光电检测技术第三章.ppt

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1、光电检测技术第三章现在学习的是第1页，共65页 3.13.1光探测器的物理基础光探测器的物理基础一、光探测器的分类一、光探测器的分类1 1、光探测器的物理效应通常分为两类：、光探测器的物理效应通常分为两类：光电效应和光热效应光电效应和光热效应，如表，如表3 31 1（a a）（）（b b）所示。）所示。效应效应相应的探测器相应的探测器外光电效应外光电效应（1 1）光阴极发射光电子）光阴极发射光电子光电管光电管（2 2）光电子倍增）光电子倍增 打拿极倍增打拿极倍增 通道电子倍增通道电子倍增光电倍增管光电倍增管像增强器像增强器内光电效应内光电效应（1 1）光电导（本征或非本征）光电导（本征或非本征

2、）光电管或光敏电阻光电管或光敏电阻（2 2）光生伏特）光生伏特 pnpn结和结和pinpin结（零偏）结（零偏） pnpn结和结和pinpin结（反偏）结（反偏） 雪崩、肖特基势垒雪崩、肖特基势垒光电池光电池光电二极管光电二极管雪崩光电二极管雪崩光电二极管肖特基势垒光电二极管肖特基势垒光电二极管（3 3）光电磁）光电磁 光子牵引光子牵引光电磁探测器光电磁探测器光子牵引探测器光子牵引探测器（a a）光电效应）光电效应现在学习的是第2页，共65页效效 应应相应的探测器相应的探测器（1 1）测辐射热计）测辐射热计 负电阻温度系数负电阻温度系数 正电阻温度系数正电阻温度系数 超导超导热敏电阻测辐热计热

3、敏电阻测辐热计金属测辐射热计金属测辐射热计超导远红外探测器超导远红外探测器（2 2）温差电）温差电热电偶、热电堆热电偶、热电堆（3 3）热释电）热释电热释电探测器热释电探测器（4 4）其他）其他高莱盒、液晶灯高莱盒、液晶灯（b b）光热效应）光热效应现在学习的是第3页，共65页2 2、光电探测器也可分为：、光电探测器也可分为：单元器件；单元器件；阵列器件；阵列器件；成像器件。成像器件。 单元器件只是把投射在其光接受面元上的平均光能单元器件只是把投射在其光接受面元上的平均光能量变成电信号；量变成电信号； 阵列器件或成像器件则可测出物面上的光强分布。阵列器件或成像器件则可测出物面上的光强分布。 成

4、像器件一般放在光学系统的像面上，能获得物面成像器件一般放在光学系统的像面上，能获得物面上的图像信号。上的图像信号。 光电检测器件还可从用途上分为用于检测微弱信号光电检测器件还可从用途上分为用于检测微弱信号的存在及其强弱的探测器，的存在及其强弱的探测器，这时主要考虑的是器件这时主要考虑的是器件探测微弱信号的能力，要求器件输出灵敏度高，噪探测微弱信号的能力，要求器件输出灵敏度高，噪声低；用于控制系统中作光电转换器，主要考虑的声低；用于控制系统中作光电转换器，主要考虑的是光电转换的效能。是光电转换的效能。现在学习的是第4页，共65页3、目前，光电探测器的种类很多，新的器件也不断出现。按照现目前，光电

5、探测器的种类很多，新的器件也不断出现。按照现阶段各类常用光电探测器工作原理和结构又可分类如下：阶段各类常用光电探测器工作原理和结构又可分类如下： 光电管光电管 光电倍增管光电倍增管 真空光电器件真空光电器件 真空摄象管真空摄象管 变象管变象管 象增强器象增强器 光敏电阻光敏电阻 光电探测器光电探测器 光电池光电池 光电二极管光电二极管 光电三极管光电三极管 光电耦合器光电耦合器 固体光电器件固体光电器件 光中断器光中断器 位置传感器位置传感器PSDPSD 电荷耦合器件电荷耦合器件CCDCCD 自扫描光电二极管自扫描光电二极管 列阵列阵SSPDSSPD现在学习的是第5页，共65页二、光电探测器原

6、理二、光电探测器原理 光电探测器利用材料的光电效应制成。光电探测器利用材料的光电效应制成。 在光辐射作用下，电子逸出材料表面，产生光在光辐射作用下，电子逸出材料表面，产生光电子发射称为外光电效应，或光电子发射效应；电子发射称为外光电效应，或光电子发射效应； 电子并不逸出材料表面的为内光电效应。光电电子并不逸出材料表面的为内光电效应。光电导效应、光生伏特效应及光磁电效应均属于内光导效应、光生伏特效应及光磁电效应均属于内光电效应。电效应。 现在学习的是第6页，共65页三、光电转换定律三、光电转换定律 光电探测器的作用是将光辐射能转换成易于测量的电光电探测器的作用是将光辐射能转换成易于测量的电学量，

