应用光电第三章——光电检测技术

1、 光电检测技术是以半导体、激光、红外、光纤等现代光电光电检测技术是以半导体、激光、红外、光纤等现代光电子器件作为基础，通过对被检测物体的光辐射，经光电检子器件作为基础，通过对被检测物体的光辐射，经光电检测器接收光辐射并转换为电信号，由输入电路、放大滤波测器接收光辐射并转换为电信号，由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息，再经模、数转换接口输入计算等检测电路提取有用信息，再经模、数转换接口输入计算机运算处理，最后显示输出所需的检测物理量等参数。机运算处理，最后显示输出所需的检测物理量等参数。第三章第三章 光电检测技术光电检测技术什么是光电检测什么是光电检测变换电路光电传感光源光学系统被测对象

2、光学变换电信号处理存 储显 示控 制光学变换电路处理第三章第三章 光电检测技术光电检测技术光电检测系统光电检测系统光电检测技术的特点光电检测技术的特点o高精度高精度：从地球到月球激光测距的精度达到：从地球到月球激光测距的精度达到1米。米。o高速度高速度：光速是最快的。：光速是最快的。o远距离、大量程远距离、大量程：遥控、遥测和遥感。：遥控、遥测和遥感。o非接触式检测非接触式检测：不改变被测物体性质的条件下进行测量。：不改变被测物体性质的条件下进行测量。o寿命长寿命长：光电检测中通常无机械运动部分，故测量装置寿命光电检测中通常无机械运动部分，故测量装置寿命长，工作可靠、准确度高，对被测物无形状和

3、大小要求。长，工作可靠、准确度高，对被测物无形状和大小要求。o数字化和智能化：数字化和智能化：强的信息处理、运算和控制能力。强的信息处理、运算和控制能力。第三章第三章 光电检测技术光电检测技术光辐射探测器：对各种光辐射进行接收和探测的器件光辐射探测器：对各种光辐射进行接收和探测的器件光探测器光探测器的物理效应的物理效应: 光热效应光热效应1. 光电效应光电效应光辐射量光辐射量光探测器光探测器电量电量第三章第三章 光电检测技术光电检测技术51.1.光热效应光热效应当光照射到理想的黑色吸收体上时，黑体将当光照射到理想的黑色吸收体上时，黑体将对所有波长的光能量全部吸收，并转换为热对所有波长的光能量全

4、部吸收，并转换为热能，称为能，称为光热效应光热效应 。热能增大，导致吸收体的物理、机械性能变热能增大，导致吸收体的物理、机械性能变化，如：化，如：温度、体积、电阻、热电动势等温度、体积、电阻、热电动势等，通过测量这些变化可确定光能量或光功率的通过测量这些变化可确定光能量或光功率的大小，这类器件统称为光热探测器。大小，这类器件统称为光热探测器。第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光热效应光热效应光热探测器对光辐射的响应有两个过程：光热探测器对光辐射的响应有两个过程： 器件吸收光能量使自身温度发生变化器件吸收光能量使自身温度发生变化 把温度变化转换为相应的电信号把温度变化转换为相应的电信号

5、 共性共性个性个性光热探测器的最大特点是：光热探测器的最大特点是：1 1、从紫外到、从紫外到40m40m以上宽波段范围，其响应以上宽波段范围，其响应灵敏度与光波波长无关，灵敏度与光波波长无关，原则上原则上是对光波长是对光波长无选择性探测器。无选择性探测器。2 2、受热时间常数的制约受热时间常数的制约，响应速度较慢，响应速度较慢 。第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光热效应光热效应应用：应用： 在红外在红外波段上，材料吸波段上，材料吸收率高，光热效收率高，光热效应也就更强烈，应也就更强烈，所以广泛用于对所以广泛用于对红外线辐射的探红外线辐射的探测。测。第三章第三章 光电检测技术光电检测

6、技术- -光热效应光热效应8 由由MnMn、NiNi、CoCo、CuCu氧化物或氧化物或GeGe、SiSi、InSbInSb等等半导体做成的电阻器，半导体做成的电阻器，其阻值随温度而变化，其阻值随温度而变化，称为热敏电阻。称为热敏电阻。 当它们吸收了光辐射，温度发生变化，当它们吸收了光辐射，温度发生变化，从而从而引起电阻的阻值相应改变，将引起回路电流或引起电阻的阻值相应改变，将引起回路电流或电压的变化，电压的变化，这样就可以探测入射光通量。这样就可以探测入射光通量。光热探测器光热探测器热敏电阻热敏电阻第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光热效应光热效应9光热探测器光热探测器热释电探测器

