光敏电阻光电池ppt课件

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1、光敏电阻光敏电阻 一、构造与原理一、构造与原理 光敏电阻利用光电导效应制成。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。 本征光电导效应可用来检测可见光和近红外辐射。本征光电导效应可用来检测可见光和近红外辐射。 假设入射光子从杂质能级跃升到导带假设入射光子从杂质能级跃升到导带(非本征光电导非本征光电导)，那么，那么N型型资料的电导率增大。当光子能量使电子由价带跃升到资料的电导率增大。当光子能量使电子由价带跃升到P型主能级，型主能级，从而使价带中留有可挪动的空穴时，从而使价带中留有可挪动的空穴时，P型

2、资料就会出现非本征光型资料就会出现非本征光电导。电导。 非本征光电导体主要检测波长很长的辐射非本征光电导体主要检测波长很长的辐射 用于超越用于超越5微米的波段。微米的波段。光电导探测器光电导探测器是基于半导体的光电导效应制成的光电探测器，光电导效应的主要特点是受光照射时其电阻值明显变小，故又称为光敏电阻。光电导探测器广泛运用在工业自动化、摄影机自动测光等监控系统，也广泛运用于目前其他探测器难以实现的红外丈量系统。半导体对光的吸收半导体对光的吸收半导体对光的吸收是产生光电效应的根底。光照半导体资料时，假设入射光子的能量大于某一值，就可以产生光激发，从而产生光生载流子。采取一定的措施合理利用这些光

3、生载流子，便可以制出各种光子效应探测器。光生载流子光生载流子在光辐射作用下，半导体资料吸收入射光子的能量，使束缚态的电荷产生能级跃迁而变成自在电荷，这些由光激发产生的载流子称为光生载流子。相对于热平衡形状下由热激发与复合而产生的热平衡载流子而言，光生载流子又称为非平衡载流子。光电探测器的任务原理就是基于这些光生载流子，采取一定的措施利用这些非平衡载流子，将它们的变化耦合到外电路中，使外电路中的电流或电压的变化反映入射光辐射功率的变化，从而到达光检测的目的。 本征吸收本征吸收本征吸收指光照半导体资料时，价带中的电子吸收入射光子的能量跃迁到导带中去，这种激发过程称为半导体的本征吸收。在本征吸收过程

4、中，价带中的电子跃迁到导带，同时在价带中留下空穴，产生了电子空穴对。与热平衡形状相比，在导带中多出了一部分电子，在价带中多出了一部分空穴，它们是由于光照而产生的载流子，称为光生载流子。在光照时，半导体中总的载流子浓度比热平衡形状下载流子浓度大。本征吸收产生的条件是入射光子的能量必需大于资料的禁带宽度，杂质吸收杂质吸收掺有杂质的半导体资料，在光照时也会产生光激发。对于n型半导体，施主杂质中的束缚电子吸收了光子的能量跃迁到导带；对于p型半导体，受主杂质中的束缚空穴吸收了光子能量跃迁到价带。施主释放束缚电子到导带、受主释放束缚空穴到价带所需的能量称为杂质的电离能和。 光电导探测器的构造光电导探测器的

5、构造很简单，只需在一块匀质的半导体两端装上电极就可以构成一个光敏电阻。 灵敏度灵敏度 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。由于各种器件运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。根据定态条件下电子与空穴的产生率与复合率相等可推导出 为量子产额，即吸收一个光子所产生的电子空穴对数； 为光生载流子寿命； 为载流子在光电导两极间的渡越时间。 光电导的弛豫 光电导是非平衡载流子效应，因此有一定的弛豫景象：光照射到样品后，光电导逐渐添加，最后到达定态。光照停顿，光电导在一段时间内逐渐消逝。这种弛豫景象表现

6、了光电导对光强变化反响的快慢。光电导上升或下降的时间就是弛豫时间，或称为呼应时间(惰性)。显然，弛豫时间长，表示光电导反响慢，这时称惯性大；弛豫时间短，即光电导反响快，称惯性小。从光电导的机构来看，弛豫景象表现为在光强变化时，光生载流子的积累和消逝的过程。因此，要讨论弛豫景象，必需研讨光生载流子的产生与复合。光电导的驰豫决议在迅速变化的光强下，一个光电器件能否有效任务的问题。在分析定态光电导和光强之间的关系时，虽然实践情况比较复杂，但通常讨论下面两种典型情况：直线性光电导，即光电导与光强成线性关系，如Si、Ge、PbO等许多资料至少在较低的光强下都具有这种性质；抛物线性光电导，指的是光电导与光

7、强的平方根成正比。有不少光电导体在低光强下属于直线性光电导，但在较高的光强下那么为抛物线性光电导。 光敏电阻任务机理较复杂，但构造简单，光敏电阻任务机理较复杂，但构造简单，只是在一块匀质的光电导体两端只是在一块匀质的光电导体两端加上电极即成，如下图。加上电极即成，如下图。1光谱呼应相当宽光谱呼应相当宽根据不同的光电导资料，光敏电阻根据不同的光电导资料，光敏电阻的灵敏域可在紫外光区，可见光区，的灵敏域可在紫外光区，可见光区，也可在红外区和远红外区。也可在红外区和远红外区。光敏电阻有以下优点：光敏电阻有以下优点：2所测的光强范围宽，即可对强光呼应，也可对弱光呼应。所测的光强范围宽，即可对强光呼应，

8、也可对弱光呼应。3无极性之分，运用方便，本钱低，寿命长。无极性之分，运用方便，本钱低，寿命长。4灵敏度高，任务电流大，可达数毫安灵敏度高，任务电流大，可达数毫安 运用时必需在光敏电阻两端加上电压，普通再串一个负载电阻，构成闭合回路。当光照光敏电阻时，其电导率发生变化，电阻值随之变化，那么流经整个回路的电流发生变化。负载上电流的变化反映了光照信号的变化。在负载上取出其变化信号，便到达了检测入射光信号的目的。光照时，光敏电阻的电阻值通常称为明电阻或亮电阻，无光照时的电阻称为暗电阻。 模型构造表示图偏置电路等效电路二、特性二、特性 1光照特性 图示出硫化镉光敏电阻的光照特性。光敏电阻受光照时的电流与

9、不受光照时的电流之差，称光电流。由于有上述的光电流放大作用，它的灵敏度高，光照特性为非线性。在适用范围内，它们的关系可表示如下： I经过光敏光敏电阻的阻的电流；流；U加于光敏加于光敏电阻的阻的电压；L光敏光敏电阻上的照度；阻上的照度；K比例系数；比例系数；a电压指数，普通近于指数，普通近于1； b 照度指数。照度指数。 光谱特性与所用的资料光谱特性与所用的资料有关，图有关，图(b)的曲线的曲线1、2、3分别示出硫化镉、分别示出硫化镉、硒化镉、硫化铅光敏电硒化镉、硫化铅光敏电阻的光谱特性。从图可阻的光谱特性。从图可以看出，硫化铅光敏电以看出，硫化铅光敏电2光谱特性光谱特性 光敏电阻的光谱分布，不

10、仅和资料的性质有关，也和工艺过程有关。光敏电阻的光谱分布，不仅和资料的性质有关，也和工艺过程有关。例如硫化镉光敏电阻，随着掺铜浓度的添加，光谱峰值由例如硫化镉光敏电阻，随着掺铜浓度的添加，光谱峰值由5000埃移埃移至至6400埃。而硫化铅随薄层的减薄，光谱峰值位置移向短波方向。埃。而硫化铅随薄层的减薄，光谱峰值位置移向短波方向。 阻在较宽的光谱范围内有较高的灵敏度。阻在较宽的光谱范围内有较高的灵敏度。 本征光电导光谱特性3伏安特性伏安特性 图图(c)的曲线的曲线1和和2分别表示照度分别表示照度为零和某值时的伏安特性。假为零和某值时的伏安特性。假设所加电压越高，那么光电流设所加电压越高，那么光电

