第三章+光电检测器件

1、2022-4-271第三章 光电检测器件2022-4-272 光电器件的类型与特点光电器件的类型与特点 光电器件的基本特性参数光电器件的基本特性参数 半导体光电器件半导体光电器件 光电导器件光电导器件光敏电阻光敏电阻 光伏器件光伏器件 光电池光电池 光电二极管光电二极管/三极管三极管 真空光电器件真空光电器件 光电管光电管 光电倍增管光电倍增管 热电检测器件热电检测器件 热敏电阻热敏电阻 热电偶和热电堆热电偶和热电堆 热释电探测器件热释电探测器件2022-4-2733.1 光电器件的类型与特点光电器件的类型与特点 光电效应：光照射到物体表面上使物体的电学特性发生变化 光电子发射：物体受光照后向

2、外发射电子多发生于金属和金属氧化物 光电导效应：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 光生伏特效应：光照在半导体PN结或金属半导体接触上时，会在PN结或金属半导体接触的两侧产生光生电动势。2022-4-274光电检测器件的类型光电检测器件的类型 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. 光电检测器件分为两大类: 光子(光电子)检测器件:响应波长有选择性，器件都存在。，响应快，纳秒级。 热电检测器件：响应波长无选择性，响应慢。2022-4-275光电检测器件光电检测器件光子器件光子器件热电器件热电器件真空器件真空器件固体器件固体器件光电管光

3、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2022-4-276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2022-4-2773.2 3.2 器件的基本特性参数器件的基本特性参数 响应特性 噪声特性 量子效率 线性度 工作温度2022-4-278一、响应特性一、响应特性响应度（或称灵敏度）：是光电探

4、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2022-4-279电压响应率 光电探测器件输出电压与入射光功率之比电流响应率 光电探测器件输出电流与入射光功率之比探测器的输出信号电压探测器的输出信号电压/探测器接探测器接收的所有波长光的总辐射通量收的所有波长光的总辐射通量探测器输出的信号电流探测器输出的信号电流/探测器接探测器接收的所有波长光的总辐射通量收的所有波长光的总辐射通量esVVSioVPVSioIPISesIIS2022-4-2710光谱响应度：探测器在波长为的单色光照射下，输出电压或电流

5、与入射的单色光功率之比 积分响应度：检测器件对各种波长光连续辐射量的反应程度总光通量 输出光电流; 积分响应度；S = / 0d()()()oViVSP()()()oIiISPdSI000I0I2022-4-2711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。2022-4-27122022-4-2713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） 0S2/120)2(

6、1 )(fSfS)( 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。2022-4-27140002 1/21122()0.7071(1) 2fRCSSS fSc上限截止频率，当上限截止频率，当S(f)/So=0.707o=0.707时可得到放时可得到放大器的上限截止频率。大器的上限截止频率。时间常数时间常数RC决定了光电探测器频率响应的带决定了光电探测器频率响应的带宽宽fc2022-4-27152022-4-2716二、噪声特性 在一定波长的光照下光电探测器输出的电

7、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。01( )TIii t dtT 用均方噪声来表示噪声值大小2201( ) ( )( )Ti ti ti tdtT2022-4-2717 噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的。 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。 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。 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问题。2022-4-2718光电探测器常见的噪声特点：特点：随机，不可预测；随机，不可预测； 统计平均值为统计平均值为0。 表征：表征：

8、均方值（方均值）表述均方值（方均值）表述噪声特性：噪声特性： 与频率相关；与频率相关； or 与频率无关与频率无关-白噪声。白噪声。 热噪声 散粒噪声 产生-复合噪声 1/f噪声tt t vt it vt i2022-4-27191、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，热噪声又称为白噪声2022-4-27202、散粒噪声 散粒噪声：入射到光探测器表面的光子是随机的，光

9、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。 散粒噪声也是白噪声，与频率无关。 散粒噪声是光电探测器的固有特性，对大多数光电探测器的研究表明：散粒噪声具有支配地位。 例如光伏器件的PN结势垒是产生散粒噪声的主要原因。2022-4-27213、产生-复合噪声 半导体受光照，载流子不断产生-复合。 在平衡状态时，在载流子产生和复合的平均数是一定的 但在某一瞬间载流子的产生数和复合数是有起伏的。 载流子浓度的起伏引起半导体电导率的起伏。 不是白噪声，只有频率很低时才会成为白噪声。2022-4-27224、1/f噪声 或称闪烁噪声或低频噪声。 噪声的功率近似与频率成反比 多数

10、器件的1/f噪声在200300Hz以上已衰减到可忽略不计。 当一些参数不变时噪声与1/f成正比，频率越低噪声越大，不是白噪声，而属于红噪声，相当于白光中的红光部分。2022-4-2723衡量噪声的参数：1、信噪比（S/N) 信噪比是判定噪声大小的参数。 是负载电阻上信号功率与噪声功率之比 若用分贝（dB）表示，为2222NSLNLSNSIIRIRIPPNSNSNSIIIINSlg20lg10222022-4-27242、等效噪声输入（ENI） 定义为；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。 在确定光电探测器探测极限时使用。2022-4-27253、

