光電技術(shù)PPT全套完整教學(xué)課件

光電技術(shù)

全套完整課件

第1章光電技術(shù)基礎(chǔ)

光電技術(shù)最基本的理論是光的波粒二象性。即光是以電磁波方式傳播的粒子。光的本質(zhì)是物質(zhì)，它具有粒子性，又稱為光量子或光子。光子具有動(dòng)量與能量，并分別表示為p與e，式中h為普朗克常數(shù)（6.626×10-34J·s）；v為光的振動(dòng)頻率(s-1)；c為光在真空中的傳播速度（3×108m·s-1）。光的量子性成功地解釋了光與物質(zhì)作用時(shí)引起的光電效應(yīng)，而光電效應(yīng)又充分證明了光的量子性。

圖1-1為電磁波按波長(zhǎng)的分布及各波長(zhǎng)區(qū)域的定義（稱為電磁波譜）。電磁波譜的頻率范圍很寬，涵蓋了由宇宙射線到無(wú)線電波（102～1025Hz）的寬闊頻域。光輻射僅僅是電磁波譜中的一小部分，它包括的波長(zhǎng)區(qū)域從幾納米到幾毫米，即10-9～10-3m的范圍。在這個(gè)范圍內(nèi)，只有0.38～0.78μm的光才能引起人眼的視覺(jué)感，故稱這部分光為可見(jiàn)光。1561821912324f圖1-1電磁輻射光譜的分布紅外紫外可見(jiàn)光1010101010101010/HzX射線Γ射線近紅外遠(yuǎn)紅外電磁波1.輻（射）能和光能

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）。光能是光通量在可見(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（lm·s）。

2.輻（射）通量和光通量輻（射）通量或輻（射）功率是以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的功率；或者說(shuō)，在單位時(shí)間內(nèi)，以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的輻（射）能稱為輻（射）通量，以符號(hào)Φe表示，其計(jì)量單位為瓦（W），即

1.1光輻射的度量1.1.1與光源有關(guān)的輻射度參數(shù)與光度參數(shù)對(duì)可見(jiàn)光，光源表面在無(wú)窮小時(shí)間段內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的所有可見(jiàn)光譜，光能被無(wú)窮短時(shí)間間隔dt來(lái)除，其商定義為光通量Φv，即

（1-3）若在t時(shí)間內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的光能不隨時(shí)間改變，則式（1-3）簡(jiǎn)化為

（1-4）

Φv的計(jì)量單位為流(明)（lm）。顯然，輻（射）通量對(duì)時(shí)間的積分稱為輻（射）能，而光通量對(duì)時(shí)間的積分稱為光能。3.輻(射)出(射)度和光出(射)度

對(duì)有限大小面積A的面光源，表面某點(diǎn)處的面元向半球面空間內(nèi)發(fā)射的輻通量dΦe與該面元面積dA之比，定義為輻(射)出(射)度Me，即

（1-5）Me的計(jì)量單位是瓦（特）每平方米[W／m2]。面光源A向半球面空間內(nèi)發(fā)射的總輻通量為（1-6）

對(duì)于可見(jiàn)光，面光源A表面某一點(diǎn)處的面元向半球面空間發(fā)射的光通量dΦv、與面元面積dA之比稱為光出(射)度Mv，即

（1-7）其計(jì)量單位為勒(克司)[lx]或[lm/m2]。

對(duì)均勻發(fā)射輻射的面光源有由式（1-7），面光源向半球面空間發(fā)射的總光通量為

（1-8）（1-9）4.輻(射)強(qiáng)度和發(fā)光強(qiáng)度

對(duì)點(diǎn)光源在給定方向的立體角元dΩ內(nèi)發(fā)射的輻通量dΦe，與該方向立體角元dΩ之比定義為點(diǎn)光源在該方向的輻(射)強(qiáng)度Ie，即

輻(射)強(qiáng)度的計(jì)量單位為瓦（特）每球面度

[W／sr]。

點(diǎn)光源在有限立體角Ω內(nèi)發(fā)射的輻通量為

各向同性的點(diǎn)光源向所有方向發(fā)射的總輻通量為

（1-10）（1-11）（1-12）對(duì)可見(jiàn)光，與式（1-9）類似，定義發(fā)光強(qiáng)度為

對(duì)各向同性的點(diǎn)光源向所有方向發(fā)射的總光通量為

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。

（1-13）（1-14）

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540×1012Hz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]。

由式（1-13），對(duì)發(fā)光強(qiáng)度為1cd的點(diǎn)光源，向給定方向1球面度(sr)內(nèi)發(fā)射的光通量定義為1流明（lm）。

發(fā)光強(qiáng)度為1cd的點(diǎn)光源在整個(gè)球空間所發(fā)出的總光通量為=4πIＶ＝12.566lm。5.輻(射)亮度和亮度光源表面某一點(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

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／（sr·m2）]。（1-15）

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[cd／m2]。（1-16）

若Le，Lv與光源發(fā)射輻射的方向無(wú)關(guān)，且由式（1-15）、（1-16）表示，這樣的光源稱為余弦輻射體或朗伯輻射體。黑體是一個(gè)理想的余弦輻射體，而一般光源的亮度多少與方向有關(guān)。粗糙表面的輻射體或反射體及太陽(yáng)等是一個(gè)近似的余弦輻射體。余弦輻射體表面某面元dS處向半球面空間發(fā)射的通量為式中，。光學(xué)系統(tǒng)CCD2

對(duì)上式在半球面空間內(nèi)積分的結(jié)果為由上式得到余弦輻射體的Me與Le、Mv與Lv的關(guān)系為

（1-17）（1-18）6.輻(射)效率與發(fā)光效率

光源所發(fā)射的總輻射通量Φe與外界提供給光源的功率P之比稱為光源的輻(射)效率ηe；光源發(fā)射的總光通量Φv與提供的功率P之比稱為發(fā)光效率ηv。它們分別為

輻效率ηe無(wú)量綱，發(fā)光效率ηv的計(jì)量單位是流明每瓦[lm·W-1]。

對(duì)限定在波長(zhǎng)λ1～λ2范圍內(nèi)的輻效率

式中,Φeλ稱為光源輻射通量的光譜密集度，簡(jiǎn)稱為光譜輻射通量。

（1-19）（1-20）（1-21）1.1.2

與接收器有關(guān)的輻射度參數(shù)與光度參數(shù)

從接收器的角度討論輻射度與光度的參數(shù)稱為與接收器有關(guān)的輻射度參數(shù)與光度參數(shù)。接收光源發(fā)射輻射的接收器可以是探測(cè)器，也可以是反射輻射的反射器，或兩者兼有。與接收器有關(guān)的輻射度參數(shù)與光度參數(shù)有以下2種。

1.輻照度與照度

輻照度Ee是照射到物體表面某一點(diǎn)處面元的輻通量dΦe除以該面元的面積dA的商，即

Ee的計(jì)量單位是瓦（特）每平方米[W／m2]。（1-22）若輻通量是均勻地照射在物體表面上，則式（1-22）簡(jiǎn)化為注意，不要把輻照度Ee與輻出度Me混淆起來(lái)。雖然兩者單位相同，但定義不一樣。輻照度是從物體表面接收輻射通量的角度來(lái)定義的，輻出度是從面光源表面發(fā)射輻射的角度來(lái)定義的。

被測(cè)物光學(xué)系統(tǒng)2CCD2重疊部分(1-23)本身不輻射的反射體接收輻射后，吸收一部分，反射一部分。若把反射體當(dāng)做輻射體，則光譜輻出度Mer（λ）（r

代表反射）與輻射體接收的光譜輻照度Ee（λ）的關(guān)系為式中,ρe（λ）為輻射度光譜反射比，是波長(zhǎng)的函數(shù)。對(duì)式（1-24）的波長(zhǎng)積分，得到反射體的輻出度

(1-25)

(1-24)

對(duì)可見(jiàn)光，照射到物體表面某一面元的光通量dΦv除以該面元面積dA稱為光照度Ev，即（1-26）Ev的計(jì)量單位是勒（克司）[lx]。

對(duì)接收光的反射體，同樣有

（1-27）（1-28）式中，ρv（λ）為光度光譜反射比，是波長(zhǎng)的函數(shù)。

2.輻照量和曝光量

輻照量與曝光量是光電接收器接收輻射能量的重要度量參數(shù)，光電器件的輸出信號(hào)常與所接收的入射輻射能量有關(guān)。

照射到物體表面某一面元的輻照度Ee在時(shí)間t內(nèi)的積分稱為輻照量He，即

（1-29）輻照量He的計(jì)量單位是焦?fàn)柮科椒矫?/p>

[J/m2]。

如果面元上的輻照度Ee與時(shí)間無(wú)關(guān)，式（1-29）可簡(jiǎn)化為（1-30）

與輻照量He對(duì)應(yīng)的光度量是曝光量Hv，它定義為物體表面某一面元接收的光照度Ev在時(shí)間t內(nèi)的積分，即（1-31）Hv的計(jì)量單位是勒（克司）秒[lx.s]。

