現(xiàn)代光電檢測(cè)技術(shù)003

1、第3章 光電檢測(cè)器件工作原理及特性13.1 光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)一、光電檢測(cè)中的基礎(chǔ)知識(shí)二、半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)2光電檢測(cè)中的基礎(chǔ)知識(shí)1. 輻射度學(xué)和光度學(xué)基本概念1) 輻射能和光能 輻射能：以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的能量稱為輻（射） 能，用符號(hào)Qe 表示，其計(jì)量單位為焦耳（J）。 光能：光通量在可見(jiàn)光范圍內(nèi)對(duì)時(shí)間的積分，以Qv表示，其 計(jì)量單位為流明秒（lms）。 輻射度學(xué)：研究各種電磁輻射的傳播和量度光度學(xué)：僅可見(jiàn)光波的傳播和量度，必須考慮人眼的響應(yīng)，包 含了生理因素3 輻射功率是單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一截面的輻射能，以符號(hào) 表示， 其計(jì)量單位為瓦（W），即 為了從數(shù)量上描述電磁輻射對(duì)視覺(jué)的刺激強(qiáng)

2、度，引入光通量 定義： 對(duì)光通量：其中：C比例系數(shù)，683 lm/W， 視見(jiàn)函數(shù)，描述人眼對(duì)各種波長(zhǎng)輻射能的相對(duì)敏感度， 即輻射通量. 2) 輻射功率（或稱輻射通量）和光通量 4 輻射出射度：面輻射源單位面積上輻射的輻射通量，即光出射度：面光源從單位面積上輻射的光通量，即3）輻射出(射)度和光出(射)度 5 發(fā)光強(qiáng)度的單位是坎德拉（candela），簡(jiǎn)稱為坎cd。1979年第十六屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過(guò)決議，將坎德拉重新定義為：在給定方向上能發(fā)射5401012Hz的單色輻射源，在此方向上的輻強(qiáng)度為（1/683）W/sr，其發(fā)光強(qiáng)度定義為一個(gè)坎德拉cd。點(diǎn)光源的發(fā)光強(qiáng)度： 對(duì)點(diǎn)光源在給定方向的立體角元

3、d內(nèi)發(fā)射的輻通量de，與該方向立體角元d之比定義為點(diǎn)光源在該方向的輻(射)強(qiáng)度Ie，即 dSdAN4) 輻(射)強(qiáng)度和發(fā)光強(qiáng)度 一般點(diǎn)光源是各向異性的，其發(fā)光強(qiáng)度分布隨方向而異。6 光源表面某一點(diǎn)處的面元在給定方向上的輻強(qiáng)度除以該面元在垂直于給定方向平面上的正投影面積，稱為輻射亮度Le，即 對(duì)可見(jiàn)光，亮度Lv 定義為光源表面某一點(diǎn)處的面元在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度除以該面元在垂直給定方向平面上的正投影面積，即 Lv 的計(jì)量單位是坎德拉每平方米cdm2。 5） 輻(射)亮度和亮度式中，為所給方向與面元法線之間的夾角。輻亮度Le的計(jì)量單位為瓦（特）每球面度平方米W（srm2 ）。7輻射照度表示每單位面

4、積接受的輻射通量，即：無(wú)需考慮dS所接受的輻射通量的方向，與dS的取向無(wú)關(guān)。單位：W/m2。6) 輻射照度與光照度單位：lx(勒克斯）。1lx=1lm/m2。入射到單位面積上的光通量為光照度，即：8lxEv光照度W/m2Ee輻射照度cd/m2Lv光亮度W/srm2Le輻射亮度lm/m2Mv光出射度W/m2Me輻射出射度cdIv發(fā)光強(qiáng)度W/srIe輻射強(qiáng)度lmv光功率(光通量)We輻射功率(輻射通量)lmsQv光能JQe輻射能單位定義符號(hào)名稱單位定義符號(hào)名稱光度系統(tǒng)參量輻射度系統(tǒng)參量輻射度系統(tǒng)參量和光度系統(tǒng)參量92. 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)原子的電子殼層交疊電子的共有化能帶3s3s3s2p2p2p原子能

5、級(jí)允帶允帶允帶禁帶禁帶原子中的電子軌道10EvEe價(jià)帶禁帶導(dǎo)帶本征半導(dǎo)體EvEcEd 施主能級(jí)EdN型半導(dǎo)體EcEaEa受主能級(jí)EvP型半導(dǎo)體雜質(zhì)吸收本征吸收11 當(dāng)半導(dǎo)體材料的局部位置（如表面）收到光照時(shí)，使得局部位置的光生載流子濃度比平均濃度高，此時(shí)電子會(huì)從濃度高的點(diǎn)向濃度低的點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，稱為擴(kuò)散。擴(kuò)散有一定的方向，可形成電流擴(kuò)散電流。 （2-1）其中：Dn、Dp為電子和空穴的擴(kuò)散系數(shù)。 （2-2）1) 載流子的擴(kuò)散擴(kuò)散電流密度JD：在擴(kuò)散過(guò)程中，流過(guò)單位面積的電流。12E2）載流子的漂移根據(jù)歐姆定律，沿x方向： J的大小與載流子濃度和載流子沿電場(chǎng)的漂移速度成正比，對(duì)N型半導(dǎo)體：(2-3)而則

6、(2-4)(2-5)(2-6)聯(lián)立（2-3）、（2-6）得：同理，對(duì)P型半導(dǎo)體有：（2-8）（2-7） 則漂移產(chǎn)生的電子電流密度和空穴電流密度為：（2-9）（2-10）13當(dāng)擴(kuò)散和漂移同時(shí)存在時(shí)，總的電子電流密度和空穴電流密度為：（2-11）（2-12）總電流密度：（2-13）141. 光電導(dǎo)效應(yīng)光電效應(yīng)：物質(zhì)受到光輻射后，其電學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化的現(xiàn)象。光電效應(yīng)外光電效應(yīng)：物質(zhì)受到光輻射作用后，產(chǎn)生電 子發(fā)射的現(xiàn)象。內(nèi)光電效應(yīng)：物質(zhì)受到光輻射作用后，內(nèi)部電 子的能量狀態(tài)發(fā)生變化，但不從 表面發(fā)射電子的現(xiàn)象。光電導(dǎo)效應(yīng)：在光輻射的作用下產(chǎn)生半導(dǎo)體電導(dǎo)率變化的現(xiàn)象。 光照載流子濃度增加束縛態(tài)電子激發(fā)

