光電信號(hào)檢測(cè)課件

光電信號(hào)檢測(cè)第一階段：傳統(tǒng)的光學(xué)裝置及儀器，不能勝任對(duì)復(fù)雜光信息高速采集和處理的要求。第二階段：半導(dǎo)體集成電路技術(shù)，可以將探測(cè)器件及電路集成在一個(gè)整體中，也可以將具有多個(gè)檢測(cè)功能的探測(cè)器件集成在一個(gè)整體中。其價(jià)格低，體積小。例如，將圖形、物體等具有二維分布的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的檢測(cè)器件是把基本的光電探測(cè)器件組成許多網(wǎng)狀陣列結(jié)構(gòu)，引人注目的器件CCD就是一種將陣列化的光電探測(cè)與掃描功能一體化的固態(tài)圖像檢測(cè)器件。它是把一維或二維的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成時(shí)序電信號(hào)的器件，能廣泛引用于自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制，尤其是圖像識(shí)別技術(shù)。像自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)（AFIS)。光電技術(shù)的發(fā)展第三階段：光導(dǎo)纖維傳感器的出現(xiàn)，為光電檢測(cè)技術(shù)的小型化等開辟了廣闊的前景。光纖檢測(cè)可以解決傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)難以解決或無(wú)法解決的許多問(wèn)題。例如，在噪聲、干擾、污染嚴(yán)重的工業(yè)過(guò)程檢測(cè)，或者在海洋、反應(yīng)堆中，自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備或智能機(jī)器人，必然會(huì)受到高壓、高溫、輻射等極端困難的條件，光纖檢測(cè)技術(shù)具有其獨(dú)特的智能化的優(yōu)越性。由于光信息傳輸?shù)莫?dú)特優(yōu)點(diǎn)，光纖檢測(cè)智能化將比其他檢測(cè)技術(shù)更具有吸引力。展望：隨著微處理技術(shù)的發(fā)展以及光電檢測(cè)技術(shù)與它的緊密結(jié)合，光電檢測(cè)技術(shù)越來(lái)越智能化。例如:機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)。本課程的主要學(xué)習(xí)內(nèi)容：光電檢測(cè)技術(shù)的基本概念、基礎(chǔ)知識(shí)和基本理論，光電檢測(cè)器件和技術(shù)的應(yīng)用。

光電檢測(cè)技術(shù)是以激光、紅外、光纖等現(xiàn)代光電子器件作為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)被檢測(cè)物體的光輻射，經(jīng)光電檢測(cè)器接收光輻射并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，由輸入電路、放大濾波等檢測(cè)電路提取有用信息，或進(jìn)入計(jì)算機(jī)處理，最終顯示輸出所需要的檢測(cè)物理參數(shù)。主要參考書目：1、光電信號(hào)檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用，郭培源等著2、光電檢測(cè)技術(shù)曾光宇等著3、光電探測(cè)技術(shù)用應(yīng)用盧春生等著4、激光光電檢測(cè)呂海寶等著5、光電信號(hào)檢測(cè)原理及技術(shù)趙遠(yuǎn)等著主要課程內(nèi)容及安排緒論光電檢測(cè)器件工作原理及特性半導(dǎo)體光電檢測(cè)器件及應(yīng)用光電信號(hào)檢測(cè)電路光電直接檢測(cè)系統(tǒng)光外差檢測(cè)系統(tǒng)光纖傳感檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)的典型應(yīng)用課后作業(yè)，期末考試學(xué)習(xí)方法：課堂講授，課下復(fù)習(xí)成果檢測(cè)：第一章緒論1.1信息技術(shù)及光電檢測(cè)技術(shù)1.2光電檢測(cè)與光電傳感器概念1.3光電檢測(cè)系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)1.4光電檢測(cè)方法及應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)1.1信息技術(shù)及光電檢測(cè)技術(shù)信息技術(shù)：微電子技術(shù)、光子信息技術(shù)和光電信息技術(shù)傳統(tǒng)的電子技術(shù)微電子技術(shù)光子信息技術(shù)光電信息技術(shù)微電子技術(shù)：通過(guò)控制固體內(nèi)電子的微觀運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的加工處理，并在固體的微區(qū)（小到幾個(gè)晶格）內(nèi)進(jìn)行，將一個(gè)電子功能部件甚至一個(gè)系統(tǒng)集成在一個(gè)很小的芯片上。光子信息技術(shù)：以光集成技術(shù)為核心的有關(guān)光學(xué)元器件制造的應(yīng)用技術(shù)，利用傳統(tǒng)工藝將有源和無(wú)源光學(xué)器件集成在一起，構(gòu)成能完成光學(xué)信息采集處理和存儲(chǔ)等功能的系統(tǒng)光電信息技術(shù)：光與電子轉(zhuǎn)換及其應(yīng)用技術(shù)，光頻段微電子技術(shù)。光電檢測(cè)技術(shù)：利用光電傳感器實(shí)現(xiàn)各類檢測(cè)，即將被測(cè)量量轉(zhuǎn)換成光通量，再將光通量轉(zhuǎn)換成電通量，并綜合利用信息傳輸技術(shù)和信息處理技術(shù)，最終完成對(duì)各類物理量進(jìn)行在線和自動(dòng)檢測(cè)。傳統(tǒng)的電子技術(shù)微電子技術(shù)光子信息技術(shù)光電信息技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)1.2光電檢測(cè)與光電傳感器概念1、檢測(cè)與測(cè)量檢測(cè)：通過(guò)一定的物理方式，分辨出被測(cè)參量并歸屬到某一范圍帶，以此來(lái)判別被測(cè)參數(shù)是否合格或是否存在。測(cè)量：將被測(cè)的未知量與同性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量比較，確定被測(cè)量對(duì)標(biāo)準(zhǔn)量的倍數(shù)，并通過(guò)數(shù)字表示出這個(gè)倍數(shù)的過(guò)程。測(cè)量方式：直接測(cè)量：溫度計(jì)，電壓表間接測(cè)量：由電壓和電流數(shù)值，通過(guò)關(guān)系計(jì)算出功率