11、噪声等效功率(NEP). 如果探测器所接收到的辐射功率所引起的信号输出，正如果探测器所接收到的辐射功率所引起的信号输出，正好等于探测器本身产生的噪声，则探测器此时所接收到好等于探测器本身产生的噪声，则探测器此时所接收到的辐射功率称为的辐射功率称为等效噪声功率等效噪声功率又称为又称为最小可探测功率最小可探测功率。 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)。 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） 一般一个良好的探测器件的NEP约为10-11W。()eNEPWSNR2022-4-2726 NEP越小，

12、噪声越小，器件的性能越好。 噪声等效功率是一个可测量的量。 设入射辐射的功率为P，测得的输出电压为U0 然后除去辐射源，测得探测器的噪声电压为UN 则按比例计算，要使U0UN，的辐射功率为20()NPNEPWUU2022-4-27274、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,D越高，器件性能越好。 经过分析，发现NEP与检测元件的面积Ad和放大器带宽f 乘积的平方根成正比，为了在不同的带宽，对测得的不同的光敏面积的探测器件进行比较，使用归一化探测率。 归一化探测率D*，即 D*与探测器的光敏感面积、放大器的带宽有关。1DNEP*1/ 2*1()dDDAfNEP返回2022-4

13、-27285、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，一般测量其直流值或平均值。2022-4-2729三、量子效率（） 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。 对理想的探测器，入射一个光量子发射一个电子， =1 实际上， 1，但对有增益的器件 1 量子效率是一个微观参数，量子效率愈高愈好。2022-4-2730量子效率与响应度的关系量子效率与响应度的关系hqShPqI)(/)( I/q ： 每秒产生的光子数 P/h：每秒入射的光子数2022-4-2731四、线性度 线性度是描述光电探测器输出信号与输入信号保持线性关系的程度。 在某一范围内探

14、测器的响应度是常数，称这个范围为线性区。 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。2022-4-2732五、工作温度 工作温度就是指光电探测器最佳工作状态时的温度。 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。2022-4-27333.3 半导体及真空光电器件 光电导器件光电导器件:光敏电阻光敏电阻 光伏器件光伏器件:光电池光电池/光电二极管光电二极管/三极管三极管外光电效应器件：光电外光电效应器件：光电 管管 光

15、电倍增管光电倍增管2022-4-2734 被测量可能直接作用于光源，使它发出的光发生变化，也可能作用在光通过的路径上，使通过后的光发生变化。被测量被测量光源光电器件2022-4-27353.3.1 光电效应和光电器件光电器件的物理基础是光电效应。 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而产生的电效应。 光电效应通常分为外光电效应和内光电效应两大类。 2022-4-27363.1.1 外光电效应 在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫光电子。它是1887年由德国科学家赫兹发现的。 光照射在物体上可以看成一连串具有一定能量的光子轰击

16、这些物体。根据爱因斯坦光电效应方程式，有2022-4-2737 式中 A0逸出功，也称功函数，是一个电子从金属或半导体表面逸出时克服表面势垒所需作的功，其值与材料有关，还和材料的表面状态有关； m电子的静止质量，m=9.10911031 kg； u电子逸出物体时的初速度； 光子频率； h普朗克常数。0221AmhEu2022-4-2738 由上式可知： （1）光电效应能否产生，取决于光子的能量是否大于该物质表面的电子逸出功 这意味着每一种物质都有一个对应的光频阀值，称为红限频率（对应的光波长称为临界波长），用0表示。根据上式可得：hA /00 若光的频率小于红限频率，光子的能量不足以使物体的电

17、子逸出，因而小于红限频率的光，光强再大也不会产生光电发射。反之，入射光频率高于红限频率，即使光强微弱也会有电子发射出来。2022-4-2739 （2）当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强度成正比 光愈强，意味着入射的光子数目越多，逸出的光电子数也就越多。 （3）光电子逸出物体表面时的初动能决定于入射光的频率 对于一定的物质，电子逸出功是一定的，所以光子的能量h 越大，则电子的初动能越大。 另外，从光开始照射到金属释放光电子几乎在瞬时发生，所需时间不超过10-9秒。2022-4-27403.1.2 内光电效应内光电效应 当光照射到半导体材料上，半导体中处于价带的电子将吸收光子能量。 通过

18、禁带而跃入导带，使导带内电子浓度和价带内空穴浓度增加，即激发出光生电子-空穴对。 从而使半导体材料产生电效应，这种光电效应称为内光电效应。2022-4-2741 显然，光子能量必须大于材料的禁带宽度Eg（如图所示）才能产生内光电效应。产生内光电效应的 临界波长为 例如，锗的Eg=0.75eV， 硅的Eg=1.2eV。 gE24. 102022-4-2742 内光电效应按其工作原理可分为：光电导效应和光生伏特效应。1.光电导效应 在光照射下，半导体材料的电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，从而引起材料载流子浓度增加，使电阻率变化，这种现象称为光电导效应。2.光生伏特效应 在光照射下，能够使

19、物体产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。2022-4-2743 以PN结为例，没有光照射时，由于热运动，P区空穴向N区扩散，N区电子向P区扩散，平衡时在过渡区形成了阻挡层，阻止电子与孔空穴的进一步扩散。 当光线照射PN结时，若光子能量大于禁带宽度，使价带中的电子跃迁到导带而产生电子-空穴对。 在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，空穴移向P区外侧，从而使P区带正电，N区带负电，在PN结两端形成光电动势。2022-4-2744如图所示：2022-4-27453.1.3 外光电效应器件 基于外光电效应的器件有光电管、光电倍增管等。 一.光电管 光电管可分为两大类：真空光电管和充气

