光電信息轉(zhuǎn)換器件

光電信息轉(zhuǎn)換器件第一頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五

3．光伏效應(yīng)。在入射光能量作用下能使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)。以PN結(jié)為例，由于光線照射PN結(jié)而產(chǎn)生的電子和空穴，在內(nèi)電場(chǎng)作用下分別移向N和P區(qū)，從而對(duì)外形成光生電動(dòng)勢(shì)。相應(yīng)器件：光電池、光敏二極管（PD、PIN、APD）、光敏三極管等。

4．光電熱效應(yīng)。光照引起材料溫度發(fā)生變化而產(chǎn)生電流的現(xiàn)象。相應(yīng)器件：熱電探測(cè)器。第二頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五探測(cè)器件熱光電探測(cè)元件光電探測(cè)元件氣體光電探測(cè)元件外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)非放大型放大型光電導(dǎo)探測(cè)器光磁電效應(yīng)探測(cè)器光生伏特探測(cè)器本征型摻雜型非放大放大型真空光電管充氣光電管光電倍增管變像管攝像管像增強(qiáng)器光敏電阻紅外探測(cè)器光電池光電二極管光電三極管光電場(chǎng)效應(yīng)管雪崩型光電二極管第三頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五光電器件的分類一、按工作波段分二、按應(yīng)用分將光信息（光能）轉(zhuǎn)換成電信息（電能）換能器：探測(cè)器非成像型：光信息轉(zhuǎn)換成電信息成像型變像管像增強(qiáng)器攝像管固體成像器件CCD、CMOS真空攝像管紫外光探測(cè)器、可見光探測(cè)器、紅外光探測(cè)器第四頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五光電信息轉(zhuǎn)換器件的主要特性和參數(shù)如下：1．光電特性——

IФ[光電流]＝F（Ф）[光通量]2．光譜特性——IФ[光電流]＝F（λ）[入射光波長]3．伏安特性——

IФ[光電流]＝F（Ｕ）[電壓]4．頻率特性——

IФ[光電流]＝F（f）[入射光調(diào)制頻率]——導(dǎo)致電子瓶頸的主要原因5．暗電流——

Ф＝0時(shí)光電信息轉(zhuǎn)換器件輸出的電流，有時(shí)稱為IФ=06．靈敏度——對(duì)于復(fù)色光:S(積分靈敏度)=ΔI/ΔФ

對(duì)于單色光:S（λ）(光譜靈敏度)＝ΔI（λ）/ΔФ（λ）光通量變化量所致的光電流變化量的大小§3.1光電信息轉(zhuǎn)換器件第五頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五光電倍增管由光窗、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、電子倍增系統(tǒng)和陽極等五個(gè)主要部分組成，其外形如圖3.1.1-1所示。側(cè)窗式端窗式一、結(jié)構(gòu)與原理§3.1.1光電倍增管第六頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五K光電陰極電子光學(xué)系統(tǒng)倍增極陽極原理圖圖3.1.1-2多級(jí)倍增管的工作原理第七頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五1．光窗光窗是入射光的通道，是對(duì)光吸收較多的部分。常用的光窗材料有鈉鈣玻璃和熔凝石英等。2．光電陰極它的作用是接收入射光，向外發(fā)射光電子。制作光電陰極的材料多是化合物半導(dǎo)體。3．電子光學(xué)系統(tǒng)任務(wù)：（1）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，使下一級(jí)的收集率接近于1；（2）使前一級(jí)各部分發(fā)射出來的電子，落到后一級(jí)上時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間盡可能相同。第八頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五4．倍增系統(tǒng)每個(gè)倍增極由二次電子倍增材料構(gòu)成。光電倍增管是利用二次電子發(fā)射（高速電子打到金屬表面，由于電子的動(dòng)能被金屬吸收，改變了金屬原子內(nèi)電子能量的狀態(tài)，使有些電子從金屬表面逸出）現(xiàn)象制成的。如果每個(gè)電子落到某一倍增極上從該倍增極打出σ個(gè)二次電子，那么很明顯地：式中，I——陽極電流；

