光電探測(cè)器件

光電探測(cè)器件第1頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三真空光電管光電倍增管

一、結(jié)構(gòu)和原理二、光電倍增管的主要參量與特性

三、光電倍增管的使用光電導(dǎo)器件

光敏電阻的主要特性

光敏電阻的使用光伏器件

光電池

光電二極管

PIN管

雪崩光電二極管

光電晶體管

陣列式或象限式結(jié)型光電器件

光電位置探測(cè)器

光電開關(guān)與光電耦合器

各種結(jié)型光電器件的類似特性及使用要點(diǎn)第2頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三真空光電管

真空光電管由玻殼、光電陰極和陽極三部分組成。為了防止氧化，將管內(nèi)抽成真空。光電陰極即半導(dǎo)體光電發(fā)射材料，涂于玻殼內(nèi)壁，受光照時(shí)，可向外發(fā)射光電子。陽極是金屬環(huán)或金屬網(wǎng)，置于光電陰極的對(duì)面，加正的高電壓，用來收集從陰極發(fā)射出來的電子。真空光電管構(gòu)造示意圖優(yōu)點(diǎn)：光電陰極面積大，靈敏度較高，一般積分靈敏度可達(dá)20～200μA/lm；暗電流小，最低可達(dá)10-14A；光電發(fā)射弛豫過程極短。缺點(diǎn)：真空光電管一般體積都比較大、工作電壓高達(dá)百伏到數(shù)百伏、玻殼容易破碎等。第3頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三光電倍增管一、結(jié)構(gòu)和原理

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)和陽極五個(gè)主要部分組成，其外形如圖側(cè)窗式端窗式第4頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三1．光窗

光窗分側(cè)窗式和端窗式兩種，它是入射光的通道。一般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。由于光窗對(duì)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。第5頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三2．光電陰極

光電陰極多是由化合物半導(dǎo)體材料制作，它接收入射光，向外發(fā)射光電子。所以倍增管光譜特性的長波閾值決定于光電陰極材料，同時(shí)對(duì)整管靈敏度也起著決定性作用。第6頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三3．電子光學(xué)系統(tǒng)

電子光學(xué)系統(tǒng)是適當(dāng)設(shè)計(jì)的電極結(jié)構(gòu)，使前一級(jí)發(fā)射出來的電子盡可能沒有散失地落到下一個(gè)倍增極上，也就是使下一級(jí)的收集率接近于1；并使前一級(jí)各部分發(fā)射出來的電子，落到后一級(jí)上所經(jīng)歷的時(shí)間盡可能相同，即渡越時(shí)間零散最小。第7頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三4．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，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。為了表征不同材料的二次電子發(fā)射能力，通常將二次發(fā)射電子數(shù)N2與入射的一次電子數(shù)N1的比值定義為該材料的二次發(fā)射系數(shù)：第8頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三顯然，陽極電流可表示為：i0——光陰極發(fā)出的光電流n——光電倍增級(jí)的級(jí)數(shù)倍增極材料大致可分以下四類：

1）含堿復(fù)雜面主要是銀氧銫和銻銫兩種，它們既是靈敏的光電發(fā)射體，也是良好的二次電子發(fā)射體。

2）氧化物型，主要是氧化鎂。

3）合金型，主要是銀鎂、鋁鎂、銅鎂、鎳鎂、銅鈹?shù)群辖稹?/p>

4）負(fù)電子親合勢(shì)發(fā)射體。這幾類材料在低電壓下有大的二次電子發(fā)射系數(shù)，以便整管工作電壓不致于過高；熱發(fā)射小，以便整管的暗電流和噪聲??；二次電子發(fā)射穩(wěn)定，以便溫度較高或一次電流較大時(shí)，長時(shí)間工作σ不下降；而且容易制備。第9頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三

根據(jù)電子軌跡的形式可將倍增系統(tǒng)分為兩大類，即聚焦型和非聚焦型。聚焦型是指電子從前一級(jí)倍增極飛向后一級(jí)倍增極時(shí)，在兩電極間的電子運(yùn)動(dòng)軌跡，可能有交叉。非聚焦則是指在兩電極間的電子運(yùn)動(dòng)軌跡是平行的。

倍增極結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)聚焦型直瓦片式極間電子渡越時(shí)間零散小，但絕緣支架可能積累電荷而影響電子光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圓瓦片式結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，但靈敏度的均勻性差些。非聚焦型百葉窗式工作面積大，與大面積光電陰極配合可制成探測(cè)弱光的倍增管，但極間電壓高時(shí)，有的電子可能越級(jí)穿過，收集率較低，渡越時(shí)間零散較大。盒柵式收集率較高（可達(dá)95%），結(jié)構(gòu)緊湊，但極間電子渡越時(shí)間零散較大。第10頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三各種倍增極的結(jié)構(gòu)形式a)百葉窗式

b)盒柵式

c)直瓦片式

d)圓瓦片式第11頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三5．陽極

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(jí)倍增極附近，用來收集最末一級(jí)倍增極發(fā)射出來的電子。第12頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三二、光電倍增管的主要參量與特性

光電倍增管的主要參量與特性是區(qū)分管子質(zhì)量好壞的基本依據(jù)。分為基本參數(shù)（靜態(tài)參數(shù)）、應(yīng)用參數(shù)（動(dòng)態(tài)參數(shù)）、運(yùn)行特性（例行特性）。

