第九、十課光探測-預(yù)習(xí)用

第九課 光探測

2023/2/3主要內(nèi)容5.1 光電探測器的定義5.2光電探測器的物理效應(yīng)5.3 光電探測器的特性參數(shù)5.4 典型光電探測器件5.5 光電探測技術(shù)的應(yīng)用

光探測器：凡是能把光輻射量轉(zhuǎn)換成另一類便于測量的物理量的器件。光電探測器：將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件?！枪怆娤到y(tǒng)的核心組成部分（光源、信道和探測器），在光電系統(tǒng)中的作用是發(fā)現(xiàn)信號、測量信號，并為隨后的應(yīng)用提取某些必要的信息。

2023/2/35.1 光電探測器的定義

2023/2/35.1.2 光電探測器的物理效應(yīng)光電（光子）效應(yīng)：單個光子的性質(zhì)對產(chǎn)生的光電子起直接作用的一類光電效應(yīng)。探測器吸收光子后，直接引起原子或分子的內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。光子能量的大小直接影響內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。對光波頻率表現(xiàn)出選擇性，在光子與電子直接相互作用的情況下，響應(yīng)速度一般比較快（ns～us）。光熱效應(yīng)：探測元件吸收光輻射能量后，并不直接引起內(nèi)部電子狀態(tài)的改變，而是把吸收的光能變?yōu)榫Ц竦臒徇\動能量，引起探測元件溫度上升的效應(yīng)。溫度上升的結(jié)果又使探測元件的電學(xué)性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化。一般對光波頻率沒有選擇性，在紅外波段上，材料吸收率高，光熱效應(yīng)也就更強(qiáng)烈，所以廣泛用于對紅外線輻射的探測。響應(yīng)速度比較慢（ms）。光電效應(yīng)分類效應(yīng)典型探測器外光電效應(yīng)?光陰極發(fā)射光電子?光電子倍增打拿極倍增通道電子倍增光電管光電倍增管像增強(qiáng)管內(nèi)光電效應(yīng)?光電導(dǎo)（本征和非本征）?光生伏特

PN結(jié)和PIN結(jié)（零偏）

PN結(jié)和PIN結(jié)（反偏）雪崩肖特基勢壘?光電磁光子牽引光導(dǎo)管或光敏電阻光電池光電二極管雪崩光電二極管肖特基勢壘光電二極管光電磁探測器光子牽引探測器

2023/2/3光熱效應(yīng)分類效應(yīng)典型探測器?測輻射熱計負(fù)電阻溫度系數(shù)正電阻溫度系數(shù)超導(dǎo)?溫差電?熱釋電?其他熱敏電阻測輻射熱計金屬測輻射熱計超導(dǎo)遠(yuǎn)紅外探測器熱電偶、熱電堆熱釋電探測器高萊盒、液晶

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2023/2/3光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng)：光子能量足夠大，物體受光照后向外發(fā)射電子。能產(chǎn)生光電發(fā)射效應(yīng)的物體稱為光電發(fā)射體，多為金屬和金屬氧化物，也可為半導(dǎo)體材料。愛因斯坦方程：光電發(fā)射條件：截止頻率 截止波長

電子逸出功：是描述材料表面對電子束縛強(qiáng)弱的物理量。光電子最大動能

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2023/2/3光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)：光照引起半導(dǎo)體材料電導(dǎo)率變化的現(xiàn)象。本征型光電導(dǎo)：當(dāng)入射光子的能量等于或大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg時，激發(fā)一個電子－空穴對，在外電場的作用下，形成光電流。雜質(zhì)型光電導(dǎo)：對于Ｎ型半導(dǎo)體，當(dāng)入射光子的能量等于或大于雜質(zhì)電離能Ｅi時，將施主能級上的電子激發(fā)到導(dǎo)帶而成為導(dǎo)電電子，在外電場的作用下，形成光電流。本征型用于可見光長波段,雜質(zhì)型用于紅外波段。價帶導(dǎo)帶電子空穴Eg價帶導(dǎo)帶電子空穴Ｅi施主

2023/2/3光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)：半導(dǎo)體的“結(jié)”效應(yīng)，實現(xiàn)光伏效應(yīng)需要有內(nèi)部電勢壘，當(dāng)照射光激發(fā)出電子-空穴對時，電勢壘的內(nèi)建電場將把電子-空穴對分開，從而在勢壘兩側(cè)形成電荷堆積，產(chǎn)生光伏效應(yīng)。內(nèi)部電勢壘可以是PN結(jié)、PIN結(jié)、肖特基結(jié)、異質(zhì)結(jié)等。

