第六章探測技術(shù)

1、福州大學物理與信息工程學院福州大學物理與信息工程學院 張永愛張永愛 E-mail：光電子技術(shù)光電子技術(shù)光探測技術(shù)光電探測器的物理效應(yīng)光電轉(zhuǎn)換定律光電探測器的特性參數(shù)和噪聲光電導(dǎo)探測器光電池光電二極管6.1 光電探測器的物理效應(yīng)光電探測器的物理效應(yīng)能把光輻射量轉(zhuǎn)換為另一種便于測量的物理量的器件能把光輻射量轉(zhuǎn)換為另一種便于測量的物理量的器件光探測器光探測器光輻射量光輻射量光電探測器光電探測器電量電量光電探測器的物理效應(yīng)光電探測器的物理效應(yīng)光子效應(yīng)光子效應(yīng)光熱效應(yīng)光熱效應(yīng)一）光子效應(yīng)一）光子效應(yīng)(photonic effect )指單個光子的性質(zhì)對產(chǎn)生的光電子起直接作用的指單個光子的性質(zhì)對產(chǎn)生的光電

2、子起直接作用的一類光電效應(yīng)。一類光電效應(yīng)。探測器吸收光子后，直接引起原子或分子的內(nèi)部電子探測器吸收光子后，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)部電子狀態(tài)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。的改變。特點特點對光波頻率表現(xiàn)出選擇性，響應(yīng)速度一般比較快。對光波頻率表現(xiàn)出選擇性，響應(yīng)速度一般比較快。光子效應(yīng)光子效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)-光電導(dǎo)效應(yīng)，光伏效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)，光伏效應(yīng)外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)-光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng)（一）光電發(fā)射效應(yīng)（一）光電發(fā)射效應(yīng) 在光照下，物體向表面以外的空間發(fā)射電子（即光電在光照下，物體向表面以外的空間發(fā)射電子（即光電子）的現(xiàn)

3、象。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，在光電管中又稱為能產(chǎn)生光電發(fā)射效應(yīng)的物體，在光電管中又稱為光陰極光陰極。光電發(fā)射效應(yīng)的能量關(guān)系可由著名的愛因斯坦方程來表示光電發(fā)射效應(yīng)的能量關(guān)系可由著名的愛因斯坦方程來表示 kEhvE即即 表示光電子離開發(fā)射體表面的動表示光電子離開發(fā)射體表面的動能能kEhv-光子能量光子能量E-光電子發(fā)射體的功函數(shù)光電子發(fā)射體的功函數(shù) 物理意義物理意義 若發(fā)射體內(nèi)部的電子吸收光子的能量大于發(fā)射體的功若發(fā)射體內(nèi)部的電子吸收光子的能量大于發(fā)射體的功函數(shù)，光電子能從發(fā)射體表面逸出，并且具有相應(yīng)的函數(shù)，光電子能從發(fā)射體表面逸出，并且具有相應(yīng)的動能。動能。

4、光電子發(fā)射效應(yīng)產(chǎn)生的條件光電子發(fā)射效應(yīng)產(chǎn)生的條件 0hvE即即 cEvvh或或 chvE上式中等號表示，電子剛好能逸出表面，上式中等號表示，電子剛好能逸出表面，但是速度為零，即靜止在發(fā)射體表面。但是速度為零，即靜止在發(fā)射體表面。截止波長截止波長截止頻率截止頻率snmsmcseVsJh/103/1031013. 4106 . 617141534截止波長截止波長)(24. 1)(eVEmc可見，要使波長較長的光輻射產(chǎn)生光電發(fā)射效應(yīng)，可見，要使波長較長的光輻射產(chǎn)生光電發(fā)射效應(yīng)，則發(fā)射體的則發(fā)射體的 必須要小。必須要小。E（二）內(nèi)光電效應(yīng)（二）內(nèi)光電效應(yīng)當光照射物體表面時，光電子不逸出體外的光電效應(yīng)。