i0——光陰極發(fā)出的光電流；

n———光電倍增極的級(jí)數(shù)。第九頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五光電倍增管的電流放大系數(shù)β可用下式表示：5.陽極用來收集末級(jí)倍增極發(fā)射出來的電子?，F(xiàn)在普遍采用金屬網(wǎng)來作陽極，靠近末級(jí)倍增極附近。倍增系統(tǒng)有聚焦型和非聚焦型兩類（根據(jù)兩極間的電子運(yùn)動(dòng)軌跡是否平行分類）。第十頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五盒第十一頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五第十二頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五倍增極結(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)間差異較大。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)間差異較大。第十三頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五

二、光電倍增管的特性1．光電特性

2．光譜特性

3．伏安特性

4．放大特性

5．頻率特性（可達(dá)1MHZ以上）

6．疲乏特性

7．暗電流Iφ=0第十四頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五1．光電特性

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KR5R4R3R2R1

+-

特點(diǎn)：線性增加，然后偏離直線。

第十五頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五2．光譜特性特點(diǎn)：帶內(nèi)響應(yīng)，帶外截止，并有峰值存在(圖所示的光電陰極：銻鉀銫Sb-K-Cs）。

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KR5R4R3R2R1

+-第十六頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五表示陽極電流Ia對(duì)于最后一級(jí)倍增極和陽極間的電壓U的關(guān)系。作此曲線時(shí)，其余各電極的電壓保持恒定。特點(diǎn)：（1）光通量不變，曲線由上升至飽和。

（2）電壓不變，陽極電流隨光通量增加3．伏安特性第十七頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五放大特性是指電流放大系數(shù)β或靈敏度隨電源電壓U增大的關(guān)系。4．放大特性5.頻率特性（可達(dá)1MHZ以上）特點(diǎn)：隨著電源電壓升高，放大系數(shù)或靈敏度增大。第十八頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五

疲勞指在工作過程中靈敏度降低。6．疲勞特性特點(diǎn)：隨陽極電流的增大，靈敏度下降隨使用時(shí)間的增長，靈敏度下降

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KR5R4R3R2R1

+-

1-20分鐘；2-40分鐘陽極電流對(duì)靈敏度的影響示意圖第十九頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五暗電流Iφ=0的來源：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。7．暗電流第二十頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五三、光電倍增管的供電電路

1．電阻鏈分壓型供電電路

光電倍增管具有極高的靈敏度和快速響應(yīng)等特點(diǎn)，使它在光譜探測(cè)和極微弱快速光信息的探測(cè)等方面成為首選的光電探測(cè)器。圖3.1.1-6所示為典型光電倍增管的電阻分壓式供電電路。電路由11個(gè)電阻構(gòu)成電阻鏈分壓器，分別向10級(jí)倍增極提供電壓UDD。第二十一頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五

當(dāng)入射輻射信號(hào)為高速的迅變信號(hào)或脈沖時(shí)，末3級(jí)倍增極電流變化會(huì)引起較大UDD的變化，引起光電倍增管增益的起伏，將破壞信息的變換。在末3極并聯(lián)3個(gè)電容C1、C2與C3，通過電容的充放電過程使末3級(jí)電壓穩(wěn)定。2．末極的并聯(lián)電容第二十二頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五分壓器電流一般應(yīng)大于陽極電流的20倍。但過分增大分壓器電流，假如分壓器又靠近管子，則管子受到分壓器的加熱而增大暗電流和噪聲。分壓器電阻的功率應(yīng)為計(jì)算功率的2倍，這樣可預(yù)防由于電阻發(fā)熱而引起阻值改變。輸出大脈沖電流（如100毫安以上），用一般分壓器會(huì)出現(xiàn)飽和，這時(shí)可使后面幾級(jí)間的分壓電阻為前面的幾倍至十幾倍，飽和電流會(huì)大大提高。

極間電容計(jì)算。設(shè)輸出脈沖為矩形波，如要求極間電壓變化小于1％，則旁路電容值的大小可按下式計(jì)算五、分析與計(jì)算（課本100頁）第二十三頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五式中

