光电检测技术 第四章

1、第四章第四章 光电测试常用器件光电测试常用器件光电测试常用器件光电测试常用器件光电器件光电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电管光电倍增管光电倍增管真空摄像管真空摄像管变像管变像管像增强管像增强管光敏电阻光敏电阻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纤传感器光纤传感器电荷耦合器件电荷耦合器件CCD热电偶热电偶/热电堆热电堆热辐射计热辐射计/热敏热敏电阻电阻热释电探测器热释电探测器光子器件光子器件热电器件热电器件响应波长有选择性，一般有响应波长有选择性，一般有截止波长，超截止波长，超 过该波长，过该波长，器件无响应。器件无响应。响应波长无

2、选择性，对可见响应波长无选择性，对可见光到远红外的各种波长的辐光到远红外的各种波长的辐射同样敏感射同样敏感响应快，吸收辐射产生信号响应快，吸收辐射产生信号需要的时间短，需要的时间短， 一般为纳一般为纳秒到几百微秒秒到几百微秒响应慢，一般为几毫秒响应慢，一般为几毫秒光子器件与热电器件的比较光子器件与热电器件的比较4.14.1 光电器件的性能参数光电器件的性能参数4.14.1 光电器件的性能参数光电器件的性能参数一一 光电器件的探测灵敏度光电器件的探测灵敏度( (响应度响应度) ) -是光电探测器输出信号与输入光功率之间关是光电探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

3、换效率。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是随入射光波长变化而变化的响应度电压响应度电流响应度电压响应度电压响应度光电探测器件输出电压与入射光功率之比，单位光电探测器件输出电压与入射光功率之比，单位:V/W:V/W电流响应度电流响应度光电探测器件输出电流与入射光功率之比光电探测器件输出电流与入射光功率之比, ,单位单位:A/W:A/WsVUR sIIR 测量光电器件灵敏度所用光源一般为测量光电器件灵敏度所用光源一般为500K500K的黑体的黑体灵敏度光谱灵敏度积分灵敏度光谱灵敏度光谱灵敏度 -探测器在波长为探测器在波长为的单色光照射下，输的单色

4、光照射下，输出电压或电流与入射的单色光功率之比，又叫出电压或电流与入射的单色光功率之比，又叫单色灵单色灵敏度敏度)()()(VRV)()()(IRI积分灵敏度积分灵敏度 -探测器对连续入射光辐射的反应灵敏度探测器对连续入射光辐射的反应灵敏度0)(d2121)()()(dRdIIss2121)()()(ddRRI测量光电器件灵敏度时应指明辐射源与色温测量光电器件灵敏度时应指明辐射源与色温总光通量总光通量总光电流总光电流电流积分灵敏度电流积分灵敏度相对光谱响应相对光谱响应-以最大光谱响应为基准来表示各波长的响应以最大光谱响应为基准来表示各波长的响应 以峰值响应的以峰值响应的50%50%之间的波长范

5、围来定义光电器件之间的波长范围来定义光电器件的光谱响应宽度的光谱响应宽度光谱响应光谱响应-光谱响应度光谱响应度R R随波长的变化关系称为随波长的变化关系称为光谱响应光谱响应大面积大面积InGaAsInGaAs光敏二极管的相对光谱响应曲线光敏二极管的相对光谱响应曲线二、响应时间和频率响应二、响应时间和频率响应响应时间响应时间-光电器件的输出电信号相对于输入的光光电器件的输出电信号相对于输入的光信号在时间轴上的延迟信号在时间轴上的延迟惰性惰性 -光电器件的输出响应落后于作用其上光信号的特光电器件的输出响应落后于作用其上光信号的特性称为惰性。性称为惰性。 由于惰性的存在，降低了信号的调制度，会造成输

6、出由于惰性的存在，降低了信号的调制度，会造成输出 严重畸变。严重畸变。脉冲响应特性脉冲响应特性t tr r为上升时间，即光电器件的响应从为上升时间，即光电器件的响应从稳态值的稳态值的10%10%上升到上升到90%90%所用的时间所用的时间为下降时间，即光电器件的响应从为下降时间，即光电器件的响应从稳态值的稳态值的90%90%下降到下降到10%10%所用的时间所用的时间 光电器件响应的产生和消失都存在一光电器件响应的产生和消失都存在一个滞后过程，所以入射光辐射的调制频个滞后过程，所以入射光辐射的调制频率对光电器件的灵敏度有较大的影响率对光电器件的灵敏度有较大的影响频率响应特性频率响应特性 -光电

7、器件的响应随入射光的调制频率而变化光电器件的响应随入射光的调制频率而变化的特性为的特性为频率响应特性。频率响应特性。 01 2221RR 2f 0R fR fR上限截至频率上限截至频率fc -当器件的输出信号功率降到零频时的一半，当器件的输出信号功率降到零频时的一半，即信号的幅度下降到零频的即信号的幅度下降到零频的0.707时对应的频率。时对应的频率。010 7072Rf.R12Cf时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽噪声噪声 -在一定波长的光照下光电探测器输出在一定波长的光照下光电探测器输出的电信号并不是平直的，而是在平均值上下随机地的电信号并不是平直

8、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起伏，它实质上就是物理量围绕其平均值的涨落现象。象。三、噪声等效功率三、噪声等效功率噪声噪声热噪声散粒噪声产生-复合噪声1/f 噪声热噪声热噪声或称约翰逊噪声，即载流子无规则的或称约翰逊噪声，即载流子无规则的热运动热运动造成造成的噪声。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导体或半导体中每一电子都携带着电子电量作随机运动运动( (相当于微电脉冲相当于微电脉冲) )，尽管其平均值为零，但瞬时，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，称为电流扰动在导体两端会产生一个均方根电压，称为热热噪声电

