光电检测技术第三章光电检测器.ppt

光电检测技术,第三章：光电检测器件第一节 光电检测器件的基本特性参数一、有关响应方面的特性参数二、有关噪声方面的参数三、其它参数第二节 真空光电探测器件一、光电发射材料二、光电倍增管,第三节 半导体光电检测器件一、光敏电阻二、光电池三、光敏二极管四、光敏三极管第四节 各种光电检测器件的性能比较和应用选择一、接收光信号的方式二、各种光电检测器件的性能比较三、光电检测器件的应用选择,光电检测器件,根据光电检测器件对辐射的作用方式的不同(或说工作机理的不同)，可分为光子检测器件和热电检测器件两大类。光电检测器件和热电检测器件比较：1、热电检测器件：响应波长无选择性。即它对从可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感；响应慢。即吸收辐射产生信号需要的时间长，一般在几毫秒以上。如：热释电探测器、热敏电阻、热电偶和热电堆等。,光电检测器件,2、光电检测器件：响应波长有选择性。因这些器件都存在某一截止波长，超过此波长，器件无响应；响应快。一般为纳秒到几百微秒。非放大型 如：真空光电管外光电效应 放大型 如：光电倍增管 光电导效应 如：光敏电阻内光电效应 非放大型 光二、光电池 光生伏特 放大型 光三、场效应管、雪崩光电二极管,光电检测器件,光子器件,热电器件,真空器件,固体器件,光电管光电倍增管真空摄像管变像管像增强管,光敏电阻光电池光电二极管光电三极管光纤传感器电荷耦合器件CCD,热电偶/热电堆热辐射计/热敏电阻热释电探测器,光电检测器件,第一节：光电检测器件的基本特征参数一、有关响应方面的特性参数1响应度(或称为灵敏度)-光电转换效能 光电探测器输出信号（输出电压或输出电流）与输入辐射功率或光通量之比。一定入射光功率下，探测器输出电压或电流，可分为电压响应度或电流响应度。用公式表示如下：,入射光功率,光电检测器件,注：对于一个给定器件，入射光波长不同，灵敏度将不同，因此又有光谱响应度和积分响应度。2、光谱响应度 入射到探测器上的单色辐通量(光通量)所对应的光电探测器的输出电压或输出电流。对应的值越大，表明探测器愈灵敏。或,光电检测器件,3、积分响应度 表明探测器对连续辐射通量的反应程度；为器件的短波限；为器件的长波限。积分得连续辐射量产生的电流：,光电检测器件,4、响应时间 描述光电探测器对入射辐射响应快慢的一个参数。即驰豫，当入射辐射到光电探测器后或入射辐射遮断后，光电探测器的输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需时间称为响应时间。上升时间：从l0上升到90峰值处所需的时间。下降时间：从90下降到10处所需的时间。如图21：,光电检测器件,5、频率响应 光电探测器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性称为频率响应，利用时间常数可得到光电探测器响应度与入射调制频率的关系，且时间常数决定了光电深酗器频率响应的带宽。,光电探测器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性。其关系如下：,上限截止频率,光电检测器件,二、有关噪声方面的参数（内部噪声）对这些随时间而起伏的噪声电压(流)按时间取平均值，则平均值等于零。但这些值的均方根不等于零，这个均方根电压(流)称探测器的噪声电压(流)。1、光电探测器件的噪声热噪声 或称约翰逊噪声，即载流子无规则的热运动造成的噪声。导体或半导体中每一电子都携带着电子电量作随机运动(相当于微电脉冲)，尽管其平均值为零，但瞬时电流扰动在导体两端会产生一个均方根电压，称为热噪声电压。热噪声存在于任何电阻中；热噪声与温度成正比；与频率无关。是白噪声。,光电检测器件,散粒噪声 或称散弹噪声，即穿越势垒的载流子的随机涨落(统计起伏)所造成的噪声。在每个时间间隔内，穿过势垒区的载流子数或从阴极到阳极的电子数都围绕一平均值上下起伏。同样是白噪声。产生复合噪声 载流子的产生率与复合率在某个时间间隔也会在平均值上下起伏。这种起伏导致载流子浓度的起伏，从而也产生均方噪声电流。频率越低，电流较大时，该噪声就越大。,光电检测器件,1/f噪声-或称闪烁噪声或低频噪声 这种噪声是由于光敏层的微粒不均匀或不必要的微量杂质的存在，当电流流过时在微粒问发生微火花放电而引起的微电爆脉冲。频率越低，噪声越大。2、衡量噪声的参数信噪比(SN)判断噪声大小的参数，常用分贝表示（dB）。在负载上产生的信号功率与噪声功率之比。