光电检测技术4.ppt

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1、光 电 检 测 原 理 与 技 术 陈陈 翔翔 宇宇 Email Email DD Tel Tel 1398626736213986267362 QQ 552136081 QQ 552136081 电子信息工程系电子信息工程系 2006-102006-10第四章第四章 光电测试常用器件光电测试常用器件 第一节第一节光电器件的性能参数光电器件的性能参数第二节第二节光电发射器件光电发射器件第三节第三节光电导器件光电导器件第四节第四节光伏器件光伏器件第五节第五节光探测器件的性能比较和应用选择光探测器件的性能比较和应用选择第六节第六节热电探测器件热电探测器件第七节第七节光电成像器件光电成像器件第八节第

2、八节光调制器件光调制器件常用器件类别常用器件类别光电探测器件光电探测器件 利用各种利用各种光子效应光子效应光子效应光子效应，使入射辐射强度转换成电学信息或电能，使入射辐射强度转换成电学信息或电能热电探测器件热电探测器件(光热探测器光热探测器)利用光热效应，使入射辐射能量引起温升并导致利用光热效应，使入射辐射能量引起温升并导致 相关参量变化相关参量变化,无波长选择性无波长选择性无波长选择性无波长选择性光电成像器件光电成像器件 利用光电效应工作利用光电效应工作，能，能输出图像信号输出图像信号输出图像信号输出图像信号光调制器件光调制器件 利用各种物理效应实现对利用各种物理效应实现对光的变换光的变换光

3、的变换光的变换，进行光的调制和扫描，进行光的调制和扫描光电导器件光电导器件光伏器件光伏器件光子探测器件光子探测器件光电成像器件光电成像器件光调制器件光调制器件光电探测器件光电探测器件热电探测器件热电探测器件真空光电器件真空光电器件半导体器件半导体器件第一节第一节光电器件的性能参数光电器件的性能参数表征参数表征参数 (与工作条件相关与工作条件相关 )探测灵敏度探测灵敏度 (响应度响应度 )电压灵敏度电压灵敏度 电流灵敏度电流灵敏度 单色灵敏度单色灵敏度 光谱灵敏度光谱灵敏度 R R 表征对单色辐射的响应能力表征对单色辐射的响应能力 积分灵敏度积分灵敏度 表征对连续辐射总的响应能力表征对连续辐射总

4、的响应能力 应指明色温应指明色温光电流 I或输出电压 U与入射光波长的关系 I=FI()或 U=FU()称为光谱特性光电器件的光电器件的响应时间响应时间 响应时间响应时间 滞后过程影响滞后过程影响灵敏度灵敏度 惰性惰性 光电器件的响应落后于作用光信号的特性光电器件的响应落后于作用光信号的特性 脉冲响应特性脉冲响应特性 用阶跃光信号作用于光电用阶跃光信号作用于光电器件的器件的 时域响应时域响应特性特性 上升时间上升时间 t t t tr r r r 从稳态值的从稳态值的1010上升到上升到9090的时间的时间 下降时间下降时间 t t t tf f f f 从稳态值的从稳态值的9090下降下降到

5、到1010的时间的时间 用器件的单位冲击响应函数的半值宽度用器件的单位冲击响应函数的半值宽度(FWHM)(FWHM)表示表示t tr rt tf ft t光光光电器件的光电器件的频率响应特性频率响应特性频率响应特性频率响应特性 光电器件的响应随光电器件的响应随 入射光调制频率而变化的频域特性入射光调制频率而变化的频域特性 调制圆频率调制圆频率上限截止频率上限截止频率 信号功率下降到零频的一半信号功率下降到零频的一半(幅度的幅度的0.707)0.707)时的频率时的频率 噪声等效功率与探测度噪声等效功率与探测度实验表明 最小可测功率最小可测功率归一化噪声等效功率归一化噪声等效功率噪声等效功率噪声

6、等效功率NEP 和器件的光敏面 A 与测量系统的带宽 f 乘积的平方根成正比探测度探测度 D D比探测度比探测度 D*D*单位单位 cm.Hzcm.Hz1/21/2/w/w比探测度由内部噪声和背景噪声决定比探测度由内部噪声和背景噪声决定 应附测量条件应附测量条件量子效率量子效率量子效率量子效率即一个入射光子激发的平均光电子数即一个入射光子激发的平均光电子数表征光电器件的光电转换能力，光电子数与入射光子数之比表征光电器件的光电转换能力，光电子数与入射光子数之比量子效率是微观灵敏度，统计平均量量子效率是微观灵敏度，统计平均量通常小于通常小于 有增益时改用放大倍数描述有增益时改用放大倍数描述第二节第

