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光接收器件简介

  光接收器件是利用光电转换现象,将光信号转换成电信号的器件。根据光接收器的原理不同,光接收器可分为光电导器件、光电二极管和光电晶体管3种。这些光电接收器的工作原理都利用了光电导效应和光生电动势效应,根据光波长和响应频率的不同,其使用目的也不同。在本书第3章中,将主要介绍光电二极管的工作原理与应用。

  利用半导体的光电导效应,将光信号变化转换成电阻变化的器件称为光电导器件。光电导器件是把光生载流子引起的电阻变化作为电信号进行检测的器件。由于光生载流子的生成机理不同,光电导器件可以分为本征型和掺杂型两种。许多半导体材料可以用于光电导器件。在可见光范围内,经常使用的是硫化镉(CdS)光导管。这种光导管利用的是本征性的光电导机理,材料的化学元素在光照射时会引起电导率的变化。这种光导管可以在可见光范围内灵敏地工作,但是响应速度不快,约为几十毫秒。在波长较长的红外线范围内,根据照射光的波长不同,许多光电导器件是分别使用的。经常使用的是在近红外范围内的硫化铅(PbS)和硒化铅(PbSe)。这些器件是本征性的光电导器件,检测精度高,可以在室温下使用,所以被广泛应用。而掺杂型的光电导器件也是主要用做红外线检测的光接收器。

  光电二极管是利用半导体pn结中的光生电动势效应的光电接收器件。光电导器件中光生载流子引起的电流变化可以作为电信号附加在外部偏压上被检测出来。而光电二极管利用的是pn结的内部电场,往往使用反向电压。另外,光电二极管灵敏度高、响应速度快、噪声小、信噪比较高,是用途极其广泛的光接收器件。为了制造出灵敏度高且响应速度快的光电二极管,需要合理地优化设计P型和N型层厚度等器件结构,以及掺杂浓度等。目前较为流行的高速光电二极管有PIN光电二极管和雪崩光电二极管。它们在要求高速度的光通信领域有着广泛的应用。

  光电晶体管是利用少数载流子扩散的晶体管放大作用来提高增益的光电接收器件。这种光电接收器件虽然速度慢,但是灵敏度非常高。光电晶体管很早以前就被用来制作光开关器件,例如,同发光二极管光源共同使用的耦合器。用这种耦合器可以制造物体检测装置,例如,自动售货机的硬币检测、工厂传输带上的物体检测等。

  作为上述这些光电接收器件的具体应用,摄像器件正受到越来越多的厂商和科研人员的重视。所谓摄像器件,就是将原有的摄像管固体化,再将先前所述的各种半导体光接收器件排列成阵列状,并且将光图像信息以电信号的形式输出的器件。由于使用了半导体光接收器件,它具有重量轻、耗能少、耐冲击和耐振动等优异的特性。性能优异的摄像器件已经开始代替传统的摄像器件,并且作为图像传感器,在摄像机等民用产品到工业机器人的识别器等领域中得到广泛的应用。

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