2023/2/3光熱效應(yīng)光熱效應(yīng)：材料受光照射后，光子能量與晶格相互作用，振動加劇，溫度升高，材料的性質(zhì)發(fā)生變化。

—熱釋電效應(yīng)：介質(zhì)的極化強(qiáng)度隨溫度變化而變化，引起表面電荷變化的現(xiàn)象。 —溫差電效應(yīng)：由兩種材料制成的結(jié)點出現(xiàn)溫差而在兩結(jié)點間產(chǎn)生電動勢，又稱塞貝克效應(yīng)。 —輻射熱計效應(yīng)：入射光的照射使材料由于受熱而造成電阻率變化的現(xiàn)象。

2023/2/35.3 光電探測器的特性參數(shù)5.3.1 響應(yīng)特性5.3.2 噪聲特性5.3.3 量子效率5.3.4 線性度5.3.5 工作溫度

2023/2/35.3.1 響應(yīng)特性1.響應(yīng)度（靈敏度）：是光電探測器輸出電信號與輸入光功率之間關(guān)系的度量。描述的是光電探測器件的光電轉(zhuǎn)換效率。 —電壓響應(yīng)度：光電探測器件輸出電壓與入射光功率之比

—電流響應(yīng)度：光電探測器件輸出電流與入射光功率之比

2023/2/3響應(yīng)特性2.光譜響應(yīng)度：探測器在波長為λ的單色光照射下，輸出電壓或電流與入射的單色光功率之比。光譜響應(yīng)度隨波長的變化稱為探測器的光譜響應(yīng)。

RU是常數(shù)時，相應(yīng)探測器稱為無選擇性探測器(如光熱探測器)，光子探測器則是選擇性探測器。3.積分響應(yīng)度：探測器對各種波長光連續(xù)輻射量的響應(yīng)程度。

2023/2/3響應(yīng)特性4.響應(yīng)時間：描述光電探測器對入射光響應(yīng)快慢的參數(shù)。

—上升時間（τr）：入射光照射到光電探測器后，光電探測器輸出上升到穩(wěn)定值所需要的時間。 —下降時間（τf）：入射光遮斷后，光電探測器輸出下降到穩(wěn)定值所需要的時間。τrτf光信號探測信號tP一般，

τ=τr

=τf，稱為探測器的響應(yīng)時間。

2023/2/3響應(yīng)特性5.頻率響應(yīng)：描述光電探測器的響應(yīng)度在入射光波長不變時，隨入射光的調(diào)制頻率而變化的特性。

R0是零頻響應(yīng)度f是調(diào)制頻率τ是響應(yīng)時間

R(f)隨f的升高而下降，下降的速度與響應(yīng)時間的大小有關(guān)。一般規(guī)定R(f)下降到：光電探測器的頻率響應(yīng)曲線此時的頻率fc為探測器的響應(yīng)截止頻率：特性曲線i＝F（f）的關(guān)系稱為光電頻率特性，相應(yīng)的曲線稱為頻率特性曲線。i=F(P)及曲線稱為光電特性曲線。i＝F(λ)及其曲線稱為光譜特性曲線。i＝F(u)及其曲線稱為伏安特性曲線。

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2023/2/35.3.2 噪聲特性如果對這些隨時間而起伏的電壓(流)按時間取平均值，則平均值等于零。但這些值的均方根不等于零，這個均方根電壓(流)稱為探測器的噪聲電壓(流)。從響應(yīng)度的定義來看，好象只要有光輻射存在，不管它的功率如何小，都可探測出來。但事實并非如此。當(dāng)入射功率很低時，輸出只是些雜亂無章的變化信號，而無法肯定是否有輻射入射在探測器上。這并不是探測器不好引起的，而是它所固有的噪聲引起的。

