Question

报警器原理

Answer 1

光电三极管也称光敏三极管，它的电流受外部光照控制。是一种半导体光电器件。比光电二极管灵敏得多，光照集中电结附近区域。
利用雪崩倍增效应可获得具有内增益的半导体光电二极管（APD）,而采用一般晶体管放大原理，可得到另一种具有电流内增益的光伏探测器，即光电三极管。它的普通双极晶体管十分相似，都是由两个十分靠近的p-n结-------发射结和集电结构成，并均具有电流发大作用。为了充分吸收光子，光电三极管则需要一个较大的受光面，所以，它的响应频率远低于光电二极管。[1]
2.1机构与工作原理
光电三极管是一种相当于在基极和集电极之间接有光电二极管的普通三极管，因此，结构与一般晶体管类似，但也有其特殊地方。如图2.1.1所示。图中e.b.c分别表示光电三极管的发射极.基极和集电极。正常工作时保证基极--集电极结（b—c结）为反偏正状态，并作为受光结（即基区为光照区）。光电三极管通常有npn和pnp型两种结构。常用的材料有硅和锗。例如用硅材料制作的npn结构有3DU型，pnp型有3GU型。采用硅的npn型光电三极管其暗电流比锗光电三极管小，且受温度变化影响小，所以得到了广泛应用。[2]
光电三极管的工作有两个过程，一是光电转换;二是光电流放大。光电转换过程是在集---基结内进行，它与一般光电二极管相同。[3]当集电极加上相对于发射极为正向电压而基极开路时（见图2.1.1（b）），则b--c结处于反向偏压状态。无光照时，由于热激发而产生的少数载流子，电子从基极进入集电极，空穴则从集电极移向基极，在外电路中有电流（即暗电流）流过。当光照射基区时，在该区产生电子---空穴对，光生电子在内电场作用下漂移到集电极，形成光电流，这一过程类似于光电二极管。于此同时，空穴则留在基区，使基极的电位升高，发射极便有大量电子经基极流向集电极，总的集电极电流为
IC=IP +βI P=（1+β）IP 2.1.1

图2.1.1光电三极管结构及工作原理
（a）结构示意图 （b）光电变换原理 （c）电流放大作用
式中β为共发射极电流放大倍数。因此，光电三极管等效于一个光电二极管与一般晶体管基极---集电极结的并联。它是把基极---集电极光电二极管的电流（光电流IP）放大β倍的光伏探测器，可用图2.1.1（c）来表示。与一般晶体管不同的是集电极电流IC由基极---集电极结上产生的光电流IP=Ib控制。也就是说，集电结起双重作用，一是把光信号变成电信号起光电二极管的作用；二是将光电流放大，起一般晶体三极管的集电极的作用。[4]

2.2光电三极管的等效电路
根据光电三极管的工作原理，我们可以比较容易的画出他的等效电路。由于它的集电结势垒电容Ccb远小于发射结势垒电容Cbe,我们可以得到如图2.2.1光电三极管的交流等效电路，图中ip为集电结光电二极管的电流源，Cbe为发射结电容；rbe为发射结正向微分交流电阻；iLw为放大后的电流源；iL=βip;β为光电三极管的放大倍数；Rce为集电极发射极电阻；Cce为集电极发射极间电容；RL为负载电阻。由图5--40等效电路，

图 2.2.1 光电三极管交流等效电流
（a）符号 （b）等效电路
可以得到负载电阻两端的输出电压V0为
2.2.1
式中， ， 为入射光信号的角频率，选择合适的负载，使得 ，则 ,输出电压为
2.2.2
由上式可看出，当输入光信号时，由于发射结电容相对较大，造成对信号的分流，将使有效输出信号减小。此外，电容 的旁路也会减少流过 的输出电流。利用光电三极管的等效电路在计算机和分析它的时间响应和输出外特性是非常方便的。[5]

2.3光电三极管的特性参数
2.3.1伏安特性
图2.3.1表示光电三极管的 关系曲线。由图可见，光电三极管在偏压为零时，集电流为零。当有光照时，光电三极管输出电流比同样光照下光电二极管的输出电流大 倍。图中曲线还表明，在光功率等间距增大的情况下，输出电流并不等间距增大，这是由于电流放大倍数 随信号光电流的增大而增大所引起的。

图2.3.1 光电三极管 关系曲线
2.3.2频率响应
光电三极管的频率响应与 结的结构及外电路有关。通常需考虑：少数载流子对发射结和收集结势垒电容（ 和 ）的充放电时间;少数载流子渡越基区所需时间；少数载流子扫过收集势垒区的渡越时间；通过收集结到达收集区的电流流经收集区及外负载电阻产生的结压将，使收集结电荷量改变的时间常数。于是光电三极管总响应时间应为上述各个时间之和。因此，光电三极管的响应时间比光电二极管的要长的多。由于光电三极管广泛应用于各种光电控制系统，其输入光信号多为脉冲信号，即工作在大信号或开关状态，因而光电三极管的响应时间或响应频率将是光电三极管的重要参数。[6]
为改善光电三极管的响应频率，从光电三极管的等效电路可知道应尽可能减少 和 时间常数。一方面在工艺上设法减小结电容 . 等；另一方面要合理选择负载电阻 ，减小电路时间常数。图2.3.2给出了在不同负载电阻 下，光电三极管输出电压的相对值与入射光调制频率的关系。由图可知， 愈大，高频响应将愈差。减小 可以改善频率特性。但 降低会导致输出电压下降。因此，在实际使用时，合理选择 和利用高增益运算放大器作后级电压放大，可得到高的输出电压并改善频率响应。此外，为改善频率响应，减小体积，提高增益，电路上常采用高增益.低输入阻抗的运算放大器与之配合。图2.3.3（a）（b）分别表示达林顿光电晶体管的集成电路示意图。实际使用光电三极管时常采用带基极引线的光电三极管，并提供一定的基极电流。对无基极引线的光电三极管，则给予一定照度的背景光，使其工作于线性放大区，以得到较大的集电极电流，这将有利于提高光电三极管的频率响应。图2.3.4给出了光电三极管响应时间与集电极电流 的关系，由图可知，增加集电极电流 可减小光电三极管的响应时间，即提高光电三极管的工作频率。[7]

图2.3.2光电三极管的频率响应曲线 图2.3.3 光电三极管达林顿集成电路示意图
（a）光电二极管--晶体管；（b）达林顿光电晶体管

图2.3.4光电三极管响应度时间与集电极电流 的关系曲线
与光电二极管相比较，光电三极管频率响应较低，不宜使用于高速，宽带的光电探测系统中，但由于其响应率高，具有电流内增益，故在一般光电探测系统中仍得到广泛应用。