《光电技术》PPT课件.ppt

把光辐射量转换成另一种便于测量的物理量如电量(因方便、准确)，这样的器件叫光辐射探测器，又叫光电探测器。,光辐射探测器的物理效应主要是：光热效应和光子效应。,指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光子能量的大小，直接影响内部电子状态的改变。,特点光子效应对光波频率表现出选择性，响应速度一般比较快。,光子效应：,探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升,温升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。,特点原则上对光波频率没有选择性，响应速度一般比较慢。,光热效应：,在红外波段上，材料吸收率高，光热效应就更强烈，故广泛用于对红外线辐射的探测。,麻雀精神.ppt,勤学.辍学.ppt,光电效应是物质吸收光子（h）的能量，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。,由于物质的结构和性能不同，以及光和物质的作用条件不同，光电效应分为内光电效应和外光电效应。,内光电效应如光电导效应、光伏效应；外光电效应例如光电发射效应。,现代许多光电器件都是由半导体材料制作的，掌握一些半导体的基本知识，对于正确理解光电器件的原理、特征及其正确选用是十分重要的。,在第一章中，已经介绍了半导体材料及其能带理论，下面首先介绍半导体中载流子的相关知识。,一、半导体中的载流子,半导体中，能参与导电的自由电子和自由空穴统称为载流子。单位体积内的载流子数称为载流子浓度。,在本征半导体中，自由电子浓度 ni 等于自由空穴浓度pi。本征半导体的导电性能与载流子浓度 ni 密切相关，ni 大，导电性就高。ni 随温度的升高而增加，随禁带宽度的增加而减小。载流子增多，导电性增强。,在N型半导体中，电子浓度nn远大于空穴浓度pn。即电子是多数载流子（简称多子），空穴是少数载流子（简称少子）。室温下可以认为：（施主浓度）。,在P型半导体中，电子浓度np远小于空穴浓度pp，即空穴为多子，电子为少子。全电离时，（受主浓度）。,1、热平衡状态下的载流子浓度,热平衡条件下，根据费米公式可得出导带中的电子浓度和价带中的空穴浓度公式如下：,式中，Nc是导带有效能态密度，Nv是价带有效能态密度。,上两式说明自由电子浓度和自由空穴浓度都是温度的函数。在温度一定时与费米能级位置呈指数关系。,如果把上两式相乘，可得：,在本征半导体中，自由电子浓度等于自由空穴浓度，故：此为平衡态判据。,掺杂半导体中，多子浓度约为所掺杂质原子的浓度NA或ND，故少子浓度为：或,2、非平衡状态下的载流子,在热平衡态下载流子浓度是恒定的，但若外界条件发生变化，如光照、外电场作用等，载流子浓度就随之发生变化。,（1）半导体对光的吸收,本征吸收,本征半导体吸收光子能量使价带中的电子激发到导带，这一过程称为本征吸收。此时载流子浓度比热平衡下浓度要大，增加的载流子称为光生载流子。,产生本征吸收的条件是，入射光子的能量至少要等于材料的禁带宽度：,或,h普朗克常数；c光速；光波长。,最小光子能量为：,式中波长为长波限。由下列公式计算：,杂质吸收,掺有杂质的半导体在光照下，中性施主的束缚电子可以吸收光子而跃迁到导带，同样，中性受主的束缚空穴亦可以吸收光子而跃迁到价带，这种吸收称为杂质吸收。,显然，引起杂质吸收的光子的最小能量应等于杂质的电离能。和本征吸收一样，杂质吸收也存在着波长阈值。不过一般杂质电离能都比禁带宽度小得多。,杂质吸收的长波限为：,式中，Ed为施主电离能；Ea为受主电离能。,其它吸收还有自由载流子吸收、激子吸收、晶格吸收等。这些吸收很大程度上是将能量转换成热能，增加热激发载流子浓度。,（2）光致非平衡载流子,半导体受光照，产生光生载流子。这时，自由载流子浓度就比热平衡时的浓度要大，即打破了原来的平衡。若停止光照，光生载流子就不再产生，载流子浓度因电子与空穴复合而逐渐减小，又恢复到热平衡。,若无光照时载流子的浓度为p和n，加光照后载流子浓度的增量为p 和n，p=n。,通常热平衡下多子浓度约为1015cm-3，少子浓度约为104cm-3。光照时，p、n约为1010cm-3。,可见，光照时多子浓度几乎不变，少子浓度却大大增强，故一切半导体光电器件对光的响应是少子的行为。,只要有自由电子和空穴，载流子复合过程就存在。