第三章+光電檢測器件

第三章光電檢測器件2/1/20231光電器件的類型與特點光電器件的基本特性參數(shù)半導(dǎo)體光電器件光電導(dǎo)器件—光敏電阻光伏器件光電池光電二極管/三極管真空光電器件光電管光電倍增管熱電檢測器件熱敏電阻熱電偶和熱電堆熱釋電探測器件2/1/202323.1 光電器件的類型與特點光電效應(yīng)：光照射到物體表面上使物體的電學(xué)特性發(fā)生變化．光電子發(fā)射：物體受光照后向外發(fā)射電子——多發(fā)生于金屬和金屬氧化物．光電導(dǎo)效應(yīng)：半導(dǎo)體受光照后，內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，使半導(dǎo)體中載流子數(shù)顯著增加而電阻減少．光生伏特效應(yīng)：光照在半導(dǎo)體PN結(jié)或金屬—半導(dǎo)體接觸上時，會在PN結(jié)或金屬—半導(dǎo)體接觸的兩側(cè)產(chǎn)生光生電動勢。2/1/20233光電檢測器件的類型光電檢測器件是利用物質(zhì)的光電效應(yīng)把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件.光電檢測器件分為兩大類:光子(光電子)檢測器件:響應(yīng)波長有選擇性，器件都存在λ。，響應(yīng)快，納秒級。熱電檢測器件：響應(yīng)波長無選擇性，響應(yīng)慢。2/1/20234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2/1/20235光電檢測器件的特點光子器件熱電器件響應(yīng)波長有選擇性，一般有截止波長，超過該波長，器件無響應(yīng)。響應(yīng)波長無選擇性，對可見光到遠(yuǎn)紅外的各種波長的輻射同樣敏感響應(yīng)快，吸收輻射產(chǎn)生信號需要的時間短，一般為納秒到幾百微秒響應(yīng)慢，一般為幾毫秒2/1/202363.2器件的基本特性參數(shù)響應(yīng)特性噪聲特性量子效率線性度工作溫度2/1/20237一、響應(yīng)特性１．響應(yīng)度（或稱靈敏度）：是光電探測器輸出信號與輸入光功率之間關(guān)系的度量。描述的是光電探測器件的光電轉(zhuǎn)換效率。響應(yīng)度是隨入射光波長變化而變化的響應(yīng)度分電壓響應(yīng)率和電流響應(yīng)率2/1/20238電壓響應(yīng)率光電探測器件輸出電壓與入射光功率之比電流響應(yīng)率光電探測器件輸出電流與入射光功率之比探測器的輸出信號電壓/探測器接收的所有波長光的總輻射通量探測器輸出的信號電流/探測器接收的所有波長光的總輻射通量2/1/20239２．光譜響應(yīng)度：探測器在波長為λ的單色光照射下，輸出電壓或電流與入射的單色光功率之比．３．積分響應(yīng)度：檢測器件對各種波長光連續(xù)輻射量的反應(yīng)程度．總光通量輸出光電流;積分響應(yīng)度；S=/?2/1/202310４．響應(yīng)時間：響應(yīng)時間τ是描述光電探測器對入射光響應(yīng)快慢的一個參數(shù).

上升時間：入射光照射到光電探測器后，光電探測器輸出上升到穩(wěn)定值所需要的時間。下降時間：入射光遮斷后，光電探測器輸出下降到穩(wěn)定值所需要的時間。2/1/2023112/1/202312光電探測器響應(yīng)率與入射調(diào)制頻率的關(guān)系

為調(diào)制頻率為f時的響應(yīng)率 為調(diào)制頻率為零時的響應(yīng)率 為時間常數(shù)（等于RC）

５．頻率響應(yīng)：光電探測器的響應(yīng)隨入射光的調(diào)制頻率而變化的特性稱為頻率響應(yīng)．由于光電探測器信號產(chǎn)生和消失存在著一個滯后過程，所以入射光的調(diào)制頻率對光電探測器的響應(yīng)會有較大的影響。2/1/202313上限截止頻率，當(dāng)S(f)/So=0.707時可得到放大器的上限截止頻率。時間常數(shù)RC決定了光電探測器頻率響應(yīng)的帶寬2/1/2023142/1/202315二、噪聲特性在一定波長的光照下光電探測器輸出的電信號并不是平直的，而是在平均值上下隨機地起伏，它實質(zhì)上就是物理量圍繞其平均值的漲落現(xiàn)象。用均方噪聲來表示噪聲值大小2/1/202316噪聲在實際的光電探測系統(tǒng)中是極其有害的。由于噪聲總是與有用信號混在一起，因而影響對信號特別是微弱信號的正確探測。一個光電探測系統(tǒng)的極限探測能力往往受探測系統(tǒng)的噪聲所限制。所以在精密測量、通信、自動控制等領(lǐng)域，減小和消除噪聲是十分重要的問題。2/1/202317光電探測器常見的噪聲特點：隨機，不可預(yù)測；統(tǒng)計平均值為0。表征：均方值（方均值）表述噪聲特性：

與頻率相關(guān)；

or與頻率無關(guān)-白噪聲。熱噪聲散粒噪聲產(chǎn)生-復(fù)合噪聲1/f噪聲tt2/1/2023181、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(dāng)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)，熱噪聲又稱為白噪聲2/1/2023192、散粒噪聲散粒噪聲：入射到光探測器表面的光子是隨機的，光電子從光電陰極表面逸出是隨機的，PN結(jié)中通過結(jié)區(qū)的載流子數(shù)也是隨機的。散粒噪聲也是白噪聲，與頻率無關(guān)。散粒噪聲是光電探測器的固有特性，對大多數(shù)光電探測器的研究表明：散粒噪聲具有支配地位。例如光伏器件的PN結(jié)勢壘是產(chǎn)生散粒噪聲的主要原因。2/1/2023203、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲半導(dǎo)體受光照，載流子不斷產(chǎn)生-復(fù)合。在平衡狀態(tài)時，在載流子產(chǎn)生和復(fù)合的平均數(shù)是一定的但在某一瞬間載流子的產(chǎn)生數(shù)和復(fù)合數(shù)是有起伏的。載流子濃度的起伏引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率的起伏。不是白噪聲，只有頻率很低時才會成為白噪聲。2/1/2023214、1/f噪聲或稱閃爍噪聲或低頻噪聲。噪聲的功率近似與頻率成反比多數(shù)器件的1/f噪聲在200~300Hz以上已衰減到可忽略不計。當(dāng)一些參數(shù)不變時噪聲與1/f成正比，頻率越低噪聲越大，不是白噪聲，而屬于紅噪聲，相當(dāng)于白光中的紅光部分。2/1/202322衡量噪聲的參數(shù)：

1、信噪比（S/N)信噪比是判定噪聲大小的參數(shù)。是負(fù)載電阻上信號功率與噪聲功率之比若用分貝（dB）表示，為2/1/2023232、等效噪聲輸入（ENI）定義為；器件在特定帶寬內(nèi)（1Hz）產(chǎn)生的均方根信號電流恰好等于均方根噪聲電流值時的輸入通量。在確定光電探測器探測極限時使用。2/1/2023243、噪聲等效功率(NEP).如果探測器所接收到的輻射功率所引起的信號輸出，正好等于探測器本身產(chǎn)生的噪聲，則探測器此時所接收到的輻射功率稱為等效噪聲功率又稱為最小可探測功率。定義：信號功率與噪聲功率比為1（SNR=1）時，入射到探測器件上的輻射通量(單位為瓦)。這時，投射到探測器上的輻射功率所產(chǎn)生的輸出電壓（或電流）等于探測器本身的噪聲電壓（或電流）一般一個良好的探測器件的NEP約為10-11W。2/1/202325

