第3章__光電檢測(cè)器件

1、探測(cè)器件熱光電探測(cè)元件光電探測(cè)元件氣體光電探測(cè)元件外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)非放大型放 大 型光電導(dǎo)探測(cè)器光磁電效應(yīng)探測(cè)器光生伏特探測(cè)器本征型摻雜型非放大放大型真空光電管充氣光電管光電倍增管變像管攝像管像增強(qiáng)器光敏電阻紅外探測(cè)器光電池光電二極管光電三極管光電場(chǎng)效應(yīng)管雪崩型光電二極管UbbIpIp金屬電極金屬電極光電導(dǎo)材料光電導(dǎo)材料入射光入射光光敏電阻符號(hào)UIp電極入射光12321-光電導(dǎo)材料；2-電極；3-襯底材料絕緣基底光電導(dǎo)體膜絕緣基底光電導(dǎo)體膜pR材料特性結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)用：照相機(jī)、光度計(jì)、光電自動(dòng)控制、輻射測(cè)量、能量輻射、物體搜索和跟蹤、紅外成像和紅外通信等技術(shù)方面制成的光輻射接收器件。其中：I光

2、為光電流，I光=IL-Id； E為照度，為光照指數(shù)，與材料的入射光強(qiáng)弱有關(guān)，對(duì)CdS光電導(dǎo)體，弱光照射下=1，強(qiáng)光下=0.5； U為光敏電阻兩端所加電壓，為電壓指數(shù)，與光電導(dǎo)體和電極材料間接觸有關(guān)，歐姆接觸時(shí)=1，非歐姆接觸時(shí)=1.1-1.2 Sg為光電導(dǎo)靈敏度，單位S/lx OI光ECdS的光電特性對(duì)CdS光電導(dǎo)體，弱光照射下=1，強(qiáng)光下=0.5；為什么？ 光照增強(qiáng)的同時(shí)，載流子濃度不光照增強(qiáng)的同時(shí)，載流子濃度不斷的增加，同時(shí)光敏電阻的溫度也在斷的增加，同時(shí)光敏電阻的溫度也在升高，從而導(dǎo)致載流子運(yùn)動(dòng)加劇，因升高，從而導(dǎo)致載流子運(yùn)動(dòng)加劇，因此復(fù)合幾率也增大，光電流呈飽和趨此復(fù)合幾率也增大，光電

3、流呈飽和趨勢(shì)。（冷卻可以改善）勢(shì)。（冷卻可以改善）UESIg光允許的功耗線O10電壓V/VI光/mA510050100 lx10 lx250mW光敏電阻的伏安特性 光敏電阻為一純電阻，符合歐姆定律，曲線為直線。但對(duì)大多數(shù)半導(dǎo)體，電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò) 時(shí)，不再遵守歐姆定律。而CdS在100V時(shí)就不成線性了。 厘米伏410溫度的變化，引起溫度噪聲，導(dǎo)致光敏電阻靈敏度、光照特性、響應(yīng)率等都發(fā)生變化。為了提高靈敏度，必須采用冷卻裝置。20406080100T501001502000I 指光敏電阻的時(shí)間特性與工作前“歷史”有關(guān)的一種現(xiàn)象。即測(cè)試前光敏電阻所處狀態(tài)對(duì)光敏電阻特性的影響。 暗態(tài)前歷效應(yīng)：指光敏電阻測(cè)

4、試或工作前處于暗態(tài)，當(dāng)它突然受到光照后光電流上升的快慢程度。一般地，工作電壓越低，光照度越低，則暗態(tài)前歷效應(yīng)就越重，光電流上升越慢。 1-黑暗放置3分鐘后 2-黑暗放置60分鐘后 3-黑暗放置24小時(shí)后 同時(shí)，時(shí)間特性與輸入光的照度、工作溫度有明顯的依賴關(guān)系。4123O1f/Hz相對(duì)輸出0.41051010.20.60.81021031041-Se；2-CdS；3-TlS；4-PbSrfEtOi(%)tO1006337rf矩形光矩形光脈沖脈沖10lx100lx相對(duì)靈敏度與波長(zhǎng)的關(guān)系可見(jiàn)光區(qū)光敏電阻的光譜特性 光譜特性曲光譜特性曲線覆蓋了整個(gè)可見(jiàn)線覆蓋了整個(gè)可見(jiàn)光區(qū)（光區(qū)（380到到780nm）