11、流越大而且无饱和景象。对于大越大而且无饱和景象。对于大多数半导体，电场强度超越多数半导体，电场强度超越10伏厘米时才开场不遵照欧姆伏厘米时才开场不遵照欧姆定律。只需硫化镉是例外，它定律。只需硫化镉是例外，它的伏安特性在的伏安特性在100多伏时就产生多伏时就产生转转折点而不再呈线性了。光敏电阻的最高运用电压由它的耗散功折点而不再呈线性了。光敏电阻的最高运用电压由它的耗散功率所决议，而耗散功率又和面积大小、散热情况等有关。率所决议，而耗散功率又和面积大小、散热情况等有关。由于伏安特性成由于伏安特性成线性，光敏性，光敏电阻除用阻除用积分灵敏度外，用比灵敏度也分灵敏度外，用比灵敏度也很方便。比灵敏度很

12、方便。比灵敏度Sb的定的定义如下如下: I 光敏光敏电阻被照射阻被照射时和黑暗和黑暗时的的电流差；流差； U 光敏光敏电阻上所加的阻上所加的电压； 照射于光敏照射于光敏电阻上的光通量。阻上的光通量。比灵敏度乘以电压就得积分灵敏度，积分灵敏度与电压成正比这是比灵敏度乘以电压就得积分灵敏度，积分灵敏度与电压成正比这是容易了解的，由于在一样的光通量下，光敏电路的电流与电压成正容易了解的，由于在一样的光通量下，光敏电路的电流与电压成正比。普通需求经过几百小时后，光敏电阻的灵敏度才趋稳定。光敏比。普通需求经过几百小时后，光敏电阻的灵敏度才趋稳定。光敏电阻的主要优点之一是积分灵敏度较高电阻的主要优点之一是

13、积分灵敏度较高4频率特性频率特性 图(d)的曲线l和2分别表示出硫化镉和硫化铅光敏电阻的频率特性。光敏电阻的频率特性较差，这是由于光敏电阻的导电性与被俘获的载流子有关，当入射光强上升时，被俘获的自在载流子到相应的数值需求一定时间；同样，入射光强降低时，被俘获的电荷释放出来也是比较定时间；同样，入射光强降低时，被俘获的电荷释放出来也是比较慢的，光敏电阻的阻值，要花一段时间后才干到达相应的数值慢的，光敏电阻的阻值，要花一段时间后才干到达相应的数值(新新的平衡值的平衡值)，故其频率特性较差。有时以时间常数阐明频率呼应的，故其频率特性较差。有时以时间常数阐明频率呼应的好坏。当光敏电阻忽然遭到光照时，电

14、导率上升到最终值的好坏。当光敏电阻忽然遭到光照时，电导率上升到最终值的63所所花的时间，被称为上升时间常数。同样，降低时间常数是把器件忽花的时间，被称为上升时间常数。同样，降低时间常数是把器件忽然黑暗时，其导电率降到起始值的然黑暗时，其导电率降到起始值的37(即降低即降低63)所花的时间。所花的时间。5疲惫特性疲惫特性 图(e)的曲线l和2分别表示出型号不同的两种硫化镉光敏电阻的疲惫特性。初制成的光敏电阻，由于体内机构的不稳定，以及电阻体与其介质间的作用还没有到达平衡，所以性能是不够稳定的。在人为地加温、光照及加负载情况下，经一至二个星期的老化，性在人为地加温、光照及加负载情况下，经一至二个星

15、期的老化，性能可到达稳定。光敏电阻在开场一段时间的老化过程中，有些样品能可到达稳定。光敏电阻在开场一段时间的老化过程中，有些样品阻值上升了，有些样品阻值下降了，各不一样，但最后总能到达一阻值上升了，有些样品阻值下降了，各不一样，但最后总能到达一个稳定值，以后就不再变了。这是光敏电阻的主要优点，它以其高个稳定值，以后就不再变了。这是光敏电阻的主要优点，它以其高度的稳定性而被广泛地运用在自动化技术上。度的稳定性而被广泛地运用在自动化技术上。 6温度特性温度特性 光敏电阻的性质受温度的光敏电阻的性质受温度的影响较大。随着温度的升影响较大。随着温度的升高灵敏度要下降。硫化镉高灵敏度要下降。硫化镉的光电

16、流的光电流I和温度和温度T的关系的关系如图如图(f)所示。有时为了所示。有时为了提高灵敏度，将元件降温提高灵敏度，将元件降温运用。例如，利用制冷器运用。例如，利用制冷器使光敏电阻的温度降低。使光敏电阻的温度降低。随着温度的升高，光敏随着温度的升高，光敏电阻黑暗阻黑暗时电流上升，光照流上升，光照时的的电流添加不流添加不多。因此，它的光多。因此，它的光电流下降，即光流下降，即光电灵敏度下降。不同灵敏度下降。不同资料的光敏料的光敏电阻，温度特性也不一阻，温度特性也不一样，普通硫化，普通硫化镉的温度特性比硒化的温度特性比硒化镉好，硫好，硫化化铅的温度特性比硒化的温度特性比硒化铅好。光敏好。光敏电阻的光

17、阻的光谱特性也随着温度而特性也随着温度而变化。例如硫化化。例如硫化铅光敏光敏电阻，在阻，在+20与与-20温度范温度范围内，随着温度内，随着温度的升高，其光的升高，其光谱特性向短波方向挪特性向短波方向挪动。为了使元件了使元件对波波长较长的光的光有有较高的呼高的呼应，有，有时也可采用降温措施。也可采用降温措施。体积小，分量轻，构造简单而结实，允许的光电流大，任务寿命长；体积小，分量轻，构造简单而结实，允许的光电流大，任务寿命长； 光敏电阻在黑暗时的电阻值普通大于10兆欧，假设它被光线照射，电阻值显著降低，称为亮阻，约在几万欧以下。暗阻和亮阻之比在 之间。这一比值越大，光敏电阻的灵敏度越高。随着温

18、度的升高，暗电阻下降，这对光敏电阻的任务不利。光敏电阻有以下优点：光敏电阻有以下优点： 7暗电阻和暗电流暗电阻和暗电流 型号一样的光敏电阻的参数也参差不齐，光照特性的非线性使它不型号一样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宜于丈量要求线性的场所。适宜于丈量要求线性的场所。缺陷缺陷光敏电阻虽有它的缺陷，但在很多情况下这些缺陷并不重要光敏电阻虽有它的缺陷，但在很多情况下这些缺陷并不重要,因此它因此它的运用较广的运用较广.例如遥控设备的主要要求是灵敏度高而采用光敏电阻。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，适宜于在红外线光谱区工另外，由于

19、很多光敏电阻对红外线敏感，适宜于在红外线光谱区工作。作。光敏电阻的符号和衔接电路如下图。光敏电阻的符号和衔接电路如下图。图图(a)中的输出电压中的输出电压 与入射光通与入射光通量的变化成反相，图量的变化成反相，图(b)中中 与入与入射光通量变化成同相。在入射光通射光通量变化成同相。在入射光通量变化范围一定情况下，为了使输量变化范围一定情况下，为了使输出电压出电压 变化范围最大，普通取变化范围最大，普通取 。 三、电路三、电路 当入射光通量延续变化时， 为光敏电阻变化的中间值，即当入射光通量当入射光通量腾跃变化化时， 和和 是指入射光通量是指入射光通量最大和最最大和最小小时的光敏的光敏电阻阻值，

