第4章光辐射的探测技术1

第4章光辐射的探测技术4.1光电探测器的物理效应光探测器：能把光辐射量转换成另一种便于测量的物理量的器件。光电探测器：把光辐射量转换为电量（电流或电压）的光探测器。光电探测器的物理效应：光子效应、光热效应、光压效应等。1当前1页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.1光电探测器的物理效应1.光子效应和光热效应

光子效应概念

特点：频率选择性、响应速度快效应相应的探测器外光电效应(1)光阴极发射光电子光电管(2)光电子倍增打拿极倍增通道电子倍增光电倍增管像增强管内光电效应(1)光电导(本征和非本征)光导管或光敏电阻(2)光生伏特pn结和pin结(零偏)pn结和pin结(反偏)雪崩肖特基势垒光电池光电二极管雪崩光电二极管肖特基势垒光电二极管(3)光电磁光子牵引光电磁探测器光子牵引探测器分类2当前2页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.1光电探测器的物理效应1.光子效应和光热效应

光热效应概念特点：对光波频率的选择性相对较小；响应速度一般比较慢；容易受环境温度变化的影响。效应相应的探测器(1)测辐射热计负电阻温度系数正电阻温度系数超导热敏电阻测辐射热计金属测辐射热计超导远红外探测器(2)温差电热电偶、热电堆(3)热释电热释电探测器(4)其它高莱盒、液晶等分类3当前3页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.1光电探测器的物理效应2.光电发射效应概念：光电发射效应光电发射体光阴极爱因斯坦方程：光电发射效应发生的条件：或由产生光电发射的入射光波的截止波长：4当前4页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.1光电探测器的物理效应2.光电发射效应5当前5页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.1光电探测器的物理效应3.光电导效应光电导效应半导体材料的电导半导体和金属的导电机构在热平衡下，单位时间内热生载流子的产生数目正好等于因复合而消失的数目。因此在导带和满带中维持着一个热平衡的电子浓度n和空穴浓度p，它们的平均寿命分别用n和p表示。无论何种半导体材料，下式一定成立，即在外电场E作用下，载流子产生漂移运动，形成电流。6当前6页，总共131页。漂移速度v和电场E之比定义为载流子迁移率，即载流子的漂移运动效果用半导体的电导率描述:半导体材料的电导迁移率的物理意义是载流子在单位电场中的迁移速度。半导体的电导：电阻：7当前7页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.1光电探测器的物理效应3.光电导效应光电导产生原理；条件；长波限；光电导效应的原理和电流增益对本征情况，若光辐射每秒产生电子-空穴对N8当前8页，总共131页。半导体的电导：电导率:光生载流子(非平衡载流子):eN表示光辐射每秒钟激发的电荷量；由于G的增量将使外回路电流产生增量i，即——光电导体的电流增益以N型半导体为例：光电导效应的原理和电流增益渡越时间、意义9当前9页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.1光电探测器的物理效应4.光伏效应光导现象是半导体材料的体效应；光伏现象是半导体材料的“结”效应。pn结的零偏状态；pn结的正向偏置；pn结的反向偏置；pn结的伏安特性：零偏状态下pn结的结电阻：Pn结在无光照射时的情况10当前10页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.1光电探测器的物理效应4.光伏效应如光照p区，激发出光生电子-空穴对，由于p区的多数载流子是空穴，光照前热平衡空穴浓度本来就比较大。因此光生空穴对p区空穴浓度影响很小，但光生电子对p区的电子浓度影响很大，从p区表面（吸收光能多、光生电子多）向区内自然形成电子扩散趋势。如果p区的厚度小于电子扩散长度，那么大部分光生电子都能扩散进pn结，一进入pn结，就被内电场扫向n区。这样，光生电子空穴对就被内电场分离开来，空穴留在p区，电子通过扩散流向n区。这时用电压表就能量出p区正、n区负的开路电压u0，称为光生伏特效应。如果用一个理想电流表接通Pn结则有电流ic通过，称为短路光电流。显然——光照pn结产生电压的效应，称为光伏效应。Pn结在零偏状态但有光照射的情况11当前11页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.1光电探测器的物理效应4.光伏效应如光照p区，激发出光生电子-空穴对，由于p区的多数载流子是空穴，光照前热平衡空穴浓度本来就比较大。因此光生空穴对p区空穴浓度影响很小，但光生电子对p区的电子浓度影响很大，从p区表面（吸收光能多、光生电子多）向区内自然形成电子扩散趋势。如果p区的厚度小于电子扩散长度，那么大部分光生电子都能扩散进pn结，一进人pn结，就被内电场扫向n区。这样，光生电子空穴对就被内电场分离开来，空穴留在p区，电子通过扩散流向n区。这时用电压表就能量出p区正、n区负的开路电压u0，称为光生伏特效应。如果用一个理想电流表接通Pn结则有电流ic通过，称为短路光电流。显然——光照pn结产生电压的效应，称为光伏效应。