第四章 光探测技术

1、第四章 光辐射的探测技术光电倍增管光电倍增管4.1 光电探测器光电探测器(Detector)的物理效应的物理效应 光电倍光电倍增管增管光电倍增管是一类用于极微弱光探测的真空电子管，第一只光电倍增管（PMT）于80多年前由美国国家辐射公司（Radio Corporation of America）发明发明，并于1936年首次成为商用产品。4.1 光电探测器光电探测器(Detector)的物理效应的物理效应 光电探测器：对各种光辐射进行接收和探测的器件光电探测器：对各种光辐射进行接收和探测的器件热热 探探 测测 器器光子探测器光子探测器光辐射量光辐射量光电探测器光电探测器电量电量光电倍光电倍增管增

2、管光电倍增管是一类用于极微弱光探测的真空电子管，第一只光电倍增管（PMT）于80多年前由美国国家辐射公司（Radio Corporation of America）发明发明，并于1936年首次成为商用产品。探测器件探测器件热电探测元件热电探测元件光子探测元件光子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本征型本征型掺杂型掺杂型非放大非放大放大型放大型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变像管变像管摄像管摄像管像增强器像增强器光

3、敏电阻光敏电阻红外探测器红外探测器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光子效应和光热效应光子效应和光热效应光子效应光子效应(photonic effect ) 指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。探测器吸收光子后，直接引起原子或分子类光电效应。探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光子能量的大小直接影响内部的内部电子状态的改变。光子能量的大小直接影响内部电子状态的改变。电子状态的改变。特点：特点：对光波频率表现出选择性，响应速度一般比较快。

4、对光波频率表现出选择性，响应速度一般比较快。 光热效应光热效应(photothermal effect ) 探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升，温度上升的结果又使探测量，引起探测元件温度上升，温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。元件的电学性质或其他物理性质发生变化。特点：特点：原则上对光波频率没有选择性，响应速度一般比较慢。原则上对光波频率没有选择性，响应速度一般比较慢。 在在红外波段红外波段上，材

5、料吸收率高，光热效应也就更强上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛用于对红外线辐射的探测。烈，所以广泛用于对红外线辐射的探测。例如：家庭式热释电红外探测器例如：家庭式热释电红外探测器一般人体都有恒定的体温一般人体都有恒定的体温,一般在一般在37度度,所以会所以会发出特发出特定波长定波长10UM左右的红外线左右的红外线,被动式红外探头就是靠探被动式红外探头就是靠探测人体发射的测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作的左右的红外线而进行工作的.人体人体发射的发射的10UM左右的红外线通过菲尼尔滤光片增强后左右的红外线通过菲尼尔滤光片增强后聚集到红外感应源上聚集到红外感应源上.红外感应源通

6、常采用热释电元件红外感应源通常采用热释电元件,这种这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡失去电荷平衡,向外释放电荷向外释放电荷,电后续电路经检验处理后电后续电路经检验处理后即可产生报警信号即可产生报警信号.在电子防盗、人体探测器领域中在电子防盗、人体探测器领域中,被被动式热释电红外探测器的应用非常广泛动式热释电红外探测器的应用非常广泛,因其价格低廉、因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎.光电发射效应光电发射效应光电发射效应光电发射效应EhEk221mvEkE：光电发射体的

7、功函数：光电发射体的功函数 电子离开发射体表面时的动能电子离开发射体表面时的动能 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。光电发射体光电发射体 能产生光电发射效应的物体，在光电管中又称为能产生光电发射效应的物体，在光电管中又称为光阴极光阴极。爱因斯坦方程爱因斯坦方程 o 光电发射大致可分三个过程： 1)光射入物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基态跃迁到能量高于真空能级的激发态。 2)受激电子从受激地点出发，在向表面运动过程中免不了要同其它电子或晶格发生碰撞，而失去一部分能量。 3)达到表面的电子，如果仍有足够的能量足

8、以克服表面势垒对电子的束缚（即逸出功）时，即可从表面逸出。截止频率截止频率截止波长截止波长chEsnmsmcseVsJh/103/1031013. 4106 . 617141534)(24. 1)(eVEmc光电导效应光电导效应光电导现象光电导现象半导体材料的半导体材料的“体体”效应效应本征本征半导体半导体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，如果光波长满足如下条满足如下条件：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光电导过程光电导过程 光子将在其中激发出新的

9、载流子光子将在其中激发出新的载流子(电子和空穴电子和空穴)。这。这就使半导体中的载流子浓度在原来平衡值上增加了变就使半导体中的载流子浓度在原来平衡值上增加了变化量化量 这个新增加的部分在半导体物理中叫非平衡载流子这个新增加的部分在半导体物理中叫非平衡载流子-光生载流子光生载流子。 显然，这两个变化量将使半导体的电导增加一个显然，这两个变化量将使半导体的电导增加一个量量 ，我们称之为光电导。相应本征和杂质半导体，我们称之为光电导。相应本征和杂质半导体就分别称为本征光电导和杂质光电导。就分别称为本征光电导和杂质光电导。 G光伏效应光伏效应光伏现象光伏现象半导体材料的半导体材料的“结结”效应效应 早