7、二节光电发射器件光电发射器件金属或半导体受光照时，如果入射的光子能量金属或半导体受光照时，如果入射的光子能量 h h足够大，它和物质中的电子足够大，它和物质中的电子相互作用，出现电子从材料表面逸出现象。它是真空光电器光电阴极的物理基础。相互作用，出现电子从材料表面逸出现象。它是真空光电器光电阴极的物理基础。光电效应主要包括：1外光电效应 光电发射效应：当光照射到物体上使物体向真空中发 射电子 2内光电效应光电导效应：光照射到物体上使物体电导率发生变化 光伏效应：光照射到固体上使不均匀物体产生光电势光电效应 因光照而引起物体电学特性的改变统称为光电效应光电特性和光照特性当光电器件上的电压一定时，

8、光电流 I与入射于光电器件上的光通量之间的关系 I=F()称为光电特性；而光电流I与入射于光电器件上的光照度 L之间的关系 I=F(L)称为光照特性光电效应两定律光电效应两定律pp 光电发射第一定律光电发射第一定律斯托列托夫定律斯托列托夫定律当照射到光阴极上的入射光频率或频谱成分不变时，饱和光电流当照射到光阴极上的入射光频率或频谱成分不变时，饱和光电流（即单位时间内发射的光电子数目）与入射光强度成正比：（即单位时间内发射的光电子数目）与入射光强度成正比：I Ik k ：阴极光电流：阴极光电流光电特性光电特性 S Sk k ：阴极对入射光线的灵敏度：阴极对入射光线的灵敏度 ：入射光通量：入射光通

9、量 几种重要半导体材料的波长阈值材料材料材料材料温度温度温度温度/K/K/K/KE E E Eg g g g/eVeVeVeV /m/m/m/m材料材料材料材料温度温度温度温度/K/K/K/KE E E Eg g g g/eVeVeVeV /m/m/m/mSeSe3003001.81.80.690.69InSbInSb3003000.180.186.96.9GeGe3003000.810.811.51.5GaAsGaAs3003001.351.350.920.92SiSi2902901.091.091.11.1GapGap3003002.242.240.550.55光电效应两定律光电效应两定律

10、 由Einstein定律知：入射光子的能量至少要等于逸出功时，才能发生光电发射。波长阈值为：0=C/0 hc/A=1.24(m eV)/A=1240/WW(nm)当入射光波长大于当入射光波长大于0 0 时，不论光强如何，以及照射时间多长，都不会时，不论光强如何，以及照射时间多长，都不会有光电子产生有光电子产生pp光电发射第二定律光电发射第二定律爱因斯坦定律爱因斯坦定律光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与入射光强度无关：光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与入射光强度无关：E Emaxmax=(1/2)m=(1/2)m2 2maxmax=h-h=h-h0 0=hh-W-W E Emax

11、max：光电子的最大初动能：光电子的最大初动能0 0：产生光电发射的极限频率，：产生光电发射的极限频率，频率阈值频率阈值频率阈值频率阈值 WW：金属电子的逸出功（从材料表面逸出时所需的最低能量）：金属电子的逸出功（从材料表面逸出时所需的最低能量）光电发射的能量光电发射的能量阈值阈值单位单位eVeV，与材料有关的常数，也称功函数，与材料有关的常数，也称功函数光电发射光电发射的过程的过程三个基本步骤：Step1:Step1:光射入物体后，物体中的电子吸收光子能量吸收光子能量，从基态跃迁到能量 高于真空能级的激发态。Step2:Step2:受激电子从受激地点出发，在向表面运动向表面运动过程中免不了要

12、同其它 电子或晶格发生碰撞，而失去一部分能量。Step3:Step3:达到表面的电子，如果仍有足够的能量足以克服表面势垒克服表面势垒对电子 的束缚（即逸出功）时，即可从表面逸出。材料基本条件量子效率量子效率较高高光的吸收系数逸出深度电导率光的吸收系数逸出深度电导率较大逸出功逸出功较小金属的光电发射金属的光电发射光的吸收效率低反射系数达逸出深度很小电导率较大逸出功多大于金属电子的逸出功金属电子的逸出功WW金属的光电发射金属的光电发射效率低紫外区半导体的光电发射半导体的光电发射电子亲和势电子亲和势表征电子表征电子逸出的难易程度常规材料常规材料新型材料新型材料负电子亲和势（衬底材料）负电子亲和势（衬