20、可，可经过实验得到。同得到。同时，电源源E也也应满足下式足下式 为光敏电阻的最大允许功耗。为光敏电阻的最大允许功耗。 1采用光调制技术，普通调制频率为8001000Hz。 2制冷或恒温，使热噪声减少。 3采用合理的偏置，选择最正确的偏置电流，使信噪比到达最高。 在图中，当入射光通量变化时，会引起I和 的同时变化，使整个系统线性变坏，噪声添加。为了降低光敏电阻的噪声，提高信息转换精度，可采取以下方法： 恒流偏置电路如下图。图中，由于采恒流偏置电路如下图。图中，由于采用了稳压管用了稳压管D，故，故 不变，使不变，使 不变，不变， 不变，到达恒流的目的，不变，到达恒流的目的，这时，入射光通量的变化仅

21、引起这时，入射光通量的变化仅引起 电压的变化。电压的变化。恒压偏置电路如下图。图中，恒压偏置电路如下图。图中，由于采用了稳压管由于采用了稳压管D， 故故 不变不变, 也不变。入射光也不变。入射光通量的变化仅引起通量的变化仅引起的变化，可以证明，恒压偏的变化，可以证明，恒压偏置的最大特点是光敏电阻的置的最大特点是光敏电阻的灵敏度与光敏电阻的暗阻值灵敏度与光敏电阻的暗阻值无关，因此互换性好，互换无关，因此互换性好，互换光敏电阻时不影响仪器的精光敏电阻时不影响仪器的精度。度。恒压偏置电路恒压偏置电路增大加于探测器上的直流偏压可以增大信号和噪声输出，但加偏压不能过大，只能在允许的条件下增大任务偏压。

22、习题 1光电导探测器灵敏度与其任务偏流有何关系?它在适用中的重要意义是什么? 2光电导探测器呼应时间(频率特性五受哪些要素限制?为什么光电导探测器的任务频率都不如光伏高，普通上限频率最高约为多少量级?实践运用时如何改善其频率呼应? 3试绘出光电导探测器的等效电路，并进一步绘出(1)信号交流等效电路；(2)噪声等效电路；(3)信号、噪声等效电路。 4光电导探测器的内增益与哪些量有关?为什么说，内增益系数是一个随机变量。 4光电发射和二次电子发射两者有哪些不同?简述光电倍增管的任务原理。 5光电倍增管中倍增极有哪几种构造?每一种的主要特点是什么? 6如何选择倍增极之间的级间电压? 7分析电阻分压器

23、的电压再分配效应和负载电阻的反响效应，怎样才干减少这些效应的影响? 光生伏特效应光伏型探测器是一种结型构造的探测器，它是基于半导体的光生伏特效应制成的。光伏效应是光照射光敏资料时产生光生电压的景象。 经过检测光生电压，或者检测探测器回路的光生感应电流到达检测入射光功率的目的。根据探测器的详细构造不同，光电探测器可以分为以下几种：光电池、光电二极管、PIN光电二极管、雪崩光电二极管、光电三极管以及其它派生的光电探测器。光伏探测器的主要特点是：线性好，呼应速度快，运用方便，它们广泛运用在丈量系统。 光伏探测器与光电导探测器相比较，主要区别在于： (1)产生光电变换的部位不同，光电导探测器是均值型，

24、光无论照在它的哪一部分，受光部分的电导率都要增大，而光伏探测器是结型，只需到达结区附近的光才产生光伏效应。 (2)光电导探测器没有极性，任务时必需外加偏压，而光伏探测器有确定的正负极，不需外加偏压也可以把光信号变为电信号。 (3)光电导探测器的光电效应主要依赖于非平衡载流子中的多子产生与复合运动，弛豫时间较大，呼应速度慢，频率呼应性能较差。而光伏探测器的光伏效应主要依赖于结区非平衡载流子中的少于漂移运动，弛豫时间较小，因此，呼应速度快，频率呼应特性好。另外，像雪崩二极管和光电三极管还有很大的内增益作用，不仅灵敏度高，还可以经过较大的电流。 基于上述特点，光伏探测器的运用非常广泛。普通多用于光度

25、丈量、光开关、报警系统、图像识别、自动控制等方面。 光生伏特效应是光照使不均匀半导体或均匀半导体中光生电子和空穴在空间分开而产生电位差的景象。对于不均匀半导体，由于同质的半导体不同的掺杂构成的pn结、不同质的半导体组成的异质结或金属与半导体接触构成的肖特基势垒都存在内建电场，当光照这种半导体时，由于半导体对光的吸收而产生了光生电子和空穴，它们在内建电场的作用下就会向相反的方向挪动和积聚而产生电位差，这种景象是最重要的一类光生伏特效应。对于均匀半导体，由于体内没有内建电场，当光照这种半导体一部分时，由于光生载流子浓度梯度的不同而引起载流子的分散运动。但电子和空穴的迁移率不等，由于两种载流子分散速

26、度的不同而导致两种电荷的分开，从而出现光生电势。这种景象称为丹倍效应。此外，假设存在外加磁场，也可使得分散中的两种载流子向相反方向偏转，从而产生光生电势，称为光磁电效应。通常把丹倍效应和光磁电效应称为体积光生伏特效应。从晶体管实际可知，当把从晶体管实际可知，当把N型半导体和型半导体和P型半导体结合在一同时，型半导体结合在一同时，N型半导体中的电子和型半导体中的电子和P型半导体中的空穴就会相互分散，见图型半导体中的空穴就会相互分散，见图(a)，结果在结果在PN区交界面附近构成一个很薄的空间电荷区，产生如图区交界面附近构成一个很薄的空间电荷区，产生如图(b)所示的内电场，方向由所示的内电场，方向由

27、N区指向区指向P区。区。一、原理与构造一、原理与构造 光电池光电池硒光电池构造表示图硅光电池构造表示图当光线照射当光线照射PN结时，结时，PN结将吸收入射光子。假设光子能量超越结将吸收入射光子。假设光子能量超越半导体资料的禁带宽度，那么由半导体能带实际可知，在半导体资料的禁带宽度，那么由半导体能带实际可知，在PN结附结附近会产生电子和空穴。在内电场的作用下，空穴移向近会产生电子和空穴。在内电场的作用下，空穴移向P区，电子区，电子移向移向N区，挪动的结果，在区，挪动的结果，在N区聚集大量的电子而带上负电，在区聚集大量的电子而带上负电，在P区聚集大量的空穴而带上正电。于是在区聚集大量的空穴而带上正

28、电。于是在P区和区和N区之间产生了电势，区之间产生了电势，成为光生电动势。假设用导线和电阻把成为光生电动势。假设用导线和电阻把N区和区和P区衔接起来，回路区衔接起来，回路中就会有光电流中就会有光电流I流过，电流方向是由流过，电流方向是由P区流向区流向N区，如图区，如图313-1(c)所示，这就是光电池受光照时产生光生电动势和光电流的所示，这就是光电池受光照时产生光生电动势和光电流的简单原理。简单原理。光电池的符号如下图，光电池的内光电池的符号如下图，光电池的内部构造等效电路如图部构造等效电路如图(b)所示。所示。从以上分析可知，由光照产生的电子从以上分析可知，由光照产生的电子和空穴在内电场的作

