常用光電探測(cè)器課件

常用光電探測(cè)器簡(jiǎn)介知識(shí)鞏固光電探測(cè)器的物理效應(yīng)光子效應(yīng)光熱效應(yīng)響應(yīng)波長(zhǎng)有選擇性，一般有截止波長(zhǎng)，超過(guò)該波長(zhǎng)，器件無(wú)響應(yīng)響應(yīng)波長(zhǎng)無(wú)選擇性，對(duì)可見(jiàn)光到遠(yuǎn)紅外的各種波長(zhǎng)的輻射同樣敏感響應(yīng)快，吸收輻射產(chǎn)生信號(hào)需要的時(shí)間短，一般為納秒到幾百微秒響應(yīng)慢，一般為幾毫秒知識(shí)鞏固1）以下屬于內(nèi)光電效應(yīng)的有（）A、光電發(fā)射效應(yīng)B、光電導(dǎo)效應(yīng)C、光生伏特效應(yīng)D、光磁效應(yīng)2）在光線作用下，半導(dǎo)體電導(dǎo)率增加的現(xiàn)象屬于()

A、外光電效應(yīng)B、內(nèi)光電效應(yīng)C、光電發(fā)射D、光導(dǎo)效應(yīng)3）以下幾種探測(cè)器屬于熱探測(cè)器的有：（）A、熱電偶B、熱釋電探測(cè)器C、熱敏電阻D、超導(dǎo)遠(yuǎn)紅外探測(cè)器4）表征光電探測(cè)器探測(cè)微弱光信號(hào)能力的參數(shù)是（）A、通量閾B、噪聲等效功率C、探測(cè)度D、歸一化探測(cè)度常用光電探測(cè)器光電導(dǎo)探測(cè)器——光敏電阻PN結(jié)光伏探測(cè)器的工作模式硅光電池——太陽(yáng)電池

光電二極管

光熱探測(cè)器

熱敏電阻

熱釋電探測(cè)器

光電導(dǎo)探測(cè)器——光敏電阻無(wú)結(jié)光電探測(cè)器（無(wú)需形成pn結(jié)）光敏電阻或光導(dǎo)管（光照下改變自身的電阻率，光照愈強(qiáng)，器件自身的電阻愈?。](méi)有極性——電阻隨光照強(qiáng)度而變化的可變電阻器光電導(dǎo)探測(cè)器（光電導(dǎo)效應(yīng)原理）本征型光敏電阻：非本征型光敏電阻：一般在室溫下工作，適用于可見(jiàn)光和近紅外輻射探測(cè)通常在低溫條件下工作，常用于中、遠(yuǎn)紅外輻射探測(cè)常用的光敏電阻有CdS、CdSe、PbS以及TeCdHg等。其中CdS是工業(yè)應(yīng)用最多的，而PbS主要用于軍事裝備，光敏電阻在絕緣基片上淀積半導(dǎo)體薄膜，然后在薄膜面上蒸鍍金或銦，形成梳狀金屬電極——間距很近的電極之間，具有較大的光敏面積，從而獲得很高的靈敏度。1.光敏電阻的結(jié)構(gòu)和偏置電路M——光電導(dǎo)體的光電流內(nèi)增益光敏電阻光敏響應(yīng)特性對(duì)各種光的響應(yīng)靈敏度隨入射光的波長(zhǎng)變化而變化的特性。常用光譜響應(yīng)曲線、光譜響應(yīng)范圍及峰值響應(yīng)波長(zhǎng)來(lái)描述。三種光敏電阻的光譜響應(yīng)特性曲線或光敏電阻光照特性理想光電轉(zhuǎn)換關(guān)系式：實(shí)際光照特征呈非線性關(guān)系：CdS的光照特性曲線與器件的材料、尺寸、形狀以及載流子壽命有關(guān)；電壓指數(shù)，與接觸電阻等因素有關(guān)，其值一般為1~1.2；照度指數(shù)，由雜質(zhì)種類及數(shù)量決定，其值一般為0.5~1.0。在低偏壓、弱光照條件下光敏電阻伏安特性光敏電阻時(shí)間響應(yīng)特性光敏電阻受光照后或被遮光后，回路電流并不立即增大或減小，而是有一響應(yīng)時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間常數(shù)是由電流上升時(shí)間和衰減時(shí)間表示。光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間與入射光的照度，所加電壓、負(fù)載電阻及照度變化前電阻所經(jīng)歷的時(shí)間（稱為前歷時(shí)間）等因素有關(guān)。