若用分贝（dB）表示，为:,光电检测器件,注：利用SN评价两种光电器件性能时，必须在信号辐射功率相同的情况下才能比较。但对单个光电器件，其SN的大小与入射信号辐射功率及接收面积有关。如果入射辐射强，接收而积大，SN就大，但性能不一定就好。因此用此参数评价器件有一定的局限性。等效噪声输入(ENl)-器件在特定带宽内(1Hz)产生的均方根信号电流恰好等于均方根噪声电流值时的输入通量。在确定光电器件的探测极限时使用，出厂前标定好了的，设计电路时或选择器件时直接使用。,光电检测器件,噪声等效功率(NEP)-最小可探测功率 信号功率=噪声功率，即S/N=1时，入射到探测器件上的辐射通量(单位为瓦)。NEP越小，噪声越小，器件的性能越好。,光电检测器件,探测率D与归一化探测率D*D越高，器件性能越好。为了在不同带宽内对测得的不同的光敏面积的探测器件进行比较，使用了归一化探测率(比探测率)D*这参数。暗电流 即光电检测器件在没有输入信号和背景辐射时所流过的电流(加电源时)。一般测量其直流值或平均值。,光敏面积,测量带宽,光电检测器件,三、其他参数1、量子效率 某一特定波长上每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之比。，一个光量子对应一个电子或产生一个电子-空穴对。实际上，对于有增益的光电器件（如光电倍增管），则，此时改用增益或放大倍数这个参数。,光电检测器件,2、线性度 描述探测器的光电特性或光照特性曲线输出信号与输入信号保持线性关系的程度。即在规定的范围内，探测器的输出电量精确地正比于输入光量的性能。在这规定的范围内探测器的响应度是常数。这一规定的范围称为线性区。光电探测器线性区的大小与探测器后的电子线路有很大关系。因此要获得所要的线性区，必须设计有相应的电子线路。,光电检测器件,线性区的下限一般由器件的暗电流和噪声因素决定；上限由饱和效应或过载决定。光电探测器的线性区还随偏置、辐射调制及调制频率等条件的变化而变化。3、工作温度 光电探测器最佳工作状态时的温度，它是光电探捌器的重要性能参数之一。,光电检测器件,第二节：真空光电探测器件一、光电发射材料 材料种类：纯金属材料、半导体材料，表面吸附其他元素的金属。良好的光电发射材料的具备条件：光吸收系数大；光电子在体内传输过程中受到的能量损失小，使其逸出深度大；表而势垒低，使表面逸出几率大。,光电检测器件,金属材料的特点：反射系数大(约为99)，吸收系数小；自由电子多，由碰撞引起的能量散射损失大、逸出深度小，逸出功大。因此量子效率较低；光谱响应都在紫外或远紫外区，只能适应对紫外灵敏的光电器件。,光电检测器件,半导体材料的特点：半导体光发射材料的光吸收系数比金属要大得多；体内自由电子少，散射能量损失小，所以它的量子效率比金属大得多；光发射波长延伸至可见光和近红外区。绝大多数光源是可见光或近红外。,1、常用的经典光电发射材料,银氧铯阴极（Ag-O-Cs）,响应度,波长,1.2,图1 Ag-O-Cs光电阴极光谱响应曲线,红外段唯一可用材料，但量子效率低，暗电流大,0.35,0.8,锑铯阴极（CsSb）,响应度,波长,图2 Cs-Sb光电阴极光谱响应曲线,蓝光区量子效率高达30%，比AgOCs效率高30倍，长波限在0.7微米左右，积分响应度可达70150微安每流明，但光谱响应范围较窄对红光红外不灵敏,多碱光电阴极A、锑钾钠光电阴极：响应度可达50100A/lm，在0.4 m处量子效率达25，能耐高温；B、锑钾钠铯光电阴极：峰值响应度波长在0.42微米附近，峰值响应度可达230A/lm，量子效率高；响应范围较宽。碲化铯（紫外）光电阴极：对太阳地表面辐射不敏感，响应范围100280nm；长波限在290320微米。,2、负电子亲和势（NEA）材料 1963年由Simom提出的负电子亲和势理论，并于Scheer等人研制的第一个GaAs-Cs负电子亲和势光电阴极。NEA与光电阴极发射的区别：参与发射的电子是导带的“冷”或“热化”电子；NEA阴极重导带的电子逸入真空不需做功；NEA是指半导体内的有效值。,特点：高吸收，低反射性质；高量子效率，可达5060，长波限可达9；光谱响应可达1m以上；“冷”电子发射光谱能量分布较集中，接近高斯分布；光谱响应较为平坦；暗电流小，从室温冷却到20摄氏度时，暗电流下降3个数量级；在可见、红外区，能获得高响应度（2微安每流明），紫外区不突出；工艺复杂，造价昂贵。,采用特殊工艺，例如在重掺杂P型硅表面涂一薄层CsO2，可形成NEA材料。负电子亲和势是指体内的有效电子亲和势，而不是指表面电子亲和势。NEA发射体和常规光电发射体的表面，电子状态是类似的，导带底上的电子能量都低于真空能级，其差值为Ea。