7、電導(dǎo)率增大二. 光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)15價(jià)帶中的電子吸收光子能量導(dǎo)帶本征吸收光生自由空穴光生自由電子1）本征光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)本征光電導(dǎo)效應(yīng)：在光的作用下由本征吸收引起 的半導(dǎo)體電導(dǎo)率變化的現(xiàn)象。 雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)激發(fā)條件：（禁帶寬度）截止波長(zhǎng) 注意單位！16L本征半導(dǎo)體樣品光S無(wú)光照時(shí)，常溫激發(fā)暗態(tài)暗電導(dǎo)：dark樣品外加電壓U，暗電流：無(wú)光照時(shí)，光生載流子亮態(tài)亮電導(dǎo)：light亮電流：17定義：光電導(dǎo)光電流：2）光電導(dǎo)弛豫i(%)t03763100rf矩形脈沖光照下光電導(dǎo)馳豫過(guò)程上升時(shí)間常數(shù)下降時(shí)間常數(shù)18光電導(dǎo)增益M:在電場(chǎng)作用下，光生載流子形成的外電流與光 生載流子在半導(dǎo)體內(nèi)部形成的

8、電流之比。載流子的壽命載流子在兩極間的渡越時(shí)間引線電極引線絕緣襯低光導(dǎo)電材料光電導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)：3) 光電導(dǎo)增益192. 雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)截止波長(zhǎng) 3. 光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)是基于半導(dǎo)體PN結(jié)基礎(chǔ)上的一種將光能轉(zhuǎn)換成電能的效應(yīng)。當(dāng)入射輻射作用在半導(dǎo)體PN結(jié)上產(chǎn)生本征吸收時(shí)，價(jià)帶中的光生空穴與導(dǎo)帶中的光生電子在PN結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下分開，并分別向兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，形成光生伏特電壓或光生電流的現(xiàn)象。204. 光熱效應(yīng) 熱釋電效應(yīng)：+_+_+_+_+_+_+P(T1)(a)溫度低：自發(fā)極化強(qiáng)度大，表面感應(yīng)電荷多+_+_+_+_+_+_+P(T2)j(b)溫度高：自發(fā)極化強(qiáng)度小，表面感應(yīng)電荷少“釋放電荷”極

9、化晶體21 輻射熱計(jì)效應(yīng) 溫差電效應(yīng)光照射材料溫度變化電阻率變化兩種不同材料的結(jié)點(diǎn)溫差電動(dòng)勢(shì)溫差光照射22光電管光電倍增管真空攝像管變像管像增強(qiáng)器光敏電阻光電池光電二極管光電三極管光電耦合器光導(dǎo)纖維與光纖維傳感器位置傳感器PSD電荷耦合器件CCD自掃描光電二極管列陣CCD熱電偶和熱電堆真空光電器件固體光電器件光電檢測(cè)器熱輻射計(jì)和熱敏電阻熱釋電探測(cè)器熱電檢測(cè)器光輻射檢測(cè)器2.2 光電檢測(cè)器件的特性參數(shù)23光電檢測(cè)器件的特性參數(shù)：一、響應(yīng)特性二、噪聲特性三、線性度四、工作溫度24一、響應(yīng)特性響應(yīng)度（或稱靈敏度）：光電檢測(cè)器輸出信號(hào)與輸入光 功率之比。 描述光電檢測(cè)器件的光-電轉(zhuǎn)換效率。電壓響應(yīng)度

10、光電檢測(cè)器輸出電壓V0 與入射光功率P 之比電流響應(yīng)度 光電檢測(cè)器輸出電流I0 與入射光功率P 之比25或光電導(dǎo)靈敏度 光電檢測(cè)器的光電導(dǎo)G與輸入光功率P或光照度E之比常用響應(yīng)度參數(shù)：262. 光譜響應(yīng)度：光電檢測(cè)器的輸出信號(hào)與入射的單色輻射通量 （光通量）之比。3. 積分響應(yīng)度：光電檢測(cè)器的輸出信號(hào)與入射光通量之比。 描述檢測(cè)器對(duì)各種波長(zhǎng)的光連續(xù)輻射通量的反應(yīng)程度。 響應(yīng)度是隨入射光波長(zhǎng)變化而變化的274. 響應(yīng)時(shí)間：光入射到光電檢測(cè)器或入射被中斷后，光電檢測(cè) 器的輸出信號(hào)上升到穩(wěn)定值或下降到光照射前初 始值所需的時(shí)間。t00.91上升時(shí)間r下降時(shí)間f入射光tI0.1描述光電檢測(cè)器對(duì)入射光響

11、應(yīng)的快慢28二、噪聲特性顯示信號(hào)處理前放探測(cè)器光學(xué)系統(tǒng)背景目標(biāo)光子噪聲探測(cè)器噪聲信號(hào)放大及處理電路噪聲熱噪聲散粒噪聲產(chǎn)生-復(fù)合噪聲1/f 噪聲溫度噪聲信號(hào)輻射噪聲背景輻射噪聲29熱噪聲：載流子熱運(yùn)動(dòng)引起的電流起伏或電壓起伏。 起伏的電流或電壓按時(shí)間取的平均值為零，但均方根不為零。 熱噪聲均方電流： 熱噪聲均方電壓：測(cè)量系統(tǒng)的噪聲帶寬 （頻率范圍）檢測(cè)器件電阻熱噪聲正比于溫度302. 散粒噪聲：載流子的隨機(jī)漲落造成的噪聲。 隨機(jī)漲落：入射的光子、表面逸出的光電子、 PN結(jié)中通過(guò)結(jié)區(qū)的載流子散粒噪聲均方電流：器件電流的直流分量平均值313. 信噪比：在負(fù)載電阻上產(chǎn)生的信號(hào)功率與噪聲功率之比。 判斷