2、光電傳感器與敏感器的概念傳感器非電量電量（確定對(duì)應(yīng)關(guān)系）光電傳感器能量控制型---有源傳感器：光敏電阻，光電二極管三極管能量轉(zhuǎn)換型---無(wú)源傳感器：光電池2、光電傳感器與敏感器的概念敏感器光電傳感器---光電效應(yīng)：將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（確定對(duì)應(yīng)關(guān)系）可測(cè)非電量電量光電傳感器被測(cè)非電量敏感器1.3光電檢測(cè)系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)一般電子檢測(cè)系統(tǒng)傳感器信號(hào)變換器輸出環(huán)節(jié)傳感器：從被測(cè)對(duì)象中提取被測(cè)信號(hào)，轉(zhuǎn)化成便于測(cè)量的電參數(shù)信號(hào)變換電路：完成信號(hào)的轉(zhuǎn)換、濾波和放大一般光電系統(tǒng)光發(fā)射機(jī)光學(xué)通道光接收機(jī)光發(fā)射機(jī)：分為主動(dòng)式和被動(dòng)式

主動(dòng)式：光源（或加調(diào)制器）被動(dòng)式：無(wú)自身光源，來(lái)自被測(cè)物體的光熱輻射發(fā)射光學(xué)通道：大氣、空間、水下和光纖等光接收機(jī)：收集入射的光信號(hào)并加以處理，恢復(fù)光載波信息光接收機(jī)的基本結(jié)構(gòu)接收到的光場(chǎng)接收透鏡系統(tǒng)光電檢測(cè)器后繼檢測(cè)處理器接收透鏡系統(tǒng)：對(duì)光信號(hào)進(jìn)行濾波、聚焦，入射到光檢測(cè)器上光電檢測(cè)器：完成光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換檢測(cè)處理電路：完成電信號(hào)的放大、調(diào)理及濾波，恢復(fù)信號(hào)。光接收機(jī)的分類功率檢測(cè)接收機(jī)—直接檢測(cè)或非相干檢測(cè)

外差檢測(cè)接收機(jī)—相干檢測(cè)（空間相干）光接收機(jī)的分類圖示透鏡光電檢測(cè)器接收到的光場(chǎng)空間濾波器頻率濾波器直接檢測(cè)接收機(jī)外差檢測(cè)接收機(jī)合束鏡光電檢測(cè)器接收到的光場(chǎng)本地激光器本地光場(chǎng)聚焦光場(chǎng)透鏡光電系統(tǒng)框圖光源光學(xué)系統(tǒng)被測(cè)對(duì)象光學(xué)變換光電轉(zhuǎn)換電信號(hào)處理存儲(chǔ)顯示控制光學(xué)變換：通過(guò)各種光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng)，如平面鏡、狹縫、透鏡、棱鏡、光柵、成像系統(tǒng)等來(lái)實(shí)現(xiàn)，作用是將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為光參量（振幅、頻率、相位、偏振態(tài)，傳播方向變化等）。光電轉(zhuǎn)換：由各種光電器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，如光電檢測(cè)器件、光電攝像器件、光電熱敏器件等。光電系統(tǒng)的分類1、光電系統(tǒng)的分類：廣義的光電系統(tǒng)包括兩個(gè)分支，即光電能量系統(tǒng)、光電信息系統(tǒng)

（1）光電能量系統(tǒng)：太陽(yáng)能發(fā)電、激光加工、激光醫(yī)療、激光核聚變等。主要是解決有關(guān)大功率光輻射能量的產(chǎn)生、控制、利用及向其他能量形式的轉(zhuǎn)換。（2）光電信息系統(tǒng)：以光輻射和電子流為信息載體，通過(guò)光電或電光相互轉(zhuǎn)換，綜合利用光學(xué)或電子學(xué)的方法進(jìn)行信息的傳輸、采集、處理、存儲(chǔ)或顯示、以實(shí)現(xiàn)確定目標(biāo)的混合系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱光電系統(tǒng)。2、光電系統(tǒng)大致可分作下列幾種類型。

（1）光-電型（應(yīng)用最廣泛）：被測(cè)量對(duì)象經(jīng)過(guò)光機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生光信號(hào)，其通過(guò)光電轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)入電子系統(tǒng)，光學(xué)儀器的自動(dòng)化常采用這種方式。若經(jīng)AD轉(zhuǎn)換，進(jìn)一步傳輸?shù)接?jì)算機(jī)處理，可組成部分代替人的視覺(jué)和思維活動(dòng)的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)。例如：智能化的工業(yè)在線檢測(cè)。（2）光-電-光型：

由光機(jī)系統(tǒng)采集到的光信號(hào)通過(guò)光電轉(zhuǎn)換（A/D）成電信號(hào)，經(jīng)電信號(hào)處理后再經(jīng)過(guò)電光變換形成光信號(hào)輸出。例如：電視技術(shù)中的攝像管，顯像管以及聲像光盤的錄制和再現(xiàn)都是這類系統(tǒng)的代表。（3）電-光-電型：電信號(hào)經(jīng)過(guò)電光變換得到可在光路中傳輸?shù)墓庑盘?hào)，在經(jīng)過(guò)光電變換為電信號(hào)后作進(jìn)一步處理或輸出。典型應(yīng)用如光纖通訊，其主要利用光纖對(duì)光信號(hào)進(jìn)行傳輸。像光纖立靶的應(yīng)用。

（4）光電混合型：其主要特點(diǎn)是使傳統(tǒng)光路實(shí)現(xiàn)光路器件的“有源化”和封閉的光束網(wǎng)絡(luò)，例如光導(dǎo)纖維、空間調(diào)制器等。這將最終組成有源可控的光學(xué)系統(tǒng)和集成光路。和現(xiàn)有的無(wú)源光路比較，這是光學(xué)技術(shù)的根本變革。（5）電光混合型這種系統(tǒng)的目標(biāo)是將電路系統(tǒng)元器件的功能用光學(xué)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，即所謂的電路元件的“光子化”，例如光學(xué)晶體管和光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件等，目前許多單元器件已相繼問(wèn)世或正在研制中。后兩種光電系統(tǒng)是光電技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向，其中的光電混合式或全光學(xué)式的光學(xué)計(jì)算機(jī)是這些系統(tǒng)最有吸引力的發(fā)展目標(biāo)。

通過(guò)上面的學(xué)習(xí)我們可以看出，光電系統(tǒng)的共同特點(diǎn)是通過(guò)光電檢測(cè)——所有被研究的信息都將通過(guò)各種效應(yīng)（機(jī)、熱、聲、電、磁）調(diào)制到光載波上，然后將攜帶被研究的信息光載波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并通過(guò)電子線路和計(jì)算機(jī)的綜合處理，實(shí)現(xiàn)光學(xué)儀器的自動(dòng)化。因此，光電檢測(cè)作為光電系統(tǒng)的一種共性技術(shù)具有重要的意義。所謂光電檢測(cè)，指的是對(duì)光信號(hào)的調(diào)制變換和接收解調(diào)兩個(gè)主要方面。

