光電信號檢測課件

光電信號檢測第一階段：傳統(tǒng)的光學裝置及儀器，不能勝任對復(fù)雜光信息高速采集和處理的要求。第二階段：半導體集成電路技術(shù)，可以將探測器件及電路集成在一個整體中，也可以將具有多個檢測功能的探測器件集成在一個整體中。其價格低，體積小。例如，將圖形、物體等具有二維分布的光學圖像轉(zhuǎn)換成電信號的檢測器件是把基本的光電探測器件組成許多網(wǎng)狀陣列結(jié)構(gòu)，引人注目的器件CCD就是一種將陣列化的光電探測與掃描功能一體化的固態(tài)圖像檢測器件。它是把一維或二維的光學圖像轉(zhuǎn)換成時序電信號的器件，能廣泛引用于自動檢測、自動控制，尤其是圖像識別技術(shù)。像自動指紋識別系統(tǒng)（AFIS)。光電技術(shù)的發(fā)展第三階段：光導纖維傳感器的出現(xiàn)，為光電檢測技術(shù)的小型化等開辟了廣闊的前景。光纖檢測可以解決傳統(tǒng)檢測技術(shù)難以解決或無法解決的許多問題。例如，在噪聲、干擾、污染嚴重的工業(yè)過程檢測，或者在海洋、反應(yīng)堆中，自動監(jiān)測設(shè)備或智能機器人，必然會受到高壓、高溫、輻射等極端困難的條件，光纖檢測技術(shù)具有其獨特的智能化的優(yōu)越性。由于光信息傳輸?shù)莫毺貎?yōu)點，光纖檢測智能化將比其他檢測技術(shù)更具有吸引力。展望：隨著微處理技術(shù)的發(fā)展以及光電檢測技術(shù)與它的緊密結(jié)合，光電檢測技術(shù)越來越智能化。例如:機器人的視覺系統(tǒng)。本課程的主要學習內(nèi)容：光電檢測技術(shù)的基本概念、基礎(chǔ)知識和基本理論，光電檢測器件和技術(shù)的應(yīng)用。

光電檢測技術(shù)是以激光、紅外、光纖等現(xiàn)代光電子器件作為基礎(chǔ)，通過對被檢測物體的光輻射，經(jīng)光電檢測器接收光輻射并轉(zhuǎn)換為電信號，由輸入電路、放大濾波等檢測電路提取有用信息，或進入計算機處理，最終顯示輸出所需要的檢測物理參數(shù)。主要參考書目：1、光電信號檢測技術(shù)及應(yīng)用，郭培源等著2、光電檢測技術(shù)曾光宇等著3、光電探測技術(shù)用應(yīng)用盧春生等著4、激光光電檢測呂海寶等著5、光電信號檢測原理及技術(shù)趙遠等著主要課程內(nèi)容及安排緒論光電檢測器件工作原理及特性半導體光電檢測器件及應(yīng)用光電信號檢測電路光電直接檢測系統(tǒng)光外差檢測系統(tǒng)光纖傳感檢測技術(shù)光電檢測技術(shù)的典型應(yīng)用課后作業(yè)，期末考試學習方法：課堂講授，課下復(fù)習成果檢測：第一章緒論1.1信息技術(shù)及光電檢測技術(shù)1.2光電檢測與光電傳感器概念1.3光電檢測系統(tǒng)的組成及特點1.4光電檢測方法及應(yīng)用發(fā)展趨勢1.1信息技術(shù)及光電檢測技術(shù)信息技術(shù)：微電子技術(shù)、光子信息技術(shù)和光電信息技術(shù)傳統(tǒng)的電子技術(shù)微電子技術(shù)光子信息技術(shù)光電信息技術(shù)微電子技術(shù)：通過控制固體內(nèi)電子的微觀運動來實現(xiàn)對信息的加工處理，并在固體的微區(qū)（小到幾個晶格）內(nèi)進行，將一個電子功能部件甚至一個系統(tǒng)集成在一個很小的芯片上。光子信息技術(shù)：以光集成技術(shù)為核心的有關(guān)光學元器件制造的應(yīng)用技術(shù)，利用傳統(tǒng)工藝將有源和無源光學器件集成在一起，構(gòu)成能完成光學信息采集處理和存儲等功能的系統(tǒng)光電信息技術(shù)：光與電子轉(zhuǎn)換及其應(yīng)用技術(shù)，光頻段微電子技術(shù)。光電檢測技術(shù)：利用光電傳感器實現(xiàn)各類檢測，即將被測量量轉(zhuǎn)換成光通量，再將光通量轉(zhuǎn)換成電通量，并綜合利用信息傳輸技術(shù)和信息處理技術(shù)，最終完成對各類物理量進行在線和自動檢測。傳統(tǒng)的電子技術(shù)微電子技術(shù)光子信息技術(shù)光電信息技術(shù)光電檢測技術(shù)1.2光電檢測與光電傳感器概念1、檢測與測量檢測：通過一定的物理方式，分辨出被測參量并歸屬到某一范圍帶，以此來判別被測參數(shù)是否合格或是否存在。測量：將被測的未知量與同性質(zhì)的標準量比較，確定被測量對標準量的倍數(shù)，并通過數(shù)字表示出這個倍數(shù)的過程。測量方式：直接測量：溫度計，電壓表間接測量：由電壓和電流數(shù)值，通過關(guān)系計算出功率

2、光電傳感器與敏感器的概念傳感器非電量電量（確定對應(yīng)關(guān)系）光電傳感器能量控制型---有源傳感器：光敏電阻，光電二極管三極管能量轉(zhuǎn)換型---無源傳感器：光電池2、光電傳感器與敏感器的概念敏感器光電傳感器---光電效應(yīng)：將光信號轉(zhuǎn)換為電信號（確定對應(yīng)關(guān)系）可測非電量電量光電傳感器被測非電量敏感器1.3光電檢測系統(tǒng)的組成及特點一般電子檢測系統(tǒng)傳感器信號變換器輸出環(huán)節(jié)傳感器：從被測對象中提取被測信號，轉(zhuǎn)化成便于測量的電參數(shù)信號變換電路：完成信號的轉(zhuǎn)換、濾波和放大一般光電系統(tǒng)光發(fā)射機光學通道光接收機光發(fā)射機：分為主動式和被動式

主動式：光源（或加調(diào)制器）被動式：無自身光源，來自被測物體的光熱輻射發(fā)射光學通道：大氣、空間、水下和光纖等光接收機：收集入射的光信號并加以處理，恢復(fù)光載波信息光接收機的基本結(jié)構(gòu)接收到的光場接收透鏡系統(tǒng)光電檢測器后繼檢測處理器接收透鏡系統(tǒng)：對光信號進行濾波、聚焦，入射到光檢測器上光電檢測器：完成光電信號的轉(zhuǎn)換檢測處理電路：完成電信號的放大、調(diào)理及濾波，恢復(fù)信號。光接收機的分類功率檢測接收機—直接檢測或非相干檢測

外差檢測接收機—相干檢測（空間相干）光接收機的分類圖示透鏡光電檢測器接收到的光場空間濾波器頻率濾波器直接檢測接收機外差檢測接收機合束鏡光電檢測器接收到的光場本地激光器本地光場聚焦光場透鏡光電系統(tǒng)框圖光源光學系統(tǒng)被測對象光學變換光電轉(zhuǎn)換電信號處理存儲顯示控制光學變換：通過各種光學元件和光學系統(tǒng)，如平面鏡、狹縫、透鏡、棱鏡、光柵、成像系統(tǒng)等來實現(xiàn)，作用是將被測量轉(zhuǎn)換為光參量（振幅、頻率、相位、偏振態(tài)，傳播方向變化等）。光電轉(zhuǎn)換：由各種光電器件來實現(xiàn)，如光電檢測器件、光電攝像器件、光電熱敏器件等。光電系統(tǒng)的分類1、光電系統(tǒng)的分類：廣義的光電系統(tǒng)包括兩個分支，即光電能量系統(tǒng)、光電信息系統(tǒng)

（1）光電能量系統(tǒng)：太陽能發(fā)電、激光加工、激光醫(yī)療、激光核聚變等。主要是解決有關(guān)大功率光輻射能量的產(chǎn)生、控制、利用及向其他能量形式的轉(zhuǎn)換。（2）光電信息系統(tǒng)：以光輻射和電子流為信息載體，通過光電或電光相互轉(zhuǎn)換，綜合利用光學或電子學的方法進行信息的傳輸、采集、處理、存儲或顯示、以實現(xiàn)確定目標的混合系統(tǒng)，簡稱光電系統(tǒng)。2、光電系統(tǒng)大致可分作下列幾種類型。