Pn结在偏置状态且有光照射的情况12当前12页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.1光电探测器的物理效应5.温差电效应将两种不同材料的导体一端连接在一起，而将另一端分开与外电路连接，如果把连接的这一端与另一个吸收红外线的小黑体接在一起，则当这个小黑体吸收红外线加热连接的那一端时，在分开的那一端将产生温差电动势，电动势的大小与入射的红外辐射能量存在一个确定的关系，按照这种原理制成的红外探测器叫温差热电堆探测器。这种探测器响应波长范围较宽，灵敏度较高，但不易在灵敏度较高的同时大规模集成，且热响应时间过长，约需30～50毫秒。13当前13页，总共131页。14当前14页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.1光电探测器的物理效应6.热释电效应人们从实验中发现，有一部分晶体沿某一特定的方向切割成薄片，两表面涂上电极制成一个平板电容器以后，当晶体温度发生变化时，电容器两端产生电压。如果将该电容器接上负载电阻，则输出电流满足经验公式：其中Ae为极板面积，T为晶体温度，p为一个与材料性质有关的常数。上述效应就是热释电效应，根据热释电效应设计的热敏型探测器就是热释电探测器。热释电材料可分为三类：单晶热释电晶体、陶瓷热释电晶体、薄膜热释电晶体。热释电探测器是目前热探测器内的佼佼者，与光子探测器相比，它有光谱响应宽及室温工作的特点，从紫外到亚毫米波段其光谱响应几乎不变，因而有很好的前景。15当前15页，总共131页。16当前16页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.1光电探测器的物理效应7.光电转换定律对于光电探测器而言，一边是光辐射量，另一端是光电流量。把光辐射量转换为光电流量的过程称为光电转换。光通量（即光功率）可以理解为光子流，光子能量h是光能量E的基本单元；光电流是光生电荷Q的时变量，电荷e是光生电荷的基本单元。由基本物理观点，i应该正比于P：探测器的光电转换因子探测器的量子效率。——光电转换定律光电转换定律的说明：(1)光电探测器对入射功率有响应，响应量是光电流。因此，一个光子探测器可视为一个电流源。(2)因为光功率P正比于光电场的平方．故常常把光电探测器称为平方律探测器。或者说，光电探测器本质上是一个非线性器件。17当前17页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.2光电探测器的性能参数18当前18页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.2光电探测器的性能参数光电探测器和其他器件一样，有一套根据实际需要而制定的特性参数，它是在不断总结各种光电探测器的共同特征基础上而给以科学定义的，所以这一套性能参数科学地反映了各种探测器的共同因素。依据这套参数，人们就可以评价探测器性能的优劣，比较不同探测器之间的差异，从而达到根据需要合理选择和正确使用光电探测器的目的。显然，了解各种性能参数的物理意义是十分重要的。19当前19页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.2光电探测器的性能参数1.积分灵敏度R探测器的光电特性：光电流i（或光电压u）和入射光功率P之间的关系。灵敏度R：也常称为响应度，它是光电探测器光电转换特性的量度，定义为探测器的光电特性曲线的斜率。电流灵敏度电压灵敏度积分灵敏度20当前20页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.2光电探测器的性能参数2.光谱灵敏度R21当前21页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.2光电探测器的性能参数2.光谱灵敏度R光谱灵敏度电流灵敏度22当前22页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.2光电探测器的性能参数2.光谱灵敏度R光谱灵敏度无选择性探测器选择性探测器相对光谱灵敏度器件的光谱灵敏度主要取决于材料、结构、环境等因素。光谱利用系数，光谱功率密度函数光谱灵敏度曲线23当前23页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.2光电探测器的性能参数3.频率灵敏度Rf光电流if随调制频率f的升高而下降，这时的灵敏度称为频率灵敏度Rf，定义为if是光电流时变函数的傅里叶变换，通常探测器的响应时间或时间常数，由材料、结构和外电路决定探测器的频率特性。截止响应频率综上所述，光电流是两端电压u，光功率P，光波长，光强调制频率f的函数，即频率特性曲线；光谱特性曲线；光电特性曲线；伏安特性曲线；24当前24页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.2光电探测器的性能参数4.量子效率探测器的量子效率25当前25页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.2光电探测器的性能参数4.量子效率探测器的量子效率电流灵敏度量子效率与灵敏度的关系光谱量子效率26当前26页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.2光电探测器的性能参数5.通量阈Pth和噪声等效功率NEP暗电流或噪声电流电流灵敏度光电转换模型(如图)

