半导体光伏型探测器件及其在安防中的应用

       半导体光伏型探测器件（PV器件）也称为结型器件，它是少数载流子导电的光生伏特效应器件，如光电池、光电二极管（或光敏二极管）与光电三极管（或光敏三极管）等。显然，它们与多数载流子导电的光电导型器件（PC器件）有很大差别，如响应速度快、线性好、暗电流小、噪声低、受温度影响小等是光电导型器件无法比拟的。两者的具体区别主要体现在如下6个方面。

     （1）产生光电变换的部位不同。光敏电阻不管哪一部分受光，其受光部分的电导率就增大,是一种多数载流子的光电导效应；而结型器件，只有照射到PN结区或结区附近的光才能产生非平衡载流子，是一种少数载流子的光生伏特效应。光在其他部位产生的非平衡载流子，大部分在扩散中被复合掉，只有少部分通过结区，但又被结电场所分离，因此对光电流基本上没有贡献。 

       (2)器件连接不同。光敏电阻没有极性，因而使用方便，可任意外加电压；而结型光电器件则有确定的正负极性，不能接错，但光电池可在没有外加电压下也可把光信号转换成电信号。

       (3)响应时间与频率特性不同。光敏电阻的光电导效应主要依赖于载流子的产生与复合运动，时间常数较大，频率响应较差；而结型器件的电场主要加在结区，其光电效应主要依赖于结区的非平衡载流子的运动，弛豫过程的时间常数相应较小，因此响应速度较快。

       (4)工作电流与灵敏度不同。光敏电阻有灵敏度高、工作电流大(达数mA)的特点；而结型器件一般较小，但光电三极管、雪崩光电二极管等有较大的内增益作用，因此灵敏度也较高，也可以通过较大的电流。

       (5)光谱响应与光电线性不同。光敏电阻有对微弱辐射的探测能力与光谱响应宽的特点。因为光敏电阻的光电特性不像光伏器件线性好而为非线性，但在很低照度下呈线性，且灵敏度高，因而有对微弱辐射的探测能力；并且光敏电阻的光谱响应比光伏器件宽，尤其在红外波段,如PbS光敏电阻的光谱响应范围为400-2800nm,因而常用于火点探测与火灾预/报警系统。

       (6)应用场合不同。CdS光敏电阻的感光特性与人眼最接近，适于作照相机曝光表与空气烟尘检测器等可见光装置；光敏二极与三极管的最佳响应特性在近红外区，适于红外遥控、红外光束阻断报警器等装置。

       光电池是一种最简单的光伏型器件，目前应用较多的有硒光电池、硅光电池、薄膜光电池、紫光电池和异质结光电池。硒光电池因光谱特性与人眼视觉很相近，频谱较宽，故多用于曝光表及照度计；硅光电池与其他半导体光电池相比，是目前转换效率最高的(已过17%)；薄膜光电池是把硫化镉等材料制成薄膜结构，以减轻质量、简化阵列结构，提高抗辐射能力和降低成本；紫光电池是把硅光电池的PN结减薄至结深为0.2〜0.3μm,光谱响应峰值移到600nm左右，来提高短波响应，以适应外层空间使用：异质结光电池入射光几乎全透过宽带材料一侧,而在结区窄禁带材料中被吸收产生电子-空穴对，以提高入射光的收集效率，获得高于同质结硅光电池的转换效率，理论上最大可达30%。

图3-17   硅光电池结构示意图

       光电池的原理是基于一个PN结的光生伏特效应，一般做成面积较大的薄片状，来接收更多的入射光。图3-17是硅光电池结构示意图，它是用单晶硅组成的。国产同质结硅光电池因衬底材料导电类型不同而分成2CR型与2DR型两类。2CR型硅光电池，是在一块以N型硅作衬底的硅片上，扩散P型杂质(如硼)，形成一个扩散P*N结，P型杂质为受光面;2DR型硅光电池，是在一块以P型硅作衬底的硅片上，扩散N型杂质(如磷)，形成一个扩散N+P结。一般，用做光电探测器的多为P+N型，即2CR型。N+P型硅光电池具有较强的抗辐射能力，适合空间应用，作为航天的太阳能电池，即2DR型。 

       (1)输出特性。PN结光电池伏安特性曲线在无光照时与普通半导体二极管相同，有光照时沿电流轴方向平移。平移幅度与光照度成正比，如图3-18所示。曲线与电压轴的交点称为开路电压U°c,与电流轴的交点称为短路电流图3-19是光电池的等效电路。

图3-18    光电池伏安特性曲线               图3-19   光电池等效电路

 

 

     其伏安特性曲线方程为

式中，q为电子电荷量；k为玻耳兹曼常量；T为热力学温度；U为光电池输出电压；IL为光电池等效电路中的恒流源；Is为光电池等效二极管反向饱和电流；Rd为光电池等效电路中串联电阻(内阻)。通常,Rd很小，可忽略，则式(3-29)变为

式中，第一项为光电流，第二项为普通二极管表达式，其中

IL=SL                                   (3-31)

式中，S为光电灵敏度(μA/lx或mA/mW)；L为入射光强度(lx或mW)。由式(3-30)可知，当时，得到开路电压为

当U=0时，得到短路电流为

从式(3-33)可以看出，人c与光照强度成正比，而从式(3-32)来看，由于丘》&,故/L//s》l，因而

        从式(3-34)可看出，与入射光强度的对数成正比。在同一片光电池上，当光照强度一定时，&与受光面积成正比，与受光面积的对数成正比。把光电池用于探测器时，通常以电流源形式使用。实际使用时都外接有负载电阻RL,当RL相比光电池内阻R要小时，可以认为接近于短路。当光电池用作为探测器时，为保持光电流和光强的线性关系，可选取合适的负载。不言而喻，负载电阻越小，线性度越好，且线性范围越广，如图3-20所示。 

图3-20   输出电流与照度关系

        当光电池两端接负载RL时，设流过RL的电流为ILS,其上的电压降为ULS,则RL上产生的电功率为PL=ULs/LS。PL与入射光功率之比称为光电池的转换效率η。图3-21示岀了输出电压ULS、输出电流/LS、输出功率PLS随负载RL变化关系的曲线。由图3-21看岀，ULS随RL加大而升高。当RL为∞时，ULS等于开路电压Uoc；RL为低阻时，/LS趋近于短路电流Isc,当RL=0时，随着RL变化，输出功率PL也变化；当RL=RM时，PL为最大值PM,即在负载电阻上获得最大功率输出，此时的负载电阻做称为最佳负载电阻。但值得注意的是，即使对同一光电池，如照度不同，RM也会不同。

       光电池的伏安特性曲线如图3-22所示，它可表示岀输出功率的大小。RL负载线就是过原点斜率为tanθ=/L/UL=I/RL的直线，该直线与特性曲线交于PL点,PL点在/轴和U轴上投影为输出电流/L和输出电压UL,输出功率PL等于矩形O/LPLUL的面积。若过UOc和Isc作特性曲线的切线，它们相交于PQ点，连接PQ点和原点o的直线即为最佳负载线，此直线与特性曲线交于PM,最大输出功率PM等于矩形OIMPMUM面积，此时流过负载RM上的电流为加，RM上的压降为UM。

