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1、第三章 光电检测器件n3.1 光电探测器的原理光电探测器的原理n3.2 光电子发射器件光电子发射器件n3.3 光电导器件光电导器件n3.4 光伏探测器件光伏探测器件n3.5 光电耦合器件光电耦合器件光电效应光电效应n光照射到物体表面上使物体发射电子、或导光照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光生电动势等，这种电率发生变化、或产生光生电动势等，这种因光照而引起物体电学特性发生改变统称为因光照而引起物体电学特性发生改变统称为光电效应光电效应n光电效应包括光电效应包括外光电效应外光电效应和和内光电效应内光电效应3.1 光电探测器的原理光电探测器的原理n外外光电效应光电效应：物体受
2、光照后向外发射电子：物体受光照后向外发射电子多发生于金属和金属氧化物多发生于金属和金属氧化物n内光电效应内光电效应：物体受到光照后所产生的光电：物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出物体外部子只在物质内部而不会逸出物体外部多多发生在半导体发生在半导体光电效应光电效应n光光电电导导效效应应：半半导导体体受受光光照照后后，内内部部产产生生光光生生载载流流子子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减少的现象使半导体中载流子数显著增加而电阻减少的现象n光光生生伏伏特特效效应应：光光照照在在半半导导体体PN结结或或金金属属半半导导体体接接触触上上时时，会会在在PN结结或或金金属属半半导导体体接接
3、触触的的两两侧侧产产生生光光生电动势。生电动势。 （1）PN结结的的光光生生伏伏特特效效应应：当当用用适适当当波波长长的的光光照照射射PN结结时时，由由于于内内建建场场的的作作用用（不不加加外外电电场场），光光生生电电子子拉拉向向n区区，光光生生空空穴穴拉拉向向p区区，相相当当于于PN结结上上加加一一个个正电压。正电压。 （2）半半导导体体内内部部产产生生电电动动势势（光光生生电电压压）；如如将将PN结结短路，则会出现电流（光生电流）。短路，则会出现电流（光生电流）。内光电效应光热效应n光热效应光热效应：材料受光照射后，光子能量与晶格相互作用，振动加剧，温度升高，材料的性质发生变化n热释电效应
4、热释电效应：介质的极化强度随温度变化而变化，引起表面电荷变化的现象n辐射热计效应辐射热计效应：入射光的照射使材料由于受热而造成电阻率变化的现象n温差电效应温差电效应：由两种材料制成的结点出现温差而在两结点间产生电动势，回路中产生电流光电检测器件的类型光电检测器件的类型n光电检测器件是利用物质的光电效应把光信号转换成电信号的器件。n光电检测器件分为两大类：n光子(光电子)检测器件n热电检测器件光电检测器件光子器件光子器件热电器件热电器件真空器件真空器件固体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
5、电阻热释电探测器半导体光电器件半导体光电器件n光电导器件（内光电效应）光电导器件（内光电效应） 光敏电阻（单晶型、多晶型、合金型等）光敏电阻（单晶型、多晶型、合金型等）n光伏器件光伏器件 光电池光电池 光电二极管光电二极管/三极管三极管真空光电器件（外光电效应）真空光电器件（外光电效应）n光电管光电管n光电倍增管光电倍增管热电检测器件热电检测器件n热敏电阻热敏电阻n热电偶和热电堆热电偶和热电堆n热释电探测器件热释电探测器件光电器件的分类光电器件的分类光电检测器件的特点光子器件光子器件热电器件热电器件响应波长有选择性，一般有响应波长有选择性，一般有截止波长，超截止波长，超 过该波长，过该波长，器
6、件无响应。器件无响应。响应波长无选择性，对可见响应波长无选择性，对可见光到远红外的各种波长的辐光到远红外的各种波长的辐射同样敏感射同样敏感响应快，吸收辐射产生信号响应快，吸收辐射产生信号需要的时间短，需要的时间短， 一般为纳一般为纳秒到几百微秒秒到几百微秒响应慢，一般为几毫秒响应慢，一般为几毫秒器件的基本特性参数器件的基本特性参数n响应特性n噪声特性n量子效率n线性度n工作温度一、响应特性一、响应特性1.响应度（或称灵敏度）：响应度（或称灵敏度）：是光电探测器输出信号与输入光功率之间关系的度量。描述的是光电探测器件的光电转换效率。n响应度是随入射光波长变化而变化的n响应度分电压响应率和电流响应
7、率n电压响应率 光电探测器件输出电压与入射光功率之比n电流响应率 光电探测器件输出电流与入射光功率之比.光谱响应度光谱响应度：探测器在波长为的单色光照射下，输出电压或电流与入射的单色光功率之比3.积分响应度积分响应度：检测器对各种波长光连续辐射量的反应程度.响响应应时时间间：响应时间是描述光电探测器对入射光响应快慢的一个参数。n上升时间：入射光照射到光电探测器后，光电探测器输出上升到稳定值所需要的时间。n下降时间：入射光遮断后，光电探测器输出下降到稳定值所需要的时间。n光电探测器响应率与入射调制频率的关系 为调制频率为f 时的响应率 为调制频率为零时的响应率 为时间常数（等于RC） .频率响应