高精度。各種檢測(cè)技術(shù)中最高。如激光干涉儀法檢測(cè)長(zhǎng)度的精度達(dá)0.05um/m；光柵莫爾條紋法測(cè)角可達(dá)0.04秒；用激光測(cè)距法測(cè)量地球到月球之間距離分辨率可達(dá)1m。高速度。光電檢測(cè)以光為介質(zhì)，用光學(xué)方法獲取和傳遞信息是最快的。遠(yuǎn)距離，大量程。光便于遠(yuǎn)距離傳播的介質(zhì)，適于遙控和遙測(cè)，如武器制導(dǎo)，光電跟蹤，電視遙測(cè)等。非接觸檢測(cè)。光照可認(rèn)為是沒(méi)有測(cè)量力的，也無(wú)磨擦，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，效率最高。壽命長(zhǎng)。光波可永久使用。具有很強(qiáng)的信息處理和運(yùn)算能力?？蓪?fù)雜信息并行處理。。同時(shí)光電方法還便于信息控制和存儲(chǔ)，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化。光電檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)了解并掌握典型的光電器件的原理和特點(diǎn)，會(huì)正確選用光電器件。學(xué)會(huì)根據(jù)光電器件的特點(diǎn)選擇和設(shè)計(jì)光電檢測(cè)電路和有關(guān)參數(shù)。能根據(jù)被測(cè)對(duì)象的要求，設(shè)計(jì)光電檢測(cè)系統(tǒng)。光電檢測(cè)技術(shù)的學(xué)習(xí)要求：1.4光電檢測(cè)方法及應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)光電傳感器的類型根據(jù)光源、光學(xué)系統(tǒng)和光電轉(zhuǎn)換器件放置位置的不同，可分為：直射型：光電轉(zhuǎn)換器對(duì)著光源放置，光軸重合，對(duì)于光源為發(fā)射光通量最大方向，對(duì)于光電器件為靈敏度最高的方向。反射型：分為單向反射和漫反射輻射型：被測(cè)物體本身為一輻射源，光電檢測(cè)器通過(guò)接收被測(cè)物體的輻射光能量實(shí)現(xiàn)測(cè)量。光電檢測(cè)的基本方法根據(jù)檢測(cè)原理，基本方法：

直接作用法、差動(dòng)測(cè)量法、補(bǔ)償測(cè)量法和脈沖測(cè)量法I、直接作用法：受被測(cè)物理量控制的光通量，經(jīng)光電接收器轉(zhuǎn)換后由檢測(cè)機(jī)構(gòu)可直接得到所求被測(cè)物理量。被測(cè)物理量光通量光電傳感器放大、定標(biāo)直接讀數(shù)光電系統(tǒng)的基本模型II、差動(dòng)測(cè)量法：利用被測(cè)量與某一標(biāo)準(zhǔn)量相比較，所得差或數(shù)值比可反應(yīng)被測(cè)量的大小，放大相敏檢波器uACREUL調(diào)制盤被測(cè)物光楔反光鏡Φ2Φ1雙光路差動(dòng)測(cè)量法測(cè)量物體長(zhǎng)度工作原理：Φ1=Φ2時(shí)，U=0ΦOΦ1Φ2Φ1Φ2tUOtΦOΦ1Φ2Φ1Φ2tUOtΦOΦ1Φ2Φ1Φ2tUOtΦ1>Φ2時(shí)，工件尺寸變小

U=S*(Φ1-Φ2)=S*ΔΦΦ1<Φ2時(shí)，工件尺寸變大

U=S*(Φ1-Φ2)=-S*ΔΦ說(shuō)明：測(cè)量值的大小決定了U的幅值，測(cè)量值的正負(fù)決定于U的相位，可通過(guò)相敏檢波器得到。測(cè)量值U的幅值工件大小相敏檢測(cè)器：核心是由一個(gè)乘法器和一個(gè)濾波器，如圖一路為信號(hào)us，另一路為uR。ui=us=Eisin(ω1t+θ1),uR=ERsin(ω2t+θ2),濾波器ui或usu0uRu0=uiuR=1/2gEiERcos[2π(f1-f2)t+θ1-θ2)-1/2gEiERcos(2π(f1+f2)t+θ1+θ2]濾去高頻信號(hào)后，u0=uiuR=1/2gEiERcos[2π(f1-f2)t+θ1-θ2]如f1=f2，則u0=1/2gEiERcos(θ1-θ2)=1/2gEiERcosΔθ特性分析：

Δθ=0，則u0輸出為正，

Δθ=π，則u0輸出為負(fù)。相敏檢波器用途：可用來(lái)測(cè)幅，測(cè)相，還可高頻信號(hào)變成中頻信號(hào)（差頻信號(hào)）雙光路外差檢測(cè)特點(diǎn)：

雙光路可消除雜散光、光源波動(dòng)、溫度變化和電源電壓波動(dòng)帶來(lái)的測(cè)量誤差，使測(cè)量精度和靈敏度大大提高。III、補(bǔ)償測(cè)量法：原理：是用光或電的方法補(bǔ)償由被測(cè)量變化而引起的光通量變化，補(bǔ)償器的可動(dòng)元件連接讀數(shù)裝置指示出補(bǔ)償量值，其大小反應(yīng)被測(cè)量變化大小。例：由相敏檢波器輸出控制光楔上下移動(dòng)，使Φ1-Φ2=0，光楔移動(dòng)與讀數(shù)機(jī)構(gòu)相連，讀數(shù)反映光通量的變化量，即被測(cè)值。放大相敏檢波器uACREUL調(diào)制盤被測(cè)物光楔反光鏡Φ2Φ1移動(dòng)控制及讀數(shù)顯示IV、脈沖測(cè)量法：原理：測(cè)量中將被測(cè)量的光通量轉(zhuǎn)換成電脈沖，其參數(shù)（脈寬，相位，頻率，脈沖數(shù)量等）反映被測(cè)量的大小。1、脈寬方法測(cè)長(zhǎng)度：測(cè)量關(guān)系式：