29、用下才构成光生和空穴在内电场的作用下才构成光生电动势和光电流。由于内电场电动势和光电流。由于内电场另外，光电池的输出也受外接负载电阻大小的影响，如下图另外，光电池的输出也受外接负载电阻大小的影响，如下图. 当当 时，时， ，是由掺杂的是由掺杂的P区和区和N区自在分散构成的，故内电场的强度是非常有限区自在分散构成的，故内电场的强度是非常有限的，就导致了光电池的光电转换效率非常低，最高也只能是百分之的，就导致了光电池的光电转换效率非常低，最高也只能是百分之十几。十几。即即输出出电流与入射光通量流与入射光通量成成线性性关系。关系。 上式中，S是光电池的灵敏度。当时 ， ，随着U的增大，PN结的等效电

30、阻 开场变小，那么 开场增大，由于 显然，然，I与与成非成非线性关系。当性关系。当U继续增大到增大到PN结的的导通通电压时 ( 非常大非常大时)，U就不会再增大，此就不会再增大，此时，PN结的的 变得很小，光照所得很小，光照所产生的光生的光电流流 几乎全部流向二极管，即几乎全部流向二极管，即 这时，在负载这时，在负载RL上除有少量的电流维持上除有少量的电流维持PN结的导通电压结的导通电压U外，光外，光照产生的光电流几乎都耗费在光电池内部。照产生的光电流几乎都耗费在光电池内部。这种景象也可以从图这种景象也可以从图(c)中看出。当中看出。当 较大时，光电流流过较大时，光电流流过 时，必然使时，必然

31、使U增大，由于增大，由于U的方向是与内电场方向相反，故要减弱的方向是与内电场方向相反，故要减弱内电场的强度，从而使光生的电子和空穴不能移过内电场的强度，从而使光生的电子和空穴不能移过PN结，使对外结，使对外输出的光电流减少。输出的光电流减少。光电池的种类光电池的种类硒光电池，氧化亚铜光电池，硫化铊光电池，硫化镉光电硒光电池，氧化亚铜光电池，硫化铊光电池，硫化镉光电池，锗光电池，硅光电池，砷化镓光电池等。池，锗光电池，硅光电池，砷化镓光电池等。其中最受注重的是硅光电池，由于它有一系列的优点，其中最受注重的是硅光电池，由于它有一系列的优点，例如性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、换能效率高、能耐例如

32、性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、换能效率高、能耐高能辐射等。高能辐射等。硒光电池比硅光电池价廉，它的光谱峰值位置在人的视觉范围硒光电池比硅光电池价廉，它的光谱峰值位置在人的视觉范围内，因此运用在不少丈量仪器上。内，因此运用在不少丈量仪器上。 。 二、特性二、特性 1光照特性 图图(a)和图和图(b)分别示分别示出出硅光电池和硒光电的硅光电池和硒光电的光照特性，它指光生光照特性，它指光生电动势和光电流与照电动势和光电流与照度的关系。度的关系。 光电池的电动势，即开路电压与照度光电池的电动势，即开路电压与照度L L成非线性关系，在照度成非线性关系，在照度20002000勒克斯照射下就趋向饱和了。

33、勒克斯照射下就趋向饱和了。 光电池的短路电流与照度成线性关系，而且受照结面积越大，光电池的短路电流与照度成线性关系，而且受照结面积越大，短路电流亦越大短路电流亦越大( (可把光电池看成由许多小光电池并联而成可把光电池看成由许多小光电池并联而成) )。 光光电池的所池的所谓短路短路电流是指外接流是指外接负载电阻相阻相对于光于光电池的内阻来池的内阻来讲很小。而光很小。而光电池在不同照度池在不同照度时，其内阻也不同，所以在不同的，其内阻也不同，所以在不同的照度照度时可用不同大小的外接可用不同大小的外接负载近似地近似地满足足“短路条件。短路条件。 当光当光电电池作池作为为丈量元件丈量元件时时，应应以以

34、电电流源的方式来运用。流源的方式来运用。图图(c)(c)示示出出硒硒光光电电池池的的光光照照特特性性与与负负载载电电阻阻的的关关系系。硅硅光光电电池池也也有有相相类类似似的的关关系系。从从图图可可见见，负负载载电电阻阻RLRL越越小小，光光电电流流和和照照度度的的线线性性关关系系越越好好，且且线线性性范范围围较较广广。所所以以光光电电池池作作为为丈丈量量元元件件时时，所所用用负负载载电电阻阻的的大大小小，应应根根据据照照度度或或光光强强而而定定。当当照照度度较较大大时时，为为保保证证丈丈量量有有线线性性关系，所用关系，所用负载电负载电阻阻应较应较小。小。负载电阻阻增增大大时，光光电流流变小小，

35、而而且且光光照照特特性性的的线性性区区域域亦亦变小小，这是是由由于于光光电池池的的内内阻阻随随照照度度和和电压而而改改动。硅硅光光电池池的的内内阻阻普普通通属属于于低低阻阻范范围，其其大大小小与与受受光光面面积和和光光强有有关关，在在100100毫毫瓦瓦厘厘米米的的入入射射光光强下下，光光电池池每每平平方方厘厘米米的的内内阻阻范范围在在15201520欧欧之之间。2 2光谱特性光谱特性 光电池的光谱特性决议于所采用的资料。光电池的光谱特性决议于所采用的资料。 图图(d)(d)的的曲曲线线1 1和和2 2分分别别示示出出硒硒和和硅硅光光电电池池的的光光谱谱特特性性。从从图图上上可可看看出出，硒硒

36、光光电电池池在在可可见见光光谱谱内内有有较较高高的的灵灵敏敏度度，峰峰值值波波长长在在54005400埃埃附附近近，它它适适宜宜于于丈丈量量可可见见光光。假假设设硒硒光光电电池池与与适适当当的的滤滤光光片片配配合合，它它的的光光谱谱灵灵敏敏度度与与人人的的眼眼睛睛很接近，可用它客很接近，可用它客观观地决地决议议照度。照度。硅硅光光电电池池可可以以运运用用的的范范围围为为400040001100011000埃埃，峰峰值值波波长长在在85008500埃埃附附近，因此近，因此对对色温色温为为2854K2854K的的钨丝钨丝灯光源，能得到很好的光灯光源，能得到很好的光谱谱呼呼应应。光光电电池的光池的光

37、谱谱峰峰值值位置不位置不仅仅与制造光与制造光电电池的池的资资料有关，也和制造料有关，也和制造工工艺艺有关，并且随运用温度的不同而有所挪有关，并且随运用温度的不同而有所挪动动。3 3伏安特性伏安特性 伏伏安安特特性性如如图图。图图中中还还画画出出负负载载电电阻阻为为0.50.5、l l、3 3千千欧欧的的负负载载线线。光光电电池的池的负载线负载线由由 决决议议。负载电阻短接或很小时，负载线负载电阻短接或很小时，负载线垂直或接近于垂直。它与伏安特垂直或接近于垂直。它与伏安特性的交点为等间隔，电流正比于性的交点为等间隔，电流正比于照度，数值也较大。负载电阻增照度，数值也较大。负载电阻增 增大时，交点

38、的间隔不等，例如增大时，交点的间隔不等，例如3 3千欧这条负载线与伏安特性的交千欧这条负载线与伏安特性的交点相互间间隔不等，即电流不与照度成正比，光照特性不是直线，点相互间间隔不等，即电流不与照度成正比，光照特性不是直线，电流也减小。电流也减小。 光光电电池的池的积积分灵敏度由光通量分灵敏度由光通量为为1 1流明所能流明所能产产生的短路生的短路电电流决流决议议。硅光硅光电电池的灵敏度池的灵敏度为为6 68 8毫安毫安/ /流明，硒光流明，硒光电电池的灵敏度池的灵敏度约为约为0.50.5毫安流明，因此硅光毫安流明，因此硅光电电池的灵敏度比硒高。硅光池的灵敏度比硒高。硅光电电池的开路池的开路电电压

