第四章光探測(cè)技術(shù)

1、第四章 光輻射的探測(cè)技術(shù)光電倍增管光電倍增管4.1 光電探測(cè)器光電探測(cè)器(Detector)的物理效應(yīng)的物理效應(yīng) 光電倍光電倍增管增管光電倍增管是一類(lèi)用于極微弱光探測(cè)的真空電子管，第一只光電倍增管（PMT）于80多年前由美國(guó)國(guó)家輻射公司（Radio Corporation of America）發(fā)明發(fā)明，并于1936年首次成為商用產(chǎn)品。4.1 光電探測(cè)器光電探測(cè)器(Detector)的物理效應(yīng)的物理效應(yīng) 光電探測(cè)器：對(duì)各種光輻射進(jìn)行接收和探測(cè)的器件光電探測(cè)器：對(duì)各種光輻射進(jìn)行接收和探測(cè)的器件熱熱 探探 測(cè)測(cè) 器器光子探測(cè)器光子探測(cè)器光輻射量光輻射量光電探測(cè)器光電探測(cè)器電量電量光電倍光電倍增管增

2、管光電倍增管是一類(lèi)用于極微弱光探測(cè)的真空電子管，第一只光電倍增管（PMT）于80多年前由美國(guó)國(guó)家輻射公司（Radio Corporation of America）發(fā)明發(fā)明，并于1936年首次成為商用產(chǎn)品。探測(cè)器件探測(cè)器件熱電探測(cè)元件熱電探測(cè)元件光子探測(cè)元件光子探測(cè)元件氣體光電探測(cè)元件氣體光電探測(cè)元件外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)非放大型非放大型放放 大大 型型光電導(dǎo)探測(cè)器光電導(dǎo)探測(cè)器光磁電探測(cè)器光磁電探測(cè)器光生伏特探測(cè)器光生伏特探測(cè)器本征型本征型摻雜型摻雜型非放大非放大放大型放大型真空光電管真空光電管充氣光電管充氣光電管光電倍增管光電倍增管變像管變像管攝像管攝像管像增強(qiáng)器像增強(qiáng)器光

3、敏電阻光敏電阻紅外探測(cè)器紅外探測(cè)器光電池光電池光電二極管光電二極管光電三極管光電三極管光電場(chǎng)效應(yīng)管光電場(chǎng)效應(yīng)管雪崩型光電二極管雪崩型光電二極管光子效應(yīng)和光熱效應(yīng)光子效應(yīng)和光熱效應(yīng)光子效應(yīng)光子效應(yīng)(photonic effect ) 指單個(gè)光子的性質(zhì)對(duì)產(chǎn)生的光電子起直接作用的一指單個(gè)光子的性質(zhì)對(duì)產(chǎn)生的光電子起直接作用的一類(lèi)光電效應(yīng)。探測(cè)器吸收光子后，直接引起原子或分子類(lèi)光電效應(yīng)。探測(cè)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。電子狀態(tài)的改變。特點(diǎn)：特點(diǎn)：對(duì)光波頻率表現(xiàn)出選擇性，響應(yīng)速度一般比較快。

4、對(duì)光波頻率表現(xiàn)出選擇性，響應(yīng)速度一般比較快。 光熱效應(yīng)光熱效應(yīng)(photothermal effect ) 探測(cè)元件吸收光輻射能量后，并不直接引起內(nèi)部電探測(cè)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\(yùn)動(dòng)能子狀態(tài)的改變，而是把吸收的光能變?yōu)榫Ц竦臒徇\(yùn)動(dòng)能量，引起探測(cè)元件溫度上升，溫度上升的結(jié)果又使探測(cè)量，引起探測(cè)元件溫度上升，溫度上升的結(jié)果又使探測(cè)元件的電學(xué)性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化。元件的電學(xué)性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化。特點(diǎn)：特點(diǎn)：原則上對(duì)光波頻率沒(méi)有選擇性，響應(yīng)速度一般比較慢。原則上對(duì)光波頻率沒(méi)有選擇性，響應(yīng)速度一般比較慢。 在在紅外波段紅外波段上，材

5、料吸收率高，光熱效應(yīng)也就更強(qiáng)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(duì)紅外線(xiàn)輻射的探測(cè)。烈，所以廣泛用于對(duì)紅外線(xiàn)輻射的探測(cè)。例如：家庭式熱釋電紅外探測(cè)器例如：家庭式熱釋電紅外探測(cè)器一般人體都有恒定的體溫一般人體都有恒定的體溫,一般在一般在37度度,所以會(huì)所以會(huì)發(fā)出特發(fā)出特定波長(zhǎng)定波長(zhǎng)10UM左右的紅外線(xiàn)左右的紅外線(xiàn),被動(dòng)式紅外探頭就是靠探被動(dòng)式紅外探頭就是靠探測(cè)人體發(fā)射的測(cè)人體發(fā)射的10UM左右的紅外線(xiàn)而進(jìn)行工作的左右的紅外線(xiàn)而進(jìn)行工作的.人體人體發(fā)射的發(fā)射的10UM左右的紅外線(xiàn)通過(guò)菲尼爾濾光片增強(qiáng)后左右的紅外線(xiàn)通過(guò)菲尼爾濾光片增強(qiáng)后聚集到紅外感應(yīng)源上聚集到紅外感應(yīng)源上.紅外感應(yīng)源通

6、常采用熱釋電元件紅外感應(yīng)源通常采用熱釋電元件,這種這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí)就會(huì)元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡失去電荷平衡,向外釋放電荷向外釋放電荷,電后續(xù)電路經(jīng)檢驗(yàn)處理后電后續(xù)電路經(jīng)檢驗(yàn)處理后即可產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)即可產(chǎn)生報(bào)警信號(hào).在電子防盜、人體探測(cè)器領(lǐng)域中在電子防盜、人體探測(cè)器領(lǐng)域中,被被動(dòng)式熱釋電紅外探測(cè)器的應(yīng)用非常廣泛動(dòng)式熱釋電紅外探測(cè)器的應(yīng)用非常廣泛,因其價(jià)格低廉、因其價(jià)格低廉、技術(shù)性能穩(wěn)定而受到廣大用戶(hù)和專(zhuān)業(yè)人士的歡迎技術(shù)性能穩(wěn)定而受到廣大用戶(hù)和專(zhuān)業(yè)人士的歡迎.光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng)EhEk221mvEkE：光電發(fā)射體的

7、功函數(shù)：光電發(fā)射體的功函數(shù) 電子離開(kāi)發(fā)射體表面時(shí)的動(dòng)能電子離開(kāi)發(fā)射體表面時(shí)的動(dòng)能 在光照下，物體向表面以外的空間發(fā)射電子（即在光照下，物體向表面以外的空間發(fā)射電子（即光電子）的現(xiàn)象。光電子）的現(xiàn)象。光電發(fā)射體光電發(fā)射體 能產(chǎn)生光電發(fā)射效應(yīng)的物體，在光電管中又稱(chēng)為能產(chǎn)生光電發(fā)射效應(yīng)的物體，在光電管中又稱(chēng)為光陰極光陰極。愛(ài)因斯坦方程愛(ài)因斯坦方程 o 光電發(fā)射大致可分三個(gè)過(guò)程： 1)光射入物體后，物體中的電子吸收光子能量，從基態(tài)躍遷到能量高于真空能級(jí)的激發(fā)態(tài)。 2)受激電子從受激地點(diǎn)出發(fā)，在向表面運(yùn)動(dòng)過(guò)程中免不了要同其它電子或晶格發(fā)生碰撞，而失去一部分能量。 3)達(dá)到表面的電子，如果仍有足夠的能量足

8、以克服表面勢(shì)壘對(duì)電子的束縛（即逸出功）時(shí)，即可從表面逸出。截止頻率截止頻率截止波長(zhǎng)截止波長(zhǎng)chEsnmsmcseVsJh/103/1031013. 4106 . 617141534)(24. 1)(eVEmc光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)現(xiàn)象光電導(dǎo)現(xiàn)象半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體材料的“體體”效應(yīng)效應(yīng)本征本征半導(dǎo)體半導(dǎo)體光輻射照射外加電壓的半導(dǎo)體，如果光波長(zhǎng)光輻射照射外加電壓的半導(dǎo)體，如果光波長(zhǎng)滿(mǎn)足如下條滿(mǎn)足如下條件：件： )()(24. 1)(本征eVEmgc)()(24. 1雜質(zhì)eVEi 是禁帶寬度是禁帶寬度gEiE是雜質(zhì)能帶寬度是雜質(zhì)能帶寬度光敏電阻光敏電阻光電導(dǎo)過(guò)程光電導(dǎo)過(guò)程 光子將在其中激發(fā)出新的