7、热释电探测器热释电探测器探测率高，是光热探测器中热释电探测器探测率高，是光热探测器中性能最好的。性能最好的。工作原理：工作原理：热电晶体热电晶体是压电晶体中的一种，它具是压电晶体中的一种，它具有自发极化的特性。有自发极化的特性。存在宏观的电偶极矩，存在宏观的电偶极矩，面束面束缚电荷密度等于自发极化矢量缚电荷密度等于自发极化矢量P Ps s。当用斩波器调制当用斩波器调制入射光，入射光，使矩形光脉冲（周期小于使矩形光脉冲（周期小于Q Q的平均寿命）的平均寿命）作用到热电晶体表面的黑吸收层上，作用到热电晶体表面的黑吸收层上，交变的交变的T T使使得晶体表面始终存在正比于入射光强的极化电荷。得晶体表面

8、始终存在正比于入射光强的极化电荷。这种现象称为热释电效应。这种现象称为热释电效应。热释电探测器只能探热释电探测器只能探测调制和脉冲辐射。测调制和脉冲辐射。 第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光热效应光热效应 光照射到物体表面上使物体光照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率发生变化发射电子、或导电率发生变化、或产生光电动势、或产生光电动势等，这种因光照而引起物体电学特性发生改等，这种因光照而引起物体电学特性发生改变统称为光电效应变统称为光电效应。2. 光电效应光电效应o 光电效应的起因：在光的作用下，当光敏物质中的电子直接吸收光子的能量足以克服原子核的束缚时，电子就会从基态被激发到高

9、能态，脱离原子核的束缚，在外电场作用下参与导电，因而产生了光电效应。o 这里需要说明的是，如果光子不是直接与电子起作用，而是能量被固体晶格振动吸收，引起固体的温度升高，导致固体电学性质的改变，这种情况就不是光电效应，而是热电效应。第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电效应光电效应11内光电效应内光电效应外光电效应外光电效应光电导效应光电导效应 （光敏电阻）（光敏电阻）光生伏特效应光生伏特效应 （光电池）（光电池）电子不会逸出物体外部，电子不会逸出物体外部，主要为半导体材料主要为半导体材料光电效应光电效应有电子逸出物体外部，主有电子逸出物体外部，主要为金属或金属化合物要为金属或金属化合

10、物光电子发射（光电倍增管）光电子发射（光电倍增管）光电效应的分类光电效应的分类第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电效应光电效应外光电效应外光电效应o 定义：定义： 在光照下，物体向表面以外的空间发射电子（即在光照下，物体向表面以外的空间发射电子（即光电子）的现象光电子）的现象 。又叫光电子发射效应。又叫光电子发射效应 。o 光电发射第一定律（光电发射第一定律（一个光子的光电效应一个光子的光电效应） 物体吸收光子的能量大于逸出功物体吸收光子的能量大于逸出功A A0 0，多余部分能量为光，多余部分能量为光 电子的动能。根据能量守恒则有电子的动能。根据能量守恒则有 该方程称该方程称爱因斯

11、坦方程爱因斯坦方程 A A0 0 - -电子逸出表面的最小能量电子逸出表面的最小能量20021mvAh第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电效应光电效应o 当辐射的光谱分布不变时，饱和光电流与入射的光通量当辐射的光谱分布不变时，饱和光电流与入射的光通量成正比，即成正比，即光电发射第二定律。光电发射第二定律。光电发射第二定律（光电发射第二定律（一束光的光电效应一束光的光电效应）gPShqIo 红限频率：能产生光电子的光子最小频率。红限频率：能产生光电子的光子最小频率。o 长波限长波限：chA0snmsmcseVsJh/103/1031013. 4106 . 617141534)(24.

