光电测试常用器.ppt

1,第4章 光电测试常用 器件光电器件的类型与特点光电器件的基本特性参数真空光电器件光电管光电倍增管半导体光电器件光电导器件光敏电阻光伏器件光电池光电二极管/三极管热电检测器件热电偶和热电堆热敏电阻热释电探测器件,2,4.1光电器件的类型与特点,光电效应：光照射到物体表面上使物体的电学特性发生变化光电子发射：物体受光照后向外发射电子多发生于金属和金属氧化物光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减少光生伏特效应：光照在半导体PN结或金属半导体接触上时，会在PN结或金属半导体接触的两侧产生光生电动势。,3,光电检测器件的类型,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.光电检测器件分为两大类:光子(光电子)检测器件热电检测器件,4,光电检测器件,光子器件,热电器件,真空器件,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/热敏电阻热释电探测器,5,光电检测器件的特点,6,4.2 器件的基本特性参数,响应特性噪声特性量子效率线性度工作温度,7,一、响应特性,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。响应度是随入射光波长变化而变化的响应度分电压响应率和电流响应率,8,电压响应率 光电探测器件输出电压与入射光功率之比电流响应率 光电探测器件输出电流与入射光功率之比,9,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积分响应度：检测器对各种波长光连续辐射量的反应程度,10,响应时间：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。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。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。,11,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：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的影响。,12,：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,返回,13,二、噪声特性,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。,用均方噪声来表示噪声值大小,14,噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的。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。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。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。,15,光电探测器常见的噪声,热噪声散粒噪声产生-复合噪声1/f噪声,16,1、热噪声,或称约翰逊噪声，即载流子无规则的热运动造成的噪声。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，称为热噪声电压。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，热噪声又称为白噪声,17,2、散粒噪声,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。散粒噪声也是白噪声，与频率无关。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。例如光伏器件的PN结势垒是产生散粒噪声的主要原因。,18,3、产生-复合噪声,半导体受光照，载流子不断产生-复合。在平衡状态时，在载流子产生和复合的平均数是一定的但在某一瞬间载流子的产生数和复合数是有起伏的。载流子浓度的起伏引起半导体电导率的起伏。,19,4、1/f噪声,或称闪烁噪声或低频噪声。噪声的功率近似与频率成反比多数器件的1/f噪声在200300Hz以上已衰减到可忽略不计。,20,、信噪比,信噪比是判定噪声大小的参数。是负载电阻上信号功率与噪声功率之比若用分贝（dB）表示，为,21,、噪声等效功率(NEP),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)。