光電探測(cè)原理及器件

1、光電探測(cè)原理及器件第1頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一學(xué)習(xí)目標(biāo) 通過本章學(xué)習(xí)，掌握光電探測(cè)的基本物理效應(yīng)、光電探測(cè)器及其性能參數(shù)、各種光電探測(cè)器件的基本結(jié)構(gòu)、特性參數(shù)的相關(guān)知識(shí)，掌握直接探測(cè)系統(tǒng)和光頻外差探測(cè)系統(tǒng)的性能，了解各種光電探測(cè)器件的實(shí)際應(yīng)用，為光電探測(cè)器的選用和設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。 第2頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一學(xué)習(xí)要求 熟悉光電探測(cè)的基本物理效應(yīng) 1掌握光電探測(cè)器及其性能參數(shù) 2熟悉各種光電探測(cè)器件結(jié)構(gòu)及特性 3掌握直接探測(cè)系統(tǒng)和光頻外差探測(cè)系統(tǒng)的性能 4第3頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一4.1

2、光電探測(cè)的基本物理效應(yīng)光電探測(cè)器的基本物理效應(yīng)通常分為兩類：光子效應(yīng)和光熱效應(yīng)。光子效應(yīng)是指單個(gè)光子的性質(zhì)對(duì)產(chǎn)生的光電子起直接作用的一類光電效應(yīng)，光電探測(cè)器吸收光子后，直接引起原子或分子的內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。光熱效應(yīng)指材料受光照射后，光子能量與晶格相互作用，振動(dòng)加劇，溫度升高，由于溫度的變化而造成物質(zhì)的電學(xué)特性變化。光子效應(yīng)又可以細(xì)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)；光熱效應(yīng)又可以細(xì)分為溫差電效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)。 第4頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一4.1.1 外光電效應(yīng)在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，也稱為光電發(fā)射效應(yīng)。光電發(fā)射效應(yīng)多發(fā)

3、生于金屬和金屬氧化物，向外發(fā)射的電子稱為光電子?；诠怆姲l(fā)射效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。 最重要的公式是愛因斯坦光電效應(yīng)方程。第5頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一外光電效應(yīng)愛因斯坦光電效應(yīng)方程 式中：hv為單個(gè)光子的能量；m為電子質(zhì)量；v0為電子逸出速度；A0為物體表面電子逸出功?？芍?，光電子能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0。 第6頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一 不同的物質(zhì)具有不同的逸出功，即每一種物質(zhì)都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻率（或截止頻率。 光電子發(fā)射的紅限頻率為 對(duì)應(yīng)的波長限為 式中：

4、c為真空中的光速， 為產(chǎn)生光電子發(fā)射的入射光波的截止頻率， 為產(chǎn)生光電子發(fā)射的入射光波的截止波長。 外光電效應(yīng)第7頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一討論若入射光線頻率低于紅限頻率（截止頻率），光子能量不足以使物體內(nèi)的電子逸出，即使光強(qiáng)再大也不會(huì)產(chǎn)生光電子發(fā)射；反之，入射光頻率高于紅限頻率，即使光線微弱，也會(huì)有光電子射出。當(dāng)入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比，即光強(qiáng)愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。 第8頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一4.1.2 內(nèi)光電效應(yīng)當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電

5、動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類。 第9頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一1）光電導(dǎo)效應(yīng) 在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，從而引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，價(jià)帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，使其由價(jià)帶越過禁帶躍入導(dǎo)帶，材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價(jià)帶內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導(dǎo)率變大。 為了實(shí)現(xiàn)能級(jí)的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度Eg，即第10頁，共165頁，2022年

6、，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一1）光電導(dǎo)效應(yīng)材料的光導(dǎo)性能決定于禁帶寬度Eg；對(duì)于一種光電導(dǎo)材料，同樣存在一個(gè)照射光波長限 ，只有波長小于的光照射在光電導(dǎo)體上，才能產(chǎn)生電子能級(jí)間的躍遷，從而使光電導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加。 第11頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一在熱平衡下，多數(shù)載流子的擴(kuò)散作用與少數(shù)載流子的 漂移作用相抵消，沒有凈電流通過pn結(jié)。 2）光生伏特效應(yīng) 在入射光照射下，當(dāng)光子能量hv大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度Eg時(shí)，會(huì)在材料中激發(fā)出光生電子-空穴對(duì)，破壞結(jié)的平衡狀態(tài)。在結(jié)區(qū)的光生電子和空穴以及新擴(kuò)散進(jìn)結(jié)區(qū)的電子和空穴，在結(jié)電場(chǎng)的作用下，電子向N區(qū)移動(dòng)，空穴向P

7、區(qū)移動(dòng)，從而形成光生電流。 基于光生伏特效應(yīng)的光電器件有光電池、光電二極管和光敏晶體管等。 第12頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一4.1. 3光熱效應(yīng)的一般規(guī)律 光熱效應(yīng)指材料受光照射后，光子能量與晶格相互作用，振動(dòng)加劇，溫度升高，由于溫度的變化而造成物質(zhì)的電學(xué)特性變化。利用光熱效應(yīng)的探測(cè)器有熱敏電阻、熱電偶、熱電堆和熱釋電探測(cè)器等。 第13頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一1）溫度變化方程 熱電器件在沒有受到輻射作用的情況下，器件與環(huán)境溫度處于平衡狀態(tài)，其溫度為 。當(dāng)輻射功率為 的熱輻射入射到器件表面時(shí)，令表面的吸收系數(shù)為 ，則器件吸收的

8、熱輻射功率為 ；其中一部分使器件的溫度升高，另一部分補(bǔ)償器件與環(huán)境的熱交換所損失的能量。設(shè)單位時(shí)間器件的內(nèi)能增量為 ，則有式中， 稱為熱容，是表明內(nèi)能的增量為溫度變化的函數(shù)。 第14頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一熱傳導(dǎo)方程為當(dāng)時(shí)間 時(shí)，第一項(xiàng)衰減到可以忽略的程度，溫度的變化為正弦變化的函數(shù)?？梢姡瑹崦羝骷战蛔冚椛淠芩鸬臏厣c吸收系數(shù)成正比。 減小熱導(dǎo)是增高溫升、提高靈敏度的好方法，但是熱導(dǎo)與熱時(shí)間常數(shù)成反比，提高溫升將使器件的慣性增大，時(shí)間響應(yīng)變壞。 稱為器件的熱時(shí)間常數(shù)。 第15頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一2）溫差電效應(yīng)