8、频率响应：光电探测器的响应随入射光的调制频率而变化的特性称为频率响应n由于光电探测器信号产生和消失存在着一个滞后过程，由于光电探测器信号产生和消失存在着一个滞后过程，所以入射光的调制频率对光电探测器的响应会有较大所以入射光的调制频率对光电探测器的响应会有较大的影响。的影响。：上限截止频率：上限截止频率 时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽二、噪声特性二、噪声特性n在一定波长的光照下光电探测器输出的电信号并不是平直的，而是在平均值上下随机地起伏，它实质上就是物理量围绕其平均值的涨落现象。n用均方噪声来表示噪声值大小n噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的。
9、n由于噪声总是与有用信号混在一起，因而影响对信号特别是微弱信号的正确探测。n一个光电探测系统的极限探测能力往往受探测系统的噪声所限制。n所以在精密测量、通信、自动控制等领域，减小和消除噪声是十分重要的问题。光电探测器常见的噪声光电探测器常见的噪声n热噪声n散粒噪声n产生-复合噪声n1/f噪声1、热噪声热噪声n或称约翰逊噪声，即载流子无规则的热运动造成的噪声。n导体或半导体中每一电子都携带着电子电量作随机运动(相当于微电脉冲)，尽管其平均值为零，但瞬时电流扰动在导体两端会产生一个均方根电压均方根电压，称为热噪声电压热噪声电压。n热噪声存在于任何电阻中，热噪声与温度成正比，与频率无关，热噪声又称为
10、白噪声。2、散粒噪声散粒噪声n散粒噪声：入射到光探测器表面的光子是随机的，光电子从光电阴极表面逸出是随机的，PN结中通过结区的载流子数也是随机的。n散粒噪声也是白噪声，与频率无关。n散粒噪声是光电探测器的固有特性，对大多数光电探测器的研究表明，散粒噪声具有支配地位。n例如光伏器件的PN结势垒是产生散粒噪声的主要原因。3、产生、产生-复合噪声复合噪声n半导体受光照，载流子不断产生-复合。n在平衡状态时，在载流子产生和复合的平均数是一定的n但在某一瞬间载流子的产生数和复合数是有起伏的n载流子浓度的起伏引起半导体电导率的起伏4、1/f噪声噪声n或称闪烁噪声或低频噪声。n噪声的功率近似与频率成反比n多
11、数器件的1/f噪声在200300Hz以上已衰减到可忽略不计。、信、信噪比噪比n信噪比是判定噪声大小的参数。n是负载电阻上信号功率与噪声功率之比n若用分贝（dB）表示，为、噪声等效功率、噪声等效功率(NEP)n定义：信号功率与噪声功率比为1（SNR=1）时，入射到探测器件上的辐射通量(单位为瓦)。n这时，投射到探测器上的辐射功率所产生的输出电压（或电流）等于探测器本身的噪声电压（或电流）n一般一个良好的探测器件的NEP约为10-11W。nNEP越小，噪声越小，器件的性能越好。n噪声等效功率是一个可测量的量。n设入射辐射的功率为P，测得的输出电压为U0n然后除去辐射源，测得探测器的噪声电压为UNn
12、则按比例计算，要使U0UN，的辐射功率为、探测率与归一化探测率、探测率与归一化探测率探测率D定义为噪声等效功率的倒数 经过分析，发现NEP与检测元件的面积Ad和放大 器带宽f 乘积的平方根成正比归一化探测率D*，即 D*与探测器的敏感面积、放大器的带宽无关。三、量子效率三、量子效率 （ ）n量子效率：在某一特定波长上，每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之比。n对理想的探测器，入射一个光量子发射一个电子， =1n实际上， A。由于不同材料具有不同的逸出功，因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射，此频率限称为“红限”。相
13、应的波长K为： 式中，c为光速；A为逸出功。光电管工作原理光电管工作原理光电管的类型光电管的类型 中心阴极型中心阴极型：这种类型由于阴极面积很小，受照光通量不大，仅适用于低照度探测和光子初速度分布的测量。中心阳极型：中心阳极型：这种类型由于阴极面积大，对入射聚焦光斑的大小限制不大；又由于光电子从光阴极飞向阳极的路程相同，电子渡越时间的一致性好；其缺点是光电子接收特性差，需要较高的阳极电压。半圆柱面阴极型：半圆柱面阴极型：这种结构有利于增加极间绝缘性能和减少漏电流。平行平板极型：平行平板极型：这种类型的特点是光电子从阴极飞向阳极基本上保持平行直线的轨迹，电极对于光线入射的一致性好。带圆筒平板阴极
14、型：带圆筒平板阴极型：它的特点是结构紧凑、体积小、工作稳定。 光电管结构光电管结构光电管测量电路图光电管测量电路图 光光电电管管正正常常工工作作时时，阳阳极极电电位位高高于于阴阴极极，如如图图所所示示。在在入入射射光光频频率率大大于于“红红限限”的的前前提提下下，从从阴阴极极表表面面逸逸出出的的光光电电子子被被具具有有正正电电位位的的阳阳极极所所吸吸引引，在在光光电电管管内内形形成成空空间间电电子子流流，称称为为光光电电流流。此此时时若若光光强强增增大大，轰轰击击阴阴极极的的光光子子数数增增多多，单单位位时时间间内内发发射射的的光光电电子子数数也也就就增增多多，光光电电流流变变大大。电电流流I