9、載流子光子將在其中激發(fā)出新的載流子(電子和空穴電子和空穴)。這。這就使半導(dǎo)體中的載流子濃度在原來(lái)平衡值上增加了變就使半導(dǎo)體中的載流子濃度在原來(lái)平衡值上增加了變化量化量 這個(gè)新增加的部分在半導(dǎo)體物理中叫非平衡載流子這個(gè)新增加的部分在半導(dǎo)體物理中叫非平衡載流子-光生載流子光生載流子。 顯然，這兩個(gè)變化量將使半導(dǎo)體的電導(dǎo)增加一個(gè)顯然，這兩個(gè)變化量將使半導(dǎo)體的電導(dǎo)增加一個(gè)量量 ，我們稱(chēng)之為光電導(dǎo)。相應(yīng)本征和雜質(zhì)半導(dǎo)體，我們稱(chēng)之為光電導(dǎo)。相應(yīng)本征和雜質(zhì)半導(dǎo)體就分別稱(chēng)為本征光電導(dǎo)和雜質(zhì)光電導(dǎo)。就分別稱(chēng)為本征光電導(dǎo)和雜質(zhì)光電導(dǎo)。 G光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)光伏現(xiàn)象光伏現(xiàn)象半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體材料的“結(jié)結(jié)”效應(yīng)效應(yīng) 早

10、在早在1839年，法國(guó)科學(xué)家貝克雷爾年，法國(guó)科學(xué)家貝克雷爾(Becqurel)就發(fā)現(xiàn)，光照能就發(fā)現(xiàn)，光照能使半導(dǎo)體材料的不同部位之間產(chǎn)生電位差。這種現(xiàn)象后來(lái)被稱(chēng)為使半導(dǎo)體材料的不同部位之間產(chǎn)生電位差。這種現(xiàn)象后來(lái)被稱(chēng)為“光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)”，簡(jiǎn)稱(chēng)，簡(jiǎn)稱(chēng)“光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)”。光照光照零偏零偏pn結(jié)產(chǎn)生開(kāi)路電壓的效應(yīng)結(jié)產(chǎn)生開(kāi)路電壓的效應(yīng)光照光照反偏反偏1/0TkeusdBeiieVEmi24. 1光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)光電池光電池光電信號(hào)是光電流光電信號(hào)是光電流 結(jié)型光電探結(jié)型光電探測(cè)器的工作測(cè)器的工作原理原理光電二極光電二極管管 溫差電效應(yīng)溫差電效應(yīng) 當(dāng)兩種不同的配偶材料（可以是金當(dāng)兩種不同的配

11、偶材料（可以是金屬或半導(dǎo)體）兩端并聯(lián)熔接時(shí)，如果兩屬或半導(dǎo)體）兩端并聯(lián)熔接時(shí)，如果兩個(gè)接頭的溫度不同，并聯(lián)回路中就產(chǎn)生個(gè)接頭的溫度不同，并聯(lián)回路中就產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，稱(chēng)為溫差電動(dòng)勢(shì)。電動(dòng)勢(shì)，稱(chēng)為溫差電動(dòng)勢(shì)。 提高測(cè)量靈敏度提高測(cè)量靈敏度若干個(gè)熱電偶串聯(lián)起來(lái)使用若干個(gè)熱電偶串聯(lián)起來(lái)使用熱電堆熱電堆 地磁場(chǎng)的起源地磁場(chǎng)的起源o 歷史上，第一個(gè)提出地磁場(chǎng)理論概念的是英國(guó)人吉爾伯特。他在1600年提出一種論點(diǎn)，認(rèn)為地球自身就是一個(gè)巨大的磁體，它的兩極和地理兩極相重合。這一理論確立了地磁場(chǎng)與地球的關(guān)系，指出地磁場(chǎng)的起因不應(yīng)該在地球之外，而應(yīng)在地球內(nèi)部。1893年，數(shù)學(xué)家高斯在他的著作地磁力的絕對(duì)強(qiáng)度中，從地磁

12、成因于地球內(nèi)部這一假設(shè)出發(fā)，創(chuàng)立了描繪地磁場(chǎng)的數(shù)學(xué)方法，從而使地磁場(chǎng)的測(cè)量和起源研究都可以用數(shù)學(xué)理論來(lái)表示。但這僅僅是一種形式上的理論，并沒(méi)有從本質(zhì)上闡明地磁場(chǎng)的起源。 現(xiàn)在科學(xué)家們已基本掌握了地磁場(chǎng)的分布與變化規(guī)律，但是，對(duì)于地磁場(chǎng)的起源問(wèn)題，學(xué)術(shù)界卻一直沒(méi)有找到一個(gè)令人滿(mǎn)意的答案。目前，關(guān)于地球磁場(chǎng)的起源，歷史上曾有來(lái)自北極星的傳說(shuō)，但是到公元17世紀(jì)初就已經(jīng)認(rèn)識(shí)到地球本身就是一個(gè)巨大的磁體，不過(guò)當(dāng)時(shí)仍不清楚地球磁場(chǎng)是怎樣產(chǎn)生的。隨著科學(xué)的發(fā)展，對(duì)于地球磁場(chǎng)觀測(cè)和地球結(jié)構(gòu)的研究不斷增多和深入，對(duì)地球磁場(chǎng)的起源先后提出了10多種學(xué)說(shuō)。這里按照歷史的先后對(duì)一些各有一定根據(jù)或設(shè)想的地球磁場(chǎng)來(lái)源學(xué)

13、說(shuō)作簡(jiǎn)單介紹：o(1)永磁體學(xué)說(shuō)，是最早提出的一種學(xué)說(shuō)，認(rèn)為地球內(nèi)部存在巨大的永磁體，由這永磁體產(chǎn)生地球磁場(chǎng)，但后來(lái)認(rèn)識(shí)到地球內(nèi)部溫度很高，不可能存在永磁體。 (2)內(nèi)部電流學(xué)說(shuō)，認(rèn)為地球內(nèi)部存在巨大的電流，形成巨大電磁體產(chǎn)生地球磁場(chǎng)，但是既未觀測(cè)到這種巨大電流，而且巨大電流也會(huì)很快衰減，不會(huì)長(zhǎng)期存在。 (3)電荷旋轉(zhuǎn)學(xué)說(shuō)(公元1900年)，認(rèn)為地球表面和內(nèi)部分別分布著符號(hào)相反、數(shù)量相等的電荷，由地球自轉(zhuǎn)而形成閉合電流，由此電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，但這學(xué)說(shuō)缺乏理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。 (4)壓電效應(yīng)學(xué)說(shuō)(1929)，認(rèn)為在地球內(nèi)部物質(zhì)在超高壓力下使物質(zhì)中的電荷分離，電子在這樣的電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生電流和磁場(chǎng)。但理論

14、計(jì)算出這樣的磁場(chǎng)僅有地磁場(chǎng)的約千分之一。 (5)旋磁效應(yīng)學(xué)說(shuō)(1933)，認(rèn)為地球內(nèi)的強(qiáng)磁物質(zhì)旋轉(zhuǎn)可以產(chǎn)生地球磁場(chǎng)，但這種旋磁效應(yīng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)只有地球磁場(chǎng)的大約千億分之一。 o(6)溫差電效應(yīng)學(xué)說(shuō)溫差電效應(yīng)學(xué)說(shuō)(1939)，認(rèn)為地球內(nèi)部的放射性物質(zhì)產(chǎn)生的熱量，認(rèn)為地球內(nèi)部的放射性物質(zhì)產(chǎn)生的熱量，使熔融物質(zhì)發(fā)生連續(xù)的不均勻?qū)α?，這樣產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)和電流，由此使熔融物質(zhì)發(fā)生連續(xù)的不均勻?qū)α?，這樣產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)和電流，由此電流產(chǎn)生地球磁場(chǎng)，但理論估計(jì)也同地球磁場(chǎng)不符合。電流產(chǎn)生地球磁場(chǎng)，但理論估計(jì)也同地球磁場(chǎng)不符合。 (7)發(fā)電機(jī)學(xué)說(shuō)(19461947)，認(rèn)為是地球內(nèi)部的導(dǎo)電液體在流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生穩(wěn)恒的電流