9、压噪声电压。热噪声存在于任何电阻中，热噪声与温度成正比，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，热噪声又称为与频率无关，热噪声又称为白噪声白噪声散粒噪声散粒噪声散粒噪声：入射到光探测器表面的光子是随机散粒噪声：入射到光探测器表面的光子是随机的，光电子从光电阴极表面逸出是随机的，的，光电子从光电阴极表面逸出是随机的，PNPN结结中通过结区的载流子数也是随机的。中通过结区的载流子数也是随机的。散粒噪声也是散粒噪声也是白噪声白噪声，与频率无关。，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：电探测器的研究表明：散粒

10、噪声具有支配地位散粒噪声具有支配地位。例如光伏器件的例如光伏器件的PNPN结势垒是产生散粒噪声的结势垒是产生散粒噪声的主要原因。主要原因。产生产生-复合噪声复合噪声半导体受光照，载流子不断半导体受光照，载流子不断产生产生- -复合复合。在平衡状态时，在载流子产生和复合的平均数是在平衡状态时，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有起伏的载流子浓度的起伏引起半导体载流子浓度的起伏引起半导体电导率电导率的起伏。的起伏。1/f噪声噪声或称或称闪烁噪声闪烁噪声或或低频噪声低频噪声。它和器件的不。它和器件的不均匀性及表

11、面状态相关均匀性及表面状态相关噪声的功率近似与频率成反比噪声的功率近似与频率成反比多数器件的多数器件的1/f1/f噪声在噪声在200300Hz200300Hz以上已衰以上已衰减到可忽略不计。减到可忽略不计。噪声等效功率噪声等效功率SnSnVUN E PUUR（瓦）（瓦）器件输出的信噪比器件输出的信噪比器件电压灵敏度器件电压灵敏度噪声等效功率噪声等效功率NEPNEP越小，说明光电器件的性能越好。越小，说明光电器件的性能越好。噪声等效功率又称为最小可测功率。噪声等效功率又称为最小可测功率。一般一个良好的探测器件的一般一个良好的探测器件的NEPNEP约为约为1010-11-11W W。 -光电器件输

12、出信号电压的有效值等于噪声光电器件输出信号电压的有效值等于噪声方均根电压值时的入射光功率。方均根电压值时的入射光功率。噪声等效功率是一个可测量的量噪声等效功率是一个可测量的量设入射辐射的功率为设入射辐射的功率为，测得的输出电，测得的输出电压为压为U U0 0除去辐射源，测得探测器的噪声电压为除去辐射源，测得探测器的噪声电压为U UN N按比例计算，要使按比例计算，要使U U0 0U UN N，的辐射功率为，的辐射功率为)(0WUUNEPN实际测量中多是测出实际测量中多是测出R RV V和和UnUn，然后计算，然后计算NEPNEP归一化噪声等效功率归一化噪声等效功率 -去除去除器件面积器件面积和

13、和测量带宽测量带宽的影响的影响。经过分析，发现经过分析，发现NEPNEP与检测元件的面积与检测元件的面积A Ad d和放大器和放大器带宽带宽f f 乘积的平方根成正比乘积的平方根成正比2/12/1*)()(fARfAUUNEPvsNss四、探测度四、探测度D D与比探测度与比探测度D D* *定义定义NEPNEP的的倒数倒数为光电器件的探测度，来衡量光电为光电器件的探测度，来衡量光电器件探测能力器件探测能力探测度探测度D D：它描述了器件在单位输入光功率下输出的它描述了器件在单位输入光功率下输出的信号信号信噪比信噪比D D值越大，光电器件的性能越好值越大，光电器件的性能越好1SnVnUUPDN

14、 E PU比探测度比探测度D* -与归一化噪声等效功率相应的归一化与归一化噪声等效功率相应的归一化探测度称为探测度称为比探测度比探测度D D* *1 21 21 21dSnVddnAfUURD*AfAfNEP*NEPU五、量子效率五、量子效率（）量子效率量子效率 -在某一特定波长上，每秒钟内产生在某一特定波长上，每秒钟内产生的平均光电子数与入射光量子数之比。的平均光电子数与入射光量子数之比。量子效率是一个微观参数，量子效率愈高愈好量子效率是一个微观参数，量子效率愈高愈好 11)(/)(IssRqhcqhcIhvqI光电信息转换器件的主要特性光电信息转换器件的主要特性1 1光电特性光电特性 I

15、I 光电流光电流 F F（） 光通量光通量 2 2光谱特性光谱特性 I I 光电流光电流 F F（） 入射光波长入射光波长 3 3伏安特性伏安特性 I I 光电流光电流 F F（）（） 电压电压 4 4频率特性频率特性 I I 光电流光电流 F F（f f） 入射光调制频率入射光调制频率 5 5温度特性温度特性 参数参数物理描述物理描述表达式表达式单位单位积分灵敏度积分灵敏度光电转换特性的量度光电转换特性的量度安安/ /瓦瓦伏伏/ /瓦瓦光谱灵敏度光谱灵敏度对某一波长光电转换的量度对某一波长光电转换的量度安安/ /瓦瓦频率灵敏度频率灵敏度电流随调制频率变化的量度电流随调制频率变化的量度安安/

