光電檢測(cè)光電探測(cè)器2012

1、光電檢測(cè)器件是利用物質(zhì)的光電效應(yīng)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件。它是光電系統(tǒng)的核心組成部分，在光電系統(tǒng)中的作用是發(fā)現(xiàn)信號(hào)、測(cè)量信號(hào)，并為隨后的應(yīng)用提取某些必要的信息。,第二章、光電檢測(cè)器件,光輻射探測(cè)器,,熱電探測(cè)器,光子探測(cè)器,真空光電器件,,半導(dǎo)體光電器件,,熱電偶和熱電堆,熱敏電阻,熱釋電探測(cè)器,,,真空光電管,光電倍增管,充氣光電管,光敏電阻,光電池,光電二極管,光電三極管,熱電探測(cè)器特點(diǎn)：①響應(yīng)波長(zhǎng)無(wú)選擇性，它對(duì)從可見(jiàn)光到遠(yuǎn)紅外的

2、各種波長(zhǎng)的輻射同樣敏感。②響應(yīng)慢，吸收輻射產(chǎn)生信號(hào)需要的時(shí)間長(zhǎng)，一般在幾毫秒以上。,光電探測(cè)器特點(diǎn)：①響應(yīng)波長(zhǎng)有選擇性，存在某一截止波長(zhǎng)λ0，超過(guò)此波長(zhǎng)，器件沒(méi)有響應(yīng)。 ②響應(yīng)快，一般在納秒到幾百微秒。,1.響應(yīng)度（或靈敏度) 光電探測(cè)器的輸出電壓或輸出電流(或光電導(dǎo))與入射光功率(或光照度)之比，它描述器件的光電轉(zhuǎn)換效能。,第一節(jié)、基本特性參數(shù),一、響應(yīng)方面的參數(shù),⑴光譜響應(yīng)度 光電探測(cè)器的輸出電壓或輸出電流與

3、入射到探測(cè)器上的單色輻射通量之比，光譜響應(yīng)度愈大，表示光電探測(cè)器愈靈敏。,,⑵積分響應(yīng)度 光電探測(cè)器輸出的電流或電壓與入射總光通量之比稱為積分響應(yīng)度。積分靈敏度表示探測(cè)器對(duì)連續(xù)輻射通量的反應(yīng)程度。,2．響應(yīng)時(shí)間 當(dāng)入射輻射到光電探測(cè)器后或入射輻射遮斷后，光電探測(cè)器的輸出上升到穩(wěn)定值或下降到照射前的值所需時(shí)間稱為響應(yīng)時(shí)間。,上升時(shí)間和下降時(shí)間,3．頻率響應(yīng) 光電探測(cè)器的響應(yīng)隨入射輻射的調(diào)制頻率而變化的特性稱為

4、頻率響應(yīng)。,二、噪聲方面的參數(shù),從響應(yīng)度的定義來(lái)看，好象只要有光輻射存在，不管它的功率如何小，都可探測(cè)出來(lái)。但事實(shí)并非如此。當(dāng)入射功率很低時(shí)，輸出只是些雜亂無(wú)章的變化信號(hào)，而無(wú)法肯定是否有輻射入射在探測(cè)器上。這并不是探測(cè)器不好引起的，而是它所固有的“噪聲”引起的。如果對(duì)這些隨時(shí)間而起伏的電壓(流)按時(shí)間取平均值，則平均值等于零。但這些值的均方根不等于零，這個(gè)均方根電壓(流)稱為探測(cè)器的噪聲電壓(流)。,⑴熱噪聲： 也稱約翰遜噪聲，

5、 載流子無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)造成的噪聲。,①熱噪聲存在于任何電阻中。 ②熱噪聲與溫度成正比。 ③熱噪聲與頻率無(wú)關(guān)。熱噪聲是各種頻率分量組成，就像白光是各種波長(zhǎng)的光組成一樣，所以熱噪聲也稱為白噪聲。,1、器件的噪聲,⑵散粒噪聲： 也稱散彈噪聲， 穿越勢(shì)壘的載流子的隨機(jī)漲落（統(tǒng)計(jì)起伏）所造成的噪聲。在每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，穿過(guò)勢(shì)壘區(qū)的載流子的數(shù)或從陰極到陽(yáng)極的電子數(shù)都圍繞一平均值上下起伏。散粒噪聲也是白噪聲。,⑶產(chǎn)生－復(fù)合噪聲： 載流