15、，由這電流產(chǎn)生地球磁場(chǎng)。 (8)旋轉(zhuǎn)體效應(yīng)學(xué)說(shuō)(1947)，是根據(jù)少數(shù)天體觀測(cè)得到的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，認(rèn)為具有角動(dòng)量的旋轉(zhuǎn)物體都會(huì)產(chǎn)生磁矩，因而產(chǎn)生磁場(chǎng)。這一學(xué)說(shuō)需要使用一無(wú)科學(xué)根據(jù)的常數(shù)，5年后又被提出這一學(xué)說(shuō)的科學(xué)家根據(jù)精密的實(shí)驗(yàn)結(jié)果加以否定了。 (9)磁力線(xiàn)扭結(jié)學(xué)說(shuō)(1950)，認(rèn)為在地球磁場(chǎng)磁力線(xiàn)的張力特性和地核的較差自轉(zhuǎn)，會(huì)使原始微弱的地球磁場(chǎng)放大，由此產(chǎn)生地球磁場(chǎng)。 (10)霍爾效應(yīng)學(xué)說(shuō)(1954)，認(rèn)為在地球內(nèi)部由于溫度不均勻產(chǎn)生的溫差電流和原始微弱磁場(chǎng)的同時(shí)使用下，會(huì)由霍爾效應(yīng)產(chǎn)生霍爾電動(dòng)勢(shì)和霍爾電流，由此產(chǎn)生地球磁場(chǎng)。 (11)電磁感應(yīng)學(xué)說(shuō)電磁感應(yīng)學(xué)說(shuō)(1956)，認(rèn)為由太陽(yáng)的強(qiáng)烈磁

16、活動(dòng)通過(guò)帶電粒子的太陽(yáng)風(fēng)到達(dá)地球后，會(huì)通過(guò)地球內(nèi)部的電磁感應(yīng)和整流作用產(chǎn)生地球內(nèi)部的電流，由此產(chǎn)生地球磁場(chǎng)。在這些學(xué)說(shuō)中，只有發(fā)電機(jī)學(xué)說(shuō)(又稱(chēng)磁流體發(fā)電機(jī)學(xué)說(shuō))在觀 測(cè)、實(shí)驗(yàn)和理論研究上得到較多的證認(rèn)，是目前研究和應(yīng)用較多的地球磁場(chǎng)學(xué)說(shuō)。 (12)自由電子旋轉(zhuǎn)說(shuō)（2006），是唯一由中國(guó)人王金甲先生，根據(jù)分子、原子學(xué)，結(jié)合地震波提供的地球深處高清圖像提出的嶄新學(xué)說(shuō)。熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng)熱釋電材料熱釋電材料電介質(zhì)電介質(zhì)一種結(jié)晶對(duì)稱(chēng)性很差的壓電晶體一種結(jié)晶對(duì)稱(chēng)性很差的壓電晶體在常態(tài)下具有自發(fā)電極化在常態(tài)下具有自發(fā)電極化( (即固有電偶極矩即固有電偶極矩) )熱電體的熱電體的|Ps|Ps|決定了面電

17、荷密度決定了面電荷密度s s 的大小，當(dāng)?shù)拇笮。?dāng)PsPs發(fā)生變化時(shí)，面電荷密度也跟著變化發(fā)生變化時(shí)，面電荷密度也跟著變化|Ps|Ps|值是溫度的函數(shù)值是溫度的函數(shù)溫度升高溫度升高|Ps|Ps|減小。減小。 升高到升高到Tc值時(shí)，自發(fā)極化突然消失，值時(shí)，自發(fā)極化突然消失，TC稱(chēng)為居里溫度稱(chēng)為居里溫度 熱釋電體表面附近的自由電荷對(duì)面電荷的中和作用熱釋電體表面附近的自由電荷對(duì)面電荷的中和作用比較緩慢，一般在比較緩慢，一般在11000秒量級(jí)秒量級(jí)熱釋電探測(cè)器是一種熱釋電探測(cè)器是一種交流交流或瞬時(shí)響應(yīng)的器件?；蛩矔r(shí)響應(yīng)的器件。光電轉(zhuǎn)換定律光電轉(zhuǎn)換定律光輻射量轉(zhuǎn)換為光電流量的過(guò)程光輻射量轉(zhuǎn)換為光電流量的

18、過(guò)程 光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換 dtdnhvdtdEtP光 dtdnedtdQti電 tDPtiD探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換因子探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換因子光子光子電極電極電極電極耗盡層耗盡層SiO2p+nn+dtdndtdn光電hveD 探測(cè)器的量子效率探測(cè)器的量子效率)()(tPhveti光電轉(zhuǎn)換定律：光電轉(zhuǎn)換定律：*光功率光功率P正比于光電場(chǎng)的平方正比于光電場(chǎng)的平方 平方律探測(cè)器平方律探測(cè)器非線(xiàn)性器件非線(xiàn)性器件(本質(zhì)本質(zhì))。*光電探測(cè)器對(duì)入射功率響應(yīng)光電探測(cè)器對(duì)入射功率響應(yīng)(光電流光電流) 一個(gè)光子探測(cè)器可視為一個(gè)電流源。一個(gè)光子探測(cè)器可視為一個(gè)電流源。 光電探測(cè)器件的特點(diǎn)光電探測(cè)器件的特點(diǎn)光子器件光子器件熱電器

19、件熱電器件響應(yīng)波長(zhǎng)有選擇性，一響應(yīng)波長(zhǎng)有選擇性，一般有截止波長(zhǎng)，超過(guò)該般有截止波長(zhǎng)，超過(guò)該波長(zhǎng)，器件無(wú)響應(yīng)波長(zhǎng)，器件無(wú)響應(yīng)響應(yīng)波長(zhǎng)無(wú)選擇性，對(duì)響應(yīng)波長(zhǎng)無(wú)選擇性，對(duì)可見(jiàn)光到遠(yuǎn)紅外的各種可見(jiàn)光到遠(yuǎn)紅外的各種波長(zhǎng)的輻射同樣敏感波長(zhǎng)的輻射同樣敏感響應(yīng)快，吸收輻射產(chǎn)生響應(yīng)快，吸收輻射產(chǎn)生信號(hào)需要的時(shí)間短，一信號(hào)需要的時(shí)間短，一般為納秒到幾百微秒般為納秒到幾百微秒響應(yīng)慢，一般為幾毫秒響應(yīng)慢，一般為幾毫秒 4.2 光電探測(cè)器的性能參數(shù)光電探測(cè)器的性能參數(shù) 光電倍增管光電倍增管 靈敏度也常稱(chēng)作靈敏度也常稱(chēng)作響應(yīng)度響應(yīng)度，是光電探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換特，是光電探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換特性，光電轉(zhuǎn)換的光譜特性以及頻率特性的量度。性

20、，光電轉(zhuǎn)換的光譜特性以及頻率特性的量度。dPdiRiPidPduRuPu 光電流光電流i(或光電壓或光電壓u)和入射光功率和入射光功率P之間的關(guān)系之間的關(guān)系if (P)，稱(chēng)為探測(cè)器的，稱(chēng)為探測(cè)器的光電特性光電特性。靈敏度靈敏度R定義為這個(gè)曲線(xiàn)的斜率，定義為這個(gè)曲線(xiàn)的斜率，即即 (線(xiàn)性區(qū)內(nèi)線(xiàn)性區(qū)內(nèi)) (安安/瓦瓦) (線(xiàn)性區(qū)內(nèi)線(xiàn)性區(qū)內(nèi)) (伏伏/瓦瓦) R i和和R u分別稱(chēng)為積分電流和積分電壓靈敏度，分別稱(chēng)為積分電流和積分電壓靈敏度，i和和u稱(chēng)為電表測(cè)量的電流、電壓有效值。稱(chēng)為電表測(cè)量的電流、電壓有效值。 光功率光功率P是指分布在某一光譜范圍內(nèi)的總功率。是指分布在某一光譜范圍內(nèi)的總功率。有些教

21、材有些教材采用微安采用微安/ /流明流明積分靈敏度積分靈敏度RiRdP 光功率譜密度光功率譜密度P由于光電探測(cè)器的光譜選擇性，在由于光電探測(cè)器的光譜選擇性，在其它條件下不變的情況下，光電流將是光波長(zhǎng)的函數(shù)，其它條件下不變的情況下，光電流將是光波長(zhǎng)的函數(shù)，記為記為i，于是光譜靈敏度，于是光譜靈敏度R定義為定義為 R是常數(shù)時(shí)，相應(yīng)探測(cè)器稱(chēng)為是常數(shù)時(shí)，相應(yīng)探測(cè)器稱(chēng)為無(wú)選擇性探測(cè)器無(wú)選擇性探測(cè)器(如光如光熱探測(cè)器熱探測(cè)器)，光子探測(cè)器則是選擇性探測(cè)器。，光子探測(cè)器則是選擇性探測(cè)器。通常給出的是通常給出的是相對(duì)光譜靈敏度相對(duì)光譜靈敏度S定義為定義為 Rm是指是指R的最大值，的最大值，S為無(wú)量綱，隨為無(wú)量