16、/瓦瓦量子效率量子效率吸收的光子数和激光的电子数之比吸收的光子数和激光的电子数之比噪声等效功率噪声等效功率单位信噪比时的信号光功率单位信噪比时的信号光功率瓦瓦归一化探测度归一化探测度与噪声等效功率成倒数、光敏面积与噪声等效功率成倒数、光敏面积和噪声功率有关和噪声功率有关厘米厘米. .赫赫兹兹1/21/2/ /瓦瓦光电器件的特性小结光电器件的特性小结pidpdiRidPiR piRffiReh1iSNRsPNEPNEPfAD/*pudpduRu4.24.2 光电发射器件光电发射器件一、光电发射效应一、光电发射效应 若入射光辐射的若入射光辐射的光子能量光子能量h h足够大，它和金属足够大，它和金属

17、或半导体材料中的电子相互作用的结果使电子从物质或半导体材料中的电子相互作用的结果使电子从物质表面逸出，在空间电场的作用下会形成电流，此现象表面逸出，在空间电场的作用下会形成电流，此现象称为称为光电发射效应（外光电效应）光电发射效应（外光电效应）外光电效应效应是外光电效应效应是真空光电器件真空光电器件光电阴极工作的物光电阴极工作的物理基础。理基础。光电特性光电特性 -光电流与入射光通量的关系称为光电流与入射光通量的关系称为光电特性。光电特性。当照射到光阴极上的入射光频率不变时，在外加电压当照射到光阴极上的入射光频率不变时，在外加电压一定的条件下，一定的条件下，光电流光电流I Ik k（单位时间内

18、发射的光电子单位时间内发射的光电子数目）与数目）与入射光通量入射光通量成正比成正比kkSI阈值频率阈值频率 -光电发射的最低频率光电发射的最低频率 光电子的最大初始动能与入射光的频率成正比，而与入射光电子的最大初始动能与入射光的频率成正比，而与入射光强无关光强无关WhhhmE02maxmax21爱因斯坦方程爱因斯坦方程1921年因发现光电效年因发现光电效应而获得诺贝尔应而获得诺贝尔物理学奖物理学奖 Emax-光电子的最大初动能；光电子的最大初动能；max-电子最大初速度电子最大初速度 m-电子质量；电子质量；h-普朗克常数普朗克常数 W-金属材料的电子逸出功金属材料的电子逸出功入射光子的能量至

19、少要等于入射光子的能量至少要等于逸出功逸出功才能发生光电发射才能发生光电发射hWv0产生光电发射的最低频率即产生光电发射的最低频率即阈值频率阈值频率( (又又称为称为红限频率红限频率) )。它与它与材料的属性材料的属性有关，与入射光强无关；当入有关，与入射光强无关；当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越成正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多多，逸出的电子数也就越多WeVmWhcvc/24. 1/00光电发射的基本过程光电发射的基本过程光电发射材料应具备的基本条件光电发射材料应具备的基

20、本条件 1 1）对光的吸收系数要大）对光的吸收系数要大 2 2）光电子由内部向表面运动中能量损失要小）光电子由内部向表面运动中能量损失要小 3 3）材料的逸出功要小）材料的逸出功要小 ）其光电阴极的材料要有一定导电率）其光电阴极的材料要有一定导电率金属的光电发射金属的光电发射 -电子逸出功电子逸出功半导体的光电发射半导体的光电发射 -电子亲合势电子亲合势负电子亲合势负电子亲合势二、光电真空器件二、光电真空器件、光电倍增管、光电倍增管（PMT，Photo Multiplier Tube）光电倍增管是建立在光电倍增管是建立在光电子发射效应光电子发射效应、二次电子发射二次电子发射效应效应和电子光学理

21、论基础上的一种能够将为弱光信号和电子光学理论基础上的一种能够将为弱光信号转换成光电子并获倍增效应的真空光电发射器件转换成光电子并获倍增效应的真空光电发射器件 引入了电子倍增机构，具有灵敏度高、响应时间快、暗电引入了电子倍增机构，具有灵敏度高、响应时间快、暗电流小的特点。流小的特点。聚焦电极光电阴极光电倍增极阳极光窗光窗光电阴极光电阴极电子光学系统电子光学系统倍增系统倍增系统阳极阳极2、光电倍增管结构、光电倍增管结构光电倍增管组成部分的常用材料光电倍增管组成部分的常用材料光窗光窗光电阴极光电阴极电子光学电子光学系统系统倍增极倍增极阳极阳极材料材料钠钙玻璃、鹏钠钙玻璃、鹏硅玻璃，熔凝硅玻璃，熔凝石

22、英、氟镁玻石英、氟镁玻璃等璃等化合物半化合物半导体导体金属金属含碱复杂含碱复杂面、氧化面、氧化镁、银镁、镁、银镁、铝镁等铝镁等金属金属特性特性决定短波阈值决定短波阈值决定长波决定长波阈值阈值与阴极同与阴极同电位电位倍增系数倍增系数( (二次电子发射系数二次电子发射系数) ) -单个入射电子所产生的平均电子数单个入射电子所产生的平均电子数12NNN N1 1 入射电子数入射电子数N N2 2 发射电子数发射电子数Ub倍增系数与材料的性质、电极的结构和形状、外加电压有关倍增系数与材料的性质、电极的结构和形状、外加电压有关通常倍增极个数为通常倍增极个数为914,914,倍增系数多为倍增系数多为363

23、6一般阳极和阴极之间的电压为一般阳极和阴极之间的电压为10002500V10002500V两个相邻的倍增电极的电位差为两个相邻的倍增电极的电位差为50100V50100V对所加电压越稳越好对所加电压越稳越好3、光电倍增管的特性参数、光电倍增管的特性参数（1 1）灵敏度）灵敏度 描述光电器件对入射光信号的响应能力描述光电器件对入射光信号的响应能力 其定义：光电器件在单位入射光通量下的输出电流。其定义：光电器件在单位入射光通量下的输出电流。pIS光电器件的响应电流光电器件的响应电流入射光通量入射光通量 光电倍增管分为阴极灵敏度和阳极灵敏度光电倍增管分为阴极灵敏度和阳极灵敏度（2 2）电流增益）电流