基本參數(shù)與管子工作原理、結(jié)構(gòu)特征、材料性質(zhì)、制造工藝有關(guān)。它包括靈敏度、量子效率、增益、暗電流、光譜響應(yīng)等。

應(yīng)用參數(shù)與管子應(yīng)用方法和探測(cè)對(duì)象有關(guān)，反映某種應(yīng)用的特殊要求。它包括閃爍計(jì)數(shù)中的脈沖幅度分辨率、噪聲能當(dāng)量、計(jì)數(shù)坪特性；光子計(jì)數(shù)中的暗噪聲計(jì)數(shù)、單電子分辨率、峰谷比；快速光脈沖測(cè)量中的上升時(shí)間、半高寬、渡越時(shí)間、時(shí)間分辨率等。

運(yùn)行特性與管子運(yùn)行條件、運(yùn)行環(huán)境有關(guān)。它表征管子承受的外部條件和使用極限，包括穩(wěn)定性、溫度特性、最大線性電流、抗電磁干擾特性、抗沖擊振動(dòng)特性等。第13頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三1.靈敏度

倍增管靈敏度有陰極靈敏度與陽極靈敏度之分。每一種靈敏度對(duì)于入射光，又都有光譜靈敏度（對(duì)于單色光）與積分靈敏度（對(duì)于多色光或全色光）之分。

測(cè)試陰極靈敏度時(shí)，以陰極為一極，其它倍增極和陽極都連到一起為另一極，相對(duì)于陰極加100～300V直流電壓，照射到光電陰極上的光通量約為10-2～10-5lm。

測(cè)試陽極靈敏度時(shí)，各倍增極和陽極都加上適當(dāng)電壓，因?yàn)殛枠O靈敏度是整管參量，與整管所加電壓有關(guān)，所以必須注明整管所加電壓。

積分靈敏度與測(cè)試光源的色溫有關(guān)，一般用色溫為2856K的白熾鎢絲燈（A光源）。(色溫：輻射源發(fā)射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光的顏色相同，則黑體的這一溫度稱為該輻射源的色溫。)色溫不同時(shí)即使測(cè)試光源的波長范圍相同，各單色光在光譜分布中的組分不同時(shí)，所得的積分靈敏度也不同。第14頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三靈敏度公式說明陰極靈敏度陰極光譜靈敏度SK(λ)=IKλ/ΦλS：靈敏度λ：波長I：光電流Φ：光通量下標(biāo)K：陰極下標(biāo)A：陽極陰極積分靈敏度SK=IK/Φ陽極靈敏度陽極光譜靈敏度SA(λ)=IAλ/Φλ陽極積分靈敏度SA=IA/Φ第15頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三2.電流增益M

陽極電流與陰極電流之比，或陽極靈敏度與陰極靈敏度之比，即M=IA/IK=SA/SK

若倍增管有n個(gè)倍增極，并且每個(gè)倍增極的倍增系數(shù)均相等，則M＝σn因?yàn)棣沂请妷旱暮瘮?shù)，所以M也是電壓的函數(shù)。第16頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三3.光電特性

陽極光電流與入射于光電陰極的光通量之間的函數(shù)關(guān)系，稱為倍增管的光電特性。對(duì)于模擬量測(cè)量，必須選取能保證光電流與光照在大范圍內(nèi)保持線性關(guān)系的那些型號(hào)的光電倍增管（工程上一般取特性偏離于直線3%作為線性區(qū)的界限）。光電特性圖

當(dāng)光通量很大時(shí)，特性曲線開始明顯偏離直線。因此，在工作時(shí)陰極不能有強(qiáng)光照射，否則易損壞管子。因它的靈敏度高，光電倍增管允許測(cè)量非常小的光通量，或所需放大器的級(jí)數(shù)可以較少。第17頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三4.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（陰極電流與陰極電壓之間的關(guān)系）與陽極伏安特性曲線（陽極電流與陽極和最末一級(jí)倍增極之間電壓的關(guān)系）。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，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(jì)算。

陽極伏安特性曲線第18頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三5.暗電流

在各電極都加上正常工作電壓并且陰極無光照情況下陽極的輸出電流。它限制了可測(cè)直流光通量的最小值，同時(shí)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。光電倍增管中產(chǎn)生暗電流的因素較多，其中較為重要的是光電陰極和光電倍增極的熱電子發(fā)射。溫度T越高，熱電子發(fā)射越多，則暗電流越大，如圖所示。如果需要較小的暗電流，可通過冷卻光電倍增管來減小暗電流。暗電流的另一組成部分是光電倍增管的漏電流。第19頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三6.噪聲與噪聲等效功率

光電倍增管噪聲主要是指由倍增管本身引起的輸出偏離于平均值的起伏，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(shí)也與背景光或信號(hào)光中的直流分量有關(guān)。

噪聲等效功率（NEP）表述倍增管陽極信號(hào)與噪聲有效值之比等于1時(shí)，入射于倍增管光電陰極的光功率（通量）的有效值。即IA/InA=1時(shí)，NEP=InA/SA它是倍增管可能探測(cè)到的信號(hào)光功率（通量）的最小值。第20頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三7、光譜響應(yīng)