如果面元上的光照度Ev與時(shí)間無(wú)關(guān)，式（1-31）可簡(jiǎn)化為

1.2光譜輻射分布與量子流速率

1.2.1光源的光譜輻射分布參量

光源發(fā)射的輻射能在輻射光譜范圍內(nèi)是按波長(zhǎng)分布的。光源在單位波長(zhǎng)范圍內(nèi)發(fā)射的輻射量稱為輻射量的光譜密度Xe,λ，簡(jiǎn)稱為光譜輻射量，即

式中，通用符號(hào)Xe,λ是波長(zhǎng)的函數(shù)，代表所有的光譜輻射量，如光譜輻射通量Φe,λ、光譜輻射出度Me,λ、光譜輻射強(qiáng)度Ie,λ、光譜輻射亮度Le,λ、光譜輻照度Ee,λ等。

（1-32）

同樣，以符號(hào)Xv,λ表示光源在可見(jiàn)光區(qū)單位波長(zhǎng)范圍內(nèi)發(fā)射的光度量稱為光度量的光譜密集度，簡(jiǎn)稱為光譜光度量，即

式中，Xv,λ代表光譜光通量Φv,λ、光譜光出射度Mv,λ、光譜發(fā)光強(qiáng)度Iv,λ和光譜光照度Ev,λ等。

（1-33）

光源的輻射度參量Xe,λ隨波長(zhǎng)λ的分布曲線稱為該光源的絕對(duì)光譜輻射分布曲線。

該曲線任一波長(zhǎng)λ處的Xe,λ除以峰值波長(zhǎng)λmax處的光譜輻射量最大值Xe,λmax的商Xe,λr，稱為光源的相對(duì)光譜輻射量，即（1-34）相對(duì)光譜輻射量Xe,λr與波長(zhǎng)λ的關(guān)系稱為光源相對(duì)光譜輻射分布。

光源在波長(zhǎng)λ1～λ2

范圍內(nèi)發(fā)射的輻射通量

（1-35）若積分區(qū)間從λ1=0到λ2→∞

，得到光源發(fā)出的所有波長(zhǎng)的總輻射通量

光源在波長(zhǎng)λ1

～λ2

之間的輻通量ΔΦe與總輻通量Φe之比稱為該光源的比輻射qe，即

式中，qe沒(méi)有量綱。

（1-36）（1-37）1.2.2量子流速率

光源發(fā)射的輻射功率是每秒鐘發(fā)射光子能量的總和。光源在給定波長(zhǎng)λ處,由λ到波長(zhǎng)范圍內(nèi)發(fā)射的輻射通量dΦe除以該波長(zhǎng)λ的光子能量hv，得到光源在該波長(zhǎng)λ處每秒鐘發(fā)射的光子數(shù)，稱為光譜量子流速率dNe,λ，即

光源在波長(zhǎng)λ為0→∞范圍內(nèi)發(fā)射的總量子流速率

（1-38）（1-39）對(duì)可見(jiàn)光區(qū)域，光源每秒發(fā)射的總光子數(shù)

量子流速率Ne或Nv的計(jì)量單位為輻射元的光子數(shù)每秒[1/s]。

（1-40）1.3物體熱輻射物體通常以兩種不同形式發(fā)射輻射能量。第一種稱為熱輻射。第二種稱為發(fā)光。1.3.1黑體輻射定律1.黑體

能夠完全吸收從任何角度入射的任何波長(zhǎng)的輻射，并且在每一個(gè)方向都能最大可能地發(fā)射任意波長(zhǎng)輻射能的物體稱為黑體。顯然，黑體的吸收系數(shù)為1，發(fā)射系數(shù)也為1。2.普朗克輻射定律

黑體為理想的余弦輻射體，其光譜輻射出射度Me,s,λ（角標(biāo)“s”表示黑體）由普朗克公式表示為

式中，k為波爾茲曼常數(shù)；h為普朗克常數(shù)；T為絕對(duì)溫度；c為真空中的光速。

（1-40）

黑體光譜輻亮度Le,s,λ和光譜輻強(qiáng)度Ie,s,λ分別為（1-41）圖1-2繪出了黑體輻射的相對(duì)光譜輻亮度Le,s,λr與波長(zhǎng)的等溫關(guān)系曲線。圖中每一條曲線都有一個(gè)最大值，最大值的位置隨溫度升高向短波方向移動(dòng)。

將式（1-40）對(duì)波長(zhǎng)λ求積分，得到黑體發(fā)射的總輻射出射度

（1-42）式中，σ是斯特藩-波爾茲曼常數(shù)，它由下式?jīng)Q定

由式（1-42），Me,s與T的四次方成正比

3.斯忒藩-波爾茲曼定律將普朗克公式（1-40）對(duì)波長(zhǎng)λ求微分后令其等于0，則可以得到峰值光譜輻射出射度所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λm與絕對(duì)溫度T的關(guān)系為

(μm)

（1-43）

可見(jiàn)，峰值光譜輻出度對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)與絕對(duì)溫度的乘積是常數(shù)。當(dāng)溫度升高時(shí)，峰值光譜輻射出射度對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)向短波方向位移，這就是維恩位移定律。

4.維恩位移定律將式（1-43）代入式（1-40），得到黑體的峰值光譜輻出度

W·cm-2·μm-1·K-5

以上三個(gè)定律統(tǒng)稱為黑體輻射定律。

例1-1

若可以將人體作為黑體，正常人體溫的為36.5℃，（1）試計(jì)算正常人體所發(fā)出的輻射出射度為多少W/m2？（2）正常人體的峰值輻射波長(zhǎng)為多少μm？峰值光譜輻射出射度Me,s,λm為多少？（3）人體發(fā)燒到38℃時(shí)峰值輻射波長(zhǎng)為多少？發(fā)燒時(shí)的峰值光譜輻射出射度Me,s,λm又為多少？解

（1）人體正常體的絕對(duì)溫度為T=36.5+273=309.5K，根據(jù)斯特藩-波爾茲曼輻射定律，正常人體所發(fā)出的輻射出射度為

（2）由維恩位移定律，正常人體的峰值輻射波長(zhǎng)為

(μm)=9.36μm

峰值光譜輻射出射度為

Wcm-2μm-1

=3.72Wcm-2μm-1

（3）人體發(fā)燒到38℃時(shí)峰值輻射波長(zhǎng)為

發(fā)燒時(shí)的峰值光譜輻射出射度為

=3.81Wcm-2μm-1

例1-2將標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈為黑體時(shí)，試計(jì)算它的峰值輻射波長(zhǎng)，峰值光譜輻射出射度和它的總輻射出射度。解

標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈的溫度為TW=2856K，因此它的峰值輻射波長(zhǎng)為

(μm)

峰值光譜輻射出射度為

=1.309×28565×10-15

=248.7Wcm-2μm-1

總輻射出射度為

光學(xué)系統(tǒng)CCD2

輻射度參數(shù)與光度參數(shù)是從不同角度對(duì)光輻射進(jìn)行度量的參數(shù)，這些參數(shù)在一定光譜范圍內(nèi)（可見(jiàn)光譜區(qū)）經(jīng)常相互使用，它們之間存在著一定的轉(zhuǎn)換關(guān)系；有些光電傳感器件采用光度參數(shù)標(biāo)定其特性參數(shù)，而另一些器件采用輻射度參數(shù)標(biāo)定其特性參數(shù)，因此討論它們之間的轉(zhuǎn)換是很重要的。本節(jié)將重點(diǎn)討論它們的轉(zhuǎn)換關(guān)系，掌握了這些轉(zhuǎn)換關(guān)系，就可以對(duì)用不同度量參數(shù)標(biāo)定的光電器件靈敏度等特性參數(shù)進(jìn)行比較。1.4輻射度參數(shù)與光度參數(shù)的關(guān)系用各種單色輻射分別刺激正常人（標(biāo)準(zhǔn)觀察者）眼的錐狀細(xì)胞，當(dāng)刺激程度相同時(shí)，發(fā)現(xiàn)波長(zhǎng)=0.555μm處的光譜輻射亮度Le,λm小于其它波長(zhǎng)的光譜輻亮度Le,λ。把波長(zhǎng)=0.555μm的光譜輻射亮度Le,λm被其它波長(zhǎng)的光譜輻亮度Le,λ除得的商，定義為正常人眼的明視覺(jué)光譜光視效率V（λ），即

（1-54）

1.4.1人眼的視覺(jué)靈敏度如圖1-5所示為人眼的明視覺(jué)光譜光視效率V（λ），它為與波長(zhǎng)有關(guān)的相對(duì)值。對(duì)正常人眼的圓柱細(xì)胞，以微弱的各種單色輻射刺激時(shí)，發(fā)現(xiàn)在相同刺激程度下，波長(zhǎng)為處的光譜輻射亮度Le，507nm小于其他波長(zhǎng)λ的光譜輻射亮度