10、在早在1839年，法国科学家贝克雷尔年，法国科学家贝克雷尔(Becqurel)就发现，光照能就发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏特效应光生伏特效应”，简称，简称“光伏效应光伏效应”。光照光照零偏零偏pn结产生开路电压的效应结产生开路电压的效应光照光照反偏反偏1/0TkeusdBeiieVEmi24. 1光伏效应光伏效应光电池光电池光电信号是光电流光电信号是光电流 结型光电探结型光电探测器的工作测器的工作原理原理光电二极光电二极管管 温差电效应温差电效应 当两种不同的配偶材料（可以是金当两种不同的配

11、偶材料（可以是金属或半导体）两端并联熔接时，如果两属或半导体）两端并联熔接时，如果两个接头的温度不同，并联回路中就产生个接头的温度不同，并联回路中就产生电动势，称为温差电动势。电动势，称为温差电动势。 提高测量灵敏度提高测量灵敏度若干个热电偶串联起来使用若干个热电偶串联起来使用热电堆热电堆 地磁场的起源地磁场的起源o 历史上，第一个提出地磁场理论概念的是英国人吉尔伯特。他在1600年提出一种论点，认为地球自身就是一个巨大的磁体，它的两极和地理两极相重合。这一理论确立了地磁场与地球的关系，指出地磁场的起因不应该在地球之外，而应在地球内部。1893年，数学家高斯在他的著作地磁力的绝对强度中，从地磁

12、成因于地球内部这一假设出发，创立了描绘地磁场的数学方法，从而使地磁场的测量和起源研究都可以用数学理论来表示。但这仅仅是一种形式上的理论，并没有从本质上阐明地磁场的起源。 现在科学家们已基本掌握了地磁场的分布与变化规律，但是，对于地磁场的起源问题，学术界却一直没有找到一个令人满意的答案。目前，关于地球磁场的起源，历史上曾有来自北极星的传说，但是到公元17世纪初就已经认识到地球本身就是一个巨大的磁体，不过当时仍不清楚地球磁场是怎样产生的。随着科学的发展，对于地球磁场观测和地球结构的研究不断增多和深入，对地球磁场的起源先后提出了10多种学说。这里按照历史的先后对一些各有一定根据或设想的地球磁场来源学

13、说作简单介绍：o(1)永磁体学说，是最早提出的一种学说，认为地球内部存在巨大的永磁体，由这永磁体产生地球磁场，但后来认识到地球内部温度很高，不可能存在永磁体。 (2)内部电流学说，认为地球内部存在巨大的电流，形成巨大电磁体产生地球磁场，但是既未观测到这种巨大电流，而且巨大电流也会很快衰减，不会长期存在。 (3)电荷旋转学说(公元1900年)，认为地球表面和内部分别分布着符号相反、数量相等的电荷，由地球自转而形成闭合电流，由此电流产生磁场，但这学说缺乏理论和实验基础。 (4)压电效应学说(1929)，认为在地球内部物质在超高压力下使物质中的电荷分离，电子在这样的电场中运动而产生电流和磁场。但理论

14、计算出这样的磁场仅有地磁场的约千分之一。 (5)旋磁效应学说(1933)，认为地球内的强磁物质旋转可以产生地球磁场，但这种旋磁效应产生的磁场只有地球磁场的大约千亿分之一。 o(6)温差电效应学说温差电效应学说(1939)，认为地球内部的放射性物质产生的热量，认为地球内部的放射性物质产生的热量，使熔融物质发生连续的不均匀对流，这样产生温差电动势和电流，由此使熔融物质发生连续的不均匀对流，这样产生温差电动势和电流，由此电流产生地球磁场，但理论估计也同地球磁场不符合。电流产生地球磁场，但理论估计也同地球磁场不符合。 (7)发电机学说(19461947)，认为是地球内部的导电液体在流动时产生稳恒的电流

15、，由这电流产生地球磁场。 (8)旋转体效应学说(1947)，是根据少数天体观测得到的经验规律，认为具有角动量的旋转物体都会产生磁矩，因而产生磁场。这一学说需要使用一无科学根据的常数，5年后又被提出这一学说的科学家根据精密的实验结果加以否定了。 (9)磁力线扭结学说(1950)，认为在地球磁场磁力线的张力特性和地核的较差自转，会使原始微弱的地球磁场放大，由此产生地球磁场。 (10)霍尔效应学说(1954)，认为在地球内部由于温度不均匀产生的温差电流和原始微弱磁场的同时使用下，会由霍尔效应产生霍尔电动势和霍尔电流，由此产生地球磁场。 (11)电磁感应学说电磁感应学说(1956)，认为由太阳的强烈磁

16、活动通过带电粒子的太阳风到达地球后，会通过地球内部的电磁感应和整流作用产生地球内部的电流，由此产生地球磁场。在这些学说中，只有发电机学说(又称磁流体发电机学说)在观 测、实验和理论研究上得到较多的证认，是目前研究和应用较多的地球磁场学说。 (12)自由电子旋转说（2006），是唯一由中国人王金甲先生，根据分子、原子学，结合地震波提供的地球深處高清圖像提出的崭新学说。热释电效应热释电效应热释电材料热释电材料电介质电介质一种结晶对称性很差的压电晶体一种结晶对称性很差的压电晶体在常态下具有自发电极化在常态下具有自发电极化( (即固有电偶极矩即固有电偶极矩) )热电体的热电体的|Ps|Ps|决定了面电