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）一般一个良好的探测器件的NEP约为10-11W。NEP越小，噪声越小，器件的性能越好。,22,噪声等效功率是一个可测量的量。设入射辐射的功率为P，测得的输出电压为U0然后除去辐射源，测得探测器的噪声电压为UN则按比例计算，要使U0UN，的辐射功率为,23,、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。,返回,24,三、量子效率（）,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。对理想的探测器，入射一个光量子发射一个电子，=1实际上，1量子效率是一个微观参数，量子效率愈高愈好。,25,量子效率与响应度的关系,I/q：每秒产生的光子数P/h：每秒入射的光子数,26,四、线性度,线性度是描述光电探测器输出信号与输入信号保持线性关系的程度。在某一范围内探测器的响应度是常数，称这个范围为线性区。非线性误差：max/(I2 I1)max：实际响应曲线与拟合曲线之间的最大偏差；I2 和 I1：分别为线性区中最小和最大响应值。,27,五、工作温度,工作温度就是指光电探测器最佳工作状态时的温度。光电探测器在不同温度下，性能有变化。例如，半导体光电器件的长波限和峰值波长会随温度而变化；热电器件的响应度和热噪声会随温度而变化。,28,4.3 真空光电器件,光电管光电倍增管,29,（一）真空光电管,真空光电管由玻壳、光电阴极和阳极三部分组成。为了防止氧化，将管内抽成真空。光电阴极即半导体光电发射材料，涂于玻壳内壁，受光照时，可向外发射光电子。阳极是金属环或金属网，置于光电阴极的对面，加正的高电压，用来收集从阴极发射出来的电子。,真空光电管构造示意图,优点：光电阴极面积大，灵敏度较高，一般积分灵敏度可达20200A/lm；暗电流小，最低可达10-14A；光电发射弛豫过程极短。缺点：真空光电管一般体积都比较大、工作电压高达百伏到数百伏、玻壳容易破碎等。,30,（二）光电倍增管,一、结构和原理 光电倍增管由光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极五个主要部分组成，其外形如图,31,1光窗 光窗分侧窗式和端窗式两种，它是入射光的通道。一般常用的光窗材料有钠钙玻璃、硼硅玻璃、紫外玻璃、熔凝石英和氟镁玻璃等。由于光窗对光的吸收与波长有关，波长越短吸收越多，所以倍增管光谱特性的短波阈值决定于光窗材料。,32,2光电阴极 光电阴极多是由化合物半导体材料制作，它接收入射光，向外发射光电子。所以倍增管光谱特性的长波阈值决定于光电阴极材料，同时对整管灵敏度也起着决定性作用。,33,3电子光学系统 电子光学系统是适当设计的电极结构，使前一级发射出来的电子尽可能没有散失地落到下一个倍增极上，也就是使下一级的收集率接近于1；并使前一级各部分发射出来的电子，落到后一级上所经历的时间尽可能相同，即渡越时间零散最小。,34,4倍增系统 倍增系统是由许多倍增极组成的综合体，每个倍增极都是由二次电子倍增材料构成，具有使一次电子倍增的能力。因此倍增系统是决定整管灵敏度最关键的部分。,为了表征不同材料的二次电子发射能力，通常将二次发射电子数N2与入射的一次电子数N1的比值定义为该材料的二次发射系数：,35,显然，阳极电流可表示为：,i0光阴极发出的光电流 n光电倍增级的级数,倍增极材料大致可分以下四类：1）含碱复杂面主要是银氧铯和锑铯两种，它们既是灵敏的光电发射体，也是良好的二次电子发射体。2）氧化物型，主要是氧化镁。3）合金型，主要是银镁、铝镁、铜镁、镍镁、铜铍等合金。4）负电子亲合势发射体。这几类材料在低电压下有大的二次电子发射系数，以便整管工作电压不致于过高；热发射小，以便整管的暗电流和噪声小；二次电子发射稳定，以便温度较高或一次电流较大时，长时间工作不下降；而且容易制备。,36,根据电子轨迹的形式可将倍增系统分为两大类，即聚焦型和非聚焦型。聚焦型是指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。非聚焦则是指在两电极间的电子运动轨迹是平行的。,37,各种倍增极的结构形式a)百叶窗式 b)盒栅式 c)直瓦片式 d)圆瓦片式,38,5阳极 阳极是采用金属网作的栅网状结构，把它置于靠近最末一级倍增极附近，用来收集最末一级倍增极发射出来的电子。,39,二、光电倍增管的主要参量与特性 光电倍增管的主要参量与特性是区分管子质量好坏的基本依据。