Le,λ。把

Le，507nm與Le,λ的比值定義為正常人眼的暗視覺(jué)光譜光視效率，即

V`(λ）也是一個(gè)無(wú)量綱的相對(duì)值，它與波長(zhǎng)的關(guān)系如圖1-5中的虛線所示。(1-55)

對(duì)于正常人眼的圓柱細(xì)胞，以微弱的各種單色輻射刺激時(shí)，發(fā)現(xiàn)在相同刺激程度下，波長(zhǎng)為處的光譜輻射亮度Le，507nm小于其他波長(zhǎng)λ的光譜輻射亮度

Le,λ。把

Le，507nm與Le,λ的比值定義為正常人眼的暗視覺(jué)光譜光視效率，即1.4.2人眼的光譜光視效能

無(wú)論是錐狀細(xì)胞還是柱狀細(xì)胞，單色輻射對(duì)其刺激的程度與Le,λ成正比。

對(duì)于明視覺(jué)，刺激程度平衡的條件為

（1-56）式中，Km為人眼的明視覺(jué)最靈敏波長(zhǎng)的光度參量對(duì)輻射度參量的轉(zhuǎn)換常數(shù)，其值為683lm/W。

對(duì)于暗視覺(jué)，為

式中，K'm為人眼的明視覺(jué)最靈敏波長(zhǎng)的光度參量對(duì)輻射度參量的轉(zhuǎn)換常數(shù)，其值為1725lm/W。

引進(jìn)，K（λ），并令

（1-58）（1-57）（1-59）

式中，K（λ），K`（λ）分別稱為人眼的明視覺(jué)和暗視覺(jué)光譜光視效能。由式（1-58）、（1-59），在人眼最敏感的波長(zhǎng)λ=0.555μm，λ=0.507μm處，分別有V（λm）=1，V`（λm）=1，這時(shí)K（λm）=Km，K`（λm

）=Km`。因此，Km，Km`分別稱為正常人眼的明視覺(jué)最大光譜光視效能和暗視覺(jué)最大光譜光視效能。根據(jù)式（1-58）和（1-59），可以將任何光譜輻射量轉(zhuǎn)換成光譜光度量。CCD2重疊部分例1-3

已知某He-Ne激光器的輸出功率為3mW，試計(jì)算其發(fā)出的光通量為多少lm？解

He-Ne激光器輸出的光為光譜輻射通量，根據(jù)式（1-56）可以計(jì)算出它發(fā)出的光通量為Φv,λ=Kλ,eΦe,λ=KmV(λ)Φe,λ

=683×0.24×3×10-3=0.492(lm)1.4.3輻射體光視效能

一個(gè)熱輻射體發(fā)射的總光通量Φv與總輻射通量Φe之比，稱為該輻射體的光視效能K，即

對(duì)發(fā)射連續(xù)光譜輻射的熱輻射體，由上式及式（1-58）可得總光通量Φv為

(1-60)(1-61)將式（1-35）、（1-61）代入式（1-60），得到（1-62）式中,V是輻射體的光視效率。

標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈發(fā)光光譜的分布如圖1-7所示，圖中的曲線分別為標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈的相對(duì)光譜輻射分、光譜光視效率V（λ）和光譜光視效率與相對(duì)光譜輻射分布之積，積分

為曲線所圍的面積Al，而積分

面積A2。因此，由(1-62)可得標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈的光視效能Kw為lm/W

由式（1-60），已知某種輻射體的光視效能K和輻射量Xe，就能夠計(jì)算出該輻射體的光度量Xv，該式是輻射體的輻射量和光度量的轉(zhuǎn)換關(guān)系式。

例如，對(duì)于色溫為2856K的標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈其光視效能為17lm/W，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈發(fā)出的輻射通量為Φe＝100W時(shí)，其光通量為Φv=1710lm。由此可見(jiàn)，色溫越高的輻射體，它的可見(jiàn)光的成分越多，光視效能越高，光度量也越高。白熾鎢絲燈的供電電壓降低時(shí)，燈絲溫度降低，燈的可見(jiàn)光部分的光譜減弱，光視效能降低，用照度計(jì)檢測(cè)光照度時(shí)，照度將顯著下降。1.5半導(dǎo)體對(duì)光的吸收

1.5.1物質(zhì)對(duì)光吸收的一般規(guī)律

光波入射到物質(zhì)表面上，用透射法測(cè)定光通量的衰減時(shí)，發(fā)現(xiàn)通過(guò)路程dx的光通量變化dΦ與入射的光通量Φ和路程dx的乘積成正比，即

（1-63）式中，α稱為吸收系數(shù)。

如圖1-8所示，利用初始條件x=0時(shí)

，解這個(gè)微分方程，可以找到通過(guò)x路程的光通量為

（1-64）可見(jiàn)，當(dāng)光在物質(zhì)中傳播時(shí)，透過(guò)的能量衰減到原來(lái)能量的e-1時(shí)所透過(guò)的路程的倒數(shù)等于該物質(zhì)的吸收系數(shù)α，即

（1-65）另外，根據(jù)電動(dòng)力學(xué)理論，平面電磁波在物質(zhì)中傳播時(shí)，其電矢量和磁矢量都按指數(shù)規(guī)律

exp(-ωμxc-1)衰減。

（1-66）乘積的其實(shí)數(shù)部分應(yīng)是輻射通量隨傳播路徑x的變化關(guān)系。即

式中，μ稱為消光系數(shù)。

由此可以得出

（1-67）

半導(dǎo)體的消光系數(shù)μ與入射光的波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，表明它對(duì)愈短波長(zhǎng)的光吸收愈強(qiáng)。（1-68）

普通玻璃的消光系數(shù)μ也與波長(zhǎng)λ無(wú)關(guān)，因此，它們對(duì)短波長(zhǎng)輻射的吸收比長(zhǎng)波長(zhǎng)強(qiáng)。

當(dāng)不考慮反射損失時(shí)，吸收的光通量應(yīng)為

1.5.2半導(dǎo)體對(duì)光的吸收

在不考慮熱激發(fā)和雜質(zhì)的作用時(shí)，半導(dǎo)體中的電子基本上處于價(jià)帶中，導(dǎo)帶中的電子很少。當(dāng)光入射到半導(dǎo)體表面時(shí)，原子外層價(jià)電子吸收足夠的光子能量，越過(guò)禁帶，進(jìn)入導(dǎo)帶，成為可以自由運(yùn)動(dòng)的自由電子。同時(shí)，在價(jià)帶中留下一個(gè)自由空穴，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。如圖1-9所示，半導(dǎo)體價(jià)帶電子吸收光子能量躍遷入導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子空穴對(duì)的現(xiàn)象稱為本征吸收。

顯然，發(fā)生本征吸收的條件是光子能量必須大于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg，才能使價(jià)帶EV上的電子吸收足夠的能量躍入到導(dǎo)帶底能級(jí)EC之上，即由此，可以得到發(fā)生本征吸收的光波長(zhǎng)波限

（1-69）（1-70）只有波長(zhǎng)短于的入射輻射才能使器件產(chǎn)生本征吸收，改變本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。

2.雜質(zhì)吸收

N型半導(dǎo)體中未電離的雜質(zhì)原子（施主原子）吸收光子能量hv。若hv大于等于施主電離能ΔED，雜質(zhì)原子的外層電子將從雜質(zhì)能級(jí)（施主能級(jí)）躍入導(dǎo)帶，成為自由電子。

同樣，P型半導(dǎo)體中，價(jià)帶上的電子吸收了能量hv大于ΔEA（受主電離能）的光子后，價(jià)電子躍入受主能級(jí)，價(jià)帶上留下空穴。相當(dāng)于受主能級(jí)上的空穴吸收光子能量躍入價(jià)帶。

這兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體吸收足夠能量的光子，產(chǎn)生電離的過(guò)程稱為雜質(zhì)吸收。

顯然，雜質(zhì)吸收的長(zhǎng)波限

（1-71）（1-72）由于Eg>ΔED或ΔEA，因此，雜質(zhì)吸收的長(zhǎng)波長(zhǎng)總要長(zhǎng)于本征吸收的長(zhǎng)波長(zhǎng)。雜質(zhì)吸收會(huì)改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性，也會(huì)引起光電效應(yīng)。

3.激子吸收

當(dāng)入射到本征半導(dǎo)體上的光子能量hv小于Eg，或入射到雜質(zhì)半導(dǎo)體上的光子能量hv小于雜質(zhì)電離能（ΔED或ΔEA）時(shí)，電子不產(chǎn)生能帶間的躍遷成為自由載流子，仍受原來(lái)束縛電荷的約束而處于受激狀態(tài)。這種處于受激狀態(tài)的電子稱為激子。吸收光子能量產(chǎn)生激子的現(xiàn)象稱為激子吸收。顯然，激子吸收不會(huì)改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。