2023/2/3光電探測器常見噪聲熱噪聲散粒噪聲產(chǎn)生-復(fù)合噪聲1/f噪聲1、熱噪聲熱噪聲：或稱約翰遜噪聲，即載流子無規(guī)則的熱運動造成的噪聲。①熱噪聲存在于任何電阻中。②熱噪聲與溫度成正比。③熱噪聲與頻率無關(guān)。熱噪聲是各種頻率分量組成，就像白光是各種波長的光組成一樣，所以熱噪聲也稱為白噪聲。2、散粒噪聲散粒噪聲：也稱散彈噪聲，穿越勢壘的載流子的隨機(jī)漲落（統(tǒng)計起伏）所造成的噪聲。在每個時間間隔內(nèi)，穿過勢壘區(qū)的載流子的數(shù)或從陰極到陽極的電子數(shù)都圍繞一平均值上下起伏。散粒噪聲也是白噪聲，與頻率無關(guān)。散粒噪聲是光電探測器的固有特性，對大多數(shù)光電探測器的研究表明：散粒噪聲具有支配地位。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，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，這種起伏導(dǎo)致載流子濃度的起伏，由這種起伏引起的噪聲產(chǎn)生—復(fù)合噪聲。它不是白噪聲。4、1/f噪聲1/f噪聲：或稱閃爍噪聲或低頻噪聲。由于光敏層的微粒不均勻或不必要的微量雜質(zhì)的存在，當(dāng)電流流過時在微粒間發(fā)生微火花放電而引起的微電爆脈沖稱為1/f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200~300Hz以上已衰減到可忽略不計。

2023/2/3噪聲特性參數(shù)信噪比（SNR）：負(fù)載電阻上信號功率與噪聲功率之比，是判定噪聲大小的參數(shù)。噪聲等效功率（NEP）：信號功率與噪聲功率比為1（SNR=1）時，入射到探測器件上的光功率(單位為瓦)。

NEP反映了探測器的最小可探測功率，NEP越小說明探測器的噪聲特性越好，探測能力越強(qiáng)。

2023/2/3噪聲特性參數(shù)探測度：噪聲等效功率的倒數(shù)。

經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)NEP與檢測元件的面積Ad和測量帶寬Δf乘積的平方根成正比，為了方便比較不同探測器之間的探測能力，定義歸一化探測度：

2023/2/35.3.3 量子效率量子效率：某一特定波長下，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的平均光電子數(shù)與入射光子數(shù)的比。量子效率是一個微觀參數(shù)，量子效率愈高愈好。對理想的探測器，入射一個光量子發(fā)射一個電子，=1；實際上，

<1。

量子效率如果說靈敏度（響應(yīng)度）R是從宏觀角度描述了光電探測器的光電、光譜以及頻率特性，那么量子效率η則是對同一個問題的微觀描述。這里給出量子效率和靈敏度關(guān)系：對某一波長來說，其光譜量子效率：c是材料中的光速。量子效率正比于靈敏度而反比于波長。

2023/2/35.3.4 線性度線性度是描述光電探測器輸出信號與輸入信號保持線性關(guān)系的程度。在某一范圍內(nèi)探測器的響應(yīng)度是常數(shù)，稱這個范圍為線性區(qū)。

2023/2/35.3.5 工作溫度工作溫度就是指光電探測器最佳工作狀態(tài)時的溫度。光電探測器在不同溫度下，性能有變化。 例如，半導(dǎo)體光電器件的長波限和峰值波長會隨溫度而變化；熱電器件的響應(yīng)度和熱噪聲會隨溫度而變化。光電檢測器件的性能參數(shù)參數(shù)物理描述表達(dá)式單位積分靈敏度光電轉(zhuǎn)換特性的量度安/瓦伏/瓦光譜靈敏度對某一波長光電轉(zhuǎn)換的量度安/瓦頻率靈敏度電流隨調(diào)制頻率變化的量度安/瓦量子效率吸收的光子數(shù)和激光的電子數(shù)之比通量閾探測器所能探測的最小光信息功率瓦噪聲等效功率單位信噪比時的信號光功率瓦歸一化探測度與噪聲等效功率成倒數(shù)、光敏面積和噪聲功率有關(guān)厘米.赫茲1/2/瓦

2023/2/35.4 典型光電探測器件5.4.1 光電探測器件的分類5.4.2 光電倍增管5.4.3 光敏電阻5.4.4 光電二極管5.4.5光電池5.4.6 熱電器件–熱敏電阻–熱釋電器件–熱電偶

2023/2/35.4.1 光電探測器件的分類光電探測器件的分類 —按結(jié)構(gòu)分類：單元、多元、陣列

—按探測方式分類：直接、外差 —按用途分類：成像、非成像 —按工作原理分類：光電發(fā)射器件、光電導(dǎo)器件、光伏器件、熱電器件光電探測器件的分類

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2023/2/35.4.2 光電倍增管（PMT）光電倍增管是建立在光電效應(yīng)、二次電子發(fā)射和電子光學(xué)理論基礎(chǔ)上的，把微弱入射光轉(zhuǎn)換成光電子，并獲倍增的器件。它是一類靈敏度極高、響應(yīng)速度極快的光電探測器件。廣泛應(yīng)用于光子計數(shù)、微光探測等儀器中。㈠、基本結(jié)構(gòu)與原理光入射窗口光電陰極電子光學(xué)輸入系統(tǒng)二次發(fā)射電子倍增器陽極