12、 1)(eVEmthcvEth=Eg+EA第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电效应光电效应Eth为电子逸出功，分为电子从发射中心激发到导带所需的最低能量为电子逸出功，分为电子从发射中心激发到导带所需的最低能量Eg，和电子从导带底溢出表面所需的最低能量，即材料的亲和势，和电子从导带底溢出表面所需的最低能量，即材料的亲和势EA。14 受光照而激发的电子在物质内部参与导电，电受光照而激发的电子在物质内部参与导电，电子并不逸出光敏物质表面。这种效应多发生于半导子并不逸出光敏物质表面。这种效应多发生于半导体内。内光电效应又可分为光电导效应、光生伏特体内。内光电效应又可分为光电导效应、光生伏特

13、效应、丹倍效应和光磁电效应等。效应、丹倍效应和光磁电效应等。内光电效应内光电效应 注：注：外光电效应和内光电效应的主要外光电效应和内光电效应的主要区别区别在于：在于：受光照而激发的电子，前者受光照而激发的电子，前者逸出逸出物质表面形成光电物质表面形成光电子流，而后者则在物质子流，而后者则在物质内部内部参与导电。参与导电。第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电效应光电效应 定义：定义：光电导现象光电导现象半导体材料的半导体材料的“体体”效应。效应。物体物体受到光照后，吸收光子使载流子的浓度发生变化，受到光照后，吸收光子使载流子的浓度发生变化，使使半半导体的电导率增加导体的电导率增加，我

14、们称之为，我们称之为光电导效应光电导效应。光电导效应光电导效应第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电效应光电效应光电导效应光电导效应分为本征分为本征光电导和杂质光电导光电导和杂质光电导。第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电效应光电效应光辐射照射外加电压的半导体，如果光波长光辐射照射外加电压的半导体，如果光波长满足如满足如下条件：下条件： )()(24. 1)(本征eVEmgc)()(24. 1杂质eVEi 是禁带宽度是禁带宽度gEiE是杂质能带宽度是杂质能带宽度光敏电阻光敏电阻第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电效应光电效应o 当两块半导体材料形成当两块半导体

15、材料形成PN结时，由于存在结时，由于存在浓度梯度浓度梯度，导致，导致N区的电子向区的电子向P区扩散，区扩散， P区的电子向区的电子向N区扩散区扩散.产生空间产生空间电荷区。扩散运动后，使正负离子在结区附近形成由电荷区。扩散运动后，使正负离子在结区附近形成由N指指向向P的内建电场，也称结电场。的内建电场，也称结电场。+-PNPN结的空间电荷区结的空间电荷区E光生伏特效应光生伏特效应第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电效应光电效应o 光照射到半导体的光照射到半导体的P-NP-N结上，若光子能量足够大，则半导体结上，若光子能量足够大，则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量从价带越过禁带到

16、达导材料中价带的电子吸收光子的能量从价带越过禁带到达导带，在导带中出现电子，在价带中出现空穴。在内建电场带，在导带中出现电子，在价带中出现空穴。在内建电场的作用下，光电子被拉向的作用下，光电子被拉向N N区，光空穴被拉向区，光空穴被拉向P P区，结区产区，结区产生势垒，称此现象为生势垒，称此现象为光生伏特效应光生伏特效应。o 光生载流子在外加负偏压和内建电场的作用下，在外电路光生载流子在外加负偏压和内建电场的作用下，在外电路中出现光电流。中出现光电流。光子光子电极电极电极电极耗尽层耗尽层SiO2p+nn+第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电效应光电效应光伏现象光伏现象半导体材料的半

17、导体材料的PN“结结”效应效应 例如：例如：雪崩二极管雪崩二极管第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电效应光电效应 半导体特性半导体特性掺入杂质则导电率增加几百倍掺入杂质则导电率增加几百倍掺杂特性掺杂特性半导体器件半导体器件温度增加使导电率大为增加温度增加使导电率大为增加热敏特性热敏特性热敏器件热敏器件光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势光敏特性光敏特性常用的半导体材料常用的半导体材料： 元素半导体元素半导体：硅（硅（SiSi）、锗（）、锗（GeGe） 化合物半导体化合物半导体：砷化镓（砷化镓（GaAsGaAs） 掺杂材料掺杂材料：硼：硼(

18、B)(B)、铟、铟(In)(In)；磷；磷(P)(P)、锑、锑(Sb)(Sb)。第三章第三章 光电检测技术光电检测技术n半导体光电子器件的两个基本机理半导体光电子器件的两个基本机理：v一个电子和一个空穴的复合产生一个光子一个电子和一个空穴的复合产生一个光子v吸收一个能量足够大的光子可以产生一个电子和空穴对吸收一个能量足够大的光子可以产生一个电子和空穴对第三章第三章 光电检测技术光电检测技术-PN-PN结结P区区N区区扩散运动扩散运动载流子载流子从从浓度浓度大大向浓度向浓度小小的区域的区域扩散扩散,称称扩散运动扩散运动形成的电流成为形成的电流成为扩散电流扩散电流内电场内电场内电场内电场阻碍多子阻