NEP越小，噪聲越小，器件的性能越好。噪聲等效功率是一個可測量的量。設(shè)入射輻射的功率為P，測得的輸出電壓為U0然后除去輻射源，測得探測器的噪聲電壓為UN則按比例計算，要使U0＝UN，的輻射功率為2/1/2023264、探測率與歸一化探測率探測率D定義為噪聲等效功率的倒數(shù),D越高，器件性能越好。經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)NEP與檢測元件的面積Ad和放大器帶寬Δf乘積的平方根成正比，為了在不同的帶寬，對測得的不同的光敏面積的探測器件進(jìn)行比較，使用歸一化探測率。歸一化探測率D*，即D*與探測器的光敏感面積、放大器的帶寬有關(guān)。返回2/1/2023275、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，一般測量其直流值或平均值。2/1/202328三、量子效率（）量子效率：在某一特定波長上，每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光量子數(shù)之比。對理想的探測器，入射一個光量子發(fā)射一個電子，=1實際上，<1，但對有增益的器件≥1量子效率是一個微觀參數(shù)，量子效率愈高愈好。2/1/202329量子效率與響應(yīng)度的關(guān)系I/q：每秒產(chǎn)生的光子數(shù)P/hν：每秒入射的光子數(shù)2/1/202330四、線性度線性度是描述光電探測器輸出信號與輸入信號保持線性關(guān)系的程度。在某一范圍內(nèi)探測器的響應(yīng)度是常數(shù)，稱這個范圍為線性區(qū)。非線性誤差：

δ＝Δmax/(I2–I1)Δmax：實際響應(yīng)曲線與擬合曲線之間的最大偏差；I2

和I1：分別為線性區(qū)中最小和最大響應(yīng)值。2/1/202331五、工作溫度工作溫度就是指光電探測器最佳工作狀態(tài)時的溫度。光電探測器在不同溫度下，性能有變化。

例如，半導(dǎo)體光電器件的長波限和峰值波長會隨溫度而變化；熱電器件的響應(yīng)度和熱噪聲會隨溫度而變化。2/1/2023323.3半導(dǎo)體及真空光電器件光電導(dǎo)器件: 光敏電阻光伏器件: 光電池/光電二極管/三極管外光電效應(yīng)器件：光電管光電倍增管2/1/202333

被測量可能直接作用于光源，使它發(fā)出的光發(fā)生變化，也可能作用在光通過的路徑上，使通過后的光發(fā)生變化。被測量被測量光源光電器件2/1/2023343.3.1光電效應(yīng)和光電器件光電器件的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量而產(chǎn)生的電效應(yīng)。光電效應(yīng)通常分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類。

2/1/2023353.1.1外光電效應(yīng)

在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面，向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫光電子。它是1887年由德國科學(xué)家赫茲發(fā)現(xiàn)的。

光照射在物體上可以看成一連串具有一定能量的光子轟擊這些物體。根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程式，有2/1/202336式中

A0——逸出功，也稱功函數(shù)，是一個電子從金屬或半導(dǎo)體表面逸出時克服表面勢壘所需作的功，其值與材料有關(guān)，還和材料的表面狀態(tài)有關(guān)；

m——電子的靜止質(zhì)量，m=9.1091×10-31kg；

u——電子逸出物體時的初速度；

n——光子頻率；

h——普朗克常數(shù)。2/1/202337

由上式可知：

（1）光電效應(yīng)能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是否大于該物質(zhì)表面的電子逸出功

這意味著每一種物質(zhì)都有一個對應(yīng)的光頻閥值，稱為紅限頻率（對應(yīng)的光波長稱為臨界波長），用n0表示。根據(jù)上式可得：若光的頻率小于紅限頻率，光子的能量不足以使物體的電子逸出，因而小于紅限頻率的光，光強再大也不會產(chǎn)生光電發(fā)射。反之，入射光頻率高于紅限頻率，即使光強微弱也會有電子發(fā)射出來。2/1/202338

（2）當(dāng)入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電流與光強度成正比

光愈強，意味著入射的光子數(shù)目越多，逸出的光電子數(shù)也就越多。

（3）光電子逸出物體表面時的初動能決定于入射光的頻率

對于一定的物質(zhì)，電子逸出功是一定的，所以光子的能量hn

越大，則電子的初動能越大。另外，從光開始照射到金屬釋放光電子幾乎在瞬時發(fā)生，所需時間不超過10-9秒。2/1/2023393.1.2

內(nèi)光電效應(yīng)

當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上，半導(dǎo)體中處于價帶的電子將吸收光子能量。通過禁帶而躍入導(dǎo)帶，使導(dǎo)帶內(nèi)電子濃度和價帶內(nèi)空穴濃度增加，即激發(fā)出光生電子-空穴對。從而使半導(dǎo)體材料產(chǎn)生電效應(yīng)，這種光電效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。2/1/202340

顯然，光子能量必須大于材料的禁帶寬度Eg（如圖所示）才能產(chǎn)生內(nèi)光電效應(yīng)。產(chǎn)生內(nèi)光電效應(yīng)的臨界波長為例如，鍺的ΔEg=0.75eV，硅的ΔEg=1.2eV。

2/1/202341

內(nèi)光電效應(yīng)按其工作原理可分為：光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。1.光電導(dǎo)效應(yīng)

在光照射下，半導(dǎo)體材料的電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，從而引起材料載流子濃度增加，使電阻率變化，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。2.光生伏特效應(yīng)

在光照射下，能夠使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象叫光生伏特效應(yīng)。2/1/202342

以PN結(jié)為例，沒有光照射時，由于熱運動，P區(qū)空穴向N區(qū)擴散，N區(qū)電子向P區(qū)擴散，平衡時在過渡區(qū)形成了阻擋層，阻止電子與孔空穴的進(jìn)一步擴散。當(dāng)光線照射PN結(jié)時，若光子能量大于禁帶寬度，使價帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶而產(chǎn)生電子-空穴對。在阻擋層內(nèi)電場的作用下，被光激發(fā)的電子移向N區(qū)外側(cè)，空穴移向P區(qū)外側(cè)，從而使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，在PN結(jié)兩端形成光電動勢。2/1/202343如圖所示：2/1/2023443.1.3外光電效應(yīng)器件基于外光電效應(yīng)的器件有光電管、光電倍增管等。

一.光電管光電管可分為兩大類：真空光電管和充氣光電管。它們的結(jié)構(gòu)類似，都是內(nèi)裝有光陰極和陽極的真空玻璃管。2/1/202345光電管陰極K陽極AIФΦRLUoutUb真空型充氣型：有倍增作用2/1/202346如圖所示：2/1/202347（1）真空光電管

真空光電管由一個陰極K和一個陽極A構(gòu)成，共同封裝在一個真空玻璃泡內(nèi)，陰極K和電源負(fù)極相聯(lián)，陽極A通過負(fù)載電阻同電源正極相接，因此管內(nèi)形成電場。當(dāng)光照射陰極時，電子便從陰極逸出，在電場作用下被陽極收集，形成電流，該電流引起負(fù)載上的壓降隨光照強弱而變化，從而實現(xiàn)了光信號轉(zhuǎn)換為電傳號的目的。2/1/202348

真空光電管的伏安特性曲線如圖所示，其飽和光電流與入射光的強度成正比。一般工作電壓選擇在飽和區(qū)，但要盡可能小一些。光電子逸出物體表面具有初始動能。因此光電管即使未加陽極電壓，也會有光電流產(chǎn)生。為使光電流為零，必須加負(fù)的截止電壓，而截止電壓與入射光的頻率成正比。2/1/202349陽極飽和光電流入射光的強度2/1/202350

（2）充氣光電管

如果在玻璃鋼管內(nèi)充入少量的惰性氣體（如氬、氖等），即構(gòu)成充氣光電管。當(dāng)充氣光電管的陰極被光照射后，產(chǎn)生的光電子在飛向陽極的途中，對惰性氣體進(jìn)行轟擊，使其電離，從而產(chǎn)生更多的自由電子，形成數(shù)倍于真空光電管的光電流，提高了光電變換的靈敏度。但充氣光電管的光電流與入射光強度不成比例關(guān)系，所以較少采用。充氣光電管的管內(nèi)可充單純氣體或混合氣體。

2/1/202351利用外光電效應(yīng)和二次電子發(fā)射相結(jié)合，即把微弱的光輸入轉(zhuǎn)化為光電子，并使光電子獲得倍增的一種光電探測器件。其光電轉(zhuǎn)換分為光電發(fā)射和電子倍增兩個過程北京濱松光子技術(shù)有限公司生產(chǎn)R212UH型側(cè)窗式光電倍增管二、光電倍增（PMT）PhotoMultiplieTube

