第三章 光电检测

1、第三章第三章 半导体光电检测器件及应用半导体光电检测器件及应用第三章第三章 半导体光电检测器件及应用半导体光电检测器件及应用 光敏电阻光敏电阻 光生伏特器件光生伏特器件-光电池光电池 光电二极管与光电三极管光电二极管与光电三极管 光热辐射检测器件光热辐射检测器件 各种光电检测器件的性能比较各种光电检测器件的性能比较3光电器件的分类 一、按工作波段分一、按工作波段分 紫外光探测器紫外光探测器 可见光探测器可见光探测器 红外光探测器红外光探测器 二、按应用分二、按应用分 换能器换能器 将光信息（光能）转换成电信息（电能）将光信息（光能）转换成电信息（电能） 非成像型非成像型 光信息转换成电信息光信

2、息转换成电信息 探测器探测器 变像管变像管 成像型成像型 像增强器像增强器 摄像管摄像管 真空摄像管真空摄像管 固体成像器件固体成像器件CCD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3-1 3-1 光敏电阻光敏电阻 在光的照射下材料的电阻率发生改变的现象称为内光电效应。半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对，使其导电性能增强，光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象，也称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。6一、光敏电阻的工

3、作原理及结构一、光敏电阻的工作原理及结构光敏电阻符号IpIp金属金属电极电极光电导材料光电导材料入射光入射光Ubb当入射光子使半导体物质中的电子由当入射光子使半导体物质中的电子由价带跃升到导带时，导带中的电子和价带跃升到导带时，导带中的电子和价带中的空穴均参与导电，因此电阻价带中的空穴均参与导电，因此电阻显著减小，电导增加，或连接电源和显著减小，电导增加，或连接电源和负载电阻，可输出电信号，此时可得负载电阻，可输出电信号，此时可得出光电导出光电导g与光电流与光电流I光光的表达式为的表达式为：g=gL-gdI光=IL-Id光敏电阻光敏电阻7光敏电阻阻值对光照特别敏感，是一种典型的利用光电导效应制

4、成的光电探测器件。光敏电阻按半导体材料的不同可分为本征型和杂质型两种，本征型半导体光敏电阻常 用于可见光长波段检测，杂质型常用于红外波段至远红外波段光辐射的检测。对于本征型，可用来检测可见光和近红外辐射对于非本征型可以检测波长很长的辐射光敏电阻光敏电阻8光敏电阻设计的基本原则光敏电阻设计的基本原则：光敏电阻在弱光辐射下光光敏电阻在弱光辐射下光电导灵敏度电导灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距离与光敏电阻两电极间距离l的平方成反比的平方成反比 ，在强辐射作用下在强辐射作用下Sg与与l的二分之三次方成反比，的二分之三次方成反比，因此在设计因此在设计光敏电阻时，尽可能地缩短光敏电阻两极间距离光敏电阻时，尽

5、可能地缩短光敏电阻两极间距离。光敏电阻的基本结构光敏电阻的基本结构Ipl金属电金属电极极光电导材料光电导材料入射光入射光Ubb减小距离减小距离l，提高提高灵敏度灵敏度光敏电阻光敏电阻9光敏电阻光敏电阻10组成：它由一块涂在绝缘基底上的组成：它由一块涂在绝缘基底上的光电导材料薄膜和两端接有两个引光电导材料薄膜和两端接有两个引线，封装在带有窗口的金属或塑料线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。电极和光电导体之间呈欧外壳内。电极和光电导体之间呈欧姆接触。姆接触。光敏电阻在电路中的符号光敏电阻在电路中的符号光敏电阻的基本结构光敏电阻的基本结构光敏电阻光敏电阻11梳状式梳状式 玻璃基底上蒸镀梳状金属膜而

6、制成；或在玻璃玻璃基底上蒸镀梳状金属膜而制成；或在玻璃基底上面蚀刻成互相交叉的梳状槽，在槽内填入基底上面蚀刻成互相交叉的梳状槽，在槽内填入黄金黄金或或石墨石墨等导电物质，在表面再敷上一层光敏等导电物质，在表面再敷上一层光敏材料。如图所示。材料。如图所示。绝缘基底绝缘基底光电导体膜光电导体膜光敏电阻光敏电阻12刻线式刻线式在玻璃基片上镀制一层薄的金属箔，将其刻划成栅在玻璃基片上镀制一层薄的金属箔，将其刻划成栅状槽，然后在槽内填入光敏电阻材料层后制成。其状槽，然后在槽内填入光敏电阻材料层后制成。其结构如下图所示。结构如下图所示。涂膜式涂膜式在玻璃基片上直接涂上光敏材料膜后而制成。其结在玻璃基片上直

7、接涂上光敏材料膜后而制成。其结构下图。构下图。光敏电阻光敏电阻13二、光敏电阻的特性参数二、光敏电阻的特性参数1 1、光电特性、光电特性对CdS光电导体，弱光照射下=1，强光下=0.5；为什么？ 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）流呈饱和趋势。（冷却可以改善）光敏电阻的光电特性是指在一定电压作用下流过光敏电阻的电流与作用到光敏电阻上的光通量（光照度）的关系。OI光ECdS的

8、光电特性光敏电阻光敏电阻142 2、伏安特性（输出特性）、伏安特性（输出特性）在一定的光照下，光电流在一定的光照下，光电流 I光光与所加电压与所加电压的关系的关系50100510)(VV0ELx10Lx100Lx1000)(mAI0允许功耗限一定的光照下，一定的光照下，光光与电压与电压的关系的关系; 相同的电压下，相同的电压下，光光与光照与光照的关系的关系光敏电阻光敏电阻15 说明：说明：（1) 光敏电阻为纯电阻，符合欧姆定律，对多数半导体，当光敏电阻为纯电阻，符合欧姆定律，对多数半导体，当 电场强度电场强度超过超过104伏特伏特/厘米厘米 （强光时），（强光时），不遵守欧姆不遵守欧姆 定律定