5、，峰值波長(zhǎng)在），峰值波長(zhǎng)在515515715nm715nm之間。之間。尤其硫化鎘（尤其硫化鎘（2 2）的峰值波長(zhǎng)與人眼的峰值波長(zhǎng)與人眼的很敏感的峰值波的很敏感的峰值波長(zhǎng)（長(zhǎng)（555nm555nm）是很）是很接近的，因此可用接近的，因此可用于與人眼有關(guān)的儀于與人眼有關(guān)的儀器。器。1-Se；2-CdS；3-TlS；4-PbSu硫化鎘（硫化鎘（CdSCdS）光敏電阻：）光敏電阻：峰值響應(yīng)波長(zhǎng)0.52um，摻銅或氯時(shí)峰值波長(zhǎng)變長(zhǎng)，光譜響應(yīng)向紅外區(qū)延伸，其亮暗電導(dǎo)比在10lx照度上可達(dá)1011(一般約為106)，其時(shí)間常數(shù)與入射光強(qiáng)度有關(guān)，100lx下可達(dá)幾十毫秒。是可見(jiàn)光波段最靈敏的光敏電阻。u硫化鉛

6、（硫化鉛（PbSPbS）光敏電阻：）光敏電阻：響應(yīng)波長(zhǎng)在近紅外波段，室溫下響應(yīng)波長(zhǎng)可達(dá)3um，缺點(diǎn)主要是響應(yīng)時(shí)間太長(zhǎng)，室溫條件下100-300uS。內(nèi)阻約為1M，u銻化銦（銻化銦（InSbInSb）光敏電阻：）光敏電阻：長(zhǎng)波限7.5um，內(nèi)阻低（約50），時(shí)間常數(shù)0.02uS。零度時(shí)探測(cè)率可提高2-3倍。u碲鎘汞（HgCdTe）系列光敏電阻。其性能優(yōu)良，最有前途的光敏電阻。不同的Cd組分比例，可實(shí)現(xiàn)1-3um,3-5um,8-14um的光譜范圍的探測(cè)。例如Hg0.8Cd0.2Te響應(yīng)在大氣窗口8-14um，峰值波長(zhǎng)10.6um，Hg0.72Cd0.28Te 響應(yīng)波長(zhǎng)在3-5um.u碲錫鉛（碲錫

7、鉛（PbSnTePbSnTe）系列光敏電阻：）系列光敏電阻：不同的錫組分比例，響 應(yīng)波長(zhǎng)不同。主要用在8-10um波段探測(cè) ，但探測(cè)率低，應(yīng)用不廣泛。RPURLULI 忽略暗電導(dǎo)Gd(暗電阻很大)： G=Gp=Sg（光電靈敏度*光通量） 即 對(duì)R求導(dǎo)得到 負(fù)號(hào)表示電阻是隨輸入輻射的增加而減小。當(dāng)光通量變化時(shí)，電阻變化R，電流變化I，即取微分： 即 gSR1gSRR2RRRUIRRUIpLpL222pLgpRRUSRIURLULI輸出電壓LpLbgpLLRRRUSRIRU22R12k中心站放大器VDW6VR2200kR3PbSC168nFC268uFR43.9MR5820kR71kR832kR6

8、3.9kR9150kC44.7nF+ C3 100uFV1V2V3PbS光敏電阻：Rd=1M, Rl=0.2M，峰值波長(zhǎng)2.2um（火焰的峰值輻射波長(zhǎng)），火焰跳變信號(hào)經(jīng)C2耦合。恒壓偏置電路高輸入阻抗放大電路Vo12v快門(mén)按鈕驅(qū)動(dòng)單元UthUR+_ARp210kRp110kR2300R15.1kC11uFMVDVRCdSUbbCKVDRCdS常閉燈220V半波整流測(cè)光與控制執(zhí)行控制分類1、金屬-半導(dǎo)體接觸型（硒光電池）基本結(jié)構(gòu)2、PN結(jié)型NP)(電極)(電極入射光線幾個(gè)特征： 1、柵狀電極 2、受光表面的抗反射膜 符號(hào)符號(hào)光電池光照特性特征：開(kāi)路電壓Voc與光照度E成對(duì)數(shù)關(guān)系；典型值在0.45