光窗分側(cè)窗式和端窗式兩種，它是入射光的通道。由于光窗對光的吸收與波長有關(guān)，波長越短吸收越多，所以倍增管光譜特性的短波閾值決定于光窗材料。1．光入射窗側(cè)窗式端窗式2．光電陰極

光電陰極由光電發(fā)射材料制作。光電發(fā)射材料大體可分為：金屬材料、半導(dǎo)體材料。⑴光吸收系數(shù)大，以便體內(nèi)有較多的電子受到激發(fā)；⑵光電子在體內(nèi)傳輸過程中受到的能量損失小，使其溢出深度大；⑶材料的逸出功要小，使到達(dá)真空界面的電子能夠比較容易地溢出；⑷另外，作為光電陰極，其材料還要有一定的電導(dǎo)率，以便能夠通過外電源來補(bǔ)充因光電發(fā)射所失去的電子。

良好的光電發(fā)射材料應(yīng)具備下述條件：★金屬吸收效率很低；★金屬中光電子溢出深度很淺，只有幾納米；★金屬溢出功大多為大于3eV，對λ>410nm的可見光來說，很難產(chǎn)生光電發(fā)射，量子效率低；金屬材料是否滿足良好的光電發(fā)射材料的條件？半導(dǎo)體材料是否滿足良好的光電發(fā)射材料的條件？★光吸收系數(shù)比金屬大；★體內(nèi)自由電子少，散射能量變小——故量子效率比金屬大；★光發(fā)射波長延伸至可見光、近紅外波段?！?0年代后期，發(fā)展了負(fù)電子親和勢（NEA）光電陰極，長波可至1.6μm。

(1)使光電陰極發(fā)射的光電子盡可能全部會聚到第一倍增極上，而將其他部分的雜散電子散射掉，提高信噪比；(2)使陰極面上各處發(fā)射的光電子在電子光學(xué)系統(tǒng)中有盡可能相等的渡越時間，以保證光電倍增管的快速響應(yīng)。光電陰極聚焦極3．電子光學(xué)系統(tǒng)

倍增系統(tǒng)是由許多倍增極組成的綜合體，每個倍增極都是由二次電子倍增材料構(gòu)成，具有使一次電子倍增的能力。因此倍增系統(tǒng)是決定整管靈敏度最關(guān)鍵的部分。4．二次發(fā)射倍增系統(tǒng)

陽極是采用金屬網(wǎng)作的柵網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，把它置于靠近最末一級倍增極附近，用來收集最末一級倍增極發(fā)射出來的電子。5．陽極光入射窗口光電陰極電子光學(xué)輸入系統(tǒng)二次發(fā)射電子倍增器陽極1、光子透過入射窗入射到光電陰極K上。2、光電陰極的電子受光子激發(fā)，離開表面發(fā)射到真空中。3、光電子通過電場加速和電子光學(xué)系統(tǒng)聚焦入射到第一倍增極D1上，倍增極發(fā)射出比入射電子數(shù)目更多的二次電子。入射電子經(jīng)N級倍增后，光電子就放大N次。4、經(jīng)過倍增后的二次電子由陽極a收集起來，形成陽極光電流，在負(fù)載RL上產(chǎn)生信號電壓。光電倍增管的工作原理

2023/2/3光電倍增管的結(jié)構(gòu)及工作原理1）光窗；2）光電陰極；3）電子光學(xué)系統(tǒng)；4）倍增系統(tǒng)；5）陽極㈡、基本特性參數(shù)1．光譜響應(yīng)度

PMT的光譜響應(yīng)曲線與光電陰極的相同，主要取決于光電陰極材料的性質(zhì)。2．放大倍數(shù)(電流增益)

在一定工作電壓下，光電倍增管的陽極電流與陰極電流之比稱為管子的放大倍數(shù)M或電流增益G。

其中N為倍增電極數(shù)目，δ為單個倍增電極的二級發(fā)射系數(shù)：3.暗電流

它限制了可測直流光通量的最小值，同時也是產(chǎn)生噪聲的重要因素，是鑒別管子質(zhì)量的重要參量。應(yīng)選取暗電流較小的管子。

4.伏安特性

光電倍增管的伏安特性曲線分為陰極伏安特性曲線與陽極伏安特性曲線。在電路設(shè)計時，一般使用陽極伏安特性曲線來進(jìn)行負(fù)載電阻、輸出電流、輸出電壓的計算。