9、律。硫化镉例外，其伏安特性在硫化镉例外，其伏安特性在100多伏多伏/厘米就不成线性了。厘米就不成线性了。（2）光照使光敏电阻发热，使得在额定功耗内工作，其最）光照使光敏电阻发热，使得在额定功耗内工作，其最高使用电压由其耗散功率所决定，而功耗功率又和其高使用电压由其耗散功率所决定，而功耗功率又和其面积面积大小、大小、散热散热情况有关。情况有关。（3）伏安特性曲线和负载线的交点即为光敏电阻的工作点。）伏安特性曲线和负载线的交点即为光敏电阻的工作点。 光敏电阻光敏电阻16光敏电阻为多数载流子导电的光电器件，具有复杂光敏电阻为多数载流子导电的光电器件，具有复杂的温度特性。不同材料的光敏电阻温度特性不同

10、。的温度特性。不同材料的光敏电阻温度特性不同。温度升高可以导致材料光电导率的下降。温度升高可以导致材料光电导率的下降。实际中往往采用控制光敏电阻工作的温度的办法提高工作稳定性。实际中往往采用控制光敏电阻工作的温度的办法提高工作稳定性。CdS和和CdSe光敏电阻不同光敏电阻不同照度下的温度特性曲线照度下的温度特性曲线20406080100T501001502000I光电流随温度的变化光电流随温度的变化3 3、温度特性、温度特性光敏电阻光敏电阻174 4、前历效应、前历效应指光敏电阻的时间特性与工作前指光敏电阻的时间特性与工作前“历史历史”有关的一种现象。即有关的一种现象。即测试前光敏电阻所处状态

11、对光敏电阻特性的影响。测试前光敏电阻所处状态对光敏电阻特性的影响。 暗态前历效应：暗态前历效应：指光敏电阻测试或工作前处于暗态，当它突然指光敏电阻测试或工作前处于暗态，当它突然受到光照后光电流上升的快慢程度。一般地，受到光照后光电流上升的快慢程度。一般地，工作电压工作电压越低，越低，光照度光照度越低，则暗态前历效应就越重，光电流上升越慢。越低，则暗态前历效应就越重，光电流上升越慢。 1-黑暗放置黑暗放置3分钟后分钟后 2-黑暗放置黑暗放置60分钟后分钟后 3-黑暗放置黑暗放置24小时后小时后光敏电阻光敏电阻18 亮态前历效应亮态前历效应：光敏电阻测试或工作前已处于亮态，当照：光敏电阻测试或工作

12、前已处于亮态，当照度与工作时所要达到的照度不同时，所出现的一种滞后现象。度与工作时所要达到的照度不同时，所出现的一种滞后现象。光敏电阻光敏电阻195 5、频率特性、频率特性光敏电阻的时间常数较大，所以其上限频率光敏电阻的时间常数较大，所以其上限频率f f上低，只有上低，只有PbSPbS光敏电阻的工作频率特性达到几千赫兹。光敏电阻的工作频率特性达到几千赫兹。同时，时间特性与输入光的照度、同时，时间特性与输入光的照度、工作温度有明显的依赖关系。工作温度有明显的依赖关系。4123O1f/Hz相对输出相对输出0.41051010.20.60.81021031041-Se；2-CdS；3-TiS；4-P

13、bS光照度光照度E (lx)光敏电阻光敏电阻tr0.111.4 s1066 mS1006 mS光敏电阻光敏电阻206 6、时间响应、时间响应光敏电阻的时间常数较大，惯光敏电阻的时间常数较大，惯性大，时间响应比其它光电器性大，时间响应比其它光电器件差。频率响应低。件差。频率响应低。时间特性与时间特性与光照度光照度、工作温度工作温度有明显的依赖关系。有明显的依赖关系。ErftOi(%)tO1006337rf矩形光矩形光脉冲脉冲10lx100lx光敏电阻光敏电阻217 7、光谱特性、光谱特性相对灵敏度与波长的关系相对灵敏度与波长的关系 光谱特性曲线覆盖了整个可见光区，峰值波长在光谱特性曲线覆盖了整个

14、可见光区，峰值波长在515600nm之之间。尤其硫化镉（间。尤其硫化镉（2）的峰值波长与人眼的很敏感的峰值波长（）的峰值波长与人眼的很敏感的峰值波长（555 nm）是很接近的，因此可用于与人眼有关的仪器）是很接近的，因此可用于与人眼有关的仪器,例如例如照相机照相机、照度计照度计、光度计光度计等。等。 。可见光区光敏电阻的光谱特性可见光区光敏电阻的光谱特性光敏电阻光敏电阻22红外区光敏电阻的光谱特性红外区光敏电阻的光谱特性注明：此特性与所用材料的光谱响应、制造工艺、掺杂浓注明：此特性与所用材料的光谱响应、制造工艺、掺杂浓度和使用的环境温度有关。度和使用的环境温度有关。光敏电阻光敏电阻23四、光敏

15、电阻的特点及应用四、光敏电阻的特点及应用1、优点、优点2、不足、不足 强光下光电转换线性差强光下光电转换线性差 光电导弛豫时间长光电导弛豫时间长 受温度影响大受温度影响大 由伏安特性知，设计负载时，应考虑额定功耗由伏安特性知，设计负载时，应考虑额定功耗 进行动态设计时，应考虑光敏电阻的前历效应进行动态设计时，应考虑光敏电阻的前历效应 灵敏度高，光电导增益大于灵敏度高，光电导增益大于1，工作电流大，无极性之分；，工作电流大，无极性之分； 光谱响应范围宽，尤其对红外有较高的灵敏度；光谱响应范围宽，尤其对红外有较高的灵敏度； 所测光强范围宽，可测强光、弱光；所测光强范围宽，可测强光、弱光；光敏电阻光