7、所以光电探测器实质上是一种光电转换器件。学量，所以光电探测器实质上是一种光电转换器件。 考虑能量为考虑能量为hvhv的光子入射到光电探测器上所产生的光电流的光子入射到光电探测器上所产生的光电流，如果光子能量大于探测器材料的禁带宽度，在观察时间，如果光子能量大于探测器材料的禁带宽度，在观察时间 t t内内，它产生的平均光电子数为，它产生的平均光电子数为 N N，则根据量子理论分析的结果，则根据量子理论分析的结果， N N与入射的平均光辐射能量成正比，即与入射的平均光辐射能量成正比，即 htQN/ )(现在学习的是第7页，共65页而入射的瞬时光辐射能量为：而入射的瞬时光辐射能量为： 式中，式中，P

8、 P( (t t) )是光辐射的瞬时功率。一般来是光辐射的瞬时功率。一般来说，它是一个随机量，如果说，它是一个随机量，如果P P( (t t) )在观察时间在观察时间 t t内没有明显的改变，则内没有明显的改变，则Q Q( (t t) ) P P( (t t) ) t t。由此可。由此可得光电探测器输出的平均光电流表达式：得光电探测器输出的平均光电流表达式： 式中式中P P为入射光辐射的平均功率。此式描为入射光辐射的平均功率。此式描述了光电转换的基本定律。述了光电转换的基本定律。 tttdttPtQ00)()( )PeNeeIP tPthh现在学习的是第8页，共65页从光电转换定律可知：从光电

9、转换定律可知：光电探测器输出的光电流与入射平均光功率光电探测器输出的光电流与入射平均光功率成正比，因此，一个光子探测器可视为一个成正比，因此，一个光子探测器可视为一个电流源。电流源。由于平均光功率与光电场强度的平方成正比由于平均光功率与光电场强度的平方成正比，所以光电探测器输出的光电流也与光电场，所以光电探测器输出的光电流也与光电场强度的平方成正比。也就是说，光电探测器强度的平方成正比。也就是说，光电探测器的响应具有平方律特性。因此，通常称光电的响应具有平方律特性。因此，通常称光电探测器为平方律探测器，或者说，光电探测探测器为平方律探测器，或者说，光电探测器本质上是一个非线性器件。器本质上是一

10、个非线性器件。现在学习的是第9页，共65页 3.2 3.2 光电探测器的主要特性参数光电探测器的主要特性参数 判断光电探测器的优劣的指标，以及根据特判断光电探测器的优劣的指标，以及根据特定的要求恰当地选择探测器的依据定的要求恰当地选择探测器的依据。现在学习的是第10页，共65页因此，最关心的问题有：因此，最关心的问题有：1.1.光电探测器的量子效率，即单位时间内探测器传输出的光光电探测器的量子效率，即单位时间内探测器传输出的光电子数与入射到探测器表面的光子数之比；电子数与入射到探测器表面的光子数之比；2.2.根据测量光信号大小，探测器能输出多大的电信号，即探根据测量光信号大小，探测器能输出多大

11、的电信号，即探测器的响应率大小。测器的响应率大小。3.3.探测器的光谱响应范围是否同测量光信号的相对光谱功率分探测器的光谱响应范围是否同测量光信号的相对光谱功率分布一致。布一致。4.4.对某种探测器，它能探测的极限功率是多少对某种探测器，它能探测的极限功率是多少需要知需要知道探测器的等效噪声功率；需要知道所产生电信号的信道探测器的等效噪声功率；需要知道所产生电信号的信噪比。噪比。5.5.当测量调制或脉冲光信号时，探测器输出电信号是否能当测量调制或脉冲光信号时，探测器输出电信号是否能正确反映光信号的波形正确反映光信号的波形探测器的响应时间。探测器的响应时间。6.6.当测量的光信号幅度变化时，探测

12、器输出的信号幅度当测量的光信号幅度变化时，探测器输出的信号幅度是否能线性地响应。是否能线性地响应。现在学习的是第11页，共65页1 1量子效率量子效率 光电探测器吸收光子产生光电子，光电子形成电光电探测器吸收光子产生光电子，光电子形成电流。流。 I=I=（e/ he/ h）P P 式中：式中：光电转换因子，光电转换因子，=e/ h=e/ h； P/ hP/ h单位时间内入射到探测器表面的光子数单位时间内入射到探测器表面的光子数 I/eI/e单位时间内被光子激励的光电子数单位时间内被光子激励的光电子数=Ih/ep =Ih/ep 即单位时间内探测器传输出的光电即单位时间内探测器传输出的光电子数与入

