第三章+光电检测器件

第三章光电检测器件2/1/20231光电器件的类型与特点光电器件的基本特性参数半导体光电器件光电导器件—光敏电阻光伏器件光电池光电二极管/三极管真空光电器件光电管光电倍增管热电检测器件热敏电阻热电偶和热电堆热释电探测器件2/1/202323.1 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。2/1/20233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λ。，响应快，纳秒级。热电检测器件：响应波长无选择性，响应慢。2/1/20234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2/1/20235光电检测器件的特点光子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2/1/202363.2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2/1/20237一、响应特性１．响应度（或称灵敏度）：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2/1/20238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/探测器接收的所有波长光的总辐射通量探测器输出的信号电流/探测器接收的所有波长光的总辐射通量2/1/20239２．光谱响应度：探测器在波长为λ的单色光照射下，输出电压或电流与入射的单色光功率之比．３．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=/Ø2/1/202310４．响应时间：响应时间τ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。2/1/2023112/1/202312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）

５．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。2/1/202313上限截止频率，当S(f)/So=0.707时可得到放大器的上限截止频率。时间常数RC决定了光电探测器频率响应的带宽2/1/2023142/1/202315二、噪声特性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起伏，它实质上就是物理量围绕其平均值的涨落现象。用均方噪声来表示噪声值大小2/1/202316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。2/1/202317光电探测器常见的噪声特点：随机，不可预测；统计平均值为0。表征：均方值（方均值）表述噪声特性：

与频率相关；

or与频率无关-白噪声。热噪声散粒噪声产生-复合噪声1/f噪声tt2/1/2023181、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2/1/2023192、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。2/1/2023203、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。2/1/2023214、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器件的1/f噪声在200~300Hz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。2/1/202322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2/1/2023232、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。2/1/2023243、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等效噪声功率又称为最小可探测功率。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。2/1/202325

NEP越小，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U0＝UN，的辐射功率为2/1/2023264、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Δf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。返回2/1/2023275、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。2/1/202328三、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。2/1/202329量子效率与响应度的关系I/q：每秒产生的光子数P/hν：每秒入射的光子数2/1/202330四、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。在某一范围内探测器的响应度是常数，称这个范围为线性区。非线性误差：

δ＝Δmax/(I2–I1)Δmax：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。2/1/202331五、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。2/1/2023323.3半导体及真空光电器件光电导器件: 光敏电阻光伏器件: 光电池/光电二极管/三极管外光电效应器件：光电管光电倍增管2/1/202333

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2/1/2023343.3.1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。

2/1/2023353.1.1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这些物体。根据爱因斯坦光电效应方程式，有2/1/202336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=9.1091×10-31kg；

u——电子逸出物体时的初速度；

n——光子频率；

h——普朗克常数。2/1/202337

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n0表示。根据上式可得：若光的频率小于红限频率，光子的能量不足以使物体的电子逸出，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。2/1/202338

（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hn

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。2/1/2023393.1.2

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。2/1/202340

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ΔEg=0.75eV，硅的ΔEg=1.2eV。

2/1/202341

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，能够使物体产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。2/1/202342

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。2/1/202343如图所示：2/1/2023443.1.3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。2/1/202345光电管阴极K阳极AIФΦRLUoutUb真空型充气型：有倍增作用2/1/202346如图所示：2/1/202347（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。2/1/202348

真空光电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。2/1/202349阳极饱和光电流入射光的强度2/1/202350

（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。

2/1/202351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）PhotoMultiplieTube

2/1/202352HAMAMATSU（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。2/1/202353

几种光电倍增管的外形图如图所示。2/1/202354

光电倍增管的工作原理建立在光电发射和二次发射的基础之上，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。2/1/202355

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。2/1/202356

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50~100V，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，则一般M在105~108之间。因此，设光电阴极的光电流为I0

，则到达阳极的电流为2/1/202357光电倍增管外形及工作原理2/1/202358A. 单级光电倍增管

由光电阴极、倍增极和阳极等部分组成。KADE2E1光线2/1/202359B. 多级光电倍增管2/1/202360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光电倍增管----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数目放大的真空光电发射器件。电子光学系统2/1/202361阴极KA阳极μAU1U2U5U6U3D2U4D3D1D4D5每一倍增极之间的电压为50-150V。每7-10个光子从光电阴极发射出1-3个电子。电子被加速打在倍增极上，每1个电子可以打出3-6个电子。一直持续下去直到最后一个倍增极,电子数量达到105-108，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2/1/2023621.入射窗口1）窗口材料反射式光电阴极透射式光电阴极2）常用的窗口材料硼硅玻璃：透射范围从300nm~红外透紫外玻璃：可透过的最短波长为185nm，但化学稳定性较差-----决定了入射光的透过情况侧窗式端窗式2/1/202363熔融石英：可透过的最短波长为160nm蓝宝石：可透过的最短波长为150nmMgF2:

