光電檢測(cè)系統(tǒng)的基本工作原理

1、1光電檢測(cè)系統(tǒng)的基本工作原理。光電檢測(cè)系統(tǒng)是指對(duì)待測(cè)光學(xué)量或由非光學(xué)待測(cè)物理量轉(zhuǎn)換成的光學(xué)量，通過光電變換和電路處理的方法進(jìn)行檢測(cè)的系統(tǒng)。光電檢測(cè)系統(tǒng)的基本組成及各部份的主要作用。光電檢測(cè)系統(tǒng)的組成：三要素：檢測(cè)對(duì)象、光、光電變換。能否使光束準(zhǔn)確地?cái)y帶所要檢測(cè)量的信息，是決定所設(shè)計(jì)系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵光電檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)代發(fā)展1）非接觸化發(fā)展2）盡可能多的信息量3）集成化，智能化發(fā)展光電檢測(cè)方法 （1）.光信息攜帶的物理量可分為：光強(qiáng)型、頻率型、相位型、脈沖型、偏振型、位置型等（2）.所用的光學(xué)現(xiàn)象分為：衍射法、干涉法、全息法、散射法、光譜法、莫爾條紋法、光掃描法等（3）從檢測(cè)系統(tǒng)角度分為：直接作用法、

2、差動(dòng)法（差分法）、補(bǔ)償法光輻射所帶的信息如光強(qiáng)分布、時(shí)間、光譜能量分布、溫度分布等由光電探測(cè)器轉(zhuǎn)變成電信號(hào)測(cè)量出來2系統(tǒng)誤差 在檢測(cè)過程中產(chǎn)生恒定不變的誤差叫恒差或按一定規(guī)律變化的誤差叫變差，統(tǒng)稱為系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因有工具誤差、裝置誤差、方法誤差、外界誤差和人身誤差等隨機(jī)誤差 在盡力消除并改正了一切明顯的系統(tǒng)誤差之后，對(duì)同一待測(cè)量進(jìn)行反復(fù)多次的等精度測(cè)量，每次測(cè)量的結(jié)果都不會(huì)完全相同，而呈現(xiàn)出無規(guī)則的隨機(jī)變化，這種誤差稱為隨機(jī)誤差。靈敏度 系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)下輸出量變化引起此變化的輸入量變化的比值算術(shù)平均值 ：均方差或標(biāo)準(zhǔn)誤差 算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差 均方差的標(biāo)準(zhǔn)誤差ss最大誤差 測(cè)量精度大誤

3、差測(cè)值出現(xiàn)的處理主要方法是：(1) 認(rèn)真檢查有無瞬時(shí)系統(tǒng)誤差產(chǎn)生，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理。 (2) 增加檢測(cè)的次數(shù)，以減小大誤差測(cè)值對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。(3) 利用令人信服的判據(jù)，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行判定后，將不合理數(shù)據(jù)給予剔除輻射度量（Radiometry）：能量的分布的強(qiáng)弱、時(shí)間、空間等特性輻射能本身的客觀度量，是純粹的物理量。光度量 (Photometry) ：考慮到人眼的主觀感受，包括生理學(xué)、心理學(xué)在內(nèi)。1)輻射能(Q)：簡(jiǎn)稱輻能，描述以輻射的形式發(fā)射、傳輸或接收的能量，單位焦耳(J）例：地球表面垂直陽光方向上，每平方米面積上每分鐘太陽輻射能48000J。 (2)輻射密度(w) ：定義為單位體積元內(nèi)的

4、輻射能，即 (3)輻射通量或者輻射功率(,P):定義為以輻射的形式發(fā)射、傳輸或接收的功率，用以描述輻能的時(shí)間特性。4)輻射強(qiáng)度（I）：定義為在給定傳輸方向上的單位立體角內(nèi)光源發(fā)出的輻射通量，即 輻射強(qiáng)度描述了光源輻射的方向特性，且對(duì)點(diǎn)光源的輻射強(qiáng)度描述具有更重要的意義大多數(shù)光源向空間各方向的輻射強(qiáng)度是不均勻的。輻射強(qiáng)度描述了光源在空間某個(gè)方向上發(fā)射輻射通量的大小和分布。5)輻亮度 (L)：定義為光源在垂直其輻射傳輸方向上單位表面積單位立體角內(nèi)發(fā)出的輻射通量，即輻射亮度與輻射強(qiáng)度有何區(qū)別 前者描述面光源，后者描述點(diǎn)光源。6)輻射出射度 (M)：定義為離開光源表面單位面元的輻射通量，即輻照度 (E