13、射到探测器表面的光子数之比。子数与入射到探测器表面的光子数之比。 对于理想的探测器，对于理想的探测器，=1=1，实际上，实际上 11。 显然，量子效率越高越好，量子效率是一个微观显然，量子效率越高越好，量子效率是一个微观参数。参数。现在学习的是第12页，共65页 响应率响应率(响应度响应度)响应率响应率( (响应度响应度) )是光电探测器光电转换特性的量度，是与量是光电探测器光电转换特性的量度，是与量子效率子效率相对应的一个宏观参数。相对应的一个宏观参数。它是指单位入射的光辐射功率所引起的反应，即探测它是指单位入射的光辐射功率所引起的反应，即探测器的输出信号电压或电流与入射的光辐射功率器的输出

14、信号电压或电流与入射的光辐射功率P P或光辐或光辐射通量射通量e e 之比之比 ，称为响应率。，称为响应率。 一般有两种方法表示：电压灵敏度和电流灵敏度一般有两种方法表示：电压灵敏度和电流灵敏度. . （1 1） 电压灵敏度电压灵敏度Ru=Us/P Ru=Us/P 或或 Sv=Vs/eSv=Vs/e单位为单位为V Vw w。（2 2） 电流灵敏度电流灵敏度Sd=Is/P Sd=Is/P 或或Si=Is/eSi=Is/e单位为单位为A Aw w。注意概念：注意概念：如探测器的入射光是光通量信号，那么得到的将是如探测器的入射光是光通量信号，那么得到的将是光照灵敏度单位为光照灵敏度单位为v vlml

15、m，或光照灵敏度单位为，或光照灵敏度单位为A Almlm。现在学习的是第13页，共65页光谱灵敏度光谱灵敏度 如果把光功率如果把光功率P P换成波长可变的光功率谱密度换成波长可变的光功率谱密度P P ，则，则由于光电探测器的光谱选择性，在其他条件不变的情况下，光由于光电探测器的光谱选择性，在其他条件不变的情况下，光电流（或光电压）将是光波长的函数，记为电流（或光电压）将是光波长的函数，记为I I （或（或U U ），于是），于是光谱灵敏度定义为：光谱灵敏度定义为：S SI I ( () )I I /d/dP P S SU U( () )U U /d/dP P 如果如果S SI I ( () )

16、或或S SU U( () )是常数，则相应的探测器称为无选择性探是常数，则相应的探测器称为无选择性探测器（如光热探测器），光子探测器则是选择性探测器。测器（如光热探测器），光子探测器则是选择性探测器。 现在学习的是第14页，共65页频率灵敏度频率灵敏度S Sf f 如果入射光是强度调制的，则在其他条件不变的情况下，光如果入射光是强度调制的，则在其他条件不变的情况下，光电流电流I If f将随调制频率将随调制频率f f的升高而下降。这时的的升高而下降。这时的灵敏度称为频率灵敏度灵敏度称为频率灵敏度S Sf f ，定义为：，定义为：式中，式中，I If f是光电流时变函数的傅里叶变换，通常是光电流

17、时变函数的傅里叶变换，通常 式中，式中， 称为探测器的响应时间或时间常数，由材料、结构称为探测器的响应时间或时间常数，由材料、结构和外电路决定。和外电路决定。 PISff20)2(1)0(ffIIf现在学习的是第15页，共65页 这就是探测器的频率特性，这就是探测器的频率特性，S S0 0为调制频率为调制频率f f0 0时的灵敏度，时的灵敏度，S Sf f随随f f升高而下降的速度与升高而下降的速度与 值关系很大。一般规定，值关系很大。一般规定，S Sf f下降到下降到 时的时的频率频率f fc c称为探测器的截止响应频率或响应频率称为探测器的截止响应频率或响应频率。 f fc c1/21/2

18、 当当f f f fc c时，认为光电流能线性再现光功率时，认为光电流能线性再现光功率P P的变化。的变化。20)2(1fSSf0/2S现在学习的是第16页，共65页4 响应时间和频率响应响应时间和频率响应 响应时间响应时间 通常用响应时间通常用响应时间来衡量。来衡量。 当阶跃光输入时，光信号探测器在上升弦的输出电流当阶跃光输入时，光信号探测器在上升弦的输出电流为：为： IsIs（t t）= I= I0 01-exp1-exp（-t/ -t/ 1 1 ） 定义：定义：IsIs（t t）上升到稳态值）上升到稳态值I I0 0的的0 06363倍的时间为探倍的时间为探测器的上升响应时间，即测器的上

19、升响应时间，即上上=1 1 。同样，光信号探测器在下降弦的输出电流为同样，光信号探测器在下降弦的输出电流为 I Ix x（t t）= I= I0 0 exp exp（-t/ -t/ 2 2） 定义定义I Ix x（t t）下降到稳态值）下降到稳态值I I0 0的的0 03737倍的时间为探测倍的时间为探测器的下降响应时间，即器的下降响应时间，即下下= = 2 2 。一般光电器件。一般光电器件1 1 = = 2 2 。现在学习的是第17页，共65页频率响应频率响应 由于探测器存在惰性当用一定振幅的正弦调制光由于探测器存在惰性当用一定振幅的正弦调制光照射探测器时，若调制频率低，则响应度与调制频率照

