第三章 光电检测技术常用器件及应用1

1、 1、光电器件的类型与特点 2、光电检测器件的特性参数 3、光电导器件-光敏电阻 4、光生伏特效应-光电池 、光电二极管、光电三极管等 5、光电发射效应-光电管、光电 倍增管等 主要内容主要内容 6、光热效应-热敏电阻、热电偶 光电检测器件的类型 n光电检测器件是利用物质的光电效应把 光信号转换成电信号的器件. n光电检测器件分为两大类: 光子(光电子)检测器件-光电效应 热电检测器件-光热效应 不同之处：对光信号的响应无波长选择性不同之处：对光信号的响应无波长选择性 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

2、管 光电三极管 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 光电检测器件的特点光电检测器件的特点 光子器件光子器件热电器件热电器件 响应波长有选择性，一般有 截止波长，超 过该波长， 器件无响应。 响应波长无选择性，对可见 光到远红外的各种波长的辐 射同样敏感 响应快，吸收辐射产生信号 需要的时间短， 一般为纳 秒到几百微秒 响应慢，一般为几毫秒 1光电效应 n 光电效应：光电效应是物理学中一个重要而 神奇的现象，在光的照射下，某些物质内 部的电子会被光子激发出来而形成电流， 即光生电 。 光的波动说波动说无法很好的解释光电效应 以一定的速度 从表面逸出 光电效应

3、的特点 n1每一种金属在产生光电效应是都存在 一极限频率（或称截止频率），即照射光 的频率不能低于某一临界值。相应的波长 被称做极限波长（或称红限波长）。当入 射光的频率低于极限频率时，无论多强的 光都无法使电子逸出。 n2光电效应中产生的光电子的速度与光 的频率有关，而与光强无关 n3光电效应的瞬时性。实验发现，只要光 的频率高于金属的极限频率，光的亮度无 论强弱，光子的产生都几乎是瞬时的，即 几乎在照到金属时立即产生光电流。响应 时间不超过十的负九次方秒（1ns）。 n4.入射光的强度只影响光电流的强弱，即只 影响在单位时间内由单位面积逸出的光电 子数目。在光颜色不变的情况下，入射光 越强

4、，饱和电流越大，即一定颜色的光， 入射光越强，一定时间内发射的电子数目 越多。 1905年，爱因斯坦26 岁时提出光子假设， 成功解释了光电效应， 因此获得1921年诺贝 尔物理奖 光是由一份份光子组成，光 的传播是一份份光子的传播， 一个光子的能量为E=hr(h为 普朗克常数6.67*10-34,r为光 的频率)，因此，只要一个光 子能量大于金属的逸出功 （电子脱离金属原子做的 功），电子就会从金属表面 脱离；于是，只需光照射到 金属表面就会产生光电子。 光电效应的类型 n1、光电子发射：物体受光照后向外发射 电子 有光电子从表 面逸出 光电管、光电倍增管光电管、光电倍增管 n2、光电导效应

5、：半导体受光照后，内部 产生光生载流子，使半导体中载流子数显 著增加而电阻减少 n3、光生伏特效应：光照在半导体PN结或 金属半导体接触面上时，会在PN结或金 属半导体接触的两侧产生光生电动势。 光敏电阻 光电池、光敏二极管、光敏三极管 2、光电检测器件的基本特性参数 n响应特性 n噪声特性 n量子效率 n线性度 n工作温度 一、响应特性 响应度（或称灵敏度）：是光电探测器 输出信号与输入光功率之间关系的度量。 描述的是光电探测器件的光电转换效率。 响应度是随入射光波长变化而变化的 响应度分电压响应率和电流响应率 n 电压响应率 光电探测器件输出电压与入射光功率之比 n 电流响应率 光电探测器

6、件输出电流与入射光功率之比 i o V P V S i o I P I S 光谱响应度：即单色灵敏度 探测器在波 长为的单色光照射下，输出电压或电流与 入射的单色光功率之比 积分响应度：检测器对各种波长光连续 辐射量的反应程度 () () () o V i V S P () () () o I i I S P 响应度是随入射光波长变化而变化的响应度是随入射光波长变化而变化的 响应时间：响应时间是描述光电探测 器对入射光响应快慢的一个参数 上升时间：入射光照射到光电探测器后，光 电探测器输出上升到稳定值所需要的时间。 下降时间：入射光遮断后，光电探测器输出 下降到稳定值所需要的时间。 1 0.9