39、压在在0.450.450.60.6伏之伏之间间。在器件构造一。在器件构造一样样的情况下，能的情况下，能够够到达的最到达的最大开路大开路电压电压，硒比硅略微高一些。，硒比硅略微高一些。 4 4频率特性频率特性 光电池的光电池的PNPN结或阻挠层的面积大结或阻挠层的面积大极间电容大，因此频率特性较差，极间电容大，因此频率特性较差， 图图(f)(f)曲线曲线l l示出硒光电池的频率特示出硒光电池的频率特性，它是在负载电阻为一兆欧时绘性，它是在负载电阻为一兆欧时绘出的。负载电阻越大，电容的旁路出的。负载电阻越大，电容的旁路作用越显著，频率特性高频部分的作用越显著，频率特性高频部分的下降越厉害。因此不宜

40、于检测交变下降越厉害。因此不宜于检测交变图图(f)(f)中中的的曲曲线线2 2，在在照照度度较较强强和和负负载载电电阻阻较较小小的的情情况况下下，它它的的截截止止频频率率最最高高可可达达10103030千千赫赫。在在低低照照度度时时频频率率特特性性要要变变差差，这这是是由由于于在在低低照照度度光光阴阴电电池池内内阻阻增增大大的的缘缘故故。呼呼应应速速度度与与结结电电容容和和负负载载电电阻阻的的乘乘积积有有关关。如如欲欲改改善善频频率率特特性性，需需减减小小负负载载电电阻阻或或减减小小光光电电池池的的面面积积，使使它它的的结结电电容容减减小小。此此外外，呼呼应应速速度度还还与与少少数数载载流流子

41、子的的寿寿命命和分散和分散时间时间等有关。等有关。光通量。硅光电池的频率特性要好一些，光通量。硅光电池的频率特性要好一些， 5 5温度特性温度特性 图图(g)(g)示出硅光电池的开路电压和短示出硅光电池的开路电压和短路电流与温度路电流与温度T T的关系。的关系。 硅硅光光电池池的的开开路路电压随随温温度度升升高高而而降降低低，温温度度每每升升高高l l度度，电压下下降降2323毫毫伏伏。短短路路电流流随随着着温温度度升升高高，开开场增增大大。当当温温度度超超越越7070度度左左右右时，温度升高，温度升高，电流下降。流下降。硅硅光光电电池池在在强强辐辐射射下下性性能能也也是是稳稳定定的的。对对于

42、于硒硒光光电电池池，在在强强光光照照射射时时性性能能变变化化很很大大，这这主主要要是是由由于于此此时时体体内内已已起起了了变变化化或或外外表表的的硒硒被被氧氧化化所所呵呵斥斥的的。光光电电池池的的可可靠靠性性好好，寿寿命命也也较较长长，它它们们除除与与制制造造资资料料、工工艺艺有有关关外外，还还和和运运用用的的情情况况有有关关，因因此此合合理理地地运运用用光光电电池，也是保池，也是保证证性能性能稳稳定，可靠性好，寿命定，可靠性好，寿命长长的重要的重要环节环节。光电池的运用：光电池的运用： 光电池在受强光照射或聚焦光照射的情况下，应该思索光电池的光电池在受强光照射或聚焦光照射的情况下，应该思索光

43、电池的任务温度及散热措施。假设硒光电池的结温超越任务温度及散热措施。假设硒光电池的结温超越5050度、硅光电池度、硅光电池的结温超越的结温超越200200度时，就要破坏它们的晶体构造，呵斥损坏。通常度时，就要破坏它们的晶体构造，呵斥损坏。通常硅光电池运用的结温不允许超越硅光电池运用的结温不允许超越125125度。度。 硅光电池是由薄的硅片制成，极脆，运用时应特别小心。硅光电池硅光电池是由薄的硅片制成，极脆，运用时应特别小心。硅光电池的固定不宜用压紧法，应采用胶粘法。由于硅光电池和座子的膨胀的固定不宜用压紧法，应采用胶粘法。由于硅光电池和座子的膨胀系数不能够一样，所以也不宜用极结实的胶合剂系数不

44、能够一样，所以也不宜用极结实的胶合剂( (如环氧树脂、如环氧树脂、502502胶等胶等) )，应采用柔软而富有弹性的胶合剂，应采用柔软而富有弹性的胶合剂( (如蜂蜡、硬柏油、清凡力如蜂蜡、硬柏油、清凡力水、万能胶等水、万能胶等) )。硅光电池的外表通常镀有一层增透膜，运用时应防止硬物接触表硅光电池的外表通常镀有一层增透膜，运用时应防止硬物接触表面。外表如有脏物，可以用酒精棉花悄然擦拭。假设增透膜零落，面。外表如有脏物，可以用酒精棉花悄然擦拭。假设增透膜零落，将使硅光电池的输出略有下降，但仍可运用。将使硅光电池的输出略有下降，但仍可运用。硅光电池的引线很柔嫩，不能拉力太大，以免零落。硅光电池的引

45、线很柔嫩，不能拉力太大，以免零落。三、电路三、电路 1. 光电池用作太阳能电池光电池用作太阳能电池 当光电池用作太阳能电池时，是当光电池用作太阳能电池时，是把光能直接转换成电能，需求最把光能直接转换成电能，需求最大的输出功率和转换效率。这光大的输出功率和转换效率。这光阴电池的受光面积往往做得比较阴电池的受光面积往往做得比较大，或把多个光电池作串、并联大，或把多个光电池作串、并联衔接，再将它们置于太阳光的照衔接，再将它们置于太阳光的照射下，就成为把光能转换成电能射下，就成为把光能转换成电能的太阳电池。光电池用作太阳能的太阳电池。光电池用作太阳能电池时的电路如下图。在黑夜或电池时的电路如下图。在黑

46、夜或光线微弱时，为防止蓄电池经过光线微弱时，为防止蓄电池经过光电池放电而设置二极管光电池放电而设置二极管D D。 光电池用作检测元件运用时的电路如下图，此电路可实现光电池用作检测元件运用时的电路如下图，此电路可实现光电池的线性输出。对光电池而言，近似等于光电池的线性输出。对光电池而言，近似等于0.0.图中，。图中，。 式中，式中，S S为光光电池的灵敏度，池的灵敏度，是入射到光是入射到光电池的光通量池的光通量 2 2光光电电池用作池用作检测检测元件元件331 14 4 光敏二极管光敏二极管(PD)(PD)光敏二极管是一种用光敏二极管是一种用PNPN结单导游电结单导游电性的结型光电信息转换器件。

47、性的结型光电信息转换器件。 一、构造和任务原理一、构造和任务原理 与普通半与普通半导导体二极管体二极管类类似，其似，其PNPN结结装在管子的装在管子的顶顶部，以便使部，以便使光光线线集中在光敏面，光敏二极管的外形构造如集中在光敏面，光敏二极管的外形构造如图图 a a 所示。所示。 光敏二极管任光敏二极管任务时务时加反向偏加反向偏压压，图图(b)(b)，加反向偏，加反向偏压压的目的是加的目的是加一个方向与一个方向与PNPN结结内内电场电场方向一致的外方向一致的外电场电场，抑制了光，抑制了光电电池弱点，池弱点，线线性特性和性特性和频频率特性将率特性将彻彻底改善，光底改善，光电电流的流的输输出出仅仅