20、射探测器时，若调制频率低，则响应度与调制频率无关；若频率高。响应度就随频率升高而降低。探测无关；若频率高。响应度就随频率升高而降低。探测器的响应度与调制频率的关系是：器的响应度与调制频率的关系是： 式中，式中，S S0 0为调制频率为调制频率f=0f=0时的响应度，时的响应度，f f为调制频率。当调为调制频率。当调制频率升高时，制频率升高时，S S（t t）就下降，一般规定）就下降，一般规定S S（f fc c）= = S S0 0/1.414/1.414时的调制频率时的调制频率f fc c为探测器的响应频率。即为探测器的响应频率。即f fc c=1/2=1/2。 由此可以看出，响应时间和响应

21、频率是由此可以看出，响应时间和响应频率是从不同角度来表征探测器的动态特性。从不同角度来表征探测器的动态特性。2)2(10)(fSfS现在学习的是第18页，共65页5 5等效噪声功率和探测率等效噪声功率和探测率 如果入射到探测器上的光功率或辐通量按某如果入射到探测器上的光功率或辐通量按某一频率变化，当探测器输出信号电流一频率变化，当探测器输出信号电流I Is s ( (或电或电压压V Vs s) )等于噪声的均方根电流等于噪声的均方根电流( (或电压或电压) )时，所对时，所对应的入射光功率应的入射光功率P P或辐通量或辐通量e e称为等效噪声功称为等效噪声功率率NEPNEP。即。即 NEP=P

22、/NEP=P/（U Us s/U/Un n）= U= Un n /R /Ru u 或或 NEP=NEP=e e/ /（U Us s/U/Un n） NEP=P/NEP=P/（I Is s/I/In n）= I= In n /S /Sd d 或或 NEP=NEP=e e/ /（I Is s/I/In n）式中，（式中，（U Us s/U/Un n）、（）、（I Is s/I/In n）分别称为电压和电）分别称为电压和电流信噪比。显然，流信噪比。显然，NEPNEP值越小越好，这是表示值越小越好，这是表示光电探测器探测能力的重要参数。一个较好的光电探测器探测能力的重要参数。一个较好的光电探测器的等效

23、噪声功率约为光电探测器的等效噪声功率约为1010-11-11瓦左右。瓦左右。现在学习的是第19页，共65页6 6线性度线性度 线性是指探测器的输出光电流或电压与输入的光功率或线性是指探测器的输出光电流或电压与输入的光功率或辐通量成比例的程度和范围。探测器线性的下限往往由暗辐通量成比例的程度和范围。探测器线性的下限往往由暗电流和噪声等因素决定的，而上限通常由饱和效应或过载电流和噪声等因素决定的，而上限通常由饱和效应或过载决定的。决定的。 实际上实际上, ,探测器的线性范围的大小与其工作状态有很大的探测器的线性范围的大小与其工作状态有很大的关系。如偏置电压、光信号调制频率、信号输出电路等，关系。如

24、偏置电压、光信号调制频率、信号输出电路等，可能会发生这样的情况：一个探测器的光电流信号用运算可能会发生这样的情况：一个探测器的光电流信号用运算放大器作电流电压转换输出，在很大的范围内是线性的，放大器作电流电压转换输出，在很大的范围内是线性的，而同一探测器，其光电流通过一只而同一探测器，其光电流通过一只100kQ100kQ的电阻输出，线性的电阻输出，线性范围可能就很小。因此要获得宽的线性范围，必须使探测器范围可能就很小。因此要获得宽的线性范围，必须使探测器工作在最佳的工作状态。工作在最佳的工作状态。 探测器的线性在光度和辐射度等测量中是一个十分重要的参探测器的线性在光度和辐射度等测量中是一个十分

25、重要的参数。数。现在学习的是第20页，共65页7 7、光电探测器的噪声、光电探测器的噪声什么是噪声？什么是噪声？ 通常把噪声这个随机的时间函数进行傅氏频谱分析，得到噪声通常把噪声这个随机的时间函数进行傅氏频谱分析，得到噪声功率随频率变化关系，这就是噪声的功率谱功率随频率变化关系，这就是噪声的功率谱s(f)s(f)。根据噪声的功率谱与频率的关系，常见有两种典型情况：一种是根据噪声的功率谱与频率的关系，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，通常称为白噪声；一种噪声是功率谱大小与频率无关的噪声，通常称为白噪声；一种噪声是功率谱与功率谱与1/f1/f成正比，称为成正比，称为1/f 1/