7、 0.1 入射光 光电流 t t trtf n光电探测器响应率与入射调制频率的关系 为调制频率为f 时的响应率 为调制频率为零时的响应率 为时间常数（等于RC） 0 S 2/12 0 )2(1 )( f S fS )( fS 频率响应：光电探测器的响应随入射光 的调制频率而变化的特性称为频率响应 由于光电探测器信号产生和消失存在着一个滞后过程， 所以入射光的调制频率对光电探测器的响应会有较大 的影响。 00 0 2 1/2 11 22 ()0.707 1(1) 2 f RC SS S fS c 上限截止频率上限截止频率 时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽时间常数决定了光电探测器频率响应的带

8、宽 fc S0 0.707S0 f 二、噪声特性二、噪声特性 n 在一定波长的光照下光电探测器输出的电信号并 不是平直的，而是在平均值上下随机地起伏，它 实质上就是物理量围绕其平均值的涨落现象。 0 1 ( ) T Iii t dt T n 用均方噪声来表示噪声值大小 22 0 1 ( ) ( )( ) T i ti ti tdt T n 噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的。 n 由于噪声总是与有用信号混在一起，因而影响对 信号特别是微弱信号的正确探测。 n 一个光电探测系统的极限探测能力往往受探测系 统的噪声所限制。 n 所以在精密测量、通信、自动控制等领域，减小 和消除噪声是十分重要的

9、问题。 光电探测器常见的噪声 n热噪声 n散粒噪声 n产生-复合噪声 n1/f噪声 1 1、热噪声 n 或称约翰逊噪声，即载流子无规则的热运动造 成的噪声。 n 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。 n 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.属于白噪声 2 2、散粒噪声 n散粒噪声：入射到光探测器表面的光子是 随机的，光电子从光电阴极表面逸出是随 机的，PN结中通过结区的载流子数也是随 机的。 n散粒噪声也是白噪声，与频率无关。 n散粒噪声是光电探测器的固有

10、特性，对大 多数光电探测器的研究表明：散粒噪声具 有支配地位。 n例如光伏器件的PN结势垒是产生散粒噪声 的主要原因。 3 3、产生- -复合噪声 n半导体受光照，载流子不断产生-复合。 n在平衡状态时，在载流子产生和复合的平 均数是一定的 n但在某一瞬间载流子的产生数和复合数是 有起伏的。 n载流子浓度的起伏引起半导体电导率的起 伏。 4 4、1/f1/f噪声 n或称闪烁噪声或低频噪声。 n噪声的功率近似与频率成反比 n多数器件的1/f噪声在200300Hz以上已衰减 到可忽略不计。 、信噪比 n信噪比是判定噪声大小的参数。 n是负载电阻上信号功率与噪声功率之比 n若用分贝（dB）表示，为

11、2 2 2 2 N S LN LS N S I I RI RI P P N S N S N S I I I I N S lg20lg10 2 2 、噪声等效功率(NEP)(NEP) n 定义：信号功率与噪声功率比为1（SNR=1）时， 入射到探测器件上的辐射通量(单位为瓦)。 n 这时，投射到探测器上的辐射功率所产生的输出电 压（或电流）等于探测器本身的噪声电压（或电流） n 一般一个良好的探测器件的NEP约为10-11W。 n NEP越小，噪声越小，器件的性能越好。 () e NEPW SNR 、探测率与归一化探测率 探测率D定义为噪声等效功率的倒数 经过分析，发现NEP与检测元件的面积Ad

12、和放 大器带宽f 乘积的平方根成正比 归一化探测率D*，即 D*与探测器的敏感面积、放大器的带宽无关。 D*(500K,900,1) 1 D NEP *1/ 2 * 1 () d DDAf NEP 三、量子效率三、量子效率 （ ） n 量子效率：在某一特定波长上，每秒钟内产生 的光电子数与入射光量子数之比。 n 对理想的探测器，入射一个光量子发射一个电 子， =1 n 实际上， 1 n 量子效率是一个微观参数，量子效率愈高愈好。 量子效率与响应度的关系 h q S hP qI)( / / )( I/q ： 每秒产生的光子数 P/h：每秒入射的光子数 四、线性度四、线性度 n 线性度是描述光电探

13、测器输出信号与输入信号 保持线性关系的程度。 n 在某一范围内探测器的响应度是常数，称这个 范围为线性区。 n 非线性误差： max / ( I2 I1) max：实际响应曲线与拟合曲线之间的最大偏差； I2 和 I1：分别为线性区中最小和最大响应值。 五、工作温度五、工作温度 n工作温度就是指光电探测器最佳工作状态 时的温度。 n光电探测器在不同温度下，性能有变化。 例如，半导体光电器件的长波限和峰值波长会随 温度而变化；热电器件的响应度和热噪声会随温 度而变化。 光电探测器的合理选择 n 根据待测光信号的大小，确定探测器能输出多大的电信号， 即探测器的动态范围 n 探测器的光谱响应范围是否

