光電檢測技術(shù)第三章光電檢測器件課件

光電檢測技術(shù)第三章：光電檢測器件第一節(jié)光電檢測器件的基本特性參數(shù)一、有關(guān)響應(yīng)方面的特性參數(shù)二、有關(guān)噪聲方面的參數(shù)三、其它參數(shù)第二節(jié)真空光電探測器件一、光電發(fā)射材料二、光電倍增管第三節(jié)半導(dǎo)體光電檢測器件一、光敏電阻二、光電池三、光敏二極管四、光敏三極管第四節(jié)各種光電檢測器件的性能比較和應(yīng)用選擇一、接收光信號的方式二、各種光電檢測器件的性能比較三、光電檢測器件的應(yīng)用選擇光電檢測器件2、光電檢測器件：①響應(yīng)波長有選擇性。因這些器件都存在某一截止波長，超過此波長，器件無響應(yīng)；②響應(yīng)快。一般為納秒到幾百微秒。非放大型如：真空光電管外光電效應(yīng)放大型如：光電倍增管光電導(dǎo)效應(yīng)如：光敏電阻內(nèi)光電效應(yīng)非放大型光二、光電池光生伏特放大型光三、場效應(yīng)管、雪崩光電二極管光電檢測器件光子器件熱電器件真空器件固體器件光電管光電倍增管真空攝像管變像管像增強管光敏電阻光電池光電二極管光電三極管光纖傳感器電荷耦合器件CCD熱電偶/熱電堆熱輻射計/熱敏電阻熱釋電探測器光電檢測器件第一節(jié)：光電檢測器件的基本特征參數(shù)一、有關(guān)響應(yīng)方面的特性參數(shù)1．響應(yīng)度(或稱為靈敏度)-光電轉(zhuǎn)換效能光電探測器輸出信號（輸出電壓或輸出電流）與輸入輻射功率或光通量之比。一定入射光功率下，探測器輸出電壓或電流，可分為電壓響應(yīng)度或電流響應(yīng)度。用公式表示如下：入射光功率光電檢測器件3、積分響應(yīng)度表明探測器對連續(xù)輻射通量的反應(yīng)程度；

為器件的短波限；為器件的長波限。積分得連續(xù)輻射量產(chǎn)生的電流：光電檢測器件4、響應(yīng)時間描述光電探測器對入射輻射響應(yīng)快慢的一個參數(shù)。即馳豫，當入射輻射到光電探測器后或入射輻射遮斷后，光電探測器的輸出上升到穩(wěn)定值或下降到照射前的值所需時間稱為響應(yīng)時間。上升時間：從l0％上升到90％峰值處所需的時間。下降時間：從90％下降到10％處所需的時間。如圖2—1：光電檢測器件5、頻率響應(yīng)光電探測器的響應(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)可得到光電探測器響應(yīng)度與入射調(diào)制頻率的關(guān)系，且時間常數(shù)決定了光電深酗器頻率響應(yīng)的帶寬。光電檢測器件二、有關(guān)噪聲方面的參數(shù)（內(nèi)部噪聲）對這些隨時間而起伏的噪聲電壓(流)按時間取平均值，則平均值等于零。但這些值的均方根不等于零，這個均方根電壓(流)稱探測器的噪聲電壓(流)。1、光電探測器件的噪聲①熱噪聲或稱約翰遜噪聲，即載流子無規(guī)則的熱運動造成的噪聲。導(dǎo)體或半導(dǎo)體中每一電子都攜帶著電子電量作隨機運動(相當于微電脈沖)，盡管其平均值為零，但瞬時電流擾動在導(dǎo)體兩端會產(chǎn)生一個均方根電壓，稱為熱噪聲電壓。熱噪聲存在于任何電阻中；熱噪聲與溫度成正比；與頻率無關(guān)。是白噪聲。光電檢測器件②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。在每個時間間隔內(nèi)，穿過勢壘區(qū)的載流子數(shù)或從陰極到陽極的電子數(shù)都圍繞一平均值上下起伏。同樣是白噪聲。③產(chǎn)生復(fù)合噪聲載流子的產(chǎn)生率與復(fù)合率在某個時間間隔也會在平均值上下起伏。這種起伏導(dǎo)致載流子濃度的起伏，從而也產(chǎn)生均方噪聲電流。頻率越低，電流較大時，該噪聲就越大。光電檢測器件④1/f噪聲-或稱閃爍噪聲或低頻噪聲

這種噪聲是由于光敏層的微粒不均勻或不必要的微量雜質(zhì)的存在，當電流流過時在微粒問發(fā)生微火花放電而引起的微電爆脈沖。頻率越低，噪聲越大。2、衡量噪聲的參數(shù)①信噪比(S／N)

判斷噪聲大小的參數(shù)，常用分貝表示（dB）。在負載上產(chǎn)生的信號功率與噪聲功率之比。若用分貝（dB）表示，為:光電檢測器件③噪聲等效功率(NEP)-最小可探測功率信號功率=噪聲功率，即S/N=1時，入射到探測器件上的輻射通量(單位為瓦)。

NEP越小，噪聲越小，器件的性能越好。光電檢測器件④探測率D與歸一化探測率D*D越高，器件性能越好。為了在不同帶寬內(nèi)對測得的不同的光敏面積的探測器件進行比較，使用了歸一化探測率(比探測率)D*這—參數(shù)。⑤暗電流即光電檢測器件在沒有輸入信號和背景輻射時所流過的電流(加電源時)。一般測量其直流值或平均值。光敏面積測量帶寬光電檢測器件三、其他參數(shù)1、量子效率某一特定波長上每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光量子數(shù)之比。，一個光量子對應(yīng)一個電子或產(chǎn)生一個電子-空穴對。實際上，對于有增益的光電器件（如光電倍增管），則，此時改用增益或放大倍數(shù)這個參數(shù)。光電檢測器件