26、f 噪声。噪声。图图 信号的随机起伏信号的随机起伏 图图 白噪声和白噪声和1/f噪声噪声 现在学习的是第21页，共65页一般光电检测系统的噪声可分为三类：一般光电检测系统的噪声可分为三类：（1 1）光子噪声）光子噪声包括：包括：A.A.信号辐射产生的噪声；信号辐射产生的噪声；B.B.背景辐射产生的噪声。背景辐射产生的噪声。（2 2）探测器噪声）探测器噪声包括：热噪声；散粒噪声；产生包括：热噪声；散粒噪声；产生复合噪声；复合噪声； 1/f 1/f 噪声；温噪声；温度噪声。度噪声。（3 3）信号放大及处理电路噪声）信号放大及处理电路噪声 图 光电测量系统噪声分类现在学习的是第22页，共65页p热噪

27、声热噪声( (又称电阻噪声或白噪声又称电阻噪声或白噪声) ) 凡有功耗电阻的元件都有热噪声，它来源于电阻内部自由电子凡有功耗电阻的元件都有热噪声，它来源于电阻内部自由电子或电荷载流子的不规则的热骚动。热噪声与温度或电荷载流子的不规则的热骚动。热噪声与温度T T成正比；与成正比；与测量仪器的电子带宽测量仪器的电子带宽ff成正比，与频率无关。成正比，与频率无关。热噪声均方电流热噪声均方电流I In n2 2和热噪声均方电压和热噪声均方电压V Vn n2 2分别由下式决定分别由下式决定 I In n2 24KTf/R4KTf/R V Vn n2 24KTf.R4KTf.R式中式中:K:K是玻尔兹曼常

28、数；是玻尔兹曼常数；T T是温度是温度(K)(K)；R R是器件电阻值；是器件电阻值；ff为所为所取的通带宽度取的通带宽度( (频率范围频率范围) )。因此，所取的带宽愈大，噪声功率。因此，所取的带宽愈大，噪声功率也愈大。当然并不是带宽无限增大，噪声功率也会无限增大也愈大。当然并不是带宽无限增大，噪声功率也会无限增大。在常温下，上式只适合于。在常温下，上式只适合于10101212HzHz频率以下范围。频率以下范围。 现在学习的是第23页，共65页p散粒噪声散粒噪声 一种由电子或光生载流子的粒子性所引起的噪声。对一种由电子或光生载流子的粒子性所引起的噪声。对于内光电效应探测器于内光电效应探测器:

29、(1):(1)光生载流子光生载流子( (电子，空穴对电子，空穴对) )的的产生和复合过程的随机性，每一瞬时通过产生和复合过程的随机性，每一瞬时通过PNPN结的载流子结的载流子数总有微小的不规则起伏，使探测器的输出电流也随数总有微小的不规则起伏，使探测器的输出电流也随之起伏，引起散粒噪声。之起伏，引起散粒噪声。(2)(2)此外，光辐射中光子到达率此外，光辐射中光子到达率的起伏在某些探测器光电转换后也表现为散粒噪声。散粒噪的起伏在某些探测器光电转换后也表现为散粒噪声。散粒噪声由下式决定：声由下式决定： I In n2 22eif2eif 式中：式中：i i为器件输出平均电流。为器件输出平均电流。可

30、以看出，散粒噪声是与频率无关，与带宽有关的白噪声。可以看出，散粒噪声是与频率无关，与带宽有关的白噪声。现在学习的是第24页，共65页p产生产生复合噪声复合噪声 在平衡状态时，载流子产生和复合的平均在平衡状态时，载流子产生和复合的平均数是一定的，但其瞬间载流子的产生数和复合数数是一定的，但其瞬间载流子的产生数和复合数是有起伏的，于是载流子浓度的起伏引起光电器是有起伏的，于是载流子浓度的起伏引起光电器件电导率起伏。在外加电压下，电导率的起伏使件电导率起伏。在外加电压下，电导率的起伏使输出电流中带有产生复合噪声。输出电流中带有产生复合噪声。如果频率低，满足如果频率低，满足w1w1时，时， 22224

31、1)/(4ffeIicnfeIicn)/(42现在学习的是第25页，共65页p 1/f 1/f噪声（电流噪声）噪声（电流噪声） 因导电元件内微粒的不均匀性和不因导电元件内微粒的不均匀性和不必要的微量杂质存在，当电流流过时，在元件必要的微量杂质存在，当电流流过时，在元件微粒间发生微火化放电而引起的微电爆脉冲就微粒间发生微火化放电而引起的微电爆脉冲就是是1/f1/f噪声的起源。噪声的起源。 1/f1/f噪声的经验公式为噪声的经验公式为: : ffCIin2现在学习的是第26页，共65页p温度噪声温度噪声 温度噪声主要存在于热探测器中。在热探测器中，不是温度噪声主要存在于热探测器中。在热探测器中，不