19、碍多子向对方的向对方的扩散扩散即即阻碍扩散运动阻碍扩散运动同时同时促进少子促进少子向对方向对方漂移漂移即即促进了漂移运动促进了漂移运动扩散运动扩散运动=漂移运动时漂移运动时达到达到动态平衡动态平衡第三章第三章 光电检测技术光电检测技术-PN-PN结结内 电 场 阻 止 多 子 扩 散内 电 场 阻 止 多 子 扩 散 因浓度差因浓度差多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移扩散运动扩散运动多子从浓度大向浓度小的区域扩散多子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动称扩散运动扩散运动产生扩

20、散电流扩散运动产生扩散电流漂移运动漂移运动少子向对方漂移少子向对方漂移,称漂移运动称漂移运动漂移运动产生漂移电流。漂移运动产生漂移电流。动态平衡动态平衡扩散电流扩散电流= =漂移电流，漂移电流，PNPN结内总电流结内总电流=0=0。PN PN 结结稳定的空间电荷区稳定的空间电荷区又称高阻区又称高阻区也称耗尽层也称耗尽层第三章第三章 光电检测技术光电检测技术-PN-PN结结V V 内电场的建立，使内电场的建立，使PNPN结中产生结中产生电位差。从而形成接触电位电位差。从而形成接触电位V V 接触电位接触电位V V 决定于材料及掺杂浓度决定于材料及掺杂浓度硅：硅： V V =0.7=0.7锗：锗：

21、 V V =0.2=0.2PNPN结的接触电位结的接触电位第三章第三章 光电检测技术光电检测技术-PN-PN结结由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结结具有单向导电性。具有单向导电性。PN结加正向电压时，呈现低结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电阻，具有较大的正向扩散电流；电流；PN结加反向电压时，呈现高结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电阻，具有很小的反向漂移电流。电流。PNPN结单项导电结单项导电第三章第三章 光电检测技术光电检测技术-PN-PN结结第三章第三章 光电检测技术光电检测技术半导体光电探半导体光电探测器件测器件热电探测元件热电探测元件光子探测元件光子

22、探测元件气体光电探测元件气体光电探测元件外光电效应外光电效应内光电效应内光电效应非放大型非放大型放放 大大 型型光电导探测器光电导探测器光磁电探测器光磁电探测器光生伏特探测器光生伏特探测器真空光电管真空光电管充气光电管充气光电管光电倍增管光电倍增管像增强器像增强器摄像管摄像管变像管变像管本征型本征型光敏电阻光敏电阻掺杂型掺杂型红外探测器红外探测器非放大非放大放大型放大型光电池光电池光电二极管光电二极管光电三极管光电三极管光电场效应管光电场效应管雪崩型光电二极管雪崩型光电二极管o 光敏电阻是光电导型器件。o 光敏电阻材料：主要是硅、锗和化合物半导体，例如：硫化镉（CdS），锑化铟（InSb）等。

23、o 特点：n光谱响应范围宽（特别是对于红光和红外辐射）；n偏置电压低，工作电流大；n动态范围宽，既可测强光，也可测弱光；n光电导增益大，灵敏度高；n无极性，使用方便；n在强光照射下，光电线性度较差n光电驰豫时间较长，频率特性较差。光敏电阻光敏电阻第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光敏电阻光敏电阻光敏光敏电阻电阻 (LDR) (LDR) 和它的和它的符号符号： 符号符号第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光敏电阻光敏电阻o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极，贴在硬质玻：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

24、电极引线，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。封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。o工作机理工作机理：当入射光子使半导体中的电子由价带跃迁到导带时，：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。导增加。光敏电阻工作原理光敏电阻工作原理第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光敏电阻光敏电阻入射光入射光第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光敏电阻光敏电阻o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

25、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。o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。o本征型用于可见光长波段,杂质型用于红外波段。价带导带电子空穴Eg价带导带电子空穴施主本征型和杂质型光敏电阻本征型和杂质型光敏电阻第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光敏电阻光敏电阻o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）。o光电

26、流：亮电流和暗电流之差；I光 = IL - Ido光电导：亮电流和暗电流之差；g = gL - gd光电导与光电流光电导与光电流第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光敏电阻光敏电阻o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。o光电流与光照强度电阻结构的关系。第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光敏电阻光敏电阻o光电特性光电特性o伏安特性伏安特性o时间响应和频率特性时间响应和频率特性o温度特性温度特性光敏电阻工作特性光敏电阻工作特性第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光敏电阻光敏电阻o光电特性：光电流与入射光照度的关

