光电传感与检测器课件

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1、光电传感与检测技术光电传感与检测技术 第第3 3章章 半导体光电检测器件及应用半导体光电检测器件及应用光电传感与检测器课件第第第第 3 3 3 3 章章章章 半导体光电检测器半导体光电检测器半导体光电检测器半导体光电检测器件及应用件及应用件及应用件及应用主要内容：主要内容： 3.1 3.1 3.1 3.1 真空光电器件真空光电器件真空光电器件真空光电器件 光电阴极光电阴极光电阴极光电阴极、光电管、光电倍增管、光电管、光电倍增管、光电管、光电倍增管、光电管、光电倍增管、微通道板光电倍增管微通道板光电倍增管微通道板光电倍增管微通道板光电倍增管 3.2 3.2 3.2 3.2 光电导器件光电导器件光

2、电导器件光电导器件 光敏电阻光敏电阻光敏电阻光敏电阻 3.3 3.3 3.3 3.3 结型光电器件结型光电器件结型光电器件结型光电器件 光电池、光敏二极管、三极管、光电池、光敏二极管、三极管、光电池、光敏二极管、三极管、光电池、光敏二极管、三极管、 光电耦合器件、光电耦合器件、光电耦合器件、光电耦合器件、光电位置敏感器件光电位置敏感器件光电位置敏感器件光电位置敏感器件 电荷耦合器件电荷耦合器件电荷耦合器件电荷耦合器件 3.4 3.4 3.4 3.4 光热辐射检测器件光热辐射检测器件光热辐射检测器件光热辐射检测器件 光电传感与检测器课件 真空光电器件是基于外光电效应的光电探测器，它的真空光电器件

3、是基于外光电效应的光电探测器，它的结构特点是有一个结构特点是有一个真空管真空管和一个和一个光电阴极光电阴极，光电阴极和其，光电阴极和其它元件都放在真空管中。它元件都放在真空管中。 真空光电器件包括真空光电器件包括光电管光电管和和光电倍增管光电倍增管。 能够产生光电发射效应的物体称为光电发射体，光电能够产生光电发射效应的物体称为光电发射体，光电发射体在光电器件中常与阴极相联系故又称为光电阴极发射体在光电器件中常与阴极相联系故又称为光电阴极 。什么是光电阴极什么是光电阴极? 光电阴极的主要参数光电阴极的主要参数2.量子效率量子效率 3.光谱响应曲线光谱响应曲线 4.热电子发射热电子发射 1.灵敏度

4、灵敏度1 1 1 1 概述概述概述概述. . 真空光电器件真空光电器件光电传感与检测器课件光照灵敏度光照灵敏度色光灵敏度色光灵敏度光谱灵敏度光谱灵敏度（1）灵敏度）灵敏度 光照灵敏度光照灵敏度 在一定的在一定的白光白光照射下，光电阴极的光电流与入射的白光光照射下，光电阴极的光电流与入射的白光光通量之比，所以也称白光灵敏度或积分灵敏度。通量之比，所以也称白光灵敏度或积分灵敏度。 色光灵敏度色光灵敏度 就是局部波长范围的积分灵敏度。它表示在某些特定的波就是局部波长范围的积分灵敏度。它表示在某些特定的波长区域，阴极光电流与入射光的光通量之比。长区域，阴极光电流与入射光的光通量之比。 一般用插入不同的

5、滤光片来获得不同的光谱范围，滤光片一般用插入不同的滤光片来获得不同的光谱范围，滤光片的透射比不同的透射比不同(如上图如上图)，分别称为蓝光灵敏度、红光灵敏度及红，分别称为蓝光灵敏度、红光灵敏度及红外灵敏。外灵敏。 光谱灵敏度光谱灵敏度 确定波长的单色光照射时，光电阴极发出的光电流与入射确定波长的单色光照射时，光电阴极发出的光电流与入射的单色光通量之比。的单色光通量之比。色温色温2856K的钨的钨丝灯丝灯光电传感与检测器课件（2 2） 量子效率量子效率 阴极发射的光电子数阴极发射的光电子数 N Ne e ()()与入射的光子数与入射的光子数 N Np p ()()之比，称为量子效率之比，称为量子

6、效率: : Q () = N Q () = Ne e()/ N ()/ N p p()()光电阴极受特定波光电阴极受特定波长的光照射时，长的光照射时，（3） 光谱响应曲线光谱响应曲线 光电阴极的光谱灵敏度与入射光波长的关系曲线，称为光谱光电阴极的光谱灵敏度与入射光波长的关系曲线，称为光谱响应曲线。响应曲线。（4） 热电子发射热电子发射 光电阴极中有一些电子的热能有光电阴极中有一些电子的热能有可能大于光电阴极逸出功，可能大于光电阴极逸出功， 热电子发射会引起噪声。热电子发射会引起噪声。因而可产生因而可产生热电子发射热电子发射室温下典型光电阴极每秒每平方厘室温下典型光电阴极每秒每平方厘米发射的热电

7、子相当于米发射的热电子相当于l0-16 10-17A/cm2的电流密度。的电流密度。光电传感与检测器课件光光电阴极一般分阴极一般分为透射型透射型与与反射型反射型两种：两种： 不透明阴极通常较厚，不透明阴极通常较厚，光照射到阴极上，光电子从光照射到阴极上，光电子从同一面发射出来，所以不透同一面发射出来，所以不透明光电阴极又称为明光电阴极又称为反射型阴极反射型阴极 透射型阴极通常制作在透明介透射型阴极通常制作在透明介质上，光通过透明介质后入射到质上，光通过透明介质后入射到光电阴极上。光电阴极上。 光电子则从光电阴极的另一边光电子则从光电阴极的另一边发射出来，所以透射型阴极又称发射出来，所以透射型阴

8、极又称为为半透明光电阴极。半透明光电阴极。 光电子的逸出深度是有限光电子的逸出深度是有限的，因此，所有半透明光电的，因此，所有半透明光电阴极都有一个阴极都有一个最佳厚度最佳厚度。2 2 2 2光电阴极光电阴极光电阴极光电阴极光电传感与检测器课件 Ag-O-Cs具有良好的可见和近红外响应。具有良好的可见和近红外响应。 透射型光谱响应透射型光谱响应: 300nm到到1200nm， 反射型光谱响应反射型光谱响应: 300m到到1100nm。 Ag-O-Cs光电阴极主要应用于近红外探测。光电阴极主要应用于近红外探测。 单碱锑化合物单碱锑化合物(PEA) 以金属锑以金属锑Sb与碱金属如锂、钠、钾、铯中的

9、一种构成的化合物，与碱金属如锂、钠、钾、铯中的一种构成的化合物， 都都是能形成具有稳定光电发射的发射材料，是能形成具有稳定光电发射的发射材料， CsSb最为常用，在紫外和可见光最为常用，在紫外和可见光区的灵敏度最高。区的灵敏度最高。 碱锑化合物碱锑化合物(PEA) 是指锑是指锑Sb和几种碱金属形成的化合物，包括双碱锑材料和几种碱金属形成的化合物，包括双碱锑材料Sb-Na-K、Sb-K-Cs和三碱锑材料和三碱锑材料Sb-Na-K-Cs等，等，Sb-Na-K-Cs是最实用的光电阴极是最实用的光电阴极材料，具有高灵敏度和宽光谱响应，其红外端可延伸到材料，具有高灵敏度和宽光谱响应，其红外端可延伸到93

10、0nm。 负电子亲合能材料负电子亲合能材料(NEA) 它们的真空能级降到导带之下，从而使有效的电子亲和势变为负值，它们的真空能级降到导带之下，从而使有效的电子亲和势变为负值， 这种材料称作负电子亲和势光电阴极材料。这种材料称作负电子亲和势光电阴极材料。常用光电阴极材料：常用光电阴极材料：光电传感与检测器课件 在某些应用中，要求光电阴极材料只对所探测的紫外辐射灵敏，对可见在某些应用中，要求光电阴极材料只对所探测的紫外辐射灵敏，对可见光无响应。这种材料通常称为光无响应。这种材料通常称为“日盲日盲”型光电阴极材料，也称紫外光电阴极型光电阴极材料，也称紫外光电阴极材料。材料。 目前实用的紫外光电阴极碲

11、化铯目前实用的紫外光电阴极碲化铯(CsTe)和碘化铯和碘化铯(Csl)两种。两种。 长波限为长波限为0.32m长波限为长波限为0.2m负电子亲和势负电子亲和势材料制作的光电阴极与材料制作的光电阴极与正电子亲和势正电子亲和势材料光电阴极相比材料光电阴极相比a 量量子效率高子效率高 b 光谱响应率均匀光谱响应率均匀 c 热电子发射小热电子发射小 d 光电子的能量集中光电子的能量集中 具有以下四点特点：具有以下四点特点：真空能级位于导带真空能级位于导带之上之上 表面区域能带弯曲，真空表面区域能带弯曲，真空能级降到导带之下能级降到导带之下 紫外光电阴极材料紫外光电阴极材料光电传感与检测器课件 光电管是

12、一个抽真空或充惰性气体的玻璃管，内部光电管是一个抽真空或充惰性气体的玻璃管，内部有光阴极、阳极，光阴极涂有光敏材料，当光线照射在有光阴极、阳极，光阴极涂有光敏材料，当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量光敏材料上时，如果光子的能量E E大于电子的逸出功大于电子的逸出功A A（E EA A），会有电子逸出产生电子发射。电子被带有正），会有电子逸出产生电子发射。电子被带有正电的阳极吸引，在光电管内形成电子流，电流在回路电电的阳极吸引，在光电管内形成电子流，电流在回路电阻阻 R R上产生正比于电流大小的压降。上产生正比于电流大小的压降。入射光的频谱成分不变时，产生的光电子与光强成正比入射光的频谱成

13、分不变时，产生的光电子与光强成正比 3 3 3 3 光电管光电管光电管光电管光电传感与检测器课件主要用于：分光光度计、主要用于：分光光度计、 光电比色计等分析仪器光电比色计等分析仪器 和各种自动装置和各种自动装置 。光电传感与检测器课件光电管主要由玻壳（光窗）、光电管主要由玻壳（光窗）、光电阴极和阳极三部分组成光电阴极和阳极三部分组成光电管内可以抽成真空也可光电管内可以抽成真空也可以充入低压惰性气体，以充入低压惰性气体， 所以所以有真空型和充气型两种。有真空型和充气型两种。光电传感与检测器课件 (a)侧窗式 (b)端窗式图5-7 光电倍增管类型4 4 光电倍增管光电倍增管 光照很弱时，光电管产

14、生的电流很小，为提高灵敏度常光照很弱时，光电管产生的电流很小，为提高灵敏度常常使用光电倍增管。如核仪器中闪烁探测器都使用的是光常使用光电倍增管。如核仪器中闪烁探测器都使用的是光电倍增管做光电转换元件。电倍增管做光电转换元件。 光电倍增管是在光电管的基础上研制出来的一种真空光光电倍增管是在光电管的基础上研制出来的一种真空光电器件，在结构上增加了电子光学系统和电子倍增极，因电器件，在结构上增加了电子光学系统和电子倍增极，因此极大的提高了检测灵敏度。此极大的提高了检测灵敏度。光电倍增管是利用二次电子释放效应，高速电子撞击固体光电倍增管是利用二次电子释放效应，高速电子撞击固体表面，发出二次电子，将光电

15、流在管内进行放大。表面，发出二次电子，将光电流在管内进行放大。光电传感与检测器课件 (a)侧窗式 (b)端窗式图5-7 光电倍增管类型 光电倍增管主要由入射窗口、光电阴极、电子光学系统、光电倍增管主要由入射窗口、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极五个主要部分组成。电子倍增系统和阳极五个主要部分组成。（1 1）光电倍增管的结构）光电倍增管的结构光电传感与检测器课件 (a)侧窗式 (b)端窗式图5-7 光电倍增管类型（）窗口形式）窗口形式光窗通常有光窗通常有侧窗侧窗和和端窗端窗两种两种 侧窗端窗 入射窗口入射窗口光电传感与检测器课件（） 常用的窗口材料常用的窗口材料 PMT常用的窗口材料常

16、用的窗口材料硼硅玻璃硼硅玻璃透紫外玻璃透紫外玻璃熔融石英熔融石英蓝宝石蓝宝石MgF2硼硅玻璃硼硅玻璃 透射范围从透射范围从300nm300nm到红外到红外 透紫外玻璃透紫外玻璃优点是紫外短波透射截止波长可延伸到优点是紫外短波透射截止波长可延伸到185nm185nm 熔融石英熔融石英（熔融二氧化硅）的优点是在远紫外区有相当好的熔融二氧化硅）的优点是在远紫外区有相当好的 透过率，短波截止波长可达到透过率，短波截止波长可达到160nm160nm 蓝宝石蓝宝石是一种是一种AlAl2 2O O3 3晶体，它的特点是紫外透过率处于熔融晶体，它的特点是紫外透过率处于熔融 石英和透紫外玻璃之间，但紫外截止波长

17、比石英玻石英和透紫外玻璃之间，但紫外截止波长比石英玻 璃还要短，可以达到璃还要短，可以达到150nm150nm。 MgF2MgF2 短波透射波长可到短波透射波长可到115nm115nm 光电传感与检测器课件 电子光学系统电子光学系统是指阴极到倍增系统第一倍增极之间的电极是指阴极到倍增系统第一倍增极之间的电极空间，其中包括光电阴极、聚焦极、加速极及第一倍增极。空间，其中包括光电阴极、聚焦极、加速极及第一倍增极。 电子光学系统的主要作用有两点：电子光学系统的主要作用有两点：（) 使阴极面上各处发射的光电子在电子光学系统中渡越的时使阴极面上各处发射的光电子在电子光学系统中渡越的时 间尽可能相等，这样

18、可以保证光电倍增管的快速响应，间尽可能相等，这样可以保证光电倍增管的快速响应， 通常用通常用渡越时间离散性渡越时间离散性表示表示。 电子光学系统电子光学系统 () ()使光电阴极发射的光电子尽可能全部汇聚到第一倍增使光电阴极发射的光电子尽可能全部汇聚到第一倍增 极上，而将其他部分的杂散热电子散射掉，提高信极上，而将其他部分的杂散热电子散射掉，提高信 噪比，倍增极收集电子的能力通常用噪比，倍增极收集电子的能力通常用电子收集率电子收集率表示。表示。光电传感与检测器课件 倍增系统是由许多倍增极组成，每个倍增极都是由二次电倍增系统是由许多倍增极组成，每个倍增极都是由二次电子倍增材料构成的，具有使一次电

19、子倍增的能力。倍增系统决子倍增材料构成的，具有使一次电子倍增的能力。倍增系统决定整管灵敏度。定整管灵敏度。() 二次电子发射原理二次电子发射原理 把二次发射的电子数把二次发射的电子数N2与入射的一次电子数与入射的一次电子数Nl的比值定义的比值定义为该材料的为该材料的二次发射系数：二次发射系数： 电子倍增极电子倍增极二次电子发射过程三个阶段：二次电子发射过程三个阶段： (a) (a) 材料吸收一次电子的能量，激发体内电子到高能态，材料吸收一次电子的能量，激发体内电子到高能态， 这些受激电子称为内二次电子；这些受激电子称为内二次电子； (b) (b) 内二次电子中初速指向表面的那一部分向表面运动；

20、内二次电子中初速指向表面的那一部分向表面运动； (c) (c) 到达界面的内二次电子中能量大于表面势垒的电子发到达界面的内二次电子中能量大于表面势垒的电子发 射到真空中，成为二次电子。射到真空中，成为二次电子。光电传感与检测器课件 (a)(a) 银氧铯和锑铯两种化合物，灵敏的光电发射体银氧铯和锑铯两种化合物，灵敏的光电发射体和和 良好的二次电子发射体。良好的二次电子发射体。(b)(b) 氧化物型氧化物型: 氧化镁、氧化钡等氧化镁、氧化钡等。(c)(c) 合金型合金型: 银镁、铝镁、铜镁、镍镁、铜铍等合银镁、铝镁、铜镁、镍镁、铜铍等合金。金。(d)(d)负电子亲合势材料负电子亲合势材料: 铯激活

21、的磷化镓等。铯激活的磷化镓等。（）倍增极材料）倍增极材料 ( (大致可分以下四类大致可分以下四类) )光电传感与检测器课件 光电倍增管中的倍增极一般由几级到十五级组光电倍增管中的倍增极一般由几级到十五级组成。根据电子的轨迹又可分为成。根据电子的轨迹又可分为聚焦型聚焦型和和非聚焦型非聚焦型两两大类。大类。 所谓聚焦不是指使电子束会聚于一点，而是指所谓聚焦不是指使电子束会聚于一点，而是指电子从前一级倍增极飞向后一级倍增极时，在两电电子从前一级倍增极飞向后一级倍增极时，在两电极间的电子运动轨迹，可能有交叉。极间的电子运动轨迹，可能有交叉。 非聚焦则是指在两电极间的电子运动轨迹是平非聚焦则是指在两电极