14、同待测光信号的相对光谱功率 分布一致，及探测器和光源的光谱匹配 n 对某种探测器，能探测的极限功率或最小分辨率是多少， 即需要知道探测器的等效噪声功率，需要知道所产生的电 信号的信噪比。 n 当测量调制或脉冲光信号时，要考虑探测器的响应时间或 者频率响应范围 n 当测量的光信号幅值变化时，探测器输出的信号的线性程 度。 3.3 光电导效应 n光敏电阻光敏电阻 一、光敏电阻一、光敏电阻 n 光敏电阻是光电导型器件。 n 光敏电阻材料：主要是硅、锗和化合物半导体， 例如：硫化镉（CdS），硫化锌（ZnS）等。 n 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

15、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 响应时间较长，频率特性较差。 光敏光敏电阻电阻 (LDR) (LDR) 和它的和它的符号符号： 符号符号 1. 光敏电阻的工作原理 n 光敏电阻结构光敏电阻结构：在一块均匀光电导体两端加上电：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。（的金属或塑料外壳内。（如图如图） n 工作机理工作机理：当接受光照的时候，

16、光生载流子迅速：当接受光照的时候，光生载流子迅速 增加，阻值急剧减小。在外电场作用下，光生载增加，阻值急剧减小。在外电场作用下，光生载 流子沿一定方向运动，形成电流。流子沿一定方向运动，形成电流。 入射光入射光 本征型和杂质型光敏电阻本征型和杂质型光敏电阻 n 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。 n 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。 n 本征型用于可见光长波段,杂质型用 于红外波段。

17、价带 导带电子 空穴 Eg 价带 导带电子 空穴 施主 光电导与光电流光电导与光电流 n 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）。 n 光电流：亮电流和暗电流之差； I光 = IL - Id n 光电导：亮电流和暗电流之差； g = gL - gd 光I n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。 n光电流与光照强度电阻结构的关系。 n 无光照，暗电导率 n 光照下电导率

18、pn qpqn 000 pn pqnq ppp nnn 0 0 n 附加光电导率附加光电导率,简称光电导简称光电导 n 光电导相对值光电导相对值 n 要制成附加光电导相对值高的光敏电阻应使要制成附加光电导相对值高的光敏电阻应使p0和和 n0小，因此光敏电阻一般采用禁带宽度大的材料小，因此光敏电阻一般采用禁带宽度大的材料 或在低温下使用。或在低温下使用。 np nqpq 00000 () npnp npnp npn npnp n当光照稳定时，光生载流子的浓度为 n无光照时，光敏电阻的暗电流为 n光照时，光敏电阻的光电流为 00 npg 00 0 np d qUA np UA I LL （） np

19、 p qUAnp UA I LL （） 光敏电阻的工作特性 n光电特性光电特性 n伏安特性伏安特性 n时间响应和频率特性时间响应和频率特性 n温度特性温度特性 n 光电特性：光电流与入射光照度的关系： (1)弱光时，弱光时，=1，光电流与照度成线性关系，光电流与照度成线性关系 (2)强光时，强光时， =0.5，光电流与照度成抛物线，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。（冷却可以此复合几率

20、也增大，光电流呈饱和趋势。（冷却可以 改善）改善） ：外加电压，欧姆接触为电压指数 光电导，照度指数 光 U S UESI g g ) 1(: :) 15 . 0(: 光敏电阻的光电特性光敏电阻的光电特性 在弱光照下，光电流与E具有良好的线性关系 在强光照下则为非线性关系 其他光敏电阻也有类似的性质。 n光电导灵敏度: 光电导g与照度E之比. ：入射通量光敏面积， :A Ag E g gS 不同波长的光，不同波长的光， 光敏电阻的灵敏光敏电阻的灵敏 度是不同的。度是不同的。 在选用光电器件在选用光电器件 时必须充分考虑时必须充分考虑 到这种特性。到这种特性。 n光电导增益 光电导增益反比于电极

21、间距的平方。 n量子效率：光电流与入射光子流之比。 ：电极间距 ：外加电压，：迁移率， ：载流子寿命，量子产额， U l U G : 2 伏安特性 n在一定的光照下，光敏电阻的光电流与所在一定的光照下，光敏电阻的光电流与所 加的电压关系加的电压关系 n光敏电阻是一个纯电阻，因此符合欧姆定光敏电阻是一个纯电阻，因此符合欧姆定 律，其伏安特性曲线为直线。律，其伏安特性曲线为直线。 n不同光照度对应不同直线不同光照度对应不同直线 受耗散功率的限制，在使用时，光敏电阻两端的电压 不能超过最高工作电压， 图中虚线为允许功耗曲线 由此可确定光敏电阻正常工作电压。 n 光敏电阻时间常数比较大，其上限截止频光