但是，两者体内电子能量则不同。NEA发射体导带底的电子能量高于真空能级，而常规发射体电子亲和势仍是正的。NEA阴极的量子效率高于正电子亲和势阴极，可从其光电发射过程进行分析。价带中的电子吸收光子能量，跃迁到导带底以上，成为热电子（受激电子能量超过导带底的电子）。在向表面运动的过程中，由于碰撞散射而发生能量损失，故很快就落到导带底而变成冷电子（能量恰好等于导带底的电子）。热电子的平均寿命非常短，约 10e-1410e-12s。如果在这么短的时间内能够运动到真空界面，自然能逸出。但是热电子的逸出深度只有几十纳米，绝大部分电子来不及到达真空界面，就已经落到导带底变成冷电子了。冷电子的平均寿命比较长，约 10e-910e-8s，其逸出深度可达1000纳米。因为体内冷电子能量仍高于真空能级，所以它们运动到真空界面时，可以很容易地逸出。因此NEA量子效率比常规发射体高得多。,光电检测器件,二、光电倍增管（Photo-Multiple Tube）1、光电管（真空光电管）真空型充气型 真空光电管已基本被半导体光电器件取代，不再作详细介绍。,光电检测器件,光电倍增管(R928),光电倍增管BB49-CR162,光电检测器件,2、光电倍增管工作原理 基于外光电效应和二次电子发射效应的电子真空器件。它利用二次电子发射使逸出的光电子倍增，获得远高于光电管的灵敏度，能测量微弱的光信号。光电倍增管包括阴极室和由若干打拿极组成的二次发射倍增系统两部分（见图）。,光电检测器件,阴极室的结构与光阴极K的尺寸和形状有关,它的作用是把阴极在光照下由外光电效应（见光电式传感器）产生的电子聚焦在面积比光阴极小的第一打拿极D1的表面上。二次发射倍增系统是最复杂的部分。打拿极主要选择那些能在较小入射电子能量下有较高的灵敏度和二次发射系数的材料制成。常用的打拿极材料有锑化铯、氧化的银镁合金和氧化的铜铍合金等。打拿极的形状应有利于将前一级发射的电子收集到下一极。,光电检测器件,在各打拿极 D1、D2、D3和阳极A上依次加有逐渐增高的正电压,而且相邻两极之间的电压差应使二次发射系数大于1。这样,光阴极发射的电子在D1电场的作用下以高速射向打拿极D1,产生更多的二次发射电子,于是这些电子又在D2电场的作用下向D2飞去。如此继续下去，每个光电子将激发成倍增加的二次发射电子，最后被阳极收集。,光电检测器件,主要组成部分 PMT由光电阴极、电子光学输入系统(光电阴极到第一个倍增极之间的系统)、二次发射倍增系统及阳极等构成。光电阴极可根据设计需要采用不同的光电发射材料制成。,阳极目前般采用栅网状阳极，其结构示意如图26。,光电检测器件,3、分类“聚焦型”和“非聚焦型”电子倍增系统有聚焦型和非聚焦型两类。聚焦型的打拿极把来自前一级的电子经倍增后聚焦到下一级去，两极之间可能发生电子束轨迹的交叉。非聚焦型又分为圆环瓦片式（即鼠笼式）、直线瓦片式、拿栅式和百叶窗式。聚焦型光电倍增管，电子在其中飞行的时间较短，飞行时间的涨落也小，它适用于要求分辨时间短的场合；,光电检测器件,非聚焦型光电倍增管，由于极与极之间没有聚焦场，电子损矢较大，为了要得到较大的电子倍增，就要增加倍增极数目，相应地也就增加了飞行时间及其涨落，所以这种管子的时间分辨本领较差，其优点是同样大小的光脉冲照射到光阴极不同不位时，阳极灵敏度变化不大，最后输出的脉冲幅度比较一致，因此作能谱测量时的能量分辨率较好。端窗式和侧窗式 端窗式：百叶窗倍增极结构、盒栅倍增极结构、瓦片静电聚焦结构；侧窗式：圆形鼠笼结构,端窗式：百叶窗倍增极结构,侧窗式：圆形鼠笼结构,端窗式：盒栅倍增极结构,端窗式：瓦片静电聚焦结构,光电检测器件,4、PMT的基本特性参数光谱响应度（灵敏度）灵敏度是光电倍增管的一个重要参数。对它要分别标出阴极灵敏度和阳极灵敏度，有时还需标出阴极的蓝光、红光或红外灵敏度。红光灵敏度往往采用红光灵敏度和白光灵敏度之比来表示。实际使用时，更希望知道光电倍增管的阳极灵敏度，它是指光电倍增管在一定工作电压下，阳极输出电流与照在阴极面上的光通量的比值。因此它是一个表征倍增以后的整管参数。,光电检测器件,一般还标出在峰值响应波长时量子效率。就管子性能而言，在特定的峰值波长下的量子效率能比灵敏度给出更有用的指示。放大倍数/电流增益 在一定工作电压下，光电倍增管的阳极电流与阴极电流之比。暗电流 无光照时，光电倍增管的输出电流。引起暗电流的因素及减小暗电流的方法。,引起暗电流的因素：（主要暗电流）光电阴极第一倍增极的热电子发射；（极间漏电流）各级绝缘体强度不够或极间灰尘放电；离子光的反馈作用；场致发射，尖端放电；放射性同位素宇宙射线的影响。