9、當(dāng)兩種不同的配偶材料（可以是金屬或半導(dǎo)體）兩端并聯(lián)熔接時(shí)，如果兩個(gè)接頭的溫度不同，并聯(lián)回路中就產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，稱為溫差電動(dòng)勢(shì)。 如果將熱電偶的冷端分開，并與一個(gè)電表相連接，則當(dāng)光照射電偶接頭時(shí)，電偶接頭吸收光能，溫度升高，電表就有一個(gè)相應(yīng)的電流讀數(shù)，其數(shù)值的大小間接反應(yīng)光照的能量大小。這就是利用熱電偶來探測(cè)光能的基本原理。 第16頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一3）熱電導(dǎo)效應(yīng) 某些半導(dǎo)體材料吸收光輻射后溫度升高，隨著溫度的升高電導(dǎo)率增大，即電阻下降。而有些金屬材料，隨著溫度升高電阻升高，即電導(dǎo)率減小。把這些現(xiàn)象稱為熱電導(dǎo)效應(yīng)。半導(dǎo)體材料具能帶結(jié)構(gòu)，吸收光后引起晶格振動(dòng)加

10、劇，即溫度升高，使更多的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶，電導(dǎo)率增大。 利用熱電導(dǎo)效應(yīng)的探測(cè)器有熱敏電阻等。 第17頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一3）熱電導(dǎo)效應(yīng)a) 半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu) b) 金屬導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)圖4-5 半導(dǎo)體和金屬導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)一般金屬的能帶結(jié)構(gòu)外層無禁帶，由于自由電子密度很大，以致外界光作用引起的自由電子密度的相對(duì)變化可以忽略不計(jì)。相反，吸收光以后，使晶格振動(dòng)加劇，妨礙了自由電子做定向運(yùn)動(dòng)。因此，當(dāng)光作用于金屬材料使其溫度升高的同時(shí)，其電阻還略有增加。即金屬材料有正溫度系數(shù)，而半導(dǎo)體材料有負(fù)溫度持性。 第18頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一

11、4）熱釋電效應(yīng) 熱釋電效應(yīng)通過熱釋電材料來實(shí)現(xiàn)。 熱釋電材料是一種電介質(zhì)，本身是絕緣體，它是一種結(jié)晶對(duì)稱性很差的壓電晶體，在常態(tài)下具有自發(fā)電極化(即固有電偶極矩)。 熱電體的 決定了面電荷密度 的大小，當(dāng) 發(fā)生變化時(shí)，面電荷密度 也跟著變化。 值是溫度的函數(shù)，溫度升高， 減小。熱電體表面附近的自由電荷對(duì)面電荷的中和作用比較緩慢，在來不及中和前，熱電體表面就會(huì)呈現(xiàn)出相應(yīng)于溫度變化的面電荷變化，即熱釋電現(xiàn)象。 第19頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一熱釋電系數(shù)若將熱電體放入一個(gè)電容器的極板之間，并連接電流表，就會(huì)有電流流過電流表，稱為短路熱釋電電流，若電容器極板面積為A，

12、則短路熱釋電電流i為式中， ，稱為熱釋電系數(shù)。 第20頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一熱釋電效應(yīng)居里溫度當(dāng)溫度T升高到某一數(shù)值Tc時(shí),熱釋電效應(yīng)自發(fā)極化突然消失,Tc值稱為居里溫度。 第21頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一4.1.4 光電轉(zhuǎn)換定律 光輻射量轉(zhuǎn)換為光電流量的過程稱為光電轉(zhuǎn)換。光通量 即光功率，可以理解為光子流，光子能量hv是光能量E的函數(shù)。光電流是光生電荷Q的時(shí)變量，電荷e是光生電荷的基本單元，則式中， 和 分別為光子數(shù)和電子數(shù)，為統(tǒng)計(jì)平均量?；诨疚锢韺W(xué)觀點(diǎn)，一般認(rèn)為i正比于P，則引入一個(gè)比例系數(shù)D，有 D稱為探測(cè)器的光

13、電轉(zhuǎn)換因子，定義 ，且稱為探測(cè)器的量子效率，是探測(cè)器基本物理性質(zhì)所決定的。 第22頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一光電轉(zhuǎn)換定律將D的定義式代回 ，有上式稱為基本的光電轉(zhuǎn)換定律，它表明：(1)光電探測(cè)器對(duì)入射功率有響應(yīng)，響應(yīng)量是光電流。因此，一個(gè)光子探測(cè)器可視為一個(gè)電流源。(2)因?yàn)楣夤β蔖正比于光電場(chǎng)的平方,故常常把光電探測(cè)器稱為平方律探測(cè)器，或者說，光電探測(cè)器本質(zhì)上是一個(gè)非線性器件。 第23頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一4.2 光電探測(cè)器的性能參數(shù)對(duì)應(yīng)光電探測(cè)器按照探測(cè)原理也可以分為兩大類，即光子探測(cè)型和熱探測(cè)型。光子探測(cè)型光電探測(cè)器

14、基于光電效應(yīng)原理，即利用光子本身能量激發(fā)載流子。這類探測(cè)器有一定的截止波長，只能探測(cè)短于這一波長范圍的光線，但它們響應(yīng)速度快，靈敏度高，使用非常廣泛。 第24頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一熱探測(cè)型光電探測(cè)器基于光熱效應(yīng)的熱探測(cè)型光電探測(cè)器吸收光輻射能量后，并不直接引起內(nèi)部電子狀態(tài)的改變，而是首先將光信號(hào)的能量變化轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨淼臏囟茸兓?，然后再依賴于器件的某種溫度敏感特性將溫度變化轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)。基于光熱效應(yīng)的熱探測(cè)型探測(cè)器對(duì)波長沒有選擇性，只與接收到的光輻射總量有關(guān)。熱探測(cè)型探測(cè)器在一些特殊場(chǎng)合具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值，尤其是遠(yuǎn)紅外區(qū)。溫度的上升是熱積累的作用，所

15、以光熱效應(yīng)的響應(yīng)速度相對(duì)較慢，而且容易受到環(huán)境溫度變化的影響。 第25頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一4.2.1 光電探測(cè)器的響應(yīng)特性響應(yīng)度（R）響應(yīng)度（R）也稱靈敏度，是光電探測(cè)器輸出信號(hào)與輸入光功率之間關(guān)系的度量，用以描述光電探測(cè)器件的光電轉(zhuǎn)換效率。響應(yīng)度（R）隨入射光波長變化而變化的，分為電壓響應(yīng)率和電流響應(yīng)率。電壓響應(yīng)率指光電探測(cè)器件輸出電壓與入射光功率之比。電流響應(yīng)率指光電探測(cè)器件輸出電流與入射光功率之比。第26頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一光譜響應(yīng)度光譜響應(yīng)度是指探測(cè)器在波長為的單色光照射下，輸出電壓或電流與入射的單色光功率

