第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.1光電探測(cè)器的物理效應(yīng)光探測(cè)器：能把光輻射量轉(zhuǎn)換成另一種便于測(cè)量的物理量的器件。光電探測(cè)器：把光輻射量轉(zhuǎn)換為電量（電流或電壓）的光探測(cè)器。光電探測(cè)器的物理效應(yīng)：光子效應(yīng)、光熱效應(yīng)、光壓效應(yīng)等。1目前一頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.1光電探測(cè)器的物理效應(yīng)1.光子效應(yīng)和光熱效應(yīng)

光子效應(yīng)概念

特點(diǎn)：頻率選擇性、響應(yīng)速度快效應(yīng)相應(yīng)的探測(cè)器外光電效應(yīng)(1)光陰極發(fā)射光電子光電管(2)光電子倍增打拿極倍增通道電子倍增光電倍增管像增強(qiáng)管內(nèi)光電效應(yīng)(1)光電導(dǎo)(本征和非本征)光導(dǎo)管或光敏電阻(2)光生伏特pn結(jié)和pin結(jié)(零偏)pn結(jié)和pin結(jié)(反偏)雪崩肖特基勢(shì)壘光電池光電二極管雪崩光電二極管肖特基勢(shì)壘光電二極管(3)光電磁光子牽引光電磁探測(cè)器光子牽引探測(cè)器分類2目前二頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.1光電探測(cè)器的物理效應(yīng)1.光子效應(yīng)和光熱效應(yīng)