可透过的最短波长为115nm2.电子光学系统是指：阴极到第一倍增极之间的电极空间，包括光电阴极、聚焦极、加速极及第一倍增极。作用：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尽量使电子的渡越时间相同电子光学系统2/1/2023643.电子倍增极1）二次电子发射原理二次电子发射系数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2）倍增极材料①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②氧化物型，氧化镁、氧化钡③合金型，银镁、铝镁、铜镁、铜铍④负电子亲合势材料，如铯激活的磷化镓一般为3-6个可达20-25个N1入射光子数N2出射光电子数2/1/2023652）倍增极结构有聚焦型和非聚焦型两大类。聚焦型---鼠笼式、直线聚焦式非聚焦型----盒栅式、百叶窗式、近贴栅网式、微通道板式AK2/1/2023664.阳极Uout阴极KA阳极D2E=700-3000VD3D1D4D5R6R3R2R1R4R5RLФIP3.光电倍增管的主要特性参数1.灵敏度1）光谱响应阴极光谱灵敏度窗口材料光电阴极材料阳极光谱灵敏度光电倍增管放大系数2/1/2023672）阴极灵敏度阴极灵敏度：阴极输出电流与入射光通量之比IKIK阴极KP阳极μAD2D3D1D4D5白光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极，即无倍增时的光电流与入射辐射通量之比值。2/1/2023683）阳极灵敏度阳极灵敏度，阳极输出电流与入射光通量之比IP白光灵敏度蓝光灵敏度、红光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量之比值。阴极KA阳极μAU1U2U5U6U3D2U4D3D1D4D52/1/2023692.放大倍数（增益）

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GM＝Ⅰa/Ⅰk2/1/2023703.暗电流正常工作状态下,但无信号光照的情况下,阳极的电流输出（1）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。（2）极间漏电流，支撑电极的绝缘体的漏电。保持清洁（3）高压电场产生离子反馈,进而形成光反馈4.噪声器件本身的散粒噪声：对于一些不连续的量,如电子发射,光子发射,电子流等,其发射率在平均值附近上下起伏,而产生噪声.---大部分由阴极的热电子发射引起器件本身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(1/f噪声)2/1/2023715.伏安特性2）阳极伏安特性曲线Ф2Ф3Ф51015IA(μA)UP(V)50100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IP

对于最后一级倍增极和阳极间的电压U的关系。作此曲线时，其余各电极的电压保持恒定。1）阴极伏安特性曲线Ф2Ф3Ф51015IK(nA)UK(V)50100它表示阴极电流IK

与阴极与第一倍增极之间电压的关系。2/1/202372---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，因此使增益降低。工作在饱合区时信号会失真。ФIP线性区饱合区6.线性2/1/202373光电倍增管的组成：1．光窗

光窗是入射光的通道，是对光吸收较多的部分。决定光谱短波限。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。2．光电阴极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。3．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极上，使下一级的收集率接近于1

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。4．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。2/1/2023745．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。光电倍增管的电流放大系数β:光电倍增管的阳极电流和阴极电流的关系:2/1/2023752/1/202376

2．光电倍增管的特性：

光电特性

光谱特性

伏安特性

放大特性

频率特性

疲乏特性

暗电流Iφ=0

2/1/202377特点：线性增加，然后偏离直线。分析：（1）疲乏 （2）空间电荷下一页

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+-上一页

光电特性特点：带内响应，带外截止，并有峰值存在。分析：（1）短波限（2）长波限下一页上一页啊

光谱特性

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+-特点：（1）光通量不变，曲线由上升到饱和。

（2）电压不变，阳极电流随光通量增加。下一页上一页

伏安特性

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+-特点：随着电源电压升高，放大系数或灵敏度增大。下一页上一页放大特性是指电流放大系数β或灵敏度随电源电压U增大的关系。

放大特性

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+-特点：随阳极电流的增大，灵敏度下降随使用时间的增长，灵敏度下降下一页上一页

疲乏特性

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+-暗电流形成因素：热电子发射。所以温度T越高，暗电流Iφ=0的越大。漏电流。上一页暗电流

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+-3.1.4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.