16、之比，也稱為光譜靈敏度。若光譜響應(yīng)度為常數(shù)，則相應(yīng)的探測(cè)器稱為無選擇性探測(cè)器，如光熱探測(cè)器。而光子探測(cè)器的光譜響應(yīng)度則不是常數(shù)，屬于選擇性探測(cè)器。光譜響應(yīng)度的定義式在實(shí)際測(cè)量中是很困難的，通常使用相對(duì)光譜響應(yīng)度來描述。 積分響應(yīng)度積分響應(yīng)度是指檢測(cè)器對(duì)各種波長光連續(xù)輻射量的反應(yīng)程度，它是響應(yīng)度對(duì)波長的連續(xù)積分。第27頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一響應(yīng)時(shí)間 響應(yīng)時(shí)間參數(shù)描述光電探測(cè)器對(duì)入射光響應(yīng)快慢。上升時(shí)間是指入射光照射到光電探測(cè)器后，光電探測(cè)器輸出上升到穩(wěn)定值所需要的時(shí)間。下降時(shí)間是指入射光遮斷后，光電探測(cè)器輸出下降到穩(wěn)定值所需要的時(shí)間。 第28頁，共165頁，

17、2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一頻率響應(yīng) 光電探測(cè)器的響應(yīng)隨入射光的調(diào)制頻率而變化的特性稱為頻率響應(yīng)由于光電探測(cè)器信號(hào)產(chǎn)生和消失，存在著一個(gè)滯后過程，所以入射光的調(diào)制頻率對(duì)光電探測(cè)器的響應(yīng)會(huì)有較大的影響。光電探測(cè)器響應(yīng)率與入射調(diào)制頻率的關(guān)系為其中， 為調(diào)制頻率為f 時(shí)的響應(yīng)率； 為調(diào)制頻率為零時(shí)的響應(yīng)率；為時(shí)間常數(shù)（ ），時(shí)間常數(shù)決定了光電探測(cè)器頻率響應(yīng)的帶寬。 其中， 為上限截止頻率。第29頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一4.2.2 光電探測(cè)器的噪聲特性光電探測(cè)器常見的噪聲有：熱噪聲，散粒噪聲，產(chǎn)生-復(fù)合噪聲， 噪聲。噪聲在實(shí)際的光電探測(cè)系統(tǒng)中是極其有

18、害的。由于噪聲總是與有用信號(hào)混在一起，因而影響對(duì)信號(hào)特別是微弱信號(hào)的正確探測(cè)。一個(gè)光電探測(cè)系統(tǒng)的極限探測(cè)能力往往受探測(cè)系統(tǒng)的噪聲所限制。在精密測(cè)量、通信、自動(dòng)控制等領(lǐng)域，減小和消除噪聲是十分重要的問題。第30頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一1. 熱噪聲熱噪聲也稱為約翰遜噪聲，即載流子無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)造成的噪聲。導(dǎo)體或半導(dǎo)體中每一電子都攜帶著電子電量作隨機(jī)運(yùn)動(dòng)(相當(dāng)于微電脈沖)，盡管其平均值為零，但瞬時(shí)電流擾動(dòng)在導(dǎo)體兩端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)均方根電壓，稱為熱噪聲電壓。熱噪聲存在于任何電阻中，熱噪聲與溫度成正比，與頻率無關(guān)，因此熱噪聲又稱為白噪聲。第31頁，共165頁，2022年，

19、5月20日，17點(diǎn)39分，星期一2. 散粒噪聲入射到光探測(cè)器表面的光子是隨機(jī)的，光電子從光電陰極表面逸出是隨機(jī)的，PN結(jié)中通過結(jié)區(qū)的載流子數(shù)也是隨機(jī)的，由此造成散粒噪聲。散粒噪聲也是白噪聲，與頻率無關(guān)。散粒噪聲是光電探測(cè)器的固有特性，例如光伏器件的PN結(jié)勢(shì)壘是產(chǎn)生散粒噪聲的主要原因。對(duì)大多數(shù)光電探測(cè)器的研究表明：散粒噪聲具有支配地位。第32頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一3. 產(chǎn)生-復(fù)合噪聲半導(dǎo)體受光照，載流子不斷產(chǎn)生-復(fù)合。在平衡狀態(tài)時(shí)，在載流子產(chǎn)生和復(fù)合的平均數(shù)是一定的，但在某一瞬間載流子的產(chǎn)生數(shù)和復(fù)合數(shù)是有起伏的，載流子濃度的起伏引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率的起伏，由此造

20、成產(chǎn)生-復(fù)合噪聲。第33頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一4. 1/f 噪聲1/f噪聲也稱為閃爍噪聲或低頻噪聲，噪聲的功率近似與頻率成反比。多數(shù)器件的1/f噪聲在200300Hz以上已衰減到可忽略不計(jì)。 第34頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一5. 信噪比 信噪比是判定噪聲大小的參數(shù)。信噪比是負(fù)載電阻上信號(hào)功率與噪聲功率之比若用分貝（dB）表示，為第35頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一6. 通量閾P(yáng)th和噪聲等效功率(NEP)通量閾是指探測(cè)器所能探測(cè)的最小光信號(hào)功率，以Pth表示。噪聲等效功率(NEP)是指，信號(hào)功

21、率與噪聲功率比為1（SNR=1）時(shí)，入射到探測(cè)器件上的輻射通量(單位為瓦)。一般一個(gè)良好的探測(cè)器件的NEP約為10-11W。 NEP越小，噪聲越小，器件的性能越好。 第36頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一7. 探測(cè)率與歸一化探測(cè)率探測(cè)率D定義為噪聲等效功率NEP的倒數(shù)經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)NEP與檢測(cè)元件的面積Ad和放大器帶寬f 乘積的平方根成正比。歸一化探測(cè)率D*，即D*與探測(cè)器的敏感面積、放大器的帶寬無關(guān)。第37頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一4.2.3 光電探測(cè)器的量子效率 量子效率是指在某一特定波長上，每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光量子數(shù)