光敏電阻穩(wěn)定特性光敏電阻的阻值隨溫度變化而變化的變化率，在弱光照和強(qiáng)光照時(shí)都較大，而中等光照時(shí)，則較小。【例】CdS光敏電阻的溫度系數(shù)在10lx照度時(shí)約為0；照度高于10lx時(shí)，溫度系數(shù)為正；小于10lx時(shí)，溫度系數(shù)反而為負(fù)；照度偏離10lx愈多，溫度系數(shù)也愈大。當(dāng)環(huán)境溫度在0～+60℃的范圍內(nèi)時(shí)，光敏電阻的響應(yīng)速度幾乎不變；而在低溫環(huán)境下，光敏電阻的響應(yīng)速度變慢。例如，-30℃時(shí)的響應(yīng)時(shí)間約為+20℃時(shí)的兩倍。光敏電阻的允許功耗，隨著環(huán)境溫度的升高而降低。

光敏電阻噪聲特性

光電導(dǎo)探測(cè)器的噪聲主要有三個(gè)噪聲源貢獻(xiàn)：產(chǎn)生-復(fù)合噪聲、熱噪聲、1/f噪聲。光敏電阻InSb：近紅外輻射探測(cè)器，室溫下工作噪聲較大，在77K下，噪聲性能大大改善，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為5μm，內(nèi)阻低（大約50歐），響應(yīng)時(shí)間短（大約50×10-9s），適用于快速紅外信號(hào)探測(cè)。HgxCd1-xTe探測(cè)器：化合物本征型光電導(dǎo)探測(cè)器，由HgTe和GdTe兩種材料混在一起的固溶體，其禁帶寬度隨組分x呈線性變化。當(dāng)x=0.2時(shí)響應(yīng)波長(zhǎng)為8~14μm，工作溫度77K，用液氮致冷；內(nèi)電流增益約為500，低內(nèi)阻，廣泛用于10.6μm的CO2激光探測(cè)。3.幾種典型的光敏電阻光敏電阻（1）用于測(cè)光的光源光譜特性必須與光敏電阻的光敏特性匹配；（2）要防止光敏電阻受雜散光的影響；（3）要防止使光敏電阻的電參數(shù)(電壓、功耗)超過(guò)允許值；（4）根據(jù)不同用途，選用不同特性的光敏電阻。4.使用注意事項(xiàng)PN結(jié)光伏探測(cè)器的工作模式利用半導(dǎo)體PN結(jié)光伏效應(yīng)制成的器件稱為光伏探測(cè)器，也稱結(jié)型光電器件。品種很多，包括各種光電池、光電二極管、光電晶體管、光電場(chǎng)效應(yīng)管、PIN管、雪崩光電二極管、光可控硅、陣列式光電器件、象限式光電器件、位置敏感探測(cè)器（PSD）、光電耦合器件等。和光電導(dǎo)探測(cè)器不同，光伏探測(cè)器的工作特性要復(fù)雜一些。通常有光電池和光電二極管之分，也就是說(shuō)，光伏探測(cè)器有著不同的工作模式。因此在具體討論光伏探測(cè)器的工作特性之前，首先必須弄清楚它的工作模式問(wèn)題。PN結(jié)光伏探測(cè)器的工作模式假定光生電子-空穴對(duì)在PN結(jié)的結(jié)區(qū)，即耗盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生。由于內(nèi)電場(chǎng)作用，電子向n區(qū)、空穴向p區(qū)漂移運(yùn)動(dòng)，被內(nèi)電場(chǎng)分離的電子和空穴就在外回路中形成電流。