Ia——陽極電流脈沖幅度（安）；

Δt——脈沖寬度（秒）；

U

——陽極與最后一級(jí)（末級(jí)）倍增極之間的電壓（伏）；

C

——儲(chǔ)能電容（法拉）。陽極與最后一級(jí)倍增級(jí)之間的電容值：前幾級(jí)的電容值根據(jù)倍增級(jí)電流與陽極電流的比值相應(yīng)減小。第二十四頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五第二十五頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五五、光電倍增管的典型應(yīng)用1．光譜探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用光電倍增管不但具有極高的光電靈敏度、極快的響應(yīng)速度、極低的暗電流和噪聲，還能夠在很大范圍內(nèi)調(diào)整內(nèi)增益。因此，它在微光探測(cè)、快速光子計(jì)數(shù)和微光時(shí)域分析等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。（1）發(fā)射光譜發(fā)射光譜分析儀的基本原理如圖3.1.1-7所示。6、光電倍增管第二十六頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五（2）吸收光譜

吸收光譜儀是光譜分析中的另一種重要的儀器。吸收光譜儀的原理圖如圖3.1.1-8所示，它與發(fā)射光譜儀的主要差別是光源。發(fā)射光譜儀的光源為被測(cè)光源，而吸收光譜儀的光源為已知光譜分布的光源。吸收光譜儀與發(fā)射光譜儀相比，它比發(fā)射光譜儀多一個(gè)承載被測(cè)物的樣品池。7、光電倍增管第二十七頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五檢測(cè)氣體檢測(cè)牛奶檢測(cè)火山灰檢測(cè)水質(zhì)檢測(cè)尾氣第二十八頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五2．時(shí)間分辨熒光免疫分析中的應(yīng)用

熒光標(biāo)記是一種非放射性標(biāo)記，已成為現(xiàn)代分析檢測(cè)中的重要手段。

1983年，由Pettersson和Eskola等提出了用時(shí)間分辨熒光免疫分析（Time-ResolvedFluoroImmunoAssay,TRFIA）法測(cè)定人絨毛膜促性腺激素和胰磷脂酶在臨床醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用，在20多年中，獲得迅速發(fā)展。成為最有發(fā)展前途的一種全新的非同位素免疫分析技術(shù)。（1）時(shí)間分辨熒光免疫分析法TRFIA的原理

時(shí)間分辨熒光免疫分析法是用鑭系元素為標(biāo)記物，標(biāo)記抗原或抗體，用時(shí)間分辨技術(shù)測(cè)量熒光，同時(shí)利用波長和時(shí)間兩種分辨，極其有效地排除了非特異熒光的干擾，大大地提高了分析靈敏度。第二十九頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五圖3.1.1-10所示為載荷配位體β-NTA的螯合物熒光時(shí)間特性。圖中，激發(fā)光剛剛結(jié)束的時(shí)刻為初始時(shí)刻t=0，在最初的很短時(shí)間內(nèi)，短壽命熒光很快結(jié)束，長壽命熒光在400ns時(shí)間內(nèi)也會(huì)消失或降低到很低的程度，而有用的熒光出現(xiàn)在400ns~800ns時(shí)間段內(nèi)（圖中斜線所標(biāo)注的時(shí)間段）。在800ns~1000ns時(shí)間內(nèi)有用的熒光將衰減到零。1000ns后開始新的循環(huán)。第三十頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五前沿：光電探測(cè)器——微通道板（MicrochannelPlate，MCP）