22、之比。量子效率是一個(gè)微觀參數(shù)，量子效率愈高愈好。對(duì)理想的探測(cè)器，入射一個(gè)光量子發(fā)射一個(gè)電子， =1；實(shí)際上，1。量子效率與響應(yīng)度的關(guān)系為 其中， 為每秒產(chǎn)生的光子數(shù)， 為每秒入射的光子數(shù)。設(shè)c為材料中的光速，則光譜量子效率為 第38頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一4.2.4 光電探測(cè)器的其他參數(shù) 光電探測(cè)器還有其他一些特性，如線性度、工作溫度、光敏面積、探測(cè)器電阻、電容等等。它們限制了探測(cè)器的工作條件，使用時(shí)應(yīng)該特別注意。 1.線性度線性度是描述光電探測(cè)器輸出信號(hào)與輸入信號(hào)保持線性關(guān)系的程度。2.工作溫度工作溫度就是指光電探測(cè)器最佳工作狀態(tài)時(shí)的溫度。光電探測(cè)器在不同

23、溫度下，性能有變化。 第39頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一4.3 光敏電阻光敏電阻又稱光導(dǎo)管，或光電導(dǎo)探測(cè)器，為純電阻元件，其工作原理基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小。光敏電阻具有很高的靈敏度，很好的光譜特性，光譜響應(yīng)范圍從紫外區(qū)到紅外區(qū)。而且其體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、價(jià)格便宜，因此應(yīng)用比較廣泛。 第40頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一4.3.1光敏電阻的結(jié)構(gòu)與原理 光敏電阻管心是一塊安裝在絕緣襯底上帶有兩個(gè)歐姆接觸電極的光電導(dǎo)體。 1光導(dǎo)層；2玻璃窗口；3金屬外殼；4電極；5陶瓷基座；6黑色絕緣玻璃；7電阻引線 (a) 結(jié)構(gòu)

24、(b) 梳狀電極 (c) 電路符號(hào) (d)光敏電阻實(shí)物第41頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一2. 光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性 (1) 暗電阻、亮電阻、光電流。光敏電阻在室溫、全暗(無光照射)環(huán)境下經(jīng)過一定時(shí)間測(cè)量的電阻值，稱為暗電阻。此時(shí)在給定電壓下流過的電流，稱為暗電流。光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻。此時(shí)流過的電流，稱為亮電流。亮電流與暗電流之差，稱為光電流。光敏電阻的暗電阻越大，亮電阻越小則性能越好。也就是說，暗電流越小，光電流越大，這樣的光敏電阻靈敏度高。實(shí)用的光敏電阻的暗電阻往往超過1M，甚至高達(dá)100M，而亮電阻則在幾千歐以下，暗電阻

25、與亮電阻之比在 之間，可見光敏電阻的靈敏度很高。第42頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一光敏電阻的主要參數(shù)(2) 光照特性 是在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流和光通量之間的關(guān)系。光敏電阻的光照特性曲線均呈非線性，因此它不宜作定量檢測(cè)元件，一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用作光電開關(guān)。 (3) 光譜特性光譜特性與光敏電阻的材料有關(guān)。硫化鉛光敏電阻在較寬的光譜范圍內(nèi)均有較高的靈敏度，峰值在紅外區(qū)域；硫化鎘、硒化鎘的峰值在可見光區(qū)域。 圖4.4 硫化隔光敏電阻的光照特性 圖4.5 光敏電阻的光譜特性 第43頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一(4) 伏安特性在

26、一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流越大，而且無飽和現(xiàn)象。但是電壓不能無限地增大，因?yàn)槿魏喂饷綦娮瓒际茴~定功率、最高工作電壓和額定電流的限制。超過最高工作電壓和最大額定電流，可能導(dǎo)致光敏電阻永久性損壞。 在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關(guān)系稱為光敏電阻的伏安特性。 在給定偏壓下，光照度越大，光電流也越大。第44頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一(5) 頻率特性當(dāng)光敏電阻受到脈沖光照射時(shí)，光電流要經(jīng)過一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定值，而在停止光照后，光電流也不立刻為零，這稱為光敏電阻的惰性或時(shí)延特性。 第45頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，

27、星期一(6) 穩(wěn)定性 初制成的光敏電阻，由于體內(nèi)機(jī)構(gòu)工作不穩(wěn)定，以及電阻體與其介質(zhì)的作用還沒有達(dá)到平衡，所以性能是不夠穩(wěn)定的。但在人為地加溫、光照及加負(fù)載情況下，經(jīng)一至二周的老化，性能可達(dá)穩(wěn)定。光敏電阻在開始一段時(shí)間的老化過程中，有些樣品阻值上升，有些樣品阻值下降，但最后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值后就不再變了。這就是光敏電阻的主要優(yōu)點(diǎn)。光敏電阻的使用壽命在密封良好、使用合理的情況下，幾乎是無限長的。 第46頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一(7) 溫度特性 光敏電阻性能(靈敏度、暗電阻)受溫度的影響較大。隨著溫度的升高，暗電阻和靈敏度下降；光譜特性曲線的峰值向波長短的方向移動(dòng)。有

28、時(shí)為了提高靈敏度，或?yàn)榱四軌蚪邮者h(yuǎn)紅外光等較長波段的輻射，將元件降溫使用。例如，可利用制冷器使光敏電阻的溫度降低。 第47頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一4.3.2光敏電阻的應(yīng)用 如果把光敏電阻連接到外電路中，在外加電壓的作用下，用光照射就能改變電路中電流的大小，其測(cè)量電路如圖4.10所示。圖4.10 光敏電阻的基本測(cè)量電路 第48頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一【例4-1】照明燈的光電控制電路 圖4.11所示為一種最簡(jiǎn)單的由光敏電阻作光電敏感器件的照明燈光電自動(dòng)控制電路。 它由3部分構(gòu)成：半波整流濾波電路，測(cè)光與控制的電路，執(zhí)行電路。

29、設(shè)使照明燈點(diǎn)亮的光照度為EV，繼電器繞組的直流電阻為RJ，使繼電器吸合的最小電流為Imin，光敏電阻的光電導(dǎo)靈敏度為Sg，暗電導(dǎo)go=0，則 第49頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一4.4光電池光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件，是發(fā)電式有源元件。由于光電池可把太陽能直接變?yōu)殡娔?，因此又稱為太陽能電池。它有較大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí)，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)。光電池的命名方式是把光電池的半導(dǎo)體材料的名稱冠于光電池之前。如，硒光電池、砷化鎵光電池、硅光電池等。目前，應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池。第50頁，共165頁，2022年，5月20日，1