22、敏电阻时间常数比较大，其上限截止频 率低。只有率低。只有PbSPbS光敏电阻的频率特性稍好光敏电阻的频率特性稍好 些，可工作到几千赫。些，可工作到几千赫。 频率特性频率特性 n 光敏电阻的时间响应特性较差 n 材料受光照到稳定状态，光生载流子浓度的 变化规律： n 停止光照，光生载流子浓度的变化为 0 0 (1 exp() t pp p 为稳态光生载流子浓度 0 exp() t pp 响应时间响应时间 光敏电阻是多数载流子导电，温度特性复杂。随着温度的光敏电阻是多数载流子导电，温度特性复杂。随着温度的 升高，光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降，温度的变化升高，光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降，温

23、度的变化 也会影响光谱特性曲线。也会影响光谱特性曲线。 例如：硫化铅光敏电阻，随着温度的升高光谱响应的峰值例如：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。将向短波方向移动。 尤其是红外探测器要采取制冷措施尤其是红外探测器要采取制冷措施 温度特性温度特性 前历效应 n光敏电阻时间特性与工作前“历史”有关 的现象 n暗态前历 n亮态前历 常用光敏电阻参数 光敏电阻参数 n 使用材料：硫化镉（CdS），硫化铅（PbS），锑 化铟（InSb），碲镉汞（HgCdTe），碲锡铅 （PbSnTe）. n 光敏面：1-3 mm n 工作温度：-40 80 oC n 极限电压：10 300

24、V n 耗散功率： 100 W n 时间常数：5 50 ms n 光谱峰值波长：因材料而不同，在可见/红外远红 外 n 暗电阻：108 欧姆 n 亮电阻：104 欧姆 特性总结 n 弱光照射下光电流与入射辐射通量成线性关系 n 用于光度量测试仪器时，须对光谱特性曲线进行 修正，保证与人眼光谱光视效率曲线符合 n 光谱特性与温度有关，不适合在高温下使用 n 频带宽度窄 n 设计负载电阻应考虑到光敏电阻的额定功耗 光敏电阻的应用光敏电阻的应用-照明灯的光电控制电路 n 基本功能：根据自然光的 情况决定是否开灯。 n 基本结构：整流滤波电路； 光敏电阻及继电器控制； 触电开关执行电路 n 基本原理：

25、光暗时，光敏 电阻阻值很高，继电器关， 灯亮；光亮时，光敏电阻 阻值降低，继电器工作， 灯关。 照明灯自动控制电路 K 220V 灯 常闭 CdS 以硫化铅光敏电阻为探测元件的火焰探测器电路 1、暗电阻为1 M, 亮电阻为0.2 M，峰值响应波长为2.2 m， 恰为火焰的峰值辐射光谱。（匹配） 硫化铅光敏电阻处于V1管组成的恒压偏置电路，其偏置电压约 为6 V， 电流约为6 A。V1管集电极电阻两端并联68 F的电容， 可以抑制100 Hz以上的高频， 使其成为只有几十赫兹的窄带放 大器。 V2、V3构成二级负反馈互补放大器，火焰的闪动信号经 二级放大后送给中心控制站进行报警处理。采用恒压偏置

26、电路 是为了在更换光敏电阻或长时间使用后，器件阻值的变化不至 于影响输出信号的幅度， 保证火焰报警器能长期稳定的工作。 光敏电阻的应用光敏电阻的应用-火焰检测报警器 火焰探测报警器电路图 光敏电阻的应用光敏电阻的应用-火焰检测报警器 V1管集电极电阻两端并 联68 F的电容，可以抑 制100 Hz以上的高频 2 k 6V 220 k 68 68 pbs 820 k 3.9 M V1 V2 1 k 32 k 100 150 k 3.9 K V3 4.7 n 12 V 中心站 放大器 暗电阻为1 M, 亮电阻为0.2 M，峰值响应 波长为2.2 m， 恰为火焰的峰值 辐射光谱 恒压偏置电路：输出电

27、路的电 压灵敏度不因光敏电阻的阻值 而改变，保证火焰报警器能长 期稳定的工作。 放大电路，将信号放大传送给 中心站 集电极和发射极的电流 大致相等 光敏电阻的应用光敏电阻的应用-照相机电子快门 硫化镉光敏电阻，与 人眼光谱响应接近 按动快门，电路接通 Ur电位下降 电压比较器输出，三 极管导通，快门工作 光敏电阻决定了充电电 流的大小，即为电容充 电的时间长短，即为快 门开启的时间 4 4、光生伏特效应 nPN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照结的光生伏特效应：当用适当波长的光照 射射PN结时，由于内建场的作用（不加外电结时，由于内建场的作用（不加外电 场），光生电子拉向场），光生电子拉向n