       (2)光谱特性。硅光电池的光谱响应范围为0.4〜1.1μm,峰值波长为0.8〜0.9μm。硒光电池的光谱响应范围为0.34〜0.75μm,峰值波长为0.54μm。光电池光谱范围的长波阈取决于材料的禁带宽度，短波阈受材料表面反射损失的限制，其峰值波长不仅和材料有关，而且随制造工艺及使用环境温度不同而有所不同。

       (3)温度特性。光电池的温度特性曲线是描述Uoc及Isc随温度变化情况，如图3-23所示。随着温度的升高，硅光电池的光谱响应向长波方向移动，开路电压Uoc将下降。短路电流Isc略有上升。国产硅光电池的温度特性为温度每升高1°C,Uoc下降2〜3mV,Isc约上升78μA。当光电池作为检测器件使用时，就应考虑这种温度漂移而进行补偿，以保证测量精度。还应注意的是，当温度升高，转换效率就略有下降，这是对作为换能器的光电池所应考虑的。 

      (4)频率特性。光电池的响应时间由PN结电容和负载电阻RL的乘积决定，而结电容与器件面积成正比，故在要求较高频率特性的探测电路中，宜选用小面积的光电池较为有利。显然,如果负载选择得当，可以获得较高的频率特性。 

光电池的应用主要有以下两个方面。

       (1)利用光电池作为探测器件。光电池有着光敏面积大，频率响应高，光电流随照度线性变化等特点。因此，它既可作为光电开关应用，也可用于线性测量。它可按不同测量要求特制，如光栅测量中使用的四等分硅光电池组；还有把光电池制成两个对称半圆式、四象限式，其单片电池参数相差在10%以内，后续适用于差分放大电路。此外它还用在光电读数、激光准直、电影还音等装置上。

      (2)利用光电池将太阳能转变成电能。目前硅光电池能耐较强的辐射，转换效率较其他光电池高。为提高其功率，可将硅光电池单体经串与并联组成阵列结构。如单体经串联达到所需电源的电压、并联达到所需电源的电流，然后组成一个太阳电池组。在实用中，多与镣镉蓄电池配合,白天利用太阳能量给蓄电池充电，夜晚则由蓄电池供电。目前，多用它作为人造卫星、飞船、野外微波站、野外灯塔、海上与江河上的航标灯、无人气象站等无输电线路地区的电源供给。

光敏二极管和光电池的基本结构都是一个PN结，也是基于光生伏特效应原理工作的。但它与光电池的不同是：

       (1)结面积比光电池小，因而输出电流普遍比光电池小，一般在数μA到数十μA。

       (2)电阻率比光电池高(1000Ω/cm),而光电池仅0.1〜0.01Ω/cm。

       (3)制作衬底材料的掺杂浓度比光电池低(10¹²〜I0¹³原子数/cm3),而光电池为I16〜I019原子数/cm³。

       (4)全在反向偏置电压下工作，而光电池多工作在零偏。由于半导体硅的温度系数小，工艺最成熟，因此实际中多使用硅光敏二极管。

       光敏二极管与普通二极管相比，也有一个PN结，也属单向导电性的非线性元件。但光敏二极管在结构上特殊，如图3-24所示。为了获得尽可能大的光生电流，需要有较大的工作面,即PN结面积比普通二极管要大得多，且通常都以扩散层作为它的受光面，为此受光面上的电极做得较小；为了提高光电转换能力，PN结的深度较普通二极管浅；为了保证管子的稳定性、减小暗电流和防止光线的反射，在表面上还必须用二氧化硅作保护。

图3-24   典型光敏二极管结构

       国产硅光敏二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU与2DU两种类型。2CU型以N- Si为衬底，而2DU型则以P-Si为衬底。2CU型光敏二极管只有二个引出线，而2DU型则有三个引出线，因为除了前级和后级以外，还设有一个环极。加环极的目的是为了减少暗电流和噪声。因为2DU型是以P-Si为衬底，在二氧化硅保护膜中常含有少量的钠、钾、氢等正离子,它们的静电感应可使P-Si表面产生一个感应电子层，可使P-Si表面与N-Si连通。这样，当管子加反偏压时，从前级流出的暗电流除PN结的反向漏电流外，增加了表面感应层产生的漏电流。如设置一个N*-Si的环极把受光面N-Si包围起来，为这个感应电子层的漏电流提供一条不经过负载即可达到电源的通路，从而减小了流过负载的暗电流，也减小了噪声。而2CU型以N-Si为衬底，在它的表面产生不了电子感应层，因而就不需要加环极。

    （1）势垒区的厚度与电容。光敏二极管的重要工作区是势垒区，其厚度对光敏二极管的特性有着非常重要的影响。只要知道P区和N区的电荷分布，根据泊松方程，即可确定势垒区的电势降落和耗尽层的厚度

式中，pn为N型区的电阻率；μm为N型区的电子的迁移率；£为介电常数：U为外加电压。此时，我们可以求得面积为以的耗尽区电容Gj为

由于基体杂质浓度，所以式（2-36）可用更简单的形式表示，即

由此可知，越低的基体掺杂N和越高的反向电压U,可得到较低的势垒电容（结电容）。

     （2）光谱响应。图3-25是三种典型的光敏二极管的相对光谱响应曲线。由图可看出，它们的光谱响应从可见光一直延伸到近红外（硅为0.4〜1.1μm）,且在0.8〜0.9μm波段的响应最高，正好与砷化镓发光二极管或激光二极管的工作波长相匹配，而且对红光也有较高的灵敏度。

     （3）光敏二极管的输出特性。光敏二极管在反向偏压下的伏安特性如图3-26所示，曲线与纵坐标的交点即为零偏压时的光生电流。由图可见，在低反向电压下，光电流随电压的变化比较敏感。因为反向电压的施加，加大了耗尽层的宽度及电场强度，提高了光吸收效率及对载流子的收集系数。当反向电压进一步加大，对光生载流子的收集达到极限，光生电流趋向于饱和。此时，可视为恒流源，光生电流与所加的反向电压几乎无关，它仅取决于入射的光照强度。 

 

图3-25典型光敏二极管光谱响应                      图3-26光敏二极管伏安特性

      光敏二极管在较小的负载电阻下，光电流与入射光照度成正比，表现出非常好的线性。-般，硅光敏二极管的电流灵敏度，多在0.4〜0.5gA/μW数量级。

      （4）光敏二极管的频率响应。主要由载流子的渡越时间和RC时间常数来决定。

        ①载流子的渡越时间.无论是光生载流子向结区扩散，还是结电场中载流子的漂移，它们都有一定的弛豫时间，这个弛豫时间影响着光敏器件的频率响应。若暂时不考虑RC时间常数的影响，则二极管的频率响应由扩散与漂移两者中弛豫时间较长者来决定。

