、红光敏 (Na/K/Cs/Sb, Ag/O/Cs)、紫外光敏、平坦响应(Ga/As,响应受波长影响 小)。产生的光电流约为硒光电池的1/10。 优点：阻抗大，电流易放大；响应快；应用广。 缺点：有微小暗电流(Dark current,40K的放射线激发)。

光电倍增管的结构及工作原理倍增极阳极

阴极在光照下发射出光电子，光电子受到电极间电场作 用获得较大能量打在倍增电极上，产生二次电子发射，经过 多极倍增的光电子到达阳极被收集而形成阳极电流，随光信 号的变化。在倍增极不变的条件下，阳极电流随光信号变化 。

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