（1）光-電型（應(yīng)用最廣泛）：被測量對象經(jīng)過光機系統(tǒng)產(chǎn)生光信號，其通過光電轉(zhuǎn)換成電信號進入電子系統(tǒng)，光學儀器的自動化常采用這種方式。若經(jīng)AD轉(zhuǎn)換，進一步傳輸?shù)接嬎銠C處理，可組成部分代替人的視覺和思維活動的機器視覺系統(tǒng)。例如：智能化的工業(yè)在線檢測。（2）光-電-光型：

由光機系統(tǒng)采集到的光信號通過光電轉(zhuǎn)換（A/D）成電信號，經(jīng)電信號處理后再經(jīng)過電光變換形成光信號輸出。例如：電視技術(shù)中的攝像管，顯像管以及聲像光盤的錄制和再現(xiàn)都是這類系統(tǒng)的代表。（3）電-光-電型：電信號經(jīng)過電光變換得到可在光路中傳輸?shù)墓庑盘?，在?jīng)過光電變換為電信號后作進一步處理或輸出。典型應(yīng)用如光纖通訊，其主要利用光纖對光信號進行傳輸。像光纖立靶的應(yīng)用。

（4）光電混合型：其主要特點是使傳統(tǒng)光路實現(xiàn)光路器件的“有源化”和封閉的光束網(wǎng)絡(luò)，例如光導纖維、空間調(diào)制器等。這將最終組成有源可控的光學系統(tǒng)和集成光路。和現(xiàn)有的無源光路比較，這是光學技術(shù)的根本變革。（5）電光混合型這種系統(tǒng)的目標是將電路系統(tǒng)元器件的功能用光學方法來實現(xiàn)，即所謂的電路元件的“光子化”，例如光學晶體管和光學雙穩(wěn)態(tài)器件等，目前許多單元器件已相繼問世或正在研制中。后兩種光電系統(tǒng)是光電技術(shù)未來的發(fā)展方向，其中的光電混合式或全光學式的光學計算機是這些系統(tǒng)最有吸引力的發(fā)展目標。

通過上面的學習我們可以看出，光電系統(tǒng)的共同特點是通過光電檢測——所有被研究的信息都將通過各種效應(yīng)（機、熱、聲、電、磁）調(diào)制到光載波上，然后將攜帶被研究的信息光載波轉(zhuǎn)換為電信號，并通過電子線路和計算機的綜合處理，實現(xiàn)光學儀器的自動化。因此，光電檢測作為光電系統(tǒng)的一種共性技術(shù)具有重要的意義。所謂光電檢測，指的是對光信號的調(diào)制變換和接收解調(diào)兩個主要方面。

高精度。各種檢測技術(shù)中最高。如激光干涉儀法檢測長度的精度達0.05um/m；光柵莫爾條紋法測角可達0.04秒；用激光測距法測量地球到月球之間距離分辨率可達1m。高速度。光電檢測以光為介質(zhì)，用光學方法獲取和傳遞信息是最快的。遠距離，大量程。光便于遠距離傳播的介質(zhì)，適于遙控和遙測，如武器制導，光電跟蹤，電視遙測等。非接觸檢測。光照可認為是沒有測量力的，也無磨擦，可實現(xiàn)動態(tài)測量，效率最高。壽命長。光波可永久使用。具有很強的信息處理和運算能力?？蓪?fù)雜信息并行處理。。同時光電方法還便于信息控制和存儲，易于實現(xiàn)自動化和智能化。光電檢測技術(shù)的特點了解并掌握典型的光電器件的原理和特點，會正確選用光電器件。學會根據(jù)光電器件的特點選擇和設(shè)計光電檢測電路和有關(guān)參數(shù)。能根據(jù)被測對象的要求，設(shè)計光電檢測系統(tǒng)。光電檢測技術(shù)的學習要求：1.4光電檢測方法及應(yīng)用發(fā)展趨勢光電傳感器的類型根據(jù)光源、光學系統(tǒng)和光電轉(zhuǎn)換器件放置位置的不同，可分為：直射型：光電轉(zhuǎn)換器對著光源放置，光軸重合，對于光源為發(fā)射光通量最大方向，對于光電器件為靈敏度最高的方向。反射型：分為單向反射和漫反射輻射型：被測物體本身為一輻射源，光電檢測器通過接收被測物體的輻射光能量實現(xiàn)測量。光電檢測的基本方法根據(jù)檢測原理，基本方法：

直接作用法、差動測量法、補償測量法和脈沖測量法I、直接作用法：受被測物理量控制的光通量，經(jīng)光電接收器轉(zhuǎn)換后由檢測機構(gòu)可直接得到所求被測物理量。被測物理量光通量光電傳感器放大、定標直接讀數(shù)光電系統(tǒng)的基本模型II、差動測量法：利用被測量與某一標準量相比較，所得差或數(shù)值比可反應(yīng)被測量的大小，放大相敏檢波器uACREUL調(diào)制盤被測物光楔反光鏡Φ2Φ1雙光路差動測量法測量物體長度工作原理：Φ1=Φ2時，U=0ΦOΦ1Φ2Φ1Φ2tUOtΦOΦ1Φ2Φ1Φ2tUOtΦOΦ1Φ2Φ1Φ2tUOtΦ1>Φ2時，工件尺寸變小

U=S*(Φ1-Φ2)=S*ΔΦΦ1<Φ2時，工件尺寸變大

U=S*(Φ1-Φ2)=-S*ΔΦ說明：測量值的大小決定了U的幅值，測量值的正負決定于U的相位，可通過相敏檢波器得到。測量值U的幅值工件大小相敏檢測器：核心是由一個乘法器和一個濾波器，如圖一路為信號us，另一路為uR。ui=us=Eisin(ω1t+θ1),uR=ERsin(ω2t+θ2),濾波器ui或usu0uRu0=uiuR=1/2gEiERcos[2π(f1-f2)t+θ1-θ2)-1/2gEiERcos(2π(f1+f2)t+θ1+θ2]濾去高頻信號后，u0=uiuR=1/2gEiERcos[2π(f1-f2)t+θ1-θ2]如f1=f2，則u0=1/2gEiERcos(θ1-θ2)=1/2gEiERcosΔθ特性分析：

Δθ=0，則u0輸出為正，

Δθ=π，則u0輸出為負。相敏檢波器用途：可用來測幅，測相，還可高頻信號變成中頻信號（差頻信號）雙光路外差檢測特點：

雙光路可消除雜散光、光源波動、溫度變化和電源電壓波動帶來的測量誤差，使測量精度和靈敏度大大提高。III、補償測量法：原理：是用光或電的方法補償由被測量變化而引起的光通量變化，補償器的可動元件連接讀數(shù)裝置指示出補償量值，其大小反應(yīng)被測量變化大小。例：由相敏檢波器輸出控制光楔上下移動，使Φ1-Φ2=0，光楔移動與讀數(shù)機構(gòu)相連，讀數(shù)反映光通量的變化量，即被測值。放大相敏檢波器uACREUL調(diào)制盤被測物光楔反光鏡Φ2Φ1移動控制及讀數(shù)顯示IV、脈沖測量法：原理：測量中將被測量的光通量轉(zhuǎn)換成電脈沖，其參數(shù)（脈寬，相位，頻率，脈沖數(shù)量等）反映被測量的大小。1、脈寬方法測長度：測量關(guān)系式：

L=v*t=v*k*N=K*Nk---高頻脈沖時間當量K---長度當量N---計數(shù)器值高頻脈沖可取自電動機或轉(zhuǎn)動輪上脈沖，消除不勻速帶來的誤差。vnR1ER2高頻脈沖N計數(shù)器2、頻率法測速：在轉(zhuǎn)動輪上均勻貼有反射片，光電傳感器可接收與轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的光脈沖，m為反光片數(shù)，n為每分鐘轉(zhuǎn)速，則：f=n*m/60=N/t；即轉(zhuǎn)速可以由此得到：n=60N/m*t控制時間tRE放大整形N計數(shù)脈沖測量法特點：抗干擾性能好，精度高，直接與計算機相連，易于實現(xiàn)在線測量和自動化控制。光電傳感器的發(fā)展趨勢發(fā)展納米、亞納米高精度的光電測量新技術(shù)。發(fā)展小型的、快速的微型光、機、電檢測系統(tǒng)。非接觸、快速在線測量，以滿足快速增長的經(jīng)濟需要。向微空間三維測量技術(shù)和大空間三維測量技術(shù)發(fā)展。發(fā)展閉環(huán)控制的光電檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)光電測量與光電控制一體化。向人們無法觸及的領(lǐng)域發(fā)展。發(fā)展光電跟蹤與光電掃描技術(shù)，如遠距離的遙控，遙測技術(shù)，激光制導，飛行物自動跟蹤，復(fù)雜形體自動掃描測量等。思考題及作業(yè)1、如何實現(xiàn)非電量的測量，舉例說明。