22、綱，隨變化的曲線(xiàn)稱(chēng)變化的曲線(xiàn)稱(chēng)為為光譜靈敏度曲線(xiàn)光譜靈敏度曲線(xiàn)。/mSRR光譜靈敏度光譜靈敏度R(1)(2)引入相對(duì)光譜功率密度函數(shù)，它的定義引入相對(duì)光譜功率密度函數(shù)，它的定義為為)3(mPPfdPdP didi ddfPRSdimm00 ddfPRSdiimm000dfdfdfSPdRmm把把(2)和和(3)式代入式代入(1)式，只要注意到式，只要注意到和和就有就有積分上式，有積分上式，有dP變化量變化量式中式中S001dPPdfmmPP/dRRmimKRKdRPiRimm00dfdfSK0 .1并注意到并注意到由此便得由此便得式中式中稱(chēng)為光譜利用率系數(shù)，為入射光功率能被響應(yīng)的百分比。稱(chēng)為光

23、譜利用率系數(shù)，為入射光功率能被響應(yīng)的百分比。0df0dfsf 若入射光是強(qiáng)度調(diào)制，在其它條件不變下，光電流若入射光是強(qiáng)度調(diào)制，在其它條件不變下，光電流if將隨調(diào)頻將隨調(diào)頻f的升高而下降，這時(shí)的靈敏度稱(chēng)為的升高而下降，這時(shí)的靈敏度稱(chēng)為頻率靈敏頻率靈敏度度Rf，PiRff20)2(1fiiff定義為定義為if是光電流時(shí)變函數(shù)的付里葉變換，通常是光電流時(shí)變函數(shù)的付里葉變換，通常 稱(chēng)為探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間或時(shí)間常數(shù)，由材料、結(jié)構(gòu)稱(chēng)為探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間或時(shí)間常數(shù)，由材料、結(jié)構(gòu)和外電路決定。和外電路決定。 頻率靈敏度頻率靈敏度Rf(響應(yīng)頻率響應(yīng)頻率fc和響應(yīng)時(shí)間和響應(yīng)時(shí)間t)頻率靈敏度頻率靈敏度20)2(1fR

24、Rf00707. 02/RR21cf 這就是探測(cè)器的這就是探測(cè)器的頻率特性頻率特性，R f隨隨f 升高而下降的速升高而下降的速度與度與值大小關(guān)系很大。值大小關(guān)系很大。一般規(guī)定，一般規(guī)定，R f下降到下降到從上式可見(jiàn)：從上式可見(jiàn)：當(dāng)當(dāng)ffc時(shí)，認(rèn)為光電流能線(xiàn)性再現(xiàn)光功率時(shí)，認(rèn)為光電流能線(xiàn)性再現(xiàn)光功率P的變化。的變化。如果是脈沖形式的入射光，則更常用響應(yīng)時(shí)間來(lái)描如果是脈沖形式的入射光，則更常用響應(yīng)時(shí)間來(lái)描述。述。 頻率頻率fc為探測(cè)器的為探測(cè)器的截止響應(yīng)頻率截止響應(yīng)頻率和和響應(yīng)頻響應(yīng)頻率率。 例如：例如： 德國(guó)德國(guó)Advanced Laser Diode Systems公司提供帶寬公司提供帶寬可達(dá)

25、可達(dá)35GHz、響應(yīng)頻率范圍覆蓋、響應(yīng)頻率范圍覆蓋400nm到到1.6 m 的高速光電二的高速光電二極管。該光電二極管采用極管。該光電二極管采用MSM（金屬（金屬-半導(dǎo)體半導(dǎo)體-金屬）的結(jié)構(gòu)，金屬）的結(jié)構(gòu)，具有非常低的電容、電阻，因而具有極高的響應(yīng)速度。其沖擊具有非常低的電容、電阻，因而具有極高的響應(yīng)速度。其沖擊響應(yīng)振蕩極小，常適于高速光源時(shí)間或頻率特性探測(cè)。響應(yīng)振蕩極小，常適于高速光源時(shí)間或頻率特性探測(cè)。光纖耦合光纖耦合 自由光輸入自由光輸入 探測(cè)器對(duì)突然光照的輸出電流，要經(jīng)過(guò)一定時(shí)間探測(cè)器對(duì)突然光照的輸出電流，要經(jīng)過(guò)一定時(shí)間才能上升到與這一輻射功率相應(yīng)的穩(wěn)定值才能上升到與這一輻射功率相應(yīng)的

26、穩(wěn)定值i。21cf),(fPuFi 當(dāng)輻射突然降去后，輸出電流也需要經(jīng)過(guò)一定時(shí)當(dāng)輻射突然降去后，輸出電流也需要經(jīng)過(guò)一定時(shí)間才能下降到零。間才能下降到零。一般而論，上升和下降時(shí)間相等，時(shí)間常數(shù)近似地由一般而論，上升和下降時(shí)間相等，時(shí)間常數(shù)近似地由 決定。決定。光電流是兩端電壓光電流是兩端電壓u、光功率光功率P、光波長(zhǎng)、光波長(zhǎng)和光強(qiáng)調(diào)和光強(qiáng)調(diào)制頻率制頻率f的函數(shù)，即的函數(shù)，即 以以u(píng)，P，為參變量，為參變量，iF（f）的關(guān)系稱(chēng)為）的關(guān)系稱(chēng)為光電頻率光電頻率特性特性，相應(yīng)的曲線(xiàn)稱(chēng)為，相應(yīng)的曲線(xiàn)稱(chēng)為頻率特性曲線(xiàn)頻率特性曲線(xiàn)。同樣，同樣，i=F (P)及曲線(xiàn)稱(chēng)為及曲線(xiàn)稱(chēng)為光電特性曲光電特性曲線(xiàn)線(xiàn)。iF

27、()及其曲線(xiàn)稱(chēng)為及其曲線(xiàn)稱(chēng)為光譜特性曲線(xiàn)光譜特性曲線(xiàn)。而而iF (u)及其曲線(xiàn)稱(chēng)為及其曲線(xiàn)稱(chēng)為伏安特性曲線(xiàn)伏安特性曲線(xiàn)。 當(dāng)這些曲線(xiàn)給出時(shí)，靈敏度當(dāng)這些曲線(xiàn)給出時(shí)，靈敏度R的值就可以從曲線(xiàn)中的值就可以從曲線(xiàn)中求出，而且還可以利用這些曲線(xiàn)，尤其是伏安特性曲求出，而且還可以利用這些曲線(xiàn)，尤其是伏安特性曲線(xiàn)來(lái)設(shè)計(jì)探測(cè)器的使用電路。線(xiàn)來(lái)設(shè)計(jì)探測(cè)器的使用電路。 量子效率：量子效率：在某一特定波長(zhǎng)上，每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的光電在某一特定波長(zhǎng)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。子數(shù)與入射光量子數(shù)之比。 對(duì)理想的探測(cè)器，入射一個(gè)光量子發(fā)射一個(gè)電子，對(duì)理想的探測(cè)器，入射一個(gè)光量子發(fā)射一個(gè)電子， =1實(shí)際上，實(shí)

28、際上， 1, 即單位時(shí)間流過(guò)器件的電荷數(shù)大于器件內(nèi)光即單位時(shí)間流過(guò)器件的電荷數(shù)大于器件內(nèi)光激發(fā)的電荷，從而使電流得到放大。激發(fā)的電荷，從而使電流得到放大。由上式可知：由上式可知：、減小樣品長(zhǎng)度可以大大提高增益；、減小樣品長(zhǎng)度可以大大提高增益；、增加載流子的壽命也可提高增益。、增加載流子的壽命也可提高增益。由上式可知：由上式可知：、減小樣品長(zhǎng)度可以大大提高增益；、減小樣品長(zhǎng)度可以大大提高增益；、增加載流子的壽命也可提高增益。、增加載流子的壽命也可提高增益。 光敏面作成光敏面作成蛇形蛇形，電極作成梳狀是因?yàn)檫@樣即，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可以保證有較大的