13、底材料）光电子能量集中负电子亲和势阴极负电子亲和势阴极光谱响应均匀光谱延伸至近红外区a)绝缘体 b)半导体 c&d)金属绝缘体、半导体、金属的能带图能能带带理理论论光电真空器件光电真空器件 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。真空光电管的结构图光电倍增管非常重要的一种真空光电器件引入电子倍增机制非常重要的一种真空光电器件引入电子倍增机制光电子发射效应二次电子发射效应电子光学理论基础基本结构及工作原理基

14、本结构及工作原理光电倍增管（光电倍增管（hotohoto ultiplierultiplier ubeube）是一种多阳极的真空光电管，内部有电子倍增机构，内增益极高，目前是一种多阳极的真空光电管，内部有电子倍增机构，内增益极高，目前灵敏度最高的一种光电探测器，响应时间快，多用于微光检测。灵敏度最高的一种光电探测器，响应时间快，多用于微光检测。光电倍增管由光电倍增管由 光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统 和和 阳极阳极五五个主要部分组成。个主要部分组成。注：注：Cathode:阴极阴极Focusing electrode:聚焦电极聚焦电极Dyn

15、ode:倍增管电极倍增管电极Anode:阳极阳极 基本结构及工作原理基本结构及工作原理1光窗 光窗是入射光的通道 分为 侧窗式 端窗式 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 基本结构及工作原理基本结构及工作原理3电子光学系统 任务主要有两个：一个是通过对电极结构的适当设计，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；另一个任务是，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。2 2光电

16、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。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。电子倍增系统4倍增系统 是决定整管灵敏度最关键的部分。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。具有足够动能的电子轰击某些材料时，材料表面将发射新的电子，这种现象成为二次电子发射。轰击材料的入射电子称为一次电子，从材料表面将发射出的电子称为二次电子。电子倍增系统不同材料的二次发射能力是不一样的。为表征材料的这种能力，通常把二次发射的电

17、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二次发射系数射系数，即：=N2/N1 与材料的性质、电极的结构、形状及所加的电压有关倍增极材料倍增极材料倍增极材料大致可分以下四类：倍增极材料大致可分以下四类：1 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）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。体，也是良好的二次电子发射体。2 2）氧化物型，主要是氧化镁。）氧化物型，主要是氧化镁。3 3）合金型，主要是银镁、铝镁、铜镁、镍镁、铜铍等合金。）合金型，主要是银镁、铝镁、铜镁、镍镁、铜铍等合金。4 4）负电子亲合势发射体

18、。）负电子亲合势发射体。这几类材料在低电压下有大的这几类材料在低电压下有大的值，以便整管工作电压不致于过高；值，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，长时间工作较高或一次电流较大时，长时间工作不下降；而且容易制备。不下降；而且容易制备。倍增极结构倍增极结构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)圆瓦片式聚聚焦焦型型渡越时间渡越时间渡越时间渡越时间基本结构及工作原理基本结构及工作原理5 5阳极阳极阳极结构比倍增极系统简单的多，它的作用是接

19、收从末级倍增极阳极结构比倍增极系统简单的多，它的作用是接收从末级倍增极发射出的二次电子，通过引线向外输出电流。发射出的二次电子，通过引线向外输出电流。对阳极的结构要求：对阳极的结构要求：要具有较高的电子收集率要具有较高的电子收集率 能承受较大的电流密度能承受较大的电流密度 在阳极附近的空间不致产生空间电荷效应在阳极附近的空间不致产生空间电荷效应 阳极输出的电容要小，即阳极与末级倍增极及与其他倍增极间的阳极输出的电容要小，即阳极与末级倍增极及与其他倍增极间的电容要很小电容要很小目前阳极广泛采用金属网作的栅网状结构。目前阳极广泛采用金属网作的栅网状结构。主要参数和特性基本参数原理工艺基本性能基本参

20、数原理工艺基本性能应用参数方法对象具体响应时间噪声应用参数方法对象具体响应时间噪声运行特性条件环境极限值温度运行特性条件环境极限值温度1.1.灵敏度灵敏度 灵敏度灵敏度公式公式说明说明阴极灵敏度阴极灵敏度阴极光谱灵敏度阴极光谱灵敏度S SKK()=)=I IKK/S S：灵敏度：灵敏度：波长：波长I I：光电流：光电流：光通量：光通量下标下标K K：阴极：阴极下标下标A A：阳极：阳极阴极积分灵敏度阴极积分灵敏度S SKK=I=IKK/阳极灵敏度阳极灵敏度（总电压）（总电压）阳极光谱灵敏度阳极光谱灵敏度S SA A()=)=I IAA/阳极积分灵敏度阳极积分灵敏度S SA A=I=IA A/主