22、间的电子运动轨迹是平行的。行的。 （ ） 倍增极结构倍增极结构光电传感与检测器课件（a）鼠笼式 (b) 盒栅式 (c) 直线聚焦型 (d) 百叶窗式 (e) 近贴撮网式 (f) 微通道板式倍增极结构形式倍增极结构形式:光电传感与检测器课件光电倍增管的性能不仅取决于倍增极的结构类型，光电倍增管的性能不仅取决于倍增极的结构类型，还取决于光电阴极尺寸和聚焦系统。还取决于光电阴极尺寸和聚焦系统。 磁场平行于管轴方向。下表为六种倍增极结构的端窗式光电倍增管的典型指标的比较。下表为六种倍增极结构的端窗式光电倍增管的典型指标的比较。光电传感与检测器课件 阳极的作用是收集从阳极的作用是收集从末级倍增极末级倍增

23、极发射出的二发射出的二次电子。最简单常用的阳极是栅状阳极。栅状阳次电子。最简单常用的阳极是栅状阳极。栅状阳极的输出电容小，阳极附近也不易产生空间电荷极的输出电容小，阳极附近也不易产生空间电荷效应。效应。 阳极阳极 光电传感与检测器课件如右图所示：如右图所示：（2 2）光电倍增管的工作原理）光电倍增管的工作原理( ( ) ) 光子透过入射窗口入射在光电阴极光子透过入射窗口入射在光电阴极K K上；上；( () ) 光电阴极受光照激发，表面发射光电子；光电阴极受光照激发，表面发射光电子；( ( ) ) 光电子被电子光学系统加速和聚焦后入射到第光电子被电子光学系统加速和聚焦后入射到第 一一 倍增极倍增

24、极 1 1上，倍增极将发射出比入射电子数目更多的二次电子。上，倍增极将发射出比入射电子数目更多的二次电子。 入射电子经入射电子经N N级倍增极倍增后，光电子数就放大级倍增极倍增后，光电子数就放大N N次。次。( () ) 经过倍增后的二次电子由阳极收集起来，形成阳极光电经过倍增后的二次电子由阳极收集起来，形成阳极光电 流流I I，在负载，在负载上产生信号电压上产生信号电压0 0。光电传感与检测器课件 为了使光电子能有效地被各倍增极电极收集并为了使光电子能有效地被各倍增极电极收集并倍增，倍增，阴极与第一倍增极阴极与第一倍增极、各倍增极之间各倍增极之间以及以及末级末级倍增极与阳极倍增极与阳极之间都

25、必须施加一定的电压。最普通之间都必须施加一定的电压。最普通的形式是在阴极和阳极之间加上适当的高压，阴极的形式是在阴极和阳极之间加上适当的高压，阴极接负，阳极接正，外部并接一系列电阻，使各电极接负，阳极接正，外部并接一系列电阻，使各电极之间获得一定的分压，如图所示之间获得一定的分压，如图所示 。光电传感与检测器课件几种光电倍增管的外形几种光电倍增管的外形 光电传感与检测器课件（3 3）光电倍增管的主要特性参数）光电倍增管的主要特性参数灵敏度灵敏度 灵敏度是衡量光电倍增管探测光信号能灵敏度是衡量光电倍增管探测光信号能 力的一力的一 个重要参数个重要参数 .( ( ) ) 光谱响应灵敏度光谱响应灵敏

26、度 阴极的光谱灵敏度取决于光电阴极和窗口的材料性质。阴极的光谱灵敏度取决于光电阴极和窗口的材料性质。阳极的光谱灵敏度等于阴极的光谱灵敏度与光电倍增管放大阳极的光谱灵敏度等于阴极的光谱灵敏度与光电倍增管放大系数的乘积，而其光谱响应曲线基本上与阴极的相同。系数的乘积，而其光谱响应曲线基本上与阴极的相同。光电传感与检测器课件()阴极灵敏度阴极灵敏度 阴极的光照灵敏度定义为阴极的光照灵敏度定义为光阴极产生的光电流与入射光阴极产生的光电流与入射到它上面的光通量之比，即到它上面的光通量之比，即 ()阳极灵敏度阳极灵敏度 阳极光照灵敏度表示阳极光照灵敏度表示光电倍增管在接收分布温度为光电倍增管在接收分布温度

27、为2856K的光辐射时阳极输出信号电流与入射到阴极上的光通量之的光辐射时阳极输出信号电流与入射到阴极上的光通量之比比，即，即 与阴极灵敏度相对应，阳极灵敏度也有蓝光灵敏度、红光灵与阴极灵敏度相对应，阳极灵敏度也有蓝光灵敏度、红光灵敏度及单色灵敏度。敏度及单色灵敏度。 光电传感与检测器课件光电倍增管倍增极的光电倍增管倍增极的二次电子发射系数二次电子发射系数，是倍增极间是倍增极间电压的函数，有以下关系电压的函数，有以下关系是常数；是常数；k值与倍增极的材料和结构有关，一般为值与倍增极的材料和结构有关，一般为0.70.8。那么放大倍数与光电倍增管所加电压那么放大倍数与光电倍增管所加电压U的关系为的关

28、系为 其中：其中：注意：从上式可知，光电倍增管的放大倍数和阳极输出注意：从上式可知，光电倍增管的放大倍数和阳极输出电流随所加电压的电流随所加电压的 KN次方指数变化。次方指数变化。电流放大倍数电流放大倍数光电传感与检测器课件光电倍增管的暗电流是指在施加规定的电压后，在无光照光电倍增管的暗电流是指在施加规定的电压后，在无光照情况下测定的阳极电流。暗电流决定了光电倍增管的极限灵敏情况下测定的阳极电流。暗电流决定了光电倍增管的极限灵敏度。度。 暗电流来源可归纳为三类：暗电流来源可归纳为三类：阴极或其他零件的热发射、极间欧姆漏电、残余气体以及场致阴极或其他零件的热发射、极间欧姆漏电、残余气体以及场致发

29、射等的再生效应。发射等的再生效应。()热电子发射是光电倍增管暗电流的主要部分。热电子发射是光电倍增管暗电流的主要部分。 ()欧姆漏电是指光电倍增管内支撑电极的绝缘体欧姆漏电是指光电倍增管内支撑电极的绝缘体(如玻如玻 璃芯柱、陶瓷片、塑料管基等璃芯柱、陶瓷片、塑料管基等)在高电压下的漏电流。在高电压下的漏电流。 ()当光电倍增管的工作电压很高时，电极尖端的场致当光电倍增管的工作电压很高时，电极尖端的场致 发射和残余气体离子发射可能在高电压下产生。发射和残余气体离子发射可能在高电压下产生。 。暗电流暗电流光电传感与检测器课件暗电流的产生与电源电压有密切关系，如下图所示暗电流的产生与电源电压有密切关

30、系，如下图所示 在低电压时，暗电流由漏在低电压时，暗电流由漏电流决定；电流决定； 电压较高时，主要是热电电压较高时，主要是热电子发射；子发射；电压再大，则导致场致发电压再大，则导致场致发射和残余气体离子发射，使暗射和残余气体离子发射，使暗电流急剧增加，甚至可能发生电流急剧增加，甚至可能发生自持放电。自持放电。 实际使用中，为了得到比实际使用中，为了得到比较高的信噪比较高的信噪比S/N，所加的电，所加的电源电压必须适当。源电压必须适当。一般工一般工作在图作在图的的b段段光电传感与检测器课件光电倍增管的噪声主要有光电器件本身的光电倍增管的噪声主要有光电器件本身的散粒噪声和热噪散粒噪声和热噪声、负载

31、电阻的热噪声、光电阴极和倍增极发射时的闪烁噪声声、负载电阻的热噪声、光电阴极和倍增极发射时的闪烁噪声等等。散粒噪声中一大部分是暗电流被倍增引起的。散粒噪声中一大部分是暗电流被倍增引起的。 减小噪声和暗电流的常用有效方法是减小噪声和暗电流的常用有效方法是制冷制冷。制冷对降低其。制冷对降低其它光电器件的噪声也很有效。它光电器件的噪声也很有效。光电倍增管具有很宽的动态范围，能够在很大光强变化范光电倍增管具有很宽的动态范围，能够在很大光强变化范围内保持线性。但如果入射光强过大，输出信号电流就会偏围内保持线性。但如果入射光强过大，输出信号电流就会偏离理想的线性。离理想的线性。 噪声噪声 线性线性 光电传

32、感与检测器课件光电倍增管的稳定性是指在恒定光照情况下，阳极电流光电倍增管的稳定性是指在恒定光照情况下，阳极电流随时间的变化。光电倍增管的稳定性与工作电流、极间电压、随时间的变化。光电倍增管的稳定性与工作电流、极间电压、运行时间、环境条件和光照情况等许多因素有关。运行时间、环境条件和光照情况等许多因素有关。 当入射光或者所加电压以阶跃函数变化时，光电倍增管当入射光或者所加电压以阶跃函数变化时，光电倍增管并不能输出完全相同的阶跃函数信号，这种现象称为并不能输出完全相同的阶跃函数信号，这种现象称为“滞后滞后”。 滞后效应滞后效应主要由于电子偏离设计的轨迹以及倍增极的主要由于电子偏离设计的轨迹以及倍增

33、极的陶瓷支架和玻壳等静电作用引起的。陶瓷支架和玻壳等静电作用引起的。 稳定性稳定性 滞后效应滞后效应光电传感与检测器课件 ()当入射光通量一定时，当入射光通量一定时，阴极光电流阴极光电流与与阴极和第一倍增极阴极和第一倍增极之间电压之间电压(简称为阴极电压简称为阴极电压UK)的关系称为的关系称为阴极伏安特性阴极伏安特性， 下图为不同光通量下测得的阴极伏安特性。从图可见，当下图为不同光通量下测得的阴极伏安特性。从图可见，当阴极电压大于一定值阴极电压大于一定值(几十伏几十伏)后，阴极电流开始趋向饱和，饱后，阴极电流开始趋向饱和，饱和电流与入射光通量和电流与入射光通量成线性关系。成线性关系。 伏安特性

34、伏安特性光电传感与检测器课件 ()当入射光通量一定时，当入射光通量一定时，阳极电流阳极电流与与最后一级倍增极和阳极之最后一级倍增极和阳极之间电压间电压(简称阳极电压简称阳极电压UP)的关系称为的关系称为阳极伏安特性阳极伏安特性，下图为不同，下图为不同光通量下测得的阳极伏安特性。光通量下测得的阳极伏安特性。图中，当阳极电压大于一定值后阳极电流趋向饱和，与入射图中，当阳极电压大于一定值后阳极电流趋向饱和，与入射到阴极面上的光通量到阴极面上的光通量成线性关系。成线性关系。 光电传感与检测器课件光电倍增管的时间响应主要是由从光阴极发射光电子、经光电倍增管的时间响应主要是由从光阴极发射光电子、经过倍增极

35、放大到达阳极的渡越时间，以及由每个光电子之间的过倍增极放大到达阳极的渡越时间，以及由每个光电子之间的渡越时间差决定的。渡越时间差决定的。 光电倍增管的时间响应通常用阳极输出脉冲的上升、下光电倍增管的时间响应通常用阳极输出脉冲的上升、下降时间、电子的渡越时间来表示。降时间、电子的渡越时间来表示。 几乎所有的光电倍增管都会受到周围环境磁场的影响。几乎所有的光电倍增管都会受到周围环境磁场的影响。磁场会使本来由静电场确定的电子轨迹产生偏移。磁场会使本来由静电场确定的电子轨迹产生偏移。 这种现象在阴极到第一倍增极区域最为明显，因为在这这种现象在阴极到第一倍增极区域最为明显，因为在这一区域，电子路径最大。

36、在磁场的作用下电子运动偏离正常一区域，电子路径最大。在磁场的作用下电子运动偏离正常轨迹，引起光电倍增管灵敏度下降，噪声增加。轨迹，引起光电倍增管灵敏度下降，噪声增加。 目前由于分别采用了近贴栅网和微通道板代替普通的倍目前由于分别采用了近贴栅网和微通道板代替普通的倍增极结构，这些类型的光电倍增管抗磁场干扰能力得到很大增极结构，这些类型的光电倍增管抗磁场干扰能力得到很大的加强，故可在强磁场强度的环境中使用。的加强，故可在强磁场强度的环境中使用。 时间特性时间特性 磁场特性磁场特性 光电传感与检测器课件 （）光电倍增管的供电电路（）光电倍增管的供电电路 为了使光电倍增管能正常工作，通常在阴极为了使光

37、电倍增管能正常工作，通常在阴极（K）和阳极（）和阳极（P）之间加上近千伏的高压。为保）之间加上近千伏的高压。为保证光电子能被有效地收集，光电流通过倍增系统证光电子能被有效地收集，光电流通过倍增系统能得到有效放大，还需将高压在阴极、聚焦极、能得到有效放大，还需将高压在阴极、聚焦极、倍增极和阳极之间按一定规律进行分配。倍增极和阳极之间按一定规律进行分配。光电传感与检测器课件 高压电源高压电源 光电倍增管必修工作在高压状态下，在精密的光辐射测光电倍增管必修工作在高压状态下，在精密的光辐射测量中，通常要求电源电压的稳定度达到量中，通常要求电源电压的稳定度达到0.010.05。 目前，光电倍增管常用一种

38、体积小巧的高压电源模块，目前，光电倍增管常用一种体积小巧的高压电源模块，如左下图左所示。输入直流电压一般为如左下图左所示。输入直流电压一般为+15伏，可获得上千伏伏，可获得上千伏的负高压输出，电压稳定度为的负高压输出，电压稳定度为0.02%0.05%。调节控制端的。调节控制端的电阻或电压值，输出的电压可以在电阻或电压值，输出的电压可以在-200伏至伏至-1200伏之间变化，伏之间变化，如下图右所示。可变电阻一般为如下图右所示。可变电阻一般为10 k的精密电阻。的精密电阻。光电传感与检测器课件( )高压分压电路的必要性高压分压电路的必要性 光电倍增管工作时，需要在阴极和阳极之间加上光电倍增管工作

39、时，需要在阴极和阳极之间加上5001000V的高压。该电压将以适当的比例分配给聚焦极、倍增极的高压。该电压将以适当的比例分配给聚焦极、倍增极和阳极，保证光电子能被有效地收集，光电流通过倍增系统和阳极，保证光电子能被有效地收集，光电流通过倍增系统得到放大。得到放大。 实际应用中各极间的电压都是由连接于阳极与阴极之间实际应用中各极间的电压都是由连接于阳极与阴极之间的分压电阻所提供的，这一电路被称为高压分压电路。的分压电阻所提供的，这一电路被称为高压分压电路。 高压分压电路高压分压电路光电传感与检测器课件() 高压分压电路的接地方式高压分压电路的接地方式 如下图所示，多数情况下采用阳极接地、阴极接负

40、高压方如下图所示，多数情况下采用阳极接地、阴极接负高压方式。此方案消除了外部电路与阳极之间的电压差，便于式。此方案消除了外部电路与阳极之间的电压差，便于电流计电流计或或电流电流电压转换运算放大器电压转换运算放大器直接与光电倍增管相连接。直接与光电倍增管相连接。光电传感与检测器课件阳极接地带来的问题：阳极接地带来的问题：由于靠近管子玻壳的金属支架或磁屏蔽筒接地，它们与阴由于靠近管子玻壳的金属支架或磁屏蔽筒接地，它们与阴极和倍增极之间存在比较高的电位差，结果使某些光电子打极和倍增极之间存在比较高的电位差，结果使某些光电子打到玻壳上产生噪声；到玻壳上产生噪声；如果靠近光电阴极的端面或玻壳接地，具有高

41、负电位的阴如果靠近光电阴极的端面或玻壳接地，具有高负电位的阴极与地之间就会产生漏电流。极与地之间就会产生漏电流。阴极接地：阴极接地：使用耐高压的耦合电容来输出信号，也可将外部信号电路使用耐高压的耦合电容来输出信号，也可将外部信号电路与阳极高压电源隔开。与阳极高压电源隔开。只适用于交流或脉冲信号测量系统只适用于交流或脉冲信号测量系统。光电传感与检测器课件 流经分压电路的电流被称为分压电流，该电流与光电倍增管流经分压电路的电流被称为分压电流，该电流与光电倍增管输出电流有着密切关系。输出电流有着密切关系。分压电流约等于供电电压除以各分压电分压电流约等于供电电压除以各分压电阻阻值的和。阻阻值的和。无论

42、是阳极还是阴极接地，无论是直流还是脉冲信无论是阳极还是阴极接地，无论是直流还是脉冲信号工作，当入射到光电倍增管光阴极的光通量增加时，输出电流号工作，当入射到光电倍增管光阴极的光通量增加时，输出电流也随着相应增加。如下图所示，入射光通量与阳极电流的理想的也随着相应增加。如下图所示，入射光通量与阳极电流的理想的线性关系从一个特定的电流值（线性关系从一个特定的电流值（B段）开始发生变化，并最终使段）开始发生变化，并最终使光电倍增管的输出饱和（光电倍增管的输出饱和（C段）。段）。 分压电流与阳极输出电流的线性关系分压电流与阳极输出电流的线性关系光电传感与检测器课件 用负载电阻实现电流用负载电阻实现电流

43、-电压转换电压转换 电路的负载电阻为RL光电倍增管阳极与包含诸如光电倍增管阳极与包含诸如导线电容导线电容、杂散电容杂散电容在内的在内的其它各极间的总电容为其它各极间的总电容为Cs，那么截止频率可以由下面的等式，那么截止频率可以由下面的等式给出给出： （5 5）光电倍增管的信号输出电路）光电倍增管的信号输出电路光电传感与检测器课件 选择负载电阻时要注意三点：选择负载电阻时要注意三点： (1)在频响要求比较高的场合，负载电阻应尽可能小一些。在频响要求比较高的场合，负载电阻应尽可能小一些。 (2)当输出信号的线性度要求较高时，选择的负载电阻应当输出信号的线性度要求较高时，选择的负载电阻应使信号电流在