光熱效應(yīng)概念特點(diǎn)：對(duì)光波頻率的選擇性相對(duì)較?。豁憫?yīng)速度一般比較慢；容易受環(huán)境溫度變化的影響。效應(yīng)相應(yīng)的探測(cè)器(1)測(cè)輻射熱計(jì)負(fù)電阻溫度系數(shù)正電阻溫度系數(shù)超導(dǎo)熱敏電阻測(cè)輻射熱計(jì)金屬測(cè)輻射熱計(jì)超導(dǎo)遠(yuǎn)紅外探測(cè)器(2)溫差電熱電偶、熱電堆(3)熱釋電熱釋電探測(cè)器(4)其它高萊盒、液晶等分類3目前三頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.1光電探測(cè)器的物理效應(yīng)2.光電發(fā)射效應(yīng)概念：光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射體光陰極愛(ài)因斯坦方程：光電發(fā)射效應(yīng)發(fā)生的條件：或由產(chǎn)生光電發(fā)射的入射光波的截止波長(zhǎng)：4目前四頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.1光電探測(cè)器的物理效應(yīng)2.光電發(fā)射效應(yīng)5目前五頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.1光電探測(cè)器的物理效應(yīng)3.光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)半導(dǎo)體和金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)在熱平衡下，單位時(shí)間內(nèi)熱生載流子的產(chǎn)生數(shù)目正好等于因復(fù)合而消失的數(shù)目。因此在導(dǎo)帶和滿帶中維持著一個(gè)熱平衡的電子濃度n和空穴濃度p，它們的平均壽命分別用n和p表示。無(wú)論何種半導(dǎo)體材料，下式一定成立，即在外電場(chǎng)E作用下，載流子產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)，形成電流。6目前六頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)漂移速度v和電場(chǎng)E之比定義為載流子遷移率，即載流子的漂移運(yùn)動(dòng)效果用半導(dǎo)體的電導(dǎo)率描述:半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)遷移率的物理意義是載流子在單位電場(chǎng)中的遷移速度。半導(dǎo)體的電導(dǎo)：電阻：7目前七頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.1光電探測(cè)器的物理效應(yīng)3.光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)產(chǎn)生原理；條件；長(zhǎng)波限；光電導(dǎo)效應(yīng)的原理和電流增益對(duì)本征情況，若光輻射每秒產(chǎn)生電子-空穴對(duì)N8目前八頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)半導(dǎo)體的電導(dǎo)：電導(dǎo)率:光生載流子(非平衡載流子):eN表示光輻射每秒鐘激發(fā)的電荷量；由于G的增量將使外回路電流產(chǎn)生增量i，即——光電導(dǎo)體的電流增益以N型半導(dǎo)體為例：光電導(dǎo)效應(yīng)的原理和電流增益渡越時(shí)間、意義9目前九頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.1光電探測(cè)器的物理效應(yīng)4.光伏效應(yīng)光導(dǎo)現(xiàn)象是半導(dǎo)體材料的體效應(yīng)；光伏現(xiàn)象是半導(dǎo)體材料的“結(jié)”效應(yīng)。pn結(jié)的零偏狀態(tài)；pn結(jié)的正向偏置；pn結(jié)的反向偏置；pn結(jié)的伏安特性：零偏狀態(tài)下pn結(jié)的結(jié)電阻：Pn結(jié)在無(wú)光照射時(shí)的情況10目前十頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.1光電探測(cè)器的物理效應(yīng)4.光伏效應(yīng)如光照p區(qū)，激發(fā)出光生電子-空穴對(duì)，由于p區(qū)的多數(shù)載流子是空穴，光照前熱平衡空穴濃度本來(lái)就比較大。因此光生空穴對(duì)p區(qū)空穴濃度影響很小，但光生電子對(duì)p區(qū)的電子濃度影響很大，從p區(qū)表面（吸收光能多、光生電子多）向區(qū)內(nèi)自然形成電子擴(kuò)散趨勢(shì)。如果p區(qū)的厚度小于電子擴(kuò)散長(zhǎng)度，那么大部分光生電子都能擴(kuò)散進(jìn)pn結(jié)，一進(jìn)入pn結(jié)，就被內(nèi)電場(chǎng)掃向n區(qū)。這樣，光生電子空穴對(duì)就被內(nèi)電場(chǎng)分離開(kāi)來(lái)，空穴留在p區(qū)，電子通過(guò)擴(kuò)散流向n區(qū)。這時(shí)用電壓表就能量出p區(qū)正、n區(qū)負(fù)的開(kāi)路電壓u0，稱為光生伏特效應(yīng)。如果用一個(gè)理想電流表接通Pn結(jié)則有電流ic通過(guò)，稱為短路光電流。顯然——光照pn結(jié)產(chǎn)生電壓的效應(yīng)，稱為光伏效應(yīng)。Pn結(jié)在零偏狀態(tài)但有光照射的情況11目前十一頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.1光電探測(cè)器的物理效應(yīng)4.光伏效應(yīng)如光照p區(qū)，激發(fā)出光生電子-空穴對(duì)，由于p區(qū)的多數(shù)載流子是空穴，光照前熱平衡空穴濃度本來(lái)就比較大。因此光生空穴對(duì)p區(qū)空穴濃度影響很小，但光生電子對(duì)p區(qū)的電子濃度影響很大，從p區(qū)表面（吸收光能多、光生電子多）向區(qū)內(nèi)自然形成電子擴(kuò)散趨勢(shì)。如果p區(qū)的厚度小于電子擴(kuò)散長(zhǎng)度，那么大部分光生電子都能擴(kuò)散進(jìn)pn結(jié)，一進(jìn)人pn結(jié)，就被內(nèi)電場(chǎng)掃向n區(qū)。這樣，光生電子空穴對(duì)就被內(nèi)電場(chǎng)分離開(kāi)來(lái)，空穴留在p區(qū)，電子通過(guò)擴(kuò)散流向n區(qū)。這時(shí)用電壓表就能量出p區(qū)正、n區(qū)負(fù)的開(kāi)路電壓u0，稱為光生伏特效應(yīng)。如果用一個(gè)理想電流表接通Pn結(jié)則有電流ic通過(guò)，稱為短路光電流。顯然——光照pn結(jié)產(chǎn)生電壓的效應(yīng)，稱為光伏效應(yīng)。Pn結(jié)在偏置狀態(tài)且有光照射的情況12目前十二頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.1光電探測(cè)器的物理效應(yīng)5.溫差電效應(yīng)將兩種不同材料的導(dǎo)體一端連接在一起，而將另一端分開(kāi)與外電路連接，如果把連接的這一端與另一個(gè)吸收紅外線的小黑體接在一起，則當(dāng)這個(gè)小黑體吸收紅外線加熱連接的那一端時(shí)，在分開(kāi)的那一端將產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)的大小與入射的紅外輻射能量存在一個(gè)確定的關(guān)系，按照這種原理制成的紅外探測(cè)器叫溫差熱電堆探測(cè)器。這種探測(cè)器響應(yīng)波長(zhǎng)范圍較寬，靈敏度較高，但不易在靈敏度較高的同時(shí)大規(guī)模集成，且熱響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，約需30～50毫秒。13目前十三頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)14目前十四頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.1光電探測(cè)器的物理效應(yīng)6.熱釋電效應(yīng)人們從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，有一部分晶體沿某一特定的方向切割成薄片，兩表面涂上電極制成一個(gè)平板電容器以后，當(dāng)晶體溫度發(fā)生變化時(shí)，電容器兩端產(chǎn)生電壓。如果將該電容器接上負(fù)載電阻，則輸出電流滿足經(jīng)驗(yàn)公式：其中Ae為極板面積，T為晶體溫度，p為一個(gè)與材料性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。上述效應(yīng)就是熱釋電效應(yīng)，根據(jù)熱釋電效應(yīng)設(shè)計(jì)的熱敏型探測(cè)器就是熱釋電探測(cè)器。熱釋電材料可分為三類：?jiǎn)尉後岆娋w、陶瓷熱釋電晶體、薄膜熱釋電晶體。熱釋電探測(cè)器是目前熱探測(cè)器內(nèi)的佼佼者，與光子探測(cè)器相比，它有光譜響應(yīng)寬及室溫工作的特點(diǎn)，從紫外到亞毫米波段其光譜響應(yīng)幾乎不變，因而有很好的前景。15目前十五頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)16目前十六頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.1光電探測(cè)器的物理效應(yīng)7.光電轉(zhuǎn)換定律對(duì)于光電探測(cè)器而言，一邊是光輻射量，另一端是光電流量。把光輻射量轉(zhuǎn)換為光電流量的過(guò)程稱為光電轉(zhuǎn)換。光通量（即光功率）可以理解為光子流，光子能量h是光能量E的基本單元；光電流是光生電荷Q的時(shí)變量，電荷e是光生電荷的基本單元。由基本物理觀點(diǎn)，i應(yīng)該正比于P：探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換因子探測(cè)器的量子效率。——光電轉(zhuǎn)換定律光電轉(zhuǎn)換定律的說(shuō)明：(1)光電探測(cè)器對(duì)入射功率有響應(yīng)，響應(yīng)量是光電流。因此，一個(gè)光子探測(cè)器可視為一個(gè)電流源。(2)因?yàn)楣夤β蔖正比于光電場(chǎng)的平方．故常常把光電探測(cè)器稱為平方律探測(cè)器?；蛘哒f(shuō)，光電探測(cè)器本質(zhì)上是一個(gè)非線性器件。17目前十七頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.2光電探測(cè)器的性能參數(shù)18目前十八頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.2光電探測(cè)器的性能參數(shù)光電探測(cè)器和其他器件一樣，有一套根據(jù)實(shí)際需要而制定的特性參數(shù)，它是在不斷總結(jié)各種光電探測(cè)器的共同特征基礎(chǔ)上而給以科學(xué)定義的，所以這一套性能參數(shù)科學(xué)地反映了各種探測(cè)器的共同因素。依據(jù)這套參數(shù)，人們就可以評(píng)價(jià)探測(cè)器性能的優(yōu)劣，比較不同探測(cè)器之間的差異，從而達(dá)到根據(jù)需要合理選擇和正確使用光電探測(cè)器的目的。顯然，了解各種性能參數(shù)的物理意義是十分重要的。19目前十九頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.2光電探測(cè)器的性能參數(shù)1.積分靈敏度R探測(cè)器的光電特性：光電流i（或光電壓u）和入射光功率P之間的關(guān)系。靈敏度R：也常稱為響應(yīng)度，它是光電探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換特性的量度，定義為探測(cè)器的光電特性曲線的斜率。電流靈敏度電壓靈敏度積分靈敏度20目前二十頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.2光電探測(cè)器的性能參數(shù)2.光譜靈敏度R21目前二十一頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.2光電探測(cè)器的性能參數(shù)2.光譜靈敏度R光譜靈敏度電流靈敏度22目前二十二頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.2光電探測(cè)器的性能參數(shù)2.光譜靈敏度R光譜靈敏度無(wú)選擇性探測(cè)器選擇性探測(cè)器相對(duì)光譜靈敏度器件的光譜靈敏度主要取決于材料、結(jié)構(gòu)、環(huán)境等因素。光譜利用系數(shù)，光譜功率密度函數(shù)光譜靈敏度曲線23目前二十三頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.2光電探測(cè)器的性能參數(shù)3.頻率靈敏度Rf光電流if隨調(diào)制頻率f的升高而下降，這時(shí)的靈敏度稱為頻率靈敏度Rf，定義為if是光電流時(shí)變函數(shù)的傅里葉變換，通常探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間或時(shí)間常數(shù)，由材料、結(jié)構(gòu)和外電路決定探測(cè)器的頻率特性。截止響應(yīng)頻率綜上所述，光電流是兩端電壓u，光功率P，光波長(zhǎng)，光強(qiáng)調(diào)制頻率f的函數(shù)，即頻率特性曲線；光譜特性曲線；光電特性曲線；伏安特性曲線；24目前二十四頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.2光電探測(cè)器的性能參數(shù)4.量子效率探測(cè)器的量子效率25目前二十五頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.2光電探測(cè)器的性能參數(shù)4.量子效率探測(cè)器的量子效率電流靈敏度量子效率與靈敏度的關(guān)系光譜量子效率26目前二十六頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.2光電探測(cè)器的性能參數(shù)5.通量閾P(yáng)th和噪聲等效功率NEP暗電流或噪聲電流電流靈敏度光電轉(zhuǎn)換模型(如圖)