5、當光照射物體表面時，光電子不逸出體外的光電效應(yīng)。1）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”效效應(yīng)應(yīng)當半導(dǎo)體材料被光照時，由于對光子的吸收隨載流子當半導(dǎo)體材料被光照時，由于對光子的吸收隨載流子的濃度增大而增大，因而導(dǎo)致電導(dǎo)率增大。的濃度增大而增大，因而導(dǎo)致電導(dǎo)率增大。是一種內(nèi)光電效應(yīng)，是光電導(dǎo)探測器光電轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)是一種內(nèi)光電效應(yīng)，是光電導(dǎo)探測器光電轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ) 當光子能量大于材料禁帶寬度時，把價帶中的電子激當光子能量大于材料禁帶寬度時，把價帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶上，在價帶中留下自由空穴，從而導(dǎo)致電導(dǎo)發(fā)到導(dǎo)帶上，在價帶中留下自由空穴，從而導(dǎo)致電導(dǎo)率的增大率的增大-本

6、征光電導(dǎo)效應(yīng)。本征光電導(dǎo)效應(yīng)。 若光子激發(fā)雜質(zhì)半導(dǎo)體，使電子從施主能級躍遷到若光子激發(fā)雜質(zhì)半導(dǎo)體，使電子從施主能級躍遷到導(dǎo)帶或從價帶躍遷到受主能級，產(chǎn)生自由電子或自由空導(dǎo)帶或從價帶躍遷到受主能級，產(chǎn)生自由電子或自由空穴，從而使材料電導(dǎo)率增加穴，從而使材料電導(dǎo)率增加-非本征光電導(dǎo)效應(yīng)。非本征光電導(dǎo)效應(yīng)。光輻射照射外加電壓的半導(dǎo)體，如果光波長光輻射照射外加電壓的半導(dǎo)體，如果光波長滿足如滿足如下條件：下條件： 1.24()()cgmE eV 1.24()iE eV-禁帶寬度禁帶寬度gEiE-雜質(zhì)能帶寬度雜質(zhì)能帶寬度光敏電阻光敏電阻（本征）（本征）（雜質(zhì)）（雜質(zhì)）np 這個新增加的部分在半導(dǎo)體物理中叫

7、非平衡載這個新增加的部分在半導(dǎo)體物理中叫非平衡載流子流子-光生載流子光生載流子。G 顯然，這兩個變化量將使半導(dǎo)體的電導(dǎo)增加一個顯然，這兩個變化量將使半導(dǎo)體的電導(dǎo)增加一個量量 ，我們稱之為，我們稱之為光電導(dǎo)光電導(dǎo)。相應(yīng)于本征和雜質(zhì)半導(dǎo)。相應(yīng)于本征和雜質(zhì)半導(dǎo)體就分別稱為體就分別稱為本征光電導(dǎo)本征光電導(dǎo)和和雜質(zhì)光電導(dǎo)雜質(zhì)光電導(dǎo)。 光子將在其中激發(fā)出新的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)。這就使。這就使半導(dǎo)體中的載流子濃度在原來平衡值上增加了變化量半導(dǎo)體中的載流子濃度在原來平衡值上增加了變化量2）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)多數(shù)載流

8、子（多數(shù)載流子（N側(cè)的電子和側(cè)的電子和P側(cè)的空穴）的擴散作用側(cè)的空穴）的擴散作用 少數(shù)載流子（少數(shù)載流子（P側(cè)的電子和側(cè)的電子和N側(cè)的空穴）的漂移作用側(cè)的空穴）的漂移作用 相互抵消相互抵消無靜電流過無靜電流過P-N結(jié)結(jié)零偏狀態(tài)零偏狀態(tài)P-N結(jié)的伏安特性：結(jié)的伏安特性：) 1(/KTeusdeii若若P-N結(jié)反向偏壓（結(jié)反向偏壓（P區(qū)接負，區(qū)接負，N區(qū)接正）區(qū)接正）反向飽和電流反向飽和電流di-暗電流暗電流si-反向飽和電流反向飽和電流 E-電子電荷量電子電荷量U-偏置電壓偏置電壓K-波兒茲曼常數(shù)波兒茲曼常數(shù)T-絕對溫度絕對溫度在光照下在光照下入射光c光生電子空穴對內(nèi)電場電子空穴分離開路電壓光伏

9、效應(yīng)光照光照零偏零偏pn結(jié)產(chǎn)生開路電壓的效應(yīng)結(jié)產(chǎn)生開路電壓的效應(yīng)光照光照反偏反偏光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)光電池光電池光電信號是光電流光電信號是光電流 結(jié)型光電探結(jié)型光電探測器的工作測器的工作原理原理光電二極管光電二極管 探測元件吸收光輻射能量后，并不直接引起內(nèi)部探測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\電子狀態(tài)的改變，而是把吸收的光能變?yōu)榫Ц竦臒徇\動能量，引起探測元件溫度上升，溫度上升的結(jié)果又動能量，引起探測元件溫度上升，溫度上升的結(jié)果又使探測元件的電學性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化。使探測元件的電學性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化。二）光熱效應(yīng)二）光熱效應(yīng)(pho