6、子的產(chǎn)生率與復(fù)合率在某個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)也會(huì)在平均值上下起伏，這種起伏導(dǎo)致載流子濃度的起伏，從而也產(chǎn)生均方噪聲電流。它不是白噪聲。,⑷ 1/f 噪聲(閃爍噪聲或低頻噪聲）： 由于光敏層的微粒不均勻或不必要的微量雜質(zhì)的存在，當(dāng)電流流過(guò)時(shí)在微粒間發(fā)生微火花放電而引起的微電爆脈沖稱為1/f 噪聲。,頻率越低，這種噪聲越大，所以也稱為低頻噪聲，它是屬于“紅”噪聲。,2、噪聲參數(shù)：,⑴信噪比(S／N) ： 信噪比是判定噪聲大

7、小通常使用的參數(shù)。它是在負(fù)載電阻RL上產(chǎn)生的信號(hào)功率與噪聲功率之比，即,若用分貝(dB)表示，則為,利用S／N評(píng)價(jià)兩種光電探測(cè)器性能時(shí)，必須在信號(hào)輻射功率相同的情況下才能比較。 但對(duì)單個(gè)光電探測(cè)器，其S／N的大小與入射信號(hào)輻射功率及接收面積有關(guān)。如果入射輻射強(qiáng)，接收面積大，S／N就大，但性能不一定就好。因此用S／N評(píng)價(jià)器件有一定的局限性。,⑵等效噪聲輸入(ENl) ： 它定義為器件在特定帶寬內(nèi)(1Hz)產(chǎn)生的均方根信號(hào)電

8、流恰好等于均方根噪聲電流值時(shí)的輸入通量，此時(shí)，其他參數(shù)，如頻率溫度等應(yīng)加以規(guī)定。這個(gè)參數(shù)是在確定光電探測(cè)器件的探測(cè)極限(以輸入通量為瓦或流明表示)時(shí)使用。,⑶噪聲等效功率(NEP)： 或稱最小可探測(cè)功率Pmin。它定義為信號(hào)功率與噪聲功率之比為1(即S／N=1)時(shí)，入射到探測(cè)器上的輻射通量(單位為瓦)。即,⑷探測(cè)率D ： 只用NEP無(wú)法比較兩個(gè)不同來(lái)源的光探器的優(yōu)劣。為此，引入兩個(gè)新的性能參數(shù)——探測(cè)率D和比探測(cè)率D*

9、。探測(cè)率D定義為NEP（噪聲等效功率）的倒數(shù)，即,顯然，D愈大，光電探測(cè)器的性能就愈好。探測(cè)率D所提供的信息與NEP一樣，也是一項(xiàng)特征參數(shù)。不過(guò)它所描述的特性是：光電探測(cè)器在它的噪聲電平之上產(chǎn)生一個(gè)可觀測(cè)的電信號(hào)的本領(lǐng)，即光電探測(cè)器能響應(yīng)的入射光功率越小，則其探測(cè)率越高。,⑸歸一化探測(cè)率D* ： 為了在不同帶寬內(nèi)對(duì)測(cè)得的不同的光敏面積的光電探測(cè)器件進(jìn)行比較，使用了歸一化探測(cè)率（比探測(cè)率）D*。,⑹暗電流Id ： 即

10、光電探測(cè)器在沒(méi)有輸入信號(hào)和背景輻射時(shí)所流過(guò)的電流(加電源時(shí))。一般測(cè)量其直流值或平均值。,1、量子效率η(λ) ： 在某一特定波長(zhǎng)上每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光量子數(shù)之比。,一般η(λ)反映的是入射輻射與最初的光敏面的相互作用。若η(λ)＝1（理論上），則入射一個(gè)光量子就能發(fā)射一個(gè)電子或產(chǎn)生一對(duì)電子孔穴對(duì)。實(shí)際上η(λ)<1。 對(duì)于有增益的光電器件，η(λ) 遠(yuǎn)大于1，此時(shí)我們一般用增益或放大倍數(shù)。,三、其它參

11、數(shù),2、線性度： 描述探測(cè)器的光電特性或光照特性曲線，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)保持線性關(guān)系的程度。在規(guī)定范圍內(nèi)，探測(cè)器的輸出電量精確地正比于輸入光量的性能。這一范圍稱為線性區(qū)。,3、工作溫度： 描指光電探測(cè)器最佳工作狀態(tài)時(shí)的溫度。工作溫度不同時(shí)，性能有變化。,習(xí)題2－1,一、概念理解1、光電探測(cè)器的響應(yīng)度（或靈敏度） 2、信噪比3、最小可探測(cè)功率,二、簡(jiǎn)答題熱電檢測(cè)器件和光電檢測(cè)器件的特點(diǎn)是什么？,三、選擇題1、光電