Ei耗盡層EcEFEv光生空穴----++++++-pnxoLpn光子電離受主電離施主光生電子-PN結(jié)光伏探測(cè)器的工作模式就光電流形成的過(guò)程而言，光伏探測(cè)器和光電導(dǎo)探測(cè)器有十分類似的情況?？梢宰C明：在光伏情況下一個(gè)光生電子-空穴對(duì)對(duì)外回路所貢獻(xiàn)的總電荷量：光伏探測(cè)器的內(nèi)電流增益等于M=1。光伏探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換關(guān)系為這是和光電導(dǎo)探測(cè)器明顯不同的地方。PN結(jié)光伏探測(cè)器的工作模式一個(gè)PN結(jié)光伏探測(cè)器就等效為一個(gè)普通二極管和一個(gè)恒流源(光電流源)的并聯(lián)，如圖(b)所示。它的工作模式則由外偏壓回路決定。在零偏壓時(shí)(圖(c))，稱為光伏工作模式。當(dāng)外回路采用反偏壓V時(shí)(圖(d))，即外加P端為負(fù)n端為正的電壓時(shí)，稱為光導(dǎo)工作模式。VuiiD(a)(b)(c)(d)i第一象限是正偏壓狀態(tài)，iD本來(lái)就很大，所以光電流不起重要作用。作為光電探測(cè)器，工作在這一區(qū)域沒(méi)有意義。第三象限是反偏壓狀態(tài)。這時(shí)iD=iS0，是普通二極管中的反向飽和電流，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i-iS0)是流過(guò)探測(cè)器的主要電流，對(duì)應(yīng)于光導(dǎo)工作模式。通常把光導(dǎo)工作模式的光伏探測(cè)器稱為光電二極管，因?yàn)樗耐饣芈诽匦耘c光電導(dǎo)探測(cè)器十分相似。在第四象限中，外偏壓為零。流過(guò)探測(cè)器的電流仍為反向光電流，隨著光功率的不同，出現(xiàn)明顯的非線性。這時(shí)探測(cè)器的輸出是通過(guò)負(fù)載電阻RL上的電壓或流過(guò)RL上的電流來(lái)體現(xiàn)，因此，稱為光伏工作模式。通常把光伏工作模式的光伏探測(cè)器稱為光電池。應(yīng)特別注意，光電流總是反向電流，而光電流在RL上的電壓降，對(duì)探測(cè)器產(chǎn)生正向偏置稱為自偏壓，當(dāng)然要產(chǎn)生正向電流。最終兩個(gè)電流抵消，伏安曲線中止于橫軸上。硅光電池——太陽(yáng)電池硅光電池結(jié)構(gòu)示意圖-+RLpn防反射膜(SiO2）pn+-SiO2pn結(jié)硅光電池硅光電池——太陽(yáng)電池光電池按材料分，有硅、硒、硫化鎘、砷化鎵和無(wú)定型材料的光電池等。按結(jié)構(gòu)分，有同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)光電池等。光電池中最典型的是同質(zhì)結(jié)硅光電池。國(guó)產(chǎn)同質(zhì)結(jié)硅光電池因襯底材料導(dǎo)電類型不同而分成2CR系列和2DR系列兩種。2CR系列硅光電池是以N型硅為襯底，P型硅為受光面的光電池。受光面上的電極稱為前極或上電極，為了減少遮光，前極多作成梳狀。襯底方面的電極稱為后極或下電極。為了減少反射光，增加透射光，一般都在受光面上涂有SiO2或MgF2，Si3N4，SiO2－MgF2等材料的防反射膜，同時(shí)也可以起到防潮，防腐蝕的保護(hù)作用。幾種國(guó)產(chǎn)硅光電池的特性