2/1/202384

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。2/1/202385光电导效应----光照引起材料电导变化的现象称为光电导效应,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。光敏电阻的特点：①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②偏置电压低，工作电流大③动态范围宽，既可测强光，也可测弱光④光电导增益大，灵敏度高⑤光敏电阻无极性，使用方便2/1/2023861.光敏电阻的结构和分类光敏电阻（光导管）---用光电导体制成的光电器件。RA.本征型光敏电阻价带导带常温光照时价带导带常温无光照时Eg要发生光电导效应，必须满足：UgIP2/1/202387B.杂质型光敏电阻N价带导带低温无光照时Ed低温有光照时低温有光照时P工作时温度要低---防止热激发低温无光照时Ea价带导带2/1/2023882.光敏电阻的工作原理价带导带常温光照时无光照时：有光照时：光电导率为：UgIP2/1/2023892/1/202390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。2/1/202391

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。2/1/2023922/1/2023933.光敏电阻的主要的特性参数暗电阻：光敏电阻在室温条件下，在全暗时的电阻值Rd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：光敏电阻在一定光照时的电阻值Rl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：光敏电阻由光照产生的电导光电流：由光照产生的电流暗电导：光敏电阻在室温条件下，在全暗时的电导亮电导：光敏电阻在一定光照时的电导值2/1/202394暗电导：亮电导：光电导：4.光电导灵敏度暗电流：亮电流：光电流：定义光电导灵敏度为Sg:或2/1/2023955.光电特性和γ值弱光照射时：一般情况下：一般情况下：或一般照射时：强光照射时：直线性光电导EIp光电流与照度关系曲线(CdS)：非线性直线性光电导或2/1/2023966.光敏电阻的噪声1.产生复合噪声：半导体受光照时，载流子不断地产生-复合，载流子产生-复合的平均数是一定的，但某一瞬间是起伏的，这种起伏引起半导体电导率的起伏，从而使输出电流或电压值起伏，由此引入的噪声叫……2/1/202397----在任何电阻性材料中,载流子都会有无规则的热运动,从而引起输出电流或电压的起伏，此种噪声称为…….是最常见的一种噪声形式.----这类噪声的大小与频率成反比,因此而得名,它的产生与器件的杂质和工艺缺陷有关,但原因比较复杂.2.热噪声：3.1/f噪声：2/1/202398当工作频率f小于1kz时，主要是1/f噪声，当f≥1MHz时，主要是热噪声，当；1kz＜f＜

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。2/1/2023997.

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：（1）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.（2）光敏电阻没极性.（3）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，而光敏电阻没有放大功能.2/1/2023100光敏电阻的应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2/1/2023101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CdS2/1/20231028.常见光敏电阻1.硫化镉（CdS）光敏电阻2.硫化铅（PbS）光敏电阻峰值波长：0.52μm,掺入微量铜或氯可以峰值波长变长亮暗电导比可达1011，一般为106在近红外波段比较灵敏，响应波长可达2.8μm,峰值比探测率Dλ*=2*1011cm.Hz1/2/W,但响应时间长，200~300

μs2/1/20231033.锑化铟（InSb）光敏电阻4.碲镉汞（HgCdTe）系列光敏电阻5.碲锡铅（PbSnTe）系列光敏电阻长波限可达7.5μm

，峰值比探测率Dλ*=1*1011cm.Hz1/2/W,冷却到零度时，还可提高2~3倍,时间常数2*10-2μsHg1-xCdxTe系列光敏电阻是由CdTe和HgTe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Hg0.8Cd0.2Te：8~14μm

，峰值波长10.6μm

Hg0.72Cd0.28Te：3~5μm

Pb1-xSnxTe:光谱范围8~10μm响应率低，应用不广泛2/1/2023104光敏电阻特性参数2/1/20231053.1.4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2/1/2023106编码器用硅光电池2/1/20231072/1/2023108节能全天候警示灯牌2/1/2023109光电池驱动的凉帽2/1/2023110

光电池种类繁多，早期出现的有氧化亚铜光电池，因转换效率低已很少使用。

目前应用较多的是硒光电池和硅光电池。

①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。

②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。2/1/2023111

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；2/1/2023112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。2/1/20231132CR系列光电池特性参数2/1/2023114

