光敏電阻、光電池

1、關(guān)于光敏電阻、光電池第1頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四光電導(dǎo)探測(cè)器光電導(dǎo)探測(cè)器是基于半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的光電探測(cè)器，光電導(dǎo)效應(yīng)的主要特點(diǎn)是受光照射時(shí)其電阻值明顯變小，故又稱為光敏電阻。光電導(dǎo)探測(cè)器廣泛應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化、攝影機(jī)自動(dòng)測(cè)光等監(jiān)控系統(tǒng)，也廣泛應(yīng)用于目前其他探測(cè)器難以實(shí)現(xiàn)的紅外測(cè)量系統(tǒng)。第2頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四半導(dǎo)體對(duì)光的吸收半導(dǎo)體對(duì)光的吸收是產(chǎn)生光電效應(yīng)的基礎(chǔ)。光照半導(dǎo)體材料時(shí)，若入射光子的能量大于某一值，就可以產(chǎn)生光激發(fā)，從而產(chǎn)生光生載流子。采取一定的措施合理利用這些光生載流子，便可以制出各種光子效應(yīng)探測(cè)器。第3頁

2、，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四光生載流子在光輻射作用下，半導(dǎo)體材料吸收入射光子的能量，使束縛態(tài)的電荷產(chǎn)生能級(jí)躍遷而變成自由電荷，這些由光激發(fā)產(chǎn)生的載流子稱為光生載流子。相對(duì)于熱平衡狀態(tài)下由熱激發(fā)與復(fù)合而產(chǎn)生的熱平衡載流子而言，光生載流子又稱為非平衡載流子。光電探測(cè)器的工作原理就是基于這些光生載流子，采取一定的措施利用這些非平衡載流子，將它們的變化耦合到外電路中，使外電路中的電流或電壓的變化反映入射光輻射功率的變化，從而達(dá)到光檢測(cè)的目的。 第4頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四本征吸收本征吸收指光照半導(dǎo)體材料時(shí)，價(jià)帶中的電子吸收入射光子的能量躍遷

3、到導(dǎo)帶中去，這種激發(fā)過程稱為半導(dǎo)體的本征吸收。在本征吸收過程中，價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶中留下空穴，產(chǎn)生了電子空穴對(duì)。與熱平衡狀態(tài)相比，在導(dǎo)帶中多出了一部分電子，在價(jià)帶中多出了一部分空穴，它們是因?yàn)楣庹斩a(chǎn)生的載流子，稱為光生載流子。在光照時(shí)，半導(dǎo)體中總的載流子濃度比熱平衡狀態(tài)下載流子濃度大。本征吸收產(chǎn)生的條件是入射光子的能量必須大于材料的禁帶寬度，第5頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四雜質(zhì)吸收摻有雜質(zhì)的半導(dǎo)體材料，在光照時(shí)也會(huì)產(chǎn)生光激發(fā)。對(duì)于n型半導(dǎo)體，施主雜質(zhì)中的束縛電子吸收了光子的能量躍遷到導(dǎo)帶；對(duì)于p型半導(dǎo)體，受主雜質(zhì)中的束縛空穴吸收了光子能量躍遷到價(jià)

4、帶。施主釋放束縛電子到導(dǎo)帶、受主釋放束縛空穴到價(jià)帶所需的能量稱為雜質(zhì)的電離能和。 第6頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四光電導(dǎo)探測(cè)器的結(jié)構(gòu)光電導(dǎo)探測(cè)器的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，只要在一塊勻質(zhì)的半導(dǎo)體兩端裝上電極就可以構(gòu)成一個(gè)光敏電阻。 第7頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四靈敏度 靈敏度通常指的是在一定條件下，單位照度所引起的光電流。由于各種器件使用的范圍及條件不一致，因此靈敏度有各種不同的表示法。光電導(dǎo)體的靈敏度表示在一定光強(qiáng)下光電導(dǎo)的強(qiáng)弱。它可以用光電增益G來表示。根據(jù)定態(tài)條件下電子與空穴的產(chǎn)生率與復(fù)合率相等可推導(dǎo)出 第8頁，共98頁，2022年，5月2

5、0日，13點(diǎn)49分，星期四 為量子產(chǎn)額，即吸收一個(gè)光子所產(chǎn)生的電子空穴對(duì)數(shù)； 為光生載流子壽命； 為載流子在光電導(dǎo)兩極間的渡越時(shí)間。 第9頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四第10頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四光電導(dǎo)的弛豫 光電導(dǎo)是非平衡載流子效應(yīng)，因此有一定的弛豫現(xiàn)象：光照射到樣品后，光電導(dǎo)逐漸增加，最后達(dá)到定態(tài)。光照停止，光電導(dǎo)在一段時(shí)間內(nèi)逐漸消失。這種弛豫現(xiàn)象表現(xiàn)了光電導(dǎo)對(duì)光強(qiáng)變化反應(yīng)的快慢。光電導(dǎo)上升或下降的時(shí)間就是弛豫時(shí)間，或稱為響應(yīng)時(shí)間(惰性)。顯然，弛豫時(shí)間長(zhǎng)，表示光電導(dǎo)反應(yīng)慢，這時(shí)稱慣性大；弛豫時(shí)間短，即光電導(dǎo)反應(yīng)快，稱慣性小。

6、從光電導(dǎo)的機(jī)構(gòu)來看，弛豫現(xiàn)象表現(xiàn)為在光強(qiáng)變化時(shí)，光生載流子的積累和消失的過程。因此，要討論弛豫現(xiàn)象，必須研究光生載流子的產(chǎn)生與復(fù)合。光電導(dǎo)的馳豫決定在迅速變化的光強(qiáng)下，一個(gè)光電器件能否有效工作的問題。第11頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四在分析定態(tài)光電導(dǎo)和光強(qiáng)之間的關(guān)系時(shí)，盡管實(shí)際情況比較復(fù)雜，但通常討論下面兩種典型情況：直線性光電導(dǎo)，即光電導(dǎo)與光強(qiáng)成線性關(guān)系，如Si、Ge、PbO等許多材料至少在較低的光強(qiáng)下都具有這種性質(zhì)；拋物線性光電導(dǎo)，指的是光電導(dǎo)與光強(qiáng)的平方根成正比。有不少光電導(dǎo)體在低光強(qiáng)下屬于直線性光電導(dǎo)，但在較高的光強(qiáng)下則為拋物線性光電導(dǎo)。 第12頁，共98