28、区，光生空穴拉向区，光生空穴拉向p区，区， 相当于相当于PN结上加一个正电压。结上加一个正电压。 n半导体内部产生电动势（光生电压）；如将半导体内部产生电动势（光生电压）；如将 PN结短路，则会出现电流（光生电流）。结短路，则会出现电流（光生电流）。 光电池是根据光生伏特效应制成的将光 能转换成电能的一种器件。 光电池的结构特点 n 光电池光电池核心部分核心部分是一个是一个PN结，一般作成面积大结，一般作成面积大 的薄片状，来接收更多的入射光。的薄片状，来接收更多的入射光。 n 在在N型硅片上扩散型硅片上扩散P型杂质（如硼），受光面是型杂质（如硼），受光面是 P型层型层 n 或在或在P型硅片上

29、扩散型硅片上扩散N型杂质（如磷），型杂质（如磷）， 受光面受光面 是是N型层型层 n 受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作 用和保护作用用和保护作用 n 上电极做成栅状，为了更多的光入射上电极做成栅状，为了更多的光入射 n 由于光子入射深度有限，为使光照到由于光子入射深度有限，为使光照到PN结结 上，上， 实际使用的光电池制成薄实际使用的光电池制成薄P型或薄型或薄N型。型。 光电池等效电路 0 0 0 exp()1 exp()1 LpLs p ss Lp q IIIUI R kT I I q U RR qU III kT 为 光 电 池 等 效 电 路 中

30、的 恒 流 源 为 光 电 池 等 效 二 极 管 反 向 饱 和 电 流 , 为 电 子 电 荷 量 为 光 电 池 输 出 电 压 为 光 电 池 等 效 电 路 中 串 联 电 阻 ，很 小 ， 可 以 忽 略 0 0 ln(1) 0 p oc scp sc I I kT U qI U II I 当，得到开路电压 当，得到短路电流 与入射光强度成正比 开路电压与入射光强度的对数成正比 光电池的特性 n1、伏安特性、伏安特性 无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导 体二极管相同。体二极管相同。 有光照时，沿电流轴方向平移，平移幅度与有光照时，沿电流轴方

31、向平移，平移幅度与 光照度成正比。光照度成正比。 曲线与电压轴交点称为开路电压曲线与电压轴交点称为开路电压VOC，与电，与电 流轴交点称为短路电流流轴交点称为短路电流ISC。 光电池伏安特性曲线 n2、时间和频率响应、时间和频率响应 硅光电池频率特性好硅光电池频率特性好 硒光电池频率特性差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硅光电池是目前使用最广泛的光电池 n 要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻RL； n 光电池面积越大则响应时间越大，因为光电池面光电池面积越大则响应时间越大，因为光电池面 积越大则结电容积越大则结电容Cj越大，在给

32、定负载时，时间常越大，在给定负载时，时间常 数就越大，故要求短的响应时间，必须选用小面数就越大，故要求短的响应时间，必须选用小面 积光电池。积光电池。 3、光谱响应度 n硅光电池硅光电池 响应波长响应波长0.4-1.10.4-1.1微米，微米， 峰值波长峰值波长0.8-0.90.8-0.9微米。微米。 n硒光电池硒光电池 响应波长响应波长0.34-0.750.34-0.75微米，微米， 峰值波长峰值波长0.540.54微米。微米。 4、光电池的光照特性 连接方式：开路电压输出连接方式：开路电压输出-(a) 短路电流输出短路电流输出-(b) 光电池在不同的光强照射下可产生不同的光电流和光光电池在

33、不同的光强照射下可产生不同的光电流和光 生电动势。生电动势。 短路电流在很大范围内与光强成线性关系。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。时趋于饱和。 光照特性光照特性- 开路电压输出：非线性开路电压输出：非线性(电压电压-光强光强)， 灵敏度高灵敏度高 短路电流输出：线性好短路电流输出：线性好(电流电流-光强光强) ， 灵敏度低灵敏度低 开关测量（开路电压输出），线性检开关测量（开路电压输出），线性检 测（短路电流输出）测（短路电流输出） n 负载负载RL的增大线性范围也越来越小。

34、的增大线性范围也越来越小。 n 因此，在要求输出电流与光照度成因此，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，并限制在适当的情况下越小越好，并限制在适当 的光照范围内使用。的光照范围内使用。 光电池的应用 n1、光电探测器件光电探测器件 利用光电池做探测器有频率响应高，光电流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。随光照度线性变化等特点。 n 2、将太阳能转化为电能、将太阳能转化为电能 实际应用中，把硅光电池经串联、并联组成实际应用中，把硅光电池经串联、并联组成 电池组。电池组。 硅太阳能电池 n 硅太阳能

