光電轉(zhuǎn)換器特性的研究

1、實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介傳感器技術(shù)中很重要的一類稱為光傳感器。光傳感器通常是指紫外到紅外波長(zhǎng)范圍的傳感器，其類型可分為量子探測(cè)器和熱探測(cè)器兩類。本實(shí)驗(yàn)將介紹常用的量子探測(cè)器或稱光子探測(cè)器，它是利用材料的光電效應(yīng)制作成的探測(cè)器，故也稱為光電轉(zhuǎn)換器。其主要參數(shù)有響應(yīng)度（靈敏度）、光譜響應(yīng)范圍、響應(yīng)時(shí)間和可探測(cè)的最小輻射功率等。光電轉(zhuǎn)換器件主要是利用光電效應(yīng)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。自光電效應(yīng)發(fā)現(xiàn)至今，光電轉(zhuǎn)換器件獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，目前各種光電轉(zhuǎn)換器件已廣泛地應(yīng)用在各行各業(yè)。常用的光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換器件有光敏電阻、光電倍增器、光電池、PIN管、CCD等。光電倍增器是把微弱的輸入轉(zhuǎn)換為電子，并使電子獲得倍增的電真空器件。當(dāng)

2、光信號(hào)強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，陰極發(fā)射的光電子數(shù)目相應(yīng)變化，由于各倍增極的倍增因子基本上保持常數(shù)，所以陽(yáng)極電流亦隨光信號(hào)的變化而變化，此即光電倍增管的簡(jiǎn)單工作過程。由此可見，光電倍增管的性能主要由光陰極、倍增極及極間電壓決定。光電陰極受強(qiáng)光照射后，由于發(fā)射電子的速率很高，光電陰極內(nèi)部來(lái)不及重新補(bǔ)充電子，因此使光電倍增管的靈敏度下降。如果入射光強(qiáng)度太高，導(dǎo)致器件內(nèi)電流太大，以至于電陰極和倍增極因發(fā)射二分解，就會(huì)造成光電倍增管的永久性波壞。因此，使用光電倍增管時(shí)，應(yīng)避免強(qiáng)光直接入射。光電倍增管一般用來(lái)測(cè)弱光信號(hào)。光電池是把光能直接變成電能的器件，可作為能源器件使用，如衛(wèi)星上使用的太陽(yáng)能電池。它也可作為光電

3、子探測(cè)器件。光電二極管有耗盡層光電二極管和雪崩光電二極管兩種。半導(dǎo)體pn結(jié)區(qū)附近成為耗盡層，該層的兩側(cè)是相對(duì)高的空間電荷區(qū)，而耗盡層內(nèi)通常情況下并不存在電子和空穴。只有當(dāng)光照射pn結(jié)時(shí)才能使耗盡層內(nèi)產(chǎn)生載流子（電子空穴對(duì)），載流子被結(jié)內(nèi)電場(chǎng)加速形成光電流。利用該原理制成的光電二極管稱為耗盡層光電二極管。耗盡層光電二極管有pin層、pn層、金屬半導(dǎo)體型、異質(zhì)型等血崩光電二極管是利用二極管在高的反向偏壓下發(fā)生血崩效應(yīng)而制成的光電器件。血崩光電二極管的倍增效應(yīng)與外加電壓有關(guān)。血崩光電二極管具有倍的電流增益，因此，它的靈敏度很高，并且相應(yīng)速度快，常用于超高頻的調(diào)制光和超短光脈沖的探測(cè)。CCD（Char

4、ge Coupled Device）即電荷耦合器件，通過輸入面上光電信號(hào)逐點(diǎn)的轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存和傳輸，在其輸出端產(chǎn)生一時(shí)序信號(hào)。隨著科技的進(jìn)步，CCD技術(shù)日臻完善，已廣泛用于安全防范、電視、工業(yè)、通信、遠(yuǎn)程教育、可視網(wǎng)絡(luò)電話等領(lǐng)域。本實(shí)驗(yàn)的目的是了解光電效應(yīng)原理及光電轉(zhuǎn)換器件的工作模式并測(cè)量光電轉(zhuǎn)換器件的基本特性。實(shí)驗(yàn)原理n        光電效應(yīng)l        光電轉(zhuǎn)換器件主要是利用物質(zhì)的光電效應(yīng)，即當(dāng)物質(zhì)在一定頻率的光的照射下，釋放出光電子的現(xiàn)象。當(dāng)光照射

5、金屬、金屬氧化物或半導(dǎo)體材料的表面時(shí)，會(huì)被這些材料內(nèi)的電子所吸收，如果光子的能量足夠大，吸收光子后的電子可掙脫原子的束縛而逸出材料表面，這種電子稱為光電子，這種現(xiàn)象稱為光電子發(fā)射，又稱為外光電效應(yīng)。有些物質(zhì)受到光照射時(shí)，其內(nèi)部原子釋放電子，但電子仍留在物體內(nèi)部，使物體的導(dǎo)電性增加，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。n        光電導(dǎo)效應(yīng)l        某些半導(dǎo)體材料在光的照射下，內(nèi)部電子吸收光子后，掙脫原子的束縛而形成自由電子，使其導(dǎo)電性能增加，電阻率下降，