2、電子計數(shù)器如何實現(xiàn)既能測量頻率又能測量周期?為什么要通過測量周期方法來測量低頻信號的頻率第二章

光電檢測器件工作原理及特性2.1光電檢測器件的物理基礎(chǔ)

1、光電導效應(yīng)

2、雜質(zhì)光電導效應(yīng)

3、光生伏特效應(yīng)

4、光熱效應(yīng)2.2光電檢測器件的特性參數(shù)2.1光電檢測器件的物理基礎(chǔ)

----光電效應(yīng)和光熱效應(yīng)

光電導效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)和光熱效應(yīng)光電效應(yīng)：物質(zhì)受光照射后，材料電學性質(zhì)發(fā)生了變化（發(fā)射電子、電導率的改變、產(chǎn)生感生電動勢）現(xiàn)象。

包括：外光電效應(yīng)：產(chǎn)生電子發(fā)射內(nèi)光電效應(yīng)：內(nèi)部電子能量狀態(tài)發(fā)生變化2.1.1光電導效應(yīng)光電導效應(yīng)：光照射的物質(zhì)電導率發(fā)生改變，光照變化引起材料電導率變化。是光電導器件工作的基礎(chǔ)。

物理本質(zhì)：光照到半導體材料時，晶格原子或雜質(zhì)原子的束縛態(tài)電子吸收光子能量并被激發(fā)為傳導態(tài)自由電子，引起材料載流子濃度增加，因而導致材料電導率增大。屬于內(nèi)光電效應(yīng)。

包括：本征和非本征兩種，對應(yīng)本征和雜質(zhì)半導體材料。1、本征光電導效應(yīng)本征光電導效應(yīng)：是指本征半導體材料發(fā)生光電導效應(yīng)。

即：光子能量hv大于材料禁帶寬度Eg的入射光，才能激光出電子空穴對，使材料產(chǎn)生光電導效應(yīng)。針對本征半導體材料。即：

hv>Eg即存在截止波長：λ0=hc/Eg=1.24/Eg。基本概念：1、穩(wěn)態(tài)光電流：穩(wěn)定均勻光照

2、暗電導率和暗電流3、亮電導率和亮電流4、光電導和光電流基本公式：暗電導率Gd=σdS/L暗電流Id=σdSU/L亮電導率Gl=σlS/L亮電流Il=σlSU/L光電導Gp=ΔσS/L光電流Ip=ΔσSU/L光電導效應(yīng)示意圖LS本征半導體樣品光U2、光電導弛豫過程

光電導效應(yīng)是非平衡載流子效應(yīng)，因此存在一定的弛豫現(xiàn)象，即光電導材料從光照開始到獲得穩(wěn)定的光電流需要一定的時間。同樣光電流的消失也是逐漸的。弛豫現(xiàn)象說明了光電導體對光強變化的反應(yīng)快慢程度，稱為惰性。EtOi(%)tO1006337τrτf矩形光脈沖光電導對光強變化反應(yīng)的惰性引起光電流變化的延遲

輸出光電流與光功率調(diào)制頻率變化關(guān)系是一低通特性。3、光電導增益光電導增益是表征光電導器件特性的一個重要參數(shù)，表示長度為L的光電導體在兩端加上電壓U后，由光照產(chǎn)生的光生載流子在電場作用下形成的外電流與光生載流子在內(nèi)部形成的光電流之比?？杀硎緸?M=τ/τdr

τ為器件的時間響應(yīng)

τdr為載流子在兩極間的渡越時間光電導器件常做成梳狀電極，光敏面做成蛇形，即保證了較大的受光表面，又可減小電極間距離，從而減小載流子的有效極間渡越時間，也利于提高靈敏度光電導器件的光電導增益與帶寬積為一常數(shù)，即MΔf=常數(shù)。表明，光電導增益越大，光電靈敏度越高，而器件的帶寬越低。反之亦然。這一結(jié)論對光電效應(yīng)現(xiàn)象有普遍性。2.1.2雜質(zhì)光電導效應(yīng)：雜質(zhì)半導體雜質(zhì)半導體中施主或受主吸收光子能量后電離中，產(chǎn)生自由電子或空穴，從而增加材料電導率的現(xiàn)象。

雜質(zhì)半導體禁帶寬度比本征小很多，因此更容易電離，響應(yīng)波長比本征材料要長得多。用EI表示雜質(zhì)半導體的電離能，則截止波長：λ0=hc/EI。

特點：容易受熱激發(fā)產(chǎn)生的噪聲的影響，常工作在低溫狀態(tài)。

常用光電導材料：硅Si、鍺Ge及摻雜的半導體材料，以及一些有機物。2.1.3光生伏特效應(yīng)達到內(nèi)部動態(tài)平衡的半導體PN結(jié)，在光照的作用下，在PN結(jié)的兩端產(chǎn)生電動勢，稱為光生電動勢。這就是光生伏特效應(yīng)。也稱光伏效應(yīng)。物理本質(zhì)：PN結(jié)內(nèi)建電場使得載流子（電子和空穴）的擴散和漂移運動達到了動態(tài)的平衡，在光子能量大于禁帶寬度的光照的作用下，激光出的電子空穴對打破原有平衡，靠近結(jié)區(qū)電子和空穴分別向N區(qū)和P區(qū)移動，形成光電流，同時形成載流子的積累，內(nèi)建電場減小，相當于在PN加了一個正向電壓。即光生電動勢。IpPN____VDV+光照PNEcEvEFeVD無光照有光照PNEcEvEFeVD-eV形成過程：空穴電子光生（正向）電壓產(chǎn)生正向注入電流（由P指N）：

I+=Is[exp(qV/kT)-1]I+當PN結(jié)外接回路時，總電流與光生電流和結(jié)電流之間關(guān)系：

I=Ip-I+=Ip-Is[exp(qV/kT)-1]負載接入外回路，電流為I，則PN結(jié)兩端電壓為：

V=(kT/q)ln[(Ip-I)/Is+1]

PN結(jié)開路時，I=0，求得開路電壓：Voc=(kT/q)ln(Ip/Is+1)

可見Voc與Ip為非線性關(guān)系。PN結(jié)短路，V=0，求得短路電流即光電流：Isc=Ip=qη/hν=P沒有光照時，Ip=0，外加正向電壓為V時，有I+=Is[exp(qV/kT)-1]注意：光伏效應(yīng)與光照相聯(lián)系的是少數(shù)載流子的行為，少數(shù)載流子的壽命通常很短。所以以光伏效應(yīng)為基礎(chǔ)的檢測器件比以光電導效應(yīng)為基礎(chǔ)的檢測器件有更快的響應(yīng)速度。與光電效應(yīng)的區(qū)別：光電效應(yīng)中，光子能量直接變?yōu)楣怆娮拥哪芰浚鉄嵝?yīng)中，光能量與晶格相互作用使其運動加劇，造成溫度的升高，從而引起物質(zhì)相關(guān)電學特性變化。2.1.4光熱效應(yīng)可分為:熱釋電效應(yīng)、輻射熱計效應(yīng)及溫差電效應(yīng)1、熱釋電效應(yīng)