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。

2/1/20231153.1.4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。2/1/2023116

此外，还有薄膜光电池、紫光电池、异质结光电池等。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0.2~0.3mm，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。2/1/2023117

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。2/1/2023118

光电池与外电路的连接方式有两种，如图所示。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。2/1/2023119光照下的p-n结：1、p-n结光电效应和两种工作模式

1)p-n结光电效应图

p-n结的光电效应pn2/1/2023120

2)两种工作模式零电压偏置：光照下无外加电压，即光生伏特效应，称光伏工作模式。

图

光照下p-n结的零偏模式pnIpRL2/1/2023121反向偏置：光照下p-n结反向偏置：称光导工作模式

p-n结外接反向电压后，p-n结势垒升高，多数载流子难于扩散，少数载流子易于漂移。图光照下p-n结的零偏模式RLpnIpVb2/1/2023122图

光照p-n结的工作原理图pnIpIDRLV_+2、光照下p-n结的电流方程1）零电压偏置（光生伏特模式）

有光照时，在p-n结两极间外接一负载RL，此时在p-n结内出现两种方向的电流：光电流Ip，正向电流ID，总电流为两者之差。2/1/2023123式中V为p-n结两端电压，有V=IL(RL+RS)由于光电流IP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2/1/2023124讨论：(1)负载RL断开时，IL=0，p端对n端的电压成为开路电压，用Voc表示表明：一定温度下，Voc与光生电流或光通量对数成正比(2)负载短路，即RL=0，光生电压几乎为0，此时流过器件的电流叫短路电流，用Isc表示表明：短路电流Isc与光通量成正比，线性测量中广泛应用。一般情况下，故有由IL=0可得2/1/20231252）p-n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，势垒高度增加，光生载流子更容易在电场的作用下漂移运动，响应时间缩短，能提高频率特性。结型器件的伏安特性曲线V(V)I(μA)VocIsc反向偏压Vb反向电流E增大Ip=SEEE=0E1E2图

结型器件伏安特性曲线(2)光照射时，零偏或反偏时，内建场作用下少子的漂移运动产生光电流，光电流方向在p-n结内由p区指向n区，为反向电流，因此曲线向下平移。(1)无光照时，同一般的二极管2/1/2023126按用途分：1、太阳能电池：用作电源要求转换率高，成本低；2、测量用光电池：用于光电探测要求线性范围宽，光谱响应合适，稳定性好，寿命长光电池一般工作在光生伏模式，也可工作在反向偏置模式，直接将光能转换成电能。2/1/2023127一、光电池的原理及基本结构：

1、原理：零偏置或反偏置下p-n结的光生伏效应npSiO2图

硅光电池示意图及符号2、基本结构：

2DR型：以p型硅做基底，n型薄层受光面

2CR型：以n型硅做基底，p型硅做受光面2/1/2023128二、光电池的主要特性：

1、四个输出参数1）短路电流：2）开路电压：3）填充因子：F.F.

同一光照下伏安特性曲线上，任意工作点的输出功率等于该点所对应的矩形面积。其中只有一特殊点（Vmp，Imp）是输出功率最大的，定义填充因子：4）光电转换率：最大输出功率与输入光功率的比值Pin是入射到电池上的总功率I(μA)VocIscVmpImp图

光电池填充因子示意图2/1/20231292、光照特性

光电池的光生电动势或光电流与入射光照度的关系称为光电池的光照特性。

1）伏安特性：零偏时在第四项限，反偏时在第三项限

2）照度负载曲线：开路电压与光照度成对数关系短路电流与光照度成线性关系V(V)I(μA)Voc1Isc4E=0E1E2Voc2Voc3Voc4E3E4Isc3Isc2Isc1I0RL=0RL=RL1RL2RL3RL4RL5图硅光电池伏安特性曲线2/1/20231303、光谱特性

光电池的光谱响应特性是指入射光能量一定时，短路电流与入射波长的函数关系，主要取决于半导体的材料。硅光电池光谱范围0.4—1.1μm

峰值波长0.8—0.9μm

。硒光电池0.34—0.75μm

，峰值波长0.54μm

4、频率特性

取决于：1）光生载流子扩散到结区的时间

2）光生载流子在势垒区中的漂移时间

3）势垒电容引起的介电时间驰豫硅光电池pn结面积大，极间电容大，因而频率特性差。5、温度特性

光电池的温度特性是指光照下光电池开路电压Voc与短路电流Isc随温度的变化情况。温度过高会致使半导体晶格破坏2/1/20231312/1/20231322/1/20231332/1/2023134四、影响太阳能电池效率的一些因素1、光生电流的光学损失