6、這種半導(dǎo)體器件稱為光敏電阻，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。當(dāng)光停止輻照后，自由電子又被失去電子的原子所俘獲，其電阻率恢復(fù)原值。利用光敏電阻的這種特性制成的光控開關(guān)在我們?nèi)粘Ｉ钪须S處可見。n        二次電子發(fā)射效應(yīng)l        當(dāng)電子轟擊某物體時(shí)，如果該電子的動(dòng)能足夠大，被轟擊物體將會(huì)有新的電子發(fā)射出來(lái)，該現(xiàn)象稱為二次電子發(fā)射效應(yīng)。轟擊物體的電子稱為一次電子，物體吸收一次電子后激勵(lì)體內(nèi)的電子到高能態(tài)，這些高能電子的一部分向物體表面運(yùn)動(dòng)，到達(dá)表面時(shí)仍具

7、有足夠的能量克服表面勢(shì)壘而發(fā)射出來(lái)的電子稱為二次電子。n        常用的光電轉(zhuǎn)換器件主要有光敏電阻、光電倍增管、光電二極管等。n        光電二極管l        光電二極管是典型的光電效應(yīng)探測(cè)器，具有量子噪聲低、響應(yīng)會(huì)、使用方便等特點(diǎn)，廣泛用于激光探測(cè)器。圖-1是硅光電二極管的工作原理。 外加反偏電壓于結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向一致，當(dāng)pn結(jié)及其附近被光照射時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生載流子

8、（即電子空穴對(duì)）。結(jié)區(qū)內(nèi)的電子空穴對(duì)在勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)的作用下，電子被拉向n區(qū)，空穴被拉向p區(qū)而形成光電流。同時(shí)勢(shì)壘區(qū)一側(cè)一個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度內(nèi)的光生載流子先向勢(shì)壘區(qū)擴(kuò)散，然后在勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)的作用下也參與導(dǎo)電。當(dāng)入設(shè)光強(qiáng)變化時(shí)，光生載流子的濃度及通過外回路的光電流也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。這種變化在入射光強(qiáng)很大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)仍能保持線性關(guān)系。    伏安特性當(dāng)沒有光照射時(shí)，光電二極管相當(dāng)于普通的二極管。其伏安特性是式中I為流過二極管的總電流，為反向飽和電流，e為電子電荷，k為玻爾茲曼常量，T為工作溫度，V為加在二極管兩端的電壓。如圖-2所示    對(duì)于外加

9、正向電壓，I隨V指數(shù)增長(zhǎng)，稱為正向電流；當(dāng)外加電壓反向時(shí)，在反向擊穿電壓之內(nèi)，反向飽和電流基本上是個(gè)常數(shù)。對(duì)于硅光二極管來(lái)說，其伏安特性可表示為式中是流過硅光電二極管的總電流，是反向光電流，S是電流靈敏度，P是入射光功率，因硅光二極管是反向偏壓工作，故上式可簡(jiǎn)化為硅光電二極管的伏安特性曲線相當(dāng)于把普通二極管的伏安特性曲線向下平移。其實(shí)際伏安曲線如圖所示。從圖中可以看出，在很大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，它們基本上是線性關(guān)系。因此光電二極管不像光電倍增管那樣容易損壞。l        光電二極管的頻率響應(yīng)、峰值相應(yīng)、時(shí)間響應(yīng)：光電二極管具有

10、頻率響應(yīng)寬、靈敏度高、時(shí)間響應(yīng)快等特點(diǎn)，是一種常用的光電探測(cè)器件。光電二極管的光譜響應(yīng)主要由構(gòu)成pn結(jié)的材料決定。圖-5是硅光電二極管的光譜響應(yīng)曲線。l        量子效率：光電探測(cè)器吸收光子產(chǎn)生光電子，光電子形成光電流。因此，光電流I與每秒入射的光子數(shù)，即光功率P成正比。根據(jù)統(tǒng)計(jì)光學(xué)理論，光電流與入射光功率的關(guān)系為式中I為光電流，P為光功率，是光電轉(zhuǎn)換因子，e為電子電荷，h為普朗克常量，v為入射光頻率，為量子效率。從上式可知。 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容n      

11、  測(cè)量光電二極管的頻譜曲線、峰值響應(yīng)頻率l        如圖-6所示，在暗箱里，強(qiáng)度較高的白光光源通過濾光片后入射到光電二極管上，光電二極管的線路圖如圖1.1.1-7所示。利用示波器或電壓表觀察、測(cè)量不同波長(zhǎng)的光（用不同顏色的濾光片獲得）照射在pin管上所獲得的電壓。繪出波長(zhǎng)電壓及圖，通過曲線向找到峰值響應(yīng)頻率，曲線向兩邊延伸，確定截至波長(zhǎng)。l        能量計(jì)是一種靈敏度較高的測(cè)量激光輸出能量的儀器，使用中應(yīng)注意適當(dāng)?shù)膿跷?，以免過高能量損壞儀器。存貯示波器內(nèi)含微處理器，可將測(cè)得的波形經(jīng)機(jī)內(nèi)RAM/ROM存貯起來(lái)，獲得靜態(tài)顯示，便于觀察、測(cè)量、拍照。n        按圖-7的接線，用已確定對(duì)應(yīng)于峰值波長(zhǎng)的濾光片，加一定的反偏電壓，改變?nèi)肷涔鈴?qiáng)（用可變光闌實(shí)現(xiàn)），測(cè)量光電流與光強(qiáng)的關(guān)系，繪出其關(guān)系圖，觀察二者之間的關(guān)系。n        利用上述裝置測(cè)量光敏電