介質(zhì)溫度在光照作用下溫度發(fā)生變化，介質(zhì)的極化強度隨溫度變化而變化，引起表面電荷變化的現(xiàn)象。

物理本質(zhì)：極化晶體極化晶體：在外電場和應(yīng)力為零情況下自身具有自發(fā)極化的晶體，原因是內(nèi)部電偶極矩不為零，表面感應(yīng)束縛電荷。+-+-+-+-+-+-______P(T1)P(T2)+-+-+-+-+-+-___j工作溫度T1（左）和工作溫度T2>T1（右）極化晶體表面束縛電荷，被周圍自由電荷不斷中和，表面無電荷。光照時，晶體溫度升高，電偶極子熱運動加劇，極化強度減弱，表面感應(yīng)電荷數(shù)減小，但中和過程（達數(shù)秒）要遠大于極化強度的響應(yīng)過程（10-12s），相當于釋放了一些電荷，對外表面為電流。可以在這些電荷被中和之間測量到。熱釋電現(xiàn)象中：溫度對自發(fā)極化強度的影響。TcPTOTcPTO極化晶體的極化強度與溫度T的關(guān)系：一級相變（左）和二極相變（右）隨著溫度的升高，自發(fā)極化強度越來越弱，當達到一定溫度時，自發(fā)極化強度為零，極化晶體發(fā)生相變?yōu)榉菢O化晶體。2、輻射熱計效應(yīng)入射光照射材料由于受熱而造成電阻率變化的現(xiàn)象稱為輻射熱計效應(yīng)。由溫度引起電阻率變化。阻值與溫度變化關(guān)系：ΔR=αTRΔTαT為電阻溫度系數(shù)R為元件電阻當溫度變化足夠小時，αT=1/R*dR/dT對金屬材料，R=BT，則αT=1/T，呈反比關(guān)系。對半導體材料，R與T具有指數(shù)關(guān)系，則αT=-B/T2。說明溫度越高，電阻溫度系數(shù)越小。B為常數(shù)，典型值3000K。3、溫差電效應(yīng)

由兩種不同材料制成的結(jié)點由于受到某種因素作用而出現(xiàn)了溫差，就有可能在兩結(jié)點間產(chǎn)生電動勢，回路中產(chǎn)生電流，這就是溫差電效應(yīng)。當有光照結(jié)點產(chǎn)生溫度變化就會產(chǎn)生溫差電現(xiàn)象。另外，如果在圖中x，y處接一電動勢，導體中產(chǎn)生電流，兩個接點1和2處就會出現(xiàn)一個吸熱一個放熱的現(xiàn)象。吸（放）熱速率：dθp/dt=πI，π稱為帖耳帖系數(shù)xyT1T212導體a導體b2.2光電檢測器件的特性參數(shù)

光電檢測器件利用特質(zhì)的光電效應(yīng)把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件，它的性能對光電檢測系統(tǒng)影響很大。根據(jù)工作機理的不同，可分為光子檢測器件和熱電檢測器件。熱電檢測器件熱釋電檢測器（熱釋電效應(yīng)）熱敏電阻（輻射熱計效應(yīng)）熱電偶和熱電堆（溫差電效應(yīng)）一、分類光子檢測器件電真空或光電發(fā)射型檢測器件固體或半導體光電檢測器件光電管光電倍增管光導型：光敏電阻光伏型：光電池光電二、三極管光子檢測器件（即通常意義上的光電檢測器件）分類：熱敏檢測器件的特點：

1、響應(yīng)波長無選擇性。對各種波長具有相同的敏感性。

2、響應(yīng)慢。即吸收輻射后產(chǎn)生信號所需時間長，在毫秒量級光子檢測器件的特點：

1、響應(yīng)波長有選擇性。存在截止波長。

2、響應(yīng)快。一般為納秒到幾百微秒二、特性參數(shù)1、響應(yīng)度（或稱靈敏度）S電壓響應(yīng)度：SV=Vo/Pi電流響應(yīng)度：SI=Io/Pi

其中：Vo和Io分別為光電檢測器輸出電壓和輸出電流。P為入射光功率（或用通量Φ表示）。2、光譜響應(yīng)度S(λ)光譜響應(yīng)度：S(λ)=Vo/Φ(λ)

(V/W)S(λ)=Io/Φ(λ)

(A/W)Φ(λ)為入射的單色輻射通量或光通量。3、積分響應(yīng)度S：

表示檢測器對各種波長的輻射光連續(xù)輻射通量的反應(yīng)程度，光電檢測器件輸出的電流或電壓與入射光通量之比。各種輻射波長的總光通量為：Φ=?不同波長光輻射引導的總輸出光電流Io=?

則積分響應(yīng)度S=？

式中λ0和λ1分別為光電檢測器的長波限和短波限。4、響應(yīng)時間τ：

響應(yīng)時間是描述光電檢測器對入射輻射響應(yīng)快慢的參數(shù)。即入射光輻射到檢測器后或入射光被遮斷后，光電檢測器件輸出上升到穩(wěn)定值或下降到照射前的值所需要的時間。當一個輻射脈沖照射光電檢測器時，如果這個脈沖上升和下降時間很短，則光電檢測器由于惰性而有延遲。上升時間τr和下降時間τf矩形光脈沖入射光tOτrτfI光tO10.10.95、頻率響應(yīng)S(f)：

由于光電檢測器信號的產(chǎn)生和消失存在著一個滯后過程，所以入射光輻射的頻率對光電檢測器的響應(yīng)將有很大的影響，把光電檢測器的響應(yīng)隨入射輻射的調(diào)制頻率而變化的特性稱為頻率響應(yīng)。利用時間常數(shù)可得到頻率響應(yīng)關(guān)系：S(f)=S0/[1+(2πfτ)2]1/2

S0為頻率是零時的響應(yīng)度；τ為時間常數(shù)。

可求得放大器的上限截止頻率：f上=1/2πτ=1/2πRC

可見：光電檢測器電路時間常數(shù)決定了頻率響應(yīng)帶寬6、熱噪聲：

當入射輻射功率很低時，輸出只是些雜亂無章的變化信號，無法肯定是否為入射輻射信號，這是檢測器固有的噪聲引起的。其時間平均值為零，但均方根不等于零，即存在瞬時電流擾動。這個均方根電壓（或電流）即為噪聲電壓（流）。熱噪聲是由載流子無規(guī)則運動造成的。熱噪聲電壓和電流均方值為：？=4kTRΔf

？=4kT(Δf/R)

其中R為導體電阻，k為玻耳茲曼常數(shù)，T為導體的熱力學溫度，Δf為測量系統(tǒng)的噪聲帶寬。熱噪聲存在于任何電阻中，與溫度成正比，與頻率無關(guān)，說明熱噪聲是由各種頻率分量組成，可稱為白噪聲。7、散粒噪聲：

或稱散彈噪聲，即穿越勢壘的載流子的隨機漲落（統(tǒng)計起伏）所造成的噪聲。理論表明，在每個時間段內(nèi)，穿越勢壘區(qū)的載流子數(shù)或從陰極到陽極的電子數(shù)都在一個平均值上下起伏。這種起伏引起的均方噪聲電流為：？=2qIDCΔf

其中IDC為流過器件電流的直流分量（平均值）,q為電子電荷，

散粒噪聲也屬于白噪聲。8、信噪比（S/N）：

信噪比是判斷噪聲大小通常使用的參數(shù)。它是在負載電阻RL上產(chǎn)生的信號功率與噪聲功率比。

S/N=PS/PN=IS2RL/IN2RL=IS2/IN2用分貝（dB）表示：（S/N)dB=10lg(IS2/IN2)=20lg(IS/IN)

S/N的大小與入射信號輻射功率及接收面積有關(guān)，入射輻射強，接收面積大，則S/N就大。但性能不一定就好，對兩種光電器件只有在相同信號輻射功率相同情況下才能比較。9、線性度（非線性誤差δ）：

線性度是描述光電檢測器輸出信號與輸入信號保持線性關(guān)系的，即在規(guī)定范圍內(nèi)，光電檢測器的輸出電量正比于輸入光量的性能。光電檢測器件的響應(yīng)度是常數(shù)的范圍稱為線性區(qū)。δ=Δmax/I2-I1實線為實際響應(yīng)曲線虛線為擬合直線ΦIOI2I1光電檢測器線性區(qū)的大小與檢測器后電子線路有很大關(guān)系：線性區(qū)的下限一般由光電器件的暗電流和噪聲因素決定，上限由飽和效應(yīng)或過載決定。還隨偏置、輻射調(diào)制及調(diào)制頻率等條件的變化而變化。10、工作溫度：

