[工学]3 光电信息转换

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1、第三章 光电信息转换3.1 光电信息转换器件 3.2 光电信息转换集成器件 3.3 光电信息转换组合器件3.1 光电信息转换器件3.1.1 光电倍增管3.1.2 光敏电阻 3.1.3 光电池3.1.4 光敏二极管 3.1.5 光敏三极管 3.1.6 热释电 1光电特性 I 光电流F（）光通量2光谱特性 I 光电流F（）入射光波长3伏安特性 I 光电流F（）电压4频率特性 I 光电流F（f）入射光调制频率5暗电流 0时光电信息转换器件输出的电流，有时称为I06灵敏度 对于复色光: S=(积分灵敏度)I /对于单色光: S（）(光谱灵敏度)I（）/（）光电信息转换器件的主要特性和参数如下：3.1.

2、1 光电倍增管一、结构与原理光电倍增管由光窗、光电阴极、电子 光学系统、电子倍增 系统和阳极等五个主 要部分组成。侧窗式端窗式1光窗光窗是入射光的通道，是对光吸收较多的部分。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。制作光电阴极的材料 多是化合物半导体。3电子光学系统任务： （1）通过对电极结构的适当设计，使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； （2）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倍增系统 倍增系统是由许多倍增

3、极组成的综合体，每个倍 增极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。 光电倍增管是利用二次电子发射（当高速的电子 打击到金属表面，由于高速电子的动能被金属吸 收，改变了金属原子内电子能量的状态，使有些 电子从金属表面逸出）现象制成的。 光电倍增管工作时，各倍增极（D1、D2、D3）和阳极均 加上电压，并依次升高，阴极K电位最低，阳极A电位最高。 入射光照射在阴极上，打出光电子，经倍增极加速后，在各 倍增极上打出更多的“二次电子”。 如果一个电子在一个倍增极上一次能打出个二次电子，那么 一个光电子经n个倍增极后，最后在阳极会收集到n个电子 而在外电路形成电流。一般=36

4、，n为10左右，所以， 光电倍增管的放大倍数很高。 光电倍增管工作的直流电源电压在7003000V之间，相邻 倍增极间电压为50100V。工作原理：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 。5阳极二、光电倍增管的特性1、倍增系数M当各倍增极二次电子发射系数 i=时，M=n，则阳极电流为 I=i n 式中， I 阳极电流; i光电阴极的光电流。 n 光电倍增极的级数。光电倍增管的电流放大倍数为 =I/i= n M一般在105108之间，M与所加电压有关。一个光子在阴极上能够打出的平均电子数称为光电 阴极的灵敏度。 而一

5、个光子在阳极上产生的平均电子数称为光电倍 增管的总灵敏度。 注意:光电倍增管的灵敏度很高，切忌强光源照射。 2、光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度3暗电流 在无光照射（暗室） 情况下，光电倍增管 加上工作电压后形成 的电流称为暗电流。4光电倍增管的光谱特性光电倍增管的光谱特性与同材料阴极的光电管的 光谱特性相似。一、结构与原理 光敏电阻利用光电导效应制成。 当入射光子使电子由价带跃升到导带时，导 带中的电阻和价带中的空穴二者均参与导电 ，因此电阻显著减小，称为光敏电阻。 光敏电阻工作机理较复杂，但结构却十分简 单，只是在一块匀质的光电导体两端加上电 极即成。3.1.2 光敏电阻光敏电阻有以下优

6、点：1.光谱响应相当宽。2.所测的光强范围宽，即可对强光响应，也可对弱 光响应。3.无极性之分，使用方便，成本低，寿命长。4.灵敏度高，工作电流大，可达数毫安。 光敏电阻的不足之处：强光照射下线性较差，频率特性也较差。 1光照特性 光敏电阻的光照特性 是描述光电流I和光照强度之间的关系； 不同材料的光照特性 是不同的，绝大多数 光敏电阻光照特性是 非线性的。 图为硫化镉光敏电阻 的光照特性。二、特性2光谱特性 光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对 不同波长的入射光有不同的灵敏度。在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压 的关系称为光敏电阻的伏安特性。图为硫化镉光敏电阻的