,减小暗电流的方法选好PMT的极间电压；在阳极回路中加上与暗电流相反的直流成分来补偿；在倍增输出电路加一选频或锁相放大滤掉暗电流；利用冷却法减小热电子发射等。,光电检测器件,伏安特性上升部分饱和部分频率响应PMT的噪声 一般来说，选PMT总是使热噪声远小于器件固有的散粒噪声，所以PMT主要考虑散粒噪声，而不考虑热噪声。,国产PMT参数,光电检测器件,5、供电电路分压器电阻 分压器本身不是光电倍增管的一部分，但为使其正常工作又是一个不可缺少的部分。它的作用是使光电倍增管中从光电阴极到依次各二次极最后到阳极的电位逐渐升高，使光电子顺利完成电子倍增过程，在各种类型的分压器中，用得最多也最简单的是电阻分压器，按照各极间所需电压的比例采用相应的电阻值，使总电压分配到各极间去。,光电检测器件,阴极-第一倍增极：维持阴极与第一倍增圾之间具有适当高的电场是很重要的。这样，第一倍增极就具有较高的二次发射系数，外界电磁场的影响也较小。在快速光电倍增管中，阴极与第一倍增极之间电压应尽可能高，使光电子的渡越时间分散小，一般应两倍于其它极间的电压或更高些。中间倍增极：中间倍增极电压可根据需要的增益来选择。在某些情况下，希望降低管子的阳极灵敏度而不改变总电压，简单的办法是调节中间倍增极之间的电压来达到(在一定范围内适用)。中间倍增极一般是采用均匀分压器。,光电检测器件,末级倍增极：输出电流大时，末级倍增极应采用非均匀分压器，使最后两级或三级倍增极之间有较高电场，从而避免空间电荷效应。在弱光探测中，为了提高管子的灵敏度，有时最后一个电阻值取得小些。,光电检测器件,储能电容 为了避免在最后几个倍增极上由于信号脉冲电流过大而影响极间电位分布，则需在若干个极间加上储能电容，设输出脉冲为矩形波，如要求极间电压变化小于1%，则旁路电容C1可由书上（2-34）求出：然后由公式2-31，可求得C2、C3，当倍增极电流小于分压器电流的1/10时，不需要跨接电容。,光电检测器件,供给电源 供给光电倍增管的高压电源，根据使用要求可以采用正高压或负高压。一般有三种接地法，每一种方式各有优点和缺点。采用负高压电源，阳极输出不需要隔直电容，便于用直流法测量阳极输出电流，一般阳极分布参数也较小。可是在这种情况下，必须保证作为光屏蔽和电磁屏蔽的金属筒距离管壳至少要10一20mm，否则由于屏蔽筒的影响，可能相当大地增加阳极的暗电流和噪声。如果靠近管壳处再加一个屏蔽罩，并将它连接到阴极电位上，则要注意完全。,光电检测器件,采用正高压电源就失去了采用负高压电源的优点，这时在阳极上需接上耐高压、噪声小的隔直电容。可是，它可获得比较低和稳定的暗电流和噪声。当倍增极作为信号输出极时，可采用中间接地法。由上分析可知，除了对管子的暗电流和噪声有苛刻要求的场合外，一般采用负高压供电是可取的。,光电检测器件,光电倍增管的供电电路原理图如图。一般总电压在900一2000V之间，极间电压在0-150v之间，极间分压电阻值为20k一1M，并联电容C1、C2、C3的数值范围为0.002一0.05F。,光电检测器件,供电电源方框图,有一定的建立时间，最好在正式使用前半小时就接上高压，并给予一定的光照，使其达到稳定状态；灵敏度高，但需要高压直流电源，价贵，体积大，抗机械冲击能力差等缺点。,光电检测器件,6、光电倍增管的应用范围 分光光度计、色度计、尘埃计、热释光剂量仪、照度计、辐射量热计、扫描电镜、浊度计、尘埃粒子计数器、生化分析仪、X-射线、照相机定时器、光密度计、光学特征辨认、复写设备等。,光电检测器件,由于光电倍增管增益高和响应时间短，又由于它的输出电流和入射光子数成正比，所以它被广泛使用在天体光度测量和天体分光光度测量中。其优点是：测量精度高，可以测量比较暗弱的天体，还可以测量天体光度的快速变化。天文测光中，应用较多的是锑铯光阴极的倍增管,如RCA1P21。这种光电倍增管的极大量子效率在4200埃附近，为20左右。还有如GDB-53。它的信噪比的数值较RCA1P21大一个数量级，暗流很低。为了观测近红外区，常用多碱光阴极和砷化镓阴极的光电倍增管，后者量子效率最大可达50。,光电检测器件,注：灵敏度因强光照射或因照射时间过长而降低，停止照射后又部分地恢复，这种现象称为“疲乏”；光阴极表面各点灵敏度不均匀。型号的选择：选择管子一般要从光谱响应、阴极灵敏度、阳极灵敏度、暗电流、阴极尺寸、使用场合及使用要求等方面考虑。,光电检测器件,第三节：半导体光电检测器件一、光敏电阻1、结构和工作原理 在一块均匀光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。当入射光子使半导体中的电子由价带跃迁到导带时，导带中的电子和价带中的空穴均参与导电，其阻值急剧减小，电导增加。