L=v*t=v*k*N=K*Nk---高頻脈沖時(shí)間當(dāng)量K---長(zhǎng)度當(dāng)量N---計(jì)數(shù)器值高頻脈沖可取自電動(dòng)機(jī)或轉(zhuǎn)動(dòng)輪上脈沖，消除不勻速帶來(lái)的誤差。vnR1ER2高頻脈沖N計(jì)數(shù)器2、頻率法測(cè)速：在轉(zhuǎn)動(dòng)輪上均勻貼有反射片，光電傳感器可接收與轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)的光脈沖，m為反光片數(shù)，n為每分鐘轉(zhuǎn)速，則：f=n*m/60=N/t；即轉(zhuǎn)速可以由此得到：n=60N/m*t控制時(shí)間tRE放大整形N計(jì)數(shù)脈沖測(cè)量法特點(diǎn)：抗干擾性能好，精度高，直接與計(jì)算機(jī)相連，易于實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量和自動(dòng)化控制。光電傳感器的發(fā)展趨勢(shì)發(fā)展納米、亞納米高精度的光電測(cè)量新技術(shù)。發(fā)展小型的、快速的微型光、機(jī)、電檢測(cè)系統(tǒng)。非接觸、快速在線測(cè)量，以滿足快速增長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)需要。向微空間三維測(cè)量技術(shù)和大空間三維測(cè)量技術(shù)發(fā)展。發(fā)展閉環(huán)控制的光電檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)光電測(cè)量與光電控制一體化。向人們無(wú)法觸及的領(lǐng)域發(fā)展。發(fā)展光電跟蹤與光電掃描技術(shù)，如遠(yuǎn)距離的遙控，遙測(cè)技術(shù)，激光制導(dǎo)，飛行物自動(dòng)跟蹤，復(fù)雜形體自動(dòng)掃描測(cè)量等。思考題及作業(yè)1、如何實(shí)現(xiàn)非電量的測(cè)量，舉例說(shuō)明。

2、電子計(jì)數(shù)器如何實(shí)現(xiàn)既能測(cè)量頻率又能測(cè)量周期?為什么要通過(guò)測(cè)量周期方法來(lái)測(cè)量低頻信號(hào)的頻率第二章

光電檢測(cè)器件工作原理及特性2.1光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)

1、光電導(dǎo)效應(yīng)

2、雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)

3、光生伏特效應(yīng)

4、光熱效應(yīng)2.2光電檢測(cè)器件的特性參數(shù)2.1光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)

----光電效應(yīng)和光熱效應(yīng)

光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)和光熱效應(yīng)光電效應(yīng)：物質(zhì)受光照射后，材料電學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化（發(fā)射電子、電導(dǎo)率的改變、產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)）現(xiàn)象。

包括：外光電效應(yīng)：產(chǎn)生電子發(fā)射內(nèi)光電效應(yīng)：內(nèi)部電子能量狀態(tài)發(fā)生變化2.1.1光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)：光照射的物質(zhì)電導(dǎo)率發(fā)生改變，光照變化引起材料電導(dǎo)率變化。是光電導(dǎo)器件工作的基礎(chǔ)。

物理本質(zhì)：光照到半導(dǎo)體材料時(shí)，晶格原子或雜質(zhì)原子的束縛態(tài)電子吸收光子能量并被激發(fā)為傳導(dǎo)態(tài)自由電子，引起材料載流子濃度增加，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率增大。屬于內(nèi)光電效應(yīng)。

包括：本征和非本征兩種，對(duì)應(yīng)本征和雜質(zhì)半導(dǎo)體材料。1、本征光電導(dǎo)效應(yīng)本征光電導(dǎo)效應(yīng)：是指本征半導(dǎo)體材料發(fā)生光電導(dǎo)效應(yīng)。

即：光子能量hv大于材料禁帶寬度Eg的入射光，才能激光出電子空穴對(duì)，使材料產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)。針對(duì)本征半導(dǎo)體材料。即：

hv>Eg即存在截止波長(zhǎng)：λ0=hc/Eg=1.24/Eg?；靖拍睿?、穩(wěn)態(tài)光電流：穩(wěn)定均勻光照

2、暗電導(dǎo)率和暗電流3、亮電導(dǎo)率和亮電流4、光電導(dǎo)和光電流基本公式：暗電導(dǎo)率Gd=σdS/L暗電流Id=σdSU/L亮電導(dǎo)率Gl=σlS/L亮電流Il=σlSU/L光電導(dǎo)Gp=ΔσS/L光電流Ip=ΔσSU/L光電導(dǎo)效應(yīng)示意圖LS本征半導(dǎo)體樣品光U2、光電導(dǎo)弛豫過(guò)程

光電導(dǎo)效應(yīng)是非平衡載流子效應(yīng)，因此存在一定的弛豫現(xiàn)象，即光電導(dǎo)材料從光照開始到獲得穩(wěn)定的光電流需要一定的時(shí)間。同樣光電流的消失也是逐漸的。弛豫現(xiàn)象說(shuō)明了光電導(dǎo)體對(duì)光強(qiáng)變化的反應(yīng)快慢程度，稱為惰性。EtOi(%)tO1006337τrτf矩形光脈沖光電導(dǎo)對(duì)光強(qiáng)變化反應(yīng)的惰性引起光電流變化的延遲

輸出光電流與光功率調(diào)制頻率變化關(guān)系是一低通特性。3、光電導(dǎo)增益光電導(dǎo)增益是表征光電導(dǎo)器件特性的一個(gè)重要參數(shù)，表示長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光電導(dǎo)體在兩端加上電壓U后，由光照產(chǎn)生的光生載流子在電場(chǎng)作用下形成的外電流與光生載流子在內(nèi)部形成的光電流之比?？杀硎緸?M=τ/τdr

τ為器件的時(shí)間響應(yīng)

τdr為載流子在兩極間的渡越時(shí)間光電導(dǎo)器件常做成梳狀電極，光敏面做成蛇形，即保證了較大的受光表面，又可減小電極間距離，從而減小載流子的有效極間渡越時(shí)間，也利于提高靈敏度光電導(dǎo)器件的光電導(dǎo)增益與帶寬積為一常數(shù)，即MΔf=常數(shù)。表明，光電導(dǎo)增益越大，光電靈敏度越高，而器件的帶寬越低。反之亦然。這一結(jié)論對(duì)光電效應(yīng)現(xiàn)象有普遍性。2.1.2雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)：雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體中施主或受主吸收光子能量后電離中，產(chǎn)生自由電子或空穴，從而增加材料電導(dǎo)率的現(xiàn)象。

雜質(zhì)半導(dǎo)體禁帶寬度比本征小很多，因此更容易電離，響應(yīng)波長(zhǎng)比本征材料要長(zhǎng)得多。用EI表示雜質(zhì)半導(dǎo)體的電離能，則截止波長(zhǎng)：λ0=hc/EI。