24、增益G Gn定义：同样入射光通量下的阳极电流与阴极电流之比定义：同样入射光通量下的阳极电流与阴极电流之比n或阳极灵敏度与阴极灵敏度之比或阳极灵敏度与阴极灵敏度之比KAKASSIIG若倍增管有若倍增管有n n个倍增极，且每个倍增极的倍增系数个倍增极，且每个倍增极的倍增系数 均相等，则有均相等，则有nGn其定义：阳极其定义：阳极电流与入射到电流与入射到光电阴极的光光电阴极的光通量之间的函通量之间的函数关系数关系10-110-310-510-710-910-1110-13IA/A10-1410-1010-610-2/lm在在45mA处饱和处饱和（3 3）光电特性）光电特性（4 4）伏安特性）伏安特性

25、n表征阳表征阳( (阴阴) )极电流与阳极电流与阳( (阴阴) )极和极和最末一级倍增最末一级倍增极极之间电压关系的阳之间电压关系的阳( (阴阴) )极伏安特性曲线极伏安特性曲线阳极电压阳极电压/VIA/mA0501001502468101220lm40lm60lm80lm100lm120lm 在电路设计时，一般使在电路设计时，一般使用阳极伏安特性曲线来用阳极伏安特性曲线来进行负载电阻、输出电进行负载电阻、输出电流、输出电压的计算流、输出电压的计算定义：在各电极都加上正常工作电压，并且阴极无定义：在各电极都加上正常工作电压，并且阴极无光照情况下阳极的输出电流的大小。光照情况下阳极的输出电流的大

26、小。（5）暗电流）暗电流它限制了可测直流光通量的最小值，同时也是产生噪声它限制了可测直流光通量的最小值，同时也是产生噪声的重要因素，是的重要因素，是鉴别倍增管质量好坏的重要参量。鉴别倍增管质量好坏的重要参量。 产生的因素：产生的因素：阳极或其他电极的漏电；极间电压过高引阳极或其他电极的漏电；极间电压过高引起的场致发射；阴极和靠近阴极的倍增极之间的热电子起的场致发射；阴极和靠近阴极的倍增极之间的热电子发射等。发射等。（6）噪声与噪声等效功率）噪声与噪声等效功率 光电倍增管的噪声主要是光电倍增管的噪声主要是散粒噪声散粒噪声，指由倍，指由倍增管本身引起的输出偏离与平均值的起伏增管本身引起的输出偏离与

27、平均值的起伏 主要来源主要来源：光电阴极光电发射的随机性和各倍增极二：光电阴极光电发射的随机性和各倍增极二次电子发射的随机性，也与背景光或信号光中的直流次电子发射的随机性，也与背景光或信号光中的直流分量有关分量有关. .SNRNEP信噪比信噪比) 1/(/nAAAnAnAAIISIIINEP(4)、光电倍增管的供电电路、光电倍增管的供电电路电阻链分压电阻链分压阴极接地阴极接地 便于屏蔽、阳极高压便于屏蔽、阳极高压阳极接地阳极接地 屏蔽效果差，后续电路简单、廉价屏蔽效果差，后续电路简单、廉价(5)、光电倍增管的使用要点、光电倍增管的使用要点 使用前应了解器件的特性使用前应了解器件的特性( (高压

28、、怕震高压、怕震) ) 使用时不可强光照射使用时不可强光照射工作电流不宜过大工作电流不宜过大测量交变光时，负载电阻不宜很大，否则测量交变光时，负载电阻不宜很大，否则 会影响动态特性会影响动态特性国产光电倍增管的技术参数国产光电倍增管的技术参数6、光电倍增管的应用案例、光电倍增管的应用案例光电倍增管探测器解决光电倍增管探测器解决DNADNA排序问题。排序问题。 金属壳光电倍增管的金金属壳光电倍增管的金属通道电子倍增极允许属通道电子倍增极允许多通道输出，可以同时多通道输出，可以同时探测来自多个分子的荧探测来自多个分子的荧光信号，从而提高探测光信号，从而提高探测灵敏度和探测速度灵敏度和探测速度。荧光

29、相关光谱术荧光相关光谱术（FCSFCS）利用单光子）利用单光子计数光电倍增管探计数光电倍增管探测测DNADNA靶序列。靶序列。 、微通道板、微通道板微通道板微通道板 -是由上百万个微小单通道玻璃管是由上百万个微小单通道玻璃管( (电电子倍增器子倍增器) )彼此平行的集成为片状盘形的薄板。彼此平行的集成为片状盘形的薄板。微通道板的制备由含有铅，微通道板的制备由含有铅，铋等重金属的硅酸盐玻璃铋等重金属的硅酸盐玻璃制成制成微通道的二次电子发射系数与关微通道的二次电子发射系数与关闭内的电子发射材料有关，与通闭内的电子发射材料有关，与通道的长径比有关，与通道所加的道的长径比有关，与通道所加的电压有关，但

30、电压有关，但与通道的大小无关与通道的大小无关，因此可以做得很小。因此可以做得很小。镍电极输出电子输入电子微通道面阵通道斜面加固环微通道板纵向坡面图微通道板纵向坡面图微通道板光电倍增管微通道板光电倍增管 -是将是将光电阴极光电阴极、微通道板微通道板和和荧光屏荧光屏做到一起，做到一起，达到对微弱图像信号的放大作用达到对微弱图像信号的放大作用微通道板倍增管不改变图象的空间分布微通道板倍增管不改变图象的空间分布，常被用作，常被用作像管、像增强器、高速光电倍增管、高速示波器等像管、像增强器、高速光电倍增管、高速示波器等灵敏度灵敏度暗电流暗电流响应时间响应时间增益增益能否二维探测能否二维探测通用光电通用光