光電檢測器的工作溫度是最佳工作狀態(tài)時的溫度，是光電檢測器重要的性能參數(shù)之一。

光電檢測器工作溫度不同，工作性能將會有所變化。例如HgCdTe（汞鎘碲）檢測器在液氮溫度時，有較高的信噪比，而鍺摻銅光電導器件在4K左右時，有較高的信噪比；如果溫度升高，它們的性能會逐漸變差，以致無法使用。又如InSb（銻化銦）器件，工作溫度在300K，長波限為7.5um，峰值波長在6um，工作溫度為77K時，長波限為5.5um，峰值波長為5um，變化明顯。對于熱電檢測器，環(huán)境檢測工作溫度變化會使響應(yīng)度和熱噪聲發(fā)生變化，作業(yè)思考題簡述光生伏特效應(yīng)的工作原理，為什么為伏效慶器件比光電導效應(yīng)器件有更快的響應(yīng)速度。比較光電效應(yīng)和光熱效應(yīng)在作用機理、性能及應(yīng)用特點等方面的差異。思考題2.某光敏電阻與負載電阻RL=2kΩ串接于12伏的直流電源上，無光照時負載電阻上的輸出電壓為u1=20mV，有光照時負載上的輸出電流u2=2V，試求：光敏電阻的暗電阻和亮電阻值；若光敏電阻的光導靈敏度S=6×10-6s/lx，求光敏電阻所受的照度？第三章

半導體光電檢測器件及應(yīng)用3.1光敏電阻3.2光生伏特器件--光電池3.3光電二極管與光電三極管3.4發(fā)光器件3.5光電耦合器件3.6光電位置敏感器件3.7光熱輻射檢測器件3.8各種光電檢測器件的性能比較3.1光敏電阻利用具有光電導效應(yīng)的材料（如Si、Ge等本征半導體與雜質(zhì)半導體，如CdS、CdSe、PbO）可以制成電導率隨入射光輻射量變化而變化的器件，這類器件被稱為光電導器件或光敏電阻。結(jié)構(gòu)特點：體積小、堅固耐用、價格低廉、光譜響應(yīng)范圍寬，廣泛應(yīng)用于微弱輻射信號的檢測技術(shù)領(lǐng)域。3.1.1、光敏電阻的結(jié)構(gòu)及工作原理UbbIpIp金屬電極光電導材料入射光光敏電阻原理及符號光敏電阻符號工作原理UIp電極入射光當入射光子使半導體物質(zhì)中的電子由價帶躍升到導帶時，導帶中的電子和價帶中的空穴均參與導電，因此電阻顯著減小，電導增加，或連接電源和負載電阻，可輸出電信號，此時可得出光電導g與光電流I光的表達式為：工作原理g=gL-gdI光=IL-Id工作原理光敏電阻按半導體材料的不同可分為本征型和雜質(zhì)型兩種，本征型半導體光敏電阻常用于可見光長波段檢測，雜質(zhì)型常用于紅外波段至遠紅外波段光輻射的檢測。光敏電阻設(shè)計的基本原則光敏電阻在弱光輻射下光電導靈敏度Sg與光敏電阻兩電極間距離l的平方成反比，在強輻射作用下Sg與l的二分之三次方成反比，因此在設(shè)計光敏電阻時，盡可能地縮短光敏電阻兩極間距離。光敏電阻的基本結(jié)構(gòu)12321-光電導材料；2-電極；3-襯底材料絕緣基底光電導體膜工作性能特點：光譜響應(yīng)范圍相當寬。可見光、紅外、遠紅外、紫外區(qū)域工作電流大，可達數(shù)毫安。所測光電強度范圍寬，既可測弱光，也可測強光靈敏度高，光電增益可以大于1無選擇極性之分，使用方便。缺點：強光下光電線性度較差，弛豫時間過長，頻率特性差。光敏電阻的種類及應(yīng)用主要材料：Si、Ge、II-VI族和III-V族化合物，以及一些有機物。分紫外光、可見光、紅外及遠紅外敏感的光敏電阻。應(yīng)用：照相機、光度計、光電自動控制、輻射測量、能量輻射、物體搜索和跟蹤、紅外成像和紅外通信等技術(shù)方面制成的光輻射接收器件。3.1.2、光敏電阻特性參數(shù)1、光電特性光敏電阻的光電流I光與輸入輻射照度有下列關(guān)系式：其中：I光為光電流，I光=IL-Id；

E為照度，γ為光照指數(shù)，與材料的入射強弱有關(guān)，對CdS光電導體，弱光照射下γ=1，強光下γ=0.5；

U為光敏電阻兩端所加電壓，α為電壓指數(shù)，與光電導體和電極材料間接觸有關(guān)，歐姆接觸時α=1，非歐姆接觸時α=1.1-1.2Sg為光電導靈敏度，單位S/lxOI光ECdS的光電特性對CdS光電導體，弱光照射下γ=1，強光下γ=0.5；為什么？

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）2、伏安特性（輸出特性）

一定光照下，光敏電阻的光電流與所加電壓關(guān)系即為伏安特性。3.1.2、光敏電阻特性參數(shù)允許的功耗線O10電壓V/VI光/mA510050100lx10lx250mW光敏電阻的伏安特性

光敏電阻為一純電阻，符合歐姆定律，曲線為直線。但對大多數(shù)半導體，電場強度超過時，不再遵守歐姆定律。而CdS在100V時就不成線性了。

3.1.2、光敏電阻特性參數(shù)3、溫度特性

光敏電阻為多數(shù)載流子導電的光電器件，具有復(fù)雜的溫度特性。不同材料的光敏電阻溫度特性不同。書25頁中圖3-5中為CdS和CdSe光敏電阻不同照度下的溫度特性曲線?？梢钥闯鰷囟壬呖梢詫е虏牧瞎怆妼实南陆怠嶋H中往往采用控制光敏電阻工作的溫度的辦法提高工作穩(wěn)定性。3.1.2、光敏電阻特性參數(shù)

換句話說，溫度的變化，引起溫度噪聲，導致光敏電阻靈敏度、光照特性、響應(yīng)率等都發(fā)生變化。為了提高靈敏度，必須采用冷卻裝置，尤其是雜質(zhì)型半導體對長波長紅外輻射檢測領(lǐng)域更為重要。溫度特性3.1.2、光敏電阻特性參數(shù)4、前歷效應(yīng)

指光敏電阻的時間特性與工作前“歷史”有關(guān)的一種現(xiàn)象。即測試前光敏電阻所處狀態(tài)對光敏電阻特性的影響。

暗態(tài)前歷效應(yīng)：指光敏電阻測試或工作前處于暗態(tài)，當它突然受到光照后光電流上升的快慢程度。一般地，工作電壓越低，光照度越低，則暗態(tài)前歷效應(yīng)就越重，光電流上升越慢。1-黑暗放置3分鐘后

2-黑暗放置60分鐘后

3-黑暗放置24小時后

亮態(tài)前歷效應(yīng)：光敏電阻測試或工作前已處于亮態(tài)，當照度與工作時所要達到的照度不同時，所出現(xiàn)的一種滯后現(xiàn)象。3.1.2、光敏電阻特性參數(shù)前歷效應(yīng)3.1.2、光敏電阻特性參數(shù)5、頻率特性

光敏電阻的時間常數(shù)較大，所以其上限頻率f上低，只有PbS光敏電阻的工作頻率特性達到幾千赫茲。當E=0.11lx時，光敏電阻tr=1.4s，

E=10lx時，光敏電阻tr=66mS,E=100lx時，光敏電阻tr=6mS。

同時，時間特性與輸入光的照度、工作溫度有明顯的依賴關(guān)系。4123O1f/Hz相對輸出0.41051010.20.60.81021031041-Se；2-CdS；3-TlS；4-PbS3.1.2、光敏電阻特性參數(shù)6、時間響應(yīng)

光敏電阻的時間常數(shù)較大，慣性大，時間響應(yīng)比其它光電器件差。頻率響應(yīng)低。時間特性與光照度、工作溫度有明顯的依賴關(guān)系。Τ’rΤ’fEtOi(%)tO1006337τrτf矩形光脈沖10lx100lx3.1.2、光敏電阻特性參數(shù)7、光譜特性相對靈敏度與波長的關(guān)系可見光區(qū)光敏電阻的光譜特性