光電倍增管的光譜響應(yīng)，在較長的波長取決于所用光電發(fā)射材料的性能，而較短的波長則主要取決于窗材料的透射特性。圖中示出了銻鉀銫（Sb-K-Cs）光電陰極的光譜特性，最靈敏的光譜波長約在4000埃處。第21頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三三、光電倍增管的使用微變等效電路

從倍增管陽極伏安特性曲線來看，最大光通量所對(duì)應(yīng)的曲線拐點(diǎn)以右，基本上是平直均勻分布的，一般使用倍增管也都是利用這一區(qū)域的特性，因此在交流微變電路中可以把倍增管看成是電流源，并考慮陽極電路的電容效應(yīng)。iA-陽極電流

C0-等效電容

R1-直流負(fù)載R2-下一級(jí)放大器的輸入電阻光電倍增管的交流微變等效電路第22頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三1.供電電路

倍增管各電極要求直流供電，從陰極開始至各級(jí)的電壓要依次升高，一般多采用電阻鏈分壓辦法來供電。一般情況下，各級(jí)電壓均相等，約80～100V，總電壓約1000～1300V光電倍增管供電電路圖第23頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三1)電源電壓穩(wěn)定性的要求

電源電壓穩(wěn)定性要求較高。如果電源電壓不穩(wěn)，會(huì)引起許多參量的變化，特別是電流增益變化，從而直接影響輸出特性。目前已有光電倍增管專用的電源穩(wěn)壓塊。

2)電阻鏈分壓電阻的確定

若電阻鏈為均勻分壓，則每個(gè)分壓電阻的阻值應(yīng)相等。因倍增管中的電流與電阻鏈中的電流是并聯(lián)關(guān)系，要保證陽極電流最大時(shí)流過電阻鏈的電流基本不變，這就要求流過電阻鏈的電流IR至少要比陽極最大的平均電流IAm大10倍以上。

一般說，IR越大（即R=UD/IR越?。?duì)穩(wěn)定極間電壓UD越有利。但I(xiàn)R也不能太大，因?yàn)镮R太大會(huì)增大電阻的功耗，加重電源負(fù)擔(dān)。當(dāng)UD給定后，分壓電阻R的最大值應(yīng)取決于陽極的最大平均電流，R最小值應(yīng)取決于高壓電源輸出的功率。第24頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三以上討論的是均勻分壓情形，實(shí)際各倍增極間電壓也可以不相等，這樣，有可能使某單項(xiàng)指標(biāo)得到提高。例如，要提高管子的時(shí)間特性，可適當(dāng)增大靠近于陰極的幾級(jí)倍增極間的電壓。因?yàn)殡妷焊?，可以提高收集率，減小極間電子渡越時(shí)間零散。如果第一級(jí)倍增極對(duì)陰極的收集率提高一點(diǎn)，整管的時(shí)間特性就會(huì)有較大改善，這點(diǎn)對(duì)于測(cè)量脈沖光是很重要的。但是，在選定的工作狀態(tài)下，陽極靈敏度往往要降低，這是因?yàn)橐拐芄ぷ鞣€(wěn)定，總電壓不宜過高，在總電壓基本保持不變的情況下，前幾級(jí)電壓高了，后幾級(jí)電壓就得相應(yīng)降低，因此將導(dǎo)致陽極靈敏度下降。同理，要使陽極輸出的線性范圍寬一些，可適當(dāng)增大陽極與最末一級(jí)倍增極的電壓，但這時(shí)陽極靈敏度也要下降。3)并聯(lián)電容的確定

倍增管的輸出電流主要是來自于最后幾級(jí)，探測(cè)脈沖光時(shí)，為了不使陽極脈動(dòng)電流引起極間電壓發(fā)生大的變化，常在最后幾級(jí)的分壓電阻上并聯(lián)電容器。第25頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三4)接地方式

倍增管供電電路與其后續(xù)信號(hào)處理電路必須要有一個(gè)共用的參考電位，即接地點(diǎn)。倍增管的接地方式有兩種，即陰極接地或陽極接地。

陰極接地的特點(diǎn)是，便于屏蔽，光、磁、電的屏蔽罩可以跟陰極靠得近些，屏蔽效果好；暗電流小，噪聲低。但這時(shí)陽極要處于正高壓，會(huì)導(dǎo)致寄生電容大，匹配電纜連接復(fù)雜，特別是后面若接直流放大器，整個(gè)放大器都處于高電壓，不利于安全操作；如果后面接交流放大器，則必須接一個(gè)耐壓很高的隔直電容器，而一般耐壓很高的電容器體積大而且價(jià)格高。

陽極接地的特點(diǎn)是，便于跟后面的放大器相接，操作安全，后面不僅可以通過一個(gè)低壓耦合電容與交流放大器相接，也可以直接與直流放大器相接。但這時(shí)陰極要處于負(fù)高壓，屏蔽罩不能踉陰極靠得很近，至少要間隔1～2cm，因此屏蔽效果差一些，暗電流和噪聲都比陽極接地時(shí)大，而且整個(gè)倍增管裝置的體積也要大些。第26頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三2.使用注意事項(xiàng)