12、檢測(cè)系統(tǒng)的核心是（ ） A、處理電路 B、光電管 C、透鏡 D、光電探測(cè)器,,第二節(jié)、真空光電探測(cè)器件,光電管分真空光電管和充氣光電管兩種。若球內(nèi)充低壓惰性氣體就成為充氣光電管。,一、光電管,1、結(jié)構(gòu)及分類,光電陰極通常采用逸出功小的光敏材料。當(dāng)光線照射到光敏材料上便有電子逸出，這些電子被具有正電位的陽(yáng)極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，在外電路就產(chǎn)生電流。若在外電路串入一定阻值的電阻，則在

13、該電阻上的電壓降或電路中的電流大小都與光強(qiáng)成函數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。,2、工作原理,優(yōu)點(diǎn)：光電陰極面積大，靈敏度較高；暗電流小，最低可達(dá)10-14A；光電發(fā)射弛豫過(guò)程極短。,3、優(yōu)缺點(diǎn),缺點(diǎn)：真空光電管一般體積都比較大、工作電壓高達(dá)百伏到數(shù)百伏、玻殼容易破碎等。目前已基本被固體光電器件所代替。,建立在光電效應(yīng)、二次電子發(fā)射和電子光學(xué)理論基礎(chǔ)上的，把微弱入射光轉(zhuǎn)換成光電子，并獲倍增的器件。,二、光電倍增管（PMT）,㈠、基本結(jié)構(gòu)與原理

14、,光窗分側(cè)窗式和端窗式兩種，它是入射光的通道。由于光窗對(duì)光的吸收與波長(zhǎng)有關(guān)，波長(zhǎng)越短吸收越多，所以倍增管光譜特性的短波閾值決定于光窗材料。,1．光入射窗,側(cè)窗式,端窗式,2．光電陰極,光電陰極由光電發(fā)射材料制作。光電發(fā)射材料大體可分為：金屬材料、半導(dǎo)體材料。,⑴光射入物體后，物體中的電子吸收光子能 量，從基態(tài)躍遷到能量高于真空能級(jí)（真空中 靜止電子能量）的激發(fā)態(tài)。⑵受激電子從受激

15、地點(diǎn)出發(fā)，在向表面運(yùn)動(dòng)過(guò)程中免不了要同其它電子或晶格發(fā)生碰撞，而失去一部分能量。⑶達(dá)到表面的電子，如果仍有足夠的能量足以克服表面勢(shì)壘對(duì)電子的束縛（即溢出功）時(shí)，即可從表面溢出。,光電發(fā)射大致可分三個(gè)過(guò)程：,,⑴光吸收系數(shù)大，以便體內(nèi)有較多的電 子受到激發(fā)； ⑵光電子在體內(nèi)傳輸過(guò)程中受到的能量 損失小，使其溢出深度大； ⑶材料的逸出功要小，使到達(dá)真空界面的電子能夠比較容易地

16、溢出； ⑷另外，作為光電陰極，其材料還要有一定的電導(dǎo)率，以便能夠通過(guò)外電源來(lái)補(bǔ)充因光電發(fā)射所失去的電子。,良好的光電發(fā)射材料應(yīng)具備下述條件：,★金屬吸收效率很低 ；★金屬中光電子溢出深度很淺，只有幾納米；★金屬溢出功大多為大于3eV，對(duì)λ>410nm的可見(jiàn)光來(lái)說(shuō)，很難產(chǎn)生光電發(fā)射，量子效率低；,金屬材料是否滿足良好的光電發(fā)射材料的條件？,半導(dǎo)體材料是否滿足良好的光電發(fā)射材料的條件？,★光吸收系數(shù)比金屬大；★體內(nèi)自由電

17、子少，散射能量變小——故量子效率比金屬大；★光發(fā)射波長(zhǎng)延伸至可見(jiàn)光、近紅外波段。,★ 70年代后期，發(fā)展了負(fù)電子親和勢(shì)（NEA）光電陰極，長(zhǎng)波可至1.6μm。,(1)使光電陰極發(fā)射的光電子盡可能全部會(huì)聚到第一倍增極上，而將其他部分的雜散電子散射掉，提高信噪比； (2)使陰極面上各處發(fā)射的光電子在電子光學(xué)系統(tǒng)中有盡可能相等的渡越時(shí)間，以保證光電倍增管的快速響應(yīng)。,3．電子光學(xué)系統(tǒng),倍增系統(tǒng)是由許多倍增極組成的綜合體，每個(gè)倍增極都是由

