光電檢測系統(tǒng)的基本工作原理

光電檢測系統(tǒng)的根本工作原理。光電檢測系統(tǒng)是指對(duì)待測光學(xué)量或由非光學(xué)待測物理量轉(zhuǎn)換成的光學(xué)量，通過光電變換和電路處理的方法進(jìn)展檢測的系統(tǒng)。光電檢測系統(tǒng)的根本組成及各部份的主要作用。光電檢測系統(tǒng)的組成：三要素：檢測對(duì)象、光、光電變換。能否使光束準(zhǔn)確地?cái)y帶所要檢測量的信息，是打算所設(shè)計(jì)系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵光電檢測技術(shù)的現(xiàn)代進(jìn)展1〕非接觸化進(jìn)展2〕盡可能多的信息量3〕集成化，智能化進(jìn)展光電檢測方法 〔1〕.光信息攜帶的物理量可分為：光強(qiáng)型、頻率型、相位型、脈沖型、偏振型、位置型等〔2〕.所用的光學(xué)現(xiàn)象分為：衍射法、干預(yù)法、全息法、散射法、光譜法、莫爾條紋法、光掃描法等〔3〕從檢測系統(tǒng)角度分為：直接作用法、差動(dòng)法〔差分法〕、補(bǔ)償法光輻射所帶的信息如光強(qiáng)分布、時(shí)間、光譜能量分布、溫度分布等由光電探測器轉(zhuǎn)變成電信號(hào)測量出來系統(tǒng)誤差在檢測過程中產(chǎn)生恒定不變的誤差叫恒差或按確定規(guī)律變化的誤差叫變差，統(tǒng)稱為系統(tǒng)誤差＜系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的緣由有工具誤差、裝置誤差、方法誤差、外界誤差和人身誤差等隨機(jī)誤差在盡力消退并改正了一切明顯的系統(tǒng)誤差之后，對(duì)同一待測量進(jìn)展反復(fù)屢次的等精度測量，每次測量的結(jié)果都不會(huì)完全一樣，而呈現(xiàn)岀無規(guī)章的隨機(jī)變化，這種誤差稱為隨機(jī)誤差。靈敏度系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)下輸岀量變化引起此變化的輸入量變化的比值算術(shù)平均值：算術(shù)平均值：X=—”Xn=0.8416Nn土1N均方差或標(biāo)準(zhǔn)誤差0.0025丨1N-2■? (xnx)2-：:N-1n/？算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差x-s--0.00095■v”NOCT

a=—^==000067V2NJJ

；x=k；xD=^x/xX100%D大誤差測值岀現(xiàn)的處理主要方法是：〔1〕認(rèn)真檢查有無瞬時(shí)系統(tǒng)誤差產(chǎn)生，準(zhǔn)時(shí)覺察并處理。⑵增加檢測的次數(shù)，以減小大誤差測值對(duì)檢測結(jié)果的影響?！?〕利用令人信服的判據(jù)，對(duì)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)展判定后，將不合理數(shù)據(jù)賜予剔除輻射度量〔Radiometry〕：能量的分布的強(qiáng)弱、時(shí)間、空間等特性輻射能本身的客觀度量，是純粹的物理量。光度量〔Photometry〕:考慮到人眼的主觀感受，包括生理學(xué)、心理學(xué)在內(nèi)1〕輻射能〔Q〕:簡稱輻能，描述以輻射的形式放射、傳輸或接收的能量，單位焦耳

〔J〕例：地球外表垂直陽光方向上，每平方米面積上每分鐘太陽輻射能輻射密度〔w〕：定義為單位體積元內(nèi)的輻射能，即

48000J。輻射通量或者輻射功率〔①,P〕:定義為以輻射的形式發(fā)射、傳輸或接收的功率，用以描述輻能的時(shí)間特性。2“：/2在半球內(nèi)放射的總通量 P為 PUds。川。cos： sinPLdsM P =-Lds依據(jù)岀射度的定義得dsw -w -dQdv嚴(yán)dt輻射強(qiáng)度〔I〕:定義為在給定傳輸方向上的單位立體角內(nèi)光源發(fā)岀的輻射通量，即輻射強(qiáng)度描述了光源輻射的方向特性，且對(duì)點(diǎn)光源的輻射強(qiáng)度描述具有更重要的意義大多數(shù)光源向空間各方向的輻射強(qiáng)度是不均勻的。輻射強(qiáng)度描述了光源在空間某個(gè)方向上放射輻射通量的大小和分布。輻亮度〔L〕:定義為光源在垂直其輻射傳輸方向上單位外表積單位立體角內(nèi)發(fā)出的輻射通量，即二, d2① L二dOdAcos日dAcos日