1）反射损失：超过30%的光能被裸露硅表面反射掉

2）栅电极遮光损失：

3）透射损失：电池厚度不够，则某些被吸收的光子可能从电池背面穿出。2、光生少子的收集几率：由于存在少子复合，所产生的每一个光生少数载流子不可能全部被收集起来；3、太阳电池的光谱响应4、影响开路电压Voc的实际因素：半导体的复合率越高，少子扩散长度越短，Voc越低;5、串联电阻和旁路电阻引起效率下降6、温度效应2/1/2023135五、提高太阳能电池转换效率的途径1、最佳禁带宽度的选择2、抗反射膜3、接触面积4、接触电阻5、收集电阻6、太阳电池的光吸收7、载流子收集8、表面复合9、背接触与背场效应2/1/2023136无机太阳能电池半导体硅(单晶、多晶、非晶、复合型等）化合物半导体（GaAs、CuInSe2、CdTe、InP等）有机太阳能电池有机半导体（酞菁锌、聚苯胺、聚对苯乙炔等）光化学太阳能电池（纳米TiO2等）按照所用材料的不同：六、太阳能电池的分类2/1/2023137无机太阳能电池研究进展表1无机太阳能电池的性能及应用2/1/20231381.硅系太阳能电池单晶硅太阳能电池

优点：转化率高(24.4%)

，技术最为成熟

缺点：成本高，基底厚度达350--450µm。提高转化率的途径：单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺德国费莱堡太阳能系统研究所保持至世界领先水平2/1/20231393)非晶硅薄膜太阳能电池

优点：成本低缺点：转化率低(13%)

制备方法：多采用化学气相沉积法，还有液相外延法和溅射沉积法

解决方法：制造叠层太阳能电池2)多晶硅薄膜太阳能电池

优点：成本低，转化率不衰退(18%)

制备方法：多采用化学气相沉积法，还有液相外延法和溅射沉积法2/1/2023140多元化合物薄膜太阳能电池主要包括：砷化镓、硫化镉、碲化镉及铜铟硒薄膜电池

硫化镉(CdS)

、碲化镉(CdSe)

：镉有剧毒，不理想

砷化镓(GaAs)：高转化率(37.4%)，成本高。能隙1.42eV，光谱响应可见和紫外，温度特性好，已开始用于空间太阳能电池

铜铟硒(CuInSe2)

：优点：转化率高(17%)，价格低廉，性能良好，工艺简单缺点：铟和硒都是稀有元素，发展受限2/1/20231414.纳米晶化学太阳能电池

工作原理：染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态，激发态不稳定，电子快速注入到紧邻的TiO2的导带，染料分子中失去的电子很快从电解质中得到补偿，进入TiO2导带中的电子最终进入导电膜，然后通过外回路产生光电流。

优点：成本低廉，转化率已稳定在10%以上，寿命达15—20年。3.有机太阳能电池

工作原理：有机半导体产生的电子和空穴束缚在激子之中,电子和空穴在界面(电极和导电聚合物的结合处)上分离。

优点：价格低、易成形、可通过化学修饰调控性能2/1/20231421954年美国贝尔实验室制成了世界上第一个实用的太阳能电池，效率为4%，于1958年应用到美国的先锋1号人造卫星上。

七、太阳能电池的应用我国1958年开始进行太阳能电池的研制工作，并于1971年将研制的太阳能电池用在了发射的第二颗卫星上。

2/1/20231432/1/2023144太阳能飞机

1974年世界上第一架太阳能电池飞机在美国首次试飞。现在，最先进的太阳能飞机，飞行高度可达2万多米，航程超过4000公里。

2/1/20231452.太阳能电池发电站太阳能电池板：将太阳的辐射能转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能控制器：控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。蓄电池：在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。逆变器：将太阳能发电系统所发出的直流电能(12VDC、24VDC、48VDC)转换成交流电能(220VAC、110VAC)2/1/2023146与光敏电阻的比较1、光电转换部位不同2、光敏电阻需外加电压，没有极性，无正向、反向偏置之分；而结型器件因p-n结的存在，有正向偏置、反向偏置之分，且无外加电压，也可工作，也能实现光电转换。3、光敏电阻的光电流依赖于光生载流子的产生—复合运动，弛豫时间常数大，频率响应差。结型器件的光电流依赖于结区部分光生载流子的漂移运动，弛豫过程时间常数小，响应速度快。2/1/2023147三.光敏晶体管