2/1/202352HAMAMATSU（濱松）是總部設(shè)在日本的一家主要生產(chǎn)光電器件的跨國公司。2/1/202353

幾種光電倍增管的外形圖如圖所示。2/1/202354

光電倍增管的工作原理建立在光電發(fā)射和二次發(fā)射的基礎(chǔ)之上，其結(jié)構(gòu)如圖所示。在玻璃管內(nèi)除有光電陰極和光電陽極外，還有若干個光電倍增極，光電倍增極的形狀及位置設(shè)置得正好使前一倍增極發(fā)射的電子繼續(xù)轟擊后一倍增極。光電倍增極上涂有在電子轟擊下能放射更多“次級電子”的材料，常用的有銻化鎢、氧化銀鎂合金等。2/1/202355

工作時倍增極電位是逐級增高的，當(dāng)入射光照射光電陰極K時，立刻有電子逸出；逸出的電子受到第一倍增極正電位作用，使之加速打在第一倍增極；第一倍增極發(fā)射的電子（即二次發(fā)射）在第二倍增極更高正電位作用下，再次被加速打在第二倍增極上；第二倍增極又會產(chǎn)生二次電子發(fā)射，這樣逐級前進(jìn)，直到電子被陽極A收集為止。2/1/202356

通常光電倍增管陽極與陰極間的電壓為1000~2500V，兩個相鄰倍增電極的電位差為50~100V，其靈敏度比普通真空光電管高幾萬到幾百萬倍，因此在很微弱的光照下也能產(chǎn)生很大的光電流。

光電倍增管的放大性能用倍增系數(shù)M衡量。M等于各個倍增電極的二次發(fā)射電子倍數(shù)di的乘積，若有n個倍增電極，且每級的di都一樣，則一般M在105~108之間。因此，設(shè)光電陰極的光電流為I0

，則到達(dá)陽極的電流為2/1/202357光電倍增管外形及工作原理2/1/202358A. 單級光電倍增管

由光電陰極、倍增極和陽極等部分組成。KADE2E1光線2/1/202359B. 多級光電倍增管2/1/202360光電倍增管比光電管增加的電子光學(xué)系統(tǒng)和電子倍增極，因此極大地提高了靈敏度光電倍增管----是建立在光電子發(fā)射效應(yīng)，二次電子發(fā)射效率應(yīng)基礎(chǔ)上，能將微弱光信號轉(zhuǎn)換成光電子并將光電子數(shù)目放大的真空光電發(fā)射器件。電子光學(xué)系統(tǒng)2/1/202361陰極KA陽極μAU1U2U5U6U3D2U4D3D1D4D5每一倍增極之間的電壓為50-150V。每7-10個光子從光電陰極發(fā)射出1-3個電子。電子被加速打在倍增極上，每1個電子可以打出3-6個電子。一直持續(xù)下去直到最后一個倍增極,電子數(shù)量達(dá)到105-108，最后這些電子被吸引到陽極形成電流輸出。電流的大小正比于光陰極接受的光子數(shù)目，即正比于探測器吸收的輻射通量或照度。工作原理2/1/2023621.入射窗口1）窗口材料反射式光電陰極透射式光電陰極2）常用的窗口材料硼硅玻璃：透射范圍從300nm~紅外透紫外玻璃：可透過的最短波長為185nm，但化學(xué)穩(wěn)定性較差-----決定了入射光的透過情況側(cè)窗式端窗式2/1/202363熔融石英：可透過的最短波長為160nm藍(lán)寶石：可透過的最短波長為150nmMgF2:

可透過的最短波長為115nm2.電子光學(xué)系統(tǒng)是指：陰極到第一倍增極之間的電極空間，包括光電陰極、聚焦極、加速極及第一倍增極。作用：使光電子盡可能的匯集到第一倍增集上，而將熱發(fā)射的雜亂電子散射掉盡量使電子的渡越時間相同電子光學(xué)系統(tǒng)2/1/2023643.電子倍增極1）二次電子發(fā)射原理二次電子發(fā)射系數(shù)材料吸收一次電子的能量，躍遷到高能態(tài)，脫離原子的束縛，稱為內(nèi)二次電子二次電子中速度指向表面的電子向表面運動穿過表面勢壘區(qū)發(fā)射到真空中2）倍增極材料①主要銀氧和銻銫兩種化合物，它們即可做光電發(fā)射材料，也可做二次電子發(fā)射材料②氧化物型，氧化鎂、氧化鋇③合金型，銀鎂、鋁鎂、銅鎂、銅鈹④負(fù)電子親合勢材料，如銫激活的磷化鎵一般為3-6個可達(dá)20-25個N1入射光子數(shù)N2出射光電子數(shù)2/1/2023652）倍增極結(jié)構(gòu)有聚焦型和非聚焦型兩大類。聚焦型---鼠籠式、直線聚焦式非聚焦型----盒柵式、百葉窗式、近貼柵網(wǎng)式、微通道板式AK2/1/2023664.陽極Uout陰極KA陽極D2E=700-3000VD3D1D4D5R6R3R2R1R4R5RLФIP3.光電倍增管的主要特性參數(shù)1.靈敏度1）光譜響應(yīng)陰極光譜靈敏度窗口材料光電陰極材料陽極光譜靈敏度光電倍增管放大系數(shù)2/1/2023672）陰極靈敏度陰極靈敏度：陰極輸出電流與入射光通量之比IKIK陰極KP陽極μAD2D3D1D4D5白光靈敏度單色光靈敏度，或光譜靈敏度以陰極為一極，其它倍增極和陽極連在一起為一極，即無倍增時的光電流與入射輻射通量之比值。2/1/2023683）陽極靈敏度陽極靈敏度，陽極輸出電流與入射光通量之比IP白光靈敏度藍(lán)光靈敏度、紅光靈敏度各種單色靈敏度光電倍增管正常工作下的總輸出電流與入射輻射通量之比值。陰極KA陽極μAU1U2U5U6U3D2U4D3D1D4D52/1/2023692.放大倍數(shù)（增益）

在一定的工作電壓下，陽極光電流和陰極電流的比稱為管子的放大倍數(shù)或電流增益GM＝Ⅰa/Ⅰk2/1/2023703.暗電流正常工作狀態(tài)下,但無信號光照的情況下,陽極的電流輸出（1）陰極的熱電子發(fā)射是主要原因。只能通過降低陰極溫度來減弱。（2）極間漏電流，支撐電極的絕緣體的漏電。保持清潔（3）高壓電場產(chǎn)生離子反饋,進(jìn)而形成光反饋4.噪聲器件本身的散粒噪聲：對于一些不連續(xù)的量,如電子發(fā)射,光子發(fā)射,電子流等,其發(fā)射率在平均值附近上下起伏,而產(chǎn)生噪聲.---大部分由陰極的熱電子發(fā)射引起器件本身的熱噪聲負(fù)載電阻的熱噪聲光電陰極和倍增極的閃爍噪聲(1/f噪聲)2/1/2023715.伏安特性2）陽極伏安特性曲線Ф2Ф3Ф51015IA(μA)UP(V)50100相應(yīng)于不同輻射通量值的陽極伏安特性示于圖中，它表示陽極電流IP

對于最后一級倍增極和陽極間的電壓U的關(guān)系。作此曲線時，其余各電極的電壓保持恒定。1）陰極伏安特性曲線Ф2Ф3Ф51015IK(nA)UK(V)50100它表示陰極電流IK

與陰極與第一倍增極之間電壓的關(guān)系。2/1/202372---表征陽極電流與陰極光通量之間關(guān)系。在一定的光照度范圍內(nèi)，光電倍增管的輸出與入射光功率保持正比例關(guān)系，但是隨著入射光強的增強，在最后幾級倍增極上出現(xiàn)較大的電流，倍增極的次級電子發(fā)射因大量發(fā)射電子而出現(xiàn)疲勞效應(yīng)，又由于較大的電流形成顯著的空間電荷而使電子的加速受阻，因此使增益降低。工作在飽合區(qū)時信號會失真。ФIP線性區(qū)飽合區(qū)6.線性2/1/202373光電倍增管的組成：1．光窗