5、 ）：定義為單位面元被照射的輻射通量，即輻照度和輻射出射度具有相同的定義方程和單位，但卻分別用來描述微面元發(fā)射和接收輻射通量的特性如果一個(gè)表面元能反射入射到其表面的全部輻射通量，那么該面元可看作是一個(gè)輻射源表面，即其輻射出射度在數(shù)值上等于照射輻照度為了描述光源的光通量與輻射通量的關(guān)系，通常引入光視效能，其定義為目視引起刺激的光通量與光源發(fā)出的輻射通量之比，單位為lm/W。 它度量了同樣的輻射功率下人眼的不同亮度感覺。照度和亮度的區(qū)別 不要把照度跟亮度的概念混淆起來。它們是兩個(gè)完全不同的物理量。照度表征受照面的明暗程度，照度與光源至被照面的距離的平方成反比。亮度是表征任何形式的光源或被照射物體表

6、面是面光源時(shí)的發(fā)光特性。如果光源與觀察者眼睛之間沒有光吸收現(xiàn)象存在，那么亮度值與二者間距離無關(guān)輻射度學(xué)和光度學(xué) 區(qū)別：1.適用范圍 輻射度學(xué)適用于整個(gè)電磁波譜。光度學(xué)適用于可見光波段。2.參量性質(zhì)不同 輻射度學(xué)量是客觀物理參量。光度學(xué)量生理量，由人眼感覺確定聯(lián)系：1.都是描述光輻射的強(qiáng)弱。2.所用物理符號(hào)一一對(duì)應(yīng). 朗伯余弦定律 朗伯體反射或發(fā)射輻射的空間分布可表為 按照朗伯輻射體亮度不隨角度q 變化的定義 即 即在理想情況下，朗伯體單位表面積向空間規(guī)定方向單位立 體角內(nèi)發(fā)射(或反射)的輻射通量和該方向與表面法線方向的夾角的余弦成正比朗伯余弦定律。 2. 朗伯體輻射出射度與輻亮度的關(guān)系圖2-9

7、，極坐標(biāo)對(duì)應(yīng)球面上微面元dA的立體角為：設(shè)朗伯微面元dS亮度為L(zhǎng)，則輻射到dA上的輻射通量為 在半球內(nèi)發(fā)射的總通量P為按照出射度的定義得2.3 光電檢測(cè)器件的特性參量 （上）利用光電效應(yīng)，把入射到物體表面的輻射能變換成可測(cè)量的電量（下）利用熱電效應(yīng)，反映入射光輻射量光磁電效應(yīng)光磁電效應(yīng)與霍爾效應(yīng) 光磁電效應(yīng)中在磁場(chǎng)作用下移動(dòng)的是電子空穴對(duì)，而霍爾效應(yīng)中移動(dòng)的是自由電子。2）針對(duì)材料不同，一個(gè)是半導(dǎo)體材料，一個(gè)是導(dǎo)體材料。3）使用情形也不一樣，一個(gè)需要光照，一個(gè)不需要響應(yīng)度定義為單位輻射度量產(chǎn)生的電信號(hào)量，記作R，電信號(hào)可以是電流，稱為電流響應(yīng)度；也可以是電壓，稱為電壓響應(yīng)度。對(duì)應(yīng)不同輻射度量的

8、響應(yīng)度用下標(biāo)來表示 對(duì)輻射通量的電流響應(yīng)度(AW-1) 對(duì)輻照度的電流響應(yīng)度(AW-1m2) 對(duì)輻亮度的電流響應(yīng)度(AW-1m2Sr) 探測(cè)器的響應(yīng)度一般是波長(zhǎng)的函數(shù)。與上面定義的積分響應(yīng)度對(duì)應(yīng)的光譜響應(yīng)度為 積分響應(yīng)度和光譜響應(yīng)度的關(guān)系為 探測(cè)器的輻射通量光譜電流響應(yīng)度為: 對(duì)于光電探測(cè)器，由于受到材料能帶之間的間隙禁帶寬度Eg的限制，響應(yīng)波長(zhǎng)具有長(zhǎng)波限，最大響應(yīng)波長(zhǎng)為任何虛假的和不需要的信號(hào)稱為噪聲。噪聲總是伴隨著測(cè)量信號(hào)存在測(cè)量過程是一個(gè)去除噪聲、復(fù)原真實(shí)信號(hào)的過程研究噪聲的目的：探討系統(tǒng)探測(cè)信息的極限，以及在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中如何抑制噪聲以提高探測(cè)本領(lǐng)。噪聲的分類及性質(zhì) 外部干擾噪聲:人為干擾

