第四章光電檢測器件

第四章光電檢測器件第1頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月光電器件的類型與特點光電器件的基本特性參數(shù)半導(dǎo)體光電器件光電導(dǎo)器件—光敏電阻光伏器件光電池光電二極管/三極管真空光電器件光電管光電倍增管熱電檢測器件熱釋電探測器件第2頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2器件的基本特性參數(shù)響應(yīng)特性噪聲特性量子效率線性度工作溫度第3頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月一、響應(yīng)特性１．響應(yīng)度（或稱靈敏度）：是光電探測器輸出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。響應(yīng)度是隨入射光波長變化而變化的響應(yīng)度分電壓響應(yīng)率和電流響應(yīng)率第4頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月電壓響應(yīng)率光電探測器件輸出電壓與入射光功率之比電流響應(yīng)率光電探測器件輸出電流與入射光功率之比第5頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月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．３．積分響應(yīng)度：檢測器對各種波長光連續(xù)輻射量的反應(yīng)程度．第6頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月４．響應(yīng)時間：響應(yīng)時間τ是描述光電探測器對入射光響應(yīng)快慢的一個參數(shù)。上升時間：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：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。第7頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月光電探測器響應(yīng)率與入射調(diào)制頻率的關(guān)系

為調(diào)制頻率為f時的響應(yīng)率 為調(diào)制頻率為零時的響應(yīng)率 為時間常數(shù)（等于RC）

５．頻率響應(yīng)：光電探測器的響應(yīng)隨入射光的調(diào)制頻率而變化的特性稱為頻率響應(yīng)．由于光電探測器信號產(chǎn)生和消失存在著一個滯后過程，所以入射光的調(diào)制頻率對光電探測器的響應(yīng)會有較大的影響。第8頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月：上限截止頻率時間常數(shù)決定了光電探測器頻率響應(yīng)的帶寬返回第9頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月二、噪聲特性在一定波長的光照下光電探測器輸出的電信號并不是平直的，而是在平均值上下隨機地起伏，它實質(zhì)上就是物理量圍繞其平均值的漲落現(xiàn)象。用均方噪聲來表示噪聲值大小第10頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月噪聲在實際的光電探測系統(tǒng)中是極其有害的。由于噪聲總是與有用信號混在一起，因而影響對信號特別是微弱信號的正確探測。一個光電探測系統(tǒng)的極限探測能力往往受探測系統(tǒng)的噪聲所限制。所以在精密測量、通信、自動控制等領(lǐng)域，減小和消除噪聲是十分重要的問題。第11頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月光電探測器常見的噪聲熱噪聲散粒噪聲產(chǎn)生-復(fù)合噪聲1/f噪聲第12頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月1、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。導(dǎo)體或半導(dǎo)體中每一電子都攜帶著電子電量作隨機運動(相當于微電脈沖)，盡管其平均值為零，但瞬時電流擾動在導(dǎo)體兩端會產(chǎn)生一個均方根電壓，稱為熱噪聲電壓。熱噪聲存在于任何電阻中，熱噪聲與溫度成正比，與頻率無關(guān)，熱噪聲又稱為白噪聲第13頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月2、散粒噪聲散粒噪聲：入射到光探測器表面的光子是隨機的，光電子從光電陰極表面逸出是隨機的，PN結(jié)中通過結(jié)區(qū)的載流子數(shù)也是隨機的。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。例如光伏器件的PN結(jié)勢壘是產(chǎn)生散粒噪聲的主要原因。第14頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月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。載流子濃度的起伏引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率的起伏。第15頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月4、1/f噪聲或稱閃爍噪聲或低頻噪聲。這種噪聲是由于光敏層的微粒不均勻或不必要的微量雜質(zhì)的存在引起的。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。第16頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月５、信噪比信噪比是判定噪聲大小的參數(shù)。是負載電阻上信號功率與噪聲功率之比若用分貝（dB）表示，為第17頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月６、噪聲等效功率(NEP)定義：信號功率與噪聲功率比為1（SNR=1）時，入射到探測器件上的輻射通量(單位為瓦)。這時，投射到探測器上的輻射功率所產(chǎn)生的輸出電壓（或電流）等于探測器本身的噪聲電壓（或電流）一般一個良好的探測器件的NEP約為10-11W。NEP越小，噪聲越小，器件的性能越好。第18頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月噪聲等效功率是一個可測量的量。設(shè)入射輻射的功率為P，測得的輸出電壓為U0然后除去輻射源，測得探測器的噪聲電壓為UN則按比例計算，要使U0＝UN，的輻射功率為第19頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月７、探測率與歸一化探測率探測率D定義為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和放大器帶寬Δf乘積的平方根成正比歸一化探測率D*，即D*與探測器的敏感面積、放大器的帶寬無關(guān)。返回第20頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月三、量子效率（）量子效率：在某一特定波長上，每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光量子數(shù)之比。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量子效率是一個微觀參數(shù)，量子效率愈高愈好。第21頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月量子效率與響應(yīng)度的關(guān)系I/q：每秒產(chǎn)生的光子數(shù)P/hυ：每秒入射的光子數(shù)第22頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月四、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)。非線性誤差：