31、电倍增管倍增管高高大大慢慢 小小不能不能微通道板微通道板光电倍增光电倍增管管比通用的比通用的光电倍增光电倍增管高一个管高一个量级量级比通用的比通用的光电倍增光电倍增管小两个管小两个量级量级非常快非常快大大能能夜视仪微通道板图像夜视仪微通道板图像 微球板电子倍增器微球板电子倍增器 微球板(MSP)是由直径为50-80um的玻璃微珠构成的无规则堆积的盘片状烧结体，厚度分0. 7mm和1. 4mm两种。其内部玻璃微珠间隙构成了微型的弯曲通道，形成阵列结构。特点：1：增益高，相当于2-3级MCP串联2：无离子反馈；3：制备工艺简单4.34.3 光电导器件光电导器件一、光电导效应一、光电导效应光电导效应

32、光电导效应 -半导体受光照后，内部产生半导体受光照后，内部产生光生载流子光生载流子，使半导，使半导体中载流子数显著增加而电阻减少的效应。体中载流子数显著增加而电阻减少的效应。 光电导效应是光电导器件光电导效应是光电导器件 工作的物理基础。工作的物理基础。光电导效应是一种光电导效应是一种内光电效应内光电效应( (对比外光电效应对比外光电效应) )在半导体和绝缘体中存在，在半导体和绝缘体中存在，在金属中是否存在？在金属中是否存在？光电导效应机理光电导效应机理光光半导体材料半导体材料晶格原子、杂质晶格原子、杂质原子的束缚电子原子的束缚电子吸收能量吸收能量载流子浓载流子浓度增加度增加电导率电导率增大增

33、大变为传导变为传导态自由电态自由电子子激发激发光电导效应本征光电导杂质光电导本征光电导本征光电导只有光子能量大于材料只有光子能量大于材料禁带宽度禁带宽度的入射光才能激发电的入射光才能激发电子空穴对，使材料产生光电导效应的现象子空穴对，使材料产生光电导效应的现象gEh导带导带价带价带禁带禁带自由电子所占能带自由电子所占能带不存在电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带价电子所占能带E Eg gggEeVEhc24. 10截止波长截止波长光LS本征半导体本征半导体A 暗电导暗电导 暗电流暗电流 亮电导亮电导 亮电流亮电流LSGddLSGddLSUIddLSGddLSGllLSUIll本征光电导

34、本征光电导稳态光电导稳态光电导 光电导光电导LSGGGdldlp)( 光电流光电流LSUIIIdldlp)(光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。也就是说，暗电流越小，光电流越大，越好。也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。这样的光敏电阻的灵敏度越高。 实用的光敏电阻的暗电阻往往超过实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1M,1M,甚至甚至高达高达100M100M，而亮电阻则在几，而亮电阻则在几kk以下，暗电以下，暗电阻与亮电阻之比在阻与亮电阻之比在102102106106之间，可见光敏电之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。阻的灵敏度

35、很高。 本征光电导本征光电导稳态光电导稳态光电导本征光电导本征光电导光电导驰豫过程光电导驰豫过程 光电导效应是光电导效应是非平衡载流子非平衡载流子效应效应 驰豫过程即光电导材料从光照开始到获得稳定的驰豫过程即光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流需要经过一定的时间，光照停止后光电流光电流需要经过一定的时间，光照停止后光电流消失也要一定时间，驰豫过程又称为消失也要一定时间，驰豫过程又称为惰性惰性 r r上升时间常数上升时间常数 63%63%； f f下降时间常数下降时间常数 37%37%i %1006337rf 输入光功率按正弦规律变化时，输出光电流呈现输入光功率按正弦规律变化时，输出光电流呈现

36、低通特性低通特性20)(1)(IInI I0 0为低频时输出的光电流为低频时输出的光电流n =1/=1/时，时， f fc c=1/2=1/2 称为光电器件称为光电器件上限截止频率上限截止频率，或称，或称带宽带宽2/0II 本征光电导本征光电导光电导驰豫过程光电导驰豫过程 长度为长度为L L的光电导体在两端加上电压的光电导体在两端加上电压U U后，由光照产后，由光照产生的光生载流子在电场作用下形成的外电流与光生生的光生载流子在电场作用下形成的外电流与光生载流子在内部形成的光电流之比载流子在内部形成的光电流之比drtMt tdrdr: :光电子在两极之间的光电子在两极之间的渡越时间渡越时间：器件

37、的：器件的时间响应时间响应本征光电导本征光电导光电导增益光电导增益 长度为长度为L L的光电导体在两端加上电压的光电导体在两端加上电压U U后，由光照产后，由光照产生的光生载流子在电场作用下形成的生的光生载流子在电场作用下形成的外电流外电流与光生与光生载流子在内部形成的载流子在内部形成的光电流光电流之比之比drtMt tdrdr: :光电子在两极之间的光电子在两极之间的渡越时间渡越时间：器件的：器件的时间响应时间响应本征光电导本征光电导光电导增益光电导增益A金属封装的硫化镉光敏电阻结构图金属封装的硫化镉光敏电阻结构图光导电材料光导电材料绝缘衬低绝缘衬低引线引线电极电极引线引线光电导体光电导体光