4.自由載流子吸收

對(duì)于一般半導(dǎo)體材料，當(dāng)入射光子的頻率不夠高時(shí)，不足以引起電子產(chǎn)生能帶間的躍遷或形成激子時(shí)，仍然存在著吸收，而且其強(qiáng)度隨波長(zhǎng)增大而增強(qiáng)。這是由自由載流子在同一能帶內(nèi)的能級(jí)間的躍遷所引起的，稱為自由載流子吸收。自由載流子吸收不會(huì)改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。

5.晶格吸收

晶格原子對(duì)遠(yuǎn)紅外譜區(qū)的光子能量的吸收直接轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裾駝?dòng)動(dòng)能的增加，在宏觀上表現(xiàn)為物體溫度升高，引起物質(zhì)的熱敏效應(yīng)。以上五種吸收中，只有本征吸收和雜質(zhì)吸收能夠直接產(chǎn)生非平衡載流子，引起光電效應(yīng)。其他吸收都程度不同地把輻射能轉(zhuǎn)換為熱能，使器件溫度升高，使熱激發(fā)載流子運(yùn)動(dòng)的速度加快，而不會(huì)改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。

1.6

光電效應(yīng)

光與物質(zhì)作用產(chǎn)生的光電效應(yīng)分為內(nèi)光電效應(yīng)與外光電效應(yīng)兩類。內(nèi)光電效應(yīng)是被光激發(fā)所產(chǎn)生的載流子（自由電子或空穴）仍在物質(zhì)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，使物質(zhì)的電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生伏特的現(xiàn)象。而被光激發(fā)產(chǎn)生的電子逸出物質(zhì)表面，形成真空中的電子的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。本節(jié)主要討論內(nèi)光電效應(yīng)與外光電效應(yīng)的基本原理。

1.6.1內(nèi)光電效應(yīng)

1.光電導(dǎo)效應(yīng)

光電導(dǎo)效應(yīng)可分為本征光電導(dǎo)效應(yīng)與雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)兩種，本征半導(dǎo)體或雜質(zhì)半導(dǎo)體價(jià)帶中的電子吸收光子能量躍入導(dǎo)帶產(chǎn)生本征吸收，導(dǎo)帶中產(chǎn)生光生自由電子，價(jià)帶中產(chǎn)生光生自由空穴。光生電子與空穴使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生變化。這種在光的作用下由本征吸收引起的半導(dǎo)體電導(dǎo)率的變化現(xiàn)象稱為本征光電導(dǎo)效應(yīng)。

通量為Φe,λ的單色輻射入射到如圖1-10所示的半導(dǎo)體上，波長(zhǎng)λ的單色輻射全部被吸收，則光敏層單位時(shí)間所吸收的量子數(shù)密度Ne,λ應(yīng)為

(1-73)

光敏層每秒產(chǎn)生的電子數(shù)密度Ge為

（1-74）

在熱平衡狀態(tài)下，半導(dǎo)體的熱電子產(chǎn)生率Gt與熱電子復(fù)合率rt相平衡。光敏層內(nèi)電子總產(chǎn)生率應(yīng)為熱電子產(chǎn)生率Gt與光電子產(chǎn)生率Ge之和

（1-75）

導(dǎo)帶中的電子與價(jià)帶中的空穴的總復(fù)合率R應(yīng)為

（1-76）

式中，Kf為載流子的復(fù)合幾率，Δn為導(dǎo)帶中的光生電子濃度，Δp為導(dǎo)帶中的光生空穴濃度，ni與pi分別為熱激發(fā)電子與空穴的濃度。

同樣，熱電子復(fù)合率與導(dǎo)帶內(nèi)熱電子濃度ni及價(jià)帶內(nèi)空穴濃度pi的乘積成正比。即

（1-77）

在熱平衡狀態(tài)載流子的產(chǎn)生率應(yīng)與符合率相等。即

（1-78）

在非平衡狀態(tài)下，載流子的時(shí)間變化率應(yīng)等于載流子的總產(chǎn)生率與總復(fù)合率的差。即

（1-79）

下面分為兩種情況討論：（1）在微弱輻射作用下，光生載流子濃度Δn遠(yuǎn)小于熱激發(fā)電子濃度ni，光生空穴濃度Δp遠(yuǎn)小于熱激發(fā)空穴的濃度pi，并考慮到本征吸收的特點(diǎn)，Δn=Δp，式（1-79）可簡(jiǎn)化為

利用初始條件t=0時(shí)，Δn=0，解微分方程得

（1-80）

式中τ=1/Kf(ni+pi)稱為載流子的平均壽命。

由式（1-80）可見(jiàn)，光激發(fā)載流子濃度隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)t>>τ時(shí)，載流子濃度Δn達(dá)到穩(wěn)態(tài)值Δn0，即達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)

（1-81）

光激發(fā)載流子引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率的變化Δσ為

（1-82）

式中，μ為電子遷移率μn與空穴遷移率μp之和。

半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)g為

（1-83）

可以看出，在弱輻射作用下的半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)與入射輻射通量Φe,λ成線性關(guān)系。求導(dǎo)可得

由此可得半導(dǎo)體材料在弱輻射作用下的光電導(dǎo)靈敏度Sg

（1-85）

可見(jiàn)，在弱輻射作用下的半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)靈敏度為與材料性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，與光電導(dǎo)材料兩電極間的長(zhǎng)度l的平方成反比。

（2）在強(qiáng)輻射的作用下，Δn>>ni，Δp>>pi（1-79）式可以簡(jiǎn)化為

利用初始條件t=0時(shí)，Δn=0，解微分方程得

（1-86）

式中，為強(qiáng)輻射作用下載流子的平均壽命。

強(qiáng)輻射情況下，半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)與入射輻射通量間的關(guān)系為

（1-87）

拋物線關(guān)系。

進(jìn)行微分得

（1-88）

在強(qiáng)輻射作用的情況下半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)靈敏度不僅與材料的性質(zhì)有關(guān)而且與入射輻射量有關(guān)，是非線性的。

2.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(kāi)，并分別向如圖1-11所示的方向運(yùn)動(dòng)，

形成光生伏特電壓或光生電流的現(xiàn)象。

半導(dǎo)體PN結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)如圖1-12所示，當(dāng)P型與N型半導(dǎo)體形成PN結(jié)時(shí)，P區(qū)和N區(qū)的多數(shù)載流子要進(jìn)行相對(duì)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，以便平衡它們的費(fèi)米能級(jí)差，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)平衡時(shí)，它們具有如圖所示的同一費(fèi)米能級(jí)EF，并在結(jié)區(qū)形成由正負(fù)離子組成的空間電荷區(qū)或耗盡區(qū)。當(dāng)設(shè)定內(nèi)建電場(chǎng)的方向?yàn)殡妷号c電流的正方向時(shí)，將PN結(jié)兩端接入適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻RL，若入射輻射通量為Φe,λ的輻射作用于PN結(jié)上，則有電流I流過(guò)負(fù)載電阻，并在負(fù)載電阻RL的兩端產(chǎn)生壓降U，流過(guò)負(fù)載電阻的電流應(yīng)為

（1-89）

式中，IΦ為光生電流，ID為暗電流。當(dāng)然，從（1-89）式也可以獲得IΦ的另一種定義，當(dāng)U=0（PN結(jié)被短路）時(shí)的輸出電流ISC即短路電流，并有

（1-90）

同樣，當(dāng)I=0時(shí)（PN結(jié)開(kāi)路），PN結(jié)兩端的開(kāi)路電壓UOC為

（1-91）

光電二極管在反向偏置的情況下，輸出的電流為

I=IΦ+ID

（1-92）

光電二極管的暗電流ID一般要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光電流IΦ，因此，常將其忽略。光電二極管的電流與入射輻射成線性關(guān)系

（1-93）3.丹培（Dember）效應(yīng)

如圖1-13所示，當(dāng)半導(dǎo)體材料的一部分被遮蔽，另一部分被光均勻照射時(shí)，在曝光區(qū)產(chǎn)生本征吸收的情況下，將產(chǎn)生高密度的電子與空穴載流子，而遮蔽區(qū)的載流子濃度很低，形成濃度差。

這種由于載流子遷移率的差別產(chǎn)生受照面與遮光面之間的伏特現(xiàn)象稱為丹培效應(yīng)。

丹培效應(yīng)產(chǎn)生的光生電壓可由下式計(jì)算

式中，n0與p0為熱平衡載流子的濃度；Δn0為半導(dǎo)體表面處的光生載流子濃度；μn與μp分別為電子與空穴的遷移率。μn=1400cm2/(V·s)，而μp=500cm2/(V·s)，顯然，μn>>μp。

半導(dǎo)體的迎光面帶正電，背光面帶負(fù)電，產(chǎn)生光生伏特電壓。稱這種由于雙極性載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)速率不同而產(chǎn)生的光生伏特現(xiàn)象為丹培效應(yīng)。

4.光磁電效應(yīng)