20、光电管。它们的结构类似，都是内装有光阴极和阳极的真空玻璃管。2022-4-2746阴极阴极K K阳极阳极A AI IR RL LU UoutoutU Ub b真空型真空型充气型：充气型：有有倍增作用倍增作用2022-4-2747如图所示：2022-4-2748 （1）真空光电管 真空光电管由一个阴极K和一个阳极A构成，共同封装在一个真空玻璃泡内，阴极K和电源负极相联，阳极A通过负载电阻同电源正极相接，因此管内形成电场。 当光照射阴极时，电子便从阴极逸出，在电场作用下被阳极收集，形成电流，该电流引起负载上的压降随光照强弱而变化，从而实现了光信号转换为电传号的目的。2022-4-2749 真空光电

21、管的伏安特性曲线如图所示，其饱和光电流与入射光的强度成正比。 一般工作电压选择在饱和区，但要尽可能小一些。光电子逸出物体表面具有初始动能。 因此光电管即使未加阳极电压，也会有光电流产生。 为使光电流为零，必须加负的截止电压，而截止电压与入射光的频率成正比。2022-4-2750阳极饱和光电流入射光的强度2022-4-2751 （2）充气光电管 如果在玻璃钢管内充入少量的惰性气体（如氩、氖等），即构成充气光电管。 当充气光电管的阴极被光照射后，产生的光电子在飞向阳极的途中，对惰性气体进行轰击，使其电离，从而产生更多的自由电子，形成数倍于真空光电管的光电流，提高了光电变换的灵敏度。 但充气光电管的

22、光电流与入射光强度不成比例关系，所以较少采用。充气光电管的管内可充单纯气体或混合气体。 2022-4-2752利用外光电效应和二次电子发射相结合，即把微弱的光输入转化为光电子，并使光电子获得倍增的一种光电探测器件。其光电转换分为光电发射和电子倍增两个过程北京滨松光子技术有限公司生产R212UH型侧窗式光电倍增管二、光电倍增（PMT）Photo Multiplie Tube 2022-4-2753HAMAMATSU（滨松）是总部设在日本的一家主要生产光电器件的跨国公司。2022-4-2754 几种光电倍增管的外形图如图所示。2022-4-2755 光电倍增管的工作原理建立在光电发射和二次发射的基

23、础之上，其结构如图所示。 在玻璃管内除有光电阴极和光电阳极外，还有若干个光电倍增极，光电倍增极的形状及位置设置得正好使前一倍增极发射的电子继续轰击后一倍增极。 光电倍增极上涂有在电子轰击下能放射更多“次级电子”的材料，常用的有锑化钨、氧化银镁合金等。2022-4-2756 工作时倍增极电位是逐级增高的，当入射光照射光电阴极K时，立刻有电子逸出； 逸出的电子受到第一倍增极正电位作用，使之加速打在第一倍增极； 第一倍增极发射的电子（即二次发射）在第二倍增极更高正电位作用下，再次被加速打在第二倍增极上； 第二倍增极又会产生二次电子发射，这样逐级前进，直到电子被阳极A收集为止。2022-4-2757

24、通常光电倍增管阳极与阴极间的电压为1000 2500V，两个相邻倍增电极的电位差为50100V，其灵敏度比普通真空光电管高几万到几百万倍，因此在很微弱的光照下也能产生很大的光电流。 光电倍增管的放大性能用倍增系数M衡量。M等于各个倍增电极的二次发射电子倍数di的乘积，若有n个倍增电极，且每级的di都一样，则niMd 一般M在105108之间。因此，设光电阴极的光电流为I0 ，则到达阳极的电流为 niIId02022-4-2758光电倍增管外形及工作原理2022-4-2759A. 单级光电倍增管单级光电倍增管由光电阴极、倍增极和阳极等部分组成。由光电阴极、倍增极和阳极等部分组成。KADE2E1光

25、线2022-4-2760B.多级光电倍增管多级光电倍增管2022-4-2761光电倍增管比光电管增加的电子光学系统和电子倍增极，因光电倍增管比光电管增加的电子光学系统和电子倍增极，因此极大地提高了灵敏度此极大地提高了灵敏度光电倍增管光电倍增管-是建立在光电子发射效应，二次电子发射是建立在光电子发射效应，二次电子发射效率应基础上，能将微弱光信号转换成光电子并将光电子效率应基础上，能将微弱光信号转换成光电子并将光电子数目放大的真空光电发射器件。数目放大的真空光电发射器件。电子光学系统电子光学系统2022-4-2762阴极阴极K KA A阳极阳极AU U1 1U U2 2U U5 5U U6 6U

26、U3 3D D2 2U U4 4D D3 3D D1 1D D4 4D D5 5每一倍增极之间的电压为每一倍增极之间的电压为50-150V50-150V。每每7-107-10个光子从光电阴极发射出个光子从光电阴极发射出1-31-3个电子。个电子。电子被加速打在倍增极上，每电子被加速打在倍增极上，每1 1个电子可以打出个电子可以打出3-63-6个电子。个电子。一直持续下去直到最后一个倍增极一直持续下去直到最后一个倍增极, ,电子数量达到电子数量达到10105 5-10-108 8，最后这些电子被吸引到阳极形成电流输出。电流的大小正比于光阴极接受最后这些电子被吸引到阳极形成电流输出。电流的大小正比