32、是由于辐射信号的变化，而是由器件本身吸收和传导等的热交由于辐射信号的变化，而是由器件本身吸收和传导等的热交换引起的温度起伏称为温度噪声，其表达式为换引起的温度起伏称为温度噪声，其表达式为 式中，式中，G Gt t为器件的热导；为器件的热导；t tC Ct t/ /G Gt t是器件的热时间常数，是器件的热时间常数，C Ct t是器件的热容；是器件的热容；T T是周围温度（是周围温度（K K）。）。 在低频时，在低频时， 11， 温度噪声也具有白噪声的性质。温度噪声也具有白噪声的性质。)2(1 4222ttnfGfKTI22）（tftnGfKTI224现在学习的是第27页，共65页光敏电阻与其它

33、半导体光电器件相比有以下特点：光敏电阻与其它半导体光电器件相比有以下特点： 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，尤其是对红光和红围可从紫外、可见光、近红外扩展到远红外，尤其是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。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，既可测强光，也可测弱光。所测的光强范围宽，既可测强光，也可测弱光。 灵敏度高，光电导增益大于一。灵敏度高，光电导增益大于一。 偏置电压低，无极性之分，使用方便。偏置电压低，无极性之分，使用方便。

34、光敏电阻的不足之处是：在强光照射下光电转换线性较差；光光敏电阻的不足之处是：在强光照射下光电转换线性较差；光电弛豫过程较长；频率响应很低。因此它的使用受到一定限制。电弛豫过程较长；频率响应很低。因此它的使用受到一定限制。 3.33.3光电导器件光电导器件现在学习的是第28页，共65页光电导效应：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。入射光强改变物质导电率的物理现象称光电导效应。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EgEg

35、。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。一、光电导效应一、光电导效应（1 1）定义）定义现在学习的是第29页，共65页图图33 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现在学习的是第30页，共65页（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，即决定，即gEhc0当光子的能量等于或大于当光子的能量等于或大于EgEg时，才能释放时，才能释放出电子出电子空穴对，释放的多少，与材料的反射空穴对，释放的多少，与材料的反射系数，吸收系数和厚度有关。系数，吸收系数和厚度有关。现

36、在学习的是第31页，共65页（4 4）杂质型）杂质型杂质型光电导效应则是能量足够大的光子使施杂质型光电导效应则是能量足够大的光子使施主能级中的电子或受主能级中的空穴跃迁到导主能级中的电子或受主能级中的空穴跃迁到导带或价带，从而使电导增加。带或价带，从而使电导增加。此时长波限由杂质的电离能此时长波限由杂质的电离能E Ei i决定，因为决定，因为E Ei i EEg g，所以杂质型光电导的长波限比本征型光，所以杂质型光电导的长波限比本征型光电导的要长得多。电导的要长得多。现在学习的是第32页，共65页现在学习的是第33页，共65页（5 5）光电导的弛豫现象）光电导的弛豫现象 光辐射入射到本征或非本

37、征半导体材料上，开始时随时间的光辐射入射到本征或非本征半导体材料上，开始时随时间的增加光生载流子逐渐增加，经过一定时间后，载流子浓度才逐渐增加光生载流子逐渐增加，经过一定时间后，载流子浓度才逐渐趋于一稳定值。此后，若突然遮断入射的光辐射，光生载流子并趋于一稳定值。此后，若突然遮断入射的光辐射，光生载流子并不立即下降到照射前的水平，而是经过一定时间才趋于照射前的不立即下降到照射前的水平，而是经过一定时间才趋于照射前的水平，这种现象称为光电导的弛豫现象水平，这种现象称为光电导的弛豫现象。光电导的弛豫时间或时间常数光电导的弛豫时间或时间常数 光辐射入射到本征或非本征半导体材料上，建立稳定的光生光辐射

38、入射到本征或非本征半导体材料上，建立稳定的光生载流子浓度所需要的时间，或停止照射后光生载流子浓度下降到载流子浓度所需要的时间，或停止照射后光生载流子浓度下降到照射前的水平所需要的时间照射前的水平所需要的时间现在学习的是第34页，共65页（a a）上升）上升 （b b）下降）下降图图3-4 3-4 本征光电导上升和下降的弛豫过程本征光电导上升和下降的弛豫过程现在学习的是第35页，共65页 光敏电阻的工作原理是基于光电导效应，其结构是光敏电阻的工作原理是基于光电导效应，其结构是在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质，两端有梳在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质，两端有梳状金属电极，然后在半导体上