式中，wj为耗尽层厚度：Wp为P区厚度：Dn为P区电子的扩散系数；Vs为结电场中电子的饱和漂移速度（硅的Vs=5xl06cm/s）。

       一般，对于扩散型PN结光敏二极管的频率响应，主要由结两侧一个少子扩散长度范围内的区域中，光生少子扩散至结区所需的扩散时间来决定。而对于耗尽层型光敏二极管的频率响应，主要由光生少子在结区的漂移时间来决定。对不同波长的光，器件也有不同的频率响应，这对于扩散型PN结，光敏二极管尤为突出。波长越长的光在较深处被吸收，产生的少数载流子远离PN结，需较长的扩散时间才能被收集。而较短波长的光在靠近表面处被吸收，产生的少数载流子离结很近，它的扩散时间也就很短。正是由于这种原因，以耗尽区为主要工作区的光敏二极管优于这种扩散型的PN结光敏二极管。

      ②RC时间常数。图3-27为光敏二极管等效电路，其中Rsh为泄漏电阻，Rs为串联电阻。图中与Rsh并联的电容Cj为结电容，有时也称为耗尽层电容。在高频情况下，由于Cj形成的阻抗远小于Rsh,所以，图3-27（a）可以简化为图3-27（b）的形式。这样，RC时间常数为

图3-27   光敏二极管等效电路

       如果不考虑渡越时间对频率的影响，则切c就决定了器件的频率响应。在实际使用中，时间常数中的R应包括负载在内，C还与分布电容有关。

       由式（3-36）与式（3-39）可看出，要有好的频率响应，还必须做到：

       实际上，由于光敏二极管的结电容很小，它的频率响应很高，其带宽可达100kHz以上。

     （5）光敏二极管的温度特性。由于反向饱和电流对温度的强烈依赖性，光敏二极管的暗电流对温度的变化非常敏感，其光生电流与电压随温度的变化如图3-28所示。显然，与硅光电池一样，短路电流的变化率远小于开路电压的变化率，因此为了取得很好的温度特性，光敏二极管也应在较小的负载下使用。 

图3-28光敏二极管光生电流与电压随温度的变化

 

     （6）光敏二极管的噪声。主要是由电流在半导体内的散粒效应引起的散粒噪声-而光敏二极管的电流应包括暗电流2d、信号电流人与背景辐射引起的背景光电流K,因此光敏二极管的散粒噪声应为

       需要指出的是，光敏二极管自身的电流噪声比负载电阻和后接放大器的噪声要小得多，因此光敏二极管的探测能力常受负载电阻和放大器噪声的限制。

       光敏二极管的种类很多，就材料来分，有錯、硅制作的光敏二极管，也有III-V族化合物及其他化合物制作的二极管。从结特性来分，有PN结、PIN结、异质结、肖特基势垒型及点接触型等。从对光的响应来分，有用于紫外、可见及红外等种类。不同种类的光敏二极管，具有不同的性能。例如，错光敏二极管比硅光敏二极管在红外光区域有更大的灵敏度，这是由于铐材料的禁带宽度较硅小，其本征吸收限处于红外。因此，在近红外应用，错光敏二极管有较大的电流输出，但它比硅光敏二极管有较大的反向暗电流，因此它的噪声较大。又如，PIN型或雪崩型光敏二极管与扩散型PN结光敏二极管相比，具有很短的时间响应等。因此，了解光敏二极管的类型及性能，就可以在使用中进行合理的挑选。

     （1）扩散型PN结光敏二极管。即指耗尽层厚度比结的任何一边的扩散长度要小的二极管,它的工作区主要是结两边的扩散区，因此对光生电流的贡献主要是扩散流，而不是漂移流。由于扩散过程中的复合，使复合区产生的噪声较耗尽层型探测器的散粒噪声要大得多。此外，有外加电压时，两个扩散区内都出现一定的少数载流子积累，而且它的浓度随电压的变化而变化,这样就造成了一个附加的电容效应，它限制了扩散型PN结光敏二极管的频率响应特性。对于这种结的截止频率人，其近似表示式为

式中，D为基体少数载流子的扩散系数；不为扩散区宽度。

      改变杂质分布，使光照面附近产生一个增强的电场，频率响应会得到一定的改善。这就是缓变型PN结，但它的响应始终不如耗尽层型光敏二极管。

    （2）耗尽层型光敏二极管。又称为肖特基势垒光敏二极管，即金属和半导体接触形成的阻挡层（肖特基势垒）。这是指耗尽区比结的任一边的扩散长度大的管子，它的光电转换区域主要是在耗尽层内，光电流主要是由漂移电流引起的，这种管子响应时间短，有很高的频率响应,  可探测5~I0ns的光脉冲信号，且量子效率高。

       作为高频光电探测器的设计参数，半导体对光的吸收系数a和耗尽层厚度W极为重要。为了使来自基体的较慢的扩散流减至最小，必须使W>1/a.同时，小的耗尽层电容也需要有大的W。但是，如果W太大，高频响应反而会由于载流子的渡越时间(主要是漂移时间)而受到限制。在高电场中，电子的渡越时间为W/Vs。那么，截止频率fc为

式中，Vs为电子饱和漂移速度。对纯电阻性负载而言，有RCwc=1,这时会出现因RC时间常数所致的高频截止wc。耗尽层电容为

串联电阻R为

R=lp/!A                              (3-44)

式中，P为基体材料电阻率；/为除耗尽层以外的基体材料的厚度。实际上，R还应包括薄层电阻肖特基势垒中的薄金属层和接触电阻。但由于这种二极管基体的电阻率较高，因此主要考虑基体材料所形成的欧姆电阻。根据RCwc=1,结合式(3-43)与式(3-44)就可以得到截止频率为

由式(3-43)和式(3-45)看出，当选取的W为

时，就会有一个最佳的截止频率。这种二极管的主要优点是，在0.4-0.6μm波段的灵敏度高于。.般的硅光电二极管，其光敏面可以做得很大，且均匀性好，动态范围大，因而很适于四象限探测器，用于激光跟踪、定位、侦察、制导等系统。此外，用它做成的CCD混合焦平面阵列，其均匀性比一般红外探测器焦平面阵列均匀性高100倍以上，有利于提高系统的性能。

       (3)异质结光敏二极管。若将禁带宽度Eg不同的两种半导体材料做成异质PN结，即可构成异质结光敏二极管。通常，以务大的材料作为光接收面，如用Eg大的N-GaAs与P-Ge构成的异质结光敏二极管，当有光照时，能量大于N-GaAs的耳的光子将被GaAs吸收，若GaAs材料厚度大于光生载流子的扩散长度时，则能量大于N-GaAs的Eg的短波光子所产生的电子-空穴对将不能到达结区，因而对光电流没有贡献。而能量小于N-GaAs的Eg的长波光子能够通过GaAs材料而在P-Ge中被吸收而产生光电流。因此，异质结光敏二极管的宽禁带材料起着滤波作用，即把波长人W1.24/Egm(μm)的短波成分滤掉(Egm是宽禁带材料的禁带宽度)。这种异质结光敏二极管又称窄带自滤波探测器，它的光谱响应半宽度很窄，能较好地抑制背景噪声，所以异质结光敏二极管具有背景噪声低、量子效率高、信号均匀等特点，因而有广阔的应用前景。