21、要参数和特性2.2.电流增益电流增益 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 =I=IA A/I/IKK=S=SA A/S/SKK若倍增管有若倍增管有 n n 个倍增极，并且每个倍增极的倍增系数均相等，则个倍增极，并且每个倍增极的倍增系数均相等，则 n n因为因为是电压的函数，所以也是电压的函数。是电压的函数，所以也是电压的函数。3.光电特性 在一定的光通量范围内，IA 与 V 成线性关系，但 V 大到一定程度，IA反而下降，出现饱和现象!?阴极疲劳所致 主要参数和特性4 4、伏安特性、伏安特性在一定的光强照射下，阳极电

22、流与最后一级倍增极和阳极之间的电在一定的光强照射下，阳极电流与最后一级倍增极和阳极之间的电压关系压关系:主要参数和特性5 5、暗电流、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，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。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光电倍增管中产生暗电流的因素因素较多，例如，阴极和靠近于阴极的倍较多，例如，阴极和靠近于阴极的

23、倍增极的热电子发射；阳极或其它电极的漏电；由于极间电压过高而引增极的热电子发射；阳极或其它电极的漏电；由于极间电压过高而引起的场致发射；光反馈，以及窗口玻璃中可能含有的少量的钾、镭、起的场致发射；光反馈，以及窗口玻璃中可能含有的少量的钾、镭、钍等放射性元素蜕变产生的钍等放射性元素蜕变产生的粒子，或者宇宙线中的粒子，或者宇宙线中的介子穿过光窗介子穿过光窗时产生的契伦柯夫光子等都可能引起暗电流。时产生的契伦柯夫光子等都可能引起暗电流。主要参数和特性6 6、噪声与噪声等效功率、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光电倍增管噪声主要是指由倍增管本身引起的输出偏

24、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。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（噪声等效功率（NEPNEP）表述倍增管阳极信号与噪声有效值之比等）表述倍增管阳极信号与噪声有效值之比等于于1 1时，入射于倍增管光电阴极的光功率（通量）的有效值。即，时，入射于倍增管光电阴极的光功率（通量）的有效值。即，I IA A/I InAnA=1=1时，时，NEP=NEP=I InAnA/S/SA A它是倍增管可能探测到的信号光功率（通量

25、）的最小值。它是倍增管可能探测到的信号光功率（通量）的最小值。供电电路供电电路u分压电阻网络u并联电容u高压电源u接地方式使用要点使用要点1)1)使用前应了解器件的使用前应了解器件的特性特性。真空光电器件的共同特点是灵敏度高、。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。惰性小、供电电压高、采用玻璃外壳、抗震性差。2)2)使用时不宜用使用时不宜用强光照强光照。光照过强时，光电线性会变差而且容易使。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）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。，

26、缩短寿命。3)3)工作电流工作电流不宜过大。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。次电子发射系数下降，增益降低，光电线性变差，缩短寿命。4)4)用来测量交变光时，负载用来测量交变光时，负载电阻电阻不宜很大，因为负载电阻和管子的不宜很大，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。就变大，频带将变窄。微通道板（微通道板（MCPMCP）光电倍增管电子撞击固体材料光电倍增管电子撞击固体材料更高

27、的灵敏度高性能场合显示传递图像更高的灵敏度高性能场合显示传递图像第三节光电导器件第三节光电导器件基本的原理 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，从而导致材料电导率增大。材料对光的吸收有本征型和非本征型光电导效应也有本征和非本征两种类型非本征型电离能小响应波长大低温环境光电导效应 一种内光电效应，光照变化引起半导体材料电导变化的现象半导体光电导器件半导体光电导器件是利用半导体材料的光电导效应制成是利用半导体材料的光电导效应制成的光电探测器件的光电探测器件稳态光电导稳态光电导如果给半导体材料外加电压，通过的电流有暗电流与亮电流之分。亮电导与暗电导之差称为光电导，亮电流与暗电

28、流之差称为光电流。无光照时为暗态，材料具有暗电导有光照时为亮态，材料具有亮电导暗态下：Gd=d/L,Id=GdU=dU/L亮态下：Gl=l/L,Il=GlU=lU/L亮态与暗态之差：Gp=GlGd=(ld）A/L=/LIp=IlId=(GlGd）U=U/L：半导体材料横截面面积;L：半导体材料长度;I：电流;U：外加电压;G：电导;：电导率;：光致电导率的变化量下标 d 代表暗，l 代表亮，P 代表光。光电导弛豫过程光电导弛豫过程光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流是要经过一定时间的。同样光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流是要经过一定时间的。同样光照停止后光电流也是逐渐消失的。这些现象称

