光电检测技术第三章讲稿.ppt

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1、光电检测技术第三章第一页，讲稿共六十五页哦 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、光光探探测测器器的的物物理理效效应应通通常常分分为为两两类类：光光电电效效应应和和光光热热效效应应，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）光电管或

2、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）光电效应第二页，讲稿共六十五页哦效效 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敏电阻测辐热计金属

3、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）光热效应第三页，讲稿共六十五页哦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。单单元元器器件件只只是是把把投投射射在在其其光光接接受受面面元元上上的的平平均均光光能能量变成电信号；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。成成像像器器件件一一般般放放在

4、在光光学学系系统统的的像像面面上上，能能获获得得物物面面上的图像信号。上的图像信号。光光电电检检测测器器件件还还可可从从用用途途上上分分为为用用于于检检测测微微弱弱信信号号的的存存在在及及其其强强弱弱的的探探测测器器，这这时时主主要要考考虑虑的的是是器器件件探探测测微微弱弱信信号号的的能能力力，要要求求器器件件输输出出灵灵敏敏度度高高，噪噪声声低低；用用于于控控制制系系统统中中作作光光电电转转换换器器，主主要要考考虑虑的的是是光光电电转转换的效能。换的效能。第四页，讲稿共六十五页哦3、目目前前，光光电电探探测测器器的的种种类类很很多多，新新的的器器件件也也不不断断出出现现。按按照照现阶段各类常

5、用光电探测器工作原理和结构又可分类如下：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：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第五页，讲稿共六十五页哦二、光电探测器原理二、光电探测器原理 光电探测器利用材料的光电效应制成。光

6、电探测器利用材料的光电效应制成。在在光光辐辐射射作作用用下下，电电子子逸逸出出材材料料表表面面，产产生生光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；电电子子并并不不逸逸出出材材料料表表面面的的为为内内光光电电效效应应。光光电电导导效效应应、光光生生伏伏特特效效应应及及光光磁磁电电效效应应均均属属于于内内光光电效应。电效应。第六页，讲稿共六十五页哦三、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学量，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，所以光电探测器实质上是一种光电转换器件。所以光电探测器实质上是一种光电转

7、换器件。考考虑虑能能量量为为hvhv的的光光子子入入射射到到光光电电探探测测器器上上所所产产生生的的光光电电流流，如如果果光光子子能能量量大大于于探探测测器器材材料料的的禁禁带带宽宽度度，在在观观察察时时间间 t t内内，它它产产生生的的平平均均光光电电子子数数为为 N N，则则根根据据量量子子理理论论分分析析的的结结果果，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 第七页，讲稿共六十五页哦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 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

8、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。第八页，讲稿共六十五页哦从光电转换定律可知：从光电转换定律可知：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电成正比，因此，一个光子探测器可视为一个电流源。流源。由于平均光功率与光电场强度的平方成

9、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强度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，光电探测器的响应的平方成正比。也就是说，光电探测器的响应具有平方律特性。因此，通常称光电探测器为具有平方律特性。因此，通常称光电探测器为平方律探测器，或者说，光电探测器本质上是平方律探测器，或者说，光电探测器本质上是一个非线性器件。一个非线性器件。第九页，讲稿共六十五页哦 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 判判断断光光电电探探测测器器的的优优劣劣的的指指标标，以以及及根根据据特特定的要求恰当地选择探测器的依据定的要

10、求恰当地选择探测器的依据。第十页，讲稿共六十五页哦因此，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，即根据测量光信号大小，探测器能输出多大的电信号，即探测器的响应率大小。探测器的响应率大小。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。功率分布一致。4.4.对某种探测器，它能探测的极限功率是多少对某

11、种探测器，它能探测的极限功率是多少需要知道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，探测器输出的信号幅度是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。否能线性地响应。第十一页，讲稿共六十五页哦1 1量子效率量子效率 光电探测器吸收光子产生光电子，光电子形成电流。光电探测器吸收光子产生光电子，光电

12、子形成电流。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子数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。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，量子效率是一个微显然，量子效率越高越好，量子效率是一个微观参数。观参数。第十二页，讲稿共六十

13、五页哦2.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，是与是光电探测器光电转换特性的量度，是与量子效率量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

14、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是光照灵敏度单位为v vlmlm，或光照灵敏度单位为，或光照灵敏度单位为A Almlm。第十三页，讲稿共六十五页哦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 ，则由，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，于光电探测器的光