一个判据:通常认为，如果信号光功率产生的信号光电流is等于噪声电流in，那么就认为刚刚能探测到光信号存在。

通量阈:探测器所能探测的最小光信号功率。噪声等效功率NEP:单位信噪比时的信号光功率。27当前27页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.2光电探测器的性能参数6.归一化探测度D*探测度D:NEP小，探测器探测能力越高，不符合人们”越大越好”的习惯。探测器光敏面积A和测量带宽f对D值影响大；噪声等效功率NEP:单位信噪比时的信号光功率。探调器的噪声功率：归一化探测度D:28当前28页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.2光电探测器的性能参数7.其它参数光电探测器还有其他一些特性参数，例如光敏面积，探测器电阻，电容等。正常使用时不允许超过指标，否则会影响探测器的正常工作，甚至使探测器损坏。通常规定了工作电压、电流、温度以及光照功率允许范围，使用时要特别加以注意。29当前29页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.3光电探测器的噪声30当前30页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.3光电探测器的噪声噪声，光电探测器的噪声1.噪声概念噪声的分类：人为噪声、自然干扰、物理系统内部的起伏干扰有形噪声无规则噪声起伏噪声对有用信号的影响入射光强减弱噪声是探测器所固有的不可避免的现象。实现微弱光信号的探测，就是从噪声中如何提取信号的问题，这是当今信息探测理论研究的中心课题之一。31当前31页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.3光电探测器的噪声2.噪声描述噪声无法用预先确知的时间函数来描述；噪声本身是统计独立的；平均值的统计特点；均方根噪声电压。总的噪声功率等于各种独立的噪声功率之和：因此把探测器输出的均方根噪声电压（电流）称为探测器的噪声电压（电流）。32当前32页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.3光电探测器的噪声3.光电探测器的噪声依据噪声产生的物理原因，光电探测器的噪声可大致分为散粒噪声、热噪声、低频噪声、辐射噪声等几类。33当前33页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.3光电探测器的噪声3.光电探测器的噪声从本质上讲，光电探测器的光电转换过程是一个光电子计数的随机过程，光电转换定律是这一随机过程的统计平均结果：散粒噪声式中i指流过探测器的平均电流，M是探测器内增益。于是，散粒噪声电流in或电压un为暗电流、背景电流和信号光电流暗电流噪声、背景噪声和信号光子噪声

由于电子电荷量e数量随机起伏而引起的噪声称为散粒噪声。可以证明，散粒噪声功率谱34当前34页，总共131页。3.光电探测器的噪声热噪声第4章光辐射的探测技术4.3光电探测器的噪声又称约翰逊(Johnson)噪声：它是温度为T的电阻R中电子的热运动引起的，表现为在电阻两端产生的起伏电压。产生原因：任何有电阻的材料都有热噪声。载流子处于不断的热运动之中，频繁地与物质的分子相碰撞，载流子的每一次自由运动都产生一个瞬时电流。特点：在长的时间间隔看来，电流的总和必然等于0，但在短的时间间隔内，这些电流的随机起伏形成噪声电流，因载流子的均方速度与绝对温度成正比，噪声随温度的增高而增加，所以又称为热噪声。约翰逊噪声在整个频率范围单位带宽内的大小是一样的，因而它是一种白噪声。计算：1928年，Nyquist给出了约翰逊噪声电压V的表达式：式中k为玻耳兹曼常数，T是像元的温度，R是像元的电阻，f为测量仪器或放大器的带宽。

35当前35页，总共131页。3.光电探测器的噪声1/f噪声第4章光辐射的探测技术4.3光电探测器的噪声又叫低频噪声，它与频率的关系是与1/f成正比。实验证明，低频噪声强烈地依赖于探测器表面的工艺状态（缺陷或不均匀）、电阻–金属工艺、淀积技术、尺寸和电接触等决定的1/f噪声参数kf。