18、二次電子倍增材料構(gòu)成，具有使一次電子倍增的能力。因此倍增系統(tǒng)是決定整管靈敏度最關(guān)鍵的部分。,4．二次發(fā)射倍增系統(tǒng),陽(yáng)極是采用金屬網(wǎng)作的柵網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，把它置于靠近最末一級(jí)倍增極附近，用來(lái)收集最末一級(jí)倍增極發(fā)射出來(lái)的電子。,5．陽(yáng)極,工作原理,1、光子透過(guò)入射窗入射到光電陰極K上。,2、光電陰極的電子受光子激發(fā)，離開(kāi)表面發(fā)射到真空中。,3、光電子通過(guò)電場(chǎng)加速和電子光學(xué)系統(tǒng)聚焦入射到第一倍增極D1上，倍增極發(fā)射出比入射電子數(shù)目更多的二次電子。入

19、射電子經(jīng)N級(jí)倍增后，光電子就放大N次。,4、經(jīng)過(guò)倍增后的二次電子由陽(yáng)極a收集起來(lái)，形成陽(yáng)極光電流，在負(fù)載RL上產(chǎn)生信號(hào)電壓。,㈡、基本特性參數(shù),1．光譜響應(yīng)度    PMT的光譜響應(yīng)曲線與光電陰極的相同，主要取決于光電陰極材料的性質(zhì)。,2．放大倍數(shù)(電流增益)    在一定工作電壓下，光電倍增管的陽(yáng)極電流與陰極電流之比稱為管子的放大倍數(shù)M或電流增益G。,3.暗電流&

20、#160;   它限制了可測(cè)直流光通量的最小值，同時(shí)也是產(chǎn)生噪聲的重要因素，是鑒別管子質(zhì)量的重要參量。應(yīng)選取暗電流較小的管子。,4.伏安特性      光電倍增管的伏安特性曲線分為陰極伏安特性曲線與陽(yáng)極伏安特性曲線。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，一般使用陽(yáng)極伏安特性曲線來(lái)進(jìn)行負(fù)載電阻、輸出電流、輸出電壓的計(jì)算。,5. 頻率響應(yīng)    由于PMT是

21、光電發(fā)射型器件，而光電發(fā)射的延遲時(shí)間≤3×10－13S，所以PMT有很高的頻率響應(yīng)。,6.噪聲    主要來(lái)源是光電陰極、光電發(fā)射的隨機(jī)性和各倍增極二次電子發(fā)射的隨機(jī)性，同時(shí)也與背景光或信號(hào)光中的直流分量有關(guān)。,㈢、PMT的供電電路,倍增管各電極要求直流供電，從陰極開(kāi)始至各級(jí)的電壓要依次升高，一般多采用電阻鏈分壓辦法來(lái)供電。一般情況下，各級(jí)間電壓均相等，約80V～100V，總電壓約1KV～1

22、.3KV。,對(duì)電源電壓穩(wěn)定性要求較高。如果電源電壓不穩(wěn)，會(huì)引起許多參量的變化，特別是電流增益變化，從而直接影響輸出特性。目前已有光電倍增管專用的電源穩(wěn)壓塊。,1)電源電壓穩(wěn)定性的要求,電源電壓的變化和放大倍數(shù)變化的關(guān)系為：,因倍增管中的電流與電阻鏈中的電流是并聯(lián)關(guān)系，要保證各級(jí)電壓穩(wěn)定，要求流過(guò)電阻鏈的電流IR至少要比陽(yáng)極電流Ia大20倍以上。 一般說(shuō)，IR越大，對(duì)穩(wěn)定極間電壓UD越有利。但I(xiàn)R也不能太大，因?yàn)镮R太大會(huì)增大電阻的

23、功耗，加重電源負(fù)擔(dān)。當(dāng)UD給定后，分壓電阻R的最大值應(yīng)取決于陽(yáng)極的最大平均電流，R最小值應(yīng)取決于高壓電源輸出的功率。一般常用分壓器的阻值選擇范圍為20KΩ ～500KΩ,2)電阻鏈分壓電阻的確定,倍增管的輸出電流主要是來(lái)自于最后幾級(jí)，探測(cè)脈沖光時(shí)，為了不使陽(yáng)極脈動(dòng)電流引起極間電壓發(fā)生大的變化，常在最后幾級(jí)的分壓電阻上并聯(lián)電容器。,3)并聯(lián)電容的確定,倍增管供電電路與其后續(xù)信號(hào)處理電路必須要有一個(gè)共用的參考電位，即接地點(diǎn)。倍增管的接地方式