MCP是近些年發(fā)展起來的新一代光電成象器件，可將微弱電子圖像或信號(hào)均勻放大到104倍以上。它是由數(shù)百萬個(gè)內(nèi)壁鍍有半導(dǎo)體層的內(nèi)徑約為10μm的微管規(guī)則排列熔壓而形成的二維陣列，厚度約為1mm，兩端拋光并附有一塊光陰極板，當(dāng)光陰極受到一幅圖象光的照射時(shí)，各點(diǎn)上根據(jù)圖象的明暗發(fā)射強(qiáng)弱不同的光子流，通入到相應(yīng)毛細(xì)管微通道中而獲得電子的倍增，在MCP的另一面上敷有一層熒光層，在受到微通道管中出射的電子轟擊時(shí)發(fā)光，最后得到一個(gè)增強(qiáng)的光學(xué)圖象。第三十一頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五目前微通道板的應(yīng)用已從微光夜視儀拓展到高速示波器、高速攝影、高速開關(guān)、高速光電倍增管、各種帶能粒子探測(cè)器等領(lǐng)域，特別是在空間技術(shù)、高能核物理、激光武器等方面獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。

MCP使用中的注意點(diǎn)：

1．保持端面的清潔，不能用手觸摸。2．避免碰撞，擠壓造成機(jī)械破損。3．避免真空不高的情況下加高壓，以免引起通道內(nèi)孔放電。4．防止兩端面間高壓擊穿造成絕緣破壞。5．防止MCP一次性直接暴露在強(qiáng)粒子束中。

第三十二頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五一、結(jié)構(gòu)與原理§3.1.2光敏電阻利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成。當(dāng)入射光子使電子由價(jià)帶躍升到導(dǎo)帶時(shí)，導(dǎo)帶中的電阻和價(jià)帶中的空穴二者均參與導(dǎo)電，因此電阻顯著減小，稱為光敏電阻。光敏電阻結(jié)構(gòu)：在一塊勻質(zhì)的光電導(dǎo)體兩端加上電極。光敏電阻有以下優(yōu)點(diǎn)：1．光譜響應(yīng)相當(dāng)寬。2．所測(cè)的光強(qiáng)范圍寬，既可對(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，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，廉價(jià)。4．靈敏度高（但遠(yuǎn)低于光電倍增管），工作電流大，可達(dá)數(shù)毫安。光敏電阻的不足：強(qiáng)光照射下線性較差，頻率特性也較差。光電導(dǎo)體光照電極第三十三頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五二、特性2．光譜特性（工作波段）1．光照特性（工作效率）有以下關(guān)系式：式中：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)。光譜特性與所用的材料和工藝（隨薄層的減薄光譜峰值移向短波方向）過程有關(guān)。第三十四頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五3．伏安特性（工作品質(zhì)）

因伏安特性成線性，光敏電阻除用積分靈敏度外，用比靈敏度也很方便。Sb（比靈敏度）＝ΔI/（UΦ）（比靈敏度乘以電壓為積分靈敏度）式中△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；

Φ——照射于光敏電阻上的光通量。

在一定光照下，光電流與所加電壓的關(guān)系為伏安特性。圖為照度為0和某值時(shí)的伏安特性。第三十五頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五4．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)，由于光強(qiáng)的變化，俘獲和釋放載流子都需要時(shí)間。5．疲乏特性初制時(shí)不穩(wěn)定，經(jīng)人為光照老化后，性能可達(dá)到穩(wěn)定。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。6．溫度特性光敏電阻與其它半導(dǎo)體器件一樣，性質(zhì)受溫度的影響較大。隨著溫度的升高靈敏度要下降。7．暗電阻和暗電流暗阻與亮阻相差越大，靈敏度越高，隨著溫度的升高，暗電阻下降第三十六頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五第三十七頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五三、電路在入射光通量變化范圍一定的情況下，為了使輸出電壓Vo變化范圍最大，一般取

RL

=RG

當(dāng)入射光通量Φ連續(xù)變化時(shí)，RG為光敏電阻變化的中間值，即當(dāng)入射光通量Φ跳躍變化時(shí)，當(dāng)入射光通量變化時(shí)，會(huì)引起I和U的同時(shí)變化，使系統(tǒng)線性變壞，噪聲增加。為了降低噪聲，提高信息轉(zhuǎn)換精度，一般采用偏置電路。第三十八頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五

典型偏置電路入射光通量的變化僅引起輸出電壓的變化入射光通量的變化僅引起Ic的變化第三十九頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五四．應(yīng)用舉例