1)使用前應(yīng)了解器件的特性。真空光電器件的共同特點(diǎn)是靈敏度高、惰性小、供電電壓高、采用玻璃外殼、抗震性差。

2)使用時(shí)不宜用強(qiáng)光照。光照過強(qiáng)時(shí)，光電線性會(huì)變差而且容易使光電陰極疲勞（輕度疲勞經(jīng)一段時(shí)間可恢復(fù)，重度疲勞不能恢復(fù)），縮短壽命。

3)工作電流不宜過大。工作電流大時(shí)會(huì)燒毀陰極面，或使倍增級(jí)二次電子發(fā)射系數(shù)下降，增益降低，光電線性變差，縮短壽命。

4)用來測(cè)量交變光時(shí)，負(fù)載電阻不宜很大，因?yàn)樨?fù)載電阻和管子的等效電容一起構(gòu)成電路的時(shí)間常數(shù)，若負(fù)載電阻較大，時(shí)間常數(shù)就變大，頻帶將變窄。第27頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三P102,第10題：(b)、(c);第12題。第28頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三光電導(dǎo)器件半導(dǎo)體光電導(dǎo)器件是利用半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)制成的器件，所謂光電導(dǎo)效應(yīng)是指受到光輻射后材料的電導(dǎo)率發(fā)生變化。典型的光電導(dǎo)器件為光敏電阻。

只有能量（hν）大于材料禁帶寬度（Eg）的光子，才能使材料產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)。每一種半導(dǎo)體或絕緣體都有一定的光電導(dǎo)效應(yīng)，但只有其中一部分材料經(jīng)過特殊處理，摻進(jìn)適當(dāng)雜質(zhì)，才有明顯的光電導(dǎo)效應(yīng)?，F(xiàn)在使用的光電導(dǎo)材料有Ⅱ-Ⅵ族、Ⅲ-Ⅴ族化合物，硅、鍺等，以及一些有機(jī)物。第29頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三光電導(dǎo)器件材料禁帶寬度/eV光譜響應(yīng)范圍/nm峰值波長/nm硫化鎘（CdS）2.45400～800515～550硒化鎘（CdSe）1.74680～750720～730硫化鉛（PbS）0.40500～30002000碲化鉛（PbTe）0.31600～45002200硒化鉛（PbSe）0.25700～58004000硅（Si）1.12450～1100850鍺（Ge）0.66550～18001540銻化銦（InSb）0.16600～70005500砷化銦（InAs）0.331000～40003500常用光電導(dǎo)材料第30頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三光敏電阻的結(jié)構(gòu)是在一塊光電導(dǎo)體兩端加上電極，貼在硬質(zhì)玻璃、云母、高頻瓷或其它絕緣材料基板上，兩端接有電極引線，封裝在帶有窗口的金屬或塑料外殼內(nèi)。光敏面作成蛇形，電極作成梳狀是因?yàn)檫@樣即可以保證有較大的受光表面，也可以減小電極之間距離，從而既可減小極間電子渡越時(shí)間，也有利于提高靈敏度。光敏電阻第31頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三光敏電阻的主要特性1.光電導(dǎo)靈敏度Sg

按靈敏度定義（響應(yīng)量與輸入量之比），可得Sg=Gp/EGp：光電導(dǎo)，單位為西門子S（Ω-1）。E：照度，單位為勒克斯（lx）。Sg單位為西門子/勒克斯（S/lx）或Sm2/W。2.光電特性

光電流與照度的關(guān)系稱為光電特性。光敏電阻光電特性如下：Ip=SgEγUαIp：光電流；E：照度；α：電壓指數(shù)；Sg：光電導(dǎo)靈敏度U：光敏電阻兩端所加的電壓；γ：光照指數(shù)第32頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三γ與材料和入射光強(qiáng)弱有關(guān)，對(duì)于硫化鎘光電導(dǎo)體，在弱光照下γ＝1，在強(qiáng)光照下γ＝1/2，一般γ＝0.5～1。α與光電導(dǎo)體和電極材料之間的接觸有關(guān)，歐姆接觸時(shí)α＝1，非歐姆接觸時(shí)α=1.1～1.2。硫化鎘光敏電阻的光電特性曲線由圖可見，硫化鎘光敏電阻在弱光照下，Ip與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，其它光敏電阻也有類似的性質(zhì)。如果電壓指數(shù)α＝1，在弱光照下有Ip=SgEU第33頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三3．光譜特性

光譜特性多用相對(duì)靈敏度與波長的關(guān)系曲線表示。從這種曲線中可以直接看出靈敏范圍、峰值波長位置和各波長下靈敏度的相對(duì)關(guān)系。在可見光區(qū)靈敏的幾種光敏電阻的光譜特性曲線1-硫化鎘單晶

2-硫化鎘多晶

3-硒化鎘多晶

4-硫化鎘與硒化鎘混合多晶第34頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三在紅外區(qū)靈敏的幾種光敏電阻的光譜特性曲線由圖可見，硫化鎘單晶、硫化鎘與硒化鎘混合多晶，硫化鎘多晶、硒化鎘多晶等幾種光敏電阻的光譜特性曲線覆蓋了整個(gè)可見光區(qū)，峰值波長在515～600nm之間。這與人眼的光譜光視效率V(λ)曲線的范圍和峰值波長（555nm）是很接近的，因此可用于與人眼有關(guān)的儀器，例如照相機(jī)、照度計(jì)、光度計(jì)等。不過它們的形狀與V(λ)曲線還不完全一致。如直接使用，與人的視覺還有一定的差距，所以必須加濾光片進(jìn)行修正，使其特性曲線與V(λ)曲線完全符合，這樣即可得到與人眼視覺相同的效果。第35頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三4．溫度特性