48、受光照受光照强强弱弱变变化的化的影响，与影响，与负载电负载电阻的大小无关。无光照阻的大小无关。无光照时时，光敏二极管任，光敏二极管任务务在截止在截止形状，只需少数形状，只需少数载载流子在反向偏流子在反向偏压压作用下，渡越阻作用下，渡越阻挠层挠层，构成微小，构成微小的反向的反向电电流，即暗流，即暗电电流。光敏二极管受光照流。光敏二极管受光照时时，PNPN结结附近受光子附近受光子轰轰击击吸收其能量而吸收其能量而产产生生电电子空穴子空穴对对，从而使，从而使P P区和区和N N区的少数区的少数载载流子流子浓浓度大大添加，在外加度大大添加，在外加电场电场和内和内电场电场的共同作用下，的共同作用下，P P

49、区的区的电电子渡越子渡越阻阻挠层进挠层进入入N N区，区，N N区的空穴区的空穴进进人人P P区，从而使区，从而使经过经过PNPN结结的方向的方向电电流流大大添加，大大添加，这这就构成了光就构成了光电电流。流。 1光照特性光照特性 图图(a)(a)画出了硅光敏二极管的光电流画出了硅光敏二极管的光电流I I与照与照度度L L的特性曲线。从图上可看出，它的光照的特性曲线。从图上可看出，它的光照特性线性较好，适宜于检测方面的运用。特性线性较好，适宜于检测方面的运用。 ，光光谱特性决特性决议于所采用的于所采用的资料，料，图3 31 142(b)42(b)示出了示出了锗的光的光谱呼呼应曲曲线。由由图可知

50、，它的呼可知，它的呼应光光谱长波限波限为1800018000埃，短波限在埃，短波限在40004000埃附近，最灵埃附近，最灵敏的呼敏的呼应波波长大大约14000140001500015000埃之埃之间。硅的光。硅的光谱特性可特性可见图(b)(b)，它的最，它的最灵敏呼灵敏呼应波波长在在8000800090009000埃之埃之间。二、特性二、特性2光谱特性光谱特性 硅光敏二极管在入射光波硅光敏二极管在入射光波长为长为90009000埃埃处处，其光，其光谱谱灵敏度不小于灵敏度不小于0 04 4微安微瓦。微安微瓦。 图图(c)(c)示出了硅光敏二极管的实示出了硅光敏二极管的实践伏安特性曲线，由光照控

51、制的践伏安特性曲线，由光照控制的光敏二极管，与由基极控制的晶光敏二极管，与由基极控制的晶体三极管的任务情况相类似，因体三极管的任务情况相类似，因此光敏二极管在不同照度下的伏此光敏二极管在不同照度下的伏安特性，与普通晶体管在不同基安特性，与普通晶体管在不同基极电流下的输出特性类似。由此极电流下的输出特性类似。由此可知，光敏二极管对光信号的作可知，光敏二极管对光信号的作用，正像普通晶体管在基极上加用，正像普通晶体管在基极上加上电信号时的放大作用一样。上电信号时的放大作用一样。光敏二极管在外加电压为零时仍有电流，这是光生伏特效应所产光敏二极管在外加电压为零时仍有电流，这是光生伏特效应所产生的短路电流

52、。生的短路电流。 3伏安特性伏安特性 4频率特性频率特性 (a)(a)结电容结电容( (普通小于普通小于2020悄然法悄然法) )和杂散电容，因它与负载电阻并联，和杂散电容，因它与负载电阻并联，负载电阻越大，它的高额旁路作用越显著，高频呼应变差。负载电负载电阻越大，它的高额旁路作用越显著，高频呼应变差。负载电阻小，能使高频呼应改善，但输出电压要减小，两者应同时思索，阻小，能使高频呼应改善，但输出电压要减小，两者应同时思索，以选择适宜的负载电阻。在负载电阻为以选择适宜的负载电阻。在负载电阻为l l千欧的情况下，截止频率千欧的情况下，截止频率可达可达1.51.5兆赫或更高；兆赫或更高； (b)(b

53、)光生载流子在薄层中的分散时间及光生载流子在薄层中的分散时间及PNPN结结( (耗尽层或阻挠层耗尽层或阻挠层) )中的中的漂移时间，前者与入射光的波长有关。当波长超越某限制漂移时间，前者与入射光的波长有关。当波长超越某限制( (资料对资料对长波的吸收系数小长波的吸收系数小) )，入射光可透过二极管，入射光可透过二极管PNPN结而到达体内结而到达体内(N(N区区) )较较深部位几十到上千微米，它激发的光生载流子要分散到深部位几十到上千微米，它激发的光生载流子要分散到PNPN结后才干结后才干构成光电流。这一分散时间限制了对长波光的频率呼应。构成光电流。这一分散时间限制了对长波光的频率呼应。 光敏二

54、极管的频率呼应与下述要素有关：光敏二极管的频率呼应与下述要素有关： 波波长较长较短的光生短的光生载载流子大部分流子大部分产产生在生在PNPN结结内，没有体内分散内，没有体内分散时间时间的的问题问题，而且，而且频频率呼率呼应应要好得多。要好得多。对对硅二极管，由波硅二极管，由波长长不同引起不同引起的呼的呼应时间应时间可相差可相差102102108108倍。倍。5温度特性温度特性 光敏二极管在光敏二极管在电压电压不不变变(50(50伏伏) )和照度不和照度不变变的情况下，其光的情况下，其光电电流流 随温度随温度T T而而变变如如图图。在精。在精细细光光电电丈量中要留意温度丈量中要留意温度对对丈量精

55、度的影响，丈量精度的影响，桥桥式式电电路是减小温度影路是减小温度影响的措施之一。在用响的措施之一。在用调调制光照射制光照射时时，可采，可采用交流放大器以抑制用交流放大器以抑制变变化化较较慢的温度影响。慢的温度影响。6 6暗电流暗电流 图图示出的曲示出的曲线线l l和和2 2各各为锗为锗和硅光敏二极和硅光敏二极管的暗管的暗电电流随温度流随温度T T而而变变化的曲化的曲线线。温。温度升高，半度升高，半导导体受体受热热激激发发，少数，少数载载流子流子添加，使暗添加，使暗电电流添加。硅器件的暗流添加。硅器件的暗电电流流及其温度系数都比及其温度系数都比锗锗器件小，因此器件小，因此对锗对锗器件需求适当的温

56、度器件需求适当的温度补偿补偿。运用。运用时时要留要留意不使管壳意不使管壳侧侧面沾面沾污污。否那么会引起漏。否那么会引起漏电电流，使暗流，使暗电电流流变变大。大。 光敏二极管体积小，灵敏度高，稳定性好，呼应速度快，易于获得光敏二极管体积小，灵敏度高，稳定性好，呼应速度快，易于获得定向性，光谱在可见和红外区，它在检测和自动控制中用得较多。定向性，光谱在可见和红外区，它在检测和自动控制中用得较多。 光敏二极管的光敏二极管的输输出出电电路和等效路和等效电电路。路。图图(a)(a)和和图图(b)(b)的差的差别别是是输输出出电压电压U U是反向的。由于是反向的。由于 ，由，由图图(c)(c)可知，可知，