分为基本参数（静态参数）、应用参数（动态参数）、运行特性（例行特性）。基本参数与管子工作原理、结构特征、材料性质、制造工艺有关。它包括灵敏度、量子效率、增益、暗电流、光谱响应等。应用参数与管子应用方法和探测对象有关，反映某种应用的特殊要求。它包括闪烁计数中的脉冲幅度分辨率、噪声能当量、计数坪特性；光子计数中的暗噪声计数、单电子分辨率、峰谷比；快速光脉冲测量中的上升时间、半高宽、渡越时间、时间分辨率等。运行特性与管子运行条件、运行环境有关。它表征管子承受的外部条件和使用极限，包括稳定性、温度特性、最大线性电流、抗电磁干扰特性、抗冲击振动特性等。,40,1.灵敏度 倍增管灵敏度有阴极灵敏度与阳极灵敏度之分。每一种灵敏度对于入射光，又都有光谱灵敏度（对于单色光）与积分灵敏度（对于多色光或全色光）之分。测试阴极灵敏度时，以阴极为一极，其它倍增极和阳极都连到一起为另一极，相对于阴极加100300V直流电压，照射到光电阴极上的光通量约为10-210-5lm。测试阳极灵敏度时，各倍增极和阳极都加上适当电压，因为阳极灵敏度是整管参量，与整管所加电压有关，所以必须注明整管所加电压。积分灵敏度与测试光源的色温有关，一般用色温为2856K的白炽钨丝灯（A光源）。(色温：辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。)色温不同时即使测试光源的波长范围相同，各单色光在光谱分布中的组分不同时，所得的积分灵敏度也不同。,41,42,2.电流增益M 阳极电流与阴极电流之比，或阳极灵敏度与阴极灵敏度之比，即M=IA/IK=SA/SK 若倍增管有n个倍增极，并且每个倍增极的倍增系数均相等，则Mn 因为是电压的函数，所以M也是电压的函数。,43,3.光电特性 阳极光电流与入射于光电阴极的光通量之间的函数关系，称为倍增管的光电特性。对于模拟量测量，必须选取能保证光电流与光照在大范围内保持线性关系的那些型号的光电倍增管（工程上一般取特性偏离于直线3%作为线性区的界限）。,光电特性图,当光通量很大时，特性曲线开始明显偏离直线。因此，在工作时阴极不能有强光照射，否则易损坏管子。因它的灵敏度高，光电倍增管允许测量非常小的光通量，或所需放大器的级数可以较少。,44,4.伏安特性 光电倍增管的伏安特性曲线分为阴极伏安特性曲线（阴极电流与阴极电压之间的关系）与阳极伏安特性曲线（阳极电流与阳极和最末一级倍增极之间电压的关系）。在电路设计时，一般使用阳极伏安特性曲线来进行负载电阻、输出电流、输出电压的计算。,阳极伏安特性曲线,45,5.暗电流 在各电极都加上正常工作电压并且阴极无光照情况下阳极的输出电流。它限制了可测直流光通量的最小值，同时也是产生噪声的重要因素，是鉴别管子质量的重要参量。应选取暗电流较小的管子。,光电倍增管中产生暗电流的因素较多，其中较为重要的是光电阴极和光电倍增极的热电子发射。温度T越高，热电子发射越多，则暗电流越大，如图所示。如果需要较小的暗电流，可通过冷却光电倍增管来减小暗电流。暗电流的另一组成部分是光电倍增管的漏电流。,46,6.噪声与噪声等效功率 光电倍增管噪声主要是指由倍增管本身引起的输出偏离于平均值的起伏，主要来源是光电阴极、光电发射的随机性和各倍增极二次电子发射的随机性，同时也与背景光或信号光中的直流分量有关。噪声等效功率（NEP）表述倍增管阳极信号与噪声有效值之比等于1时，入射于倍增管光电阴极的光功率（通量）的有效值。即IA/InA=1时，NEP=InA/SA 它是倍增管可能探测到的信号光功率（通量）的最小值。,47,7、光谱响应 光电倍增管的光谱响应，在较长的波长取决于所用光电发射材料的性能，而较短的波长则主要取决于窗材料的透射特性。图中示出了锑钾铯（Sb-K-Cs）光电阴极的光谱特性，最灵敏的光谱波长约在4000埃处。,48,三、光电倍增管的使用,微变等效电路 从倍增管阳极伏安特性曲线来看，最大光通量所对应的曲线拐点以右，基本上是平直均匀分布的，一般使用倍增管也都是利用这一区域的特性，因此在交流微变电路中可以把倍增管看成是电流源，并考虑阳极电路的电容效应。,iA-阳极电流C0-等效电容 R1-直流负载R2-下一级放大器的输入电阻,光电倍增管的交流微变等效电路,49,1.供电电路 倍增管各电极要求直流供电，从阴极开始至各级的电压要依次升高，一般多采用电阻链分压办法来供电。一般情况下，各级电压均相等，约80100V，总电压约10001300V,光电倍增管供电电路图,50,1)电源电压稳定性的要求 电源电压稳定性要求较高。如果电源电压不稳，会引起许多参量的变化，特别是电流增益变化，从而直接影响输出特性。目前已有光电倍增管专用的电源稳压块。2)电阻链分压电阻的确定 若电阻链为均匀分压，则每个分压电阻的阻值应相等。