5.頻率響應(yīng)

由于PMT是光電發(fā)射型器件，而光電發(fā)射的延遲時間≤3×10-13S，所以PMT有很高的頻率響應(yīng)。6.噪聲

主要來源是光電陰極、光電發(fā)射的隨機(jī)性和各倍增極二次電子發(fā)射的隨機(jī)性，同時也與背景光或信號光中的直流分量有關(guān)。

2023/2/3例5-1：某光電倍增管具有5級倍增系統(tǒng)，倍增系數(shù)（二次發(fā)射系數(shù)）δ=100。如果用λ=488nm，光功率p=10-8w的紫光照射倍增管的光電陰極，假設(shè)光電陰極的量子效率為10%，試計算收集陽極處短路電流強(qiáng)度。（h=6.63×1034J·s，e=1.602×10-19C，c=3.0×108m/s）解：光電倍增管實物圖

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2023/2/35.4.3 光敏電阻（LDR）光敏電阻是光電導(dǎo)型器件，其工作原理為光電導(dǎo)效應(yīng)，即半導(dǎo)體受光照后，內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，半導(dǎo)體中的載流子數(shù)顯著增加而電阻減少。光敏電阻材料：主要是金屬硫化物、硒化物和碲化物，例如：硫化鎘（CdS），銻化銦（InSb）等。

2023/2/3光敏電阻工作原理當(dāng)入射光子使半導(dǎo)體中的電子由價帶躍遷到導(dǎo)帶時，導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴均參與導(dǎo)電，其阻值急劇減小，電導(dǎo)增加。若連接電源和負(fù)載電阻，即可輸出電信號。入射光

2023/2/3光敏電阻的工作特性光電特性光譜特性伏安特性時間響應(yīng)和頻率特性溫度特性

2023/2/3光敏電阻的光電特性在弱光照下，光電流Ip與光照度E具有良好的線性關(guān)系。在強(qiáng)光照下，則為非線性關(guān)系。

2023/2/3光敏電阻的光譜特性不同波長的光，光敏電阻的靈敏度是不同的。在選用光電器件時必須充分考慮到這種特性。

2023/2/3光敏電阻的伏安特性光敏電阻是一個純電阻，因此符合歐姆定律，其伏安特性曲線為直線。不同光照度對應(yīng)不同直線。

2023/2/3光敏電阻的頻率特性光敏電阻時間常數(shù)比較大，一般為數(shù)毫秒到幾十毫秒，所以其上限截止頻率低。只有PbS(硫化鉛)光敏電阻（曲線4）的頻率特性稍好些，可工作到幾千赫茲。

2023/2/3光敏電阻的溫度特性光敏電阻是多數(shù)載流子導(dǎo)電，隨著溫度的升高，光敏電阻的暗電阻和靈敏度都要下降。溫度的變化也會影響光譜特性曲線。例如：硫化鉛光敏電阻，隨著溫度的升高光譜響應(yīng)的峰值將向短波方向移動。尤其是紅外探測器要采取制冷措施。幾種典型的光敏電阻1,CdS（硫化鎘）和CdSe（硒化鎘）光敏電阻兩種低造價可見光光敏電阻,主要特點是高可靠性和長壽命,廣泛應(yīng)用于自動化技術(shù)和攝影機(jī)中的光計量.光電增益比較高(103-104),但響應(yīng)時間比較長.2,PbS（硫化鉛）光敏電阻近紅外光敏電阻,其波長相應(yīng)范圍在1-3.4um,峰值響應(yīng)波長為2um,內(nèi)阻(暗電阻)大約1MΩ,響應(yīng)時間約為200us,室溫工作能提供較大的電壓輸出.廣泛應(yīng)用于各種遙感技術(shù)和各種紅外制導(dǎo)技術(shù).

2023/2/3幾種典型的光敏電阻3,InSb（銻化銦）光敏電阻良好的近紅外光敏電阻,峰值響應(yīng)波長為5um,與PbS光敏電阻的不同在于:內(nèi)阻低(50Ω),響應(yīng)時間短(50nm),適用于快速紅外信號探測.4,HgxCd1-xTe光敏電阻這類是化合物本征型光敏電阻,由HgTe（碲化汞）和CdTe（碲化鎘）良種材料混在一起得固溶體,相應(yīng)波長隨組分x的不同而線性變化,廣泛用于10.6um的CO2激光探測.