        采用III〜V族化合物半导体如InxGai-xAs、InxGa1-xAsyPi-y、InxGa1-xAsySb1-y等固溶体三元系或四元系材料制成的异质结光敏二极管，可工作于1〜1.6μm波段，是光纤通信用的理想探测器。这种器件还可通过改变组分x来调节光谱响应范围，如InGaAsP系列异质结探测器，其峰值响应波长为1.06-1.2μm,长波限达1.35μm,量子效率达45%〜70%,暗电流1〜5μA/cm?,响应时间可从几个ns到几十ps量级，是响应速度非常快的器件。利用GaAs液相外延的方法制作的GaAsiSbx异质结探测器，仅有1nA的暗电流和近于0.1pF的结电容，响应频率高，也是良好的近红外高速探测器。采用Si/GexSi康及Si/SiSe做成的长波长异质结红外探测器，是近年来人们关注的材料和器件，其响应波长可做到10μm以上。 

        (4)PIN光敏二极管。扩散型PN结光敏二极管，对光电池的主要贡献是光生载流子的扩散流，因而会受到扩散时间与扩散过程中的复合所造成的噪声的影响。而肖特基势垒光敏二极管虽然没有这两方面的影响，但其表面金属薄层有很强烈的反射，从而阻挡了光线进入耗尽层。而扩散型PIN光敏二极管，就可兼有上述两种管子的优点。

        PIN光电二极管的结构和它在反向偏压下的电场分布，如图3-29所示。在高掺杂P型和N型半导体之间生长一层本征半导体材料或低掺杂半导体材料，称为1层。选择一定厚度的1层，使之近似于反偏压下的耗尽层厚度，就使PIN型光敏二极管具有甚至优于耗尽层型光敏二极管的高速响应特性。这种I层所起的作用是：

        ①因为相对P区及N区来说，I层是高阻区，在工作情况下，它承受着绝大部分的外加电压，使耗尽区增大，从而展宽光电转换的有效工作区域，提高量子效率与灵敏度。

        ②为了取得较大的PN结击穿电压，必须选择高电阻率的基体材料，这样势必增加串联电阻，使RC时间常数增大，影响管子的频率响应。而I层的存在，使击穿电压不再受到基体材料的限制，从而可选择低电阻率的基体材料，这样不但提高了击穿电压，即可承受较高的反向偏压，使线性输出范围变宽，而且减少了串联电阻和时间常数。

        ③由于I层的存在，使扩散区不会到达基体，从而减少或根本不存在少数载流子通过扩散区的扩散时间。而I层工作在反向，实际上是一个强电场区，对少数载流子起加速作用。即使I层较厚，对少数载流子的渡越时间影响也不大，这就提高了响应速度。其响应时间为l〜3ns,最短达0.1ns。

        ④反偏下，耗尽层较无I层时要大得多，从而使结电容下降，一般结电容为零点几到几个pF,从而提高频率响应。

        为完全消除扩散电流的影响，釆用类似于半导体激光器中的双异质结构，因为可通过选择P区、N区和I区的带隙(Eg),使得光吸收只发生在I区，则PIN的性能可以大为改善。如光纤通信中，常釆用InGaAs材料制成I区和InP材料制成P区及N区的PIN光电二极管，其结构如图3-30所示。InP材料的带隙为1.35eV,大于InGaAs的带隙，对于波长在1.3〜1.6μm范围的光是透明的，而InGaAs的I区对1.3-1.6μm的光表现为较强的吸收，几μm的宽度就可以获得较高响应度。在受光面，一般镀增透膜以减弱光在端面上的反射。

图3-29 PIN光电二极管的结构和它在反向偏压下的电场分布                       图3-30 InGaAs PIN光电二极管的结构                

        由于在PN结中间夹着一层很厚的本征半导体I层，在反向电压作用下耗尽区扩展到整个半导体，PN结的内建电场就基本上全集中于I层中，光生载流子在内建电场的作用下，只产生漂移电流。因此，PIN光敏二极管的响应时间很短，在l09s左右，频带很宽，达10GHz.并且，由于I层很厚，可承受较高的反向电压，因而PIN光敏二极管的线性输出范围很宽。当入射光功率低于mW量级时，器件不会发生饱和。其不足的仅是，因I层电阻很大，其输出电流小，一般为零点几μA至数μA。因此，目前有将PIN光敏二极管与前置运算放大器集成在同一硅片上，并封装于一个管壳内，形成PIN混合集成的光电检测器件。

       PIN混合集成光电检测器件的外形及引脚如图3-31所示，该器件是把PIN管与一个双极型晶体管宽带低噪声放大器混合集成的光电接收组件，其原理图如图3-32所示。器件输出为负极性（即输入光信号为正脉冲，输出的电压信号为负脉冲），其输出级为射极跟随器。

图3-31 PIN混合集成光电接收器外形及引脚图              图 3-32   电原理图

        在使用时，在VA与地，VB与地之间应各外接一个50-100μF的滤波电容器，此外还应注意，不要对引脚放电，也不要使引脚过热，要在防静电工作台上操作，否则器件很可能遭受静电损伤。此类部件由于具有响应频带宽、灵敏度和信噪比高等优点，常被用于微弱信号的光电检测和30Mb/s的短波长的光通信系统的光电接收器。

       有的集成器件使用PIN-FET微型组件，即用一个小面积和小电容的PIN光电二极管与高输入阻抗的场效应管（Field Effect Transistors,FET）前置放大器组合，其中所有引线长度及杂散电容都作得非常小。由于电容小，输入阻抗高，因此可以大大降低热噪声。这种集成器件具有供电电压低、工作稳定、使用方便等特点，因而使它在光通信、光雷达及其他要求快速光电自动控制系统中得到非常广泛的应用。

      （5）雪崩光敏二极管（APD）。PIN光敏二极管工作时的反向偏置都远离击穿电压，而雪崩光敏二极管是利用在高反向电压（略低于击穿电压）下产生的雪崩效应来工作的一种与光电倍增管相对应的半导体器件。它通常工作在很高的反偏电压状态，自身有电流增益，具有响应度高、响应速度快等特点。