15、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，记为光电流（或光电压）将是光波长的函数，记为I I（或（或U U），），于是光谱灵敏度定义为：于是光谱灵敏度定义为：S SI I ()I I /d/dP P S SU U()U U /d/dP P 如果如果S SI I()或或S SU U()是常数，则相应的探测器称为无选择是常数，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性探测器（如光热探测器），光子探测器则是选择性探测器。器。第十四页，讲稿共六十五页哦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

16、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、结构和外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。电路决定。第十五页，讲稿共六十五页哦 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

17、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 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。第十六页，讲稿共六十五页哦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

18、-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 。第十七页，讲稿共六十

19、五页哦频率响应频率响应 由由于于探探测测器器存存在在惰惰性性当当用用一一定定振振幅幅的的正正弦弦调调制制光光照照射射探探测测器器时时，若若调调制制频频率率低低，则则响响应应度度与与调调制制频频率率无无关关；若若频频率率高高。响响应应度度就就随随频频率率升升高高而而降降低低。探探测测器器的的响响应应度度与与调制频率的关系是：调制频率的关系是：式式中中，S S0 0为为调调制制频频率率f=0f=0时时的的响响应应度度，f f为为调调制制频频率率。当当调调制制频频率率升升高高时时，S S（t t）就就下下降降，一一般般规规定定S S（f fc c）=S S0 0/1.414/1.414时时的的调调制

20、制频频率率f fc c为为探探测测器器的的响响应应频频率率。即即f fc c=1/2=1/2。由由此此可可以以看看出出，响响应应时时间间和和响响应应频频率率是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。第十八页，讲稿共六十五页哦5 5等效噪声功率和探测率等效噪声功率和探测率 如如果果入入射射到到探探测测器器上上的的光光功功率率或或辐辐通通量量按按某某一一频频率率变变化化，当当探探测测器器输输出出信信号号电电流流I Is s (或或电电压压V Vs s)等等于于噪噪声声的的均均方方根根电电流流(或或电电压压)时时，所所对对应应的的入入射射光光功功率率P P或或辐辐通通量

21、量e e称称为为等等效效噪噪声声功功率率NEPNEP。即。即 NEP=P/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）式式中中，（U Us s/U/Un n）、（I Is s/I/In n）分分别别称称为为电电压压和和电电流流信信噪噪比比。显显然然，NEPNEP值值越越小小越越好好，这这是是表表示示光光电电探探测测器器探探测测能能力力的的重重要要参参数数。一一个个较

22、较好好的的光电探测器的等效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。第十九页，讲稿共六十五页哦6 6线性度线性度 线线性性是是指指探探测测器器的的输输出出光光电电流流或或电电压压与与输输入入的的光光功功率率或或辐辐通通量量成成比比例例的的程程度度和和范范围围。探探测测器器线线性性的的下下限限往往往往由由暗暗电电流流和和噪噪声声等等因因素素决决定定的的，而而上上限限通通常常由由饱饱和和效效应应或过载决定的。或过载决定的。实实际际上上,探探测测器器的的线线性性范范围围的的大大小小与与其其工工作作状状态态有有很很大大的的关关系系。如如偏偏置置电电压压、光光信信号号调

23、调制制频频率率、信信号号输输出出电电路路等等，可可能能会会发发生生这这样样的的情情况况：一一个个探探测测器器的的光光电电流流信信号号用用运运算算放放大大器器作作电电流流电电压压转转换换输输出出，在在很很大大的的范范围围内内是是线线性性的的，而而同同一一探探测测器器，其其光光电电流流通通过过一一只只100kQ100kQ的的电电阻阻输输出出，线线性性范范围围可可能能就就很很小小。因因此此要要获获得得宽宽的的线线性性范范围围，必须使探测器工作在最佳的工作状态。必须使探测器工作在最佳的工作状态。探探测测器器的的线线性性在在光光度度和和辐辐射射度度等等测测量量中中是是一一个个十十分分重重要的参数。要的参

24、数。第二十页，讲稿共六十五页哦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噪声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：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一种噪声是功率谱与1/f1/f成正比，称为成正比，称为1/f 1/f 噪声。噪声。图