16、敏电阻24作用与应用作用与应用：广泛应用于各种自动控制电路（如自动照明广泛应用于各种自动控制电路（如自动照明灯控制电路、自动报警电路等）、家用电器（如电视机中的灯控制电路、自动报警电路等）、家用电器（如电视机中的亮度自动调节，照相机的自动曝光控制等）及各种测量仪器亮度自动调节，照相机的自动曝光控制等）及各种测量仪器中。中。光敏电阻器种类：光敏电阻器种类： 1）按制作材料分类：多晶和单晶光敏电阻器，还可分为）按制作材料分类：多晶和单晶光敏电阻器，还可分为硫化硫化镉镉（CdS）、）、硒化镉硒化镉(CdSe) 、硫化铅硫化铅(PbS)、硒化铅硒化铅(PbSe)、锑锑化铟化铟(InSb) 光敏电阻器等

17、。光敏电阻器等。2）按光谱特性分类：）按光谱特性分类： 可见光光敏电阻器可见光光敏电阻器：主要用于各种光电自动控制系统、电子：主要用于各种光电自动控制系统、电子照相机、光报警等地。照相机、光报警等地。 紫外光光敏电阻器紫外光光敏电阻器：主要用于紫外线探测仪器。：主要用于紫外线探测仪器。 红外光光敏电阻器红外光光敏电阻器：主要用于天文、军事等领域的有关自动：主要用于天文、军事等领域的有关自动控制系统。控制系统。光敏电阻光敏电阻25光敏电阻器的主要参数光敏电阻器的主要参数1）亮电阻（亮电阻（k）：指光敏电阻器受到光照射时的电阻值。：指光敏电阻器受到光照射时的电阻值。2）暗电阻暗电阻(M)：指光敏电

18、阻器在无光照射（黑暗环境）时：指光敏电阻器在无光照射（黑暗环境）时的电阻值。的电阻值。3）最高工作电压最高工作电压(V)：指光敏电阻器在额定功率下所允许承：指光敏电阻器在额定功率下所允许承受的最高电压受的最高电压4）亮电流亮电流：指光敏电阻器在规定的外加电压下受到光照射时：指光敏电阻器在规定的外加电压下受到光照射时所通过的电流。所通过的电流。5）暗电流暗电流(mA)：指在无光照射时，光敏电阻器在规定的外：指在无光照射时，光敏电阻器在规定的外加电压下通过的电流。加电压下通过的电流。6）时间常数（时间常数（s）：指光敏电阻器从光照跃变开始到稳定亮：指光敏电阻器从光照跃变开始到稳定亮电流的电流的63

19、时所需的时间。时所需的时间。7）电阻温度系数电阻温度系数：指光敏电阻器在环境温度改变：指光敏电阻器在环境温度改变1时，其时，其电阻值的相对变化。电阻值的相对变化。8）灵敏度灵敏度：指光敏电阻器在有光照射和无光照射时电阻值的：指光敏电阻器在有光照射和无光照射时电阻值的相对变化。相对变化。光敏电阻光敏电阻26光敏电阻使用的注意事项光敏电阻使用的注意事项测光的测光的光源光谱特性光源光谱特性与与光敏电阻的光敏特性光敏电阻的光敏特性相匹配。相匹配。要防止光敏电阻受要防止光敏电阻受杂散光杂散光的影响。的影响。要防止使光敏电阻的电参数要防止使光敏电阻的电参数(电压电压,功耗功耗)超过允许值。超过允许值。根据

20、不同用途，选用不同特性的光敏电阻。根据不同用途，选用不同特性的光敏电阻。数字信息传输数字信息传输:亮电阻与暗电阻差别大，光照指数亮电阻与暗电阻差别大，光照指数大的大的 光敏电阻光敏电阻。模拟信息传输模拟信息传输:则以选用则以选用值小、线性特性好的光敏电阻。值小、线性特性好的光敏电阻。光敏电阻光敏电阻27如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中A为发光仪器，为发光仪器，B为水为水平传送带，由电动机带动做匀速直线运动。平传送带，由电动机带动做匀速直线运动。R1为光敏电阻，为光敏电阻，R2为定值为定值电阻，电阻，R1、R2串联在电路中，电源电压保持不变每当

21、传送带上有易串联在电路中，电源电压保持不变每当传送带上有易拉罐挡住由拉罐挡住由A射向射向R1的光线时，的光线时，R1的电阻值就增大，计数器就计数一的电阻值就增大，计数器就计数一次。则：（次。则：（1）当传送带上有易拉罐挡住由）当传送带上有易拉罐挡住由A射向射向R1的光线时，定值电的光线时，定值电阻阻R2两端的电压将两端的电压将_。（填。（填“变大变大”、“变小变小”或或“不变不变”）（2）已知相邻的两个易拉罐中心之）已知相邻的两个易拉罐中心之间的距离均为间的距离均为20cm，若计数器从易拉，若计数器从易拉罐第一次挡住光线开始计时，到恰好罐第一次挡住光线开始计时，到恰好计数计数101次共用时间次

22、共用时间40s，则传送带的，则传送带的速度为多少速度为多少m/s？光敏电阻光敏电阻28答案：答案：（1）由题意可知，当传送带上有易拉罐挡住由）由题意可知，当传送带上有易拉罐挡住由A射向射向R1的光的光线时，线时，R1的电阻值就增大，由于的电阻值就增大，由于R1、R2是串联在电路中的，是串联在电路中的，当当R1电阻值增大，电阻值增大，R1分得的电压就增大，分得的电压就增大，R2两端的电压将变两端的电压将变小；小；（2）由）由vs/t(101-1)0.2m/40s0.5m/s。光敏电阻光敏电阻29光敏电阻适于作为光敏电阻适于作为 ( )( ) A、光的测量元件、光的测量元件B、光电导开关元件、光电