一個(gè)判據(jù):通常認(rèn)為，如果信號(hào)光功率產(chǎn)生的信號(hào)光電流is等于噪聲電流in，那么就認(rèn)為剛剛能探測(cè)到光信號(hào)存在。

通量閾:探測(cè)器所能探測(cè)的最小光信號(hào)功率。噪聲等效功率NEP:單位信噪比時(shí)的信號(hào)光功率。27目前二十七頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.2光電探測(cè)器的性能參數(shù)6.歸一化探測(cè)度D*探測(cè)度D:NEP小，探測(cè)器探測(cè)能力越高，不符合人們”越大越好”的習(xí)慣。探測(cè)器光敏面積A和測(cè)量帶寬f對(duì)D值影響大；噪聲等效功率NEP:單位信噪比時(shí)的信號(hào)光功率。探調(diào)器的噪聲功率：歸一化探測(cè)度D:28目前二十八頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.2光電探測(cè)器的性能參數(shù)7.其它參數(shù)光電探測(cè)器還有其他一些特性參數(shù)，例如光敏面積，探測(cè)器電阻，電容等。正常使用時(shí)不允許超過(guò)指標(biāo)，否則會(huì)影響探測(cè)器的正常工作，甚至使探測(cè)器損壞。通常規(guī)定了工作電壓、電流、溫度以及光照功率允許范圍，使用時(shí)要特別加以注意。29目前二十九頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.3光電探測(cè)器的噪聲30目前三十頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.3光電探測(cè)器的噪聲噪聲，光電探測(cè)器的噪聲1.噪聲概念噪聲的分類：人為噪聲、自然干擾、物理系統(tǒng)內(nèi)部的起伏干擾有形噪聲無(wú)規(guī)則噪聲起伏噪聲對(duì)有用信號(hào)的影響入射光強(qiáng)減弱噪聲是探測(cè)器所固有的不可避免的現(xiàn)象。實(shí)現(xiàn)微弱光信號(hào)的探測(cè)，就是從噪聲中如何提取信號(hào)的問(wèn)題，這是當(dāng)今信息探測(cè)理論研究的中心課題之一。31目前三十一頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.3光電探測(cè)器的噪聲2.噪聲描述噪聲無(wú)法用預(yù)先確知的時(shí)間函數(shù)來(lái)描述；噪聲本身是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的；平均值的統(tǒng)計(jì)特點(diǎn)；均方根噪聲電壓?？偟脑肼暪β实扔诟鞣N獨(dú)立的噪聲功率之和：因此把探測(cè)器輸出的均方根噪聲電壓（電流）稱為探測(cè)器的噪聲電壓（電流）。32目前三十二頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.3光電探測(cè)器的噪聲3.光電探測(cè)器的噪聲依據(jù)噪聲產(chǎn)生的物理原因，光電探測(cè)器的噪聲可大致分為散粒噪聲、熱噪聲、低頻噪聲、輻射噪聲等幾類。33目前三十三頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.3光電探測(cè)器的噪聲3.光電探測(cè)器的噪聲從本質(zhì)上講，光電探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換過(guò)程是一個(gè)光電子計(jì)數(shù)的隨機(jī)過(guò)程，光電轉(zhuǎn)換定律是這一隨機(jī)過(guò)程的統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果：散粒噪聲式中i指流過(guò)探測(cè)器的平均電流，M是探測(cè)器內(nèi)增益。于是，散粒噪聲電流in或電壓un為暗電流、背景電流和信號(hào)光電流暗電流噪聲、背景噪聲和信號(hào)光子噪聲

由于電子電荷量e數(shù)量隨機(jī)起伏而引起的噪聲稱為散粒噪聲?？梢宰C明，散粒噪聲功率譜34目前三十四頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)3.光電探測(cè)器的噪聲熱噪聲第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.3光電探測(cè)器的噪聲又稱約翰遜(Johnson)噪聲：它是溫度為T的電阻R中電子的熱運(yùn)動(dòng)引起的，表現(xiàn)為在電阻兩端產(chǎn)生的起伏電壓。產(chǎn)生原因：任何有電阻的材料都有熱噪聲。載流子處于不斷的熱運(yùn)動(dòng)之中，頻繁地與物質(zhì)的分子相碰撞，載流子的每一次自由運(yùn)動(dòng)都產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)電流。特點(diǎn)：在長(zhǎng)的時(shí)間間隔看來(lái)，電流的總和必然等于0，但在短的時(shí)間間隔內(nèi)，這些電流的隨機(jī)起伏形成噪聲電流，因載流子的均方速度與絕對(duì)溫度成正比，噪聲隨溫度的增高而增加，所以又稱為熱噪聲。約翰遜噪聲在整個(gè)頻率范圍單位帶寬內(nèi)的大小是一樣的，因而它是一種白噪聲。計(jì)算：1928年，Nyquist給出了約翰遜噪聲電壓V的表達(dá)式：式中k為玻耳茲曼常數(shù)，T是像元的溫度，R是像元的電阻，f為測(cè)量?jī)x器或放大器的帶寬。

35目前三十五頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)3.光電探測(cè)器的噪聲1/f噪聲第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.3光電探測(cè)器的噪聲又叫低頻噪聲，它與頻率的關(guān)系是與1/f成正比。實(shí)驗(yàn)證明，低頻噪聲強(qiáng)烈地依賴于探測(cè)器表面的工藝狀態(tài)（缺陷或不均勻）、電阻–金屬工藝、淀積技術(shù)、尺寸和電接觸等決定的1/f噪聲參數(shù)kf。