在半導(dǎo)體上外加磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的方向與光照方向垂直，當(dāng)半導(dǎo)體受光照射產(chǎn)生丹培效應(yīng)時(shí)，由于電子和空穴在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)必然受到洛倫茲力的作用，使它們的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，空穴向半導(dǎo)體的上方偏轉(zhuǎn)，電子偏向下方。

結(jié)果在垂直于光照方向與磁場(chǎng)方向的半導(dǎo)體上下表面上產(chǎn)生伏特電壓，稱為光磁電場(chǎng)。這種現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的光磁電效應(yīng)。

光磁電場(chǎng)為

（1-95）

式中，Δp0，Δpd分別為x=0，x=d處n型半導(dǎo)體在光輻射作用下激發(fā)出的少數(shù)載流子（空穴）的濃度；D為雙極性載流子的擴(kuò)散系數(shù)，在數(shù)值上等于

（1-96）

其中，Dn與Dp分別為電子與空穴的擴(kuò)散系數(shù)。

5.光子牽引效應(yīng)

當(dāng)光子與半導(dǎo)體中的自由載流子作用時(shí)，光子把動(dòng)量傳遞給自由載流子，自由載流子將順著光線的傳播方向做相對(duì)于晶格的運(yùn)動(dòng)。結(jié)果，在開(kāi)路的情況下，半導(dǎo)體樣品將產(chǎn)生電場(chǎng)，它阻止載流子的運(yùn)動(dòng)。這個(gè)現(xiàn)象被稱為光子牽引效應(yīng)。在室溫下，P型鍺光子牽引探測(cè)器的光電靈敏度為

1.6.2光電發(fā)射效應(yīng)

當(dāng)物質(zhì)中的電子吸收足夠高的光子能量，電子將逸出物質(zhì)表面成為真空中的自由電子，這種現(xiàn)象稱為光電發(fā)射效應(yīng)或稱為外光電效應(yīng)。外光電效應(yīng)中光電能量轉(zhuǎn)換的基本關(guān)系為

（1-99）

表明，具有能量的光子被電子吸收后，只要光子的能量大于光電發(fā)射材料的光電發(fā)射閾值Eth，則質(zhì)量為m的電子的初始動(dòng)能便大于0。

光電發(fā)射閾值Eth的概念是建立在材料的能帶結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的，對(duì)于金屬材料，由于它的能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖1-15所示，導(dǎo)帶與價(jià)帶連在一起，因此，它的光電發(fā)射閾值Eth等于真空能級(jí)與費(fèi)米能級(jí)之差

（1-100）式中，為真空能級(jí)，一般設(shè)為參考能級(jí)為0；費(fèi)米能級(jí)為低于真空能級(jí)的負(fù)值；因此光電發(fā)射閾值Eth大于0。

對(duì)于半導(dǎo)體，情況較為復(fù)雜，半導(dǎo)體分為本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體，雜質(zhì)半導(dǎo)體中又分為P型與N型雜質(zhì)半導(dǎo)體，其能級(jí)結(jié)構(gòu)不同，光電發(fā)射閾值的定義也不同。圖1-16所示為三種半導(dǎo)體的綜合能級(jí)結(jié)構(gòu)圖，由能級(jí)結(jié)構(gòu)圖可以得到處于導(dǎo)帶中的電子的光電發(fā)射閾值為

即導(dǎo)帶中的電子接收的能量大于電子親合勢(shì)為EA的光子后就可以飛出半導(dǎo)體表面。

而對(duì)于價(jià)帶中的電子，其光電發(fā)射閾值Eth為

（1-102）

光電發(fā)射長(zhǎng)波限為

（1-103）

利用具有光電發(fā)射效應(yīng)的材料也可以制成各種光電探測(cè)器件，這些器件統(tǒng)稱為光電發(fā)射器件。

光電發(fā)射器件具有許多不同于內(nèi)光電器件的特點(diǎn)：

1.電發(fā)射器件中的導(dǎo)電電子可以在真空中運(yùn)動(dòng)，因此，可以通過(guò)電場(chǎng)加速電子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，或通過(guò)電子的內(nèi)倍增系統(tǒng)提高光電探測(cè)靈敏度，使它能高速度地探測(cè)極其微弱的光信號(hào)，成為像增強(qiáng)器與變相器技術(shù)的基本元件。

2.很容易制造出均勻的大面積光電發(fā)射器件，這在光電成像器件方面非常有利。一般真空光電成像器件的空間分辨率要高于半導(dǎo)體光電圖像傳感器。

3.光電發(fā)射器件需要高穩(wěn)定的高壓直流電源設(shè)備，使得整個(gè)探測(cè)器體積龐大，功率損耗大，不適用于野外操作，造價(jià)也昂貴。

4.光電發(fā)射器件的光譜響應(yīng)范圍一般不如半導(dǎo)體光電器件寬。

習(xí)題11、12、13、15第2章光電導(dǎo)器件

某些物質(zhì)吸收了光子的能量產(chǎn)生本征吸收或雜質(zhì)吸收，從而改變了物質(zhì)電導(dǎo)率的現(xiàn)象稱為物質(zhì)的光電導(dǎo)效應(yīng)。利用具有光電導(dǎo)效應(yīng)的材料（如硅、鍺等本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體，硫化鎘、硒化鎘、氧化鉛等）可以制成電導(dǎo)隨入射光度量變化器件，稱為光電導(dǎo)器件或光敏電阻。光敏電阻具有體積小，堅(jiān)固耐用，價(jià)格低廉，光譜響應(yīng)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于微弱輻射信號(hào)的探測(cè)領(lǐng)域。

2.1光敏電阻的原理與結(jié)構(gòu)

2.1.1光敏電阻的基本原理

圖2-1所示為光敏電阻的原理圖與光敏電阻的符號(hào)，在均勻的具有光電導(dǎo)效應(yīng)的半導(dǎo)體材料的兩端加上電極便構(gòu)成光敏電阻。

當(dāng)光敏電阻的兩端加上適當(dāng)?shù)钠秒妷篣bb（如圖2-1所示的電路）后，便有電流Ip流過(guò)，用檢流計(jì)可以檢測(cè)到該電流。

2.1.2

光敏電阻的基本結(jié)構(gòu)

在第1章1.5.1節(jié)討論光電導(dǎo)效應(yīng)時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，光敏電阻在微弱輻射作用的情況下光電導(dǎo)靈敏度Sg與光敏電阻兩電極間距離l的平方成反比，參見(jiàn)（1-85）式；在強(qiáng)輻射作用的情況下光電導(dǎo)靈敏度Sg與光敏電阻兩電極間距離l的二分之三次方成反比，參見(jiàn)（1-88）式；都與兩電極間距離l有關(guān)。

根據(jù)光敏電阻的設(shè)計(jì)原則可以設(shè)計(jì)出如圖2-2所示的3種基本結(jié)構(gòu)，圖2-2（a）所示光敏面為梳形的結(jié)構(gòu)。

2.1.3典型光敏電阻

1、CdS光敏電阻

CdS光敏電阻是最常見(jiàn)的光敏電阻，它的光譜響應(yīng)特性最接近人眼光譜光視效率，它在可見(jiàn)光波段范圍內(nèi)的靈敏度最高，因此，被廣泛地應(yīng)用于燈光的自動(dòng)控制，照相機(jī)的自動(dòng)測(cè)光等。

CdS光敏電阻的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為0.52μm，CdSe光敏電阻為0.72μm，一般調(diào)整S和Se的比例，可使Cd（S，Se）光敏電阻的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)大致控制在0.52~0.72μm范圍內(nèi)。

CdS光敏電阻的光敏面常為如圖2-2（b）所示的蛇形光敏面結(jié)構(gòu)。

2、PbS光敏電阻

PbS光敏電阻是近紅外波段最靈敏的光電導(dǎo)器件。

PbS光敏電阻在2μm附近的紅外輻射的探測(cè)靈敏度很高，因此，常用于火災(zāi)的探測(cè)等領(lǐng)域。

PbS光敏電阻的光譜響應(yīng)和比探測(cè)率等特性與工作溫度有關(guān)，隨著工作溫度的降低其峰值響應(yīng)波長(zhǎng)和長(zhǎng)波長(zhǎng)將向長(zhǎng)波方向延伸，且比探測(cè)率D*增加。例如，室溫下的PbS光敏電阻的光譜響應(yīng)范圍為1~3.5μm，峰值波長(zhǎng)為2.4μm，峰值比探測(cè)率D*高達(dá)1×1011cm·Hz·W-1。當(dāng)溫度降低到（195K）時(shí)，光譜響應(yīng)范圍為1~4μm，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)移到2.8μm，峰值波長(zhǎng)的比探測(cè)率D*也增高到2×1011cm·Hz·W-1。