23、导开关元件C、加热元件、加热元件D、发光元件、发光元件B光敏电阻的性能好、灵敏度高，是指给定电压下光敏电阻的性能好、灵敏度高，是指给定电压下( ) ( ) A、暗电阻大、暗电阻大B、亮电阻大、亮电阻大C、暗电阻与亮电阻差值大、暗电阻与亮电阻差值大D、暗电阻与亮电阻差值小、暗电阻与亮电阻差值小C光敏电阻光敏电阻3-2 3-2 光生伏特器件光生伏特器件光生伏特器件光生伏特器件:利用半导体利用半导体PNPN结光生伏特效应制成的器件，也结光生伏特效应制成的器件，也称结型光电器件。称结型光电器件。光生伏特效应光生伏特效应是光生伏特效应是是光生伏特效应是少数载流子少数载流子导电的光电效应，导电的光电效应，

24、在性能上与光敏电阻有很大差异。在性能上与光敏电阻有很大差异。光生伏特器件特点光生伏特器件特点：暗电流小、噪声低、响应速度快、：暗电流小、噪声低、响应速度快、 光电特光电特性的线性好、受温度的影响小等。性的线性好、受温度的影响小等。光生伏特器件的种类光生伏特器件的种类:硅光电池、光电二极管、硅光电池、光电二极管、PIN型光电二型光电二极管、极管、 雪崩光电二极管、光电三极管雪崩光电二极管、光电三极管具有光生伏特效应的半导体材料有很多，例如硅具有光生伏特效应的半导体材料有很多，例如硅(Si)(Si)、锗、锗(Ge)(Ge)、硒硒(Se)(Se)、砷化镓、砷化镓(GaAs)(GaAs)等。其中硅器件

25、具有制造工艺简单、成等。其中硅器件具有制造工艺简单、成本低等特点成为目前应用最广泛的光生伏特器件。本低等特点成为目前应用最广泛的光生伏特器件。 31结型光电器件与光电导器件的区别：结型光电器件与光电导器件的区别：（1 1）产生光电变换的部位不同）产生光电变换的部位不同（2 2）光敏电阻无极性，结型光电器件有确定的正负极。）光敏电阻无极性，结型光电器件有确定的正负极。（3 3）光敏电阻驰豫时间较大，结型器件驰豫时间相应）光敏电阻驰豫时间较大，结型器件驰豫时间相应较小，因此响应速度较快较小，因此响应速度较快（4 4）有些结型光电器件灵敏较高，可以通过较大的电）有些结型光电器件灵敏较高，可以通过较大

26、的电流流32一、光生伏特器件的基本工作原理一、光生伏特器件的基本工作原理1、 PN结电流方程结电流方程1)1)、在、在热平衡条件热平衡条件下，由于下，由于PNPN结中结中漂移电流漂移电流等于等于扩散电流扩散电流，净电流为零净电流为零。2) 2) 、有外加电压有外加电压时结内平衡被破坏，这时流过时结内平衡被破坏，这时流过PNPN结的结的电流方为：电流方为：qUKTDDII eI扩散电子扩散电子N型区型区P型区型区耗尽区耗尽区PN结结势垒（电场势垒（电场）LRIU33qUKTDDII eI 代表代表正向电流正向电流，方向从，方向从P P端经过端经过PNPN结指向结指向N N端，它与端，它与外电压有

27、关，外电压有关， 时它将迅速增大；时它将迅速增大； 时等于零，即平衡时等于零，即平衡状态，状态， 时它趋向于零。时它趋向于零。qUKTDI e0U 0U 0U 第二项第二项 代表代表反向饱和电流反向饱和电流，它的方向与正向电流方向相反，它的方向与正向电流方向相反，它随反向偏压的增大而增大，渐渐趋向饱和值，故称反向饱它随反向偏压的增大而增大，渐渐趋向饱和值，故称反向饱和电流，也是温度的函数，即随温度升高有所增大。和电流，也是温度的函数，即随温度升高有所增大。DILRIU343)、在在光照条件光照条件下，形成的光生电流下，形成的光生电流Ip ,它与光照有关，其方它与光照有关，其方向与向与PNPN结

28、反向饱和电流相同。结反向饱和电流相同。(1)qUKTLpDpIIIIeI此时，流过此时，流过PN结的电流方程为：结的电流方程为：35这时这时PN结光电器件的短路电流结光电器件的短路电流ISC 与照度或光通量成正比，从与照度或光通量成正比，从而得到最大线性区，这在线性测量中被广泛应用。而得到最大线性区，这在线性测量中被广泛应用。scpIIISE 当负载电阻短路，当负载电阻短路，RL=0， U=0 ，流过器件的电流叫短路，流过器件的电流叫短路电流，用电流，用I ISCSC表示表示。(1)qUKTLpDpIIIIeI当负载电阻断开（当负载电阻断开（IL=0）时，）时，P端对端对N端的电压称为端的电压

29、称为开路电开路电压压，用，用UOC表示表示 OCln(1)pDIKTUqI光照条件下，流过光照条件下，流过PN结的电流方程：结的电流方程：36如果工作在如果工作在零偏置的开路零偏置的开路状态，状态，PNPN结光电器件产生光生伏特效应，这结光电器件产生光生伏特效应，这种工作原理称种工作原理称光伏工作模式光伏工作模式。2、PN结两种工作模式结两种工作模式如果工作在如果工作在反偏置反偏置状态，无光照时电阻很大，电流很小；有光照时，状态，无光照时电阻很大，电流很小；有光照时，电阻变小，电流就变大，而且流过它的光电流随照度变化而变化，电阻变小，电流就变大，而且流过它的光电流随照度变化而变化，这种工作原理