25、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噪声噪声第二十一页，讲稿共六十五页哦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第二十二页，讲稿共六十五页哦p热噪声热噪声(又称电阻噪声或白

26、噪声又称电阻噪声或白噪声)凡凡有有功功耗耗电电阻阻的的元元件件都都有有热热噪噪声声，它它来来源源于于电电阻阻内内部部自自由由电电子子或或电电荷荷载载流流子子的的不不规规则则的的热热骚骚动动。热热噪噪声声与与温温度度T T成成正比；与测量仪器的电子带宽正比；与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式式中中:K:K是是玻玻尔尔兹兹曼曼常常数数；T T是是温温度度(K

27、)(K)；R R是是器器件件电电阻阻值值；ff为为所所取取的的通通带带宽宽度度(频频率率范范围围)。因因此此，所所取取的的带带宽宽愈愈大大，噪噪声声功功率率也也愈愈大大。当当然然并并不不是是带带宽宽无无限限增增大大，噪噪声声功功率率也也会会无无限限增增大大。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。第二十三页，讲稿共六十五页哦p散粒噪声散粒噪声 一一种种由由电电子子或或光光生生载载流流子子的的粒粒子子性性所所引引起起的的噪噪声声。对对于于内内光光电电效效应应探探测测器器:(1):(1)光光生生载载流流子子(电电子子，空空穴穴对对)的的产产生

28、生和和复复合合过过程程的的随随机机性性，每每一一瞬瞬时时通通过过PNPN结结的的载载流流子子数数总总有有微微小小的的不不规规则则起起伏伏，使使探探测测器器的的输输出出电电流流也也随随之之起起伏伏，引引起起散散粒粒噪噪声声。(2)(2)此此外外，光光辐辐射射中中光光子子到到达达率率的的起起伏伏在在某某些些探探测测器器光光电电转转换换后后也也表表现现为为散散粒噪声。散粒噪声由下式决定：粒噪声。散粒噪声由下式决定：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

29、的白噪声。第二十四页，讲稿共六十五页哦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数在平衡状态时，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是是一定的，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件有起伏的，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，电导率的起伏使输电导率起伏。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。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，第二十五页，讲稿共六十五页哦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

30、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:第二十六页，讲稿共六十五页哦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，不是由于温度噪声主要存在于热探测器中。在热探测器中，不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换引起的辐射信号的变化，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，其表达式为温度起伏称为温度噪声，其表

31、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是是器件的热容；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。第二十七页，讲稿共六十五页哦光敏电阻与其它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，光谱响应范围可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，尤其是对红光和红外辐射有从紫外、可见光

32、、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。较高的响应度。工作电流大，可达数毫安。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。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。制。3.33.3光电导器件光电导器件第二十八页，讲稿共

33、六十五页哦光电导效应：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。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）定义第二十九页，讲稿共六十五页哦图图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第三十页，讲稿

34、共六十五页哦（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，才能释放出电时，才能释放出电子子空穴对，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。第三十一页，讲稿共六十五页哦（4 4）杂质型）杂质型杂杂质质型型光光电电导导效效应应则则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或价带，从而使电导增加。带或价带，从而使电导增加。此此时时长长波波限限由由杂杂质

35、质的的电电离离能能E Ei i决决定定，因因为为E Ei i EEg g，所所以以杂杂质质型型光光电电导导的的长长波波限限比比本本征征型型光光电导的要长得多。电导的要长得多。第三十二页，讲稿共六十五页哦第三十三页，讲稿共六十五页哦（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

36、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，建立稳定的光生载流子浓度所需要的时间，或停止照射后光生载流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照射前的水平所需要的时间子浓度下降到照射前的水平所需要的时间第三十四页，讲稿共六十五页哦（a a）上升）上升 （b b）下降）下降图图3-4 3-4 本征光

37、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第三十五页，讲稿共六十五页哦 光敏电阻的工作原理是基于光电导效应，其结构是在玻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，两端有梳状金属电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，然后在半导体上覆盖一层漆膜。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第三十六页，讲稿共六十五页哦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：=

38、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大掺杂型光敏电阻的长波限远大于本征型光敏电阻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。和掺杂型半导体光敏电阻。第三十七页，讲稿共六十五页哦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:第三十八页，讲稿共六十五页哦实际光敏电阻实际光敏电阻第三十九页，讲稿共六十五页哦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