因倍增管中的电流与电阻链中的电流是并联关系，要保证阳极电流最大时流过电阻链的电流基本不变，这就要求流过电阻链的电流IR至少要比阳极最大的平均电流IAm大10倍以上。,一般说，IR越大（即R=UD/IR越小）对稳定极间电压UD越有利。但IR也不能太大，因为IR太大会增大电阻的功耗，加重电源负担。当UD给定后，分压电阻R的最大值应取决于阳极的最大平均电流，R最小值应取决于高压电源输出的功率。,51,以上讨论的是均匀分压情形，实际各倍增极间电压也可以不相等，这样，有可能使某单项指标得到提高。例如，要提高管子的时间特性，可适当增大靠近于阴极的几级倍增极间的电压。因为电压高，可以提高收集率，减小极间电子渡越时间零散。如果第一级倍增极对阴极的收集率提高一点，整管的时间特性就会有较大改善，这点对于测量脉冲光是很重要的。但是，在选定的工作状态下，阳极灵敏度往往要降低，这是因为要使整管工作稳定，总电压不宜过高，在总电压基本保持不变的情况下，前几级电压高了，后几级电压就得相应降低，因此将导致阳极灵敏度下降。同理，要使阳极输出的线性范围宽一些，可适当增大阳极与最末一级倍增极的电压，但这时阳极灵敏度也要下降。,3)并联电容的确定 倍增管的输出电流主要是来自于最后几级，探测脉冲光时，为了不使阳极脉动电流引起极间电压发生大的变化，常在最后几级的分压电阻上并联电容器。,52,4)接地方式 倍增管供电电路与其后续信号处理电路必须要有一个共用的参考电位，即接地点。倍增管的接地方式有两种，即阴极接地或阳极接地。,阴极接地的特点是，便于屏蔽，光、磁、电的屏蔽罩可以跟阴极靠得近些，屏蔽效果好；暗电流小，噪声低。但这时阳极要处于正高压，会导致寄生电容大，匹配电缆连接复杂，特别是后面若接直流放大器，整个放大器都处于高电压，不利于安全操作；如果后面接交流放大器，则必须接一个耐压很高的隔直电容器，而一般耐压很高的电容器体积大而且价格高。阳极接地的特点是，便于跟后面的放大器相接，操作安全，后面不仅可以通过一个低压耦合电容与交流放大器相接，也可以直接与直流放大器相接。但这时阴极要处于负高压，屏蔽罩不能踉阴极靠得很近，至少要间隔12cm，因此屏蔽效果差一些，暗电流和噪声都比阳极接地时大，而且整个倍增管装置的体积也要大些。,53,2.使用注意事项 1)使用前应了解器件的特性。真空光电器件的共同特点是灵敏度高、惰性小、供电电压高、采用玻璃外壳、抗震性差。2)使用时不宜用强光照。光照过强时，光电线性会变差而且容易使光电阴极疲劳（轻度疲劳经一段时间可恢复，重度疲劳不能恢复），缩短寿命。3)工作电流不宜过大。工作电流大时会烧毁阴极面，或使倍增级二次电子发射系数下降，增益降低，光电线性变差，缩短寿命。4)用来测量交变光时，负载电阻不宜很大，因为负载电阻和管子的等效电容一起构成电路的时间常数，若负载电阻较大，时间常数就变大，频带将变窄。,54,4.4半导体光电器件,光敏电阻光电池光电二极管光电三极管,55,一、光敏电阻,光敏电阻是光电导型器件。光敏电阻材料：主要是硅、锗和化合物半导体，例如：硫化镉（CdS），锑化铟（InSb）等。特点：光谱响应范围宽（特别是对于红光和红外辐射）；偏置电压低，工作电流大；动态范围宽，既可测强光，也可测弱光；光电导增益大，灵敏度高；无极性，使用方便；在强光照射下，光电线性度较差光电驰豫时间较长，频率特性较差。,56,光敏电阻(LDR)和它的符号：,符号,57,1.光敏电阻的工作原理,光敏电阻结构：在一块均匀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。（如图）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穴均参与导电，其阻值急剧减小，电导增加。,58,返回,59,本征型和杂质型光敏电阻,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。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。本征型用于可见光长波段,杂质型用于红外波段。,60,光电导与光电流,光敏电阻两端加电压（直流或交流）无光照时，阻值（暗电阻）很大，电流（暗电流）很小；光照时，光生载流子迅速增加，阻值（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）。光电流：亮电流和暗电流之差；I光=IL-Id光电导：亮电导和暗电导之差；g=gL-gd,61,光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是说暗电流要小，亮电流要大，这样光敏电阻的灵敏度就高。