24、有兩種，即陰極接地或陽(yáng)極接地。,4)接地方式,陰極接地,陽(yáng)極接地,?優(yōu)點(diǎn)：便于屏蔽，光、磁、電的屏蔽罩可以跟陰極靠得近些，屏蔽效果好；暗電流小，噪聲低。 ?缺點(diǎn)：但這時(shí)陽(yáng)極要處于正高壓，會(huì)導(dǎo)致寄生電容大，匹配電纜連接復(fù)雜，特別是后面若接直流放大器，整個(gè)放大器都處于高電壓，不利于安全操作；如果后面接交流放大器，則必須接一個(gè)耐壓很高的隔直電容器，而一般耐壓很高的電容器體積大而且價(jià)格高。,陰極接地的特點(diǎn),?優(yōu)點(diǎn)：便于跟后面的放大器相接

25、，操作安全，后面不僅可以通過(guò)一個(gè)低壓耦合電容與交流放大器相接，也可以直接與直流放大器相接。?缺點(diǎn)：但這時(shí)陰極要處于負(fù)高壓，屏蔽罩不能跟陰極靠得很近，至少要間隔1cm～2cm，因此屏蔽效果差一些，暗電流和噪聲都比陰極接地時(shí)大，而且整個(gè)倍增管裝置的體積也要大些。,陽(yáng)極接地的特點(diǎn),?使用前應(yīng)了解器件的特性。真空光電器件的共同特點(diǎn)是靈敏度高、惰性小、供電電壓高、采用玻璃外殼、抗震性差。    ? 使用時(shí)不宜用

26、強(qiáng)光照。光照過(guò)強(qiáng)時(shí)，光電線性會(huì)變差而且容易使光電陰極疲勞（輕度疲勞經(jīng)一段時(shí)間可恢復(fù)，重度疲勞不能恢復(fù)），縮短壽命。    ?工作電流不宜過(guò)大。工作電流大時(shí)會(huì)燒毀陰極面，或使倍增級(jí)二次電子發(fā)射系數(shù)下降，增益降低，光電線性變差，縮短壽命。    ?用來(lái)測(cè)量交變光時(shí)，負(fù)載電阻不宜很大，因?yàn)樨?fù)載電阻和管子的等效電容一起構(gòu)成電路的時(shí)間常數(shù)，若負(fù)載電阻較大，時(shí)間常數(shù)就變大，頻帶將變

27、窄。,6）使用注意事項(xiàng),習(xí)題2－2,一、簡(jiǎn)答題1、光電倍增管的基本結(jié)構(gòu)與工作原理是什么？,二、文獻(xiàn)檢索 什么是負(fù)電子親和勢(shì)（NEA）光電陰極？原理？,三、選擇題1、關(guān)于PMT，錯(cuò)誤的是（ ）A、使用時(shí)不宜用強(qiáng)光照 B、抗震性好 C、工作電流不宜過(guò)大 D、選大負(fù)載電阻來(lái)擴(kuò)展頻帶2、關(guān)于良好的光電發(fā)射材料，錯(cuò)誤的是（）A、光吸收系數(shù)要小 B、溢出深度要小C、材料的溢出功

28、要小 D、有一定的電導(dǎo)率,三、計(jì)算題 現(xiàn)有GDB-423光電倍增管的陰極有效面積為2cm2 ，陰極靈敏度為25μA/lm，倍增系統(tǒng)的放大倍數(shù)105，陽(yáng)極額定電流為20μA，求允許的最大照度。,一、光敏電阻,1、結(jié)構(gòu),第三節(jié)、半導(dǎo)體光電檢測(cè)器件,2、分類,本征型半導(dǎo)體光敏電阻、摻雜型半導(dǎo)體光敏電阻,3、工作原理,當(dāng)入射光子使電子由價(jià)帶越升到導(dǎo)帶時(shí)，導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴均參與導(dǎo)電，因此電阻顯著減小，電導(dǎo)增加。若連接

29、電源和負(fù)載電阻，即可輸出電信號(hào)。,4、特性,?優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，工作電流大（達(dá)數(shù)毫安） ，光譜響應(yīng)范圍寬，所測(cè)光強(qiáng)范圍寬，，無(wú)極性之分。 ?缺點(diǎn)：響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，頻率特性差，強(qiáng)光線性差，受溫度影響大。 主要用于紅外的弱光探測(cè)與開(kāi)關(guān)控制。,5、典型連接電路,例題,路燈自動(dòng)點(diǎn)熄原理圖如圖所示，分析它的工作原理。,★它是利用光生伏特效應(yīng)制成的將光能轉(zhuǎn)換成電能的器件。它是一種不需加偏壓就能把光能直接轉(zhuǎn)換成電能P-N結(jié)光電器件。 ★按用