29、为弛豫过程或惰性。光照停止后光电流也是逐渐消失的。这些现象称为弛豫过程或惰性。右图为光电导体受矩形脉冲光照时，载流子浓度变化的情况。光电导弛豫过程光电导弛豫过程当输入光功率按正弦规律变化时，光生载流子浓度（对应于输出光电流）当输入光功率按正弦规律变化时，光生载流子浓度（对应于输出光电流）与光功率频率变化的关系，是一个低通特性：与光功率频率变化的关系，是一个低通特性：非平衡载流子平均寿命，在这里称时间常数。n0：中频时非平衡载流子浓度。：圆频率，=2f。上限截止频率上限截止频率 （带宽）（带宽）光电导增益光电导增益光电导增益光电导增益外电流与内部光电流之比外电流与内部光电流之比响应时间响应时间渡

30、越时间渡越时间灵敏度和带宽之积为常数灵敏度和带宽之积为常数光敏电阻是最典型的光电导器件无极性之分是最典型的光电导器件无极性之分光敏电阻有两种类型：本征型半导体光敏电阻和搀杂型光敏电阻光敏电阻有两种类型：本征型半导体光敏电阻和搀杂型光敏电阻按照光谱特性及最佳工作波长范围，可分为三类按照光谱特性及最佳工作波长范围，可分为三类:对紫外光敏感的光敏电阻对紫外光敏感的光敏电阻 硫化镉硫化镉(CdSCdS)、硒化镉、硒化镉(CdSeCdSe)对可见光灵敏的光敏电阻对可见光灵敏的光敏电阻 硫化铊硫化铊(TlSTlS)、硒化镉、硒化镉(CdSeCdSe)对红外光灵敏的光敏电阻对红外光灵敏的光敏电阻 硫化铅硫化

31、铅(PbSPbS)、硒化铅、硒化铅(PbSePbSe)对于本征半导体，hEg（禁带宽度）对于非本征半导体 hE（杂质电离能）光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理光电导效应光电导效应光敏电阻主要特性1 1、光电导灵敏度、光电导灵敏度 S Sg g=G=G/E/E（响应量与输入量之比）（响应量与输入量之比）G G：光电导，单位为西门子：光电导，单位为西门子S S（1 1）E E：照度，单位为勒克斯（：照度，单位为勒克斯（lxlx）S Sg g:单位为西门子单位为西门子/勒克斯（勒克斯（S/lxS/lx）或）或S S mm2 2/W/W2 2、光电特性、光电特性光电流与照度的关系称为光电特性。光电流

32、与照度的关系称为光电特性。光敏电阻光电特性：光敏电阻光电特性：I I=S Sg gE E U U I I：光电流；：光电流；E E：照度；：照度；：电压指数；：电压指数；S Sg g：光电导灵敏度；：光电导灵敏度；U U：光敏电阻两端所加的电压；：光敏电阻两端所加的电压；：光照指数（与材料和入射光强弱有关）：光照指数（与材料和入射光强弱有关）在弱光照下1，在强光照下1/2一般0.51与光电导体和电极材料之间的接触有关欧姆接触时1非欧姆接触时=1.11.2。硫化镉光敏电阻光电特性曲线光敏电阻主要特性3 3、光谱特性、光谱特性 光谱特性多用相对灵敏度与波长的关系曲线表示。从这种光谱特性多用相对灵敏

33、度与波长的关系曲线表示。从这种曲线中可以直接看出灵敏范围、峰值波长位置和各波长下灵敏度的曲线中可以直接看出灵敏范围、峰值波长位置和各波长下灵敏度的相对关系。如下图：相对关系。如下图：1-硫化镉单晶 2-硫化镉多晶 3-硒化镉多晶4-硫化镉与硒化镉混合多晶仪器视觉差距仪器视觉差距仪器视觉差距仪器视觉差距光敏电阻主要特性4 4、频率特性、频率特性光敏电阻是依靠非平衡载流子效应工作的，非平衡载流子的产生与光敏电阻是依靠非平衡载流子效应工作的，非平衡载流子的产生与复合都有一个时间过程，这个时间过程在一定程度上影响了光敏电阻对复合都有一个时间过程，这个时间过程在一定程度上影响了光敏电阻对变化光照的响应。