1/f的噪声的平均平方强度为：

式中A为与探测器有关的比例系数，i为流过探测器的总直流电流，2，1，于是一般说，只要限制低频的调制频率不低于lkHz，这种噪声就可以防止。36当前36页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.4光电探测器——光敏电阻37当前37页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.4光电探测器——光敏电阻光电导探测器：利用光电导效应原理而工作的探测器。无结光电探测器光敏电阻光导管38当前38页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.4光电探测器——光敏电阻光电导探测器：利用光电导效应原理而工作的探测器。无结光电探测器光敏电阻光导管本征型光敏电阻非本征型光敏电阻39当前39页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.4光电探测器——光敏电阻光电导探测器：利用光电导效应原理而工作的探测器。无结光电探测器本征型光敏电阻——室温可见光、近红外非本征型光敏电阻——低温中红外、远红外光敏电阻优点：体积小、坚固耐用、价格低廉、光谱响应范围宽。由于光敏电阻没有极性，只要把它看作电阻值随光照强度而变化的可变电阻器对待即可，因此在电子电路、仪器仪表、光电控制、计量分析以及光电制导、激光外差探测等领域中获得了十分广泛的应用。常用的光敏电阻有CdS、CdSe、PbS以及TdCdHg等。其中CdS是工业应用最多的，而PbS主要用于军事装备。40当前40页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.4光电探测器——光敏电阻1.光电转换原理以非本征N型材料为例，u表示外加偏置电压，L、W、H分别表示材料的尺寸，光功率P在x方向均匀入射。光电流i等于多少？有效量子效率电流内增益41当前41页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.4光电探测器——光敏电阻1.光电转换原理以非本征N型材料为例，u表示外加偏置电压，L、W、H分别表示材料的尺寸，光功率P在x方向均匀入射。光电流i等于多少？有效量子效率电流内增益光电导探测器是一个具有电流内增益的探测器，内增益M的大小主要由探测器类型，外偏压u和结构尺寸L决定。一个光电导探测器的实际结构。42当前42页，总共131页。43当前43页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.4光电探测器——光敏电阻2.工作特性光敏电阻的性能可依据其光谱响应特性、照度伏安特性、频率响应和温度特性等来判别。依据这些特性，在实际应用中就可以有侧重、从而合理地选用光敏电阻。频率特性曲线；光谱特性曲线；光电特性曲线；伏安特性曲线；44当前44页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.4光电探测器——光敏电阻2.工作特性光谱响应特性：光敏电阻的光响应灵敏度随入射光的波长变化而变化的特性。光谱响应特性通常用光谱响应曲线、光谱响应范围以及峰值响应波长描述。峰值波长取决于制造光敏电阻所用半导体材料的禁带宽度．可由下式估算：光谱响应特性光敏电阻总是具有一定响应范围的光谱响应特性。光敏电阻的光谱响应范围、峰值响应波长按某种特殊需要可进行一定程度的改善。典型光谱响应特性曲线45当前45页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.4光电探测器——光敏电阻2.工作特性光敏电阻（在一定偏压U条件下）的光照特征呈非线性关系，即光照特性电压指数照度指数在低偏压弱光照条件下，通常可取光电导灵敏度若考虑暗电导产生的暗电流，则流过光敏电阻的电流为：46当前46页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.4光电探测器——光敏电阻2.工作特性伏安特性：在一定光照下，光敏电阻两端电压与流过光敏电阻的电流的关系。伏安特性由图可见，光敏电阻的伏安特性线性很好，说明在一定光照下阻值稳定，这是光敏电阻的主要优点。因此广泛地应用在自动化技术领域中。47当前47页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.4光电探测器——光敏电阻2.工作特性伏安特性曲线上的特征电阻伏安特性负载电阻暗电阻工作点点亮电阻负载线亮阻和暗阻之比越小．光敏电阻的灵敏度越高48当前48页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.4光电探测器——光敏电阻2.工作特性伏安特性匹配工作状态当光照发生变化时匹配工作状态49当前49页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.4光电探测器——光敏电阻2.工作特性在入射光功率在较大范围动态变化时，不可能始终保持最佳匹配状态。在入射光功率高频变化时，阻抗匹配还要考虑极间电容的影响：一是匹配阻抗，二是电流增益。极间电容Cd电流增益系数M：伏安特性匹配工作状态50当前50页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.4光电探测器——光敏电阻2.工作特性偏置电压的选取伏安特性最大耗散功率在阻抗匹配条件下例如，若RL＝Rg＝1M，Pmax＝0.1W/cm2，光敏面积为1cm2，则V不能超过632V，若光敏面积为0.01cm2，则V不允许超过63V。51当前51页，总共131页。2.工作特性时间响应特性电流上升时间衰减时间CdS光敏电阻——约几十毫秒到几秒；CdSe光敏电阻——约10-2～10-3s；PbS光敏电阻——约10-4s光敏电阻的响应时间与入射光的照度、所加电压、负载电阻及照度变化前电阻所经历的时间（称为前历时间）等因素有关。一般来说，照度愈强，响应时间愈短；负载电阻愈大，tr愈短、tf延长；暗处放置时间愈长，响应时间也相应延长。实际应用中，尽量提高使用照明度，降低所加电压、施加适当偏置光照、使光敏电阻不是从完全暗状态开始受光照，都可以使光敏电阻的时间响应特性得到一定改善。光敏电阻受光照后或被遮光后，回路电流并不立即增大或减小，而是有一响应时间。52当前52页，总共131页。2.工作特性频率响应特性53当前53页，总共131页。2.工作特性稳定特性