光窗是入射光的通道，是對光吸收較多的部分。決定光譜短波限。常用的光窗材料有鈉鈣玻璃、硼硅玻璃、紫外玻璃、熔凝石英和氟鎂玻璃等。2．光電陰極它的作用是接收入射光，向外發(fā)射光電子。決定光電管長波限。制作光電陰極的材料多是化合物半導(dǎo)體。3．電子光學(xué)系統(tǒng)前一級發(fā)射出來的電子盡可能沒有散失地落到下一個倍增極上，使下一級的收集率接近于1

使前一級各部分發(fā)射出來的電子，落到后一級上時所經(jīng)歷的時間盡可能相同，使渡越時間零散最小。4．陽極陽極是用來收集最末一級倍增極發(fā)射出來的電子的。現(xiàn)在普遍采用金屬網(wǎng)來作陽極，使它置于靠近于最末一級倍增極附近。2/1/2023745．倍增系統(tǒng)倍增系統(tǒng)是由許多倍增極組成的綜合體，每個倍增極都是由二次電子倍增材料構(gòu)成的，具有使一次電子倍增的能力。倍增系統(tǒng)是決定整管靈敏度最關(guān)鍵的部分。光電倍增管的電流放大系數(shù)β:光電倍增管的陽極電流和陰極電流的關(guān)系:2/1/2023752/1/202376

2．光電倍增管的特性：

光電特性

光譜特性

伏安特性

放大特性

頻率特性

疲乏特性

暗電流Iφ=0

2/1/202377特點：線性增加，然后偏離直線。分析：（1）疲乏 （2）空間電荷下一頁

RLAD4D3D2D1

KR5R4R3R2R1

+-上一頁

光電特性特點：帶內(nèi)響應(yīng)，帶外截止，并有峰值存在。分析：（1）短波限（2）長波限下一頁上一頁啊

光譜特性

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+-特點：（1）光通量不變，曲線由上升到飽和。

（2）電壓不變，陽極電流隨光通量增加。下一頁上一頁

伏安特性

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+-特點：隨著電源電壓升高，放大系數(shù)或靈敏度增大。下一頁上一頁放大特性是指電流放大系數(shù)β或靈敏度隨電源電壓U增大的關(guān)系。

放大特性

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+-特點：隨陽極電流的增大，靈敏度下降隨使用時間的增長，靈敏度下降下一頁上一頁

疲乏特性

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+-暗電流形成因素：熱電子發(fā)射。所以溫度T越高，暗電流Iφ=0的越大。漏電流。上一頁暗電流

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KR5R4R3R2R1

+-3.1.4內(nèi)光電效應(yīng)器件

基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電器件有光敏電阻、光電池、光敏二極管和光敏三極管、光位置敏感元件等。一.光敏電阻

光敏電阻又稱光導(dǎo)管，是一種均質(zhì)半導(dǎo)體光電器件，其結(jié)構(gòu)及外形.

2/1/202384

在玻璃底板上均勻地涂上一層薄薄的半導(dǎo)體材料，兩端裝上金屬電極，然后壓入塑料封裝體內(nèi)。2/1/202385光電導(dǎo)效應(yīng)----光照引起材料電導(dǎo)變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng),存在于大多數(shù)半導(dǎo)體和絕緣體中，是光電導(dǎo)器件工作的物理基礎(chǔ)。光敏電阻的特點：①光譜響應(yīng)范圍寬，尤其是對紅光和紅外輻射有較高的響應(yīng)度②偏置電壓低，工作電流大③動態(tài)范圍寬，既可測強光，也可測弱光④光電導(dǎo)增益大，靈敏度高⑤光敏電阻無極性，使用方便2/1/2023861.光敏電阻的結(jié)構(gòu)和分類光敏電阻（光導(dǎo)管）---用光電導(dǎo)體制成的光電器件。RA.本征型光敏電阻價帶導(dǎo)帶常溫光照時價帶導(dǎo)帶常溫?zé)o光照時Eg要發(fā)生光電導(dǎo)效應(yīng)，必須滿足：UgIP2/1/202387B.雜質(zhì)型光敏電阻N價帶導(dǎo)帶低溫?zé)o光照時Ed低溫有光照時低溫有光照時P工作時溫度要低---防止熱激發(fā)低溫?zé)o光照時Ea價帶導(dǎo)帶2/1/2023882.光敏電阻的工作原理價帶導(dǎo)帶常溫光照時無光照時：有光照時：光電導(dǎo)率為：UgIP2/1/2023892/1/202390原理：在黑暗環(huán)境里，它的電阻值很高，當(dāng)受到光照時，只要光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則價帶中的電子吸收一個光子的能量后可躍遷到導(dǎo)帶，并在價帶中產(chǎn)生一個帶正電荷的空穴，這種由光照產(chǎn)生的電子—空穴對增加了半導(dǎo)體材料中載流子的數(shù)目，使其電阻率變小，從而造成光敏電阻阻值下降。光照愈強，阻值愈低。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子—空穴對將逐漸復(fù)合，光敏電阻的阻值也就逐漸恢復(fù)原值。2/1/202391

當(dāng)光敏電阻接到外電路中時，若改變光照射，就可改變光敏電阻的阻值。為提高光敏電阻的靈敏度，應(yīng)盡量減小電極間的距離。面積較大的光敏電阻，通常采用在光敏電阻薄膜上蒸鍍金屬梳狀電極。常用的光敏電阻材料有硫化鎘、硒化鉛、碲化鋁等。2/1/2023922/1/2023933.光敏電阻的主要的特性參數(shù)暗電阻：光敏電阻在室溫條件下，在全暗時的電阻值Rd暗電流：此時電阻加上一定的電壓所通過的電流為暗電流亮電阻：光敏電阻在一定光照時的電阻值Rl亮電流：此時電阻加上一定的電壓所通過的電流為亮電流光電導(dǎo)：光敏電阻由光照產(chǎn)生的電導(dǎo)光電流：由光照產(chǎn)生的電流暗電導(dǎo)：光敏電阻在室溫條件下，在全暗時的電導(dǎo)亮電導(dǎo)：光敏電阻在一定光照時的電導(dǎo)值2/1/202394暗電導(dǎo)：亮電導(dǎo)：光電導(dǎo)：4.光電導(dǎo)靈敏度暗電流：亮電流：光電流：定義光電導(dǎo)靈敏度為Sg:或2/1/2023955.光電特性和γ值弱光照射時：一般情況下：一般情況下：或一般照射時：強光照射時：直線性光電導(dǎo)EIp光電流與照度關(guān)系曲線(CdS)：非線性直線性光電導(dǎo)或2/1/2023966.光敏電阻的噪聲1.產(chǎn)生復(fù)合噪聲：半導(dǎo)體受光照時，載流子不斷地產(chǎn)生-復(fù)合，載流子產(chǎn)生-復(fù)合的平均數(shù)是一定的，但某一瞬間是起伏的，這種起伏引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率的起伏，從而使輸出電流或電壓值起伏，由此引入的噪聲叫……2/1/202397----在任何電阻性材料中,載流子都會有無規(guī)則的熱運動,從而引起輸出電流或電壓的起伏，此種噪聲稱為…….是最常見的一種噪聲形式.----這類噪聲的大小與頻率成反比,因此而得名,它的產(chǎn)生與器件的雜質(zhì)和工藝缺陷有關(guān),但原因比較復(fù)雜.2.熱噪聲：3.1/f噪聲：2/1/202398當(dāng)工作頻率f小于1kz時，主要是1/f噪聲，當(dāng)f≥1MHz時，主要是熱噪聲，當(dāng)；1kz＜f＜

1MHz時,主要為產(chǎn)生—復(fù)合噪聲，但由于光敏電阻的時間常數(shù)大，一般工作在低頻段，所以主要表現(xiàn)為1/f噪聲。2/1/2023997.