27、于光阴极接受的光子数目，即正比于探测器吸收的辐射通量或照度。的光子数目，即正比于探测器吸收的辐射通量或照度。工作原理工作原理2022-4-2763反射式光反射式光电阴极电阴极透射式光透射式光电阴极电阴极硼硅玻璃：硼硅玻璃：透射范围从透射范围从300nm红外红外透紫外玻璃：透紫外玻璃：可透过的最短波长为可透过的最短波长为185nm，但化学稳定性，但化学稳定性较差较差-决定了入射光的透过情况决定了入射光的透过情况侧窗式侧窗式端窗式端窗式2022-4-2764熔融石英：熔融石英：可透过的最短波长为可透过的最短波长为160nm蓝宝石：蓝宝石：可透过的最短波长为可透过的最短波长为150nmMgF2: 可

28、透过的最短波长为可透过的最短波长为115nm是指：阴极到第一是指：阴极到第一倍增极之间的电极倍增极之间的电极空间，包括光电阴空间，包括光电阴极、聚焦极、加速极、聚焦极、加速极及第一倍增极。极及第一倍增极。作用：作用：使光电子尽可能的汇集到第一倍增集使光电子尽可能的汇集到第一倍增集上，而将热发射的杂乱电子散射掉上，而将热发射的杂乱电子散射掉尽量使电子的渡越时间相同尽量使电子的渡越时间相同电子光学系统电子光学系统2022-4-2765二次电子二次电子发射系数发射系数12NN材料吸收一次电子的能量，跃迁到高能态，脱离材料吸收一次电子的能量，跃迁到高能态，脱离原子的束缚，称为内二次电子原子的束缚，称为

29、内二次电子二次电子中速度指向表面的电子向表面运动二次电子中速度指向表面的电子向表面运动穿过表面势垒区发射到真空中穿过表面势垒区发射到真空中主要银氧和锑銫两种化合物，它们即可做光电发射材料，也可做二次电子主要银氧和锑銫两种化合物，它们即可做光电发射材料，也可做二次电子发射材料发射材料氧化物型，氧化镁、氧化钡氧化物型，氧化镁、氧化钡合金型，银镁、铝镁、铜镁、铜铍合金型，银镁、铝镁、铜镁、铜铍负电子亲合势材料，如铯激活的磷化镓负电子亲合势材料，如铯激活的磷化镓一般为一般为3-63-6个个可达可达20-2520-25个个N N1 1入射光子数入射光子数N N2 2出射光电子数出射光电子数2022-4-

30、2766有聚焦型和非聚焦型两大类。有聚焦型和非聚焦型两大类。聚焦型聚焦型-鼠笼式、直线聚焦式鼠笼式、直线聚焦式非聚焦型非聚焦型-盒栅式、百叶窗式、近贴栅网式、盒栅式、百叶窗式、近贴栅网式、微通道板式微通道板式AK2022-4-2767U Uoutout阴极阴极K KA A阳极阳极D D2 2E=700-3000VE=700-3000VD D3 3D D1 1D D4 4D D5 5R R6 6R R3 3R R2 2R R1 1R R4 4R R5 5R RL LI IP P3. 光电倍增管的主要特性参数光电倍增管的主要特性参数阴极光谱灵敏度阴极光谱灵敏度窗口材料窗口材料光电阴极材料光电阴极材

31、料阳极光谱灵敏度阳极光谱灵敏度光电倍增管放大系数光电倍增管放大系数2022-4-2768l阴极灵敏度：阴极输出电流与入射光通量之比阴极灵敏度：阴极输出电流与入射光通量之比KKISI IK KI IK K阴极阴极K KP P阳极阳极AD2D3D1D4D5白光灵敏度白光灵敏度单色光灵敏度，或光谱灵敏度单色光灵敏度，或光谱灵敏度以阴极为一极，其它倍增极和阳极连在一起为一以阴极为一极，其它倍增极和阳极连在一起为一极，即无倍增时的光电流与入射辐射通量之比值。极，即无倍增时的光电流与入射辐射通量之比值。2022-4-2769l阳极灵敏度，阳阳极灵敏度，阳极输出电流与入射光通量之比极输出电流与入射光通量之比

32、PPIS I IP P白光灵敏度白光灵敏度蓝光灵敏度、红光灵敏度蓝光灵敏度、红光灵敏度各种单色灵敏度各种单色灵敏度光电倍增管正常工作下的总输出电流与入射辐射通光电倍增管正常工作下的总输出电流与入射辐射通量之比值。量之比值。阴极阴极K KA A阳极阳极AU1U2U5U6U3D2U4D3D1D4D52022-4-2770 在一定的工作电压下，阳极光电流和阴极在一定的工作电压下，阳极光电流和阴极电流的比称为管子的放大倍数或电流增益电流的比称为管子的放大倍数或电流增益G Ma/k2022-4-2771正常工作状态下正常工作状态下,但无信号光照的情况下但无信号光照的情况下,阳极的电流输出阳极的电流输出（