15、和和电电阻阻RL上上的的电电压压降降U0就就和和光光强强成成函函数数关关系系，从从而而实现光电转换。实现光电转换。 n伏安特性n光照特性n光谱特性n响应时间n峰值探测率n温度特性光电管的特性参数光电管的特性参数 1.伏安特性伏安特性在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。光电管的伏安特性如图所示。它是应用光电传感器参数的主要依据。光电管的伏安特性5020lm40lm60lm80lm100lm120lm100150200024681012阳极与末级倍增极间的电压/VIA/A 2.2.光照特性光照特性当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量
16、与光电流之间的关系为光电管的光照特性。其特性曲线如图所示。曲线1表示氧氧铯铯阴阴极极光电管的光照特性，光电流I与光通量成线性关系。曲线2为锑锑铯铯阴阴极极的光电管光照特性，它成非线性关系。光电管的光照特性255075100200.51.5 2.0/1mIA/A1.02.513.灵敏度灵敏度 说说明明：阴阴极极材材料料不不同同的的光光电电管管，具具有有不不同同的的红红限限，因因此此适适用用于于不不同同的的光光谱谱范范围围。此此外外，即即使使入入射射光光的的频频率率大大于于红红限限，并并保保持持其其强强度度不不变变，但但阴阴极极发发射射的的光光电电子子数数量量还还会会随随入入射射光光频频率率的的变
17、变化化而而改改变变，即即同同一一种种光光电电管管对对不不同同频频率率的的入入射射光光灵灵敏敏度度并并不不相相同同。光光电电管管的的这这种种光光谱谱特特性性，要要求求人人们们应应当当根根据据检检测测对对象象是是紫紫外外光光、可可见见光光还还是是红红外外光光去去选选择择阴阴极极材材料料不不同同的的光光电电管管，以以便便获获得得满满意意的的灵灵敏敏度。度。 光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之间比）称为光电管的灵敏度。 光电倍增管主要由光阴极K、倍增极D和阳极A组成。 分类：端窗式端窗式（透射式阴极，通过管壳的端面接收入射光） 侧窗式侧窗式（反射式阴极，通过管壳的侧面接收入射光） 光电倍增管光
18、电倍增管光电倍增管光电倍增管光电倍增管的基本电路光电倍增管的基本电路 变变化化缓缓慢慢的的入入射射光光通通量量：电电路路往往往往将将电电源源正正端端接接地地，并并且且输输出出可可以以直直接接与与放放大器输入端连接，从而使它能够响应。大器输入端连接，从而使它能够响应。 当当入入射射光光通通量量为为脉脉冲冲通通量量时时，则则应应将将电电源源的的负负端端接接地地，因因为为光光电电倍倍增增管管的的阴阴极极接接地地比比阳阳极极接接地地有有更更低低的的噪噪声声，此此时时输输出出端端应应接接入入隔隔离离电电容容，同同时时各各倍倍增增极极的的并并联联电电容容亦亦应应接接入入，以以稳稳定定脉脉冲冲工工作作时时的
19、的各各级级工工作作电电压压，稳稳定定增增益益并并防防止止饱饱和。和。 光电倍增极材料光电倍增极材料要求：耐撞击、稳定性好、使用温度高等n锑化铯：锑化铯：具有高的倍增系数，但使用温度不超过60，在倍增电流较大时，倍增系数显著下降。n银镁合金：银镁合金：倍增系数高，稳定性好，使用温度不超过150，可用于电流较大的倍增管中。n铜铍合金和负电子亲和力倍增材料：铜铍合金和负电子亲和力倍增材料： 减少倍增级数，提高光电管的频率响应和降低散粒噪声。n阴极灵敏度 红外灵敏度来表示：红光灵敏度与白光灵敏度之比n阳极灵敏度 阳极输出电流与阴极光通量之比光电倍增管特性参数光电倍增管特性参数1.灵敏度灵敏度2.2.暗
20、电流暗电流 光电倍增管接上工作电压后，在没有光照的情况下阳极仍会有一个很小的电流输出，此电流即称为暗电流。 阳极输出电流：暗电流和信号电流阳极输出电流：暗电流和信号电流说明：暗电流的存在决定了光电倍增管可测量光信号的最小值。一只好的光电倍增管，要求其暗电流小并且稳定。 3.放大倍数放大倍数 在一定的工作电压下，光电倍增管的阳极倍增电流和阴极信号电流之比成为放大倍数或电流增益G:103104105106255075100125极间电压/V放大倍数光电倍增管的特性曲线4.光谱响应度光谱响应度 光谱响应率：光电倍增管对不同波长的光入射的响应能力是不相同的。在给定波长的单位辐射功率照射下所产生的阳极电
21、流大小称为光电倍增管的绝对光谱响应率，表示为：测量S()十分复杂，因此在一般测量中都是测量它的相对值。为此，可以把S()中的最大值当作一个单位对所有S()值进行归一化，这时就得到s()称为光电倍增管的相对光谱响应率，它与波长的关系曲线称为光电倍增管的相对光谱响应曲线。s()1，是一个无量纲的量，只表示光电倍增管的光谱响应特征。5.光照特性光照特性与直线最大偏离是3%10131010109107105103101在 45mA处饱和10141010106102光通量/1m阳极电流/A一、光敏电阻一、光敏电阻n光敏电阻是光电导型器件。n光敏电阻材料：主要是硅、锗和化合物半导体，例如：硫化镉（CdS）