光敏电阻的阻值随温度的变化率与光电材料有密切的联系。另外，当环境温度在0℃~+60℃的范围内时，光敏电阻的响应速度几乎不变；而在低温环境下，光敏电阻的响应速度变慢。例，-30℃时的响应时间约为+20℃时的两倍。最后，光敏电阻的允许功耗，随着环境温度的升高而降低。这些特性都是实际使用中应注意到的。在温度变化大的情况下，应采取制冷措施，降低或控制光敏电阻的工作温度是提高光敏电阻稳定性的有效方法，尤其对长波长红外辐射的探测领域更为重要。54当前54页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.4光电探测器——光敏电阻2.工作特性噪声特性光电导探测器的噪声主要是由三个噪声源所贡献的，它们是产生-复合噪声，热噪声和l/f噪声。总的方均噪声电流按照上节的讨论可写为载流子寿命探测器的等效电阻热噪声也称Johnson噪声，存在于所有探测器。一个电阻器就是一个热噪声发生器。热平衡时，电阻元件中的电荷载流子的随机运动在元件两端产生的随机电压。当电阻温度上升时，电荷载流子的平均动能增加，则噪声电压增加。热噪声存在于所有探测器55当前55页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.4光电探测器——光敏电阻2.工作特性噪声特性光电导探测器的噪声主要是由三个噪声源所贡献的，它们是产生-复合噪声，热噪声和l/f噪声。总的方均噪声电流按照上节的讨论可写为载流子寿命探测器的等效电阻1/f噪声也称调制噪声或闪烁噪声,产生的物理机理尚不清楚。1/f噪声对低频段影响较大。56当前56页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.4光电探测器——光敏电阻2.工作特性噪声特性光电导探测器的噪声主要是由三个噪声源所贡献的，它们是产生-复合噪声，热噪声和l/f噪声。总的方均噪声电流按照上节的讨论可写为载流子寿命探测器的等效电阻产生－复合噪声是敏感元件电荷载流子的产生率和复合率的统计起伏产生的噪声。这种起伏可以由载流子与光子相互作用或背景光子到达率的随机性而引起。如果背景光子起伏对产生－复合率的起伏起主要贡献，那么这种噪声也称为光子噪声、辐射噪声或背景噪声。产生－复合噪声存在于所有光子探测器。57当前57页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.4光电探测器——光敏电阻2.工作特性噪声特性光电导探测器的噪声主要是由三个噪声源所贡献的，它们是产生-复合噪声，热噪声和l/f噪声。总的方均噪声电流按照上节的讨论可写为载流子寿命探测器的等效电阻58当前58页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.4光电探测器——光敏电阻3.几种典型的光敏电阻（1）CdS和CdSe探测器：这是两种低造价的可见光辐射探测器，它们的主要特点是高可靠和长寿命，因而广泛应用于自动化技术和摄影机中的光计量。这两种器件的光电导增益比较高（103—104），但响应时间比较长（大约50ms）。（2）PbS探测器：一种性能优良的近红外辐射探测器，其波长响应范围在1um-3.4um，峰值响应波长为2um，内阻（暗阻）大约为1M，响应时间约200us，室温工作能提供较大的电压输出。广泛应用于遥感技术和武器红外制导技术。（3）Insb探测器：一种良好的近红外辐射探测器，它虽然也能在室温工作，但噪声较大。在77K下，噪声性能大大改善，峰值响应波长为5um，它和PbS探测器显著的不同在于：内阻低（大约50），而响应时间短（大约5010-9s），因而适用于快速红外信号探测。（4）HgxCd1-xTe探测器：一种化合物本征型光电导探测器，它是由HgTe和GdTe两种材料混在一起的固溶体，其禁带宽度随组分x呈线性变化，当x＝0.2时响应波长为8um～14um，工作温度77K，用液氮致冷。100℃时：λm＝7.76μm；400℃时：λm＝4.30μm；600℃时：λm＝3.32μm；1000℃时：λm＝2.10μm；1600℃时：λm＝1.54μm；59当前59页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.4光电探测器——光敏电阻4.使用注意事项(1)用于测光的光源光谱特性必须与光敏电阻的光敏特性匹配；(2)要防止光敏电阻受杂散光的影响；(3)要防止使光敏电阻的电参数（电压、功耗）超过允许值；(4)根据不同用途，选用不同特性的光敏电阻。一般说，用于数字信息传输时，选用亮电阻与暗电阻差别大的光敏电阻为宜，且尽量选用光照指数大的光敏电阻；用于模拟信息传输时，则以选用值小的光敏电阻为好，因为这种光敏电阻的线性特性好。照度指数60当前60页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.4光电探测器——光敏电阻光敏电阻的常用偏置电路61当前61页，总共131页。光敏电阻的应用实例照明灯的光电控制电路火焰探测报警器照相机电子快门第4章光辐射的探测技术4.4光电探测器——光敏电阻62当前62页，总共131页。1.照明灯的光电控制电路63当前63页，总共131页。2.火焰探测报警器64当前64页，总共131页。3.照相机电子快门65当前65页，总共131页。第4章光辐射的探测技术光电探测器——pn结光伏探测器66当前66页，总共131页。光伏效应零偏状态下有光照射且波长满足的情况。如光照p区，激发出光生电子-空穴对，由于p区的多数载流子是空穴，光照前热平衡空穴浓度本来就比较大。因此光生空穴对p区空穴浓度影响很小，但光生电子对p区的电子浓度影响很大，从p区表面（吸收光能多、光生电子多）向区内自然形成电子扩散趋势。如果p区的厚度小于电子扩散长度，那么大部分光生电子都能扩散进pn结，一进人pn结，就被内电场扫向n区。这样，光生电子空穴对就被内电场分离开来，空穴留在p区，电子通过扩散流向n区。这时用电压表就能量出p区正、n区负的开路电压u0，称为光生伏特效应。如果用一个理想电流表接通Pn结则有电流ic通过，称为短路光电流。显然——光照零偏pn结产生开路电压的效应，称为光伏效应。67当前67页，总共131页。利用PN结的光伏效应而制作的光电探测器称为光伏探测器。普通晶体管的PN结都是蔽光的，以免影响晶体管的性能；结型光电器件则相反，它利用受光照的PN结的光生伏特效应制成的器件。结型器件和光电导器件相比主要有以下区别：①产生光电变换的部位不同。光敏电阻不管哪一部分受光，受光部分的电阻就减小；而结型器件，只有照射到PN结区或结区附近的光才能产生光电效应。光在其他部位产生的非平衡载流子，大部分在扩散中被复合掉，对光电流基本上没有贡献。②光敏电阻没有极性，工作时必须外加电压，而结型光电器件有确定的正负极性．在没有外加电压下也可以把光信号转换成电信号。③光敏电阻的光电导效应主要依赖于非平衡载流子的产生与复合运动，张弛过程的时间较长，频率响应较差；结型器件的光电效应主要是依赖于结区非平衡载流子中部分载流子的漂移运动，电场主要加在结区，张弛过程的时间相对较短，因此响应速度较快。④有些结型光电器件．如光电三极管、雪崩光电二极管等有较大的内增益作用．因此．灵敏度较高，也可以通过较大的电流。68当前68页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.5光电探测器——pn结光伏探测器的工作模式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。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。69当前69页，总共131页。1.光电转换原理短路光电流光伏探测器的内电流增益Mn等于1，这和光电导探测器明显不同。第4章光辐射的探测技术4.5光电探测器——pn结光伏探测器的工作模式70当前70页，总共131页。2.光伏探测器的工作模式光伏探测器的等效电路光伏工作模式光导工作模式普通二极管的伏安特性为：光伏探测器的总伏安特性为：第4章光辐射的探测技术4.5光电探测器——pn结光伏探测器的工作模式71当前71页，总共131页。2.光伏探测器的工作模式普通二极管的伏安特性为：光伏探测器的总伏安特性为：光伏探测器的伏安特性光伏探测器的伏安特性特性曲线光伏探测器的等效电路光伏工作模式光导工作模式第4章光辐射的探测技术4.5光电探测器——pn结光伏探测器的工作模式72当前72页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.6硅光电池——太阳电池光电池的结构、特点与应用短路电流和开路电压输出功率和最佳负载电阻光谱、频率响应及温度特性缓变化光电信号探测交变光电信号探测73当前73页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.6硅光电池——太阳电池光电池光电池种类硅光电池及特点光电池按用途的分类：光电池的结构、特点与应用