2023/2/3幾種典型的光敏電阻種類靈敏度(A/lm)響應(yīng)時間(us)光譜相應(yīng)范圍(um)CdS0.1(單晶)50.0(多晶)103

-1050.3-0.8(常溫)CdSe50500-1060.5-0.8(常溫)PbS約10-12W時,S=N1001-3(常溫)PbSe約10-11W時,S=N1001-5(常溫)PbTe約10-12W時,S=N104(常溫)InSb約10-11W時,S=N0.45-7(常溫)Ge:Hg--30-1000~14(27K)Ge:Au約10-13W時,S=N10~10(77K)HgCdTe--<18-14(77K)PbSbTe--15x10-311-20(77K)Ge約10-13W時,S=N10--注：S=N表示光敏電阻器外接負(fù)載中的信號等于內(nèi)部噪聲

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2023/2/3例5-2：照明燈自動控制電路K220V燈常閉CdS基本功能：根據(jù)自然光的情況決定是否開燈?；窘Y(jié)構(gòu)：整流濾波電路；光敏電阻及繼電器控制；觸電開關(guān)執(zhí)行電路?；驹恚汗獍禃r，光敏電阻阻值很高，繼電器關(guān)，燈亮；光亮?xí)r，光敏電阻阻值降低，繼電器工作，燈關(guān)。光敏電阻實物圖

2023/2/35.4.4 光敏二極管光敏（電）二極管是一種基于光伏效應(yīng)的半導(dǎo)體光探測器。特點：體積小、靈敏度高、響應(yīng)速度快。常見的光敏二極管：PN型、PIN型和雪崩型（APD）材料：硅、鍺、砷化銦、銻化鋼、砷化鎵、碲鎘汞等材料制作，但目前應(yīng)用最多的還是硅光電二極管。

2023/2/3光電二極管結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：PN結(jié)，金屬電極，SiO2保護(hù)層；

2023/2/3光敏二極管在電路中的符號光敏二極管的結(jié)構(gòu)圖PN結(jié)

2023/2/3內(nèi)建電場方向PN結(jié)伏安特性零偏狀態(tài)下，內(nèi)建電場阻礙載流子的漂移，無凈電流通過PN結(jié)。（光電池）正向偏置時，有較大的正向電流通過PN結(jié)。反向偏置時，沒有光照時，PN結(jié)中反向電流極其微弱，叫暗電流；有光照時，反向電流迅速增大，稱為光電流。光的強(qiáng)度越大，反向電流也越大。（光電二極管）

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2023/2/3光敏二極管工作原理當(dāng)光照射到光電二極管的光敏面上時，能量大于或等于帶隙能量Eg的光子將激勵價帶上的電子吸收光子的能量而躍遷到導(dǎo)帶上（受激吸收），產(chǎn)生電子-空穴對（稱為光生載流子）。電子-空穴對在反向偏置的外電場作用下立即分開并在結(jié)區(qū)中向兩端流動，從而在外電路中形成電流（光電流）。

2023/2/3光敏二極管的工作特性光電特性光譜特性伏安特性溫度特性時間響應(yīng)和頻率特性

2023/2/3光敏二極管的光電特性光敏二極管的線性特征較好，飽和閾值高，適用于光度量。

2023/2/3光敏二極管的光譜特性不同材料的光敏二極管，對不同波長光的靈敏度是不同的。光敏二極管的伏安特性在無輻射作用的情況下，PN結(jié)光敏二極管的正、反向特性與普通PN結(jié)二極管的特性一樣。其I-V方程為：

2023/2/3I0為稱為反向電流或暗電流。

光敏二極管的伏安特性在光輻射的情況下，PN結(jié)光敏二極管上發(fā)生光伏效應(yīng)，產(chǎn)生一個光電流Ip。其大小與入射光強(qiáng)成正比，方向與暗電流方向相同。此時的I-V方程為：

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在光電技術(shù)中常通過重新定義電流與電壓正方向，把特性曲線旋轉(zhuǎn)成下面右圖所示。重新定義的電流與電壓的正方向均以PN結(jié)內(nèi)建電場的方向相同的方向為正向。

光敏二極管的溫度特性

2023/2/3光電二極管的溫度特性主要是指反向飽和電流對溫度的依賴性，暗電流對溫度的變化非常敏感。光敏二極管的時間響應(yīng)

2023/2/3光敏二極管產(chǎn)生光電流的響應(yīng)時間包括三個部分：

1)耗盡區(qū)的光生載流子的渡越（漂移）時間τdr

；2)耗盡區(qū)外產(chǎn)生的光生載流子向耗盡層運動的擴(kuò)散時間τp；3)光敏二極管以及與其相關(guān)電路的RC時間常數(shù)τRC

。光敏二極管的時間響應(yīng)