δ＝Δmax/(I2

–I1)Δmax：實際響應(yīng)曲線與擬合曲線之間的最大偏差；I2

和I1：分別為線性區(qū)中最小和最大響應(yīng)值。第23頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月五、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。第24頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3 光電檢測器件光電管光電倍增管光敏電阻光電池光電二極管光電三極管第25頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月一、光電管

光電管是利用外光電效應(yīng)制成的光電元件，其外形和結(jié)構(gòu)如圖4.3.1所示，半圓筒形金屬片制成的陰極K和位于陰極軸心的金屬絲制成的陽極A封裝在抽成真空的玻殼內(nèi)，當入射光照射在陰極上時，單個光子就把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個自由電子，從而使自由電子的能量增加hν。當電子獲得的能量大于陰極材料的逸出功A時，它就可以克服金屬表面束縛而逸出，形成電子發(fā)射。這種電子稱為光電子，光電子逸出金屬表面后的初始動能為(1／2)mv2。根據(jù)能量守恒定律有

(4.2)式中，m為電子質(zhì)量；v為電子逸出的初速度。圖4.3.1光電管結(jié)構(gòu)示意圖

圖4.3.2光電管測量電路圖

第26頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月由上式可知，要使光電子逸出陰極表面的必要條件是hν>A。由于不同材料具有不同的逸出功，因此對每一種陰極材料，入射光都有一個確定的頻率限，當入射光的頻率低于此頻率限時，不論光強多大，都不會產(chǎn)生光電子發(fā)射，此頻率限稱為“紅限”。相應(yīng)的波長λK為

(4.3)式中，c為光速；A為逸出功。光電管正常工作時，陽極電位高于陰極，如圖4.3.2所示。在入射光頻率大于“紅限”的前提下，從陰極表面逸出的光電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，稱為光電流。此時若光強增大，轟擊陰極的光子數(shù)增多，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)也就增多，光電流變大。在圖4.3.2所示的電路中，電流IФ和電阻RL上的電壓降U0就和光強成函數(shù)關(guān)系，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。

陰極材料不同的光電管，具有不同的紅限，因此適用于不同的光譜范圍。此外，即使入射光的頻率大于紅限，并保持其強度不變，但陰極發(fā)射的光電子數(shù)量還會隨入射光頻率的變化而改變，即同一種光電管對不同頻率的入射光靈敏度并不相同。光電管的這種光譜特性，要求人們應(yīng)當根據(jù)檢測對象是紫外光、可見光還是紅外光去選擇陰極材料不同的光電管，以便獲得滿意的靈敏度。

第27頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖4.3.3光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖

光電倍增管主要由光陰極K、倍增極D和陽極A組成，并根據(jù)要求采用不同性能的玻璃殼進行真空封裝。依據(jù)分裝方法，可分成端窗式和側(cè)窗式兩大類。端窗式光電倍增管的陰極通常為透射式陰極，通過管殼的端面接受入射光。側(cè)窗式陰極則是通過管殼的側(cè)面接收入射光，它的陰極通常為反射式陰極。

二、光電倍增管由于真空光電管的靈敏度低，因此人們研制了具有放大光電流能力的光電倍增管。圖4.3.3是光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖。

第28頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月光陰極的量子效率是一個重要的參數(shù)。波長為λ的光輻射入射到光陰極時，一個入射光子產(chǎn)生的光電子數(shù)，定義為光陰極的量子效率。光陰極有很多種，常用的有雙堿，S11及S20三種。光陰極通常由脫出功較小的銻銫或鈉鉀銻銫的薄膜組成，光陰極接負高壓，各倍增極的加速電壓由直流高壓電源經(jīng)分壓電阻分壓供給，靈敏檢流計或負載電阻接在陽極A處，當有光子入射到光陰極K上，只要光子的能量大于光陰極材料的脫出功，就會有電子從陰極的表面逸出而成為光電子。

在K和D1之間的電場作用下，光電子被加速后轟擊第一倍增極D1，從而使D1產(chǎn)生二次電子發(fā)射．每一個電子的轟擊約可產(chǎn)生3～5個二次電子，這樣就實現(xiàn)了電子數(shù)目的放大。第29頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月D1產(chǎn)生的二次電子被D2和D1之間的電場加速后轟擊D2，……。這樣的過程一直持續(xù)到最后一級倍增極Dn，每經(jīng)過一級倍增極，電子數(shù)目便被放大一次，倍增極的數(shù)目有8～13個，最后一級倍增極Dn發(fā)射的二次電子被陽極A收集。若倍增電極有n級，各級的倍增率為б，則光電倍增管的倍增率可以認為是бn，因此，光電倍增管有極高的靈敏度。在輸出電流小于1mA的情況下，它的光電特性在很寬的范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系。光電倍增管的這個特點，使它多用于微光測量。若將靈敏檢流計串接在陽極回路中，則可直接測量陽極輸出電流。若在陽極串接電阻RL作為負載，則可測量RL兩端的電壓，此電壓正比于陽極電流。