33、1）阴极的热电子发射是主要原因。）阴极的热电子发射是主要原因。 只能通过降低阴极温度来减弱。只能通过降低阴极温度来减弱。（2）极间漏电流，支撑电极的绝缘体的漏电。）极间漏电流，支撑电极的绝缘体的漏电。保持清洁保持清洁（3）高压电场产生离子反馈）高压电场产生离子反馈,进而形成光反馈进而形成光反馈器件本身的散粒噪声：器件本身的散粒噪声：对于一些不连续的量对于一些不连续的量,如电子发射如电子发射,光子发射光子发射,电子流等电子流等,其发射率在平均值附近上下起伏其发射率在平均值附近上下起伏,而产而产生噪声生噪声.-大部分由阴极的热电子发射引起大部分由阴极的热电子发射引起器件本身的热噪声器件本身的热噪声

34、负载电阻的热噪声负载电阻的热噪声光电阴极和倍增极的闪烁噪声光电阴极和倍增极的闪烁噪声(1/f噪声噪声)fqI2i2n2022-4-27722 2）阳极伏安特性曲线）阳极伏安特性曲线2351015I IA A(A)A)UP(V)5050100100相应于不同辐射通量值的阳极伏安相应于不同辐射通量值的阳极伏安特性示于图中，它表示阳极电流特性示于图中，它表示阳极电流 I IP P 对于最后一级倍增极和阳极间的电对于最后一级倍增极和阳极间的电压压U U的关系。作此曲线时，其余各电的关系。作此曲线时，其余各电极的电压保持恒定。极的电压保持恒定。1 1）阴极伏安特性曲线）阴极伏安特性曲线2351015I

35、IK K(nA(nA) )UK(V)5050100100它表示阴极电流它表示阴极电流 I IK K 与与阴极与第一倍阴极与第一倍增极之间电压的关系。增极之间电压的关系。2022-4-2773-表征阳极电流与阴极光通量之间关系。表征阳极电流与阴极光通量之间关系。在一定的光照度范围内，光电倍增管的输出与在一定的光照度范围内，光电倍增管的输出与入射光功率保持正比例关系，但是随着入射光入射光功率保持正比例关系，但是随着入射光强的增强，在最后几级倍增极上出现较大的电强的增强，在最后几级倍增极上出现较大的电流，倍增极的次级电子发射因大量发射电子而流，倍增极的次级电子发射因大量发射电子而出现疲劳效应，又由于

36、较大的电流形成显著的出现疲劳效应，又由于较大的电流形成显著的空间电荷而使电子的加速受阻，因此使增益降空间电荷而使电子的加速受阻，因此使增益降低。低。工作在饱合区时信号会失真。工作在饱合区时信号会失真。I IP P线性区线性区饱合区饱合区2022-4-2774光电倍增管的组成：光电倍增管的组成：1光窗光窗 光窗是入射光的通道，是对光吸收较多的部分。决定光谱短波光窗是入射光的通道，是对光吸收较多的部分。决定光谱短波限。限。 常用的光窗材料有钠钙玻璃、硼硅玻璃、紫外玻璃、熔凝石常用的光窗材料有钠钙玻璃、硼硅玻璃、紫外玻璃、熔凝石英和氟镁玻璃等。英和氟镁玻璃等。2光电阴极光电阴极 它的作用是接收入射光

37、，向外发射光电子。决定光电管长它的作用是接收入射光，向外发射光电子。决定光电管长波限。制作光电阴极的材料多是化合物半导体。波限。制作光电阴极的材料多是化合物半导体。3 3电子光学系统电子光学系统 前一级发射出来的电子尽可能没有散失地落到下一个倍增前一级发射出来的电子尽可能没有散失地落到下一个倍增极上，使下一级的收集率接近于极上，使下一级的收集率接近于1 1 使前一级各部分发射出来的电子，落到后一级上时所经使前一级各部分发射出来的电子，落到后一级上时所经历的时间尽可能相同，使渡越时间零散最小。历的时间尽可能相同，使渡越时间零散最小。4 4阳极阳极 阳极是用来收集最末一级倍增极发射出来的电子的。现

38、阳极是用来收集最末一级倍增极发射出来的电子的。现在普遍采用金属网来作阳极，使它置于靠近于最末一级倍增极在普遍采用金属网来作阳极，使它置于靠近于最末一级倍增极附近。附近。2022-4-27755倍增系统倍增系统 倍增系统是由许多倍增极组成的综合体，每个倍增极倍增系统是由许多倍增极组成的综合体，每个倍增极都是由二次电子倍增材料构成的，具有使一次电子倍增的都是由二次电子倍增材料构成的，具有使一次电子倍增的能力。倍增系统是决定整管灵敏度最关键的部分。能力。倍增系统是决定整管灵敏度最关键的部分。 光电倍增管的电流放大系数光电倍增管的电流放大系数:niI0niI0 光电倍增管的阳极电流和阴极电流的关系光电

39、倍增管的阳极电流和阴极电流的关系: :2022-4-27762022-4-2777 2光电倍增管的特性：光电倍增管的特性：v 光电特性v 光谱特性v 伏安特性v 放大特性v 频率特性v 疲乏特性v 暗电流I=0 特点：线性增加，然后偏离直线。特点：线性增加，然后偏离直线。 分析：分析： （1 1）疲乏）疲乏 （2 2）空间电荷）空间电荷 RL AD4 D3D2D1 KR5R4 R3R2R1 +-v 光电特性特点：带内响应，带外截止，并有峰值存在。特点：带内响应，带外截止，并有峰值存在。分析分析： （1 1）短波限）短波限 （2 2）长波限）长波限啊v 光谱特性光谱特性 RL AD4 D3D2D