1/f的噪聲的平均平方強(qiáng)度為：

式中A為與探測(cè)器有關(guān)的比例系數(shù)，i為流過(guò)探測(cè)器的總直流電流，2，1，于是一般說(shuō)，只要限制低頻的調(diào)制頻率不低于lkHz，這種噪聲就可以防止。36目前三十六頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.4光電探測(cè)器——光敏電阻37目前三十七頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.4光電探測(cè)器——光敏電阻光電導(dǎo)探測(cè)器：利用光電導(dǎo)效應(yīng)原理而工作的探測(cè)器。無(wú)結(jié)光電探測(cè)器光敏電阻光導(dǎo)管38目前三十八頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.4光電探測(cè)器——光敏電阻光電導(dǎo)探測(cè)器：利用光電導(dǎo)效應(yīng)原理而工作的探測(cè)器。無(wú)結(jié)光電探測(cè)器光敏電阻光導(dǎo)管本征型光敏電阻非本征型光敏電阻39目前三十九頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.4光電探測(cè)器——光敏電阻光電導(dǎo)探測(cè)器：利用光電導(dǎo)效應(yīng)原理而工作的探測(cè)器。無(wú)結(jié)光電探測(cè)器本征型光敏電阻——室溫可見(jiàn)光、近紅外非本征型光敏電阻——低溫中紅外、遠(yuǎn)紅外光敏電阻優(yōu)點(diǎn)：體積小、堅(jiān)固耐用、價(jià)格低廉、光譜響應(yīng)范圍寬。由于光敏電阻沒(méi)有極性，只要把它看作電阻值隨光照強(qiáng)度而變化的可變電阻器對(duì)待即可，因此在電子電路、儀器儀表、光電控制、計(jì)量分析以及光電制導(dǎo)、激光外差探測(cè)等領(lǐng)域中獲得了十分廣泛的應(yīng)用。常用的光敏電阻有CdS、CdSe、PbS以及TdCdHg等。其中CdS是工業(yè)應(yīng)用最多的，而PbS主要用于軍事裝備。40目前四十頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.4光電探測(cè)器——光敏電阻1.光電轉(zhuǎn)換原理以非本征N型材料為例，u表示外加偏置電壓，L、W、H分別表示材料的尺寸，光功率P在x方向均勻入射。光電流i等于多少？有效量子效率電流內(nèi)增益41目前四十一頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.4光電探測(cè)器——光敏電阻1.光電轉(zhuǎn)換原理以非本征N型材料為例，u表示外加偏置電壓，L、W、H分別表示材料的尺寸，光功率P在x方向均勻入射。光電流i等于多少？有效量子效率電流內(nèi)增益光電導(dǎo)探測(cè)器是一個(gè)具有電流內(nèi)增益的探測(cè)器，內(nèi)增益M的大小主要由探測(cè)器類型，外偏壓u和結(jié)構(gòu)尺寸L決定。一個(gè)光電導(dǎo)探測(cè)器的實(shí)際結(jié)構(gòu)。42目前四十二頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)43目前四十三頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.4光電探測(cè)器——光敏電阻2.工作特性光敏電阻的性能可依據(jù)其光譜響應(yīng)特性、照度伏安特性、頻率響應(yīng)和溫度特性等來(lái)判別。依據(jù)這些特性，在實(shí)際應(yīng)用中就可以有側(cè)重、從而合理地選用光敏電阻。頻率特性曲線；光譜特性曲線；光電特性曲線；伏安特性曲線；44目前四十四頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.4光電探測(cè)器——光敏電阻2.工作特性光譜響應(yīng)特性：光敏電阻的光響應(yīng)靈敏度隨入射光的波長(zhǎng)變化而變化的特性。光譜響應(yīng)特性通常用光譜響應(yīng)曲線、光譜響應(yīng)范圍以及峰值響應(yīng)波長(zhǎng)描述。峰值波長(zhǎng)取決于制造光敏電阻所用半導(dǎo)體材料的禁帶寬度．可由下式估算：光譜響應(yīng)特性光敏電阻總是具有一定響應(yīng)范圍的光譜響應(yīng)特性。光敏電阻的光譜響應(yīng)范圍、峰值響應(yīng)波長(zhǎng)按某種特殊需要可進(jìn)行一定程度的改善。典型光譜響應(yīng)特性曲線45目前四十五頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.4光電探測(cè)器——光敏電阻2.工作特性光敏電阻（在一定偏壓U條件下）的光照特征呈非線性關(guān)系，即光照特性電壓指數(shù)照度指數(shù)在低偏壓弱光照條件下，通?？扇」怆妼?dǎo)靈敏度若考慮暗電導(dǎo)產(chǎn)生的暗電流，則流過(guò)光敏電阻的電流為：46目前四十六頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.4光電探測(cè)器——光敏電阻2.工作特性伏安特性：在一定光照下，光敏電阻兩端電壓與流過(guò)光敏電阻的電流的關(guān)系。伏安特性由圖可見(jiàn)，光敏電阻的伏安特性線性很好，說(shuō)明在一定光照下阻值穩(wěn)定，這是光敏電阻的主要優(yōu)點(diǎn)。因此廣泛地應(yīng)用在自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域中。47目前四十七頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.4光電探測(cè)器——光敏電阻2.工作特性伏安特性曲線上的特征電阻伏安特性負(fù)載電阻暗電阻工作點(diǎn)點(diǎn)亮電阻負(fù)載線亮阻和暗阻之比越小．光敏電阻的靈敏度越高48目前四十八頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.4光電探測(cè)器——光敏電阻2.工作特性伏安特性匹配工作狀態(tài)當(dāng)光照發(fā)生變化時(shí)匹配工作狀態(tài)49目前四十九頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.4光電探測(cè)器——光敏電阻2.工作特性在入射光功率在較大范圍動(dòng)態(tài)變化時(shí)，不可能始終保持最佳匹配狀態(tài)。在入射光功率高頻變化時(shí)，阻抗匹配還要考慮極間電容的影響：一是匹配阻抗，二是電流增益。極間電容Cd電流增益系數(shù)M：伏安特性匹配工作狀態(tài)50目前五十頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.4光電探測(cè)器——光敏電阻2.工作特性偏置電壓的選取伏安特性最大耗散功率在阻抗匹配條件下例如，若RL＝Rg＝1M，Pmax＝0.1W/cm2，光敏面積為1cm2，則V不能超過(guò)632V，若光敏面積為0.01cm2，則V不允許超過(guò)63V。51目前五十一頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)2.工作特性時(shí)間響應(yīng)特性電流上升時(shí)間衰減時(shí)間CdS光敏電阻——約幾十毫秒到幾秒；CdSe光敏電阻——約10-2～10-3s；PbS光敏電阻——約10-4s光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間與入射光的照度、所加電壓、負(fù)載電阻及照度變化前電阻所經(jīng)歷的時(shí)間（稱為前歷時(shí)間）等因素有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，照度愈強(qiáng)，響應(yīng)時(shí)間愈短；負(fù)載電阻愈大，tr愈短、tf延長(zhǎng)；暗處放置時(shí)間愈長(zhǎng)，響應(yīng)時(shí)間也相應(yīng)延長(zhǎng)。實(shí)際應(yīng)用中，盡量提高使用照明度，降低所加電壓、施加適當(dāng)偏置光照、使光敏電阻不是從完全暗狀態(tài)開(kāi)始受光照，都可以使光敏電阻的時(shí)間響應(yīng)特性得到一定改善。光敏電阻受光照后或被遮光后，回路電流并不立即增大或減小，而是有一響應(yīng)時(shí)間。52目前五十二頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)2.工作特性頻率響應(yīng)特性53目前五十三頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)2.工作特性穩(wěn)定特性