光敏電阻的特點和應(yīng)用與結(jié)型光電器件相比，光敏電阻具有以下特點：（1）產(chǎn)生光電變換的部位不同。光敏電阻是任何部位均可，而結(jié)型光電器件是結(jié)區(qū)附近.（2）光敏電阻沒極性.（3）光敏電阻時間常數(shù)大，頻率相應(yīng)較差.（4）有些結(jié)型光電器件可以有放大功能，所以輸出較大，而光敏電阻沒有放大功能.2/1/2023100光敏電阻的應(yīng)用常用來制作光控開關(guān)，如照相機自動曝光電路、公共場所用燈的自動控制電路2/1/2023101光敏電阻的應(yīng)用基本功能：根據(jù)自然光的情況決定是否開燈。基本結(jié)構(gòu)：整流濾波電路；光敏電阻及繼電器控制；觸電開關(guān)執(zhí)行電路基本原理：光暗時，光敏電阻阻值很高，繼電器關(guān)，燈亮；光亮?xí)r，光敏電阻阻值降低，繼電器工作，燈關(guān)。照明燈自動控制電路K220V燈常閉CdS2/1/20231028.常見光敏電阻1.硫化鎘（CdS）光敏電阻2.硫化鉛（PbS）光敏電阻峰值波長：0.52μm,摻入微量銅或氯可以峰值波長變長亮暗電導(dǎo)比可達(dá)1011，一般為106在近紅外波段比較靈敏，響應(yīng)波長可達(dá)2.8μm,峰值比探測率Dλ*=2*1011cm.Hz1/2/W,但響應(yīng)時間長，200~300

μs2/1/20231033.銻化銦（InSb）光敏電阻4.碲鎘汞（HgCdTe）系列光敏電阻5.碲錫鉛（PbSnTe）系列光敏電阻長波限可達(dá)7.5μm

，峰值比探測率Dλ*=1*1011cm.Hz1/2/W,冷卻到零度時，還可提高2~3倍,時間常數(shù)2*10-2μsHg1-xCdxTe系列光敏電阻是由CdTe和HgTe兩種材料按不同的比例混合而成，不同的比例就有不同的光譜測量范圍Hg0.8Cd0.2Te：8~14μm

，峰值波長10.6μm

Hg0.72Cd0.28Te：3~5μm

Pb1-xSnxTe:光譜范圍8~10μm響應(yīng)率低，應(yīng)用不廣泛2/1/2023104光敏電阻特性參數(shù)2/1/20231053.1.4內(nèi)光電效應(yīng)器件二．光電池

光電池是在光線照射下，利用光生伏特效應(yīng)，將光量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱觿莸墓怆娖骷?。由于它常用于把太陽能變成電能，因此又稱太陽能電池。太陽能應(yīng)急燈2/1/2023106編碼器用硅光電池2/1/20231072/1/2023108節(jié)能全天候警示燈牌2/1/2023109光電池驅(qū)動的涼帽2/1/2023110

光電池種類繁多，早期出現(xiàn)的有氧化亞銅光電池，因轉(zhuǎn)換效率低已很少使用。

目前應(yīng)用較多的是硒光電池和硅光電池。

①硒光電池因光譜特性與人眼視覺很相近，頻譜較寬，故多用于曝光表、照度計等分析、測量儀器。

②硅光電池與其它半導(dǎo)體光電池相比，不僅性能穩(wěn)定，還是目前轉(zhuǎn)換效率最高(達(dá)到17％)的幾乎接近理論極限的一種光電池。2/1/2023111

硅光電池是用單晶硅組成的（目前也有非單晶硅的產(chǎn)品）。在一塊N型硅片上擴散P型雜質(zhì)(如硼)，形成一個擴散PN（P+N）結(jié)，如圖所示；2/1/2023112或在P型硅片擴散N型雜質(zhì)(如磷)，形成N+P的PN結(jié)。用鍍鎳的方法制成下電極，并用鍍銀的方法制成上電極。為了增加光電池吸收光的效率，在光照表面上還要增鍍一層氧化硅反射膜。一般在地面上用作光電探測器的多為P+N型，如國產(chǎn)2CR型。

N+P型硅光電池具有較強的抗輻射能力，適合空間應(yīng)用，可作為航天器的太陽能電池，如國產(chǎn)2DR型。2/1/20231132CR系列光電池特性參數(shù)2/1/2023114

硒光電池是在鋁片上涂硒，再用濺射的工藝，在硒層上形成一層半透明的氧化鎘，在正反兩面噴上低熔合金做電極。

如圖所示。

2/1/20231153.1.4內(nèi)光電效應(yīng)器件

在光線照射下，鎘材料帶負(fù)電，硒材料帶正電，形成光生電勢。雖然硒光電池的轉(zhuǎn)換效率低、壽命短、但適于接受可見光，測量中有一定應(yīng)用。2/1/2023116

此外，還有薄膜光電池、紫光電池、異質(zhì)結(jié)光電池等。薄膜光電池是把硫化鎘等材料制成薄膜結(jié)構(gòu)，以減輕重量、簡化陣列結(jié)構(gòu)，提高抗輻射能力和降低成本。紫光電池是把硅光電池的PN結(jié)減薄至結(jié)深為0.2~0.3mm，光譜響應(yīng)峰值移到600nm左右，來提高短波響應(yīng)，以適應(yīng)外層空間使用。2/1/2023117

異質(zhì)結(jié)光電池利用不同禁帶寬度的半導(dǎo)體材料做成異質(zhì)PN結(jié)，入射光幾乎全透過寬禁帶材料一側(cè)，而在結(jié)區(qū)窄禁帶材料中被吸收，產(chǎn)生電子-空穴對。利用這種“窗口”效應(yīng)提高入射光的收集效率，以獲得高于同質(zhì)結(jié)硅光電池的轉(zhuǎn)換效率。理論上最大可達(dá)30％，但目前因工藝尚未成熟，轉(zhuǎn)換效率仍低于硅光電池。2/1/2023118

光電池與外電路的連接方式有兩種，如圖所示。一種是把PN結(jié)兩端通過外導(dǎo)線短接，形成流過外電路的短路電流。另一種是開路電壓輸出。2/1/2023119光照下的p-n結(jié)：1、p-n結(jié)光電效應(yīng)和兩種工作模式

1)p-n結(jié)光電效應(yīng)圖

p-n結(jié)的光電效應(yīng)pn2/1/2023120

2)兩種工作模式零電壓偏置：光照下無外加電壓，即光生伏特效應(yīng)，稱光伏工作模式。

圖

光照下p-n結(jié)的零偏模式pnIpRL2/1/2023121反向偏置：光照下p-n結(jié)反向偏置：稱光導(dǎo)工作模式

p-n結(jié)外接反向電壓后，p-n結(jié)勢壘升高，多數(shù)載流子難于擴散，少數(shù)載流子易于漂移。圖光照下p-n結(jié)的零偏模式RLpnIpVb2/1/2023122圖

光照p-n結(jié)的工作原理圖pnIpIDRLV_+2、光照下p-n結(jié)的電流方程1）零電壓偏置（光生伏特模式）

有光照時，在p-n結(jié)兩極間外接一負(fù)載RL，此時在p-n結(jié)內(nèi)出現(xiàn)兩種方向的電流：光電流Ip，正向電流ID，總電流為兩者之差。2/1/2023123式中V為p-n結(jié)兩端電壓，有V=IL(RL+RS)由于光電流IP與光照有關(guān)，隨光照增大而增大，SE為光電靈敏度或光照靈敏度2/1/2023124討論：(1)負(fù)載RL斷開時，IL=0，p端對n端的電壓成為開路電壓，用Voc表示表明：一定溫度下，Voc與光生電流或光通量對數(shù)成正比(2)負(fù)載短路，即RL=0，光生電壓幾乎為0，此時流過器件的電流叫短路電流，用Isc表示表明：短路電流Isc與光通量成正比，線性測量中廣泛應(yīng)用。一般情況下，故有由IL=0可得2/1/20231252）p-n結(jié)反向偏置：p-n結(jié)加的反向偏置電壓，形成的電場和內(nèi)建電場同向，勢壘高度增加，光生載流子更容易在電場的作用下漂移運動，響應(yīng)時間縮短，能提高頻率特性。結(jié)型器件的伏安特性曲線V(V)I(μA)VocIsc反向偏壓Vb反向電流E增大Ip=SEEE=0E1E2圖

結(jié)型器件伏安特性曲線(2)光照射時，零偏或反偏時，內(nèi)建場作用下少子的漂移運動產(chǎn)生光電流，光電流方向在p-n結(jié)內(nèi)由p區(qū)指向n區(qū)，為反向電流，因此曲線向下平移。(1)無光照時，同一般的二極管2/1/2023126按用途分：1、太陽能電池：用作電源要求轉(zhuǎn)換率高，成本低；2、測量用光電池：用于光電探測要求線性范圍寬，光譜響應(yīng)合適，穩(wěn)定性好，壽命長光電池一般工作在光生伏模式，也可工作在反向偏置模式，直接將光能轉(zhuǎn)換成電能。2/1/2023127一、光電池的原理及基本結(jié)構(gòu)：

1、原理：零偏置或反偏置下p-n結(jié)的光生伏效應(yīng)npSiO2圖

硅光電池示意圖及符號2、基本結(jié)構(gòu)：

2DR型：以p型硅做基底，n型薄層受光面

2CR型：以n型硅做基底，p型硅做受光面2/1/2023128二、光電池的主要特性：

1、四個輸出參數(shù)1）短路電流：2）開路電壓：3）填充因子：F.F.