光生载流子停留在自由状态的时间即平均生存时间称为光生载流子的寿命。它是一重要参量，表征复合强弱和决定光电器件的时间特性。,3、载流子的扩散与漂移,（1）扩散,载流子因浓度不均匀而发生的定向运动称为扩散。,当材料的局部受到光照时，材料吸收光子产生光生载流子，在这局部位置的载流子浓度就比平均浓度要高。这时电子将从浓度高的点向浓度低的点运动，使自己在晶体中重新达到均匀分布。,由于扩散作用，流过单位面积的电流称为扩散电流密度，它们正比于光生载流子在某一方向上的浓度梯度。即:,这里，Dn、Dp分别是电子的扩散系数和空穴的扩散系数；q是载流子电量。,或,（2）漂移,载流子在电场作用下所发生的运动称为漂移。在电场中电子与电场反向漂移，空穴则与电场同向漂移。,载流子在弱电场中的漂移运动服从欧姆定律，在强电场中的漂移运动因有饱和或雪崩等现象则不服从欧姆定律。这里只讨论服从欧姆定律的漂移运动。,欧姆定律的微分形式表示为电流密度矢量等于电场强度矢量与材料的电导率之积。即：,而,式中n为电子浓度、q为电子电量、v为电子漂移的速度，n为电子迁移率。,联立以上式解得：,同理，对于空穴电流有：,二、光电导效应,当半导体材料受光照时，由于对光子的吸收引起载流子浓度的增大，因而导致材料电导率的增大，这种现象称光电导效应。,光电导现象半导体材料的“体”效应,潜能.ppt,、稳态光电导与光电流,半导体两端涂有电极，设A为横截面面积，L为长度，沿x方向加有弱电场，在y方向有均匀光照。,无光照时，材料具有一定的电导，称为暗电导；有光照时的电导为亮电导。亮电导和暗电导之差称为光电导。,若外加电压，则也有暗电流和亮电流之分。亮电流和暗电流之差称为光电流。,以G表示电导，表示电导率，I表示电流，则光电导和光电流为：,而半导体光致电导率变化量为：,在光辐射作用下，假定每单位时间产生N个电子-空穴对，它们的寿命分别为n和p，,于是：,定义光电导增益M为：光生载流子在电场作用下所形成的外部电流与光生载流子形成的内部电流(qN)之比。,M可表示为：,Mn为光电导体中电子增益系数；Mp为空穴增益系数。,则由于光辐射激发增加的电子和空穴浓度分别为：,则电子、空穴增益系数另表示为：,半导体电子和空穴的寿命是相同的，若用载流子的平均寿命来表示它们的寿命，则本征型光电导器件增益系数：,因速度为 光电子在两极间的渡越时间为：,如果定义,故灵敏的光电导器件，会有大的增益系数，因此只要载流子的平均寿命大于有效渡越时间，增益就可大于1。显然，减小电极间的间距，适当提高工作电压，对提高M值有利。但是，如果减得太小，使受光面太小，也是不利的。,为载流子渡越极间距的有效时间。,则,、调制光照,光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流需要一定时间。同样，当光照停止后光电流也是逐渐消失。这个过程称光电导驰豫。其原因是非平衡载流子的产生与复合都不是立即完成的。,半导体材料受矩形脉冲光照时，其光电导驰豫过程见图：,阶跃受光时，有:,G为光生载流子产生率，n/为复合率，为载流子寿命。,阶跃停光时，有:,以上两式解得:,故：t=时，上升到稳态值的0.63，称上升时间常数；下降到稳态值的0.37，为下降时间常数。可见，光电导驰豫的时间常数就是载流子的寿命。,对于正弦型光照，有关系式：,可得出：,可见，随着升高，n的幅值下降。,当,则:,有:,可见，载流子寿命决定了光电导的上限截止频率。,此结论具有普遍性：表示材料的光电灵敏度与频率带宽是矛盾的。光电灵敏度高的材料，带宽较窄。原因是载流子寿命与M成正比，又与截止频率成反比。,叫上限截止频率或3dB带宽(记为),由以上推导可以看出光电增益与带宽之积为一常数：,三、光伏效应,当半导体PN结受光照射时，光子在结区（耗尽区）激发电子-空穴对。在自建场的作用下，电子流向N区，空穴流向P区，从而在势垒两边形成电荷堆积，使P区、N区两端产生电位差。P端为正，N端为负。这种效应称为光伏效应。,光伏现象半导体材料的“结”效应。,PN结具有整流效应，即单向导电性。,在施加外电压时，若P区接正端，N区接负端，称为正向偏置。这时，通过PN结的电流随着电压的增加急剧上升。若反向偏置，电流数值很小，而且趋于饱和.,对热平衡状态下的PN结，有PN结电流方程:,I0反向饱和电流。,光照PN结，产生的电子-空穴对被自建场分离，空穴流入P区，电子流入N区，结果耗尽区宽度变窄，接触电势差减小。其减小量即是光生电势差。