,62,无光照，暗电导率光照下电导率,63,附加光电导率,简称光电导光电导相对值要制成附加光电导相对值高的光敏电阻应使p0和n0小，因此光敏电阻一般采用禁带宽度大的材料或在低温下使用。,64,当光照稳定时，光生载流子的浓度为无光照时，光敏电阻的暗电流为光照时，光敏电阻的光电流为,65,光敏电阻的工作特性,光电特性伏安特性时间响应和频率特性温度特性,66,光电特性：光电流与入射光照度的关系：(1)弱光时，=1，光电流与照度成线性关系(2)强光时，=0.5，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。（冷却可以改善）,光敏电阻的光电特性,67,在弱光照下，光电流与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。,68,光电导灵敏度:光电导g与照度E之比.,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。,69,光电导增益光电导增益反比于电极间距的平方。量子效率：光电流与入射光子流之比。,70,伏安特性,在一定的光照下，光敏电阻的光电流与所加的电压关系光敏电阻是一个纯电阻，因此符合欧姆定律，其伏安特性曲线为直线。不同光照度对应不同直线,71,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。,72,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,73,光敏电阻的时间响应特性较差材料受光照到稳定状态，光生载流子浓度的变化规律：停止光照，光生载流子浓度的变化为,响应时间,74,光敏电阻是多数载流子导电，温度特性复杂。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。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。尤其是红外探测器要采取制冷措施,温度特性,75,光敏电阻参数,使用材料：硫化镉（CdS），硫化铅（PbS），锑化铟（InSb），碲镉汞（HgCdTe），碲锡铅（PbSnTe）.光敏面：1-3 mm工作温度：-40 80 oC温度系数：1极限电压：10 300V耗散功率：100 W时间常数：5 50 ms光谱峰值波长：因材料而不同，在可见/红外远红外暗电阻：108 欧姆亮电阻：104 欧姆,76,光敏电阻的应用,基本功能：根据自然光的情况决定是否开灯。基本结构：整流滤波电路；光敏电阻及继电器控制；触电开关执行电路基本原理：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。,77,光电池,光电池是根据光生伏特效应制成的将光能转换成电能的一种器件。PN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射PN结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向n区，光生空穴拉向p区，相当于PN结上加一个正电压。半导体内部产生电动势（光生电压）；如将PN结短路，则会出现电流（光生电流）。,78,光电池的结构特点,光电池核心部分是一个PN结，一般作成面积大的薄片状，来接收更多的入射光。在N型硅片上扩散P型杂质（如硼），受光面是P型层或在P型硅片上扩散N型杂质（如磷），受光面是N型层,79,受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和保护作用上电极做成栅状，为了更多的光入射由于光子入射深度有限，为使光照到PN结上，实际使用的光电池制成薄P型或薄N型。,80,81,光电池等效电路,82,83,84,光电池的特性,1、伏安特性 无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导体二极管相同。有光照时，沿电流轴方向平移，平移幅度与光照度成正比。曲线与电压轴交点称为开路电压VOC，与电流轴交点称为短路电流ISC。,85,光电池伏安特性曲线,86,反向电流随光照度的增加而上升,87,2、时间和频率响应 硅光电池频率特性好 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,88,要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻RL；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Cj越大，在给定负载时，时间常数就越大，故要求短的响应时间，必须选用小面积光电池。