第2章 光电检测技术基础课件

第二章光电检测技术基础光电传感与检测第2章光电检测技术基础1第一节辐射度量与光度量一、光的物理基本性质二、光的物理表征第二节光电检测器件的物理基础一、半导体的物理基础二、物理效应和基本定律第三节光电检测器件的工作原理与特性光电传感与检测第2章光电检测技术基础1教学目的：1、了解光的基本性质和辐射度量及光度量等各参数的概念和表示方法；2、了解半导体的特性、半导体的导电结构，掌握能级能带的理论及PN结的形成过程、势垒的概念、掌握载流子的运动，非平衡的PN结有什么特点，半导体对光的吸收等知识；3、光电效应的概念、分类、光电导效应、光生伏特效应。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1第一节辐射度量与光度量一、光的基本性质光电技术最基本的理论是光的波粒二象性。即光是以电磁波方式传播的粒子。几何光学依据光的波动性研究了光的折射与反射规律，得出了许多光的传播、光学成像、光学成像系统和成像系统像差等理论。

物理光学依据光的波动性成功地解释了光的干涉、衍射等现象，为光谱分析仪器、全息摄像技术奠定了理论基础。然而光的本质是物质，它具有粒子性，又称为光量子或光子。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光子具有动量和能量，并分别表示为：动量：能量：其中，，为普朗克常数；为光的振动频率（），为光在真空中的传播速度。

光的量子性成功地解释了光与物质作用时所引起的光电效应，而光电效应又充分证明了光的量子性。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1

图2-1为电磁波按波长的分布及各波长区域的定义，称为电磁波谱。电磁波谱的频率范围很宽：从宇宙射线的无线电波

，几pm—上千米的波长。光辐射仅仅是电磁波谱中的一小部分，它包括的波长从几纳米到几毫米，即光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光电传感与检测第2章光电检测技术基础1

可见光：这些光并不是人眼都能看得见的。其中只有波长从约0.36m到0.78m的光才能引起人眼的视觉感，故称这部分光为可见光。波长780nm-380nm从长到短依次为红、橙、黄、绿、蓝、紫。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光电传感与检测第2章光电检测技术基础1

二、光的物理表征（辐射度参数与光度参数）为了定量分析光与物质相互作用所产生的光电效应，分析光电敏感器件的光电特性，以及用光电敏感器件进行光谱、光度的度量计算，常需要对光辐射给出相应的计量参数和量纲。光辐射的度量方法有两种：物理（或客观）的计量方法，称为辐射度学计量方法或辐射度参数，它适用于整个电磁辐射谱区，对辐射量进行物理的计量；生理（或主观）的计量方法，以人眼所能见到的光对大脑的刺激程度来对光进行计量的方法，称为光度参数。只适用于可见光谱区域，是对光强度的主观评价。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1

辐射度量和光度参数在概念上不一样，但它们的计量方法有很多相同之处，常用相同的符号表示，为区别，右下角标“e”表示辐射度参数，标“v”或不标表示光度参数。1、关于辐射源的参数计量辐射源在辐射波长范围内发射连续光谱或单色光谱能量的参数。①辐射能和光能以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐射能。用表示，单位为。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1

光能是光通量对时间的积分，以表示，单位

②辐射通量和光通量辐射通量又称辐射功率，单位为W（1W=1）以辐射形式发射、传播或接收的功率：

t时间内，单位发射、传播或接收的辐射能不随时间变化，则光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光通量，单位为，光辐射通量对人眼所引起的视觉强度值：

与辐射通量的关系，（内光源的辐射通量）、为人眼的光谱光视效率（即视见函数）。，波长为555nm，可见光之外，=？。③辐射出射度和光出射度

辐射体单位发射面积辐射的通量或功率称为辐射出射度

光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光源表面给定点处单位面积向半球面空间发射的光通量

④辐射强度和发光强度

对点光源发出的，单位时间内，单位立体角辐射出的能量为辐射强度：对可见光来说，发光强度：光电传感与检测第2章光电检测技术基础1辐射亮度和亮度由辐射表面定向发射的辐射强度为辐射亮度，等于该方向上的辐射强度与辐射表面在该方向垂直面上的投影面积之比，表达式：对于可见光来说：光电传感与检测第2章光电检测技术基础12、与接收器有关的参数辐照度与照度辐照度：单位面积内所接收到的辐射通量。光照度：被照明物体单位面积上的入射光通量。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1基本辐射度量的名称、符号和定义方程名称符号定义方程单位符号辐射能Q,焦耳J辐射能密度焦耳／立方米Jm-3辐射通量，辐射功率瓦特W辐射强度Ｉ瓦特／球面度Wsr-1辐射亮度Ｌ

瓦特／球面度平方米Wm-2sr-1辐射出射度Ｍ瓦特／平方米Wm-2辐射照度Ｅ瓦特／平方米Wm-2光电传感与检测第2章光电检测技术基础13、光谱辐射度量（辐射量的光谱密度）为了表征辐射．不仅要知道辐射的总通量和强度，还应知道其光谱组份。因为光源发出的光，往往由许多波长的光组成，为了研究各种波长的光所分别辐射的能量，还需要引入光谱辐射度量的概念。光谱辐射度量是单位波长间隔内的辐射度量，其量和单位见表1—3。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1第二节光电检测器件的物理基础一、半导体的物理基础多数现代电子器件是有性能介于导体和绝缘体之间