这样，入射的光能就转变成流过PN结的光电流，方向与PN结反向饱和电流相同。,因此光照下PN结的电流方程为：,若入射光的辐通量为，光电流灵敏度为S，则光电流为：,在短路()下，U=0，得到短路电流为：,在开路()下，I=0，得开路电压：,和 是光照PN结的两个重要参量。,四、光电发射效应,某些金属或半导体受到光照时，物质中的电子由于吸收了光子的能量，致使电子逸出物质表面，这种现象称为光电发射效应，又称外光电效应。,光电发射效应是真空光电器件光电阴极的物理基础。,光电子所具有的最大初动能由爱因斯坦定律给出：,式中，me为光电子的质量，v为出射光电子的最大初速度，W发射体材料的逸出功。,由式可知，光子的最小能量必须大于光电材料的逸出功，否则电子就不会逸出物质表面。,这个最小能量对应的波长叫阈值波长（或称长波限）。计算式为：,爱因斯坦.ppt,良好的光电发射体，需具备三个基本条件：光吸收系数大；光电子在体内传输过程中受到的能量损失小，使逸出深度大；表面势垒低，使表面逸出几率大。,金属材料的电子逸出功是从费米能级算起至真空能级之间的能量差。,金属光电发射材料，光电发射过程：金属中的电子吸收光子后获得动能，在向表面运动过程中，因碰撞而损失部分能量，到达表面的电子克服势垒而逸出。,由于金属对光吸收少、反射强，体内大量的电子易散射而损失能量，逸出深度小，并且逸出功也较大，因此金属光电发射的量子效率都很低。,同时大多数金属的光谱响应都在紫外或远紫外区，因此只能适用于要求对紫外敏感的光电器件。,随着光电器件的发展，特别是微光夜视器件的发展，要求在可见光、近红外和红外范围都要有量子效率高的光电发射材料，故半导体光电发射材料得到应用,对于半导体光电发射材料，电子逸出功由两部分组成：一部分是电子从发射中心激发到导带所需要的最低能量Eg，另一部分是从导带底逸出表面所需的最低能量，一般称为材料的亲和势EA。,半导体光电发射的量子效率远高于金属。,半导体的电子逸出功与电子亲和势密切相关。,表面真空能级位于导带之上的光电材料属正电子亲和势（PEA）。,PEA阈值波长：,但若给半导体的表面作特殊处理，使表面区域能带弯曲，真空能级降到导带之下，从而使电子亲和势为负值，经这种特殊处理的材料称作负电子亲和势材料(NEA)。,NEA材料的电子逸出功大大降低，从而使光谱响应可扩展到红外区。NEA的阈值波长：,下面以Si-Cs2O材料为例介绍负电子亲和势的形成。,Si-Cs2O是在P型Si的基质材料上涂一层极薄的金属Cs，经特殊处理而形成N型Cs2O。形成PN结。,本来P型Si的发射阈值，电子受光激发进入导带后需克服亲和势才能逸出表面。,对于P型Si的光电子需克服的有效亲和势为：,现因表面存在N型薄层，使耗尽区电位下降，电位降低。光电子在表面附近受到自建电场的作用，从Si的导带底部漂移到表面Cs2O的导带底部。,由于能级弯曲，使，这样就形成了负电子亲和势。,当光辐射照射到光吸收体上，材料将对所有波长的光能量全部吸收，并转换为晶格热运动能量，称为光热效应.,由于热能增大，导致吸收体的物理、机械性能变化，如温度、体积、电阻、热电动势等。通过测量这些变化可确定光能量或光功率的大小，由光热效应制成的光探测器统称为光热探测器。,光热探测器对光辐射的响应有两个过程：首先，器件吸收光辐射能量而使自身温度发生变化，然后器件再依赖某种温度敏感特性把辐射能引起的温度变化转换为相应的电信号，从而达到光辐射探测的目的。,常见的光热探测器有：测辐射热电偶、测辐射热敏电阻、高莱管、热释电探测器。,说捷径.ppt,青蛙实验.ppt,光热探测器的最大特点：响应灵敏度与光波波长无关，响应波长范围从紫外到40um以上，属对光波长无选择性探测器。但受热时间常数的制约，响应速度较慢。,下面讨论光热器件共同原理，即光辐射引起温升的过程。,设为入射于探测器的辐射通量，若探测器光敏面对光辐射的吸收系数为，,则探测器实际吸收的辐射通量为。,这些被吸收的光辐射能量，将有一部分转化为探测器的内能，表现为探测器自身温度的升高，,另一部分则通过探测器与外界环境的热交换而使能量流失。,如果把器件的温度看做是均匀的，则探测器所遵从的热平衡方程为：,式中 是探测器的热容量，定义为探测器单位温度变化所需要的热量；是器件与环境间的热导，是单位时间内器件散失的总热量与下降的温度之比。热导的倒数称热阻，它跟器件周围的环境、安装、封装、电极引线等诸多因素有关。