1、光敏二极管

光敏二极管的结构与一般二极管相似。它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射。

光敏二极管在电路中是处于

反向偏置状态，如图所示。2/1/2023148光电二极管和光电池的主要差别：用途不同光电池：能量转化

提高转化率光电二极管：探测

灵敏度高、响应快、高量子效率特性差异：1、响应范围要求不同；

2、响应时间不同

3、工作模式不同偏置方式掺杂浓度（cm3）电阻率（/cm）受光面积光电池零偏1016-10190.1-0.01大光电二极管反偏1012-10131000小结构差异2/1/2023149光敏二极管阵列

将光敏二极管以线阵或面阵形式集合在一起，用来同时探测被测物体各部位提供的不同光信息，并将这些信息转换为电信号的器件。2/1/2023150半导体光敏二极管属单向导电性的非线性元件。但它的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。

光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流(暗电流)很小(处于载止状态)。受光照射时，结区产生电子-空穴对，在结电场的作用下，电子向N区运动、空穴向P区运动而形成光电流。光敏二极管的光电流与照度之间呈线性关系。2/1/2023151

透镜（光窗）光敏面入射光P-SiN-Si前极后极2CU型N+N-SiP-Si前极后极环极N+2DU型环极外形图:2/1/2023152

2、光敏三极管

光敏三极管是一种相当于在基极和集电极之间接有光电二极管的普通三极管。在正常工作情况下，此二极管应反向偏置。因此，不管是PNP还是NPN型光敏三极管，一般用基极-集电极结作为受光结，如图所示。2/1/2023153发射结集电结BECNNP基极发射极集电极2/1/2023154Vcn+pn

进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，多数扩散到集电结。

集电结反偏，光照产生光电流

基区空穴向发射区的扩散可忽略。

发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流Ie。从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集2/1/2023155

对NPN型，当集电极加上相对于发射极为正电压且基极开路时，基极-集电极结处于反向偏压下，它的工作机理完全与反偏压的光敏二极管相同。入射光子在基区及集电区被吸收而产生电子-空穴对，形成光生电压。由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了的信号电流。因此，光敏三极管是一种相当于将基极-集电极光敏二极管的电流加以放大的普通晶体管放大器。2/1/2023156硅光电三极管bceUbNN+PIdIP集成光电三极管：EPE内E外2/1/2023157硅光电三极管与硅光电二极管特性比较1.光照特性2.伏安特性①三极管的光电流较大。②零偏时三极管无输出，微小不显示。③三极管非线性严重。④三极管伏安特性曲线低照度均匀，高照度较密。主要表现为4个方面：2/1/20231583.温度特性4.频率响应特性光电流暗电流有电流放大作用，所以光电三极管的光电流和暗电流都大的多，必要时可采用温控或电路补偿主要取决于结电容Cj和负载电阻RL应减小并选择最佳的负载电阻。时间常数小于0.1μs时间常数长达5~10μs取决于发射结电容C、RL和光生载流子的基区渡越时间2/1/2023159光敏二极管和光敏三极管外形、符号及型号如图所示。2/1/2023160光敏二极管基本参量如表所示。2/1/2023161光敏二极管基本参量续表。2/1/2023162

2/1/2023163

光电二极管光电流的产生:光照射光敏二极管表面时，不同波长的光（蓝光、红光、红外光）在光敏二极管不同区域被吸收，在表面P型层因光照产生少数载流子，在空间电荷场的作用下拉向N区，波长较长的光波透过P型层到达空间电荷区，激发的电子一空穴对分别拉向N区和P区，波长更长的红光、红外光透过P区和空间电荷区，在N区被吸收产生少数载流子被结电场拉向P区，总的光生电流即由这三部分电流形成的。2/1/2023164光敏二极管符号

光敏二极管接法

P-Sin-Si+-2/1/20231652/1/20231663、特殊光电二极管一、PIN光电二极管npPIN光电二极管示意图i1、结构：在PN结间插入一层非掺杂或轻掺杂半导体材料，由于中间插入的半导体材料近似为本征半导体(Intrinsic)，因此这种结构称为PIN光电二极管。2/1/2023167PIN结光电二极管