30、称这种工作原理称光电导工作模式光电导工作模式。光电池光电池光电二极管光电二极管普通二极管普通二极管37二、硅光电池二、硅光电池光电池是一种不需加偏压就能把光能光电池是一种不需加偏压就能把光能直接转换成电能的直接转换成电能的PNPN结光电器件。结光电器件。按光电池的用途可分为两类：按光电池的用途可分为两类：p太阳能光电池太阳能光电池p测量光电池测量光电池光电池的基本结构就是一个光电池的基本结构就是一个PNPN结，根据制作结，根据制作PNPN结的材料不同，结的材料不同，目前有目前有硒光电池硒光电池、硅光电池硅光电池、砷化镓光电池砷化镓光电池、锗光电池锗光电池。38 1、硅光电池的基本结构、硅光电池

31、的基本结构硅光电池按衬底材料的不同可分为硅光电池按衬底材料的不同可分为2DR2DR型和型和2CR2CR型。型。2DR2DR型硅光电型硅光电池是以池是以p p型硅为衬底型硅为衬底( (即在本征型硅材料中掺入三价元素硼或镓即在本征型硅材料中掺入三价元素硼或镓等等) )，然后在衬底上扩散磷而形成，然后在衬底上扩散磷而形成n n型层并将其作为受光面。构型层并将其作为受光面。构成成p-np-n结后，再经过各种工艺处理，分别在衬底和光敏面上制作结后，再经过各种工艺处理，分别在衬底和光敏面上制作输出电极，涂上二氧化硅做保护膜，即成光电池。输出电极，涂上二氧化硅做保护膜，即成光电池。 392、硅光电池的工作原

32、理、硅光电池的工作原理硅光电池的工作原理是光照中硅光电池的工作原理是光照中PNPN结开路状态时的物理过程，结开路状态时的物理过程，它的主要功能是在不加偏置电压情况下将光信号转换成电它的主要功能是在不加偏置电压情况下将光信号转换成电信号。信号。 LLqkTLPDqPDRkT(e1)(e1)UIIIIII硅光电池的电流方程为硅光电池的电流方程为40 3、硅光电池的输出功率、硅光电池的输出功率负载获得的功率为负载获得的功率为 2LLLPI R功率与负载电阻的阻值有关，当功率与负载电阻的阻值有关，当 （电路为短路）时，输（电路为短路）时，输出功率出功率 ；当；当 （电路为开路）时，（电路为开路）时，

33、，输出功，输出功率率 ； 时，输出功率时，输出功率 。0LP LR 0LI 0LP 0LR 0LP 0LR 当负载电阻为最佳负载电阻时，输出电压当负载电阻为最佳负载电阻时，输出电压 (0.6 0.7)mocUUU此时，输出电流此时，输出电流 mPIIISE得到硅光电池的最佳负载电阻为得到硅光电池的最佳负载电阻为 (0.6 0.7)mocoptmIUURISE负载电阻所获得的最大功率为负载电阻所获得的最大功率为 (0.6 0.7)mmmocpPI UU I41 4、硅光电池的特性参数、硅光电池的特性参数（1 1）伏安特性）伏安特性 pIISE硅光电池的伏安特性，表示输出电流和电压随负硅光电池的伏

34、安特性，表示输出电流和电压随负载电阻变化的曲线。伏安特性曲线是在某一光照载电阻变化的曲线。伏安特性曲线是在某一光照下，取不同的负载电阻所测得的输出电流和电压下，取不同的负载电阻所测得的输出电流和电压画成的曲线。画成的曲线。42（2 2）光照特性）光照特性 开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线；开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线；短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线(a) 硅光电池(b)硒光电池L/klx L/klx 5432100.10.20.30.40.5246810开路电压Uoc /V0.10.20.30.4 0.50.30.1

35、012345Uoc/VIsc /mAIsc/mA开路电压短路电流短路电流43短路电流短路电流：指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的。：指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的。光电池在不同照度下，其内阻也不同，因而应选取适当的光电池在不同照度下，其内阻也不同，因而应选取适当的外接负载近似地满足外接负载近似地满足“短路短路”条件。下图表示硒光电池在条件。下图表示硒光电池在不同负载电阻时的光照特性。从图中可以看出，不同负载电阻时的光照特性。从图中可以看出，负载电阻负载电阻R RL L越小，光电流与强度的线性关系越好，且线性范围越宽越小，光电流与强度的线性关系越好，且线性范围越宽。50 024681

36、00.10.20.30.40.5I/mAL/klx 10010005000RL=044光电池的光谱特性决定于材料。光电池的光谱特性决定于材料。硒光电池硒光电池在可见光谱范围内有在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在较高的灵敏度，峰值波长在540nm附近，附近，适宜测可见光适宜测可见光。硅光硅光电池电池应用的范围应用的范围400nm1100nm，峰值波长在，峰值波长在850nm附近，因附近，因此此硅光电池可以在很宽的范围内应用硅光电池可以在很宽的范围内应用。204060801000.40.60.81.01.20.2I / %12/m1 1硒光电池硒光电池2 2硅光电池硅光电池（3 3）光谱特

37、性）光谱特性 45光电池作为测量、计数、接收元件时常用调制光输入。光电光电池作为测量、计数、接收元件时常用调制光输入。光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频率变化的关系。由池的频率响应就是指输出电流随调制光频率变化的关系。由于于光电池光电池PNPN结面积较大结面积较大，极间电容大，故，极间电容大，故频率特性较差频率特性较差。图。图示为光电池的频率响应曲线。硅光电池具有较高的频率响应示为光电池的频率响应曲线。硅光电池具有较高的频率响应; ;而硒光电池则较差。而硒光电池则较差。204060801000I / %1234512f / kHz1硒光电池2硅光电池（4 4）频率特性）频率特性 46光电

38、池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化的关光电池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化的关系。开路电压与短路电流均随温度而变化，它将关系到应用系。开路电压与短路电流均随温度而变化，它将关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响到测量或控制精度等主光电池的仪器设备的温度漂移，影响到测量或控制精度等主要指标，因此，当光电池作为测量元件时，最好能保持温度要指标，因此，当光电池作为测量元件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补偿措施。恒定，或采取温度补偿措施。2004060904060UOC/ mVT / CISCUOCISC / A600400200UOC开路电压ISC 短路电流硅光电池在1