12、噪聲大小的參數(shù)若負(fù)載電阻為RL：以分貝表示：32三、線性度線性度：光電檢測(cè)器輸出的電流或電壓與輸入的光通量成比 例的程度和范圍。 若在某一規(guī)定范圍內(nèi)光電檢測(cè)器件的響應(yīng)度是常數(shù)，則這一范圍為線性區(qū)。線性區(qū)的下限 光電器件的暗電流和噪聲決定線性區(qū)的上限 飽和效應(yīng)或過(guò)載決定33四、工作溫度 光電檢測(cè)器件的工作溫度：最佳工作狀態(tài)時(shí)的溫度五、光電檢測(cè)器件的合理選擇 1. 根據(jù)待測(cè)光信號(hào)的大小，確定檢測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍； 2. 檢測(cè)器的光譜響應(yīng)范圍是否與待測(cè)光信號(hào)的光譜匹配； 3. 檢測(cè)器的最小分辨率、信噪比； 4. 當(dāng)待測(cè)光信號(hào)功率變化時(shí)，檢測(cè)器的線性度； 5. 檢測(cè)器的穩(wěn)定性、測(cè)量精度、測(cè)量方式等因素。

13、34利用具有光電導(dǎo)效應(yīng)的材料（如Si、Ge等本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體，如CdS、CdSe、PbO）可以制成電導(dǎo)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(dǎo)器件或光敏電阻。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：體積小、堅(jiān)固耐用、價(jià)格低廉、光譜響應(yīng)范圍寬，廣泛應(yīng)用于微弱輻射信號(hào)的檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。3.1 光敏電阻35某光敏電阻與負(fù)載電阻RL=2k串接于12伏的直流電源上，無(wú)光照時(shí)負(fù)載電阻上的輸出電壓為u1=20mV，有光照時(shí)負(fù)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(dǎo)靈敏度S=610-6s/lx，求光敏電阻所受的照度？思考題36第三章 半導(dǎo)體光電檢測(cè)器件及應(yīng)用3.1 光敏電阻3.2 光生

14、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(cè)器件3.8 各種光電檢測(cè)器件的性能比較37利用具有光電導(dǎo)效應(yīng)的材料（如Si、Ge等本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體，如CdS、CdSe、PbO）可以制成電導(dǎo)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(dǎo)器件或光敏電阻。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：體積小、堅(jiān)固耐用、價(jià)格低廉、光譜響應(yīng)范圍寬，廣泛應(yīng)用于微弱輻射信號(hào)的檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。3.1 光敏電阻383.1.1 光敏電阻的結(jié)構(gòu)及工作原理UbbIpIp金屬電極光電導(dǎo)材料入射光光敏電阻原理及符號(hào)光敏電阻符號(hào)工作原理39UIp電極入射光當(dāng)入射光子使本

15、征半導(dǎo)體物質(zhì)中的電子由價(jià)帶躍升到導(dǎo)帶時(shí)，導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴均參與導(dǎo)電，因此電阻顯著減小，電導(dǎo)增加，或連接電源和負(fù)載電阻，可輸出電信號(hào)，此時(shí)可得出光電導(dǎo)g與光電流I光的表達(dá)式為：工作原理g=gL-gdI光=IL-Id40工作原理光敏電阻設(shè)計(jì)的基本原則光敏電阻在弱光輻射下光電導(dǎo)靈敏度Sg與光敏電阻兩電極間距離l的平方成反比 ，在強(qiáng)輻射作用下Sg與l的二分之三次方成反比，因此在設(shè)計(jì)光敏電阻時(shí)，盡可能地縮短光敏電阻兩極間距離。光敏電阻按半導(dǎo)體材料的不同可分為本征型和雜質(zhì)型兩種:本征型半導(dǎo)體光敏電阻常用于可見(jiàn)光長(zhǎng)波段檢測(cè)。雜質(zhì)型常用于紅外波段至遠(yuǎn)紅外波段光輻射的檢測(cè)。41光敏電阻的基本結(jié)構(gòu)123

16、21-光電導(dǎo)材料；2-電極；3-襯底材料絕緣基底光電導(dǎo)體膜42工作性能特點(diǎn)：光譜響應(yīng)范圍相當(dāng)寬?？梢?jiàn)光、紅外、遠(yuǎn)紅外、紫外區(qū)域工作電流大，可達(dá)數(shù)毫安。所測(cè)光電強(qiáng)度范圍寬，既可測(cè)弱光，也可測(cè)強(qiáng)光靈敏度高，光電增益可以大于1無(wú)選擇極性之分，使用方便。缺點(diǎn)： 強(qiáng)光下光電線性度較差，弛豫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，頻率特性差。43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(jī)物。分紫外光、可見(jiàn)光、紅外及遠(yuǎn)紅外敏感的光敏電阻。應(yīng)用：照相機(jī)、光度計(jì)、光電自動(dòng)控制、輻射測(cè)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。443.1.2 光敏電阻特性參數(shù)1

17、、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，為光照指數(shù)，與材料的入射強(qiáng)弱有關(guān)，對(duì)CdS光電導(dǎo)體，弱光照射下=1，強(qiáng)光下=0.5； U為光敏電阻兩端所加電壓，為電壓指數(shù)，與光電導(dǎo)體和電極材料間接觸有關(guān)，歐姆接觸時(shí)=1，非歐姆接觸時(shí)=1.1-1.2 Sg為光電導(dǎo)靈敏度，單位S/lx OI光ECdS的光電特性對(duì)CdS光電導(dǎo)體，弱光照射下=1，強(qiáng)光下=0.5；為什么？ 光照增強(qiáng)的同時(shí)，載流子濃度不斷的增加，同時(shí)光敏電阻的溫度也在升高，從而導(dǎo)致載流子運(yùn)動(dòng)加劇，因此復(fù)合幾率也增大，光電流呈飽和趨勢(shì)。（冷卻可以改善）452、伏安特性（輸出特性）

18、 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/mA510050100 lx10 lx250mW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(duì)大多數(shù)半導(dǎo)體，電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò) 時(shí)，不再遵守歐姆定律。而CdS在100V時(shí)就不成線性了。 463.1.2 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(dǎo)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(yè)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?dǎo)致材料光電導(dǎo)率的下降。實(shí)際中往往采用控制光敏電阻

19、工作的溫度的辦法提高工作穩(wěn)定性。473.1.2 光敏電阻特性參數(shù) 換句話說(shuō)，溫度的變化，引起溫度噪聲，導(dǎo)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(dǎo)體對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)紅外輻射檢測(cè)領(lǐng)域更為重要。溫度特性483.1.2 光敏電阻特性參數(shù)4、前歷效應(yīng) 指光敏電阻的時(shí)間特性與工作前“歷史”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)光敏電阻特性的影響。 暗態(tài)前歷效應(yīng)：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