3、InSb光敏電阻

InSb光敏電阻是3~5μm光譜范圍內(nèi)的主要探測(cè)器件之一。

InSb材料不僅適用于制造單元探測(cè)器件，也適宜制造陣列紅外探測(cè)器件。

InSb光敏電阻在室溫下的長(zhǎng)波長(zhǎng)可達(dá)7.5μm，峰值波長(zhǎng)在6μm附近，比探測(cè)率D*約為1×1011cm·Hz·W-1。當(dāng)溫度降低到77K（液氮）時(shí)，其長(zhǎng)波長(zhǎng)由7.5μm縮短到5.5μm，峰值波長(zhǎng)也將移至5μm，恰為大氣的窗口范圍，峰值比探測(cè)率D*升高到2×1011cm·Hz·W-1。

4、Hg1-xCdxTe系列光電導(dǎo)探測(cè)器件

Hg1-xCdxTe系列光電導(dǎo)探測(cè)器件是目前所有紅外探測(cè)器中性能最優(yōu)良最有前途的探測(cè)器件，尤其是對(duì)于4~8μm大氣窗口波段輻射的探測(cè)更為重要。

Hg1-xCdxTe系列光電導(dǎo)體是由HgTe和CdTe兩種材料的晶體混合制造的，其中x標(biāo)明Cd元素含量的組分。在制造混合晶體時(shí)選用不同Cd的組分x，可以得到不同的禁帶寬度Eg，便可以制造出不同波長(zhǎng)響應(yīng)范圍的Hg1-xCdxTe探測(cè)器件。一般組分x的變化范圍為0.18~0.4，長(zhǎng)波長(zhǎng)的變化范圍為1~30μm。

2.2光敏電阻的基本特性

2.2.1光電特性

光敏電阻為多數(shù)電子導(dǎo)電的光電敏感器件，它與其他光電器件的特性的差別表現(xiàn)在它的基本特性參數(shù)上。光敏電阻的基本特性參數(shù)包含光電導(dǎo)特性、時(shí)間響應(yīng)、光譜響應(yīng)、伏安特性與噪聲特性等。

光敏電阻在黑暗的室溫條件下，由于熱激發(fā)產(chǎn)生的載流子使它具有一定的電導(dǎo)，該電導(dǎo)稱為暗電導(dǎo)。

當(dāng)有光照射在光敏電阻上時(shí)，它的電導(dǎo)將變大，這時(shí)的電導(dǎo)稱為光電導(dǎo)。電導(dǎo)隨光照量變化越大的光敏電阻就越靈敏。這個(gè)特性稱為光敏電阻的光電特性。

在1.5.1節(jié)討論光電導(dǎo)效應(yīng)時(shí)我們看到，光敏電阻在弱輻射和強(qiáng)輻射作用下表現(xiàn)出不同的光電特性（線性與非線性），式（1-84）與（1-87）分別給出了它在弱輻射和強(qiáng)輻射作用下的光電導(dǎo)與輻射通量的關(guān)系。

實(shí)際上，光敏電阻在弱輻射到強(qiáng)輻射的作用下，它的光電特性可用在“恒定電壓”作用下流過(guò)光敏電阻的電流Ip與作用到光敏電阻上的光照度E的關(guān)系曲線來(lái)描述，

（1-84）（1-87）

如圖2-3所示的特性曲線反應(yīng)了流過(guò)光敏電阻的電流Ip與入射光照度E間的變化關(guān)系，由圖可見(jiàn)它是由直線性漸變到非線性的。

在恒定電壓的作用下，流過(guò)光敏電阻的光電流Ip為

式中Sg為光電導(dǎo)靈敏度，E為光敏電阻的照度。顯然，當(dāng)照度很低時(shí)，曲線近似為線性，Sg由式（1-85）描述；隨照度的增高，線性關(guān)系變壞，當(dāng)照度變得很高時(shí)，曲線近似為拋物線形，Sg由式（1-87）描述。

光敏電阻的光電特性可用一個(gè)隨光度量變化的指數(shù)伽瑪（γ）來(lái)描述，并定義γ為光電轉(zhuǎn)換因子。并將式（2-1）改為

光電轉(zhuǎn)換因子在弱輻射作用的情況下為1（γ=1），隨著入射輻射的增強(qiáng)，γ值減小，當(dāng)入射輻射很強(qiáng)時(shí)，γ值降低到0.5。

在實(shí)際使用時(shí)，常常將光敏電阻的光電特性曲線改用如圖2-4所示的特性曲線。圖2-4所示為兩種坐標(biāo)框架的特性曲線，其中(a)為線性直角坐標(biāo)系中光敏電阻的阻值R與入射照度EV的關(guān)系曲線，而(b)為對(duì)數(shù)直角坐標(biāo)系下的阻值R與入射照度EV的關(guān)系曲線。

如圖2-4(b)所示的對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中光敏電阻的阻值R在某段照度EV范圍內(nèi)的光電特性表現(xiàn)為線性，即（2-2）式中的γ保持不變。

γ值為對(duì)數(shù)坐標(biāo)下特性曲線的斜率。即

（2-3）

R1與R2分別是照度為E1和E2時(shí)光敏電阻的阻值。

2.2.2

伏安特性

光敏電阻的本質(zhì)是電阻，符合歐姆定律。因此，它具有與普通電阻相似的伏安特性，但是它的電阻值是隨入射光度量而變化的。

利用圖2-1所示的電路可以測(cè)出在不同光照下加在光敏電阻兩端的電壓U與流過(guò)它的電流Ip的關(guān)系曲線，并稱其為光敏電阻的伏安特性。圖2-5所示為典型CdS光敏電阻的伏安特性曲線。2.2.3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。

圖2-6所示為典型CdS與CdSe光敏電阻在不同照度下的溫度特性曲線。以室溫（25℃）的相對(duì)光電導(dǎo)率為100%，觀測(cè)光敏電阻的相對(duì)光電導(dǎo)率隨溫度的變化關(guān)系，可以看出光敏電阻的相對(duì)光電導(dǎo)率隨溫度的升高而下降，光電響應(yīng)特性隨著溫度的變化較大。

2.2.4時(shí)間響應(yīng)

光敏電阻的時(shí)間響應(yīng)（又稱為慣性）比其他光電器件要差（慣性要大）些，頻率響應(yīng)要低些，而且具有特殊性。當(dāng)用一個(gè)理想方波脈沖輻射照射光敏電阻時(shí)，光生電子要有產(chǎn)生的過(guò)程，光生電導(dǎo)率Δσ要經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)停止輻射時(shí)，復(fù)合光生載流子也需要時(shí)間，表現(xiàn)出光敏電阻具有較大的慣性。光敏電阻的慣性與入射輻射信號(hào)的強(qiáng)弱有關(guān)，下面分別討論。

1.弱輻射作用情況下的時(shí)間響應(yīng)

t≥0t=0對(duì)于本征光電導(dǎo)器件在非平衡狀態(tài)下光電導(dǎo)率Δσ和光電流IΦ隨時(shí)間變化的規(guī)律為

(2-4)(2-5)當(dāng)t=τr時(shí)，Δσ=0.63Δσ0，IΦ=0.63IΦe0；

τr定義為光敏電阻的上升時(shí)間常數(shù)

停止輻射時(shí)，入射輻射通量Φe與時(shí)間的關(guān)系為t=0t≥0光電導(dǎo)率和光電流隨時(shí)間變化的規(guī)律為

光電導(dǎo)率和光電流隨時(shí)間變化的規(guī)律為

（2-6）

（2-7）

顯然，光敏電阻在弱輻射作用下的上升時(shí)間常數(shù)τr與下降時(shí)間常數(shù)τf近似相等。

2.強(qiáng)輻射作用情況下的時(shí)間響應(yīng)

t=0t≥0t=0t≥0（2-8）

（2-9）

光敏電阻電導(dǎo)率的變化規(guī)律為

其光電流的變化規(guī)律為

（2-10）

（2-11）

停止輻射時(shí)光電導(dǎo)率和光電流的變化規(guī)律可表示為

2.2.5噪聲特性

光敏電阻的主要噪聲有熱噪聲、產(chǎn)生復(fù)合和低頻噪聲(或稱1/f噪聲)。

1、熱噪聲

2、產(chǎn)生復(fù)合噪聲

3、低頻噪聲（電流噪聲）

總噪聲2.2.6光譜響應(yīng)

光敏電阻的光譜響應(yīng)主要由光敏材料禁帶寬度、雜質(zhì)電離能、材料摻雜比與摻雜濃度等因素有關(guān)。

2.3光敏電阻的變換電路2.3.1基本偏置電路

設(shè)在某照度Ev下，光敏電阻的阻值為R，電導(dǎo)為g，流過(guò)偏置電阻RL的電流為IL

用微變量表示

而，dR=d(1/g)=(-1/g)dgdg=SdE因此

22gv設(shè)iL=dIL，ev=dEv，則

加在光敏電阻上的電壓為R與RL對(duì)電壓Ubb的分壓，即UR=R/(R+RL)Ubb，因此，光電流的微變量為

將式（2-22）代入式（2-21）得

（2-21）（2-22）（2-20）（2-23）偏置電阻RL兩端的輸出電壓為

從式（2-24）可以看出，當(dāng)電路參數(shù)確定后，輸出電壓信號(hào)與弱輻射入射輻射量（照度ev）成線性關(guān)系。

（2-24）2.3.2恒流電路

在簡(jiǎn)單偏置電路中，當(dāng)RL?R時(shí)，流過(guò)光敏電阻的電流基本不變，此時(shí)的偏置電路稱為恒流電路。然而，光敏電阻自身的阻值已經(jīng)很高，再滿足恒流偏置的條件就難以滿足電路輸出阻抗的要求，為此，可引入如圖2-13所示的晶體管恒流偏置電路。