       在设计雪崩光敏二极管（Avalanche Photodiode,APD）时，为保证载流子在整个光敏区的均匀倍增，需要选择无缺陷的材料，并保持更高的工艺卫生和保证结面的平整。此外，还可釆用保护环结构来消除低击穿现象。目前，制作对1.06卩m掺铉激光波长特别敏感的雪崩光敏二极管（量子效率达30%）的材料主要是错和硅。图3-33为这种二极管的结构示意图及杂质剖面图。在器件两端加反向偏压，直至PN结的耗尽层正好穿通低浓度（一般电阻率大于5000Ωcm）的兀区。这时，结中的峰值电场如图3-34所示，正好比引起雪崩击穿的电场小一点，若再加一小电压，就可使耗尽层很快加大到P+进入器件，电子被扫到高场区，在这里发生了倍增。高场区生成的空穴横渡兀区到达P+区，构成倍增信号。 

图3-34雪崩光敏二极管电场分布          图3-33雪崩光敏二极管结构及杂质剖面图

       由于PIN光敏二极管在较高的反向偏压下其耗尽区会扩展到整个PN结区，而形成自身保护（具有很强的抗击穿功能），因而不必设置保护环。所以，目前市场上的APD,多为PIN雪崩光敏二极管。一般，APD的增益可达几百倍，甚至数千倍。其电流增益或放大倍数为

M=IF/IΦ          （3-47）

式中，IΦ 为倍增前的输出电流；/F为倍增后的输岀电流。

      当没有光照时，PN结不会发生雪崩倍增效应。但结区一旦有光照射时，即激发起光生载流子，它们被临界强电场所加速，从而诱发起雪崩倍增，使输出电流得到迅速增加。如果反向偏压大于击穿电压时，器件结区被击穿。击穿电压与器件的工作温度有关，温度升高时，击穿电压会增大。一般，APD的击穿电压在几十伏到几百伏之间。

       APD的暗电流和光电流与偏置电压的关系曲线如图3-35所示，由图可知，当工作偏压增加时，输出亮电流（即光电流和暗电流之和）按指数形式增加。在偏压较低时，不产生雪崩过程，即无光电流倍增，因此，当光脉冲信号入射后，产生的光电流脉冲信号很小（如刀点波形）。当反向偏压升至。点时，光电流便产生雪崩倍增，这是光电脉冲信号输出增大到最大（如B点波形）。当偏压接近雪崩击穿电压时，雪崩电流维持自身流动，使暗电流迅速增加，光激发载流子的雪崩放大倍率却减小，即光电流灵敏度随反向偏压增加反而减小，如在C点处光电流的脉冲信号减小。换句话说，当反向偏压超过B点后，由于暗电流增加得更快，使有用的光电流脉冲幅值减小，所以最佳工作点在接近雪崩击穿点附近。有时为了压低暗电流，会把工作点向左移一些，虽然灵敏度有所降低，

图3-35雪崩光电二极管暗电流和光电流与偏置电压的关系曲线

       但是暗电流和噪声特性有所改善。由图3-35还可以看出，在雪崩击穿点附近电流随偏压变化的曲线较陡，当反向偏压有较小变化，光电流将有较大变化。此外，在雪崩过程中PN结上的反向偏压容易产生波动，将影响增益的稳定性。所以，在确定工作点后，对偏压的稳定度要求很高。

        硅APD的光谱响应范围也在0.4〜1.1μm之间。为了将响应波长扩展至长波限以外，可将APD（雪崩倍增效应发生在势垒区）和金属-半导体接触的肖特基势垒二极管结合起来，如将钳与N型硅构成APD就是一种巧妙的结合。一些能量小于硅禁带宽度的光子透过硅，被金属钳吸收，将电子激发到高能态，一部分被激发的电子，具有足够的能量进入势垒区，参与雪崩倍

增。器件的长波限取决于由接触金属与不同半导体导电类型决定的势垒高度；短波限取决于硅“窗口”的本征吸收。这种APD的响应波长可达1〜2μm。如果选择适当的接触金属和硅的导电类型以及合适的工作温度，它的响应波长还可延伸至4μm。

        由于APD工作时加有很高的反向电压，使光生载流子在结区的渡越时间很短，其结电容也只有几个pF,甚至更小。这种二极管的响应速度特别快，带宽可达100GHz,是目前响应速度最快的一种光敏二极管，如硅管的响应时间为0.5〜Ins,频率响应可达几十GHz。

       由于APD中载流子的碰撞电离是不规则的，碰撞后的运动方向也是随机的，所以它的噪声比一般光敏二极管的大。在无倍增的情况下，其噪声电流是散粒噪声；当雪崩倍增M倍后，其噪声电流的均方根值的近似计算式为

式中，指数n与APD的材料有关。对于锗管，n=3；对于硅管，n=2.3〜2.5。显然，由于信号电流按财倍增大，而噪声电流按倍增大，因而噪声电流比信号电流增大得更快。

       APD与PMT相比，具有体积小、工作电压低、使用方便等特点。但是，其暗电流比PMT的大，相应的噪声也大，故PMT更适于弱光探测。而在光谱为0.8〜1.1μm区，PMT的量子效率又低于APD,所以在这段光谱，APD对窄脉冲响应有更好的探测响应度。

      光敏三极管和普通晶体三极管相似。其相同点：一是也有PNP与NPN两种基本结构（即都是有两个PN结的结构）；二是也有电流放大作用。其不同之处是：它的集电极电流主要受光的控制，不管是PNP还是NPN光敏三极管，一般用基极-集电极结作为受光结，因而有光窗：其次是只有集电极和发射极两根引出线（极少的也有基极引线）等。因此，光敏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（反向偏置）的普通三极管，它们的结构及简化原理如图3-36所示。

       国产的PNP型光敏三极管为3CU型，它是以P型硅材料为衬底制作的；NPN型光敏三极管为3DU型，如图3-36（a）所示，它是以N型硅材料作衬底的。由图3-36（b）可知，光敏三极管是一种相当于将基极集电极光敏二极管的电流，加以放大的普通晶体管放大器。PNP型管在原理上与NPN型相同，只是所加的电压相反，集电极加上相对于发射极为负的电压。

图3-36光敏三极管结构与原理 

       将光敏二极管等效电路与普通三极管等效电路相结合，就可以得到光敏三极管的等效电路。为便于分析可得其简化的等效电路，如图3-37所示。

图3-37光敏三极管简化的交流等效电路

由图3-37可知，基极与发射极电压为

于是可得输出电压为

式中，Ube为施加于b、e结的信号电压；R为RL与&的并联阻抗[R=RLRce/(RL+Ree）]=选择合适的负载，使RL《Rce,此时R≈RL,式(3-50)可以简化为

考虑恒定光照，则Uo为

      与光敏二极管相比，光敏三极管将信号放大了β倍。但由于β的非线性(不同的上有不同的夕)，使得光敏三极管的输出信号与输入信号之间，没有严格的线性关系。

       从式(3-49)看出，在交变光信号下，由于Cbe的存在造成对信号电流的分流。如果频率高，会使Cbe的阻抗等于rbe,则

即有一半信号被Cbe所旁路，使有用的信号大为减小。同样，由于C”的旁路作用使流过RL的输出电流也大为减少。因此，为了提高输出，必须使时间常数，kCbe和ALCce尽可能小，这与一般高频晶体管的考虑完全一致。但有一点需指出，式(3-51)中分子与分母同时包含有AL,因此一定有一个RL值使响应最佳。RL的增大，可以使输出电压的幅度增加。但是，时间常数RLJ也增大,使频率响应下降，从而使输出幅度下降。因此，使用中必须从响应速度与输出信号幅度，来折中选择RL。