特點(diǎn)：容易受熱激發(fā)產(chǎn)生的噪聲的影響，常工作在低溫狀態(tài)。

常用光電導(dǎo)材料：硅Si、鍺Ge及摻雜的半導(dǎo)體材料，以及一些有機(jī)物。2.1.3光生伏特效應(yīng)達(dá)到內(nèi)部動(dòng)態(tài)平衡的半導(dǎo)體PN結(jié)，在光照的作用下，在PN結(jié)的兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，稱為光生電動(dòng)勢(shì)。這就是光生伏特效應(yīng)。也稱光伏效應(yīng)。物理本質(zhì)：PN結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)使得載流子（電子和空穴）的擴(kuò)散和漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到了動(dòng)態(tài)的平衡，在光子能量大于禁帶寬度的光照的作用下，激光出的電子空穴對(duì)打破原有平衡，靠近結(jié)區(qū)電子和空穴分別向N區(qū)和P區(qū)移動(dòng)，形成光電流，同時(shí)形成載流子的積累，內(nèi)建電場(chǎng)減小，相當(dāng)于在PN加了一個(gè)正向電壓。即光生電動(dòng)勢(shì)。IpPN____VDV+光照PNEcEvEFeVD無(wú)光照有光照PNEcEvEFeVD-eV形成過(guò)程：空穴電子光生（正向）電壓產(chǎn)生正向注入電流（由P指N）：

I+=Is[exp(qV/kT)-1]I+當(dāng)PN結(jié)外接回路時(shí)，總電流與光生電流和結(jié)電流之間關(guān)系：

I=Ip-I+=Ip-Is[exp(qV/kT)-1]負(fù)載接入外回路，電流為I，則PN結(jié)兩端電壓為：

V=(kT/q)ln[(Ip-I)/Is+1]

PN結(jié)開路時(shí)，I=0，求得開路電壓：Voc=(kT/q)ln(Ip/Is+1)

可見Voc與Ip為非線性關(guān)系。PN結(jié)短路，V=0，求得短路電流即光電流：Isc=Ip=qη/hν=P沒(méi)有光照時(shí)，Ip=0，外加正向電壓為V時(shí)，有I+=Is[exp(qV/kT)-1]注意：光伏效應(yīng)與光照相聯(lián)系的是少數(shù)載流子的行為，少數(shù)載流子的壽命通常很短。所以以光伏效應(yīng)為基礎(chǔ)的檢測(cè)器件比以光電導(dǎo)效應(yīng)為基礎(chǔ)的檢測(cè)器件有更快的響應(yīng)速度。與光電效應(yīng)的區(qū)別：光電效應(yīng)中，光子能量直接變?yōu)楣怆娮拥哪芰?，光熱效?yīng)中，光能量與晶格相互作用使其運(yùn)動(dòng)加劇，造成溫度的升高，從而引起物質(zhì)相關(guān)電學(xué)特性變化。2.1.4光熱效應(yīng)可分為:熱釋電效應(yīng)、輻射熱計(jì)效應(yīng)及溫差電效應(yīng)1、熱釋電效應(yīng)

介質(zhì)溫度在光照作用下溫度發(fā)生變化，介質(zhì)的極化強(qiáng)度隨溫度變化而變化，引起表面電荷變化的現(xiàn)象。

物理本質(zhì)：極化晶體極化晶體：在外電場(chǎng)和應(yīng)力為零情況下自身具有自發(fā)極化的晶體，原因是內(nèi)部電偶極矩不為零，表面感應(yīng)束縛電荷。+-+-+-+-+-+-______P(T1)P(T2)+-+-+-+-+-+-___j工作溫度T1（左）和工作溫度T2>T1（右）極化晶體表面束縛電荷，被周圍自由電荷不斷中和，表面無(wú)電荷。光照時(shí)，晶體溫度升高，電偶極子熱運(yùn)動(dòng)加劇，極化強(qiáng)度減弱，表面感應(yīng)電荷數(shù)減小，但中和過(guò)程（達(dá)數(shù)秒）要遠(yuǎn)大于極化強(qiáng)度的響應(yīng)過(guò)程（10-12s），相當(dāng)于釋放了一些電荷，對(duì)外表面為電流。可以在這些電荷被中和之間測(cè)量到。熱釋電現(xiàn)象中：溫度對(duì)自發(fā)極化強(qiáng)度的影響。TcPTOTcPTO極化晶體的極化強(qiáng)度與溫度T的關(guān)系：一級(jí)相變（左）和二極相變（右）隨著溫度的升高，自發(fā)極化強(qiáng)度越來(lái)越弱，當(dāng)達(dá)到一定溫度時(shí)，自發(fā)極化強(qiáng)度為零，極化晶體發(fā)生相變?yōu)榉菢O化晶體。2、輻射熱計(jì)效應(yīng)入射光照射材料由于受熱而造成電阻率變化的現(xiàn)象稱為輻射熱計(jì)效應(yīng)。由溫度引起電阻率變化。阻值與溫度變化關(guān)系：ΔR=αTRΔTαT為電阻溫度系數(shù)R為元件電阻當(dāng)溫度變化足夠小時(shí)，αT=1/R*dR/dT對(duì)金屬材料，R=BT，則αT=1/T，呈反比關(guān)系。對(duì)半導(dǎo)體材料，R與T具有指數(shù)關(guān)系，則αT=-B/T2。說(shuō)明溫度越高，電阻溫度系數(shù)越小。B為常數(shù)，典型值3000K。3、溫差電效應(yīng)

由兩種不同材料制成的結(jié)點(diǎn)由于受到某種因素作用而出現(xiàn)了溫差，就有可能在兩結(jié)點(diǎn)間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，回路中產(chǎn)生電流，這就是溫差電效應(yīng)。當(dāng)有光照結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生溫度變化就會(huì)產(chǎn)生溫差電現(xiàn)象。另外，如果在圖中x，y處接一電動(dòng)勢(shì)，導(dǎo)體中產(chǎn)生電流，兩個(gè)接點(diǎn)1和2處就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)吸熱一個(gè)放熱的現(xiàn)象。吸（放）熱速率：dθp/dt=πI，π稱為帖耳帖系數(shù)xyT1T212導(dǎo)體a導(dǎo)體b2.2光電檢測(cè)器件的特性參數(shù)