作为电源：提供电源，要求转换效率高、成本低。具有结构简单、体积小、重量轻、可靠性高、寿命长、可在空间直接将太阳能转化成电能的特点。因而为航天工业及供电困难场所采用。

用于测量：光电探测，要求线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性高、寿命长等。常应用在光度、色度、光学精密计量和测试设备。74当前74页，总共131页。基本结构2CR型2DR型面积大，有膜层，特殊电极光电池结构特点75当前75页，总共131页。1.短路电流和开路电压第4章光辐射的探测技术4.6硅光电池——太阳电池

短路电流和开路电压是光电池的两个非常重要的工作状态，它们分别对应于RL＝0和RL=。的情况。从特性曲线上看，第四象限的电流轴对应于短路电流状态，电压轴对应于开路电压状态，这两种状态均无功率输出。光电池的等效电路短接时短路光电流开路电压-76当前76页，总共131页。2.输出功率和最佳负载电阻第4章光辐射的探测技术4.6硅光电池——太阳电池输出功率最佳负载电阻RM光电池的转换效率：Pm／P是最大电输出功率与入射光功率的比值，定义为光电池的转换效率。由得77当前77页，总共131页。2.输出功率和最佳负载电阻第4章光辐射的探测技术4.6硅光电池——太阳电池输出功率曲线示意输出功率光电池的输出功率特性伏安特性曲线的分区特性作图法求最大功率负载线78当前78页，总共131页。3.光谱、频率响应及温度特性第4章光辐射的探测技术4.6硅光电池——太阳电池79当前79页，总共131页。4.缓变光电信号探测第4章光辐射的探测技术4.6硅光电池——太阳电池实际光照功率下的开路电压计算设实际光功率为P设产品手册中给定：在功率为P时光电池的开路电压为uOC，由80当前80页，总共131页。4.缓变光电信号探测最佳负载电阻Rm的估算81当前81页，总共131页。伏安特性曲线的两个区域：I区(光电流区域)和II区(光电压区域)。很显然，当用光电池探测缓变光信号时，应工作在光电流区域，即应选RL＜Rm。如果用光电池只是鉴别有无光照而作为一个光电开关时，才允许选RL＞Rm，工作在光电压区域。对光电流区域，又有两种输出方式：