線性區(qū)的下限一般由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。光電探測器的線性區(qū)還隨偏置、輻射調(diào)制及調(diào)制頻率等條件的變化而變化。3、工作溫度光電探測器最佳工作狀態(tài)時的溫度，它是光電探捌器的重要性能參數(shù)之一。光電檢測器件第二節(jié)：真空光電探測器件一、光電發(fā)射材料材料種類：純金屬材料、半導(dǎo)體材料，表面吸附其他元素的金屬。良好的光電發(fā)射材料的具備條件：①光吸收系數(shù)大；②光電子在體內(nèi)傳輸過程中受到的能量損失小，使其逸出深度大；③表而勢壘低，使表面逸出幾率大。光電檢測器件金屬材料的特點：①反射系數(shù)大(約為99％)，吸收系數(shù)?。虎谧杂呻娮佣?，由碰撞引起的能量散射損失大、逸出深度小，逸出功大。因此量子效率較低；③光譜響應(yīng)都在紫外或遠紫外區(qū)，只能適應(yīng)對紫外靈敏的光電器件。1、常用的經(jīng)典光電發(fā)射材料 ①銀氧銫陰極（Ag-O-Cs）響應(yīng)度波長1.2圖1Ag-O-Cs光電陰極光譜響應(yīng)曲線紅外段唯一可用材料，但量子效率低，暗電流大0.350.8②銻銫陰極（CsSb）響應(yīng)度波長圖2Cs-Sb光電陰極光譜響應(yīng)曲線藍光區(qū)量子效率高達30%，比AgOCs效率高30倍，長波限在0.7微米左右，積分響應(yīng)度可達70～150微安每流明，但光譜響應(yīng)范圍較窄對紅光＆紅外不靈敏③多堿光電陰極A、銻鉀鈉光電陰極：響應(yīng)度可達50－100μA/lm，在0.4μm處量子效率達25％，能耐高溫；B、銻鉀鈉銫光電陰極：峰值響應(yīng)度波長在0.42微米附近，峰值響應(yīng)度可達230μA/lm，量子效率高；響應(yīng)范圍較寬。④碲化銫（紫外）光電陰極：對太陽＆地表面輻射不敏感，響應(yīng)范圍100－280nm；長波限在290～320微米。②特點：高吸收，低反射性質(zhì)；高量子效率，可達50％～60％，長波限可達9％；光譜響應(yīng)可達1μm以上；“冷”電子發(fā)射光譜能量分布較集中，接近高斯分布；光譜響應(yīng)較為平坦；暗電流小，從室溫冷卻到－20攝氏度時，暗電流下降3個數(shù)量級；在可見、紅外區(qū)，能獲得高響應(yīng)度（2微安每流明），紫外區(qū)不突出；工藝復(fù)雜，造價昂貴。采用特殊工藝，例如在重摻雜P型硅表面涂一薄層CsO2，可形成NEA材料。負電子親和勢是指體內(nèi)的有效電子親和勢，而不是指表面電子親和勢。NEA發(fā)射體和常規(guī)光電發(fā)射體的表面，電子狀態(tài)是類似的，導(dǎo)帶底上的電子能量都低于真空能級，其差值為Ea。但是，兩者體內(nèi)電子能量則不同。NEA發(fā)射體導(dǎo)帶底的電子能量高于真空能級，而常規(guī)發(fā)射體電子親和勢仍是正的。NEA陰極的量子效率高于正電子親和勢陰極，可從其光電發(fā)射過程進行分析。價帶中的電子吸收光子能量，躍遷到導(dǎo)帶底以上，成為熱電子（受激電子能量超過導(dǎo)帶底的電子）。在向表面運動的過程中，由于碰撞散射而發(fā)生能量損失，故很快就落到導(dǎo)帶底而變成冷電子（能量恰好等于導(dǎo)帶底的電子）。熱電子的平均壽命非常短，約10e-14～10e-12s。如果在這么短的時間內(nèi)能夠運動到真空界面，自然能逸出。但是熱電子的逸出深度只有幾十納米，絕大部分電子來不及到達真空界面，就已經(jīng)落到導(dǎo)帶底變成冷電子了。冷電子的平均壽命比較長，約10e-9～10e-8s，其逸出深度可達1000納米。因為體內(nèi)冷電子能量仍高于真空能級，所以它們運動到真空界面時，可以很容易地逸出。因此NEA量子效率比常規(guī)發(fā)射體高得多。光電檢測器件二、光電倍增管（Photo-MultipleTube）1、光電管（真空光電管）①真空型②充氣型真空光電管已基本被半導(dǎo)體光電器件取代，不再作詳細介紹。光電檢測器件光電倍增管(R928)光電倍增管BB49-CR162

光電檢測器件2、光電倍增管①工作原理

基于外光電效應(yīng)和二次電子發(fā)射效應(yīng)的電子真空器件。它利用二次電子發(fā)射使逸出的光電子倍增，獲得遠高于光電管的靈敏度，能測量微弱的光信號。光電倍增管包括陰極室和由若干打拿極組成的二次發(fā)射倍增系統(tǒng)兩部分（見圖）。光電檢測器件

陰極室的結(jié)構(gòu)與光陰極K的尺寸和形狀有關(guān),它的作用是把陰極在光照下由外光電效應(yīng)（見光電式傳感器）產(chǎn)生的電子聚焦在面積比光陰極小的第一打拿極D1的表面上。二次發(fā)射倍增系統(tǒng)是最復(fù)雜的部分。打拿極主要選擇那些能在較小入射電子能量下有較高的靈敏度和二次發(fā)射系數(shù)的材料制成。常用的打拿極材料有銻化銫、氧化的銀鎂合金和氧化的銅鈹合金等。打拿極的形狀應(yīng)有利于將前一級發(fā)射的電子收集到下一極。光電檢測器件

在各打拿極D1、D2、D3…和陽極A上依次加有逐漸增高的正電壓,而且相鄰兩極之間的電壓差應(yīng)使二次發(fā)射系數(shù)大于1。這樣,光陰極發(fā)射的電子在D1電場的作用下以高速射向打拿極D1,產(chǎn)生更多的二次發(fā)射電子,于是這些電子又在D2電場的作用下向D2飛去。如此繼續(xù)下去，每個光電子將激發(fā)成倍增加的二次發(fā)射電子，最后被陽極收集。光電檢測器件②主要組成部分