光電檢測(cè)器件利用特質(zhì)的光電效應(yīng)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件，它的性能對(duì)光電檢測(cè)系統(tǒng)影響很大。根據(jù)工作機(jī)理的不同，可分為光子檢測(cè)器件和熱電檢測(cè)器件。熱電檢測(cè)器件熱釋電檢測(cè)器（熱釋電效應(yīng)）熱敏電阻（輻射熱計(jì)效應(yīng)）熱電偶和熱電堆（溫差電效應(yīng)）一、分類光子檢測(cè)器件電真空或光電發(fā)射型檢測(cè)器件固體或半導(dǎo)體光電檢測(cè)器件光電管光電倍增管光導(dǎo)型：光敏電阻光伏型：光電池光電二、三極管光子檢測(cè)器件（即通常意義上的光電檢測(cè)器件）分類：熱敏檢測(cè)器件的特點(diǎn)：

1、響應(yīng)波長(zhǎng)無(wú)選擇性。對(duì)各種波長(zhǎng)具有相同的敏感性。

2、響應(yīng)慢。即吸收輻射后產(chǎn)生信號(hào)所需時(shí)間長(zhǎng)，在毫秒量級(jí)光子檢測(cè)器件的特點(diǎn)：

1、響應(yīng)波長(zhǎng)有選擇性。存在截止波長(zhǎng)。

2、響應(yīng)快。一般為納秒到幾百微秒二、特性參數(shù)1、響應(yīng)度（或稱靈敏度）S電壓響應(yīng)度：SV=Vo/Pi電流響應(yīng)度：SI=Io/Pi

其中：Vo和Io分別為光電檢測(cè)器輸出電壓和輸出電流。P為入射光功率（或用通量Φ表示）。2、光譜響應(yīng)度S(λ)光譜響應(yīng)度：S(λ)=Vo/Φ(λ)

(V/W)S(λ)=Io/Φ(λ)

(A/W)Φ(λ)為入射的單色輻射通量或光通量。3、積分響應(yīng)度S：

表示檢測(cè)器對(duì)各種波長(zhǎng)的輻射光連續(xù)輻射通量的反應(yīng)程度，光電檢測(cè)器件輸出的電流或電壓與入射光通量之比。各種輻射波長(zhǎng)的總光通量為：Φ=?不同波長(zhǎng)光輻射引導(dǎo)的總輸出光電流Io=?

則積分響應(yīng)度S=？

式中λ0和λ1分別為光電檢測(cè)器的長(zhǎng)波限和短波限。4、響應(yīng)時(shí)間τ：

響應(yīng)時(shí)間是描述光電檢測(cè)器對(duì)入射輻射響應(yīng)快慢的參數(shù)。即入射光輻射到檢測(cè)器后或入射光被遮斷后，光電檢測(cè)器件輸出上升到穩(wěn)定值或下降到照射前的值所需要的時(shí)間。當(dāng)一個(gè)輻射脈沖照射光電檢測(cè)器時(shí)，如果這個(gè)脈沖上升和下降時(shí)間很短，則光電檢測(cè)器由于惰性而有延遲。上升時(shí)間τr和下降時(shí)間τf矩形光脈沖入射光tOτrτfI光tO10.10.95、頻率響應(yīng)S(f)：

由于光電檢測(cè)器信號(hào)的產(chǎn)生和消失存在著一個(gè)滯后過(guò)程，所以入射光輻射的頻率對(duì)光電檢測(cè)器的響應(yīng)將有很大的影響，把光電檢測(cè)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(shí)間常數(shù)可得到頻率響應(yīng)關(guān)系：S(f)=S0/[1+(2πfτ)2]1/2

S0為頻率是零時(shí)的響應(yīng)度；τ為時(shí)間常數(shù)。

可求得放大器的上限截止頻率：f上=1/2πτ=1/2πRC

可見：光電檢測(cè)器電路時(shí)間常數(shù)決定了頻率響應(yīng)帶寬6、熱噪聲：

當(dāng)入射輻射功率很低時(shí)，輸出只是些雜亂無(wú)章的變化信號(hào)，無(wú)法肯定是否為入射輻射信號(hào)，這是檢測(cè)器固有的噪聲引起的。其時(shí)間平均值為零，但均方根不等于零，即存在瞬時(shí)電流擾動(dòng)。這個(gè)均方根電壓（或電流）即為噪聲電壓（流）。熱噪聲是由載流子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)造成的。熱噪聲電壓和電流均方值為：？=4kTRΔf

？=4kT(Δf/R)

其中R為導(dǎo)體電阻，k為玻耳茲曼常數(shù)，T為導(dǎo)體的熱力學(xué)溫度，Δf為測(cè)量系統(tǒng)的噪聲帶寬。熱噪聲存在于任何電阻中，與溫度成正比，與頻率無(wú)關(guān)，說(shuō)明熱噪聲是由各種頻率分量組成，可稱為白噪聲。7、散粒噪聲：

或稱散彈噪聲，即穿越勢(shì)壘的載流子的隨機(jī)漲落（統(tǒng)計(jì)起伏）所造成的噪聲。理論表明，在每個(gè)時(shí)間段內(nèi)，穿越勢(shì)壘區(qū)的載流子數(shù)或從陰極到陽(yáng)極的電子數(shù)都在一個(gè)平均值上下起伏。這種起伏引起的均方噪聲電流為：？=2qIDCΔf

其中IDC為流過(guò)器件電流的直流分量（平均值）,q為電子電荷，

散粒噪聲也屬于白噪聲。8、信噪比（S/N）：

信噪比是判斷噪聲大小通常使用的參數(shù)。它是在負(fù)載電阻RL上產(chǎn)生的信號(hào)功率與噪聲功率比。

S/N=PS/PN=IS2RL/IN2RL=IS2/IN2用分貝（dB）表示：（S/N)dB=10lg(IS2/IN2)=20lg(IS/IN)

S/N的大小與入射信號(hào)輻射功率及接收面積有關(guān)，入射輻射強(qiáng)，接收面積大，則S/N就大。但性能不一定就好，對(duì)兩種光電器件只有在相同信號(hào)輻射功率相同情況下才能比較。9、線性度（非線性誤差δ）：

線性度是描述光電檢測(cè)器輸出信號(hào)與輸入信號(hào)保持線性關(guān)系的，即在規(guī)定范圍內(nèi)，光電檢測(cè)器的輸出電量正比于輸入光量的性能。光電檢測(cè)器件的響應(yīng)度是常數(shù)的范圍稱為線性區(qū)。δ=Δmax/I2-I1實(shí)線為實(shí)際響應(yīng)曲線虛線為擬合直線ΦIOI2I1光電檢測(cè)器線性區(qū)的大小與檢測(cè)器后電子線路有很大關(guān)系：線性區(qū)的下限一般由光電器件的暗電流和噪聲因素決定，上限由飽和效應(yīng)或過(guò)載決定。還隨偏置、輻射調(diào)制及調(diào)制頻率等條件的變化而變化。10、工作溫度：