圖為路燈自動(dòng)電熄裝置，分兩部分組成，電阻R、電容C和二極管D組成半波整流濾波電路；CdS光敏電阻和繼電器組成光控繼電器。路燈接在繼電器常閉觸點(diǎn)上，由光控繼電器來控制路燈的點(diǎn)燃和熄滅。J220V~第四十頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五應(yīng)用：光束阻斷報(bào)警器電路圖光敏電阻R4被照射時(shí)，阻值較小，因此三極管VT1及單向晶閘管SCR均截止；當(dāng)光束被阻斷時(shí)，VT1的基極電壓上升，VT1、SCR導(dǎo)通，蜂鳴器BZ得電發(fā)聲報(bào)警。S1為復(fù)位開關(guān)。按下S1后，電路停止報(bào)警。

可用作火災(zāi)報(bào)警器、翻墻報(bào)警器（需要怎樣改進(jìn)？）等。第四十一頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五一、原理與結(jié)構(gòu)

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。光電池的光電效率非常低，最高也只能是百分之十幾。利用光生伏特效應(yīng)§3.1.3光電池?cái)U(kuò)散光照問題：根據(jù)光電池的工作原理，入射到光電池上那一部分的光才是有用的？試想提高效率的可能辦法？第四十二頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五np二氧化硅電極第四十三頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五第四十四頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五光電池的輸出也受外接負(fù)載電阻大小的影響，如圖3.1.3－3所示。當(dāng)RL＝0時(shí)，U＝0，則

I＝Iφ＝Sφ即輸出電流與入射光通量φ成線性關(guān)系。圖3.1.3－3負(fù)載大小對(duì)光電池輸出的影響RL(a)RL(b)UIrDID等效成第四十五頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五當(dāng)RL≠0時(shí)，U≠0，隨著U的增大，PN結(jié)的等效電阻rD開始變小，則ID開始增大；

Iφ＝I＋I(xiàn)D

當(dāng)U繼續(xù)增大到PN結(jié)的導(dǎo)通電壓時(shí)（RL非常大時(shí)），U就不會(huì)再增大，此時(shí)，PN結(jié)的rD變得很小，光照所產(chǎn)生的光電流Iφ幾乎全部流向二極管，即：

Iφ≈ID

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)生的光電流幾乎都消耗在光電池內(nèi)部。對(duì)外輸出電流減小，結(jié)果負(fù)載電阻不能太大。RL(b)UIrDID第四十六頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五二、特性1．光照特性指光生電動(dòng)勢(shì)和光電流與照度的關(guān)系。光電池的電動(dòng)勢(shì)與照度成非線性關(guān)系，而短路電流與照度成線性關(guān)系。所以，當(dāng)用光電池作為測(cè)量元件時(shí)，應(yīng)以電流源的形式來使用。而且，為保證測(cè)量有線性關(guān)系，所用負(fù)載電阻應(yīng)較小。0200040006000800010000L(勒克斯)(a)硅光電池的光照特性0.40.30.20.1543210Isc(毫安/厘米2

)Uoc(伏)UocIscUoc(伏)010002000300040005000L(勒克斯)(b)硒光電池的光照特性0.40.30.20.10.30.20.10Isc(毫安/厘米2

)UocIsc第四十七頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五02004006008001000L(勒克斯)(

c)光照特性與負(fù)載電阻的關(guān)系0.50.40.30.20.10I(毫安)RL=050Ω10010005000第四十八頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五2．光譜特性光電池的光譜特性決定于所采用的材料。20040060080010001200(

d)光譜特性100806040200I(%)1-硒2-硅λ(nm)第四十九頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五3．伏安特性光電池的負(fù)載線由U=IRL