10、tothermal effect )(photothermal effect )原則上對光波頻率沒有選擇性，響應(yīng)速度一般比較慢。原則上對光波頻率沒有選擇性，響應(yīng)速度一般比較慢。 在紅外波段上，材料吸收率高，光熱效應(yīng)也就更強烈，在紅外波段上，材料吸收率高，光熱效應(yīng)也就更強烈，所以廣泛用于對紅外線輻射的探測。所以廣泛用于對紅外線輻射的探測。熱釋電材料熱釋電材料電介質(zhì)電介質(zhì)一種結(jié)晶對稱性很差的壓電晶體一種結(jié)晶對稱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) )ssP熱電體的熱電體的| | |決定了面電荷密度決定了面電荷密度 的大小，當發(fā)生的大小，當

11、發(fā)生變化時，面電荷密度也跟著變化變化時，面電荷密度也跟著變化熱釋電現(xiàn)象熱釋電現(xiàn)象 升高到升高到Tc值時，自發(fā)極化突然消失，值時，自發(fā)極化突然消失，TC稱為居里溫度稱為居里溫度 熱釋電體表面附近的自由電荷對面電荷的中和作熱釋電體表面附近的自由電荷對面電荷的中和作用比較緩慢，一般在用比較緩慢，一般在11000秒量級秒量級熱釋電探測器是一種熱釋電探測器是一種交流交流或瞬時響應(yīng)的器件?；蛩矔r響應(yīng)的器件。sPsP| | |值是溫度的函數(shù)值是溫度的函數(shù)溫度升高溫度升高| | |減小。減小。 三）光電轉(zhuǎn)換定律三）光電轉(zhuǎn)換定律光輻射量轉(zhuǎn)換為光電流量的過程光輻射量轉(zhuǎn)換為光電流量的過程 光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換 dtdn

12、hvdtdEtP光 dtdnedtdQti電 tDPtiD探測器的光電轉(zhuǎn)換因子探測器的光電轉(zhuǎn)換因子dtdndtdn光電hveD -探測器的量子效率探測器的量子效率)()(tPhveti*光功率光功率P正比于光電場的平方正比于光電場的平方 平方律探測器平方律探測器非線性器件非線性器件(本質(zhì)本質(zhì))。*光電探測器對入射光功率響應(yīng)光電探測器對入射光功率響應(yīng)(光電流光電流) 一個光子探測器可視為一個電流源。一個光子探測器可視為一個電流源。 光電轉(zhuǎn)化定律光電轉(zhuǎn)化定律 知識鞏固光與物質(zhì)的作用實質(zhì)是光子與電子的作用，電子吸收光子的能量后，改變了電子的運動規(guī)律。由于物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和物理性能不同，以及光和物質(zhì)的作用條

13、件不同，在光子作用下產(chǎn)生的載流子就有不同的規(guī)律，因而導(dǎo)致了不同的光電效應(yīng)。以下是屬于內(nèi)光電效應(yīng)的有（ ）。A A、光電發(fā)射效應(yīng)、光電發(fā)射效應(yīng)B B、光電導(dǎo)效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng) C C、光生伏特效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)D D、光伏效應(yīng)、光伏效應(yīng)知識鞏固在光線作用下，半導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加的現(xiàn)在光線作用下，半導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加的現(xiàn)象屬于象屬于( ) ( ) A、外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)B、內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)C、光電發(fā)射光電發(fā)射D、光導(dǎo)效應(yīng)光導(dǎo)效應(yīng)6.2 光電探測器的特性參數(shù)和噪聲光電探測器的特性參數(shù)和噪聲一）光電探測器特性參數(shù)一）光電探測器特性參數(shù)積分靈敏度積分靈敏度光譜靈敏度光譜靈敏度頻率靈敏度頻率靈敏度量子效率