M dA些輻射亮度與輻射強(qiáng)度有何區(qū)分前者描述面光源，后者描述點(diǎn)光源。輻射出射度〔M〕:定義為離開光源外表單位面元的輻射通量，即輻照度〔E〕:定義為單位面元被照輻照度和輻射出射度具有一樣的定義方程和單位，但卻分別用來描述微面元放射和接收輻射通量的特性假設(shè)一個(gè)外表元能反射入射到其外表的全部輻射通量，那么該面元可看作是一個(gè)輻射源外表，即其輻射岀射度在數(shù)值上等于照耀輻照度K,其定義為目視引起刺激的光通量與光源發(fā)出的輻射通量之比，單位為Im/W。它度量了同樣的輻射功率下人眼的不同亮度感覺。K VC)G()d，m0 e KVdQQ 二 md〔■〕■照度和亮度的區(qū)分 不要把照度跟亮度的概念混淆起來。它們是兩個(gè)完全不同的物理量。照度表征受照面的明暗程度，照度與光源至被照面的距離的平方成反比。亮度是表征任何形式的光源或被照耀物體外表是面光源時(shí)的發(fā)光特性。 假設(shè)光源與觀看者眼睛之間沒有光吸取現(xiàn)象存在，那么亮度值與二者間距離無關(guān)輻射度學(xué)和光度學(xué) 區(qū)分：1.適用范圍輻射度學(xué)適用于整個(gè)電磁波譜。光度學(xué)適用于可見光波段。性質(zhì)不同輻射度學(xué)量是客觀物理參量。光度學(xué)量生理量，由人眼感覺確定聯(lián)系：1.都是描述光輻射的強(qiáng)弱。 2.所用物理符號(hào)一一對(duì)應(yīng)

2.參量.朗伯余弦定律朗伯體反射或放射輻射的空間分布可表為

d

。依據(jù)朗伯輻丨余弦成正比一一朗伯余弦定律。

Icos^丨日I0cos即

Io |日=dAco”^ 即在抱負(fù)狀況下，朗伯體d- sn罕2.朗伯體輻射岀射度與輻亮度的關(guān)系圖 2-9，極坐標(biāo)對(duì)應(yīng)球面上微面元dA的立體角為:dSLdA上的輻射通量為2.3光電檢測器件的特性參量〔上〕利用光電效應(yīng)，把入射到物體外表的輻射能變換成可測量的電量〔下〕利用熱電效應(yīng)，反映入射光輻射量

dLeos：sin：dsdd二外光電敕應(yīng)X

廣4L

真空光電管“充氣光電管A+1l有敢大作用光電倍増管屮［光電

「光電也光磁電效 無畝大作用 光電二極管“L孜光電二極管-光輻 光電響應(yīng)<射探

「光電三極管a光電場散應(yīng)管光電開關(guān)管」J4測器 I光導(dǎo)型

「本征光導(dǎo)探測器

41I朵質(zhì)p測輻射熱計(jì)心熱電偶屮熱電堆“熱釋電探測器心氣動(dòng)光導(dǎo)探測器一高萊探測器*

光導(dǎo)探測器 ——N型/P型光導(dǎo)探測器2-1U常見光輻射探測器的分糞光磁電效應(yīng)與霍爾效應(yīng) 光磁電效應(yīng)中在磁場作用下移動(dòng)的是電子空穴對(duì)，而霍爾效應(yīng)中移動(dòng)的是自由電子。2〕針對(duì)材料不同，一個(gè)是半導(dǎo)體材料，一個(gè)是導(dǎo)體材料。形也不一樣，一個(gè)需要光照，一個(gè)不需要

3〕使用情響應(yīng)度定義為單位輻射度量產(chǎn)生的電信號(hào)量， 記作R，電信號(hào)可以是電流，稱為電流響應(yīng)度；也可以是電壓，稱為電壓響應(yīng)度。對(duì)應(yīng)不同輻射度量的響應(yīng)度用下標(biāo)來表示〔AW-1〕R-I/-\>對(duì)輻照度的電流響應(yīng)度〔AW-1m2〕R =I/EE〔AW-1m2Sr〕RLI/L探測器的響應(yīng)度一般是波長的函數(shù)。與上面定義的積分響應(yīng)度對(duì)應(yīng)的光譜響應(yīng)度為R()- IL L(”)積分響應(yīng)度和光譜響應(yīng)度的關(guān)系為a〕d