34、光敏电阻采用交变光照时，其输出将随入射光频率的变化光照的响应。光敏电阻采用交变光照时，其输出将随入射光频率的增加而减小。如下图：增加而减小。如下图：1-硒2-硫化镉3-硫化铊4-硫化铅光敏电阻主要特性5 5、伏安特性、伏安特性在一定的光照下，加到光敏电阻两端的电压与流过光敏电阻的亮电在一定的光照下，加到光敏电阻两端的电压与流过光敏电阻的亮电流之间的关系称为光敏电阻的伏安特性，常用曲线表示流之间的关系称为光敏电阻的伏安特性，常用曲线表示额定功耗额定功耗。光敏电阻的伏安特性曲线 设计负载电阻设计负载电阻应小于额定值应小于额定值光敏电阻主要特性6 6、温度特性、温度特性光敏电阻的温度特性很复杂，在一

35、定的照度下，亮电阻的温度系数光敏电阻的温度特性很复杂，在一定的照度下，亮电阻的温度系数有正有负有正有负:=(R=(R2 2R R1 1)RR1 1(T(T2 2T T1 1)R R1 1、R R2 2 分别为与温度分别为与温度 T T1 1、T T2 2 相对应的亮电阻。相对应的亮电阻。温度对光谱响应也有影响温度对光谱响应也有影响一般说，光谱特性主要决定于材料，材料的禁带宽度越窄则对一般说，光谱特性主要决定于材料，材料的禁带宽度越窄则对长波越敏感，但禁带很窄时，半导体中热激发也会使自由载流子浓长波越敏感，但禁带很窄时，半导体中热激发也会使自由载流子浓度增加，使复合运动加快，灵敏度降低。因此，采

36、取度增加，使复合运动加快，灵敏度降低。因此，采取冷却灵敏面冷却灵敏面的的办法来提高灵敏度往往是很有效的。办法来提高灵敏度往往是很有效的。光敏电阻主要特性7 7、前历效应、前历效应光敏电阻的时间特性与工作前光敏电阻的时间特性与工作前“历史状态历史状态”有关的现象有关的现象暗态前历暗态前历测试工作前光敏电阻处于暗态测试工作前光敏电阻处于暗态暗态前历越长，光电流上升越慢暗态前历越长，光电流上升越慢工作电压低，光照度低时，效应显著工作电压低，光照度低时，效应显著亮态前历亮态前历测试工作前光敏电阻处于亮态测试工作前光敏电阻处于亮态当前历与工作时照度不同时，出现该滞后效应当前历与工作时照度不同时，出现该滞

37、后效应一般照度由高变低达到稳定值的时间比由低变高的短一般照度由高变低达到稳定值的时间比由低变高的短使用要点使用要点1 1）当用于模拟量测量时，因）当用于模拟量测量时，因光照指数光照指数与光照强弱有关，只有在弱与光照强弱有关，只有在弱 光照下光电流与入射辐射通量成光照下光电流与入射辐射通量成线性关系线性关系。2 2）用于光度量测试仪器时，必须对光谱特性曲线）用于光度量测试仪器时，必须对光谱特性曲线进行修正进行修正，保证其，保证其 与人眼的光谱光视效率曲线符合。与人眼的光谱光视效率曲线符合。3 3）光敏电阻的光谱特性与）光敏电阻的光谱特性与温度温度有关，温度低时，灵敏范围和峰值波有关，温度低时，灵

38、敏范围和峰值波 长都向长波方向移动，可采取冷却灵敏面的办法来提高光敏电阻长都向长波方向移动，可采取冷却灵敏面的办法来提高光敏电阻 在长波区的灵敏度。在长波区的灵敏度。4 4）光敏电阻的温度特性很复杂，电阻温度系数有正有负，一般说，）光敏电阻的温度特性很复杂，电阻温度系数有正有负，一般说，光敏电阻光敏电阻不适于在高温下不适于在高温下使用，温度高时输出将明显减小，甚至使用，温度高时输出将明显减小，甚至 无输出。无输出。使用要点使用要点5 5）光敏电阻频带宽度都比较窄，在室温下只有少数品种）光敏电阻频带宽度都比较窄，在室温下只有少数品种能超过能超过 1000 Hz1000 Hz，而且，而且光电增益与