38、导体吸收光子而产生的光光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面电效应，只限于光照的表面薄层，因此光电导体一般都薄层，因此光电导体一般都做成做成薄层薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用阻的电极一般采用梳状梳状图案，图案，由于在间距很近的电极之间有由于在间距很近的电极之间有可能采用大的灵敏面积，所以可能采用大的灵敏面积，所以提高了光敏电阻的灵敏度。提高了光敏电阻的灵敏度。杂质光电导杂质光电导价带价带导带导带电子电子空穴空穴施主施主杂质半导体中的施主或受主吸收光子能量后杂质半导体中的施主或受主吸收光子能量后电离电离，产生自由电子或空穴，从而增加电导率的现

39、象产生自由电子或空穴，从而增加电导率的现象对对N N型半导体型半导体 杂质半导体中施主或受主的电离能比同材料本征杂质半导体中施主或受主的电离能比同材料本征半导体的禁带宽度小得多，因此相应波长比半导半导体的禁带宽度小得多，因此相应波长比半导体材料的工作波长长很多。体材料的工作波长长很多。本征型用于可见光长本征型用于可见光长波段波段, ,杂质型用于红外波段。杂质型用于红外波段。杂质光电导杂质光电导截止波长截止波长 10Ehc 为了避免热激发载流子噪声超过光激发的载流子为了避免热激发载流子噪声超过光激发的载流子，杂质半导体器件大多工作在制冷状态，杂质半导体器件大多工作在制冷状态，杜瓦瓶杜瓦瓶二、光敏

40、电阻及其特性二、光敏电阻及其特性1-1-光导层光导层; ; 2-2-玻璃窗口玻璃窗口; ; 3-3-金属外壳金属外壳; ; 4-4-电极电极; ;5-5-陶瓷基座陶瓷基座; ; 6-6-黑色绝缘玻璃黑色绝缘玻璃; ; 7-7-电阻引线。电阻引线。光敏电阻的结构1 2 34567灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光电导体灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光电导体严密封装在玻璃壳体中。严密封装在玻璃壳体中。光敏电阻光敏电阻光敏电阻材料：光敏电阻材料：主要是硅、锗和化合物半导体，例如：硫主要是硅、锗和化合物半导体，例如：硫化镉（化镉（CdSCdS），锑化铟（），锑化铟（InSbInSb）等。）等。入射光

41、入射光电极引线电极引线金属电极金属电极半导体材料半导体材料特点：特点：光谱响应范围宽（特别是对于红光和红外辐射）；光谱响应范围宽（特别是对于红光和红外辐射）；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；光电导增益大，灵敏度高；无极性，使用方便；无极性，使用方便；在强光照射下，光电线性度较差在强光照射下，光电线性度较差光电驰豫时间较长，频率特性较差。光电驰豫时间较长，频率特性较差。光敏电阻光敏电阻-光电特性光电特性 光电灵敏度光电灵敏度EGSpg/UESIrgp012345I/mA L/lx100

42、02000EUSIgp：外加电压欧姆接触为电压指数光电导，照度指数USg) 1(:) 15 . 0(:对于硫化镉，弱光下有对于硫化镉，弱光下有 =1=1 光电流光电流与与照度照度的关系称为光电特性的关系称为光电特性光敏电阻光敏电阻-光谱特性光谱特性光谱特性与光敏电阻的材料有关。光谱特性与光敏电阻的材料有关。光谱与人眼接近，可用于与人眼有关的仪器，如照相机光谱与人眼接近，可用于与人眼有关的仪器，如照相机照相机，照度计，光度计等，但需加滤光片修正照相机，照度计，光度计等，但需加滤光片修正204060801000.40.50.60.70.80.9/m312相对灵敏度1硫化镉单晶硫化镉单晶2硫化镉多晶

43、硫化镉多晶3硒化镉多晶硒化镉多晶光敏电阻光敏电阻-频率特性频率特性光敏电阻时间常数比较大，其光敏电阻时间常数比较大，其上限截止频率低。所以，它不能上限截止频率低。所以，它不能用在要求快速响应的场合。用在要求快速响应的场合。只有只有PbSPbS光敏电阻的频率特性稍光敏电阻的频率特性稍好些，可工作到几千赫。好些，可工作到几千赫。20406080100I / %f / Hz010102103104硫化铅硫化镉光敏电阻光敏电阻-伏安特性伏安特性50100150200U/V02040I/ AE0E1E2E3E4E5Pm光敏电阻是一个纯电阻，因此符合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

44、欧姆定律，其伏安特性曲线为直线直线。不同光照度对应不同直线不同光照度对应不同直线受耗散功率的限制，在使用时，光受耗散功率的限制，在使用时，光敏电阻两端的电压不能超过最高工敏电阻两端的电压不能超过最高工作电压。作电压。超过最高工作电压和最大额定电流，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。可能导致光敏电阻永久性损坏。在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为关系称为伏安特性伏安特性。光敏电阻光敏电阻-温度特性温度特性)(/ )(12112TTRRR光敏电阻是多数载流子导电，温度特性复杂。光敏电阻是多数载流子导电，温

45、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下降。随着温度的升高，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特性曲线。温度的变化也会影响光谱特性曲线。不同材料亮电阻的温度系数有正有负不同材料亮电阻的温度系数有正有负温度系数温度系数R R1 1，R R2 2分别为温度分别为温度T T1 1，T T2 2时的亮电阻时的亮电阻光敏电阻光敏电阻-温度特性温度特性亮电阻相对亮电阻相对变化率变化率%温度温度/oC20301010100lx1lx硫化镉单晶硫化镉单晶温度温度/oC20301010100lx1lx硫化镉多晶硫化镉多晶亮电阻相对亮电阻相对变化率变化率%相相对对灵灵敏敏度