7、頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四光敏電阻工作機(jī)理較復(fù)雜，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只是在一塊勻質(zhì)的光電導(dǎo)體兩端加上電極即成，如圖所示。1光譜響應(yīng)相當(dāng)寬根據(jù)不同的光電導(dǎo)材料，光敏電阻的靈敏域可在紫外光區(qū)，可見光區(qū)，也可在紅外區(qū)和遠(yuǎn)紅外區(qū)。光敏電阻有以下優(yōu)點(diǎn)：2所測(cè)的光強(qiáng)范圍寬，即可對(duì)強(qiáng)光響應(yīng)，也可對(duì)弱光響應(yīng)。3無極性之分，使用方便，成本低，壽命長(zhǎng)。4靈敏度高，工作電流大，可達(dá)數(shù)毫安 第13頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四使用時(shí)必須在光敏電阻兩端加上電壓，一般再串一個(gè)負(fù)載電阻，構(gòu)成閉合回路。當(dāng)光照光敏電阻時(shí)，其電導(dǎo)率發(fā)生變化，電阻值隨之變化，那么流經(jīng)整個(gè)回路的電流發(fā)生變

8、化。負(fù)載上電流的變化反映了光照信號(hào)的變化。在負(fù)載上取出其變化信號(hào)，便達(dá)到了檢測(cè)入射光信號(hào)的目的。光照時(shí)，光敏電阻的電阻值通常稱為明電阻或亮電阻，無光照時(shí)的電阻稱為暗電阻。 第14頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四模型第15頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四結(jié)構(gòu)示意圖第16頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四偏置電路第17頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四等效電路第18頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四二、特性 1光照特性 圖示出硫化鎘光敏電阻的光照特性。光敏電阻受光照時(shí)的電流與

9、不受光照時(shí)的電流之差，稱光電流。由于有上述的光電流放大作用，它的靈敏度高，光照特性為非線性。在實(shí)用范圍內(nèi)，它們的關(guān)系可表示如下： I通過光敏電阻的電流；U加于光敏電阻的電壓；L光敏電阻上的照度；K比例系數(shù)；a電壓指數(shù)，一般近于1； b 照度指數(shù)。 第19頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四光譜特性與所用的材料有關(guān)，圖(b)的曲線1、2、3分別示出硫化鎘、硒化鎘、硫化鉛光敏電阻的光譜特性。從圖可以看出，硫化鉛光敏電2光譜特性 光敏電阻的光譜分布，不僅和材料的性質(zhì)有關(guān)，也和工藝過程有關(guān)。例如硫化鎘光敏電阻，隨著摻銅濃度的增加，光譜峰值由5000埃移至6400埃。而硫化鉛隨薄層

10、的減薄，光譜峰值位置移向短波方向。 阻在較寬的光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度。 第20頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四本征光電導(dǎo)光譜特性第21頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四第22頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四第23頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四第24頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四第25頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四第26頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四第27頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星

11、期四3伏安特性 圖(c)的曲線1和2分別表示照度為零和某值時(shí)的伏安特性。如果所加電壓越高，則光電流越大而且無飽和現(xiàn)象。對(duì)于大多數(shù)半導(dǎo)體，電場(chǎng)強(qiáng)度超過10伏厘米時(shí)才開始不遵循歐姆定律。只有硫化鎘是例外，它的伏安特性在100多伏時(shí)就產(chǎn)生轉(zhuǎn)折點(diǎn)而不再呈線性了。光敏電阻的最高使用電壓由它的耗散功率所決定，而耗散功率又和面積大小、散熱情況等有關(guān)。第28頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四因?yàn)榉蔡匦猿删€性，光敏電阻除用積分靈敏度外，用比靈敏度也很方便。比靈敏度Sb的定義如下: I 光敏電阻被照射時(shí)和黑暗時(shí)的電流差； U 光敏電阻上所加的電壓； 照射于光敏電阻上的光通量。比靈敏度乘以

12、電壓就得積分靈敏度，積分靈敏度與電壓成正比這是容易理解的，因?yàn)樵谙嗤墓馔肯?，光敏電路的電流與電壓成正比。一般需要經(jīng)過幾百小時(shí)后，光敏電阻的靈敏度才趨穩(wěn)定。光敏電阻的主要優(yōu)點(diǎn)之一是積分靈敏度較高第29頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四4頻率特性 圖(d)的曲線l和2分別表示出硫化鎘和硫化鉛光敏電阻的頻率特性。光敏電阻的頻率特性較差，這是因?yàn)楣饷綦娮璧膶?dǎo)電性與被俘獲的載流子有關(guān)，當(dāng)入射光強(qiáng)上升時(shí)，被俘獲的自由載流子到相應(yīng)的數(shù)值需要一定時(shí)間；同樣，入射光強(qiáng)降低時(shí)，被俘獲的電荷釋放出來也是比較慢的，光敏電阻的阻值，要花一段時(shí)間后才能達(dá)到相應(yīng)的數(shù)值(新的平衡值)，故其頻率特性

13、較差。有時(shí)以時(shí)間常數(shù)說明頻率響應(yīng)的好壞。當(dāng)光敏電阻突然受到光照時(shí)，電導(dǎo)率上升到最終值的63所花的時(shí)間，被稱為上升時(shí)間常數(shù)。同樣，降低時(shí)間常數(shù)是把器件突然黑暗時(shí)，其導(dǎo)電率降到起始值的37(即降低63)所花的時(shí)間。第30頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四5疲乏特性 圖(e)的曲線l和2分別表示出型號(hào)不同的兩種硫化鎘光敏電阻的疲乏特性。初制成的光敏電阻，由于體內(nèi)機(jī)構(gòu)的不穩(wěn)定，以及電阻體與其介質(zhì)間的作用還沒有達(dá)到平衡，所以性能是不夠穩(wěn)定的。在人為地加溫、光照及加負(fù)載情況下，經(jīng)一至二個(gè)星期的老化，性能可達(dá)到穩(wěn)定。光敏電阻在開始一段時(shí)間的老化過程中，有些樣品阻值上升了，有些樣品阻值