20、-黑暗放置24小時(shí)后49 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。3.1.2 光敏電阻特性參數(shù)前歷效應(yīng)503.1.2 光敏電阻特性參數(shù)5、頻率特性 光敏電阻的時(shí)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(dá)到幾千赫茲。當(dāng)E=0.11lx時(shí)，光敏電阻tr=1.4s， E=10lx時(shí)， 光敏電阻tr=66mS, E=100lx時(shí)， 光敏電阻tr=6mS。 同時(shí)，時(shí)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(duì)輸出0.41051010.20.60.81021031041-Se；2-CdS；

21、3-TlS；4-PbS513.1.2 光敏電阻特性參數(shù)6、時(shí)間響應(yīng) 光敏電阻的時(shí)間常數(shù)較大，慣性大，時(shí)間響應(yīng)比其它光電器件差。頻率響應(yīng)低。 時(shí)間特性與光照度、工作溫度有明顯的依賴關(guān)系。rfEtOi(%)tO1006337rf矩形光脈沖10lx100lx523.1.2 光敏電阻特性參數(shù)7、光譜特性相對(duì)靈敏度與波長(zhǎng)的關(guān)系可見(jiàn)光區(qū)光敏電阻的光譜特性 光譜特性曲線覆蓋了整個(gè)可見(jiàn)光區(qū)，峰值波長(zhǎng)在515600nm之間。尤其硫化鎘（2）的峰值波長(zhǎng)與人眼的很敏感的峰值波長(zhǎng)（555nm）是很接近的，因此可用于與人眼有關(guān)的儀器。533.1.2 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

22、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)。541、常用光敏電阻CdS光敏電阻：峰值響應(yīng)波長(zhǎng)0.52um，摻銅或氯時(shí)峰值波長(zhǎng)變長(zhǎng)，光譜響應(yīng)向紅外區(qū)延伸，其亮暗電導(dǎo)比在10lx照度上可達(dá)1011(一般約為106)，其時(shí)間常數(shù)與入射光強(qiáng)度有關(guān)，100lx下可達(dá)幾十毫秒。是可見(jiàn)光波段最靈敏的光敏電阻。PbS光敏電阻：響應(yīng)波長(zhǎng)在近紅外波段，室溫下響應(yīng)波長(zhǎng)可達(dá)3um，峰值探測(cè)率D*=1.51011cmHz1/2/w。缺點(diǎn)主要是響應(yīng)時(shí)間太長(zhǎng)，室溫條件下100-300uS。內(nèi)阻約為1M，銻化銦（InSb）光敏電阻：長(zhǎng)波限7.5um，內(nèi)阻低（約50），峰值探測(cè)率D*=1.21011cmHz1/2/w。

23、時(shí)間常數(shù)0.02uS。零度時(shí)探測(cè)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(shí)現(xiàn)1-3um,3-5um,8-14um的光譜范圍的探測(cè)。例如Hg0.8Cd0.2Te響應(yīng)在大氣窗口8-14um，峰值波長(zhǎng)10.6um，Hg0.72Cd0.28Te 響應(yīng)波長(zhǎng)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(zhǎng)不同。主要用在8-10um波段探測(cè) ，但探測(cè)率低，應(yīng)用不廣泛。3.1.3 光敏電阻的應(yīng)用電路552、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(dǎo)Gd(暗電阻很大)： G=Gp=SgE或G=

24、Sg 即 對(duì)R求導(dǎo)得到 負(fù)號(hào)表示電阻是隨溫度的增加而減小。當(dāng)光通量變化時(shí)，電阻變化Rp，電流變化I，即有： 即 562、基本偏置電路3.1.3 光敏電阻的應(yīng)用電路URLULI輸出電壓573.1.3 光敏電阻的應(yīng)用電路1、火焰檢測(cè)報(bào)警器R12k中心站放大器VDW6VR2200kR3PbSC168nFC268uFR43.9MR5820kR71kR832kR63.9kR9150kC44.7nF+ C3 100uFV1V2V3PbS光敏電阻：Rd=1M, Rl=0.2M，峰值波長(zhǎng)2.2um。恒壓偏置電路高輸入阻抗放大電路Vo58快門按鈕驅(qū)動(dòng)單元UthURUth=?UR=?+_ARp210kRp110k

25、R2300R15.1kC11uFMVDVRCdSUbb3.1.3 光敏電阻的應(yīng)用電路2、照相機(jī)電子快門593、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(cè)光與控制執(zhí)行控制603.1.4 光敏電阻使用的注意事項(xiàng)1. 測(cè)光的光源光譜特性與光敏電阻的光敏特性相匹配。2. 要防止光敏電阻受雜散光的影響。3. 要防止使光敏電阻的電參數(shù)(電壓,功耗)超過(guò)允許值。4. 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)大的光敏電阻。 模擬信息傳輸:則以選用值小、線性特性好的光敏電阻。61分類按用途 太陽(yáng)能光電池：用作電源

26、（效率高，成本低） 測(cè)量用光電池：探測(cè)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(jué)內(nèi) 薄膜光電池：CdS增強(qiáng)抗輻射能力 紫光電池：PN結(jié)非常?。?.2-0.3 m,短波峰值600nm3.2 光電池62 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。 1、金屬-半導(dǎo)體接觸型（硒光電池）基本結(jié)構(gòu)2、PN結(jié)型幾個(gè)特征： 1、柵狀電極 2、受光表面的保護(hù)膜 3、上、下電極的區(qū)分符號(hào)3.2.1 光電池的基本結(jié)構(gòu)和工作原理631、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

27、的電流方程： Rs很小，可忽略，上式變?yōu)椋篟sRLVDIpI+ILRLVDILIp=SgE3.2.2 硅光電池的特性參數(shù)641、光照特性3.2.2 硅光電池的特性參數(shù)負(fù)載電流ILERL1RL2RL3RL4RL4RL5RL=RL=0Voc1Voc5Isc1Isc2Isc3Isc4Is當(dāng)IL=0時(shí) 一般IpIs, 當(dāng)RL=0時(shí)，Isc=Ip=SgE下面看兩個(gè)關(guān)系：當(dāng)E=0時(shí) 651、Voc，Isc與E的關(guān)系： 當(dāng)IL=0，RL=時(shí) 一般IpIs,且Ip=SgE 3.2.2 硅光電池的特性參數(shù)用于光電池檢測(cè)當(dāng)V=0，RL=0時(shí)， 662、Isc與E和RL的關(guān)系：3.2.2 硅光電池的特性參數(shù)RL=1