2023/2/3總的響應(yīng)時間：

一般的PN結(jié)光電二極管，漂移時間τdr為ns數(shù)量級；當(dāng)負(fù)載電阻RL不大時，時間常數(shù)τRC也在ns量級；而擴(kuò)散時間τp很長，約為100ns，是限制PN結(jié)光敏二極管時間響應(yīng)和頻率響應(yīng)的主要因素。光敏二極管的時間響應(yīng)

2023/2/3提高時間響應(yīng)→減小擴(kuò)散時間τp擴(kuò)展PN結(jié)區(qū)→PIN光敏二極管增高反向偏置電壓→雪崩光敏二極管（APD）PIN光電二極管PIN光電二極管是在摻雜濃度很高的P型、N型半導(dǎo)體之間，加一層輕摻雜的N型材料，稱為I（Intrinsic，本征的）層。由于是輕摻雜，電子濃度很低，經(jīng)擴(kuò)散后形成一個很寬的耗盡層，如圖（a）所示。這樣可以提高其響應(yīng)速度和轉(zhuǎn)換效率。結(jié)構(gòu)示意圖如圖（b）所示。

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2023/2/3雪崩光敏二極管（APD）利用PN結(jié)在高反向電壓下（100-200V，接近反向擊穿電壓），光生載流子在耗盡層內(nèi)的碰撞電離效應(yīng)產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)，實現(xiàn)光電流倍增（電流增益達(dá)106）。具有靈敏度高，響應(yīng)速度快的特點。光敏二極管實物圖

2023/2/3PIN光敏二極管普通光敏二極管雪崩光敏二極管

2023/2/35.4.5 光電池詳見第二章太陽電池各種光電探測器件的性能比較

波長響應(yīng)范圍（nm）輸出電流光電特性直線性動態(tài)特性受光面積穩(wěn)定性外形尺寸價格短波峰值長波頻率響應(yīng)上升時間光電管紫外紅外小好好0.1μs大良大高光電倍增管紫外紅外小最好最好0.1μs大良大最高光敏電阻CdS400640900大差差0.2～1ms大一般中低光敏電阻CdSe3007501220大差差0.2～10ms大一般中低光電池Si4008001200最大好良0.5～100μs最大最好中中光電池Se350550700中好差1ms最大一般中中光電二極管4007501000最小好最好2μs以下小最好最小低光電三極管同上小較好良2～100μs小良小低⑴在動態(tài)特性（即頻率響應(yīng)與時間響應(yīng)）方面，以光電倍增管和光電二極管（尤其是PIN管與APD管）為最好；⑵在光電特性（即線性特性）方面，以光電倍增管、光電二極管和光電池為最好；⑶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。各種光電器件的性能比較⑷靈敏度高不一定就是輸出電流大，而輸出電流大的器件有大面積光電池、光敏電阻、雪崩光電二極管和光電三極管；⑸外加偏置電壓最低的是光電二極管、光電三極管，光電池不需外加偏置；⑹在暗電流方面，光電倍增管和光電二極管最小，光電池不加偏置時無暗電流，加反向偏置后暗電流也比光電倍增管和光電二極管大；⑺長期工作的穩(wěn)定性方面，以光電二極管、光電池為最好，其次是光電倍增管與光電三極管；⑻在光譜響應(yīng)方面，以光電倍增管和CdSe光敏電阻為最寬，但光電倍增管響應(yīng)偏紫外方向，而光敏電阻響應(yīng)偏紅外方向。

2023/2/35.3.6 熱電器件熱敏電阻熱釋電器件熱電偶

2023/2/3熱敏電阻熱敏電阻：由Mn、Ni、Co、Cu氧化物，或Ge、Si、InSb等半導(dǎo)體材料做成的電阻器，其阻值隨溫度而變化。

稱為熱敏電阻的溫度系數(shù)：

稱為正溫度系數(shù)（PTC）

；

稱為負(fù)溫度系數(shù)（NTC）

。

熱敏電阻優(yōu)點和缺點

2023/2/3優(yōu)點：(a)電阻溫度系數(shù)大；(b)電阻率大，故可制成極小尺寸的感溫元件，適用于快速測量；(c)構(gòu)造簡單，可以根據(jù)不同要求制成各種適用的形狀；(d)機(jī)械性能好，使用壽命長。缺點：復(fù)現(xiàn)性和互換性差。與顯示儀表配套成測溫儀表時幾乎全要單獨標(biāo)定刻度。目前使用的熱敏電阻其測溫上限還不太高，約在300℃以下。