9、噪聲的和自然干擾噪聲。 人為干擾：電器、電子設(shè)備的干擾噪聲。如焦距測(cè)量?jī)x在日光燈下，人的走動(dòng)對(duì)干涉儀的光程影響。 自然干擾：大氣和宇宙間的干擾，雷電、太陽等。如光電導(dǎo)盲器在太陽下受的干擾?？刹捎眠m當(dāng)?shù)钠帘?、濾波等方法減小或者消除。內(nèi)部噪聲:人為噪聲和固有噪聲兩類。 人為噪聲：工頻干擾和寄生反饋造成的自激干擾。如工頻交流電（50Hz)、測(cè)試儀器的散熱風(fēng)扇引起的光路變化。合理的設(shè)計(jì)和調(diào)整將其消除或者減小到允許范圍。 固有噪聲：光電探測(cè)器中光子和帶電粒子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)造成的。散粒噪聲、熱噪聲、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲、1/f噪聲、 溫度噪聲，不可消除實(shí)際中，滿足測(cè)量系統(tǒng)工作性能的前提下，盡可能減小頻帶寬度。一種方

10、法是利用固定頻率對(duì)信號(hào)進(jìn)行控制，如鎖頻技術(shù)；另一種是增加信號(hào)的積分時(shí)間，縮小測(cè)量系統(tǒng)的頻帶。信號(hào)電流與噪聲電流的均方根值之比信噪比，作為表征探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)能力和精度的一個(gè)十分重要的指標(biāo)，記作SNR。噪聲等效功率是探測(cè)器產(chǎn)生與其噪聲均方根電壓相等的信號(hào)所需入射到探測(cè)器的輻射功率，即信噪比等于1時(shí)所需要的最小輸入光信號(hào)的功率 引入NEP的倒數(shù)探測(cè)率D來表示探測(cè)器的探測(cè)能力3按照發(fā)光機(jī)理，光源又可以分成熱輻射光源、氣體發(fā)光光源、固體發(fā)光光源和激光器四種。1）熱輻射光源：電流流經(jīng)導(dǎo)電物體，使之在高溫下輻射光能的光源。包括白熾燈和鹵鎢燈兩種。2）氣體發(fā)光光源：電流流經(jīng)氣體或金屬蒸氣，使之產(chǎn)生氣體放電而發(fā)光

11、的光源。氣體放電有弧光放電和輝光放電兩種。3）固體發(fā)光光源：電場(chǎng)作用下，使固體物質(zhì)發(fā)光的光源，電能直接轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?。包括?chǎng)致發(fā)光光源和發(fā)光二極管（LED）兩種。4）激光器：按工作物質(zhì)分類，可分為氣體激光器、固體激光器、燃料激光器和半導(dǎo)體激光器一般的光電檢測(cè)系統(tǒng)都要求光源特性滿足檢測(cè)需要，光源發(fā)光光譜與探測(cè)器的光譜響應(yīng)要匹配 光源選的基本要求主要包括哪三個(gè)方面1.對(duì)光源發(fā)光光譜特性的要求2.對(duì)光源發(fā)光強(qiáng)度的要求3.對(duì)光源穩(wěn)定性的要求人工光源按照其工作原理大致分為熱光源、氣體放電光源、固體光源和激光光源熱光源三大特點(diǎn)1.發(fā)光特性（光譜分布、出射度、亮度）可以用普朗克公式估算。2.發(fā)出連續(xù)光譜，譜寬很

12、寬，適應(yīng)性強(qiáng) 3. 大多屬于電熱型，可以通過控制輸入電量控制發(fā)光特性。作用：1.一般光電檢測(cè)的光源（白光干涉）2.光（輻射）度量中做標(biāo)準(zhǔn)光源或標(biāo)準(zhǔn)輻射源，計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)傳遞。激光方向性好、高單色性和高亮度三個(gè)重要特性特點(diǎn)：極小的光束發(fā)散角 激光的單色性好；激光的輸出功率密度很高 激光器種類繁多，按工作物質(zhì)分類：固體激光器（如紅寶石激光器）氣體激光器（如氦-氖氣體激光器、二氧化碳激光器）半導(dǎo)體激光器（如砷化鎵激光器）液體激光器。氣體激光器 氦氖激光器要輸出波長(zhǎng)有0.6328m、1.15m和339m，氬離子激光器它的輸出波長(zhǎng)有多個(gè)，功率主要集中在0.5145m和0.4880m兩條譜線二氧化碳激光器輸出譜