硅光電池——太陽(yáng)電池硅光電池——太陽(yáng)電池硅光電池——太陽(yáng)電池硅光電池——太陽(yáng)電池硅光電池——太陽(yáng)電池硅光電池——太陽(yáng)電池硅光電池——太陽(yáng)電池光電池等效電路短路電流和開(kāi)路電壓短路電流——RL=0開(kāi)路電壓——RL=∞Cj：結(jié)電容ish：pn結(jié)漏電流，很小Rsh：等效泄露電阻，很大Rs：引出電極－管芯接觸電阻硅光電池——太陽(yáng)電池短路電流的計(jì)算不計(jì)ish的影響，有短接RL并忽略RS的影響，u1=0，iD=0。流過(guò)光電池的短路電流就是光電流，即若計(jì)RS與RSh的影響，短路電流的精確表達(dá)式應(yīng)為硅光電池——太陽(yáng)電池開(kāi)路電壓的計(jì)算負(fù)載電阻開(kāi)路時(shí)，光電池輸出電壓（即開(kāi)路電壓uOC）等于u1，由二極管伏安特性求得考慮，開(kāi)路電壓為硅光電池——太陽(yáng)電池單片硅光電池的開(kāi)路電壓約為0.45～0.6V，短路電流密度約為150～300A/m2。測(cè)量方法：在一定光功率（例如1kW/m2）照射下，使光電池兩端開(kāi)路，用一高內(nèi)阻直流毫伏表或電位差計(jì)接在光電池兩端，測(cè)量出開(kāi)路電壓；在同樣條件下，將光電池兩端用一低內(nèi)阻（小于1Ω）電流表短接，電流表的示值即為短路電流。硅光電池——太陽(yáng)電池輸出功率輸出功率的一般表達(dá)式輸出電流輸出功率為硅光電池——太陽(yáng)電池最佳負(fù)載電阻輸出功率為硅光電池——太陽(yáng)電池實(shí)際光照下的開(kāi)路電壓計(jì)算（根據(jù)手冊(cè)中的光電池在特定光照度下的開(kāi)路電壓值，求出實(shí)際照度下的開(kāi)路電壓值）最佳負(fù)載電阻Rm的估算保證光電池線性工作的負(fù)載電阻RL的選取原則緩變光電信號(hào)探測(cè)硅光電池——太陽(yáng)電池在光照P1下在光照P2下1）計(jì)算開(kāi)路電壓由光伏探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換關(guān)系，可以根據(jù)手冊(cè)上給定的光電池在特定光照度下開(kāi)路電壓值，求出實(shí)際照度下的開(kāi)路電壓值。室溫下，硅光電池——太陽(yáng)電池硅光電池——太陽(yáng)電池2）最佳負(fù)載電阻的估算負(fù)載上的壓降負(fù)載上的功率硅光電池——太陽(yáng)電池硅光電池——太陽(yáng)電池當(dāng)，上式變?yōu)楣韫怆姵亍?yáng)電池當(dāng)輸出功率P電（RL上的功率）達(dá)到最大通常為保證光電池工作在線性狀態(tài)（輸出信號(hào)不失真），取硅光電池——太陽(yáng)電池3）保證光電池線性工作的負(fù)載電阻RL的選取原則硅光電池——太陽(yáng)電池光電池的電流輸出變換電路舉例--------后帶放大器電路a)用鍺三級(jí)管放大，輸出電壓硅光電池——太陽(yáng)電池b)兩個(gè)光電池串聯(lián)，使用Si三級(jí)管放大光電流硅光電池——太陽(yáng)電池c)Ge二極管與Si光電池串接，使用Si三級(jí)管放大光電流硅光電池——太陽(yáng)電池d)Si光電池接運(yùn)算放大器硅光電池——太陽(yáng)電池1電路分析交變光信號(hào)探測(cè)令光電池接收的光功率為正弦脈動(dòng)形式，即下面利用I-V特性，作出直流負(fù)載線、交流負(fù)載線→分析最大輸出功率和最佳負(fù)載光