,光敏电阻演示,当光敏电阻受到光照时，光生电子空穴对增加，阻值减小，电流增大。,暗电流（越小越好）,光敏电阻,光电检测器件,光电导器件是带有金属电极的半导体。主要是硅、锗和化合物半导体，例如：硫化镉（CdS），锑化铟（InSb）等。它由一块涂在绝缘基底上的光电导材料薄膜和两个金属电极组成。原理图和符号如图。,符号,光电检测器件,一般光电导器件都是做成薄层结构，它的基本结构有梳状式、沫膜式和刻线式，如图：,光电检测器件,特点：光谱响应范围宽（特别是对于红光和红外辐射）；偏置电压低，工作电流大；动态范围宽，既可测强光，也可测弱光；光电导增益大，灵敏度高；无极性，使用方便；在强光照射下，光电线性度较差光电驰豫时间较长，频率特性较差。,本征型和杂质型光敏电阻,本征型光敏电阻：当入射光子的能量等于或大于半导体材料的禁带宽度Eg时，激发一个电子空穴对，在外电场的作用下，形成光电流。杂质型光敏电阻：对于型半导体，当入射光子的能量等于或大于杂质电离能时，将施主能级上的电子激发到导带而成为导电电子，在外电场的作用下，形成光电流。本征型用于可见光长波段,杂质型用于红外波段。,光电检测器件,2、光敏电阻的特性参数 光敏电阻两端加电压（直流或交流）无光照时，阻值（暗电阻）很大，电流（暗电流）很小；光照时，光生载流子迅速增加，阻值（亮电阻）急剧减少在外场作用下，光生载流子沿一定方向运动，形成光电流（亮电流）。光电导与光电流的表达式：电阻减小，电导增加，即：由于，得：增益G灵敏度,光电检测器件,光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是说暗电流要小，亮电流要大，这样光敏电阻的灵敏度就高。光敏电阻一般采用禁带宽度大的材料或在低温下使用。不同波长的光，光敏电阻的灵敏度是不同的。在选用光电器件时必须充分考虑到这种特性。,光电检测器件,光电特性：光敏电阻的光电流与输入辐射通量的关系如下：常数，由材料决定；电源电压；0.5-1之间的系数。(1)弱光时，=1，光电流与照度成线性关系(2)强光时，=0.5，光电流与照度成抛物线 光照增强的同时，载流子浓度不断的增加，同时光敏电阻的温度也在升高，从而导致载流子运动加剧，因此复合几率也增大，光电流呈饱和趋势。（冷却可以改善）。,光电检测器件,伏安特性（输出特性）即在一定光照下，光敏电阻的光电流与所加电压的关系。光敏电阻是一个纯电阻，因此符合欧姆定律，故曲线为直线，图中虚线为额定功耗线。使用时，应不使电阻的实际功耗超过额定值。在设计负载电阻时，应不使负载线与额定功耗线相交。,光电检测器件,温度特性 温度特性与光电导材料有密切的关系，如图2-14，以室温25摄氏度的相对光电导率为100%，可看出光敏电阻的相对光电导率随温度升高而下降，在温度变化大的情况下应采取制冷措施。,降低或控制光敏电阻的工作温度是提高光敏电阻工作稳定性的有效办法，尤其是对红外辐射的领域。,例如：硫化铅光敏电阻，随着温度的升高光谱响应的峰值将向短波方向移动。,光电检测器件,前历效应 时间特性与工作前历史有关的一种现象，强光照后，恢复R的时间较长。时间、频率响应 响应时间特差，惯性比较大。上限频率低 光敏电阻时间常数比较大，其上限截止频率低。只有PbS光敏电阻的频率特性稍好些，可工作到几千赫。噪声 一般的光电导器件的噪声有三种，热噪声、1f噪声和产生一复合噪声。,光电检测器件,载流子无规律热运动造成的热噪声随器件工作温度升高而加大，当器件工作于低温时，热噪声将大为减小。另外，为了减小温度漂移、便于信号放大，入射光往往被调制，只要调制频率较高，就可忽略1f噪声的影响。因此，对于大多数工作于低温和较高调制频率的光电导器件产生一复合噪声是主要噪声。以上三种噪声与调制频率的定性关系是：频率低于1KHz时，1f噪声为主；频率在1KHz-1MHz，以产生-复合噪声为主；频率在1MHz左右之后以热噪声为主。,光电检测器件,光敏电阻除上述特性外。有下列优点：体积小、重量轻，结构简单而牢固，允许的光电流大，工作寿命长，其缺点是，型号相同的光敏电阻的参数也参差不齐，光照特性的非线性使它不适合测量要求线性的场合。光敏电阻虽有它的缺点，但在很多情况这些缺点并不重要，因而它的应用较广，例如遥控设备的主要要求是灵敏度高而采用光敏电阻。另外由于很多光敏电阻对红外线敏感，适宜于红外线光谱区工作。,光敏电阻参数,光敏电阻的优缺点1、优点：灵敏度高，工作电流大，光谱响应范围与所测光强范围宽、无极性使用方便；2、缺点：响应时间长、频率特性差、强光线性差、受温度影响大等。