17、荷密度决定了面电荷密度s s 的大小，当的大小，当PsPs发生变化时，面电荷密度也跟着变化发生变化时，面电荷密度也跟着变化|Ps|Ps|值是温度的函数值是温度的函数温度升高温度升高|Ps|Ps|减小。减小。 升高到升高到Tc值时，自发极化突然消失，值时，自发极化突然消失，TC称为居里温度称为居里温度 热释电体表面附近的自由电荷对面电荷的中和作用热释电体表面附近的自由电荷对面电荷的中和作用比较缓慢，一般在比较缓慢，一般在11000秒量级秒量级热释电探测器是一种热释电探测器是一种交流交流或瞬时响应的器件。或瞬时响应的器件。光电转换定律光电转换定律光辐射量转换为光电流量的过程光辐射量转换为光电流量的

18、过程 光电转换光电转换 dtdnhvdtdEtP光 dtdnedtdQti电 tDPtiD探测器的光电转换因子探测器的光电转换因子光子光子电极电极电极电极耗尽层耗尽层SiO2p+nn+dtdndtdn光电hveD 探测器的量子效率探测器的量子效率)()(tPhveti光电转换定律：光电转换定律：*光功率光功率P正比于光电场的平方正比于光电场的平方 平方律探测器平方律探测器非线性器件非线性器件(本质本质)。*光电探测器对入射功率响应光电探测器对入射功率响应(光电流光电流) 一个光子探测器可视为一个电流源。一个光子探测器可视为一个电流源。 光电探测器件的特点光电探测器件的特点光子器件光子器件热电器

19、件热电器件响应波长有选择性，一响应波长有选择性，一般有截止波长，超过该般有截止波长，超过该波长，器件无响应波长，器件无响应响应波长无选择性，对响应波长无选择性，对可见光到远红外的各种可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感波长的辐射同样敏感响应快，吸收辐射产生响应快，吸收辐射产生信号需要的时间短，一信号需要的时间短，一般为纳秒到几百微秒般为纳秒到几百微秒响应慢，一般为几毫秒响应慢，一般为几毫秒 4.2 光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数 光电倍增管光电倍增管 灵敏度也常称作灵敏度也常称作响应度响应度，是光电探测器光电转换特，是光电探测器光电转换特性，光电转换的光谱特性以及频率特性的量度。性

20、，光电转换的光谱特性以及频率特性的量度。dPdiRiPidPduRuPu 光电流光电流i(或光电压或光电压u)和入射光功率和入射光功率P之间的关系之间的关系if (P)，称为探测器的，称为探测器的光电特性光电特性。灵敏度灵敏度R定义为这个曲线的斜率，定义为这个曲线的斜率，即即 (线性区内线性区内) (安安/瓦瓦) (线性区内线性区内) (伏伏/瓦瓦) R i和和R u分别称为积分电流和积分电压灵敏度，分别称为积分电流和积分电压灵敏度，i和和u称为电表测量的电流、电压有效值。称为电表测量的电流、电压有效值。 光功率光功率P是指分布在某一光谱范围内的总功率。是指分布在某一光谱范围内的总功率。有些教

21、材有些教材采用微安采用微安/ /流明流明积分灵敏度积分灵敏度RiRdP 光功率谱密度光功率谱密度P由于光电探测器的光谱选择性，在由于光电探测器的光谱选择性，在其它条件下不变的情况下，光电流将是光波长的函数，其它条件下不变的情况下，光电流将是光波长的函数，记为记为i，于是光谱灵敏度，于是光谱灵敏度R定义为定义为 R是常数时，相应探测器称为是常数时，相应探测器称为无选择性探测器无选择性探测器(如光如光热探测器热探测器)，光子探测器则是选择性探测器。，光子探测器则是选择性探测器。通常给出的是通常给出的是相对光谱灵敏度相对光谱灵敏度S定义为定义为 Rm是指是指R的最大值，的最大值，S为无量纲，随为无量

22、纲，随变化的曲线称变化的曲线称为为光谱灵敏度曲线光谱灵敏度曲线。/mSRR光谱灵敏度光谱灵敏度R(1)(2)引入相对光谱功率密度函数，它的定义引入相对光谱功率密度函数，它的定义为为)3(mPPfdPdP didi ddfPRSdimm00 ddfPRSdiimm000dfdfdfSPdRmm把把(2)和和(3)式代入式代入(1)式，只要注意到式，只要注意到和和就有就有积分上式，有积分上式，有dP变化量变化量式中式中S001dPPdfmmPP/dRRmimKRKdRPiRimm00dfdfSK0 .1并注意到并注意到由此便得由此便得式中式中称为光谱利用率系数，为入射光功率能被响应的百分比。称为光

