光電傳感器應(yīng)用技術(shù)

第3版第1章光電技術(shù)基礎(chǔ)光電傳感器應(yīng)用技術(shù)肩負(fù)著光與電之間的能量轉(zhuǎn)換與電信息轉(zhuǎn)換的任務(wù)。需要掌握光與電兩方面的基本理論與基本參數(shù)。本書主要探討有關(guān)光的基本理論和基本度量參數(shù)。討論光輻射的基本度量方法和度量單位，再討論物體熱輻射的基本定律、光與物質(zhì)的作用等問題，為光電傳感器應(yīng)用技術(shù)的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。光具有“波粒二象性”，以電磁波方式傳播的粒子，具有動(dòng)量與動(dòng)能。光電傳感器是建立在光的粒子性理論基礎(chǔ)上。圖1-1為電磁波按波長的分布及各波長區(qū)域的定義（稱為電磁波譜）。它的范圍很寬，涵蓋了由宇宙射線到無線電波（102～1025Hz）的寬闊頻域。光輻射僅是電磁波譜中的一小部分，波長區(qū)域從幾納米到幾毫米，即10-9～10-3m的范圍。只有0.38～0.78μm的光才能引起人眼的視覺感，稱為可見光。f圖1-1電磁輻射光譜的分布/Hz紅外紫外可見光103X射線Γ射線近紅外遠(yuǎn)紅外電磁波106109101210151018102110241.1光輻射的度量1.輻能和光能

以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的能量稱為輻能，用符號(hào)Qe表示，其計(jì)量單位為焦耳（J）。光能是光通量在可見光范圍內(nèi)對(duì)時(shí)間的積分，以Qv表示，其計(jì)量單位為流明秒（lms）。2.輻通量和光通量輻通量或輻功率是以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的功率；或者說，在單位時(shí)間內(nèi)，以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的輻能稱為輻通量，以符號(hào)Φe表示，其計(jì)量單位為瓦（W），即

1.1.1與光源有關(guān)的輻度參數(shù)與光度參數(shù)對(duì)可見光，光源表面在無窮小時(shí)間段內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的所有可見光譜，光能被無窮短時(shí)間間隔dt來除，其商定義為光通量Φv，即若在時(shí)間t內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的光能不隨時(shí)間而變，則式（1-3）簡化為顯然，輻通量對(duì)時(shí)間的積分稱為輻能，而光通量對(duì)時(shí)間的積分稱為光能。3.輻出度和光出度

某點(diǎn)處的面元向半球面空間發(fā)射的輻通量dΦe與面元面積dA之比，定義為輻出度Me，即

（1-3）（1-4）（1-5）Me的計(jì)量單位是瓦（特）每平方米[W／m2]。

面光源A向半球面空間內(nèi)發(fā)射的總輻通量為對(duì)于可見光，面光源A表面某一點(diǎn)處的面元向半球面空間發(fā)出的光通量dΦv、與面元面積dA之比稱為光出度Mv，即

計(jì)量單位為勒(克司)[lx]或[lm/m2]。均勻發(fā)射輻射的面光源有面光源向半球面空間發(fā)射的總光通量為（1-6）（1-7）（1-8）（1-9）4.輻強(qiáng)度和發(fā)光強(qiáng)度對(duì)點(diǎn)光源在給定方向的立體角元dΩ內(nèi)發(fā)射的輻通量dΦe，與該方向立體角元dΩ之比定義為點(diǎn)光源在該方向的輻強(qiáng)度Ie，即

輻強(qiáng)度的計(jì)量單位為瓦每球面度[W／sr]。點(diǎn)光源在有限立體角Ω內(nèi)發(fā)射的輻通量為各向同性的點(diǎn)光源向所有方向發(fā)射的總輻通量為

對(duì)可見光，定義發(fā)光強(qiáng)度IV為

（1-10）（1-11）（1-12）（1-13）對(duì)各向同性的點(diǎn)光源向所有方向發(fā)射的總光通量為

一般點(diǎn)光源是各向異性的，其發(fā)光強(qiáng)度分布隨方向而異。發(fā)光強(qiáng)度的單位是坎德拉（candela），簡稱為坎[cd]。1979年第十六屆國際計(jì)量大會(huì)通過決議，將坎德拉重新定義為：在給定方向上能發(fā)射540×1012Hz的單色輻射源，在此方向上的輻強(qiáng)度為（1/683）W/sr，其發(fā)光強(qiáng)度定義為一個(gè)坎德拉[cd]。由式（1-13），對(duì)發(fā)光強(qiáng)度為1cd的點(diǎn)光源，向給定方向1球面度(sr)內(nèi)發(fā)射的光通量定義為1流明（lm）。發(fā)光強(qiáng)度為1cd的點(diǎn)光源在整個(gè)球空間所發(fā)出的總光通量為=4πIＶ＝12.566lm。