,光电检测器件,3、应用 各种自动控制电路（如自动照明灯控制电路、自动报警电路），家用电器及各种测量仪器中（电视机中的亮度自动调节、照相机中的自动曝光控制等）。,光电检测器件,组成：开关SW、光敏电阻、电容组成充电电路 电压比较器时间检出电路 三极管构成的驱动放大电路 电磁铁DT带动的开门叶片（执行单元）SW闭合，DT通电，光敏电阻在光照下阻值下降，对C充电，BG1-BG3导通，使BG4截止，DT断电关闭快门。,光电检测器件,二、光电池 根据光生伏特效应制成的将光能转换成电能的一种器件。光电池核心部分是一个PN结，一般作成面积大的薄片状，来接收更多的入射光。硒光电池 硅光电池 常用的光电池 薄膜光电池 紫光电池 异质结光电池,光电检测器件,1、光电池的结构及应用,N型硒化镉,P型硒,PN结,半透明金属电极,电极引线（）,电极引线（）,硒光电池结构示意图,背电极引线,背电极,硅单晶,PN结,扩散层,上电极引线,上电极,SiO抗反射膜,硅光电池结构示意图,光电检测器件,受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和保护作用。上电极做成栅状，为了更多的光入射。由于光子入射深度有限，为使光照到PN结上，实际使用的光电池制成薄P型或薄N型。在N型硅片上扩散P型杂质（如硼），受光面是P型层；或在P型硅片上扩散N型杂质（如磷），受光面是N型层。,光电检测器件,注：受光面的输出电极多作成梳齿状和E字型，为的是减小光电池的内电阻；涂一层SiO2透明膜，防潮、除尘，又可以减小硅光电池的表面对入射光的发射，增强对入射光的吸收。,光电池等效电路,光电检测器件,3、特性参数输出特性 无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导体二极管相同。有光照时，沿电流轴方向平移，平移幅度与光照度成正比。曲线与电压轴交点称为开路电压VOC，与电流轴交点称为短路电流ISC。用作探测器时，通常以电流源形式使用。,反向电流随光照度的增加而上升,光电检测器件,思考：图2-24，不同负载电阻下，输出电流与照度的关系。,连接方式：开路电压输出-(a)短路电流输出-(b)光电池在不同的光强照射下可产生不同的光电流和光生电动势。短路电流在很大范围内与光强成线性关系。开路电压随光强变化是非线性的，并且当照度在2000lx时趋于饱和。,光照特性-开路电压输出：非线性(电压-光强)，灵敏度高短路电流输出：线性好(电流-光强)，灵敏度低开关测量（开路电压输出），线性检测（短路电流输出）,负载RL的增大线性范围也越来越小。因此，在要求输出电流与光照度成线性关系时，负载电阻在条件许可的情况下越小越好，并限制在适当的光照范围内使用。,光电检测器件,光谱特性 光电池光谱范围的长波阈取决于材料的禁带宽度，短波阈受材料表面反射损失的限制，其峰值波长不仅和材料有关，而且随制造工艺及使用环境温度不同而有所移动。,光谱响应度,硅光电池 响应波长微米，峰值波长微米。硒光电池 响应波长微米，峰值波长0.54微米。,开路电压下降大约23mV/度短路电流上升大约10-510-3mA/度,温度特性 温度升高，测量精度下降，Voc、Isc也将变化。随着温度的上升，硅光电池的光谱响应向长波方向移动，开路电压下降，短路电流上升。光电池做探测器件时，测量仪器应考虑温度的漂移，要进行补偿。,频率特性面积小的光电池较有利，如果负载合适，f可以较高。硅光电池频率特性好 硒光电池频率特性差 硅光电池是目前使用最广泛的光电池,要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻RL；光电池面积越大则响应时间越大，因为光电池面积越大则结电容Cj越大，在给定负载时，时间常数就越大，故要求短的响应时间，必须选用小面积光电池。,光电池外形,光敏面,能提供较大电流的大面积光电池外形,其他光电池及在照度测量中的应用,柔光罩下面为圆形光电池,光电池在动力方面的应用,太阳能赛车,太阳能电动机模型,太阳能 硅光电池板,光电池在动力方面的应用（续）,太阳能发电,光电池在动力方面的应用（续）,光电池在人造卫星上的应用,光电检测器件,2、应用作为电池，将硅光电池、串联成电池组，与镍镉蓄电池配合，可作为卫星、微波站、野外灯塔、航标灯、无人气象站等无输电线路地区的电源供给；作为光电检测器件，利用光电池做探测器有频率响应高，光电流随光照度线性变化等特点。可以作为开关使用，也可用于线性测量；如光电读数、光电开关、光栅测量技术、激光准直、电影还音等。光栅测量中使用的四等分硅光电池之类的多级电池组，差分放大电路中使用的对称半圆式、四象限式光电池组等。