44、它上面产生的压降在几伏以下。使信号电流在它上面产生的压降在几伏以下。 (3)负载电阻应比放大器的输入阻抗小得多。负载电阻应比放大器的输入阻抗小得多。光电传感与检测器课件下图为一个由运算放大器构成的电流下图为一个由运算放大器构成的电流电压转换电路。电压转换电路。 用运算放大器实现电流用运算放大器实现电流-电压转换电压转换光电传感与检测器课件 如果用微通道板代替一般光电倍增管中的电子倍增器，就如果用微通道板代替一般光电倍增管中的电子倍增器，就构成微通道板光电倍增管。这种光电倍增管尺寸大为缩小，电子构成微通道板光电倍增管。这种光电倍增管尺寸大为缩小，电子渡越时间很短，阳极电流的上升时间几乎降低了一个

45、数量级，有渡越时间很短，阳极电流的上升时间几乎降低了一个数量级，有可能响应更窄的脉冲或更高频率的辐射。可能响应更窄的脉冲或更高频率的辐射。 5 微通道板光电倍增管微通道板光电倍增管 如图所示，如图所示，微通道是一根根很细的玻璃管微通道是一根根很细的玻璃管。它的内壁镀有高。它的内壁镀有高阻的二次发射材料，施加高电压后内壁将出现电位梯度，光电阴极阻的二次发射材料，施加高电压后内壁将出现电位梯度，光电阴极发出的一次电子轰击微通道的一端，发射出的二次电子因电场加速发出的一次电子轰击微通道的一端，发射出的二次电子因电场加速而轰击另一处，再发射二次电子，这样连续多次发射二次电子，可而轰击另一处，再发射二次

46、电子，这样连续多次发射二次电子，可获得约获得约104的增益。的增益。微通道板微通道板是由成千上万根直径为是由成千上万根直径为151540m40mm、长度为、长度为0.60.61.6m1.6mm的微通道排成的二维列阵，如右上图所示，的微通道排成的二维列阵，如右上图所示，简称简称MMCP。光电传感与检测器课件 为了获得较高的增益，通道的长度不能太长。由于通道中为了获得较高的增益，通道的长度不能太长。由于通道中存在残余离子，这些正离子与电子的移动方向相反，撞击管壁存在残余离子，这些正离子与电子的移动方向相反，撞击管壁时将释放出更多的二次电子，有可能产生雪崩击穿；或者在负时将释放出更多的二次电子，有可

47、能产生雪崩击穿；或者在负端离开通道，破坏光电阴极。所以一般将通道制成端离开通道，破坏光电阴极。所以一般将通道制成人字形或人字形或z形形的折线通道的折线通道，以减小离子自由飞行的路程，和由离子轰击发射，以减小离子自由飞行的路程，和由离子轰击发射的二次电子。带有两个串联的的二次电子。带有两个串联的MCP光电倍增管的基本电路如下光电倍增管的基本电路如下图所示图所示 光电传感与检测器课件 光电倍增管的使用光电倍增管的使用 阳极电流要小于阳极电流要小于l Al A，以减缓疲劳和老化效应。，以减缓疲劳和老化效应。 分压器中流过的电流应大于阳极最大电流的分压器中流过的电流应大于阳极最大电流的10001000

48、 倍，但是不应过分加大，以免发热。倍，但是不应过分加大，以免发热。 高压电源的稳定性必须达到测量精度的高压电源的稳定性必须达到测量精度的1010倍以上。倍以上。 电压的纹波系数一般应小于电压的纹波系数一般应小于0.001%0.001%。 阴极和第一倍增极之间、末级倍增极和阳极之间的阴极和第一倍增极之间、末级倍增极和阳极之间的 级间电压应设计得与总电压无关。级间电压应设计得与总电压无关。 用运算放大器作光电倍增管输出信号的电流电压变用运算放大器作光电倍增管输出信号的电流电压变 换，可获好的信噪比和线性度。换，可获好的信噪比和线性度。 电磁屏蔽时最好使屏蔽筒与阴极处于相同电位。电磁屏蔽时最好使屏蔽

49、筒与阴极处于相同电位。（）正确使用光电倍增管，应该注意：（）正确使用光电倍增管，应该注意：光电传感与检测器课件 光电倍增管使用前应接通高压电源，在黑暗中放光电倍增管使用前应接通高压电源，在黑暗中放 置几小时。不用时应贮存在黑暗中。置几小时。不用时应贮存在黑暗中。 光电倍增管的冷却温度一般取光电倍增管的冷却温度一般取-20-20。 在光电阴极前放置优质的漫射器，可减少因阴极在光电阴极前放置优质的漫射器，可减少因阴极 区域灵敏度不同而产生的误差。区域灵敏度不同而产生的误差。 光电倍增管不能在有氦气的环境中使用，因为它光电倍增管不能在有氦气的环境中使用，因为它 会渗透到玻壳内而引起噪声。会渗透到玻壳

50、内而引起噪声。 光电倍增管使用前应让其自然老化数年，已获得光电倍增管使用前应让其自然老化数年，已获得 良好的稳定性。良好的稳定性。 光电倍增管参数的离散性很大，要获得确切的参光电倍增管参数的离散性很大，要获得确切的参 数，只能逐个测定。数，只能逐个测定。 光电传感与检测器课件光谱测量光谱测量极微弱光信号的探测极微弱光信号的探测光子计数光子计数射线的探测射线的探测光电倍增管的应用光电倍增管的应用（）光电倍增管典型应用领域：（）光电倍增管典型应用领域： 光电倍增管具有灵敏度高和响应迅速等特点，光电倍增管具有灵敏度高和响应迅速等特点，目前它仍然是最常用的光电探测器之一，而且在许目前它仍然是最常用的光

51、电探测器之一，而且在许多场合还是唯一适用的光电探测器多场合还是唯一适用的光电探测器 。光电传感与检测器课件 光谱测量光谱测量由于光电倍增管的放大倍数很高，所以常用来进行光子由于光电倍增管的放大倍数很高，所以常用来进行光子计数。但是当测量的光照微弱到一定的水平时，由于探测器计数。但是当测量的光照微弱到一定的水平时，由于探测器本身的背景噪声本身的背景噪声( (热噪声、散粒噪声等热噪声、散粒噪声等) )而给测量带来很大的而给测量带来很大的困难。困难。 光电倍增管可用来测量光源在某个波长范围内的辐光电倍增管可用来测量光源在某个波长范围内的辐射功率。它在元素的成分鉴定、各种化学分析和冶金学分射功率。它在

52、元素的成分鉴定、各种化学分析和冶金学分析仪器中都有广泛的应用。析仪器中都有广泛的应用。 极微弱光信号的探测光子计数极微弱光信号的探测光子计数光电传感与检测器课件 射线的探测射线的探测 （ ）闪烁计数）闪烁计数闪烁计数是将闪烁晶体与光电倍增管结合在一起探测高闪烁计数是将闪烁晶体与光电倍增管结合在一起探测高能粒子的有效方法。常用的闪烁体式是能粒子的有效方法。常用的闪烁体式是NaI ，用端窗式光电，用端窗式光电倍增管与之配合。倍增管与之配合。 如下图所示，当高能粒子照到闪烁体上时，它产生光辐如下图所示，当高能粒子照到闪烁体上时，它产生光辐射并由倍增管接收转变为电信号，而且，光电倍增管输出脉射并由倍增

53、管接收转变为电信号，而且，光电倍增管输出脉冲的幅度与粒子的能量成正比。冲的幅度与粒子的能量成正比。 光电传感与检测器课件基于光电倍增管的输入设备滚筒扫描仪基于光电倍增管的输入设备滚筒扫描仪 X X射线荧光仪闪烁探测器射线荧光仪闪烁探测器光电传感与检测器课件 射线探测在核医学上已经应用于射线探测在核医学上已经应用于PET (Position Emission Tomography正电子发射断层扫描正电子发射断层扫描)系统，系统，这种这种PET-CT与一般与一般CT的区别在于它可以对生物的动机能的区别在于它可以对生物的动机能进行诊断。进行诊断。 （）在医学上的应用）在医学上的应用光电传感与检测器课

54、件第第第第 3 3 3 3 章章章章 半导体光电检测器半导体光电检测器半导体光电检测器半导体光电检测器件及应用件及应用件及应用件及应用 3.1 3.1 3.1 3.1 真空光电器件真空光电器件真空光电器件真空光电器件 光电阴极光电阴极光电阴极光电阴极、光电管、光电管、光电管、光电管、 光电倍增管光电倍增管光电倍增管光电倍增管 （1 1 1 1）光电倍增管的结构）光电倍增管的结构）光电倍增管的结构）光电倍增管的结构 （2 2 2 2）光电倍增管的工作原理）光电倍增管的工作原理）光电倍增管的工作原理）光电倍增管的工作原理 （3 3 3 3）光电倍增管的特性参数）光电倍增管的特性参数）光电倍增管的特

55、性参数）光电倍增管的特性参数 （4 4 4 4）光电倍增管的供电电路）光电倍增管的供电电路）光电倍增管的供电电路）光电倍增管的供电电路 （5 5 5 5）光电倍增管的输出电路）光电倍增管的输出电路）光电倍增管的输出电路）光电倍增管的输出电路微通道板光电倍增管微通道板光电倍增管微通道板光电倍增管微通道板光电倍增管 3.2 3.2 3.2 3.2 光电导器件光电导器件光电导器件光电导器件 光敏电阻、光敏电阻、光敏电阻、光敏电阻、 3.3 3.3 3.3 3.3 结型光电器件结型光电器件结型光电器件结型光电器件 光电池、光敏二极管、三极管、光电池、光敏二极管、三极管、光电池、光敏二极管、三极管、光电

56、池、光敏二极管、三极管、 光电耦合器件、光电耦合器件、光电耦合器件、光电耦合器件、光电位置敏感器件光电位置敏感器件光电位置敏感器件光电位置敏感器件 电荷耦合器件、电荷耦合器件、电荷耦合器件、电荷耦合器件、 3.4 3.4 3.4 3.4 光热辐射检测器件光热辐射检测器件光热辐射检测器件光热辐射检测器件 光电传感与检测器课件.2 .2 光电导器件光电导器件 光敏电阻光敏电阻 u光电导效应：入射光强改变物质导电率的物理现象光电导效应：入射光强改变物质导电率的物理现象 称光电导效应。称光电导效应。这种效应几乎所有高电阻这种效应几乎所有高电阻率半导体都有，为使电子从率半导体都有，为使电子从价带激发到导

57、带，入射光子价带激发到导带，入射光子的能量的能量E E0 0应大于禁带宽度应大于禁带宽度Eg。基于光电导效应的光电器件基于光电导效应的光电器件有有光敏电阻光敏电阻。（1 1）定义）定义光电传感与检测器课件光电导过程光电导过程（2 2）光电导效应分类）光电导效应分类分为本征型和杂质型两类分为本征型和杂质型两类光电传感与检测器课件（3 3）本征型的长波限条件由禁带宽度）本征型的长波限条件由禁带宽度EgEg决定，决定， （光子的能量，取决于半导体材料的禁带（光子的能量，取决于半导体材料的禁带 宽度宽度Eg =EEg =E1 1-E-E0 0，放出的能量越大，发出，放出的能量越大，发出 的光辐射波长就

58、越短），即的光辐射波长就越短），即当光子的能量等于或大于当光子的能量等于或大于EgEg时，才能释放出时，才能释放出电子电子空穴对，释放的多少，与材料的反射系空穴对，释放的多少，与材料的反射系数，吸收系数和厚度有关。数，吸收系数和厚度有关。光电传感与检测器课件（4 4）杂质型）杂质型杂杂质质型型光光电电导导效效应应是是能能量量足足够够大大的的光光子子使使施施主主能能级级中中的的电电子子或或受受主主能能级级中中的的空空穴穴跃跃迁迁到到导导带带或或价价带带，从从而而使电导增加。使电导增加。此此时时长长波波限限由由杂杂质质的的电电离离能能Ei决决定定，因因为为E Ei i I0当负载电阻短路(即RL=

59、0)时，光生电压接近于零，流过器件的电流叫短路电流，用 Is c 表示光电传感与检测器课件根据光照根据光照PNPN结时流过结时流过p-np-n结的电流，可画出在不同照结的电流，可画出在不同照度下度下PNPN结光电器件的伏安特性曲线。结光电器件的伏安特性曲线。第一象限正偏压，第一象限正偏压，I I结结本来就很大，所以光本来就很大，所以光电流电流I Ip p不起重要作用。不起重要作用。第三象限反向偏压，第三象限反向偏压，这时这时I I结结- -I Is0s0，它是，它是普通二极管中的反向普通二极管中的反向饱和电流，现在称为饱和电流，现在称为暗电流（对应于光照暗电流（对应于光照度度E E0 0），数

60、值很小，），数值很小，这时的光电流（等于这时的光电流（等于I I- -I Is0s0）是流过探测器）是流过探测器的主要电流，对应于的主要电流，对应于光导工作模式。光导工作模式。在第四象限中，外在第四象限中，外偏压为偏压为0 0，流过探，流过探测器的电流仍为反测器的电流仍为反向光电流。随着光向光电流。随着光功率的不同，出现功率的不同，出现明显的非线性。这明显的非线性。这时探测器的输出通时探测器的输出通过负载电阻过负载电阻R RL L上的上的电压或流过电压或流过R RL L上的上的电流来体现，因此电流来体现，因此称为光伏工作模式。称为光伏工作模式。 当当PN结上加有反偏压时，暗电流随反向偏压的增大

61、有所增大，最后等于结上加有反偏压时，暗电流随反向偏压的增大有所增大，最后等于反向饱和电流反向饱和电流Is0，而光电流，而光电流Ip几乎与反向电压的高低无关。光电二极管和光电几乎与反向电压的高低无关。光电二极管和光电三极管就工作在这个象限。三极管就工作在这个象限。光电传感与检测器课件 光电池的主要功能是在不加偏置的情况下能将光信号转光电池的主要功能是在不加偏置的情况下能将光信号转换成电信号。按用途光电池可分为换成电信号。按用途光电池可分为太阳能光电池太阳能光电池和和测量光电测量光电池池。 光电池是一个光电池是一个PNPN结，根据结，根据PNPN结材料的不同，常见的光电结材料的不同，常见的光电池有

62、池有硒光电池，硅光电池、砷化镓光电池和锗光电池硒光电池，硅光电池、砷化镓光电池和锗光电池四种。四种。 2 2 光电池光电池光电传感与检测器课件 硅硅光光电电池池按按基基底底材材料料不不同同分分为为2DR2DR型型和和2CR2CR型型。2DR2DR型型硅硅光光电电池池是是以以P P型型硅硅作作基基底底，2CR2CR型型光光电电池池则则是是以以N N型型硅硅作作基基底底，然然后后在在基基底底上上扩扩散散磷磷（或或硼硼）作作为为受受光光面面。构构成成PNPN结结后后，分分别别在在基基底底和和光光敏敏面面上上制制作作输输出出电电极极，涂涂上上二二氧氧化化硅硅作作保保护护膜膜，即成光电池。即成光电池。光

63、电池结构光电池结构 光电池工作原理图光电池工作原理图 光电池符号光电池符号光电传感与检测器课件太阳能手机充电器太阳能手机充电器太阳能供LED电警示太阳能电池光电池（有源器件）光电池（有源器件）光电传感与检测器课件Hubble Space Telescope 哈勃太空望远镜Credit: NASA光电传感与检测器课件Credit: Adrien Monier光电传感与检测器课件 结构：光电池实质是一个大面积结构：光电池实质是一个大面积PNPN结，上电极为栅结，上电极为栅状受光电极，下电极是一层衬底铝。状受光电极，下电极是一层衬底铝。 原理：当光照射原理：当光照射PNPN结的一个面时，电子结的一个

64、面时，电子空穴对空穴对迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势。一般可产生的电动势。一般可产生0.2V0.2V0.6V0.6V电压、电压、50mA50mA电流。电流。 光电池结构光电池结构 光电池工作原理图光电池工作原理图 光电池（有源器件）光电池（有源器件）光电传感与检测器课件 光电池的工作原理光电池的工作原理（a a）光电池工作原理图）光电池工作原理图 （b b）光电池等效电路图）光电池等效电路图 （c c）进一步简化）进一步简化光电池的工作原理图和等效电路光电池的工作原理图和等效电路注：此处以光生电流注：此处以光生电流 I IP

65、 P 的方向为正方向。的方向为正方向。光电传感与检测器课件 光照特性光照特性 光光照照特特性性主主要要有有伏伏安安特特性性、照照度度-电电流流电电压压特特性性和和照照度度-负负载载特特性性。硅硅光光电电池池的的伏伏安安特特性性，表表示示输输出出电电流流和和电电压压随随负负载载电电阻变化的曲线。阻变化的曲线。不同照度时的伏-安特性曲线一般硅光电池工作在第四象限。若硅光电池工作在反偏置状态，则伏安特性将延伸到第三象限 硅光电池的特性参数硅光电池的特性参数 硅光电池伏安特性曲线硅光电池伏安特性曲线光电传感与检测器课件当当I IL L0 0时，时，R RL L=(=(开路开路) )时，光电池的开路电压