14、量子效率歸一化探測度歸一化探測度通量閾和噪聲等效功率通量閾和噪聲等效功率一、積分靈敏度一、積分靈敏度R R 靈敏度也常稱作靈敏度也常稱作響應(yīng)度響應(yīng)度，是光電探測器光電轉(zhuǎn)，是光電探測器光電轉(zhuǎn)換特性，光電轉(zhuǎn)換的光譜特性以及頻率特性的量度。換特性，光電轉(zhuǎn)換的光譜特性以及頻率特性的量度。 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)，稱為探測器的，稱為探測器的光電特性光電特性。光電探測器本質(zhì)是一個外電壓偏置的電流輸出器件，光電探測器本質(zhì)是一個外電壓偏置的電流輸出器件，通過負載電阻可改變?yōu)殡妷狠敵銎骷?。通過負載電阻可改變?yōu)殡妷狠敵銎骷?。dPdiRiPid

15、PduRuPu靈敏度靈敏度R定義為這個曲線的斜率，即定義為這個曲線的斜率，即 ( (線性區(qū)內(nèi)線性區(qū)內(nèi)) () (安安/ /瓦瓦) ) ( (線性區(qū)內(nèi)線性區(qū)內(nèi)) () (伏伏/ /瓦瓦) ) R i和和R u分別稱為積分電流和積分電壓靈敏度，分別稱為積分電流和積分電壓靈敏度，i和和u稱為電表測量的電流、電壓有效值。稱為電表測量的電流、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。 R是常數(shù)時，相應(yīng)探測器稱為是常數(shù)時，相應(yīng)探測器稱為無選擇性探測器無選擇性探測器(如如光熱探測器光熱探測器)，光子探測器則是選擇性探測器。，光子探測器則是選擇性探測器。光

16、電探測器對光具有選擇性，不同波長的光功率密度P在其他條件不變下所產(chǎn)生的光電流i是波長的函數(shù)，因此，光譜靈敏度可定義為： 二、光譜靈敏度二、光譜靈敏度RdPdiR/通常給出的是通常給出的是相對光譜靈敏度相對光譜靈敏度S定義為定義為 Rm是指是指R的最大值，的最大值，S為無量綱，隨為無量綱，隨變化的曲變化的曲線稱為線稱為光譜靈敏度曲線光譜靈敏度曲線。MRRS/三、頻率靈敏度三、頻率靈敏度fR 若入射光是強度調(diào)制，在其它條件不變下，光若入射光是強度調(diào)制，在其它條件不變下，光電流電流if將隨調(diào)制頻率將隨調(diào)制頻率f的升高而下降，這時的靈敏度的升高而下降，這時的靈敏度稱為稱為頻率靈敏度頻率靈敏度Rf定義為

17、定義為 2)2(1fRPiRff 稱為探測器的響應(yīng)時間或時間常數(shù)，由材料、稱為探測器的響應(yīng)時間或時間常數(shù)，由材料、結(jié)構(gòu)和外電路決定。結(jié)構(gòu)和外電路決定。 00707. 02/RR21cf頻率靈敏度是探測器的頻率靈敏度是探測器的頻率特性頻率特性，R f隨隨f 升高而下升高而下降的速度與降的速度與值大小關(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：從上式可見：當當ffc時，認為光電流能線性再現(xiàn)光功率時，認為光電流能線性再現(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)時間來描述。如果是脈沖形式的入射光，則更常用響應(yīng)時間來描述。 頻率頻率fc為探測器的為探測

18、器的截止響應(yīng)頻率截止響應(yīng)頻率和和響應(yīng)頻率響應(yīng)頻率。 探測器對突然光照的輸出電流，要經(jīng)過一定探測器對突然光照的輸出電流，要經(jīng)過一定時間才能上升到與這一輻射功率相應(yīng)的穩(wěn)定值時間才能上升到與這一輻射功率相應(yīng)的穩(wěn)定值i。21cf),(fPuFi 當輻射突然降去后，輸出電流也需要經(jīng)過一定當輻射突然降去后，輸出電流也需要經(jīng)過一定時間才能下降到零。時間才能下降到零。一般而論，上升和下降時間相等，時間常數(shù)近似地由一般而論，上升和下降時間相等，時間常數(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、光波長和光和光強調(diào)制頻率強調(diào)制頻率f的函數(shù)，即的函數(shù)，即 以以u，P，為參變量，