22、，锑化铟（InSb）等。硫化镉（CdS），硫化铅（PbS），锑化铟（InSb），碲镉汞（HgCdTe），碲锡铅（PbSnTe）.3.3 光电导探测器件光电导探测器件光敏电阻的特点：光敏电阻的特点：n光谱响应范围宽（特别是对于红光和红外辐射）；n偏置电压低，工作电流大；n动态范围宽，既可测强光，也可测弱光；n光电导增益大，灵敏度高；n无极性，使用方便；n在强光照射下，光电线性度较差n光电驰豫时间较长，频率特性较差光敏光敏电阻电阻 (LDR) (LDR) 和它的和它的符号符号 符号符号1. 1. 光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理n光敏电阻结构：在一块均匀光电导体两端加上光敏电阻结构：在一块均匀
23、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。（有窗口的金属或塑料外壳内。（如下图如下图）n工作机理：当入射光子使半导体中的电子由价工作机理：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。穴均参与导电，其阻值急剧减小，电导增加。入射光入射光本征型和杂质型光敏电阻本征型和杂质型光敏电阻n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
24、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。n杂质型光敏电阻：对于型半导体，当入射光子的能量等于或大于杂质电离能时，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。n本征型用于可见光长波段可见光长波段，杂质型用于红外波段红外波段。价带导带电子空穴Eg价带导带电子空穴施主光电导与光电流光电导与光电流n光敏电阻两端加电压（直流或交流）无光照时，阻值（暗电阻暗电阻）很大，电流（暗电流暗电流）很小；光照时，光生载流子迅速增加，阻值（亮电阻亮电阻）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（亮电流亮电流）。n光电流：亮电流和暗电流之差；I光
25、=IL-Idn光电导：亮电流和暗电流之差；g=gL-gd光敏电阻的工作特性光敏电阻的工作特性n光电特性光电特性n伏安特性伏安特性n时间响应和频率特性时间响应和频率特性n温度特性温度特性n光电特性光电特性：光电流与入射光照度的关系： (1)弱光时，弱光时，=1，光电流与照度成线性关系光电流与照度成线性关系(2)强光时，强光时， =0.5，光电流与照度成抛物线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。（
26、冷却可以此复合几率也增大，光电流呈饱和趋势。（冷却可以改善）改善） 光敏电阻的光电特性光敏电阻的光电特性在弱光照下，光电流与照度E具有良好的线性关系在强光照下则为非线性关系其他光敏电阻也有类似的性质。n光电导灵敏度:光电导g与照度E之比.说明：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。n光电导增益光电导增益反比于电极间距的平方。n量子效率：光电流与入射光子流之比。伏安特性伏安特性n在一定的光照下，光敏电阻的光电流与在一定的光照下，光敏电阻的光电流与所加的电压关系所加的电压关系n光敏电阻是一个纯电阻，因此符合欧姆光敏电阻是一个纯电阻，因此符合欧姆定律，其伏安
27、特性曲线为直线。定律，其伏安特性曲线为直线。n不同光照度对应不同直线不同光照度对应不同直线受耗散功率的限制，在使用时，光敏电阻两端的电压 不能超过最高工作电压，图中虚线为允许功耗曲线由此可确定光敏电阻正常工作电压。 光敏电阻时间常数比较大，其上限截止频率低。只有PbS光敏电阻的频率特性稍好些，可工作到几千赫。频率特性频率特性n光敏电阻的时间响应特性较差n材料受光照到稳定状态，光生载流子浓度的变化规律：n停止光照，光生载流子浓度的变化为响应时间响应时间随着温度的升高，光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降，随着温度的升高，光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降，温度的变化也会影响光谱特性曲线。温度的变化也会
28、影响光谱特性曲线。例如：硫化铅光敏电阻，随着温度的升高光谱响应的峰例如：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。值将向短波方向移动。尤其是红外探测器要采取制冷措施尤其是红外探测器要采取制冷措施温度特性温度特性光敏电阻的应用n基本功能：根据自然光的情况决定是否开灯。n基本原理：光暗时，光敏电阻阻值很高，继电器关，灯亮；光亮时，光敏电阻阻值降低，继电器工作，灯关。照明灯自动控制电路K220V灯常闭CdSn光电池光电池n光电二极管光电二极管n光电三极管光电三极管3.4光伏探测器件硅光电池硅光电池n光光电电池池是是根根据据光光生生伏伏特特效效应应制制成成的的将将光光能能转转换换成
29、成电电能能的一种器件。的一种器件。nPN结结的的光光生生伏伏特特效效应应：当当用用适适当当波波长长的的光光照照射射PN结结时时，由由于于内内建建场场的的作作用用（不不加加外外电电场场），光光生生电电子子拉拉向向n区区，光光生生空空穴穴拉拉向向p区区，相相当当于于PN结结上上加加一一个个正正电电压。压。n半半导导体体内内部部产产生生电电动动势势（光光生生电电压压）；如如将将PN结结短短路路，则会出现电流（光生电流）。则会出现电流（光生电流）。光电池的结构特点光电池的结构特点n光光电电池池核核心心部部分分是是一一个个PN结结，一一般般作作成成面面积大的薄片状，来接收更多的入射光。积大的薄片状，来接