30、途可分成太陽(yáng)能光電池和光電檢測(cè)光電池。,二、光電池,1、結(jié)構(gòu),在P（N）型硅作基底，然后在基底上擴(kuò)散N（P）型半導(dǎo)體作為受光面。構(gòu)成P-N結(jié)后，再經(jīng)過(guò)各種工藝處理，分別在基底和光敏面上制作輸出電極，涂上二氧化硅作保護(hù)膜，即成光電池。,2、工作原理,當(dāng)光照到PN結(jié)表面時(shí)，如果光子能量足夠大，就將在PN結(jié)附近激發(fā)電子－空穴對(duì)，在PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)作用下，N區(qū)的光生空穴拉向P區(qū)，P區(qū)的光生電子拉向N區(qū)，結(jié)果在N區(qū)聚集了電子，P區(qū)聚集了空穴，這樣在N

31、區(qū)和P區(qū)之間產(chǎn)生了電勢(shì)差。,光電檢測(cè)光電池具有光敏面積大，頻率響應(yīng)高，光電流隨照度線性變化。 太陽(yáng)能光電池耐輻射，轉(zhuǎn)換效率高，成本低，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、可靠性高、壽命長(zhǎng)，在空間能直接利用太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能的特點(diǎn)。,3、特點(diǎn),4、符號(hào)及典型連接電路,符號(hào) 連接電路 等效電路,三、光敏二極管,1、結(jié)構(gòu),共同點(diǎn)：一個(gè)PN結(jié)，單向?qū)щ娦圆煌c(diǎn)： ⑴受光面大，PN結(jié)面積更大，PN結(jié)深度較淺； ⑵表面有

32、防反射的SiO2保護(hù)層； ⑶外加負(fù)偏壓；,與普通二極管相比:,共同點(diǎn)：均為一個(gè)PN結(jié)，利用光生伏特效應(yīng)，SiO2保護(hù)膜；不同點(diǎn)： ⑴結(jié)面積比光電池的小，頻率特性好； ⑵光生電勢(shì)與光電池相同，但電流比光電池小； ⑶可在零偏壓下工作，更常在反偏壓下工作；,與光電池相比：,2、工作原理,⑴無(wú)光照時(shí)，只有熱效應(yīng)引起的暗電流流過(guò)PN結(jié)；,⑵光照時(shí)，產(chǎn)生附加的光生載流子，使流過(guò)PN結(jié)的電流驟增；反向電壓增加了耗盡層的寬度和

33、結(jié)電場(chǎng)，使更多的光生載流子流過(guò)PN結(jié)。,3、光電二極管的典型連接電路,a) 不加外電源  b) 加反向外電源  c) 2DU環(huán)極接法,環(huán)極接法的作用：克制由于SiO2保護(hù)膜中的雜質(zhì)正離子靜電感應(yīng)。消除表面漏電流，減少暗電流和噪聲。,4、特性參數(shù),⑴光譜響應(yīng),⑵光照特性,★隨著入射光功率的變強(qiáng)，則同一反向電壓下的光電流也變大?！锶肷涔夤β什蛔儠r(shí)，反向電壓加到某一電壓后，光電流幾乎不隨反向電壓的變化而變化。,⑶頻率

34、響應(yīng),①光生載流子在薄層中的擴(kuò)散時(shí)間及PN結(jié)中的漂移時(shí)間（載流子的渡越時(shí)間）；②結(jié)電容和雜散電容（ RC時(shí)間常數(shù)）；,它是半導(dǎo)體光電器件中頻率響應(yīng)最好的器件之一，頻率響應(yīng)與下列因素有關(guān)：,★無(wú)論是光生載流子向結(jié)區(qū)擴(kuò)散，還是結(jié)電場(chǎng)中載流子的漂移，它們都有一定的馳豫時(shí)間，這個(gè)馳豫時(shí)間影響光敏器件的頻率響應(yīng)。對(duì)于擴(kuò)散型二極管主要馳豫時(shí)間為光生載流子向結(jié)區(qū)擴(kuò)散時(shí)間。對(duì)于耗盡層型二極管主要馳豫時(shí)間為光生少子在結(jié)區(qū)的漂移時(shí)間。 ★對(duì)于不同波

35、長(zhǎng)的光，器件也有不同的頻率響應(yīng)。波長(zhǎng)越長(zhǎng)的光在較深處被吸收，產(chǎn)生的少數(shù)載流子遠(yuǎn)離PN結(jié)，需較長(zhǎng)的擴(kuò)散時(shí)間。而較短波長(zhǎng)的光在靠近表面處被吸收，產(chǎn)生的少數(shù)載流子離PN結(jié)很近，擴(kuò)散時(shí)間短。所以耗盡層型優(yōu)于擴(kuò)散型光敏二極管。,載流子的渡越時(shí)間,⑷溫度特性,★由于反向飽和電流對(duì)溫度的強(qiáng)烈依賴性，光敏二極管的暗電流對(duì)溫度的變化非常敏感。,按材料 硅光敏二極管、 鍺光敏二極管、化合物光敏二極管；按結(jié)特性： PN結(jié)（擴(kuò)散層、耗盡層