,硅太阳能电池,硅太阳能电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池。单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率为23%,而规模生产的单晶硅太阳能电池,其效率为15%。多晶硅半导体材料的价格比较低廉,但是由于它存在着较多的晶粒间界而有较多的弱点。多晶硅太阳能电池的实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率为10%。,非晶硅太阳能电池,非晶硅薄膜太阳能电池组件的制造采用薄膜工艺,具有较多的优点,例如:沉积温度低、衬底材料价格较低廉,能够实现大面积沉积。非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大,是单晶硅的40倍,1微米厚的非晶硅薄膜,可以吸引大约90%有用的太阳光能。非晶硅太阳能电池的稳定性较差,从而影响了它的迅速发展。,化合物太阳能电池,三五族化合物电池和二六族化合物电池。三五族化合物电池主要有GaAs电池、InP电池、GaSb电池等;二六族化合物电池主要有CaS/CuInSe电池、CaS/CdTe电池等。在三五族化合物太阳能电池中,GaAs电池的转换效率最高,可达28%;,GaAs 化合物太阳能电池,Ga是其它产品的副产品,非常稀少珍贵;As 不是稀有元素,有毒。GaAs化合物材料尤其适用于制造高效电池和多结电池,这是由于GaAs具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率。GaAs 化合物太阳能电池虽然具有诸多优点,但是GaAs材料的价格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。,太阳能,太阳能特点：无枯竭危险；绝对干净；不受资源分布地域的限制；可在用电处就近发电；能源质量高；使用者从感情上容易接受；获取能源花费的时间短。要使太阳能发电真正达到实用水平，一是要提高太阳能光电变换效率并降低成本；二是要实现太阳能发电同现在的电网联网。,光电检测器件,三、光敏二级管和光敏三极管 光敏二极管和光敏三极管是光电转换半导体器件，与光敏电阻器相比具有灵敏度高、高频性能好，可靠性好、体积小、使用方便等优点。,光电检测器件,光敏二极管与普通二极管一样有一个PN结，属于单向导电性的非线形元件。外形不同之处是在光电二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，实现光电转换。为了获得尽可能大的光生电流，需要较大的工作面，即PN结面积比普通二极管大得多，以扩散层作为它的受光面。为了提高光电转换能力，PN结的深度较普通二极管浅。,1、结构：（1）典型光电二极管结构,上栅状电极,氧化层,入射光,P区,I区,N区,下电极,平面PIN光电二极管,入射光,上电极,薄金属层,N,N+,下电极,抗反射层,台面肖特基势垒光电二极管,光敏二极管,将光敏二极管的PN 结设置在透明管壳顶部的正下方，光照射到光敏二极管的PN结时，电子-空穴对数量增加，光电流与照度成正比。,光敏二极管外形,光敏二极管阵列,包含1024个InGaAs元件的线性光电二极管阵列，可用于分光镜。,红外发射、接收对管外形,红外发射管,红外接收管,光电检测器件,光敏二极管符号 光敏二极管接法,（2）一般PIN光电二极管的结构(Flash演示),2、工作原理（光电转换原理）,（3）一般雪崩光电二极管的结构(Flash演示),（1）PIN光电二极管的工作原理(Flash演示),（4）雪崩光电二极管的工作原理(Flash演示),（3）雪崩光电二极管的雪崩效应(Flash演示),（2）雪崩光电二极管的场强分布(Flash演示),光电检测器件,光敏三极管 光敏三极管和普通二极管的结构相类似。不同之处是光敏三极管必须有一个对光敏感的PN结作为感光面，一般用集电结作为受光结，因此，光敏二极管实质上是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的普通二极管。一般情况下，只引出集电极和发射极。,光电三极管是由光电二极管和一个晶体三极管构成，相当于在晶体三极管的基极和集电极间并联一个光电二极管。同光电二极管一样，光电三极管外壳也有一个透明窗口，以接收光线照射。日前用得较多的是NPN和PNP两种平面硅光电三极管。,NPN光电三极管结构原理简图,光电三极管工作原理,NPN光电三极管（3DU型），使用时光电二极管的发射极接电源负极，集电极接电源正极。