40、1 KR5R4 R3R2R1 +-特点：特点： （1 1）光通量不变，曲线由上升到饱和。）光通量不变，曲线由上升到饱和。 （2 2）电压）电压不变，阳极电流随光通量增加。不变，阳极电流随光通量增加。v 伏安特性 RL AD4 D3D2D1 KR5R4 R3R2R1 +-特点：随着电源电压升高，放大系数或灵敏度增大。特点：随着电源电压升高，放大系数或灵敏度增大。放大特性放大特性是指电流放大系数是指电流放大系数或灵敏度随电源电压或灵敏度随电源电压U U增大的关系。增大的关系。v 放大特性放大特性 RL AD4 D3D2D1 KR5R4 R3R2R1 +-特点：特点： 随阳极电流的增大，灵敏度下降随

41、阳极电流的增大，灵敏度下降 随使用时间的增长，灵敏度下降随使用时间的增长，灵敏度下降v 疲乏特性 RL AD4 D3D2D1 KR5R4 R3R2R1 +-暗电流形成因素：暗电流形成因素： 热电子发射。所以温度热电子发射。所以温度T T越高，暗电流越高，暗电流I I=0=0的越大。的越大。 漏电流。漏电流。v 暗电流暗电流 RL AD4 D3D2D1 KR5R4 R3R2R1 +-2022-4-27843.1.4 内光电效应器件 基于内光电效应的光电器件有光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏三极管、光位置敏感元件等。一.光敏电阻 光敏电阻又称光导管，是一种均质半导体光电器件，其结构及外形. 20

42、22-4-2785 在玻璃底板上均匀地涂上一层薄薄的半导体材料，两端装上金属电极，然后压入塑料封装体内。光电导效应光电导效应-光照引起材料电导变化的现象称为光照引起材料电导变化的现象称为光电导效应光电导效应,存在于大多数半存在于大多数半导体和绝缘体中，是光电导器件工作的物理基础。导体和绝缘体中，是光电导器件工作的物理基础。光敏电阻的特点：光敏电阻的特点：光谱响应范围宽，尤其是对红光和红外辐射有较高的光谱响应范围宽，尤其是对红光和红外辐射有较高的响应度响应度偏置电压低，工作电流大偏置电压低，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，灵敏度高光电导

43、增益大，灵敏度高光敏电阻无极性，使用方便光敏电阻无极性，使用方便2022-4-2787光敏电阻（光导管）光敏电阻（光导管）-用光电导体制成的用光电导体制成的光电器件。光电器件。R价带价带导带导带常温光照时常温光照时价带价带导带导带常温无光照时常温无光照时EgggEhcEh0要发生光电导效要发生光电导效应，必须满足：应，必须满足：UgIP2022-4-2788N价带价带导带导带低温无光照时低温无光照时Ed低温有光照时低温有光照时低温有光照时低温有光照时P工作时温度要低工作时温度要低-防止热激发防止热激发低温无光照时低温无光照时Ea价带价带导带导带2022-4-2789p0qp)pp()nn(qp

44、0n0)pn(qpn价带价带导带导带常温光照时常温光照时无光照时：无光照时：有光照时：有光照时：光电导率为：光电导率为：UgIP0)pn(qp0n0n0qn02022-4-27902022-4-2791原理： 在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。uhWLD欧姆接触欧姆

45、接触半导体uhWLD欧姆接触欧姆接触半导体图 8.30由一半导体平板与两端的接触所构成的光敏电阻的示意图2022-4-2792 当光敏电阻接到外电路中时，若改变光照射，就可改变光敏电阻的阻值。 为提高光敏电阻的灵敏度，应尽量减小电极间的距离。 面积较大的光敏电阻，通常采用在光敏电阻薄膜上蒸镀金属梳状电极。 常用的光敏电阻材料有硫化镉、硒化铅、碲化铝等。2022-4-27932022-4-27943. 3. 光敏电阻的主要的特性参数光敏电阻的主要的特性参数 暗电阻：暗电阻：光敏电阻在室温条件下，在全暗时的电阻值光敏电阻在室温条件下，在全暗时的电阻值Rd暗电流：暗电流：此时电阻加上一定的电压所通过

46、的电流为暗电流此时电阻加上一定的电压所通过的电流为暗电流亮电阻：亮电阻： 光敏电阻在一定光照时的电阻值光敏电阻在一定光照时的电阻值 Rl亮电流：亮电流：此时电阻加上一定的电压所通过的电流为亮电流此时电阻加上一定的电压所通过的电流为亮电流光电导：光电导： 光敏电阻由光照产生的电导光敏电阻由光照产生的电导光电流：光电流：由光照产生的电流由光照产生的电流暗电导：暗电导：光敏电阻在室温条件下，在全暗时的电导光敏电阻在室温条件下，在全暗时的电导dgdIgIdPgggdPIII亮电导：亮电导： 光敏电阻在一定光照时的电导值光敏电阻在一定光照时的电导值2022-4-2795暗电导：暗电导：LAg0d亮电导：