同一光照下伏安特性曲線上，任意工作點的輸出功率等于該點所對應(yīng)的矩形面積。其中只有一特殊點（Vmp，Imp）是輸出功率最大的，定義填充因子：4）光電轉(zhuǎn)換率：最大輸出功率與輸入光功率的比值Pin是入射到電池上的總功率I(μA)VocIscVmpImp圖

光電池填充因子示意圖2/1/20231292、光照特性

光電池的光生電動勢或光電流與入射光照度的關(guān)系稱為光電池的光照特性。

1）伏安特性：零偏時在第四項限，反偏時在第三項限

2）照度負(fù)載曲線：開路電壓與光照度成對數(shù)關(guān)系短路電流與光照度成線性關(guān)系V(V)I(μA)Voc1Isc4E=0E1E2Voc2Voc3Voc4E3E4Isc3Isc2Isc1I0RL=0RL=RL1RL2RL3RL4RL5圖硅光電池伏安特性曲線2/1/20231303、光譜特性

光電池的光譜響應(yīng)特性是指入射光能量一定時，短路電流與入射波長的函數(shù)關(guān)系，主要取決于半導(dǎo)體的材料。硅光電池光譜范圍0.4—1.1μm

峰值波長0.8—0.9μm

。硒光電池0.34—0.75μm

，峰值波長0.54μm

4、頻率特性

取決于：1）光生載流子擴散到結(jié)區(qū)的時間

2）光生載流子在勢壘區(qū)中的漂移時間

3）勢壘電容引起的介電時間馳豫硅光電池pn結(jié)面積大，極間電容大，因而頻率特性差。5、溫度特性

光電池的溫度特性是指光照下光電池開路電壓Voc與短路電流Isc隨溫度的變化情況。溫度過高會致使半導(dǎo)體晶格破壞2/1/20231312/1/20231322/1/20231332/1/2023134四、影響太陽能電池效率的一些因素1、光生電流的光學(xué)損失

1）反射損失：超過30%的光能被裸露硅表面反射掉

2）柵電極遮光損失：

3）透射損失：電池厚度不夠，則某些被吸收的光子可能從電池背面穿出。2、光生少子的收集幾率：由于存在少子復(fù)合，所產(chǎn)生的每一個光生少數(shù)載流子不可能全部被收集起來；3、太陽電池的光譜響應(yīng)4、影響開路電壓Voc的實際因素：半導(dǎo)體的復(fù)合率越高，少子擴散長度越短，Voc越低;5、串聯(lián)電阻和旁路電阻引起效率下降6、溫度效應(yīng)2/1/2023135五、提高太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的途徑1、最佳禁帶寬度的選擇2、抗反射膜3、接觸面積4、接觸電阻5、收集電阻6、太陽電池的光吸收7、載流子收集8、表面復(fù)合9、背接觸與背場效應(yīng)2/1/2023136無機太陽能電池半導(dǎo)體硅(單晶、多晶、非晶、復(fù)合型等）化合物半導(dǎo)體（GaAs、CuInSe2、CdTe、InP等）有機太陽能電池有機半導(dǎo)體（酞菁鋅、聚苯胺、聚對苯乙炔等）光化學(xué)太陽能電池（納米TiO2等）按照所用材料的不同：六、太陽能電池的分類2/1/2023137無機太陽能電池研究進(jìn)展表1無機太陽能電池的性能及應(yīng)用2/1/20231381.硅系太陽能電池單晶硅太陽能電池

優(yōu)點：轉(zhuǎn)化率高(24.4%)

，技術(shù)最為成熟

缺點：成本高，基底厚度達(dá)350--450μm。提高轉(zhuǎn)化率的途徑：單晶硅表面微結(jié)構(gòu)處理和分區(qū)摻雜工藝德國費萊堡太陽能系統(tǒng)研究所保持至世界領(lǐng)先水平2/1/20231393)非晶硅薄膜太陽能電池

優(yōu)點：成本低缺點：轉(zhuǎn)化率低(13%)

制備方法：多采用化學(xué)氣相沉積法，還有液相外延法和濺射沉積法

解決方法：制造疊層太陽能電池2)多晶硅薄膜太陽能電池

優(yōu)點：成本低，轉(zhuǎn)化率不衰退(18%)

制備方法：多采用化學(xué)氣相沉積法，還有液相外延法和濺射沉積法2/1/2023140多元化合物薄膜太陽能電池主要包括：砷化鎵、硫化鎘、碲化鎘及銅銦硒薄膜電池

硫化鎘(CdS)

、碲化鎘(CdSe)

：鎘有劇毒，不理想

砷化鎵(GaAs)：高轉(zhuǎn)化率(37.4%)，成本高。能隙1.42eV，光譜響應(yīng)可見和紫外，溫度特性好，已開始用于空間太陽能電池

銅銦硒(CuInSe2)

：優(yōu)點：轉(zhuǎn)化率高(17%)，價格低廉，性能良好，工藝簡單缺點：銦和硒都是稀有元素，發(fā)展受限2/1/20231414.納米晶化學(xué)太陽能電池

工作原理：染料分子吸收太陽光能躍遷到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，電子快速注入到緊鄰的TiO2的導(dǎo)帶，染料分子中失去的電子很快從電解質(zhì)中得到補償，進(jìn)入TiO2導(dǎo)帶中的電子最終進(jìn)入導(dǎo)電膜，然后通過外回路產(chǎn)生光電流。

優(yōu)點：成本低廉，轉(zhuǎn)化率已穩(wěn)定在10%以上，壽命達(dá)15—20年。3.有機太陽能電池

工作原理：有機半導(dǎo)體產(chǎn)生的電子和空穴束縛在激子之中,電子和空穴在界面(電極和導(dǎo)電聚合物的結(jié)合處)上分離。

優(yōu)點：價格低、易成形、可通過化學(xué)修飾調(diào)控性能2/1/20231421954年美國貝爾實驗室制成了世界上第一個實用的太陽能電池，效率為4%，于1958年應(yīng)用到美國的先鋒1號人造衛(wèi)星上。

七、太陽能電池的應(yīng)用我國1958年開始進(jìn)行太陽能電池的研制工作，并于1971年將研制的太陽能電池用在了發(fā)射的第二顆衛(wèi)星上。

2/1/20231432/1/2023144太陽能飛機

1974年世界上第一架太陽能電池飛機在美國首次試飛。現(xiàn)在，最先進(jìn)的太陽能飛機，飛行高度可達(dá)2萬多米，航程超過4000公里。

2/1/20231452.太陽能電池發(fā)電站太陽能電池板：將太陽的輻射能轉(zhuǎn)換為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負(fù)載工作。太陽能控制器：控制整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對蓄電池起到過充電保護(hù)、過放電保護(hù)的作用。蓄電池：在有光照時將太陽能電池板所發(fā)出的電能儲存起來，到需要的時候再釋放出來。逆變器：將太陽能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電能(12VDC、24VDC、48VDC)轉(zhuǎn)換成交流電能(220VAC、110VAC)2/1/2023146與光敏電阻的比較1、光電轉(zhuǎn)換部位不同2、光敏電阻需外加電壓，沒有極性，無正向、反向偏置之分；而結(jié)型器件因p-n結(jié)的存在，有正向偏置、反向偏置之分，且無外加電壓，也可工作，也能實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。3、光敏電阻的光電流依賴于光生載流子的產(chǎn)生—復(fù)合運動，弛豫時間常數(shù)大，頻率響應(yīng)差。結(jié)型器件的光電流依賴于結(jié)區(qū)部分光生載流子的漂移運動，弛豫過程時間常數(shù)小，響應(yīng)速度快。2/1/2023147三.光敏晶體管