光电三极管不受光时，相当于普通三极管基极开路的状态。集电结(基集结)处于反向偏置，基极电流等于0，因而集电极电流很小，为光电三极管的暗电流。当光子入射到集电结时，就会被吸收而产生电子空穴对，处于反向偏置的集电结内建电场使电子漂移到集电极，空穴漂移到基极，形成光生电压，基极电位升高。,发射结,集电结,基极,发射极,集电极,如同普通三极管的发射结(基发结)加上了正向偏置，当基极没有引线时，集电极电流就等于发射极电流。这样晶体三极管起到电流放大的作用。由于光敏三极管基极电流是由光电流供给，因此一般基极不需外接点，所以通常只有集电极和发射极两个引脚线。,光敏（电）三极管,N,P,N,c,e,b,入射光,结构图,c,e,b,原理图,光电三极管相当于在基极与集电极之间接有光电二极管的普通三极管,光敏三极管有两个PN结。与普通三极管相似，有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负（c、e）两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。,光敏三极管外形,光敏三极管内部结构,a)内部组成 b)管芯结构 c）结构简化图 1集电极引脚 2管芯 3外壳 4玻璃聚光镜 5发射极引脚 6N+衬底 7N型集电区 8SiO2保护圈 9集电结 10P型基区 11N型发射区 12发射结,光电检测器件,1、光敏二极管的两种工作状态 当光敏二极管加上反向电压时，管子中的反向电流随着光照强度的改变而改变，光照强度越大，反向电流越大，大多数都工作在这种状态。光敏二极管上不加电压，利用P-N结在受光照时产生正向电压的原理，把它用作微型光电池。,可以不加偏压，与光电池不同，光敏二极管一般在负偏压情况下使用 大反偏压的施加，增加了耗尽层的宽度和结电场，电子空穴在耗尽层复合机会少，提高光敏二极管的灵敏度。增加了耗尽层的宽度，结电容减小，提高器件的频响特性。但是，为了提高灵敏度及频响特性，却不能无限地加大反向偏压，因为它还受到PN结反向击穿电压等因素的限制。,光敏二极管的反向偏置接法,在没有光照时，由于二极管反向偏置，所以反向电流很小，这时的电流称为暗电流，相当于普通二极管的反向饱和漏电流。当光照射在二极管的PN结（又称耗尽层）上时，在PN结附近产生的电子-空穴对数量也随之增加，光电流也相应增大，光电流与照度成正比。,光敏二极管的反向偏置接线（参考上页图）及光电特性演示,在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向电流（暗电流）很小。,当光照增加时，光电流I与光照度成正比关系。,光敏二极管的反向偏置接法,UO,+,光照,光电检测器件,2、基本特性光谱特性 波长超过一定值时-光子能量小，不足以激发电子-空穴对，灵敏度下降；波长小于一定值时-光子在表面就被吸收，透入深度小，电子空穴不能达到PN结，灵敏度下降。,光电检测器件,伏安特性,光敏三极管的伏安特性硅光电三极管的光电流在毫安量级，硅光电二极管的光电流在微安量级。在零偏压时硅光电三极管没有光电流输出，但硅光电二极管有光电流输出。工作电压较低时输出电流有非线性，硅光电三极管的非线性更严重。（因为放大倍数与工作电压有关）在一定的偏压下，硅光电三极管的伏安曲线在低照度时间隔较均匀，在高照度时曲线越来越密.,光电检测器件,光照特性,光电三极管与光电二极管相比，具有较高的输出光电流，但线性差线性差主要是由电流放大倍数的非线性所致在大照度时，光敏三极管不能作线性转换元件，但可以作开关元件使用。管不能作线性转换元件，但可以作开关元件使用。,光电三极管的光照特性,光电检测器件,温度特性 暗电流及光电流与温度的关系,温度特性反映了光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。温度变化对光电流和暗电流都有影响，对暗电流的影响更大。精密测量时，应采取温度补偿措施，否则将会导致输出误差。光电三极管的光电流和暗电流受温度影响比光电二极管大得多,光电检测器件,光电检测器件,频率响应 与本身的物理结构、工作状态、负载以及入射波波长有关。,光敏三极管的（调制）频率特性 光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。对于锗管，入射光的调制频率要求在5000Hz以下，硅管的频率响应要比锗管好。,2CU型硅光电二极管参数,光电检测器件,3、光敏二极管的类型 P-N结型、PIN结型、雪崩型和肖特基结型，其中用得最多的是P-N结型，价格便宜。通常来讲，掺杂不同、厚度不同、面积