47、亮电导：LAg光电导：光电导：LAgggdpESggp暗电流：暗电流：亮电流：亮电流：光电流：光电流：UgIddgUI 定义光电导灵定义光电导灵敏度为敏度为Sg:EgSpggpSg pggS UgEUSUgUgdgdPUgIPPgU或或dPIII2022-4-2796弱光照射时弱光照射时：1一般情况下：一般情况下： AUIpAUEIp一般情况下：一般情况下：或或一般照射时一般照射时：15 . 0强光照射时强光照射时：5 . 0直线性光电导直线性光电导EIp光电流与照度关系光电流与照度关系曲线曲线(CdS)：非线性非线性直线性光电导直线性光电导 AUIpAUEIp或或2022-4-2797半导体

48、受光照时，载流子不断地产半导体受光照时，载流子不断地产生生- -复合，载流子产生复合，载流子产生- -复合的平均复合的平均数是一定的，但某一瞬间是起伏的，数是一定的，但某一瞬间是起伏的，这种起伏引起半导体电导率的起伏，这种起伏引起半导体电导率的起伏，从而使输出电流或电压值起伏，由从而使输出电流或电压值起伏，由此引入的噪声叫此引入的噪声叫)f2(1NfI4i202grn22022-4-2798-在任何电阻性材料中在任何电阻性材料中, , 载流子都载流子都会有无规则的热运动会有无规则的热运动, ,从而引起输出电从而引起输出电流或电压的起伏，此种噪声称为流或电压的起伏，此种噪声称为.是最常见的一种噪

49、声形式是最常见的一种噪声形式. .RfKT4i2nt-这类噪声的大小与频率成反比这类噪声的大小与频率成反比, ,因此因此而得名而得名, ,它的产生与器件的杂质和工艺缺它的产生与器件的杂质和工艺缺陷有关陷有关, ,但原因比较复杂但原因比较复杂. . ffcIi2nf2022-4-2799 当工作频率f小于1kz时，主要是1/f噪声，当f1MHz时，主要是热噪声， 当； 1kzf 1MHz时,主要为产生复合噪声，但由于光敏电阻的时间常数大，一般工作在低频段，所以主要表现为1/f噪声。2022-4-271007. 光敏电阻的特点和应用光敏电阻的特点和应用与结型光电器件相比，光敏电阻具有以下特点：与结

50、型光电器件相比，光敏电阻具有以下特点：（1） 产生光电变换的部位不同。光敏电阻是任何部位均产生光电变换的部位不同。光敏电阻是任何部位均 可，而结型光电器件是结区附近可，而结型光电器件是结区附近.（2）光敏电阻没极性）光敏电阻没极性.（3）光敏电阻时间常数大，频率相应较差）光敏电阻时间常数大，频率相应较差.（4）有些结型光电器件可以有放大功能，所以输出较大，）有些结型光电器件可以有放大功能，所以输出较大，而光敏电阻没有放大功能而光敏电阻没有放大功能.2022-4-27101常用来制作光控开关，如照相机自动曝光电路、公共场所用常用来制作光控开关，如照相机自动曝光电路、公共场所用灯的自动控制电路灯的

51、自动控制电路2022-4-27102光敏电阻的应用 基本功能：根据自然光的情况决定是否开灯。 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 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CdS2022-4-27103峰值波长：峰值波长：0.520.52m,m,掺入微量铜或氯可以峰值波长变长掺入微量铜或氯可以峰值波长变长亮暗电导比可达亮暗电导比可达10101111，一般为，一般为10106 6在近红外波段比较灵敏，响应波长可达在近红外波段比较灵敏，响应波长可达2.82.8m,m,峰值比探测率峰值

52、比探测率D D* *=2=2* *10101111cm.Hzcm.Hz1/21/2/W, /W, 但响应时间长，但响应时间长，200300 s s2022-4-27104长波限可达长波限可达7.5 m m ，峰值比探测率，峰值比探测率D*=1*1011cm.Hz1/2/W,冷却到零度时，还可提高冷却到零度时，还可提高23倍倍,时间常数时间常数2*10-2 s sHg1-xCdxTe系列光敏电阻是由系列光敏电阻是由CdTe和和 HgTe两种材料按不同两种材料按不同的比例混合而成，不同的比例就有不同的光谱测量范围的比例混合而成，不同的比例就有不同的光谱测量范围Hg0.8 Cd0.2 Te：814

53、m ，峰值波长，峰值波长10.6 m Hg0.72 Cd0.28 Te：35 m 810 m 响应率低，应用不广泛响应率低，应用不广泛2022-4-271052022-4-271063.1.4 内光电效应器件二光电池 光电池是在光线照射下，利用光生伏特效应，将光量转变为电动势的光电器件。 由于它常用于把太阳能变成电能，因此又称太阳能电池。太阳能应急灯2022-4-27107编码器用硅光电池2022-4-271082022-4-27109节能全天候警示灯牌节能全天候警示灯牌2022-4-27110光电池驱动的凉帽2022-4-27111 光电池种类繁多，早期出现的有氧化亚铜光电池，因转换效率低已