PMT由光電陰極、電子光學輸入系統(tǒng)(光電陰極到第一個倍增極之間的系統(tǒng))、二次發(fā)射倍增系統(tǒng)及陽極等構(gòu)成。光電陰極可根據(jù)設(shè)計需要采用不同的光電發(fā)射材料制成。

陽極目前—般采用柵網(wǎng)狀陽極，其結(jié)構(gòu)示意如圖2—6。光電檢測器件3、分類①“聚焦型”和“非聚焦型”電子倍增系統(tǒng)有聚焦型和非聚焦型兩類。聚焦型的打拿極把來自前一級的電子經(jīng)倍增后聚焦到下一級去，兩極之間可能發(fā)生電子束軌跡的交叉。非聚焦型又分為圓環(huán)瓦片式（即鼠籠式）、直線瓦片式、拿柵式和百葉窗式。聚焦型光電倍增管，電子在其中飛行的時間較短，飛行時間的漲落也小，它適用于要求分辨時間短的場合；光電檢測器件

非聚焦型光電倍增管，由于極與極之間沒有聚焦場，電子損矢較大，為了要得到較大的電子倍增，就要增加倍增極數(shù)目，相應(yīng)地也就增加了飛行時間及其漲落，所以這種管子的時間分辨本領(lǐng)較差，其優(yōu)點是同樣大小的光脈沖照射到光陰極不同不位時，陽極靈敏度變化不大，最后輸出的脈沖幅度比較一致，因此作能譜測量時的能量分辨率較好。

②端窗式和側(cè)窗式端窗式：百葉窗倍增極結(jié)構(gòu)、盒柵倍增極結(jié)構(gòu)、瓦片靜電聚焦結(jié)構(gòu)；側(cè)窗式：圓形鼠籠結(jié)構(gòu)端窗式：百葉窗倍增極結(jié)構(gòu)側(cè)窗式：圓形鼠籠結(jié)構(gòu)端窗式：盒柵倍增極結(jié)構(gòu)端窗式：瓦片靜電聚焦結(jié)構(gòu)光電檢測器件4、PMT的基本特性參數(shù)①光譜響應(yīng)度（靈敏度）靈敏度是光電倍增管的一個重要參數(shù)。對它要分別標出陰極靈敏度和陽極靈敏度，有時還需標出陰極的藍光、紅光或紅外靈敏度。紅光靈敏度往往采用紅光靈敏度和白光靈敏度之比來表示。實際使用時，更希望知道光電倍增管的陽極靈敏度，它是指光電倍增管在一定工作電壓下，陽極輸出電流與照在陰極面上的光通量的比值。因此它是一個表征倍增以后的整管參數(shù)。

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一般還標出在峰值響應(yīng)波長時量子效率。就管子性能而言，在特定的峰值波長下的量子效率能比靈敏度給出更有用的指示。②放大倍數(shù)/電流增益

在一定工作電壓下，光電倍增管的陽極電流與陰極電流之比。③暗電流無光照時，光電倍增管的輸出電流。引起暗電流的因素及減小暗電流的方法。引起暗電流的因素：（主要暗電流）光電陰極＆第一倍增極的熱電子發(fā)射；（極間漏電流）各級絕緣體強度不夠或極間灰塵放電；離子＆光的反饋作用；場致發(fā)射，尖端放電；放射性同位素＆宇宙射線的影響。減小暗電流的方法選好PMT的極間電壓；在陽極回路中加上與暗電流相反的直流成分來補償；在倍增輸出電路加一選頻或鎖相放大濾掉暗電流；利用冷卻法減小熱電子發(fā)射等。光電檢測器件④伏安特性上升部分飽和部分⑤頻率響應(yīng)⑥PMT的噪聲一般來說，選PMT總是使熱噪聲遠小于器件固有的散粒噪聲，所以PMT主要考慮散粒噪聲，而不考慮熱噪聲。型號直徑(mm)長度(mm)級數(shù)光窗材料陰極類型光譜范圍光譜峰值陰極靈敏度GDB-10614689透紫玻璃SbKCs200~700400左右30GDB-15130979石英SbNaKCs185~850400左右20GDB-235301108鈉鈣玻璃SbCs300~650400左右40國產(chǎn)PMT參數(shù)光電檢測器件5、供電電路①分壓器電阻

分壓器本身不是光電倍增管的一部分，但為使其正常工作又是一個不可缺少的部分。它的作用是使光電倍增管中從光電陰極到依次各二次極最后到陽極的電位逐漸升高，使光電子順利完成電子倍增過程，在各種類型的分壓器中，用得最多也最簡單的是電阻分壓器，按照各極間所需電壓的比例采用相應(yīng)的電阻值，使總電壓分配到各極間去。

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陰極-第一倍增極：維持陰極與第一倍增圾之間具有適當高的電場是很重要的。這樣，第一倍增極就具有較高的二次發(fā)射系數(shù)，外界電磁場的影響也較小。在快速光電倍增管中，陰極與第一倍增極之間電壓應(yīng)盡可能高，使光電子的渡越時間分散小，一般應(yīng)兩倍于其它極間的電壓或更高些。中間倍增極：中間倍增極電壓可根據(jù)需要的增益來選擇。在某些情況下，希望降低管子的陽極靈敏度而不改變總電壓，簡單的辦法是調(diào)節(jié)中間倍增極之間的電壓來達到(在一定范圍內(nèi)適用)。中間倍增極一般是采用均勻分壓器。光電檢測器件

末級倍增極：輸出電流大時，末級倍增極應(yīng)采用非均勻分壓器，使最后兩級或三級倍增極之間有較高電場，從而避免空間電荷效應(yīng)。在弱光探測中，為了提高管子的靈敏度，有時最后一個電阻值取得小些。光電檢測器件②儲能電容為了避免在最后幾個倍增極上由于信號脈沖電流過大而影響極間電位分布，則需在若干個極間加上儲能電容，設(shè)輸出脈沖為矩形波，如要求極間電壓變化小于1%，則旁路電容C1可由書上（2-34）求出：然后由公式2-31，可求得C2、C3，當倍增極電流小于分壓器電流的1/10時，不需要跨接電容。光電檢測器件③供給電源