1、光敏二極管

光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似。它裝在透明玻璃外殼中，其PN結(jié)裝在管的頂部，可以直接受到光照射。

光敏二極管在電路中是處于

反向偏置狀態(tài)，如圖所示。2/1/2023148光電二極管和光電池的主要差別：用途不同光電池：能量轉(zhuǎn)化

提高轉(zhuǎn)化率光電二極管：探測

靈敏度高、響應(yīng)快、高量子效率特性差異：1、響應(yīng)范圍要求不同；

2、響應(yīng)時間不同

3、工作模式不同偏置方式摻雜濃度（cm3）電阻率（/cm）受光面積光電池零偏1016-10190.1-0.01大光電二極管反偏1012-10131000小結(jié)構(gòu)差異2/1/2023149光敏二極管陣列

將光敏二極管以線陣或面陣形式集合在一起，用來同時探測被測物體各部位提供的不同光信息，并將這些信息轉(zhuǎn)換為電信號的器件。2/1/2023150半導(dǎo)體光敏二極管屬單向?qū)щ娦缘姆蔷€性元件。但它的光照特性是線性的，所以適合檢測等方面的應(yīng)用。

光敏二極管在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流(暗電流)很小(處于載止?fàn)顟B(tài))。受光照射時，結(jié)區(qū)產(chǎn)生電子-空穴對，在結(jié)電場的作用下，電子向N區(qū)運動、空穴向P區(qū)運動而形成光電流。光敏二極管的光電流與照度之間呈線性關(guān)系。2/1/2023151

透鏡（光窗）光敏面入射光P-SiN-Si前極后極2CU型N+N-SiP-Si前極后極環(huán)極N+2DU型環(huán)極外形圖:2/1/2023152

2、光敏三極管

光敏三極管是一種相當(dāng)于在基極和集電極之間接有光電二極管的普通三極管。在正常工作情況下，此二極管應(yīng)反向偏置。因此，不管是PNP還是NPN型光敏三極管，一般用基極-集電極結(jié)作為受光結(jié)，如圖所示。2/1/2023153發(fā)射結(jié)集電結(jié)BECNNP基極發(fā)射極集電極2/1/2023154Vcn+pn

進(jìn)入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，多數(shù)擴散到集電結(jié)。

集電結(jié)反偏，光照產(chǎn)生光電流

基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴散可忽略。

發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴散，形成發(fā)射極電流Ie。從基區(qū)擴散來的電子作為集電結(jié)的少子，漂移進(jìn)入集電結(jié)而被收集2/1/2023155

對NPN型，當(dāng)集電極加上相對于發(fā)射極為正電壓且基極開路時，基極-集電極結(jié)處于反向偏壓下，它的工作機理完全與反偏壓的光敏二極管相同。入射光子在基區(qū)及集電區(qū)被吸收而產(chǎn)生電子-空穴對，形成光生電壓。由此產(chǎn)生的光生電流由基極進(jìn)入發(fā)射極，從而在集電極回路中得到一個放大了的信號電流。因此，光敏三極管是一種相當(dāng)于將基極-集電極光敏二極管的電流加以放大的普通晶體管放大器。2/1/2023156硅光電三極管bceUbNN+PIdIP集成光電三極管：EPE內(nèi)E外2/1/2023157硅光電三極管與硅光電二極管特性比較1.光照特性2.伏安特性①三極管的光電流較大。②零偏時三極管無輸出，微小不顯示。③三極管非線性嚴(yán)重。④三極管伏安特性曲線低照度均勻，高照度較密。主要表現(xiàn)為4個方面：2/1/20231583.溫度特性4.頻率響應(yīng)特性光電流暗電流有電流放大作用，所以光電三極管的光電流和暗電流都大的多，必要時可采用溫控或電路補償主要取決于結(jié)電容Cj和負(fù)載電阻RL應(yīng)減小并選擇最佳的負(fù)載電阻。時間常數(shù)小于0.1μs時間常數(shù)長達(dá)5~10μs取決于發(fā)射結(jié)電容C、RL和光生載流子的基區(qū)渡越時間2/1/2023159光敏二極管和光敏三極管外形、符號及型號如圖所示。2/1/2023160光敏二極管基本參量如表所示。2/1/2023161光敏二極管基本參量續(xù)表。2/1/2023162

2/1/2023163

光電二極管光電流的產(chǎn)生:光照射光敏二極管表面時，不同波長的光（藍(lán)光、紅光、紅外光）在光敏二極管不同區(qū)域被吸收，在表面P型層因光照產(chǎn)生少數(shù)載流子，在空間電荷場的作用下拉向N區(qū)，波長較長的光波透過P型層到達(dá)空間電荷區(qū)，激發(fā)的電子一空穴對分別拉向N區(qū)和P區(qū)，波長更長的紅光、紅外光透過P區(qū)和空間電荷區(qū)，在N區(qū)被吸收產(chǎn)生少數(shù)載流子被結(jié)電場拉向P區(qū)，總的光生電流即由這三部分電流形成的。2/1/2023164光敏二極管符號

光敏二極管接法

P-Sin-Si+-2/1/20231652/1/20231663、特殊光電二極管一、PIN光電二極管npPIN光電二極管示意圖i1、結(jié)構(gòu)：在PN結(jié)間插入一層非摻雜或輕摻雜半導(dǎo)體材料，由于中間插入的半導(dǎo)體材料近似為本征半導(dǎo)體(Intrinsic)，因此這種結(jié)構(gòu)稱為PIN光電二極管。2/1/2023167PIN結(jié)光電二極管

它與一般PN結(jié)光敏二極管的不同之處在于P層和N層之間加了一層很厚的I層。同時，將P層做得很薄。當(dāng)入射光照射在P層上，由于P層很薄，大量的光被較厚的I層吸收，激發(fā)較多的載流子形成光電流。2/1/2023168又由于PIN結(jié)光電二極管可比PN結(jié)光電二極管施加較高的反向偏置電壓，使其耗盡層加寬，加強了它的PN結(jié)內(nèi)電場，加速了光電子的定向運動，大大減小了漂移時間，因而提高了響應(yīng)速度。

PIN結(jié)光電二極管仍然具有一般PN結(jié)光電二極管的線性特性。因此，在光通信和光信號檢測技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用。2/1/2023169PIN光電二極管及反偏時各層的場分布I區(qū)高阻抗,電壓基本都落在I區(qū)

2、原理：2/1/2023170結(jié)電容變小能承受更高反偏電壓光吸收區(qū)域增加，提高量子效率改善長波響應(yīng)載流子渡越長度增加反向電壓對少子加速耗盡區(qū)寬度w增大高的響應(yīng)速度高的靈敏度長波響應(yīng)范圍大2/1/20231713、本征層（I）的作用1）I層是高阻區(qū)，承受大部分外加電壓，展寬了光電轉(zhuǎn)換區(qū)，提高了轉(zhuǎn)換效率。2）可采用低阻材料，可提高抗擊穿電壓，降低串聯(lián)電阻；3）本征層工作在反向電壓下，能對少子加速；4）結(jié)電容變小，響應(yīng)速度提高；5）一定范圍內(nèi)本征層增加，耗盡層內(nèi)光生載流子漂移電流增加。2/1/20231724、限制響應(yīng)速度的主要因素1）載流子在耗盡層的渡越時間；2）載流子在非耗盡層區(qū)的渡越時間；3）PIN本身的電容和其他寄生電容的充放電時間；4）具有異質(zhì)結(jié)構(gòu)的PIN在異質(zhì)結(jié)界面處存在的電荷積累。2/1/2023173二、雪崩光電二極管Avalanchephotodiode：APD突出優(yōu)點：有內(nèi)部增益，電流放大1、工作原理基于碰撞電離和雪崩倍增雪崩倍增示意圖2/1/2023174雪崩式光電二極管