穩(wěn)壓管DW將晶體三極管的基極電壓穩(wěn)定，即UB=UW，流過(guò)晶體三極管發(fā)射極的電流Ie

為

（2-25）

在晶體管恒流偏置電路中輸出電壓Uo為

求微分得

將代入（2-27）得

（2-27）（2-26）或

顯然，恒流偏置電路的電壓靈敏度SV為

（2-28）（2-29）（2-30）2.3.3恒壓電路

利用晶體三極管很容易構(gòu)成光敏電阻的恒壓偏置電路。如圖2-14所示為典型的光敏電阻恒壓偏置電路。

光敏電阻在恒壓偏置電路的情況下輸出的電流IP與處于放大狀態(tài)的三極管發(fā)射極電流Ie近似相等。因此，恒壓偏置電路的輸出電壓為

取微分，則得到輸出電壓的變化量為

dUo=－RcdIc=－RcdIe=RcSgUwdφ

2.3.4例題

例2-1在如圖2-13所示的恒流偏置電路中，已知電源電壓為12V，Rb為820Ω，Re為3.3kΩ，三極管的放大倍率不小于80，穩(wěn)壓二極管的輸出電壓為4V，光照度為40lx時(shí)輸出電壓為6V，80lx時(shí)為8V。（設(shè)光敏電阻在30到100lx之間的值不變）

試求：（1）輸出電壓為7伏的照度為多少勒克司？（2）該電路的電壓靈敏度（V/lx）。

解

根據(jù)已知條件，流過(guò)穩(wěn)壓管DW的電流滿足穩(wěn)壓二極管的工作條件

（1）根據(jù)題目給的條件，可得到不同光照下光敏電阻的阻值

將Re1與Re2值代入γ值計(jì)算公式，得到光照度在40~80lx之間的γ值

輸出為7V時(shí)光敏電阻的阻值應(yīng)為

此時(shí)的光照度可由γ值計(jì)算公式獲得

E3=54.45（lx）

（2）電路的電壓靈敏度SV

例2-2

在如圖2-14所示的恒壓偏置電路中，已知DW為2CW12型穩(wěn)壓二極管，其穩(wěn)定電壓值為6V，設(shè)Rb=1kΩ，RC=510Ω,三極管的電流放大倍率不小于80，電源電壓Ubb=12V，當(dāng)CdS光敏電阻光敏面上的照度為150lx時(shí)恒壓偏置電路的輸出電壓為11V,照度為450lx時(shí)輸出電壓為8V,試計(jì)算輸出電壓為9V時(shí)的照度（設(shè)光敏電阻在100~500lx間的γ值不變）為多少lx？照度到500lx時(shí)的輸出電壓為多少？

解分析電路可知，流過(guò)穩(wěn)壓二極管的電流滿足2CW12的穩(wěn)定工作條件，三極管的基極被穩(wěn)定在6V。

設(shè)光照度為150lx時(shí)的輸出電流為I1，與光敏電阻的阻值R1，則

同樣,照度為300lx時(shí)流過(guò)光敏電阻的電流I2與電阻R2為R2=680Ω

由于光敏電阻在500到100lx間的γ值不變，因此該光敏電阻的γ值應(yīng)為

當(dāng)輸出電壓為9V時(shí)，設(shè)流過(guò)光敏電阻的電流為I3，阻值為R3，則

R3=900Ω

代入γ值的計(jì)算公式便可以計(jì)算出輸出電壓為9V時(shí)的入射照度E3E3=196(lx)

由γ值的計(jì)算公式可以找到500lx時(shí)的阻值R4及三極管的輸出電流I4為

R4=214Ω

I4=24.7(mA)而此時(shí)的輸出電壓UO為

UO=Ubb－I4R4=6.7(V)即，在500lx的照度下恒壓偏置電路的輸出電壓為6.7V。

2.4光敏電阻的應(yīng)用實(shí)例

2.4.1照明燈的光電控制電路

如圖2-15所示為一種最簡(jiǎn)單的由光敏電阻作光電敏感器件的照明燈光電自動(dòng)控制電路。

它由3部分構(gòu)成

半波整流濾波電路

測(cè)光與控制的電路

執(zhí)行電路

設(shè)使照明燈點(diǎn)亮的光照度為EV

繼電器繞組的直流電阻為RJ，使繼電器吸合的最小電流為Imin，光敏電阻的光電導(dǎo)靈敏度為Sg，暗電導(dǎo)go=0，則

顯然，這種最簡(jiǎn)單的光電控制電路還有很多缺點(diǎn)，還需要改進(jìn)。在實(shí)際應(yīng)用中常常要附加其他電路，如樓道照明燈常配加聲控開(kāi)關(guān)或微波等接近開(kāi)關(guān)使燈在有人活動(dòng)時(shí)照明燈才被點(diǎn)亮；而路燈光電控制器則要增加防止閃電光輻射或人為的光源（如手電燈光等）對(duì)控制電路的干擾措施。

2.4.2火焰探測(cè)報(bào)警器

圖2-16所示為采用光敏電阻為探測(cè)元件的火焰探測(cè)報(bào)警器電路圖。PbS光敏電阻的暗電阻的阻值為1MΩ，亮電阻的阻值為0.2MΩ(幅照度1mw/cm2下測(cè)試)，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為2.2μm，恰為火焰的峰值輻射光譜。

2.4.3照相機(jī)電子快門

圖2-17所示為利用光敏電阻構(gòu)成的照相機(jī)自動(dòng)曝光控制電路，也稱為照相機(jī)電子快門。

電子快門常用于電子程序快門的照相機(jī)中，其中測(cè)光器件常采用與人眼光譜響應(yīng)接近的硫化鎘(CdS)光敏電阻。照相機(jī)曝光控制電路是由光敏電阻R、開(kāi)關(guān)K和電容C構(gòu)成的充電電路，時(shí)間檢出電路(電壓比較器)，三極管T構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)放大電路，電磁鐵M帶動(dòng)的開(kāi)門葉片（執(zhí)行單元）等組成。

在初始狀態(tài)，開(kāi)關(guān)K處于如圖所示的位置，電壓比較器的正輸入端的電位為R1與RW1分電源電壓Ubb所得的閾值電壓Vth（一般為1~1.5V），而電壓比較器的負(fù)輸入端的電位VR近似為電源電位Ubb，顯然電壓比較器負(fù)輸入端的電位高于正輸入端的電位，比較器輸出為低電平，三極管截止，電磁鐵不吸合，開(kāi)門葉片閉合。

當(dāng)按動(dòng)快門的按鈕時(shí)，開(kāi)關(guān)K與光敏電阻R及RW2構(gòu)成的測(cè)光與充電電路接通，這時(shí)，電容C兩端的電壓UC為0，由于電壓比較器的負(fù)輸入端的電位低于正輸入端而使其輸出為高電平，使三極管T導(dǎo)通，電磁鐵將帶動(dòng)快門的葉片打開(kāi)快門，照相機(jī)開(kāi)始曝光?？扉T打開(kāi)的同時(shí)，電源Ubb通過(guò)電位器RW2與光敏電阻R向電容C充電，且充電的速度取決于景物的照度，景物照度愈高光敏電阻R的阻值愈低，充電速度愈快。VR的變化規(guī)律可由電容C的充電規(guī)律得到

VR=Ubb[1－exp(－t/τ)]

式中τ為電路的時(shí)間常數(shù)

τ=（RW2+R）C

光敏電阻的阻值R與入射的光照度EV有關(guān)

當(dāng)電容C兩端的電壓UC充電到一定的電位（VR≥Vth）時(shí)，電壓比較器的輸出電壓將由高變低，三極管T截止而使電磁鐵斷電，快門葉片又重新關(guān)閉。

快門的開(kāi)啟時(shí)間t可由下式推出

t=（RW2+R）C·lnUbb/Vth

思考題與習(xí)題2

2.3設(shè)某只CdS光敏電阻的最大功耗為30mW，光電導(dǎo)靈敏度Sg=0.5×10–6S/lx，暗電導(dǎo)g0=0。試問(wèn)當(dāng)CdS光敏電阻上的偏置電壓為20V時(shí)的極限照度為多少lx？