13、線波長(zhǎng)分布在911m，通常10.6m 固體激光器 紅寶石激光器694.3 nm 玻璃激光器1.06m波長(zhǎng)YAG激光器1064 nm固體激光器運(yùn)行方式多樣：連續(xù)，脈沖，調(diào)，鎖模等，可以獲得高平均功率，高重復(fù)率，高脈沖能量，高峰值功率激光；主要在紅外波段工作，采用光學(xué)泵浦方式；結(jié)構(gòu)緊湊，壽命較長(zhǎng)，穩(wěn)定可靠；：，紅寶石，釹玻璃激光器半導(dǎo)體激光器0.84m激光器除可作為檢測(cè)光源外還有著廣泛的應(yīng)用，其它主要用途有：(1)激光用作熱源。激光光束細(xì)小，且?guī)е薮蟮墓β?，如用透鏡聚焦，可將能量集中到微小的面積亡產(chǎn)生巨大的熱量?？蓱?yīng)用于打細(xì)小孔、切割等工作；在醫(yī)療上做手術(shù)刀；大功率的激光武器等。(2)激光測(cè)距。

14、激光作為測(cè)距光源由于方向性好、功率大可測(cè)很遠(yuǎn)的距離，且精度很高。(3)激光通訊。(4)受控核聚空中的應(yīng)用。點(diǎn)火計(jì)劃光電探測(cè)器的工作原理是將光輻射的作用視為所含光子與物質(zhì)內(nèi)部電子的直接作用。也就是物質(zhì)內(nèi) 電子在光子作用下，產(chǎn)生激發(fā)而使物質(zhì)的電學(xué)特性發(fā)生變化。這種變化主要有以下三類 外光電效應(yīng)（光電管與光電倍增管）內(nèi)光電效應(yīng)（光敏電阻）光生伏特效應(yīng)（光電池，光電二極管，光電三極管） 光熱效應(yīng)：材料受光照射后，光子能量與晶格相互作用，振動(dòng)加劇，溫度升高，材料的性質(zhì)發(fā)生變化熱釋電效應(yīng)：介質(zhì)的極化強(qiáng)度隨溫度變化而變化，引起介質(zhì)表面電荷變化的現(xiàn)象輻射熱計(jì)效應(yīng)：入射光的照射使材料由于受熱而造成電阻率變化的現(xiàn)

15、象溫差電效應(yīng)：由兩種材料制成的結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)穩(wěn)差而在兩結(jié)點(diǎn)間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，回路中產(chǎn)生電流（熱敏電阻，熱電偶和熱釋電探測(cè)器）光電倍增管 原理：當(dāng)入射光很微弱時(shí)，普通光電管產(chǎn)生的光電流很小，只有零點(diǎn)幾A，不易探測(cè)常用光電倍增管。光電倍增管的工作原理建立在光電發(fā)射和二次發(fā)射的基礎(chǔ)上，獲得大的光電流。結(jié)構(gòu)：光電倍增管由陰極、倍增極（次陰極）和陽極組成，這些電極被封裝在真空的玻璃管中。 （1）閃爍光子作用在光陰極上時(shí) 由于光電效應(yīng)可產(chǎn)生出電子。 （2）電子倍增是通過一系列倍增極 所構(gòu)成的倍增系統(tǒng)完成。 （3）從陽極上得到的電子流與入射到光電倍增管光陰極上的閃爍光強(qiáng)度成正比二次發(fā)射極簡(jiǎn)稱二次極，有時(shí)又叫做打拿極。

16、二次發(fā)射極的主要材料有銻銫(CsSb)、氧化鈹(BeO)、銀鎂(AgMg)合金、磷化鎵(GaP)和磷砷化鎵等。打拿極的重要參數(shù)是二次發(fā)射系數(shù):式中n1、 n2分別是輸入二次發(fā)射體的一次電子數(shù)和二次發(fā)射體對(duì)應(yīng)發(fā)出的電子數(shù)。 二次電子發(fā)射系數(shù)與材料本身特性、一次電子的動(dòng)能或極間電壓的大小有關(guān)。光電倍增管的主要特性 光電倍增管的光譜特性主要由光陰極和玻殼材料的特性來確定。影響光電倍增管光譜特性的還有一些其它因素，如溫度、受照點(diǎn)位置和磁場(chǎng)等。）陽極陽極又稱收集極。光電流經(jīng)過各二次發(fā)射極倍增后，由陽極收集并形成信號(hào)電流輸出，陽極是管內(nèi)電壓最高的地方 。當(dāng)最后一個(gè)二次極發(fā)出的電子飛到陽極上后，陽極也會(huì)產(chǎn)生