供給光電倍增管的高壓電源，根據(jù)使用要求可以采用正高壓或負高壓。一般有三種接地法，每一種方式各有優(yōu)點和缺點。采用負高壓電源，陽極輸出不需要隔直電容，便于用直流法測量陽極輸出電流，一般陽極分布參數(shù)也較小?？墒窃谶@種情況下，必須保證作為光屏蔽和電磁屏蔽的金屬筒距離管殼至少要10一20mm，否則由于屏蔽筒的影響，可能相當大地增加陽極的暗電流和噪聲。如果靠近管殼處再加一個屏蔽罩，并將它連接到陰極電位上，則要注意完全。光電檢測器件

采用正高壓電源就失去了采用負高壓電源的優(yōu)點，這時在陽極上需接上耐高壓、噪聲小的隔直電容?？墒牵色@得比較低和穩(wěn)定的暗電流和噪聲。當倍增極作為信號輸出極時，可采用中間接地法。由上分析可知，除了對管子的暗電流和噪聲有苛刻要求的場合外，一般采用負高壓供電是可取的。光電檢測器件

光電倍增管的供電電路原理圖如圖。一般總電壓在900一2000V之間，極間電壓在0-150v之間，極間分壓電阻值為20k一1M，并聯(lián)電容C1、C2、C3的數(shù)值范圍為0.002一0.05μF。光電檢測器件供電電源方框圖

有一定的建立時間，最好在正式使用前半小時就接上高壓，并給予一定的光照，使其達到穩(wěn)定狀態(tài)；靈敏度高，但需要高壓直流電源，價貴，體積大，抗機械沖擊能力差等缺點。光電檢測器件6、光電倍增管的應(yīng)用范圍分光光度計、色度計、塵埃計、熱釋光劑量儀、照度計、輻射量熱計、掃描電鏡、濁度計、塵埃粒子計數(shù)器、生化分析儀、X-射線、照相機定時器、光密度計、光學特征辨認、復(fù)寫設(shè)備等。光電檢測器件

由于光電倍增管增益高和響應(yīng)時間短，又由于它的輸出電流和入射光子數(shù)成正比，所以它被廣泛使用在天體光度測量和天體分光光度測量中。其優(yōu)點是：測量精度高，可以測量比較暗弱的天體，還可以測量天體光度的快速變化。天文測光中，應(yīng)用較多的是銻銫光陰極的倍增管,如RCA1P21。這種光電倍增管的極大量子效率在4200埃附近，為20％左右。還有如GDB-53。它的信噪比的數(shù)值較RCA1P21大一個數(shù)量級，暗流很低。為了觀測近紅外區(qū)，常用多堿光陰極和砷化鎵陰極的光電倍增管，后者量子效率最大可達50％。光電檢測器件

注：①靈敏度因強光照射或因照射時間過長而降低，停止照射后又部分地恢復(fù)，這種現(xiàn)象稱為“疲乏”；②光陰極表面各點靈敏度不均勻。型號的選擇：選擇管子一般要從光譜響應(yīng)、陰極靈敏度、陽極靈敏度、暗電流、陰極尺寸、使用場合及使用要求等方面考慮。光電檢測器件

第三節(jié)：半導(dǎo)體光電檢測器件一、光敏電阻1、結(jié)構(gòu)和工作原理在一塊均勻光電導(dǎo)體兩端加上電極，貼在硬質(zhì)玻璃、云母、高頻瓷或其他絕緣材料基板上，兩端接有電極引線，封裝在帶有窗口的金屬或塑料外殼內(nèi)。當入射光子使半導(dǎo)體中的電子由價帶躍遷到導(dǎo)帶時，導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴均參與導(dǎo)電，其阻值急劇減小，電導(dǎo)增加。光敏電阻演示

當光敏電阻受到光照時，光生電子—空穴對增加，阻值減小，電流增大。暗電流（越小越好）光敏電阻

光電檢測器件

光電導(dǎo)器件是帶有金屬電極的半導(dǎo)體。主要是硅、鍺和化合物半導(dǎo)體，例如：硫化鎘（CdS），銻化銦（InSb）等。

它由一塊涂在絕緣基底上的光電導(dǎo)材料薄膜和兩個金屬電極組成。原理圖和符號如圖。入射光

符號光電檢測器件

一般光電導(dǎo)器件都是做成薄層結(jié)構(gòu)，它的基本結(jié)構(gòu)有梳狀式、沫膜式和刻線式，如圖：光電檢測器件特點：光譜響應(yīng)范圍寬（特別是對于紅光和紅外輻射）；偏置電壓低，工作電流大；動態(tài)范圍寬，既可測強光，也可測弱光；光電導(dǎo)增益大，靈敏度高；無極性，使用方便；在強光照射下，光電線性度較差光電馳豫時間較長，頻率特性較差。本征型和雜質(zhì)型光敏電阻本征型光敏電阻：當入射光子的能量等于或大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg時，激發(fā)一個電子－空穴對，在外電場的作用下，形成光電流。雜質(zhì)型光敏電阻：對于Ｎ型半導(dǎo)體，當入射光子的能量等于或大于雜質(zhì)電離能ΔＥ時，將施主能級上的電子激發(fā)到導(dǎo)帶而成為導(dǎo)電電子，在外電場的作用下，形成光電流。本征型用于可見光長波段,雜質(zhì)型用于紅外波段。價帶導(dǎo)帶電子空穴Eg價帶導(dǎo)帶電子空穴ΔＥ施主光電檢測器件

2、光敏電阻的特性參數(shù)