39、，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第四十页，讲稿共六十五页哦三、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

40、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=/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，减小电提高载流子寿命，减小电极间的间距极间的间距L L，适当提高工，适当提高工作电压作电压U Ub b，对提高，对提高A A值和值和响应度有利。响应度有利。如果如果L L减得太小，使受减得太小，使受光面太小，也是不利的，光面太小，也

41、是不利的，一般一般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。第四十一页，讲稿共六十五页哦三、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光敏电阻的光电流与入射通量之光敏电阻的光电流与入射通量之间的关系称为光电特性。间的关系称为光电特性。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）成正比，即保持线性关系；当强光照射时，性关系；当强光照射时，与光电子与光电子浓度有关，浓

42、度有关，drdr也会随电子浓度变大，也会随电子浓度变大，或出现温升而产生变化，故或出现温升而产生变化，故I IP P（）与）与（）偏离线性而呈非线）偏离线性而呈非线性。性。图图3-6 CdS3-6 CdS的光电流照度特性曲线的光电流照度特性曲线第四十二页，讲稿共六十五页哦三、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为为外加电源电压；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，

43、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。，即抛物线性光电导。第四十三页，讲稿共六十五页哦三、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

44、(m)3.5(m)锑化铟（锑化铟（InSbInSb）1.01.07.3(m)7.3(m)第四十四页，讲稿共六十五页哦三、光敏电阻的主要特性三、光敏电阻的主要特性 光敏电阻的光谱特性光敏电阻的光谱特性第四十五页，讲稿共六十五页哦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

45、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：三、光敏电阻的主要特性三、光敏电阻的主要特性第四十六页，讲稿共六十五页哦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。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个光个光电子的量子效率。则光谱响应率：电子的量子效率。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第四十七页，讲稿共六十五页哦三、光敏电阻的主要特性三、光敏电阻的主要特性 光敏

46、电阻的时间和频率特性光敏电阻的时间和频率特性1-1-硒硒 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光敏电阻是依靠非平衡载流子效应工作的。光载流子效应工作的。光生载流子的产生或者复生载流子的产生或者复合都要经过一段时间，合都要经过一段时间，而且时间常数比较大，而且时间常数比较大，所以其上限频率所以其上限频率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

47、加而减少。加而减少。第四十八页，讲稿共六十五页哦 在忽略外电路时间常数的影响时，响应时间等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于光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。却增加，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流子的寿命，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。响光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

48、性光敏电阻的时间特性第四十九页，讲稿共六十五页哦三、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第五十页，讲稿共六十五页哦三、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

49、参数波限等参数。光敏电阻温度特性光敏电阻温度特性为了提高光敏电阻性能的稳定性，降为了提高光敏电阻性能的稳定性，降低噪声和提高探测率，就十分必要采低噪声和提高探测率，就十分必要采用冷却装置。用冷却装置。第五十一页，讲稿共六十五页哦 具有光电导性能的半导体材料很多，但能够满足光敏电具有光电导性能的半导体材料很多，但能够满足光敏电阻的各项要求而又能实际应用的却不多。阻的各项要求而又能实际应用的却不多。光敏电阻若按照它的光谱特性及最佳工作波长范围，基本上可分光敏电阻若按照它的光谱特性及最佳工作波长范围，基本上可分为三类：为三类：对紫外光灵敏的光敏电阻，如硫化镉对紫外光灵敏的光敏电阻，如硫化镉(CdS)

50、(CdS)和硒化镉和硒化镉(CdSe)(CdSe)等；等；对可见光灵敏的光敏电阻，如硫化铊对可见光灵敏的光敏电阻，如硫化铊 (TiS)(TiS)，硫化镉，硫化镉(CdS)(CdS)和硒化镉和硒化镉(CdSe)(CdSe)等；等；对红外光灵敏的光敏电阻如硫化铅对红外光灵敏的光敏电阻如硫化铅(PbS)(PbS)、碲化铅、碲化铅 (PbTe)(PbTe)、硒化铅、硒化铅(PbSe)(PbSe)和碲化铟和碲化铟(InSb)(InSb)，碲镉汞，碲镉汞(Hg(Hg1-x1-xCdCdx xTe)Te)，碲锡，碲锡铅铅(Pb(Pb1-x1-xSnSnx xTe)Te)和锗掺杂等。和锗掺杂等。下面介绍几种常