光敏電阻的阻值隨溫度的變化率與光電材料有密切的聯(lián)系。另外，當(dāng)環(huán)境溫度在0℃~+60℃的范圍內(nèi)時(shí)，光敏電阻的響應(yīng)速度幾乎不變；而在低溫環(huán)境下，光敏電阻的響應(yīng)速度變慢。例，-30℃時(shí)的響應(yīng)時(shí)間約為+20℃時(shí)的兩倍。最后，光敏電阻的允許功耗，隨著環(huán)境溫度的升高而降低。這些特性都是實(shí)際使用中應(yīng)注意到的。在溫度變化大的情況下，應(yīng)采取制冷措施，降低或控制光敏電阻的工作溫度是提高光敏電阻穩(wěn)定性的有效方法，尤其對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)紅外輻射的探測(cè)領(lǐng)域更為重要。54目前五十四頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.4光電探測(cè)器——光敏電阻2.工作特性噪聲特性光電導(dǎo)探測(cè)器的噪聲主要是由三個(gè)噪聲源所貢獻(xiàn)的，它們是產(chǎn)生-復(fù)合噪聲，熱噪聲和l/f噪聲?？偟姆骄肼曤娏靼凑丈瞎?jié)的討論可寫為載流子壽命探測(cè)器的等效電阻熱噪聲也稱Johnson噪聲，存在于所有探測(cè)器。一個(gè)電阻器就是一個(gè)熱噪聲發(fā)生器。熱平衡時(shí)，電阻元件中的電荷載流子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)在元件兩端產(chǎn)生的隨機(jī)電壓。當(dāng)電阻溫度上升時(shí)，電荷載流子的平均動(dòng)能增加，則噪聲電壓增加。熱噪聲存在于所有探測(cè)器55目前五十五頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.4光電探測(cè)器——光敏電阻2.工作特性噪聲特性光電導(dǎo)探測(cè)器的噪聲主要是由三個(gè)噪聲源所貢獻(xiàn)的，它們是產(chǎn)生-復(fù)合噪聲，熱噪聲和l/f噪聲。總的方均噪聲電流按照上節(jié)的討論可寫為載流子壽命探測(cè)器的等效電阻1/f噪聲也稱調(diào)制噪聲或閃爍噪聲,產(chǎn)生的物理機(jī)理尚不清楚。1/f噪聲對(duì)低頻段影響較大。56目前五十六頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.4光電探測(cè)器——光敏電阻2.工作特性噪聲特性光電導(dǎo)探測(cè)器的噪聲主要是由三個(gè)噪聲源所貢獻(xiàn)的，它們是產(chǎn)生-復(fù)合噪聲，熱噪聲和l/f噪聲?？偟姆骄肼曤娏靼凑丈瞎?jié)的討論可寫為載流子壽命探測(cè)器的等效電阻產(chǎn)生－復(fù)合噪聲是敏感元件電荷載流子的產(chǎn)生率和復(fù)合率的統(tǒng)計(jì)起伏產(chǎn)生的噪聲。這種起伏可以由載流子與光子相互作用或背景光子到達(dá)率的隨機(jī)性而引起。如果背景光子起伏對(duì)產(chǎn)生－復(fù)合率的起伏起主要貢獻(xiàn)，那么這種噪聲也稱為光子噪聲、輻射噪聲或背景噪聲。產(chǎn)生－復(fù)合噪聲存在于所有光子探測(cè)器。57目前五十七頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.4光電探測(cè)器——光敏電阻2.工作特性噪聲特性光電導(dǎo)探測(cè)器的噪聲主要是由三個(gè)噪聲源所貢獻(xiàn)的，它們是產(chǎn)生-復(fù)合噪聲，熱噪聲和l/f噪聲。總的方均噪聲電流按照上節(jié)的討論可寫為載流子壽命探測(cè)器的等效電阻58目前五十八頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.4光電探測(cè)器——光敏電阻3.幾種典型的光敏電阻（1）CdS和CdSe探測(cè)器：這是兩種低造價(jià)的可見(jiàn)光輻射探測(cè)器，它們的主要特點(diǎn)是高可靠和長(zhǎng)壽命，因而廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化技術(shù)和攝影機(jī)中的光計(jì)量。這兩種器件的光電導(dǎo)增益比較高（103—104），但響應(yīng)時(shí)間比較長(zhǎng)（大約50ms）。（2）PbS探測(cè)器：一種性能優(yōu)良的近紅外輻射探測(cè)器，其波長(zhǎng)響應(yīng)范圍在1um-3.4um，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為2um，內(nèi)阻（暗阻）大約為1M，響應(yīng)時(shí)間約200us，室溫工作能提供較大的電壓輸出。廣泛應(yīng)用于遙感技術(shù)和武器紅外制導(dǎo)技術(shù)。（3）Insb探測(cè)器：一種良好的近紅外輻射探測(cè)器，它雖然也能在室溫工作，但噪聲較大。在77K下，噪聲性能大大改善，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為5um，它和PbS探測(cè)器顯著的不同在于：內(nèi)阻低（大約50），而響應(yīng)時(shí)間短（大約5010-9s），因而適用于快速紅外信號(hào)探測(cè)。（4）HgxCd1-xTe探測(cè)器：一種化合物本征型光電導(dǎo)探測(cè)器，它是由HgTe和GdTe兩種材料混在一起的固溶體，其禁帶寬度隨組分x呈線性變化，當(dāng)x＝0.2時(shí)響應(yīng)波長(zhǎng)為8um～14um，工作溫度77K，用液氮致冷。100℃時(shí)：λm＝7.76μm；400℃時(shí)：λm＝4.30μm；600℃時(shí)：λm＝3.32μm；1000℃時(shí)：λm＝2.10μm；1600℃時(shí)：λm＝1.54μm；59目前五十九頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.4光電探測(cè)器——光敏電阻4.使用注意事項(xiàng)(1)用于測(cè)光的光源光譜特性必須與光敏電阻的光敏特性匹配；(2)要防止光敏電阻受雜散光的影響；(3)要防止使光敏電阻的電參數(shù)（電壓、功耗）超過(guò)允許值；(4)根據(jù)不同用途，選用不同特性的光敏電阻。一般說(shuō)，用于數(shù)字信息傳輸時(shí)，選用亮電阻與暗電阻差別大的光敏電阻為宜，且盡量選用光照指數(shù)大的光敏電阻；用于模擬信息傳輸時(shí)，則以選用值小的光敏電阻為好，因?yàn)檫@種光敏電阻的線性特性好。照度指數(shù)60目前六十頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.4光電探測(cè)器——光敏電阻光敏電阻的常用偏置電路61目前六十一頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)光敏電阻的應(yīng)用實(shí)例照明燈的光電控制電路火焰探測(cè)報(bào)警器照相機(jī)電子快門第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.4光電探測(cè)器——光敏電阻62目前六十二頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)1.照明燈的光電控制電路63目前六十三頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)2.火焰探測(cè)報(bào)警器64目前六十四頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)3.照相機(jī)電子快門65目前六十五頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)光電探測(cè)器——pn結(jié)光伏探測(cè)器66目前六十六頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)光伏效應(yīng)零偏狀態(tài)下有光照射且波長(zhǎng)滿足的情況。如光照p區(qū)，激發(fā)出光生電子-空穴對(duì)，由于p區(qū)的多數(shù)載流子是空穴，光照前熱平衡空穴濃度本來(lái)就比較大。因此光生空穴對(duì)p區(qū)空穴濃度影響很小，但光生電子對(duì)p區(qū)的電子濃度影響很大，從p區(qū)表面（吸收光能多、光生電子多）向區(qū)內(nèi)自然形成電子擴(kuò)散趨勢(shì)。如果p區(qū)的厚度小于電子擴(kuò)散長(zhǎng)度，那么大部分光生電子都能擴(kuò)散進(jìn)pn結(jié)，一進(jìn)人pn結(jié)，就被內(nèi)電場(chǎng)掃向n區(qū)。這樣，光生電子空穴對(duì)就被內(nèi)電場(chǎng)分離開(kāi)來(lái)，空穴留在p區(qū)，電子通過(guò)擴(kuò)散流向n區(qū)。這時(shí)用電壓表就能量出p區(qū)正、n區(qū)負(fù)的開(kāi)路電壓u0，稱為光生伏特效應(yīng)。如果用一個(gè)理想電流表接通Pn結(jié)則有電流ic通過(guò)，稱為短路光電流。顯然——光照零偏pn結(jié)產(chǎn)生開(kāi)路電壓的效應(yīng)，稱為光伏效應(yīng)。67目前六十七頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)利用PN結(jié)的光伏效應(yīng)而制作的光電探測(cè)器稱為光伏探測(cè)器。普通晶體管的PN結(jié)都是蔽光的，以免影響晶體管的性能；結(jié)型光電器件則相反，它利用受光照的PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)制成的器件。結(jié)型器件和光電導(dǎo)器件相比主要有以下區(qū)別：①產(chǎn)生光電變換的部位不同。光敏電阻不管哪一部分受光，受光部分的電阻就減小；而結(jié)型器件，只有照射到PN結(jié)區(qū)或結(jié)區(qū)附近的光才能產(chǎn)生光電效應(yīng)。光在其他部位產(chǎn)生的非平衡載流子，大部分在擴(kuò)散中被復(fù)合掉，對(duì)光電流基本上沒(méi)有貢獻(xiàn)。②光敏電阻沒(méi)有極性，工作時(shí)必須外加電壓，而結(jié)型光電器件有確定的正負(fù)極性．在沒(méi)有外加電壓下也可以把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。③光敏電阻的光電導(dǎo)效應(yīng)主要依賴于非平衡載流子的產(chǎn)生與復(fù)合運(yùn)動(dòng)，張弛過(guò)程的時(shí)間較長(zhǎng)，頻率響應(yīng)較差；結(jié)型器件的光電效應(yīng)主要是依賴于結(jié)區(qū)非平衡載流子中部分載流子的漂移運(yùn)動(dòng)，電場(chǎng)主要加在結(jié)區(qū)，張弛過(guò)程的時(shí)間相對(duì)較短，因此響應(yīng)速度較快。④有些結(jié)型光電器件．如光電三極管、雪崩光電二極管等有較大的內(nèi)增益作用．因此．靈敏度較高，也可以通過(guò)較大的電流。68目前六十八頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.5光電探測(cè)器——pn結(jié)光伏探測(cè)器的工作模式和光電導(dǎo)探測(cè)器不同，光伏探測(cè)器的工作特性要復(fù)雜一些，通常有光電池和光電二極管之分。也就是說(shuō)，光伏探測(cè)器有著不同的工作模式。因此在具體討論光伏探測(cè)器的工作特性之前，首先我們必須弄清楚它的工作模式問(wèn)題。69目前六十九頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)1.光電轉(zhuǎn)換原理短路光電流光伏探測(cè)器的內(nèi)電流增益Mn等于1，這和光電導(dǎo)探測(cè)器明顯不同。第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.5光電探測(cè)器——pn結(jié)光伏探測(cè)器的工作模式70目前七十頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)2.光伏探測(cè)器的工作模式光伏探測(cè)器的等效電路光伏工作模式光導(dǎo)工作模式普通二極管的伏安特性為：光伏探測(cè)器的總伏安特性為：第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.5光電探測(cè)器——pn結(jié)光伏探測(cè)器的工作模式71目前七十一頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)2.光伏探測(cè)器的工作模式普通二極管的伏安特性為：光伏探測(cè)器的總伏安特性為：光伏探測(cè)器的伏安特性光伏探測(cè)器的伏安特性特性曲線光伏探測(cè)器的等效電路光伏工作模式光導(dǎo)工作模式第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.5光電探測(cè)器——pn結(jié)光伏探測(cè)器的工作模式72目前七十二頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.6硅光電池——太陽(yáng)電池光電池的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)與應(yīng)用短路電流和開(kāi)路電壓輸出功率和最佳負(fù)載電阻光譜、頻率響應(yīng)及溫度特性緩變化光電信號(hào)探測(cè)交變光電信號(hào)探測(cè)73目前七十三頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.6硅光電池——太陽(yáng)電池光電池光電池種類硅光電池及特點(diǎn)光電池按用途的分類：光電池的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)與應(yīng)用