光敏電阻兩端加電壓（直流或交流）．無光照時，阻值（暗電阻）很大，電流（暗電流）很小；光照時，光生載流子迅速增加，阻值（亮電阻）急劇減少．在外場作用下，光生載流子沿一定方向運動，形成光電流（亮電流）。光電導(dǎo)與光電流的表達式：電阻減小，電導(dǎo)增加，即：由于，得：①增益G②靈敏度光電檢測器件光敏電阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是說暗電流要小，亮電流要大，這樣光敏電阻的靈敏度就高。光敏電阻一般采用禁帶寬度大的材料或在低溫下使用。不同波長的光，光敏電阻的靈敏度是不同的。在選用光電器件時必須充分考慮到這種特性。光電檢測器件

③光電特性：光敏電阻的光電流與輸入輻射通量的關(guān)系如下：常數(shù)，由材料決定；電源電壓；

0.5-1之間的系數(shù)。(1)弱光時，=1，光電流與照度成線性關(guān)系(2)強光時，=0.5，光電流與照度成拋物線光照增強的同時，載流子濃度不斷的增加，同時光敏電阻的溫度也在升高，從而導(dǎo)致載流子運動加劇，因此復(fù)合幾率也增大，光電流呈飽和趨勢。（冷卻可以改善）。I光E=1＝0.5光電檢測器件

④伏安特性（輸出特性）即在一定光照下，光敏電阻的光電流與所加電壓的關(guān)系。光敏電阻是一個純電阻，因此符合歐姆定律，故曲線為直線，圖中虛線為額定功耗線。使用時，應(yīng)不使電阻的實際功耗超過額定值。在設(shè)計負載電阻時，應(yīng)不使負載線與額定功耗線相交。光電檢測器件⑤溫度特性溫度特性與光電導(dǎo)材料有密切的關(guān)系，如圖2-14，以室溫25攝氏度的相對光電導(dǎo)率為100%，可看出光敏電阻的相對光電導(dǎo)率隨溫度升高而下降，在溫度變化大的情況下應(yīng)采取制冷措施。

降低或控制光敏電阻的工作溫度是提高光敏電阻工作穩(wěn)定性的有效辦法，尤其是對紅外輻射的領(lǐng)域。例如：硫化鉛光敏電阻，隨著溫度的升高光譜響應(yīng)的峰值將向短波方向移動。光電檢測器件⑥前歷效應(yīng)時間特性與工作前歷史有關(guān)的一種現(xiàn)象，強光照后，恢復(fù)R的時間較長。⑦時間、頻率響應(yīng)響應(yīng)時間特差，慣性比較大。上限頻率低光敏電阻時間常數(shù)比較大，其上限截止頻率低。只有PbS光敏電阻的頻率特性稍好些，可工作到幾千赫。⑧噪聲

一般的光電導(dǎo)器件的噪聲有三種，熱噪聲、1／f噪聲和產(chǎn)生一復(fù)合噪聲。光電檢測器件

載流子無規(guī)律熱運動造成的熱噪聲隨器件工作溫度升高而加大，當器件工作于低溫時，熱噪聲將大為減小。另外，為了減小溫度漂移、便于信號放大，入射光往往被調(diào)制，只要調(diào)制頻率較高，就可忽略1／f噪聲的影響。因此，對于大多數(shù)工作于低溫和較高調(diào)制頻率的光電導(dǎo)器件產(chǎn)生一復(fù)合噪聲是主要噪聲。

以上三種噪聲與調(diào)制頻率的定性關(guān)系是：頻率低于1KHz時，1／f噪聲為主；頻率在1KHz-1MHz，以產(chǎn)生-復(fù)合噪聲為主；頻率在1MHz左右之后以熱噪聲為主。光電檢測器件

光敏電阻除上述特性外。有下列優(yōu)點：體積小、重量輕，結(jié)構(gòu)簡單而牢固，允許的光電流大，工作壽命長，其缺點是，型號相同的光敏電阻的參數(shù)也參差不齊，光照特性的非線性使它不適合測量要求線性的場合。光敏電阻雖有它的缺點，但在很多情況這些缺點并不重要，因而它的應(yīng)用較廣，例如遙控設(shè)備的主要要求是靈敏度高而采用光敏電阻。另外由于很多光敏電阻對紅外線敏感，適宜于紅外線光譜區(qū)工作。光敏電阻參數(shù)型號亮電阻暗電阻峰值波長時間常數(shù)耗散功率極限電壓溫度系數(shù)工作溫度光敏面使用材料Rg-CdS-A≤5*104≥1*108520<50<100100<1-40~801~2硫化鎘RG1A≤5*103≥5*106450~850≤502010≤±1-40~70硫化硒鎘光敏電阻的優(yōu)缺點1、優(yōu)點：靈敏度高，工作電流大，光譜響應(yīng)范圍與所測光強范圍寬、無極性使用方便；2、缺點：響應(yīng)時間長、頻率特性差、強光線性差、受溫度影響大等。光電檢測器件3、應(yīng)用各種自動控制電路（如自動照明燈控制電路、自動報警電路），家用電器及各種測量儀器中（電視機中的亮度自動調(diào)節(jié)、照相機中的自動曝光控制等）。光電檢測器件組成：開關(guān)SW、光敏電阻、電容組成充電電路電壓比較器時間檢出電路三極管構(gòu)成的驅(qū)動放大電路電磁鐵DT帶動的開門葉片（執(zhí)行單元）

SW閉合，DT通電，光敏電阻在光照下阻值下降，對C充電，BG1-BG3導(dǎo)通，使BG4截止，DT斷電關(guān)閉快門。光電檢測器件二、光電池根據(jù)光生伏特效應(yīng)制成的將光能轉(zhuǎn)換成電能的一種器件。

光電池核心部分是一個PN結(jié)，一般作成面積大的薄片狀，來接收更多的入射光。硒光電池硅光電池常用的光電池薄膜光電池紫光電池異質(zhì)結(jié)光電池光電檢測器件1、光電池的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