23、谱利用率系数，为入射光功率能被响应的百分比。0df0dfsf 若入射光是强度调制，在其它条件不变下，光电流若入射光是强度调制，在其它条件不变下，光电流if将随调频将随调频f的升高而下降，这时的灵敏度称为的升高而下降，这时的灵敏度称为频率灵敏频率灵敏度度Rf，PiRff20)2(1fiiff定义为定义为if是光电流时变函数的付里叶变换，通常是光电流时变函数的付里叶变换，通常 称为探测器的响应时间或时间常数，由材料、结构称为探测器的响应时间或时间常数，由材料、结构和外电路决定。和外电路决定。 频率灵敏度频率灵敏度Rf(响应频率响应频率fc和响应时间和响应时间t)频率灵敏度频率灵敏度20)2(1fR

24、Rf00707. 02/RR21cf 这就是探测器的这就是探测器的频率特性频率特性，R f随随f 升高而下降的速升高而下降的速度与度与值大小关系很大。值大小关系很大。一般规定，一般规定，R f下降到下降到从上式可见：从上式可见：当当ffc时，认为光电流能线性再现光功率时，认为光电流能线性再现光功率P的变化。的变化。如果是脉冲形式的入射光，则更常用响应时间来描如果是脉冲形式的入射光，则更常用响应时间来描述。述。 频率频率fc为探测器的为探测器的截止响应频率截止响应频率和和响应频响应频率率。 例如：例如： 德国德国Advanced Laser Diode Systems公司提供带宽公司提供带宽可达

25、可达35GHz、响应频率范围覆盖、响应频率范围覆盖400nm到到1.6 m 的高速光电二的高速光电二极管。该光电二极管采用极管。该光电二极管采用MSM（金属（金属-半导体半导体-金属）的结构，金属）的结构，具有非常低的电容、电阻，因而具有极高的响应速度。其冲击具有非常低的电容、电阻，因而具有极高的响应速度。其冲击响应振荡极小，常适于高速光源时间或频率特性探测。响应振荡极小，常适于高速光源时间或频率特性探测。光纤耦合光纤耦合 自由光输入自由光输入 探测器对突然光照的输出电流，要经过一定时间探测器对突然光照的输出电流，要经过一定时间才能上升到与这一辐射功率相应的稳定值才能上升到与这一辐射功率相应的

26、稳定值i。21cf),(fPuFi 当辐射突然降去后，输出电流也需要经过一定时当辐射突然降去后，输出电流也需要经过一定时间才能下降到零。间才能下降到零。一般而论，上升和下降时间相等，时间常数近似地由一般而论，上升和下降时间相等，时间常数近似地由 决定。决定。光电流是两端电压光电流是两端电压u、光功率光功率P、光波长、光波长和光强调和光强调制频率制频率f的函数，即的函数，即 以以u，P，为参变量，为参变量，iF（f）的关系称为）的关系称为光电频率光电频率特性特性，相应的曲线称为，相应的曲线称为频率特性曲线频率特性曲线。同样，同样，i=F (P)及曲线称为及曲线称为光电特性曲光电特性曲线线。iF

27、()及其曲线称为及其曲线称为光谱特性曲线光谱特性曲线。而而iF (u)及其曲线称为及其曲线称为伏安特性曲线伏安特性曲线。 当这些曲线给出时，灵敏度当这些曲线给出时，灵敏度R的值就可以从曲线中的值就可以从曲线中求出，而且还可以利用这些曲线，尤其是伏安特性曲求出，而且还可以利用这些曲线，尤其是伏安特性曲线来设计探测器的使用电路。线来设计探测器的使用电路。 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。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，对理想的探测器，入射一个光量子发射一个电子， =1实际上，实

28、际上， 1, 即单位时间流过器件的电荷数大于器件内光即单位时间流过器件的电荷数大于器件内光激发的电荷，从而使电流得到放大。激发的电荷，从而使电流得到放大。由上式可知：由上式可知：、减小样品长度可以大大提高增益；、减小样品长度可以大大提高增益；、增加载流子的寿命也可提高增益。、增加载流子的寿命也可提高增益。由上式可知：由上式可知：、减小样品长度可以大大提高增益；、减小样品长度可以大大提高增益；、增加载流子的寿命也可提高增益。、增加载流子的寿命也可提高增益。 光敏面作成光敏面作成蛇形蛇形，电极作成梳状是因为这样即，电极作成梳状是因为这样即可以保证有较大的受光表面，也可以减小电极之间可以保证有较大的

29、受光表面，也可以减小电极之间距离，从而既可减小极间电子渡越时间，也有利于距离，从而既可减小极间电子渡越时间，也有利于提高灵敏度。提高灵敏度。(2)光电导灵敏度光电导灵敏度gS： 光电导（西门子光电导（西门子S）： 光照度（勒克斯光照度（勒克斯lx）A：入射面积：入射面积定义为光电导定义为光电导 与输入光照度与输入光照度E之比。之比。pgpppgggg ASEApg： 光通量（流明光通量（流明lm）E注意：注意：灵敏度与光电增益的区别灵敏度与光电增益的区别灵敏度是光电导体在光照下产生光电导能力的大小。灵敏度是光电导体在光照下产生光电导能力的大小。增益指在工作状态下，各参数对光电导效应的增强能力。