,设入射辐射具有形式,由于包含有与时间无关和有关的两部分，所以公式的解也包含与时间无关的平均温升 和与时间有关的温度变化，将它们分别代入热平衡方程并解，得到器件的平均温升和器件随频率的交变温升为：,可见，交变温升的幅值随着调制频率的升高而减小。,其中，是器件的热时间常数；是温升与辐照之间的相角，它说明器件温升滞后调制辐射功率瞬变的程度。,因此，光热探测器常用于接受低频调制辐照场合。同时，设计者总是尽力降低器件的热时间常数，以利于减少器件的热容量。,当低频 时，与调制频率无关，并且温升几乎与调制辐射功率同步；,当 时，即交变温升幅值将与和Ct成反比，随着的增大急剧下降。,热电偶和热电堆测辐射是基于温差电效应：两种不同材料（金属或半导体）两端并联熔接，若两接头温度不同，并联回路中就产生电势差。,若把冷端分开，光照使电偶接头升温，电流表有电流通过，数值与光照能量对应。,一、温差电效应,温差电势率,Rt热结热阻,Rd热电偶电阻,Rm电表内阻,辐射通量，转换效率，回路电流流过热端带走部分热量（珀耳帖效应），对应一动态电阻：R=2RtT。,为提高探测灵敏度，将若干个热电偶串联就成热电堆。,二、热释电效应,热电晶体（如硫酸三甘肽TGS、钽酸锂LiTaO3等）特性:常态下晶体分子能自发电极化，但自发极化矢量Ps的排列混乱。若对热电体施加直流电场，Ps趋于一致排列(单畴极化)且极化强度加大，当去掉电场，总Ps保持下来。,是基于热电晶体的热释电效应来探测辐射能量的器件。,热释电器件的基本结构，是一个以热电晶体为电介质的平板电容器，如图。,热电体与温度关系如图。温度升高到Tc，自发极化突然消失，Tc叫居里温度。故热释电效应发生在Tc以下。,故热释电探测器是一种交流或瞬时响应的器件,只能探测调制和脉冲辐射。,强度变化的光照射，使晶体的温度变化，导致表面极化电荷的变化，设电容器的极板面积A，热释电系数为。则短路电流：,光探测器在一定功率的光照下输出一定的电流或电压。光电探测器在进行光电转换过程中，噪声使探测器输出的电流或电压信号在平均值附近随机地、瞬间幅度不能预知地起伏。,虽然无法预先用确知的时间函数来描述噪声，但噪声本身是统计独立的，能用统计的方法来描述。一般用均方噪声电流 或电压 表示噪声值的大小。,通常把噪声这个随机的时间函数进行付里叶频谱分析，得到噪声功率随频率的变化关系，即噪声功率谱。,常见有两种典型情况：一种是功率谱大小与频率无关的噪声，称白噪声；另一种是功率谱与 成反比，称 噪声。,一、热噪声,由于载流子的热运动而引起电流或电压的随机起伏。热噪声为：,或,热噪声属白噪声。降低温度和通带，可减少噪声功率。,光探测器中的噪声主要有：热噪声、散粒噪声、产生-复合噪声、噪声、温度噪声。,R是器件电阻值,f为所取的通带宽度。,k玻尔兹曼常数，T是温度,二、散粒噪声,光子发射、电子发射、电子流，犹如射出的散粒,无规则地落在靶上，每一瞬间是完全独立随机的事件。这种随机起伏称为散粒噪声。,散粒噪声为：,式中q为电子电荷，I为器件输出平均电流，f为所取的带宽。,散粒噪声也属白噪声。,三、产生-复合噪声,在半导体器件中，载流子不断地产生-复合,使载流子浓度随机起伏,引起器件电导率起伏。外加电压下，电导率的起伏使输出电流起伏,即为产生-复合噪声。其噪声为:,I为总的平均电流,N0自由载流子数,载流子寿命,f测量噪声的频率。,低频噪声，其噪声的功率谱近似与频率成反比变化。几乎所有探测器中都存在,但频率在200300Hz以上已衰减为很低的水平。实验发现，探测器表面的工艺状态（缺陷或不均匀）对这种噪声的影响很大。,其噪声近似为:,四、噪声,式中，接近于2，在0.81.5之间，c是比例常数。,综合上述各种噪声源，其功率谱分布可用图表示。,实际中,探测器的结构与机理不同,上述各种噪声的作用大小亦不同。,在频率低时，噪声起主导作用;中间频率，产生-复合噪声较显著;频率较高时，白噪声占主导地位.,轻重缓急.ppt,探测器的性能参数,描述了探测器在规定使用条件下的性能指标。正确使用探测器、并使光电系统达到预计性能指标，必须了解各种探测器的主要特性参数。,一、光电特性和光照特性,光电器件的两端加电压，光电器件因受光照而产生或增加的电流称为光电流。光电流的大小为微安级或毫安级。,当光电器件上的电压一定时，光电流与入射的光通量的关系 I=F()称为光电特性；光电流与光电器件上光照度的关系 I=F(L)称为光照特性。,光电特性或光照特性的线性度是一重要参数。线性度是指探测器的输出光电流与输入光的辐通量成比例的程度和范围。线性下限往往由暗电流和噪声等因素决定，而上限通常由饱和效应或过载决定。