N型硒化鎘P型硒PN結(jié)半透明金屬電極電極引線（－）電極引線（＋）硒光電池結(jié)構(gòu)示意圖背電極引線背電極硅單晶PN結(jié)擴散層上電極引線上電極SiO抗反射膜硅光電池結(jié)構(gòu)示意圖光電檢測器件受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和保護作用。上電極做成柵狀，為了更多的光入射。由于光子入射深度有限，為使光照到PN結(jié)上，實際使用的光電池制成薄P型或薄N型。在N型硅片上擴散P型雜質(zhì)（如硼），受光面是P型層；或在P型硅片上擴散N型雜質(zhì)（如磷），受光面是N型層。光電檢測器件注：受光面的輸出電極多作成梳齒狀和E字型，為的是減小光電池的內(nèi)電阻；涂一層SiO2透明膜，防潮、除塵，又可以減小硅光電池的表面對入射光的發(fā)射，增強對入射光的吸收。光電池等效電路光電檢測器件3、特性參數(shù)①輸出特性

無光照時，光電池伏安特性曲線與普通半導(dǎo)體二極管相同。有光照時，沿電流軸方向平移，平移幅度與光照度成正比。曲線與電壓軸交點稱為開路電壓VOC，與電流軸交點稱為短路電流ISC。用作探測器時，通常以電流源形式使用。反向電流隨光照度的增加而上升IU照度增加光電檢測器件思考：圖2-24，不同負載電阻下，輸出電流與照度的關(guān)系。連接方式：開路電壓輸出---(a)短路電流輸出---(b)光電池在不同的光強照射下可產(chǎn)生不同的光電流和光生電動勢。短路電流在很大范圍內(nèi)與光強成線性關(guān)系。開路電壓隨光強變化是非線性的，并且當照度在2000lx時趨于飽和。光照特性---開路電壓輸出：非線性(電壓---光強)，靈敏度高短路電流輸出：線性好(電流---光強)，靈敏度低開關(guān)測量（開路電壓輸出），線性檢測（短路電流輸出）負載RL的增大線性范圍也越來越小。因此，在要求輸出電流與光照度成線性關(guān)系時，負載電阻在條件許可的情況下越小越好，并限制在適當?shù)墓庹辗秶鷥?nèi)使用。光電檢測器件②光譜特性光電池光譜范圍的長波閾取決于材料的禁帶寬度，短波閾受材料表面反射損失的限制，其峰值波長不僅和材料有關(guān)，而且隨制造工藝及使用環(huán)境溫度不同而有所移動。光譜響應(yīng)度硅光電池響應(yīng)波長0.4-1.1微米，峰值波長0.8-0.9微米。硒光電池響應(yīng)波長0.34-0.75微米，峰值波長0.54微米。開路電壓下降大約23mV/度短路電流上升大約10-510-3mA/度③溫度特性溫度升高，測量精度下降，Voc、Isc也將變化。隨著溫度的上升，硅光電池的光譜響應(yīng)向長波方向移動，開路電壓下降，短路電流上升。光電池做探測器件時，測量儀器應(yīng)考慮溫度的漂移，要進行補償。④頻率特性面積小的光電池較有利，如果負載合適，f可以較高。硅光電池頻率特性好硒光電池頻率特性差硅光電池是目前使用最廣泛的光電池

要得到短的響應(yīng)時間，必須選用小的負載電阻RL；光電池面積越大則響應(yīng)時間越大，因為光電池面積越大則結(jié)電容Cj越大，在給定負載時，時間常數(shù)就越大，故要求短的響應(yīng)時間，必須選用小面積光電池。型號開路電壓(mV)短路電流(mA)轉(zhuǎn)換效率(%)面積(mm2)2CR11450～6002～4≥62.5×52CR33550～60012～1510~125×10光電池外形光敏面能提供較大電流的大面積光電池外形其他光電池及在照度測量中的應(yīng)用柔光罩下面為圓形光電池光電池在動力方面的應(yīng)用太陽能賽車太陽能電動機模型太陽能硅光電池板光電池在動力方面的應(yīng)用（續(xù)）太陽能發(fā)電光電池在動力方面的應(yīng)用（續(xù)）光電池在人造衛(wèi)星上的應(yīng)用光電檢測器件2、應(yīng)用①作為電池，將硅光電池、串聯(lián)成電池組，與鎳鎘蓄電池配合，可作為衛(wèi)星、微波站、野外燈塔、航標燈、無人氣象站等無輸電線路地區(qū)的電源供給；②作為光電檢測器件，利用光電池做探測器有頻率響應(yīng)高，光電流隨光照度線性變化等特點。可以作為開關(guān)使用，也可用于線性測量；如光電讀數(shù)、光電開關(guān)、光柵測量技術(shù)、激光準直、電影還音等。光柵測量中使用的四等分硅光電池之類的多級電池組，差分放大電路中使用的對稱半圓式、四象限式光電池組等。硅太陽能電池硅太陽能電池包括單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池。單晶硅太陽能電池在實驗室里最高的轉(zhuǎn)換效率為23%,而規(guī)模生產(chǎn)的單晶硅太陽能電池,其效率為15%。多晶硅半導(dǎo)體材料的價格比較低廉,但是由于它存在著較多的晶粒間界而有較多的弱點。多晶硅太陽能電池的實驗室最高轉(zhuǎn)換效率為18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10%。非晶硅太陽能電池非晶硅薄膜太陽能電池組件的制造采用薄膜工藝,具有較多的優(yōu)點,例如:沉積溫度低、襯底材料價格較低廉,能夠?qū)崿F(xiàn)大面積沉積。

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

化合物太陽能電池

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

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

太陽能太陽能特點：①無枯竭危險；②絕對干凈；③不受資源分布地域的限制；④可在用電處就近發(fā)電；⑤能源質(zhì)量高；⑥使用者從感情上容易接受；⑦獲取能源花費的時間短。要使太陽能發(fā)電真正達到實用水平，一是要提高太陽能光電變換效率并降低成本；二是要實現(xiàn)太陽能發(fā)電同現(xiàn)在的電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。光電檢測器件三、光敏二級管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管是光電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體器件，與光敏電阻器相比具有靈敏度高、高頻性能好，可靠性好、體積小、使用方便等優(yōu)點。