的半导体制成的。这里的性能指导电能力、电阻率。

电子器件中，常用的半导体材料有：元素半导体：硅、锗、硒等；化合物半导体：砷化镓(GaAs)、铝砷化镓(Ga1-xAlxAs)、硫化镉(CdS)和硫化铅(PbS)等；光电传感与检测第2章光电检测技术基础1

导体

半导体

绝缘体

10－3

1012以电阻率界限定义铜，银等硅，锗等硫化镉云母，琥珀光电传感与检测第2章光电检测技术基础11、半导体的电阻温度系数一般是负的，它对温度的变化非常敏感。根据这一特性，制作了许多半导体热探测元件。2、半导体的导电性能可受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。随着所掺入的杂质的种类不同，可以得到相反导电类型的半导体。如在硅中掺入硼，可得到P型半导体；渗入锑可得到N型半导体。3、半导体的导电能力及性质会受热、光、电、磁等外界作用的影响而发生非常重要的变化。例如沉积在绝缘基板上的硫化镉层不受光照时的阻抗可高达几十甚至几百兆欧，但一旦受到光照，电阻就会下降到几十干欧，甚至更小。纯硅在室温下的电导率为5×10－6Ω－1•cm-1，当掺入硅原子数的百万分之一的杂质时，电导率却上升至2Ω-1•cm-1，几乎增加了一百万倍。沉积在绝缘板上的硫化镉层不受光照时的阻抗可高达几十甚至几百兆欧，但一旦受到光照，电阻就会下降到几十千欧。光电传感与检测第2章光电检测技术基础14、半导体的导电结构不同于其他物质4.1导电的原理原子：由带正电的原子核与一些带负电的电子组成的能级：电子绕核稳定运动的能量称为能级（里低内高）能带：能量区域密集的能级成为能带价带、导带、禁带、空带（空的导带）光电传感与检测第2章光电检测技术基础1在外加电场的作用下，有些电子在原来热运动的基础上迭加了定向运动，从而形成了电流。导带：电子浓度越高，导电能力愈强-电子导电的价带：电子的空位浓度愈高，导电能力愈强-空位导电的，电子的空位称为空穴。电子、空穴，均称为载流子。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1电子运动的三个特点：1）具有稳定的运动状态（量子态），每一个量子态所确定的能量称为能级。越外层能量越高；2）严格讲原子中没有完全确定的轨道；3）泡利不相容原理：每一个能级中，最多容纳两个自旋方向相反的电子。光电传感与检测第2章光电检测技术基础11）原子以一定的周期重复排列所构成的物体称为晶体；2）晶体中的不同原子的电子轨道发生不同程度的交迭，使原来隶属于某一原子的电子，不再是此原子私有，而是在整个晶体中运动，成为整个晶体所共有，这种现象称作电子的共有化；3）电子的共有化只发生在能量相同的量子态之间。电子的共有化运动光电传感与检测第2章光电检测技术基础11）能量区域中密集的能级形象称为能带；2）能量最高的价电子填满的能带称为价带；3）能量最低的能带为导带，中间为禁带；4）绝缘体、半导体、导体的能带情况；晶体中电子的能带光电传感与检测第2章光电检测技术基础1晶体的能带光电传感与检测第2章光电检测技术基础1非平衡载流子（1）定义：在外界作用下，电子＆空穴的产生率大于复合率，导致载流子数目增加，这种增加的电子＆空穴称为非平衡载流子。（2）寿命：复合率=Δn/ζ，式中,，ζ为常数，称为非平衡载流子的寿命。其物理意义：（1）标志着非平衡载流子复合的快慢；（2）非平衡载流子的浓度衰减到原来的1/e所需的时间；（3）非平衡载流子的平均存在时间。（3）复合：（1）直接复合：导带电子直接落在价带空穴的位置上而与空穴结合失去其自由态的过程。（2）间接复合：导带电子通过复合中心（由于半导体中晶体结构的不完整性和杂质的存在，在禁带内存在一些深能级，这些能级能俘获自由电子与自由空穴，从而使它们复合，这种深能级称为复合中心）与价带上的空穴复合。（4）陷阱效应：杂质能级积累非平衡载流子的作用。光电传感与检测第2章光电检测技术基础15、PN结与载流子的运动5.1

PN结

PN结就是P型半导体和N型半导体交界的地方，这个交界处虽然很薄，但有许多特殊的电性能，它是晶体管、场效应管、晶闸管等半导体器件的核心部分。因此，它是整个半导体器件最重要的概念之一。

在一块半导体晶体的不同部位掺入不同的杂质，使得这块晶体的一部分呈P型半导体，另一部分呈N型半导体，则在P型和N型的交界处就形成了PN结。

光电传感与检测第2章光电检测技术基础15.2载流子的运动（扩散和漂移）

当P型半导体和N型半导体结合在一起时，在它们交界的地方就要发生电子和空穴的扩散运动。因P区有大量的空穴(电子很少)，N区有大量的电子(空穴很少)。这样，在P型和N型半导体的交界处就出现了浓度差，电子和空穴都要向浓度小的地方运动。形成空间电荷区，即如下图所示的内建电场：光电传感与检测第2章光电检测技术基础1