如圖所示，其PN結(jié)的P型區(qū)外側(cè)增加了一層摻雜濃度極高的P+層。當(dāng)在其上加近于擊穿的反向偏壓時，以P層為中心的兩側(cè)產(chǎn)生極強的內(nèi)部加速場(可達(dá)105V/cm)。當(dāng)光照時，P+層受光子能量激發(fā)電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶，在強電場作用下，電子快速通過P層，并在P區(qū)產(chǎn)生碰撞電離，形成大量新生電子-空穴對;2/1/2023175并且它們也從電場中獲得高能量，與從P+層來的電子一起再次碰撞，P區(qū)的其它原子又產(chǎn)生大批新生電子-空穴對。不斷產(chǎn)生二次電子發(fā)射，形成“雪崩”構(gòu)成強大的光電流。

雪崩二極管具有很高靈敏度和響應(yīng)速度，但輸出特性差，在光通信中占有重要地位。2/1/2023176工作原理當(dāng)光敏二級管中的PN結(jié)上加相當(dāng)大的反向偏壓時，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生一高電場，進(jìn)入該場區(qū)的光生載流子獲得足夠的能量發(fā)生碰撞，通過碰撞使晶格原子電離而產(chǎn)生新的電子一空穴對，只要電場足夠強這種過程將會重復(fù)進(jìn)行，而使光生載流子達(dá)到雪崩的狀態(tài)。2/1/20231772/1/2023178雪崩光電二極管（APD）--------高反向電壓下工作的光敏二極管，高電場加速了光生載流子的速度，產(chǎn)生二次載流子對。適合0.8~1.1μm弱光的探測特征：①靈敏度高，電流增益可達(dá)102~103②響應(yīng)速度快，只有0.5ns，響應(yīng)頻率可達(dá)100GHZ③噪聲等效功率很小，約為10-15W④反向偏壓高，可達(dá)200V廣泛應(yīng)用于光纖通訊、弱信號檢測、激光測距等領(lǐng)域2/1/2023179E耗盡層高電場區(qū)P+πPN+達(dá)通型APD結(jié)構(gòu)及電場示意圖2、APD的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求：1）材料的電子和空穴的離化系數(shù)差別大，提高增益M；2）材料有好的均勻性及晶格完整，避免局部擊穿；3）器件設(shè)計上應(yīng)保證注入到雪崩區(qū)是具有較高離化系數(shù)的載流子。主要有3種結(jié)構(gòu)：1）保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)（GAPD）：2）臺型結(jié)構(gòu)：3）達(dá)通型結(jié)構(gòu)（RAPD）：2/1/2023180三、紫外光電二極管

P-N結(jié)短波響應(yīng)主要與P-N結(jié)結(jié)深、P-N結(jié)表面濃度和表面質(zhì)量有關(guān)，因此可采用結(jié)淺P-N結(jié)或肖特基結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)波長響應(yīng)在紫外的光電二極管。1、藍(lán)紫增強型硅光電二極管設(shè)計考慮：結(jié)淺P-N結(jié)加大載流子擴散長度減小表面復(fù)合速率2/1/20231812、肖特基光電二極管肖特基勢壘：金屬與半導(dǎo)體接觸形成的勢壘其原理與半導(dǎo)體P-N結(jié)基本類似，不同的是可以把肖特基勢壘看作一結(jié)深為零，表面覆蓋著薄而透明金屬膜的P-N結(jié)優(yōu)點：1）高的響應(yīng)率和高的響應(yīng)速度；2）可以與場效應(yīng)管（FET）集成，大大簡化場效應(yīng)晶體管與光電二極管的集成工藝。2/1/2023182四、色敏光電傳感器

自然界有各種各樣的顏色，在所有顏色中，除鳥類羽毛是由于干涉而產(chǎn)生顏色外，物體對光的選擇吸收是產(chǎn)生顏色的主要原因。在色料(包括顏料、染料、油漆等)制造業(yè)中，都是制造具有選擇吸收性能的色素，色料本身不是光源，他們只能將入射光有選擇的吸收或反射，使透射光或反射光帶色彩。2/1/2023183根據(jù)這一原理，人們在單晶硅或非晶硅材料上制造兩個、三個甚至四個PN結(jié)，利用不同結(jié)深的PN結(jié)對不同顏色光吸收系數(shù)的差異進(jìn)行顏色識別。其中，具有三個以上PN結(jié)的元件可同時測得三個刺激值，原則上可以得到所有待測顏色，稱為全色色敏傳感器。2/1/2023184

一、半導(dǎo)體色敏傳感器工作原理

圖示色敏傳感器是兩只結(jié)深不同的光電二極管的組合體。其特性曲線如圖所示。淺結(jié)的二極管是P+N結(jié)；深結(jié)的二極管是NP結(jié)。當(dāng)有入射光照射時P+、N、P三個區(qū)域及其間的勢壘區(qū)中都有光子吸收，但效果不同。如上所述，紫外光部分吸收系數(shù)大，經(jīng)很短距離已基本吸收完畢.2/1/2023185

因此，淺結(jié)的那只光電二極管對紫外光的靈敏度高。而紅外部分吸收系數(shù)較小，這類波長的光子則主要在深結(jié)區(qū)被吸收，因此深結(jié)的那只光電二極管對紅外光的靈敏度高。這就是說，在半導(dǎo)體中不同的區(qū)域?qū)Σ煌牟ㄩL分別具有不同的靈敏度。這一特性給我們提供了將這種器件用于顏色識別的可能性，即可以用來測量入射光的波長。將兩只結(jié)深不同的光電二極管組合，就構(gòu)成了可以測定波長的半導(dǎo)體色敏傳感器。在具體應(yīng)用時，應(yīng)先對該色敏器件進(jìn)行標(biāo)定。2/1/2023186淺結(jié)對紫外光有較高的靈敏度，而深結(jié)對紅外光有較高的靈敏度。也就是說，半導(dǎo)體中不同的區(qū)域?qū)Σ煌牟ㄩL有不同的靈敏度。色敏器件在使用前需要先對其進(jìn)行標(biāo)定，也就是測出在不同波長的光照下，深結(jié)的短路電流ISD2與淺結(jié)的短路電流ISD1的比值ISD2/ISD1。2/1/2023187

ISD2在長波區(qū)較大，ISD1在短波區(qū)較大；因而，ISD2

/ISD1與入射單色光波長的關(guān)系就可以確定。根據(jù)標(biāo)定曲線，實測出某一單色光的短路電流比值，即可確定該單色光的波長。ISD2/ISD1與波長的關(guān)系如圖所示。2/1/2023188

PN130硅光電色敏二極管如圖所示，用于彩色擴影、彩色印刷、色彩鑒別電路。紅、綠、藍(lán)三單元組成一套。2/1/20231892/1/2023190五、光位置傳感器(PSD)

光位置傳感器是利用光線進(jìn)行位置檢測的傳感器。其原理如圖所示。光線照射到硅光電二極管的某一位置時，結(jié)區(qū)激發(fā)的光電子向N層漂移，空穴向P層漂移。2/1/2023191到達(dá)P層的空穴分成兩部分：一部分沿表面電阻Rl流向1端形成光電流Il；另一部分沿表面電阻R2流向2端形成光電流I2；當(dāng)電阻層均勻時，R2/Rl=x2/xl，則光電流Il/I2=R2/Rl=x2/xl，故只要測出Il和I2便可求得光照射的位置。被測光斑在光敏面的位置x與電流及電阻有關(guān)。2/1/20231922/1/20231933.1.5光電器件的特性1.光照特性

光照特性表示光電器件輸出的光電流（光電壓）與入射光量間的關(guān)系。

光敏電阻的光照特性呈非線性，如圖(a)所示是硒光敏電阻的特性曲線，因此，光敏電阻不宜作線性檢測元件。

圖(b)、(c)是硅光敏二極管和光敏三極管的光照特性。從圖中可以看出光敏二極管的線性較好。2/1/2023194

(a)光敏電阻(b)光敏二極管(c)光敏三極管(d)光電池而光敏三極管在起始處和大電流處有非線性，這是因為三級管的β值在大、小電流時都有所下降的緣故。2/1/2023195

光電池的光照特性如圖(d)所示?？梢姽怆姵氐妮敵龆搪冯娏髋c光照有較好的線性關(guān)系。這里的短路電流就是負(fù)載電阻相對于光電池內(nèi)阻來說很小時的電流值。一般負(fù)載電阻在100W以下，此時光電