66、，以时，光电池的开路电压，以V Vococ表示表示式中式中 S SE E表示光电池的光电灵敏度，表示光电池的光电灵敏度，E E 表示入射光照度。表示入射光照度。当当IpI0当RL0 时所得的电流称为光电池短路电流，以I sc 表示硅光电池的电流方程式硅光电池的电流方程式当当E=0E=0时时式中，式中，I ID D是光电流，是光电流，I IS S0 0是反向饱和电流，是光电池加反向偏压后出现是反向饱和电流，是光电池加反向偏压后出现的暗电流。的暗电流。 光电传感与检测器课件硅光电池的硅光电池的U Uococ、I Iscsc与照度的关系与照度的关系 照度照度- -电流电压特性电流电压特性光电池的短路

67、光电流光电池的短路光电流I Iscsc与入射光照度成正比，而与入射光照度成正比，而开路电压开路电压U UOCOC与光照度的对数成正比。与光照度的对数成正比。光电传感与检测器课件开路电压开路电压U UOCOC和短路电流和短路电流I Iscsc与光电池受光面积也有关系。与光电池受光面积也有关系。在光照度一定时，在光照度一定时，U UOCOC与受光面积的对数成正比，短路电与受光面积的对数成正比，短路电流流I Iscsc与受光面积成正比。与受光面积成正比。电流、电压与受光面积的关系电流、电压与受光面积的关系光电传感与检测器课件光照与负载特性光照与负载特性 光电流在弱光照射光电流在弱光照射下与光照度成线

68、性关下与光照度成线性关系。光照增加到一定系。光照增加到一定程度后，输出电流非程度后，输出电流非线性缓慢地增加，直线性缓慢地增加，直至饱和，并且负载电至饱和，并且负载电阻越大，越容易出现阻越大，越容易出现饱和，即线性范围较饱和，即线性范围较小。因此，如欲获得小。因此，如欲获得较宽的光电线性范围，较宽的光电线性范围，负载电阻不能取很大。负载电阻不能取很大。光电池不同负载电阻下的光电特性光电池不同负载电阻下的光电特性光电传感与检测器课件 光电池的光谱特性光电池的光谱特性 光电池对不同波长的光电池对不同波长的光灵敏度不同。光灵敏度不同。硅光电池的光谱响应硅光电池的光谱响应峰值在峰值在0.8m0.8m附

69、近，附近，波长范围波长范围0.40.41.2m1.2m。硅光电池可在很宽的硅光电池可在很宽的波长范围内应用。波长范围内应用。 硒光电池光谱响应峰硒光电池光谱响应峰值在值在0.5m0.5m附近附近, , 波波 长范围长范围0.380.380.75m0.75m。光电传感与检测器课件 频率特性指光电池相对输出电流与光的调制频频率特性指光电池相对输出电流与光的调制频率之间关系。率之间关系。硅、硒光电池的频率特硅、硒光电池的频率特 性不同，硅光电池频率性不同，硅光电池频率 响应较好，硒光电池较差。响应较好，硒光电池较差。所以高速计数器的转换所以高速计数器的转换 一般采用硅光电池作为一般采用硅光电池作为

70、传感器元件。传感器元件。 硅、硒光电池的频率特性硅、硒光电池的频率特性 频率特性频率特性光电传感与检测器课件硅光电池的频率特性曲线硅光电池的频率特性曲线 对同一材料光电池，负载大时频率特性变差，对同一材料光电池，负载大时频率特性变差，减小负载可减小时间常数减小负载可减小时间常数，提高频响。但是负载，提高频响。但是负载电阻电阻RL的减小会使输出电压降低，实际使用时视的减小会使输出电压降低，实际使用时视具体要求而定。具体要求而定。 光电传感与检测器课件（）要得到短的响应时间，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； 负载大时频率特性变差，减小负载可减小时间常数，负载大时频

71、率特性变差，减小负载可减小时间常数，提高频响。但负载电阻的减小会使输出电压降低，实际使提高频响。但负载电阻的减小会使输出电压降低，实际使用时视具体情况而定。用时视具体情况而定。（）光电池面积越大则响应时间越大，因为光电池面积越）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大则结电容 越大，在给定负载越大，在给定负载 时，时间常数时，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。就越大，故要求短的响应时间，必须选用小面积光电池。 总的来说，由于硅光电池光敏面积大，结电容大，频总的来说，由于硅光电池光敏面积大，结电容大，频响较低。响较低。光电传感与检测器课件 光光电电池池

72、的的温温度度特特性性曲曲线线主主要要指指光光照照射射时时它它的的开开路路电电压压Voc与与短短路路电电流流Isc随随温温度度变变化化的的情情况况。光光电电池池的的温温度度曲曲线线如如下下图所示。图所示。 它的开路电压它的开路电压Voc随着温度的升高而减小，其值约为随着温度的升高而减小，其值约为23mVoC； 短路电流短路电流I sc 随着温度的升高而增大，但增大比例很小，随着温度的升高而增大，但增大比例很小，约为约为10-510-3mA/oC数量级。数量级。 温度特性温度特性光电传感与检测器课件 当当光光电电池池密密封封良良好好、电电极极引引线线可可靠靠、应应用用合合理理时时, ,光光电电池池

73、的的性性能能是是相相当当稳稳定定的的, ,使使用用寿寿命命也也很很长长。硅硅光光电电池池的的性性能能比比硒硒光光电电池池更更稳稳定定。光光电电池池的的性性能能和和寿寿命命除除了了与与光光电电池池的的材材料料及及制制造造工工艺艺有有关关外外, ,在在很很大大程程度度上上还还与与使使用用环环境境条条件件有有密密切切关关系系。如如在在高高温温和和强强光光照照射射下下, ,会会使使光光电电池池的的性性能能变变坏坏, ,而而且且降降低低使使用用寿寿命命，这这在在使使用用中中要要加加以以注注意意。下下表表给给出出了了几几种种硅光电池的性能参数，以供参考。硅光电池的性能参数，以供参考。 稳定性稳定性光电传感

74、与检测器课件 几种硅光电池的性能参数几种硅光电池的性能参数 光电传感与检测器课件第第第第 3 3 3 3 章章章章 半导体光电检测器半导体光电检测器半导体光电检测器半导体光电检测器件及应用件及应用件及应用件及应用 3.1 3.1 3.1 3.1 真空光电器件真空光电器件真空光电器件真空光电器件 光电阴极光电阴极光电阴极光电阴极、光电管、光电管、光电管、光电管、 光电倍增管光电倍增管光电倍增管光电倍增管 （1 1 1 1）光电倍增管的结构）光电倍增管的结构）光电倍增管的结构）光电倍增管的结构 （2 2 2 2）光电倍增管的工作原理）光电倍增管的工作原理）光电倍增管的工作原理）光电倍增管的工作原理

75、 （3 3 3 3）光电倍增管的特性参数）光电倍增管的特性参数）光电倍增管的特性参数）光电倍增管的特性参数 （4 4 4 4）光电倍增管的供电电路）光电倍增管的供电电路）光电倍增管的供电电路）光电倍增管的供电电路 （5 5 5 5）光电倍增管的输出电路）光电倍增管的输出电路）光电倍增管的输出电路）光电倍增管的输出电路微通道板光电倍增管微通道板光电倍增管微通道板光电倍增管微通道板光电倍增管 3.2 3.2 3.2 3.2 光电导器件光电导器件光电导器件光电导器件 光敏电阻、光敏电阻、光敏电阻、光敏电阻、 3.3 3.3 3.3 3.3 结型光电器件结型光电器件结型光电器件结型光电器件 光电池、光

76、敏二极管、三极管、光电池、光敏二极管、三极管、光电池、光敏二极管、三极管、光电池、光敏二极管、三极管、 光电耦合器件、光电耦合器件、光电耦合器件、光电耦合器件、光电位置敏感器件光电位置敏感器件光电位置敏感器件光电位置敏感器件 3.4 3.4 3.4 3.4 光热辐射检测器件光热辐射检测器件光热辐射检测器件光热辐射检测器件 光电传感与检测器课件硅光敏二极管结构硅光敏二极管结构 2 光敏二极管光敏二极管 光敏二极管是基于光敏二极管是基于PN结的光电效应工作的，它主要结的光电效应工作的，它主要用于可见光及红外光谱区。光敏二极管通常在用于可见光及红外光谱区。光敏二极管通常在反偏置反偏置条件条件下工作，

77、也可用在下工作，也可用在零偏置零偏置状态。状态。 制作光敏二极管的材料有硅、锗、砷化镓、碲化铅等，制作光敏二极管的材料有硅、锗、砷化镓、碲化铅等，目前在可见光区应用最多的是硅光敏二极管。目前在可见光区应用最多的是硅光敏二极管。光电传感与检测器课件 工作原理与电池相似，利用光子引起的工作原理与电池相似，利用光子引起的电子跃迁电子跃迁将光将光信号转变成电信号，光生电流与光强成正比。信号转变成电信号，光生电流与光强成正比。 光敏二极管的结构与一般二极管相似。光敏二极管的结构与一般二极管相似。 它装在透明玻它装在透明玻璃外壳中璃外壳中, 其其PN结装在管的顶部结装在管的顶部, 可以直接受到光照射。可以

78、直接受到光照射。将光敏二极将光敏二极管的管的PNPN结设结设置在透明管置在透明管壳顶部的正壳顶部的正下方下方光电传感与检测器课件 光敏二极管结构与一般二极管相似，它们都有一个光敏二极管结构与一般二极管相似，它们都有一个PNPN结，结，并且都是单向导电的非线性元件。为了提高转换效率采用并且都是单向导电的非线性元件。为了提高转换效率采用大面积受光，因此大面积受光，因此PNPN结面积比一般二极管大。结面积比一般二极管大。注：注：发光二极管与光敏二极管不同，发光二极管利用固体材发光二极管与光敏二极管不同，发光二极管利用固体材料发光（电致发光），材料不同发光颜色不同，是一种将电料发光（电致发光），材料不

79、同发光颜色不同，是一种将电能转化为光能的器件，加正向电压时，在能转化为光能的器件，加正向电压时，在N-PN-P的电子、空穴结的电子、空穴结合过程中发射一定频率的光信号。合过程中发射一定频率的光信号。 工作时加正向电压。工作时加正向电压。+ +- - -+ + -+ -光电传感与检测器课件 硅光敏二极管的结构和工作原理与硅光电池相似，不同的硅光敏二极管的结构和工作原理与硅光电池相似，不同的地方是：地方是：就制作衬底材料的掺杂浓度而言，光电池较高，约为就制作衬底材料的掺杂浓度而言，光电池较高，约为1010161610101919原子数厘米原子数厘米3 3，而硅光电二极管掺杂浓度约为，而硅光电二极管

80、掺杂浓度约为1010121210101313原子数厘米原子数厘米3 3 ；光电池的电阻率低，约为光电池的电阻率低，约为0.10.10.010.01欧姆厘米，而硅光电欧姆厘米，而硅光电二极管则为二极管则为10001000欧姆厘米，欧姆厘米，光电池在光电池在零偏下零偏下工作，而硅光电二极管在工作，而硅光电二极管在反偏下反偏下工作；工作；一般光电池的光敏面面积都比硅光电二极管的光敏面大得多。一般光电池的光敏面面积都比硅光电二极管的光敏面大得多。 光敏二极管基本电路光敏二极管基本电路 R RE EDgDgI I（1）光敏二极管的结构与工作原理：）光敏二极管的结构与工作原理： 无光照时：处于截止状态，反

81、向无光照时：处于截止状态，反向电阻很大，反向电流很小；电阻很大，反向电流很小； 有光照时：处于导通状态，产生有光照时：处于导通状态，产生光生电子空穴对，光生电子空穴对， 在电场作用下在电场作用下形成光电流，光照越强光电流越形成光电流，光照越强光电流越大；光电流方向与反向电流一致。大；光电流方向与反向电流一致。 光电传感与检测器课件 光照特性光照特性 （2） 基本特性基本特性 下图是硅光敏二极管在小负载电阻下的光照特性。光电下图是硅光敏二极管在小负载电阻下的光照特性。光电流与照度成线性关系。流与照度成线性关系。 光电传感与检测器课件 硅光敏二极管的光谱响应如下：硅光敏二极管的光谱响应如下： 当入

82、射波长当入射波长0.9m0.9m时响应下降，时响应下降， 因波长长光因波长长光子能量小于禁带宽度，子能量小于禁带宽度， 不产生电子、空穴对；不产生电子、空穴对； 当入射波长当入射波长0.9m0.9m时，响应也逐渐下降，波长时，响应也逐渐下降，波长短的光穿透深度小，使光电流减小。短的光穿透深度小，使光电流减小。 光谱特性光谱特性光电传感与检测器课件当当 反向偏压较低时，光电流随电压变化比较敏感，随反反向偏压较低时，光电流随电压变化比较敏感，随反向偏压的加大，反向电流趋于饱和，这时光生电流与所加向偏压的加大，反向电流趋于饱和，这时光生电流与所加偏压几乎无关，只取决于光照强度。偏压几乎无关，只取决于

83、光照强度。 伏安特性伏安特性光电传感与检测器课件 由于反向饱和电流与温度密切有关，因此光敏二极由于反向饱和电流与温度密切有关，因此光敏二极管的暗电流对温度变化很敏感。管的暗电流对温度变化很敏感。 温度特性温度特性 光电传感与检测器课件 光敏管的频率响应是指光敏管输出的光电流随频光敏管的频率响应是指光敏管输出的光电流随频率的变化关系。光敏管的频响与本身的物理结构、工率的变化关系。光敏管的频响与本身的物理结构、工作状态、负载以及入射光波长等因素有关。作状态、负载以及入射光波长等因素有关。 下图中光敏二极管频率响应曲线说明，调制频率下图中光敏二极管频率响应曲线说明，调制频率高于高于1000Hz100

84、0Hz时，硅光敏二极管灵敏度急剧下降。时，硅光敏二极管灵敏度急剧下降。光敏二极管频率响应曲线 频率响应频率响应 光电传感与检测器课件将将光光敏敏二二极极管管以以线线列列或或面面阵阵形形式式集集合合在在一一起起，用用来来同同时时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，并将这些信息转换为电信号的器件。息，并将这些信息转换为电信号的器件。（2）光敏二极管阵列）光敏二极管阵列 光电传感与检测器课件光敏三极管光敏三极管光敏三极管光敏三极管和普通三极管相似，和普通三极管相似，和普通三极管相似，和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电也有电流放大作用，只是它的集电也有电流

85、放大作用，只是它的集电也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路的电流控极电流不只是受基极电路的电流控极电流不只是受基极电路的电流控极电流不只是受基极电路的电流控制，同时也受光辐射的控制。制，同时也受光辐射的控制。制，同时也受光辐射的控制。制，同时也受光辐射的控制。 3 光敏三极管光敏三极管几种光敏三极管几种光敏三极管几种光敏三极管几种光敏三极管光电传感与检测器课件 光敏三极管由光窗、集电极引出光敏三极管由光窗、集电极引出线、发射极引出线和基极引出线组线、发射极引出线和基极引出线组成，由两个结，即成，由两个结，即发射结发射结和和集集电结电结组成。是将组成。是将基极基极集电极集电极结作

86、结作为光敏二极管，集电结做受光结，为光敏二极管，集电结做受光结，尺寸做的很大，以扩大光照面积。尺寸做的很大，以扩大光照面积。与普通三极管不同的是，大多数光与普通三极管不同的是，大多数光敏三极管的基极无引线，通常基极敏三极管的基极无引线，通常基极不引出，但一些光敏三极管的基极不引出，但一些光敏三极管的基极有引出，用于温度补偿和附加控制有引出，用于温度补偿和附加控制等作用。等作用。光敏晶极管结构光敏晶极管结构 NNPc cb be e(1) (1) 光敏三极管结构和工作原理光敏三极管结构和工作原理光电传感与检测器课件 光光敏敏三三极极管管本本质质上上是是相相当当于于在在基基极极和和集集电电极极之之

87、间间接接有有光光电电二二极极管管的普通三极管。的普通三极管。 在在正正常常工工作作情情况况下下，此此二二极极管管应应反反向向偏偏置置。因因此此，不不管管是是PNP还还是是NPN型光敏三极管，一般用基极型光敏三极管，一般用基极集电极结作为受光结。集电极结作为受光结。 当当集集电电极极加加上上相相对对于于发发射射极极为为正正电电压压且且基基极极开开路路时时，基基极极集集电电极极结结处处于于反反向向偏偏压压下下，它它的的工工作作机机理理完完全全与与反反偏偏压压的的光光敏敏二二极极管管相相同同。入入射射光光子子在在基基区区及及收收集集区区被被吸吸收收而而产产生生电电子子空空穴穴对对，形形成成光光生生电

88、电压压。由由此此产产生生的的光光生生电电流流由由基基极极进进入入发发射射极极，从从而而在在集集电电极极回回路路中中得得到到一一个个放放大大了了的的信信号号电电流流。因因此此，可可以以说说，光光敏敏三三极极管管是是一一种种相相当当于于将将基基极集电极光敏二极管的电流加以放大的普通晶体管放大器。极集电极光敏二极管的电流加以放大的普通晶体管放大器。光电传感与检测器课件 当具有光敏特性的当具有光敏特性的当具有光敏特性的当具有光敏特性的PN PN 结受到光辐射时，形成光电流，结受到光辐射时，形成光电流，结受到光辐射时，形成光电流，结受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电