内建电场阻碍空穴和电子的继续扩散，对空穴来说，电场力要把空穴推到P区，对电子来说，电场力要把电子拉到N区，电场力对载流子的这种作用叫做漂移作用．由此可见，漂移作用和扩散作用二者是一对矛盾，有扩散运动就会产生内建电场，引起漂移运动，而漂移运动又削弱了扩散运动。当二者的作用相等时，就达到了动态平衡，这时空间电荷区的宽度和空间电荷数目就不再增加，内建电场也不再增强，PN结处于动态平衡状态，形成PN结。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1

由于空间电荷区存在着电场，所以在空间电荷区的两边就有电位差，这个电位差叫做接触电位差，通常也称为内建电场。一般硅PN结的接触电位差为0.5-0.8V，锗PN结的接触电位差为0.1-0.3V。光电传感与检测第2章光电检测技术基础15.3PN结的单向导电特性如果在PN结上加一电压，当P区接正而N区接负时就有一定的电流通过，并且随外加电压的升高电流迅速增大；当P区接负而N区接正时，电流就很微小并且电流数值与外加电压关系不大。这就是PN结的单向导电特性。

P区接正N区接负，叫正向偏置，这时的外加电压称为正向电压或正向偏置电压；P区接负N区接正，叫反向偏置，这时的外加电压称反向电压或反向偏置电压。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1①PN结加正向电压由于阻挡层的电阻远大于P区和N区的体电阻，所以整个外加电压基本上全部加在阻挡层上．此时，外加电压产生的电场与内建电场方向相反，从而使PN结中总的电场减弱，这样PN结的平衡状态被破坏，P区中的空穴就不断地穿过空间电荷区向N区移动，而N区的电子也不断地穿过空间电荷区向P区移动。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1

虽然电子和空穴的运动方向相反，但它们所形成的电流却是相加的，即正向电流等于电子电流与空穴电流之和，从而形成比较大的正向电流，如图所示。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1

当P区空穴向N区移动，N区电子向P区移动时，它们首先就要和PN结中原来的一部分正负离子中和，结果使PN结变窄，其内建电位差比原来平衡时的数值减少了。当正向电压升高时，PN结中的电场就减弱得更多，P区移向N区的空穴就愈多，N区移向P区的电子也增多，因此正向电流随正向电压的增加而迅速上升。PN结表现为一个很小的电阻。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1②PN结加反向电压

N区接电源的正极，P区接电源的负极，这是PN结反向运用的情况。此时，外加电压产生的电场方向与内建电场的方向一致，PN结中总的电场加强了。在外加电场的作用下，阻挡层左边P区的空穴和阻挡层右边N区的电子都将进一步离开PN结，于是阻挡层(空间电荷区)加宽了，阻挡层两端的电位差也增加了．因此，P区和N区的多数载流子穿过阻挡层的扩散运动受阻，由多数载流子形成的电流等于零。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光电传感与检测第2章光电检测技术基础1

实际上，PN结在反向工作时还有一定的微小电流，这是由P区少数载流子(电子)和N区少数载流子(空穴)在电场力的作用下形成的．称为PN结的反向电流，它的大小与外加电压基本无关，但它随温度而变化．由于反向电流一般很小(因P区的电子和N区的空穴很少)，PN结表现为一个很大的电阻，所以仍认为PN结外加反向电压时基本上不导电．综上所述，PN结加正向电压时，PN结电阻很小，电流畅通；PN结加反向电压时，PN结电阻很大，反向电流很小，接近于零，PN结不导通。所以，PN结具有单向导电特性．光电传感与检测第2章光电检测技术基础1

必须指出，由于热运动产生的少数载流于所形成的反向电流，当温度升高时，因热激发增强而会使反向电流急剧增加，这是造成PN结工作不稳定的原因，在实际应用中必须注意这个问题．

光电传感与检测第2章光电检测技术基础1

当加到PN结上的反向电压超过一定数值时，反向电流就有明显的增加，甚至突然猛增，这种现象叫PN结的击穿。PN结击穿后，其单向导电特性遭到了破坏，同时可能因反向电流过大而使PN结烧坏。击穿并不一定是坏事。在电子线路中常用的硅稳压管就利用了击穿现象。因为它击穿以后，通过PN结的电流可以有相当大的变化而其两端电压却变化很小，所以起到了稳压作用。另外，PN结击穿了并不等于就坏了，只要在线路中接一个保护电阻，使反向电流不超过PN结所容许的最大电流，则反向电压减小后PN结是可以恢复的。光电传感与检测第2章光电检测技术基础15.4半导体异质结

由于半导体外延技术的发展，从60年代开始，可以将禁带宽度不同的两种半导体材料，生长在同一块晶体上，且可以按人们的意志做成突变的或缓变的结，这种由两种不同质的半导体材料接触而组成的结称为半导体异质结。