第30頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖4.3.4光電倍增管的基本電路

圖4.3.5光敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖及符號

圖4.3.4所示為光電倍增管的基本電路。各倍增極的電壓是用分壓電阻R1、R2、……Rn獲得的，陽極電流流經(jīng)負載電阻RL得到輸出電壓U0。當用于測量穩(wěn)定的輻射通量時，圖中虛線連接的電容C1、C2、…、Cn和輸出隔離電容Ca都可以省去。這時電路往往將電源正端接地，并且輸出可以直接與放大器輸入端連接，從而使它能夠響應(yīng)變化緩慢的入射光通量。但當入射光通量為脈沖通量時，則應(yīng)將電源的負端接地，因為光電倍增管的陰極接地比陽極接地有更低的噪聲，此時輸出端應(yīng)接人隔離電容，同時各倍增極的并聯(lián)電容亦應(yīng)接人，以穩(wěn)定脈沖工作時的各級工作電壓，穩(wěn)定增益并防止飽和。

第31頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月與測量有關(guān)的兩個參數(shù)：暗電流光電倍增管接上工作電壓后，在沒有光照的情況下陽極仍會有一個很小的電流輸出，此電流即稱為暗電流。光電倍增管在工作時，其陽極輸出電流由暗電流和信號電流兩部分組成。當信號電流比較大時，暗電流的影響可以忽略，但是當光信號非常弱，以至于陽極信號電流很小甚至和暗電流在同一數(shù)量級時，暗電流將嚴重影響對光信號測量的準確性。所以暗電流的存在決定了光電倍增管可測量光信號的最小值。一只好的光電倍增管，要求其暗電流小并且穩(wěn)定。

(2)光譜響應(yīng)特征光電倍增管對不同波長的光入射的響應(yīng)能力是不相同的，這一特性可用光譜響應(yīng)率表示。在給定波長的單位輻射功率照射下所產(chǎn)生的陽極電流大小稱為光電倍增管的絕對光譜響應(yīng)率，表示為

(4.4)

式中，P(λ)為入射到光陰極上的單色輻射功率；I(λ)是在該輻射功率照射下所產(chǎn)生的陽極電流；S(λ)是波長的函數(shù)，它與波長的關(guān)系曲線稱為光電倍增管的絕對光譜響應(yīng)曲線。第32頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月測量S(λ)十分復(fù)雜，因此在一般測量中都是測量它的相對值。為此，可以把S(λ)中的最大值當作一個單位對所有S(λ)值進行歸一化，這時就得到

(4.5)s(λ)稱為光電倍增管的相對光譜響應(yīng)率，它與波長的關(guān)系曲線稱為光電倍增管的相對光譜響應(yīng)曲線。s(λ)≤1，是一個無量綱的量，只表示光電倍增管的光譜響應(yīng)特征。第33頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月一、光敏電阻光敏電阻是光電導(dǎo)型器件。光敏電阻材料：主要是硅、鍺和化合物半導(dǎo)體，例如：硫化鎘（CdS），銻化銦（InSb）等。特點：光譜響應(yīng)范圍寬（特別是對于紅光和紅外輻射）；偏置電壓低，工作電流大；動態(tài)范圍寬，既可測強光，也可測弱光；光電導(dǎo)增益大，靈敏度高；無極性，使用方便；在強光照射下，光電線性度較差光電馳豫時間較長，頻率特性較差。第34頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月光敏電阻(LDR)和它的符號：

符號第35頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月1.光敏電阻的工作原理光敏電阻結(jié)構(gòu)：在一塊均勻光電導(dǎo)體兩端加上電極，貼在硬質(zhì)玻璃、云母、高頻瓷或其他絕緣材料基板上，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)。（如圖）工作機理：當入射光子使半導(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。第36頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月入射光返回第37頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月本征型和雜質(zhì)型光敏電阻本征型光敏電阻：當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)型光敏電阻：對于Ｎ型半導(dǎo)體，當入射光子的能量等于或大于雜質(zhì)電離能ΔＥ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ΔＥ施主第38頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月光電導(dǎo)與光電流光敏電阻兩端加電壓（直流或交流）．無光照時，阻值（暗電阻）很大，電流（暗電流）很?。还庹諘r，光生載流子迅速增加，阻值（亮電阻）急劇減少．在外場作用下，光生載流子沿一定方向運動，形成光電流（亮電流）。光電流：亮電流和暗電流之差；

I光

=IL-Id光電導(dǎo)：亮電流和暗電流之差；

g

=gL-gd第39頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月光敏電阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是說暗電流要小，亮電流要大，這樣光敏電阻的靈敏度就高。光電流與光照強度／電阻結(jié)構(gòu)的關(guān)系。第40頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月２．光敏電阻的工作特性光電特性伏安特性時間響應(yīng)和頻率特性溫度特性第41頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月光電特性：光電流與入射光照度的關(guān)系：