14、下降了，各不一樣，但最后總能達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，以后就不再變了。這是光敏電阻的主要優(yōu)點(diǎn)，它以其高度的穩(wěn)定性而被廣泛地應(yīng)用在自動(dòng)化技術(shù)上。 第31頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四6溫度特性 光敏電阻的性質(zhì)受溫度的影響較大。隨著溫度的升高靈敏度要下降。硫化鎘的光電流I和溫度T的關(guān)系如圖(f)所示。有時(shí)為了提高靈敏度，將元件降溫使用。例如，利用制冷器使光敏電阻的溫度降低。隨著溫度的升高，光敏電阻黑暗時(shí)電流上升，光照時(shí)的電流增加不多。因此，它的光電流下降，即光電靈敏度下降。不同材料的光敏電阻，溫度特性也不一樣，一般硫化鎘的溫度特性比硒化鎘好，硫化鉛的溫度特性比硒化鉛好。光敏電阻的

15、光譜特性也隨著溫度而變化。例如硫化鉛光敏電阻，在+20與-20溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，其光譜特性向短波方向移動(dòng)。為了使元件對(duì)波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光有較高的響應(yīng)，有時(shí)也可采用降溫措施。第32頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而牢固，允許的光電流大，工作壽命長(zhǎng)； 光敏電阻在黑暗時(shí)的電阻值一般大于10兆歐，如果它被光線照射，電阻值顯著降低，稱為亮阻，約在幾萬歐以下。暗阻和亮阻之比在 之間。這一比值越大，光敏電阻的靈敏度越高。隨著溫度的升高，暗電阻下降，這對(duì)光敏電阻的工作不利。光敏電阻有下列優(yōu)點(diǎn)： 7暗電阻和暗電流 型號(hào)相同的光敏電阻的參數(shù)也參差不齊，光照特性

16、的非線性使它不適合于測(cè)量要求線性的場(chǎng)合。缺點(diǎn)光敏電阻雖有它的缺點(diǎn)，但在很多情況下這些缺點(diǎn)并不重要,因而它的應(yīng)用較廣.例如遙控設(shè)備的主要要求是靈敏度高而采用光敏電阻。另外，由于很多光敏電阻對(duì)紅外線敏感，適宜于在紅外線光譜區(qū)工作。第33頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四第34頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四光敏電阻的符號(hào)和連接電路如圖所示。圖(a)中的輸出電壓 與入射光通量的變化成反相，圖(b)中 與入射光通量變化成同相。在入射光通量變化范圍一定情況下，為了使輸出電壓 變化范圍最大，一般取 。 三、電路 當(dāng)入射光通量連續(xù)變化時(shí)， 為光敏電阻變化的中

17、間值，即當(dāng)入射光通量跳躍變化時(shí)， 和 是指入射光通量最大和最小時(shí)的光敏電阻值，可通過實(shí)驗(yàn)得到。同時(shí)，電源E也應(yīng)滿足下式 為光敏電阻的最大允許功耗。 第35頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四 1采用光調(diào)制技術(shù)，一般調(diào)制頻率為8001000Hz。 2制冷或恒溫，使熱噪聲減少。 3采用合理的偏置，選擇最佳的偏置電流，使信噪比達(dá)到最高。 在圖中，當(dāng)入射光通量變化時(shí)，會(huì)引起I和 的同時(shí)變化，使整個(gè)系統(tǒng)線性變壞，噪聲增加。為了降低光敏電阻的噪聲，提高信息轉(zhuǎn)換精度，可采取以下辦法： 恒流偏置電路如圖所示。圖中，由于采用了穩(wěn)壓管D，故 不變，使 不變， 不變，達(dá)到恒流的目的，這時(shí)，入射

18、光通量的變化僅引起 電壓的變化。第36頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四恒壓偏置電路如圖所示。圖中，由于采用了穩(wěn)壓管D， 故 不變, 也不變。入射光通量的變化僅引起的變化，可以證明，恒壓偏置的最大特點(diǎn)是光敏電阻的靈敏度與光敏電阻的暗阻值無關(guān)，因而互換性好，調(diào)換光敏電阻時(shí)不影響儀器的精度。恒壓偏置電路第37頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四第38頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四第39頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四增大加于探測(cè)器上的直流偏壓可以增大信號(hào)和噪聲輸出，但加偏壓不能過大，只能在允許的條件

19、下增大工作偏壓。 第40頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四習(xí)題 1光電導(dǎo)探測(cè)器靈敏度與其工作偏流有何關(guān)系?它在實(shí)用中的重要意義是什么? 2光電導(dǎo)探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間(頻率特性五受哪些因素限制?為什么光電導(dǎo)探測(cè)器的工作頻率都不如光伏高，一般上限頻率最高約為多少量級(jí)?實(shí)際使用時(shí)如何改善其頻率響應(yīng)? 3試?yán)L出光電導(dǎo)探測(cè)器的等效電路，并進(jìn)一步繪出(1)信號(hào)交流等效電路；(2)噪聲等效電路；(3)信號(hào)、噪聲等效電路。 4光電導(dǎo)探測(cè)器的內(nèi)增益與哪些量有關(guān)?為什么說，內(nèi)增益系數(shù)是一個(gè)隨機(jī)變量。 第41頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四4光電發(fā)射和二次電子發(fā)射兩者有哪

20、些不同?簡(jiǎn)述光電倍增管的工作原理。 5光電倍增管中倍增極有哪幾種結(jié)構(gòu)?每一種的主要特點(diǎn)是什么? 6如何選擇倍增極之間的級(jí)間電壓? 7分析電阻分壓器的電壓再分配效應(yīng)和負(fù)載電阻的反饋效應(yīng)，怎樣才能減少這些效應(yīng)的影響? 第42頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四光生伏特效應(yīng)光伏型探測(cè)器是一種結(jié)型結(jié)構(gòu)的探測(cè)器，它是基于半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)制成的。光伏效應(yīng)是光照射光敏材料時(shí)產(chǎn)生光生電壓的現(xiàn)象。 通過檢測(cè)光生電壓，或者檢測(cè)探測(cè)器回路的光生感應(yīng)電流達(dá)到檢測(cè)入射光功率的目的。根據(jù)探測(cè)器的具體結(jié)構(gòu)不同，光電探測(cè)器可以分為以下幾種：光電池、光電二極管、PIN光電二極管、雪崩光電二極管、光電三