现在，利用异质结已经制造出许多光电器件，如注入式激光器、发光二极管和太阳能电池等各种类型的光电器件。

异质结的构成，不只限于两种不同的半导体材料，对于由金属、绝缘体与半导体构成的结构可称为异质结。光电传感与检测第2章光电检测技术基础16、半导体对光的吸收物体受光照射，一部分光被物体反射，一部分光被物体吸收，其余的光透过物体。那些被物体所吸收的光，将改变物体的一些性能。6.1本征吸收半导体材料吸收光的原因，在于光与处在各种状态的电子、品格原子和杂质原子的相互作用。其中最主要的光吸收是由于光子的作用使电子由价带跃迁到导带而引起的，这种吸收就称为本征吸收。本征吸收的条件及特点。光电传感与检测第2章光电检测技术基础16.2杂质吸收处于杂质能级中的电子与空穴，也可以引起光的吸收。N型半导体未电离的杂质原子，吸收光子能量大于电离能，则杂质原子的外层电子将从价带跃入导带，成为自由电子；P型半导体吸收光子能大于，则价电子产生电离，成为空穴，即称杂质吸收。不同的电离能有不同的长波限，掺杂的杂质不同，吸收就可以在很宽的波段内产生。光电传感与检测第2章光电检测技术基础16.3激子吸收在某些情况下，电子在价带中空穴库仑场的束缚下运动．形成可动的电子—空穴对，称为激子。激子的能量小于自由电子的能量，因此能级处在禁带中。激于子作为一个整体可以在晶格内自由运动，然而它是电中性的，不能产生电流。光电传感与检测第2章光电检测技术基础16.4自由载流子吸收在半导体材料的红外吸收光谱中发现，在本征吸收限长波测还存在着强度随波长而增加的吸收。这种吸收是由于自由载流子在同一能带内不同能级之间的跃迁而引起的，因此称为自由载流子吸收。当半导体处于足够低的温度中时，电子与晶格的联系显得非常微弱．此时吸收的辐射，使载流子在带内的能量分布发生显著变化。这种现象虽不引起载流子浓度的变化，但由于电子的迁移率依赖于能量，所以上述过程导致迁移率改变．从而使这种吸收引起电导率的改变。光电传感与检测第2章光电检测技术基础16.5晶格吸收在这种吸收过程中，光子直接转变成晶格原子的振动。宏观上表现为温度升高，引起物质的热敏效应。以上五种吸收中，只有本征吸收和杂质吸收能产生光电效应。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1第二节物理效应和基本定律一、光电效应：当光照射到物体上使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光电动势等，这种因光照而引起物体电学特性的改变统称为光电效应。二、分类①外光电效应：物质受到光照后向外发射电子的现象称为外光电效应。如光电管、光电倍增管等；②内光电效应：物质受到光照后所产生的光电子只在物质内部运动而不会逸出物质外部的现象称为内光电效应。这种效应多发生于半导体内。内光电效应又可以分为光电导效应和光生伏特效应。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1③光电导效应：是指半导体受光照射后，其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小的现象，如光敏电阻。④光生伏特效应：是指光照在半导体PN结或金属—半导体接触面上时，会在PN结或金属半导体接触面的两侧产生光电动势的现象。如光敏二极管、光敏三级管、光电池。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光电导效应本征光电导

在本征半导体中，电子未获得其它能量之前处于基态，价带充满着电子，导带没有电子，而因晶体缺陷产生的能级又不能激发自由电子时，则这些材料的电阻是较大的。但是，如果这些材料内的电子受到一种外来能量如光子的激发，且这种激发又能使电子获得足够的能量越过禁带而跃入导带的话，则材料中就会产生大量的电子及空穴(光生载流子)参与导电，因而材料的电阻就相应减少。这是由本征光吸收所引起的光电导效应。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1杂质光电导

在掺杂半导体中，除了本征光电导外，还存在杂质光电导。对P型半导体来说，由于其受主能带靠近价带，所以价带中的电子很容易从光子吸收能量跃入受主能带，使价带产生空穴参与导电。对N型半导体来说，由于其施主能带靠近导带很近，所以施主能带中的电子很容易从光子获得足够的能量进入导带而参与导电。这是由杂质吸收所产生的杂质光电导效应。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1

就光电器件而言，最重要的参数是灵敏度、弛豫时间（惰性)和光谱分布。1）灵敏度（光电流或光电增益）灵敏度通常指的是在一定条件下，单位照度所引起的光电流。由于各种器件使用的范围及条件不一致，因此灵敏度有各种不同的表示法。光电导体的灵敏度表示在一定光强下光电导的强弱。它可以用光电增益G来表示。光电传感与检测第2章光电检测技术基础12）光电导的驰豫光电导是非平衡载流子效应，因此有一定的弛豫现象：光照射到样品后，光电导逐渐增加，最后达到定态。光照停止，光电导在一段时间内逐渐消失。这种弛豫现象表现了光电导对光强变化反应的快慢。光电导上升或下降的时间就是弛豫时间，或称为响应时间(惰性)。显然，弛豫时间长，表示光电导反应馒，这时称惯性大；弛豫时间短，即光电导反应快，称为惯性小。从实际应用讲，光电导的弛豫决定了在迅速变化的光强下，一个光电器件能否有效工作的问题。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1两种典型情况：直线性光电导抛物线性光电导直线性光电导：光电导与光强成线性关系；抛物线性光电导：光电导与光强的平方根成正比。多数光电导器件特点：在低光强下属于直线性光电导，在较强光强下属于抛物线性光电导。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1①直线性光电导