17、二次電子發(fā)射，這將破壞穩(wěn)定的輸出。 怎么辦？1 選擇發(fā)射系數(shù)小的材料2 外面加上收集柵網(wǎng)(柵網(wǎng)電位與陽極相同，陽極發(fā)射的二次電子將有柵網(wǎng)收集，相當(dāng)于又回到了陽極)靈敏度 光電器件靈敏度的定義有許多種，而對(duì)光電倍增管常用陽極靈敏度來表征這一特性。 定義陽極光譜靈敏度Sa()為式中，單色光通量為()，陽極電流為Ia線性度 在高精度的光電檢測(cè)中，要求光電探測(cè)器的光特性具有良好的線性度，且線性范圍盡可能寬。光特性是指倍增管輸出信號(hào)電流隨輸入光通量變化的曲線，即If()。一般認(rèn)為產(chǎn)生光特性非線性的原因主要有兩個(gè)：一是內(nèi)部的非線性源，它們包括光陰極的電阻率及材料特性、管內(nèi)空間電荷間的互相作用，以及電子聚焦

18、或收集效率的變化等。另一方面是外部非線性源，其中包括負(fù)載電阻的負(fù)反饋?zhàn)饔?，以及由于信?hào)電流過大造成極間電位的重新分布等入射通量增加輸出電流Ia偏離直線的情況(4) 最大額定值 光電倍增管是極其靈敏的微信號(hào)光電探測(cè)器,為正確使用應(yīng)了解各參量的最大額定值。 最大陰極電流Icm,有時(shí)給出最大電流密度(A/cm2)。工作時(shí)不應(yīng)超過額定值。有時(shí)陰極電流Ic雖小于Icm，但入射光點(diǎn)很小，也會(huì)因電流密度過大而引起局部損壞。這時(shí)應(yīng)按電流密度的額定值來限制輸入。 最大陽極電流Iam,該值通常是以不產(chǎn)生嚴(yán)重的和不可逆的損壞為限，通常陽極功率限制在0.5w以下。應(yīng)當(dāng)注意說明書中的Iam不是指使用時(shí)的線性限，有的廠家

19、還給出這時(shí)的非線性度，如10等。 最大額定電壓Um,該指標(biāo)是從管子的絕緣性能和工作可靠性出發(fā)給出的。為使噪聲不至太大，一般建議采用的總電壓U(6080)Um光電倍增管的不穩(wěn)定性 由于光譜響應(yīng)隨時(shí)間緩慢地不可逆地變化 在幾分鐘或幾小時(shí)內(nèi),由于可逆的疲勞所構(gòu)成的漂移 滯后作用造成陽極輸出的不穩(wěn)定 光電倍增管中的噪聲源主要來自光陰極和二次極的熱發(fā)射。入射光輻射本身亦帶來噪聲。 由光電陰極和K個(gè)二次發(fā)射極組成的光電倍增管中綜合在陽極輸出時(shí)的噪聲電流用均方根值表示為 要提高光電倍增管的信噪比可采取以下方法 管子致冷可減少Ic0值；當(dāng)入射光斑較小時(shí)，應(yīng)盡量選用光陰極面小的管子；選用較高的材料做二次發(fā)射極，

20、并提高工作電壓； 減小檢測(cè)系統(tǒng)頻帶寬度f，以提高信噪比光電導(dǎo)器件是利用內(nèi)光電效應(yīng)制成的光子型探測(cè)器，其材料大都是半導(dǎo)體。在入射光的的作用下，激發(fā)出附加的自由電子或自由空穴，這些附加的載流子叫做光生載流子，由于光照增加了自由載流子，使電導(dǎo)率發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫做光電導(dǎo)效應(yīng)光敏器件的光特性是表征光照下光敏器件的輸出量，如電阻、電壓或電流等量與入射輻射之間的關(guān)系光敏器件的靈敏度 靈敏度又稱響應(yīng)度。它表示器件將光輻射能轉(zhuǎn)換為電能的能力。具體定義為：器件產(chǎn)生的輸出電信號(hào)與引起該信號(hào)的輸入光輻射通量之比。輸出電信號(hào)由器件及偏置電路的特性決定，既可以是電流，也可以是電壓，如電流表示的光靈敏度 光敏電阻按半導(dǎo)