30、收更多的入射光。n在在N型型硅硅片片上上扩扩散散P型型杂杂质质（如如硼硼），受受光光面面是是P型层型层n在在P型型硅硅片片上上扩扩散散N型型杂杂质质（如如磷磷），受受光光面面是是N型层型层n受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和保护作用和保护作用n上电极做成栅状，为了更多的光入射上电极做成栅状，为了更多的光入射n由于光子入射深度有限，为使光照到由于光子入射深度有限，为使光照到PN结上，结上，实际使用的光电池制成实际使用的光电池制成薄薄P型或薄型或薄N型。型。光电池等效电路光电池等效电路光电池的特性1、伏安特性伏安特性 无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半
31、导体无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导体二极管相同。二极管相同。 有光照时，沿电流轴方向平移，平移幅度与光有光照时，沿电流轴方向平移，平移幅度与光照度成正比。照度成正比。 曲线与电压轴交点称为开路电压曲线与电压轴交点称为开路电压VOC，与电流与电流轴交点称为短路电流轴交点称为短路电流ISC。光电池伏安特性曲线光电池伏安特性曲线反向电流随光照度的增加而上升反向电流随光照度的增加而上升IU照度增加照度增加2、时间和频率响应、时间和频率响应 硅光电池频率特性硅光电池频率特性好好 硒光电池频率特性差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硅光电池是目前使用最广泛的光电池 n要得到短的响
32、应时间，必须选用小的负载电阻要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻RL；n光电池面积越大则响应时间越大，因为光电池面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积越大则结电容Cj越大，在给定负载时，时间常数越大，在给定负载时，时间常数就越大，故要求短的响应时间，必须选用小面积就越大，故要求短的响应时间，必须选用小面积光电池。光电池。开路电压下降大约开路电压下降大约2 2 3mV/3mV/度度短路电流上升大约短路电流上升大约1010-5-5 1010-3-3mA/mA/度度3 3、温度特性、温度特性 随着温度的上升，硅光电池的光谱响应向长波方向移随着温度的上升，硅光电池的光谱响应向
33、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，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。测量仪器应考虑温度的漂移，要进行补偿。4 4、光谱响应、光谱响应度度n硅光电池硅光电池 响应波长响应波长0.4-1.10.4-1.1微米，微米， 峰值波长峰值波长0.8-0.90.8-0.9微米。微米。n硒光电池硒光电池 响应波长响应波长0.34-0.750.34-0.75微米，微米， 峰值波长峰值波长0.540.54微米。微米。5、光电池的光照特性光电池的光照特性连接方式：开路电压输出连接方式：开路电压输出-(a) 短路电流输出短路电流输出-
34、(b)光光电电池池在在不不同同的的光光强强照照射射下下可可产产生生不不同同的的光光电电流流和和光生电动势。光生电动势。短路电流在很大范围内与光强成线性关系。短路电流在很大范围内与光强成线性关系。开开路路电电压压随随光光强强变变化化是是非非线线性性的的，并并且且当当照照度度在在2000lx时趋于饱和。时趋于饱和。光照特性光照特性- 开路电压输出：非线性开路电压输出：非线性(电压电压-光强光强)，灵敏度高，灵敏度高 短路电流输出：线性好短路电流输出：线性好(电流电流-光强光强) ，灵敏度低，灵敏度低 开关测量（开路电压输出），线性检测（短路电流输出）开关测量（开路电压输出），线性检测（短路电流输出
35、）n负载负载RL的增大线性范围也越来越小。的增大线性范围也越来越小。n因此，在要求输出电流与光照度成线性关系时，负载因此，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电阻在条件许可的情况下越小越好越小越好，并限制在适当的，并限制在适当的光照范围内使用光照范围内使用。光电池的应用光电池的应用n1、光电探测器件光电探测器件 利用光电池做探测器有频率响应高，光电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。流随光照度线性变化等特点。n2、将太阳能转化为电能、将太阳能转化为电能 实际应用中，把硅光电池经串联、并联组实际应用中，把硅光电池经串联、并联组成电池组。（成电池