29、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。提高靈敏度。(2)光電導(dǎo)靈敏度光電導(dǎo)靈敏度gS： 光電導(dǎo)（西門(mén)子光電導(dǎo)（西門(mén)子S）： 光照度（勒克斯光照度（勒克斯lx）A：入射面積：入射面積定義為光電導(dǎo)定義為光電導(dǎo) 與輸入光照度與輸入光照度E之比。之比。pgpppgggg ASEApg： 光通量（流明光通量（流明lm）E注意：注意：靈敏度與光電增益的區(qū)別靈敏度與光電增益的區(qū)別靈敏度是光電導(dǎo)體在光照下產(chǎn)生光電導(dǎo)能力的大小。靈敏度是光電導(dǎo)體在光照下產(chǎn)生光電導(dǎo)能力的大小。增益指在工作狀態(tài)下，各參數(shù)對(duì)光電導(dǎo)效應(yīng)的增強(qiáng)能力。

30、增益指在工作狀態(tài)下，各參數(shù)對(duì)光電導(dǎo)效應(yīng)的增強(qiáng)能力。(3) 光照特性光照特性 是在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流和光通量之間的關(guān)系。光敏電阻的是在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流和光通量之間的關(guān)系。光敏電阻的光照特性曲線(xiàn)均呈非線(xiàn)性，因此它不宜作定量檢測(cè)元件，一般在自動(dòng)控制系光照特性曲線(xiàn)均呈非線(xiàn)性，因此它不宜作定量檢測(cè)元件，一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用作光電開(kāi)關(guān)。統(tǒng)中用作光電開(kāi)關(guān)。 (4) 光譜特性光譜特性光譜特性與光敏電阻的材料有關(guān)。硫化鉛光敏電阻在較寬的光譜范圍內(nèi)均有光譜特性與光敏電阻的材料有關(guān)。硫化鉛光敏電阻在較寬的光譜范圍內(nèi)均有較高的靈敏度，峰值在紅外區(qū)域；硫化鎘、硒化鎘的峰值在可見(jiàn)光區(qū)域。較

31、高的靈敏度，峰值在紅外區(qū)域；硫化鎘、硒化鎘的峰值在可見(jiàn)光區(qū)域。 圖圖4.4 硫化隔光敏電阻的光照特性硫化隔光敏電阻的光照特性 圖圖4.5 光敏電阻的光譜特性光敏電阻的光譜特性 尤其硫化鎘的峰值波長(zhǎng)與人眼的尤其硫化鎘的峰值波長(zhǎng)與人眼的很敏感的峰值波長(zhǎng)（很敏感的峰值波長(zhǎng)（555nm）是）是很接近的，因此可用于與人眼有很接近的，因此可用于與人眼有關(guān)的儀器，例如照相機(jī)、照度計(jì)、關(guān)的儀器，例如照相機(jī)、照度計(jì)、光度計(jì)等光度計(jì)等(5) 伏安特性伏安特性在一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流越大，而且在一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流越大，而且無(wú)飽和現(xiàn)象。無(wú)飽和現(xiàn)象。但是電壓不能無(wú)限地增大，因?yàn)槿魏喂?/p>

32、敏電阻都受額定功但是電壓不能無(wú)限地增大，因?yàn)槿魏喂饷綦娮瓒际茴~定功率、最高工作電壓和額定電流的限制。率、最高工作電壓和額定電流的限制。超過(guò)最高工作電壓和最大額定電流，可能導(dǎo)致光敏電阻永超過(guò)最高工作電壓和最大額定電流，可能導(dǎo)致光敏電阻永久性損壞。久性損壞。 在一定照度下，加在光敏電阻在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關(guān)系稱(chēng)兩端的電壓與電流之間的關(guān)系稱(chēng)為光敏電阻的伏安特性。為光敏電阻的伏安特性。 在給定偏壓下，光照度越大，在給定偏壓下，光照度越大，光電流也越大。光電流也越大。(6) 頻率特性（時(shí)間響應(yīng)特性）頻率特性（時(shí)間響應(yīng)特性）o 當(dāng)光敏電阻受到脈沖光照射當(dāng)光敏電阻受到脈沖光照射時(shí)

33、，光電流要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間時(shí)，光電流要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定值，而在停止才能達(dá)到穩(wěn)定值，而在停止光照后，光電流也不立刻為光照后，光電流也不立刻為零，這稱(chēng)為光敏電阻的惰性零，這稱(chēng)為光敏電阻的惰性或時(shí)延特性。或時(shí)延特性。 (7) 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 o 初制成的光敏電阻，由于體內(nèi)機(jī)構(gòu)工作不穩(wěn)定，以及電初制成的光敏電阻，由于體內(nèi)機(jī)構(gòu)工作不穩(wěn)定，以及電阻體與其介質(zhì)的作用還沒(méi)有達(dá)到平衡，所以性能是不夠阻體與其介質(zhì)的作用還沒(méi)有達(dá)到平衡，所以性能是不夠穩(wěn)定的。穩(wěn)定的。o 但在人為地加溫、光照及加負(fù)載情況下，經(jīng)一至二周的但在人為地加溫、光照及加負(fù)載情況下，經(jīng)一至二周的老化，性能可達(dá)穩(wěn)定。老化，性能可達(dá)穩(wěn)定。o 光敏電

34、阻在開(kāi)始一段時(shí)間的老化過(guò)程中，有些樣品阻值光敏電阻在開(kāi)始一段時(shí)間的老化過(guò)程中，有些樣品阻值上升，有些樣品阻值下降，但最后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值后就上升，有些樣品阻值下降，但最后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值后就不再變了。這就是光敏電阻的主要優(yōu)點(diǎn)。不再變了。這就是光敏電阻的主要優(yōu)點(diǎn)。o 光敏電阻的使用壽命在密封良好、使用合理的情況下，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(wú)限長(zhǎng)的。幾乎是無(wú)限長(zhǎng)的。 (8) 溫度特性溫度特性 o 光敏電阻性能光敏電阻性能(靈敏度、暗電阻靈敏度、暗電阻)受溫度的影響較大。受溫度的影響較大。o 隨著溫度的升高，暗電阻和靈敏度下降；光譜特性曲線(xiàn)隨著溫度的升高，暗電阻和靈敏度下降

35、；光譜特性曲線(xiàn)的峰值向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng)。的峰值向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng)。o 有時(shí)為了提高靈敏度，或?yàn)榱四軌蚪邮者h(yuǎn)紅外光等較長(zhǎng)有時(shí)為了提高靈敏度，或?yàn)榱四軌蚪邮者h(yuǎn)紅外光等較長(zhǎng)波段的輻射，將元件降溫使用。波段的輻射，將元件降溫使用。o 例如，可利用制冷器使光敏電阻的溫度降低。例如，可利用制冷器使光敏電阻的溫度降低。 （9）前歷效應(yīng)）前歷效應(yīng) 1-黑暗放置黑暗放置3分鐘后分鐘后 2-黑暗放置黑暗放置60分鐘后分鐘后 3-黑暗放置黑暗放置24小時(shí)后小時(shí)后指光敏電阻的時(shí)間特性與工作前指光敏電阻的時(shí)間特性與工作前“歷史歷史”有關(guān)的一有關(guān)的一種現(xiàn)象。即測(cè)試前光敏電阻所處狀態(tài)對(duì)光敏電阻特性的種現(xiàn)象。即測(cè)試前光敏電阻

36、所處狀態(tài)對(duì)光敏電阻特性的影響。影響。暗態(tài)前歷效應(yīng)暗態(tài)前歷效應(yīng)：指光敏電阻測(cè)試或工作前處于暗：指光敏電阻測(cè)試或工作前處于暗態(tài)，當(dāng)它突然受到光照后光電流上升的越慢程度。工態(tài)，當(dāng)它突然受到光照后光電流上升的越慢程度。工作電壓越低，光照度越低，則暗態(tài)前歷效應(yīng)就越重。作電壓越低，光照度越低，則暗態(tài)前歷效應(yīng)就越重。亮態(tài)前歷效應(yīng)：亮態(tài)前歷效應(yīng)： 光敏電阻測(cè)試或工作前已處于亮態(tài)，當(dāng)照度與工光敏電阻測(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。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。（10）噪聲特性：）噪聲特性：熱噪聲、產(chǎn)生復(fù)合噪聲熱噪聲、產(chǎn)生復(fù)合噪聲 、1/f 噪聲