RLd”LL—I 甩扎〕—I —1

” 九

,R ---------------------------------R：C

— ，：d-

L .L()d-

：，〔

1〕二〕

q_he1239.8對(duì)于光電探測器，由于受到材料能帶之間的間隙波限，最大響應(yīng)波長為

1.24/Eg

禁帶寬度Eg的限制，響應(yīng)波長具有長內(nèi)光電效應(yīng)max

1.24/(E E)gAg

外光電效應(yīng)任何虛假的和不需要的信號(hào)稱為噪聲。噪聲總是伴隨著測量信號(hào)存在測量過程是一個(gè)去除噪聲、復(fù)原真實(shí)信號(hào)的過程爭論噪聲的目的：探討系統(tǒng)探測信息的極限，以及在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中如何抑制噪聲以提高探測本領(lǐng)。1^12-12 探測誥的藤率響應(yīng)特性噪聲的分類及性質(zhì)

：人為干擾噪聲的和自然干擾噪聲。人為干擾：電器、電子設(shè)備的干擾噪聲。如焦距測量儀在日光燈下，人的走動(dòng)對(duì)干預(yù)儀的光程影響。自然干擾：大氣和宇宙間的干擾，雷電、太陽等。如光電導(dǎo)盲器在太陽下受的干擾。可承受適當(dāng)?shù)钠帘?、濾波等方法減小或者消退。內(nèi)部噪聲：人為噪聲和固有噪聲兩類。人為噪聲：工頻干擾和寄生反響造成的自激干擾。如工頻溝通電〔光路變化。合理的設(shè)計(jì)和調(diào)整將其消退或者減小到允許范圍。

50Hz〕、測試儀器的散熱風(fēng)扇引起的固有噪聲：光電探測器中光子和帶電粒子不規(guī)章運(yùn)動(dòng)造成的。散粒噪聲、熱噪聲、產(chǎn)生噪聲、溫度噪聲，不行消退

-復(fù)合噪聲、 1/f另一種是增加信號(hào)的積分時(shí)間，縮小測量系統(tǒng)的頻帶。信號(hào)電流與噪聲電流的均方根值之比一一信噪比，作為表征探測系統(tǒng)探測力氣和精度的一個(gè)格外重要的SNR

—K—SNR=L\l NkT

I2.I2N k噪聲等效功率是探測器產(chǎn)生與其噪聲均方根電壓相等的信號(hào)所需入射到探測器的輻射功率，即信噪比等于NEPD來表示探測器的探測力氣

二SNRR1時(shí)所需要的最小輸入光信號(hào)的功率NEP1時(shí)所需要的最小輸入光信號(hào)的功率NEP3依據(jù)發(fā)光機(jī)理，光源又可以分成熱輻射光源、氣體發(fā)光光源、固體發(fā)光光源和激光器四種。熱輻射光源：電流流經(jīng)導(dǎo)電物體，使之在高溫下輻射光能的光源。包括白熾燈和鹵鎢燈兩種。氣體發(fā)光光源：電流流經(jīng)氣體或金屬蒸氣，使之產(chǎn)生氣體放電而發(fā)光的光源。氣體放電有弧光放電和輝光放電兩種。固體發(fā)光光源：電場作用下，使固體物質(zhì)發(fā)光的光源，電能直接轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?。包括場致發(fā)光光源和發(fā)光二極管〔LED〕兩種。激光器：按工作物質(zhì)分類，可分為氣體激光器、固體激光器、燃料激光器和半導(dǎo)體激光器和Y

〔氣休激比器半導(dǎo)體激光器I等離子激光器非相F光源

I傲性光學(xué)器件嚴(yán) 太陽白?也燈全溝射體〔黑體｝〔體曾器場技發(fā)光顯示器＜信息處理用光源「發(fā)光二極管〔LED〕超輻射低相干光源 發(fā)光二極管L摻雜光紓超啖光寬帯光源1光源的分類一般的光電檢測系統(tǒng)都要求光源特性滿足檢測需要，光源發(fā)光光譜與探測器的光譜響應(yīng)要匹配光源選的根本要求主要包括哪三個(gè)方面2.對(duì)光源發(fā)光強(qiáng)度的要求3.對(duì)光源穩(wěn)定性的要求人工光源依據(jù)其工作原理大致分為熱光源、氣體放電光源、固體光源和激光光源1.發(fā)光特性〔光譜分布、岀射度、亮度〕可以用普朗克公式估算。2.電量把握發(fā)光特性。