21、極管以及其它派生的光電探測(cè)器。光伏探測(cè)器的主要特點(diǎn)是：線性好，響應(yīng)速度快，使用方便，它們廣泛應(yīng)用在測(cè)量系統(tǒng)。第43頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四 光伏探測(cè)器與光電導(dǎo)探測(cè)器相比較，主要區(qū)別在于： (1)產(chǎn)生光電變換的部位不同，光電導(dǎo)探測(cè)器是均值型，光無論照在它的哪一部分，受光部分的電導(dǎo)率都要增大，而光伏探測(cè)器是結(jié)型，只有到達(dá)結(jié)區(qū)附近的光才產(chǎn)生光伏效應(yīng)。 (2)光電導(dǎo)探測(cè)器沒有極性，工作時(shí)必須外加偏壓，而光伏探測(cè)器有確定的正負(fù)極，不需外加偏壓也可以把光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)。 (3)光電導(dǎo)探測(cè)器的光電效應(yīng)主要依賴于非平衡載流子中的多子產(chǎn)生與復(fù)合運(yùn)動(dòng)，弛豫時(shí)間較大，響應(yīng)速度慢，頻

22、率響應(yīng)性能較差。而光伏探測(cè)器的光伏效應(yīng)主要依賴于結(jié)區(qū)非平衡載流子中的少于漂移運(yùn)動(dòng)，弛豫時(shí)間較小，因此，響應(yīng)速度快，頻率響應(yīng)特性好。另外，像雪崩二極管和光電三極管還有很大的內(nèi)增益作用，不僅靈敏度高，還可以通過較大的電流。 基于上述特點(diǎn)，光伏探測(cè)器的應(yīng)用非常廣泛。一般多用于光度測(cè)量、光開關(guān)、報(bào)警系統(tǒng)、圖像識(shí)別、自動(dòng)控制等方面。第44頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四 光生伏特效應(yīng)是光照使不均勻半導(dǎo)體或均勻半導(dǎo)體中光生電子和空穴在空間分開而產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。對(duì)于不均勻半導(dǎo)體，由于同質(zhì)的半導(dǎo)體不同的摻雜形成的pn結(jié)、不同質(zhì)的半導(dǎo)體組成的異質(zhì)結(jié)或金屬與半導(dǎo)體接觸形成的肖特基勢(shì)壘都

23、存在內(nèi)建電場(chǎng)，當(dāng)光照這種半導(dǎo)體時(shí)，由于半導(dǎo)體對(duì)光的吸收而產(chǎn)生了光生電子和空穴，它們?cè)趦?nèi)建電場(chǎng)的作用下就會(huì)向相反的方向移動(dòng)和積聚而產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象是最重要的一類光生伏特效應(yīng)。對(duì)于均勻半導(dǎo)體，由于體內(nèi)沒有內(nèi)建電場(chǎng)，當(dāng)光照這種半導(dǎo)體一部分時(shí)，由于光生載流子濃度梯度的不同而引起載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。但電子和空穴的遷移率不等，由于兩種載流子擴(kuò)散速度的不同而導(dǎo)致兩種電荷的分開，從而出現(xiàn)光生電勢(shì)。這種現(xiàn)象稱為丹倍效應(yīng)。此外，如果存在外加磁場(chǎng)，也可使得擴(kuò)散中的兩種載流子向相反方向偏轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生光生電勢(shì)，稱為光磁電效應(yīng)。通常把丹倍效應(yīng)和光磁電效應(yīng)稱為體積光生伏特效應(yīng)。第45頁，共98頁，2022年，5月20日，

24、13點(diǎn)49分，星期四從晶體管理論可知，當(dāng)把N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，N型半導(dǎo)體中的電子和P型半導(dǎo)體中的空穴就會(huì)互相擴(kuò)散，見圖(a)，結(jié)果在PN區(qū)交界面附近形成一個(gè)很薄的空間電荷區(qū)，產(chǎn)生如圖(b)所示的內(nèi)電場(chǎng)，方向由N區(qū)指向P區(qū)。一、原理與結(jié)構(gòu) 光電池第46頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四硒光電池結(jié)構(gòu)示意圖第47頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四硅光電池結(jié)構(gòu)示意圖第48頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四當(dāng)光線照射PN結(jié)時(shí)，PN結(jié)將吸收入射光子。如果光子能量超過半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則由半導(dǎo)體能帶理論可知，在PN結(jié)

25、附近會(huì)產(chǎn)生電子和空穴。在內(nèi)電場(chǎng)的作用下，空穴移向P區(qū)，電子移向N區(qū)，移動(dòng)的結(jié)果，在N區(qū)聚集大量的電子而帶上負(fù)電，在P區(qū)聚集大量的空穴而帶上正電。于是在P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生了電勢(shì)，成為光生電動(dòng)勢(shì)。如果用導(dǎo)線和電阻把N區(qū)和P區(qū)連接起來，回路中就會(huì)有光電流I流過，電流方向是由P區(qū)流向N區(qū)，如圖313-1(c)所示，這就是光電池受光照時(shí)產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)和光電流的簡(jiǎn)單原理。第49頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四光電池的符號(hào)如圖所示，光電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等效電路如圖(b)所示。從以上分析可知，由光照產(chǎn)生的電子和空穴在內(nèi)電場(chǎng)的作用下才形成光生電動(dòng)勢(shì)和光電流。由于內(nèi)電場(chǎng)另外，光電池的輸出也受

26、外接負(fù)載電阻大小的影響，如圖所示. 當(dāng) 時(shí)， ，是由摻雜的P區(qū)和N區(qū)自由擴(kuò)散形成的，故內(nèi)電場(chǎng)的強(qiáng)度是非常有限的，就導(dǎo)致了光電池的光電轉(zhuǎn)換效率非常低，最高也只能是百分之十幾。即輸出電流與入射光通量成線性關(guān)系。 第50頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四上式中，S是光電池的靈敏度。當(dāng)時(shí) ， ，隨著U的增大，PN結(jié)的等效電阻 開始變小，則 開始增大，由于 顯然，I與成非線性關(guān)系。當(dāng)U繼續(xù)增大到PN結(jié)的導(dǎo)通電壓時(shí) ( 非常大時(shí))，U就不會(huì)再增大，此時(shí)，PN結(jié)的 變得很小，光照所產(chǎn)生的光電流 幾乎全部流向二極管，即 這時(shí)，在負(fù)載RL上除有少量的電流維持PN結(jié)的導(dǎo)通電壓U外，光照產(chǎn)生