89、极回路由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于中得到一个放大了相当于中得到一个放大了相当于中得到一个放大了相当于 倍的信号电流。与倍的信号电流。与倍的信号电流。与倍的信号电流。与光敏二极管光敏二极管光敏二极管光敏二极管相相相相比，具有很大的光电流放大作用，即很高的灵敏度。比，具有很大的光电流放大作用，即很高的灵敏度。比，具有很大的光电流放大作用，即很高的灵敏度。比，具有很大的光电流放大作用，即很高的灵敏度。光敏三极管的原理结构如图所示。正常运行时，集电极为光

90、敏三极管的原理结构如图所示。正常运行时，集电极为反偏置反偏置，发射极为发射极为正偏置正偏置。集电极为光电结，集电极产生的光电流。集电极为光电结，集电极产生的光电流 向基区注入，同时在集电极产生一个被放大的电流向基区注入，同时在集电极产生一个被放大的电流 。 显然显然 为三极管的电流放大倍数。为三极管的电流放大倍数。 光电传感与检测器课件硅（硅（SiSi）光敏晶体极管一般都是）光敏晶体极管一般都是NPNNPN结构，结构，光照射在集电结的基区，产生电子光照射在集电结的基区，产生电子- -空穴，空穴，光生电子被拉向集电极，基区留下正电荷光生电子被拉向集电极，基区留下正电荷（空穴），使基极与发射极之间

91、的电压升高，（空穴），使基极与发射极之间的电压升高，这样，发射极便有大量电子经基极流向集电这样，发射极便有大量电子经基极流向集电极，形成三极管输出电流，使晶体管具有电极，形成三极管输出电流，使晶体管具有电流增益。流增益。 光敏三极管电流放大系数光敏三极管电流放大系数 在负载电阻在负载电阻 R RL L 上的上的输出电压为：输出电压为： NNPc cb be e+ +- -光电传感与检测器课件所以光敏三极管对光信号具有放大作用所以光敏三极管对光信号具有放大作用 光敏三极管等效电路光敏三极管等效电路 光电传感与检测器课件与与光光敏敏电电阻阻、光光敏敏二二极极管管类类似似，光光敏敏三三极极管管也也存

92、存在在最最佳佳灵灵敏敏度度的的峰峰值值波波长长。硅硅管管的的峰峰值值波波长长约约为为900nm，锗锗管管的的峰峰值值波波长长约约为为1500nm。由由于于锗锗管管的的暗暗电电流流比比硅硅管管大大，因因此此锗锗管管的的性性能能较较差差。故故在在可可见见光光或或探探测测赤赤热热状状态态物物体体时时，一一般般都都选选用用硅硅管管；但但对对红红外外线线进进行行探探测时，则采用锗管较合适。测时，则采用锗管较合适。（2 2） 光敏三极管特性参数光敏三极管特性参数 光敏三极管的光谱特性光敏三极管的光谱特性光电传感与检测器课件 光光敏敏三三极极管管在在不不同同的的照照度度下下的的伏伏安安特特性性与与一一般般晶

93、晶体体管管在在不不同同的的基基极极电电流流时时的的输输出出特特性性类类似似。因因此此，只只要要将将入入射射的的强强度度看看作作是是三三极极管管的的基基极极电电流流ib，就就可可将将光光敏敏三三极极管管看看成成一一般般的的晶晶体体管管。光光敏敏三三极极管管不不仅能把光信号变成电信号、而且输山的电信号较大仅能把光信号变成电信号、而且输山的电信号较大。 光敏三极管的伏安特性光敏三极管的伏安特性光电传感与检测器课件 光光敏敏三三极极管管的的光光照照特特性性如如下下图图所所示示，为为光光敏敏三三极极管管的的输输出出电电流流I 和和照照度度之之间间的的关关系系。它它们们之之间间呈呈近近似似线线性性关关系系

94、。当当光光照照足足够够大大(几几千千勒勒克克斯斯)时时，会会出出现现饱饱和和现现象象。因因而而在在大大照照度度时时，光光敏敏三三极极管管不不能能作作线性转换元件，但可以作开关元件使用。线性转换元件，但可以作开关元件使用。 光敏三极管的光照特性光敏三极管的光照特性光电传感与检测器课件温温度度特特性性反反映映了了光光敏敏三三极极管管的的暗暗电电流流及及光光电电流流与与温温度度的的关关系系。从从曲曲线线看看，温温度度变变化化对对光光电电流流和和暗暗电电流流都都有有影影响响，对对暗暗电电流流的的影影响响更更大大。所所以以精精密密测测量量时时，电电子子线线路路中中应应采采取取温温度度补补偿偿措措施施，否

95、否则则将将会导致输出误差。会导致输出误差。 光敏三极管的温度特性光敏三极管的温度特性光电传感与检测器课件 光光敏敏三三极极管管的的频频率率特特性性曲曲线线如如下下图图所所示示。其其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提高高频频率率响响应应。一一般般来来说说。光光敏敏三三极极管管的的频频率率响响应应比比光光敏敏二二极极管管差差。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5000Hz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。实实验验证证明明，光光敏敏三三极极管管的的截截止止频频率率和和它它的的基基区区厚厚度度成成反反比比关关系

96、系。如如果果要要求求截截止止频频率率高高，那那么么基基区区就就要要薄薄；但但基基区区变变薄薄，光光电电灵灵敏敏度度将将降降低低，在制造时要适当兼顾两者。在制造时要适当兼顾两者。 光敏三极管的频率特性光敏三极管的频率特性光电传感与检测器课件光光照照特特性性指指光光电电二二极极管管和和光光电电三三极极管管的的光光电电流流与与照照度度之之间间的的关关系系，可可见见，硅硅光光电电二二极极管管的的光光照照特特性性的的线线性性较较好好，而而硅硅光光电电三三极极管管的的光光电电流流在在弱弱光光照照时时有有弯弯曲曲，强强光光照照时时又又趋趋向向于于饱饱和和，只只有有在在中中间间一一段段范范围围内内线线性性较较

97、好好，这这是是由由于于硅硅光光电电三三极极管管的的电电流放大倍数在小电流或大电流时都要下降而造成的。流放大倍数在小电流或大电流时都要下降而造成的。（3 3） 硅光电三极管与硅光电二极管特性比较硅光电三极管与硅光电二极管特性比较 光照特性光照特性光电传感与检测器课件 伏安特性伏安特性 伏伏安安特特性性表表示示为为当当入入射射光光的的照照度度( (或或光光通通量量) )一一定定时时，光光电电二二极极管管和和光光电电三三极极管管输输出出的的光光电电流流与与所所加加偏偏压压的的关关系系。硅硅光电二极管和三极管的伏安特性曲线如下：光电二极管和三极管的伏安特性曲线如下： 硅光电二极管硅光电二极管硅光电三极

98、管硅光电三极管光电传感与检测器课件硅硅光光电电二二极极管管和和硅硅光光电电三三极极管管的的光光电电流流和和暗暗电电流流均均随随温温度度而而变变化化，但但硅硅光光电电三三极极管管因因有有电电流流放放大大作作用用，所所以以它它的的光光电电流流和和暗暗电电流流受受温温度度影影响响比比硅硅光光电电二二极极管管大大得得多多，如如图图所所示示。由由于于暗暗电电流流的的增增加加，使使输输出出信信噪噪比比变变差差，必必要要时时要要采采取取恒温或补偿措施。下图为光电管的温度特性恒温或补偿措施。下图为光电管的温度特性 。I IL LT T 特性特性I ID DT T 特性特性 温度特性温度特性光电传感与检测器课件

99、硅硅光光电电二二极极管管的的频频率率特特性性主主要要决决定定于于光光生生载载流流子子的的渡渡越越时时间。在实际使用时，应根据频率响应要求选择最佳负载电阻。间。在实际使用时，应根据频率响应要求选择最佳负载电阻。 下图为用脉冲光源测出的下图为用脉冲光源测出的2CU2CU型硅光电二极管的响应时间型硅光电二极管的响应时间与负载与负载R RL L的关系曲线，从中可以看出当负载超过的关系曲线，从中可以看出当负载超过10104 4以后，响以后，响应时间增加得更快应时间增加得更快. . 频率响应特性频率响应特性光电传感与检测器课件（）（） PINPIN型硅光电二极管型硅光电二极管，高速光电二极，高速光电二极管

100、，响应时间达管，响应时间达1ns1ns，适用于遥控装置，适用于遥控装置4 其它光电管其它光电管 PIN管的最大优点是：管的最大优点是： 频带宽，可达频带宽，可达10GHz。 另一特点是线性输出范围宽。另一特点是线性输出范围宽。缺点缺点: 由于由于I层的存在，管子的输出电流小，一般多为零层的存在，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。点几微安至数微安。光电传感与检测器课件光电传感与检测器课件由于存在因碰撞电离引起的内增益机理，雪崩由于存在因碰撞电离引起的内增益机理，雪崩管具有高的增益带宽乘积和极快的时间响应特管具有高的增益带宽乘积和极快的时间响应特性。性。通过一定的工艺可以使它在通过一定

101、的工艺可以使它在1.06微米波长处的微米波长处的量子效率达到量子效率达到30，非常适于可见光及近红外，非常适于可见光及近红外区域的应用。区域的应用。（）雪崩式光电二极管（）雪崩式光电二极管，具有高速响应和放大，具有高速响应和放大功功 能，高电流增益，可有效读取微弱光线，主能，高电流增益，可有效读取微弱光线，主要要 用于用于0.80.8m范围的光纤通信。范围的光纤通信。光电传感与检测器课件 当光敏二极管的当光敏二极管的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，通过碰撞使晶

102、格原子电离，而产生获得足够的能量，通过碰撞使晶格原子电离，而产生新的电子新的电子空穴对。空穴对。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。只要电场足够强，此过程就将继续下去，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。雪崩光敏二极管的工作原理：雪崩光敏二极管的工作原理：光电传感与检测器课件雪崩光电二极

103、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光电传感与检测器课件在偏置电压较低时的在偏置电压较低时的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；同时噪声增大，将发生雪崩击穿；同时噪声也显著增加，如图中也显著增加，如图中c点以有的区域。因此，最佳的偏点以有的区域。因此，最佳的偏压工作区是压工作区是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。由

104、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。光电传感与检测器课件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敏。是目前响应最快的一种光敏二极管。二极管。不需要后续庞大的放大电路等特点。因此它在微弱辐不需要后续庞大的放大电路等特点。因此它在微弱辐射信号的探测方向被广泛地应用。射信号的探测方向被广泛地应用。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

105、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。其缺点是工艺要求高，稳定性差，受温度影响大。其缺点是工艺要求高，稳定性差，受温度影响大。光电传感与检测器课件导通后，即使光照消失，光敏晶闸管仍维持导通。导通后，即使光照消失，光敏晶闸管仍维持导通。光敏晶闸管的特点：导通电流比光敏三极管大得多，光敏晶闸管的特点：导通电流比光敏三极管大得多，工作电压有的可达数百伏，因此输出功率大，可用工作电压有的可达数百伏，因此输出功率大，可用于工业自动检测控制。于工业自动检测控制。光敏面光敏面（）（） 光敏晶闸管光敏晶闸管

106、（光激可控硅），由入射光线触（光激可控硅），由入射光线触 发导通的可控硅元件。发导通的可控硅元件。光电传感与检测器课件（）达林顿光电三极管（）达林顿光电三极管（光电复合晶体管），输（光电复合晶体管），输入是光电三极管，输出是普通晶体管，增益入是光电三极管，输出是普通晶体管，增益大，大，I=II=IggI I1 1I I2 2 作驱动。作驱动。 （）（）光敏场效应晶体管光敏场效应晶体管，具有灵敏度高、线性动，具有灵敏度高、线性动态范围大、光谱响应范围宽、输出阻抗低、态范围大、光谱响应范围宽、输出阻抗低、体积小等优点。广泛用于对微弱信号和紫外体积小等优点。广泛用于对微弱信号和紫外光的检测。光的检测

107、。光电传感与检测器课件光电耦合器是光电耦合器是发光器件发光器件与与光接收器件光接收器件集成在一起的组合集成在一起的组合器件，是以光为媒介传输电信号的一种器件。器件，是以光为媒介传输电信号的一种器件。发光管辐射可发光管辐射可见光或红外光，受光器件在光辐射作用下控制输出电流大小。见光或红外光，受光器件在光辐射作用下控制输出电流大小。通过电通过电光、光光、光电，两次转换进行输入输出耦合。电，两次转换进行输入输出耦合。 光电耦合器的一个重光电耦合器的一个重要特性是其输入端相联接要特性是其输入端相联接的电路可以和其输出端的的电路可以和其输出端的电路完全隔开，并且在这电路完全隔开，并且在这两个电路之间可以

108、安全地两个电路之间可以安全地存在成百上千伏的电位差存在成百上千伏的电位差而不会对光电耦合器的工而不会对光电耦合器的工作产生不利影响。作产生不利影响。 光电耦合器的另一个光电耦合器的另一个重要特性是用重要特性是用IF控制控制I ，信，信号的传递是单向的。号的传递是单向的。5 光电耦合器件光电耦合器件光电传感与检测器课件发光器件：发光器件：白炽灯、白炽灯、LED、激光器、激光器光接收器件：光接收器件：光敏电阻、光电二极管，光电三极管光敏电阻、光电二极管，光电三极管 光电耦合器是一个组合型器件，因此有多种不同结构：光电耦合器是一个组合型器件，因此有多种不同结构：普通光电耦合器；达林顿光电耦合器；双光

109、电耦合器；四光普通光电耦合器；达林顿光电耦合器；双光电耦合器；四光电耦合器（此四种统称为隔离光电耦合器）；开槽光电耦合电耦合器（此四种统称为隔离光电耦合器）；开槽光电耦合器和反射光电耦合器器和反射光电耦合器。 GD310型：以型：以光电三极管作为光电三极管作为接收器件接收器件 GD210型：以型：以光电二极管作为接收光电二极管作为接收器件器件(1) (1) 光电耦合器件的结构和分类光电耦合器件的结构和分类光电传感与检测器课件 根据其结构和用途不同，又可分为用于根据其结构和用途不同，又可分为用于实实现电隔离的光电耦合器现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的和用于检测有无物体的光传感器光传感器。

110、光电传感与检测器课件 发光器件与光接受器件封装在一体，但不接发光器件与光接受器件封装在一体，但不接触，有很强的电气绝缘性，信号通过光传输。触，有很强的电气绝缘性，信号通过光传输。 用途：用途：用于隔离线路、开关、数模转换、逻辑电路、过流用于隔离线路、开关、数模转换、逻辑电路、过流保护、电平匹配等。保护、电平匹配等。 电隔离器电隔离器光电传感与检测器课件光电传感与检测器课件 光电发射器件与光电发射器件与光电接收器分别安装光电接收器分别安装于器件的两臂上。于器件的两臂上。 可用于检测两臂可用于检测两臂之间是否有物体存在之间是否有物体存在或者检测物体通过两或者检测物体通过两臂之间的运动速度。臂之间的

111、运动速度。（ ） 透射型透射型 光传感器光传感器光电传感与检测器课件光电传感与检测器课件 LED和光电接收器件封装在一个壳体内，和光电接收器件封装在一个壳体内，两者的发射光轴与接收光轴夹一锐角，若有被两者的发射光轴与接收光轴夹一锐角，若有被测物体存在于器件前方，测物体存在于器件前方， LED发光后将被被测发光后将被被测物体反射至接收器，构成测量近距离是否有物物体反射至接收器，构成测量近距离是否有物体存在的光电开关。体存在的光电开关。如：产品自动计数如：产品自动计数 感应式水龙头感应式水龙头（）反射型）反射型光电传感与检测器课件光电传感与检测器课件光电开关的结构(a) 透射式； (b) 反射式

112、光电传感与检测器课件透射式透射式反射式反射式透射式，当不透明物质位于中间时会阻断光路，接受透射式，当不透明物质位于中间时会阻断光路，接受器产生相应的电信号。器产生相应的电信号。 反射式，光电开关的发射与接受器件光轴在同一平面反射式，光电开关的发射与接受器件光轴在同一平面上，以某一角度相交，交点处为待测点，当有物体经上，以某一角度相交，交点处为待测点，当有物体经过待测点时，接受元件接收到物体表面反射的光线。过待测点时，接受元件接收到物体表面反射的光线。光电传感与检测器课件光电开关结构与外形光电开关结构与外形 光电传感与检测器课件 具有电隔离的功能。输入输出信号间完全没有电路联具有电隔离的功能。输

113、入输出信号间完全没有电路联 系，所以输入输出电路的电平零位可以任意选择，有系，所以输入输出电路的电平零位可以任意选择，有 独立的输入输出阻抗，绝缘电阻在独立的输入输出阻抗，绝缘电阻在1 1万兆以上，击穿电万兆以上，击穿电 压压100V25KV100V25KV，耦合电容小至，耦合电容小至0.0001pF0.0001pF。 信号传输是单向的，适用于脉冲直流或模拟数字。信号传输是单向的，适用于脉冲直流或模拟数字。 具有抗干扰和噪声的能力。具有抗干扰和噪声的能力。 响应速度快，可达微秒甚至纳秒数量级。响应速度快，可达微秒甚至纳秒数量级。 使用可靠、方便、密封防水、性能稳定。使用可靠、方便、密封防水、性