30、增益指在工作状态下，各参数对光电导效应的增强能力。(3) 光照特性光照特性 是在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。光敏电阻的是在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。光敏电阻的光照特性曲线均呈非线性，因此它不宜作定量检测元件，一般在自动控制系光照特性曲线均呈非线性，因此它不宜作定量检测元件，一般在自动控制系统中用作光电开关。统中用作光电开关。 (4) 光谱特性光谱特性光谱特性与光敏电阻的材料有关。硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有光谱特性与光敏电阻的材料有关。硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。较

31、高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。 图图4.4 硫化隔光敏电阻的光照特性硫化隔光敏电阻的光照特性 图图4.5 光敏电阻的光谱特性光敏电阻的光谱特性 尤其硫化镉的峰值波长与人眼的尤其硫化镉的峰值波长与人眼的很敏感的峰值波长（很敏感的峰值波长（555nm）是）是很接近的，因此可用于与人眼有很接近的，因此可用于与人眼有关的仪器，例如照相机、照度计、关的仪器，例如照相机、照度计、光度计等光度计等(5) 伏安特性伏安特性在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现象。无饱和现象。但是电压不能无限地增大，因为任何光

32、敏电阻都受额定功但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。率、最高工作电压和额定电流的限制。超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。久性损坏。 在一定照度下，加在光敏电阻在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称两端的电压与电流之间的关系称为光敏电阻的伏安特性。为光敏电阻的伏安特性。 在给定偏压下，光照度越大，在给定偏压下，光照度越大，光电流也越大。光电流也越大。(6) 频率特性（时间响应特性）频率特性（时间响应特性）o 当光敏电阻受到脉冲光照射当光敏电阻受到脉冲光照射时

33、，光电流要经过一段时间时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为光照后，光电流也不立刻为零，这称为光敏电阻的惰性零，这称为光敏电阻的惰性或时延特性。或时延特性。 (7) 稳定性稳定性 o 初制成的光敏电阻，由于体内机构工作不稳定，以及电初制成的光敏电阻，由于体内机构工作不稳定，以及电阻体与其介质的作用还没有达到平衡，所以性能是不够阻体与其介质的作用还没有达到平衡，所以性能是不够稳定的。稳定的。o 但在人为地加温、光照及加负载情况下，经一至二周的但在人为地加温、光照及加负载情况下，经一至二周的老化，性能可达稳定。老化，性能可达稳定。o 光敏电

34、阻在开始一段时间的老化过程中，有些样品阻值光敏电阻在开始一段时间的老化过程中，有些样品阻值上升，有些样品阻值下降，但最后达到一个稳定值后就上升，有些样品阻值下降，但最后达到一个稳定值后就不再变了。这就是光敏电阻的主要优点。不再变了。这就是光敏电阻的主要优点。o 光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况下，光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况下，几乎是无限长的。几乎是无限长的。 (8) 温度特性温度特性 o 光敏电阻性能光敏电阻性能(灵敏度、暗电阻灵敏度、暗电阻)受温度的影响较大。受温度的影响较大。o 随着温度的升高，暗电阻和灵敏度下降；光谱特性曲线随着温度的升高，暗电阻和灵敏度下降

35、；光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。的峰值向波长短的方向移动。o 有时为了提高灵敏度，或为了能够接收远红外光等较长有时为了提高灵敏度，或为了能够接收远红外光等较长波段的辐射，将元件降温使用。波段的辐射，将元件降温使用。o 例如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。例如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。 （9）前历效应）前历效应 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”有关的一有关的一种现象。即测试前光敏电阻所处状态对光敏电阻特性的种现象。即测试前光敏电阻

36、所处状态对光敏电阻特性的影响。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：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越慢程度。工态，当它突然受到光照后光电流上升的越慢程度。工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越重。作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越重。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，当照度与工光敏电阻测试或工作前已处于亮态，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。作时所要达到的照度不同时，所出现的一种滞后现象。（10）噪声特性：）噪声特性：热噪声、产生复合噪声热噪声、产生复合噪声 、1/f 噪声

37、与调制频率的关系噪声与调制频率的关系在红外探测中，在红外探测中，采用光调制技术，采用光调制技术，8008001000H1000HZ Z时时可以消除可以消除1/f1/f噪噪声和产生声和产生- -复合复合噪声。噪声。 4、光敏电阻的特点、光敏电阻的特点（1）优点：）优点：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，工作电流大，无极性之分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（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

38、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5、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）按制作材料分类：多晶和单晶光敏电阻器，还可分为为硫化镉硫化镉（CdS）、）、硒化镉硒化镉(CdSe) 、硫化铅硫化铅(PbS)、硒化硒化铅铅(PbSe)、锑化铟锑化铟(InSb) 光敏电阻器等。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、：主要用于各种光

39、电自动控制系统、电子照相机、光报警等地。电子照相机、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：主要用于天文、军事等领域的有关自动控制系统。关自动控制系统。6、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：指光敏电阻器受到光照射时的电阻值。值。2）暗电阻暗电阻(M)：指光敏电阻器在无光照射（黑暗环境）：指光敏电阻器在无光照射（黑暗环境）时的电阻值。时的电阻值。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