39、000lx照度下的温度特性曲线（5 5）温度特性）温度特性 47三、硅光电二极管三、硅光电二极管光电二极管通常在反偏置条件下光电二极管通常在反偏置条件下工作，即光电导工作模式。优点工作，即光电导工作模式。优点是可以减小光生载流子渡越时间是可以减小光生载流子渡越时间及结电容，可获得较宽的线性输及结电容，可获得较宽的线性输出和较高的响应频率。出和较高的响应频率。制作光电二极管的材料很多，有硅、锗、砷化镓、碲制作光电二极管的材料很多，有硅、锗、砷化镓、碲化铅等，在化铅等，在可见光区可见光区应用最多的是应用最多的是硅光电二极管硅光电二极管。48 1、硅光电二极管的工作原理、硅光电二极管的工作原理硅光电

40、二极管工作在光电导工作模式。在无光照时，若给硅光电二极管工作在光电导工作模式。在无光照时，若给PNPN结结加上一个适当的反向电压，流过加上一个适当的反向电压，流过PNPN结的电流称反向饱和电流或结的电流称反向饱和电流或暗电流。暗电流。 当硅光电二极管被光照时，则当硅光电二极管被光照时，则在结区产生的光生载流子将被内在结区产生的光生载流子将被内建电场拉开，在外加电场的作用建电场拉开，在外加电场的作用下形成了以少数载流子漂移运动下形成了以少数载流子漂移运动为主的光电流。光照越强，光电为主的光电流。光照越强，光电流就越大。流就越大。49硅光电二极管可分为以硅光电二极管可分为以P P型硅为衬底的型硅为

41、衬底的2DU2DU型与以型与以N N型硅为衬底的型硅为衬底的2CU2CU型两种结构形式。型两种结构形式。50 2、硅光电二极管的电流方程、硅光电二极管的电流方程在无光照时，在无光照时，PNPN结硅光电二极管的伏安特性曲线与普通结硅光电二极管的伏安特性曲线与普通PNPN结二结二极管的特性一样，其电流方程为极管的特性一样，其电流方程为 反向偏置时，反向偏置时，I ID D和和U U均为负值均为负值且且 时的电流，称为时的电流，称为反反向电流或暗电流向电流或暗电流。 UqkT1kTqUDeII51当有光照射光电二极管时，光生电流为当有光照射光电二极管时，光生电流为 ，其方向为反，其方向为反向。向。p

42、IS光电二极管的全电流方程为光电二极管的全电流方程为 /e,(1)(1)qU kTdDIISqIeehc 式中式中为光电材料的光电转换效率，为光电材料的光电转换效率，为材料对光的吸收系为材料对光的吸收系数。数。 52 3、光电二极管的特性参数、光电二极管的特性参数 电流随光辐射的变化是线性的。电流随光辐射的变化是线性的。波长波长 的光辐射作用于光电二极管时，定义其电流灵敏的光辐射作用于光电二极管时，定义其电流灵敏度为入射到光敏面上辐射量的变化（例如通量变化度为入射到光敏面上辐射量的变化（例如通量变化dd）引起电流变化引起电流变化dI与辐射量变化之比与辐射量变化之比(1)didIqSedhc （

43、1 1）光电二极管的灵敏度）光电二极管的灵敏度 53用不同波长的光照射光电二极管时，电流灵敏度与波长的用不同波长的光照射光电二极管时，电流灵敏度与波长的关系曲线称为光谱响应。关系曲线称为光谱响应。（2 2）光谱响应）光谱响应 典型硅光电二极管光谱典型硅光电二极管光谱响应长波限为响应长波限为1.1m1.1m左左右，短波限右，短波限0.4m0.4m，峰，峰值响应波长为值响应波长为0.9m0.9m左左右。右。 54（3 3）噪声）噪声光电二极管的噪声包含低频噪声光电二极管的噪声包含低频噪声I Infnf、散粒噪声、散粒噪声I Insns和热噪声和热噪声I InTnT等等3 3种噪声。其中，散粒噪声是

44、光电二极管的主要噪声，种噪声。其中，散粒噪声是光电二极管的主要噪声，低频噪声和热噪声为其次要因素。低频噪声和热噪声为其次要因素。 fqII 22ns光电二极管的电流应包括暗电流光电二极管的电流应包括暗电流I Id d、信号电流、信号电流I Is s和背景辐和背景辐射引起的背景光电流射引起的背景光电流I Ib b，因此散粒噪声应为，因此散粒噪声应为 f)(2bSd2nsIIIqI55光电二极管的时间响应（频率响应）主要由载流子的渡越光电二极管的时间响应（频率响应）主要由载流子的渡越时间和时间和RCRC时间常数决定。时间常数决定。（4 4）时间响应）时间响应 （a a）载流子的渡越时间）载流子的渡

45、越时间 漂移时间：在漂移时间：在p-np-n结区内光生载流子渡越结区的时间结区内光生载流子渡越结区的时间 910drs扩散时间：在扩散时间：在p-np-n结外产生的光生载流子扩散到结区内所结外产生的光生载流子扩散到结区内所需要的时间需要的时间 。p影响影响PNPN结硅光电二极管时间响应的主要因素结硅光电二极管时间响应的主要因素是是PNPN结区外载流子的扩散时间结区外载流子的扩散时间 p p。扩展扩展PNPN结区结区增高反向偏置电压增高反向偏置电压改进改进结构结构：PIN APDPIN APD4、 PIN型光电二极管型光电二极管 PIN管管为了提高为了提高PNPN结硅光电二极管的时间响应，消除在