21、體材料的不同可分為本征型和雜質(zhì)型兩種，本征型半導(dǎo)體光敏電阻常 用于可見光長(zhǎng)波段檢測(cè)，雜質(zhì)型常用于紅外波段至遠(yuǎn)紅外波段光輻射的檢測(cè) 本征型光敏電阻：當(dāng)入射光子的能量等于或大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg時(shí)，激發(fā)一個(gè)電子空穴對(duì)，在外電場(chǎng)的作用下，形成光電流。雜質(zhì)型光敏電阻：對(duì)于型半導(dǎo)體，當(dāng)入射光子的能量等于或大于雜質(zhì)電離能時(shí)，將施主能級(jí)上的電子激發(fā)到導(dǎo)帶而成為導(dǎo)電電子，在外電場(chǎng)的作用下，形成光電流本征型用于可見光長(zhǎng)波段,雜質(zhì)型用于紅外波段。光敏電阻工作性能特點(diǎn)光譜響應(yīng)范圍相當(dāng)寬?？梢姽?、紅外、遠(yuǎn)紅外、紫外區(qū)域工作電流大，可達(dá)數(shù)毫安。 所測(cè)光電強(qiáng)度范圍寬，既可測(cè)弱光，也可測(cè)強(qiáng)光靈敏度高，光電增益可以大于

22、1無選擇極性之分，使用方便缺點(diǎn)：強(qiáng)光下光電線性度較差，弛豫時(shí)間過長(zhǎng)，頻率特性差。CdS光敏電阻：峰值響應(yīng)波長(zhǎng)0.52um 可見光波段最靈敏的光敏電阻PbS光敏電阻：響應(yīng)波長(zhǎng)在近紅外波段缺點(diǎn)主要是響應(yīng)時(shí)間太長(zhǎng)銻化銦（InSb）光敏電阻：長(zhǎng)波限7.5um碲鎘汞HgCdTe系列光敏電阻可實(shí)現(xiàn)1-3um,3-5um,8-14um碲錫鉛（PbSnTe主要用在8-10um波段探測(cè) 1. PN結(jié)與光伏效應(yīng)（Photo Voltage Effect）當(dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體直接接觸時(shí)，P區(qū)中的多數(shù)載流子空穴向空穴密度低的N區(qū)擴(kuò)散，同時(shí)N區(qū)中的多數(shù)載流子電子向P區(qū)擴(kuò)散。這一擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)在P區(qū)界面附近積累了負(fù)電荷，而

23、在N區(qū)界面附近積累了正電荷，正負(fù)電荷在兩界面間形成內(nèi)電場(chǎng)。在該電場(chǎng)逐步形成和增加的同時(shí)，在它的作用下產(chǎn)生載流子的漂移運(yùn)動(dòng)。隨著擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行和界面間內(nèi)電場(chǎng)的增高，促使漂移運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)。這一伴生的對(duì)立運(yùn)動(dòng)在一定溫度條件下定時(shí)間后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡當(dāng)有外界光輻射照射在結(jié)區(qū)及其附近時(shí)只要入射光子的能量=h大于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg，就可能產(chǎn)生本征激發(fā)，激發(fā)產(chǎn)生電子空穴對(duì)。P區(qū)中的光生空穴和N區(qū)中的光生電子，因受P-N結(jié)的阻擋作用而不能通過結(jié)區(qū)，結(jié)區(qū)中產(chǎn)生的電子空穴對(duì)在內(nèi)電場(chǎng)作用下，電子驅(qū)向N區(qū)，空穴驅(qū)向P區(qū)。而結(jié)區(qū)附近P區(qū)中的光生電子和N區(qū)中的空穴如能擴(kuò)散到結(jié)區(qū)，并在內(nèi)電場(chǎng)作用下通過結(jié)區(qū)，這樣在P區(qū)中積累了過量

24、的空穴在N區(qū)中積累了過量的電子，從而形成一個(gè)附加的電場(chǎng)，方向與內(nèi)電場(chǎng)相反，如圖4-44(a)所示。該附加電場(chǎng)對(duì)外電路來說將產(chǎn)生由P到N方向的電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)聯(lián)接外電路時(shí)，將有光生電流通過，這就是光伏效應(yīng)2. 光伏效應(yīng)器件的伏安特性n 曲線族與電壓軸的交點(diǎn)即I0，表示光電池外電路開路的情況曲線族與電流軸的交點(diǎn)即Uoc0，表示光電池外電路短路的情況。3. 光伏效應(yīng)光電池第一象限是正偏壓狀態(tài)，iD本來就很大，所以光電流不起主要作用，在這一區(qū)域工作沒有意義。 第三象限是反偏壓狀態(tài)，這時(shí)，它是普通二極管中的反向飽和電流，現(xiàn)在稱為暗電流（對(duì)應(yīng)于光功率P=0），數(shù)值很小，這時(shí)的光電流（等于iis）是通過探測(cè)器的主