4.缓变光电信号探测保证光电池线性工作的RL的选择原则(1)电流输出。光电池输出送给负载的信号光电流是随光照强度变化而变化的。如果需要放大信号，则应选用电流放大器，负载线愈靠近电流轴，即RL愈小，输出电流就愈大，愈接近短路电流isc。显然，这种输出方式下要求负载电阻（或放大器的输人阻抗）尽量小。(2)电压输出。光电池输出送给负载的信号电压是随光照强度变化而变化的。如果需要放大器信号，则应选用电压放大器。如图所示，负载电阻愈大，光电池的输出电压就愈高。显然，输出线性度要求负载电阻（或放大器的输人阻抗）稍低或等于Rm值。通常，为了使线性区有余量，一般取82当前82页，总共131页。光电池电流输出情况下的变换电路举例4.缓变光电信号探测83当前83页，总共131页。入射光5.交变光信号探测根据以前光电工作特性分析：工作在II区这种方式频率特性不好工作在I区1)电流输出状态2)电压输出状态①②③①直流工作线②交流负载线③静态或直流工作点84当前84页，总共131页。5.交变光信号探测①②③①直流工作线②交流负载线③静态或直流工作点负载电阻上的功率最大功率条件：85当前85页，总共131页。6.使用要点第4章光辐射的探测技术4.6硅光电池——太阳电池

①光电池受强光或聚焦光照射时，要采取散热措施。硒光电池、硅光电池的结温分别超过50℃、200℃时，它们的晶体结构就会被破坏，造成损坏。因此，通常硅光电池的使用温度不允许超过125℃。②硅光电地由薄的硅片制成，极脆。固定不宜用压紧法，而应采用胶粘法，但不能用环氧树脂、502胶粘，而要用柔软、有弹性的胶合剂，如万能胶、蜂蜡等。③硅光电池的引线很细，不能承受大的拉力，否则引线脱落。④硅光电池表面常镀有一层增透膜，应避免接触硬物损伤薄膜。86当前86页，总共131页。4.7光电二极管87当前87页，总共131页。光电二极管和光电池一样．都是基于PN结的光电效应而工作的；但是它与光电池相比有所不同：①就制作基底材料的掺杂浓度而言，光电池的掺杂浓度较高；②光电池的电阻率低；③光电池通常在零偏置下工作，而硅光电二极管通常在反向偏置下工作，即工作于光电导模式；④一般说来，光电池的受光面面积都比程光电二极管的大得多，因此，硅光电二极管的光电流小得多，通常在微安级。种类：Si光电二极管，PIN光电二极管，雪崩光电二极管（记为APD），肖特基势垒光电二极管，HgCdTe光伏二极管，光电三极管等。88当前88页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.7光电二极管4.7.1硅光电二极管结构原理光谱响应特性和光电灵敏度光电变换的伏安特性分析

(1)直流负载分析

(2)缓变化光功率探测

(3)交变光信号探测频率响应特性噪声特性4.7.2PIN硅光电二极管4.7.3雪崩光电二极管(APD)4.7.4光电三极管89当前89页，总共131页。1.结构原理第4章光辐射的探测技术4.7.1Si光电二极管2CU系列2DU系列90当前90页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.7.1Si光电二极管2DU型管加环极的目的是为了减少暗电流和噪声。光电二极管在制造过程中，在光敏面上涂有一层SiO2保护膜，里面含有少量的钠、钾、氢等正离子，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，它可以使P－Si表面与N－Si连通起来。在外加反向偏压的作用下，从前极流出的暗电流，除了有PN结的反向电流外，还有通过表面感应电子层产生的漏电流，这种表面漏电流在数量上可达微安级，成为暗电流的重要组成部分，同时又是产生散粒噪声的主要因素。1.结构原理91当前91页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.7.1Si光电二极管1.结构原理92当前92页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.7.1Si光电二极管封装形式1.结构原理93当前93页，总共131页。2.基本特性第4章光辐射的探测技术4.7.1Si光电二极管光照特性光照特性是指光电二极管的光电流与照度之间的关系。光电二极管的光照特性的线性较好，但光电流较小(微安量级)，灵敏度较低。94当前94页，总共131页。2.基本特性第4章光辐射的探测技术4.7.1Si光电二极管温度特性硅光电二极管的光电流和暗电流均随温度的变化而变化。由于温度升高，暗电流增大，使输出信噪比变差，不利于弱光信号的探测。所以，在弱光信号检测时，要设法克服温度变化的影响。95当前95页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.7.1Si光电二极管光谱响应特性和光电灵敏度Si光电二极管具有一定的光谱响应范围。常温下，Si材料的禁带宽度为1.12（eV），峰值波长约为0.9um，长波限约为1.1um，由于入射波长愈短，管芯表面的反射损失就愈大，从而使实际管芯吸收的能量愈少，这就产生了短波限问题。Si光电二极管的短波限约为0.4um。Si光电二极管的电流灵敏度主要决定于量子效率。在峰值波长0.9um条件下，＞50％。电流灵敏度R＞0.4（A/W）。光谱响应曲线2.基本特性96当前96页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.7.1Si光电二极管伏安特性曲线，曲膝电压3.光电变换的伏安特性分析97当前97页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.7.1Si光电二极管伏安特性曲线，曲膝电压线性化处理伏安特性曲线2.光电变换的伏安特性分析98当前98页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.7.1Si光电二极管