       为了提高增益与频率响应，减小体积，常将光敏二极管、光敏三极管与晶体三极管制作在一个硅片上构成集成光电探测器件，如图3-38所示，其中以达林顿光电三极管的电流增益最高，一般均可达到几百。

        (1)输出特性。两种不同类型光敏三极管的典型伏安曲线，如图3-38所示。与光敏二极管的伏安特性不同的是，零偏时光敏三极管无信号电流输出，而光敏二极管仍有光电流输出。除此以外，曲线还有两个明显的特点。一是随入射光强的增加，厶有饱和的趋势，即光电流与入射光照度成非线性关系。如图3-39（a）所示，它表现为曲线族上密下疏，这可归结为电流放大倍数”是信号电流的函数。不过，并不是所有的光敏三极管均如此，有的光敏三极管在一定的照度范围内光电流与光照可以有较好的线性，即表现为曲线之间有较均匀的间距。二是在低工作电压下，光电流与所加电压成非线性关系，这也是由于β与工作电压有关所造成的。因此,为了尽可能减小电压对线性的影响，光敏三极管必须加上较高的工作电压。

图3-38   集成光电探测器件

      （2）频率响应。率响应与结的结构、负载及时间常数rbeCbe及RLCce有关。一般的光敏三极管，为了得到较大的信号电流，b、C结做得较大。因此，电容Cbe、Cbc及Ge均较大，因而严重影响着频率响应。特别是Cbe,由于结ube处于正向，它的影响也最大。其次，在结两边产生的光生载流子的扩散过程需要一定的时间，扩散到结边界的光生载流子在结电场的作用下越过势垒也需要一定的时间。它们与器件本身的物理结构、工作状态及负载情况共同决定着光敏三极管的频率响应。

        光敏三极管的频率响应也可用上升时间tr及下降时间tf来表示，它们与Ic的关系如图3-40所示（图中曲线是Uce=5V,T=25°C时测得）。从图中可以看出，光强越弱（Ic越小）上升及下降时间就越大；负载电阻越大，上升及下降时间也就越大。因此，为了取得较好的频率响应和较高的信号输岀，一般需在输出负载上并联高增益、低输入阻抗的运算放大器，从而使总的阻抗减小，频率响应提高。

     （3）温度特性。由于电流放大系数β随温度升高而变大，因此光敏三极管的光电流随温度的上升较光敏二极管快。这样，在小信号时，由于温度增加使反向电流心。急剧上升，导致探测性能的极大下降，甚至使探测器完全失效。通常，温度从25°C变化到100°C,光电流变为原来的1.6倍之多，而反向电流却增加三个数量级。

图3-40光敏三极管的频率特性

 

       (4)光敏三极管的光谱响应。同样决定于材料的禁带宽度、器件几何结构和制作工艺。硅管的峰值在800-900mn之间。用特殊工艺制作的对蓝光灵敏的光敏管，与蓝光电池一样，其响应峰值可移至600nrn左右。

在使用光生伏特效应探测器件时，必须注意以下几个要点。

      (1)注意确定器件引线脚的P、N端。光伏器件的核心是PN结，使用前必须用万用表确定器件引线脚的P、N端，以免在电路中接错。

       (2)使用前要测试。光电器件在使用前要测试一下好坏，并分清是光敏二极管还是光敏三极管，因为它们的负载电阻有较大的差别，一般，光敏三极管的负载电阻为光敏二极管负载电阻的1/10。

       (3)注意电源的连接。光伏器件都有确定的极性，如要加电压使用时，必须注意对PN结加反向电压，即用确定的P端连接外电源的低电位。

       (4)注意入射光强与器件的配合。在使用光伏型器件时，应视用途选择入射光强的范围。因光电检测器件一般光照弱些，负载电阻小些，加反偏压使用时，其光电特性线性好些，反之则差一些。因此，在用于开关电路或逻辑电路时，光照可以选强些；如用于模拟量测量时，光照就不宜过强。

       (5)注意器件的使用条件和方法。虽然灵敏度主要决定于器件，但也与使用条件和方法有关。如光源和接收器在光谱特性上是否匹配；入射光的方向与器件的光敏面法线是否一致等。

       (6)注意选择负载电阻。结型器件的响应速度都很快，它主要决定于负载电阻和结电容所构成的时间常数(r=7?C)0负载电阻大，输出电压可以大，但忐变大，响应变慢；相反，负载电阻小些，输出电压要减小，但愚变小，响应速度变快。

       (7)注意灵敏度与带宽的折中。灵敏度与频带宽度之积为一常数的结论，对结型光电检测器件也是适用的。

       (8)注意器件的使用温度。器件的各种参量差不多都与温度有关，但其中受温度影响最大  

的是暗电流。暗电流大的器件，容易受温度变化的影响，而使电路工作不稳定，同时噪声也大。

     （9）注意电磁与光的干扰。除了温度变化、电、磁场干扰可引起电路发生误动作外，背景光或光反馈也是引起电路误动作的重要因素，应注意设法避免与消除。

     （10）注意加红色有机玻璃滤光。光敏二极管或光敏三极管，并非只对红外光敏感，在制作时要防止环境光（日光与灯光）过强而使放大电路输出饱和而失控，因而可加红色有机玻璃滤光，以减少环境光的影响。

     （11）注意光敏二/三极管灵敏度与工作频率的使用区别。光敏三极管使用时基极通常开路，光感生电流直接馈入基极而被光敏三极管自己放大，因此光敏三极管灵敏度通常比光敏二极管大100多倍；光敏三极管最大工作频率只有几百kHz,而光敏二极管则为几十MHzo

     （12）注意光敏二/三极管线性与响应时间的使用区别。光敏二极管光电流小，输出特性线性好，响应时间快。光敏三极管光电流大，输出特性线性差，响应时间慢。一般，要求灵敏度高、工作频率低的开关电路，可选光敏三极管；要求线性好与工作频率高时，则用光敏二极管。

     （1）主动式红外探测器。主动式即能主动发射红外光。当被探测目标侵入所防范的警戒线，遮挡了红外发射机与接收机之间的红外光束，而进入报警状态的电子装置就称为主动红外探测器，其基本组成与工作原理如图2-7所示。

        其中，接收机中的接收器即对光束遮挡型的探测器，多使用光伏型探测器，但要适当选取有效的报警最短遮光时间。因为遮光时间选得太短，会引起不必要的噪声干扰，如小鸟飞过、小动物穿过都会引起报警；而遮光时间选得太长，又可能导致漏报。因此，通常以10m/s的速度通过镜头的遮光时间，来定最短遮光时间。如人的最小宽度为20cm,则最短遮断时间为20cm/（10m/s）=20ms»所以，最短遮光时间大于20ms,系统报警；遮光时间小于20ms,则不报警。