19、為參變量，iF（f）的關(guān)系稱為）的關(guān)系稱為光電光電頻率特性頻率特性，相應(yīng)的曲線稱為，相應(yīng)的曲線稱為頻率特性曲線頻率特性曲線。i=F (P)及曲線稱為及曲線稱為光電特性曲線光電特性曲線。iF ()及其曲線稱為及其曲線稱為光譜特性曲線光譜特性曲線。而而iF (u)及其曲線稱為及其曲線稱為伏安特性曲線伏安特性曲線。 當這些曲線給出時，靈敏度當這些曲線給出時，靈敏度R的值就可以從曲線的值就可以從曲線中求出，而且還可以利用這些曲線，尤其是伏安特中求出，而且還可以利用這些曲線，尤其是伏安特性曲線來設(shè)計探測器的使用電路。性曲線來設(shè)計探測器的使用電路。 量子效率：在某一特定波長上，每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生量子效率：在某一

20、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。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)射一個電對理想的探測器，入射一個光量子發(fā)射一個電子，子， =1實際上，實際上， RL2第三象限是反偏壓狀態(tài)。這時第三象限是反偏壓狀態(tài)。這時iD=iS，它是普通二極管，它是普通二極管中的反向飽和電流，現(xiàn)在稱為暗電流中的反向飽和電流，現(xiàn)在稱為暗電流(對應(yīng)于光功率對應(yīng)于光功率P=0)，數(shù)值很小，這時的光電流，數(shù)值很小，這時的光電流(等于等于i-iS)是流過探測是流過探測器的主要電流，此情況下的外回路特性與光電導(dǎo)相似，器的主要電流，此情況下的外回路特性與光電導(dǎo)相似，對應(yīng)于光導(dǎo)工作模式對

21、應(yīng)于光導(dǎo)工作模式-相應(yīng)探測器相應(yīng)探測器-光電二極管。光電二極管。第一象限是正偏壓狀態(tài)，第一象限是正偏壓狀態(tài)，i iD D 本來就很大，所以光電流本來就很大，所以光電流不起重要作用。作為光電探測器，工作在這一區(qū)域沒不起重要作用。作為光電探測器，工作在這一區(qū)域沒有意義。有意義。i+RLVi+VL LiRL光電池光電池 光電池是一種不需要加偏壓的能把光能直接轉(zhuǎn)換成電光電池是一種不需要加偏壓的能把光能直接轉(zhuǎn)換成電能的能的pn結(jié)光電器件，結(jié)光電器件，-采用光伏工作模式的光伏探測器采用光伏工作模式的光伏探測器光電池分類光電池分類測量光電池測量光電池-當作光電探測器使用當作光電探測器使用 太陽能電池太陽能電

22、池-用作電源用作電源 它的工作模式是光伏工作模式它的工作模式是光伏工作模式-光伏電池。光伏電池。 太陽能光電池太陽能光電池主要用作向負載提供電源，對它的要求主要用作向負載提供電源，對它的要求主要是光電轉(zhuǎn)換效率高、成本低。由于它具有結(jié)構(gòu)簡單、主要是光電轉(zhuǎn)換效率高、成本低。由于它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、高可靠性、壽命長、可在空間直接將太體積小、重量輕、高可靠性、壽命長、可在空間直接將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的特點，因此成為航天工業(yè)中的重要電源，陽能轉(zhuǎn)換成電能的特點，因此成為航天工業(yè)中的重要電源，而且還被廣泛地應(yīng)用于供電困難的場所和一些日用便攜電而且還被廣泛地應(yīng)用于供電困難的場所和一些日用便攜電器中。

23、器中。 測量光電池測量光電池的主要功能是作為光電探測，即在不加偏的主要功能是作為光電探測，即在不加偏置的情況下將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，此時對它的要求是線置的情況下將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，此時對它的要求是線性范圍寬、靈敏度高、光譜響應(yīng)合適、穩(wěn)定性高、壽命長性范圍寬、靈敏度高、光譜響應(yīng)合適、穩(wěn)定性高、壽命長等。等。廣泛用于紅外輻射探測器、光電開關(guān)廣泛用于紅外輻射探測器、光電開關(guān) 如圖所示，當光作用于如圖所示，當光作用于PNPN結(jié)時，耗盡區(qū)內(nèi)的光生電結(jié)時，耗盡區(qū)內(nèi)的光生電子與空穴在內(nèi)建電場力的作用下分別向子與空穴在內(nèi)建電場力的作用下分別向N N區(qū)和區(qū)和P P區(qū)運動，區(qū)運動，在閉合的電路中將產(chǎn)生如圖所示的

