光信号示波器接收头研制的设计.docx

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1、光电传感器是将光转化成电的器件。由于它的精度高，反应快，在军事、 民用电器和工业控制上的应用十分广泛。本文首先分析了光电传感器的特点、分 类和发展现状，提出使用PIN光电二极管的原因，并详细介绍其特点。在设计要 求下，分析实现的方法和途径。由于PIN光电二极管输出为电流，而示波器显示 一般用电压，所以用电流-电压转换电路实现电流到电压的转换。这样就能实现在 示波器上显示光信号了，即达到了目的。在整个电路中也要考虑放大的问题。但是在实现电流-电压转换的时候，用 的电流-电压反馈电路，我们可以在反馈电阻的使用上达到目的，即在光电二极管 的光电流一定的前提下，反馈电阻越大，电压越大。同时，我们还可以

2、根据示波 器本身电压倍数可以调节，来达到放大电路的目的。任何电路都不能离开电源。在本设计中，要使用到集成运放CA3140o我们 使用220V-9V的变压器，再利用交流直流转换器，实现交流到直流的转换，并用 电容调整波形，最后提供直流电源。当然，上面所提到的只是设计的思路，我们还需要仿真模拟。在本设计中, 我们使用了电路仿真软件multisim。在该软件中，我们得到了理想的仿真结果， 达到了设计的要求。关键词：PIN光电二极管，电流电压转换，multisim仿真软件2 PIN光电二极管重庆大学本科学生毕业设计（论文）2 PIN光电二极管2.1 光电效应简单的说，在光的照射下，使物体中的电子脱出的

3、现象叫做光电效应 （Photoelectriceffect）金属表面在光辐照作用下发射电子的效应，发射出来的电 子叫做光电子。光波长小于某一临界值时方能发射电子，即极限频率和极限波长。 临界值取决于金属材料，而发射电子的能量取决于光的波长而与光强度无关，光电 效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏打效应。前一种现象发生在物体表面, 又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。光电效应有四个实验规律：a.阴极（发射光电子的金属材料）发射的光电子 数和照射发光强度成正比。b.光电子脱出物体时的初速度和照射光的频率有关 而和发光强度无关。这就是说，光电子的初动能只和照射光的频率有关而和

4、发光 强度无关。c.仅当照射物体的光频率不小于某个确定值时，物体才能发出光电 子，这个频率叫做极限频率（或叫做截止频率），相应的波长人。叫做红限波长。不 同物质的极限频率和相应的红限波长入。是不同的。d.从实验知道，产生光电流 的过程非常快，一般不超过K9秒；停止用光照射，光电流也就立即停止。这表 明，光电效应是瞬时的。半导体的电学性质取决于半导体中电子的运动状态。当光束投射到半导体表 面时，进入体内的光子如果直接与电子作用（吸收、动量传递等），引起电子运动 状态的改变，则半导体的电学性质随之发生改变，这类现象统称为半导体的光电 效应。光电效应有许多种，按照是否发射电子，光电效应分为内光电效应

5、和外光电 效应。内光电效应又包括光电导效应、光伏效应、光子牵引效应和光磁电效应等。在光电效应中，光子直接与物质中的电子相互作用。物质吸收光子后，将引 起物质内部电子能态的改变。这种改变与光子的能量大小有关，所以光电效应是 一种波长选择性物理效应。2. 1. 1光电导效应半导体的导电性能与其中的自由载流子浓度有关，某一温度下，由于热激发 电子从不断振动的晶格中获得能量，从价带跃迁到导带，从而产生自由载流子。 同时由于复合作用自由载流子不断减少。在一定温度下，上述两个过程达到动态 平衡，这时半导体中的自由载流子成为“热平衡载流子”。如果半导体受到光照,2 PIN光电二极管2 PIN光电二极管重庆大

6、学本科学生毕业设计（论文）则入射光子将激发出新的载流子，该半导体的电导率增大。半导体材料吸收光辐 射而产生载流子，从而使半导体的电导率发生变化的现象称为光电导效应。根据 半导体材料对光辐射吸收类型不同，光电导效应又分为本征光电导效应和非本征 光电导效应。对本征半导体，当无光照时，由于热激发只有少数电子从价带跃迁至导带。 这时半导体的电导率很低，并定义为：0 = 6（5“+式（2.1）no和po分别为无光照射时电子和空穴浓度，Un和Up分别为电子和空穴的迁 移率，。称为半导体材料的暗电导。当光入射到半导体材料上时，半导体价带中的电子吸收光子后从价带跃迁到 导带，产生电子一空穴对，从而使半导体的电

7、导率增大，这种现象称为本征光电 导效应。光电导效应实际上是非平衡多数载流子过程。使电子从价带跃迁到导带,入射光子能量至少要和本征半导体的禁带宽度一 样大，因此要求：hvN Eg式（2.2）或写为:he/A Eg式（2.3）式中，v是入射光频率，入是光波长，c是光速，h是普朗克常量。本征半导体的截止波长为：入o=l. 24/Eg （ev）,波长大于X。的光辐射不能产 生光电导效应。上式表明，本征半导体的禁带宽度Eg越小，则入。越大。选择Eg不同的半 导体材料可制成截止波长不同的光电导探测器。入射光激发非本征半导体中杂质能级上的束缚态电子或空穴而产生的光生 载流子，从而使电导率发生变化的现象称为非