46、结硅光电二极管的时间响应，消除在PNPN结外光生载结外光生载流子的扩散运动时间，流子的扩散运动时间，常采用在常采用在P P区与区与N N区之间生成区之间生成I I型层型层，构成，构成如图（如图（a a）所示的）所示的PINPIN结构光电二极管，结构光电二极管，PINPIN结构的光电二极管与结构的光电二极管与PNPN结型的光电二极管在外形上没有什么区别，如图（结型的光电二极管在外形上没有什么区别，如图（b b）。）。结电容小结电容小渡越时间短渡越时间短灵敏度高灵敏度高特点：特点：10GHz 10-10s58结构与工作原理结构与工作原理1.本征半导体近似于介质，这就相当于增大了pn结结电容两个电极

47、之间的距离，使结电容变得很小。2.p型半导体和n型半导体中耗尽层的宽度是随反向电压增加而加宽的，随着反偏压的增大，结电容也要变得很小。3.由于i层的存在，而p区一般做得很簿，入射光子只能在i层内被吸收，而反向偏压主要集中在i区，形成高电场区，i区的光生载波子在强电场作用下加速运动，所以载流子渡越时间非常短，即使i层较厚，对渡越时间影响也不大，这样使电路时间常量减小，从而改善了光电二极管的频率响应。4. i层的引入加大了耗尽区，展宽了光电转换的有效工作区域，从而使灵敏度得以提高。5960PINPIN管时间特性管时间特性 由于耗尽层宽度小，度越时间小但量子效率将变低，决定了频率特性（带宽）与响应度

48、之间的矛盾关系。 耗尽层宽度的选取，在保证响应度的情况下，Si和Ge材料，一般为20-50m，渡越时间大于200ps；InGaAs材料，一般为3-5m，渡越时间30-50ps。61几种常见的几种常见的PINPIN比较比较62PINPIN管管应用及常用器件介绍应用及常用器件介绍 PIN及组件由于工作电压较低、性价比好，在数据通信、电信业务以及一般的应用如工业控制等领域有着广泛的应用。 国内外著名的光通信公司，如Mitel公司、AMP公司、Prilli公司、飞通光电有限公司和武汉电信器件公司等都有相应的产品。635、 雪崩光电二极管雪崩光电二极管 APD管管 PINPIN光电二极管：提高了时间响应

49、，光电二极管：提高了时间响应，器件的光器件的光电灵敏度仍然较低电灵敏度仍然较低。雪崩光电二极管：雪崩光电二极管：提高光电二极管的灵敏度提高光电二极管的灵敏度。 65雪崩倍增过程雪崩倍增过程当光电二极管的当光电二极管的pnpn结加相当结加相当大的反向偏压时，在耗尽层大的反向偏压时，在耗尽层内将产生一个很高的电场，内将产生一个很高的电场，它足以使它足以使在强电场区漂移的在强电场区漂移的光生载流子于获得充分的动光生载流子于获得充分的动能能，通过与晶格原子，通过与晶格原子碰撞将碰撞将产生新的电子空穴对产生新的电子空穴对。新的电子空穴对在强电场作用下。分别向相反的方向运动，新的电子空穴对在强电场作用下。

50、分别向相反的方向运动，在运动过程中又可能与原子在运动过程中又可能与原子碰撞再一次产生新的电子碰撞再一次产生新的电子空穴对空穴对。如此反复，形成雪崩式的载流子倍增。这个过程就是如此反复，形成雪崩式的载流子倍增。这个过程就是APDAPD的工的工作基础。作基础。APDAPD管管工作原理 雪崩光电二极管为具有雪崩光电二极管为具有内增益内增益的一种光生伏特器件。它利用光的一种光生伏特器件。它利用光生载流子在强电场内的定向运动，产生的生载流子在强电场内的定向运动，产生的雪崩效应雪崩效应获得光电流获得光电流的增益。的增益。 电离产生的载流子数远大于光激发产生的光生载流子数电离产生的载流子数远大于光激发产生的

51、光生载流子数，这时雪崩光电二极管的输出电流迅速增加，其这时雪崩光电二极管的输出电流迅速增加，其电流倍增系数电流倍增系数M定定义为义为 ：0IIM 式中，式中，I为倍增输出的电流，为倍增输出的电流，I0为倍增前输出的电流。为倍增前输出的电流。 67APDAPD管管偏压设置偏压设置 APD一般在略低于反向击穿电压值的反偏压下工作。 在无光照时，pn结不会发生雪崩倍增效应。 有光照射，激发出的光生载流于就被临界强电场加速而导致雪崩倍增。 若反向偏压大于反向击穿电压时，光电流的增益可达106，即发生“自持雪崩倍增”。由于这时出现的散粒噪声可增大到放大器的噪声水平，以致使器件无法使用。实验发现，在实验发

52、现，在略低于击穿电压略低于击穿电压时，发生雪崩倍时，发生雪崩倍增现象，增现象，MM随反向偏压随反向偏压U U的变化可用的变化可用经验公式经验公式近似表示：近似表示： nBR)/(11UUMAPD管噪声 由于雪崩光电二极管中载流子的碰撞电离是不规则的，碰撞后的由于雪崩光电二极管中载流子的碰撞电离是不规则的，碰撞后的运动方向更是随机的，所以它的运动方向更是随机的，所以它的噪声比一般光电二极管要大些噪声比一般光电二极管要大些。雪崩光电二极管的噪声可雪崩光电二极管的噪声可近似近似由下式计算：由下式计算： fqIMIn2n2式中指数式中指数n与雪崩光电二极管的材料有关。与雪崩光电二极管的材料有关。对于锗