2023/2/3熱敏電阻實物圖

2023/2/3熱釋電探測器熱釋電效應(yīng)：在晶體中有一種晶體為熱電晶體。這種晶體具有自發(fā)極化的特性。所謂自發(fā)極化就是在自然條件下晶體的某些分子正負(fù)電荷中心不重合，形成一個固有的偶極矩。在溫度變化時。晶體中離子間的距離和鏈角發(fā)生變比，從而使偶極矩發(fā)生變化，也就是自發(fā)極化強(qiáng)度和面束縛電荷發(fā)生變化，在垂直于極軸的兩個端面之間出現(xiàn)極小的電壓變化，即產(chǎn)生了熱釋電效應(yīng)。簡而言之，如果將晶體看作電容的話，溫度的變化引起電容器電容的變化。a自然狀態(tài)b溫度變化c等效表示

2023/2/3熱釋電探測器熱釋電探測器：利用熱釋電效應(yīng)制成的新型熱探測器。廣泛應(yīng)用于熱輻射和從可見光到紅外波段激光的探測，而且在亞毫米波段更受重視，這是因為其他性能較好的亞毫米波段的探測器都要在液氦溫度下才能工作。常用熱釋電材料：硫酸三月甘肽（TGS）、鈮酸鍶鋇（SBN）、鉭酸鋰（LT）、鈦酸鉛陶瓷（PT）、鈦酸鋯酸鉛陶瓷（PZT）等。熱釋電探測器的應(yīng)用熱釋電探測器不僅保持了熱探測器的共同優(yōu)點，即室溫寬波段工作、而且在很寬的頻率和溫度范圍內(nèi)具有較高的探測率、能承受較大的輻射功率并具有較小的時間常數(shù)等特點，因此得到了廣泛應(yīng)用。例如，利用熱釋電探測器探測目標(biāo)本身的熱輻射強(qiáng)度，就可得到室溫物體本身的熱輻射圖像，這就是通常所說的熱成像。這種熱成像系統(tǒng)不易被干擾，可對目標(biāo)與背景的溫度差進(jìn)行探測，因此，容易發(fā)現(xiàn)隱蔽物體，并能在有煙和霧的條件下工作。

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2023/2/3熱釋電探測器實物圖

2023/2/3熱電偶熱電偶：利用溫差電效應(yīng)制成的熱探測器件。兩種不同材料組成的熱電偶溫差電效應(yīng)：電子由溫度高的T端向溫度低的T0端擴(kuò)散，使得T端失去一些電子而帶正電荷，T0得到一些電子而帶負(fù)電荷，兩端便有一定的電位差熱電偶的應(yīng)用熱電偶具有構(gòu)造簡單、適用溫度范圍廣、使用方便、承受熱、機(jī)械沖擊能力強(qiáng)以及響應(yīng)速度快等特點，常用于高溫區(qū)域、振動沖擊大等惡劣環(huán)境以及適合于微小結(jié)構(gòu)測溫場合；但其信號輸出靈敏度比較低，容易受到環(huán)境干擾信號和前置放大器溫度漂移的影響，因此不適合測量微小的溫度變化。

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2023/2/3熱電偶實物圖5.4光電探測技術(shù)的應(yīng)用在日常生活的應(yīng)用數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)：自動對焦---紅外測距傳感器自動感應(yīng)燈：亮度檢測---光敏電阻空調(diào)、冰箱、電飯煲：溫度檢測---熱敏電阻、熱電偶遙控接收：紅外檢測---光敏二極管、光敏三極管可視對講、可視電話：圖像獲取---面陣CCD

2023/2/3光電探測技術(shù)的應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用汽車傳感器：普通轎車：約安裝幾十到近百只傳感器，豪華轎車：傳感器數(shù)量可多達(dá)二百余只在線檢測：零件尺寸、產(chǎn)品缺陷、裝配定位…在國防領(lǐng)域的應(yīng)用夜視瞄準(zhǔn)機(jī)系統(tǒng)：非冷卻紅外傳感器技術(shù)激光測距儀：可精確的定位目標(biāo)

2023/2/3光電探測技術(shù)的應(yīng)用在航天領(lǐng)域的應(yīng)用在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用數(shù)字體溫計：接觸式---熱敏電阻，非接觸式---紅外傳感器電子血壓計：血壓檢測---壓力傳感器