27、系：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，同时光敏电阻的温度也光照增强的同时，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）呈饱和趋势。（冷却可以改善） ：外加电压，欧姆接触为电压指数光电导，照度指数光USUESIgg) 1(:) 15 . 0(:第三章第三章 光电检测技术

28、光电检测技术- -光敏电阻光敏电阻在弱光照下，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。第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光敏电阻光敏电阻光电导灵敏度光电导灵敏度: 光电导光电导g与照度与照度E之比之比.：入射通量光敏面积，:AAgEggS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。第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光敏电阻光敏电阻o在一定的光照下，光敏电阻的光电流与所加的电压关系在一定的光照下，光敏电阻的光电流与所加的电

29、压关系o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。直线。o不同光照度对应不同直线不同光照度对应不同直线伏安特性伏安特性第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光敏电阻光敏电阻受耗散功率的限制，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。第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光敏电阻光敏电阻o光敏电阻的时间响应特性较差o材料受光照到稳定状态，光生载流子浓度的变化规律：o停止光照，光生载流子浓度的变化为00(1 exp()tppp 为稳态光生载流子浓度0

30、exp()tpp 响应时间响应时间第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光敏电阻光敏电阻光敏电阻时间常数比较大，其上限截止频率低。只有光敏电阻时间常数比较大，其上限截止频率低。只有PbSPbS光敏电阻的频率特光敏电阻的频率特性稍好些，可工作到几千赫。性稍好些，可工作到几千赫。频率特性频率特性第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光敏电阻光敏电阻光敏电阻是多数载流子导电，温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，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光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降，温度的变化也会影响光谱下降，温度的变化也会影响光谱特性曲线。特性曲线

31、。例如：硫化铅光敏电阻，随着温例如：硫化铅光敏电阻，随着温度的升高光谱响应的峰值将向短度的升高光谱响应的峰值将向短波方向移动。波方向移动。尤其是红外探测器要采取制冷措尤其是红外探测器要采取制冷措施施温度特性温度特性第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光敏电阻光敏电阻o基本功能：根据自然光的情况决定是否开灯。o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o基本原理：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K220V灯常闭CdS光敏电阻的应用光敏电阻的应用第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光敏电阻光

32、敏电阻o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。oPN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射PN结时，由于内结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向建场的作用（不加外电场），光生电子拉向n区，光生空穴拉向区，光生空穴拉向p区，相当于区，相当于PN结上加一个正电压。结上加一个正电压。o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，则会出现结短路，则会出现电流（光生电流）。电流（光生电流）。光电池光电池第三章第三章 光电检测技术光电检

33、测技术- -光电池光电池 当P型半导体和N型半导体直接接触，P区中空穴向N区扩散，同时N区中的电子向P区扩散。扩散运动在P区界面附近积累的负电荷，和在N区界面附近积累的正电荷形成内电场。内电场促进载流子的漂移运动。扩散运动导致的内电场和内电场促使的漂移运动达到动态平衡（一定的温度下，经过一定的时间）。P-N结的形成 PNPN结与光伏效应（结与光伏效应（Photo Voltage EffectPhoto Voltage Effect）第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电池光电池 当入射光子的能量=h Eg， 本征激发，产生e-he-h对。P区中的光生 h h 和N区中的光生 e e

34、因受P-N结的阻挡作用而不能通过结区，结区中产生的 e-he-h对在内电场作用下，e e 驱向N区，h h 驱向P区。而结区附近P区中的光生e e 和N区中的h h 如能扩散到结区，并在内电场作用下通过结区，这样在P区中积累了过量的h h在N区中积累了过量的e e，从而形成一个附加电场附加电场，方向与内电场相方向与内电场相反反。光伏效应光伏效应第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电池光电池障层光电效应原理 当P-N结端部受光照时光子入射的深度有限，不会得到好的效果。实际使用的光伏效应器件，都制成薄P型或薄N型，如图 (b)所示。入射光垂直P-N结面入射，以提高光伏效应的效率第三章第三

35、章 光电检测技术光电检测技术- -光电池光电池光电池的结构特点光电池的结构特点o光电池核心部分是一个光电池核心部分是一个PN结，一般作成面积大的薄片状，来接结，一般作成面积大的薄片状，来接收更多的入射光。收更多的入射光。o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o或在或在P型硅片上扩散型硅片上扩散N型杂质（如磷），受光面是型杂质（如磷），受光面是N型层型层第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电池光电池o受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和保护作用受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和保护作用o上电极做成栅状，为了更多的光入射上电