9、-0.6V。作電 源時(shí)，轉(zhuǎn)化效率10%左右。最大15.5-20%。短路電流Isc與E成線性關(guān)系，常用于光電池檢測(cè)， Isc典型值 35-45mA。RL越小，線性度越好，線性范圍越寬。光照增強(qiáng)到一定程度，光電流開(kāi)始飽和。2、輸出特性RL/0 100 200 300 400 500Voc/mVIsc/mA400200 010080400PLVocILRMUL隨RL的增大而增大，直到接近飽和。RL小時(shí)IL趨近于短路電流Isc。在RL=RM時(shí)，有最大輸出功率，RM稱為最佳負(fù)載。光電池作為換能器件時(shí)要考慮最大輸出問(wèn)題。作為測(cè)量使用，短路電流Isc與光照度成線性關(guān)系，RL的存在使IL隨光照度非線性的增加。

10、RL增大，線性范圍越來(lái)越小。3、光譜特性4、溫度特性Voc具有負(fù)溫度系數(shù)，其值約為2-3mV/度。Isc具有正溫度系數(shù)，但隨溫度升高增長(zhǎng)的比例很小，約為10-5-10-3mA/度T0 . 29 . 18 . 1200400600ocUscI)(mVUoc)(mAIsc200204060 80 100總結(jié)：總結(jié)：當(dāng)光電池接收強(qiáng)光照時(shí)要考慮溫度升高的影響。如硅光電池不能超過(guò)200度。光電池與外電路的連接方式-10VVociC3DG62CR21k硅三極管的放大光電流電路-10VVociC3AX42CR鍺三極管的放大電路1k光電池作緩變信號(hào)檢測(cè)時(shí)的的變換電路舉例硅三極管放大光電流的電路+4VVociC

11、3DG7A2CR1k2AP7100+_VocRf2CR采用運(yùn)算放大器的電路光電池的變換電路舉例1 1太陽(yáng)電池電源太陽(yáng)電池電源 太陽(yáng)電池電源系統(tǒng)主要由太陽(yáng)電池方陣、蓄電池組、調(diào)節(jié)控制和阻塞二極管組成。如果還需要向交流負(fù)載供電，則加一個(gè)直流交流變換器，太陽(yáng)電池電源系統(tǒng)框圖如圖。逆變器 交流負(fù)載 直流負(fù)載太陽(yáng)能電池電源系統(tǒng)阻塞二極管 調(diào)節(jié)控制器太陽(yáng)電池方陣(a) 光電追蹤電路+12VR4R3R6R5R2R1WBG1BG2 圖 (a)為光電池構(gòu)成的光電跟蹤電路，用兩只性能相似的同類光電池作為光電接收器件。當(dāng)入射光通量相同時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)按預(yù)定的方式工作或進(jìn)行跟蹤。當(dāng)系統(tǒng)略有偏差時(shí)，電路輸出差動(dòng)信號(hào)帶動(dòng)執(zhí)行

12、機(jī)構(gòu)進(jìn)行糾正，以此達(dá)到跟蹤的目的。光電池在檢測(cè)和控制方面應(yīng)用中的幾種基本電路BG2BG1+12VC J R1 R2(b) 光電開(kāi)關(guān) 圖 (b)所示電路為光電開(kāi)關(guān)，多用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中。無(wú)光照時(shí)，系統(tǒng)處于某一工作狀態(tài)，如通態(tài)或斷態(tài)。當(dāng)光電池受光照射時(shí)，產(chǎn)生較高的電動(dòng)勢(shì)，只要光強(qiáng)大于某一設(shè)定的閾值，系統(tǒng)就改變工作狀態(tài)，達(dá)到開(kāi)關(guān)目的。光電二極管的分類： 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(guó)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