30、7點(diǎn)39分，星期一光電池硅光電池有兩種類型：一種是以P型硅為襯底的N摻雜PN結(jié)，稱為2DR系列；另一種是以N型硅為襯底的P摻雜PN結(jié)，稱為2CR系列。一般硅光電池的開路電壓約為0.55V，短路電流為3540mAcm-2，轉(zhuǎn)換效率一般在10%左右，光譜響應(yīng)峰值在0.70.9，響應(yīng)范圍為0.41.1，響應(yīng)時(shí)間為10-310-9s。硒光電池光電轉(zhuǎn)換效率低(約0.02%)、壽命短，但適于接收可見光(響應(yīng)峰值波長560nm)。砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高，光譜響應(yīng)特性與太陽光譜最吻合，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)用很有發(fā)展前途。 第51頁

31、，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一1. 光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理硅光電池的結(jié)構(gòu)是在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的辦法摻入一些P型雜質(zhì)(如硼)形成PN結(jié)。當(dāng)光照到PN結(jié)區(qū)時(shí)，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對(duì)，在N區(qū)聚積負(fù)電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差。若將PN結(jié)兩端用導(dǎo)線連起來，電路中即有電流流過，電流的方向由P區(qū)流經(jīng)外電路至N區(qū)。若將外電路斷開，就可測(cè)出光生電動(dòng)勢(shì)。 圖4.12 光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理 圖4.13 光電池符號(hào)、基本電路及等效電路 第52頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一2.基本特性 伏安特性PN結(jié)獲得

32、的偏置電壓U與光電池輸出電流與負(fù)載電阻有關(guān)，即光電池輸出電流應(yīng)包括光生電流、擴(kuò)散電流與暗電流等三部分，即第53頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一(2)輸出功率 負(fù)載電阻 所獲得的功率與負(fù)載電阻 的阻值有關(guān)。當(dāng) （電路為短路）時(shí)，U=0，輸出功率 ；當(dāng) （電路為開路）時(shí)， ，輸出功率 ；當(dāng) 時(shí)，輸出功率 。顯然，存在著最佳負(fù)載電阻 ，在最佳負(fù)載電阻情況下負(fù)載可以獲得最大的輸出功率 ?？梢酝ㄟ^求關(guān)于 的1階倒數(shù)，當(dāng)時(shí) ，求得最佳負(fù)載電阻 的阻值。第54頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一(3)轉(zhuǎn)換效率 光電池的輸出功率與入射輻射通量之比，定義為光電

33、池的光電轉(zhuǎn)換效率，記為 。當(dāng)負(fù)載電阻為最佳負(fù)載電阻 時(shí)，光電池輸出最大功率 與入射輻射通量之比定義為光電池的最大光電轉(zhuǎn)換效率，記為 。顯然，光電池的最大光電轉(zhuǎn)換效率為 式中， 是于材料有關(guān)的光譜光電轉(zhuǎn)換效率，表明光電池的最大光電轉(zhuǎn)換效率與入射光的波長及材料的性質(zhì)有關(guān)。 第55頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一(3)轉(zhuǎn)換效率常溫下，砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率最高，約為22%28%。在實(shí)際工程應(yīng)用中，因?yàn)闀r(shí)間器件的光敏面總存在一定的反射損失、漏電導(dǎo)和串聯(lián)電阻影響等，實(shí)際使用效率只能達(dá)到10%15%。第56頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一L/klxL/

34、klx5432100.10.20.30.40.5246810開路電壓Uoc /V0.10.20.30.40.50.30.1012345Uoc/VIsc /mAIsc/mA(a) 硅光電池(b)硒光電池（4）光照特性開路電壓曲線：光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間的特性曲線，當(dāng)照度為2000lx時(shí)趨向飽和。短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線開路電壓短路電流短路電流第57頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一短路電流，短路電流指外接負(fù)載相對(duì)于光電池內(nèi)阻很小的條件下的輸出電流。光電池在不同照度下，其內(nèi)阻也不同，因而應(yīng)選取適當(dāng)?shù)耐饨迂?fù)載近似地滿足“短路”條件。 下圖表示硒光電池在不同負(fù)載

35、電阻時(shí)的光照特性。從圖中可以看出負(fù)載對(duì)光電池輸出性能的影響 ，負(fù)載電阻RL越小，光電流與強(qiáng)度的線性關(guān)系越好，且線性范圍越寬。02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx50 10010005000RL=0（4）光照特性第58頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一204060801000.40.60.81.01.20.2I / %12/m(5) 光譜特性 光電池的光譜特性決定于材料。從曲線可看出，硒光電池在可見光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長在540nm附近，適宜測(cè)可見光。硅光電池應(yīng)用的范圍400nm1100nm，峰值波長在850nm附近，因此硅光電池可

36、以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。1硒光電池2硅光電池第59頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一(6) 頻率特性 光電池作為測(cè)量、計(jì)數(shù)、接收元件時(shí)常用調(diào)制光輸入。光電池的頻率響應(yīng)就是指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。由于光電池PN結(jié)面積較大，極間電容大，故頻率特性較差。圖示為光電池的頻率響應(yīng)曲線。由圖可知，硅光電池具有較高的頻率響應(yīng)，如曲線2，而硒光電池則較差，如曲線1。204060801000I / %1234512f / kHz1硒光電池2硅光電池第60頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一（7）溫度特性 光電池的溫度特性是指開路電壓和短路電流隨溫度變化的

37、關(guān)系。由圖可見，開路電壓與短路電流均隨溫度而變化，它將關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移，影響到測(cè)量或控制精度等主要指標(biāo)，因此，當(dāng)光電池作為測(cè)量元件時(shí)，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補(bǔ)償措施。2004060904060UOC/ mVT / CISCUOCISC / A600400200UOC開路電壓ISC 短路電流硅光電池在1000lx照度下的溫度特性曲線第61頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一4.4.2光電池的應(yīng)用 光電池主要有兩大類型的應(yīng)用：1）將光電池作光伏器件使用，利用光伏作用直接將大陽能轉(zhuǎn)換成電能，即太陽能電池。 這是全世界范圍內(nèi)人們所追求、探索新能源的一