主动红外探测器多釆用双光路或多光路，被广泛使用在周界报警系统工程中。

     （2）周界红外对射探测报警。釆用多光路红外对射的主动红外探测器即可构成周界红外对射探测报警系统，如广州天网安防科技有限公司的新型远距离红外线幕墙（由于用多根红外射束构成高约2m的防范界面，因而构成了红外线幕墙）。当物体阻断任意相邻两根射束N20ms（相当于国际级短跑运动员冲刺速度）时，即可触发输出报警信号，因此在人的奔跑、跳跃、贴地爬行、飞身等行为穿越防范界面时，都会触发报警。并且，不会由于飞鸟、昆虫等飞过而引发误报警，就是在红外线射束附近从事正常活动的人员/物体的活动也均不会触发报警，因而特别适用于院落面积狭小的特定环境使用，具有占用最小地面面积的优点。

        该产品釆用圆柱形外观，从外形上无法看出其具体防范部位，从而无法避让；产品表面光滑，人力无法攀爬翻越。沿警戒线安装的黑色柱体和画在地面的黄色警戒线目标明确，且釆用940nm波长的红外线编码调制射束而使红外线幕墙隐蔽。由于该产品采用同步通信、自适应强度调节及自适应变换频率等多项专有技术，因而误报率较低而优于国外同类产品。因此，该产品已成功应用于2008年北京奥运会200km周界防范，故宫博物院周界防范，以及多省监狱的周界安全防范。

      （3）见光探测报警。半导体光电探测器件有光照即可转换为电信号，因而可做成见光探测报警。作者曾利用光电三极管等给公司出纳做了一个小型的见光探测报警器，将它置入一密闭的取款箱或袋中，只要有人打开存有钱或贵重物品的袋或箱时，使光电三极管见光即转换为电  

信号并放大输出，从而驱动扬声器发出报警声。

      （1）光电式感烟探测器。光电式感烟探测器如图3-41所示，它根据烟粒子对光线的吸收和散射作用，可分为遮光型和散光型两种，散射光型光电感烟探测器目前已经成为主流。

        遮光型的光电感烟火灾探测器的工作原理很简单，它就是利用一对组合的光电器件（即将一支红外发光器件与一支能接收红外光的光电探测器件组合在一起），当光电探测器件处于红外光照射下时，即输出一定值的电信号。当火灾前发生的烟雾不同程度地遮蔽了红外光时，便会使光电探测器件输出的电信号根本达不到原正常的电信号，从而立即发出报警信号，以便安全值班人员釆取紧急预防火灾的措施。

        散光型的光电感烟探测器如图3-42所示，它的红外发光器件与接收光的光电探测器件在其探测室内的设置通常是偏置设计，二者之间的距离一般在20〜25mm。在正常无烟的监视状态下，光电探测器件接收不到任何光，包括红外发光器件发岀的光。在烟粒子进入探测室内时,红外发光器件发出的光则被烟粒子散射或反射到光电探测器件上，当它能收到充足的光信号时，便立即发出火灾报警。这种火灾探测方法，通常被称为烟散射光法。点型光电感烟探测器通常不釆用烟减光原理工作，因为无烟和火灾情况之间的典型差别仅有0.09%的变化。显然，这种小的变化，会使探测器极易受到外部环境的影响。

       有不懂光电信息技术的人，把一种红外光束感烟探测器说成第三种感烟探测器。但实际上,它也是光电感烟探测器，而它则仅属于线型探测器，因为它是对警戒范围内某一线状窄条周围烟气参数响应的一种火灾探测器。它同点型感烟探测器的主要区别在于，线型感烟探测器将光束发射器和光电接收器分为两个独立的部分，使用时分装相对的两处，中间是用光束连接起来,其原理如前所述的遮光型光电感烟探测器。显然，这种红外光束感烟探测器又可分为对射型和反射型两种。

       独立式光电感烟火灾探测报警器即不需连接系统（报警控制器）就可实现独立探测、独立报警的探测器，一般，它通过9V叠层电池或者AC220V直接供电，安装使用方便，通常是安装在家庭、网吧等小型场所进行烟雾的探测。它内置避免环境光干扰的对烟雾粒子的检测室,其中含有红外发光二极管（IRLED）与接收光的光电二极管，发光器件和受光器件成锐角或钝角分布在同一平面内，受光器件平时不能接收到发光器件的光线。红外LED间歇工作，每隔几秒工作数百微秒，以节省电池能量。在无火灾发生时，红外LED即使发射脉冲光束，受光的光电二极管因接收不到发射光而不产生光电流，检测电路无输出信号。当火灾发生时，有烟  雾粒子进入检测室，因烟雾粒子对红外光产生散射，使一些散射光被光电二极管所接收，从而产生微弱的光电流。它经转换和放大电路处理后，送至MCU或专用芯片进行分析，当烟雾浓度达到设定的报警阈值时，立即发出报警声响和光指示，以提醒人们快速逃生或灭火。

       (2)感光式火灾探测器。由于物质燃烧时，在产生烟雾和放出热量的同时，也会产生可见或不可见的光辐射。因此，感光式火灾探测器又称为火焰探测器(FlameDetector),它是用于响应火灾的光特性，即扩散火焰燃烧的光照强度和火焰的闪烁频率的一种火灾探测器。火焰的光谱特性如图3-43所示，火焰的辐射是具有离散光谱的气体辐射和伴有连续光谱的固体辐射,其波长为0.1〜10μm或更宽的范围。为了避免其他信号的干扰，常利用波长小于300nm的紫外线，或者火焰中特有的波长在4.4μm四周的CO2辐射光谱作为探测信号。根据火焰的光谱特性，目前使用的感光式火灾探测器有对波长较短的光辐射敏感的紫外探测器；另一种是对波长较长的光辐射敏感的红外探测器；以及同时探测火焰中波长较短的紫外线和波长较长的红外线的紫外/红外混合探测器。

图3-43火焰的光谱特性

        火焰燃烧过程释放出紫外线、可见光、红外线。在特定波长、特定闪烁频率(0.2〜20Hz)具有典型特征，有别于其他干扰辐射，如阳光、热物体、电灯等辐射出的紫外线、红外线没有闪烁特征。火焰探测的原理就是通过检测火焰辐射出的特殊波长的紫外线、红外线及可见光等，同时配合对火焰特征闪烁频率来的识别而探测火焰的。一般选用紫外光电探测器件、热释电探测器件，以及光电二极管等探测器件。