54、很少使用。 目前应用较多的是硒光电池和硅光电池。 硒光电池因光谱特性与人眼视觉很相近，频谱较宽，故多用于曝光表、照度计等分析、测量仪器。 硅光电池与其它半导体光电池相比，不仅性能稳定，还是目前转换效率最高(达到17)的几乎接近理论极限的一种光电池。2022-4-27112 硅光电池是用单晶硅组成的（目前也有非单晶硅的产品）。 在一块N型硅片上扩散P型杂质(如硼)，形成一个扩散PN（P+N）结，如图所示；2022-4-27113 或在P型硅片扩散N型杂质(如磷)，形成N+P的PN结。用镀镍的方法制成下电极，并用镀银的方法制成上电极。 为了增加光电池吸收光的效率，在光照表面上还要增镀一层氧化硅反射

55、膜。 一般在地面上用作光电探测器的多为P+N型，如国产2CR型。 N+P型硅光电池具有较强的抗辐射能力，适合空间应用，可作为航天器的太阳能电池，如国产2DR型。2022-4-271142CR系列光电池特性参数2022-4-27115 硒光电池是在铝片上涂硒，再用溅射的工艺，在硒层上形成一层半透明的氧化镉，在正反两面喷上低熔合金做电极。 如图所示。 2022-4-271163.1.4 内光电效应器件 在光线照射下，镉材料带负电，硒材料带正电，形成光生电势。 虽然硒光电池的转换效率低、寿命短、但适于接受可见光，测量中有一定应用。2022-4-27117 此外，还有薄膜光电池、紫光电池、异质结光电池

56、等。 薄膜光电池是把硫化镉等材料制成薄膜结构，以减轻重量、简化阵列结构，提高抗辐射能力和降低成本。 紫光电池是把硅光电池的PN结减薄至结深为0.20.3m，光谱响应峰值移到600nm左右，来提高短波响应，以适应外层空间使用。2022-4-27118 异质结光电池利用不同禁带宽度的半导体材料做成异质PN结，入射光几乎全透过宽禁带材料一侧，而在结区窄禁带材料中被吸收，产生电子-空穴对。 利用这种“窗口”效应提高入射光的收集效率，以获得高于同质结硅光电池的转换效率。 理论上最大可达30，但目前因工艺尚未成熟，转换效率仍低于硅光电池。2022-4-27119 光电池与外电路的连接方式有两种，如图所示。

57、 一种是把PN结两端通过外导线短接，形成流过外电路的短路电流。另一种是开路电压输出。2022-4-27120光照下的光照下的p-n结：结：1、p-n结光电效应和两种工作模式结光电效应和两种工作模式 1)p-n结光电效应结光电效应图图 p-n结的光电效应结的光电效应pn2022-4-27121 2)2)两种工作模式两种工作模式 零电压偏置零电压偏置：光照下无外加电压，即光生伏特效应，称光照下无外加电压，即光生伏特效应，称光伏工作模式。光伏工作模式。 图图 光照下光照下p-n结的零偏模式结的零偏模式pnIpRL2022-4-27122反向偏置：光照下反向偏置：光照下p-n结反向偏置：称光导工作模式

58、结反向偏置：称光导工作模式 p-n结外接反向电压后，结外接反向电压后，p-n结势垒升高，多数载流子难结势垒升高，多数载流子难于扩散，少数载流子易于漂移。于扩散，少数载流子易于漂移。图光照下图光照下p-n结的零偏模式结的零偏模式RLpnIpVb2022-4-27123图图 光照光照p-n结的工作原理图结的工作原理图pnIpIDRLV_+2、光照下光照下p-n结的电流方程结的电流方程1）零电压偏置（光生伏特模式）零电压偏置（光生伏特模式） 有光照时，在有光照时，在p-n结两极间外接一负载结两极间外接一负载RL，此时在此时在p-n结内结内出现两种方向的电流：光电流出现两种方向的电流：光电流Ip，正向

59、电流正向电流ID，总电流为总电流为两者之差两者之差。2022-4-27124式中式中V为为p-n结两端电压，有结两端电压，有V=IL(RL+RS)ppDLIkTqVIIII1exp0由于光电流由于光电流IP与光照有关，随光照增大而增大，与光照有关，随光照增大而增大，SE为光电灵敏度或光照灵敏度为光电灵敏度或光照灵敏度ESIEpESkTqVIIEL1exp02022-4-27125讨论：讨论：(1)负载负载RL断开时，断开时，IL=0，p端对端对n端的电压成为开路电压，用端的电压成为开路电压，用Voc表示表示表明：一定温度下，表明：一定温度下， Voc与光生电流或光通量对数成正比与光生电流或光通

60、量对数成正比(2)(2)负载短路，即负载短路，即RL=0，光生电压几乎为光生电压几乎为0 0，此时流过器件此时流过器件的电流叫短路电流，用的电流叫短路电流，用Isc表示表示ESIIEpsc表明：短路电流表明：短路电流Isc与光通量成正比，线性测量中广泛应用。与光通量成正比，线性测量中广泛应用。一般情况下一般情况下 ，故有，故有0IIp00lnlnIESqkTIIqkTVEp01lnIIqkTVpoc由由IL=0可得可得2022-4-271262）p-n结反向偏置：结反向偏置：p-n结加的反向偏置电压，形成的电场和内建电场同向，结加的反向偏置电压，形成的电场和内建电场同向，势垒高度增加，光生载流