直线性光电导的驰豫中光电流都按指数规律上升和下降，上升和下降是对称的。驰豫时间，与光强无关。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1②抛物线性光电导上升、下降不对称。驰豫时间与光强有关，光强越强，驰豫时间越短。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1注：灵敏度和驰豫时间是相矛盾的，通常要求灵敏度愈高，驰豫时间愈短。但是实际上，灵敏度高，驰豫时间也就越长；灵敏度低，驰豫时间也就越短。光电传感与检测第2章光电检测技术基础13）光电导的光谱分布光源选定后，根据光谱分布曲线寻找接收器件。光谱分布曲线是等量子、等能量、等光子流的曲线。①本征半导体的光谱分布曲线一个峰值，峰值后迅速下降，下降一半的波长为光电导的长波限。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1②杂质半导体的光谱分布曲线

多个峰值，由于杂质的电离能小，对应的长波限很长，实际在红外范围。光电传感与检测第2章光电检测技术基础12、光生伏特效应光照使不均匀半导体或均匀半导体中产生光生电子或空穴在空间分开而产生电势差的现象。1）均匀半导体-丹倍效应

由于半导体对光的吸收而在半导体的近表面层中产生高浓度的光生非平衡电子空穴对。由于载流子浓度梯度差，两种载流子都向半导体内部扩散。电子比空穴扩散得快，从而使半导体表面带正电而内部带负电，这种现象称为光电扩散效应或丹倍效应。所产生的光电压称为光电扩散电压或丹倍电压。光电传感与检测第2章光电检测技术基础12）不均匀半导体-由势垒效应产生的光生伏特效应不同导电类型的半导体（PN结、异质结）金属、半导体接触形成的肖特基势垒如：PN结，P区和N区的多数载流子就会向对方扩散。平衡时会产生一个由N区指向P区的内建电场。光照下，结区、P区、N区都会引起本征激发而产生电子空穴对，这样，N区光生空穴和P区光生电子—到—PN结，使PN结变窄，原来势垒降低，相当于向PN结加上一个正向电压，即光生电动势。光电传感与检测第2章光电检测技术基础13、光电发射效应被激发的电子能逸出光敏物质的表面而在外电场作用下形成光电子流。1）斯托列托夫定律(光电发射第一定律)

当入射光线的频谱成分不变时，光电阴极的饱和光电流与被阴极所吸收的光通量成正比。即：式中，为表征光电发射灵敏度的系数。是用光电探测器件进行光度测量、光电转换的一个最重要的依据。表征光电发射灵敏度的稀疏光电传感与检测第2章光电检测技术基础12）爱因斯坦定律(光电发射第二定律)

发射出光电子的最大动能随入射光频率的增高而线性地增大，而与入射光的光强无关。3）光电发射的红限光电子刚刚能从阴极逸出的临界波长，动能为0。即：只有时才逸出。380nm3.2ev780nm1.6ev光电阴极的逸出功光电传感与检测第2章光电检测技术基础14）光电发射的瞬时性驰豫时间5）光电发射的三个阶段①得到能量②受激电子的电子传输③越过表面势垒向真空逸出光电传感与检测第2章光电检测技术基础13.1半导体光电检测器件一、光敏电阻二、光电池三、光敏二极管四、光敏三极管五、光电倍增管3.2各种光电检测器件的性能比较和应用选择一、接收光信号的方式二、各种光电检测器件的性能比较三、光电检测器件的应用选择第三节光电检测器件的工作原理与特性光电传感与检测第2章光电检测技术基础1

根据光电检测器件对辐射的作用方式的不同(或说工作机理的不同)，可分为光子检测器件和热电检测器件两大类。光电检测器件和热电检测器件比较：1、热电检测器件：①响应波长无选择性。即它对从可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感；②响应慢。即吸收辐射产生信号需要的时间长，一般在几毫秒以上。如：热释电探测器、热敏电阻、热电偶和热电堆等。光电传感与检测第2章光电检测技术基础12、光电检测器件：①响应波长有选择性。因这些器件都存在某一截止波长，超过此波长，器件无响应；②响应快。一般为纳秒到几百微秒。非放大型如：真空光电管外光电效应放大型如：光电倍增管光电导效应如：光敏电阻内光电效应非放大型光二、光电池光生伏特放大型光三、场效应管、雪崩光电二极管光电传感与检测第2章光电检测技术基础1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光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光电检测器件

一、光敏电阻1、结构和工作原理在一块均匀光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。当入射光子使半导体中的电子由价带跃迁到导带时，导带中的电子和价带中的空穴均参与导电，其阻值急剧减小，电导增加。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光敏电阻演示

当光敏电阻受到光照时，光生电子—空穴对增加，阻值减小，电流增大。暗电流（越小越好）光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光敏电阻