39、带宽之积光电增益与带宽之积为一常量，如为一常量，如要求带宽较宽，必须以牺牲灵敏度为代价。要求带宽较宽，必须以牺牲灵敏度为代价。6 6）设计负载电阻时，应考虑到光敏电阻的）设计负载电阻时，应考虑到光敏电阻的额定功耗额定功耗，负，负载电阻值不能很小。载电阻值不能很小。7 7）进行动态设计时，应意识到光敏电阻的）进行动态设计时，应意识到光敏电阻的前历效应前历效应。第四节光伏器件第四节光伏器件光伏器件光伏器件(结型光电器件结型光电器件)利用半导体利用半导体 P P-N N 结光伏效应制成的器件结光伏效应制成的器件 这类器件品种很多，其中包括这类器件品种很多，其中包括 各种光电池、各种光电池、光电二极管

40、、光电晶体管、光电二极管、光电晶体管、光电场效应管、光电场效应管、PINPIN管、雪崩光电二极管、管、雪崩光电二极管、光可控硅、阵列式光电器件、象限式光电器件、光可控硅、阵列式光电器件、象限式光电器件、位置敏感探测器（位置敏感探测器（PSDPSD）、光电耦合器件等）、光电耦合器件等光伏效应光伏效应光照下的P-N结当 P-N 结受光照时，样品对光子的本征吸收和非本征吸收都将产生光生载流子；产生在 PN 结区以外靠近结区的电子空穴对会扩散到结区内，较远的在扩散的过程中将被全部复合掉，到达不了结区。产生在 PN 结区内的电子空穴对要被内建电场分离，电子被拉向 N区一侧，而空穴则被推向 P 区一侧。光

41、生电势光生电势光生载流子对被内建电场分离，造成光生载流子在光生载流子对被内建电场分离，造成光生载流子在 PN PN 结边界的累积，结边界的累积，产生一个与内建电场方向相反的光生电场，其方向由产生一个与内建电场方向相反的光生电场，其方向由 P P 区指向区指向 N N 区，其大小为：区，其大小为：U Uo o /q=E=/q=E=E Eo o-E-Ea a 其中，其中，E Eo o 为原来的内建电场大小，为原来的内建电场大小，E Ea a 为变化后的内建电场大小，为变化后的内建电场大小，其差值为光生电场变化，其差值为光生电场变化，U Uo o 为光生电势差。为光生电势差。于是有结电流由于是有结电

42、流由 P P 区流向区流向 N N 区，其方向与光电流相反。区，其方向与光电流相反。少子浓度少子浓度发生变化发生变化光生电流光生电流在热平衡下，在热平衡下，PN PN 结电流为：结电流为：光照时，入射的光能转化为流过PN结的电流，即光生电流开路电压短路电流光生电流光生电流V光照增大无光照时有光照时有光照时I结型光电器件的伏安特性外电路电流：第四象限光伏工作模式此时外加偏压为，电压为正，电流为负，为光电池工作区域第三象限光导工作模式器件处于反偏压状态，为光敏二极管工作区域光电池光电池光电池是一种不需加偏压就能把光能转换成电能的结型光电器件，其光电池是一种不需加偏压就能把光能转换成电能的结型光电器

43、件，其基本结构就是一个基本结构就是一个P-NP-N结；结；按光电池的用途可以主要分为：按光电池的用途可以主要分为：太阳能光电池太阳能光电池 主要应用于航天工业上主要应用于航天工业上 测量光电池测量光电池 应用在光度、色度、光学精密计量和测试中。应用在光度、色度、光学精密计量和测试中。结构类型结构类型1 1、金属半导体接触型、金属半导体接触型2 2、PN PN 结型结型1234金属半导体型光电池1集电极；2半透明薄膜3硒层；3金属板PN电极电极PN 结型光电池NNPP硅光电池2DR 型2CR 型制作光电池的材料：硅、硒、砷化镓、氧化亚铜、硫化镉。硒光电池硒光电池的结构属于金属半导体接触型制作工艺

44、：在铁或铝的基底上镀一层镍，然后将 P 型半导体硒涂在上面，在镀上一层半透明导电薄膜（金或氧化镉），最后安装电极，从上部与下部引线就形成了光伏器件。当光照射到半透明的膜下的硒表面时，由于硒的本征吸收而产生了电子空穴对，在导电膜与半导体硒交界处的势垒作用下，电子流向导电膜一边，空穴则向另一边集中，从而形成了光生电动势。1234金属半导体型光电池1集电极；2半透明薄膜3硒层；4金属板硅光电池硅光电池硅光电池是硅光电池是 PN PN 结型结构结型结构制作工艺：在在 P P 型（或型（或 N N型型 ）半导体硅表面扩散）半导体硅表面扩散一层一层N N 型（或型（或 P P 型）杂质以形成型）杂质以形成