28、20RL=2.4kRL=12kE/lxJ/uAmm2 當(dāng)RL=0時(shí)， Isc=Ip=SgE 當(dāng)RL不為0時(shí) RLVDIL 為什么RL的增加會(huì)使光電流減?。?7光電池光照特性特征：1、Voc與光照E成對(duì)數(shù)關(guān)系；典型值在0.45-0.6V。作電 源時(shí)，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(cè)， 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(qiáng)到一定程度，光電流開始飽和，與負(fù)載 電阻有關(guān)。負(fù)載電阻越大越容易飽和。3.2.2 硅光電池的特性參數(shù)682、輸出特性3.2.2 硅光電池的特性參數(shù)RL/0 100 200 3

29、00 400 500Voc/VIsc/mA400200 010080400PLVocILRMUL隨RL的增大而增大，直到接近飽和RL小時(shí)IL趨近于短路電流Isc。在RL=RM時(shí)，有最大輸出功率，RM稱為最佳負(fù)載。光電池作為換能器件時(shí)要考慮最大輸出問(wèn)題，跟入射光照度也有關(guān)。作為測(cè)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(lái)越小。693、光譜特性3.2.2 硅光電池的特性參數(shù)704、溫度特性3.2.2 硅光電池的特性參數(shù)Voc具有負(fù)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(zhǎng)的比例很小，約為10

30、-5-10-3mA/度總結(jié)：當(dāng)光電池接收強(qiáng)光照時(shí)要考慮溫度升高的影響。如硅光電池不能超過(guò)200度。713.2.3 硅光電池的應(yīng)用1、光電池用作太陽(yáng)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(gè)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(wú)輸電線路地區(qū)的電源供給。2、光電池用作檢測(cè)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(cè)量等。72光電池與外電路的連接方式3.2.3 硅光電池的應(yīng)用-10VVociC3DG62CR21k硅三極管的放大光電流電路-10VVociC3AX42CR鍺三極管的放大電路1k光電池

31、作緩變信號(hào)檢測(cè)時(shí)的的變換電路舉例73硅三極管放大光電流的電路+4VVociC3DG7A2CR1k2AP71003.2.3 硅光電池的應(yīng)用+_VocRf2CR采用運(yùn)算放大器的電路光電池的變換電路舉例741太陽(yáng)電池電源 太陽(yáng)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)電池電源系統(tǒng)框圖如圖。逆變器 交流負(fù)載 直流負(fù)載太陽(yáng)能電池電源系統(tǒng)阻塞二極管 調(diào)節(jié)控制器太陽(yáng)電池方陣75(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(dāng)入

32、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。光電池在檢測(cè)和控制方面應(yīng)用中的幾種基本電路76BG2BG1+12VC J R1 R2(b) 光電開關(guān) 圖 (b)所示電路為光電開關(guān)，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)到開關(guān)目的。77(c) 光電池觸發(fā)電路R1R2R3R4R5R6BG1BG2BG3BG4C1C2C3+12VW 圖 (c)為光電池觸發(fā)電路。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)

33、翻轉(zhuǎn)，改變其工作狀態(tài)或觸發(fā)器件(如可控硅)導(dǎo)通。78圖(d)為光電池放大電路。在測(cè)量溶液濃度、物體色度、紙張的灰度等場(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。在實(shí)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(guò)基本電路與其它電子線路的組合可實(shí)現(xiàn)或自動(dòng)控制的目的。+12V-12V5G23(d) 光電池放大電路C3WR1R2R3R4R5C1C21876543279220VC1路燈CJD-108V200F200FC2C3100FR1R3R5R7R4R6R7R2J470k200k10k4.3kBG1280k25k57k10k

34、路燈自動(dòng)控制器BG2BG3BG42CR80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(guó)產(chǎn)硅光電二極管按襯底材料的導(dǎo)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813.3 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光電基本結(jié)構(gòu)相同，由一個(gè)PN結(jié)；二極管的光敏面小，結(jié)面積小，頻率特性好，雖然光生電動(dòng)勢(shì)相同,但光電流普遍比光電池小,為數(shù)

35、微安。摻雜濃度：光電池約為1016-1019/cm3，硅光電二極管10121013/cm3，電阻率：光電池0.1-0.01/cm，光電二極管1000/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、APD823.3 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(hào)8384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(jí)后級(jí)環(huán)級(jí)VARLh等效電路85光電二極管的伏安特性IUOE2E1E0E0E1E3加正向偏壓時(shí)， 表現(xiàn)為單向?qū)щ娦?。作為光敏二極管使用時(shí)，需要加反向偏壓，當(dāng)有光照時(shí)會(huì)產(chǎn)生光電流

36、，且光電流遠(yuǎn)大于反向飽和電流。反向偏壓可以減小載流子的渡越時(shí)間和二極管的極間電容。反向偏壓較小時(shí)反向電壓達(dá)到一定值時(shí)。 uiO暗電流E = 200 lxE = 400 lx86光電二極管的光譜特性1、光敏二極管在較小負(fù)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(zhǎng)與GaAs激光管和發(fā)光二極管的波長(zhǎng)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(dá)100kHz。87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(duì)溫度的依賴性，暗電流對(duì)溫度的變化非常敏感。暗電流/mA10 20305070T /C25 050406088光電二極管的典

37、型應(yīng)用電路應(yīng)用電路EhRLVoRL+EVoh89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90PIN管是光電二極管中的一種。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層（相對(duì)）很厚的本征半導(dǎo)體。這樣，PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)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(shí)間常數(shù)變小，頻帶變寬。PIN光電二極管 P-Si N-Si I-SiPIN管結(jié)構(gòu)示意圖91特點(diǎn)：1、頻帶寬，可達(dá)10GHz。2、本征層很厚，在反偏壓下運(yùn)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(huì)使耗盡層寬度