伏安特性曲线，曲膝电压线性化处理伏安特性曲线负载工作曲线内电导、临界电导、负载电导直流负载线设计慢变化光功率探测交变光信号探测2.光电变换的伏安特性分析99当前99页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.7.1Si光电二极管直流负载线设计直流负载线设计，就是在反偏压V及入射光功率P条件下，如何设计负载电阻的问题。2.光电变换的伏安特性分析最小负载电导时100当前100页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.7.1Si光电二极管慢变化光功率探测2.光电变换的伏安特性分析阐述不充分，不要求101当前101页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.7.1Si光电二极管交变光信号探测假定光功率作正弦脉动，即P=P0+Pmsint。通常关心的问题有两种：

第一、给定入射光功率时的最佳功率输出条件。第二、给定反偏压V时的最佳功率输出条件。2.光电变换的伏安特性分析102当前102页，总共131页。为了取得大的输出功率，希望GP＋GL值小，V值高。但是，欲在GL上取得最大功率，又要求GL比Gp大，这与要求Gp＋GL小相矛盾。因此GL和Gp均存在最佳值问题。给定入射光功率时的最佳功率输出条件103当前103页，总共131页。给定入射光功率时的最佳功率输出条件由MHQ①②③④⑤⑥⑦⑧①③代入④由上式得输出电压幅值:输出功率:求微分得最大输出功率条件：最大输出功率条件下：由

⑤由

③104当前104页，总共131页。给定入射反偏压V时的最佳功率输出条件书上是Gp105当前105页，总共131页。例题：已知某Si光电二极管的灵敏度S=0.5A/mW，结电导g＝0.005s，曲膝电压U=10V，入射光信号功率P＝5＋3sintW，反偏压V＝40V。试求：电信号输出送到放大器时，取得最大功率的电阻RP及放大器的输入电阻Ri。解：由给定条件可确定出脉动光功率值为：PO＝5W，P=8W，P=2W。可求出Gp、RP分别为由放大器输入电阻为：由及得输送到放大器的电压和功率：106当前106页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.7.1Si光电二极管光电二极管的频率响应特性主要由三个因素决定：光生载流子在耗尽层内的漂移时间负载电阻RL、结电容Ci决定的电路时间常数光生载流子在耗尽层附近的扩散时间4.频率响应特性107当前107页，总共131页。5.噪声光电二极管的噪声包含低频噪声、散粒噪声、热噪声。主要是散粒噪声。散粒噪声是由于电流在半导体内的散粒效应引起的。暗电流、背景电流和信号光电流因此散粒噪声为由反向偏置的光电二极管电流与入射辐射的关系再考虑负载电阻的热噪声，则散粒噪声是电荷载体的粒子特性的结果。半导体内流动的DC电流通常被认为在每一时刻都是恒定的，但是任何电流都是由一个个的电子和空穴的运动所形成的。只有这些电荷载体所产生的电流的时间平均值才可以看做是恒定的电流。电荷载体数量的任何波动都会在那个时刻产生随机的电流，这就是散粒噪声108当前108页，总共131页。109当前109页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.7.2PIN硅光电二极管I层是高电阻区暗电流小I层是高电场区漂移运动快耗尽层加宽扩散过程缩短结电容减小有利于提高量子效率提高了频率响应110当前110页，总共131页。第4章光辐射的探测技术4.7.3雪崩光电二极管(APD)利用光生载流子在强电场内的定向运动产生雪崩效应。结构特点：高纯度、高电阻率、均匀性好的材料；

偏压高，一般为几百伏。111当前111页，总共131页。电流倍增系数：M随反向偏压U的变化可用经验公式近似表示为：增益特性一般，100-200V时，M约为10倍量级；由于雪崩光电二极管中载流子的碰撞电离是不规则的，碰撞后的运动方向变得更加随机，所以它的噪声比一般光电二极管要大些。雪崩光电二极管中的噪声主要也是散粒噪声，其次是热噪声。噪声特性112当前112页，总共131页。结构原理基本应用电路第4章光辐射的探测技术4.7.4光电三极管113当前113页，总共131页。伏安特性伏安特性光电三极管的伏安特性曲线如图所示。光电三极管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。因此，只要将入射光照在发射极e与基极b之间的PN结附近，所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看作一般的晶体管。光电三极管能把光信号变成电信号，而且输出的电信号较大。I/mA024620406080U/V500lx1000lx1500lx2000lx2500lx114当