40、：指光敏电阻器在额定功率下所允许承受的最高电压许承受的最高电压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：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。射时所通过的电流。5）暗电流暗电流(mA)：指在无光照射时，光敏电阻器在规定：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。的外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：指光敏电阻器从光照跃变开始到稳定亮电流的定亮电流的63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，时，其电阻值的相对变化。其电阻值

41、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：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。值的相对变化。7、作用与应用、作用与应用广泛应用于各种自动控制电路（如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（如电视机中的亮度自动调节，照相机的自动曝光控（如电视机中的亮度自动调节，照相机的自动曝光控制等）及各种测量仪器中。制等）及各种测量仪器中。o 如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小，其测量电路如图所示。光敏电阻的基本测量电路 7、作用与应用

42、、作用与应用广泛应用于各种自动控制电路（如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（如电视机中的亮度自动调节，照相机的自动曝光控（如电视机中的亮度自动调节，照相机的自动曝光控制等）及各种测量仪器中。制等）及各种测量仪器中。数码相机为什么能实现自动曝光？数码相机为什么能实现自动曝光？知识延伸和巩固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为为发光仪器，发光仪器，B为水平传送带，由电动机带动做匀速直为水平传送带，由电动机带动做匀速直线运动。线运动。R1为光敏电阻，为光敏电阻

43、，R2为定值电阻，为定值电阻，R1、R2串串联在电路中，电源电压保持不变每当传送带上有联在电路中，电源电压保持不变每当传送带上有易拉罐挡住由易拉罐挡住由A射向射向R1的光线时，的光线时，R1的电阻值就增大，的电阻值就增大，计数器就计数一次。则：（计数器就计数一次。则：（1）当传送带上有易拉罐）当传送带上有易拉罐挡住由挡住由A射向射向R1的光线时，定值电阻的光线时，定值电阻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间的距离均为）已知相邻的两个易拉罐中心之间的距离均为20cm，若计数器从易拉罐第一次挡住光线开始计时，若计数

44、器从易拉罐第一次挡住光线开始计时，到恰好计数到恰好计数101次共用时间次共用时间40s，则传送带的速度为多，则传送带的速度为多少少m/s？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的光线时，的光线时，R1的电阻值就增大，由于的电阻值就增大，由于R1、R2是串联是串联在电路中的，当在电路中的，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，R2两端的电压将变小；两端的电压将变小；（2）由）由vs/t(101-1)0.2m/40s0.5m/s。 4.5 pn结光伏探测器的工作模式结光伏探测器的工作模式o 利用半导

45、体PN结光伏效应制成的器件称为光伏器件光伏器件，也称结型光电器件。o 这类器件品种很多，其中包括各种光电池光电池、 光电二光电二极管极管、 光电晶体管光电晶体管、光电场效应管光电场效应管、PIN管管、 雪崩雪崩光电二极管光电二极管、光可控硅光可控硅、 阵列式光电器件阵列式光电器件、象限式象限式光电器件光电器件、位置敏感探测器（位置敏感探测器（PSD）、光电耦合器件）、光电耦合器件等。o 和光电导探测器不同，光伏探测器的工作特性要复杂一些。通常有光电池和光电二极管之分，也就是说，光伏探测器有着不同的工作模式工作模式。因此在具体讨论光伏探测器的工作特性之前，首先我们必须弄清楚它的工作模式问题。 4

46、.5 pn结光伏探测器的工作模式结光伏探测器的工作模式光电转换原理光电转换原理 PN结光伏探测器的典型结构如图所示。为了说明光功率转换成光电流的关系，我们设想光伏探测器两端被短路，并用一理想电流表记录光照下流过回路的电流，这个电流常常称为短路光电流短路光电流。 光子电极电极耗尽层SiO2p+nn+ 假定光生电子-空穴对在结的结区，即耗尽区内产生。由于内电场作用，电子从n区向p区漂移运动，被内电场分离的电子和空穴就在外回路中形成电流。 EcEFEv光生空穴- - -+ + +-pnxoLpn光子Ei电离受主 电离施主光生电子耗尽层-就光电流形成的过程而言，光伏探测器和光电导探测器有十分类似的情况

47、。可以证明：在光伏情况下一个光生电子空穴对对外回路所贡献的总电荷量：光伏探测器的内电流增益等于内电流增益等于1。光伏探测器光电转换关系为这是和光电导探测器明显不同的地方。eQQQnpPheip光伏探测器的工作模式 一个PN结光伏探测器就等效为一个普通二极管和一个恒流源(光电流源)的并联，如图 (b)所示。它的工作模式则由外偏压回路决定。在零偏压时(图 (c)，称为光伏工作模式光伏工作模式。当外回路采用反偏压V时(图 (d)，即外加P端为负n端为正的电压时，称为光导工作模式光导工作模式。 VuiiD(a)(b)(c)(d)iiLRLR普通二极管的伏安特性为光伏探测器的总伏安特性应为 和 之和，考