光譜特性曲線覆蓋了整個可見光區(qū)，峰值波長在515～600nm之間。尤其硫化鎘（2）的峰值波長與人眼的很敏感的峰值波長（555nm）是很接近的，因此可用于與人眼有關(guān)的儀器。3.1.2、光敏電阻特性參數(shù)光譜特性紅外區(qū)光敏電阻的光譜特性注明：此特性與所用材料的光譜響應(yīng)、制造工藝、摻雜濃度和使用的環(huán)境溫度有關(guān)。1、常用光敏電阻CdS光敏電阻：峰值響應(yīng)波長0.52um，摻銅或氯時峰值波長變長，光譜響應(yīng)向紅外區(qū)延伸，其亮暗電導比在10lx照度上可達1011(一般約為106)，其時間常數(shù)與入射光強度有關(guān)，100lx下可達幾十毫秒。是可見光波段最靈敏的光敏電阻。PbS光敏電阻：響應(yīng)波長在近紅外波段，室溫下響應(yīng)波長可達3um，峰值探測率Dλ*=1.5Χ1011cm·Hz1/2/w。缺點主要是響應(yīng)時間太長，室溫條件下100-300uS。內(nèi)阻約為1MΩ，銻化銦（InSb）光敏電阻：長波限7.5um，內(nèi)阻低（約50Ω），峰值探測率Dλ*=1.2Χ1011cm·Hz1/2/w。時間常數(shù)0.02uS。零度時探測率可提高2-3倍。碲鎘汞HgCdTe系列光敏電阻。其性能優(yōu)良，最有前途的光敏電阻。不同的Cd組分比例，可實現(xiàn)1-3um,3-5um,8-14um的光譜范圍的探測。例如Hg0.8Cd0.2Te響應(yīng)在大氣窗口8-14um，峰值波長10.6um，Hg0.72Cd0.28Te響應(yīng)波長在3-5um.碲錫鉛（PbSnTe）系列光敏電阻：不同的錫組分比例，響應(yīng)波長不同。主要用在8-10um波段探測，但探測率低，應(yīng)用不廣泛。3.1.3、光敏電阻的應(yīng)用電路2、基本偏置電路3.1.3、光敏電阻的應(yīng)用電路RPURLULI

忽略暗電導Gd(暗電阻很大)：

G=Gp=SgE或G=SgΦ

即對R求導得到負號表示電阻是隨溫度的增加而減小。當光通量變化時，電阻變化ΔRp，電流變化ΔI，即有：

即2、基本偏置電路3.1.3、光敏電阻的應(yīng)用電路URLULI輸出電壓3.1.3、光敏電阻的應(yīng)用電路1、火焰檢測報警器R12kΩ中心站放大器VDW6VR2200kΩR3PbSC168nFC268uFR43.9MΩR5820kΩR71kΩR832kΩR63.9kΩR9150kΩC44.7nF+C3100uFV1V2V3PbS光敏電阻：Rd=1MΩ,Rl=0.2MΩ，峰值波長2.2um。恒壓偏置電路高輸入阻抗放大電路Vo快門按鈕驅(qū)動單元UthURUth=???UR=???+_ARp210kΩRp110kΩR2300ΩR15.1kΩC11uFMVDVRCdSUbb3.1.3、光敏電阻的應(yīng)用電路2、照相機電子快門3、照明燈的光電控制電路3.1.3、光敏電阻的應(yīng)用電路CKVDRCdS常閉燈~220V半波整流測光與控制執(zhí)行控制3.1.4、光敏電阻使用的注意事項測光的光源光譜特性與光敏電阻的光敏特性相匹配。要防止光敏電阻受雜散光的影響。要防止使光敏電阻的電參數(shù)(電壓,功耗)超過允許值。根據(jù)不同用途，選用不同特性的光敏電阻。一般,數(shù)字信息傳輸:亮電阻與暗電阻差別大，光照指數(shù)γ大的光敏電阻。模擬信息傳輸:則以選用γ值小、線性特性好的光敏電阻。分類按用途太陽能光電池：用作電源（效率高，成本低）測量用光電池：探測器件（線性、靈敏度高等）按材料硅光電池：光譜響應(yīng)寬，頻率特性好硒光電池：波譜峰值位于人眼視覺內(nèi)薄膜光電池：CdS增強抗輻射能力紫光電池：PN結(jié)非常薄：0.2-0.3μm,短波峰值600nm3.2光電池

光電池是一種利用光生伏特效應(yīng)制成的不需加偏壓就能將光能轉(zhuǎn)化成電能的光電器件。3.2.1光電池的基本結(jié)構(gòu)和工作原理1、金屬-半導體接觸型（硒光電池）基本結(jié)構(gòu)2、PN結(jié)型幾個特征：

1、柵狀電極

2、受光表面的保護膜

3、上、下電極的區(qū)分符號3.2.2硅光電池的特性參數(shù)1、光照特性伏安特性硅光電池工作在第四象限，若工作在反偏置狀態(tài)，則伏安特性將近伸到第三象限。由光電池的電流方程：

Rs很小，可忽略，上式變?yōu)椋篟sRLVDIpI+ILRLVDILIp=Sg·E1、光照特性3.2.2硅光電池的特性參數(shù)負載電流ILERL1RL2RL3RL4RL4RL5RL=∞RL=0Voc1Voc5Isc1Isc2Isc3Isc4Is當IL=0時一般Ip>>Is,

當RL=0時，Isc=Ip=Sg·E下面看兩個關(guān)系：當E=0時1、Voc，Isc與E的關(guān)系：

當IL=0，RL=∞時一般Ip>>Is,且Ip=Sg·E

3.2.2硅光電池的特性參數(shù)用于光電池檢測當V=0，RL=0時，2、Isc與E和RL的關(guān)系：3.2.2硅光電池的特性參數(shù)RL=120ΩRL=2.4kΩRL=12kΩE/lxJ/uA·mm2

當RL=0時，

Isc=Ip=Sg·E

當RL不為0時RLVDIL

為什么RL的增加會使光電流減?。抗怆姵毓庹仗匦蕴卣鳎?、Voc與光照E成對數(shù)關(guān)系；典型值在0.45-0.6V。作電源時，轉(zhuǎn)化效率10%左右。最大15.5-20%。2、Isc與E成線性關(guān)系，常用于光電池檢測，Isc典型值

35-45mA/cm2。2、RL越小，線性度越好，線性范圍越寬。3、光照增強到一定程度，光電流開始飽和，與負載電阻有關(guān)。負載電阻越大越容易飽和。3.2.2硅光電池的特性參數(shù)2、輸出特性3.2.2硅光電池的特性參數(shù)RL/Ω0100200300400500Voc/VIsc/mA400200

010080400PLVocILRMUL隨RL的增大而增大，直到接近飽和。RL小時IL趨近于短路電流Isc。在RL=RM時，有最大輸出功率，RM稱為最佳負載。光電池作為換能器件時要考慮最大輸出問題，跟入射光照度也有關(guān)。作為測量使用，光電池以電流使用。短路電流Isc與光照度成線性關(guān)系，RL的存在使IL隨光照度非線性的增加。RL增大，線性范圍越來越小。3、光譜特性3.2.2硅光電池的特性參數(shù)4、溫度特性3.2.2硅光電池的特性參數(shù)Voc具有負溫度系數(shù)，其值約為2-3mV/度。Isc具有正溫度系數(shù)，但隨溫度升高增長的比例很小，約為10-5-10-3mA/度總結(jié)：當光電池接收強光照時要考慮溫度升高的影響。如硅光電池不能超過200度。3.2.3硅光電池的應(yīng)用1、光電池用作太陽能電池把光能直接轉(zhuǎn)化成電能，需要最大的輸出功率和轉(zhuǎn)化效率。即把受光面做得較大，或把多個光電池作串、并聯(lián)組成電池組，與鎳鎘蓄電池配合，可作為衛(wèi)星、微波站等無輸電線路地區(qū)的電源供給。2、光電池用作檢測元件利用其光敏面大，頻率響應(yīng)高，光電流與照度線性變化，適用于開關(guān)和線性測量等。光電池與外電路的連接方式3.2.3硅光電池的應(yīng)用-10VVociC3DG62CR×21kΩ硅三極管的放大光電流電路-10VVociC3AX42CR鍺三極管的放大電路1kΩ光電池作緩變信號檢測時的的變換電路舉例硅三極管放大光電流的電路+4VVociC3DG7A2CR1kΩ2AP7100Ω3.2.3硅光電池的應(yīng)用+_Δ∞VocRf2CR采用運算放大器的電路光電池的變換電路舉例1．太陽電池電源

太陽電池電源系統(tǒng)主要由太陽電池方陣、蓄電池組、調(diào)節(jié)控制和阻塞二極管組成。如果還需要向交流負載供電，則加一個直流－交流變換器，太陽電池電源系統(tǒng)框圖如圖。逆變器