36、组。（硅太阳能电池、非晶硅太阳能电硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、化合物太阳能电池池、化合物太阳能电池 ）光敏二极管光敏二极管n光光敏敏二二极极管管与与普普通通二二极极管管一一样样有有一一个个PN结结，属属于于单单向向导导电电性性的的非非线线形形元元件件。外外形形不不同同之之处处是是在在光光电电二二极极管管的的外外壳壳上上有有一一个个透透明明的的窗窗口口以以接接收收光光线线照照射射，实现光电转换。实现光电转换。n为为了了获获得得尽尽可可能能大大的的光光生生电电流流，需需要要较较大大的的工工作作面面，即即PN结结面面积积比比普普通通二二极极管管大大得得多多，以以扩扩散散层层作作为为它的受光面。它
37、的受光面。n为为了了提提高高光光电电转转换换能能力力，PN结结的的深深度度较较普普通通二二极极管浅。管浅。光电二极管（光敏二极管）光电二极管（光敏二极管）光敏二极管符号光敏二极管符号 光敏二极管接法光敏二极管接法外加反向偏压外加反向偏压n光敏二极管一般在光敏二极管一般在负偏压情况负偏压情况下使用下使用n大大反反偏偏压压的的施施加加，增增加加了了耗耗尽尽层层的的宽宽度度和和结结电电场场，电电子子空空穴穴在在耗耗尽尽层层复复合合机机会会少少，提提高高光光敏敏二二极极管的灵敏度。管的灵敏度。n增增加加了了耗耗尽尽层层的的宽宽度度，结结电电容容减减小小，提提高高器器件件的的频响特性。频响特性。n但但是
38、是，为为了了提提高高灵灵敏敏度度及及频频响响特特性性，却却不不能能无无限限地地加加大大反反向向偏偏压压，因因为为它它还还受受到到PN结结反反向向击击穿穿电压等因素的限制。电压等因素的限制。n光敏二极管体积小，灵敏度高，响应时间短，光谱响光敏二极管体积小，灵敏度高，响应时间短，光谱响应在可见到近红外区中，光电检测中应用多。应在可见到近红外区中，光电检测中应用多。n扩散扩散型型P-i-N硅光敏二极管和雪崩光敏二极管硅光敏二极管和雪崩光敏二极管扩散型扩散型P-i-N硅光敏二极管硅光敏二极管PIN型二极管的优点型二极管的优点n选择一定厚度选择一定厚度的的i层，具有高速响应特性。层，具有高速响应特性。n
39、i层所起的作用层所起的作用: (1)为了取得较大为了取得较大的的PN结击穿电压，必须选择高电阻率的基结击穿电压，必须选择高电阻率的基体材料，这样势必增加了串联电阻，使时间常数增大，影体材料，这样势必增加了串联电阻，使时间常数增大，影响管子的频率响应。而响管子的频率响应。而i层的存在，使击穿电压不再受到基层的存在，使击穿电压不再受到基体材料的限制，从而可选择低电阻率的基体材料。这样不体材料的限制，从而可选择低电阻率的基体材料。这样不但提高了击穿电压，还减少了串联电阻和时间常数。但提高了击穿电压，还减少了串联电阻和时间常数。 (2)反偏下，耗尽层反偏下，耗尽层较无较无i层时要大得多，从而使结电容下
40、降层时要大得多，从而使结电容下降，提高了频率响，提高了频率响应应。n当光敏二极管当光敏二极管的的PN结上加相当大的反向偏压时，在结上加相当大的反向偏压时，在结区产生一个很高的电场，使进入场区的光生载流子结区产生一个很高的电场，使进入场区的光生载流子获得足够的能量，获得足够的能量，通过碰撞使晶格原子电离通过碰撞使晶格原子电离，而产生，而产生新的电子新的电子空穴对。空穴对。n新的电子新的电子空穴对在强电场的作用下分别向相反方向空穴对在强电场的作用下分别向相反方向运动在运动过程中，又有可能与原子碰撞再一次产运动在运动过程中，又有可能与原子碰撞再一次产生电子生电子空穴对。空穴对。n只要电场足够强，此过
41、程就将继续下去，达到载流子只要电场足够强，此过程就将继续下去，达到载流子的雪崩倍增。通常，雪崩光敏二极管的反向工作偏压的雪崩倍增。通常，雪崩光敏二极管的反向工作偏压略低于击穿电压。略低于击穿电压。雪崩光敏二极管雪崩光敏二极管雪崩光电二极管的雪崩光电二极管的倍增电流、噪声与偏压的关系曲线倍增电流、噪声与偏压的关系曲线n在偏置电压较低在偏置电压较低时的时的A点以左，不发生雪崩过程；随着点以左，不发生雪崩过程；随着偏压的逐渐升高，倍增电流逐渐增加偏压的逐渐升高，倍增电流逐渐增加n从从B点到点到c点增加很快，属于雪崩倍增区；偏压再继续点增加很快，属于雪崩倍增区；偏压再继续增大，将发生雪崩击穿；同时噪声
42、增大。增大，将发生雪崩击穿；同时噪声增大。n如如图中图中c点以右的区域，也显著增加。最佳的偏压工作点以右的区域，也显著增加。最佳的偏压工作区区是是c点以左，否则进入雪崩击穿区烧坏管子。点以左，否则进入雪崩击穿区烧坏管子。n由于击穿电压会随温度漂移，必须根据环境温度变化由于击穿电压会随温度漂移，必须根据环境温度变化相应调整工作电压相应调整工作电压。n雪崩光电二极管具有电流增益大，灵敏度高，频率响雪崩光电二极管具有电流增益大，灵敏度高，频率响应快，带宽可达应快，带宽可达100GHz。是目前响应最快的一种光是目前响应最快的一种光敏二极管。敏二极管。n不需要后续庞大的放大电路等特点。因此它在不需要后续
43、庞大的放大电路等特点。因此它在微弱辐微弱辐射信号的探测射信号的探测方向被广泛地应用。方向被广泛地应用。n在设计雪崩光敏二极管时，要保证载流子在整个光敏在设计雪崩光敏二极管时，要保证载流子在整个光敏区的均匀倍增，这就需要选择无缺陷的材料，必须保区的均匀倍增，这就需要选择无缺陷的材料，必须保持更高的工艺和保证结面的平整。持更高的工艺和保证结面的平整。n其缺点是工艺要求高，稳定性差，受温度影响其缺点是工艺要求高，稳定性差，受温度影响大。大。雪崩光电二极管与光电倍增管比较雪崩光电二极管与光电倍增管比较n体积小n结构紧凑n工作电压低n使用方便n但其暗电流比光电倍增管的暗电流大，相应的噪声也较大n故光电倍