作為電源：提供電源，要求轉(zhuǎn)換效率高、成本低。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、可靠性高、壽命長(zhǎng)、可在空間直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能的特點(diǎn)。因而為航天工業(yè)及供電困難場(chǎng)所采用。

用于測(cè)量：光電探測(cè)，要求線性范圍寬、靈敏度高、光譜響應(yīng)合適、穩(wěn)定性高、壽命長(zhǎng)等。常應(yīng)用在光度、色度、光學(xué)精密計(jì)量和測(cè)試設(shè)備。74目前七十四頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)基本結(jié)構(gòu)2CR型2DR型面積大，有膜層，特殊電極光電池結(jié)構(gòu)特點(diǎn)75目前七十五頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)1.短路電流和開(kāi)路電壓第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.6硅光電池——太陽(yáng)電池

短路電流和開(kāi)路電壓是光電池的兩個(gè)非常重要的工作狀態(tài)，它們分別對(duì)應(yīng)于RL＝0和RL=。的情況。從特性曲線上看，第四象限的電流軸對(duì)應(yīng)于短路電流狀態(tài)，電壓軸對(duì)應(yīng)于開(kāi)路電壓狀態(tài)，這兩種狀態(tài)均無(wú)功率輸出。光電池的等效電路短接時(shí)短路光電流開(kāi)路電壓-76目前七十六頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)2.輸出功率和最佳負(fù)載電阻第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.6硅光電池——太陽(yáng)電池輸出功率最佳負(fù)載電阻RM光電池的轉(zhuǎn)換效率：Pm／P是最大電輸出功率與入射光功率的比值，定義為光電池的轉(zhuǎn)換效率。由得77目前七十七頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)2.輸出功率和最佳負(fù)載電阻第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.6硅光電池——太陽(yáng)電池輸出功率曲線示意輸出功率光電池的輸出功率特性伏安特性曲線的分區(qū)特性作圖法求最大功率負(fù)載線78目前七十八頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)3.光譜、頻率響應(yīng)及溫度特性第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.6硅光電池——太陽(yáng)電池79目前七十九頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)4.緩變光電信號(hào)探測(cè)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.6硅光電池——太陽(yáng)電池實(shí)際光照功率下的開(kāi)路電壓計(jì)算設(shè)實(shí)際光功率為P設(shè)產(chǎn)品手冊(cè)中給定：在功率為P時(shí)光電池的開(kāi)路電壓為uOC，由80目前八十頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)4.緩變光電信號(hào)探測(cè)最佳負(fù)載電阻Rm的估算81目前八十一頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)伏安特性曲線的兩個(gè)區(qū)域：I區(qū)(光電流區(qū)域)和II區(qū)(光電壓區(qū)域)。很顯然，當(dāng)用光電池探測(cè)緩變光信號(hào)時(shí)，應(yīng)工作在光電流區(qū)域，即應(yīng)選RL＜Rm。如果用光電池只是鑒別有無(wú)光照而作為一個(gè)光電開(kāi)關(guān)時(shí)，才允許選RL＞Rm，工作在光電壓區(qū)域。對(duì)光電流區(qū)域，又有兩種輸出方式：