48、虑到二者的流动方向，我们有：式中i是流过探测器的总电流，e是电子电荷，u是探测器两端电压，kB是玻耳兹曼常数，T是器件的绝对温度。把上式中i和u为纵横坐标作成曲线，就是光伏探测器的伏安特性曲线伏安特性曲线。 ) 1(/0TkeuSdBeiiDiiiiiDieiTkeuSB) 1(/0iu第一象限第一象限是正偏压状态，iD本来就很大，所以光电流不起重要作用。作为光电探测器作为光电探测器，工作在这一区域没有意义没有意义。第第三象限三象限是反偏压状态。这时iD=iS0，它是普通二极管中的反向饱和电流，现在称为暗电流(对应于光功率P=0)，数值很小，这时的光电流(等于i-iS0)是流过探测器的主要电流

49、，这对应于光导工作模式光导工作模式。 通常把光导工作模式的光伏探测器称为光电二极管光电二极管，因为它的外回路特性与光电导探测器十分相似。在第四象限中，外偏压第四象限中，外偏压为零为零。流过探测器的电流仍为反向光电流，随着光功率的不同，出现明显的非线性。这时探测器的输出是通过负载电阻RL上的电压或流过RL上的电流来体现，因此，称为光伏工作模式光伏工作模式。通常把光伏工作模式的光伏探测器称为光电池光电池。应特别注意，光电流总是反向电流，而光电流在RL上的电压降，对探测器产生正向偏置称为自偏压自偏压，当然要产生正向电流。最终两个电流抵消，伏安曲线中止于横轴上。 4.6 光电池 4.6 光电池硅光电池

50、结构示意如图硅光电池结构示意如图-+RLpn防反射膜防反射膜(SiO2）pn+-SiO2pn结结硅光电池硅光电池几种国产硅光电池的特性几种国产硅光电池的特性 光电池的应用 o 光电池主要有两大类型的应用：1）将光电池作光伏器件使用，利用光伏作用直接将大阳能转换成电能，即太阳能电池。 这是全世界范围内人们所追求、探索新能源的一个重要研究课题。太阳能电池已在宇宙开发、航空、通信设施、太阳电池地面发电站、日常生活和交通事业中得到广泛应用。 目前太阳电池发电成本尚不能与常规能源竞争，但是随着太阳电池技术不断发展，成本会逐渐下降，太阳电池定将获得更广泛的应用。2）将光电池作光电转换器件应用，需要光电池具

51、有灵敏度高、响应时间短等特性，但不必需要像太阳电池那样的光电转换效率。 这一类光电池需要特殊的制造工艺，主要用于光电检测和自动控制系统中。 o 1太阳能电池电源 太阳能电池电源系统主要由太阳电池方阵、蓄电池组、调节控制和阻塞二极管组成。如果还需要向交流负载供电，则加一个直流交流变换器，太阳能电池电源系统框图如图。 2光电池在光电检测和自动控制方面的应用o 光电池作为光电探测使用时，其基本原理与光电二极管相同，但它们的基本结构和制造工艺不完全相同。o 由于光电池工作时不需要外加电压；光电转换效率高，光谱范围宽，频率特性好，噪声低等，它已广泛地用于光电读出、光电耦合、光栅测距、激光准直、电影还音、

52、紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等。例：光电跟踪电路 o 用两只性能相似的同类光电池作为光电接收器件。当入射光通量相同时，执行机构按预定的方式工作或进行跟踪。当系统略有偏差时，电路输出差动信号带动执行机构进行纠正，以此达到跟踪的目的。 例：光电开关 o 多用于自动控制系统中。无光照时，系统处于某一工作状态，如通态或断态。当光电池受光照射时，产生较高的电动势，只要光强大于某一设定的阈值，系统就改变工作状态，达到开关目的。 例：光电池触发电路 o 当光电池受光照射时，使单稳态或双稳态电路的状态翻转，改变其工作状态或触发器件(如可控硅)导通。 例：光电池放大电路 o 在测量溶液浓度、物体色度、纸

53、张的灰度等场合，可用该电路作前置级，把微弱光电信号进行线性放大，然后带动指示机构或二次仪表进行读数或记录。 4.7 光电二极管外形光变化电流变化光电转换器光敏特性或光 输 入-+UR输 出 （a） （b） 光电二极管的符号与光电特性的测量电路（a）符号 （b）光电特性的测量电路光电二极管的伏安特性有光有光光电接收二极管光电接收二极管反偏反偏状态状态光电流（恒流）光电流（恒流）光电流与照度线性关光电流与照度线性关系系无光无光暗电流暗电流o 国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和2DU两种系列。o 2CU系列以N-Si为衬底， 2DU系列以P-Si为衬底o 2CU系列光电二极管只有

54、两个引出线两个引出线，o 而2DU系列光电二极管有三条引出线三条引出线，除了前极、后极外，还设了一个环极。o 硅光电二极管结构示意图硅光电二极管结构示意图o 2DU管加环极的目的是为了 减少暗电流和噪声。 光电二极管的受光面一般都涂有SiO2防反射膜，而SiO2中又常含有少量的钠、钾、氢等正离子。SiO2是电介质，这些正离子在SiO2中是不能移动的，但是它们的静电感应却可以使P-Si表面产生一个感应电子层。 这个电子层与N-Si的导电类型相同，可以使P-Si表面与NSi连通起来。 当管子加反偏压时，从前极流出的暗电子流，除了有PN结的反向漏电子流外，还有通过表面感应电子层产生的漏电子流，从而使