114、能稳定。 既具有耦合特性又具有隔离性能，可避免振动、噪声干扰。既具有耦合特性又具有隔离性能，可避免振动、噪声干扰。 特别适宜工业现场做数字电路开关信号传输、逻辑电路隔特别适宜工业现场做数字电路开关信号传输、逻辑电路隔 离器、计算机测量、控制系统中做无触点开关等。离器、计算机测量、控制系统中做无触点开关等。 （2 2）光电耦和器件的特点）光电耦和器件的特点：光电传感与检测器课件 用于电平转换用于电平转换 由于各种集成电路所用的电源电压是不同的，如在一个由于各种集成电路所用的电源电压是不同的，如在一个系统中用两种材料的集成电路芯片，则需要进行电平的转换。系统中用两种材料的集成电路芯片，则需要进行电

115、平的转换。另外各种传感器的电源电压有时也难于与集成电路相同，故另外各种传感器的电源电压有时也难于与集成电路相同，故进行电平转换有时是必要的。进行电平转换有时是必要的。 右图是PMOS电路电平转到TTL电路电平的电路图。该电路中，输入是22伏到0伏的脉冲，输出是0伏到5伏的脉冲，前后电路完全是隔离的。（3 3）光电耦合器的应用）光电耦合器的应用光电传感与检测器课件 用于逻辑门电路用于逻辑门电路 图为两个光电耦合器组成的与门电路，如果在输入端图为两个光电耦合器组成的与门电路，如果在输入端A和和B同同时输入高电平时输入高电平“1”，则两个发光二极管，则两个发光二极管GY1和和GY2都发光，两个都发光

116、，两个光光敏三极管敏三极管GG1和和GG2都导通，在都导通，在输出端输出端C就呈现就呈现高电平高电平“1”。在。在输入端输入端A或或B中只中只要有一个为低电要有一个为低电平平“0”，则其中，则其中有一个光敏三极有一个光敏三极管不导通，输出管不导通，输出端端C就为就为“0”，故为故为与门与门电路。电路。 光电传感与检测器课件 右右图图的的原原理理与与上上图图相相似似，输输入入端端A或或B中中有有一一个个或或两两个个为为高高电电平平“1”，输输出出就就为为低低电电平平“0”，故故为为或非门或非门电路。电路。光电传感与检测器课件右图为或门电路，它右图为或门电路，它从发射极输出，输入从发射极输出，输入

117、端端A或或B中有一个或两中有一个或两个为高电平个为高电平“1”，则，则有一个或两个光敏三有一个或两个光敏三极管被照亮而导通，极管被照亮而导通，输出为高电平输出为高电平“1”，故为或门电路。故为或门电路。光电传感与检测器课件 电路之间不仅可以电源不同，而且接地点也可分开。例电路之间不仅可以电源不同，而且接地点也可分开。例如下图为输入、输出与中央运算、处理部分的耦合电路，图如下图为输入、输出与中央运算、处理部分的耦合电路，图中的左边为中的左边为13.5V的的HTL到到5伏的伏的TTL耦合结构，输入部分由耦合结构，输入部分由抗干扰能力强的抗干扰能力强的HTL担任，其信号经光电耦合器送至中央运担任，其

118、信号经光电耦合器送至中央运算、处理部的算、处理部的TTL电路。图中右边为电路。图中右边为TTL到到HTL的耦合结构，的耦合结构，经中央处理部运算后由光电耦合器送至输出部分，光电耦合经中央处理部运算后由光电耦合器送至输出部分，光电耦合器成了器成了TTL和和HTL两种电路的媒介。两种电路的媒介。 起隔离作用起隔离作用光电传感与检测器课件 在没有烟雾时，在没有烟雾时，由于红外对管相互由于红外对管相互垂直，烟雾室内又垂直，烟雾室内又涂有黑色吸光材料，涂有黑色吸光材料，所以红外所以红外LED发出发出的红外光无法到达的红外光无法到达红外光敏三极管。红外光敏三极管。 当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对当烟

119、雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对红外光产生漫反射（图中只画出几个微粒的反红外光产生漫反射（图中只画出几个微粒的反射示意），使部分红外光到达光敏三极管，有射示意），使部分红外光到达光敏三极管，有光电流输出。光电流输出。反射式烟雾报警器反射式烟雾报警器光电传感与检测器课件 可控硅整流器（可控硅整流器（SCR）是一种普通的单向低压控制高）是一种普通的单向低压控制高压的器件。下图为用逻辑电路的信号来触发可控硅压的器件。下图为用逻辑电路的信号来触发可控硅SCR，可控硅的负载为电感性的开关电路，采用光电耦合器后，可控硅的负载为电感性的开关电路，采用光电耦合器后，负载所产生的尖峰噪声不会反馈到逻辑电路。负载

120、所产生的尖峰噪声不会反馈到逻辑电路。 在可控硅控制电路中的应用在可控硅控制电路中的应用光电传感与检测器课件 双向可控硅是一种很普通的由可控硅整流器即双向可控硅是一种很普通的由可控硅整流器即SCR发展发展改进的器件，它也可用于光触发形式。改进的器件，它也可用于光触发形式。将一只将一只SCR和一只和一只LED密封在一个封装中，就可以构成一只光耦合的密封在一个封装中，就可以构成一只光耦合的SCR；而而将一只双向可控硅和一只将一只双向可控硅和一只LED密封在一个封装中就可以制成密封在一个封装中就可以制成一只光耦合的双向可控硅。一只光耦合的双向可控硅。 左图和右图分别示出它们的典型外形左图和右图分别示出

121、它们的典型外形(它们通常被密封它们通常被密封在一只六引脚的双列直插式的封装中在一只六引脚的双列直插式的封装中)。光电传感与检测器课件 用用光光电电耦耦合合双双向向可可控控硅硅去去控控制制另另一一个个大大功功率率双双向向可可控控硅硅，可可达达到到控控制制大大功功率率负负载的目的。载的目的。 图图3.3.18是是用用光光电电耦耦合合双双向向可可控控硅硅控控制制小小功功率率灯灯泡泡的的电电路路图图，而而图图3.3.19是是光光电电耦耦合合双双向向可可控控硅硅控控制制大大功功率率负负载的电路图。载的电路图。光电传感与检测器课件 光电耦合器是近年来发展起来的新型器件，光电耦合器是近年来发展起来的新型器件

122、，应用范围和生产量正在急剧增加。由于它具有应用范围和生产量正在急剧增加。由于它具有独特的优点，可组成各种各样的电路，因而可独特的优点，可组成各种各样的电路，因而可应用在测量仪器、精密仪器、工业和医用电子应用在测量仪器、精密仪器、工业和医用电子仪器自动控制、遥控和遥测、各种通信装置、仪器自动控制、遥控和遥测、各种通信装置、计算机系统及农业电子设备等广阔领域。计算机系统及农业电子设备等广阔领域。光电传感与检测器课件6 光电位置敏感器件光电位置敏感器件 光光电电位位置置敏敏感感器器件件（PSD）是是一一种种对对其其感感光光面面上上入入射射光光点点位位置置敏敏感感的的光光电电器器件件。即即输输出出的的

123、电电信信号号随随入入射射光光点点落落在在器器件件感感光光面面的的不不同同位位置置而而变变化化，并并且且与与入入射射光光点点的的强强度度和和尺寸大小均无关，而只与入射光点的尺寸大小均无关，而只与入射光点的“重心重心”位置有关。位置有关。 一维一维PSD 二维二维PSD 光电传感与检测器课件 （1） 一维一维PSD 一维一维PSD为为PIN三层结构，其截面如下图所示。三层结构，其截面如下图所示。光电传感与检测器课件光电传感与检测器课件（2） 二维二维PSD 二维二维PSD有单面型和双面型两种形式。有单面型和双面型两种形式。 下下图图所所示示为为单单面面型型二二维维PSD，在在受受光光面面上上设设有

124、有两两对对电电极极，A、B为为x轴轴电电极极，E为为背背面面衬衬底底共共用用电电极极，用用它它可可对对正正面面各各电电极极进进行行反反偏偏置置。设设IAID为为电电极极AD的的光光电电流流，则光点能量中心的位置坐标为则光点能量中心的位置坐标为: 光电传感与检测器课件第第第第 3 3 3 3 章章章章 半导体光电检测器半导体光电检测器半导体光电检测器半导体光电检测器件及应用件及应用件及应用件及应用 3.1 3.1 3.1 3.1 真空光电器件真空光电器件真空光电器件真空光电器件 光电阴极光电阴极光电阴极光电阴极、光电管、光电管、光电管、光电管、 光电倍增管光电倍增管光电倍增管光电倍增管 （1 1

125、 1 1）光电倍增管的结构）光电倍增管的结构）光电倍增管的结构）光电倍增管的结构 （2 2 2 2）光电倍增管的工作原理）光电倍增管的工作原理）光电倍增管的工作原理）光电倍增管的工作原理 （3 3 3 3）光电倍增管的特性参数）光电倍增管的特性参数）光电倍增管的特性参数）光电倍增管的特性参数 （4 4 4 4）光电倍增管的供电电路）光电倍增管的供电电路）光电倍增管的供电电路）光电倍增管的供电电路 （5 5 5 5）光电倍增管的输出电路）光电倍增管的输出电路）光电倍增管的输出电路）光电倍增管的输出电路微通道板光电倍增管微通道板光电倍增管微通道板光电倍增管微通道板光电倍增管 3.2 3.2 3.2

126、 3.2 光电导器件光电导器件光电导器件光电导器件 光敏电阻、光敏电阻、光敏电阻、光敏电阻、 3.3 3.3 3.3 3.3 结型光电器件结型光电器件结型光电器件结型光电器件 光电池、光敏二极管、三极管、光电池、光敏二极管、三极管、光电池、光敏二极管、三极管、光电池、光敏二极管、三极管、 光电耦合器件、光电位置敏感器件光电耦合器件、光电位置敏感器件光电耦合器件、光电位置敏感器件光电耦合器件、光电位置敏感器件 电荷耦合器件、电荷耦合器件、电荷耦合器件、电荷耦合器件、 3.4 3.4 3.4 3.4 光热辐射检测器件光热辐射检测器件光热辐射检测器件光热辐射检测器件 光电传感与检测器课件 3.4 3

127、.4 光热辐射检测器件光热辐射检测器件 1 热探测器的一般原理热探测器的一般原理2 热释电探测器热释电探测器3 热敏电阻热敏电阻4 热电阻式传感器热电阻式传感器光电传感与检测器课件对热电探测器的分析可分为两步：对热电探测器的分析可分为两步：第第一一步步是是按按系系统统的的热热力力学学特特性性来来确确定定入入射射辐辐射射所所引引起起的的温度升高温度升高T T；第二步是根据温升来确定具体探测器输出信号的性能。第二步是根据温升来确定具体探测器输出信号的性能。第第一一步步对对各各种种热热电电探探测测器器件件都都适适用用，而而第第二二步步则则随随具具体体器器件件而而异异。首首先先讨讨论论第第一一步步的的

128、内内容容，第第二二步步在在讨论各种类型的探测器时再作分析。讨论各种类型的探测器时再作分析。 1 1 热探测器的一般原理热探测器的一般原理光电传感与检测器课件（1）热探测器吸收光辐射引起的温度变化）热探测器吸收光辐射引起的温度变化探测器吸收的辐射功率等于每秒中探测器温升所需能探测器吸收的辐射功率等于每秒中探测器温升所需能探测器吸收的辐射功率等于每秒中探测器温升所需能探测器吸收的辐射功率等于每秒中探测器温升所需能量和传导损失的能量量和传导损失的能量量和传导损失的能量量和传导损失的能量光电传感与检测器课件入射到热探测器的调制光功率为入射到热探测器的调制光功率为入射到热探测器的调制光功率为入射到热探测

129、器的调制光功率为代入微分方程中，得：代入微分方程中，得：代入微分方程中，得：代入微分方程中，得：直流分量：直流分量：直流分量：直流分量：交流分量：交流分量：交流分量：交流分量：响应时间：响应时间：响应时间：响应时间：光电传感与检测器课件（2）热探测器的极限探测率热探测器的极限探测率 根据斯忒番根据斯忒番- -玻耳兹曼定律，若器件的温度为玻耳兹曼定律，若器件的温度为T T，接收面积为，接收面积为A Ad d ，并可以将探测器近似为黑体（吸收系数与发射系数相等），当，并可以将探测器近似为黑体（吸收系数与发射系数相等），当它与环境处于热平衡时，单位时间所辐射的能量为它与环境处于热平衡时，单位时间所辐

130、射的能量为 由热导的定义由热导的定义 为为为为Stefan-BoltzmannStefan-Boltzmann常数常数常数常数, , 等于等于等于等于5.67105.6710-8-8 Wm Wm-2-2 K K-4-4 由噪声相关知识知，当热敏器件与环境温度处于平衡时，在频带由噪声相关知识知，当热敏器件与环境温度处于平衡时，在频带宽度内宽度内, ,由于辐射热导决定的热起伏功率由于辐射热导决定的热起伏功率( (即热躁声功率即热躁声功率) )光电传感与检测器课件温度噪声所引起的比探测率为：温度噪声所引起的比探测率为：温度噪声所引起的比探测率为：温度噪声所引起的比探测率为：只与探测器的温度有关只与探

131、测器的温度有关, ,理想热探测器的比探测率已理想热探测器的比探测率已接近或达到一般光子探测器。接近或达到一般光子探测器。 探测率是描述一个探测器性能的重要参数，探测探测率是描述一个探测器性能的重要参数，探测率定义为等效噪声功率（率定义为等效噪声功率（NEPNEP）的倒数。等效噪声功）的倒数。等效噪声功率是指：当信号电流或者电压与噪声的均方根电流率是指：当信号电流或者电压与噪声的均方根电流（或均方根电压）相等时，对应的入射辐通量（或均方根电压）相等时，对应的入射辐通量e e叫做叫做等效噪声功率。等效噪声功率。 例例如如，在在常常温温环环境境下下（T=300K），对对于于黑黑体体，热热敏敏器器件件

132、的的面面积积为为100mm2, 频频带带宽宽度度为为1 1，热热敏敏器器件件的的最最小小可可探探测测功功率率为为510510-11-11W W左右左右。（K=1.3810K=1.3810-23-23J/KJ/K，），）光电传感与检测器课件 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：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，工作频率接近具有较宽的频率响应，工作频率接近MHzMHz，远远超过其它热探，远远超过其它热探测器的工作频率。一般热探测器的时间常数典型值在测器的工作频率。一

133、般热探测器的时间常数典型值在10.01s10.01s范围范围内，而热释电器件的有效时间常数可低达内，而热释电器件的有效时间常数可低达1010-4 -4 310 310-5 -5 s s；热释电器件的探测率高，在热探测器中只有气动探测器的热释电器件的探测率高，在热探测器中只有气动探测器的D*D*才比热释电器件稍高，且这一差距正在不断减小；才比热释电器件稍高，且这一差距正在不断减小；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；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；与热敏电阻相比，它受环境温度变化的影

134、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。制造比较容易。 2 2 热释电探测器热释电探测器光电传感与检测器课件（1 1） 热释电效应热释电效应 a a热释电材料热释电材料极性晶类，晶体内正、极性晶类，晶体内正、极性晶类，晶体内正、极性晶类，晶体内正、负电荷中心并不重合，负电荷中心并不重合，负电荷中心并不重合，负电荷中心并不重合，晶体原子具有一定电晶体原子具有一定电晶体原子具有一定电晶体原子具有一定电矩；也就是说晶体本矩；也就是说晶体本矩；也就是说晶体本矩；也就是说晶体本身具有自发极化特性。身具有自发极化特性。

135、身具有自发极化特性。身具有自发极化特性。但介质中的电偶极子但介质中的电偶极子但介质中的电偶极子但介质中的电偶极子排列杂乱排列杂乱排列杂乱排列杂乱, , , ,宏观不显极宏观不显极宏观不显极宏观不显极性。性。性。性。光电传感与检测器课件b b热释电材料单畴极化热释电材料单畴极化对热释电材料施加直流电场自发极化矢对热释电材料施加直流电场自发极化矢量将趋向于一致排列（形成单畴极化），量将趋向于一致排列（形成单畴极化），总的电极化矢量总的电极化矢量 加大。当电场去掉后，加大。当电场去掉后，总的总的 仍能保持下来。仍能保持下来。光电传感与检测器课件由于保持下来的由于保持下来的 ，将在材料表面吸附表，将在

136、材料表面吸附表面电荷，其面电荷，其面电荷密度面电荷密度单畴化后的热电体，其电极化矢量单畴化后的热电体，其电极化矢量 值是温值是温度的函数度的函数光电传感与检测器课件 某些物质（如硫酸三甘肽、铌酸锂等）吸收光辐射后某些物质（如硫酸三甘肽、铌酸锂等）吸收光辐射后某些物质（如硫酸三甘肽、铌酸锂等）吸收光辐射后某些物质（如硫酸三甘肽、铌酸锂等）吸收光辐射后将其转换成热能，这个热能使晶体的温度升高，温度变化将其转换成热能，这个热能使晶体的温度升高，温度变化将其转换成热能，这个热能使晶体的温度升高，温度变化将其转换成热能，这个热能使晶体的温度升高，温度变化将引起居里温度以下的自发极化强度的变化，从而在晶体