35、电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、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。非晶硅太阳能电池。 n 单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率为单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率为23%,23%,而规而规 模生产的单晶硅太阳能电池模生产的单晶硅太阳能电池, ,其效率为其效率为15%15%。 n 多晶硅半导体材料的价格比较低廉多晶硅半导体材料的价格比较低廉, ,但是由于它存在着较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 室最高转换效率为室最高转换效率为18%,18%,工业规

36、模生产的转换效率为工业规模生产的转换效率为10%10%。 非晶硅太阳能电池 n 非晶硅薄膜太阳能电池组件的制造采用薄膜非晶硅薄膜太阳能电池组件的制造采用薄膜 工艺工艺, 具有较多的优点具有较多的优点,例如例如:沉积温度低、衬沉积温度低、衬 底材料价格较低廉底材料价格较低廉,能够实现大面积沉积。能够实现大面积沉积。 n 非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大,是单晶是单晶 硅的硅的40倍倍,1微米厚的非晶硅薄膜微米厚的非晶硅薄膜,可以吸引大可以吸引大 约约90%有用的太阳光能。有用的太阳光能。 n 非晶硅太阳能电池的稳定性较差非晶硅太阳能电池的稳定性较差, 从而影响了从

37、而影响了 它的迅速发展它的迅速发展。 化合物太阳能电池 n 三五族化合物电池和二六族化合物电池。三五族化合物电池和二六族化合物电池。 n 三五族化合物电池主要有三五族化合物电池主要有GaAs电池、电池、InP电池、电池、 GaSb电池等电池等; n 二六族化合物电池主要有二六族化合物电池主要有CaS/CuInSe电池、电池、 CaS/CdTe电池等。电池等。 n 在三五族化合物太阳能电池中在三五族化合物太阳能电池中,GaAs电池的转换电池的转换 效率最高效率最高,可达可达28%; GaAs 化合物太阳能电池 n Ga是其它产品的副产品是其它产品的副产品,非常稀少珍贵非常稀少珍贵;As 不是稀有

38、元素不是稀有元素, 有毒。有毒。 n GaAs化合物材料尤其适用于制造高效电池和多结电池化合物材料尤其适用于制造高效电池和多结电池, 这是由于这是由于GaAs具有十分理想的光学带隙以及较高的吸具有十分理想的光学带隙以及较高的吸 收效率。收效率。 n GaAs 化合物太阳能电池虽然具有诸多优点化合物太阳能电池虽然具有诸多优点,但是但是GaAs材材 料的价格不菲料的价格不菲,因而在很大程度上限制了用因而在很大程度上限制了用GaAs电池的电池的 普及。普及。 太阳能 n 太阳能特点：太阳能特点： 无枯竭危险；绝对干净；不受资源分布地域的限无枯竭危险；绝对干净；不受资源分布地域的限 制；可在用电处就近

39、发电；能源质量高；制；可在用电处就近发电；能源质量高； 要使太阳能发电真正达到实用水平，一是要提高太阳能光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。电网联网。 n太阳能庭院灯太阳能庭院灯。它们可以在白天 生成并储存自己的能量，然后在 夜晚间释放能量。这就像卫星一 样，当位于行星有阳光的一面时， 它可以储存太阳能；当它在背光 的一面时，则使用所储存的能量。 光电池以及光敏电阻应用光电池以及光敏电阻应用 太阳能庭院灯的典型构造 n它由以下元件构成： n一个塑料外壳 n顶部的一块

40、太阳能电池 n一个单块的AA镍镉电池 n一个小的控制器板 n一个LED光源 n一个光敏电阻器，用于检测黑暗 n在这一模块的另外一面，是四个电池组成 的太阳能电池阵（大小为5厘米x5厘米）和 光敏电阻器： 光敏电阻器光敏电阻器 n 太阳能电池通过一个二极管 （可以防止电池的电流在夜间 流回太阳能电池）直接与电池 连接。电池是一个完全标准的 AA镍镉电池。这样的一块电池 可以产生约1.2伏的电压，最多 可储存约700毫安时的电量。 在白天，电池进行充电，除了 冬季白天较短的日子或者天气 非常阴的日子外，都可以达到 最大充电量。 n充满电时，镍镉电池能 使LED亮起约15小时。 照明灯自动控制电路