它与一般PN结光敏二极管的不同之处在于P层和N层之间加了一层很厚的I层。同时，将P层做得很薄。当入射光照射在P层上，由于P层很薄，大量的光被较厚的I层吸收，激发较多的载流子形成光电流。2/1/2023168又由于PIN结光电二极管可比PN结光电二极管施加较高的反向偏置电压，使其耗尽层加宽，加强了它的PN结内电场，加速了光电子的定向运动，大大减小了漂移时间，因而提高了响应速度。

PIN结光电二极管仍然具有一般PN结光电二极管的线性特性。因此，在光通信和光信号检测技术中得到了广泛应用。2/1/2023169PIN光电二极管及反偏时各层的场分布I区高阻抗,电压基本都落在I区

2、原理：2/1/2023170结电容变小能承受更高反偏电压光吸收区域增加，提高量子效率改善长波响应载流子渡越长度增加反向电压对少子加速耗尽区宽度w增大高的响应速度高的灵敏度长波响应范围大2/1/20231713、本征层（I）的作用1）I层是高阻区，承受大部分外加电压，展宽了光电转换区，提高了转换效率。2）可采用低阻材料，可提高抗击穿电压，降低串联电阻；3）本征层工作在反向电压下，能对少子加速；4）结电容变小，响应速度提高；5）一定范围内本征层增加，耗尽层内光生载流子漂移电流增加。2/1/20231724、限制响应速度的主要因素1）载流子在耗尽层的渡越时间；2）载流子在非耗尽层区的渡越时间；3）PIN本身的电容和其他寄生电容的充放电时间；4）具有异质结构的PIN在异质结界面处存在的电荷积累。2/1/2023173二、雪崩光电二极管Avalanchephotodiode：APD突出优点：有内部增益，电流放大1、工作原理基于碰撞电离和雪崩倍增雪崩倍增示意图2/1/2023174雪崩式光电二极管

如图所示，其PN结的P型区外侧增加了一层掺杂浓度极高的P+层。当在其上加近于击穿的反向偏压时，以P层为中心的两侧产生极强的内部加速场(可达105V/cm)。当光照时，P+层受光子能量激发电子从价带跃迁到导带，在强电场作用下，电子快速通过P层，并在P区产生碰撞电离，形成大量新生电子-空穴对;2/1/2023175并且它们也从电场中获得高能量，与从P+层来的电子一起再次碰撞，P区的其它原子又产生大批新生电子-空穴对。不断产生二次电子发射，形成“雪崩”构成强大的光电流。

雪崩二极管具有很高灵敏度和响应速度，但输出特性差，在光通信中占有重要地位。2/1/2023176工作原理当光敏二级管中的PN结上加相当大的反向偏压时，在结区产生一高电场，进入该场区的光生载流子获得足够的能量发生碰撞，通过碰撞使晶格原子电离而产生新的电子一空穴对，只要电场足够强这种过程将会重复进行，而使光生载流子达到雪崩的状态。2/1/20231772/1/2023178雪崩光电二极管（APD）--------高反向电压下工作的光敏二极管，高电场加速了光生载流子的速度，产生二次载流子对。适合0.8~1.1μm弱光的探测特征：①灵敏度高，电流增益可达102~103②响应速度快，只有0.5ns，响应频率可达100GHZ③噪声等效功率很小，约为10-15W④反向偏压高，可达200V广泛应用于光纤通讯、弱信号检测、激光测距等领域2/1/2023179E耗尽层高电场区P+πPN+达通型APD结构及电场示意图2、APD的结构设计要求：1）材料的电子和空穴的离化系数差别大，提高增益M；2）材料有好的均匀性及晶格完整，避免局部击穿；3）器件设计上应保证注入到雪崩区是具有较高离化系数的载流子。主要有3种结构：1）保护环结构（GAPD）：2）台型结构：3）达通型结构（RAPD）：2/1/2023180三、紫外光电二极管

P-N结短波响应主要与P-N结结深、P-N结表面浓度和表面质量有关，因此可采用结浅P-N结或肖特基结构来实现波长响应在紫外的光电二极管。1、蓝紫增强型硅光电二极管设计考虑：结浅P-N结加大载流子扩散长度减小表面复合速率2/1/20231812、肖特基光电二极管肖特基势垒：金属与半导体接触形成的势垒其原理与半导体P-N结基本类似，不同的是可以把肖特基势垒看作一结深为零，表面覆盖着薄而透明金属膜的P-N结优点：1）高的响应率和高的响应速度；2）可以与场效应管（FET）集成，大大简化场效应晶体管与光电二极管的集成工艺。2/1/2023182四、色敏光电传感器