46、度10.5012345290K195K77K波长波长/ m硫化铅硫化铅随温度降低光谱响应曲线向长波方向移动；随温度降低光谱响应曲线向长波方向移动；尤其是红外探测器要采取制冷措施尤其是红外探测器要采取制冷措施光谱响应曲线随温度的变化光谱响应曲线随温度的变化771.暗态前历暗态前历3分钟分钟2.暗态前历暗态前历60分钟分钟2.暗态前历暗态前历24小时小时123相对光电流时间/s硫化镉1101001000光敏电阻光敏电阻-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”有关的有关的一种现象一种现象 有有暗态前历暗态前历和和亮态前历亮态前历之分之分 亮态前历一般比

47、暗态前历响应时间短亮态前历一般比暗态前历响应时间短光敏电阻光敏电阻-稳定性稳定性I / %408012016021T/h0400 800 1200 1600光敏电阻在人为地加温、光照及光敏电阻在人为地加温、光照及加负载情况下，经一至二周的老加负载情况下，经一至二周的老化，性能可达稳定化，性能可达稳定光敏电阻的使用寿命在密封良好、光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况下，几乎是使用合理的情况下，几乎是无限无限长长的。的。 光敏电阻光敏电阻-使用要点使用要点 当用于模拟量测量时，因光照指数与光强有关，只当用于模拟量测量时，因光照指数与光强有关，只有有弱光照射下弱光照射下光电流与入射辐射通量呈

48、线性关系光电流与入射辐射通量呈线性关系 用于光度量测试仪器时，必须对光谱特性曲线进行修用于光度量测试仪器时，必须对光谱特性曲线进行修正，保证其与人眼的正，保证其与人眼的光谱光视效率曲线光谱光视效率曲线符合符合 光敏电阻的光谱特性与温度有关，温度低时，灵敏范光敏电阻的光谱特性与温度有关，温度低时，灵敏范围和峰值波长都向围和峰值波长都向长波方向长波方向移动，可采取冷却灵敏面移动，可采取冷却灵敏面的方法来提高光敏电阻在长波区的灵敏度的方法来提高光敏电阻在长波区的灵敏度光敏电阻温度特性很复杂，有正有负，一般不适合在光敏电阻温度特性很复杂，有正有负，一般不适合在高温下使用高温下使用光敏电阻光敏电阻-使用

49、要点使用要点光敏电阻带宽都比较窄，在室温下只有少数品种能超光敏电阻带宽都比较窄，在室温下只有少数品种能超过过1000Hz1000Hz，而且，而且带宽和增益乘积是常量带宽和增益乘积是常量，如果要求带，如果要求带宽较宽，势必牺牲灵敏度宽较宽，势必牺牲灵敏度设计负载电阻时，应考虑光敏电阻的额定功耗，负设计负载电阻时，应考虑光敏电阻的额定功耗，负载电阻值不宜过小载电阻值不宜过小进行动态设计时，应考虑到光敏电阻的前历效应进行动态设计时，应考虑到光敏电阻的前历效应光敏电阻光敏电阻-噪声噪声81噪声源：噪声源：热噪声热噪声、产生复合噪声产生复合噪声、1/f1/f噪声噪声fIKfIfTqRfkTiiiiprn

50、frngnTn1222222241/44热噪声热噪声产生复产生复合噪声合噪声低频低频噪声噪声热噪声热噪声：高频段的主要噪声：高频段的主要噪声产生复合噪声产生复合噪声：中频段的主要噪声：中频段的主要噪声1/f1/f噪声噪声：低频噪声：低频噪声2ni2nfi2rngi2nTif/Hz1K1M光敏电阻光敏电阻-噪声噪声通常采用光敏电阻的光电系统选择中频段的调制频率通常采用光敏电阻的光电系统选择中频段的调制频率 使用材料：硫化镉（使用材料：硫化镉（CdSCdS），硫化铅（），硫化铅（PbSPbS），锑化铟），锑化铟（InSbInSb），碲镉汞（），碲镉汞（HgCdTeHgCdTe），碲锡铅（），碲锡铅

51、（PbSnTePbSnTe）. . 光敏面：光敏面：1-3 mm1-3 mm 工作温度：工作温度：-40 80-40 80o oC C 温度系数：温度系数： 1 1 极限电压：极限电压：10 300V10 300V 耗散功率：耗散功率： 100 WE1IscO有光照E=0Id无光照IU光导模式光导模式ppkTqUIIeII) 1(/0光伏工作模式光伏工作模式光伏效应光伏效应-伏安特性伏安特性光伏模式光伏模式IpIdRLIpId光导模式光导模式光伏模式时，器件内阻远小于负载电阻，恒压源光伏模式时，器件内阻远小于负载电阻，恒压源光导模式时，器件内阻远大于负载电阻，恒流源光导模式时，器件内阻远大于负

52、载电阻，恒流源RL光伏探测器两种工作模式的等效电路光伏探测器两种工作模式的等效电路二、光电池二、光电池光电池光电池- 是根据是根据光生伏特效应光生伏特效应制成的将光能转换成电能的一制成的将光能转换成电能的一种器件。种器件。光电池太阳能光电池太阳能光电池测量光辐射用光电池测量光辐射用光电池2CR系列系列2DR系列系列P-SiN-Si下电极下电极防反射膜防反射膜N-SiP-Si光电池结构光电池结构 硅光电池硅光电池开路电压一般为开路电压一般为0.45V0.6V0.45V0.6V，最大不超过，最大不超过0.756V0.756V，因不能大于，因不能大于PNPN结热平衡的接结热平衡的接触电动势差触电动势