決定。01002003004000.60.50.40.30.20.1900(勒克斯)800700600500400300200100a0.5kΩ1kΩ3kΩI(毫安)U(毫伏)(e)伏安特性第五十頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五4．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。負(fù)載電阻越大，電路的旁路作用越顯著，頻率特性高頻部分下降越厲害。不宜于檢測(cè)交變光通量。如欲改善頻率特性，需減小負(fù)載電阻或減小光電池面積，使它的結(jié)電容減小。012345(

d)頻率特性10080604020I(%)1-硒2-硅f(kHz)第五十一頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五5．溫度特性硅光電池的開路電壓隨溫度的升高而降低。0306090(g)溫度特性600500400300200100Isc(毫安)Uoc(毫伏)UocIsc605040302010T(℃)第五十二頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五三、電路光電池用作太陽能電池時(shí)的電路如圖3.1.3－5所示。在黑夜或光線微弱時(shí)，為防止蓄電池經(jīng)過光電池放電而設(shè)置二極管D。1．光電池用作太陽能電池光電池的作用主要是換能和檢測(cè)第五十三頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五優(yōu)點(diǎn)是環(huán)保，取之不盡用之不竭。缺點(diǎn)是效率不夠高。第五十四頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五第五十五頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五第五十六頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五聚光光伏太陽能（CPV）

第五十七頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五光電池便攜式冰箱雷諾電動(dòng)小車，車頂配有蜂窩狀光電池第五十八頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五光電池用作檢測(cè)元件使用時(shí)的電路如圖3.1.3－6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，RL近似等于0。圖中，2．光電池用作檢測(cè)元件

光電池作為測(cè)量元件時(shí)，應(yīng)一電流源的形式來使用。第五十九頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五一、結(jié)構(gòu)和工作原理§3.1.4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。其PN結(jié)裝在管子的頂部，以便接收光照。其上面有一個(gè)透鏡制成的窗口，使光線集中在敏感面。

光敏二極管和光敏三極管是光電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體器件，與光敏電阻器相比具有靈敏度高、高頻性能好，可靠性好、體積小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。第六十頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五第六十一頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五光敏二極管也叫光電二極管。光敏二極管工作時(shí)一般加反向偏壓，即正極接電源負(fù)極，負(fù)極接電源正極。無光照時(shí)，處于反偏的光敏二極管工作在截止?fàn)顟B(tài)，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。受光照時(shí)，PN結(jié)及其附近受光子轟擊吸收其能量而產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在外加電場(chǎng)和內(nèi)電場(chǎng)的共同作用下，使通過PN結(jié)的反向電流大大增加，形成了光電流。光照強(qiáng)度越大，反向電流越大。注意與光電池用法的不同，因而靈敏度大不相同。第六十二頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五光電二極管（PD，photodiode）把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的功能，是由半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。PN結(jié)界面電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)部電場(chǎng)漂移運(yùn)動(dòng)如果光子的能量大于或等于帶隙（hf

≥Eg）當(dāng)入射光作用在PN結(jié)時(shí)發(fā)生受激吸收內(nèi)部電場(chǎng)的作用下，電子向N區(qū)運(yùn)動(dòng)空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)在耗盡層形成漂移電流。第六十三頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五PD管的使用要點(diǎn)：光敏二極管工作在反向電壓下，如果加正向偏壓就與普通二極管一樣，只有單向?qū)щ娦?。反向電壓使二極管飽和，光電流僅取決于入射光功率。在負(fù)載電阻較小情況下光電流與入射光功率呈線性關(guān)系。大反偏壓的施加，增加了耗盡層的寬度和結(jié)電場(chǎng)，電子—空穴在耗盡層復(fù)合機(jī)會(huì)少，提高光敏二極管的靈敏度和頻率響應(yīng)特性。第六十四頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五1光照特性二．特性線性好,適合檢測(cè)方面應(yīng)用第六十五頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五2.光譜特性

決定于所采用的材料，圖為鍺光敏二極管的光譜響應(yīng)曲線。波長增長，不足以激發(fā)自由載流子。波長太短，入射性能差，無法入射到PN結(jié)。第六十六頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五3.伏安特性

在零偏壓時(shí)，硅光敏二極管仍然有光電流輸出，此為光生伏特效應(yīng)所產(chǎn)生的短路電流。第六十七頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五