线性范围与其工作状态如偏压、调制频率、输出电路等有关。,二、光谱特性,光电器件对功率相同而波长不同的入射光的响应不同，即产生的光电流不同。光电流或输出电压与入射光波长的关系称为光谱特性。,光谱特性决定于光电器件的材料。图为硅材料的光谱特性曲线:,响应范围0.41.1m，峰值波长在0.86m左右。,光谱特性对选择光电器件和光源有重要意义。应尽量使所选的光电器件的光谱特性与光源的光谱分布较接近。,由光电器件的光谱特性可决定光电器件的灵敏度（响应率）光谱灵敏度和积分灵敏度。,探测器在波长为的单色光照射下,输出的电压U()或光电流I()与入射的单色辐通量()之比叫光谱灵敏度。,即：,或,式中,积分灵敏度不但与探测器有关，且与采用的光源有关。不同的辐射源，其发射的光谱功率分布也不相同，测得的响应往往不同。,探测器的积分灵敏度是探测器的输出电压U或光电流I与入射的辐通量之比。,即：,或,三、等效噪声功率和探测率,探测器的探测能力除决定于灵敏度外，还决定于探测器本身的噪声水平。,投射到探测器响应平面上光辐射通量所产生的信号电流I（或电压U）等于探测器无入射辐射时探测器本身的均方根噪声电流（或电压）时的光辐射通量，叫做探测器的最小可探测功率，也称为等效噪声功率NEP。,即：,等效噪声功率越小，探测器能探测到的最小辐通量就越低，性能越好。为了与人们的习惯一致，通常用NEP的倒数即探测率D作为探测器探测能力的指标。,或,式中、称为信噪比。,探测率为:,D值越大越好。,许多探测器的NEP通常与探测器的面积和测量系统的带宽乘积的平方根成正比。为了比较各种探测器的性能，需消除它们不同所带来的影响。为此，需对NEP和D进行归一化处理。,归一化等效噪声功率和归一化探测率分别为：,、,式中Ad的单位为cm2；f 的单位为Hz。它表明面积为1cm2的探测器上有1W的入射功率，并用1Hz带宽的放大器测量时探测器所输出的信噪比。,此外，某些探测器的噪声还与频率有关。故在给出D*时,常标出其测量条件T、f、f等。如D*(500,800,50)，表示用500K的黑体光源，调制频率800Hz，测量带宽50Hz。,四、响应时间与频率特性,对于矩形光脉冲信号，其响应出现上升沿和下降沿，通常用响应时间来衡量探测器的惰性。如果方波光信号频率过高，探测器的响应将严重失真。,如同光电导驰豫,光探测器对信号光的响应表现出惰性。,对于正弦型调制光，响应率随频率升高而降低，见图。,光探测器的响应与入射光调制频率的关系称为频率特性。,式中S0为频率f=0时的响应率,为光探测器的时间常数。,多数探测器的响应率与频率的关系为:,当探测器的响应率下降到零频时响应率的0.707倍时的频率称为探测器的截止频率：,响应时间越小探测器频率特性越好。,光敏电阻原理图及其符号如图所示：,它是在一块匀质的光电导体两端加上电极构成。两电极加上一定电压后，当光照射到光电导体上，由光照产生的光生载流子在外加电场作用下沿一定方向运动，在电路中产生电流，达到光电转换目的。,一、光敏电阻材料与电极结构,按光谱特性及最佳工作波长范围，光敏电阻可分成三类：对紫外光灵敏的光敏电阻，如硫化镉(CdS)和硒化镉(CdSe)等；对可见光灵敏的光敏电阻，如硫化铊(TlS)，硫化镉(CdS)和硒化镉(CdSe)等；对红外光灵敏的光敏电阻，如硫化铅(PbS)、碲化铅(PbTe)、硒化铅(PbSe)、锑化铟(InSb)、碲镉汞Hg1-xCdxTe)、碲锡铅(Pb1-xSnxTe)等。,主要用于照相机、光度计、光电自动控制、能量辐射物搜索和跟踪等，作辐射接收元件。,光敏电阻结构示意图：,二、光敏电阻的主要特性,1.光照特性,光电流与照度的关系称为光照特性。,光敏电阻的光电流与端电压V、入射照度L的关系具有如下形式：,式中，Sg为光电导灵敏度，单位:西门子/勒克斯(S/lx)，决定于材料特性；为照度指数，一般在0.51之间，它与材料和入射光强弱有关。弱光照时，=1，为线性光电导；强光照时，1，为非线性光电导。,以硫化镉光敏电阻为例，如图。,硫化镉光敏电阻在弱光照下，具有良好的线性关系，在强光照下则为非线性关系，其它光敏电阻也有类似的关系。,2.光谱特性,光敏电阻属于对辐射波长响应具有选择性的探测器,可以用光谱特性曲线来描述。从曲线可以直接看出光谱灵敏范围、峰值波长位置和各波长下灵敏度的相对关系。,几种可见光区灵敏的光敏电阻光谱特性曲线：,峰值波长515600nm，与人眼最大视见函数V()接近，故多用于与人眼有关的仪器，如照相机、照度计、光度计等。