57、 上式中，上式中，S S是光敏二是光敏二极管的灵敏度，极管的灵敏度，是是入射到光敏二极管的入射到光敏二极管的光通量，光通量， 是等效是等效有此可有此可见见，为为了得到了得到较较大的大的输输出出电压电压，除串接，除串接较较大的大的R R外，后外，后级电级电路的路的输输入阻抗入阻抗应应尽能尽能够够大些。在大些。在图图(c)(c)中，中，C C是是结电结电容，普通容，普通较较小，小，故在中故在中频频内可忽略，但在高内可忽略，但在高频时频时不能忽略，不能忽略，C C直接影响光敏二极管直接影响光敏二极管的高的高频频特性。特性。计计算光敏二极管的上限算光敏二极管的上限频频率率 。负载电阻，即是负载电阻，即

58、是R R和后级电路输入阻抗的并联值。和后级电路输入阻抗的并联值。 三、三、电电路路当当 时得时得而而令令得：得：从从这这里看出，减少里看出，减少负载电负载电阻阻 ，可使上限，可使上限频频率率 提高。提高。这结论对这结论对其他光其他光电电信息信息转换转换器件也适用。器件也适用。在前面在前面讨论PNPN结的光的光电效效应时已指出，已指出，PNPN结光生光生电流主要由耗流主要由耗尽区尽区电子一空穴子一空穴对在外加在外加电场与内与内电场作用下的漂移运作用下的漂移运动构成的。构成的。由于由于电场主要分布在耗尽区内，所以主要分布在耗尽区内，所以载流子的漂移运流子的漂移运动速度很快。速度很快。普通来普通来讲

59、，耗尽区的，耗尽区的电场足以使足以使载流子的漂移速度到达极限流子的漂移速度到达极限值。在。在分散区，由于分散区，由于场的分布的分布趋于零，于零，载流子的运流子的运动是分散运是分散运动，所以运，所以运动速度很慢。速度很慢。这样，就影响了光，就影响了光电检测器呼器呼应速度的提高。因此速度的提高。因此为了保了保证光光电检测器有快的呼器有快的呼应速度和高的效率，速度和高的效率，该当当设法尽量减小法尽量减小零零电场P P区和区和N N区的厚度而添加耗尽区的厚度，并且区的厚度而添加耗尽区的厚度，并且还应尽量防止光尽量防止光生生电子一空穴子一空穴对在零在零电场区里区里产生。在工生。在工艺上采取以下措施：上采

60、取以下措施：将将N N层做成做成轻掺杂，使耗尽区，使耗尽区变宽或或变厚。厚。这种种掺杂很很轻的的N N层，称，称作本征作本征I I层；另外，另外，为了制成低了制成低电阻的接触，在阻的接触，在I I层的两端再做成重的两端再做成重掺杂的的P P层和和N N层，并且它，并且它们的的宽度很窄，或厚度很薄。度很窄，或厚度很薄。这样，便构成了，便构成了PINPIN型的光敏二极管。型的光敏二极管。四、四、PINPIN管管PINPIN的构造表示的构造表示图图如所示。由如所示。由图图可以看可以看出，由于采用了上述工出，由于采用了上述工艺艺手段，使耗手段，使耗尽区的尽区的宽宽度几乎占据了整个吸收区，度几乎占据了整

61、个吸收区，而分散区而分散区变变得很薄，所以得很薄，所以PINPIN比比PDPD具有具有更高的光生更高的光生电电流效率和更高的呼流效率和更高的呼应应速速度。度。PINPIN管特点是管特点是1 1、频带宽频带宽，可达，可达10GHz10GHz，由于耗尽区，由于耗尽区宽宽度添加，度添加，结电结电容大大减小。容大大减小。缺陷：缺陷：由于由于I I层层很大，管子的很大，管子的输输出出电电流小，普通多流小，普通多为为零点几微安至数微安。零点几微安至数微安。2 2、线线性性输输出范出范围宽围宽，由于，由于I I层层很厚，在反偏很厚，在反偏压压下运下运转转可接受可接受较较高高的反向的反向电压电压。五、五、AP

62、D APD 雪崩光敏二极管的反向偏压很高，可达雪崩光敏二极管的反向偏压很高，可达5050150V150V。这样，在。这样，在P-NP-N结内构成了一个强电场区。初始的载流子在经过这个强电场区时，结内构成了一个强电场区。初始的载流子在经过这个强电场区时，在强电场的作用下获得很大动能，从而运动速度很高。载流子在在强电场的作用下获得很大动能，从而运动速度很高。载流子在高速运动过程中要与晶体的晶格发生碰撞作用，结果使价带的电高速运动过程中要与晶体的晶格发生碰撞作用，结果使价带的电子跃迁到导带上去，于是就产生新的电子一空穴对。这个过程称子跃迁到导带上去，于是就产生新的电子一空穴对。这个过程称为碰撞电离过

63、程。为碰撞电离过程。 虽然虽然PINPIN比比PDPD有所改良，但由于耗尽区加宽而且所加反向偏压又不有所改良，但由于耗尽区加宽而且所加反向偏压又不能很高，故载流子的漂移时间势必要拉长，从而影响呼应速度的能很高，故载流子的漂移时间势必要拉长，从而影响呼应速度的进一步提高。另外，进一步提高。另外，PINPIN产生的光生电流依然是很微弱的。为了到产生的光生电流依然是很微弱的。为了到达可供运用的程度，必然要对其进展多次放大。这样，不可防止达可供运用的程度，必然要对其进展多次放大。这样，不可防止地要引进放大器的噪声，从而使接纳机的信噪比降低。为了抑制地要引进放大器的噪声，从而使接纳机的信噪比降低。为了抑

64、制PINPIN的缺陷，需做进一步的改良，使光生电流在其内部先进展放大，的缺陷，需做进一步的改良，使光生电流在其内部先进展放大，这就要求光电管具有雪崩增益作用。具有这种功能的光电管称为这就要求光电管具有雪崩增益作用。具有这种功能的光电管称为雪崩光敏二极管，以雪崩光敏二极管，以APD(Avalanche photo diode)APD(Avalanche photo diode)表示。表示。新新产产生的生的电电子一空穴子一空穴对对称称为为二次二次电电子一空穴子一空穴对对。初始的和新生的。初始的和新生的电电子子或空穴，在或空穴，在强强电场电场作用下，又要碰作用下，又要碰撞撞别别的原子的原子进进而而产

65、产生新的生新的电电子一空子一空穴穴对对。经经多次碰撞多次碰撞电电离后，便使离后，便使载载流子迅速添加，从而反向流子迅速添加，从而反向电电流也迅流也迅速增大构成雪崩倍增效速增大构成雪崩倍增效应应( (如如图图所。所。 示示) )；APDAPD就是利用雪崩倍增效应使光生电流到达很高的数值，电就是利用雪崩倍增效应使光生电流到达很高的数值，电流增益可达流增益可达106106。因此，雪崩光敏二极管是灵敏度很高的光电信息。因此，雪崩光敏二极管是灵敏度很高的光电信息转换器件转换器件雪崩光敏二极管的任雪崩光敏二极管的任务务偏偏压压必需适当。必需适当。过过小小时时，增益太小；，增益太小；过过大大时时，噪声大，而

66、且，噪声大，而且电压过电压过高能高能够够使管子被使管子被击击穿穿烧烧毁毁。由于。由于击击穿穿电电压压会随温度漂移，必需根据会随温度漂移，必需根据环环境温度境温度变变化相化相应调应调整任整任务电压务电压。 (a) (a)雪崩雪崩过过程伴有一定的噪声，并受温度的影响程伴有一定的噪声，并受温度的影响较较大；大； (b) (b)由于由于资资料本身料本身( (特特别别是外表部分是外表部分) )具有一定的缺陷，使具有一定的缺陷，使PNPN结结的各区域的各区域电场电场分布不均匀，部分的高分布不均匀，部分的高电场电场区首先区首先发发生生击击穿，使穿，使漏漏电电流流变变大，大，这这相当于加相当于加强强了噪声。了