光敏電阻的溫度特性很復(fù)雜，在一定的照度下，亮電阻的溫度系數(shù)α有正有負(fù)，α=(R2-R1)/R1(T2-T1)R1、R2分別為與溫度T1、T2相對(duì)應(yīng)的亮電阻。

溫度對(duì)光譜響應(yīng)也有影響。一般說，光譜特性主要決定于材料，材料的禁帶寬度越窄則對(duì)長波越敏感，但禁帶很窄時(shí)，半導(dǎo)體中熱激發(fā)也會(huì)使自由載流子濃度增加，使復(fù)合運(yùn)動(dòng)加快，靈敏度降低。因此，采取冷卻靈敏面的辦法來提高靈敏度往往是很有效的。第36頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三硫化鎘光敏電阻的溫度特性曲線a)硫化鎘單晶

b)硫化鎘多晶硫化鉛光敏電阻在冷卻情況下相對(duì)光譜靈敏度的變化第37頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三5．頻率特性。

光敏電阻是依靠非平衡載流子效應(yīng)工作的，非平衡載流子的產(chǎn)生與復(fù)合都有一個(gè)時(shí)間過程，這個(gè)時(shí)間過程在一定程度上影響了光敏電阻對(duì)變化光照的響應(yīng)。光敏電阻采用交變光照時(shí)，其輸出將隨入射光頻率的增加而減小。幾種光敏電阻的頻率特性曲線1-硒

2-硫化鎘

3-硫化鉈

4-硫化鉛第38頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三6．伏安特性

在一定的光照下，加到光敏電阻兩端的電壓與流過光敏電阻的亮電流之間的關(guān)系稱為光敏電阻的伏安特性，常用曲線表示。光敏電阻的伏安特性曲線圖中的虛線為額定功耗線。使用光敏電阻時(shí)，應(yīng)不使電阻的實(shí)際功耗超過額定值。從圖上來說，就是不能使靜態(tài)工作點(diǎn)居于虛線以內(nèi)的區(qū)域。按這一要求在設(shè)計(jì)負(fù)載電阻時(shí)，應(yīng)不使負(fù)載線與額定功耗線相交。第39頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三7．前歷效應(yīng)

前歷效應(yīng)是指光敏電阻的時(shí)間特性與工作前“歷史”有關(guān)的一種現(xiàn)象。前歷效應(yīng)有暗態(tài)前歷與亮態(tài)前歷之分。

暗態(tài)前歷效應(yīng)是指光敏電阻測(cè)試或工作前處于暗態(tài)，當(dāng)它突然受到光照后表現(xiàn)為暗態(tài)前歷越長，光電流上升越慢，其效應(yīng)曲線如下圖所示。一般，工作電壓越低，光照度越低，則暗態(tài)前歷效應(yīng)就越重。硫化鎘光敏電阻的暗態(tài)前歷效應(yīng)曲線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)后第40頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三亮態(tài)前歷效應(yīng)是指光敏電阻測(cè)試或工作前已處于亮態(tài)，當(dāng)照度與工作時(shí)所要達(dá)到的照度不同時(shí)，所出現(xiàn)的一種滯后現(xiàn)象，其效應(yīng)曲線如下圖所示。一般，亮電阻由高照度狀態(tài)變?yōu)榈驼斩葼顟B(tài)達(dá)到穩(wěn)定值時(shí)所需的時(shí)間要比由低照度狀態(tài)變?yōu)楦哒斩葼顟B(tài)時(shí)短。

硫化鎘光敏電阻亮態(tài)前歷效應(yīng)曲線

第41頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三微變等效電路光敏電阻的微變等效電路設(shè)入射于光敏電阻的輻射為正弦形式，有

Φ＝Φ0＋ΦmejωtΦ：輻射通量ω：調(diào)制輻射的圓頻率第42頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三則流過光敏電阻的光電流I為

I＝I0+ejωt·Im/(1+jωτ)I0：光電流I的直流分量，I0＝SgΦ0U。U：加到光敏電阻兩端的電壓Im/(1+jωτ)：微變光電流的幅值，Im=SgΦmU。τ：時(shí)間常數(shù)如果令i=Im/(1+jωτ)則可以看出，流過光敏電阻R的微變光電流i，相當(dāng)于電流源Im在RC并聯(lián)電路中被電容C分流后流過電阻R的電流。圖中的C是按光敏電阻的屬性而引入的等效電容，C＝τ/R，R為與直流輻射分量相對(duì)應(yīng)的光電阻。第43頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三光敏電阻的使用

光敏電阻的重要特點(diǎn)是，光譜響應(yīng)范圍寬，測(cè)光范圍寬，靈敏度高，無極性之分。但由于材料不同，在性能上差別較大。使用中應(yīng)注意：

1）當(dāng)用于模擬量測(cè)量時(shí)，因光照指數(shù)γ與光照強(qiáng)弱有關(guān)，只有在弱光照下光電流與入射輻射通量成線性關(guān)系。