光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光电检测器件

光电导器件是带有金属电极的半导体。主要是硅、锗和化合物半导体，例如：硫化镉（CdS），锑化铟（InSb）等。

它由一块涂在绝缘基底上的光电导材料薄膜和两个金属电极组成。原理图和符号如图。入射光

符号光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光电检测器件

一般光电导器件都是做成薄层结构，它的基本结构有梳状式、沫膜式和刻线式，如图：光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光电检测器件特点：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；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；无极性，使用方便；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。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1本征型和杂质型光敏电阻本征型光敏电阻：当入射光子的能量等于或大于半导体材料的禁带宽度Eg时，激发一个电子－空穴对，在外电场的作用下，形成光电流。杂质型光敏电阻：对于Ｎ型半导体，当入射光子的能量等于或大于杂质电离能ΔＥ时，将施主能级上的电子激发到导带而成为导电电子，在外电场的作用下，形成光电流。本征型用于可见光长波段,杂质型用于红外波段。价带导带电子空穴Eg价带导带电子空穴ΔＥ施主光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光电检测器件

2、光敏电阻的特性参数

光敏电阻两端加电压（直流或交流）．无光照时，阻值（暗电阻）很大，电流（暗电流）很小；光照时，光生载流子迅速增加，阻值（亮电阻）急剧减少．在外场作用下，光生载流子沿一定方向运动，形成光电流（亮电流）。光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是说暗电流要小，亮电流要大，这样光敏电阻的灵敏度就高。光敏电阻一般采用禁带宽度大的材料或在低温下使用。不同波长的光，光敏电阻的灵敏度是不同的。在选用光电器件时必须充分考虑到这种特性。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光电检测器件

3、光电特性：光敏电阻的光电流与输入辐射通量的关系如下：常数，由材料决定；电源电压；

0.5-1之间的系数。(1)弱光时，=1，光电流与照度成线性关系(2)强光时，=0.5，光电流与照度成抛物线光照增强的同时，载流子浓度不断的增加，同时光敏电阻的温度也在升高，从而导致载流子运动加剧，因此复合几率也增大，光电流呈饱和趋势。（冷却可以改善）。I光E=1＝0.5光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光电检测器件

4、伏安特性（输出特性）即在一定光照下，光敏电阻的光电流与所加电压的关系。光敏电阻是一个纯电阻，因此符合欧姆定律，故曲线为直线，图中虚线为额定功耗线。使用时，应不使电阻的实际功耗超过额定值。在设计负载电阻时，应不使负载线与额定功耗线相交。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光电检测器件5、温度特性温度特性与光电导材料有密切的关系，如图2-14，以室温25摄氏度的相对光电导率为100%，可看出光敏电阻的相对光电导率随温度升高而下降，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工作稳定性的有效办法，尤其是对红外辐射的领域。例如：硫化铅光敏电阻，随着温度的升高光谱响应的峰值将向短波方向移动。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光电检测器件

光敏电阻除上述特性外。有下列优点：体积小、重量轻，结构简单而牢固，允许的光电流大，工作寿命长，其缺点是，型号相同的光敏电阻的参数也参差不齐，光照特性的非线性使它不适合测量要求线性的场合。光敏电阻虽有它的缺点，但在很多情况这些缺点并不重要，因而它的应用较广，例如遥控设备的主要要求是灵敏度高而采用光敏电阻。另外由于很多光敏电阻对红外线敏感，适宜于红外线光谱区工作。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光敏电阻参数型号亮电阻暗电阻峰值波长时间常数耗散功率极限电压温度系数工作温度光敏面使用材料Rg-CdS-A≤5*104≥1*108520<50<100100<1-40~801~2硫化镉RG1A≤5*103≥5*106450~850≤502010≤±1-40~70硫化硒镉光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光敏电阻的优缺点1、优点：灵敏度高，工作电流大，光谱响应范围与所测光强范围宽、无极性使用方便；2、缺点：响应时间长、频率特性差、强光线性差、受温度影响大等。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光电检测器件3、应用各种自动控制电路（如自动照明灯控制电路、自动报警电路），家用电器及各种测量仪器中（电视机中的亮度自动调节、照相机中的自动曝光控制等）。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光电检测器件组成：开关SW、光敏电阻、电容组成充电电路电压比较器时间检出电路三极管构成的驱动放大电路电磁铁DT带动的开门叶片（执行单元）

SW闭合，DT通电，光敏电阻在光照下阻值下降，对C充电，BG1-BG3导通，使BG4截止，DT断电关闭快门。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光电检测器件二、光电池根据光生伏特效应制成的将光能转换成电能的一种器件。

光电池核心部分是一个PN结，一般作成面积大的薄片状，来接收更多的入射光。硒光电池硅光电池常用的光电池薄膜光电池紫光电池异质结光电池光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光电检测器件1、光电池的结构及应用