(1)弱光時，γ=1，光電流與照度成線性關(guān)系

(2)強光時，γ=0.5，光電流與照度成拋物線 光照增強的同時，載流子濃度不斷的增加，同時光敏電阻的溫度也在升高，從而導(dǎo)致載流子運動加劇，因此復(fù)合幾率也增大，光電流呈飽和趨勢。（冷卻可以改善）光敏電阻的光電特性第42頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月在弱光照下，光電流與E具有良好的線性關(guān)系在強光照下則為非線性關(guān)系其他光敏電阻也有類似的性質(zhì)。第43頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月光電導(dǎo)靈敏度:光電導(dǎo)g與照度E之比. 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。第44頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月光電導(dǎo)增益

光電導(dǎo)增益反比于電極間距的平方。量子效率：光電流與入射光子流之比。第45頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月伏安特性在一定的光照下，光敏電阻的光電流與所加的電壓關(guān)系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)不同直線第46頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月受耗散功率的限制，在使用時，光敏電阻兩端的電壓不能超過最高工作電壓，圖中虛線為允許功耗曲線由此可確定光敏電阻正常工作電壓。第47頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月光敏電阻時間常數(shù)比較大，其上限截止頻率低。只有PbS光敏電阻的頻率特性稍好些，可工作到幾千赫。頻率特性第48頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月光敏電阻的時間響應(yīng)特性較差材料受光照到穩(wěn)定狀態(tài)，光生載流子濃度的變化規(guī)律：停止光照，光生載流子濃度的變化為響應(yīng)時間第49頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月光敏電阻是多數(shù)載流子導(dǎo)電，溫度特性復(fù)雜。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溫度特性第50頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月光敏電阻參數(shù)使用材料：硫化鎘（CdS），硫化鉛（PbS），銻化銦（InSb），碲鎘汞（HgCdTe），碲錫鉛（PbSnTe）.光敏面：1-3mm工作溫度：-40–80oC溫度系數(shù)：1極限電壓：10–300V耗散功率：<100W時間常數(shù)：5–50ms光譜峰值波長：因材料而不同，在可見/紅外遠紅外暗電阻：108歐姆亮電阻：104

歐姆第51頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月光敏電阻的應(yīng)用基本功能：根據(jù)自然光的情況決定是否開燈。基本結(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)行電路基本原理：光暗時，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)。照明燈自動控制電路K220V燈常閉CdS第52頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月光電池光電池是根據(jù)光生伏特效應(yīng)制成的將光能轉(zhuǎn)換成電能的一種器件。PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)：當用適當波長的光照射PN結(jié)時，由于內(nèi)建場的作用（不加外電場），光生電子拉向n區(qū)，光生空穴拉向p區(qū)，相當于PN結(jié)上加一個正電壓。半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電動勢（光生電壓）；如將PN結(jié)短路，則會出現(xiàn)電流（光生電流）。第53頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月光電池的結(jié)構(gòu)特點光電池核心部分是一個PN結(jié)，一般作成面積大的薄片狀，來接收更多的入射光。在N型硅片上擴散P型雜質(zhì)（如硼），受光面是P型層或在P型硅片上擴散N型雜質(zhì)（如磷），受光面是N型層第54頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和保護作用上電極做成柵狀，為了更多的光入射由于光子入射深度有限，為使光照到PN結(jié)上，實際使用的光電池制成薄P型或薄N型。第55頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月第56頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月光電池等效電路第57頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月第58頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月第59頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月光電池的特性1、伏安特性無光照時，光電池伏安特性曲線與普通半導(dǎo)體二極管相同。有光照時，沿電流軸方向平移，平移幅度與光照度成正比。曲線與電壓軸交點稱為開路電壓VOC，與電流軸交點稱為短路電流ISC。第60頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月光電池伏安特性曲線第61頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月反向電流隨光照度的增加而上升IU照度增加第62頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月2、時間和頻率響應(yīng)

硅光電池頻率特性好硒光電池頻率特性差硅光電池是目前使用最廣泛的光電池

第63頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月要得到短的響應(yīng)時間，必須選用小的負載電阻RL；光電池面積越大則響應(yīng)時間越大，因為光電池面積越大則結(jié)電容Cj越大，在給定負載時，時間常數(shù)就越大，故要求短的響應(yīng)時間，必須選用小面積光電池。第64頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月開路電壓下降大約23mV/度短路電流上升大約10-510-3mA/度3、溫度特性

隨著溫度的上升，硅光電池的光譜響應(yīng)向長波方向移動，開路電壓下降，短路電流上升。光電池做探測器件時，測量儀器應(yīng)考慮溫度的漂移，要進行補償。第65頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月4、光譜響應(yīng)度硅光電池響應(yīng)波長0.4-1.1微米，峰值波長0.8-0.9微米。硒光電池響應(yīng)波長0.34-0.75微米，峰值波長0.54微米。第66頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月5、光電池的光照特性連接方式：開路電壓輸出---(a)