27、的光電流幾乎都消耗在光電池內(nèi)部。這種現(xiàn)象也可以從圖(c)中看出。當(dāng) 較大時(shí)，光電流流過 時(shí)，必然使U增大，由于U的方向是與內(nèi)電場(chǎng)方向相反，故要削弱內(nèi)電場(chǎng)的強(qiáng)度，從而使光生的電子和空穴不能移過PN結(jié)，使對(duì)外輸出的光電流減少。第51頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四光電池的種類硒光電池，氧化亞銅光電池，硫化鉈光電池，硫化鎘光電池，鍺光電池，硅光電池，砷化鎵光電池等。其中最受重視的是硅光電池，因?yàn)樗幸幌盗械膬?yōu)點(diǎn)，例如性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、換能效率高、能耐高能輻射等。硒光電池比硅光電池價(jià)廉，它的光譜峰值位置在人的視覺范圍內(nèi)，因而應(yīng)用在不少測(cè)量?jī)x器上。 。 第52頁

28、，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四二、特性 1光照特性 圖(a)和圖(b)分別示出硅光電池和硒光電的光照特性，它指光生電動(dòng)勢(shì)和光電流與照度的關(guān)系。 光電池的電動(dòng)勢(shì)，即開路電壓與照度L成非線性關(guān)系，在照度2000勒克斯照射下就趨向飽和了。 光電池的短路電流與照度成線性關(guān)系，而且受照結(jié)面積越大，短路電流亦越大(可把光電池看成由許多小光電池并聯(lián)而成)。 光電池的所謂短路電流是指外接負(fù)載電阻相對(duì)于光電池的內(nèi)阻來講很小。而光電池在不同照度時(shí)，其內(nèi)阻也不同，所以在不同的照度時(shí)可用不同大小的外接負(fù)載近似地滿足“短路”條件。 當(dāng)光電池作為測(cè)量元件時(shí)，應(yīng)以電流源的形式來使用。第53頁，共9

29、8頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四圖(c)示出硒光電池的光照特性與負(fù)載電阻的關(guān)系。硅光電池也有相類似的關(guān)系。從圖可見，負(fù)載電阻RL越小，光電流和照度的線性關(guān)系越好，且線性范圍較廣。所以光電池作為測(cè)量元件時(shí)，所用負(fù)載電阻的大小，應(yīng)根據(jù)照度或光強(qiáng)而定。當(dāng)照度較大時(shí)，為保證測(cè)量有線性關(guān)系，所用負(fù)載電阻應(yīng)較小。負(fù)載電阻增大時(shí)，光電流變小，而且光照特性的線性區(qū)域亦變小，這是因?yàn)楣怆姵氐膬?nèi)阻隨照度和電壓而改變。硅光電池的內(nèi)阻一般屬于低阻范圍，其大小與受光面積和光強(qiáng)有關(guān)，在100毫瓦厘米的入射光強(qiáng)下，光電池每平方厘米的內(nèi)阻范圍在1520歐之間。第54頁，共98頁，2022年，5月20日，13

30、點(diǎn)49分，星期四2光譜特性 光電池的光譜特性決定于所采用的材料。 圖(d)的曲線1和2分別示出硒和硅光電池的光譜特性。從圖上可看出，硒光電池在可見光譜內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長(zhǎng)在5400埃附近，它適宜于測(cè)量可見光。如果硒光電池與適當(dāng)?shù)臑V光片配合，它的光譜靈敏度與人的眼睛很接近，可用它客觀地決定照度。硅光電池可以應(yīng)用的范圍為400011000埃，峰值波長(zhǎng)在8500埃附近，因此對(duì)色溫為2854K的鎢絲燈光源，能得到很好的光譜響應(yīng)。光電池的光譜峰值位置不僅與制造光電池的材料有關(guān)，也和制造工藝有關(guān)，并且隨使用溫度的不同而有所移動(dòng)。第55頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四3伏安特

31、性 伏安特性如圖。圖中還畫出負(fù)載電阻為0.5、l、3千歐的負(fù)載線。光電池的負(fù)載線由 決定。負(fù)載電阻短接或很小時(shí)，負(fù)載線垂直或接近于垂直。它與伏安特性的交點(diǎn)為等距離，電流正比于照度，數(shù)值也較大。負(fù)載電阻增 增大時(shí)，交點(diǎn)的距離不等，例如3千歐這條負(fù)載線與伏安特性的交點(diǎn)相互間距離不等，即電流不與照度成正比，光照特性不是直線，電流也減小。 光電池的積分靈敏度由光通量為1流明所能產(chǎn)生的短路電流決定。硅光電池的靈敏度為68毫安/流明，硒光電池的靈敏度約為0.5毫安流明，因而硅光電池的靈敏度比硒高。硅光電池的開路電壓在0.450.6伏之間。在器件結(jié)構(gòu)相同的情況下，可能達(dá)到的最大開路電壓，硒比硅略微高一些。

32、第56頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四第57頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四4頻率特性 光電池的PN結(jié)或阻擋層的面積大極間電容大，因此頻率特性較差， 圖(f)曲線l示出硒光電池的頻率特性，它是在負(fù)載電阻為一兆歐時(shí)繪出的。負(fù)載電阻越大，電容的旁路作用越顯著，頻率特性高頻部分的下降越厲害。因此不宜于檢測(cè)交變圖(f)中的曲線2，在照度較強(qiáng)和負(fù)載電阻較小的情況下，它的截止頻率最高可達(dá)1030千赫。在低照度時(shí)頻率特性要變差，這是因?yàn)樵诘驼斩葧r(shí)光電池內(nèi)阻增大的緣故。響應(yīng)速度與結(jié)電容和負(fù)載電阻的乘積有關(guān)。如欲改善頻率特性，需減小負(fù)載電阻或減小光電池的面積，