45、 PN PN 结，组成最基本的光伏器件。为了提高结，组成最基本的光伏器件。为了提高效率，在受光面上要形成效率，在受光面上要形成 SiOSiO2 2 氧化层，氧化层，以防止表面反射，且将表面电极做成梳以防止表面反射，且将表面电极做成梳状，以减少光生载流子的复合而提高转状，以减少光生载流子的复合而提高转换效率。换效率。NNPP硅光电池2DR 型2CR 型基本特性基本特性1 1 1 1、光谱特性、光谱特性、光谱特性、光谱特性硅光电池的光谱响应范围：硅光电池的光谱响应范围：0.40.41.1 1.1 m m，峰值波长：峰值波长：0.80.80.9 0.9 m m硒光电池的光谱响应范围：硒光电池的光谱响

46、应范围：0.40.40.7 0.7 m m，峰值波长：峰值波长：0.54 0.54 m m附近附近光电特性光电特性光电特性光电特性开路电压与入射光强（受光面积的对数）成正比开路电压与入射光强（受光面积的对数）成正比弱光情况，短路电流与入射光照度（受光面积）成正比，负载弱光情况，短路电流与入射光照度（受光面积）成正比，负载电阻不能过大电阻不能过大基本特性基本特性2 2 2 2、伏安特性、伏安特性、伏安特性、伏安特性无光照时无光照时无光照时无光照时，伏安特性与一般的二极管的伏安特性类似；，伏安特性与一般的二极管的伏安特性类似；有光照时有光照时有光照时有光照时，则会产生感应电动势，则会产生感应电动势

47、开路条件下的光电池的端电压等于电动势，开路条件下的光电池的端电压等于电动势，接成短路形式，则光电池两端电压为零，短路电流为负值（接成短路形式，则光电池两端电压为零，短路电流为负值（PNPN结内的电结内的电流是由流是由 N N区流向区流向 P P 区）。区）。RL光电池VI联接电路RL1RL2RL3V(mV)I(mA)P1(1000lx)P2P3P4P5硅光电池的输出特性RL1 RL2 RL3P1 P2 P3基本特性基本特性3 3 3 3、光照特性、光照特性、光照特性、光照特性光生电动势、光电流与光照度的关系。当负载电阻不等于零时，随光生电动势、光电流与光照度的关系。当负载电阻不等于零时，随着照

48、度的增加，光电流与端电压都在增加，二极管处在正向偏置下，着照度的增加，光电流与端电压都在增加，二极管处在正向偏置下，内阻变小，外电流增加变缓，与光照成非线性关系。负载越大，非内阻变小，外电流增加变缓，与光照成非线性关系。负载越大，非线性越显著。线性越显著。I(mA)I(mA)E(xl)E(xl)103 102 10 5x103 103 102 50 硅光电池硒光电池基本特性基本特性4 4 4 4、频率特性频率特性频率特性频率特性由于光敏面比较大，结电容也比较大，光电池的内阻在光照较小时由于光敏面比较大，结电容也比较大，光电池的内阻在光照较小时也比较大，这些都使电路的时间常数加大，使得频率响应不

49、高。此也比较大，这些都使电路的时间常数加大，使得频率响应不高。此外，负载电阻大时，响应时间也增大。外，负载电阻大时，响应时间也增大。I(%)(Hz)100K 10 K 1 K 硅光电池的频谱特性硅光电池的截止频率只有几十千赫基本特性基本特性5 5 5 5、温度特性、温度特性、温度特性、温度特性温度增加，开路电压下降，短路电流上升。在强光照射时，要注意器件温度增加，开路电压下降，短路电流上升。在强光照射时，要注意器件的升温。硒光电池的结温不应超过的升温。硒光电池的结温不应超过5050，硅光电池的结温不应超过，硅光电池的结温不应超过200200，否则晶体结构会遭到破坏。，否则晶体结构会遭到破坏。V

50、ocIscI(mA)T()V(mV)光电池温度特性太阳能电池太阳能电池光电池构成太阳能装置一般采用多个光电池进行串并联组合方式。光电池构成太阳能装置一般采用多个光电池进行串并联组合方式。单片光电池电动势很低，输出电流很小，不能直接作为电源使用。为使单片光电池电动势很低，输出电流很小，不能直接作为电源使用。为使装置达到实用效果，可采用光电池串联以增加输出电压，并联以增加输装置达到实用效果，可采用光电池串联以增加输出电压，并联以增加输出电流。出电流。光电二极管光电二极管光电二极管和光电池的结构一样，也是一个光电二极管和光电池的结构一样，也是一个PNPN结。结。按材料分光电二极管有硅、砷化稼、锑化铟