37、與調(diào)制頻率的關(guān)系噪聲與調(diào)制頻率的關(guān)系在紅外探測(cè)中，在紅外探測(cè)中，采用光調(diào)制技術(shù)，采用光調(diào)制技術(shù)，8008001000H1000HZ Z時(shí)時(shí)可以消除可以消除1/f1/f噪噪聲和產(chǎn)生聲和產(chǎn)生- -復(fù)合復(fù)合噪聲。噪聲。 4、光敏電阻的特點(diǎn)、光敏電阻的特點(diǎn)（1）優(yōu)點(diǎn)：）優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，光電導(dǎo)增益大于靈敏度高，光電導(dǎo)增益大于1，工作電流大，無(wú)極性，工作電流大，無(wú)極性之分之分光譜響應(yīng)范圍寬，尤其對(duì)紅外有較高的靈敏度光譜響應(yīng)范圍寬，尤其對(duì)紅外有較高的靈敏度所測(cè)光強(qiáng)范圍寬，可測(cè)強(qiáng)光、弱光所測(cè)光強(qiáng)范圍寬，可測(cè)強(qiáng)光、弱光（2）不足：）不足：強(qiáng)光下光電轉(zhuǎn)換線(xiàn)性差強(qiáng)光下光電轉(zhuǎn)換線(xiàn)性差光電導(dǎo)弛豫時(shí)間長(zhǎng)光電導(dǎo)弛豫時(shí)間長(zhǎng)受

38、溫度影響大受溫度影響大由伏安特性知，設(shè)計(jì)負(fù)載時(shí)，應(yīng)考慮額定功耗由伏安特性知，設(shè)計(jì)負(fù)載時(shí)，應(yīng)考慮額定功耗進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮光敏電阻的前歷效應(yīng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮光敏電阻的前歷效應(yīng)5、光敏電阻器種類(lèi)：、光敏電阻器種類(lèi)： 1）按制作材料分類(lèi)：多晶和單晶光敏電阻器，還可分）按制作材料分類(lèi)：多晶和單晶光敏電阻器，還可分為為硫化鎘硫化鎘（CdS）、）、硒化鎘硒化鎘(CdSe) 、硫化鉛硫化鉛(PbS)、硒化硒化鉛鉛(PbSe)、銻化銦銻化銦(InSb) 光敏電阻器等。光敏電阻器等。2）按光譜特性分類(lèi)：）按光譜特性分類(lèi)： 可見(jiàn)光光敏電阻器可見(jiàn)光光敏電阻器：主要用于各種光電自動(dòng)控制系統(tǒng)、：主要用于各種光

39、電自動(dòng)控制系統(tǒng)、電子照相機(jī)、光報(bào)警等地。電子照相機(jī)、光報(bào)警等地。 紫外光光敏電阻器紫外光光敏電阻器：主要用于紫外線(xiàn)探測(cè)儀器。：主要用于紫外線(xiàn)探測(cè)儀器。 紅外光光敏電阻器紅外光光敏電阻器：主要用于天文、軍事等領(lǐng)域的有：主要用于天文、軍事等領(lǐng)域的有關(guān)自動(dòng)控制系統(tǒng)。關(guān)自動(dòng)控制系統(tǒng)。6、光敏電阻器的主要參數(shù)、光敏電阻器的主要參數(shù)1）亮電阻（亮電阻（k）：指光敏電阻器受到光照射時(shí)的電阻：指光敏電阻器受到光照射時(shí)的電阻值。值。2）暗電阻暗電阻(M)：指光敏電阻器在無(wú)光照射（黑暗環(huán)境）：指光敏電阻器在無(wú)光照射（黑暗環(huán)境）時(shí)的電阻值。時(shí)的電阻值。3）最高工作電壓最高工作電壓(V)：指光敏電阻器在額定功率下所允

40、：指光敏電阻器在額定功率下所允許承受的最高電壓許承受的最高電壓4）亮電流亮電流：指光敏電阻器在規(guī)定的外加電壓下受到光照：指光敏電阻器在規(guī)定的外加電壓下受到光照射時(shí)所通過(guò)的電流。射時(shí)所通過(guò)的電流。5）暗電流暗電流(mA)：指在無(wú)光照射時(shí)，光敏電阻器在規(guī)定：指在無(wú)光照射時(shí)，光敏電阻器在規(guī)定的外加電壓下通過(guò)的電流。的外加電壓下通過(guò)的電流。6）時(shí)間常數(shù)（時(shí)間常數(shù)（s）：指光敏電阻器從光照躍變開(kāi)始到穩(wěn)：指光敏電阻器從光照躍變開(kāi)始到穩(wěn)定亮電流的定亮電流的63時(shí)所需的時(shí)間。時(shí)所需的時(shí)間。7）電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)：指光敏電阻器在環(huán)境溫度改變：指光敏電阻器在環(huán)境溫度改變1時(shí)，時(shí)，其電阻值的相對(duì)變化。其電阻值

41、的相對(duì)變化。8）靈敏度靈敏度：指光敏電阻器在有光照射和無(wú)光照射時(shí)電阻：指光敏電阻器在有光照射和無(wú)光照射時(shí)電阻值的相對(duì)變化。值的相對(duì)變化。7、作用與應(yīng)用、作用與應(yīng)用廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)控制電路（如廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)控制電路（如自動(dòng)照明燈控制電路、自動(dòng)報(bào)警電路等）、家用電器自動(dòng)照明燈控制電路、自動(dòng)報(bào)警電路等）、家用電器（如電視機(jī)中的亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)，照相機(jī)的自動(dòng)曝光控（如電視機(jī)中的亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)，照相機(jī)的自動(dòng)曝光控制等）及各種測(cè)量?jī)x器中。制等）及各種測(cè)量?jī)x器中。o 如果把光敏電阻連接到外電路中，在外加電壓的作用下，用光照射就能改變電路中電流的大小，其測(cè)量電路如圖所示。光敏電阻的基本測(cè)量電路 7、作用與應(yīng)用

42、、作用與應(yīng)用廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)控制電路（如廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)控制電路（如自動(dòng)照明燈控制電路、自動(dòng)報(bào)警電路等）、家用電器自動(dòng)照明燈控制電路、自動(dòng)報(bào)警電路等）、家用電器（如電視機(jī)中的亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)，照相機(jī)的自動(dòng)曝光控（如電視機(jī)中的亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)，照相機(jī)的自動(dòng)曝光控制等）及各種測(cè)量?jī)x器中。制等）及各種測(cè)量?jī)x器中。數(shù)碼相機(jī)為什么能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)曝光？數(shù)碼相機(jī)為什么能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)曝光？知識(shí)延伸和鞏固如圖所示為光敏電阻自動(dòng)計(jì)數(shù)器的示意圖，其中如圖所示為光敏電阻自動(dòng)計(jì)數(shù)器的示意圖，其中A為為發(fā)光儀器，發(fā)光儀器，B為水平傳送帶，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)做勻速直為水平傳送帶，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。R1為光敏電阻，為光敏電阻

43、，R2為定值電阻，為定值電阻，R1、R2串串聯(lián)在電路中，電源電壓保持不變每當(dāng)傳送帶上有聯(lián)在電路中，電源電壓保持不變每當(dāng)傳送帶上有易拉罐擋住由易拉罐擋住由A射向射向R1的光線(xiàn)時(shí)，的光線(xiàn)時(shí)，R1的電阻值就增大，的電阻值就增大，計(jì)數(shù)器就計(jì)數(shù)一次。則：（計(jì)數(shù)器就計(jì)數(shù)一次。則：（1）當(dāng)傳送帶上有易拉罐）當(dāng)傳送帶上有易拉罐擋住由擋住由A射向射向R1的光線(xiàn)時(shí)，定值電阻的光線(xiàn)時(shí)，定值電阻R2兩端的電壓將兩端的電壓將_。（填。（填“變大變大”、“變小變小”或或“不變不變”）（2）已知相鄰的兩個(gè)易拉罐中心之間的距離均為）已知相鄰的兩個(gè)易拉罐中心之間的距離均為20cm，若計(jì)數(shù)器從易拉罐第一次擋住光線(xiàn)開(kāi)始計(jì)時(shí)，若計(jì)數(shù)