24、輸出電流在閉合的電路中將產(chǎn)生如圖所示的輸出電流I IL L，且負載，且負載電阻電阻R RL L上產(chǎn)生電壓降為上產(chǎn)生電壓降為U U。顯然，。顯然，PNPN結(jié)獲得的偏置電壓結(jié)獲得的偏置電壓U U與光電池輸出電流與光電池輸出電流I IL L與負載電阻與負載電阻R RL L有關(guān)，即有關(guān)，即 1）光電池的工作原理）光電池的工作原理LLUI R當以輸出電流的當以輸出電流的I IL L為電流和電為電流和電壓的正方向時，可以得到如下壓的正方向時，可以得到如下圖所示的伏安特性曲線。圖所示的伏安特性曲線。iD光電池的伏安特性曲線光電池的伏安特性曲線從曲線可以看出，負從曲線可以看出，負載電阻載電阻RL所獲得的功所獲

25、得的功率為率為LPI U其中，光電池輸出電流其中，光電池輸出電流IL包括光生電流、擴散電流包括光生電流、擴散電流與暗電流等三部分與暗電流等三部分ieiiiiKTeusD) 1(/iiRLUU1RsRshishCjiDi光電池的等效電路光電池的等效電路2）光電池的等效電路）光電池的等效電路i-光電流光電流 Di-二極管電流二極管電流 shi-p-n-p-n結(jié)漏電流結(jié)漏電流 Rsh-等效泄露電阻等效泄露電阻 Cj結(jié)電容結(jié)電容 Rs引線管芯接觸電阻引線管芯接觸電阻 RL負載電阻負載電阻 shishiR Rshsh很大，很大，很小，若不計很小，若不計影響，則影響，則 0iiiD若將若將R RL L短接

26、，忽略短接，忽略R RS S的影響，則的影響，則U U1 1=0=0（二極管的壓），（二極管的壓），i iD D=0=0。則流過光電池的短路電流則流過光電池的短路電流 sci就是光電流就是光電流 iisc表明：光電池在短路工作狀態(tài)下，光電池的短路電流表明：光電池在短路工作狀態(tài)下，光電池的短路電流與入射的光功率成正比與入射的光功率成正比 （ ）( )eip thv在這狀態(tài)下工作的光電池可用做光電探測器在這狀態(tài)下工作的光電池可用做光電探測器 3）短路電流和開路電壓）短路電流和開路電壓負載電阻負載電阻R RL L所獲得的功率所獲得的功率P PL L與負載電阻的阻值有關(guān)，當與負載電阻的阻值有關(guān)，當R

27、RL L=0=0（電路為短路）時，（電路為短路）時，U=U=0 0，輸出功率，輸出功率P PL L=0=0；當；當R RL L=（電路為開路）時，（電路為開路）時，I IL L= =0 0，輸出功率，輸出功率P PL L=0=0；在短路和開路兩種工作狀態(tài)，光電池均無電功率輸出，在短路和開路兩種工作狀態(tài)，光電池均無電功率輸出，當負載電阻為某一當負載電阻為某一Rm時，才得到最大電輸出功率時，才得到最大電輸出功率Pm。 Rm稱為特定照射光功率條件下最佳負載電阻，初略值稱為特定照射光功率條件下最佳負載電阻，初略值 iuRocm7 . 0由由 ieiiKTeus) 1(/當當RL趨近無窮大時，趨近無窮大

28、時，i=0，光電池輸出電壓，光電池輸出電壓U1即開路電壓即開路電壓 ) 1ln(sociieKTu4）光電池的工作特性）光電池的工作特性 （1）光譜特性）光譜特性光電池的光譜特性主要光電池的光譜特性主要由材料決定，材料不同，由材料決定，材料不同，光譜特性不同。光譜特性不同。 由圖可見，由圖可見，SeSe光電池在可見光范圍內(nèi)具有高的靈敏度，光電池在可見光范圍內(nèi)具有高的靈敏度，峰值響應(yīng)波長在峰值響應(yīng)波長在500um500um左右。特別適用于可見光應(yīng)用。左右。特別適用于可見光應(yīng)用。SiSi光電池的光譜響應(yīng)范圍要寬，峰值響應(yīng)波長在光電池的光譜響應(yīng)范圍要寬，峰值響應(yīng)波長在850um850um左右，可見光