38、個(gè)重要研究課題。太陽能電池已在宇宙開發(fā)、航空、通信設(shè)施、太陽電池地面發(fā)電站、日常生活和交通事業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。 目前太陽電池發(fā)電成本尚不能與常規(guī)能源競(jìng)爭(zhēng)，但是隨著太陽電池技術(shù)不斷發(fā)展，成本會(huì)逐漸下降，太陽電池定將獲得更廣泛的應(yīng)用。2）將光電池作光電轉(zhuǎn)換器件應(yīng)用，需要光電池具有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短等特性，但不必需要像太陽電池那樣的光電轉(zhuǎn)換效率。 這一類光電池需要特殊的制造工藝，主要用于光電檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)中。 第62頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一光電池應(yīng)用舉例 1太陽能電池電源 太陽能電池電源系統(tǒng)主要由太陽電池方陣、蓄電池組、調(diào)節(jié)控制和阻塞二極管組成。如果還需要向

39、交流負(fù)載供電，則加一個(gè)直流交流變換器，太陽能電池電源系統(tǒng)框圖如圖4.20。 第63頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一1太陽能電池電源太陽能電池方陣是將太陽輻射直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電裝置，根據(jù)輸出功率和電壓的要求，可以選用若干片性能相近的單體太陽能電池，經(jīng)串聯(lián)、并聯(lián)后封裝成一個(gè)可以單獨(dú)使用的太陽能電池組件。然后，由多個(gè)這樣的組件經(jīng)串聯(lián)、并聯(lián)后構(gòu)成一個(gè)陣列。在有陽光照射時(shí)，太陽能電池方陣發(fā)電并對(duì)負(fù)載供電，同時(shí)，也可以對(duì)蓄電池組供電，儲(chǔ)存電能，以便在無陽光照射時(shí)使用。第64頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一1太陽能電池電源現(xiàn)代光伏技術(shù)可直接將太陽的光

40、能轉(zhuǎn)換為電能，用此技術(shù)制作的光電池使用方便，特別是近年來微小型半導(dǎo)體逆變器迅速發(fā)展，促使其應(yīng)用更加快捷。美、日、歐和發(fā)展中國家都制定出龐大的光伏技術(shù)發(fā)展計(jì)劃，開發(fā)方向是大幅度提高光電池轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性，降低成本，不斷擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)。目前已有80多個(gè)國家和地區(qū)形成商業(yè)化、半商業(yè)化生產(chǎn)能力，年均增長達(dá)16%，市場(chǎng)開拓從空間轉(zhuǎn)向地面系統(tǒng)應(yīng)用，甚至用于驅(qū)動(dòng)交通工具。據(jù)報(bào)道，全球發(fā)展、建造太陽能住宅（光電池 作屋頂、外墻、窗戶等建材用）投資規(guī)模日益擴(kuò)大，光伏技術(shù)制作的光電池有望成為21世紀(jì)的新能源。 第65頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一2光電池在光電檢測(cè)和自動(dòng)控制方面的應(yīng)用光電池

41、作為光電探測(cè)使用時(shí)，其基本原理與光電二極管相同，但它們的基本結(jié)構(gòu)和制造工藝不完全相同。由于光電池工作時(shí)不需要外加電壓；光電轉(zhuǎn)換效率高，光譜范圍寬，頻率特性好，噪聲低等，它已廣泛地用于光電讀出、光電耦合、光柵測(cè)距、激光準(zhǔn)直、電影還音、紫外光監(jiān)視器和燃?xì)廨啓C(jī)的熄火保護(hù)裝置等。第66頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一例：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)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行糾正，以此達(dá)到跟蹤的目的。 第67頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一

42、例：光電開關(guān) 多用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中。無光照時(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)到開關(guān)目的。 第68頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一例：光電池觸發(fā)電路 當(dāng)光電池受光照射時(shí)，使單穩(wěn)態(tài)或雙穩(wěn)態(tài)電路的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，改變其工作狀態(tài)或觸發(fā)器件(如可控硅)導(dǎo)通。 第69頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一例：光電池放大電路 在測(cè)量溶液濃度、物體色度、紙張的灰度等場(chǎng)合，可用該電路作前置級(jí)，把微弱光電信號(hào)進(jìn)行線性放大，然后帶動(dòng)指示機(jī)構(gòu)或二次儀表進(jìn)行讀數(shù)或記錄。 第70頁，共

43、165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一4.5 光電二極管（PD）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)。光電二極管和光電池相比，重要的不同點(diǎn)是結(jié)面積小，因此它的頻率特性特別好。普通光電二極管的頻率響應(yīng)時(shí)間優(yōu)于光敏電阻和光電池。光電二極管的光生電勢(shì)與光電池相同，但輸出電流普遍比光電池小，一般為幾到幾十 。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

44、極管只有兩條引線，而2DU系列光電二極管有三條引線。第71頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一光電二極管（PD）圖4.25 光電二極管結(jié)構(gòu)原理、工作原理及電路符號(hào) 如圖4.25（a）所示為2DU型光電二極管的原理結(jié)構(gòu)圖。 如圖4.25（b）所示為光電二極管的工作原理圖 如圖4.25（c）所示為光電二極管的電路符號(hào)，其中的小箭頭表示正向電流的方向（普通整流二極管中規(guī)定的正方向），光電流的方向與之相反。圖中的前極為光照面，后極為背光面。 第72頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一 光電二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似、它裝在透明玻璃外殼中，其PN結(jié)裝在管

45、頂，可直接受到光照射。光電二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)，如圖圖4.26所示。當(dāng)沒有光照射時(shí)，光電二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，反向電阻很大。這時(shí)只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層形成微小的反向電流即暗電流。受光照射時(shí)，PN結(jié)附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，從而使P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，因此在外加反向偏壓和內(nèi)電場(chǎng)的作用下，P區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入N區(qū)，N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入P區(qū)，從而使通過PN結(jié)的反向電流大為增加，這就形成了光電流。 光電二極管（PD）第73頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一2、光電二極管的電流方程 在無輻

46、射作用的情況下（暗室中），PN結(jié)硅光電二極管的正、反向特性與普通PN結(jié)二極管的特性一樣，如圖4.27示。其電流方程為 為U為負(fù)值（反向偏置時(shí)）且 時(shí)(室溫下，很容易滿足這個(gè)條件)的電流，稱為反向電流或暗電流。 當(dāng)光輻射作用到光電二極管上時(shí)，光電二極管的全電流方程為 式中， 為光電材料的光電轉(zhuǎn)換效率， 為材料對(duì)光的吸收系數(shù)。 第74頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一3.基本特性 普通二極管工作在正向電壓大于0.7V的情況下，而光電二極管則必須工作在這個(gè)電壓以下，否則，不會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)。 光電二極管的基本特性有：靈敏度。 光譜響應(yīng)。 伏安特性。 光照特性。 時(shí)間響應(yīng)。 噪