137、将引起居里温度以下的自发极化强度的变化，从而在晶体将引起居里温度以下的自发极化强度的变化，从而在晶体将引起居里温度以下的自发极化强度的变化，从而在晶体的特定方向上引起表面电荷的变化，这就是热释电效应。的特定方向上引起表面电荷的变化，这就是热释电效应。的特定方向上引起表面电荷的变化，这就是热释电效应。的特定方向上引起表面电荷的变化，这就是热释电效应。 光辐射光辐射光辐射光辐射 TT 光辐射光辐射光辐射光辐射T T 极化强度矢量变化极化强度矢量变化极化强度矢量变化极化强度矢量变化 晶体表面上出晶体表面上出晶体表面上出晶体表面上出现所测量出的电荷现所测量出的电荷现所测量出的电荷现所测量出的电荷 c热

138、释电效应定义热释电效应定义光电传感与检测器课件 当当T T TcTc（居里温度时），单畴极化强（居里温度时），单畴极化强度消失度消失 0,0,热释电现象消失热释电现象消失即当即当T TTcTc时，才有热释电现象时，才有热释电现象居里温度居里温度TcTc评价热释电探测器的品质评价热释电探测器的品质因数，希望因数，希望TcTc越高越好。越高越好。d热释电材料最高工作温度热释电材料最高工作温度光电传感与检测器课件铁电体的自发极化强度铁电体的自发极化强度PS（单位面积上的电荷量）与温度的关系（单位面积上的电荷量）与温度的关系如图所示，随着温度的升高，极化强度减低，当温度升高到一定如图所示，随着温度的升

139、高，极化强度减低，当温度升高到一定值，自发极化突然消失，这个温度常被称为值，自发极化突然消失，这个温度常被称为“居里温度居里温度”或或“居居里点里点”。在居里点以下，极化强度。在居里点以下，极化强度P PS S是温度是温度T T的函数。利用这一关的函数。利用这一关系制造的热敏探测器称为热释电器件。系制造的热敏探测器称为热释电器件。光电传感与检测器课件注意注意：当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片时，：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，相当于热引起薄片温度升高，表面电荷减少，相当于热“释释放放”了部分电荷。释放的电荷可用放大器转变成电了部分电荷。释放的电荷可

140、用放大器转变成电压输出。如果辐射持续作用，表面电荷将达到新的压输出。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，也不再有电压信号输出。平衡，不再释放电荷，也不再有电压信号输出。因因此，热释电器件不同于其他光电器件，在恒定辐射此，热释电器件不同于其他光电器件，在恒定辐射作用的情况下输出的信号电压为零。只有在交变辐作用的情况下输出的信号电压为零。只有在交变辐射的作用下才会有信号输出。射的作用下才会有信号输出。 光电传感与检测器课件图（图（a a）所示的面电极结构中，）所示的面电极结构中，电极置于热释电晶体的前后电极置于热释电晶体的前后表面上表面上, , 其中一个电极位于其中一个电极位于

141、光敏面内。光敏面内。 这种电极结构的这种电极结构的电极面积较大，极间距离较电极面积较大，极间距离较少，因而极间电容较大，故少，因而极间电容较大，故其不适于高速应用。其不适于高速应用。图（图（b b）所示的边电极结构中，电极所在的平面与光敏面互相垂直，）所示的边电极结构中，电极所在的平面与光敏面互相垂直，电极间距较大，电极面积较小，因此极间电容较小。由于热释电器电极间距较大，电极面积较小，因此极间电容较小。由于热释电器件的响应速度受极间电容的限制，因此，在高速运用时以极间电容件的响应速度受极间电容的限制，因此，在高速运用时以极间电容小的边电极为宜。小的边电极为宜。 （2 2）热释电探测器的电路连

142、）热释电探测器的电路连）热释电探测器的电路连）热释电探测器的电路连接接接接光电传感与检测器课件（3 3） 热释电探测器的工作原理分热释电探测器的工作原理分热释电探测器的工作原理分热释电探测器的工作原理分析析析析 当红外辐射照射到已有自发极化强度的热释电晶体上时，引当红外辐射照射到已有自发极化强度的热释电晶体上时，引当红外辐射照射到已有自发极化强度的热释电晶体上时，引当红外辐射照射到已有自发极化强度的热释电晶体上时，引起晶体的温度升高，而导致表面电荷减少，这相当于起晶体的温度升高，而导致表面电荷减少，这相当于起晶体的温度升高，而导致表面电荷减少，这相当于起晶体的温度升高，而导致表面电荷减少，这相

143、当于“ “释放释放释放释放” ”了了了了一部分电荷，释放的电荷可以用放大器转变成输出电压。如果红一部分电荷，释放的电荷可以用放大器转变成输出电压。如果红一部分电荷，释放的电荷可以用放大器转变成输出电压。如果红一部分电荷，释放的电荷可以用放大器转变成输出电压。如果红外辐射继续照射使晶体的温度升高到新的平衡值，那么这时候表外辐射继续照射使晶体的温度升高到新的平衡值，那么这时候表外辐射继续照射使晶体的温度升高到新的平衡值，那么这时候表外辐射继续照射使晶体的温度升高到新的平衡值，那么这时候表面电荷也就达到新的平衡浓度，不再释放电荷，也就不再有输出面电荷也就达到新的平衡浓度，不再释放电荷，也就不再有输出

144、面电荷也就达到新的平衡浓度，不再释放电荷，也就不再有输出面电荷也就达到新的平衡浓度，不再释放电荷，也就不再有输出信号。信号。信号。信号。热释电探测器的电极面积为热释电探测器的电极面积为热释电探测器的电极面积为热释电探测器的电极面积为A Ad d，P Ps s为热释电晶体的极化矢量为热释电晶体的极化矢量为热释电晶体的极化矢量为热释电晶体的极化矢量改变上式，得：改变上式，得：改变上式，得：改变上式，得：热释电探测器输出电流：热释电探测器输出电流：热释电探测器输出电流：热释电探测器输出电流：热释热释热释热释电系电系电系电系数数数数a a、热释电探测器的输出电流、热释电探测器的输出电流、热释电探测器的

145、输出电流、热释电探测器的输出电流光电传感与检测器课件b b、热释电探测器的输出电压、热释电探测器的输出电压、热释电探测器的输出电压、热释电探测器的输出电压 如果将热释电探测器跨接到放大器的输入端，等效电路图为如果将热释电探测器跨接到放大器的输入端，等效电路图为如果将热释电探测器跨接到放大器的输入端，等效电路图为如果将热释电探测器跨接到放大器的输入端，等效电路图为当沿着垂直于当沿着垂直于当沿着垂直于当沿着垂直于P P P Ps s s s的方向将晶体切成薄片，并在表面淀积金属电的方向将晶体切成薄片，并在表面淀积金属电的方向将晶体切成薄片，并在表面淀积金属电的方向将晶体切成薄片，并在表面淀积金属电

146、极时，随着温度的变化，两电极间就会出现一个与热释电系数极时，随着温度的变化，两电极间就会出现一个与热释电系数极时，随着温度的变化，两电极间就会出现一个与热释电系数极时，随着温度的变化，两电极间就会出现一个与热释电系数和温度变化速率成正比的电压和温度变化速率成正比的电压和温度变化速率成正比的电压和温度变化速率成正比的电压光电传感与检测器课件热探测器等效负载电阻为：热探测器等效负载电阻为：热探测器等效负载电阻为：热探测器等效负载电阻为：R RL L模值为：模值为：模值为：模值为：热释电探测器的温度热释电探测器的温度热释电探测器的温度热释电探测器的温度T T表示为：表示为：表示为：表示为：光电传感与

147、检测器课件温度的变化率为：温度的变化率为：温度的变化率为：温度的变化率为：将温度变化率和负载电阻将温度变化率和负载电阻将温度变化率和负载电阻将温度变化率和负载电阻R RL L代入输出电压中，得：代入输出电压中，得：代入输出电压中，得：代入输出电压中，得：则电压幅值为：则电压幅值为：则电压幅值为：则电压幅值为：由：由：由：由：得电压幅值为：得电压幅值为：得电压幅值为：得电压幅值为：光电传感与检测器课件（4） 热释电探测器的结构热释电探测器的结构热释电外形和内部结构如图所示。实用的热释电由敏感元件、场效热释电外形和内部结构如图所示。实用的热释电由敏感元件、场效热释电外形和内部结构如图所示。实用的热

148、释电由敏感元件、场效热释电外形和内部结构如图所示。实用的热释电由敏感元件、场效应管、高阻电阻、滤波片等组成，并向壳内充入氮气封装起来。敏应管、高阻电阻、滤波片等组成，并向壳内充入氮气封装起来。敏应管、高阻电阻、滤波片等组成，并向壳内充入氮气封装起来。敏应管、高阻电阻、滤波片等组成，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光电传感与检测器课件当当当当=0=0时，入射光功率恒定，时

149、，入射光功率恒定，时，入射光功率恒定，时，入射光功率恒定，电压响应率为零，说明热释电电压响应率为零，说明热释电电压响应率为零，说明热释电电压响应率为零，说明热释电探测器对恒定辐射不响应。探测器对恒定辐射不响应。探测器对恒定辐射不响应。探测器对恒定辐射不响应。当当当当 1/1/ HH或或或或1/1/ E E时，电压响应时，电压响应时，电压响应时，电压响应率与调制频率成正比率与调制频率成正比率与调制频率成正比率与调制频率成正比当当当当1/1/ HH 1/ 1/ E E或或或或1/1/ E E 1/1/ HH时，电压响应率与调制频时，电压响应率与调制频时，电压响应率与调制频时，电压响应率与调制频率无

150、关率无关率无关率无关（5） 热释电探测器的特性热释电探测器的特性A A、响应率、响应率、响应率、响应率光电传感与检测器课件当当当当 1/1/ HH或或或或1/1/ E E时，时，时，时，电压响应率与调制频率成反比，由电压响应率与调制频率成反比，由电压响应率与调制频率成反比，由电压响应率与调制频率成反比，由 E E=RC=RC， H H=H/G,=H/G,得：得：得：得：减小热释电探测器的有效电容和热容有利于提高高频响应减小热释电探测器的有效电容和热容有利于提高高频响应减小热释电探测器的有效电容和热容有利于提高高频响应减小热释电探测器的有效电容和热容有利于提高高频响应由热容由热容由热容由热容H=

151、cdAH=cdAd d, ,电容电容电容电容C C为为为为光电传感与检测器课件 热释电探测器的噪声主要来自于温度噪声和热噪声热释电探测器的噪声主要来自于温度噪声和热噪声热释电探测器的噪声主要来自于温度噪声和热噪声热释电探测器的噪声主要来自于温度噪声和热噪声B B、噪声等效功率、噪声等效功率、噪声等效功率、噪声等效功率温度噪声温度噪声温度噪声温度噪声温度噪声功率均方根值为：温度噪声功率均方根值为：温度噪声功率均方根值为：温度噪声功率均方根值为：光电传感与检测器课件由温度噪声所产生的温度噪声电压为：由温度噪声所产生的温度噪声电压为：由温度噪声所产生的温度噪声电压为：由温度噪声所产生的温度噪声电压为

152、：温度噪声与频率的关系和电压响应率与频率的关系相同，温温度噪声与频率的关系和电压响应率与频率的关系相同，温温度噪声与频率的关系和电压响应率与频率的关系相同，温温度噪声与频率的关系和电压响应率与频率的关系相同，温度噪声的频谱与热探测器的频率响应特性时一致的度噪声的频谱与热探测器的频率响应特性时一致的度噪声的频谱与热探测器的频率响应特性时一致的度噪声的频谱与热探测器的频率响应特性时一致的温度噪声所引起的等效噪声功率为：温度噪声所引起的等效噪声功率为：温度噪声所引起的等效噪声功率为：温度噪声所引起的等效噪声功率为：光电传感与检测器课件热噪声电压为热噪声电压为 当e 1时，上式可简化为 22表明热噪声

153、电压随调制频率的升高而下降。表明热噪声电压随调制频率的升高而下降。 式中，式中，k k为波耳兹曼常数，为波耳兹曼常数，T TR R为器件的温度，为器件的温度，f f为系统的带宽。为系统的带宽。 = 4 kTRf /Reff 电阻的热噪声来自晶体的介电损耗和与探测器的并联电阻。电阻的热噪声来自晶体的介电损耗和与探测器的并联电阻。若等效电阻为若等效电阻为R Reffeff，则热噪声电流的方均值为，则热噪声电流的方均值为热噪声热噪声光电传感与检测器课件C C C C、响应时间、响应时间、响应时间、响应时间响应度高端半功率点取决于响应度高端半功率点取决于1/1/H H 或或 1/1/E E中较大的一个

154、，因而按通常的响应时中较大的一个，因而按通常的响应时间定义，间定义，H H 和和E E中较小的一个为热释电探测器的响应时间。通常中较小的一个为热释电探测器的响应时间。通常H H较大，较大，而而E E与负载电阻有关，多在几秒到几个微秒之间。随着负载的减小与负载电阻有关，多在几秒到几个微秒之间。随着负载的减小, ,E E变小，变小，灵敏度也相应减小。灵敏度也相应减小。 D D D D、热释电探测器的阻抗特性、热释电探测器的阻抗特性、热释电探测器的阻抗特性、热释电探测器的阻抗特性热释电的输出阻抗很高，可达热释电的输出阻抗很高，可达热释电的输出阻抗很高，可达热释电的输出阻抗很高，可达101010101

155、2121212以上，并且其输出电压非常微以上，并且其输出电压非常微以上，并且其输出电压非常微以上，并且其输出电压非常微弱，因此需要进行阻抗变换和信号放大。弱，因此需要进行阻抗变换和信号放大。弱，因此需要进行阻抗变换和信号放大。弱，因此需要进行阻抗变换和信号放大。图为热释电的输出电路，图为热释电的输出电路，图为热释电的输出电路，图为热释电的输出电路，选择具有高输入阻抗以选择具有高输入阻抗以选择具有高输入阻抗以选择具有高输入阻抗以及低噪声的场效应管作及低噪声的场效应管作及低噪声的场效应管作及低噪声的场效应管作前置放大器，前置放大器，前置放大器，前置放大器，R R R R是负载需是负载需是负载需是负

156、载需外接。外接。外接。外接。光电传感与检测器课件（6）常用的热释电探测器）常用的热释电探测器 硫酸三甘肽（硫酸三甘肽（TGSTGS）晶体热释电器件）晶体热释电器件 掺掺丙丙乙乙酸酸的的TGS（LATGS）具具有有很很好好的的锁锁定定极极化化特特点点。温温度度由由居居里里温温度度以以上上降降到到室室温温，仍仍无无退退极极化化现现象象。它它的的热热释释电电系系数数也也有有所所提提高高。掺掺杂杂后后TGS晶晶体体的的介介电电损损耗耗减减小小，介介电电常常数数下下降降。前前者者降降低低了了噪噪声声，后后者者改改进进了了高高频频特特性性。在在低低频频情情况况下下，这这种种热热释释电电器器件件的的NEP为

157、为41011 W/Hz-1/2，相相应应的的D*值值为为5109cmHz1/2W1。它它不不仅仅灵灵敏敏度度高高，而而且且响响应应速速度度也很快。也很快。 它在室温下的热释电系数较大，介电常数较小，它在室温下的热释电系数较大，介电常数较小，比探测比探测率率D*值较高值较高D*(500, 10 ,1) 15109cmHz1/2W1。在。在较宽的频较宽的频率范围内，这类探测器的灵敏度较高，因此，至今仍是广泛率范围内，这类探测器的灵敏度较高，因此，至今仍是广泛应用的热辐射探测器件。应用的热辐射探测器件。 TGSTGS可在室温下工作，具有光谱响可在室温下工作，具有光谱响应宽、灵敏度高等优点，是一种性能

158、优良的红外探测器，广应宽、灵敏度高等优点，是一种性能优良的红外探测器，广泛应用红外光谱领域。泛应用红外光谱领域。光电传感与检测器课件 这种热释电器件由于材料中钡含量的提高而使居里温度相应提这种热释电器件由于材料中钡含量的提高而使居里温度相应提高。例如，钡含量从高。例如，钡含量从0.25增加到增加到0.47，其居里温度相应从，其居里温度相应从47C提高提高到到115C。SBN探测器在大气条件下性能稳定，无需窗口材料，电探测器在大气条件下性能稳定，无需窗口材料，电阻率高，热释电系数大，机械强度高，在红外波段吸收率高，可不阻率高，热释电系数大，机械强度高，在红外波段吸收率高，可不必涂黑。工作在必涂黑

159、。工作在500MHz也不出现压电谐振，可用于快速光辐射的也不出现压电谐振，可用于快速光辐射的探测。但探测。但SNB晶体在钡含量晶体在钡含量x0.6时，晶体在生长过程会开裂。时，晶体在生长过程会开裂。 在在SNB中掺少量中掺少量La2O2可提高其热释电系数，掺杂的可提高其热释电系数，掺杂的SBN热释热释电器件无退极化现象，电器件无退极化现象，D*(500, 10 ,1) 达达8.0108cmHz1/2W1。掺。掺镧后其居里温度有所降低，但极化仍很稳定，损耗也有所改善。镧后其居里温度有所降低，但极化仍很稳定，损耗也有所改善。 铌酸锶钡铌酸锶钡 (SBN)(SBN)光电传感与检测器课件 这种热释电器