13、底。2CU系列的光電二極管只有兩條引線，而2DU系列光電二極管有三條引線。 光電二極管與光電池的特性比較基本結(jié)構(gòu)相同，有一個(gè)PN結(jié)；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。電阻率：光電池0.1-0.01/cm，光電二極管1000/cm。1. 光電池零偏壓下工作，光電二極管反偏壓下工作。光電二極管的類型：光電二極管的類型：硅、鍺、PIN、APD光電二極管的工作原理光電二極管的工作原理NP光+_外加反向偏壓符號(hào)環(huán)型光電二極管的基本結(jié)構(gòu)環(huán)型光電二極管的基本結(jié)構(gòu)N環(huán)極前極N+N+P后極環(huán)型光電二極管的結(jié)構(gòu)環(huán)極用于阻擋漏電流。前級(jí)后級(jí)環(huán)級(jí)VARL

14、h等效電路環(huán)極環(huán)極圍繞前極光電二極管的伏安特性光電二極管的伏安特性u(píng)加正向偏壓時(shí)， 表現(xiàn)為單向?qū)щ娦?。u作為光敏二極管使用時(shí)，需要加反向偏壓，當(dāng)有光照時(shí)會(huì)產(chǎn)生光電流，且光電流遠(yuǎn)大于反向飽和電流。u反向偏壓可以減小載流子的渡越時(shí)間和二極管的極間電容。光電二極管的光譜特性光電二極管的光譜特性1、光敏二極管在較小負(fù)載電阻下，光電流與入射光功率有較好的線性關(guān)系。2、光敏二極管的響應(yīng)波長(zhǎng)與GaAs激光管和發(fā)光二極管的波長(zhǎng)一致，組合制作光電耦合器件。3、光電二極管結(jié)電容很小，頻率響應(yīng)高，可達(dá)100kHz。光電二極管的溫度特性光電二極管的溫度特性 光電二極管的溫度特性主要是指暗電流對(duì)溫度的依賴性，暗電流對(duì)溫

15、度的變化非常敏感。暗電流/A10 20305070T /C0.1 00.54060光電二極管的典型應(yīng)用電路光電二極管的典型應(yīng)用電路應(yīng)用電路EhRLVoRL+EVoh光電二極管的典型應(yīng)用電路光電二極管的典型應(yīng)用電路VoRf2CR+_ACRf2CRVo+_ARLRf PIN管是光電二極管中的一種。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層（相對(duì)）很厚的本征半導(dǎo)體。這樣，PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)就基本上全集中于本征層中，從而使PN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小。時(shí)間常數(shù)RC變小，頻帶變寬。PINPIN光電二極管光電二極管 P-Si N-Si I-SiPIN管結(jié)構(gòu)示意圖特點(diǎn)：1、頻帶寬，可達(dá)10GHz

16、。2、本征層很厚，在反偏壓下運(yùn)用可承受較高的反向電壓，線性輸出范圍寬。3、由耗盡層寬度與外加電壓的關(guān)系可知，增加反向偏壓會(huì)使耗盡層寬度增加，且集中在本征層，從而結(jié)電容要進(jìn)一步減小，使頻帶寬度變寬。4、本征層電阻很大，管子的輸出電流小，一般多為零點(diǎn)幾微安至數(shù)微安。目前有將PIN管與前置運(yùn)算放大器集成在同一芯片上并封裝成一個(gè)器件。 雪崩光電二極管是利用PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來(lái)工作的一種二極管。 這種管子工作電壓很高，約100200V，接近于反向擊穿電壓。結(jié)區(qū)內(nèi)電場(chǎng)極強(qiáng)，光生電子在這種強(qiáng)電場(chǎng)中可得到極大的加速，同時(shí)與晶格碰撞而產(chǎn)生電離雪崩反應(yīng)。因此，這種管子有很高的內(nèi)增益，可達(dá)到幾百。當(dāng)

17、電壓等于反向擊穿電壓時(shí)，電流增益可達(dá)106，即產(chǎn)生所謂的雪崩。這種管子響應(yīng)速度特別快，帶寬可達(dá)100GHz，是目前響應(yīng)速度最快的一種光電二極管。 雪崩光電二極管(APD)雪崩光電二極管(APD)原理圖3.3.2 3.3.2 光電三極管的基本結(jié)構(gòu)光電三極管的基本結(jié)構(gòu)發(fā)射極發(fā)射極集電極集電極基極基極發(fā)射極發(fā)射極集電極集電極光電三極管的工作原理cbeIcIpIbVo光敏三極管的結(jié)構(gòu)原理、工作原理和電氣圖形符號(hào)pppcIIII1光電三極管的工作原理工作過(guò)程：一、光電轉(zhuǎn)換；二、光電流放大VCCVCC基本基本應(yīng)用應(yīng)用電路電路達(dá)林頓光電三極管電路 為了提高光電三極管的頻率響應(yīng)、增益和減小體積。將光電二極管、