發(fā)岀連續(xù)光譜，譜寬很寬，適應(yīng)性強(qiáng) 3.大多屬于電熱型，可以通過把握輸入作用：1.一般光電檢測的光源〔白光干預(yù)〕光〔輻射〕度量中做標(biāo)準(zhǔn)光源或標(biāo)準(zhǔn)輻射源，計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)傳遞。激光方向性好、高單色性和高亮度三個(gè)重要特性特點(diǎn)：微小的光束發(fā)散角 激光的單色性好；激光的輸岀功率密度很高激光器種類繁多，按工作物質(zhì)分類：固體激光器〔如紅寶石激光器〕氣體激光器〔如氦二氧化碳激光器〕半導(dǎo)體激光器〔如砷化鎵激光器〕液體激光器。氣體激光器 氦氖激光器要輸出波長有0.6328卩m、1.15卩m和339卩m，

-氖氣體激光器、

0.5145m0.4880m兩條譜線

9?11gm10.6m694.3nm1.06mYAG1064nmQ,鎖模等，可以獲得高平均功率，高重復(fù)率，高脈沖能量，頂峰值功率激光；主要在紅外波段工作，承受光學(xué)泵浦方式；構(gòu)造緊湊，壽命較長，穩(wěn)定牢靠；ND：YAG，紅寶石，釹玻璃激光器半導(dǎo)體激光器0.84m激光器除可作為檢測光源外?還有著廣泛的應(yīng)用，其它主要用途有： 〔1〕激光用作熱源。激光光束細(xì)小，且?guī)е薮蟮墓β?，如用透鏡聚焦，可將能量集中到微小的面積亡?產(chǎn)生巨大的熱量?？蓱?yīng)用于打細(xì)小孔、切割等工作；在醫(yī)療上做手術(shù)刀；大功率的激光武器等。 〔2〕激光測距。激光作為測距光源？由于方向性好、功率大?可測很遠(yuǎn)的距離，且精度很高。 ⑶激光通訊。⑷受控核聚空中的應(yīng)用。點(diǎn)火打算光電探測器的工作原理是將光輻射的作用視為所含光子與物質(zhì)內(nèi)部電子的直接作用。也就是物質(zhì)內(nèi)子在光子作用下，產(chǎn)生激發(fā)而使物質(zhì)的電學(xué)特性發(fā)生變化。這種變化主要有以下三類

電外光電效應(yīng)〔光電管與光電倍增管〕內(nèi)光電效應(yīng)〔光敏電阻〕光生伏特效應(yīng)〔光電 池，光電二極管，光電三極管〕光熱效應(yīng)：材料受光照耀后，光子能量與晶格相互作用，振動(dòng)加劇，溫度上升，材料的性質(zhì)發(fā)生變化.熱釋電效應(yīng)：介質(zhì)的極化強(qiáng)度隨溫度變化而變化，引起介質(zhì)外表電荷變化的現(xiàn)象.輻射熱計(jì)效應(yīng)：入射光的照耀使材料由于受熱而造成電阻率變化的現(xiàn)象.溫差電效應(yīng)：由兩種材料制成的結(jié)點(diǎn)岀現(xiàn)穩(wěn)差而在兩結(jié)點(diǎn)間產(chǎn)生電動(dòng)勢，回路中產(chǎn)生電流.〔熱敏電阻，熱電偶和熱釋電探測器〕光電倍增管 原理：當(dāng)入射光很微弱時(shí)，一般光電管產(chǎn)生的光電流很小，只有零點(diǎn)幾 卩A，不易探測一一常用光電倍增管。光電倍增管的工作原理建立在光電放射和二次放射的根底上，獲得大的光電流。構(gòu)造：光電倍增管由陰極、倍增極〔次陰極〕和陽極組成，這些電極被封裝在真空的玻璃管中。〔1〕閃耀光子作用在光陰極上時(shí) 由于光電效應(yīng)可產(chǎn)生出電子。 〔2〕電子倍增是通過一系列倍增極

〔3〕從陽極上得到的電子流與入射到光電倍增管光陰極上的閃耀光強(qiáng)度成正比二次放射極簡稱二次極，有時(shí)又叫做打拿極。二次放射極的主要材料有銻銫鎂〔AgMg〕合金、磷化鎵〔GaP〕和磷砷化鎵等。打拿極的重要參數(shù)是二次放射系數(shù)