交流負載

直流負載太陽能電池電源系統(tǒng)阻塞二極管

調(diào)節(jié)控制器太陽電池方陣(a)光電追蹤電路+12VR4R3R6R5R2R1WBG1BG2

圖(a)為光電地構(gòu)成的光電跟蹤電路，用兩只性能相似的同類光電池作為光電接收器件。當入射光通量相同時，執(zhí)行機構(gòu)按預(yù)定的方式工作或進行跟蹤。當系統(tǒng)略有偏差時，電路輸出差動信號帶動執(zhí)行機構(gòu)進行糾正，以此達到跟蹤的目的。光電池在檢測和控制方面應(yīng)用中的幾種基本電路BG2BG1+12VCJR1R2(b)光電開關(guān)

圖(b)所示電路為光電開關(guān)，多用于自動控制系統(tǒng)中。無光照時，系統(tǒng)處于某一工作狀態(tài)，如通態(tài)或斷態(tài)。當光電池受光照射時，產(chǎn)生較高的電動勢，只要光強大于某一設(shè)定的閾值，系統(tǒng)就改變工作狀態(tài)，達到開關(guān)目的。(c)光電池觸發(fā)電路R1R2R3R4R5R6BG1BG2BG3BG4C1C2C3+12VW

圖(c)為光電池觸發(fā)電路。當光電池受光照射時，使單穩(wěn)態(tài)或雙穩(wěn)態(tài)電路的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，改變其工作狀態(tài)或觸發(fā)器件(如可控硅)導通。+12V5G23(d)光電池放大電路C3-12VWR1R2R3R4R5C1C218765432圖(d)為光電池放大電路。在測量溶液濃度、物體色度、紙張的灰度等場合，可用該電路作前置級，把微弱光電信號進行線性放大，然后帶動指示機構(gòu)或二次儀表進行讀數(shù)或記錄。

在實際應(yīng)用中，主要利用光電池的光照特性、光譜特性、頻率特性和溫度特性等，通過基本電路與其它電子線路的組合可實現(xiàn)或自動控制的目的。220VC1路燈CJD-108V200μF200μFC2C3100μFR1R3R5R7R4R6R7R2J470kΩ200kΩ10kΩ4.3kΩBG1280kΩ25kΩ57kΩ10kΩ路燈自動控制器BG2BG3BG42CR光電二極管的分類：按材料分，光電二極管有硅、砷化鎵、銻化銦光電二極管等許多種。按結(jié)構(gòu)分，有同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)之分。其中最典型的是同質(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系列的光電二極管只有兩條引線，而2DU系列光電二極管有三條引線。3.3光電二極管與光電三極管3.3光電二極管與光電三極管光電二極管與光電池的特性比較基本結(jié)構(gòu)相同，由一個PN結(jié)；光電二極管的光敏面小，結(jié)面積小，頻率特性好，雖然光生電動勢相同,但光電流普遍比光電池小,為數(shù)微安。摻雜濃度：光電池約為1016-1019/cm3，硅光電二極管1012~1013/cm3，電阻率：光電池0.1-0.01Ω/cm，光電二極管1000Ω/cm。光電池零偏壓下工作，光電二極管反偏壓下工作。光電二極管的類型：硅、鍺、PIN、APD3.3光電二極管與光電三極管光電二極管的工作原理NP光+_外加反向偏壓符號光電二極管的基本結(jié)構(gòu)3.3光電二極管與光電三極管N環(huán)極前極N+N+P后極環(huán)型光電二極管的結(jié)構(gòu)前級后級環(huán)級VARLhν等效電路光電二極管的伏安特性IUOE2>E1>E0E0E1E3加正向偏壓時，表現(xiàn)為單向?qū)щ娦?。作為光敏二極管使用時，需要加反向偏壓，當有光照時會產(chǎn)生光電流，且光電流遠大于反向飽和電流。反向偏壓可以減小載流子的渡越時間和二極管的極間電容。反向偏壓較小時反向電壓達到一定值時。uiO暗電流E=200lxE=400lx光電二極管的光譜特性1、光敏二極管在較小負載電阻下，光電流與入射光功率有較好的線性關(guān)系。2、光敏二極管的響應(yīng)波長與GaAs激光管和發(fā)光二極管的波長一致，組合制作光電耦合器件。3、光電二極管結(jié)電容很小，頻率響應(yīng)高，帶寬可達100kHz。光電二極管的溫度特性

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。暗電流/mA1020305070T/oC250504060光電二極管的典型應(yīng)用電路應(yīng)用電路EhνRLVoRL+EVohν光電二極管的典型應(yīng)用電路電流放大型VoRf2CR+_ACRf2CRVo+_ARLRf電壓放大型PIN管是光電二極管中的一種。它的結(jié)構(gòu)特點是，在P型半導體和N型半導體之間夾著一層（相對）很厚的本征半導體。這樣，PN結(jié)的內(nèi)電場就基本上全集中于本征層中，從而使PN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小。時間常數(shù)變小，頻帶變寬。PIN光電二極管P-SiN-SiI-SiPIN管結(jié)構(gòu)示意圖特點：1、頻帶寬，可達10GHz。2、本征層很厚，在反偏壓下運用可承受較高的反向電壓，線性輸出范圍寬。3、由耗盡層寬度與外加電壓的關(guān)系可知，增加反向偏壓會使耗盡層寬度增加，且集中在本征層，從而結(jié)電容要進一步減小，使頻帶寬度變寬。4、本征層電阻很大，管子的輸出電流小，一般多為零點幾微安至數(shù)微安。目前有將PIN管與前置運算放大器集成在同一芯片上并封裝成一個器件。

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。

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，光生電子在這種強電場中可得到極大的加速，同時與晶格碰撞而產(chǎn)生電離雪崩反應(yīng)。因此，這種管子有很高的內(nèi)增益，可達到幾百。當電壓等于反向擊穿電壓時，電流增益可達106，即產(chǎn)生所謂的雪崩。這種管子響應(yīng)速度特別快，帶寬可達100GHz，是目前響應(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主要缺點。由于雪崩反應(yīng)是隨機的，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，噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以至無法使用。但由于APD的響應(yīng)時間極短，靈敏度很高，它在光通信中應(yīng)用前景廣闊。雪崩光電二極管(APD)雪崩光電二極管(APD)原理圖3.3.2光電三極管的基本結(jié)構(gòu)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。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體硅，管型為NPN型，國產(chǎn)器件稱為3DU系列。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。但它的光電特性不如光電二極管好，在較強的光照下，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。正常運用時，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)。當光照到集電結(jié)上時，集電結(jié)即產(chǎn)生光電流Ip向基區(qū)注入，同時在集電極電路即產(chǎn)生了一個被放大的電流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光電二極管的作用是完全相同的。發(fā)射極集電極基極發(fā)射極集電極光電三極管的工作原理cbeIcIpIbVo光敏三極管的結(jié)構(gòu)原理、工作原理和電氣圖形符號光電三極管的工作原理工作過程：一、光電轉(zhuǎn)換；二、光電流放大VCCVCC基本應(yīng)用電路達林頓光電三極管電路為了提高光電三極管的頻率響應(yīng)、增益和減小體積。將光電二極管、三極管制作在一個硅片上構(gòu)成集成器件光電三極管的主要特性：光電三極管存在一個最佳靈敏度的峰值波長。當入射光的波長增加時，相對靈敏度要下降。因為光子能量太小，不足以激發(fā)電子空穴對。當入射光的波長縮短時，相對靈敏度也下降，這是由于光子在半導體表面附近就被吸收，并且在表面激發(fā)的電子空穴對不能到達PN結(jié)，因而使相對靈敏度下降。光譜特性入射光硅鍺λ/nm400080001200016000相對靈敏度/%10080604020

0硅的峰值波長為900nm，鍺的峰值波長為1500nm。由于鍺管的暗電流比硅管大，因此鍺管的性能較差。故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般選用硅管；但對紅外線進行探測時,則采用鍺管較合適。伏安特性伏安特性光電三極管的伏安特性曲線如圖所示。光電三極管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶體管在不同的基極電流時的輸出特性一樣。因此，只要將入射光照在發(fā)射極e與基極b之間的PN結(jié)附近，所產(chǎn)生的光電流看作基極電流，就可將光敏三極管看作一般的晶體管。光電三極管能把光信號變成電信號，而且輸出的電信號較大。I/mA024620406080U/V500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/μAL/lx200400600800100001.02.03.0光敏晶體管的光照特性光電三極管的光照特性如圖所示。它給出了光敏三極管的輸出電流I和照度之間的關(guān)系。它們之間呈現(xiàn)了近似線性關(guān)系。當光照足夠大(幾klx)時，會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，從而使光電三極管既可作線性轉(zhuǎn)換元件，也可作開關(guān)元件。光照特性暗電流/mA1020305070T/oC25