33、使它的結(jié)電容減小。此外，響應(yīng)速度還與少數(shù)載流子的壽命和擴(kuò)散時(shí)間等有關(guān)。光通量。硅光電池的頻率特性要好一些， 第58頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四5溫度特性 圖(g)示出硅光電池的開路電壓和短路電流與溫度T的關(guān)系。 硅光電池的開路電壓隨溫度升高而降低，溫度每升高l度，電壓下降23毫伏。短路電流隨著溫度升高，開始增大。當(dāng)溫度超過70度左右時(shí)，溫度升高，電流下降。硅光電池在強(qiáng)輻射下性能也是穩(wěn)定的。對(duì)于硒光電池，在強(qiáng)光照射時(shí)性能變化很大，這主要是由于此時(shí)體內(nèi)已起了變化或表面的硒被氧化所造成的。光電池的可靠性好，壽命也較長(zhǎng)，它們除與制造材料、工藝有關(guān)外，還和使用的情況有關(guān)，因

34、此合理地使用光電池，也是保證性能穩(wěn)定，可靠性好，壽命長(zhǎng)的重要環(huán)節(jié)。第59頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四光電池的使用： 光電池在受強(qiáng)光照射或聚焦光照射的情況下，應(yīng)該考慮光電池的工作溫度及散熱措施。如果硒光電池的結(jié)溫超過50度、硅光電池的結(jié)溫超過200度時(shí)，就要破壞它們的晶體結(jié)構(gòu)，造成損壞。通常硅光電池使用的結(jié)溫不允許超過125度。 硅光電池是由薄的硅片制成，極脆，使用時(shí)應(yīng)特別小心。硅光電池的固定不宜用壓緊法，應(yīng)采用膠粘法。由于硅光電池和座子的膨脹系數(shù)不可能相同，所以也不宜用極牢固的膠合劑(如環(huán)氧樹脂、502膠等)，應(yīng)采用柔軟而富有彈性的膠合劑(如蜂蠟、硬柏油、清凡力水

35、、萬能膠等)。硅光電池的表面通常鍍有一層增透膜，使用時(shí)應(yīng)避免硬物接觸表面。表面如有臟物，可以用酒精棉花輕輕擦拭。若增透膜脫落，將使硅光電池的輸出略有下降，但仍可使用。硅光電池的引線很嬌嫩，不能拉力太大，以免脫落。第60頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四三、電路 1. 光電池用作太陽能電池 當(dāng)光電池用作太陽能電池時(shí)，是把光能直接轉(zhuǎn)換成電能，需要最大的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率。這時(shí)光電池的受光面積往往做得比較大，或把多個(gè)光電池作串、并聯(lián)連接，再將它們置于太陽光的照射下，就成為把光能轉(zhuǎn)換成電能的太陽電池。光電池用作太陽能電池時(shí)的電路如圖所示。在黑夜或光線微弱時(shí)，為防止蓄電池經(jīng)過光電

36、池放電而設(shè)置二極管D。 第61頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四光電池用作檢測(cè)元件使用時(shí)的電路如圖所示，此電路可實(shí)現(xiàn)光電池的線性輸出。對(duì)光電池而言，近似等于0.圖中，。 式中，S為光電池的靈敏度，是入射到光電池的光通量 2光電池用作檢測(cè)元件第62頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四314 光敏二極管(PD)光敏二極管是一種用PN結(jié)單向?qū)щ娦缘慕Y(jié)型光電信息轉(zhuǎn)換器件。 一、結(jié)構(gòu)和工作原理 與一般半導(dǎo)體二極管類似，其PN結(jié)裝在管子的頂部，以便使光線集中在光敏面，光敏二極管的外形結(jié)構(gòu)如圖（a）所示。 光敏二極管工作時(shí)加反向偏壓，圖(b)，加反向偏壓的目的是

37、加一個(gè)方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向一致的外電場(chǎng)，克服了光電池弱點(diǎn)，線性特性和頻率特性將徹底改善，光電流的輸出僅受光照強(qiáng)弱變化的影響，與負(fù)載電阻的大小無關(guān)。無光照時(shí)，光敏二極管工作在截止?fàn)顟B(tài)，只有少數(shù)載流子在反向偏壓作用下，渡越阻擋層，形成微小的反向電流，即暗電流。光敏二極管受光照時(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，在外加電場(chǎng)和內(nèi)電場(chǎng)的共同作用下，P區(qū)的電子渡越阻擋層進(jìn)入N區(qū)，N區(qū)的空穴進(jìn)人P區(qū)，從而使通過PN結(jié)的方向電流大大增加，這就形成了光電流。 第63頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四1光照特性 圖(a)畫出了硅光

38、敏二極管的光電流I與照度L的特性曲線。從圖上可看出，它的光照特性線性較好，適合于檢測(cè)方面的應(yīng)用。 ，光譜特性決定于所采用的材料，圖3142(b)示出了鍺的光譜響應(yīng)曲線。由圖可知，它的響應(yīng)光譜長(zhǎng)波限為18000埃，短波限在4000埃附近，最靈敏的響應(yīng)波長(zhǎng)大約1400015000埃之間。硅的光譜特性可見圖(b)，它的最靈敏響應(yīng)波長(zhǎng)在80009000埃之間。二、特性2光譜特性 硅光敏二極管在入射光波長(zhǎng)為9000埃處，其光譜靈敏度不小于04微安微瓦。第64頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四 圖(c)示出了硅光敏二極管的實(shí)際伏安特性曲線，由光照控制的光敏二極管，與由基極控制的晶體

39、三極管的工作情況相類似，因而光敏二極管在不同照度下的伏安特性，與一般晶體管在不同基極電流下的輸出特性相似。由此可知，光敏二極管對(duì)光信號(hào)的作用，正像一般晶體管在基極上加上電信號(hào)時(shí)的放大作用一樣。光敏二極管在外加電壓為零時(shí)仍有電流，這是光生伏特效應(yīng)所產(chǎn)生的短路電流。 3伏安特性 第65頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四4頻率特性 (a)結(jié)電容(一般小于20微微法)和雜散電容，因它與負(fù)載電阻并聯(lián)，負(fù)載電阻越大，它的高額旁路作用越顯著，高頻響應(yīng)變差。負(fù)載電阻小，能使高頻響應(yīng)改善，但輸出電壓要減小，兩者應(yīng)同時(shí)考慮，以選擇合適的負(fù)載電阻。在負(fù)載電阻為l千歐的情況下，截止頻率可達(dá)1.