N型硒化镉P型硒PN结半透明金属电极电极引线（－）电极引线（＋）硒光电池结构示意图背电极引线背电极硅单晶PN结扩散层上电极引线上电极SiO抗反射膜硅光电池结构示意图光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光电检测器件受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和保护作用。上电极做成栅状，为了更多的光入射。由于光子入射深度有限，为使光照到PN结上，实际使用的光电池制成薄P型或薄N型。在N型硅片上扩散P型杂质（如硼），受光面是P型层；或在P型硅片上扩散N型杂质（如磷），受光面是N型层。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光电检测器件注：受光面的输出电极多作成梳齿状和E字型，为的是减小光电池的内电阻；涂一层SiO2透明膜，防潮、除尘，又可以减小硅光电池的表面对入射光的发射，增强对入射光的吸收。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光电检测器件3、特性参数①输出特性

无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导体二极管相同。有光照时，沿电流轴方向平移，平移幅度与光照度成正比。曲线与电压轴交点称为开路电压VOC，与电流轴交点称为短路电流ISC。用作探测器时，通常以电流源形式使用。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1连接方式：开路电压输出---(a)短路电流输出---(b)光电池在不同的光强照射下可产生不同的光电流和光生电动势。短路电流在很大范围内与光强成线性关系。开路电压随光强变化是非线性的，并且当照度在2000lx时趋于饱和。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光照特性---开路电压输出：非线性(电压---光强)，灵敏度高短路电流输出：线性好(电流---光强)，灵敏度低开关测量（开路电压输出），线性检测（短路电流输出）光电传感与检测第2章光电检测技术基础1负载RL的增大线性范围也越来越小。因此，在要求输出电流与光照度成线性关系时，负载电阻在条件许可的情况下越小越好，并限制在适当的光照范围内使用。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光电检测器件②光谱特性光电池光谱范围的长波阈取决于材料的禁带宽度，短波阈受材料表面反射损失的限制，其峰值波长不仅和材料有关，而且随制造工艺及使用环境温度不同而有所移动。光谱响应度硅光电池响应波长0.4-1.1微米，峰值波长0.8-0.9微米。硒光电池响应波长0.34-0.75微米，峰值波长0.54微米。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1开路电压下降大约23mV/度短路电流上升大约10-510-3mA/度③温度特性温度升高，测量精度下降，Voc、Isc也将变化。随着温度的上升，硅光电池的光谱响应向长波方向移动，开路电压下降，短路电流上升。光电池做探测器件时，测量仪器应考虑温度的漂移，要进行补偿。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1④频率特性面积小的光电池较有利，如果负载合适，f可以较高。硅光电池频率特性好硒光电池频率特性差硅光电池是目前使用最广泛的光电池

光电传感与检测第2章光电检测技术基础1要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻RL；光电池面积越大则响应时间越大，因为光电池面积越大则结电容Cj越大，在给定负载时，时间常数就越大，故要求短的响应时间，必须选用小面积光电池。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1型号开路电压(mV)短路电流(mA)转换效率(%)面积(mm2)2CR11450～6002～4≥62.5×52CR33550～60012～1510~125×10光电池外形光敏面光电传感与检测第2章光电检测技术基础1能提供较大电流的大面积光电池外形光电传感与检测第2章光电检测技术基础1其他光电池及在照度测量中的应用柔光罩下面为圆形光电池光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光电池在动力方面的应用太阳能赛车太阳能电动机模型太阳能硅光电池板光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光电池在动力方面的应用（续）光电池在人造卫星上的应用光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光电检测器件2、应用①作为电池，将硅光电池、串联成电池组，与镍镉蓄电池配合，可作为卫星、微波站、野外灯塔、航标灯、无人气象站等无输电线路地区的电源供给；②作为光电检测器件，利用光电池做探测器有频率响应高，光电流随光照度线性变化等特点。可以作为开关使用，也可用于线性测量；如光电读数、光电开关、光栅测量技术、激光准直、电影还音等。光栅测量中使用的四等分硅光电池之类的多级电池组，差分放大电路中使用的对称半圆式、四象限式光电池组等。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光电检测器件三、光敏二级管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管是光电转换半导体器件，与光敏电阻器相比具有灵敏度高、高频性能好，可靠性好、体积小、使用方便等优点。

光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光电检测器件光敏二极管与普通二极管一样有一个PN结，属于单向导电性的非线形元件。外形不同之处是在光电二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，实现光电转换。为了获得尽可能大的光生电流，需要较大的工作面，即PN结面积比普通二极管大得多，以扩散层作为它的受光面。为了提高光电转换能力，PN结的深度较普通二极管浅。

光电传感与检测第2章光电检测技术基础11、结构：（1）典型光电二极管结构上栅状电极氧化层入射光P区I区N区下电极平面PIN光电二极管入射光上电极薄金属层NN+下电极抗反射层台面肖特基势垒光电二极管光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光敏二极管

将光敏二极管的PN结设置在透明管壳顶部的正下方，光照射到光敏二极管的PN结时，电子-空穴对数量增加，光电流与照度成正比。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光敏二极管外形

光敏二极管阵列

包含1024个InGaAs元件的线性光电二极管阵列，可用于分光镜。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1红外发射、接收对管外形

