双创实验-光电检测

1、2021-10-303光学测量光学测量原理原理方法方法技术技术对象对象物理效应物理效应结构设计结构设计材料特性材料特性(指标指标)2021-10-304 干涉、衍射干涉、衍射 准直准直 偏振偏振定向定向波长波长偏振方向偏振方向能量能量2021-10-305 形貌尺寸形貌尺寸机器视觉机器视觉 位移测量位移测量 三角法三角法（QDQD、CCDCCD） 直接（直接（QDQD、PSDPSD）2021-10-306远紫外远紫外近紫外近紫外可见光可见光近红外近红外远红外远红外极远紫外极远紫外0.010.11100.050.55波长波长/mm频率频率/Hz10155101410145101351015101

2、631018光的波长光的波长和频率和频率的关系为的关系为 =c2021-10-307光电效应光电效应 u一般光电传感器的工作原理基于光电效应。u光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的电效应。u光电效应可以分为外光电效应和内光电效应两大类。光电效应光电效应 外光电效应外光电效应 内光电效应内光电效应 （光电管，光电倍增管）（光电管，光电倍增管） 光电导效应光电导效应 光生伏特效应光生伏特效应 （光敏电阻）（光敏电阻）结光电效应结光电效应 侧向光电效应侧向光电效应 （光电二极管、三极管，光电池）（光电二极管、三极管，光电池）2021-10-308内光电效应内光电效应光

3、生伏特效应光生伏特效应在光线作用下使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。结光电效应结光电效应当光线照射半导体接触区域时产生光电动势的现象，称为结光电效应。以PN结为例，光线照射PN结时，若光子能量大于禁带宽度Eg，被激发电子移向N区外侧，空穴移向P区外侧，使P区带正电，N区带负电，产生电势。2021-10-309侧向光电效应侧向光电效应当半导体光电器件受光照不均匀时，由载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，其载流子浓度比未受光照部分的载流子浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因而载流子就要扩散，由于电子和空穴迁移率的不同，导致产生光电动势。内

4、光电效应内光电效应光生伏特效应光生伏特效应2021-10-30101. 1. 光敏二极管光敏二极管光敏二极管与一般二极管都有一个PN结，并且都是单向导电的非线性元件。为了提高转换效率需要大面积受光，PN结面积比一般二极管大，其封装于透明玻璃外壳中，可直接受到光照。材料上有硅、砷化镓、锑化锢等不同种类，结构上有同质结与异质结之分，最典型的是同质结硅光电二极管。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。RL 光PN光敏二极管接线光敏二极管接线PN光光敏二极管符号光敏二极管符号2021-10-3011无光照时，反向电阻很大，反向电流很小。此时光敏二极管处于载止状态，只有少数载流子在反向偏压作用下，渡

5、越阻挡层形成微小的反向电流即暗电流。有光照时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下， P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区， N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，形成光电流。光敏二极管的光电流 I 与照度之间呈线性关系，所以适合检测等方面的应用。2021-10-3012（1 1） PINPIN光电二极管光电二极管在P区和N区之间插入一层电阻率很大的I层，从而减小PN结的电容，提高工作频率。PIN光敏二极管的工作电压（反向偏置电压）高，光电转换效率高，暗电流小，其灵敏度比

6、普通的光敏二极管高得多，响应频率可达数十MHz。2021-10-3013最大特点最大特点：频带宽，可达10GHz。另一个特点另一个特点是，因为I层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，线性输出范围宽。由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会使耗尽层宽度增加，从而结电容要进一步减小，使频带宽度变宽。不足不足：I层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅片上并封装于一个管壳内的商品出售。 2021-10-3014（2 2） 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)(APD)雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来

7、工作的一种二极管。其工作电压很高，约100200V，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。具有很高的内增益，当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生所谓的雪崩。这种管子响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光电二极管。在光通信中应用前景广阔。 噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。2021-10-3015光敏二极管的反向偏置接线及光电特性演示 没有光照时，由于二极管反向偏置，暗电流很小。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+光照光照2021-10-30162.2.光敏

8、二极管的应用举例光敏二极管的应用举例（1）四象限探测器（QD） 基于结光生伏特效应。（2）位置敏感探测器（PSD） 基于侧向光电效应。2021-10-3017当光束入射到四象限探测器的光敏面上时,四个象限的二极管将光信号转换成电信号输出。图中由十字形沟道形成的间隔被称为暗区或死区。四象限探测器的每个象限的光敏面各一根引出导线,背面基区引线作为公共极。当光斑照在光敏面时每个象限产生的阻抗电流为I1、I2、I3、I4。四象限探测器2021-10-3018四象限光电池的光电转换输出是光电流，光电流与投射到光敏面上的光照度的面积积分成正比。光斑位置坐标：2021-10-3019QD定标曲线2021-10-30202021-10-3021位置敏感探测器是一种基于非均匀半导体横向光电效应的、对入射光或粒子位置敏感的光电器件。（1）