7、伏安特性曲线。由图可见，光敏电阻在一定的电压范围内，其I-U曲线为直线 。说明其阻值与入射光量有关，而与电压电流无关。 3、伏安特性光敏电阻产生的光电流有一定 的惰性，这种惰性通常用时间 常数表示。 不同材料的光敏电阻具有不同 的时间常数（毫秒数量级）， 因而它们的频率特性也就各不 相同。图为硫化镉（曲线1）和硫化 铅（曲线2）光敏电阻的频率特 性，相比较，硫化铅的使用频 率范围较大。4频率特性光敏电阻的符号和连接电路 如图3.1.2-3。在入射光通量变化范围一定 的情况下，为了使输出电压 Vo变化范围最大，一般取 RL = RG当入射光通量连续变化时 ，RG为光敏电阻变化的中间值，即 RG(

8、RG max RG min )/2 当入射光通量跳跃变化时 ，RG(RG max RG min )1/2三、电路 由于采用了稳压管 D，故V b不变，使 I b 不变，I c 不变，达到恒流的目的 这时，入射光通量 的变化仅引起电压 V o 的变化。 恒流偏置电路 由于采用了稳压管D ，故V b不变，V e 也不 变。入射光通量的变 化仅引起I c的变化， 可以证明，恒压偏置 的最大特点是光敏电 阻的灵敏度与光敏电 阻的暗阻值无关，因 而互换性好，调换光 敏电阻时不影响仪器 的精度。恒压偏置电路3.1.3 光电池 光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。 光电池的工作原理是基于“光生伏特效

9、应”。 大面积的PN结当光照射到PN结的一个面，例如P型面时， 若光子能量大于半导体材料的禁带宽度 P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴 空穴移向P区，电子移向N区N区带负电，P区带正电最后建立一个与光照强度有关的电动势。 图为硅光电池原理图。 一原理与结构扩散光照光电池的内部结构等效电路1、光照特性 二、特性硅光电池 硒光电池 2、光谱特性 3、伏安特性 4、频率特性5、温度特性1光电池用作太阳能电池光电池用作 太阳能电池 时的电路如 图所示。 在黑夜或光 线微弱时， 为防止蓄经 过光电池放 电而设置二 极管D。三、电路光电池用作检测元件使用 时的电路如图所示；此电路可实现光电池的线

10、 性输出。对光电池而言，RL近似等 于0。图中， Vo=2RfI2RfS。2光电池用作检测元件3.1.4 光敏二极管 光敏二极管是一种用 PN结单向导电性的结 型光电信息转换器件。 其PN结装在管子的顶 部，以便接收光照。 其上面有一个透镜制成 的窗口，以便使光线集 中在敏感面。一、结构和工作原理无光照时，处于反偏的光敏二极 管工作在截止状态，形成微小的 方向电流，即暗电流。 当光敏二极管受光照时PN结附 近受光子轰击吸收其能量而产生 电子空穴对从而使P区和N区的 少数载流子浓度大大增加在外 加电场和内电场的共同作用下， P区的电子渡越阻挡层进入N区 ，N区的空穴进入P区从而使通 过PN结的方

11、向电流大大增加这 就形成了光电流。1、光照特性 2、光谱特性 二、特性3、伏安特性 4、温度特性 5、暗电流 3.1.5 光敏三极管一、原理与结构 光敏晶体管具有两个PN结，如图(a)所示，只是它的发射极一 边做得很大，以扩大光的照射面积。 光敏晶体管接线如图(b)所示，大多数光敏晶体管的基极无引 出线； 光敏晶体管有放大作用。 光敏三极管的灵敏度较高，一般为毫安级; 但它在较强的光照下，光电流与照度不成线性关系。频 率特性和温度特性也变差，故光敏三极管多用作光电开 关或光电逻辑元件。 光敏晶体管的光电灵敏度虽然比光敏二极管高得多，但 在需要高增益或大电流输出的场合，需采用达林顿光敏 管。它是