67、噪声。为为防止防止这这一情况一情况发发生，在生，在选选择资择资料和工料和工艺艺上上应应加以留意。加以留意。影响雪崩光敏二极管任务的要素有：影响雪崩光敏二极管任务的要素有： 雪崩光敏二极管普通由硅或雪崩光敏二极管普通由硅或锗资锗资料制成，料制成，频频率呼率呼应应很高，很高，带宽带宽可达可达100GHz100GHz。是目前呼。是目前呼应应最快的一种光敏二极管。适用于光最快的一种光敏二极管。适用于光纤纤通通讯讯、激光、激光测测距及其他微弱光的探距及其他微弱光的探测测等。等。 光光敏敏二二极极管管阵阵列列是是将将光光敏敏二二极极管管以以线线阵阵或或面面阵阵方方式式集集合合在在一一同同，用用来来同同时时

68、探探测测被被测测物物体体各各部部位位提提供供的的不不同同光光信信息息，并并将将这这些些信信息息转转换换为为电电信信号号的的器器件件。光光敏敏三三极极管管阵阵列列与与其其类类似似。与与光光敏敏二二极极管管阵阵列列类类似似，还还有有象象限限探探测测器器。象象限限探探测测器器有有二二象象限限和和四四象象限限探探测测器器，又又分分光光敏敏二二极极管管象象限限探探测测器器和和硅硅光光电电池池象象限限探探测测器器。象象限限探探测测器器是是在在同同一一块块芯芯片片上上制制成成两两或或四四个个探探测测器器，中中间间有有沟沟道道将将它它们们隔隔开开，因因此此这这两两或或四四个个探探测测器器有有完完全全一一样样性

69、性能能参参数数。当当被被测测体体位位置置发发生生变变化化时时，来来自自目目的的的的辐辐射射量量使使象象限限间间产产生生差差别别，这这种种差差别别会会引引起起象象限限间间信信号号输输出出变变化化，从从而而确确定定目目的的方方位位，起起到到制导、跟踪、搜索、定位等作用。制导、跟踪、搜索、定位等作用。六、光敏二极管阵列六、光敏二极管阵列接纳光信号的方式 1光信号的有无 即被测对象呵斥投射到光电器件上的光信号截断或经过。如光电开关、光电，报警等。这时的光电器件不思索线性，但要思索灵敏度。 2光信号按一定频率交替变化 这种光信号的输入是有一定频率的，必需使所选器件的上限截止频率(最好是最正确任务频率)大

70、于输入信号的频率才干测出输入信号的变化。 3光信号的幅度大小 当被测对象因对光的反射率、透过率变化或是被测对象本身光辐射的强度变化，此时的光信号幅度大小亦改动。为准确测出幅度大小的变化，必需选用线性好、呼应快的器件。如PMT或光电二极管等。 4光信号的色度差别 当被测对象本身光辐射的色温存在差别或外表颜色变化时，必需选择适宜的光谱特性的光电器件等。 各种光电检测器件的性能比较 在动态特性方面，即频率呼应与时间呼应，以光电信增管和光电二极管(尤其是PIN管与雪崩管)为最好；在光电特性方面(即线性)，以光电倍增管、光电二极管、光电池为最好；在灵敏度方面，以光电倍增管、雪崩光电二极管、光敏电阻和光电

71、三极管为最好；值得指出的是，灵敏度高不见得就是输出电流大，而输出电流大的器件有大面积光电池、光敏电阻、雪崩光电二极管与光电三极管；外加电压最低的是光电二、三极管，光电池不需加电源；暗电流光电倍增管与光电二极管最小，光电池不加电源时无暗流，加反压后Id也比PMT与光电二极管大；长期任务的稳定性方面，以光电二极管、光电池为最好，其次是PMT与光电三极管；在光谱呼应方面，以光电信增管和CdSe光敏电阻为最宽，但PMT呼应偏紫外方面，而光敏电阻呼应偏红外方面。 光电检测器件的运用选择 光电检测器件的运用选择，实践上是运用时的一些本卷须知或要点。在很多要求不太严厉的运用中，可采用任何一种光电检测器件。不

72、过在某些情况下，选用某种器件会适宜些。例如，当需求比较大的光敏面积时，先可选用真空光电管，因其光谱呼应范围比较宽，故真空光电管在分光光度计中运用。当被测辐射等级很低(信号微弱)、呼应速率较高时，采用光电倍增管最适宜。由于其放大倍数可达10以上，这样高的增益可使其信号超越输出和放大线路内的噪声分量，使得对探测器的限制只剩下光阴极电流中的统计变化。因此在天文、光谱学、激光测距和闪烁计数等方面得到广泛运用。CdS光敏电阻因本钱低而在光亮度控制(如照相自动曝光或路灯日光控制等)中采用；光电池是固体光电器件中具有最大光敏面积的器件，它除作探测器件外，还可作太阳能变换器；硅光电二极管体积小、呼应快、可靠性

73、高，而且在可见光与近红外波段内有较高的量子效率，因此在各种工业控制中获得运用。硅雪崩管由于增益高、呼应快、噪声小，因此在激光测距与光纤通讯中普遍采用。光电检测器件的运用选择要点归纳如下 (1)光电检测器件必需和辐射信号源及光学系统在光谱特性上匹配。如丈量波长是紫外波段，那么选PMT或专门的紫外光电半导体器件；假设信号是可见光，那么可选PMT、光敏电阻与Si的光电器件；如是红外信号，选光敏电阻，近红外选Si的光电器件或PMT。 (2)光电检测器件的光电转换特性必需和入射辐射能量相匹配。其中首先要留意的是器件的感光面要和照射光匹配好。因光源必需照到器件的有效位置，如发生变化，那么光电灵敏度将发生变

74、化。如太阳电池具有大的感光面，普通用于杂散光或者没有到达聚焦形状的光束的接纳。又如光敏电阻是一个可变电阻，有光照的部分电阻就降低，必需设计光线照在两电极间的全部电阻体上，以便有效地利用全部感光面。光电二、三极管的感光面只是结附近的一个极小的面积，故普通把透镜作为光的入射窗，要把透镜的焦点与感光的灵敏点对准。光电池的光电流比其它器件因照射光的晃动要小些。普通要使入射通量的变化中心处于检测器件光电特性的线性范围内，以确保获得良好的线性检测。对微弱的光信号，器件必需有适宜的灵敏度，以确保一定的信噪比与输出足够强的电信号。(3)光电检测器件必需和光信号的调制方式、信号频率及波形相匹配，以保证得到没有频

75、率失真的输出波形和良好的时间呼应。这种情况主要是选择呼应时间短或上限频率高的器件，但在电路上也要留意匹配好动态参数。 (4)光电检测器件必需和输入电路在电特性上良好地匹配，以保证有足够大的转换系数、线性范围、信噪比及快速的动态呼应等。 (5)为使器件具有长期任务的可靠性，必需留意选好器件的规格和运用的环境条件。普通要求在长时间的延续运用中，能保证在低于最大限额形状下正常任务。当任务条件超越最大限额时，器件的特性即急剧劣化，特别是超越电流容限值后，其损坏往往是永久性的。运用的环境温度和电流容限一样，当超越温度的容限值后，普通将引起缓慢的特性劣化。总之，要使器件在额定条件下运用，才干保证稳定可靠地任务。