光電檢測器件光敏二極管與普通二極管一樣有一個PN結(jié)，屬于單向?qū)щ娦缘姆蔷€形元件。外形不同之處是在光電二極管的外殼上有一個透明的窗口以接收光線照射，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。為了獲得盡可能大的光生電流，需要較大的工作面，即PN結(jié)面積比普通二極管大得多，以擴散層作為它的受光面。為了提高光電轉(zhuǎn)換能力，PN結(jié)的深度較普通二極管淺。

1、結(jié)構(gòu)：（1）典型光電二極管結(jié)構(gòu)上柵狀電極氧化層入射光P區(qū)I區(qū)N區(qū)下電極平面PIN光電二極管入射光上電極薄金屬層NN+下電極抗反射層臺面肖特基勢壘光電二極管光敏二極管

將光敏二極管的PN結(jié)設(shè)置在透明管殼頂部的正下方，光照射到光敏二極管的PN結(jié)時，電子-空穴對數(shù)量增加，光電流與照度成正比。光敏二極管外形

光敏二極管陣列

包含1024個InGaAs元件的線性光電二極管陣列，可用于分光鏡。紅外發(fā)射、接收對管外形

紅外發(fā)射管紅外接收管光電檢測器件光敏二極管符號

光敏二極管接法

（2）一般PIN光電二極管的結(jié)構(gòu)(Flash演示)2、工作原理（光電轉(zhuǎn)換原理）（3）一般雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)(Flash演示)（1）PIN光電二極管的工作原理(Flash演示)（4）雪崩光電二極管的工作原理(Flash演示)（3）雪崩光電二極管的雪崩效應(yīng)(Flash演示)（2）雪崩光電二極管的場強分布(Flash演示)光電檢測器件光敏三極管

光敏三極管和普通二極管的結(jié)構(gòu)相類似。不同之處是光敏三極管必須有一個對光敏感的PN結(jié)作為感光面，一般用集電結(jié)作為受光結(jié)，因此，光敏二極管實質(zhì)上是一種相當于在基極和集電極之間接有光敏二極管的普通二極管。一般情況下，只引出集電極和發(fā)射極。光電三極管是由光電二極管和一個晶體三極管構(gòu)成，相當于在晶體三極管的基極和集電極間并聯(lián)一個光電二極管。同光電二極管一樣，光電三極管外殼也有一個透明窗口，以接收光線照射。日前用得較多的是NPN和PNP兩種平面硅光電三極管。NPN光電三極管結(jié)構(gòu)原理簡圖光電三極管工作原理NPN光電三極管（3DU型），使用時光電二極管的發(fā)射極接電源負極，集電極接電源正極。光電三極管不受光時，相當于普通三極管基極開路的狀態(tài)。集電結(jié)(基—集結(jié))處于反向偏置，基極電流等于0，因而集電極電流很小，為光電三極管的暗電流。當光子入射到集電結(jié)時，就會被吸收而產(chǎn)生電子—空穴對，處于反向偏置的集電結(jié)內(nèi)建電場使電子漂移到集電極，空穴漂移到基極，形成光生電壓，基極電位升高。發(fā)射結(jié)集電結(jié)BECNNP基極發(fā)射極集電極如同普通三極管的發(fā)射結(jié)(基—發(fā)結(jié))加上了正向偏置，當基極沒有引線時，集電極電流就等于發(fā)射極電流。這樣晶體三極管起到電流放大的作用。由于光敏三極管基極電流是由光電流供給，因此一般基極不需外接點，所以通常只有集電極和發(fā)射極兩個引腳線。光敏（電）三極管NPNceb入射光結(jié)構(gòu)圖ceb原理圖光電三極管相當于在基極與集電極之間接有光電二極管的普通三極管

光敏三極管有兩個PN結(jié)。與普通三極管相似，有電流增益，靈敏度比光敏二極管高。多數(shù)光敏三極管的基極沒有引出線，只有正負（c、e）兩個引腳，所以其外型與光敏二極管相似，從外觀上很難區(qū)別。

光敏三極管外形

光敏三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)

a)

內(nèi)部組成b)管芯結(jié)構(gòu)c）結(jié)構(gòu)簡化圖

1—集電極引腳2—管芯3—外殼4—玻璃聚光鏡

5—發(fā)射極引腳6—N+襯底7—N型集電區(qū)8—SiO2保護圈9—集電結(jié)10—P型基區(qū)11—N型發(fā)射區(qū)12—發(fā)射結(jié)

光電檢測器件1、光敏二極管的兩種工作狀態(tài)①當光敏二極管加上反向電壓時，管子中的反向電流隨著光照強度的改變而改變，光照強度越大，反向電流越大，大多數(shù)都工作在這種狀態(tài)。②光敏二極管上不加電壓，利用P-N結(jié)在受光照時產(chǎn)生正向電壓的原理，把它用作微型光電池。

可以不加偏壓，與光電池不同，光敏二極管一般在負偏壓情況下使用大反偏壓的施加，增加了耗盡層的寬度和結(jié)電場，電子—空穴在耗盡層復(fù)合機會少，提高光敏二極管的靈敏度。增加了耗盡層的寬度，結(jié)電容減小，提高器件的頻響特性。但是，為了提高靈敏度及頻響特性，卻不能無限地加大反向偏壓，因為它還受到PN結(jié)反向擊穿電壓等因素的限制。光敏二極管的反向偏置接法

在沒有光照時，由于二極管反向偏置，所以反向電流很小，這時的電流稱為暗電流，相當于普通二極管的反向飽和漏電流。當光照射在二極管的PN結(jié)（又稱耗盡層）上時，在PN結(jié)附近產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)量也隨之增加，光電流也相應(yīng)增大，光電流與照度成正比。