,89,开路电压下降大约23mV/度短路电流上升大约10-510-3mA/度,3、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。,90,4、光谱响应度,硅光电池 响应波长微米，峰值波长微米。硒光电池 响应波长微米，峰值波长0.54微米。,91,5、光电池的光照特性,连接方式：开路电压输出-(a)短路电流输出-(b)光电池在不同的光强照射下可产生不同的光电流和光生电动势。短路电流在很大范围内与光强成线性关系。开路电压随光强变化是非线性的，并且当照度在2000lx时趋于饱和。,92,光照特性-开路电压输出：非线性(电压-光强)，灵敏度高短路电流输出：线性好(电流-光强)，灵敏度低开关测量（开路电压输出），线性检测（短路电流输出）,93,负载RL的增大线性范围也越来越小。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越小越好，并限制在适当的光照范围内使用。,94,光电池的应用,1、光电探测器件 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。2、将太阳能转化为电能 实际应用中，把硅光电池经串联、并联组成电池组。,95,硅太阳能电池,硅太阳能电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池。单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率为23%,而规模生产的单晶硅太阳能电池,其效率为15%。多晶硅半导体材料的价格比较低廉,但是由于它存在着较多的晶粒间界而有较多的弱点。多晶硅太阳能电池的实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率为10%。,96,非晶硅太阳能电池,非晶硅薄膜太阳能电池组件的制造采用薄膜工艺,具有较多的优点,例如:沉积温度低、衬底材料价格较低廉,能够实现大面积沉积。非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大,是单晶硅的40倍,1微米厚的非晶硅薄膜,可以吸引大约90%有用的太阳光能。非晶硅太阳能电池的稳定性较差,从而影响了它的迅速发展。,97,化合物太阳能电池,三五族化合物电池和二六族化合物电池。三五族化合物电池主要有GaAs电池、InP电池、GaSb电池等;二六族化合物电池主要有CaS/CuInSe电池、CaS/CdTe电池等。在三五族化合物太阳能电池中,GaAs电池的转换效率最高,可达28%;,98,GaAs 化合物太阳能电池,Ga是其它产品的副产品,非常稀少珍贵;As 不是稀有元素,有毒。GaAs化合物材料尤其适用于制造高效电池和多结电池,这是由于GaAs具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率。GaAs 化合物太阳能电池虽然具有诸多优点,但是GaAs材料的价格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。,99,太阳能,太阳能特点：无枯竭危险；绝对干净；不受资源分布地域的限制；可在用电处就近发电；能源质量高；使用者从感情上容易接受；获取能源花费的时间短。要使太阳能发电真正达到实用水平，一是要提高太阳能光电变换效率并降低成本；二是要实现太阳能发电同现在的电网联网。,100,光敏二极管结构,光敏二极管与普通二极管一样有一个PN结，属于单向导电性的非线形元件。外形不同之处是在光电二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，实现光电转换。为了获得尽可能大的光生电流，需要较大的工作面，即PN结面积比普通二极管大得多，以扩散层作为它的受光面。为了提高光电转换能力，PN结的深度较普通二极管浅。,101,光电二极管（光敏二极管）,光敏二极管符号 光敏二极管接法,102,外加反向偏压,可以不加偏压，与光电池不同，光敏二极管一般在负偏压情况下使用大反偏压的施加，增加了耗尽层的宽度和结电场，电子空穴在耗尽层复合机会少，提高光敏二极管的灵敏度。增加了耗尽层的宽度，结电容减小，提高器件的频响特性。但是，为了提高灵敏度及频响特性，却不能无限地加大反向偏压，因为它还受到PN结反向击穿电压等因素的限制。,103,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。