36、极做成栅状，为了更多的光入射o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结上，实际使用的光电结上，实际使用的光电池制成薄池制成薄P型或薄型或薄N型。型。第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电池光电池第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电池光电池无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导体二极管相同。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。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，与电流轴交点

37、称为短路电流ISC。第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电池光电池光电池的伏安特性光电池的伏安特性光电池伏安特性曲线光电池伏安特性曲线第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电池光电池反向电流随光照度的增加而上升反向电流随光照度的增加而上升IU照度增加照度增加第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电池光电池 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 第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电池光电池时间和频率响应时间和频率响应o 要得到短的响应时间，必须选用小的负载

38、电阻要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻RL；o 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。第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电池光电池开路电压下降大约开路电压下降大约2 2 3mV/3mV/度度短路电流上升大约短路电流上升大约1010- -5 5 1010-3-3mA/mA/度度n3 3、温度特性、温度特性 随着温度的上升，硅光电池的光谱响应向长波方

39、向移随着温度的上升，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，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。测量仪器应考虑温度的漂移，要进行补偿。第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电池光电池4 4、光谱响应度、光谱响应度o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。o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。第三章第三章 光电检

40、测技术光电检测技术- -光电池光电池5、光电池的光照特性、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生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。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。第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电池光电池 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

41、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），线性检测（短路电流输开关测量（开路电压输出），线性检测（短路电流输出）出）第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电池光电池o 负载负载RL的增大线性的增大线性范围也越来越小。范围也越来越小。o 因此，在要求输出电因此，在要求输出电流与光照度成线性关流与光照度成线性关系时，负载电阻在条系时，负载电阻在条件许可的情况下越小件许可的情况下越小越好，并限制在适当越好，并限制在适当的光照范围内使用。的光照范围内使用。第三章第三章 光电检测技术光电检

42、测技术- -光电池光电池光电池的应用o 1、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。电流随光照度线性变化等特点。o 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、并联实际应用中，把硅光电池经串联、并联组成电池组。组成电池组。第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电池光电池63光电池光电池外形外形光敏面第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电池光电池64能提供较大电流的大能提供较大电流的大面积光电池面积光电池外形外形第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电池光电池

43、65光电池及在照度测量中的应用光电池及在照度测量中的应用柔光罩下面为圆形光电池第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电池光电池66光电池在动力方面的应用光电池在动力方面的应用光电池驱动的凉帽第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电池光电池67光电池在动力方面的应用（续）光电池在动力方面的应用（续）太阳能赛车太阳能电动机模型太阳能 硅光电池板第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电池光电池68光电池在动力方面的应用（续）光电池在动力方面的应用（续）太阳能发电屋顶并网发电太阳能路灯交通信号灯第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电池光电池69光电池在动力方面的应用（

44、续）光电池在动力方面的应用（续）光电池在人造卫星上的应用第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电池光电池硅太阳能电池o 硅太阳能电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电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。池、非晶硅太阳能电池。o 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%,而而规模生产的单晶硅太阳能电池规模生产的单晶硅太阳能电池, ,其效率为其效率为15%15%。o 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, ,但是由于它存在着但是由于它存在着较多的晶粒间界而有较多的弱点。多晶

45、硅太阳能电池的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实验室最高转换效率为18%,18%,工业规模生产的转换效率为工业规模生产的转换效率为10%10%。第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电池光电池非晶硅太阳能电池o 非晶硅薄膜太阳能电池组件的制造采用薄膜工艺非晶硅薄膜太阳能电池组件的制造采用薄膜工艺, 具具有较多的优点有较多的优点,例如例如:沉积温度低、衬底材料价格较低沉积温度低、衬底材料价格较低廉廉,能够实现大面积沉积。能够实现大面积沉积。 o 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,是单晶硅的是单晶硅的40倍倍,1微米厚的非

46、晶硅薄膜微米厚的非晶硅薄膜,可以吸引大约可以吸引大约90%有用的有用的太阳光能。太阳光能。o 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, 从而影响了它的迅从而影响了它的迅速发展速发展。 第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电池光电池化合物太阳能电池 o 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。o 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电电池、池、GaSb电池等电池等;o 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。o 在三五族化合物太阳能电池