短路電流輸出---(b)光電池在不同的光強照射下可產(chǎn)生不同的光電流和光生電動勢。短路電流在很大范圍內(nèi)與光強成線性關(guān)系。開路電壓隨光強變化是非線性的，并且當照度在2000lx時趨于飽和。第67頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月光照特性---開路電壓輸出：非線性(電壓---光強)，靈敏度高短路電流輸出：線性好(電流---光強)，靈敏度低開關(guān)測量（開路電壓輸出），線性檢測（短路電流輸出）第68頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月負載RL的增大線性范圍也越來越小。因此，在要求輸出電流與光照度成線性關(guān)系時，負載電阻在條件許可的情況下越小越好，并限制在適當?shù)墓庹辗秶鷥?nèi)使用。第69頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月光電池的應(yīng)用1、光電探測器件利用光電池做探測器有頻率響應(yīng)高，光電流隨光照度線性變化等特點。2、將太陽能轉(zhuǎn)化為電能實際應(yīng)用中，把硅光電池經(jīng)串聯(lián)、并聯(lián)組成電池組。第70頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月硅太陽能電池硅太陽能電池包括單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池。單晶硅太陽能電池在實驗室里最高的轉(zhuǎn)換效率為23%,而規(guī)模生產(chǎn)的單晶硅太陽能電池,其效率為15%。多晶硅半導(dǎo)體材料的價格比較低廉,但是由于它存在著較多的晶粒間界而有較多的弱點。多晶硅太陽能電池的實驗室最高轉(zhuǎn)換效率為18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10%。第71頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月非晶硅太陽能電池非晶硅薄膜太陽能電池組件的制造采用薄膜工藝,具有較多的優(yōu)點,例如:沉積溫度低、襯底材料價格較低廉,能夠?qū)崿F(xiàn)大面積沉積。

非晶硅的可見光吸收系數(shù)比單晶硅大,是單晶硅的40倍,1微米厚的非晶硅薄膜,可以吸引大約90%有用的太陽光能。非晶硅太陽能電池的穩(wěn)定性較差,從而影響了它的迅速發(fā)展。

第72頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月化合物太陽能電池

三五族化合物電池和二六族化合物電池。三五族化合物電池主要有GaAs電池、InP電池、GaSb電池等;二六族化合物電池主要有CaS/CuInSe電池、CaS/CdTe電池等。在三五族化合物太陽能電池中,GaAs電池的轉(zhuǎn)換效率最高,可達28%;第73頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月GaAs化合物太陽能電池Ga是其它產(chǎn)品的副產(chǎn)品,非常稀少珍貴;As不是稀有元素,有毒。GaAs化合物材料尤其適用于制造高效電池和多結(jié)電池,這是由于GaAs具有十分理想的光學(xué)帶隙以及較高的吸收效率。

GaAs化合物太陽能電池雖然具有諸多優(yōu)點,但是GaAs材料的價格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs電池的普及。

第74頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月太陽能太陽能特點：①無枯竭危險；②絕對干凈；③不受資源分布地域的限制；④可在用電處就近發(fā)電；⑤能源質(zhì)量高；⑥使用者從感情上容易接受；⑦獲取能源花費的時間短。要使太陽能發(fā)電真正達到實用水平，一是要提高太陽能光電變換效率并降低成本；二是要實現(xiàn)太陽能發(fā)電同現(xiàn)在的電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。第75頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月光敏二極管結(jié)構(gòu)光敏二極管與普通二極管一樣有一個PN結(jié)，屬于單向?qū)щ娦缘姆蔷€形元件。外形不同之處是在光電二極管的外殼上有一個透明的窗口以接收光線照射，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。為了獲得盡可能大的光生電流，需要較大的工作面，即PN結(jié)面積比普通二極管大得多，以擴散層作為它的受光面。為了提高光電轉(zhuǎn)換能力，PN結(jié)的深度較普通二極管淺。

第76頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月光電二極管（光敏二極管）光敏二極管符號

光敏二極管接法

第77頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月外加反向偏壓可以不加偏壓，與光電池不同，光敏二極管一般在負偏壓情況下使用大反偏壓的施加，增加了耗盡層的寬度和結(jié)電場，電子—空穴在耗盡層復(fù)合機會少，提高光敏二極管的靈敏度。增加了耗盡層的寬度，結(jié)電容減小，提高器件的頻響特性。但是，為了提高靈敏度及頻響特性，卻不能無限地加大反向偏壓，因為它還受到PN結(jié)反向擊穿電壓等因素的限制。第78頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月光敏二極管體積小，靈敏度高，響應(yīng)時間短，光譜響應(yīng)在可見到近紅外區(qū)中，光電檢測中應(yīng)用多。擴散型P-i-N硅光敏二極管和雪崩光敏二極管擴散型P-i-N硅光敏二極管第79頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月選擇一定厚度的i層，具有高速響應(yīng)特性。i層所起的作用:(1)為了取得較大的PN結(jié)擊穿電壓，必須選擇高電阻率的基體材料，這樣勢必增加了串聯(lián)電阻，使時間常數(shù)增大，影響管子的頻率響應(yīng)。而i層的存在，使擊穿電壓不再受到基體材料的限制，從而可選擇低電阻率的基體材料。這樣不但提高了擊穿電壓，還減少了串聯(lián)電阻和時間常數(shù)。