40、5兆赫或更高； (b)光生載流子在薄層中的擴(kuò)散時(shí)間及PN結(jié)(耗盡層或阻擋層)中的漂移時(shí)間，前者與入射光的波長(zhǎng)有關(guān)。當(dāng)波長(zhǎng)超過某限度(材料對(duì)長(zhǎng)波的吸收系數(shù)小)，入射光可透過二極管PN結(jié)而到達(dá)體內(nèi)(N區(qū))較深部位幾十到上千微米，它激發(fā)的光生載流子要擴(kuò)散到PN結(jié)后才能形成光電流。這一擴(kuò)散時(shí)間限制了對(duì)長(zhǎng)波光的頻率響應(yīng)。 光敏二極管的頻率響應(yīng)與下述因素有關(guān)： 波長(zhǎng)較短的光生載流子大部分產(chǎn)生在PN結(jié)內(nèi)，沒有體內(nèi)擴(kuò)散時(shí)間的問題，而且頻率響應(yīng)要好得多。對(duì)硅二極管，由波長(zhǎng)不同引起的響應(yīng)時(shí)間可相差102108倍。第66頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四5溫度特性 光敏二極管在電壓不變(50

41、伏)和照度不變的情況下，其光電流 隨溫度T而變?nèi)鐖D。在精密光電測(cè)量中要注意溫度對(duì)測(cè)量精度的影響，橋式電路是減小溫度影響的措施之一。在用調(diào)制光照射時(shí)，可采用交流放大器以抑制變化較慢的溫度影響。6暗電流 圖示出的曲線l和2各為鍺和硅光敏二極管的暗電流隨溫度T而變化的曲線。溫度升高，半導(dǎo)體受熱激發(fā)，少數(shù)載流子增加，使暗電流增加。硅器件的暗電流及其溫度系數(shù)都比鍺器件小，因此對(duì)鍺器件需要適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償。使用時(shí)要注意不使管殼側(cè)面沾污。否則會(huì)引起漏電流，使暗電流變大。 光敏二極管體積小，靈敏度高，穩(wěn)定性好，響應(yīng)速度快，易于獲得定向性，光譜在可見和紅外區(qū)，它在檢測(cè)和自動(dòng)控制中用得較多。 第67頁，共98頁，2

42、022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四第68頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四第69頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四第70頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四光敏二極管的輸出電路和等效電路。圖(a)和圖(b)的差別是輸出電壓U是反向的。因?yàn)?，由圖(c)可知， 上式中，S是光敏二極管的靈敏度，是入射到光敏二極管的光通量， 是等效有此可見，為了得到較大的輸出電壓，除串接較大的R外，后級(jí)電路的輸入阻抗應(yīng)盡可能大些。在圖(c)中，C是結(jié)電容，一般較小，故在中頻內(nèi)可忽略，但在高頻時(shí)不能忽略，C直接影響光敏二極管的高頻特性。計(jì)算

43、光敏二極管的上限頻率 。負(fù)載電阻，即是R和后級(jí)電路輸入阻抗的并聯(lián)值。 三、電路第71頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四當(dāng) 時(shí)得而令得：從這里看出，減少負(fù)載電阻 ，可使上限頻率 提高。這結(jié)論對(duì)其他光電信息轉(zhuǎn)換器件也適用。第72頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四在前面討論P(yáng)N結(jié)的光電效應(yīng)時(shí)已指出，PN結(jié)光生電流主要由耗盡區(qū)電子一空穴對(duì)在外加電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)作用下的漂移運(yùn)動(dòng)形成的。由于電場(chǎng)主要分布在耗盡區(qū)內(nèi)，所以載流子的漂移運(yùn)動(dòng)速度很快。一般來講，耗盡區(qū)的電場(chǎng)足以使載流子的漂移速度達(dá)到極限值。在擴(kuò)散區(qū)，由于場(chǎng)的分布趨于零，載流子的運(yùn)動(dòng)是擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，所以運(yùn)動(dòng)速

44、度很慢。這樣，就影響了光電檢測(cè)器響應(yīng)速度的提高。因此為了保證光電檢測(cè)器有快的響應(yīng)速度和高的效率，應(yīng)當(dāng)設(shè)法盡量減小零電場(chǎng)P區(qū)和N區(qū)的厚度而增加耗盡區(qū)的厚度，并且還應(yīng)盡量避免光生電子一空穴對(duì)在零電場(chǎng)區(qū)里產(chǎn)生。在工藝上采取以下措施：將N層做成輕摻雜，使耗盡區(qū)變寬或變厚。這種摻雜很輕的N層，稱作本征I層；另外，為了制成低電阻的接觸，在I層的兩端再做成重?fù)诫s的P層和N層，并且它們的寬度很窄，或厚度很薄。這樣，便構(gòu)成了PIN型的光敏二極管。四、PIN管第73頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四PIN的結(jié)構(gòu)示意圖如所示。由圖可以看出，由于采用了上述工藝手段，使耗盡區(qū)的寬度幾乎占據(jù)了整個(gè)

45、吸收區(qū)，而擴(kuò)散區(qū)變得很薄，所以PIN比PD具有更高的光生電流效率和更高的響應(yīng)速度。PIN管特點(diǎn)是1、頻帶寬，可達(dá)10GHz，因?yàn)楹谋M區(qū)寬度增加，結(jié)電容大大減小。缺點(diǎn)：由于I層很大，管子的輸出電流小，一般多為零點(diǎn)幾微安至數(shù)微安。2、線性輸出范圍寬，因?yàn)镮層很厚，在反偏壓下運(yùn)行可承受較高的反向電壓。第74頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四五、APD 雪崩光敏二極管的反向偏壓很高，可達(dá)50150V。這樣，在P-N結(jié)內(nèi)形成了一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)。初始的載流子在經(jīng)過這個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)時(shí)，在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下獲得很大動(dòng)能，從而運(yùn)動(dòng)速度很高。載流子在高速運(yùn)動(dòng)過程中要與晶體的晶格發(fā)生碰撞作用，結(jié)果使價(jià)帶