38、增加，且集中在本征層，從而結(jié)電容要進(jìn)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(diǎn)幾微安至數(shù)微安。目前有將PIN管與前置運(yùn)算放大器集成在同一芯片上并封裝成一個(gè)器件。 92 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(lái)工作的一種二極管。 這種管子工作電壓很高，約100200V，接近于反向擊穿電壓。結(jié)區(qū)內(nèi)電場(chǎng)極強(qiáng)，光生電子在這種強(qiáng)電場(chǎng)中可得到極大的加速，同時(shí)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(dá)到幾百。當(dāng)電壓等于反向擊穿電壓時(shí)，電流增益可達(dá)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(dá)100GHz，是目前響應(yīng)速度最快的

39、一種光電二極管。 噪聲大是這種管子目前的一個(gè)主要缺點(diǎn)。由于雪崩反應(yīng)是隨機(jī)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(shí)，噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以至無(wú)法使用。但由于APD的響應(yīng)時(shí)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)93雪崩光電二極管(APD)原理圖943.3.2 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(méi)有）。制作材料一般為半導(dǎo)體硅，管型為NPN型，國(guó)產(chǎn)器件稱為3DU系列。9596

40、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(jí)。但它的光電特性不如光電二極管好，在較強(qiáng)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(lái)作光電開關(guān)元件或光電邏輯元件。97正常運(yùn)用時(shí)，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(dāng)光照到集電結(jié)上時(shí)，集電結(jié)即產(chǎn)生光電流Ip向基區(qū)注入，同時(shí)在集電極電路即產(chǎn)生了一個(gè)被放大的電流Ic（Ie（1）Ip）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(gè)光電二極管的作用是完全相同的。 98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

41、理、工作原理和電氣圖形符號(hào)99光電三極管的工作原理工作過(guò)程：一、光電轉(zhuǎn)換；二、光電流放大VCCVCC基本應(yīng)用電路100達(dá)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(gè)硅片上構(gòu)成集成器件101光電三極管的主要特性： 光電三極管存在一個(gè)最佳靈敏度的峰值波長(zhǎng)。當(dāng)入射光的波長(zhǎng)增加時(shí)，相對(duì)靈敏度要下降。因?yàn)楣庾幽芰刻?，不足以激發(fā)電子空穴對(duì)。當(dāng)入射光的波長(zhǎng)縮短時(shí)，相對(duì)靈敏度也下降，這是由于光子在半導(dǎo)體表面附近就被吸收，并且在表面激發(fā)的電子空穴對(duì)不能到達(dá)PN結(jié)，因而使相對(duì)靈敏度下降。光譜特性入射光硅鍺/nm400080001200016000相對(duì)靈敏度/%

42、10080604020 0硅的峰值波長(zhǎng)為900nm，鍺的峰值波長(zhǎng)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(jiàn)光或探測(cè)赤熱狀態(tài)物體時(shí)，一般選用硅管；但對(duì)紅外線進(jìn)行探測(cè)時(shí),則采用鍺管較合適。102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(shí)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(hào)變成電信號(hào)，而且輸出的電信號(hào)較大。I/mA024620406080U/V500lx1000lx1500lx2

43、000lx2500lx103I/AL/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(dāng)光照足夠大(幾klx)時(shí)，會(huì)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104暗電流/mA10 20305070T /C25 0504060光電流/mA100 02003004008010203040506070T/C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

44、對(duì)光電流的影響很小，而對(duì)暗電流的影響很大所以電子線路中應(yīng)該對(duì)暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償，否則將會(huì)導(dǎo)致輸出誤差。溫度特性105 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(fù)載電阻的影響，減小負(fù)載電阻可以提高頻率響應(yīng)。一般來(lái)說(shuō)，光電三極管的頻率響應(yīng)比光電二極管差。對(duì)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=1kRL=10kRL=100k0100100050050001000010020406080調(diào)制頻率 / Hz相對(duì)靈敏度/%光電三極管的頻率特性頻率特性106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。JR2R1A3DG12VJR2R1

45、A3DG12V107 當(dāng)有光線照射于光電器件上時(shí)，使繼電器有足夠的電流而動(dòng)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(jiǎn)單的亮通電路如圖所示。 1亮通光電控制電路108如果光電繼電器不受光照時(shí)能使繼電器動(dòng)作，而受光照時(shí)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(jí)倒相器，也可完成暗通電路的作用。 要說(shuō)明的是，亮通和暗通是相對(duì)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(guò)來(lái)。2暗通光電控制電路109 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(dòng)控制電路110 防止閃電等短時(shí)干擾的路燈控制電路 111

46、印刷機(jī)紙張監(jiān)控器可以自動(dòng)監(jiān)測(cè)每次印刷的紙張是否為一張，如果不是一張則發(fā)出報(bào)警訊響，停止印刷，待整理好紙張后，再開始工作。印刷機(jī)紙張監(jiān)控器112 光控電焊眼罩汽車車燈全自動(dòng)控制器113 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(xué)理論的基礎(chǔ)上，能夠?qū)⑽⑷豕庑盘?hào)轉(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-Multiplier tube （PMT）114真空光電管90V DC直流放大陰極R-+光束e陽(yáng)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

47、應(yīng)(Ga/As，響應(yīng)受波長(zhǎng)影響小)。產(chǎn)生的光電流約為硒光電池的1/10。優(yōu)點(diǎn)：阻抗大，電流易放大；響應(yīng)快；應(yīng)用廣。缺點(diǎn)：有微小暗電流（Dark current，40K的放射線激發(fā)）。115光電倍增管的結(jié)構(gòu)及工作原理光電陰極陽(yáng)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(chǎng)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(guò)多極倍增的光電子到達(dá)陽(yáng)極被收集而形成陽(yáng)極電流，隨光信號(hào)的變化。在倍增極不變的條件下，陽(yáng)極電流隨光信號(hào)變化。116光電倍增管（photomultiplier tube, PMT） 石英套光束1個(gè)光子產(chǎn)生106107個(gè)電子?xùn)艠O，Grill陽(yáng)極屏蔽光電倍增管示意圖共有9個(gè)