自然界有各种各样的颜色，在所有颜色中，除鸟类羽毛是由于干涉而产生颜色外，物体对光的选择吸收是产生颜色的主要原因。在色料(包括颜料、染料、油漆等)制造业中，都是制造具有选择吸收性能的色素，色料本身不是光源，他们只能将入射光有选择的吸收或反射，使透射光或反射光带色彩。2/1/2023183根据这一原理，人们在单晶硅或非晶硅材料上制造两个、三个甚至四个PN结，利用不同结深的PN结对不同颜色光吸收系数的差异进行颜色识别。其中，具有三个以上PN结的元件可同时测得三个刺激值，原则上可以得到所有待测颜色，称为全色色敏传感器。2/1/2023184

一、半导体色敏传感器工作原理

图示色敏传感器是两只结深不同的光电二极管的组合体。其特性曲线如图所示。浅结的二极管是P+N结；深结的二极管是NP结。当有入射光照射时P+、N、P三个区域及其间的势垒区中都有光子吸收，但效果不同。如上所述，紫外光部分吸收系数大，经很短距离已基本吸收完毕.2/1/2023185

因此，浅结的那只光电二极管对紫外光的灵敏度高。而红外部分吸收系数较小，这类波长的光子则主要在深结区被吸收，因此深结的那只光电二极管对红外光的灵敏度高。这就是说，在半导体中不同的区域对不同的波长分别具有不同的灵敏度。这一特性给我们提供了将这种器件用于颜色识别的可能性，即可以用来测量入射光的波长。将两只结深不同的光电二极管组合，就构成了可以测定波长的半导体色敏传感器。在具体应用时，应先对该色敏器件进行标定。2/1/2023186浅结对紫外光有较高的灵敏度，而深结对红外光有较高的灵敏度。也就是说，半导体中不同的区域对不同的波长有不同的灵敏度。色敏器件在使用前需要先对其进行标定，也就是测出在不同波长的光照下，深结的短路电流ISD2与浅结的短路电流ISD1的比值ISD2/ISD1。2/1/2023187

ISD2在长波区较大，ISD1在短波区较大；因而，ISD2

/ISD1与入射单色光波长的关系就可以确定。根据标定曲线，实测出某一单色光的短路电流比值，即可确定该单色光的波长。ISD2/ISD1与波长的关系如图所示。2/1/2023188

PN130硅光电色敏二极管如图所示，用于彩色扩影、彩色印刷、色彩鉴别电路。红、绿、蓝三单元组成一套。2/1/20231892/1/2023190五、光位置传感器(PSD)

光位置传感器是利用光线进行位置检测的传感器。其原理如图所示。光线照射到硅光电二极管的某一位置时，结区激发的光电子向N层漂移，空穴向P层漂移。2/1/2023191到达P层的空穴分成两部分：一部分沿表面电阻Rl流向1端形成光电流Il；另一部分沿表面电阻R2流向2端形成光电流I2；当电阻层均匀时，R2/Rl=x2/xl，则光电流Il/I2=R2/Rl=x2/xl，故只要测出Il和I2便可求得光照射的位置。被测光斑在光敏面的位置x与电流及电阻有关。2/1/20231922/1/20231933.1.5光电器件的特性1.光照特性

光照特性表示光电器件输出的光电流（光电压）与入射光量间的关系。

光敏电阻的光照特性呈非线性，如图(a)所示是硒光敏电阻的特性曲线，因此，光敏电阻不宜作线性检测元件。

图(b)、(c)是硅光敏二极管和光敏三极管的光照特性。从图中可以看出光敏二极管的线性较好。2/1/2023194

(a)光敏电阻(b)光敏二极管(c)光敏三极管(d)光电池而光敏三极管在起始处和大电流处有非线性，这是因为三级管的β值在大、小电流时都有所下降的缘故。2/1/2023195

光电池的光照特性如图(d)所示。可见光电池的输出短路电流与光照有较好的线性关系。这里的短路电流就是负载电阻相对于光电池内阻来说很小时的电流值。一般负载电阻在100W以下，此时光电