0504060光電流/mA100

02003004008010203040506070T/oC光電三極管的溫度特性光電三極管的溫度特性曲線反映的是光電三極管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。從特性曲線可以看出，溫度變化對光電流的影響很小，而對暗電流的影響很大．所以電子線路中應(yīng)該對暗電流進行溫度補償，否則將會導致輸出誤差。溫度特性光電三極管的頻率特性曲線如圖所示。光電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，光電三極管的頻率響應(yīng)比光電二極管差。對于鍺管，入射光的調(diào)制頻率要求在5kHz以下。硅管的頻率響應(yīng)要比鍺管好。RL=1kΩRL=10kΩRL=100kΩ0100100050050001000010020406080調(diào)制頻率/Hz相對靈敏度/%光電三極管的頻率特性頻率特性光電三極管的應(yīng)用電路光電三極管主要應(yīng)用于開關(guān)控制電路及邏輯電路。JR2R1A3DG12VJR2R1A3DG12V當有光線照射于光電器件上時，使繼電器有足夠的電流而動作，這種電路稱為亮通光電控制電路，也叫明通控制電路。最簡單的亮通電路如圖所示。

1．亮通光電控制電路如果光電繼電器不受光照時能使繼電器動作，而受光照時繼電器釋放，則稱它為暗通控制電路。另一種方法是在亮通電路的基礎(chǔ)上加一級倒相器，也可完成暗通電路的作用。要說明的是，亮通和暗通是相對而言的，以上分析都是假定繼電器高壓開關(guān)工作在常開狀態(tài)，如工作在常閉狀態(tài)，則亮通和暗通也就反過來。2．暗通光電控制電路

如要求路燈控制靈敏，可采用如圖電路。3、路燈、霓虹燈的自動控制電路防止閃電等短時干擾的路燈控制電路印刷機紙張監(jiān)控器可以自動監(jiān)測每次印刷的紙張是否為一張，如果不是一張則發(fā)出報警訊響，停止印刷，待整理好紙張后，再開始工作。印刷機紙張監(jiān)控器

光控電焊眼罩汽車車燈全自動控制器光電倍增管是建立在光電子發(fā)射效應(yīng)、二次電子發(fā)射效應(yīng)和電子光學理論的基礎(chǔ)上，能夠?qū)⑽⑷豕庑盘栟D(zhuǎn)換成光電子并獲得倍增效應(yīng)的真空光電發(fā)射器件。3.3.3光電倍增管

Photo-Multipliertube

（PMT）真空光電管90VDC直流放大陰極R-+光束e陽極絲（Ni）抽真空陰極表面可涂漬不同光敏物質(zhì)：高靈敏(K,Cs,Sb其中二者)、紅光敏(Na/K/Cs/Sb,Ag/O/Cs)、紫外光敏、平坦響應(yīng)(Ga/As，響應(yīng)受波長影響小)。產(chǎn)生的光電流約為硒光電池的1/10。優(yōu)點：阻抗大，電流易放大；響應(yīng)快；應(yīng)用廣。缺點：有微小暗電流（Darkcurrent，40K的放射線激發(fā)）。光電倍增管的結(jié)構(gòu)及工作原理光電陰極陽極倍增極陰極在光照下發(fā)射出光電子，光電子受到電極間電場作用獲得較大能量打在倍增電極上，產(chǎn)生二次電子發(fā)射，經(jīng)過多極倍增的光電子到達陽極被收集而形成陽極電流，隨光信號的變化。在倍增極不變的條件下，陽極電流隨光信號變化。光電倍增管（photomultipliertube,PMT）石英套光束1個光子產(chǎn)生106~107個電子柵極，Grill陽極屏蔽光電倍增管示意圖共有9個打拿極(dynatron)，所加直流電壓共為9010V放大倍數(shù)很高，用于探測微弱信號；光電特性的線性關(guān)系好；工作頻率高；性能穩(wěn)定，使用方便；供電電壓高；玻璃外殼，抗震性差；價格昂貴，體積大；光電倍增管的特點用于測量輻射光譜在狹窄波長范圍內(nèi)的輻射功率。用于分析儀器中，如光譜輻射儀。光電倍增管的應(yīng)用3.4發(fā)光器件1.白熾光源用鎢絲通電加熱作為光輻射源最為普通，一般白熾燈的輻射光譜是連續(xù)的。發(fā)光范圍：可見光、大量紅外線和紫外線，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信號。特點：壽命短而且發(fā)熱大、效率低、動態(tài)特性差，但對接收光敏元件的光譜特性要求不高，是可取之處。3.4發(fā)光器件2.氣體放電光源定義：利用電流通過氣體產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象制成的燈。氣體放電燈的光譜是不連續(xù)的，光譜與氣體的種類及放電條件有關(guān)。改變氣體的成分、壓力、陰極材料和放電電流大小，可得到主要在某一光譜范圍的輻射。低壓汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈是光譜儀器中常用的光源，統(tǒng)稱為光譜燈。例如低壓汞燈的輻射波長為254nm，鈉燈的輻射波長為589nm，可被用作單色光源。如果光譜燈涂以熒光劑，由于光線與涂層材料的作用，熒光劑可以將氣體放電譜線轉(zhuǎn)化為更長的波長，通過對熒光劑的選擇可以使氣體放電發(fā)出某一范圍的波長，如照明日光燈。氣體放電燈消耗的能量為白熾燈1/2-1/33.4.1發(fā)光二極管(Lightemittingdiode)由半導體PN結(jié)構(gòu)成，其工作電壓低、響應(yīng)速度快、壽命長、體積小、重量輕，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。半導體中，由于空穴和電子的擴散，在PN結(jié)處形成勢壘，從而抑制了空穴和電子的繼續(xù)擴散。當PN結(jié)上加有正向電壓時，勢壘降低，電子由N區(qū)注入到P區(qū)，空穴則由P區(qū)注入到N區(qū)，稱為少數(shù)載流子注入。所注入到P區(qū)里的電子和P區(qū)里的空穴復(fù)合，注入到N區(qū)里的空穴和N區(qū)里的電子復(fù)合，這種復(fù)合同時伴隨著以光子形式放出能量，因而有發(fā)光現(xiàn)象。發(fā)光二極管是少數(shù)載流子在PN結(jié)區(qū)的注入與復(fù)合而產(chǎn)生發(fā)光的一種半導體光源，也稱作注入式場致發(fā)光光源P-AIxGa1-xAsN-AIyGa1-yAsP-GaAs光輸出發(fā)光二極管的工作原理有源區(qū)圓形金屬觸點SiO2絕緣層SiO2絕緣層金屬化層熱沉雙異質(zhì)結(jié)層襯底限制層接合材料金屬化層光纖圓形蝕刻孔金屬化層(用于電接觸)SiO2絕緣層雙異質(zhì)結(jié)熱沉襯底導光層金屬化層(用于電接觸)條形接觸(確定有源區(qū))有源區(qū)

圖3.14兩類發(fā)光二極管(LED)(a)正面發(fā)光型；(b)側(cè)面發(fā)光型發(fā)光二極管的類型：正面發(fā)光型LED和側(cè)面發(fā)光型LED

LED的光譜特性LED的發(fā)光譜決定其發(fā)光顏色，目前可實現(xiàn)各類顏色。LED具有正的溫度系數(shù)，溫度升高時，發(fā)射波長紅移，約為：0.2-0.3nm/度0.20.40.60.8

1.0

06007008009001000GaAsPλp=670nmλp=655nmGaAsPλp=565nmGaPλp=950nmGaAsλ/nm相對靈敏度發(fā)光二極管的光譜特性發(fā)光二極管LED的頻率響應(yīng)發(fā)光二極管LED的P-I特性曲線原理：由正向偏置電壓產(chǎn)生的注入電流進行自發(fā)輻射而發(fā)光4321050100150電流/mA輸出光功率/mW0℃25℃70℃LED驅(qū)動電路及伏安特性UccRLUFIFRL為限流電阻UF和IF為二極管參數(shù)例如：GaAs電流選用20mA，GaP電流選用10mA，即可獲得足夠亮度。1.