具体应用时还可以加滤光片进行修正V()。,红外区灵敏的几种光敏电阻的光谱特性曲线如图：,3.频率与伏安特性,几种光敏电阻的频率响应特性曲线如图:,可见光敏电阻的频率特性差，不适于接收高频的光信号。,在一定的光照下，光敏电阻两端的电压与流过光敏电阻的电流之间的关系称为光敏电阻的伏安特性。,从图可以看出，光敏电阻的伏安特性线性很好，说明光敏电阻在一定光照下阻值稳定。这是光敏电阻的主要优点，它以其高度的稳定性而广泛地应用在自动化技术。,4.温度特性,光敏电阻的特性参数受温度的影响较大，只要温度略有变化，它的光谱响应、峰值波长等参数都将发生变化，而且这种变化没有规律。,分别以PbS、PbSe光敏电阻在不同温度下的光谱响应特性为例，见图：,从图中可以看出温度对光敏电阻参数的影响。为了提高光敏电阻性能的稳定性、降低噪声和提高探测率，必须采用冷却装置。,5.前历效应,前历效应是指光敏电阻的时间特性与工作前“历史”有关的一种现象。,暗态前历效应是指光敏电阻测试或工作前处于暗态，当它突然受到光照后，表现为：暗态前历越长，光电流上升越慢，其效应曲线如图:,前历效应分暗态前历与亮态前历。以硫化镉为例：,亮态前历效应是指光敏电阻测试或工作前已处于亮态，当照度不同时，所出现的一种滞后现象，其效应曲线如图示:,点铁成金.ppt,光敏电阻优点：,光谱响应范围相当宽，根据光电导材料的不同，光谱响应范围可从紫外、可见光、近红外扩展到远红外，尤其对红光和红外辐射有较高的响应度;,工作电流大，可达数毫安；,所测的光强范围宽，既可测弱光，也可测强光；,灵敏度高，通过对材料、工艺和电极结构的适当选择和设计，光电增益可以大于1；,偏置电压低，无极性之分，使用方便。,光敏电阻的不足之处：,在强光照射下光电线性较差；,光电弛豫过程较长；,频率特性较差。,三、几种典型的光敏电阻,1.CdS和CdSe,低造价、可见光辐射探测器。,光电导增益比较高(103104)；响应时间比较长(大约50ms)。,2.PbS,近红外辐射探测器。波长响应范围在13.4m，峰值响应波长为2m。,内阻（暗阻）大约为1M；响应时间约200s。,3.InSb,峰值响应波长为5m。,响应时间短（大约5010-9s）；在77k下,噪声性能大大改善。,4.HgxCd1-xTe,化合物本征型光电导探测器,它是由HgTe和GdTe两种材料混在一起的固溶体,其禁带宽度随组分x呈线性变化.,当x=0.2时响应波长为814m,工作温度77K，用液氮致冷。,三、光敏电阻的偏置与应用电路,1.基本偏置电路,图示为光敏电阻的基本偏置电路：,光敏电阻RG与负载RL串联，与电源E构成工作回路。,光照度的改变，必然引起光敏电阻阻值的改变，进而使得输出电压改变。,所以输出电压的变化为：,2.控制应用电路,光敏电阻在一定光照下阻值稳定，适用作光控继电器。控制电路有电流控制和电压控制两种。,（a）电流控制电路。,光照时，RG下降，使晶体管的基极电流Ib增大，因而集电极电流Ic增大，使J吸合K。,（b）电压控制电路。,光敏电阻与R1的分压控制晶体管的基极电压，使晶体管导通或者截止。与继电器并联的二极管起着保护晶体管的作用。,光电池是一种不需加偏压的能把光能直接转换成电能的结型光电器件。,有硒光电池、硅光电池、砷化镓光电池、锗光电池等。按用途可分为两大类：太阳能光电池和测量光电池。,太阳能光电池主要用作电源，对它的要求是转换效率高、成本低。测量光电池的主要功能是作为光电探测用，对它的要求是光照特性的线性度好。,硅光电池性能稳定、换能效率高、光谱范围宽、频率特性好，既可用于探测又可用作能源，故广泛应用。,硅光电池按基底材料不同分为2DR型和2CR型。2CR以N型硅作基底，扩散硼形成P型受光面；2DR以P型硅作基底，扩散磷形成N型受光面。制作银丝电极(梳齿状或“”型便于透光和减小串联电阻)，涂二氧化硅作保护膜(防潮保护和抗反射增加对光吸收)。,一、光电池基本特性,1.光照特性,光电池是PN结，受光照，开路电压与光照度成对数关系、短路电流与照度成线性关系。以硅光电池、硒光电池的光照特性为例：,光电池作测量时，应满足短路条件：外接负载电阻相对于光电池内阻很小的情况。,硒光电池的光照特性与负载电阻的关系如图：,负载电阻越小，光电流和照度的线性关系越好，而且线性范围也较宽。,2.伏安和光谱特性,光电池的伏安特性,表示输出电流对不同的负载电阻随电压变化的曲线。,如图为硅光电池的伏安特性：,负载电阻越小，光照线性越好。