扩散型P-i-N硅光敏二极管和雪崩光敏二极管,扩散型P-i-N硅光敏二极管,104,选择一定厚度的i层，具有高速响应特性。i层所起的作用:(1)为了取得较大的PN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，影响管子的频率响应。而i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，耗尽层较无i层时要大得多，从而使结电容下降，提高了频率响应。,105,PIN管的最大特点是频带宽，可达10GHz。另一特点是线性输出范围宽。缺点:由于I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。,106,雪崩光敏二极管,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性。通过一定的工艺可以使它在1.06微米波长处的量子效率达到30，非常适于可见光及近红外区域的应用。,107,当光敏二极管的PN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，而产生新的电子空穴对。新的电子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生电子空穴对。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略低于击穿电压。,108,雪崩光电二极管的倍增电流、噪声与偏压的关系曲线,109,在偏置电压较低时的A点以左，不发生雪崩过程；随着偏压的逐渐升高，倍增电流逐渐增加从B点到c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；同时噪声也显著增加，如图中c点以有的区域。因此，最佳的偏压工作区是c点以左，否则进入雪崩击穿区烧坏管子。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。,110,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100GHz。是目前响应最快的一种光敏二极管。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。其缺点是工艺要求高，稳定性差，受温度影响大。,111,雪崩光电二极管与光电倍增管比较,体积小结构紧凑工作电压低使用方便但其暗电流比光电倍增管的暗电流大，相应的噪声也较大故光电倍增管更适宜于弱光探测,112,光敏二极管阵列,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。,113,象限探测器,象限探测器有二象限和四象限探测器，又分光电二极管象限探测器和硅光电池象限探测器。象限探测器是在同一块芯片上制成两或四个探测器，中间有沟道将它们隔开，因而这两或四个探测器有完全相同性能参数。当被测体位置发生变化时，来自目标的辐射量使象限间产生差异，这种差异会引起象限间信号输出变化，从而确定目标方位，同时可起制导、跟踪、搜索、定位等作用。,114,光敏三极管（光电三极管）,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。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。日前用得较多的是NPN和PNP两种平面硅光电三极管。,115,NPN光电三极管结构原理简图,116,光电三极管工作原理,NPN光电三极管（3DU型），使用时光电二极管的发射极接电源负极，集电极接电源正极。光电三极管不受光时，相当于普通三极管基极开路的状态。集电结(基集结)处于反向偏置，基极电流等于0，因而集电极电流很小，为光电三极管的暗电流。当光子入射到集电结时，就会被吸收而产生电子空穴对，处于反向偏置的集电结内建电场使电子漂移到集电极，空穴漂移到基极，形成光生电压，基极电位升高。,117,发射结,集电结,基极,发射极,集电极,118,如同普通三极管的发射结(基发结)加上了正向偏置，当基极没有引线时，集电极电流就等于发射极电流。这样晶体三极管起到电流放大的作用。由于光敏三极管基极电流是由光电流供给，因此一般基极不需外接点，所以通常只有集电极和发射极两个引脚线。,119,光电三极管与光电二极管相比，具有较高的输出光电流，但线性差线性差主要是由电流放大倍数的非线性所致在大照度时，光敏三极管不能作线性转换元件，但可以作开关元件使用。管不能作线性转换元件，但可以作开关元件使用。