36、）、PIN結(jié) 、異質(zhì)結(jié)、肖特基勢(shì) 壘型及點(diǎn)接觸型；按對(duì)光的響應(yīng)： 紫外、可見(jiàn)光、紅外,5、光電二極管的分類,⑴PIN管    它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層（相對(duì)）很厚的本征半導(dǎo)體。這樣，PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)就基本上全集中于I層中，從而使PN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小。,幾種特殊的光敏二極管,①這種管子最大的特點(diǎn)是頻帶寬，可達(dá)10GHz。 ②另一個(gè)特點(diǎn)是，線性輸出

37、范圍寬。 ③所不足的是，I層電阻很大，管子的輸出電流小，一般多為零點(diǎn)幾微安至數(shù)微安。目前有將PIN管與前置運(yùn)算放大器集成在同一硅片上并封裝于一個(gè)管殼內(nèi)的商品出售。,⑵雪崩光電二極管    雪崩光電二極管是利用PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來(lái)工作的一種二極管。,特點(diǎn)：工作電壓很高，約100V～200V，接近于反向擊穿電壓。 有很高的內(nèi)增益，可達(dá)到幾百。 響應(yīng)速度特別快，帶寬可達(dá)10

38、0GHz，是目前響應(yīng)速度最快的一種光電二極管。    缺點(diǎn)：噪聲大。,四、光敏三極管,結(jié)構(gòu),符號(hào),工作原理,特點(diǎn)：光電晶體管的靈敏度比光電二極管高，輸出電流也比光電二極管大，多為毫安級(jí)。 缺點(diǎn)：它的光電特性不如光電二極管好，在較強(qiáng)的光照下，光電流與照度不成線性關(guān)系。所以光敏三極管多用來(lái)作光電開(kāi)關(guān)元件或光電邏輯元件。,五、陣列式或象限式結(jié)型光電器件,利用集成電路技術(shù)使兩個(gè)至幾百個(gè)光電二極管或光電

39、池排成一行，集成在一塊集成電路片子上，即成為陣列式的一維光電器件，也可以使光電二極管或光電池制成象限式的二維光電器件。 這兩種器件中，襯底是共用的，而各光敏元都是獨(dú)立的，分別有各自的前極引出線。,1、結(jié)構(gòu),就目前的應(yīng)用看，兩個(gè)并列的光電二極管或光電池，可用來(lái)辨別光點(diǎn)移動(dòng)的方向。 2～4個(gè)并列的光敏元，可用來(lái)收集光點(diǎn)移動(dòng)的相位信息。 幾十個(gè)至幾百個(gè)或更多并列的光敏元，可用來(lái)攝取光學(xué)圖象或用作空間頻譜分析。

40、象限式光電器件可用來(lái)確定光點(diǎn)在二維平面上的位置坐標(biāo)。多用于準(zhǔn)直、定位、跟蹤或頻譜分析等方面。,這種器件的特點(diǎn)是，光敏元件密集度大，總尺寸小，容易作到各單元多數(shù)一致，便于信號(hào)處理。,2、特點(diǎn),3、應(yīng)用,六、光電位置探測(cè)器（PSD）,PSD是利用離子注入技術(shù)制成的一種可確定光的能量中心位置的結(jié)型光電器件，有一維的和二維的兩種。 當(dāng)入射光是一個(gè)小光斑，照射到光敏面時(shí)，其輸出則與光的能量中心位置有關(guān)。這種器件和象限光電器件比較，其特點(diǎn)是

41、，它對(duì)光斑的形狀無(wú)嚴(yán)格要求，光敏面上無(wú)象限分隔線，對(duì)光斑位置可連續(xù)測(cè)量。,一、接受光信號(hào)的方式,⑴光信號(hào)的有無(wú)：被測(cè)對(duì)象造成投射到光電器件上的光信號(hào)截?cái)嗷蛲ㄟ^(guò)。如光電開(kāi)關(guān)、光電報(bào)警等。這時(shí)光電器件不考慮線性，而要考慮靈敏度。,第四節(jié)、各種光電檢測(cè)器件的性能比較和應(yīng)用選擇,⑷光信號(hào)的色度差異：當(dāng)被測(cè)對(duì)象本身光輻射的色溫存在差異或表面顏色變化時(shí)，必須選擇合適的光譜特性的光電器件。,⑶光信號(hào)的幅度大?。寒?dāng)被測(cè)對(duì)象因?qū)獾姆瓷渎省⑼高^(guò)率或是被測(cè)