44、器從易拉罐第一次擋住光線(xiàn)開(kāi)始計(jì)時(shí)，到恰好計(jì)數(shù)到恰好計(jì)數(shù)101次共用時(shí)間次共用時(shí)間40s，則傳送帶的速度為多，則傳送帶的速度為多少少m/s？答案：答案：（1）由題意可知，當(dāng)傳送帶上有易拉罐擋住由）由題意可知，當(dāng)傳送帶上有易拉罐擋住由A射向射向R1的光線(xiàn)時(shí)，的光線(xiàn)時(shí)，R1的電阻值就增大，由于的電阻值就增大，由于R1、R2是串聯(lián)是串聯(lián)在電路中的，當(dāng)在電路中的，當(dāng)R1電阻值增大，電阻值增大，R1分得的電壓就增大，分得的電壓就增大，R2兩端的電壓將變??；兩端的電壓將變?。唬?）由）由vs/t(101-1)0.2m/40s0.5m/s。 4.5 pn結(jié)光伏探測(cè)器的工作模式結(jié)光伏探測(cè)器的工作模式o 利用半導(dǎo)

45、體PN結(jié)光伏效應(yīng)制成的器件稱(chēng)為光伏器件光伏器件，也稱(chēng)結(jié)型光電器件。o 這類(lèi)器件品種很多，其中包括各種光電池光電池、 光電二光電二極管極管、 光電晶體管光電晶體管、光電場(chǎng)效應(yīng)管光電場(chǎng)效應(yīng)管、PIN管管、 雪崩雪崩光電二極管光電二極管、光可控硅光可控硅、 陣列式光電器件陣列式光電器件、象限式象限式光電器件光電器件、位置敏感探測(cè)器（位置敏感探測(cè)器（PSD）、光電耦合器件）、光電耦合器件等。o 和光電導(dǎo)探測(cè)器不同，光伏探測(cè)器的工作特性要復(fù)雜一些。通常有光電池和光電二極管之分，也就是說(shuō)，光伏探測(cè)器有著不同的工作模式工作模式。因此在具體討論光伏探測(cè)器的工作特性之前，首先我們必須弄清楚它的工作模式問(wèn)題。 4

46、.5 pn結(jié)光伏探測(cè)器的工作模式結(jié)光伏探測(cè)器的工作模式光電轉(zhuǎn)換原理光電轉(zhuǎn)換原理 PN結(jié)光伏探測(cè)器的典型結(jié)構(gòu)如圖所示。為了說(shuō)明光功率轉(zhuǎn)換成光電流的關(guān)系，我們?cè)O(shè)想光伏探測(cè)器兩端被短路，并用一理想電流表記錄光照下流過(guò)回路的電流，這個(gè)電流常常稱(chēng)為短路光電流短路光電流。 光子電極電極耗盡層SiO2p+nn+ 假定光生電子-空穴對(duì)在結(jié)的結(jié)區(qū)，即耗盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生。由于內(nèi)電場(chǎng)作用，電子從n區(qū)向p區(qū)漂移運(yùn)動(dòng)，被內(nèi)電場(chǎng)分離的電子和空穴就在外回路中形成電流。 EcEFEv光生空穴- - -+ + +-pnxoLpn光子Ei電離受主 電離施主光生電子耗盡層-就光電流形成的過(guò)程而言，光伏探測(cè)器和光電導(dǎo)探測(cè)器有十分類(lèi)似的情況

47、。可以證明：在光伏情況下一個(gè)光生電子空穴對(duì)對(duì)外回路所貢獻(xiàn)的總電荷量：光伏探測(cè)器的內(nèi)電流增益等于內(nèi)電流增益等于1。光伏探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換關(guān)系為這是和光電導(dǎo)探測(cè)器明顯不同的地方。eQQQnpPheip光伏探測(cè)器的工作模式 一個(gè)PN結(jié)光伏探測(cè)器就等效為一個(gè)普通二極管和一個(gè)恒流源(光電流源)的并聯(lián)，如圖 (b)所示。它的工作模式則由外偏壓回路決定。在零偏壓時(shí)(圖 (c)，稱(chēng)為光伏工作模式光伏工作模式。當(dāng)外回路采用反偏壓V時(shí)(圖 (d)，即外加P端為負(fù)n端為正的電壓時(shí)，稱(chēng)為光導(dǎo)工作模式光導(dǎo)工作模式。 VuiiD(a)(b)(c)(d)iiLRLR普通二極管的伏安特性為光伏探測(cè)器的總伏安特性應(yīng)為 和 之和，考

48、慮到二者的流動(dòng)方向，我們有：式中i是流過(guò)探測(cè)器的總電流，e是電子電荷，u是探測(cè)器兩端電壓，kB是玻耳茲曼常數(shù)，T是器件的絕對(duì)溫度。把上式中i和u為縱橫坐標(biāo)作成曲線(xiàn)，就是光伏探測(cè)器的伏安特性曲線(xiàn)伏安特性曲線(xiàn)。 ) 1(/0TkeuSdBeiiDiiiiiDieiTkeuSB) 1(/0iu第一象限第一象限是正偏壓狀態(tài)，iD本來(lái)就很大，所以光電流不起重要作用。作為光電探測(cè)器作為光電探測(cè)器，工作在這一區(qū)域沒(méi)有意義沒(méi)有意義。第第三象限三象限是反偏壓狀態(tài)。這時(shí)iD=iS0，它是普通二極管中的反向飽和電流，現(xiàn)在稱(chēng)為暗電流(對(duì)應(yīng)于光功率P=0)，數(shù)值很小，這時(shí)的光電流(等于i-iS0)是流過(guò)探測(cè)器的主要電流

49、，這對(duì)應(yīng)于光導(dǎo)工作模式光導(dǎo)工作模式。 通常把光導(dǎo)工作模式的光伏探測(cè)器稱(chēng)為光電二極管光電二極管，因?yàn)樗耐饣芈诽匦耘c光電導(dǎo)探測(cè)器十分相似。在第四象限中，外偏壓第四象限中，外偏壓為零為零。流過(guò)探測(cè)器的電流仍為反向光電流，隨著光功率的不同，出現(xiàn)明顯的非線(xiàn)性。這時(shí)探測(cè)器的輸出是通過(guò)負(fù)載電阻RL上的電壓或流過(guò)RL上的電流來(lái)體現(xiàn)，因此，稱(chēng)為光伏工作模式光伏工作模式。通常把光伏工作模式的光伏探測(cè)器稱(chēng)為光電池光電池。應(yīng)特別注意，光電流總是反向電流，而光電流在RL上的電壓降，對(duì)探測(cè)器產(chǎn)生正向偏置稱(chēng)為自偏壓自偏壓，當(dāng)然要產(chǎn)生正向電流。最終兩個(gè)電流抵消，伏安曲線(xiàn)中止于橫軸上。 4.6 光電池 4.6 光電池硅光電池

50、結(jié)構(gòu)示意如圖硅光電池結(jié)構(gòu)示意如圖-+RLpn防反射膜防反射膜(SiO2）pn+-SiO2pn結(jié)結(jié)硅光電池硅光電池幾種國(guó)產(chǎn)硅光電池的特性幾種國(guó)產(chǎn)硅光電池的特性 光電池的應(yīng)用 o 光電池主要有兩大類(lèi)型的應(yīng)用：1）將光電池作光伏器件使用，利用光伏作用直接將大陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，即太陽(yáng)能電池。 這是全世界范圍內(nèi)人們所追求、探索新能源的一個(gè)重要研究課題。太陽(yáng)能電池已在宇宙開(kāi)發(fā)、航空、通信設(shè)施、太陽(yáng)電池地面發(fā)電站、日常生活和交通事業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。 目前太陽(yáng)電池發(fā)電成本尚不能與常規(guī)能源競(jìng)爭(zhēng)，但是隨著太陽(yáng)電池技術(shù)不斷發(fā)展，成本會(huì)逐漸下降，太陽(yáng)電池定將獲得更廣泛的應(yīng)用。2）將光電池作光電轉(zhuǎn)換器件應(yīng)用，需要光電池具

51、有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短等特性，但不必需要像太陽(yáng)電池那樣的光電轉(zhuǎn)換效率。 這一類(lèi)光電池需要特殊的制造工藝，主要用于光電檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)中。 o 1太陽(yáng)能電池電源 太陽(yáng)能電池電源系統(tǒng)主要由太陽(yáng)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(fù)載供電，則加一個(gè)直流交流變換器，太陽(yáng)能電池電源系統(tǒng)框圖如圖。 2光電池在光電檢測(cè)和自動(dòng)控制方面的應(yīng)用o 光電池作為光電探測(cè)使用時(shí)，其基本原理與光電二極管相同，但它們的基本結(jié)構(gòu)和制造工藝不完全相同。o 由于光電池工作時(shí)不需要外加電壓；光電轉(zhuǎn)換效率高，光譜范圍寬，頻率特性好，噪聲低等，它已廣泛地用于光電讀出、光電耦合、光柵測(cè)距、激光準(zhǔn)直、電影還音、