46、的電子躍遷到導(dǎo)帶上去，于是就產(chǎn)生新的電子一空穴對(duì)。這個(gè)過程稱為碰撞電離過程。 盡管PIN比PD有所改進(jìn)，但由于耗盡區(qū)加寬而且所加反向偏壓又不能很高，故載流子的漂移時(shí)間勢(shì)必要拉長(zhǎng)，從而影響響應(yīng)速度的進(jìn)一步提高。另外，PIN產(chǎn)生的光生電流仍然是很微弱的。為了達(dá)到可供使用的程度，必然要對(duì)其進(jìn)行多次放大。這樣，不可避免地要引進(jìn)放大器的噪聲，從而使接收機(jī)的信噪比降低。為了克服PIN的缺點(diǎn)，需做進(jìn)一步的改進(jìn)，使光生電流在其內(nèi)部先進(jìn)行放大，這就要求光電管具有雪崩增益作用。具有這種功能的光電管稱為雪崩光敏二極管，以APD(Avalanche photo diode)表示。第75頁，共98頁，2022年，5月2

47、0日，13點(diǎn)49分，星期四新產(chǎn)生的電子一空穴對(duì)稱為二次電子一空穴對(duì)。初始的和新生的電子或空穴，在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，又要碰撞別的原子進(jìn)而產(chǎn)生新的電子一空穴對(duì)。經(jīng)多次碰撞電離后，便使載流子迅速增加，從而反向電流也迅速增大形成雪崩倍增效應(yīng)(如圖所。 示)；APD就是利用雪崩倍增效應(yīng)使光生電流達(dá)到很高的數(shù)值，電流增益可達(dá)106。因此，雪崩光敏二極管是靈敏度很高的光電信息轉(zhuǎn)換器件第76頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四雪崩光敏二極管的工作偏壓必須適當(dāng)。過小時(shí)，增益太??；過大時(shí)，噪聲大，而且電壓過高可能使管子被擊穿燒毀。由于擊穿電壓會(huì)隨溫度漂移，必須根據(jù)環(huán)境溫度變化相應(yīng)調(diào)整工作電壓。

48、(a)雪崩過程伴有一定的噪聲，并受溫度的影響較大； (b)由于材料本身(特別是表面部分)具有一定的缺陷，使PN結(jié)的各區(qū)域電場(chǎng)分布不均勻，局部的高電場(chǎng)區(qū)首先發(fā)生擊穿，使漏電流變大，這相當(dāng)于增強(qiáng)了噪聲。為避免這一情況發(fā)生，在選擇材料和工藝上應(yīng)加以注意。影響雪崩光敏二極管工作的因素有： 雪崩光敏二極管一般由硅或鍺材料制成，頻率響應(yīng)很高，帶寬可達(dá)100GHz。是目前響應(yīng)最快的一種光敏二極管。適用于光纖通信、激光測(cè)距及其他微弱光的探測(cè)等。第77頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四 光敏二極管陣列是將光敏二極管以線陣或面陣形式集合在一起，用來同時(shí)探測(cè)被測(cè)物體各部位提供的不同光信息，并

49、將這些信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件。光敏三極管陣列與其類似。與光敏二極管陣列類似，還有象限探測(cè)器。象限探測(cè)器有二象限和四象限探測(cè)器，又分光敏二極管象限探測(cè)器和硅光電池象限探測(cè)器。象限探測(cè)器是在同一塊芯片上制成兩或四個(gè)探測(cè)器，中間有溝道將它們隔開，因而這兩或四個(gè)探測(cè)器有完全相同性能參數(shù)。當(dāng)被測(cè)體位置發(fā)生變化時(shí)，來自目標(biāo)的輻射量使象限間產(chǎn)生差異，這種差異會(huì)引起象限間信號(hào)輸出變化，從而確定目標(biāo)方位，起到制導(dǎo)、跟蹤、搜索、定位等作用。六、光敏二極管陣列第78頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四第79頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四第80頁，共98頁，2022年

50、，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四第81頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四第82頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四第83頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四第84頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四第85頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四第86頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四第87頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四接收光信號(hào)的方式 1光信號(hào)的有無 即被測(cè)對(duì)象造成投射到光電器件上的光信號(hào)截?cái)嗷蛲ㄟ^。如光電開關(guān)、光電，報(bào)警等。這時(shí)的光

51、電器件不考慮線性，但要考慮靈敏度。 2光信號(hào)按一定頻率交替變化 這種光信號(hào)的輸入是有一定頻率的，必須使所選器件的上限截止頻率(最好是最佳工作頻率)大于輸入信號(hào)的頻率才能測(cè)出輸入信號(hào)的變化。 3光信號(hào)的幅度大小 當(dāng)被測(cè)對(duì)象因?qū)獾姆瓷渎?、透過率變化或是被測(cè)對(duì)象本身光輻射的強(qiáng)度變化，此時(shí)的光信號(hào)幅度大小亦改變。為準(zhǔn)確測(cè)出幅度大小的變化，必須選用線性好、響應(yīng)快的器件。如PMT或光電二極管等。 4光信號(hào)的色度差異 當(dāng)被測(cè)對(duì)象本身光輻射的色溫存在差異或表面顏色變化時(shí)，必須選擇合適的光譜特性的光電器件等。 第88頁，共98頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)49分，星期四各種光電檢測(cè)器件的性能比較 在動(dòng)態(tài)特性方面，即頻率響應(yīng)與時(shí)間響應(yīng)，以光電信增管和光電二極管(尤其是PIN管與雪崩管)為最好；在光電特性方面(即線性)，以光電倍增管、光電二極管、光電池為最好；在靈敏度方面，以光電倍增管、雪崩光電二極管、光敏電阻和光電三極管為最好；值得指出的是，靈敏度高不見得就是輸出電流大，而輸出電流大的器件有大面積光電池、光敏電阻、雪崩光電二極管與光電三極管；外加電壓最低的是光電二、三極管，光電池不需加電源；暗電流光電倍增管與光電二極管最小，光電池不