55、从前极流出的暗电子流增大。 为了减小暗电流，设置一个N+-Si的环把受光面（N-Si）包围起来，并从N+-Si环上引出一条引线（环极），使它接到比前极电位更高的电位上，为表面漏电子流提供一条不经过负载即可达到电源的通路。 这样，即可达到减小流过负载的暗电流、减小噪声的目的。 如果使用时环极悬空，除了暗电流、噪声大些外，其它性能均不受影响。 2CU管子，因为是以N-Si为衬底，虽然受光面的SiO2防反射膜中也含有少量的正离子，而它的静电感应不会使N-Si表面产生一个和P-Si导电类型相同的导电层，从而也就不可能出现表面漏电流，所以不需要加环极。 o 光电二极管的用法只能有两种。光电二极管的用法只

56、能有两种。o 一种是不加外电压，直接与负载相接。一种是不加外电压，直接与负载相接。o 另一种是加反向电压，如图所示。另一种是加反向电压，如图所示。o a) 不加外电源不加外电源 b) 加反向外电源加反向外电源 c) 2DU环极接法环极接法o 实际上，不是不能加正向电压，只是正接以后就与普通实际上，不是不能加正向电压，只是正接以后就与普通二极管一样，只有单向导电性，而表现不出它的光电效二极管一样，只有单向导电性，而表现不出它的光电效应。应。 光电二极管的用法光电二极管的用法：o 加反向电压时，伏安特性曲线常画成如下图所示的形式。加反向电压时，伏安特性曲线常画成如下图所示的形式。o 与与硅光电池的

57、伏安特性曲线硅光电池的伏安特性曲线图比较，有两点不同。图比较，有两点不同。o 一是把硅光电池的伏安特性曲线图中一是把硅光电池的伏安特性曲线图中、象限里的图线对象限里的图线对于纵轴反转了一下，变为上图于纵轴反转了一下，变为上图(a)。这里是以横轴的正向代表。这里是以横轴的正向代表负电压，这样处理对于以后的电路设计很方便。负电压，这样处理对于以后的电路设计很方便。o 二是因为开路电压二是因为开路电压UOC一般都比外加的反向电压小很多，二一般都比外加的反向电压小很多，二者比较可略而不计，所以实用曲线常画为上图者比较可略而不计，所以实用曲线常画为上图(b)的形式。的形式。 o微变等效电路与频率特性微变

58、等效电路与频率特性：o光电二极管的等效电路可表达如下：光电二极管的等效电路可表达如下：o其中图其中图a为实际电路；为实际电路；o图图b为考虑到光电二极管结构、功能后画出的微变等效电路，为考虑到光电二极管结构、功能后画出的微变等效电路，其中其中Ip为光电流，为光电流，V为理想二极管，为理想二极管，Cf为结电容，为结电容，Rsh为漏电为漏电阻，阻，Rs为体电阻，为体电阻，RL为负载电阻；为负载电阻；o图图c是从图是从图b简化来的，因为正常运用时，光电二极管要加简化来的，因为正常运用时，光电二极管要加反向电压，反向电压，Rsh很大，很大，Rs很小，所以图很小，所以图b中的中的V、Rsh、Rs都可都可

59、以不计，因而有图以不计，因而有图c的形式；的形式；o图图d又是从图又是从图c简化来的，因为简化来的，因为Cf很小，除了高频情况要考虑它的分流很小，除了高频情况要考虑它的分流作用外，在低频情况下，它的阻抗很大，可不计。作用外，在低频情况下，它的阻抗很大，可不计。o因此具体应用时多用图因此具体应用时多用图d和图和图c两种形式。两种形式。o流过负载的交变电流复振幅为流过负载的交变电流复振幅为 ：ILIp1/(1+j)：入射光的调制圆频率，：入射光的调制圆频率，2f，f为入射光的调制为入射光的调制频率。频率。 = Cf RLIL的模量为的模量为可见，可见，IL是频率的函数，随着入射光调制频率的增加是频

60、率的函数，随着入射光调制频率的增加而减小。当而减小。当=1/时，时， 这时这时f = 1/2称为称为上限截止频率上限截止频率，或称为，或称为带宽带宽。 pLII2211pLII21几种国产几种国产2CU型硅光电二极管的特性型硅光电二极管的特性 几种国产几种国产2DU型硅光电二极管的特型硅光电二极管的特性性 光电二极管的应用 o图 (a)是在待测转速轴上固定一带孔的转速调制盘，光源发出的光，透过盘上小孔到达光电二极管上，光电二极管输出电信号经过放大整形电路后，输出相应数量的电脉冲信号。o图 (b)所示为反射式光电转速传感器原理图，它是在待测转速的轴上固定一个圆周面涂上黑白相间条纹的圆盘。当转轴转