48、打拿極(dynatron)，所加直流電壓共為9010V117放大倍數(shù)很高，用于探測(cè)微弱信號(hào)；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(jià)格昂貴，體積大；光電倍增管的特點(diǎn)118 用于測(cè)量輻射光譜在狹窄波長(zhǎng)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1193.5 光電耦合器件120光電耦合器件的工作原理 光電耦合器以光電轉(zhuǎn)換原理傳輸信息，由于光耦兩側(cè)是電絕緣的，所以對(duì)地電位差干擾有很強(qiáng)的抑制能力，同時(shí)光耦對(duì)電磁干擾也有很強(qiáng)的抑制能力。光電耦合器由發(fā)光器件（發(fā)光二極管）和受光器件（光敏三極管）封裝在一個(gè)組件內(nèi)構(gòu)成；當(dāng)發(fā)光二極管流過(guò)

49、電流IF時(shí)發(fā)出紅外光，光敏三極管受光激發(fā)后導(dǎo)通，并在外電路作用下產(chǎn)生電流IC。121光電耦合器的種類較多，常見(jiàn)有：光電二極管型光電三極管型光敏電阻型光控晶閘管型光電達(dá)林頓型集成電路型等（外形有金屬圓殼封裝，塑封雙列直插等） 122光耦合器件有透光型與反射型兩種。在透光型光耦合器件中，發(fā)光器件與受光器件面對(duì)面安放，在它們之間有一間隔，當(dāng)物體通過(guò)這一間隔時(shí)，發(fā)射光被切斷。利用這一現(xiàn)象可以檢測(cè)出物體的有無(wú)。采用這種方式的耦合器件后邊連接的接口電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，檢測(cè)位置精度也高。反射型光耦合器件從發(fā)光器件來(lái)的光反射到物體上面由受光器件來(lái)檢測(cè)出，比起透光型來(lái)顯得體積小，把它放在物體的側(cè)面就能使用。123

50、光電耦合器件的特點(diǎn)具有電隔離的功能；信號(hào)的傳輸是單向性的，適用于模擬和數(shù)字信號(hào)傳輸；具有抗干擾和噪聲的能力，可以抑制尖脈沖及各種噪聲，發(fā)光器件為電流驅(qū)動(dòng)器件?？衫斫鉃椋?、輸入阻抗低，分得噪聲電壓小，抑制輸入端的噪聲干擾；2、LED發(fā)光需要一定能量，因此可以抑制高電壓、低能量的干擾；3、采用光耦合，且密封安裝，抑制外界雜散光干擾；4、寄生電容小(0.5pF-2pF)，絕緣電阻大(105-107M)，抑制反饋噪聲。響應(yīng)速度快；使用方便，結(jié)構(gòu)小巧，防水抗震，工作溫度范圍寬；即具有耦合特性又具有隔離特性。124光電耦合器之所以在傳輸信號(hào)的同時(shí)能有效地抑制尖脈沖和各種雜訊干擾，使通道上的信號(hào)雜訊比大為

51、提高，主要的原因： （1）光電耦合器的輸入阻抗很小，只有幾百歐姆，而干擾源的阻抗較大，通常為105106。據(jù)分壓原理可知，即使干擾電壓的幅度較大，但饋送到光電耦合器輸入端的雜訊電壓會(huì)很小，只能形成很微弱的電流，由于沒(méi)有足夠的能量而不能使二極體發(fā)光，從而被抑制掉了。 （2）光電耦合器的輸入回路與輸出回路之間沒(méi)有電氣聯(lián)系，也沒(méi)有共地；之間的分布電容極小，而絕緣電阻又很大，因此回路一邊的各種干擾雜訊都很難通過(guò)光電耦合器饋送到另一邊去，避免了共阻抗耦合的干擾信號(hào)的產(chǎn)生。 （3）光電耦合器可起到很好的安全保障作用，即使當(dāng)外部設(shè)備出現(xiàn)故障，甚至輸入信號(hào)線短接時(shí)，也不會(huì)損壞儀表。因?yàn)楣怦詈掀骷妮斎牖芈泛洼?/p>

52、出回路之間可以承受幾千伏的高壓。 （4）光電耦合器的響應(yīng)速度極快，其響應(yīng)延遲時(shí)間只有10s左右，適于對(duì)響應(yīng)速度要求很高的場(chǎng)合。 125說(shuō)明：（1）在光電耦合器的輸入部分和輸出部分必須分別采用獨(dú)立的電源，若兩端共用一個(gè)電源，則光電耦合器的隔離作用將失去意義。 （2）當(dāng)用光電耦合器來(lái)隔離輸入輸出通道時(shí)，必須對(duì)所有的信號(hào)（包括數(shù)位量信號(hào)、控制量信號(hào)、狀態(tài)信號(hào)）全部隔離，使得被隔離的兩邊沒(méi)有任何電氣上的聯(lián)系，否則這種隔離是沒(méi)有意義的。 126光電耦合器件的主要參數(shù)1、電流傳輸比Ic/mAIc3Ic2Ic1Uc/VIF3IF2IF1Q3Q2Q1IFIFIFQIFO 定義為在直流狀態(tài)下，光電耦合器件的集電

53、極電流Ic與發(fā)光二極管的注入電流IF之比。如圖中在Q點(diǎn)處電流傳輸比為：如果在小信號(hào)下，交流電流傳輸比用微小變量定義：在飽和區(qū)和截止區(qū)都變小。127與IF的關(guān)系： 由于發(fā)光二極管發(fā)出的光不總與電流成正比，所以有如圖示的變化。4 3 2 1 0 50 100 150 電流/mA輸出功率/ mW發(fā)光二極管的P-I曲線0 10 20 30 40 50 60 7012010080604020IF/mAIF與的關(guān)系曲線1282、最高工作頻率，f /M Hz相對(duì)輸出1.00.7070f m1f m2f m3RL1RL2RL3 最高工作頻率取決于發(fā)光器件與光電接收器件的頻率特性。同時(shí)與負(fù)載電阻的阻值有關(guān)，阻值