42、對(duì)象本身光輻射的強(qiáng)度變化，此時(shí)光信號(hào)幅度大小亦改變。為準(zhǔn)確測(cè)出幅度大小的變化，必須選用線性好、響應(yīng)快的器件，如PMT或光電二極管。,⑵光信號(hào)按一定頻率交替變化：這種光信號(hào)的輸入是有一定頻率的，必須使所選器件的上限截止頻率大于輸入信號(hào)的頻率才能測(cè)出輸入信號(hào)的變化。,二、各種光電器件的性能比較,⑴在動(dòng)態(tài)特性（即頻率響應(yīng)與時(shí)間響應(yīng)）方面，以光電倍增管和光電二極管（尤其是PIN管與APD管）為最好；⑵在光電特性（即線性）方面，以光電倍增管、光

43、電二極管和光電池為最好；⑶在靈敏度方面，以光電倍增管、雪崩光電二極管、光敏電阻和光電三極管為最好。,⑷靈敏度高不一定就是輸出電流大，而輸出電流大的器件有大面積光電池、光敏電阻、雪崩光電二極管和光電三極管；⑸外加偏置電壓最低的是光電二極管、光電三極管，光電池不需外加偏置；⑹在暗電流方面，光電倍增管和光電二極管最小，光電池不加偏置時(shí)無(wú)暗電流，加反向偏置后暗電流也比光電倍增管和光電二極管大；,⑺長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性方面，以光電二極管、光電池

44、為最好，其次是光電倍增管與光電三極管；⑻在光譜響應(yīng)方面，以光電倍增管和CdSe光敏電阻為最寬，但光電倍增管響應(yīng)偏紫外方向，而光敏電阻響應(yīng)偏紅外方向。,1）極性結(jié)型器件都有確定的極性，如要加電壓使用時(shí)，光電結(jié)必須加反向電壓，即P端與外電源的低電位相接。    2）使用時(shí)對(duì)入射光強(qiáng)范圍的選擇應(yīng)視用途而定。用于開(kāi)關(guān)電路或邏輯電路時(shí)光照可以強(qiáng)些。用于模擬量測(cè)量時(shí)，光照不宜過(guò)強(qiáng)。因?yàn)橐话闫骷加羞@樣的性質(zhì)：光照

45、弱些，負(fù)載電阻小些，加反偏壓使用時(shí)，光電線性好，反之則差。    3）靈敏度主要決定于器件，但也與使用條件和方法有關(guān)，例如光源和接收器在光譜特性上是否匹配；入射光的方向與器件光敏面法線是否一致等。,三、光電探測(cè)器的應(yīng)用選擇,4）結(jié)型器件的響應(yīng)速度都很快。負(fù)載電阻大，輸出電壓可以大，但τ會(huì)變大，響應(yīng)變慢。相反，負(fù)載電阻小些，輸出電壓要減小，但τ會(huì)變小，響應(yīng)速度變快。5）靈敏度與頻帶寬度之積為一常數(shù)的結(jié)論

46、，對(duì)結(jié)型光電器件也適用。6）器件的各種參量差不多都與溫度有關(guān)，但其中受溫度影響最大的是暗電流。暗電流大的器件，容易受溫度變化的影響，而使電路工作不穩(wěn)定，同時(shí)噪聲也大。7）除了溫度變化，電、磁場(chǎng)干擾可引起電路發(fā)生誤動(dòng)作外，背景光或光反饋也是引起電路誤動(dòng)作的重要因素，應(yīng)設(shè)法消除。,習(xí)題2-3,一、分析題1、紅外報(bào)警電路如圖所示，分析它的工作原理 ？,二、選擇題1、雪崩光電二極管是利用（ ）效應(yīng)制作的器件。 A、光電發(fā)射

47、 B、光電導(dǎo) C、光生伏特 D、內(nèi)光電 2、外光電效應(yīng)的光電探測(cè)器有（ ） A、光電三極管 B、光電池 C、PMT D、雪崩光電二極管,三、計(jì)算題 光敏電阻R與RL＝20kΩ的負(fù)載電阻串聯(lián)后接于Ub＝12V的直流電源上，無(wú)光照時(shí)負(fù)載上的輸出電壓為U1＝20mV，有光照時(shí)負(fù)載上的輸出電壓為U2＝2V，求： ⑴光敏電阻的暗電