18、三極管制作在一個(gè)硅片上構(gòu)成集成器件光電三極管的主要特性： 光電三極管存在一個(gè)最佳靈敏度的峰值波長(zhǎng)。當(dāng)入射光的波長(zhǎng)增加時(shí)，相對(duì)靈敏度要下降。因?yàn)楣庾幽芰刻?，不足以激發(fā)電子空穴對(duì)。當(dāng)入射光的波長(zhǎng)縮短時(shí)，相對(duì)靈敏度也下降，這是由于光子在半導(dǎo)體表面附近就被吸收，并且在表面激發(fā)的電子空穴對(duì)不能到達(dá)PN結(jié)，因而使相對(duì)靈敏度下降。光譜特性光譜特性入射光硅鍺/nm40080012001600相對(duì)靈敏度/%10080604020 0硅的峰值波長(zhǎng)為900nm，鍺的峰值波長(zhǎng)為1500nm。由于鍺管的暗電流比硅管大，因此鍺管的性能較差。故在可見(jiàn)光或探測(cè)赤熱狀態(tài)物體時(shí)，一般選用硅管；但對(duì)紅外線進(jìn)行探測(cè)時(shí),則采用鍺管較

19、合適。伏安特性伏安特性伏安特性 光電三極管的伏安特性曲線如圖所示。光電三極管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶體管在不同的基極電流時(shí)的輸出特性一樣。因此，只要將入射光照在發(fā)射極e與基極b之間的PN結(jié)附近，所產(chǎn)生的光電流看作基極電流，就可將光敏三極管看作一般的晶體管。光電三極管能把光信號(hào)變成電信號(hào)，而且輸出的電信號(hào)較大。U為集電極反向偏壓I/mA024620406080U/V500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mAL/lx200400600800100001.02.03.0光敏晶體管的光照特性 光電三極管的光照特性如圖所示。它給出了光敏三極管的輸出電流 I 和照度之間

20、的關(guān)系。它們之間呈現(xiàn)了近似線性關(guān)系。當(dāng)光照足夠大(幾klx)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，從而使光電三極管既可作線性轉(zhuǎn)換元件，也可作開(kāi)關(guān)元件。 光照特性光照特性暗電流/A10 20 305070T /C 04060光電流/mA1 024801020 30 4050 60 70T/C光電三極管的溫度特性 光電三極管的溫度特性曲線反映的是光電三極管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。從特性曲線可以看出，溫度變化對(duì)光電流的影響較?。ㄐ甭市。?，而對(duì)暗電流的影響很大所以電子線路中應(yīng)該對(duì)暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償，否則將會(huì)導(dǎo)致輸出誤差。溫度特性 光電三極管的頻率特性曲線如圖所示。光電三極管的頻率特性受負(fù)載電阻的影響，減小負(fù)載電阻

21、可以提高頻率響應(yīng)。一般來(lái)說(shuō)，光電三極管的頻率響應(yīng)比光電二極管差。對(duì)于鍺管，入射光的調(diào)制頻率要求在5kHz以下。硅管的頻率響應(yīng)要比鍺管好。RL=1kRL=10kRL=100k01100k10k1000k10020406080調(diào)制頻率 / Hz相對(duì)靈敏度/%光電三極管的頻率特性頻率特性頻率特性JR2R1A3DG12VJR2R1A3DG12V 1 1亮通光電控制電路亮通光電控制電路2 2暗通光電控制電路暗通光電控制電路光電耦合器以光電轉(zhuǎn)換原理傳輸信息，由于光耦兩側(cè)是電絕緣的，所以對(duì)地電位差干擾有很強(qiáng)的抑制能力，同時(shí)光耦對(duì)電磁干擾也有很強(qiáng)的抑制能力。 光電耦合器由發(fā)光器件（發(fā)光二極管）和受光器件（光敏