25、要電流由于這種情況外回路特性與光電導(dǎo)探測(cè)器十分相似，所以反偏壓下的工作方式稱為光導(dǎo)模式，相應(yīng)的探測(cè)器稱為光電二極管在第四象限中，外偏壓為零時(shí)，流過探測(cè)器的電流仍為光電流，這時(shí)探測(cè)器的輸出是通過負(fù)載電阻RL上的電壓或流過RL上的電流來體現(xiàn)的，因此稱為光伏工作模式。相應(yīng)的探測(cè)器稱為光電池光電池分類用途 太陽能光電池：用作電源（效率高，成本低）測(cè)量用光電池：探測(cè)器件（線性、靈敏度高等材料 硅光電池：光譜響應(yīng)寬，頻率特性好，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長(zhǎng)，適于接受紅外光.硒光電池：轉(zhuǎn)換效率低(0.02)、壽命短，適于接收可見光(響應(yīng)峰值波長(zhǎng)0.56m)，波譜峰值位于人眼視覺內(nèi)(用于分析儀器、測(cè)量?jī)x表).砷化鎵光電

26、池:轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高，光譜響應(yīng)特性則與太陽光譜最吻合。且工作溫度最高，更耐受宇宙射線的輻射。因此，它在宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測(cè)器等電源方面的應(yīng)用是有發(fā)展前途的。薄膜光電池：CdS增強(qiáng)抗輻射能力紫光電池：PN結(jié)非常?。?.2-0.3 m,短波峰值600nm光電池的特性(1)、伏安特性 無光照時(shí)，光電池伏安特性曲線與普通半導(dǎo)體二極管相同。 有光照時(shí)，沿電流軸方向平移，平移幅度與光照度成正比。 曲線與電壓軸交點(diǎn)稱為開路電壓VOC，與電流軸交點(diǎn)稱為短路電流ISC（要得到短的響應(yīng)時(shí)間，必須選用小的負(fù)載電阻RL；光電池面積越大則響應(yīng)時(shí)間越大，因?yàn)楣怆姵孛娣e越大則結(jié)電容Cj越大，在給定負(fù)載時(shí)，時(shí)間常數(shù)

27、就越大，故要求短的響應(yīng)時(shí)間，必須選用小面積光電池）2時(shí)間和頻率響應(yīng) 硅光電池頻率特性好（動(dòng)態(tài)響應(yīng)快）。 硒光電池頻率特性差 硅光電池是目前使用最廣泛的光電池(3)、溫度特性 隨著溫度的上升，硅光電池的光譜響應(yīng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，開路電壓下降，短路電流上升。光電池做探測(cè)器件時(shí)，測(cè)量?jī)x器應(yīng)考慮溫度的漂移，要進(jìn)行補(bǔ)償4)、光譜響應(yīng)度 硅光電池 響應(yīng)波長(zhǎng)微米， (紅-紅外) 峰值波長(zhǎng)微米。(近紅外)硒光電池 響應(yīng)波長(zhǎng)微米， (紫-紅) 峰值波長(zhǎng)0.54微米。(綠) 可見光 太陽能特點(diǎn)： 無枯竭危險(xiǎn)；絕對(duì)干凈；不受資源分布地域的限制；可在用電處就近發(fā)電；能源質(zhì)量高；使用者從感情上容易接受；獲取能源花費(fèi)的時(shí)間

28、短。 要使太陽能發(fā)電真正達(dá)到實(shí)用水平，一是要提高太陽能光電變換效率并降低成本；二是要實(shí)現(xiàn)太陽能發(fā)電同現(xiàn)在的電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。、利用PN結(jié)光伏效應(yīng)的另一種重要光電器件是光電二極管。PN結(jié)工作在反向偏置的條件下，工作原理與晶體三極管類似，P型區(qū)相當(dāng)于基極區(qū)，N型區(qū)相當(dāng)于集電極區(qū)，由光照下產(chǎn)生的光生載流子引起N區(qū)電流的變化，由于反向偏置，PN結(jié)應(yīng)具有較高的反向耐壓性質(zhì)。光電二極管與普通二極管一樣有一個(gè)PN結(jié)，屬于單向?qū)щ娦缘姆蔷€形元件。外形不同之處是在光電二極管的外殼上有一個(gè)透明的窗口以接收光線照射，其PN結(jié)裝在管頂，可直接受到光照射,實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。 為了獲得盡可能大的光生電流，需要較大的工作面，即PN結(jié)面