53、管，对于锗管，n=3；对于硅管为；对于硅管为2.3n2.5。 70APDAPD管管线性区线性区 当入射光功率在1nw到几个w时，倍增电流与入射光具有较好的线性。 当入射光功率过大时，倍增系数凡反而会降低，从而引起光电流的畸变。 当入射光功率较小时，多采用APD。在入射光功率较大时，采用PIN管更为恰当。71APDAPD管管应用应用 雪崩光电二极管在光纤通信、激光测距及光纤传感等光电变换系统中得到了广泛应用。由于具有内增益，大大降低了对前置放大器的要求。但APD管需要上百伏的工作电压影响了它的推广使用。72常用的常用的APDAPD特性特性73通信用通信用PINPIN与与APDAPD比较比较74四

54、、硅光电三极管（光电晶体管）四、硅光电三极管（光电晶体管）硅光电三极管与普通晶体三极管相硅光电三极管与普通晶体三极管相似似具有具有电流放大电流放大作用，只是它的作用，只是它的集电极电流不只受基极电流控制，还集电极电流不只受基极电流控制，还受光的控制。所以硅光电三极管的外受光的控制。所以硅光电三极管的外型有光窗。管型分为型有光窗。管型分为pnppnp型和型和npnnpn型两型两种，种，npnnpn型称型称3DU3DU型硅光电三极管，型硅光电三极管，pnppnp型称为型称为3CU3CU型硅光电三极管。型硅光电三极管。 1、光电三极管的结构和工作原理、光电三极管的结构和工作原理75光电三极管的工作原

55、理分为两个过光电三极管的工作原理分为两个过程：一是光电转换；二是光电流放程：一是光电转换；二是光电流放大。光电转换部分是在集大。光电转换部分是在集- -基结区内基结区内进行，而集电极、基极、发射极构进行，而集电极、基极、发射极构成了一个有放大作用的晶体管。成了一个有放大作用的晶体管。76 2、光电三极管的基本特性、光电三极管的基本特性（1 1）伏安特性）伏安特性 在相同照度下，硅光电三极管的光电流比二极管的大得在相同照度下，硅光电三极管的光电流比二极管的大得多，一般硅光电三极管的光电流在毫安量级，硅光电二多，一般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；极管的光电流在微安

56、量级；在零偏压时硅光电二极管仍然有光电流输出，而硅光在零偏压时硅光电二极管仍然有光电流输出，而硅光电三极管没有光电流输出；电三极管没有光电流输出；当工作电压较低时输出的光电流为非线性，即光电流当工作电压较低时输出的光电流为非线性，即光电流与偏压有关，但硅光电三极管的非线性较严重；与偏压有关，但硅光电三极管的非线性较严重；在一定偏压下，硅光电三极管的伏安特性曲线在在一定偏压下，硅光电三极管的伏安特性曲线在低照度时较均匀，在高照度时曲线向上倾斜，虽低照度时较均匀，在高照度时曲线向上倾斜，虽然光电二极管也有，但硅光电三极管严重得多。然光电二极管也有，但硅光电三极管严重得多。77光电三极管的伏安特性光

57、电三极管的伏安特性 在一定偏压下，硅光电三极管的伏安特性曲线在低照度时在一定偏压下，硅光电三极管的伏安特性曲线在低照度时较均匀，在高照度时曲线向上倾斜，虽然光电二极管也有，较均匀，在高照度时曲线向上倾斜，虽然光电二极管也有，但硅光电三极管严重得多。但硅光电三极管严重得多。当工作电压较低时输出的光电流为非线性，即光电流与偏当工作电压较低时输出的光电流为非线性，即光电流与偏压有关，但硅光电三极管的非线性较严重；压有关，但硅光电三极管的非线性较严重；在零偏压时硅光电二极管仍然有光电流输出，而硅光电三在零偏压时硅光电二极管仍然有光电流输出，而硅光电三极管没有光电流输出；极管没有光电流输出；在相同照度下

58、，硅光电三极管的光电流比二极管的大得多；在相同照度下，硅光电三极管的光电流比二极管的大得多；（2）时间响应（频率特性） 光电三极管的时间响应常与光电三极管的时间响应常与PNPN结的结构及偏置电路结的结构及偏置电路等参数有关。等参数有关。光电三极管的时间响应由以下四部分组成：光电三极管的时间响应由以下四部分组成： 光生载流子对发射结电容光生载流子对发射结电容C Cbebe和集电结电容和集电结电容C Cbcbc的的充放电时间充放电时间； 光生载流子光生载流子渡越基区渡越基区所需要的时间；所需要的时间； 光生载流子被光生载流子被收集到集电极收集到集电极的时间；的时间； 输出电路输出电路的等效负载电阻

59、的等效负载电阻R RL L与等效电容与等效电容C Ccece所构成的所构成的RCRC时间；时间；总时间常数为上述四项和。比光电二极管的时间响应长。总时间常数为上述四项和。比光电二极管的时间响应长。79（3 3）温度特性）温度特性 硅光电二极管和硅光电三极管的暗电流和光电流均随温度而硅光电二极管和硅光电三极管的暗电流和光电流均随温度而变化，但硅光电三极管具有电流放大作用，所以硅光电三极变化，但硅光电三极管具有电流放大作用，所以硅光电三极管受温度的影响要大得多。由于暗电流的增加，使输出信噪管受温度的影响要大得多。由于暗电流的增加，使输出信噪比变差，不利于弱光信号的探测。比变差，不利于弱光信号的探测

60、。（4）光谱响应 光电二极管与光电三极管光电二极管与光电三极管具有相同的光谱响应具有相同的光谱响应。它的响应范围为它的响应范围为0.41.1m，峰值波长为，峰值波长为0.85m。81光电三极管与光电二极管的不同光电三极管与光电二极管的不同 在相同照度下，由于光电三极管的放大作用，使三极管的输出电流要比二极管大得多。在零偏置下，光电三级管没有电流输出，而二极管有电流输出。是在照度低时比较均匀，而随照度增加，曲线变密。这主要是光照特性的反映，这种现象二极管也有，但不如三极管严重，这是因为三极管的电流增益是信号电流的函数。工作电压低时，光电三极管的集电极电流与照度有非线性关系。这是由于电流增益与工作