2）用于光度量測(cè)試儀器時(shí)，必須對(duì)光譜特性曲線進(jìn)行修正，保證其與人眼的光譜光視效率曲線符合。

3）光敏電阻的光譜特性與溫度有關(guān)，溫度低時(shí)，靈敏范圍和峰值波長都向長波方向移動(dòng)，可采取冷卻靈敏面的辦法來提高光敏電阻在長波區(qū)的靈敏度。

第44頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三4）光敏電阻的溫度特性很復(fù)雜，電阻溫度系數(shù)有正有負(fù)，一般說，光敏電阻不適于在高溫下使用，溫度高時(shí)輸出將明顯減小，甚至無輸出。

5）光敏電阻頻帶寬度都比較窄，在室溫下只有少數(shù)品種能超過1000Hz，而且光電增益與帶寬之積為一常量，如要求帶寬較寬，必須以犧牲靈敏度為代價(jià)。

6）設(shè)計(jì)負(fù)載電阻時(shí)，應(yīng)考慮到光敏電阻的額定功耗，負(fù)載電阻值不能很小。

7）進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)意識(shí)到光敏電阻的前歷效應(yīng)。第45頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三光伏器件

利用半導(dǎo)體PN結(jié)光伏效應(yīng)制成的器件稱為光伏器件，也稱結(jié)型光電器件。這類器件品種很多，其中包括各種光電池、光電二極管、光電晶體管、光電場效應(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。光電池

光電池的基本結(jié)構(gòu)就是一個(gè)PN結(jié)。按材料分，有硅、硒、硫化鎘、砷化鎵和無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。第46頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三硅光電池結(jié)構(gòu)及符號(hào)示意圖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。第47頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三

光電池在光照下能夠產(chǎn)生光生電勢(shì)，光電流實(shí)際流動(dòng)方向?yàn)椋瑥腜端流出，經(jīng)過外電路，流入N端，光生電勢(shì)與照度是對(duì)數(shù)關(guān)系。當(dāng)光電池短路時(shí)，短路電流Isc與照度E成線性關(guān)系，S＝Isc/E稱為靈敏度。第48頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三在一定的照度下，曲線在橫軸的截距，代表該照度下的開路電壓Uoc。曲線在縱軸的截距，代表該照度下的短路電流Isc。硅光電池的Uoc一般為0.45～0.6V，最大不超過0.756v，因?yàn)樗荒艽笥赑N結(jié)熱平衡時(shí)的接觸電勢(shì)差。硅單晶光電池短路電流為35～40mA/cm2。線形測(cè)量中，光電池通常以電流源的形式使用。隨著負(fù)載電阻RL和光照度的增加，輸出電流I的非線性增大，故要求負(fù)載電阻在條件許可的情況下越小越好，并限制在光照范圍內(nèi)使用。第49頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三幾種國產(chǎn)硅光電池的特性

第50頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三光電二極管

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)。它和光電池相比，重要的不同點(diǎn)是結(jié)面積小，因此它的頻率特性特別好。光生電勢(shì)與光電池相同，但輸出電流普遍比光電池小，一般為數(shù)微安到數(shù)十微安。按材料分，光電二極管有硅、砷化稼、銻化錮、鈰化鉛光電二極管等許多種。按結(jié)構(gòu)分，也有同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)之分。其中最典型的還是同質(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系列光電二極管只有兩個(gè)引出線，而2DU系列光電二極管有三條引出線，除了前極、后極外，還設(shè)了一個(gè)環(huán)極。第51頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三硅光電二極管結(jié)構(gòu)示意圖

第52頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三2DU管加環(huán)極的目的是為了減少暗電流和噪聲。光電二極管的受光面一般都涂有SiO2防反射膜，而SiO2中又常含有少量的鈉、鉀、氫等正離子。SiO2是電介質(zhì)，這些正離子在SiO2中是不能移動(dòng)的，但是它們的靜電感應(yīng)卻可以使P-Si表面產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電子層。這個(gè)電子層與N-Si的導(dǎo)電類型相同，可以便P-Si表面與N－Si連通起來。當(dāng)管子加反偏壓時(shí)，從前極流出的暗電子流，除了有PN結(jié)的反向漏電子流外，還有通過表面感應(yīng)電子層產(chǎn)生的漏電子流，從而使從前極流出的暗電子流增大。為了減小暗電流，設(shè)置一個(gè)N+-Si的環(huán)把受光面（N-Si）包圍起來，并從N+-Si環(huán)上引出一條引線（環(huán)極），使它接到比前極電位更高的電位上，為表面漏電子流提供一條不經(jīng)過負(fù)載即可達(dá)到電源的通路。這樣，即可達(dá)到減小流過負(fù)載的暗電流、減小噪聲的目的。如果使用時(shí)環(huán)極懸空，除了暗電流、噪聲大些外，其它性能均不受影響。第53頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三2CU管子，因?yàn)槭且訬-Si為襯底，雖然受光面的SiO2防反射膜中也含有少量的正離子，而它的靜電感應(yīng)不會(huì)使N-Si表面產(chǎn)生一個(gè)和P-Si導(dǎo)電類型相同的導(dǎo)電層，從而也就不可能出現(xiàn)表面漏電流，所以不需要加環(huán)極。第54頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三光電二極管的用法：光電二極管的用法只能有兩種。一種是不加外電壓，直接與負(fù)載相接。另一種是加反向電壓，如圖所示。實(shí)際上，不是不能加正向電壓，只是正接以后就與普通二極管一樣，只有單向?qū)щ娦裕憩F(xiàn)不出它的光電效應(yīng)。光電二極管的用法a)不加外電源