〔CsSb〕、氧化鈹〔BeO〕、銀5:§=2他n2n2分別是輸入二次放射體的一次電子數(shù)和二次電子放射系數(shù)與材料本身特性、一次電子的動(dòng)能或極間電壓的大小有關(guān)。光電倍增管的主要特性 光電倍增管的光譜特性主要由光陰極和玻殼材料的特性來確定。 影響光電倍增管光譜特性的還有一些其它因素，如溫度、受照點(diǎn)位置和磁場等?！酬枠O陽極又稱收集極。光電流經(jīng)過各二次放射極倍增后，由陽極收集并形成信號(hào)電流輸岀，陽極是管內(nèi)電壓最高的地方。當(dāng)最終一個(gè)二次極發(fā)岀的電子飛到陽極上后，陽極也會(huì)產(chǎn)生二次電子放射，這將破壞穩(wěn)定的輸岀。怎么辦？1選擇放射系數(shù)小的材料2外面加上收集柵網(wǎng)〔柵網(wǎng)電位與陽極一樣，陽極放射的二次電子將有柵網(wǎng)收集，相當(dāng)于又回到了陽極 〕靈敏度 光電器件靈敏度的定義有很多種，而對(duì)光電倍增管常用陽極靈敏度來表征這一特性。定義陽極光譜靈敏度Sa〔入〕為 Sa〔”〕=Ia〔”〕/「〔’〕式中，單色光通量為①〔入〕Ia線性度在高精度的光電檢測中，要求光電探測器的光特性具有良好的線性度，且線性范圍盡可能寬。光特性是指倍增管輸岀信號(hào)電流隨輸入光通量變化的曲線， 即1=f〔①〕。一般認(rèn)為產(chǎn)生光特性非線性的緣由主要有兩個(gè)：一是內(nèi)部的非線性源，它們包括光陰極的電阻率及材料特性、管內(nèi)空間電荷間的相互作用，以及電子聚焦或收集效率的變化等。另一方面是外部非線性源，其中包括負(fù)載電阻的負(fù)反響作用，以及由于信號(hào)電流過大造成極間電位的重分布等入射通量①增加輸表4la參數(shù)(4)最大額定值

光電倍增管是極其靈敏的微信號(hào)光電探測器，為正確使用應(yīng)了解各參量的最大額定值。①Icm,有時(shí)給出最大電流密度(A/cm2)。工作時(shí)不應(yīng)超過額定值。有時(shí)陰極電流

最大陰極電lcIcm，但入射光點(diǎn)很小，也會(huì)因電流密度過大而引起局部損壞。這時(shí)應(yīng)按電流密度的額定值來限制輸入。②最大陽極電流lam,該值通常是以不產(chǎn)生嚴(yán)峻的和不行逆的損壞為限，lam不是指使用時(shí)的線性限，有的廠家還給出這時(shí)的非線性度，如

通常陽極功率限制在0.5w以10%等。③最大額定電壓Um,該指標(biāo)是從管子的絕緣性能和工作牢靠性岀發(fā)給岀的。為使噪聲不至太大，一般建議承受的總電壓Uv(60—80)%Um光電倍增管的不穩(wěn)定性 由于光譜響應(yīng)隨時(shí)間緩慢地不行逆地變化②在幾分鐘或幾小時(shí)內(nèi)，由于可逆的疲乏所構(gòu)成的漂移③滯后作用造成陽極輸出的不穩(wěn)定光電倍增管中的噪聲源主要來自光陰極和二次極的熱放射。入射光輻射本身亦帶來噪聲。由光電陰極和K個(gè)二次放射極組成的光電倍增管中.綜合在陽極輸出時(shí)的噪聲電流用均方根值表示為111f1 11

1 21 1 施

①管子致冷可削減

IC0值；』21+—

1?n

22=G(2qIQf廠③選用$較高的材料做二次放射極，并提高工作電壓；

④減小檢測系統(tǒng)頻帶寬度？f,以提高信噪比光電導(dǎo)器件是利用內(nèi)光電效應(yīng)制成的光子型探測器， 其材料大都是半導(dǎo)體。在入射光的的作用下，激發(fā)岀附加的自由電子或自由空穴，這些附加的載流子叫做光生載流子，由于光照增加了自由載流子，使電導(dǎo)率發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫做光電導(dǎo)效應(yīng)光敏器件的光特性是表征光照下光敏器件的輸岀量，如電阻、電壓或電流等量與入射輻射之間的關(guān)系光敏器件的靈敏度靈敏度又稱響應(yīng)度。它表示器件將光輻射能轉(zhuǎn)換為電能的力氣。具體定義為：器件產(chǎn)生的輸岀電信號(hào)與引起該信號(hào)的輸入光輻射通量之比。輸岀電信號(hào)由器件及偏置電路的特性打算，既可以是電流，也可以是電壓，如電流表示的光靈敏度光敏電阻按半導(dǎo)體材料的不同可分為本征型和雜質(zhì)型兩種,檢測，雜質(zhì)型常用于紅外波段至遠(yuǎn)紅外波段光輻射的檢測