(2)反偏下，耗盡層較無i層時要大得多，從而使結(jié)電容下降，提高了頻率響應(yīng)。第80頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月PIN管的最大特點是頻帶寬，可達10GHz。另一特點是線性輸出范圍寬。缺點:

由于I層的存在，管子的輸出電流小，一般多為零點幾微安至數(shù)微安。第81頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月雪崩光敏二極管由于存在因碰撞電離引起的內(nèi)增益機理，雪崩管具有高的增益帶寬乘積和極快的時間響應(yīng)特性。通過一定的工藝可以使它在1.06微米波長處的量子效率達到30％，非常適于可見光及近紅外區(qū)域的應(yīng)用。第82頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月

當光敏二極管的PN結(jié)上加相當大的反向偏壓時，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生一個很高的電場，使進入場區(qū)的光生載流子獲得足夠的能量，通過碰撞使晶格原子電離，而產(chǎn)生新的電子—空穴對。新的電子—空穴對在強電場的作用下分別向相反方向運動．在運動過程中，又有可能與原子碰撞再一次產(chǎn)生電子—空穴對。只要電場足夠強，此過程就將繼續(xù)下去，達到載流子的雪崩倍增。通常，雪崩光敏二極管的反向工作偏壓略低于擊穿電壓。第83頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月雪崩光電二極管的

倍增電流、噪聲與偏壓的關(guān)系曲線反向偏壓/V第84頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月在偏置電壓較低時的A點以左，不發(fā)生雪崩過程；隨著偏壓的逐漸升高，倍增電流逐漸增加從B點到c點增加很快，屬于雪崩倍增區(qū)；偏壓再繼續(xù)增大，將發(fā)生雪崩擊穿；同時噪聲也顯著增加，如圖中c點以右的區(qū)域。因此，最佳的偏壓工作區(qū)是c點以左，否則進入雪崩擊穿區(qū)燒壞管子。由于擊穿電壓會隨溫度漂移，必須根據(jù)環(huán)境溫度變化相應(yīng)調(diào)整工作電壓。第85頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月雪崩光電二極管具有電流增益大，靈敏度高，頻率響應(yīng)快，帶寬可達100GHz。是目前響應(yīng)最快的一種光敏二極管。不需要后續(xù)龐大的放大電路等特點。因此它在微弱輻射信號的探測方向被廣泛地應(yīng)用。在設(shè)計雪崩光敏二極管時，要保證載流子在整個光敏區(qū)的均勻倍增，這就需要選擇無缺陷的材料，必須保持更高的工藝和保證結(jié)面的平整。其缺點是工藝要求高，穩(wěn)定性差，受溫度影響大。第86頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月雪崩光電二極管與光電倍增管比較體積小結(jié)構(gòu)緊湊工作電壓低使用方便但其暗電流比光電倍增管的暗電流大，相應(yīng)的噪聲也較大故光電倍增管更適宜于弱光探測第87頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月光敏二極管陣列

將光敏二極管以線列或面陣形式集合在一起，用來同時探測被測物體各部位提供的不同光信息，并將這些信息轉(zhuǎn)換為電信號的器件。第88頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月象限探測器象限探測器有二象限和四象限探測器，又分光電二極管象限探測器和硅光電池象限探測器。象限探測器是在同一塊芯片上制成兩或四個探測器，中間有溝道將它們隔開，因而這兩或四個探測器有完全相同性能參數(shù)。當被測體位置發(fā)生變化時，來自目標的輻射量使象限間產(chǎn)生差異，這種差異會引起象限間信號輸出變化，從而確定目標方位，同時可起制導(dǎo)、跟蹤、搜索、定位等作用。第89頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月光敏三極管（光電三極管）光電三極管是由光電二極管和一個晶體三極管構(gòu)成，相當于在晶體三極管的基極和集電極間并聯(lián)一個光電二極管。同光電二極管一樣，光電三極管外殼也有一個透明窗口，以接收光線照射。日前用得較多的是NPN和PNP兩種平面硅光電三極管。第90頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月NPN光電三極管結(jié)構(gòu)原理簡圖第91頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月光電三極管工作原理NPN光電三極管（3DU型），使用時光電三極管的發(fā)射極接電源負極，集電極接電源正極。光電三極管不受光時，相當于普通三極管基極開路的狀態(tài)。集電結(jié)(基—集結(jié))處于反向偏置，基極電流等于0，因而集電極電流很小，為光電三極管的暗電流。當光子入射到集電結(jié)時，就會被吸收而產(chǎn)生電子—空穴對，處于反向偏置的集電結(jié)內(nèi)建電場使電子漂移到集電極，空穴漂移到基極，形成光生電壓，基極電位升高。第92頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)射結(jié)集電結(jié)BECNNP基極發(fā)射極集電極第93頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月如同普通三極管的發(fā)射結(jié)(基—發(fā)結(jié))加上了正向偏置，當基極沒有引線時，集電極電流就等于發(fā)射極電流。這樣晶體三極管起到電流放大的作用。由于光敏三極管基極電流是由光電流供給，因此一般基極不需外接點，所以通常只有集電極和發(fā)射極兩個引腳線。第94頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月光電三極管與光電二極管相比，具有較高的輸出光電流，但線性差線性差主要是由電流放大倍數(shù)的非線性所致在大照度時，光敏三極管不能作線性轉(zhuǎn)換元件，但可以作開關(guān)元件使用。管不能作線性轉(zhuǎn)換元件，但可以作開關(guān)元件使用。光電三極管的光照特性第95頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月光敏三極管的伏安特性硅光電三極管的光電流在毫安量級，硅光電二極管的光電流在微安量級。在零偏壓時硅光電三極管沒有光電流輸出，但硅光電二極管有光電流輸出。