52、紫外光監(jiān)視器和燃?xì)廨啓C(jī)的熄火保護(hù)裝置等。例：光電跟蹤電路 o 用兩只性能相似的同類(lèi)光電池作為光電接收器件。當(dāng)入射光通量相同時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)按預(yù)定的方式工作或進(jìn)行跟蹤。當(dāng)系統(tǒng)略有偏差時(shí)，電路輸出差動(dòng)信號(hào)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行糾正，以此達(dá)到跟蹤的目的。 例：光電開(kāi)關(guān) o 多用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中。無(wú)光照時(shí)，系統(tǒng)處于某一工作狀態(tài)，如通態(tài)或斷態(tài)。當(dāng)光電池受光照射時(shí)，產(chǎn)生較高的電動(dòng)勢(shì)，只要光強(qiáng)大于某一設(shè)定的閾值，系統(tǒng)就改變工作狀態(tài)，達(dá)到開(kāi)關(guān)目的。 例：光電池觸發(fā)電路 o 當(dāng)光電池受光照射時(shí)，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(dǎo)通。 例：光電池放大電路 o 在測(cè)量溶液濃度、物體色度、紙

53、張的灰度等場(chǎng)合，可用該電路作前置級(jí)，把微弱光電信號(hào)進(jìn)行線(xiàn)性放大，然后帶動(dòng)指示機(jī)構(gòu)或二次儀表進(jìn)行讀數(shù)或記錄。 4.7 光電二極管外形光變化電流變化光電轉(zhuǎn)換器光敏特性或光 輸 入-+UR輸 出 （a） （b） 光電二極管的符號(hào)與光電特性的測(cè)量電路（a）符號(hào) （b）光電特性的測(cè)量電路光電二極管的伏安特性有光有光光電接收二極管光電接收二極管反偏反偏狀態(tài)狀態(tài)光電流（恒流）光電流（恒流）光電流與照度線(xiàn)性關(guān)光電流與照度線(xiàn)性關(guān)系系無(wú)光無(wú)光暗電流暗電流o 國(guó)產(chǎn)硅光電二極管按襯底材料的導(dǎo)電類(lèi)型不同，分為2CU和2DU兩種系列。o 2CU系列以N-Si為襯底， 2DU系列以P-Si為襯底o(hù) 2CU系列光電二極管只有

54、兩個(gè)引出線(xiàn)兩個(gè)引出線(xiàn)，o 而2DU系列光電二極管有三條引出線(xiàn)三條引出線(xiàn)，除了前極、后極外，還設(shè)了一個(gè)環(huán)極。o 硅光電二極管結(jié)構(gòu)示意圖硅光電二極管結(jié)構(gòu)示意圖o 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(lèi)型相同，可以使P-Si表面與NSi連通起來(lái)。 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(guò)表面感應(yīng)電子層產(chǎn)生的漏電子流，從而使

55、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(lái)，并從N+-Si環(huán)上引出一條引線(xiàn)（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(guò)負(fù)載即可達(dá)到電源的通路。 這樣，即可達(dá)到減小流過(guò)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。 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(lèi)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。 o 光電二極管的用法只能有兩種。光電二極管的用法只

56、能有兩種。o 一種是不加外電壓，直接與負(fù)載相接。一種是不加外電壓，直接與負(fù)載相接。o 另一種是加反向電壓，如圖所示。另一種是加反向電壓，如圖所示。o a) 不加外電源不加外電源 b) 加反向外電源加反向外電源 c) 2DU環(huán)極接法環(huán)極接法o 實(shí)際上，不是不能加正向電壓，只是正接以后就與普通實(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)不出它的光電效二極管一樣，只有單向?qū)щ娦?，而表現(xiàn)不出它的光電效應(yīng)。應(yīng)。 光電二極管的用法光電二極管的用法：o 加反向電壓時(shí)，伏安特性曲線(xiàn)常畫(huà)成如下圖所示的形式。加反向電壓時(shí)，伏安特性曲線(xiàn)常畫(huà)成如下圖所示的形式。o 與與硅光電池的

57、伏安特性曲線(xiàn)硅光電池的伏安特性曲線(xiàn)圖比較，有兩點(diǎn)不同。圖比較，有兩點(diǎn)不同。o 一是把硅光電池的伏安特性曲線(xiàn)圖中一是把硅光電池的伏安特性曲線(xiàn)圖中、象限里的圖線(xiàn)對(duì)象限里的圖線(xiàn)對(duì)于縱軸反轉(zhuǎn)了一下，變?yōu)樯蠄D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。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。負(fù)電壓，這樣處理對(duì)于以后的電路設(shè)計(jì)很方便。o 二是因?yàn)殚_(kāi)路電壓二是因?yàn)殚_(kāi)路電壓UOC一般都比外加的反向電壓小很多，二一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(xiàn)常畫(huà)為上圖者比較可略而不計(jì)，所以實(shí)用曲線(xiàn)常畫(huà)為上圖(b)的形式。的形式。 o微變等效電路與頻率特性微變

58、等效電路與頻率特性：o光電二極管的等效電路可表達(dá)如下：光電二極管的等效電路可表達(dá)如下：o其中圖其中圖a為實(shí)際電路；為實(shí)際電路；o圖圖b為考慮到光電二極管結(jié)構(gòu)、功能后畫(huà)出的微變等效電路，為考慮到光電二極管結(jié)構(gòu)、功能后畫(huà)出的微變等效電路，其中其中Ip為光電流，為光電流，V為理想二極管，為理想二極管，Cf為結(jié)電容，為結(jié)電容，Rsh為漏電為漏電阻，阻，Rs為體電阻，為體電阻，RL為負(fù)載電阻；為負(fù)載電阻；o圖圖c是從圖是從圖b簡(jiǎn)化來(lái)的，因?yàn)檎＿\(yùn)用時(shí)，光電二極管要加簡(jiǎn)化來(lái)的，因?yàn)檎＿\(yùn)用時(shí)，光電二極管要加反向電壓，反向電壓，Rsh很大，很大，Rs很小，所以圖很小，所以圖b中的中的V、Rsh、Rs都可都可

59、以不計(jì)，因而有圖以不計(jì)，因而有圖c的形式；的形式；o圖圖d又是從圖又是從圖c簡(jiǎn)化來(lái)的，因?yàn)楹?jiǎn)化來(lái)的，因?yàn)镃f很小，除了高頻情況要考慮它的分流很小，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)。作用外，在低頻情況下，它的阻抗很大，可不計(jì)。o因此具體應(yīng)用時(shí)多用圖因此具體應(yīng)用時(shí)多用圖d和圖和圖c兩種形式。兩種形式。o流過(guò)負(fù)載的交變電流復(fù)振幅為流過(guò)負(fù)載的交變電流復(fù)振幅為 ：ILIp1/(1+j)：入射光的調(diào)制圓頻率，：入射光的調(diào)制圓頻率，2f，f為入射光的調(diào)制為入射光的調(diào)制頻率。頻率。 = Cf RLIL的模量為的模量為可見(jiàn)，可見(jiàn)，IL是頻率的函數(shù)，隨著入射光調(diào)制頻率的增加是頻

60、率的函數(shù)，隨著入射光調(diào)制頻率的增加而減小。當(dāng)而減小。當(dāng)=1/時(shí)，時(shí)， 這時(shí)這時(shí)f = 1/2稱(chēng)為稱(chēng)為上限截止頻率上限截止頻率，或稱(chēng)為，或稱(chēng)為帶寬帶寬。 pLII2211pLII21幾種國(guó)產(chǎn)幾種國(guó)產(chǎn)2CU型硅光電二極管的特性型硅光電二極管的特性 幾種國(guó)產(chǎn)幾種國(guó)產(chǎn)2DU型硅光電二極管的特型硅光電二極管的特性性 光電二極管的應(yīng)用 o圖 (a)是在待測(cè)轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔的轉(zhuǎn)速調(diào)制盤(pán)，光源發(fā)出的光，透過(guò)盤(pán)上小孔到達(dá)光電二極管上，光電二極管輸出電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大整形電路后，輸出相應(yīng)數(shù)量的電脈沖信號(hào)。o圖 (b)所示為反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器原理圖，它是在待測(cè)轉(zhuǎn)速的軸上固定一個(gè)圓周面涂上黑白相間條紋的圓盤(pán)。當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)