红外发射管红外接收管光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光电检测器件光敏二极管符号

光敏二极管接法

光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光电检测器件光敏三极管

光敏三极管和普通二极管的结构相类似。不同之处是光敏三极管必须有一个对光敏感的PN结作为感光面，一般用集电结作为受光结，因此，光敏二极管实质上是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的普通二极管。一般情况下，只引出集电极和发射极。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光电三极管是由光电二极管和一个晶体三极管构成，相当于在晶体三极管的基极和集电极间并联一个光电二极管。同光电二极管一样，光电三极管外壳也有一个透明窗口，以接收光线照射。日前用得较多的是NPN和PNP两种平面硅光电三极管。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1NPN光电三极管结构原理简图光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光电三极管工作原理NPN光电三极管（3DU型），使用时光电二极管的发射极接电源负极，集电极接电源正极。光电三极管不受光时，相当于普通三极管基极开路的状态。集电结(基—集结)处于反向偏置，基极电流等于0，因而集电极电流很小，为光电三极管的暗电流。当光子入射到集电结时，就会被吸收而产生电子—空穴对，处于反向偏置的集电结内建电场使电子漂移到集电极，空穴漂移到基极，形成光生电压，基极电位升高。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1发射结集电结BECNNP基极发射极集电极光电传感与检测第2章光电检测技术基础1如同普通三极管的发射结(基—发结)加上了正向偏置，当基极没有引线时，集电极电流就等于发射极电流。这样晶体三极管起到电流放大的作用。由于光敏三极管基极电流是由光电流供给，因此一般基极不需外接点，所以通常只有集电极和发射极两个引脚线。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光敏（电）三极管NPNceb入射光结构图ceb原理图光电三极管相当于在基极与集电极之间接有光电二极管的普通三极管光电传感与检测第2章光电检测技术基础1

光敏三极管有两个PN结。与普通三极管相似，有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负（c、e）两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。

光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光敏三极管外形

光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光敏三极管内部结构

a)

内部组成b)管芯结构c）结构简化图

1—集电极引脚2—管芯3—外壳4—玻璃聚光镜

5—发射极引脚6—N+衬底7—N型集电区8—SiO2保护圈9—集电结10—P型基区11—N型发射区12—发射结

光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光电检测器件1、光敏二极管的两种工作状态①当光敏二极管加上反向电压时，管子中的反向电流随着光照强度的改变而改变，光照强度越大，反向电流越大，大多数都工作在这种状态。②光敏二极管上不加电压，利用P-N结在受光照时产生正向电压的原理，把它用作微型光电池。

光电传感与检测第2章光电检测技术基础1可以不加偏压，与光电池不同，光敏二极管一般在负偏压情况下使用大反偏压的施加，增加了耗尽层的宽度和结电场，电子—空穴在耗尽层复合机会少，提高光敏二极管的灵敏度。增加了耗尽层的宽度，结电容减小，提高器件的频响特性。但是，为了提高灵敏度及频响特性，却不能无限地加大反向偏压，因为它还受到PN结反向击穿电压等因素的限制。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光敏二极管的反向偏置接法

在没有光照时，由于二极管反向偏置，所以反向电流很小，这时的电流称为暗电流，相当于普通二极管的反向饱和漏电流。当光照射在二极管的PN结（又称耗尽层）上时，在PN结附近产生的电子-空穴对数量也随之增加，光电流也相应增大，光电流与照度成正比。

光电传感与检测第2章光电检测技术基础1

光敏二极管的反向偏置接线（参考上页图）及光电特性演示

在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向电流（暗电流）很小。

当光照增加时，光电流IΦ与光照度成正比关系。

光敏二极管的反向偏置接法UO+—光照光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光电检测器件2、基本特性①光谱特性波长超过一定值时-光子能量小，不足以激发电子-空穴对，灵敏度下降；波长小于一定值时-光子在表面就被吸收，透入深度小，电子空穴不能达到PN结，灵敏度下降。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光电检测器件②伏安特性光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光敏三极管的伏安特性硅光电三极管的光电流在毫安量级，硅光电二极管的光电流在微安量级。在零偏压时硅光电三极管没有光电流输出，但硅光电二极管有光电流输出。工作电压较低时输出电流有非线性，硅光电三极管的非线性更严重。（因为放大倍数与工作电压有关）在一定的偏压下，硅光电三极管的伏安曲线在低照度时间隔较均匀，在高照度时曲线越来越密.光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光电检测器件③光照特性光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光电三极管与光电二极管相比，具有较高的输出光电流，但线性差线性差主要是由电流放大倍数

的非线性所致在大照度时，光敏三极管不能作线性转换元件，但可以作开关元件使用。管不能作线性转换元件，但可以作开关元件使用。光电三极管的光照特性光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光电检测器件④温度特性暗电流及光电流与温度的关系光电传感与检测第2章光电检测技术基础1温度特性反映了光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。温度变化对光电流和暗电流都有影响，对暗电流的影响更大。精密测量时，应采取温度补偿措施，否则将会导致输出误差。

光电三极管的光电流和暗电流受温度影响比光电二极管大得多。光电传感与检测第2章光电检测技术基础1光敏三极管的（调制）频率特性光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。

一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。对于锗管，入射光的调制频率要求在5000Hz以下，硅管的频率响应要比锗管好。光电传感与检测第2章光电检测技术