29、和近紅外波段都有廣泛應(yīng)用。左右，可見光和近紅外波段都有廣泛應(yīng)用。（2）頻率特性）頻率特性對于光電池來說，由于載流子在對于光電池來說，由于載流子在pn結(jié)區(qū)內(nèi)的結(jié)區(qū)內(nèi)的擴散擴散漂移，產(chǎn)生與復(fù)合都要一定的時間。漂移，產(chǎn)生與復(fù)合都要一定的時間。 光電池的頻率特性一般說來不是太好，主要有光電池的頻率特性一般說來不是太好，主要有以下幾個原因：以下幾個原因： 1）光敏面積一般做的較大，因而極間結(jié)電容）光敏面積一般做的較大，因而極間結(jié)電容cj較大，較大，則響應(yīng)時間變大，給定則響應(yīng)時間變大，給定RL， LjRc2）光電池工作在第四象限，有較小的正偏壓存在，）光電池工作在第四象限，有較小的正偏壓存在，所以光電池的

30、內(nèi)阻很低，而且隨入射功率變化而變化。所以光電池的內(nèi)阻很低，而且隨入射功率變化而變化。光功率很小時，內(nèi)阻變大，頻率特性變壞。光功率很小時，內(nèi)阻變大，頻率特性變壞。（3）溫度特性）溫度特性光電池的溫度特性曲線主要指光照射光電池時光電池的溫度特性曲線主要指光照射光電池時開路電壓開路電壓Voc與短路電流與短路電流Isc隨溫度變化的情況。隨溫度變化的情況。 開路電壓與短路電流均隨溫度開路電壓與短路電流均隨溫度而變化，它關(guān)系到應(yīng)用光電池而變化，它關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移，影響的儀器設(shè)備的溫度漂移，影響到測量或控制精度等主要指標。到測量或控制精度等主要指標。當光電池作為測量元件時，最好能保持當光

31、電池作為測量元件時，最好能保持溫度恒定，溫度恒定，或采取溫度補償措施或采取溫度補償措施6.5 光電二極管光電二極管 以光導(dǎo)模式工作的結(jié)型光伏探測器以光導(dǎo)模式工作的結(jié)型光伏探測器-光電二極管光電二極管它通常在反偏置條件下工作，即光電導(dǎo)工作模式，它通常在反偏置條件下工作，即光電導(dǎo)工作模式，它主要用于可見光以及紅外光譜區(qū)。它主要用于可見光以及紅外光譜區(qū)?？勺鞴怆姸O管的材料很多，有可作光電二極管的材料很多，有Si，Ge，GaAs等，等，但是目前常用的時但是目前常用的時Si光電二極管光電二極管 i+V結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu)原理工作原理工作原理電路符號電路符號小箭頭表示正向電流的方向（普通小箭頭表示正向電流的方向

32、（普通整流二極管中規(guī)定的正方向），光整流二極管中規(guī)定的正方向），光電流的方向與之相反。圖中的前極電流的方向與之相反。圖中的前極為光照面，后極為背光面。為光照面，后極為背光面。 1）光電二極管的結(jié)構(gòu)和原理）光電二極管的結(jié)構(gòu)和原理2）光電二極管的電流方程和伏安特性）光電二極管的電流方程和伏安特性在無輻射作用的情況下（暗室中），在無輻射作用的情況下（暗室中），PNPN結(jié)硅光電二極管結(jié)硅光電二極管的正、反向特性與普通的正、反向特性與普通PNPN結(jié)二極管的特性一樣，如圖所結(jié)二極管的特性一樣，如圖所示。其電流方程為示。其電流方程為 光電二極管的伏安特性光電二極管的伏安特性(1)eUkTDIIe-暗電流或方

33、向飽和電流暗電流或方向飽和電流當光輻射作用到光電二極管上時當光輻射作用到光電二極管上時光電二極管的伏安特性光電二極管的伏安特性（1）光電二極管的靈敏度）光電二極管的靈敏度 定義光電二極管的電流靈敏度為入射到光敏面上定義光電二極管的電流靈敏度為入射到光敏面上輻射量的變化（例如通量變化輻射量的變化（例如通量變化d d）引起電流變化）引起電流變化d dI I與輻射量變化之比。與輻射量變化之比。 idSdI必須指出，電流靈敏度與入射輻射波長必須指出，電流靈敏度與入射輻射波長的關(guān)系是復(fù)雜的關(guān)系是復(fù)雜的，定義光電二極管的電流靈敏度時通常定義其峰值響的，定義光電二極管的電流靈敏度時通常定義其峰值響應(yīng)波長的電