12、把光敏三极管和普三极管按达林顿联接方法接在一 起，封装在一个管壳内制成的，如图二、光电达林顿管 它的将场效应管的栅级与沟道之间的PN结 做成光电结； 当有光照时，PN结产生光电流IP，相当于 场效应管的IG，去控制ID，从而达到光通 量控制场效应管输出电流的目的。如图三、光电场效应管3.1.6 热释电 一、热释电效应 热释电效应指的是：在某些晶体中，由于存在电极化 现象（极化强度称为自发极化强度Ps），晶体发生温度变化时，会释放表面吸附的部分电荷。 热释电器件：利用热释电效应制作的器件； 热释电电流只与温度变化率有关，与温度本身无关； 热释电器件对人体和运动目标的检测和跟踪，对温度 变化率进行

13、测量； 对静物，需要对入射辐射进行调制后才能检测，调制 频率一般不高于100Hz.二、热释电的构成及特性 热释电外形和内 部结构如图所示 热释电由滤光片 、敏感元件、场 效应管、高阻电 阻等组成，并向 壳内充入氮气封 装起来。 敏感元件用红外 热释电材料制成 很小的薄片，再 在薄片两面镀上 电极。 热释电探测器几乎是一种纯容性器件，由于电容量很小，所以 输出阻抗很高，常在109以上。因此，必须配高阻抗的负载。 常用JFET器件作热释电探测器的前置放大器。如图 热释电器件的构成 当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片时，引起薄片 温度升高，表面电荷减少，相当于热“释放”了部分电荷 。 释放的电荷由

14、后面的JFET放大器转换成电压输出。 如果辐射持续作用，表面电荷将达到新的平衡，不再释 放电荷。只有在交变辐射的作用下才会有信号输出。工作原理 热释电器件是一种利用热释电效应制成的热探测器件。 与其它热探测器相比，热释电器件具有以下优点： 具有较宽的频率响应，工作频率接近兆赫兹，远远超 过其它热探测器的工作频率； 热释电器件的探测率高； 热释电器件可以有大面积均匀的敏感面，而且工作时 可以不外加接偏置电压； 与热敏电阻相比，它受环境温度变化的影响更小； 热释电器件的强度和可靠性比其它多数热探测器都要 好，且制造比较容易。 热释电器件特点 热释电信息转换器件前面需安装菲涅尔透镜，外来移动的辐 射

15、能量通过菲涅尔透镜断续的聚光于热释电上，使热释电输 出相应的电信号。 菲涅尔透镜是一种由特殊设计的塑料透镜组，透镜组的每个 透镜都有一个不大的视场，而相邻两个透镜的视场不连续， 也不重叠，彼此相隔一个微小的盲区。 一种典型的加菲涅尔透镜视场范围如图。当辐射物在透镜视 场范围内运动时，依次进入某一单元透镜的视场又离开这 一视场热释电对运动的辐射一会敏感、一会又不敏感， 运动的辐射不断改变热释电表面温度，热释电输出一个又一 个对应的信号。 菲涅尔透镜也能增加热释电的探测距离。不加菲涅尔透镜时 ，热释电的探测距离为2米左右，加上菲涅尔透镜后，探测 距离可达10米以上。三、菲涅尔透镜四、热释电的应用 热释电信息转换器件主要用于防盗报警和安全报警 装置（防止人们误入危险区）、自动门、自动照明 装置、火灾报警等一些自动控制系统中。 这里给出热释电防盗报警器及自动门控制电路1、热释电防盗报警器组成框图说明： A1、A2为滤波放大，A3为比较电路；