22、三極管）封裝在一個(gè)組件內(nèi)構(gòu)成； 當(dāng)發(fā)光二極管流過(guò)電流IF時(shí)發(fā)出紅外光，光敏三極管受光激發(fā)后導(dǎo)通，并在外電路作用下產(chǎn)生電流IC。光耦合器件有透光型與反射型兩種。在透光型光耦合器件中，發(fā)光器件與受光器件面對(duì)面安放，在它們之間有一間隔，當(dāng)物體通過(guò)這一間隔時(shí)，發(fā)射光被切斷。利用這一現(xiàn)象可以檢測(cè)出物體的有無(wú)。采用這種方式的耦合器件后邊連接的接口電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，檢測(cè)位置精度也高。反射型光耦合器件從發(fā)光器件來(lái)的光反射到物體上面由受光器件來(lái)檢測(cè)出，比起透光型來(lái)顯得體積小，把它放在物體的側(cè)面就能使用。 具有電隔離的功能； 信號(hào)的傳輸是單向性的，適用于模擬和數(shù)字信號(hào)傳輸； 具有抗干擾和噪聲的能力，可以抑制尖脈沖

23、及各種噪聲，發(fā)光器件為電流驅(qū)動(dòng)器件?？衫斫鉃椋? 1、輸入阻抗低，分得噪聲電壓小，抑制輸入端的噪聲干擾；2 2、LED發(fā)光需要一定能量，因此可以抑制高電壓、低能量的干擾；3 3、采用光耦合，且密封安裝，抑制外界雜散光干擾；4 4、寄生電容小(0.5pF-2pF)，絕緣電阻大(105-107M) 響應(yīng)速度快； 使用方便，結(jié)構(gòu)小巧，防水抗震，工作溫度范圍寬； 即具有耦合特性又具有隔離特性。1、電流傳輸比Ic/mAIc3Ic2Ic1Uc/VIF3IF2IF1Q3Q2Q1IFIFIFQIFO 定義為在直流狀態(tài)下，光電耦合器件的集電極電流Ic與發(fā)光二極管的注入電流IF之比。如圖中在Q點(diǎn)處電流傳輸比為：%

24、100FQCQQII如果在小信號(hào)下，交流電流傳輸比用微小變量定義：%100FCII飽和區(qū)截止區(qū)與IF的關(guān)系： 由于發(fā)光二極管發(fā)出的光不總與電流成正比，所以有如圖示的變化。4 3 2 1 0 50 100 150 電流電流/mA輸出功率輸出功率/ mW發(fā)光二極管的P-I曲線0 10 20 30 40 50 60 7012010080604020IF/mAIF與的關(guān)系曲線2、最高工作頻率，mff /M Hz相對(duì)輸出1.00.7070f m1f m2f m3RL1RL2RL3 最高工作頻率取決于發(fā)光器件與光電接收器件的頻率特性。同時(shí)與負(fù)載電阻的阻值有關(guān)，阻值越大，最高工作頻率越低。光電耦合器件光電耦

25、合器件光電耦合繼電器光電耦合繼電器光電隔離器（傳感器）光電隔離器（傳感器）P層i層0AxAI1I2I0N層LL光3.6 光電位置敏感器件（PSD）的工作原理LIIIIxLxLIILxLIIIIIAAA1212020121022依圖中所示，電流I0、I1、I2、入射光位置xA和電極間距2L之間有如下關(guān)系：其中，P型層電阻是均勻的。一維PSD器件可用來(lái)測(cè)量光斑在一維方向上的位置和位置移動(dòng)量。3.7 光熱輻射檢測(cè)器件 1、熱敏電阻半導(dǎo)體對(duì)光的吸收本征和雜質(zhì)吸收產(chǎn)生光生載流子晶格吸收、自由電子吸收不產(chǎn)生光生載流子光電導(dǎo)率變化，伴隨少量的熱能產(chǎn)生熱能產(chǎn)生，溫升造成電阻值變化光敏電阻熱敏電阻p負(fù)溫度系數(shù)熱