4.溫度特性+EGGUIbBGRLRcR圖（d）為光敏二極管在電壓不變和照度不變的情況下，光電流I隨溫度T的變化。第六十八頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五5.暗電流

曲線1和2分別為鍺和硅光敏二極管的暗電流隨溫度變化的曲線。硅器件的暗電流及其溫度系數(shù)比鍺器件小。

光敏二極管的暗電流非常小，是1uA數(shù)量級(jí)，直接絕對(duì)測(cè)量不容易測(cè)準(zhǔn)。還要求在暗處測(cè)量，不能見光，要經(jīng)運(yùn)放放大把電壓測(cè)量線引出。020406080IΦ=0(微安)T(℃)(e)暗電流特性1010.10.012－硅1－鍺第六十九頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五6.頻率特性RsRDRLCisC節(jié)電容Rs體電阻RD

反向偏置電阻RL

負(fù)載電阻

頻率特性：是半導(dǎo)體光電器件中最好的一種：反向電壓使得電子的渡越時(shí)間減小，響應(yīng)快，頻率高。負(fù)載電阻越大，頻率響應(yīng)越差：高頻旁路作用顯著，高頻響應(yīng)變差。（見下頁）入射波長越長，頻率響應(yīng)越差：入射較深，在PN結(jié)外形成的光生載流子需要時(shí)間擴(kuò)散到PN結(jié)才能形成光電流。第七十頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五

三、電路圖3.1.4-3是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)閕φ=Sφ，由圖(c)可知：+EUR(a)+EUR(b)RL(c)iφ?qǐng)D3.1.4-3光敏二極管等效電路(a)(b)輸出電路；(c)等效電路RL=R//RiCj第七十一頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五上式中，為了得到較大的輸出電壓uL，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3.1.4－3(c)中，Cj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，Cj直接影響光敏二極管的高頻特性。令RL(c)iφCj則光敏二極管的上限頻率為：減少負(fù)載電阻RL，可使上限頻率fH提高第七十二頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五五、光敏二極管典型應(yīng)用電路反向偏置電路實(shí)例，較大負(fù)載時(shí)輸出電壓大，但響應(yīng)速度慢。如圖與晶體管組合應(yīng)用電路，(a)圖為光敏二極管組成的光信號(hào)放大電路；(b)圖為光敏二極管組成的開關(guān)電路。FH=1/(2CRL)第七十三頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五與運(yùn)算放大器的組合應(yīng)用電路第七十四頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五應(yīng)用：光敏二極管組成的防盜報(bào)警器電路報(bào)警器裝在抽屜里。白天打開抽屜時(shí)，開關(guān)接通，但VT1截止。夜晚小偷打開抽屜時(shí)，防盜器就會(huì)發(fā)出響亮的“嗚-嗚-”報(bào)警聲使小偷不敢輕易下手。光敏二極管VD、晶體管VT1和電阻R1組成了光控開關(guān)；集成電路IC、晶體管VT2和揚(yáng)聲器YD組成了報(bào)警電路。IC選用KD-9561型四聲模擬報(bào)警音響集成塊。VT1和VT2選用3DG201硅三極管，它們的β值大于60即可。VD選用2CU型光敏二極管。R1和R2選用1W碳膜電阻。YD選用2.5英寸電動(dòng)揚(yáng)聲器，阻抗為8Ω。電源選用3節(jié)5號(hào)干電池。K選用小型自復(fù)位常閉觸點(diǎn)按鈕開關(guān)。抽屜報(bào)警器可用于倉庫、住宅的報(bào)警?？捎糜谥谱骶蕾R年卡。KR1110k4.5VVT13DG201VT23DG201R2240k345218YDVD2CUICKD9561第七十五頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五四、PIN管電場(chǎng)主要分布在耗盡區(qū)內(nèi)，耗盡區(qū)的電場(chǎng)足以使載流子的漂移速度達(dá)到極限。在擴(kuò)散區(qū)，場(chǎng)的分布趨于零，所以運(yùn)動(dòng)速度慢，影響光電檢測(cè)器響應(yīng)速度。為保證光電檢測(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，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。第七十六頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五