光電檢測(cè)器的工作溫度是最佳工作狀態(tài)時(shí)的溫度，是光電檢測(cè)器重要的性能參數(shù)之一。

光電檢測(cè)器工作溫度不同，工作性能將會(huì)有所變化。例如HgCdTe（汞鎘碲）檢測(cè)器在液氮溫度時(shí)，有較高的信噪比，而鍺摻銅光電導(dǎo)器件在4K左右時(shí)，有較高的信噪比；如果溫度升高，它們的性能會(huì)逐漸變差，以致無(wú)法使用。又如InSb（銻化銦）器件，工作溫度在300K，長(zhǎng)波限為7.5um，峰值波長(zhǎng)在6um，工作溫度為77K時(shí)，長(zhǎng)波限為5.5um，峰值波長(zhǎng)為5um，變化明顯。對(duì)于熱電檢測(cè)器，環(huán)境檢測(cè)工作溫度變化會(huì)使響應(yīng)度和熱噪聲發(fā)生變化，作業(yè)思考題簡(jiǎn)述光生伏特效應(yīng)的工作原理，為什么為伏效慶器件比光電導(dǎo)效應(yīng)器件有更快的響應(yīng)速度。比較光電效應(yīng)和光熱效應(yīng)在作用機(jī)理、性能及應(yīng)用特點(diǎn)等方面的差異。思考題2.某光敏電阻與負(fù)載電阻RL=2kΩ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=6×10-6s/lx，求光敏電阻所受的照度？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3.1光敏電阻利用具有光電導(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。3.1.1、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UIp電極入射光當(dāng)入射光子使半導(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-Id工作原理光敏電阻按半導(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)。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。光敏電阻的基本結(jié)構(gòu)12321-光電導(dǎo)材料；2-電極；3-襯底材料絕緣基底光電導(dǎo)體膜工作性能特點(diǎn)：光譜響應(yīng)范圍相當(dāng)寬?？梢姽?、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。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。3.1.2、光敏電阻特性參數(shù)1、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，γ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γ=1，強(qiáng)光下γ=0.5；

U為光敏電阻兩端所加電壓，α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)α=1，非歐姆接觸時(shí)α=1.1-1.2Sg為光電導(dǎo)靈敏度，單位S/lxOI光ECdS的光電特性對(duì)CdS光電導(dǎo)體，弱光照射下γ=1，強(qiáng)光下γ=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）2、伏安特性（輸出特性）

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/mA510050100lx10lx250mW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。

3.1.2、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工作的溫度的辦法提高工作穩(wěn)定性。3.1.2、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3.1.2、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-黑暗放置24小時(shí)后

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)3.1.2、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；3-TlS；4-PbS3.1.2、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。Τ’rΤ’fEtOi(%)tO1006337τrτf矩形光脈沖10lx100lx3.1.2、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)可見光區(qū)，峰值波長(zhǎng)在515～600nm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。3.1.2、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)。1、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Dλ*=1.5Χ1011cm·Hz1/2/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1MΩ，銻化銦（InSb）光敏電阻：長(zhǎng)波限7.5um，內(nèi)阻低（約50Ω），峰值探測(cè)率Dλ*=1.2Χ1011cm·Hz1/2/w。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2、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=SgΦ

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ΔRp，電流變化ΔI，即有：

即2、基本偏置電路3.1.3、光敏電阻的應(yīng)用電路URLULI輸出電壓3.1.3、光敏電阻的應(yīng)用電路1、火焰檢測(cè)報(bào)警器R12kΩ中心站放大器VDW6VR2200kΩR3PbSC168nFC268uFR43.9MΩR5820kΩR71kΩR832kΩR63.9kΩR9150kΩC44.7nF+C3100uFV1V2V3PbS光敏電阻：Rd=1MΩ,Rl=0.2MΩ，峰值波長(zhǎng)2.2um。恒壓偏置電路高輸入阻抗放大電路Vo快門按鈕驅(qū)動(dòng)單元UthURUth=???UR=???+_ARp210kΩRp110kΩR2300ΩR15.1kΩC11uFMVDVRCdSUbb3.1.3、光敏電阻的應(yīng)用電路2、照相機(jī)電子快門3、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3.1.4、光敏電阻使用的注意事項(xiàng)測(cè)光的光源光譜特性與光敏電阻的光敏特性相匹配。要防止光敏電阻受雜散光的影響。要防止使光敏電阻的電參數(shù)(電壓,功耗)超過(guò)允許值。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)γ大的光敏電阻。模擬信息傳輸:則以選用γ值小、線性特性好的光敏電阻。分類按用途太陽(yáng)能光電池：用作電源（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)非常薄：0.2-0.3μm,短波峰值600nm3.2光電池

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。3.2.1光電池的基本結(jié)構(gòu)和工作原理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)3.2.2硅光電池的特性參數(shù)1、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。由光電池的電流方程：

Rs很小，可忽略，上式變?yōu)椋篟sRLVDIpI+ILRLVDILIp=Sg·E1、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Ip>>Is,

當(dāng)RL=0時(shí)，Isc=Ip=Sg·E下面看兩個(gè)關(guān)系：當(dāng)E=0時(shí)1、Voc，Isc與E的關(guān)系：

當(dāng)IL=0，RL=∞時(shí)一般Ip>>Is,且Ip=Sg·E

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)，2、Isc與E和RL的關(guān)系：3.2.2硅光電池的特性參數(shù)RL=120ΩRL=2.4kΩRL=12kΩE/lxJ/uA·mm2