44、增管更适宜于弱光探测光敏二极管阵列光敏二极管阵列 n将光敏二极管以线列或面阵形式集合在一起，用来同时探测被测物体各部位提供的不同光信息，并将这些信息转换为电信号的器件。光敏三极管（光电三极管光敏三极管（光电三极管）n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。n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。n日前用得较多的是NPNNPN和PNPPNP两种平面硅光电三极管。NPN光电三极管结构原理简图光电三极管结构原理简图光电三极管工作原理光电三极管工作原理n NPN光光电电三三极极管管（3DU型型），使使用用时时光光电
45、电二二极极管管的的发发射极接电源负极，集电极接电源正极。射极接电源负极，集电极接电源正极。n 光光电电三三极极管管不不受受光光时时，相相当当于于普普通通三三极极管管基基极极开开路路的的状状态态。集集电电结结(基基集集结结)处处于于反反向向偏偏置置，基基极极电电流流等等于于0，因而集电极电流很小，为光电三极管的暗电流。因而集电极电流很小，为光电三极管的暗电流。n当当光光子子入入射射到到集集电电结结时时，就就会会被被吸吸收收而而产产生生电电子子空空穴穴对对，处处于于反反向向偏偏置置的的集集电电结结内内建建电电场场使使电电子子漂漂移移到到集集电电极极，空空穴穴漂漂移移到到基基极极，形形成成光光生生电
46、电压压，基基极极电电位位升高升高。发射结发射结发射结发射结集电结集电结集电结集电结B B B BE E E EC C C CN N N NN N N NP P P P基极基极基极基极发射极发射极发射极发射极集电极集电极集电极集电极n光光电三极管与光三极管与光电二极管相比，具有二极管相比，具有较高的高的输出光出光电流，但流，但线性差。性差。n线性差性差主要是由电流放大倍数主要是由电流放大倍数 的非线性所致的非线性所致n在大照度时，光敏三极管不能作线性转换元件，但可在大照度时，光敏三极管不能作线性转换元件，但可以作开关元件使用。以作开关元件使用。光电三极管的光照特性光电三极管的光照特性光敏三极管的
47、伏安特性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。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）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
48、度时曲线越来越密较均匀，在高照度时曲线越来越密硅光电三极管硅光电三极管硅光电二极管硅光电二极管 光敏三极管的温度特性光敏三极管的温度特性 光光电三极管三极管的光电流和的光电流和暗电流受温度影响比暗电流受温度影响比光光电二极管二极管大得多大得多 光敏三极管的（调制）频率特性光敏三极管的（调制）频率特性 光光敏敏三三极极管管的的频频率率特特性性受受负负载载电电阻阻的的影影响响，减减小小负负载载电电阻阻可可以以提高频率响应。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。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。 对对于于锗锗管管，入入射射光光的的调调制制频频率率要要求求在在500
49、0Hz以以下下，硅硅管管的的频频率响应要比锗管好。率响应要比锗管好。3.5 光电耦合器件光电耦合器件n定义：发光器件与光接受器件的组合器件。定义：发光器件与光接受器件的组合器件。n类型：类型：n光电耦合隔离器：在电路之间传递信息，又光电耦合隔离器：在电路之间传递信息，又能实现电路间的电气隔离和消除噪声。能实现电路间的电气隔离和消除噪声。n光传感器：用于检测物体的位置或物体有无的光传感器：用于检测物体的位置或物体有无的状态。状态。n发光器件：，灯等发光器件：，灯等光接受器件：光电二极管三极管，光电光接受器件：光电二极管三极管，光电池，光敏电阻。池，光敏电阻。 CCD （ChargeCoupled
50、Device）nCCD是一种电荷耦合器件(ChargeCoupledDevice)nCCD的突出特点：是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。nCCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移电荷的存储和电荷的转移。nCCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。CCDCCD的结构的结构nMOS 光敏元：构成光敏元：构成CCD的基本单元是的基本单元是MOS(金属金属氧氧化物化物半导体半导体)结构。结构。（型层）（型层）电极电极n在栅极加正偏压之前在栅极加正偏压之前，P型半导体中的空穴（多子）的分布是均匀的。型半导体中的空穴（多子）的分布是均匀的。n加正偏压后，空穴