47、聲。 第75頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一(1) 靈敏度 定義光電二極管的電流靈敏度為入射到光敏面上輻射量的變化（例如通量變化 ）引起電流變化 與輻射量變化之比。 顯然，當(dāng)某波長的輻射作用于光電二極管時(shí)，其電流靈敏度為與材料有關(guān)的常數(shù)，表征光電二極管的光電轉(zhuǎn)換特性的線性關(guān)系。必須指出，電流靈敏度與入射輻射波長的關(guān)系是復(fù)雜的，定義光電二極管的電流靈敏度時(shí)通常定義其峰值響應(yīng)波長的電流靈敏度為光電二極管的電流靈敏度。 第76頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一(2) 光譜響應(yīng) 光電二極管的光譜響應(yīng)定義為以等功率的不同單色輻射波長的光作用于光電二極

48、管時(shí)，其響應(yīng)程度或電流靈敏度與波長的關(guān)系稱為其光譜響應(yīng)。 圖4.29所示為幾種典型材料的光電二極管光譜響應(yīng)曲線。典型硅光電二極管光譜響應(yīng)長波限為1.1m左右，短波限接近0.4m，峰值響應(yīng)波長為0.9m左右。 第77頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一(3)伏安特性 圖4.30所示為硅光電二極管的伏安特性曲線，橫坐標(biāo)表示所施加的反向電壓。當(dāng)光照時(shí)，反向電流隨著光照強(qiáng)度的增大而增大，在不同的照度下，伏安特性曲線幾乎平行，所以只要光電流沒達(dá)到飽和值，它輸出實(shí)際上不受電壓大小的影響。 第78頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一(4)光照特性 光電二極管的

49、光電流I與照度之間呈線性關(guān)系，如圖4.31所示，所以光電二極管特別適合檢測(cè)等方面的應(yīng)用。 第79頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一(5)時(shí)間響應(yīng) 以f頻率調(diào)制的輻射作用于PN結(jié)硅光電二極管光敏面時(shí)，PN結(jié)硅光電二極管的電流產(chǎn)生要經(jīng)過下面3個(gè)過程： 1)在PN結(jié)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光生載流子渡越結(jié)區(qū)的時(shí)間，稱為漂移時(shí)間，記為 ；2)在PN結(jié)區(qū)外產(chǎn)生的光生載流子擴(kuò)散到PN結(jié)區(qū)內(nèi)所需要的時(shí)間，稱為擴(kuò)散時(shí)間，記為 ；3)由PN結(jié)電容 和管芯電阻 及負(fù)載電阻 構(gòu)成的RC延遲時(shí)間 。 影響PN結(jié)硅光電二極管時(shí)間響應(yīng)的主要因素是PN結(jié)區(qū)外載流子的擴(kuò)散時(shí)間 ，如何擴(kuò)展PN結(jié)區(qū)是提高硅光電二極管

50、時(shí)間響應(yīng)重要措施。增高反向偏置電壓會(huì)提高內(nèi)建電場(chǎng)的強(qiáng)度，擴(kuò)展PN結(jié)的耗盡區(qū)，但是反向偏置電壓的提高也會(huì)加大結(jié)電容，使RC時(shí)間常數(shù) 增大。 因此，必須從PN結(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面考慮如何在不使偏壓增大的情況下使耗盡區(qū)擴(kuò)展到整個(gè)PN結(jié)器件，才能消除擴(kuò)散時(shí)間。 第80頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一(6)噪聲 光電二極管的噪聲包含低頻噪聲 、散粒噪聲 和熱噪聲 等3種噪聲。其中，散粒噪聲是光電二極管的主要噪聲，低頻噪聲和熱噪聲為其次要因素。散粒噪聲是由于電流在半導(dǎo)體內(nèi)的散粒效應(yīng)引起的，它與電流的關(guān)系光電二極管的電流應(yīng)包括暗電流Id、信號(hào)電流Is和背景輻射引起的背景光電流Ib，因

51、此散粒噪聲應(yīng)為根據(jù)電流方程，并考慮反向偏置情況，光電二極管電流與入射輻射的關(guān)系 ，得到 第81頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一4.5.2光電二極管的應(yīng)用 圖4.32 (a)是在待測(cè)轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔的轉(zhuǎn)速調(diào)制盤，光源發(fā)出的光，透過盤上小孔到達(dá)光電二極管上，光電二極管輸出電信號(hào)經(jīng)過放大整形電路后，輸出相應(yīng)數(shù)量的電脈沖信號(hào)。圖4.32(b)所示為反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器原理圖，它是在待測(cè)轉(zhuǎn)速的軸上固定一個(gè)圓周面涂上黑白相間條紋的圓盤。當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于條紋不同的反射率，反光與不反光交替出現(xiàn)，光電敏感器件間斷地接收光的反射信號(hào)，轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)。如果調(diào)制盤轉(zhuǎn)動(dòng)一周產(chǎn)生Z個(gè)脈沖

52、，測(cè)量電路計(jì)數(shù)時(shí)間為T(s)，被測(cè)轉(zhuǎn)速為N(r/min)，則計(jì)數(shù)值C為 一般取ZT=6010n(n=1,2,)。 【例4-2】光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表的使用。第82頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一4.6其他光敏管-1-光電管 外光電效應(yīng)器件一般都是真空的或充氣的光電器件，代表性器件有光電管和光電倍增管。1. 光電管結(jié)構(gòu)與工作原理光電管有真空光電管和充氣光電管兩類。兩者基本結(jié)構(gòu)相似，由一個(gè)陰極和一個(gè)陽極構(gòu)成，并且密封在一只玻璃管內(nèi)?；窘Y(jié)構(gòu)如圖4.33所示。 光電管的陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。在陽極與陰極間

53、施加電壓，當(dāng)有滿足波長條件的光照射陰極時(shí)，就會(huì)有電子發(fā)射，在兩極間及外電路中形成電流。 第83頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一1-光電管為了獲得高靈敏度的光電管，可在真空光電管中充入低壓惰性氣體，這便是充氣光電管。充氣光電管中的光電子向陽極加速運(yùn)動(dòng)過程中，撞擊惰性氣體，使其電離成正、負(fù)離子，正離子向陰極運(yùn)動(dòng)，負(fù)離子向陽極運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過程中再度加速，并撞擊其他惰性氣體分子電離，因而在同樣的光通量照射下，充氣光電管的光電流比真空光電管大，靈敏度得到改善。特別提示充氣光電管的靈敏度雖較真空光電管高，但穩(wěn)定性差，線性不好，暗電流也大，噪聲高，響應(yīng)時(shí)間長，因此已逐漸被性能更優(yōu)良