光敏二極管的反向偏置接線（參考上頁圖）及光電特性演示

在沒有光照時，由于二極管反向偏置，反向電流（暗電流）很小。

當光照增加時，光電流IΦ與光照度成正比關(guān)系。

光敏二極管的反向偏置接法UO+—光照光電檢測器件2、基本特性①光譜特性波長超過一定值時-光子能量小，不足以激發(fā)電子-空穴對，靈敏度下降；波長小于一定值時-光子在表面就被吸收，透入深度小，電子空穴不能達到PN結(jié)，靈敏度下降。光電檢測器件②伏安特性光敏三極管的伏安特性硅光電三極管的光電流在毫安量級，硅光電二極管的光電流在微安量級。在零偏壓時硅光電三極管沒有光電流輸出，但硅光電二極管有光電流輸出。工作電壓較低時輸出電流有非線性，硅光電三極管的非線性更嚴重。（因為放大倍數(shù)與工作電壓有關(guān)）在一定的偏壓下，硅光電三極管的伏安曲線在低照度時間隔較均勻，在高照度時曲線越來越密.光電檢測器件③光照特性光電三極管與光電二極管相比，具有較高的輸出光電流，但線性差線性差主要是由電流放大倍數(shù)的非線性所致在大照度時，光敏三極管不能作線性轉(zhuǎn)換元件，但可以作開關(guān)元件使用。管不能作線性轉(zhuǎn)換元件，但可以作開關(guān)元件使用。光電三極管的光照特性光電檢測器件④溫度特性暗電流及光電流與溫度的關(guān)系溫度特性反映了光敏三極管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。溫度變化對光電流和暗電流都有影響，對暗電流的影響更大。精密測量時，應(yīng)采取溫度補償措施，否則將會導(dǎo)致輸出誤差。光電三極管的光電流和暗電流受溫度影響比光電二極管大得多光電檢測器件光電檢測器件⑤頻率響應(yīng)與本身的物理結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)、負載以及入射波波長有關(guān)。光敏三極管的（調(diào)制）頻率特性光敏三極管的頻率特性受負載電阻的影響，減小負載電阻可以提高頻率響應(yīng)。一般來說，光敏三極管的頻率響應(yīng)比光敏二極管差。對于鍺管，入射光的調(diào)制頻率要求在5000Hz以下，硅管的頻率響應(yīng)要比鍺管好。2CU型硅光電二極管參數(shù)

參數(shù)型號光譜響應(yīng)范圍光譜峰值波長最高工作電壓暗電流光電流靈敏度響應(yīng)時間結(jié)電容使用溫度2CU1A400～1100860～90010<0.2>80≥0.510-7<5-55~+125光電檢測器件3、光敏二極管的類型

P-N結(jié)型、PIN結(jié)型、雪崩型和肖特基結(jié)型，其中用得最多的是P-N結(jié)型，價格便宜。通常來講，摻雜不同、厚度不同、面積不同，類型不同。下面介紹幾種常見的光敏二級管：①點接觸光敏二級管光電檢測器件②擴散型P-N結(jié)光敏二級管擴散層>>耗盡層對光生電流的貢獻主要是擴散流而非漂移流；頻率響應(yīng)不如耗盡層型。③耗盡層型耗盡層大于兩側(cè)中任一擴散過的厚度優(yōu)點：光電轉(zhuǎn)換區(qū)域主要在耗盡層內(nèi)，光電流主要由漂移電流引起的，載流子運動快，運動時間短，頻率響應(yīng)高。光電檢測器件④PIN結(jié)型光電二級管在PN之間夾著一層相對很厚的本征半導(dǎo)體，內(nèi)電場基本全集中于I中。間距加大、電容變小，時間常數(shù)變小，頻帶寬度增大。另一個特點是在反偏下運用可承受比較高的電壓，線性輸出范圍寬，提高了靈敏度。不足是電阻大，輸出電流相對小，因此通常將PIN和前置放大器集成在一起出售。選擇一定厚度的i層，具有高速響應(yīng)特性。i層所起的作用:(1)為了取得較大的PN結(jié)擊穿電壓，必須選擇高電阻率的基體材料，這樣勢必增加了串聯(lián)電阻，使時間常數(shù)增大，影響管子的頻率響應(yīng)。而i層的存在，使擊穿電壓不再受到基體材料的限制，從而可選擇低電阻率的基體材料。這樣不但提高了擊穿電壓，還減少了串聯(lián)電阻和時間常數(shù)。

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

由于I層的存在，管子的輸出電流小，一般多為零點幾微安至數(shù)微安。光電檢測器件⑤雪崩光電二級管（APD）內(nèi)增益機理利用PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來工作的。工作電壓高；約100-200V，響應(yīng)速度十分快、帶寬可達100GHz，最快的一種噪聲大APD光敏二極管（雪崩光敏二極管）

硅雪崩光電二極管是采用n+p-πp+型結(jié)構(gòu)的可見光和近紅外探測器，它具有高響應(yīng)度，高信噪比，高響應(yīng)速度等特點，可廣泛應(yīng)用于微光信號檢測、長距離光纖通信、激光測距、激光制導(dǎo)等光電信息傳輸和光電對抗系統(tǒng)。GD3250系列硅雪崩光電二極管的特性參數(shù)

參數(shù)單位GD3250-AGD3250-BGD3250-C光敏面直徑mm0.20.50.8工作電壓V100~150100~150150~250暗電流nA≤15≤25≤35響應(yīng)度V/w606060上升時間ns≤1≤3≤4噪聲等效功率Pw/Hz1/20.050.070.09結(jié)電容pF≤1≤1.5≤2使用溫度范圍℃-20~+40-20~+40-20~+40封裝形式

TO型

光纖型TO型TO型由于存在因碰撞電離引起的內(nèi)增益機理，雪崩管具有高的增益帶寬乘積和極快的時間響應(yīng)特性。通過一定的工藝可以使它在1.06微米波長處的量子效率達到30％，非常適于可見光及近紅外區(qū)域的應(yīng)用。

當光敏二極管的PN結(jié)上加相當大的反向偏壓時，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生一個很高的電場，使進入場區(qū)的光生載流子獲得足夠的能量，通過碰撞使晶格原子電離，而產(chǎn)生新的電子—空穴對。新的電子—空穴對在強電場的作用下分別向相反方向運動．在運動過