34、流靈敏度為光電二極管的電流靈敏度。應(yīng)波長的電流靈敏度為光電二極管的電流靈敏度。3）光電二極管的工作特性）光電二極管的工作特性（2）光譜響應(yīng)）光譜響應(yīng) 光電二極管的光譜響應(yīng)定義為以等功率的不同單色光電二極管的光譜響應(yīng)定義為以等功率的不同單色輻射波長的光作用于光電二極管時，其響應(yīng)程度或電流輻射波長的光作用于光電二極管時，其響應(yīng)程度或電流靈敏度與波長的關(guān)系稱為其光譜響應(yīng)。靈敏度與波長的關(guān)系稱為其光譜響應(yīng)。 典型硅光電二極管光譜典型硅光電二極管光譜響應(yīng)長波限為響應(yīng)長波限為1.1m1.1m左左右，短波限接近右，短波限接近0.4m0.4m，峰值響應(yīng)波長為峰值響應(yīng)波長為0.9m0.9m左右。左右。 （3）伏

35、安特性）伏安特性 其中彎曲點其中彎曲點 M所對應(yīng)的電壓值所對應(yīng)的電壓值 V -曲膝電壓曲膝電壓 為分析方便，經(jīng)線性處理后的特性曲線如圖。為分析方便，經(jīng)線性處理后的特性曲線如圖。為了保證輸出電流和入射光功率之間呈線性關(guān)系，為了保證輸出電流和入射光功率之間呈線性關(guān)系，關(guān)鍵在于確定最佳負載電阻。關(guān)鍵在于確定最佳負載電阻。由圖可見，當光信號功率由由圖可見，當光信號功率由P慢慢變化到慢慢變化到P時，為使輸時，為使輸出光電流和入射光功率之間呈線性變化，負載線必須通出光電流和入射光功率之間呈線性變化，負載線必須通過過M點右方。要使輸出電壓最大（保證線性關(guān)系最大），點右方。要使輸出電壓最大（保證線性關(guān)系最大）

36、，則負載線必須通過則負載線必須通過 M點，此時可求處點，此時可求處Umax1/)()(max PRVggggPPRuii由此相對應(yīng)的由此相對應(yīng)的GL為為gPRggVPRGiiL )1 (由圖可知，在由圖可知，在 NM段上的電流段上的電流 NggPRVVPRgggVPRgViii gPRggVPRVVgVGVgGVViiLL )1 ()(i- -光電二極管的電流靈敏度；光電二極管的電流靈敏度； G-光電二極管的內(nèi)電導(dǎo)，其值等于管子內(nèi)阻的倒數(shù)；光電二極管的內(nèi)電導(dǎo)，其值等于管子內(nèi)阻的倒數(shù)；-負載電阻負載電阻的倒數(shù)；的倒數(shù)；g-光電二極管的臨界電導(dǎo)；光電二極管的臨界電導(dǎo)； 當光信號功率當光信號功率Pm

37、in變大變大Pmax時，由圖中的時，由圖中的M、M點的點的電流值得：電流值得： 在MPRVgVVGiL)(在MPRVgVVGiL )(minLiLGR PVgG maxLiLGR PVgG ()曲膝電壓max()()()/1iiLiR PPR PPuVVggGggg V R P 已知某已知某i光電二極管的電流靈敏度光電二極管的電流靈敏度i為為.uA/um，結(jié)間電導(dǎo)結(jié)間電導(dǎo)g.微西，曲膝電壓微西，曲膝電壓V=10伏，入射功伏，入射功率從率從 P uw變到變到 P uw，偏壓伏，偏壓伏，求最大功率輸出時的求最大功率輸出時的，輸出電流，輸出電壓和輸出，輸出電流，輸出電壓和輸出功率。功率。 根據(jù)題意得根據(jù)題意得0.010.5 25/101.26()iR PggV 微西0.5 250.3150.010.5 2550(1)(1)1.261.26iLiR PGR PgVgg（微西）17. 31LLGR（兆歐） 4 .151255 . 050)01. 026. 1 (26. 101. 0)1525(5 . 01/)()(max PRVggggPPRuuii（伏） 85. 44 .15315. 0maxuGiL（uA）7 .74