當(dāng)RL=0時(shí)，

Isc=Ip=Sg·E

當(dāng)RL不為0時(shí)RLVDIL

為什么RL的增加會(huì)使光電流減??？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)2、輸出特性3.2.2硅光電池的特性參數(shù)RL/Ω0100200300400500Voc/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。3、光譜特性3.2.2硅光電池的特性參數(shù)4、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10-5-10-3mA/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。3.2.3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。光電池與外電路的連接方式3.2.3硅光電池的應(yīng)用-10VVociC3DG62CR×21kΩ硅三極管的放大光電流電路-10VVociC3AX42CR鍺三極管的放大電路1kΩ光電池作緩變信號(hào)檢測(cè)時(shí)的的變換電路舉例硅三極管放大光電流的電路+4VVociC3DG7A2CR1kΩ2AP7100Ω3.2.3硅光電池的應(yīng)用+_Δ∞VocRf2CR采用運(yùn)算放大器的電路光電池的變換電路舉例1．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(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BG2BG1+12VCJR1R2(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。(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)翻轉(zhuǎn)，改變其工作狀態(tài)或觸發(fā)器件(如可控硅)導(dǎo)通。+12V5G23(d)光電池放大電路C3-12VWR1R2R3R4R5C1C218765432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。220VC1路燈CJD-108V200μF200μFC2C3100μFR1R3R5R7R4R6R7R2J470kΩ200kΩ10kΩ4.3kΩBG1280kΩ25kΩ57kΩ10kΩ路燈自動(dòng)控制器BG2BG3BG42CR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3.3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基本結(jié)構(gòu)相同，由一個(gè)PN結(jié)；光電二極管的光敏面小，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)微安。摻雜濃度：光電池約為1016-1019/cm3，硅光電二極管1012~1013/cm3，電阻率：光電池0.1-0.01Ω/cm，光電二極管1000Ω/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、APD3.3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)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)VARLhν等效電路光電二極管的伏安特性IUOE2>E1>E0E0E1E3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，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=200lxE=400lx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。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/mA1020305070T/oC250504060光電二極管的典型應(yīng)用電路應(yīng)用電路EhνRLVoRL+EVohν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PIN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-SiN-SiI-SiPIN管結(jié)構(gòu)示意圖特點(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。

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100～200V，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)雪崩光電二極管(APD)原理圖3.3.2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。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。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＋β）Ip）β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。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)原理、工作原理和電氣圖形符號(hào)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λ/nm400080001200016000相對(duì)靈敏度/%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。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/V500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/μAL/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。光照特性暗電流/mA1020305070T/oC25

0504060光電流/mA100

02003004008010203040506070T/oC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=1kΩRL=10kΩRL=100kΩ0100100050050001000010020406080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。JR2R1A3DG12VJR2R1A3DG12V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

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)控制電路防止閃電等短時(shí)干擾的路燈控制電路印刷機(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

光控電焊眼罩汽車車燈全自動(dòng)控制器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-Multipliertube

（PMT）真空光電管90VDC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（Darkcurrent，40K的放射線激發(fā)）。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。光電倍增管（photomultipliertube,PMT）石英套光束1個(gè)光子產(chǎn)生106~107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)打拿極(dynatron)，所加直流電壓共為9010V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)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3.4發(fā)光器件1.白熾光源用鎢絲通電加熱作為光輻射源最為普通，一般白熾燈的輻射光譜是連續(xù)的。發(fā)光范圍：可見光、大量紅外線和紫外線，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信號(hào)。特點(diǎn)：壽命短而且發(fā)熱大、效率低、動(dòng)態(tài)特性差，但對(duì)接收光敏元件的光譜特性要求不高，是可取之處。3.4發(fā)光器件2.氣體放電光源定義：利用電流通過(guò)氣體產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象制成的燈。氣體放電燈的光譜是不連續(xù)的，光譜與氣體的種類及放電條件有關(guān)。改變氣體的成分、壓力、陰極材料和放電電流大小，可得到主要在某一光譜范圍的輻射。低壓汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈是光譜儀器中常用的光源，統(tǒng)稱為光譜燈。例如低壓汞燈的輻射波長(zhǎng)為254nm，鈉燈的輻射波長(zhǎng)為589nm，可被用作單色光源。如果光譜燈涂以熒光劑，由于光線與涂層材料的作用，熒光劑可以將氣體放電譜線轉(zhuǎn)化為更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，通過(guò)對(duì)熒光劑的選擇可以使氣體放電發(fā)出某一范圍的波長(zhǎng)，如照明日光燈。氣體放電燈消耗的能量為白熾燈1/2-1/33.4.1發(fā)光二極管(Lightemittingdiode)由半導(dǎo)體PN結(jié)構(gòu)成，其工作電壓低、響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)、體積小、重量輕，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。半導(dǎo)體中，由于空穴和電子的擴(kuò)散，在PN結(jié)處形成勢(shì)壘，從而抑制了空穴和電子的繼續(xù)擴(kuò)散。當(dāng)PN結(jié)上加有正向電壓時(shí)，勢(shì)壘降低，電子由N區(qū)注入到P區(qū)，空穴則由P區(qū)注入到N區(qū)，稱為少數(shù)載流子注入。所注入到P區(qū)里的電子和P區(qū)里的空穴復(fù)合，注入到N區(qū)里的空穴和N區(qū)里的電子復(fù)合，這種復(fù)合同時(shí)伴隨著以光子形式放出能量，因而有發(fā)光現(xiàn)象。發(fā)光二極管是少數(shù)載流子在PN結(jié)區(qū)的注入與復(fù)合而產(chǎn)生發(fā)光的一種半導(dǎo)體光源，也稱作注入式場(chǎng)致發(fā)光光源P-AIxGa1-xAsN-AIyGa1-yAsP-GaAs光輸出發(fā)光二極管的工作原理有源區(qū)圓形金屬觸點(diǎn)SiO2絕緣層SiO2絕緣層金屬化層熱沉雙異質(zhì)結(jié)層襯底限制層接合材料金屬化層光纖圓形蝕刻孔金屬化層(用于電接觸)SiO2絕緣層雙異質(zhì)結(jié)熱沉襯底導(dǎo)光層金屬化層(用于電接觸)條形接觸(確定有源區(qū))有源區(qū)

圖3.14兩類發(fā)光二極管(LED)(a)正面發(fā)光型；(b)側(cè)面發(fā)光型發(fā)光二極管的類型：正面發(fā)光型LED和側(cè)面發(fā)光型LED

LED的光譜特性LED的發(fā)光譜決定其發(fā)光顏色，目前可實(shí)現(xiàn)各類顏色。LED具有正的溫度系數(shù)，溫度升高時(shí)，發(fā)射波長(zhǎng)紅移，約為：0.2-0.3nm/度0.20.40.60.8

1.0

06007008009001000GaAsPλp=670nmλp=655nmGaAsPλp=565nmGaPλp=950nmGaAsλ/nm相對(duì)靈敏度發(fā)光二極管的光譜特性發(fā)光二極管LED的頻率響應(yīng)發(fā)光二極管LED的P-I特性曲線原理：由正向偏置電壓產(chǎn)生的注入電流進(jìn)行自發(fā)輻射而發(fā)光4321050100150電流/mA輸出光功率/mW0℃25℃70℃LED驅(qū)動(dòng)電路及伏安特性UccRLUFIFRL為限流電阻UF和IF為二極管參數(shù)例如：GaAs電流選用20mA，GaP電流選用10mA，即可獲得足夠亮度。1.