b)加反向外電源

c)2DU環(huán)極接法第55頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三由于多數(shù)場合光電二極管都是加反向電壓，所以其伏安特性曲線常畫成如下圖所示的形式。光電二極管的伏安特性曲線上圖的畫法與硅光電池的伏安特性曲線圖比較，有兩點(diǎn)不同。一是把硅光電池的伏安特性曲線圖中Ⅰ、Ⅱ象限里的圖線對(duì)于縱軸反轉(zhuǎn)了一下，變?yōu)樯蠄D(a)。這里是以橫軸的正向代表負(fù)電壓，這樣處理對(duì)于以后的電路設(shè)計(jì)很方便。二是因?yàn)殚_路電壓UOC一般都比外加的反向電壓小很多，二者比較可略而不計(jì)，所以實(shí)用曲線常畫為上圖(b)的形式。第56頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三微變等效電路與頻率特性：

在一定的照度下，光電二極管的伏安特性曲線幾乎是平直的，可把它看成是恒流源。光電二極管的等效電路其中圖a為實(shí)際電路；圖b為考慮到光電二極管結(jié)構(gòu)、功能后畫出的微變等效電路，其中Ip為光電流，V為理想二極管，Cj為結(jié)電容，Rsh為漏電阻，Rs為體電阻，RL為負(fù)載電阻；第57頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三圖c是從圖b簡化來的，因?yàn)檎＿\(yùn)用時(shí)，光電二極管要加反向電壓，Rsh很大，Rs很小，所以圖b中的D、Rsh、Rs都可以不計(jì)，因而有圖c的形式；圖d又是從圖c簡化來的，因?yàn)镃j很小，除了高頻情況要考慮它的分流作用外，在低頻情況下，它的阻抗很大，可不計(jì)。因此具體應(yīng)用時(shí)多用圖d和圖c兩種形式。流過負(fù)載的交變電流復(fù)振幅為IL＝Ip·1/(1+jωτ)ω：入射光的調(diào)制圓頻率，ω＝2πf，f為入射光的調(diào)制頻率；τ=CjRLIL的模量為可見，IL是頻率的函數(shù)，隨著入射光調(diào)制頻率的增加而減小。當(dāng)ω=1/τ時(shí)，IL＝︳Ip︱/1.414，這時(shí)f=1/2πτ稱為上限截止頻率，或稱為帶寬。第58頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三PIN管

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)電場就基本上全集中于I層中，從而使PN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小。由式τ=CjRL與f=1/2πτ知，Cj小，τ則小，頻帶將變寬。因此，這種管子最大的特點(diǎn)是頻帶寬，可達(dá)10GHz。另一個(gè)特點(diǎn)是，因?yàn)镮層很厚，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。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，從而結(jié)電容要進(jìn)一步減小，使頻帶寬度變寬。所不足的是，I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硅片上并封裝于一個(gè)管殼內(nèi)的商品出售。第59頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三PIN管結(jié)構(gòu)示意圖第60頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三雪崩光電二極管

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)來工作的一種二極管。雪崩光電二極管工作原理示意圖

第61頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三這種管子工作電壓很高，約100～200V，接近于反向擊穿電壓。結(jié)區(qū)內(nèi)電場極強(qiáng)，光生電子在這種強(qiáng)電場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)電壓等于反向擊穿電壓時(shí)，電流增益可達(dá)106，即產(chǎn)生所謂的自持雪崩。這種管子響應(yīng)速度特別快，帶寬可達(dá)100GHz，足目前響應(yīng)速度最快的一種光電二極管。噪聲大是這種管子目前的一個(gè)主要缺點(diǎn)。由于雪崩反應(yīng)是隨機(jī)的，所以它的噪聲較大，特別是工作電壓接近或等于反向擊穿電壓時(shí)，噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以至無法使用。

第62頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三光電晶體管

光電晶體管和普通晶體管類似，也有電流放大作用。只是它的集電極電流不只是受基極電路的電流控制，也可以受光的控制。所以光電晶體管的外形，有光窗、集電極引出線、發(fā)射極引出線和基極引出線（有的沒有）。制作材料一般為半導(dǎo)體硅，管型為NPN型，國產(chǎn)器件稱為3DU系列。光電晶體管原理性結(jié)構(gòu)圖第63頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三正常運(yùn)用時(shí)，集電極加正電壓。因此，集電結(jié)為反偏置，發(fā)射結(jié)為正偏置，集電結(jié)為光電結(jié)。當(dāng)光照到集電結(jié)上時(shí)，集電結(jié)即產(chǎn)生光電流Ip向基區(qū)注入，同時(shí)在集電極電路即產(chǎn)生了一個(gè)被放大的電流Ic〔＝Ie＝（1＋β）Ip〕，β為電流放大倍數(shù)。因此，光電晶體管的電流放大作用與普通晶體管在上偏流電路中接一個(gè)光電二極管的作用是完全相同的。光電晶體管的靈敏度比光電二極管高，輸出電流也比光電二極管大，多為毫安級(jí)。但它的光電特性不如光電二極管好，在較強(qiáng)的光照下，光電流與照度不成線性關(guān)系。所以光電晶體管多用來作光電開關(guān)元件或光電邏輯元件。光電晶體管的伏安特性曲線第64頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三陣列式或象限式結(jié)型光電器件