47、中在三五族化合物太阳能电池中,GaAs电池的转电池的转换效率最高换效率最高,可达可达28%;第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电池光电池GaAs 化合物太阳能电池化合物太阳能电池o 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 不是稀不是稀有元素有元素,有毒。有毒。o GaAs化合物材料尤其适用于制造高效电池和多结化合物材料尤其适用于制造高效电池和多结电池电池,这是由于这是由于GaAs具有十分理想的光学带隙以及具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率。较高的吸收效率。 o 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

48、是GaAs材料的价格不菲材料的价格不菲,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电池的普及。电池的普及。 第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电池光电池太阳能o 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；可在用电处就近发电；能源质量高；使用者制；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。从感情上容易接受；获取能源花费的时间短。o 要使太阳能发电真正达到实用水平，一是要提高太阳能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

49、能发电同现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。在的电网联网。第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电池光电池光电倍增管光电倍增管o 基本概念；基本概念；o 光电倍增管组成及工作原理；光电倍增管组成及工作原理；o 光电倍增管具体结构光电倍增管具体结构第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电倍增管光电倍增管1、基本概念：光电发射和二次电子发射、基本概念：光电发射和二次电子发射o 光电发射及其基本定律；光电发射及其基本定律；(光电发射第一、光电发射第一、二定律二定律)o 二次电子发射；二次电子发射；o 光电管光电管第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -

50、光电倍增管光电倍增管二次电子发射二次电子发射o当用具有一定能量或速度的电子（或离子等其他粒子）轰击金属等物质时,也会引起电子从这些物体中发射出来,这种物理现象称为二次电子发射。被发射出的电子叫做二次电子,而引起二次电子出现的入射粒子叫做原粒子。o如果在真空中用电子轰击金属表面,那么会发现从金属上发射出的反电流（二次电子）。在一次电子能量足够大的情况下,与一次电子到达这一表面的同时,从被轰击面上发出的二次电子数可以达到一个相当大的数值。o对于相同的二次电子阴极材料和相同的一次电子能量,二次电子数和一次电子数成正比。=n2/n1，式中，为二次电子发射系数。它表示一个一次电子所产生的二次电子数。二次

51、发射系数取决于一次电子的能量。随着一次电子能量增大,很快上升。在一次电子的能量约为400800eV时达到极大值。继续增加一次电子的能量,则发生了的下降。在一次电子的能量很大时,重新降为较小的数值。金属的发射系数极大值不大，大约在11.4的范围内。第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电倍增管光电倍增管2、光电倍增管、光电倍增管(PMT)o利用利用外光电效应外光电效应和和二次电子发射二次电子发射相结相结合即合即 把微弱的光输入转化为光电子，把微弱的光输入转化为光电子，并使光电子并使光电子获得倍增获得倍增的一种光电探测的一种光电探测器件。器件。第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光

52、电倍增管光电倍增管光电倍增管优缺点光电倍增管优缺点o 放大倍数很高，用于探测微弱信号；放大倍数很高，用于探测微弱信号；o 光电特性的线性关系好光电特性的线性关系好 ；o 工作频率高工作频率高 ；o 性能稳定，使用方便性能稳定，使用方便 ；o 供电电压高；供电电压高；o 玻璃外壳，抗震性差；玻璃外壳，抗震性差；o 价格昂贵，体积大；价格昂贵，体积大；第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电倍增管光电倍增管光电倍增管组成及工作原理光电倍增管组成及工作原理o 光电倍增管组成光电倍增管组成o 光窗（光窗（Input window ) o 光电阴极光电阴极(Photo cathode)o 电子光

53、学系统电子光学系统o 电子倍增系统电子倍增系统(Dynodes)o 阳极阳极(Anode)第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电倍增管光电倍增管第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电倍增管光电倍增管o 光电倍增管的窗材料通常由硼硅玻璃、透紫玻璃（UV玻璃）、合成石英玻璃和氟化镁（或镁氟化物）玻璃制成。硼硅玻璃窗材料可以透过近红外至300nm的可见入射光，而其它3种玻璃材料则可用于对紫外区不可见光的探测。 第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电倍增管光电倍增管光电倍增管组成光电倍增管组成第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电倍增管光电倍增管（1）光电倍增管