53、差 硅单晶光电池短路电流可达硅单晶光电池短路电流可达3540mA/cm3540mA/cm2 2光电池的光电特性光电池的光电特性短路电流短路电流0.10.20.30.40.5Uoc /V020406080100入射光强（入射光强（mW/cm2）10080604020Isc/mA开路电压开路电压开路电压与照度的开路电压与照度的对数对数成正比成正比短路电流与照度在弱光情况下呈短路电流与照度在弱光情况下呈线性关系线性关系开路电压、开路电压、短路电流与短路电流与入射光强的入射光强的关系曲线关系曲线短路电流短路电流0.10.20.30.40.5Uoc /V0100200受光面积受光面积A/cm210080

54、604020Isc/mA开路电压开路电压光电池的光电特性光电池的光电特性开路电压、开路电压、短路电流与短路电流与受光面积的受光面积的关系曲线关系曲线开路电压与受光面积的开路电压与受光面积的对数对数成正比成正比短路电流与受光面积呈短路电流与受光面积呈线性线性关系关系光电池的光电特性光电池的光电特性100101102103104105E/lx10100100010-210-110010102I/mA电电流流密密度度 A/mm2光电流在弱光情况下与照度呈光电流在弱光情况下与照度呈线性线性关系关系光照度增加到一定程度后，输出电流出现光照度增加到一定程度后，输出电流出现饱和饱和负载电阻越大越容易出现饱和

55、负载电阻越大越容易出现饱和光电池在不同光电池在不同负载时的光电负载时的光电特性特性光电池的伏安特性光电池的伏安特性 RL/0100200300400500UL0.10.20.30.40.5Uoc /V10080604020Isc/mAILPLRM光电池负载电阻光电池负载电阻与功率、输出电与功率、输出电压、电流关系压、电流关系IL随随RL增大而减小，增大而减小， RL=0时，时，IL等于短路电流等于短路电流Isc RL= 时，时，UL等于开路电压等于开路电压Uoc负载功率负载功率 RL=RM时最大，时最大，RM称为最佳负载称为最佳负载PLQPMUOCULUMILIMISC100U/mV3000I

56、/mA2040RM负载线负载线RL负载线负载线nP PM M为为最大输出功率最大输出功率光电池的伏安特性光电池的伏安特性1012345f / kHz20406080100I /%1硒光电池硒光电池2RL=1kRL=10kRL=100k2硅光电池硅光电池光电池的响应时间主要由电容和负载电阻光电池的响应时间主要由电容和负载电阻R RL L的乘的乘积所决定积所决定由于光电池由于光电池PNPN结面积较大，极间电容大，故频率结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。特性较差。光电池的频率特性光电池的频率特性利用光电池进行检测的使用特点利用光电池进行检测的使用特点1.光电池的光电池的PN结面积大，可用于杂散

57、光或非聚焦结面积大，可用于杂散光或非聚焦状态下的光的接收状态下的光的接收优点：优点：3.光电池的线性范围大光电池的线性范围大2.光电池的光电池的PN结面积大，输出电信号强，信噪比高结面积大，输出电信号强，信噪比高缺缺 点：点：4.光电池的长期工作稳定性好光电池的长期工作稳定性好光电池的频响较低光电池的频响较低常用光电池的特点常用光电池的特点硅光电池硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。外光。硒光电池硒光电池光电转换效率低光电转换效率低(0.02(0.02) )、寿命短，适于接收、寿命短，适于接收可见光可见光( (响应峰值波长响应峰值波长0

58、.56m)0.56m)，最适宜制造照度计。，最适宜制造照度计。砷化镓光电池砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性则与太阳光谱最吻合。且工作温度最高，更耐受宇宙射则与太阳光谱最吻合。且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因此，它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等线的辐射。因此，它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等的电源方面的应用广泛。的电源方面的应用广泛。光电池的应用光电池的应用放放大大系系统统和和差差运运算算AD单单片片机机太阳俯仰电机太阳俯仰电机光电池的应用光电池的应用使用四象限硅光电池实现太阳跟踪使用四象限硅光电池实现太阳跟踪三、光敏二极管三、光敏二极

59、管特点：结面积小结面积小，结电容小（几，结电容小（几pFpF），频率特性好，响），频率特性好，响应快（应快（1010-6-6 1010-7-7秒秒 ）输出电流小，小于输出电流小，小于1mA1mA，微安到几十微安，而光，微安到几十微安，而光电池可达电池可达1A1A材料种类材料种类硅，锗，砷化镓，锑化锢，铈化铅等硅，锗，砷化镓，锑化锢，铈化铅等硅硅材料暗电流温度系数小，应用最广泛材料暗电流温度系数小，应用最广泛符号符号P-SiP-SiN-SiN-SiP-SiP-SiN-SiN-Si前极前极前极前极后极后极后极后极SiOSiO2 2防反膜防反膜N N+ +-Si-Si环极环极2CU2CU2DU2DU

60、（3 3条引线）条引线）光敏二极管的结构和符号光敏二极管的结构和符号2DU2DU光敏二极管光敏二极管P-SiP-Si前极前极后极后极SiO2防反膜（常含防反膜（常含Na+,K+,H+）P-SiP-SiN-SiN-Si前极前极后极后极N N+ +-Si-Si环环极极SiOSiO2 2中正离子是中正离子是P-SiP-Si表面产生感应电子层，该电子层表面产生感应电子层，该电子层与与N-SiN-Si导电类型相同，使导电类型相同，使P-SiP-Si表面与表面与N-SiN-Si连通连通管子加反向偏压时，除管子加反向偏压时，除P-NP-N结反向暗电流外，还包括表结反向暗电流外，还包括表面感应电子层产生的暗电