4.緩變光電信號(hào)探測(cè)保證光電池線性工作的RL的選擇原則(1)電流輸出。光電池輸出送給負(fù)載的信號(hào)光電流是隨光照強(qiáng)度變化而變化的。如果需要放大信號(hào)，則應(yīng)選用電流放大器，負(fù)載線愈靠近電流軸，即RL愈小，輸出電流就愈大，愈接近短路電流isc。顯然，這種輸出方式下要求負(fù)載電阻（或放大器的輸人阻抗）盡量小。(2)電壓輸出。光電池輸出送給負(fù)載的信號(hào)電壓是隨光照強(qiáng)度變化而變化的。如果需要放大器信號(hào)，則應(yīng)選用電壓放大器。如圖所示，負(fù)載電阻愈大，光電池的輸出電壓就愈高。顯然，輸出線性度要求負(fù)載電阻（或放大器的輸人阻抗）稍低或等于Rm值。通常，為了使線性區(qū)有余量，一般取82目前八十二頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)光電池電流輸出情況下的變換電路舉例4.緩變光電信號(hào)探測(cè)83目前八十三頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)入射光5.交變光信號(hào)探測(cè)根據(jù)以前光電工作特性分析：工作在II區(qū)這種方式頻率特性不好工作在I區(qū)1)電流輸出狀態(tài)2)電壓輸出狀態(tài)①②③①直流工作線②交流負(fù)載線③靜態(tài)或直流工作點(diǎn)84目前八十四頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)5.交變光信號(hào)探測(cè)①②③①直流工作線②交流負(fù)載線③靜態(tài)或直流工作點(diǎn)負(fù)載電阻上的功率最大功率條件：85目前八十五頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)6.使用要點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.6硅光電池——太陽(yáng)電池

①光電池受強(qiáng)光或聚焦光照射時(shí)，要采取散熱措施。硒光電池、硅光電池的結(jié)溫分別超過(guò)50℃、200℃時(shí)，它們的晶體結(jié)構(gòu)就會(huì)被破壞，造成損壞。因此，通常硅光電池的使用溫度不允許超過(guò)125℃。②硅光電地由薄的硅片制成，極脆。固定不宜用壓緊法，而應(yīng)采用膠粘法，但不能用環(huán)氧樹(shù)脂、502膠粘，而要用柔軟、有彈性的膠合劑，如萬(wàn)能膠、蜂蠟等。③硅光電池的引線很細(xì)，不能承受大的拉力，否則引線脫落。④硅光電池表面常鍍有一層增透膜，應(yīng)避免接觸硬物損傷薄膜。86目前八十六頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)4.7光電二極管87目前八十七頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)光電二極管和光電池一樣．都是基于PN結(jié)的光電效應(yīng)而工作的；但是它與光電池相比有所不同：①就制作基底材料的摻雜濃度而言，光電池的摻雜濃度較高；②光電池的電阻率低；③光電池通常在零偏置下工作，而硅光電二極管通常在反向偏置下工作，即工作于光電導(dǎo)模式；④一般說(shuō)來(lái)，光電池的受光面面積都比程光電二極管的大得多，因此，硅光電二極管的光電流小得多，通常在微安級(jí)。種類：Si光電二極管，PIN光電二極管，雪崩光電二極管（記為APD），肖特基勢(shì)壘光電二極管，HgCdTe光伏二極管，光電三極管等。88目前八十八頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.7光電二極管4.7.1硅光電二極管結(jié)構(gòu)原理光譜響應(yīng)特性和光電靈敏度光電變換的伏安特性分析

(1)直流負(fù)載分析

(2)緩變化光功率探測(cè)

(3)交變光信號(hào)探測(cè)頻率響應(yīng)特性噪聲特性4.7.2PIN硅光電二極管4.7.3雪崩光電二極管(APD)4.7.4光電三極管89目前八十九頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)1.結(jié)構(gòu)原理第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.7.1Si光電二極管2CU系列2DU系列90目前九十頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.7.1Si光電二極管2DU型管加環(huán)極的目的是為了減少暗電流和噪聲。光電二極管在制造過(guò)程中，在光敏面上涂有一層SiO2保護(hù)膜，里面含有少量的鈉、鉀、氫等正離子，這些正離子在SiO2中是不能移動(dòng)的，但是它們的靜電感應(yīng)卻可以使P－Si表面產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電子層，它可以使P－Si表面與N－Si連通起來(lái)。在外加反向偏壓的作用下，從前極流出的暗電流，除了有PN結(jié)的反向電流外，還有通過(guò)表面感應(yīng)電子層產(chǎn)生的漏電流，這種表面漏電流在數(shù)量上可達(dá)微安級(jí)，成為暗電流的重要組成部分，同時(shí)又是產(chǎn)生散粒噪聲的主要因素。1.結(jié)構(gòu)原理91目前九十一頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.7.1Si光電二極管1.結(jié)構(gòu)原理92目前九十二頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.7.1Si光電二極管封裝形式1.結(jié)構(gòu)原理93目前九十三頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)2.基本特性第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.7.1Si光電二極管光照特性光照特性是指光電二極管的光電流與照度之間的關(guān)系。光電二極管的光照特性的線性較好，但光電流較小(微安量級(jí))，靈敏度較低。94目前九十四頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)2.基本特性第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.7.1Si光電二極管溫度特性硅光電二極管的光電流和暗電流均隨溫度的變化而變化。由于溫度升高，暗電流增大，使輸出信噪比變差，不利于弱光信號(hào)的探測(cè)。所以，在弱光信號(hào)檢測(cè)時(shí)，要設(shè)法克服溫度變化的影響。95目前九十五頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.7.1Si光電二極管光譜響應(yīng)特性和光電靈敏度Si光電二極管具有一定的光譜響應(yīng)范圍。常溫下，Si材料的禁帶寬度為1.12（eV），峰值波長(zhǎng)約為0.9um，長(zhǎng)波限約為1.1um，由于入射波長(zhǎng)愈短，管芯表面的反射損失就愈大，從而使實(shí)際管芯吸收的能量愈少，這就產(chǎn)生了短波限問(wèn)題。Si光電二極管的短波限約為0.4um。Si光電二極管的電流靈敏度主要決定于量子效率。在峰值波長(zhǎng)0.9um條件下，＞50％。電流靈敏度R＞0.4（A/W）。光譜響應(yīng)曲線2.基本特性96目前九十六頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.7.1Si光電二極管伏安特性曲線，曲膝電壓3.光電變換的伏安特性分析97目前九十七頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.7.1Si光電二極管伏安特性曲線，曲膝電壓線性化處理伏安特性曲線2.光電變換的伏安特性分析98目前九十八頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.7.1Si光電二極管