54、越大，最高工作頻率越低。129光電耦合器件的應(yīng)用1、代替脈沖變壓器耦合信號(hào)，帶寬寬，失真小。2、代替繼電器，無(wú)斷電時(shí)的沖擊電流和觸點(diǎn)抖動(dòng)。3、完成電平匹配和電平轉(zhuǎn)換功能。4、用于計(jì)算機(jī)作為光電耦合接口器件，提高可靠性。5、飽和壓降低，代替三極管做為開關(guān)元件。6、在穩(wěn)壓電源中，作為過(guò)電流自動(dòng)保護(hù)器件，簡(jiǎn)單可靠。130光電耦合器的應(yīng)用 用于電平轉(zhuǎn)換 用于邏輯門電路 起隔離作用應(yīng)用在測(cè)量?jī)x器、精密儀器、工業(yè)和醫(yī)用電子儀器自動(dòng)控制、遙控和遙測(cè)、各種通信裝置、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及農(nóng)業(yè)電子設(shè)備等廣闊領(lǐng)域。131光電耦合器件光電耦合繼電器光電隔離器（傳感器）1323.6 光電位置敏感器件（PSD）PSD 是一種對(duì)其

55、感光面上入射光點(diǎn)位置敏感的光電器件（也稱為坐標(biāo)光電池 ）。即當(dāng)入射光點(diǎn)落在器件感光面的不同位置時(shí)，PSD 將對(duì)應(yīng)輸出不同的電信號(hào)。通過(guò)對(duì)此輸出電信號(hào)的處理，即可確定入射光點(diǎn)在 PSD 的位置。入射光點(diǎn)的強(qiáng)度和尺寸大小對(duì) PSD 的位置輸出信號(hào)均無(wú)關(guān)。PSD 的位置輸出只與入射光點(diǎn)的“重心”位置有關(guān)。PSD有兩種：一維PSD和二維PSD，一維PSD用于測(cè)定光點(diǎn)的一維坐標(biāo)位置，二維PSD用于測(cè)定光點(diǎn)的二維坐標(biāo)位置。 133P層i層0AxAI1I2I0N層LL入射光1、一維光電位置敏感器件（PSD）的工作原理依圖中所示，電流I0、I1、I2、入射光位置xA和電極間距2L之間有如下關(guān)系：其中，P型層電

56、阻是均勻的。一維PSD器件可用來(lái)測(cè)量光斑在一維方向上的位置和位置移動(dòng)量。134PSD是一種獨(dú)特的半導(dǎo)體光電器件，它不僅是光電轉(zhuǎn)換器,更重要的是光電流的分配器,通過(guò)合理設(shè)置分流層和收集電流的電極,根據(jù)各電極上收集到的電流的比例確定入射光的位置。 PSD一般為PIN結(jié)構(gòu)。在硅板的底層表面上以膠合方式制成二片均勻的P和N電阻層，在P和N電阻層之間注入離子而產(chǎn)生I層，即本征層。在P層表面電阻層的兩端各設(shè)置一輸出極。當(dāng)一束具有一定強(qiáng)度的光點(diǎn)照射到PSD的I層時(shí)，光點(diǎn)附近就會(huì)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在PN結(jié)電場(chǎng)的作用下，空穴進(jìn)入P區(qū)，電子進(jìn)入N區(qū)。由于P區(qū)雜質(zhì)濃度相對(duì)較高，空穴迅速沿P區(qū)表面向兩側(cè)擴(kuò)散，最終導(dǎo)致P

57、層空穴橫向濃度呈梯度變化，這時(shí)同一層面上的不同位置呈現(xiàn)一定的電位差，這種現(xiàn)象稱為橫向光電效應(yīng)。 135PSD表面P層為感光面,兩邊各有一信號(hào)輸出電極1、2。底層的公共電極3可用來(lái)加反偏電壓。當(dāng)入射光點(diǎn)照射到PSD光敏面上某一點(diǎn)時(shí),假設(shè)產(chǎn)生總的光生電流為I0,由于在入射光點(diǎn)與信號(hào)電極之間存在橫向電動(dòng)勢(shì),若在2個(gè)信號(hào)電極上接上負(fù)載電阻,光電流將分別流向2個(gè)信號(hào)電極,從而在信號(hào)電極上分別得到光電流I1和I2。顯然,I1和I2之和等于總的光電流I0,而I1和I2的分流關(guān)系取決于入射光點(diǎn)位置到2個(gè)信號(hào)電極間的等效電阻R1和R2。其中R1和R2的值取決于入射光點(diǎn)的位置。 136PSD通常工作在反向偏壓狀態(tài)

58、，即PSD的公用極3接正電壓，輸出極1和2分別接地，這時(shí)流經(jīng)電極3的電流I0與入射光的強(qiáng)度成正比，流經(jīng)電極1、2的電流I1、I2與入射光的強(qiáng)度和入射光點(diǎn)的位置有關(guān)，由于P層為均勻的電阻層，因此I1、I2與光點(diǎn)到相應(yīng)電極的距離成反比，并且I0= I1+I2。如果將坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在器件的中心點(diǎn)，I1、I2與I0具有如下關(guān)系： 137從上式可知，PSD測(cè)量結(jié)果XA與I1、I2比值有關(guān)，入射光強(qiáng)的變化不影響測(cè)量結(jié)果，這給測(cè)量帶來(lái)了極大的方便。因此PSD在工業(yè)自動(dòng)控制、位置變化等技術(shù)領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。1383.7 光熱輻射檢測(cè)器件1391、熱敏電阻熱敏電阻熱敏電阻是用金屬氧化物或半導(dǎo)體材料作為電阻體

59、的溫敏元件。有三種基本類型：正溫度系數(shù)，PTC負(fù)溫度系數(shù)，NTC臨界溫度系數(shù)CTC特點(diǎn)：溫度系數(shù)大、靈敏度高電阻值大、引線電阻可忽略體積小，熱響應(yīng)快，廉價(jià)互換性差、測(cè)溫范圍窄在汽車、家電領(lǐng)域得到大量應(yīng)用140半導(dǎo)體對(duì)光的吸收本征和雜質(zhì)吸收產(chǎn)生光生載子晶格吸收、自由電子吸收不產(chǎn)生光生載子光電導(dǎo)率變化，伴隨少量的熱能產(chǎn)生熱能產(chǎn)生，溫升造成電阻值變化光敏電阻熱敏電阻141負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻和金屬材料溫度特 性比較熱敏電阻的電阻與溫度關(guān)系為：A，C，D為與材料有關(guān)的常數(shù)。電阻隨溫度的變化規(guī)律為：對(duì)負(fù)溫度系數(shù)材料：142熱敏電阻的基本結(jié)構(gòu)電極引線黏合劑發(fā)黑材料熱敏元件襯底導(dǎo)熱基體143144熱電偶又稱溫差電偶