54、工作原理）光电倍增管工作原理o 光电倍增管（光电倍增管（PMT）是利用外光电效应制）是利用外光电效应制成的一种光电探测器件。其光电转换分为成的一种光电探测器件。其光电转换分为光光电发射电发射和和电子倍增电子倍增两个过程。其工作原理如两个过程。其工作原理如下图示。下图示。、第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电倍增管光电倍增管（2）光电倍增管工作原理）光电倍增管工作原理 原理图原理图K1D2D3D4DA第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电倍增管光电倍增管（3）光电倍增管工作过程）光电倍增管工作过程第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电倍增管光电倍增管（4）供电原理

55、图）供电原理图o 原理图原理图KA1D2D3DnD1R2R3RnR1nRLR第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电倍增管光电倍增管三、光电倍增管具体结构三、光电倍增管具体结构1、光电阴极、光电阴极(Photo cathode) 把光电发射体镀在金属或透明把光电发射体镀在金属或透明材料（玻璃或石英玻璃）上就制成了光材料（玻璃或石英玻璃）上就制成了光电阴极。电阴极。 第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电倍增管光电倍增管（1）结构）结构第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电倍增管光电倍增管（2）常用材料）常用材料：o Ag-O-Cs：近红外唯一具有使用价值的阴极材：近

56、红外唯一具有使用价值的阴极材料；料；o CsSb：可见、紫外区有较高的响应率：可见、紫外区有较高的响应率;o 多碱光电阴极多碱光电阴极（双、三、四（双、三、四碱）；碱）；第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电倍增管光电倍增管2、电子光学系统、电子光学系统 是指是指光电阴极光电阴极至至第一倍增极之第一倍增极之间间的区域。的区域。 电子光学系统在结构上主要由电子光学系统在结构上主要由聚焦电极聚焦电极和和偏转电极偏转电极组成组成第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电倍增管光电倍增管对电子光学系统要求对电子光学系统要求o 要求：要求：（1）使光电阴极发射的光电子）使光电阴极发射的光

57、电子尽可能多的会聚到第一倍增极尽可能多的会聚到第一倍增极的有效区域内；的有效区域内；（2）光电阴极各部分发射的）光电阴极各部分发射的光电子到达第一倍增极所经历的光电子到达第一倍增极所经历的时间尽可能一致。时间尽可能一致。第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电倍增管光电倍增管3、倍增系统（、倍增系统（Dynodes ）o倍增系统：是指由各倍增极构成的综合倍增系统：是指由各倍增极构成的综合系统，各倍增极都是由系统，各倍增极都是由二次电子发射体二次电子发射体构成。构成。o要求：要求：二次电子发射系数要大二次电子发射系数要大 o 倍增极分类倍增极分类： 非聚焦型非聚焦型只加速只加速 聚聚 焦

58、焦 型型加速聚焦加速聚焦 第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电倍增管光电倍增管各种倍增极的结构形式各种倍增极的结构形式 a) 百叶窗式百叶窗式 b) 盒栅式盒栅式 c) 直瓦片式直瓦片式 d) 圆瓦片式圆瓦片式第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电倍增管光电倍增管4、阳极、阳极o 阳极是采用金属网作的栅网状结构，把它置于阳极是采用金属网作的栅网状结构，把它置于靠近最末一级倍增极附近，用来收集最末一级靠近最末一级倍增极附近，用来收集最末一级倍增极发射出来的电子。倍增极发射出来的电子。o 阳极结构示意图阳极结构示意图 一次电子栅网状阳极二次电子第三章第三章 光电检测技术光电检

59、测技术- -光电倍增管光电倍增管o要求：要求： 接收性能良好，尽可能多的收集电子，工接收性能良好，尽可能多的收集电子，工作在较大电流时，不至于产生作在较大电流时，不至于产生空间电荷效应。空间电荷效应。 输出电容要小输出电容要小第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电倍增管光电倍增管光敏二极管结构光敏二极管结构o 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，属于结，属于单向导电性的非线性元件。外形不同之处是在光单向导电性的非线性元件。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。照射，

60、实现光电转换。o 为了获得尽可能大的光生电流，需要较大的工作为了获得尽可能大的光生电流，需要较大的工作面，即面，即PN结面积比普通二极管大得多，以扩散层结面积比普通二极管大得多，以扩散层作为它的受光面。作为它的受光面。o 为了提高光电转换能力，为了提高光电转换能力，PN结的深度较普通二极结的深度较普通二极管浅。管浅。第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电二极管光电二极管光电二极管（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 第三章第三章 光电检测技术光电检测技术- -光电二极管光电二极管外加反向偏压外加反向偏压o 可以不加偏压，与光