工作電壓較低時輸出電流有非線性，硅光電三極管的非線性更嚴重。（因為放大倍數(shù)與工作電壓有關(guān)）在一定的偏壓下，硅光電三極管的伏安曲線在低照度時間隔較均勻，在高照度時曲線越來越密第96頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月硅光電三極管硅光電二極管第97頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月

光敏三極管的溫度特性溫度特性反映了光敏三極管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。溫度變化對光電流和暗電流都有影響，對暗電流的影響更大。精密測量時，應(yīng)采取溫度補償措施，否則將會導(dǎo)致輸出誤差。光電三極管的光電流和暗電流受溫度影響比光電二極管大得多第98頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月

光敏三極管的（調(diào)制）頻率特性光敏三極管的頻率特性受負載電阻的影響，減小負載電阻可以提高頻率響應(yīng)。一般來說，光敏三極管的頻率響應(yīng)比光敏二極管差。對于鍺管，入射光的調(diào)制頻率要求在5000Hz以下，硅管的頻率響應(yīng)要比鍺管好。第99頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月4.4光電轉(zhuǎn)換電路由光源、光學(xué)通路和光電器件組成的光電傳感器在用于光電檢測時，還必須配備適當?shù)臏y量電路。測量電路能夠把光電效應(yīng)造成的光電元件電性能的變化轉(zhuǎn)換成所需要的電壓或電流。不同的光電元件，所要求的測量電路也不相同。下面介紹幾種半導(dǎo)體光電元件常用的測量電路。半導(dǎo)體光敏電阻可以通過較大的電流，所以在一般情況下，無需配備放大器。在要求較大的輸出功率時，可用圖4.3.3所示的電路。圖4.3.4a給出帶有溫度補償?shù)墓饷舳O管橋式測量電路。當入射光強度緩慢變化時，光敏二極管的反向電阻也是緩慢變化的，溫度的變化將造成電橋輸出電壓的漂移，必須進行補償。圖中一個光敏二極管作為檢測元件，另一個裝在暗盒里，置于相鄰橋臂中，溫度的變化對兩只光敏二極管的影響相同，因此，可消除橋路輸出隨溫度的漂移。第100頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月光敏三極管在低照度入射光下工作時，或者希望得到較大的輸出功率時，也可以配以放大電路，如圖4.3.4b所示。。

圖4.3.3光敏電阻測量電路

圖4.3.4光敏晶體管測量電路

第101頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖4.3.5光電池測量電路

由于光電池即使在強光照射下，最大輸出電壓也僅0.6V，還不能使下一級晶體管有較大的電流輸出，故必須加正向偏壓，如圖4.3.5a所示。為了減小晶體管基極電路阻抗變化，盡量降低光電池在無光照時承受的反向偏壓，可在光電池兩端并聯(lián)一個電阻。也可以使用硅光電池組串聯(lián)，使其電壓大于0.7伏,如圖4.3.5b所示第102頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖4.3.6使用運放的光敏元件放大電路

半導(dǎo)體光電元件的光電轉(zhuǎn)換電路也可以使用集成運算放大器。硅光敏二極管通過集成運放可得到較大輸出幅度，如圖4.3.6a所示。當光照產(chǎn)生的光電流為IФ時，輸出電壓U0=IФRF，為了保證光敏二極管處于反向偏置，在它的正極要加一個負電壓。圖4.3.6b給出硅光電池的光電轉(zhuǎn)換電路，由于光電池的短路電流和光照成線性關(guān)系，因此將它接在運放的正、反相輸入端之間，利用這兩端電位差接近于零的特點，可以得到較好的效果。在圖中所示條件下，輸出電壓U0=2IФRF。第103頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月

下面是光電二極管與IC放大電路的三種典型連接方法。

1.電流放大型圖7-27(a)是電流放大型IC檢測電路。光電二極管和運算放大器的兩個輸入端同極性相連，運算放大器兩輸入端間的輸入阻抗Zin是光電二極管的負載電阻，可表示為