利用集成電路技術(shù)使2個(gè)至幾百個(gè)光電二極管或光電池排成一行，集成在一塊集成電路片子上，即成為陣列式的一維光電器件，也可以使光電二極管或光電池制成象限式的二維光電器件。第65頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三這兩種器件中，襯底是共用的，而各光敏元都是獨(dú)立的，分別有各自的前極引出線。這種器件的特點(diǎn)是，光敏元密集度大，總尺寸小，容易作到各單元多數(shù)一致，便于信號(hào)處理。就目前的應(yīng)用看，兩個(gè)并列的光電二極管或光電池，可用來辨別光點(diǎn)移動(dòng)的方向。2～4個(gè)并列的光敏元，可用來收集光點(diǎn)移動(dòng)的相位信息。幾十個(gè)至幾百個(gè)或更多并列的光敏元，可用來攝取光學(xué)圖象或用作空間頻譜分析。象限式光電器件可用來確定光點(diǎn)在二維平面上的位置坐標(biāo)。多用于準(zhǔn)直、定位、跟蹤或頻譜分析等方面。第66頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三光電位置探測(cè)器（PSD，PositionSensitiveDetectors）

PSD是利用離子注入技術(shù)制成的一種可確定光的能量中心位置的結(jié)型光電器件，有一維的和二維的兩種。當(dāng)入射光是一個(gè)小光斑，照射到光敏面時(shí)，其輸出則與光的能量中心位置有關(guān)。這種器件和象限光電器件比較，其特點(diǎn)是，它對(duì)光斑的形狀無嚴(yán)格要求，光敏面上無象限分隔線，對(duì)光斑位置可連續(xù)測(cè)量。第67頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三1）一維PSD

如圖所示，PSD的受光面為P-Si，同時(shí)也是個(gè)均勻電阻層。設(shè)1、2兩電極間距離為2L。如果入射光點(diǎn)位于A點(diǎn)，則電極1、2輸出的光電流與A點(diǎn)至電極1、2的距離成反比，有I1=I0·(L-x)/2LI2=I0·(L+x)/2Lx=L·(I2-I1)/(I2+I1)式中，I0=I1+I2。

利用上式即可確定光斑能量中心對(duì)于器件中心的位置。第68頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三2）二維PSD二維PSD有兩種形式，一種是單面型的如圖a所示，在受光面上設(shè)有兩對(duì)電極，A、B為x軸電極，C、D為y軸電極，E為背面襯底共用電極，用它可對(duì)正面各電極進(jìn)行反偏置。設(shè)IA～I(xiàn)D為電極A～D的光電流，則光點(diǎn)能量中心的位置坐標(biāo)為x=(IA-IB)/(IA+IB)y=(IC-ID)/(IC+ID)第69頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三另一種是雙面型的，如圖b所示，正面與背面之間是一個(gè)PN結(jié)，正面和背面都是均勻電阻層。x軸電極A、B安在正面的受光面上，y軸電極C、D垂直于x軸安在背面。光點(diǎn)產(chǎn)生的光電流分為正面與背面兩部分。對(duì)于這種結(jié)構(gòu)，反偏壓是加在正面電極與背面電極之間（信號(hào)電極與偏置電極不獨(dú)立）。設(shè)IA～I(xiàn)D分別為電極A～D的光電流，代入上式即可求得光點(diǎn)能量中心位置。需要指出，上面的式子都是近似式，在器件中心附近是正確的，而距離器件中心較遠(yuǎn)接近邊緣部分時(shí)誤差較大。對(duì)于二維PSD，雙面型的比單面型的位置誤差小。這是因?yàn)閤、y軸分開設(shè)置減少了彼此干擾的緣故。第70頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三光電開關(guān)與光電耦合器

光電開關(guān)和光電耦合器都是由發(fā)光端和受光端組成的組合件。光電開關(guān)不封閉，發(fā)光端與受光端之間可以插入調(diào)制板。光電耦合器則是把發(fā)光元件與受光元件都封閉在一個(gè)不透光的管殼內(nèi)。發(fā)光端與受光端彼此獨(dú)立，完全沒有電的聯(lián)系，兩端之間的電阻一般都在1011Ω以上。光電開關(guān)多用于光電計(jì)數(shù)、報(bào)警、安全保護(hù)、無接觸開關(guān)，及各種光電控制等方面。光電耦合器多用于電位隔離、電平匹配、抗干擾電路、邏輯電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、長線傳輸、過流保護(hù)，及高壓控制等方面。

光電開關(guān)與光電耦合器結(jié)構(gòu)示意圖a)光電開關(guān)

b)光電耦合器第71頁，共80頁，2023年，2月20日，星期三各種結(jié)型光電器件的類似特性

結(jié)型光電器件在原理上都相同，所以在性質(zhì)上也都類似。1．光電特性

器件的光電特性一般是指光電流與照度之間的函數(shù)關(guān)系，不過有時(shí)也表示為其它輸出量與照度的函數(shù)關(guān)系。器件的光電特性主要決定于材料，同