8、本征光电导效应。非本征半导体材 料的禁带宽度远小于本征半导体材料的禁带宽度，所以非本征光电导的入。远大于 本征光电导的波长人。2 PIN光电二极管重庆大学本科学生毕业设计（论文）2. 1.2光伏效应由半导体理论可知，在半导体p-n结的n区导带中有较多的电子，在P区 价带中有较多的空穴。p-n结中由于存在载流子浓度梯度，便发生电子向P区、 空穴向n区的扩散。扩散的结果使p区带负电，n区带正电，中间形成耗尽区， 同时产生由耗尽区引起的内建电场，内建电场将阻止电子继续向P区扩散，阻止 空穴继续向n区扩散，这时p-n结处于平衡状态。在入射光作用下，如果光子能量大于禁带宽度Eg,则在P区、结区和n区 都

9、会引起本征激发而产生电子空穴对，破坏原来的平衡状态。结区中的光生载流 子在结区内建电场的作用下向相反方向运动，P区的空穴穿过p-n结进入n区，n 区的电子进入P区。若p-n结处于开路状态，这些光生载流子就积累在p-n结附 近，使P区获得附加的负电荷.n区获得附加的正电荷。结果使P区电势降低，n 区电势升高。于是在PF结两端形成了光生电动势，这种现象称为光伏效应。由 于光照产生的载流子各自向相反的方向运动，结果在p-n结内部形成自n区向P 区的光生电流Ip,它与漂移电流方向相同，与扩散电流方向相反。O Q G) |MILSJ-a图2. 1结构示意图与光电导效应相反，光伏效应是一种少数载流子过程。

10、少数载流子的寿命 通常短于多数载流子的寿命，当少数载流子复合掉时，光伏信号就终止了。由于 这个原因，基于光伏效应的光探测器通常比相同材料制作的光电导探测器的响应 更快。学带短T2 PIN光电二极管2 PIN光电二极管重庆大学本科学生毕业设计（论文）图2. 2 能带水意图PIN光电二极管结构PIN光电二极管开始加工的硅片是一块接近本征的单晶，称为I层，它有很 高的电阻率和很长的载流子寿命。但完全没有杂质的本征层是很难实现的，P区 和N区分别利用扩散或离子注入加工到硅片表面，形成阳极和阴极。这两个极既 可以做在硅片两面，也可以做在同一面的不同区域。由于光敏二极管并非用于射 频状态下，所以对特征频率

11、和传输时间无特殊要求，通常我们采用两个极做在硅 片同一面的方式，这样的好处还可以增大光感应的面积，提高感应灵敏度。图2. 3 PIN结构图为了改善响应速度和转换效率，显然，适当的加大耗尽层宽度是有利的，为 此在制造时、在P型材料和N型材料之间加一层轻掺杂的N型材料，称为1（ Intrinsic, 本征的）层，由于是轻掺杂，故电子的浓度很低，经扩散作用后可形成一个很宽的 耗尽层。另外，为了降低p-n结两端的接触电阻，以便与外电路连接，将两端的材 料做成重掺杂的P+层和N十层，此即PIN光电二极管。PIN管在低频状态下的V特 性类似于PN结的V特性。其两端加反向偏压，电源电场与内建电场同向，合成结

12、 电场使耗尽区在整个I区扩展。当能量大于材料禁带宽度的光子射入时，生成光生2 PIN光电二极管2 PIN光电二极管重庆大学本科学生毕业设计（论文）载流子，进入耗尽区，并向两端漂移，形成光生电流。这样由于本征区的引入而 使得耗尽区长度增加，光生载流子进入耗尽区的几率增大，且光生载流子获得比 扩散速度高得多的漂移速度，使量子效率和响应速度都得到很大提高。图2.4 PIN光电二极管结构和能带示意图当PIN管两端加上正向的偏压后，PI结和NI结的势垒降低，P区空穴和N区电子 不断注入到I区，不断复合，注入的电子和空穴使I区电导增加，呈现出低阻抗。2.2 PIN光电二极管的主要特性伏安特性PIN光电二极

13、管是反偏压工作，其伏安特性可表现为:式（2.4），乜图4,式中，I是流过二极管的总电流;I。为反向饱和电流；e为电子电荷；k为玻尔兹曼常数;T为工作温度;v为加在二极管两端的电压；。是光电流。其特性曲线如图:图2.5 PIN光电二极管的伏安特性曲线102 PIN光电二极管重庆大学本科学生毕业设计（论文）在工作反便电压一定的情况下，光电流。正比与入射光功率P。，其关系式为:式(2.5)其中，hf是频率为f的光子能量;h为普朗克常数；n为量子效率。利用这线 性关系，就可以对光信号进行直接检测，转换成电信号。2. 3. 2量子效率T|量子效率n是光电二极管灵敏度的一个量度。它是指在光电二极管中产生的

14、 电子一空穴对数与入射的光子数之比：式(2.6)=光生电子-空穴对数二/力”入射光子数 p j国产光电二极管的量子效率一般在3095%之间。3. 3. 3响应度Ro响应度是表征光电二极管灵敏度的另一个物理量，它的定义是指光电检测器 的平均输出电流。与其平均入射光功率P。的比值：=Zp =（A/W）式（2.7）A Po hf可见，检测器的量子效率高，其响应便越高，即光电转换效率越高。国电光 电管的响应或灵敏度一般在0. 30. 5 A/ W范围内。4. 3. 4响应速度光电二极管的响应速度取决于它们的响应时间。响应时间是指它的光电响应 时间，即从它接收到光子时起到它能够有光生电流输出的这段时间。光电二极管 的响应时间的长短反映了光电转换速度的快慢。目前，国产光电检测器件的响应 时间分别为:PING ns; APD D4导通；对D1、D3加反向电压，Di、