,图为两种光电池的相对光谱响应曲线。,硒光电池的光谱响应曲线与人眼视见函数很相似，适合作光度测量的探测器，但由于稳定性较差，目前已被硅光电池所代替。硅光电池的光谱响应范围较宽，约4001100nm，峰值响应在850nm附近。,3.频率和温度特性,光电池的PN结面积大，极间电容Cj就大，在给定负载RL的时间常数=RLCj 就大，故频率特性较差。,图为硅光电池的频率特性曲线：,要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻；负载大时频率特性差，但负载小又会使输出电压低，实际使用时视具体要求而定。,光电池的温度特性主要指开路电压和短路电流随温度变化的情况，如图。,UOC具有负温度系数，即随着温度的升高反而减小，其值约为23mV/；ISC具有正的温度系数，即随着温度的升高而增大，但增大比例很小。,二、基本电路,1.自偏置电路,图为光电池的符号、自偏置电路和等效电路图。,光电池输出电流在负载电阻上的压降就是光电池的正向偏压，故为自偏置电路。,光电池等效为电流源与二极管并联，光电池的内阻就是二极管的正向电阻。,光电池用于光电检测，希望U和I 有好的线性关系，因此应根据伏安特性曲线来确定负载线以及照度范围。,但光电池用于开关电路时，经晶体管控制继电器动作，则并不要求U和I 有好的线性，只要求光控晶体管的导通、截止状态分明。,2.零伏偏置电路,当光电池的负载为零时，光电池没有自给正偏压，即为零伏偏置电路，也即短路工作情况。此时输出的短路电流与照度成线性变化。,所以ri010，相当于光电池的负载RL，故是比较理想的零伏偏置电路。Cf对高频噪声进行100%负反馈，降低噪声输出。放大器的输出电压为：,这种电路线性好，输出光电流大，噪声低，信噪比好，在辐射测量方面很重要。,3.光电池作为能源的应用,当光电池用作太阳能电池时，是把光能直接转换成电能，需要最大的输出功率和转换效率。这时光电池的受光面积往往做得比较大，或把多个光电池作串、并联连接：,图中二极管起保护作用，防止因光辐射功率减弱造成光电池组输出电压降低，反使蓄电池对光电池反向放电。,光电池作为太阳能换能器，要求负载随着照度随时改变是困难的，只好选一较为合适的负载。,实际中，当照度大于500 lx时，最佳负载RM估算的简易式为。,硅光电池的换能效率可达百分之十几。,要使光电池输出功率最大，要选择最佳负载电阻。,点铁成金.ppt,-栓象.ppt,光电二极管是以反偏置光电导模式工作的结型光电器件。属PN结光伏效应。,光电二极管受光照,结区产生的光生载流子在内建电场的作用下,光生电子向N区、光生空穴向P区运动，这就形成以少数载流子漂移运动为主的光电流。光电流比无光照时的反向饱和电流大的多。光照越强，光生载流子越多，光电流越大，反之则光电流越小。,硅光电二极管有较小的暗电流和较小的温度系数，稳定性好，因此应用广泛。,硅光电二极管和硅光电池工作效应一样，不同点在于：基底材料的掺杂浓度光电池较高，约10161019原子数/cm3，硅PD约为10121013；光电池的电阻率低，约为0.10.01/cm，而硅PD为1000/cm；通常光电池零偏置下工作，而硅PD反向偏置；光电池的受光面一般比PD大，故硅PD光电流小得多，微安级。,硅光电二极管分2CU和2DU两种系列。2CU系列是以N-Si为衬底，2DU系列是以P-Si为衬底。,2DU系列，光敏面上有一层SiO2保护膜，SiO2中含少量的钠、钾、氢等正离子可以使P-Si表面产生一个感应电子层。在外加反向偏压作用下，除了有PN结的反向电流外，还有通过表面感应电子层产生的漏电流，这种表面漏电流在数量上可达微安级，成为暗电流的重要组成部分，又是散粒噪声的主要因素。,2CU，N-Si衬底不与正离子感应导电层，无表面漏电流，不需加环极，只有两根引线。,故设置一个N+-Si的环把受光面(N-Si)包围起来，并从环上引出一环极。,环极接到比前极更高的电位上，为表面漏电流提供一条不经过负载即可到电源的通路。故2DU有三根引出线：前极、后极和环极。,光电二极管的输出电路如图。,2DU型，后极接电源负极，环极接电源正极，前极通过负载与环极相连。,光电二极管封装如图。,一、基本特性,1.光照特性和伏安特性,光照特性是指光电二极管的光电流与照度之间的关系，如图。,可见，光电二极管的光照特性的线性较好，但光电流较小(A级)，灵敏度较低。,硅光电二极管在不同照度下的伏安特性与普通三极管在不同基极电流下的输出特性相似。