29、積比普通二極管大得多，以擴(kuò)散層作為它的受光面。 為了提高光電轉(zhuǎn)換能力，PN結(jié)的深度較普通二極管淺。光敏二極管符號(hào)如圖光電二極管和光電池一樣，其基本結(jié)構(gòu)也是一個(gè)PN結(jié)。它和光電池相比，重要的不同點(diǎn)是結(jié)面積小，因此它的頻率特性特別好。光生電勢(shì)與光電池相同，但輸出電流普遍比光電池小，一般為幾A到幾十A。 按材料分，光電二極管有硅、砷化鎵、銻化銦光電二極管等許多種。 按結(jié)構(gòu)分，有同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)之分。其中最典型的是同質(zhì)結(jié)硅光電二極管。 國產(chǎn)硅光電二極管按襯底材料的導(dǎo)電類型不同，分為2CU和2DU兩種系列。2CU系列以N-Si為襯底，2DU系列以P-Si為襯底。2CU系列的光電二極管只有兩條引線，而2DU

30、系列光電二極管有三條引線 光電二極管的主要特性 光特性 光電二極管的光譜特性 該特性通常是由材料來決定。鍺光電二極管的光譜范圍約為0.4-1.8 um，峰值波長(zhǎng)約為1.4-1.5 um；硅光電二極管的光譜范圍約為0.4-1.2 um，峰值波長(zhǎng)約為0.8-0.9 um。 光電二極管的伏安特性。 實(shí)際與理想情況略有出入，曲線略向上偏。 光電二極管的頻率特性 器件中影響頻率響應(yīng)速度的主要因素是：結(jié)電容和雜散電容的影響；在PN結(jié)外產(chǎn)生的光生載流子需經(jīng)一段時(shí)間的擴(kuò)散才能入結(jié)，與PN結(jié)內(nèi)的光生載流子形成時(shí)間差的影響。 光電二極管的溫度特性 在外加電壓為50V，入射照度不變的條件下，光電流隨工作溫度T的變化

31、曲線 光電二極管的暗電流 當(dāng)無入射光照射時(shí)，硅、鍺兩光電二極管的暗電流I=0隨溫度變化的關(guān)系光電二極管與光電池的特性比較1. 基本結(jié)構(gòu)相同，由一個(gè)PN結(jié)；2. 光電二極管的光敏面小，結(jié)面積小，頻率特性好，雖然光生電動(dòng)勢(shì)相同,但光電流普遍比光電池小,為數(shù)微安。3. 摻雜濃度：光電池約為1016-1019/cm3，硅光電二極管1012-1013/cm3，4. 電阻率：光電池/cm，光電二極管1000/cm。光電池零偏壓下工作，光電二極管反偏壓下工作。 雪崩光電二極管 工作原理是在PN結(jié)上施加高反向偏壓，使其接近擊穿電壓。在雪崩光電二極管的使用中注意兩個(gè)問題：雪崩過程伴有定噪聲；局部擊穿問題。基于以上兩個(gè)問題，工作偏壓選擇必須適當(dāng)。偏壓太小，雪崩增強(qiáng)作用不明顯，增益不大；而偏壓過高，則噪聲增大，甚至擊穿燒毀雪崩光電二極管具有電流增益大，靈敏度高，頻率響應(yīng)快，帶寬可達(dá)100GHz。是目前響應(yīng)最快的一種光敏二極管。不需要后續(xù)龐大的放大電路等特點(diǎn)。因此它在微弱輻射信號(hào)的探測(cè)方向被廣泛地應(yīng)用。在設(shè)計(jì)雪崩光敏二極管時(shí)，要保證載流子在整個(gè)光敏區(qū)的均勻倍增，這就需要選擇無缺陷的材料，必須保持更高的工藝和保證結(jié)面的平整。其缺點(diǎn)是工藝要求高，穩(wěn)定性差，受溫度影響大 雪崩光電二極管與光電倍增管比較 體積小 結(jié)構(gòu)緊湊 工作電壓低 使用方便 但其暗電流比光電倍增管的暗電流大，相應(yīng)的噪聲也較