54、的光電倍增管代替。 第84頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一2. 基本特性 光電管的主要性能包括伏安特性、光照特性、光譜特性、響應(yīng)時(shí)間、峰值探測(cè)率和溫度特性。(1) 光電管的伏安特性。在一定的光照射下，光電管陰極和陽極間所加電壓與產(chǎn)生的光電流之間的關(guān)系，稱為光電管的伏安特性。光電管的伏安特性如圖4.34所示。由圖可見，當(dāng)入射光通量一定時(shí)，電流先是隨外加偏壓升高而增大；當(dāng)電壓增加到一定值后，電流基本維持恒定，此恒定值即飽和電流值，相應(yīng)的偏壓稱為飽和工作電壓。這說明只有當(dāng)偏置電壓增加到一定值時(shí)，陰極發(fā)射的光電子才能全部為陽極所收集。因此，光電管在使用時(shí)，應(yīng)使其工作在飽和狀

55、態(tài)下。伏安特性曲線還表明，工作偏壓一定時(shí)，飽和電流隨入射到陰極的光通量增大而增大，但在加有工作電壓卻沒有光照射情況下，也仍有光電流輸出，這就是暗電流。第85頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一(2) 光電管的光照特性 當(dāng)光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時(shí)，光通量與光電流之間的關(guān)系，稱為光電管的光照特性，如圖4.35所示。其中氧銫陰極光電管的光電流I與光通量有很好的線性關(guān)系。光照特性曲線的斜率(光電流與入射光光通量之比)稱為光電管的靈敏度。 第86頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一(3) 光電管的光譜特性 保持光通量和電壓不變，陽極電流與光波長

56、之間的關(guān)系稱為光電管的光譜特性。對(duì)于光電陰極材料不同的光電管，它們有不同的紅限頻率v0，因此工作于不同的光譜范圍。除此之外，即使照射在陰極上的入射光的頻率高于紅限頻率v0，強(qiáng)度相同、頻率不同的入射光，陰極發(fā)射的光電子的數(shù)量也會(huì)不同，即對(duì)于不同頻率的光，光電管的靈敏度不同。國產(chǎn)GD-4型的光電管，陰極是銻銫材料，其紅限=700nm，它對(duì)可見光范圍的入射光靈敏度比較高，轉(zhuǎn)換效率達(dá)25%30%，適用于白光光源，因而被廣泛應(yīng)用于各種光電式自動(dòng)檢測(cè)儀表中。對(duì)紅外光源，常用銀氧銫陰極，構(gòu)成紅外傳感器。對(duì)紫外光源，常用銻銫陰極和鎂鎘陰極。另外，銻鉀鈉銫陰極的光譜范圍較寬，為300850nm，靈敏度也較高，與

57、人的視覺光譜特性很接近，是一種新型的光電陰極；但也有些光電管的光譜特性和人的視覺光譜特性有很大差異，因而在測(cè)量和控制技術(shù)中，這些光電管可以擔(dān)負(fù)人眼所不能勝任的工作，如坦克和裝甲車的夜視鏡等。 第87頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一4.6.2光電倍增管 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，很不容易探測(cè)。這時(shí)，可使用光電倍增管。1. 光電倍增管結(jié)構(gòu)和工作原理光電倍增管由半透明的光電陰極、倍增極以及陽極三部分組成。圖4.36所示為其工作原理圖。 第88頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一光電倍增管當(dāng)入射光子照射到半透明的光電

58、陰極k上時(shí)，將激發(fā)出光電子。光電子被第一倍增極Dl與陰極k之間的電場(chǎng)所會(huì)聚并加速后，與倍增極Dl碰撞。第一倍增極在高動(dòng)能電子的作用下，將發(fā)射比入射電子數(shù)目更多的二次電子。這些二次電子又被DlD2之間的電場(chǎng)所加速，打到第二個(gè)倍增級(jí)上，同樣在第二個(gè)倍增級(jí)上產(chǎn)生電子倍增。依此類推，經(jīng)n級(jí)倍增級(jí)后，電子被放大n次。光電倍增管的倍增極可多達(dá)30級(jí)。產(chǎn)生的電子最后被陽極a收集。收集到的總電子數(shù)是陰極發(fā)射電子數(shù)的 倍。光電倍增管的靈敏度比普通光電管高幾萬倍到幾百萬倍。因此在很微弱的光照時(shí)，它也能產(chǎn)生很大的光電流。光電倍增管的光電陰極材料與光電管陰極材料大致相似。倍增級(jí)材料有銻化銫(CsSb)、氧化的銀鎂合金

59、(AgMgOCs)、銅-鈹合金等。 105108第89頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一（1）倍增系數(shù)M 倍增系數(shù)M等于n個(gè)倍增電極的二次電子發(fā)射系數(shù)的乘積。如果n個(gè)倍增電極的都相同，則M= 因此，陽極電流 I 為 I = i i 光電陰極的光電流光電倍增管的電流放大倍數(shù)為 = I / i =M與所加電壓有關(guān)，M在105108之間，穩(wěn)定性為1左右，加速電壓穩(wěn)定性要在0.1以內(nèi)。如果有波動(dòng)，倍增系數(shù)也要波動(dòng)，因此M具有一定的統(tǒng)計(jì)漲落。一般陽極和陰極之間的電壓為10002500V，兩個(gè)相鄰的倍增電極的電位差為50100V。對(duì)所加電壓越穩(wěn)越好，這樣可以減小統(tǒng)計(jì)漲落，從而減小

60、測(cè)量誤差的大小。 2. 主要參數(shù)第90頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一 103 104 105 106255075100125極間電壓/V 放大倍數(shù)光電倍增管的特性曲線光電倍增管的特性曲線第91頁，共165頁，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期一一個(gè)光子在陰極上能夠打出的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的陰極靈敏度。而一個(gè)光子在陽極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的總靈敏度。 光電倍增管的最大靈敏度可達(dá)10A/lm，極間電壓越高，靈敏度越高；但極間電壓也不能太高，太高反而會(huì)使陽極電流不穩(wěn)。 另外，由于光電倍增管的靈敏度很高，所以不能受強(qiáng)光照射，否則將會(huì)損壞。 （2）