41、K 储能储能 电池电池 灯 常闭 CdS 光敏二极管结构 n 光敏二极管与普通二极管一样有一个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。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，实有一个透明的窗口以接收光线照射，实 现光电转换。现光电转换。 n 为了获得尽可能大的光生电流，需要较为了获得尽可能大的光生电流，需要较 大的工作面，即大的工作面，即PN结面积比普通二极结面积比普通二极 管大得多，以扩散层作为它的受光面。管大得多，以扩散层作为它的受光面。 n 为了提高光电转换能力，

42、为了提高光电转换能力，PN结的深度结的深度 较普通二极管浅。较普通二极管浅。 光电二极管（光敏二极管）光电二极管（光敏二极管） 光敏二极管符号光敏二极管符号 光敏二极管接法光敏二极管接法 外加反向偏压 n 与光电池不同，光敏二极管一般在负偏压情况下使用与光电池不同，光敏二极管一般在负偏压情况下使用 n 大反偏压的施加，增加了耗尽层的宽度和结电场，电子大反偏压的施加，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。空穴在耗尽层复合机会少，提高光敏二极管的灵敏度。 n 增加了耗尽层的宽度，结电容减小，提高器件的频响特性。增加了耗尽层的宽度，结电容减小，提高器件的频

43、响特性。 n 但是，为了提高灵敏度及频响特性，却不能无限地加大反但是，为了提高灵敏度及频响特性，却不能无限地加大反 向偏压，因为它还受到向偏压，因为它还受到PN结反向击穿电压等因素的限制。结反向击穿电压等因素的限制。 n 光敏二极管体积小，灵敏度高，响应时间短，光敏二极管体积小，灵敏度高，响应时间短， 光谱响应在可见到近红外区中，光电检测中应光谱响应在可见到近红外区中，光电检测中应 用多。用多。 n 扩散型扩散型P-i-N硅光敏二极管和雪崩光敏二极管硅光敏二极管和雪崩光敏二极管 扩散型扩散型P-i-N硅光敏二极管硅光敏二极管 n 选择一定厚度的选择一定厚度的i层，具有高速响应特性。层，具有高速

44、响应特性。 n i层所起的作用层所起的作用:(1)为了取得较大的为了取得较大的PN结击穿电压，必结击穿电压，必 须选择高电阻率的基体材料，这样势必增加了串联电须选择高电阻率的基体材料，这样势必增加了串联电 阻，使时间常数增大，影响管子的频率响应。阻，使时间常数增大，影响管子的频率响应。 n 而而i层的存在，使击穿电压不再受到基体材料的限制，层的存在，使击穿电压不再受到基体材料的限制， 从而可选择低电阻率的基体材料。这样不但提高了击从而可选择低电阻率的基体材料。这样不但提高了击 穿电压，还减少了串联电阻和时间常数。穿电压，还减少了串联电阻和时间常数。 n (2)反偏下，耗尽层较无反偏下，耗尽层较

45、无i层时要大得多，从而使结电容层时要大得多，从而使结电容 下降，提高了频率响应。下降，提高了频率响应。 PIN管的最大特点是管的最大特点是 频带宽，可达频带宽，可达10GHz。 另一特点是线性输出范围宽。另一特点是线性输出范围宽。 缺点缺点: 由于由于I层的存在，管子的输出电流小，一般多为零点几微层的存在，管子的输出电流小，一般多为零点几微 安至数微安。安至数微安。 雪崩光敏二极管 n 由于存在因碰撞电离引起的内增益机理，雪崩由于存在因碰撞电离引起的内增益机理，雪崩 管具有高的增益带宽乘积和极快的时间响应特管具有高的增益带宽乘积和极快的时间响应特 性。性。 n 通过一定的工艺可以使它在通过一定

46、的工艺可以使它在1.06微米波长处的微米波长处的 量子效率达到量子效率达到30，非常适于可见光及近红外，非常适于可见光及近红外 区域的应用。区域的应用。 n 当光敏二极管的当光敏二极管的PN结上加相当大的反向偏结上加相当大的反向偏 压时，在结区产生一个很高的电场，使进入压时，在结区产生一个很高的电场，使进入 场区的光生载流子获得足够的能量，通过碰场区的光生载流子获得足够的能量，通过碰 撞使晶格原子电离，而产生新的电子撞使晶格原子电离，而产生新的电子空穴空穴 对。对。 n 新的电子新的电子空穴对在强电场的作用下分别向空穴对在强电场的作用下分别向 相反方向运动在运动过程中，又有可能与相反方向运动在