本征型半導(dǎo)體光敏電阻常用于可見光長波段本征型光敏電阻：本征型光敏電阻：當(dāng)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(shí)，激發(fā)一個(gè)電子-空穴對(duì)，在外電場的作用下，形成光電流雜質(zhì)型光敏電阻： 對(duì)于N型半導(dǎo)體，當(dāng)入射光子的能量等于或大于雜質(zhì)電離能 4E時(shí)，將施主能級(jí)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。咒電并材料咒電并材料WSlrV)2.45光血應(yīng)范BUTa4sa68-0.750.50-3.00.51.5-0.5S範(fàn)此需%W(PbS)詢址鉛{PhTr}L740.400.310,251.120,66O.?-4.5a62m2.022(X70-5,3045-1.1B0551,8禪比舗卩朋hi0.16033aPW.fi-7.01.0-4.04.i：!aS3L54.5光敏電阻工作性能特點(diǎn)光譜響應(yīng)范圍相當(dāng)寬?？梢姽狻⒓t外、遠(yuǎn)紅外、紫外區(qū)域工作電流大，可達(dá)數(shù)毫安。靈敏度高，光電增益可以大于無選擇極性之分，使用便利

所測光電強(qiáng)度范圍寬，既可測弱光，也可測強(qiáng)光1缺點(diǎn)：強(qiáng)光下光電線性度較差，弛豫時(shí)間過長，頻率特性差。CdS光敏電阻：峰值響應(yīng)波長 0.52um可見光波段最靈敏的光敏電阻PbS光敏電阻：響應(yīng)波長在近紅外波段缺點(diǎn)主要是響應(yīng)時(shí)間太長銻化銦(InSb)光敏電阻：長波限7.5um碲鎘汞HgCdTe系列光敏電阻可實(shí)現(xiàn)1-3um,3-5um,8-14um碲錫鉛(PbSnTe主要用在8-10um波段探測PN結(jié)與光伏效應(yīng)(PhotoVoltageEffect)當(dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體直接接觸時(shí)，P區(qū)中的多數(shù)載流子一空穴向空穴密度低的N區(qū)集中，同時(shí)N區(qū)中的多數(shù)載流子一電子向P區(qū)集中。這一集中運(yùn)動(dòng)在 P區(qū)界面四周積存了負(fù)電荷，而在 N區(qū)界面四周積存了正電荷，正負(fù)電荷在兩界面間形成內(nèi)電場。在該電場逐步形成和增加的同時(shí)，在它的作用下產(chǎn)生載流子的漂移運(yùn)動(dòng)。隨著集中運(yùn)動(dòng)的進(jìn)展和界面間內(nèi)電場的增高，促使漂移運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)。這一伴生的對(duì)立運(yùn)動(dòng)在一定溫度條件下確定時(shí)間后到達(dá)動(dòng)態(tài)平衡當(dāng)有外界光輻射照耀在結(jié)區(qū)及其四周時(shí)?只要入射光子的能量 ￡=hu大于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg，就可能產(chǎn)生本征激發(fā)，激發(fā)產(chǎn)生電子中的光生電子，因受P-N結(jié)的阻擋作用而不能通過結(jié)區(qū)，結(jié)區(qū)中產(chǎn)生的電子

一空穴對(duì)。P區(qū)中的光生空穴和N區(qū)一空穴對(duì)在內(nèi)電場作用下，電NPP區(qū)中的光生電子和N區(qū)中的空穴如能集中到結(jié)區(qū)，

并在內(nèi)電場作用下通過結(jié)區(qū)，這樣在P區(qū)中積存了過量的空穴?在N區(qū)中積存了過量的電子，從而形成一個(gè)附加的電場，方向與內(nèi)電場相反，如圖4-44(a)所示。該附加電場對(duì)外電路來說將產(chǎn)生由接外電路時(shí)，將有光生電流通過，這就是光伏效應(yīng)