51、被排斥而产生耗尽区，偏压增加，耗尽区向内延伸。加正偏压后，空穴被排斥而产生耗尽区，偏压增加，耗尽区向内延伸。n当当UG Uth时，半导体与绝缘体界面上的电势变得非常高，以致于将半导时，半导体与绝缘体界面上的电势变得非常高，以致于将半导体内的电子体内的电子(少子少子)吸引到表面，形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层。吸引到表面，形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层。n反型层电荷的存在表明了反型层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能。结构存储电荷的功能。电荷存储电荷存储电荷的转移（耦合）n主要由三部分组成：信号输入、电荷转移、信号输出。n输入部分：将信号电荷引入到的第一个转移栅极下的势阱中，称为电
52、荷注入。n电荷注入的方法主要有两类：光注入和电注入n电注入：用于滤波、延迟线和存储器等。通过输入二极管给输入栅电注入：用于滤波、延迟线和存储器等。通过输入二极管给输入栅极施加电压。极施加电压。n光注入：用于摄像机。用光敏元件代替输入二极管。当光照射光注入：用于摄像机。用光敏元件代替输入二极管。当光照射CCD硅片时，在栅极附近的半导体体内产生电子硅片时，在栅极附近的半导体体内产生电子空穴对，其多数载流空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。CCD的工作原理的工作原理P-Si输入栅输入二极管输出二极管输出
53、栅SiO2CCD的特点n体积小，功耗低，可靠性高，寿命长。n空间分辨率高，可以获得很高的定位精度和测量精度。n光电灵敏度高，动态范围大，红外敏感性强，信噪比高 。n高速扫描，基本上不保留残象(电子束摄象管有1520的残象)n集成度高n可用于非接触精密尺寸测量系统。n无像元烧伤、扭曲，不受电磁干扰。n有数字扫描能力。象元的位置可由数字代码确定，便于与计算机结合接口。CCD的特性参数的特性参数n像素数量，CCD尺寸，最低照度，信噪比等n像素数是指CCD上感光元件的数量。4444万万（768*576768*576）、）、100100万（万（1024*1024*10241024）、）、200200万万
54、（1600*12001600*1200）、）、600600万（万（2832*21282832*2128）n信噪比：典型值为典型值为46分贝分贝n感光范围 可见光（可见光CCD 、红外CCD） CCD按电荷存储的位置分有两种基本类型1、表面沟道CCD(简称SCCD) 电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输 。2、体沟道或埋沟道器件(简称BCCD) 电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输。CCDCCD的类型的类型CCD的类型n线阵：光敏元排列为一行的称为线阵，象元数从128位至5000位以至7000位不等，由于生产厂家象元数的不同，市场上有数十种型号的器件
55、可供选用。n面阵CCD：器件象元排列为一平面，它包含若干行和列的结合。n目前达到实用阶段的象元数由25万至数百万个不等，按照片子的尺寸不同有13英寸、l2英寸、23英寸以至1英寸之分。线阵线阵CCDCCD：一行，扫描；体积小，价格低；一行，扫描；体积小，价格低；面阵面阵CCD: CCD: 整幅图像；直观；价格高，体积大；整幅图像；直观；价格高，体积大；面阵面阵CCDCCD芯片芯片二相驱动视频输出行扫描发生器输出寄存器检波二极管二相驱动感光区沟阻P1 P2P3P1 P2P3P1 P2P3感光区存储区析像单元视频输出输出栅串行读出面型CCD图像传感器结构(a)(b)CCD器件器件的应用 1、小型化
56、黑白、彩色TV摄像机（面阵CCD应用最广泛的领域） 日本松下CDT型超小型CCD彩色摄像机，直径17mm，长48 mm，使用超小型镜头，重量54g，深受欢迎。典型TV用IS尺寸：79 mm2，480380像元。 2、传真通讯系统 用10242048像元的线阵CCD作传真机，可在不到一秒钟内完成A4开稿件的扫描。 3、光学字符识别 IS代替人眼，把字符变成电信号，进行数字化，然后用计算机识别。 重庆大学1985年的CD-1型OCR机，识别率达999 4、广播TV 用SSIS(Solid State Imaging Sensor固态图象传感器)代替光导摄像管。1986年柯达公司已推出140万素的I
57、S，尺寸79 mm2，比电视图象信号多4倍以上。5、工业检测与自动控制（机器视觉应用） 在钢铁、木材、纺织、粮食、医药、机械等领域 作零件尺寸的动态检测，产品质量、包装、形状识别、表面缺陷或粗糙度检测。 在自动控制方面，主要作计算机获取被控信息的手段。 还可作机器人视觉传感器。 6、可用于各种标本分析（如血细胞分析仪），眼球运动检测，X射线摄像，胃镜、肠镜摄像等。7、天文观测 天文摄像观 从卫星遥感地面 如：美国用5个2048位CCD拼接成10240位长取代125mm宽侦察胶卷，作地球卫星传感器。 航空遥感、卫星侦察 如：1985年欧洲空间局首次在SPOT卫星上使用大 型线阵CCD扫描，地面分辨率提高到10m。 军事上其他应用：微光夜视、导弹制导、目标跟踪、军用图象通信等。