Zin=Rf/（A+1)式中，A是放大器的開環(huán)放大倍數(shù)；Rf是反饋電阻。當A=104。Rf=100kΩ時，Zin=10Ω。可以認為光電二極管是處于短路工作狀態(tài)，能取出近于理想的短路電流。處于電流放大狀態(tài)的運算放大器，其輸出電壓U0與輸入短路光電流成比例，并有

U0=IscRf=RfSΦ第104頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月即輸出信號與輸入光通量成正比。此外，電流放大器因輸入阻抗低而響應(yīng)速度較高并且放大器噪聲較低，所以信噪比提高。這些優(yōu)點使其廣泛應(yīng)用于弱光信號的檢測中。

第105頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月

2．電壓放大型

圖7-27(b)是電壓放大型IC檢測電路，光電二極管的正端接在運算放大器的正端，運算放大器的漏電流比光電流小得多，具有很高的輸入阻抗。當負載電阻RL取1MΩ以上時，工作在光電池狀態(tài)下的光電二極管處于接近開路狀態(tài)，可以得到與開路電壓成比例的輸出信號，即式中是該電路的電壓放大倍數(shù)。第106頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月3.阻抗變換型反向偏置光電二極管或PIN光電二極管具有恒流源性質(zhì)，內(nèi)阻很大，且飽和光電流和輸入光通量成正比，在有很高的負載電阻的情況下可以得到較大的信號電壓。但如果將這種處于反向偏置狀態(tài)下的光電二極管直接接到實際的負載電阻上，則會因阻抗的失配而削弱信號的幅度。因此需要有阻抗變換器將高阻抗的電流源變換成低阻抗的電壓源，然后再與負載相連。圖7-27(c)中所示的以場效應(yīng)管為前級的運算放大器就是這樣的阻抗變換器。該電路中場效應(yīng)管具有很高的輸入阻抗，光電流是通過反饋電阻Rf形成壓降的。電路的輸出電壓U0為

（7-81）即U0與輸入光通量成正比。當實際的負載電阻RL與放大器連接時，由于放大器輸出阻抗R0較小，RL>>R0，則負載功率P0為：

第107頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月另一方面，由式(7-12)計算光電二極管直接與負載電阻相連時負載上的功率比較兩種情況可見，采用阻抗變換器可以使功率輸出提高(Rf/RL)2倍。例如，當RL=1MΩ，Rf=10MΩ時，功率提高100倍。這種電路的時間特性較差，但用在信號帶寬沒有特殊要求的緩變光信號檢測中，可以得到很高的功率放大倍數(shù)。此外，用場效應(yīng)管代替雙極性晶體管作前置級，其偏置電流很小，因此適用于光功率很小的場合。第108頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3.4常見光電傳感器及應(yīng)用4.3.4.1各種光電檢測器件的性能比較參看75頁表2-6典型光電探測器件工作特性的比較.

動態(tài)性能(即頻率響應(yīng)):光電倍增管和光電二極管最好;光電特性(線性):光電倍增管、光電二極管和光電池;靈敏度:光電倍增管、雪崩光電二極管、光敏電阻和光電三極管;長期穩(wěn)定性:光電二極管和光電池最好,其次是光電倍增管.第109頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月第110頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3.4.2光電檢測器件的應(yīng)用選擇要點光電檢測器件必須和輻射信號源及光學(xué)系統(tǒng)在光譜特性上匹配;光電檢測器的光電轉(zhuǎn)換特性必須和入射輻射能量相匹配(器件的感光面要和照射光匹配好);光電檢測器必須和光信號的調(diào)制形式、信號頻率及波形相匹配,以保證得到?jīng)]有頻率失真的輸出波形和良好的時間響應(yīng);光電檢測器件必須和輸入電路在電特性上良好地匹配,以保證有有足夠的線性范圍、信噪比及快速的動態(tài)響應(yīng);為使器件具有長期工作的可靠性,必須注意選好器件的規(guī)格和使用的環(huán)境條件.第111頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3.4.3透射式光電傳感器及在煙塵濁度監(jiān)測上的應(yīng)用

透射式光電傳感器是將發(fā)光管和光敏三極管等，以相對的方向裝在中間帶槽的支架上。當槽內(nèi)無物體時，發(fā)光管發(fā)出的光直接照在光敏三極管的窗口上，從而產(chǎn)生一定大的電流輸出，當有物體經(jīng)過槽內(nèi)時則擋住光線，光敏管無輸出，以此可識別物體的有無。適用于光電控制、光電計量等電路中，可檢測物體的有無、運動方向、轉(zhuǎn)速等方面。 防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務(wù)之一。為了消除工業(yè)煙塵污染，首先要知道煙塵排放量，因此必須對煙塵源進行監(jiān)測、自動顯示和超標報警。第112頁，課件共120頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖4.3.7透射型BYD3M.TDT光電傳感器使用示意圖

圖4.3.8吸收式煙塵濁度監(jiān)測系統(tǒng)組成框圖

第113頁，課件共12