PN方向的電動(dòng)勢。當(dāng)聯(lián)光伏效應(yīng)器件的伏安特性

If:」二

Is(eU/kT -1)-I：； .曲線族與電壓軸的交點(diǎn).即 I=0，表示光電池外電路開路的狀況曲線族與電流軸的交點(diǎn).即Uoc=0，表示光電池外電路短路的狀況。

UoJln(^1)qIsIs4IsI1Id…I

quI〔e??〔〕-1尬Is

開路電壓光伏效應(yīng)光電池 曲線族與電流軸的交點(diǎn)，及U=0I=-1.:,短路電流與光電流大小相等線性 非線性第一象限是正偏壓狀態(tài)，iD原來就很大，所以光電流不起主要作用，在這一區(qū)域工作沒有意義。第三象限是反偏壓狀態(tài)，這時(shí)，它是一般二極管中的反向飽和電流，現(xiàn)在稱為暗電流〔對(duì)P=0〕，數(shù)值很小，這時(shí)的光電流〔等于i—is〕是通過探測器的主要電流由于這種狀況外回路特性與光電導(dǎo)探測器格外相像， 所以反偏壓下的工作方式稱為光導(dǎo)模式， 相應(yīng)的探測器稱為光電二極管在第四象限中，外偏壓為零時(shí)，流過探測器的電流仍為光電流，這時(shí)探測器的輸岀是通過負(fù)載電阻RL上的電流來表達(dá)的，因此稱為光伏工作模式。相應(yīng)的探測器稱為光電池光電池分類用途太陽能光電池：用作電源〔效率高，本錢低〕測量用光電池：探測器件〔線性、靈敏度高等

RL上材料硅光電池：光譜響應(yīng)寬，頻率特性好，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長，適于承受紅外光硒光電池：轉(zhuǎn)換效率低〔0.02%〕、壽命短，適于接收可見光〔0.56m〕，波譜峰值位于人眼視覺內(nèi)〔用于器、測量儀表〕.砷化鎵光電池：轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高，光譜響應(yīng)特性則與太陽光譜最吻合。且工作溫度最高，更耐受宇宙射線的輻射。因此，它在宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測器等電源方面的應(yīng)用是有進(jìn)展前途的。薄膜光電池：CdS增加抗輻射力氣紫光電池：PN結(jié)格外?。?.2-0.3m,短波峰值600nm光電池的特性〔1〕、伏安特性無光照時(shí)，光電池伏安特性曲線與一般半導(dǎo)體二極管一樣。有光照時(shí)，沿電流軸方向平移，平移幅度與光照度成正比。

VOC，與電流軸交點(diǎn)稱為短路電流

ISC〔要得到短的響應(yīng)時(shí)間，必需選用小的負(fù)載電阻

RL;光電池面積越大則響應(yīng)時(shí)間越大，由于光電池面積越大則結(jié)電容越大，故要求短的響應(yīng)時(shí)間，必需選用小面積光電池〕

Cj越大，在給定負(fù)載時(shí)，時(shí)間常數(shù)就2時(shí)間和頻率響應(yīng)廣泛的光電池

硅光電池頻率特性好〔動(dòng)態(tài)響應(yīng)快〕。硒光電池頻率特性差 硅光電池是目前使用最〔3〕、溫度特性隨著溫度的上升，硅光電池的光譜響應(yīng)向長波方向移動(dòng)，開路電壓下降，短路電流上升。光電池做探測器件時(shí)，測量儀器應(yīng)考慮溫度的漂移，要進(jìn)展補(bǔ)償4〕、光譜響應(yīng)度硅光電池響應(yīng)波長0.4-1.1微米，〔紅-紅外〕0.8-0.9微米。〔近紅外〕硒光電池響應(yīng)波長0.34-0.75微米，〔紫-紅〕0.54微米?！簿G〕可見光太陽能特點(diǎn)：①無枯竭危急；②確定干凈；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使用者從感情上簡潔承受；⑦獵取能源花費(fèi)的時(shí)間短。要使太陽能發(fā)電真正到達(dá)有用水平，一是要提高太陽能光電變換效率并降低本錢；二是要實(shí)現(xiàn)太陽能發(fā)電同現(xiàn)在的電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。、利用PN結(jié)光伏效應(yīng)的另一種重要光電器件是光電二極管。 PN結(jié)工作在反向偏置的條件下，工作原4吃常用光電導(dǎo)材料的參數(shù)理與晶體三極管類似，P型區(qū)相當(dāng)于基極區(qū)，N型區(qū)相當(dāng)于集電極區(qū)，由光照下產(chǎn)生的光生載流子引起N區(qū)電流的變化，由于反向偏置， PN結(jié)應(yīng)具有較高的反向耐壓性質(zhì)。光電二極管與一般二極管一樣有一個(gè) 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