這種管子的最大特點(diǎn)是頻帶寬，可達(dá)10GHz。另一特點(diǎn)是線性輸出范圍寬。P-I-N光敏二極管比P-N光敏二極管更靈敏，更有用。第七十七頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五第七十八頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五能夠消除暗電流的比例運(yùn)放光電路第七十九頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五五、APD(雪崩光電二極管)

雪崩光電二極管(APD)(又稱累崩光電二極管或崩潰光二極體)是一種半導(dǎo)體光檢測(cè)器，其原理類似于光電倍增管。在加上一個(gè)較高的反向偏置電壓后（在硅材料中一般為100-200V），APD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，雪崩光電二極管是靈敏度很高的光電信息轉(zhuǎn)換器件。

PIN管比PD管有所改進(jìn)，但由于很寬的本征層，從而影響響應(yīng)速度，而且產(chǎn)生的光電流仍比較微弱。

應(yīng)用光生載流子在其耗盡區(qū)(高場(chǎng)區(qū))內(nèi)的碰撞電離效應(yīng)而獲得光生電流的雪崩倍增。第八十頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五APD載流子雪崩式倍增示意圖(只畫出電子）第八十一頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五雪崩光電二極管是靈敏度很高的光電信息轉(zhuǎn)換器件。影響雪崩光敏二極管工作的因素有：

(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。

（c）雪崩光敏二極管的工作偏壓必須適當(dāng)。過小時(shí)，增益太?。贿^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。第八十二頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五雪崩光電二極管常常用于高速應(yīng)用（100GHz），因?yàn)檠┍肋^程中產(chǎn)生的多余噪聲仍然低于外部放大器連接到高頻運(yùn)作的常規(guī)光電二極管所產(chǎn)生的噪聲。典型的應(yīng)用包括微光測(cè)量，光譜，測(cè)距和空間/光纖通信。第八十三頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五比較PD、PIN、APD的結(jié)構(gòu)及性能的不同。結(jié)構(gòu)：性能：工作電壓的區(qū)別：一般光電二級(jí)管的反向偏壓在幾十伏以下（目的是增加耗盡層的寬度），PIN光電二級(jí)管的反向偏置電壓在幾伏左右或不加（目的是使本征區(qū)載流子完全耗盡），而APD的反偏壓一般在幾百伏左右（目的是器件擊穿，并在雪崩區(qū)建立高電場(chǎng)）。

第八十四頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五六光敏二極管陣列光敏二極管陣列是將光敏二極管以線列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，并將這些信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件。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，又分光電二極管象限探測(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，同時(shí)可起制導(dǎo)、跟蹤、搜索、定位等作用。第八十五頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五§3.1.5光敏三極管

光敏三極管和普通三極管相似，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和電流控制，同時(shí)也受光輻射的控制。通?；鶚O不引出，但一些光敏三極管的基極有引出，用于溫度補(bǔ)償和附加控制等作用。當(dāng)具有光敏特性的PN結(jié)受到光輻射時(shí)，形成光電流，由此產(chǎn)生的光生電流由基極進(jìn)入發(fā)射極，從而在集電極回路中得到一個(gè)放大了相當(dāng)于β倍的信號(hào)電流。不同材料制成的光敏三極管具有不同的光譜特性，與光敏二極管相比，具有很大的光電流放大作用，即很高的靈敏度。第八十六頁，共九十八頁，編輯于2023年，星期五一．原理與結(jié)構(gòu)光敏三極管的集電極電流受光通量的控制。其外形由光窗、集電極和發(fā)射極的引出腳組成。

光敏三極管的靈敏度較高，一般為毫安級(jí)，但它在較強(qiáng)的光照下，光電流與照度不成線性關(guān)系。頻率特性和溫度特性也變差，故光敏三極管多用作光電開關(guān)或光電邏輯元件。Ic＝βIφ+

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P第八十七頁，共九十八頁，編輯于2023年，星