,在工作电压较低时输出的光电流为非线性，即光电流与偏压有关，随着电压的增加，光电流几乎不随工作电压的改变而变化，只随照度的增大而增加。,2.温度特性,硅光电二极管的光电流和暗电流均随温度而变化，如图。,由于温度升高，暗电流增大，使输出信噪比变差，不利于弱光信号的探测，故在弱光信号检测时，要设法克服温度变化的影响。,对于硅光电二极管的频率特性，由于时间常数=RLCj主要还是决定于负载电阻和结电容。,由于光电二极管的结电容小，因而其频率特性是半导体光电器件中最好的一种。在负载为1K时，截止频率可达1.5MHz以上。,3.频率特性,二、特殊光电二极管,1.PIN光电二极管,为了改善光电二极管的高频响应，研制了PIN光电二极管。在掺杂浓度很高的P型半导体和N型半导体之间夹着一层较厚的高阻本征半导体 I，见图。,PN结内电场基本上全集中于I层，从而使PN结的间距拉大，结电容变小。又因工作在反偏，随电压增大，结电容变得更小，从而提高了PIN管频率响应。,PIN 管在光通信、光雷达以及其它快速光自动控制领域得到了非常广泛应用。,最大优点:频带宽，可达10GHz。因I层厚，反偏下可承受较高电压，线性输出范围宽。缺点：I层电阻很大，使输出电流小，多为零点几至数微安。,2.雪崩光电二极管（APD）,为了增加光电二极管的灵敏度，人们研制出了APD。硅和锗APD的电流增益可达102103，且响应速度是目前最快的一种光电二极管，带宽可达100GHz。,APD中间耗尽层包括高场倍增区和低场漂移区。高场倍增区是发生雪崩效应区域；低场漂移区是吸光、收集光生载流子区域。,(a)Ge-APD;(b)Si-APD,APD工作原理：在高的工作电压约100200V(接近于反向击穿电压)下，结区内电场极强(105V/cm)，光生载流子在这种强电场中得到极大的加速，碰撞晶格原子使其电离，更多的粒子在电场中再获能再碰撞，引发出PN结内电流急剧倍增，即雪崩式光电流放大。,APD不仅响应速度快，而且与PIN相比，由于内增益，对前置放大器的要求也大大减低。故在光纤通信、激光测距及光纤传感中有广泛应用。,三、基本电路,1.缓变信号的基本电路,当入射光信号为恒定或缓变时，通常采用直流检测电路:,负载多为直流放大器的输入电阻。,2.交变信号的基本电路,许多场合光电检测电路接收的是随时间变化的光信号，如调制光、光的干涉条纹等。此时检测电路要使用交流放大器：,光电三极管和普通晶体管类似，也有电流放大作用。只是它的集电极电流不受基极控制，而是受光控制。,光电三极管一般没有基极引线，有一光窗和e、c两极引线。,也有e、c、b三极引线的，但基极可以开路，若使用基极，可同时加上电信号和光信号进行双重控制。,光电三极管制作材料一般为半导体硅，管型PNP和NPN，NPN型称为3DU，PNP型称为3CU。,工作时各电极所加的电压与普通晶体管相同，即需要保证集电极反偏置，发射极正偏置。,光电三极管工作有两个过程：光电转换，光电流放大。,以3DU型为例:,光照射在集电结上，产生电子-空穴对。由于集电结反向偏置，光生电子漂移到集电极，空穴流向基区，这就是光电流I。光生电动势使基极与发射极间电压升高，于是发射极便有大量电子经基极流向集电极，使光电流得以放大。放大原理与普通晶体管相同，I被放大（晶体管电流放大系数）倍。,由此可见，光电三极管的光电转换部分在集-基结内进行，而集电极、基极、发射极又构成一个有放大作用的晶体管。因此，NPN光电三极管可用图所示的简化模型表示，它由一个硅光电二极管和普通晶体管组合而成。,一、基本特性,1.光照特性和伏安特性,光电三极管的光照特性呈现出一定非线性。这是由于晶体管的电流放大系数不是常数的缘故。,由于光电三极管有电流放大作用，所以它的灵敏度比光电二极管高，输出电流也比光电二极管大，为毫安级。,光电三极管的伏安特性与普通晶体管类似。如图:,与光电二极管相比，却有不同：在零偏压时硅光电二极管仍然有光电流输出，而硅光电三极管却没有，这是因为对光电三极管微小的电流缺少放大表现不出来。,2.温度和频率特性,硅光电三极管的光电流和暗电流均随温度而变化，如图：,由于硅光电三极管有电流放大作用，使得它受温度的影响比光电二极管大得多。,影响光电三极管频率响应的因素除与光电二极管的相同外，还受基区渡越时间和发射结电容的限制，因此频率特性比光电二极管差。,光电三极管的频率特性如图：,负载电阻越大，高频响应越差。,二、基本电路,1.测量电路,光电三极管的工作原理与光电二极管相比就是多了电