,光电三极管的光照特性,120,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 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 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 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 较均匀，在高照度时曲线越来越密,121,硅光电三极管,硅光电二极管,122,光敏三极管的温度特性 温度特性反映了光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。温度变化对光电流和暗电流都有影响，对暗电流的影响更大。精密测量时，应采取温度补偿措施，否则将会导致输出误差。光电三极管的光电流和暗电流受温度影响比光电二极管大得多,123,光敏三极管的（调制）频率特性 光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。对于锗管，入射光的调制频率要求在5000Hz以下，硅管的频率响应要比锗管好。,124,4.5 热电检测器件,热电偶和热电堆热敏电阻热释电探测器件,125,热电探测器的特点,热探测器对辐射的响应和光子探测器不同。它基于材料吸收了光辐射能量以后温度升高的现象，这一现象称为光热效应，光热效应的特点是入射光辐射与物质中的晶格相互作用，晶格因吸收光能而增加振动能量，这与光子将能量直接转移给电子的光电效应有本质的不同。光热效应与入射的光子的性质没有关系，取决于入射辐射功率而与入射辐射的光谱成分无关，即对入射辐射的响应无波长选择性。光热效应可以产生温差电效应、电阻率变化效应、自发极化强度的变化效应、气体体积和压强的变化效应等等，利用这些效应可制作各种热探测器。,126,（一）热电偶和热电堆 在用不同的导体或半导体组成的具有温度梯度的电路中，会有电动势产生，这就是温差电势。（1）塞贝克（Seebeck）效应。当由两种不同的导体或半导体组成闭合回路的两个结点置于不同温度（两结点间的温差为时），在两点之间就产生一个电动势V12，这个电动势在闭合回路中引起连续电流，这种现象称为塞贝克效应。定义温差电动势率为（2）珀耳帖（Peltier）效应。珀耳帖应被认为是塞贝克效应的逆效应。当电流流过两个不同材料的导体或半导体组成的回路的时，除产生不可逆的焦耳热外，在不同的节点处分别出现吸热、放热现象。这一效应是热力学可逆的。热交换速率与通过的电流成正比，这种现象称为珀耳帖效应。在每一接头上热量流出率或流入率与通过的电流I间的关系可表示为,12为比例系数Peltier系数,127,（3）汤姆逊（Tomson）效应。在单一均质导体或半导体中存在着与珀耳帖效应相同的现象。如果通有电流的材料有温差存在，也就是说，当电流通过具有一定温度梯度的均质导体或半导体时，就会可逆地吸收热或放出热，这一现象称为汤姆逊效应。单位时间单位体积吸收或放出的热量为,12为Tomson系数,光辐射入射到导体或半导体上便产生温度梯度，从而产生温差电势，由电动势的高低可以测定出接收端所吸收的光辐射的能量或功率。,128,图451 温差电堆示意图,129,（二）热敏电阻测辐射热计是利用入射辐射使敏感元件的温度提高后从而使电阻随之改变而测出辐射的热探测器。对温度敏感的电阻（也称热敏电阻）材料有两类，一类是金属材料；另一类是半导体材料。材料电阻随温度的变化可用下式表示式中T称为材料的电阻温度系数。金属材料的与温度成反比而为在室温下金属材料的T0.0033。半导体材料与T2成反比而为,130,测辐射热计原理图,由两个相同的热敏电阻R1和R2和两个负载电阻构成桥式电路，两个热敏电阻中的一个作为热辐射接收元件，另一个作为环境温度补偿元件。,131,在无入射辐射时，电桥平衡，输出电压V=0。此时 当R1受到辐射时，会产生温升T，阻值变化R，此时电桥不平衡，输出信号电压V为式中U为电源电压。在辐射量不大时，若选择四个电阻的阻值相同，则上式变为,132,（三）热释电探测器 根据结构的对称性，晶体可分为32类，在这32类中有20类属于压电晶体，有10个具有唯一的极性轴，称为极性晶体。对压电晶体施加压力能够产生电极化。极性晶体在外电场和外加压力均为零的情况下，晶体内正负电荷中心并不重合而出现电偶极矩，因而也就具有自发电极化。单位体积内产生的自发偶极矩称为自发极化强度矢量，常用Ps表示。又因为Ps是温度的函数，故极性晶体也称为热释电晶体。晶体的这种性质也被称为热释电效应。在通常情况下，这些束缚电荷不表现出电性，因为它被表面吸附的杂散电荷和通过自身导电作用引进的自由电荷所中和，即当温度变化时，由于Ps的弛豫时间很小（约1ps），1、2就