47、运动过程中，又有可能与 原子碰撞再一次产生电子原子碰撞再一次产生电子空穴对。空穴对。 n 只要电场足够强，此过程就将继续下去，达只要电场足够强，此过程就将继续下去，达 到载流子的雪崩倍增。通常，雪崩光敏二极到载流子的雪崩倍增。通常，雪崩光敏二极 管的反向工作偏压略低于击穿电压。管的反向工作偏压略低于击穿电压。 雪崩光电二极管的 倍增电流、噪声与偏压的关系曲线 n 在偏置电压较低时的在偏置电压较低时的A点以左，不发生雪崩过程；随着点以左，不发生雪崩过程；随着 偏压的逐渐升高，倍增电流逐渐增加偏压的逐渐升高，倍增电流逐渐增加 n 从从B点到点到c点增加很快，属于雪崩倍增区；偏压再继续点增加很快，属

48、于雪崩倍增区；偏压再继续 增大，将发生雪崩击穿；同时噪声也显著增加，如图增大，将发生雪崩击穿；同时噪声也显著增加，如图 中中c点以有的区域。因此，最佳的偏压工作区是点以有的区域。因此，最佳的偏压工作区是c点以左，点以左， 否则进入雪崩击穿区烧坏管子。否则进入雪崩击穿区烧坏管子。 由于击穿电压会随温度漂移，必须根据环境温度变化由于击穿电压会随温度漂移，必须根据环境温度变化 相应调整工作电压。相应调整工作电压。 n 雪崩光电二极管具有电流增益大，灵敏度高，频率响雪崩光电二极管具有电流增益大，灵敏度高，频率响 应快，带宽可达应快，带宽可达100GHz。是目前响应最快的一种光敏。是目前响应最快的一种光

49、敏 二极管。二极管。 n 不需要后续庞大的放大电路等特点。因此它在微弱辐不需要后续庞大的放大电路等特点。因此它在微弱辐 射信号的探测方向被广泛地应用。射信号的探测方向被广泛地应用。 n 在设计雪崩光敏二极管时，要保证载流子在整个光敏在设计雪崩光敏二极管时，要保证载流子在整个光敏 区的均匀倍增，这就需要选择无缺陷的材料，必须保区的均匀倍增，这就需要选择无缺陷的材料，必须保 持更高的工艺和保证结面的平整。持更高的工艺和保证结面的平整。 n 其缺点是工艺要求高，稳定性差，受温度影响大。其缺点是工艺要求高，稳定性差，受温度影响大。 雪崩光电二极管与光电倍增管比较 n体积小 n结构紧凑 n工作电压低 n

50、使用方便 n但其暗电流比光电倍增管的暗电流大， 相应的噪声也较大 n故光电倍增管更适宜于弱光探测 光敏二极管阵列 n 将光敏二极管以线列或面阵形式集合在一起，将光敏二极管以线列或面阵形式集合在一起， 用来同时探测被测物体各部位提供的不同光信用来同时探测被测物体各部位提供的不同光信 息，并将这些信息转换为电信号的器件。息，并将这些信息转换为电信号的器件。 象限探测器 象限探测器有二象限和四象限探象限探测器有二象限和四象限探 测器，又分光电二极管象限探测测器，又分光电二极管象限探测 器和硅光电池象限探测器。器和硅光电池象限探测器。 象限探测器是在同一块芯片上制象限探测器是在同一块芯片上制 成两或四

51、个探测器，中间有沟道成两或四个探测器，中间有沟道 将它们隔开，因而这两或四个探将它们隔开，因而这两或四个探 测器有完全相同性能参数。测器有完全相同性能参数。 当被测体位置发生变化时，来自当被测体位置发生变化时，来自 目标的辐射量使象限间产生差异，目标的辐射量使象限间产生差异， 这种差异会引起象限间信号输出这种差异会引起象限间信号输出 变化，从而确定目标方位，同时变化，从而确定目标方位，同时 可起制导、跟踪、搜索、定位等可起制导、跟踪、搜索、定位等 作用。作用。 光敏三极管（光电三极管） n 光电三极管是由光电二极管和一个晶体三极管构光电三极管是由光电二极管和一个晶体三极管构 成成，相当于在晶体三极管的基极和集电极间并联，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。一个光电二极管。 n 同光电二极管一样，光电三极管外壳也有一个透同光电二极管一样，光电三极管外壳也有一个透 明窗口，以接收光线照射。明窗口，以接收光线照射。 n 日前用得较多的是日前用得较多的是NPNNPN和和PNPPNP两种平面硅光电三极两种平面硅光电三极 管管。 NPN光电三极管结构原理简图 光电三极管工作原理 n NPN光电三极管（光电三极管（3DU型），使用时光电二型），使用时光电二 极管的发射极接电源负极，集电极接电源正极管的发射极接电源负极，集电极接电源正 极。极。 n 光电三极管不受光时，相当