2.4在如圖所示的照明燈控制電路中，用上題

所給的CdS光敏電阻作光電傳感器，若已知繼電器繞組的電阻為5kΩ，繼電器的吸合電流為2mA，電阻器R=1kΩ時(shí)，問(wèn)為使繼電器吸合所需要的照度為多少lx？要使繼電器在3lx時(shí)吸合，問(wèn)應(yīng)如何調(diào)整電阻器R？

2.5設(shè)某光敏電阻在100lx的光照下的阻值為2kΩ，且，已知它在90~120lx范圍內(nèi)的γ=0.9，試求該光敏電阻在110lx光照下的阻值？

2.6已知某光敏電阻在500lx的光照下的阻值為550Ω，而在700lx的光照下的阻值為450Ω，

試求該光敏電阻在550lx和600lx光照下的阻值？

2.7在如圖所示的電路中，已知Rb=820Ω，Re=3.3kΩ，UW=4V，光敏電阻為RP，當(dāng)光照度為40lx時(shí)輸出電壓為6V，80lx時(shí)為9V。（設(shè)該光敏電阻在30到100lx之間的值不變）試求：1)輸出電壓為8伏時(shí)的照度為多少？

2)若Re增加到6kΩ，輸出電壓仍然為8伏，問(wèn)此時(shí)的照度為多少？

3)若光敏面上的照度為70lx，問(wèn)Re=3.3kΩ與Re=6kΩ時(shí)的輸出電壓各為多少？

4)該電路在輸出8V時(shí)的電壓靈敏度為多少？

2.12試分析圖2-20（a）和（b）所示的放大電路中，光敏電阻的作用。

第3章

光生伏特器件

3.1硅光電二極管

具有光生伏特效應(yīng)的半導(dǎo)體材料有很多，例如硅（Si）、鍺（Ge）、硒（Se）、砷化鎵（GaAs）等半導(dǎo)體材料。利用這些材料能夠制造出具有各種特點(diǎn)的光生伏特器件，其中硅光生伏特器件具有制造工藝簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)使它成為目前應(yīng)用最廣泛的光生伏特器件。

硅光電二極管是最簡(jiǎn)單、最具有代表性的光生伏特器件，其中，PN結(jié)硅光電二極管為最基本的光生伏特器件。3.1.1硅光電二極管的工作原理1、光電二極管的基本結(jié)構(gòu)

光電二極管可分為以P型硅為襯底的2DU型與以N型硅為襯底的2CU型兩種結(jié)構(gòu)形式。如圖3-1（a）所示的為2DU型光電二極管的原理結(jié)構(gòu)圖。圖3-1（b）為光電二極管的工作原理圖

圖3-1（c）所示為光電二極管的電路符號(hào)，其中的小箭頭表示正向電流的方向（普通整流二極管中規(guī)定的正方向），光電流的方向與之相反。圖中的前極為光照面，后極為背光面。

2、光電二極管的電流方程

在無(wú)輻射作用的情況下（暗室中），PN結(jié)硅光電二極管的正、反向特性與普通PN結(jié)二極管的特性一樣，如圖3-2所示。其電流方程為

（3-1）ID為U為負(fù)值（反向偏置時(shí)）且>>時(shí)(室溫下kT/q≈0.26mV，很容易滿足這個(gè)條件)的電流，稱為反向電流或暗電流。

當(dāng)光輻射作用到如圖3-1（b）所示的光電二極管上時(shí)，

光電二極管的全電流方程為

式中η為光電材料的光電轉(zhuǎn)換效率，α為材料對(duì)光的吸收系數(shù)。

（3-2）3.1.2光電二極管的基本特性

由式（3-2）光電二極管的全電流方程可以得到如圖3-3所示的光電二極管在不同偏置電壓下的輸出特性曲線，這些曲線反應(yīng)了光電二極管的基本特性。

普通二極管工作在正向電壓大于0.7V的情況下，而光電二極管則必須工作在這個(gè)電壓以下，否則，不會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)。

光電二極管的工作區(qū)域應(yīng)在圖3-3所示的第3象限與第4象限，很不方便。

在光電技術(shù)中常采用重新定義電流與電壓正方向的方法把特性曲線旋轉(zhuǎn)成如圖3-4所示。重新定義的電流與電壓的正方向均以PN結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的方向相同的方向?yàn)檎颉?/p>

1.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輻射量的變化（例如通量變化dΦ）引起電流變化dI與輻射量變化之比。

（3-3）

顯然，當(dāng)某波長(zhǎng)λ的輻射作用于光電二極管時(shí)，其電流靈敏度為與材料有關(guān)的常數(shù)，表征光電二極管的光電轉(zhuǎn)換特性的線性關(guān)系。必須指出，電流靈敏度與入射輻射波長(zhǎng)λ的關(guān)系是復(fù)雜的，定義光電二極管的電流靈敏度時(shí)通常定義其峰值響應(yīng)波長(zhǎng)的電流靈敏度為光電二極管的電流靈敏度。在式（3-3）中，表面上看它與波長(zhǎng)λ成正比，但是，材料的吸收系數(shù)α還隱含著與入射輻射波長(zhǎng)的關(guān)系。因此，常把光電二極管的電流靈敏度與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線稱為光譜響應(yīng)。

3.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輻射波長(zhǎng)的光作用于光電二極管時(shí)，其響應(yīng)程度或電流靈敏度與波長(zhǎng)的關(guān)系稱為其光譜響應(yīng)。

圖3-5為幾種典型材料的光電二極管光譜響應(yīng)曲線。

典型硅光電二極管光譜響應(yīng)長(zhǎng)波限為1.1μm左右，短波限接近0.4μm，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為0.9μm左右。

4.時(shí)間響應(yīng)

以f頻率調(diào)制的輻射作用于PN結(jié)硅光電二極管光敏面時(shí)，PN結(jié)硅光電二極管的電流產(chǎn)生要經(jīng)過(guò)下面3個(gè)過(guò)程：

1)在PN結(jié)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光生載流子渡越結(jié)區(qū)的時(shí)間，稱為漂移時(shí)間記為；

2)在PN結(jié)區(qū)外產(chǎn)生的光生載流子擴(kuò)散到PN結(jié)區(qū)內(nèi)所需要的時(shí)間，稱為擴(kuò)散時(shí)間記為τp；

3)由PN結(jié)電容Cj和管芯電阻Ri及負(fù)載電阻RL構(gòu)成的RC延遲時(shí)間。

設(shè)載流子在結(jié)區(qū)內(nèi)的漂移速度為vd，PN結(jié)區(qū)的寬度為W，載流子在結(jié)區(qū)內(nèi)的最長(zhǎng)漂移時(shí)間為

一般的PN結(jié)硅光電二極管，內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度Ei都在105V/cm以上，載流子的平均漂移速度要高于107cm/s，PN結(jié)區(qū)的寬度常在100μm左右，由式（3-4）可知漂移時(shí)間，為ns數(shù)量級(jí)。

對(duì)于PN結(jié)硅光電二極管，入射輻射在PN結(jié)勢(shì)壘區(qū)以外激發(fā)的光生載流子必須經(jīng)過(guò)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)到勢(shì)壘區(qū)內(nèi)才能在內(nèi)建電場(chǎng)作用，并分別拉向P區(qū)與N區(qū)。載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)往往很慢，因此，擴(kuò)散時(shí)間τp很長(zhǎng)，約為100ns，它是限制PN結(jié)硅光電二極管時(shí)間響應(yīng)的主要因素。

另一個(gè)因素是PN結(jié)電容Cj和管芯電阻Ri及負(fù)載電阻RL構(gòu)成的時(shí)間常數(shù)τRC，τRC為

（3-5）

普通PN結(jié)硅光電二極管的管芯內(nèi)阻Ri約為250Ω，PN結(jié)電容Cj常為幾個(gè)Pf，在負(fù)載電阻RL低于500Ω時(shí)，時(shí)間常數(shù)也在ns數(shù)量級(jí)。但是，當(dāng)負(fù)載電阻RL很大時(shí)，時(shí)間常數(shù)將成為影響硅光電二極管時(shí)間響應(yīng)的一個(gè)重要因素，應(yīng)用時(shí)必須注意。由以上分析可見(jiàn)，影響PN結(jié)硅光電二極管時(shí)間響應(yīng)的主要因素是PN結(jié)區(qū)外載流子的擴(kuò)散時(shí)間τp，如何擴(kuò)展PN結(jié)區(qū)是提高硅光電二極管時(shí)間響應(yīng)重要措施。增高反向偏置電壓會(huì)提高內(nèi)建電場(chǎng)的強(qiáng)度，擴(kuò)展PN結(jié)的耗盡區(qū)，但是反向偏置電壓的提高也會(huì)加大結(jié)電容，使RC時(shí)間常數(shù)τRC增大。因此，必須從PN結(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面考慮如何在不使偏壓增大的情況下使耗盡區(qū)擴(kuò)展到整個(gè)PN結(jié)器件，才能消除擴(kuò)散時(shí)間。

4.噪聲

光電二極管的噪聲包含低頻噪聲Inf、散粒噪聲Ins和熱噪聲InT等3種噪聲。其中