39、覆盖一层漆膜。状金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜。 光敏电阻结构及符号光敏电阻结构及符号 二、光敏电阻的工作原理二、光敏电阻的工作原理现在学习的是第36页，共65页 本征型光敏电阻的长波限为：本征型光敏电阻的长波限为： =hc/Eg=1240/Eg=hc/Eg=1240/Eg掺杂型光敏电阻：掺杂型光敏电阻： = hc/= hc/ E=1240/ E=1240/ E E 由于由于 EEgEEg，因此，因此掺杂型光敏电阻的长波限远掺杂型光敏电阻的长波限远大于本征型光敏电阻大于本征型光敏电阻光敏电阻也有两种类型：本征型半导体光敏电阻光敏电阻也有两种类型：本征型半导体光敏电阻和掺杂型半导体光敏电阻

40、。和掺杂型半导体光敏电阻。现在学习的是第37页，共65页光敏电阻工作原理图及其符号光敏电阻工作原理图及其符号: : 现在学习的是第38页，共65页实际光敏电阻实际光敏电阻现在学习的是第39页，共65页光敏电阻光照特性光敏电阻光照特性: 无光照时，内部电子被原子束缚，具有很高的电阻值；无光照时，内部电子被原子束缚，具有很高的电阻值； 有光照时，电阻值随光强增加而降低；有光照时，电阻值随光强增加而降低； 光照停止时，自由电子与空穴复合，电阻恢复原值。光照停止时，自由电子与空穴复合，电阻恢复原值。光敏电阻主要参数光敏电阻主要参数: 暗电阻暗电阻无光照时的电阻；无光照时的电阻； 暗电流暗电流无光照时的

41、电流；无光照时的电流； 亮电阻、亮电流亮电阻、亮电流受光照时的阻值、电流；受光照时的阻值、电流； 光电流光电流亮电流与暗电流之差称亮电流与暗电流之差称光光电流电流 。三、光敏电阻的主要特性三、光敏电阻的主要特性现在学习的是第40页，共65页三、光敏电阻的主要特性三、光敏电阻的主要特性 光电导增益光电导增益一个自由载流子的寿命与该载流一个自由载流子的寿命与该载流子在光敏电阻两极间的有效渡越子在光敏电阻两极间的有效渡越时间之比，即时间之比，即 式中，式中，A A为光电导增益；为光电导增益；为器为器件的时间响应；件的时间响应； drdr为载流子在两为载流子在两极间的渡越时间。极间的渡越时间。A A=

42、 = / / drdr 载流子的平均寿命载流子的平均寿命大于有效渡越时间，增大于有效渡越时间，增益就可大于益就可大于1 1。提高载流子寿命，减小提高载流子寿命，减小电极间的间距电极间的间距L L，适当提，适当提高工作电压高工作电压U Ub b，对提高，对提高A A值值和响应度有利。和响应度有利。如果如果L L减得太小，使受光减得太小，使受光面太小，也是不利的，一面太小，也是不利的，一般般A A值可达值可达10103 3数量级。数量级。电极做成梳状，既增电极做成梳状，既增大面积，又减小电极间大面积，又减小电极间距，从而减小渡越时间距，从而减小渡越时间。现在学习的是第41页，共65页三、光敏电阻的

43、主要特性三、光敏电阻的主要特性 光敏电阻的光电特性和光照指数光敏电阻的光电特性和光照指数光敏电阻的光电流与入射通量光敏电阻的光电流与入射通量之间的关系称为光电特性。之间的关系称为光电特性。drPhqI)()(当弱光照射时，当弱光照射时， d dr r不变，不变，I IP P（）与）与 （）成正比，即保持线性关）成正比，即保持线性关系；当强光照射时，系；当强光照射时，与光电子浓度与光电子浓度有关，有关， drdr也会随电子浓度变大，或出也会随电子浓度变大，或出现温升而产生变化，故现温升而产生变化，故I IP P（）与）与 （）偏离线性而呈非线性。）偏离线性而呈非线性。 图图3-6 CdS3-6

44、CdS的光电流照度特性曲线的光电流照度特性曲线现在学习的是第42页，共65页三、光敏电阻的主要特性三、光敏电阻的主要特性 光敏电阻的光电特性和光照指数光敏电阻的光电特性和光照指数式中，式中，SgSg是光电导灵敏度，与光敏电阻材料有关；是光电导灵敏度，与光敏电阻材料有关；U U为外加电源电压；为外加电源电压；为入射光通量；为入射光通量；E E为入射光照度为入射光照度。 为为0.50.51 1之间的系数，弱光照射时，之间的系数，弱光照射时， 1 1，I Ip p与与有良好的线性关系，即线性光电导；强光照射时，有良好的线性关系，即线性光电导；强光照射时， 0.50.5，即抛物线性光电导。，即抛物线性