160、件具有很吸引人的特性。在室温下它的热释电响这种热释电器件具有很吸引人的特性。在室温下它的热释电响应约为应约为TGSTGS的一半，但在低于零度或高于的一半，但在低于零度或高于45C45C时都比时都比TGSTGS好。好。 该器该器件的居里温度件的居里温度Tc高达高达620C，室温下的响应率几乎不随温度变化，室温下的响应率几乎不随温度变化，可在很高的环境温度下工作；且能够承受较高的辐射能量，不退极可在很高的环境温度下工作；且能够承受较高的辐射能量，不退极化；它的物理化学性质稳定，不需要保护窗口；机械强度高；响应化；它的物理化学性质稳定，不需要保护窗口；机械强度高；响应快（时间常数为快（时间常数为13

161、10-12s，极限为，极限为110-12s；）；适于探测高速光脉；）；适于探测高速光脉冲。已用于测量峰值功率为几个千瓦，上升时间为冲。已用于测量峰值功率为几个千瓦，上升时间为100ps的的Nd:YAG激光脉冲。其激光脉冲。其D*（500, 30, 1）达）达8.5108cmHz1/2W1。 钽酸锂（钽酸锂（LiTaO3LiTaO3） 光电传感与检测器课件 压电陶瓷热释电器件压电陶瓷热释电器件 压电陶瓷器件的特点是热释电系数压电陶瓷器件的特点是热释电系数较大，介电常数较大，介电常数也较大，也较大，二者的比值并不高。其机械强度高、物理化学性能稳定、电阻率二者的比值并不高。其机械强度高、物理化学性能

162、稳定、电阻率可以控制；能承受的辐射功率超过可以控制；能承受的辐射功率超过LiTaO3热释电器件；居里温度热释电器件；居里温度高，不易退极化。例如，锆钛酸铅热释电器件的高，不易退极化。例如，锆钛酸铅热释电器件的Tc高达高达365，D*（500，1，1）高达）高达7108cmHz1/2W1。此外，这种热释电器。此外，这种热释电器件容易制造，成本低廉。件容易制造，成本低廉。 光电传感与检测器课件 聚合物热释电器件聚合物热释电器件 有机聚合物热释电材料的导热小，介电常数也小；易于加工成有机聚合物热释电材料的导热小，介电常数也小；易于加工成任意形状的薄膜；其物理化学性能稳定，造价低廉；虽然热释电系任意形

163、状的薄膜；其物理化学性能稳定，造价低廉；虽然热释电系数数不大，但介电系数不大，但介电系数也小，所以比值也小，所以比值并不小。在聚合物热释并不小。在聚合物热释电材料中较好的有聚二氟乙烯（电材料中较好的有聚二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（）、聚氟乙烯（PVF）及聚氟）及聚氟乙烯和聚四氟乙烯等共聚物。利用乙烯和聚四氟乙烯等共聚物。利用PVF2薄膜已得到薄膜已得到D*（500，10，1）达）达108cmHz1/2W1。 快速热释电探测器快速热释电探测器 如前所述，由于热释电器件的输出阻抗高，因此需要配以高阻如前所述，由于热释电器件的输出阻抗高，因此需要配以高阻抗负载，因而其时间常数较大，即响应时间较长

164、。这样的热释电器抗负载，因而其时间常数较大，即响应时间较长。这样的热释电器件不适于探测快速变化的光辐射。即使使用补偿放大器，其高频响件不适于探测快速变化的光辐射。即使使用补偿放大器，其高频响应也仅为应也仅为103Hz量级。量级。 光电传感与检测器课件 近年来发展了快速热释电器件。快速热释电器件一般都设计成近年来发展了快速热释电器件。快速热释电器件一般都设计成同轴结构，将光敏元置于阻抗为同轴结构，将光敏元置于阻抗为50的同轴线的一端，采用面电极的同轴线的一端，采用面电极结构时，时间常数可达到结构时，时间常数可达到1ns左右，采用边电极结构时，时间常数左右，采用边电极结构时，时间常数可降至几个可降

165、至几个ps。图所示为一种快速热释电探测器的结构原理图。光。图所示为一种快速热释电探测器的结构原理图。光敏元件是敏元件是SBN晶体薄片，采用边电极结构，电极晶体薄片，采用边电极结构，电极Au的厚度为的厚度为0.1m，衬底采用，衬底采用Al2O3或或BeO陶瓷等导热良好的材料。输出用陶瓷等导热良好的材料。输出用SMA/BNC高频接头。这种结构的热释电探测器的响应时间为高频接头。这种结构的热释电探测器的响应时间为13ps，其最低极限值受晶格振动弛豫时间的限制，其最低极限值受晶格振动弛豫时间的限制，约为约为1ps。不采用同轴结构而采用一般的管。不采用同轴结构而采用一般的管脚引线封装结构，热释电探测器的

166、频响带脚引线封装结构，热释电探测器的频响带宽已扩展到几十兆赫。快速热释电器件常宽已扩展到几十兆赫。快速热释电器件常用来测量大功率脉冲激光，需要能承受大用来测量大功率脉冲激光，需要能承受大功率辐射，为此应选用损伤阈值高的热释功率辐射，为此应选用损伤阈值高的热释电材料和高热导的衬底材料制造。电材料和高热导的衬底材料制造。 光电传感与检测器课件3 热敏电阻热敏电阻 热敏电阻是一种电阻值随其电阻体的温度变化热敏电阻是一种电阻值随其电阻体的温度变化呈显著变化的热敏感电阻。它多由呈显著变化的热敏感电阻。它多由金属氧化物半导金属氧化物半导体材料体材料制成。也有由制成。也有由单晶半导体单晶半导体、玻璃玻璃和和

167、塑料塑料制成制成的。由于热敏电阻具有体积小、结构简单、灵敏度的。由于热敏电阻具有体积小、结构简单、灵敏度高、稳定性好、易于实现远距离测量和控制等优点，高、稳定性好、易于实现远距离测量和控制等优点，所以广泛应用于测温、控温、温度补偿、报警等领所以广泛应用于测温、控温、温度补偿、报警等领域。域。 热敏电阻分为负温度系数（热敏电阻分为负温度系数（NTC）热敏电阻、）热敏电阻、正温度系数（正温度系数（PTC）热敏电阻和开关型热敏电阻，）热敏电阻和开关型热敏电阻，前两者电阻率随温度的变化一般是指数规律。前两者电阻率随温度的变化一般是指数规律。光电传感与检测器课件（1）热敏电阻温度特性原理）热敏电阻温度特

168、性原理 实验表明在一定温度范围内，半导体的电阻率实验表明在一定温度范围内，半导体的电阻率和绝对温度和绝对温度 T 之间的关系为之间的关系为式中式中A1与与B对于同一种半导体材料为常量，其数值对于同一种半导体材料为常量，其数值与材料的物理性质有关。与材料的物理性质有关。 光电传感与检测器课件对于截面均匀的热敏电阻，其电阻值对于截面均匀的热敏电阻，其电阻值RT可以根据电可以根据电阻定律写为阻定律写为式中式中l 为两电极间距离，为两电极间距离，s为热敏电阻的横截面。为热敏电阻的横截面。 对某一特定电阻而言，对某一特定电阻而言，A与与B均为常数，用实验均为常数，用实验方法可以测定。方法可以测定。为了便

169、于数据处理，将上式两边取为了便于数据处理，将上式两边取对数，则有对数，则有 光电传感与检测器课件热敏电阻温度系数的定义式为热敏电阻温度系数的定义式为 ：不仅与材料常数有关，还与温度有关，低温段不仅与材料常数有关，还与温度有关，低温段比高温段更灵敏。比高温段更灵敏。光电传感与检测器课件半导体热敏电阻的特性研究半导体热敏电阻的特性研究半导体热敏电阻的特性研究半导体热敏电阻的特性研究n（2） 直流电桥测热敏电阻电路原理直流电桥测热敏电阻电路原理GABCDR1R2RxR3I1I2EKk1k2Rb R1、R2、R3和和Rx连成四边形，称为电连成四边形，称为电桥的四臂。桥的四臂。G为捡流为捡流计，计，Rb

170、为保护电阻，为保护电阻，k2为保护开关。当为保护开关。当C、D之间的电位相等时，桥路中的电流之间的电位相等时，桥路中的电流Ig等于零，捡等于零，捡流计流计G的指针指零，此时电桥处于平衡状态。的指针指零，此时电桥处于平衡状态。Kr为倍率，为倍率，R3为比较电阻。为比较电阻。Rx为待测电阻（为待测电阻（RT）。）。光电传感与检测器课件光电传感与检测器课件4 热电阻式传感器（1） (金属)热电阻（2）(半导体)热敏电阻（3）热电阻式传感器的应用 光电传感与检测器课件（1） 金属热电阻热电阻电阻体（最主要部分）绝缘套管接线盒作为热电阻的材料要求（特征）： 1）电阻与温度变化具有良好的线性关系； 2）

171、电 阻 温 度 系 数 大 ， 便 于 精 确 测 量 ， （ 以 提 高 热 电 阻 的 灵 敏 度）； 3）电阻率高，热容量小，反应速度快。 4）在测量范围内具有稳定的物理和化学性能； 5）应有良好的可加工性，且价格便宜。使用最广泛的热电阻材料是铂和铜，低温测量中是常用铟、锰、碳等制成的热电阻。光电传感与检测器课件热电阻的结构热电阻的结构普普通通工工业业用用热热电电阻阻式式温温度度传传感感器器光电传感与检测器课件常用热电阻常用热电阻 铂热电阻 铂电阻的电阻率较大，电阻温度关系呈非线性，测温范围广，精度高，且材料易提纯，复现性好；物理、化学性质都很稳定。因此主要用来作为复现温标的基准器当 时

172、 当 时 Rt为温度为t时的电阻值; R0为温度为0时的电阻值; A、B、C为常数, A=3.96847X10-3-1； B=-5.847X10-7 -2; C=-4.22X10-12 -4。 光电传感与检测器课件铜热电阻应 用：测量精度要求不高且温度较低的场合测量范围：50150优 点：温度范围内线性关系好，灵敏度比铂电阻高，容易提纯、加工，价格便宜，复制性能好。缺 点：易于氧化，一般只用于150以下的低温测量和没有水分及无侵蚀性介质的温度测量。与铂相比，铜的电阻率低，所以铜电阻的体积较大。光电传感与检测器课件铜电阻的阻值与温度之间的关系为：当时，Rt=R0(1+at)Rt温度为t时的电阻值

173、;R0为温度0时的电阻值;a为温度为0时的电阻温度系数。光电传感与检测器课件铜热电阻结构示意图 铂热电阻结构示意图 光电传感与检测器课件铜热电阻光电传感与检测器课件（2） 半导体热敏电阻定 义 ： 热 敏 电 阻 是 一 种 利 用 半 导 体 的 电 阻 值 随 温 度 显著变化的特性制成，由金属氧化物和化合物按不同的配方比例烧结的敏感元件。优 点： (1) 热敏电阻的温度系数比金属大（49倍） (2) 电阻率大，体积小，热惯性小，适于测量点、表面温度及快速变化的温度。 (3) 结构简单、机械性能好。缺点：线性度较差，复现性和互换性较差。光电传感与检测器课件热敏电阻分类：正温度系数(PTC)

174、负温度系数(NTC) 临界温度系数(CTR)热敏电阻典型特性热敏电阻典型特性 光电传感与检测器课件PTC热敏电阻正温度系数 钛酸钡掺合稀土元素烧结而成 用途：彩电消磁，各种电器设备的过热保护， 发热源的定温控制，限流元件。 CTR热敏电阻负温度系数 以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化 物的弱还原气氛中混合烧结而成 用途：温度开关。 NTC热敏电阻很高的负电阻温度系数 主要由Mn、Co、Ni、Fe、Cu等过渡金属氧化物 混合烧结而成 应用：点温、表面温度、温差、温场等测量 自动控制及电子线路的热补偿线路光电传感与检测器课件 热敏电阻的主要特性热敏电阻的主要特性 温度特性伏安特性光电传感与

175、检测器课件温度特性温度特性NTC型热敏电阻，在较小的温度范围内，电阻型热敏电阻，在较小的温度范围内，电阻-温度特性温度特性 式中式中 RT , R0热敏电阻在绝对温度热敏电阻在绝对温度T，T0时的阻值时的阻值()； T0, T 介质的起始温度和变化温度（介质的起始温度和变化温度（K）；）； t0 , t 介质的起始温度和变化温度（介质的起始温度和变化温度（）；）； B 热敏电阻材料常数，一般为热敏电阻材料常数，一般为20006000K， 其大小取决于热敏电阻的材料。其大小取决于热敏电阻的材料。光电传感与检测器课件若已知两个电阻值以及相应的温度值，就可求得若已知两个电阻值以及相应的温度值，就可求

176、得B值。值。一般取一般取20和和100时的电阻时的电阻R20 和和R100计算计算B值，值，即将即将T=373K，T0=293K代入上式，则代入上式，则将将B值及值及R0=R20 代入式就确定了热敏电阻的温度特性代入式就确定了热敏电阻的温度特性: 光电传感与检测器课件 B和和值是表征热敏电阻材料性能的两个重要参数，值是表征热敏电阻材料性能的两个重要参数，热敏电阻的电阻温度系数比金属丝的高很多，热敏电阻的电阻温度系数比金属丝的高很多，所以它的灵敏度很高。所以它的灵敏度很高。热敏电阻的电阻温度系数热敏电阻的电阻温度系数热敏电阻在其本身温度变化1时，电阻值的相对变化量光电传感与检测器课件伏安特性在稳

177、态情况下，通过热敏电阻的电流I与其两端的电压U之间的关系， 光电传感与检测器课件伏安特性当流过热敏电阻的电流很小时:不足以使之加热。电阻值只决定于环境温度，伏安特性是直线，遵循欧姆定律。主要用来测温。当电流增大到一定值时：流过热敏电阻的电流使之加热，本身温度升高，出现负阻特性。因电阻减小，即使电流增大，端电压反而下降。其所能升高的温度与环境条件(周围介质温度及散热条件)有关。当电流和周围介质温度一定时，热敏电阻的电阻值取决于介质的流速、流量、密度等散热条件。可用它来测量流体速度和介质密度。光电传感与检测器课件 热敏电阻的结构热敏电阻的结构构成：热敏探头、引线、壳体二端和三端器件：为直热式，即热

178、敏电阻直接由连接的电路获得功率；四端器件：旁热式光电传感与检测器课件热敏电阻的结构形式 光电传感与检测器课件 热敏电阻的主要参数 标称电阻值RH 在环境温度为250.2时测得的电阻值，又称冷电阻。其大小取决于热敏电阻的材料和几何尺寸。 耗散系数H 指热敏电阻的温度与周围介质的温度相差1时热敏电阻所耗散的功率，单位为mW /； 热容量C 热敏电阻的温度变化1所需吸收或释放的热量，单位为J；光电传感与检测器课件 能量灵敏度G （W）使热敏电阻的阻值变化1所需耗散的功率。 时间常数 温度为T0的热敏电阻突然置于温度为T 的介质中，热敏电阻的温度增量T= 0.63 (TT0) 时所需的时间。 额定功率

179、PE 在标准压力（750mmHg）和规定的最高环境温度下，热敏电阻长期连续使用所允许的耗散功率，单位为W。在实际使用时，热敏电阻所消耗的功率不得超过额定功率 光电传感与检测器课件热电阻式传感器的应用、金属热电阻传感器 200+500范围的温度测量 特点：精度高、适于测低温。、半导体热敏电阻传感器应用范围很广，可在宇宙航船、医学、工业及家用电器等方面用作测温、控温、温度补偿、流速测量、液面指示等。 光电传感与检测器课件、金属热电阻传感器工业广泛使用，200+500范围温度测量。在特殊情况下，测量的低温端可达3.4K，甚至更低，1K左右。高温端可测到1000。温度测量的特点：精度高、适于测低温。传

180、感器的测量电路：经常使用电桥 精度较高的是自动电桥。为消除由于连接导线电阻随环境温度变化而造成的测量误差，常采用三线制和四线制连接法。光电传感与检测器课件三线制三线制 热电阻测温电桥的三线制接法热电阻测温电桥的三线制接法 工业用热电阻一般采用三线制工业用热电阻一般采用三线制 G检流计，检流计，R1 ，R2 ，R3固定电阻，固定电阻，R a零位调节电阻，零位调节电阻， R t 热电阻热电阻光电传感与检测器课件四线制接法四线制接法 热电阻测温电桥的四线制接法热电阻测温电桥的四线制接法 精密测量中，采用四线制接法精密测量中，采用四线制接法 光电传感与检测器课件（3）热敏电阻传感器的应用 温度测量 流

181、量测量 温度补偿 温度控制上一页下一页返 回光电传感与检测器课件 温度测量温度测量 热敏电阻点温计热敏电阻点温计 光电传感与检测器课件 流量测量利用热敏电阻上的热量消耗和介质流速的关系可以测量流量、流速、风速等 热热敏敏电电阻阻流流量量计计 光电传感与检测器课件 温度补偿温度补偿仪仪表表中中的的电电阻阻温温度度补补偿偿电电路路 金属一般具有正的温度系数，金属一般具有正的温度系数，采用负温度系数的热敏电阻进行补偿，采用负温度系数的热敏电阻进行补偿，可以抵消由于温度变化所产生的误差可以抵消由于温度变化所产生的误差 光电传感与检测器课件(4) 温度控制温度控制简简易易温温度度控控制制器器 光电传感与检测器课件光电传感与检测器课件光电传感与检测器课件