26、敏電阻和金屬材料溫度特 性比較熱敏電阻的電阻與溫度關(guān)系為： TDCeATTRA，C，D為與材料有關(guān)的常數(shù)。電阻隨溫度的變化規(guī)律為：RTRT對(duì)負(fù)溫度系數(shù)材料：0Tp熱敏電阻的基本結(jié)構(gòu)電極引線黏合劑發(fā)黑材料熱敏元件襯底導(dǎo)熱基體2、熱電偶檢測(cè)器熱端T+T冷端TABII溫差熱電偶T+TJ1BAJ2IGc輻射熱電偶T+TNPTTRLI+_涂黑金箔半導(dǎo)體輻射熱電偶基于溫差熱電效應(yīng)，多用于測(cè)溫，采用金屬材料制成，用于探測(cè)入射輻射，溫升小，對(duì)材料的要求高，結(jié)構(gòu)嚴(yán)格且復(fù)雜，成本高。P型半導(dǎo)體冷端帶正電，N型半導(dǎo)體冷端帶負(fù)電，最小可檢測(cè)功率一般為10-11W。塞貝克效應(yīng) ：若金屬棒的兩端處在不同溫度時(shí)，則自由電子

27、電子便會(huì)由高溫區(qū)擴(kuò)散至低溫區(qū)，因而產(chǎn)生熱流及電流電流由高溫區(qū)傳流向低溫區(qū)的現(xiàn)象。在不同 金屬內(nèi)導(dǎo)電子的擴(kuò)散速率不同，形成凈電流 光熱端冷端涂黑金箔mVRL 熱電堆提高了熱電偶的響應(yīng)時(shí)間和靈敏度。其結(jié)構(gòu)是多個(gè)熱電偶串聯(lián)。 熱電堆的靈敏度為每個(gè)熱電偶靈敏度的和?？偨Y(jié)：熱電偶型紅外輻射探測(cè)器的時(shí)間常數(shù)較大，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)特性差，被測(cè)輻射變化頻率一般應(yīng)在10Hz以下。3、熱釋電器件熱釋電器件利用熱釋電效應(yīng)制成的熱或紅外輻射檢測(cè)器件，具有以下優(yōu)點(diǎn)：寬的頻率響應(yīng)，工作頻率可近兆赦茲，一般熱檢測(cè)器時(shí)間常數(shù)典型值在1-0.01s范圍內(nèi)。而熱釋電器件的有效時(shí)間常數(shù)可低至10-4-310-5s。檢測(cè)率高，有大面

28、積均勻的敏感面，工作時(shí)不接外偏置。與熱敏電阻比，受環(huán)境溫度變化影響小。1. 熱釋電器件的強(qiáng)度和可靠性比其它多數(shù)熱檢測(cè)器好，制造容易。 “自發(fā)極化的電介質(zhì)，其自發(fā)極化強(qiáng)度Ps（單位面積上的電荷量）與溫度存在著如下關(guān)系：當(dāng)溫度升高時(shí)，極化強(qiáng)度減低，當(dāng)溫度升高一定值時(shí)，自發(fā)極化消失，這個(gè)溫度稱為”居里點(diǎn)“。 在居里點(diǎn)以下，Ps是溫度t的函數(shù)，利用這一關(guān)系制造出熱釋電器件，溫度的升高，電極化強(qiáng)度減小，相當(dāng)于熱”釋放了“部分電荷，可由放大器轉(zhuǎn)變成電壓輸出。TcPsTOPsTOTc 熱釋電器件不同于其它光電器件的特點(diǎn)：在恒定輻射作用情況下輸出信號(hào)電壓為零。只有在交變輻射作用下才會(huì)有信號(hào)輸出。熱釋電紅外線傳

29、感器主要是由一種高熱電系數(shù)的材料，如鋯鈦酸鉛系陶瓷、鉭酸鋰、硫酸三甘鈦等制成的探測(cè)元件。電源開(kāi)關(guān)控制、防盜防火報(bào)警、自動(dòng)覽測(cè)。 適合交變的信號(hào)測(cè)量。 夜視儀 DC直流放大直流放大陰極陰極R-+光束光束e陽(yáng)極絲（陽(yáng)極絲（Ni）抽真空抽真空 陰極表面可涂漬不同光敏物質(zhì)：高靈敏(K,Cs銫,Sb銻)、紅光敏(Na/K/Cs/Sb, Ag銀/O/Cs)、紫外光敏、平坦響應(yīng)(Ga/As，響應(yīng)受波長(zhǎng)影響小)。產(chǎn)生的光電流約為硒光電池的1/10。優(yōu)點(diǎn)：阻抗大，電流易放大；響應(yīng)快；應(yīng)用廣。缺點(diǎn)：有微小暗電流（Dark current，）。陽(yáng)極倍增極 陰極在光照下發(fā)射出光電子，光電子受到電極間電場(chǎng)作用獲得較大能