根据探测波段，感光探测器具体可分为单紫外、单红外、双红外、三重红外、红外/紫外、附加视频等火焰探测器；根据防爆类型还可分为隔爆型、本安型等。

        这里介绍的窗帘是一个光控窗帘，天黑了，窗帘自动拉合，天亮了，窗帘自动拉开，完全省去了人工操作，定会给你的生活带来方便和情趣。

        (1)自动拉合窗帘控制电路工作原理。光控窗帘由控制电路和机械执行结构两部分组成。图3-44是控制电路电原理图，图3-45是其方框图，图3-46是图3-45各点波形图。

        设初始时间为白天，光电三极管VE受光照而导通，输岀“A”为低电平，使施密特触发器输出“B”为高电平。晚上天渐黑后，光敏三极管V「由导通变为截止，输岀“A”由低电平变为高电平，经施密特触发器整形后，输出“B”为下降沿陡直的低电平，该下降沿经微分电路“2”形成一负脉冲“D”，触发单稳态触发器“2”翻转至暂态，其输出“F”为高电平。施密特触发器输出“B”另一路经反相器反相后，输出“C”的上升沿对单稳态触发器“1”不起 

作用，其输出“C”保持低电平。此时，直流电机M上所加电压为下正上负，电机正转，使窗帘拉合。窗帘拉合后，由于单稳态触发器“2”暂态结束，恢复稳态，输出“F”变为低电平，电机M停转。早晨天渐亮后，光敏三极管VE由截止变为导通，施密特触发器输出“B”为上升沿陡直的高电平，对单稳态触发器“2”不起作用，其输出“F”保持低电平。施密特触发器输出“B”的另一路经反相器反相后，输岀“C”为下降沿陡直的低电平，经微分电路"1”形成一负脉冲"E”，触发单稳态触发器“1”翻转至暂态，输出“C”为高电平。此时，电机M上所加电压为上正下负，电机反转，使窗帘拉开。暂态结束后，电机停转。

图3-44 自动拉合窗帘控制电路原理图

图3-45 控制电路方框图                         图 3-46 图 3-45 各点波形图

       在黑夜或白天的稳定状态，光敏三极管VTi输出“A”及施密特触发器输出“B”无变化,微分电路“1”、“2”均无负脉冲输出，单稳态触发器“1”、“2”输出“G”、“F”均为低电平,电机M静止不转。电路所需12V直流电源，可由整流稳压电源或电池提供。施密特触发器和单稳态触发器均由555时基电路构成。555时基电路具有电源电压范围宽（4.5〜18V）、输出驱动能力强（可以输出或输入20mA电流）的特点，用它构成的单稳态触发器可直接驱动直流电机，无须再设计功放驱动电路。电机M接在两个单稳态触发器输出端之间，可以方便地实现正、反转控制，并具有较强的抗干扰性能。用单稳态触发器控制电机转动的另一个好处是可以免除使用行程开关，结构简单，工作可靠。

     （2）元器件选择与调试。ICi~IC3选用NE555时基集成电路。VTi为3DU型光敏三极管。VT2为9014等NPN型硅管。VDi、VD2可用4001或2CP系列二极管。电机M选用工作电压12V、工作电流≤l50mA的微型直流电机。

        除光敏三极管VT1和直流电机M夕卜，其余元器件全部焊在电路板上。图3-47是安装示意图，窗帘悬挂于导轨上，在导轨上方安装滑轮及牵引绳，牵引绳为一环形，套在两端的滑轮上，并保持绷紧状态。直流电机M通过减速传动器驱动右端滑轮转动，使牵引绳移动（见图3-47右端）。减速传动器可利用废旧钟表中的齿轮组制作，减速比一般为50：1左右。窗帘活动的一端与牵引绳某一点固定连接在一起（图3-47左端），以便牵引绳左右移动时可带动窗帘移动。

 

图 3-47 安装示意图

       调试时，首先直接给电机M接上12V直流电源，使其转动，看窗帘来回运行是否灵活、平稳，并测出窗帘拉合（或拉开）的运行时间。根据运行时间调整两个单稳态触发器的输出脉宽（暂态时间）7w.7W=1.12?6C4（或I.IR7C7）,适当选择夫6、C4（或&、C7）,使Tw略大于窗帘运行时间。然后用导线将光敏三极管VTi、电机M接入电路板，接上12V直流电源。当用黑纸遮住光敏管时（模拟天黑），电机应正转使窗帘拉合：当黑纸拿开时（模拟天亮）,电机应反转使窗帘拉开。如电机不转，除检查接线等外，可调节R提高光控灵敏度；如窗帘运行方向反了，将电机M的两根引线对调即可。窗帘运行到位后电机应停止转动，如不停或窗帘尚未运行到位就停了，则应重新计算为值。最后将电路板固定在电机附近，光敏三极管固定在窗外适当位置，罩上窗帘盒，一个方便实用的光控窗帘就做好了。

       防盗报警犬具有自动报警、灵敏度高、安全可靠、耗电省的特点，是家庭防盗、照顾儿童的得力助手。

     （1）工作原理。防盗报警犬由光控电子开关和狗叫声语音集成电路组成，其电路原理如图3-48所示。

VTi,VT2及R、&、R3、G、G等构成光控开关电路，ICi及VT3、&、爲等构成狗叫声电路。为光敏三极管，平时在周围环境光照射下等效于低阻值电阻。VT2的基极通过夫2接正电位而导通，I。语音集成电路得不到正脉冲不工作。当V「被物体遮挡时，就产生一负脉冲电压，通过。耦合到VT2的基极，导致VT2截止，IC2集成电路获得一正触发脉冲而工作，输出音频信号通过VT3放大后推动扬声器发出“汪、汪”的狗叫声。如将它置于阳台门等处，还能起到阻止儿童攀登，达到协助家长看护小孩的目的。

图3-48 防盗报警犬电路原理

        (2)元器件选择与调试。ICi选用MSS0287-29狗叫声语音集成电路；VT1用3DU5型光敏三极管；VT2、VT3均采用9013型等硅NPN晶体管，β≥100；R1〜R5为1/8W碳膜电阻器：G1〜C3为铝质电解电容器，耐压值见图；BL选YD57-1型8Ω、0.5W电动扬声器：SA为小型拨动开关；电源用3节5号电池；其他如图。

       将元器件逐一焊接在印制板上，用两根导线引出光敏三极管，然后安装在狗模型的脖子上,电路板连同电池盒装在底部。装好电池接电源开关，再用手遮住光敏管，即可发出狗叫声。

       除以上介绍的基本探测器件外，还有将半导体光电探测器件组合在一块硅片上的集成组合探测器件，还可制造岀按一定方式排列的具有相同光电特性的光电探测器件阵列。这种集成组合探测器件可广泛应用于光电准直、光电测量、光电编码、光电跟踪、图像测量与识别等方面。用它们代替由分立器件组成的变换装置，不仅具有光敏点密集、结构紧凑、光电特性一致性好、调节方便等优点，而且可以完成分立元件所无法完成的探测工作。如有二、四、八象限光电探测器件，楔环光电探测器件，光电位置探测器件(PSD),色敏探测器件，光电开关与光电耦合器件等半导体光电探测器件组合件。