伏安特性曲線，曲膝電壓線性化處理伏安特性曲線負(fù)載工作曲線內(nèi)電導(dǎo)、臨界電導(dǎo)、負(fù)載電導(dǎo)直流負(fù)載線設(shè)計(jì)慢變化光功率探測(cè)交變光信號(hào)探測(cè)2.光電變換的伏安特性分析99目前九十九頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.7.1Si光電二極管直流負(fù)載線設(shè)計(jì)直流負(fù)載線設(shè)計(jì)，就是在反偏壓V及入射光功率P條件下，如何設(shè)計(jì)負(fù)載電阻的問(wèn)題。2.光電變換的伏安特性分析最小負(fù)載電導(dǎo)時(shí)100目前一百頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.7.1Si光電二極管慢變化光功率探測(cè)2.光電變換的伏安特性分析闡述不充分，不要求101目前一百零一頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.7.1Si光電二極管交變光信號(hào)探測(cè)假定光功率作正弦脈動(dòng)，即P=P0+Pmsint。通常關(guān)心的問(wèn)題有兩種：

第一、給定入射光功率時(shí)的最佳功率輸出條件。第二、給定反偏壓V時(shí)的最佳功率輸出條件。2.光電變換的伏安特性分析102目前一百零二頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)為了取得大的輸出功率，希望GP＋GL值小，V值高。但是，欲在GL上取得最大功率，又要求GL比Gp大，這與要求Gp＋GL小相矛盾。因此GL和Gp均存在最佳值問(wèn)題。給定入射光功率時(shí)的最佳功率輸出條件103目前一百零三頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)給定入射光功率時(shí)的最佳功率輸出條件由MHQ①②③④⑤⑥⑦⑧①③代入④由上式得輸出電壓幅值:輸出功率:求微分得最大輸出功率條件：最大輸出功率條件下：由

⑤由

③104目前一百零四頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)給定入射反偏壓V時(shí)的最佳功率輸出條件書上是Gp105目前一百零五頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)例題：已知某Si光電二極管的靈敏度S=0.5A/mW，結(jié)電導(dǎo)g＝0.005s，曲膝電壓U=10V，入射光信號(hào)功率P＝5＋3sintW，反偏壓V＝40V。試求：電信號(hào)輸出送到放大器時(shí)，取得最大功率的電阻RP及放大器的輸入電阻Ri。解：由給定條件可確定出脈動(dòng)光功率值為：PO＝5W，P=8W，P=2W。可求出Gp、RP分別為由放大器輸入電阻為：由及得輸送到放大器的電壓和功率：106目前一百零六頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.7.1Si光電二極管光電二極管的頻率響應(yīng)特性主要由三個(gè)因素決定：光生載流子在耗盡層內(nèi)的漂移時(shí)間負(fù)載電阻RL、結(jié)電容Ci決定的電路時(shí)間常數(shù)光生載流子在耗盡層附近的擴(kuò)散時(shí)間4.頻率響應(yīng)特性107目前一百零七頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)5.噪聲光電二極管的噪聲包含低頻噪聲、散粒噪聲、熱噪聲。主要是散粒噪聲。散粒噪聲是由于電流在半導(dǎo)體內(nèi)的散粒效應(yīng)引起的。暗電流、背景電流和信號(hào)光電流因此散粒噪聲為由反向偏置的光電二極管電流與入射輻射的關(guān)系再考慮負(fù)載電阻的熱噪聲，則散粒噪聲是電荷載體的粒子特性的結(jié)果。半導(dǎo)體內(nèi)流動(dòng)的DC電流通常被認(rèn)為在每一時(shí)刻都是恒定的，但是任何電流都是由一個(gè)個(gè)的電子和空穴的運(yùn)動(dòng)所形成的。只有這些電荷載體所產(chǎn)生的電流的時(shí)間平均值才可以看做是恒定的電流。電荷載體數(shù)量的任何波動(dòng)都會(huì)在那個(gè)時(shí)刻產(chǎn)生隨機(jī)的電流，這就是散粒噪聲108目前一百零八頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)109目前一百零九頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.7.2PIN硅光電二極管I層是高電阻區(qū)暗電流小I層是高電場(chǎng)區(qū)漂移運(yùn)動(dòng)快耗盡層加寬擴(kuò)散過(guò)程縮短結(jié)電容減小有利于提高量子效率提高了頻率響應(yīng)110目前一百一十頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.7.3雪崩光電二極管(APD)利用光生載流子在強(qiáng)電場(chǎng)內(nèi)的定向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生雪崩效應(yīng)。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：高純度、高電阻率、均勻性好的材料；

偏壓高，一般為幾百伏。111目前一百一十一頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)電流倍增系數(shù)：M隨反向偏壓U的變化可用經(jīng)驗(yàn)公式近似表示為：增益特性一般，100-200V時(shí)，M約為10倍量級(jí)；由于雪崩光電二極管中載流子的碰撞電離是不規(guī)則的，碰撞后的運(yùn)動(dòng)方向變得更加隨機(jī)，所以它的噪聲比一般光電二極管要大些。雪崩光電二極管中的噪聲主要也是散粒噪聲，其次是熱噪聲。噪聲特性112目前一百一十二頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)結(jié)構(gòu)原理基本應(yīng)用電路第4章光輻射的探測(cè)技術(shù)4.7.4光電三極管113目前一百一十三頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)伏安特性伏安特性光電三極管的伏安特性曲線如圖所示。光電三極管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶體管在不同的基極電流時(shí)的輸出特性一樣。因此，只要將入射光照在發(fā)射極e與基極b之間的PN結(jié)附近，所產(chǎn)生的光電流看作基極電流，就可將光敏三極管看作一般的晶體管。光電三極管能把光信號(hào)變成電信號(hào)，而且輸出的電信號(hào)較大。I/mA024620406080U/V500lx1000lx1500lx2000lx2500lx114目前一百一十四頁(yè)\總數(shù)一百三十一頁(yè)\編于四點(diǎn)時(shí)間響應(yīng)(頻率特性)光電三極管的時(shí)間響應(yīng)由四部分組成：