PN結(jié)裝在管頂，可直承受到光照耀，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。

PN結(jié)面積比一般二極管大得多，以集中層作為它的受光面。為了提高光電轉(zhuǎn)換力氣，PN結(jié)的深度較一般二極管淺。光敏二極管符號(hào)如圖光電二極管和光電池一樣，其根本構(gòu)造也是一個(gè)PN結(jié)。它和光電池相比，重要的不同點(diǎn)是結(jié)面積小，因此它的頻率特性特別好。光生電勢與光電池相同，但輸出電流普遍比光電池小，一般為幾按材料分，光電二極管有硅、砷化鎵、銻化銦光電二極管等很多種。

AgA。按構(gòu)造分，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。國產(chǎn)硅光電二極管按襯底材料的導(dǎo)電類型不同，分為2CU2DU兩種系列。2CUN-Si為襯底，2DUP-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光電二極管的主要特性②光電二極管的光譜特性 該特性通常是由材料來打算。鍺光電二極管的光譜范圍約為 0.4-1.8光電二極管的主要特性141.5um;硅光電二極管的光譜范圍約為③光電二極管的伏安特性。實(shí)際與抱負(fù)狀況略有出入，曲線略向上偏。

um0.8-0.9um。④光電二極管的頻率特性器件中影響頻率響應(yīng)速度的主要因素是：結(jié)電容和雜散電容的影響；在

PN結(jié)外產(chǎn)生的

PN結(jié)內(nèi)的光生載流子形成時(shí)間差的影響。⑤光電二極管的溫度特性在外加電壓為50V，入射照度不變的條件下，光電流隨工作溫度⑥ 光電二極管的暗電流當(dāng)無入射光照耀時(shí)，硅、鍺兩光電二極管的暗電流

T的變化曲線I①=0隨溫度變化的關(guān)系光電二極管與光電池的特性比較根本構(gòu)造一樣，由一個(gè)光電二極管的光敏面小,

PN結(jié)；結(jié)面積小，頻率特性好，雖然光生電動(dòng)勢一樣 ,但光電流普遍比光電池小，為數(shù)微安。2.3. 摻雜濃度：光電池約為 1016-1019/cm3，硅光電二極管1012-1013/cm3，4.電阻率：光電池0.1-0.01Q/cm，光電二極管1000Q/cm。光電池零偏壓下工作，光電二極管反偏壓下工作。雪崩光電二極管 工作原理是在PN結(jié)上施加高反向偏壓，使其接近擊穿電壓。在雪崩光電二極管的使用中留意兩個(gè)問題：①雪崩過程伴有確定噪聲；②局部擊穿問題?；谝陨蟽蓚€(gè)問題，工作偏壓選擇必需適當(dāng)。偏壓太小，雪崩增加作用不明顯，增益不大；而偏壓過高，則噪聲增大，甚至擊穿燒毀雪崩光電二極管具有電流增益大，種光敏二極管。

靈敏度高，頻率響應(yīng)快，帶寬可達(dá)100GHz。是目前響應(yīng)最快的一不需要后續(xù)浩大的放大電路等特點(diǎn)。因此它在微弱輻射信號(hào)的探測方向被廣泛地應(yīng)用。在設(shè)計(jì)雪崩光敏二極管時(shí)，要保證載流子在整個(gè)光敏區(qū)的均勻倍增，這就需要選擇無缺陷的材料，必需保持更高的工藝和保證結(jié)面的平坦。其缺點(diǎn)是工藝要求高，穩(wěn)定性差，受溫度影響大雪崩光電二極管與光電倍增管比較倍增管的暗電流大，相應(yīng)的噪聲也較大

體積小構(gòu)造緊湊工作電壓低使用便利但其暗電流比光電故光電倍增管更適宜于弱光探測的非線性所致在大照度時(shí)，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。光電三極管與光電二極管相比，具有較高的輸出光電流，但線性差光敏三極管主要特性頻率特性〔升降〕

伏安特性〔升平〕光敏三極管光譜特性

〔升〕〔sin〕

光敏三極管的〔調(diào)制〕CCD〔C