45、光电导。UESIUSIgPgP)()(或现在学习的是第43页，共65页三、光敏电阻的主要特性三、光敏电阻的主要特性 光谱特性光谱特性 光敏电阻灵敏度与入射波长有关光敏电阻灵敏度与入射波长有关; ; 光敏电阻灵敏度与半导体掺杂的材料有关，光敏电阻灵敏度与半导体掺杂的材料有关，材料与相对灵敏度峰位波长材料与相对灵敏度峰位波长例图：例图：硫化镉（硫化镉（CdSCdS）0.30.30.8(m)0.8(m)硫化铅（硫化铅（PbSPbS）1.01.03.5(m)3.5(m)锑化铟（锑化铟（InSbInSb）1.01.07.3(m)7.3(m) 现在学习的是第44页，共65页三、光敏电阻的主要特性三、光敏电

46、阻的主要特性 光敏电阻的光谱特性光敏电阻的光谱特性现在学习的是第45页，共65页光谱响应率光谱响应率 光敏器件对某个波长光辐射的响应度或灵敏光敏器件对某个波长光辐射的响应度或灵敏度叫做单色灵敏度或光谱灵敏度。而把光谱灵度叫做单色灵敏度或光谱灵敏度。而把光谱灵敏度随波长变化的关系曲线叫做光谱响应或光敏度随波长变化的关系曲线叫做光谱响应或光谱特性。谱特性。 还可以用光谱响应率来表征光谱特性。光谱响还可以用光谱响应率来表征光谱特性。光谱响应率表示在某一特定波长下，输出光电流（或应率表示在某一特定波长下，输出光电流（或电压）与入射辐射能量之比，输出光电流：电压）与入射辐射能量之比，输出光电流：drPh

47、qAhqqNAI)()()(三、光敏电阻的主要特性三、光敏电阻的主要特性现在学习的是第46页，共65页光敏电阻的光谱响应率与光敏电阻的光谱响应率与A A成正比；成正比；光敏电阻的光谱响应速度与光敏电阻的光谱响应速度与A A成反比。成反比。AhcqhcqhqISdrdrP)()()(表示入射的单色辐射功率表示入射的单色辐射功率 （ ）能产生）能产生N N个光电个光电子的量子效率。则光谱响应率：子的量子效率。则光谱响应率：三、光敏电阻的主要特性三、光敏电阻的主要特性现在学习的是第47页，共65页三、光敏电阻的主要特性三、光敏电阻的主要特性 光敏电阻的时间和频率特光敏电阻的时间和频率特性性1-1-硒

48、硒 2-CdS 3-TeS 4-PbS2-CdS 3-TeS 4-PbS图图3-10 3-10 几种光敏电阻的频率特性曲线几种光敏电阻的频率特性曲线 光敏电阻是依靠非平衡载光敏电阻是依靠非平衡载流子效应工作的。光生载流子效应工作的。光生载流子的产生或者复合都要流子的产生或者复合都要经过一段时间，而且时间经过一段时间，而且时间常数比较大，所以其上限常数比较大，所以其上限频率频率f f上上低。低。 截止频率：截止频率：f f3dB3dB=1/2=1/2光敏电阻采用交变光照时，光敏电阻采用交变光照时，其输出将随入射光频率的增其输出将随入射光频率的增加而减少。加而减少。现在学习的是第48页，共65页

49、在忽略外电路时间常数的影响时，响应时间等于光在忽略外电路时间常数的影响时，响应时间等于光生载流子的平均寿命生载流子的平均寿命。 增大增大可提高器件的响应率，但器件的响应时间却可提高器件的响应率，但器件的响应时间却增加，影响器件的高频性能。增加，影响器件的高频性能。 而光照、温度等外界条件的变化又都会影响载流而光照、温度等外界条件的变化又都会影响载流子的寿命，因此，光照、温度的变化同样直接影响光子的寿命，因此，光照、温度的变化同样直接影响光敏电阻的响应率和响应时间。敏电阻的响应率和响应时间。 三、光敏电阻的主要特性三、光敏电阻的主要特性光敏电阻的时间特性光敏电阻的时间特性现在学习的是第49页，共

50、65页三、光敏电阻的主要特性三、光敏电阻的主要特性 伏安特性伏安特性 给定偏压给定偏压 光照越大光电流越大；光照越大光电流越大； 给定光照度给定光照度 电压越大光电流越大；电压越大光电流越大； 光敏电阻的伏安特性光敏电阻的伏安特性 曲线不弯曲、无饱和，曲线不弯曲、无饱和， 但受最大功耗限制。但受最大功耗限制。 光敏电阻伏安特性光敏电阻伏安特性现在学习的是第50页，共65页三、光敏电阻的主要特性三、光敏电阻的主要特性 温度特性温度特性 温度变化影响温度变化影响光敏电阻的灵敏度、光敏电阻的灵敏度、暗电流和光谱响应暗电流和光谱响应、峰值响应波长、长峰值响应波长、长波限等参数波限等参数。 光敏电阻温度