30、量打在倍增電極上，產(chǎn)生二次電子發(fā)射，經(jīng)過(guò)多極倍增的光電子到達(dá)陽(yáng)極被收集而形成陽(yáng)極電流，隨光信號(hào)的變化。在倍增極不變的條件下，陽(yáng)極電流隨光信號(hào)變化。環(huán)型光電倍增管環(huán)型光電倍增管石英套石英套光束光束1個(gè)光子產(chǎn)生個(gè)光子產(chǎn)生106107個(gè)電子個(gè)電子?xùn)艠O，柵極，Grill陽(yáng)極陽(yáng)極屏蔽屏蔽光電倍增管示意圖光電倍增管示意圖 光電倍增管由光窗、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、電子倍增系統(tǒng)和陽(yáng)極等 五個(gè)主要部分組成，其外形如圖所示。側(cè)窗式側(cè)窗式端窗式端窗式1光窗光窗 光窗是入射光的通道，是對(duì)光吸收較多的部分。常用的光窗材料有鈉鈣玻璃、硼硅玻璃、紫外玻璃、熔凝石英和氟鎂玻璃等。2光電陰極光電陰極 它的作用是接收入射光，向

31、外發(fā)射光電子。制作光電陰極的材料多是化合物半導(dǎo)體。3電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng) 任務(wù)：（1）通過(guò)對(duì)電極結(jié)構(gòu)的適當(dāng)設(shè)計(jì)，使前一級(jí)發(fā)射出來(lái)的電子盡可能沒(méi)有散失地落到下一個(gè)倍增極上，使下一級(jí)的收集率接近于1；（2）使前一級(jí)各部分發(fā)射出來(lái)的電子，落到后一級(jí)上時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間盡可能相同，使渡越時(shí)間零散最小。4倍增系統(tǒng)倍增系統(tǒng) 倍增系統(tǒng)是由許多倍增極組成的綜合體，每個(gè)倍增極都是由二次電子倍增材料構(gòu)成的，具有使一次電子倍增的能力。倍增系統(tǒng)是決定整管靈敏度最關(guān)鍵的部分。光電倍增管是利用二次電子發(fā)射（當(dāng)高速的電子打擊到金屬表面，由于高速電子的動(dòng)能被金屬吸收，改變了金屬原子內(nèi)電子能量的狀態(tài)，使有些電子從金屬表面逸出）

32、現(xiàn)象制成的。 如果每個(gè)電子落到某一倍增極上從該倍增極打出個(gè)二次電子，那么很明顯地：niI0式中， I 陽(yáng)極電流; i0 光陰極發(fā)出的光電流; n 光電倍增極的級(jí)數(shù)。 光電倍增管的電流放大系數(shù)光電倍增管的電流放大系數(shù)可用下式表示可用下式表示: = = 倍增系統(tǒng)有聚焦型聚焦型和非聚焦型非聚焦型兩類。聚焦型倍增系統(tǒng)倍增極的結(jié)構(gòu)形式為瓦片式非聚焦倍增系統(tǒng)倍增極的結(jié)構(gòu)形式為百葉窗式。0iIn5陽(yáng)極陽(yáng)極 陽(yáng)極是用來(lái)收集最末一級(jí)倍增極發(fā)射出來(lái)的電子的?，F(xiàn)在普遍采用金屬網(wǎng)來(lái)作陽(yáng)極，使它置于靠近于最末一級(jí)倍增極附近。 二光電倍增管的特性：二光電倍增管的特性： 1光電特性 2光譜特性 3. 伏安特性 4放大特性 5. 頻率特性 6疲乏特性 7. 暗電流I 當(dāng)光通量很大時(shí)，特當(dāng)光通量很大時(shí)，特性曲線開(kāi)始明顯偏離性曲線開(kāi)始明顯偏離直線。因此，在工作直線。因此，在工作時(shí)陰極不能有強(qiáng)光照時(shí)陰極不能有強(qiáng)光照射，否則易