（1-14）5.輻亮度和亮度光源表面某一點(diǎn)處的面元在給定方向上的輻強(qiáng)度除以該面元在垂直于給定方向平面上的正投影面積，稱為輻亮度Le，即

式中，θ為給方向與面元法線之間的夾角。輻亮度Le的計(jì)量單位為瓦每球面度平方米[W／（sr·m2）]。對(duì)可見光，亮度Lv定義為光源表面某一點(diǎn)處面元在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度除以該面元在垂直給定方向平面上正投影的面積，即

Lv的計(jì)量單位是坎德拉每平方米[cd／m2]。

（1-15）（1-16）若Le，Lv與光源發(fā)射輻射的方向無關(guān)，且由式（1-15）、（1-16）表示，該光源稱為余弦輻射體或朗伯輻射體。黑體理想的余弦輻射體，而一般光源的亮度多少與方向有關(guān)。粗糙表面的輻射體或反射體及太陽等是近似的余弦輻射體。余弦輻射體表面某面元dS處向半球面空間發(fā)射的通量為

式中，。對(duì)上式在半球面空間內(nèi)積分的結(jié)果為

由上式得到余弦輻射體的Me與Le、Mv與Lv的關(guān)系光學(xué)系統(tǒng)CCD26.輻效率與發(fā)光效率光源所發(fā)射的總輻通量Φe與外界提供給光源的功率P之比稱為光源的輻效率ηe；光源發(fā)射的總光通量Φv與提供的功率P之比稱為發(fā)光效率ηv。它們分別為輻效率ηe無量綱，發(fā)光效率ηv的計(jì)量單位是流明每瓦[lm·W-1]。對(duì)限定在波長λ1～λ2范圍內(nèi)的輻效率式中,Φeλ稱為光源輻射通量的光譜密集度，簡稱為光譜輻射通量。（1-19）（1-20）（1-21）1.1.2

與接收器有關(guān)的輻射度參數(shù)與光度參數(shù)

從接收器的角度討論輻度與光度的參數(shù)稱為與接收器有關(guān)的輻射度參數(shù)與光度參數(shù)。它可以是探測器，也可以是反射器，或兩者兼有。與接收器有關(guān)的輻度參數(shù)與光度參數(shù)有以下2種。

1.輻照度與照度

輻照度Ee是照射到物體表面某一點(diǎn)處面元的輻通量dΦe除以該面元面積dA的商，即Ee的計(jì)量單位是瓦每平方米[W／m2]。（1-22）若輻通量是均勻地照射在物體表面上，則式（1-22）簡化為注意，不要把輻照度Ee與輻出度Me混淆起來。雖然兩者單位相同，但定義不一樣。輻照度是從物體表面接收輻射通量的角度來定義的，輻出度是從面光源表面發(fā)射輻射的角度來定義的。

本身不輻射的反射體接收輻射后，吸收一部分，反射一部分。若把反射體當(dāng)做輻射體，則光譜輻出度Mer（λ）與輻射體接收的光譜輻照度Ee（λ）的關(guān)系為光學(xué)系統(tǒng)2CCD2(1-23)(1-24)式中,ρe（λ）為輻射度光譜反射比，是波長的函數(shù)。對(duì)式（1-24）的波長積分，得到反射體的輻出度(1-25)對(duì)可見光，照射到物體表面某一面元的光通量dΦv除以該面元面積dA稱為光照度Ev，即（1-26）Ev的計(jì)量單位是勒（克司）[lx]。

對(duì)接收光的反射體，同樣有

（1-27）（1-28）式中，ρv（λ）為光度光譜反射比，是波長的函數(shù)。

2.輻照量和曝光量輻照量與曝光量是光電接收器接收輻射能量的重要度量參數(shù)，光電器件的輸出信號(hào)常與所接收的入射輻能量有關(guān)。照射到物體表面某一面元的輻照度Ee在時(shí)間t內(nèi)的積分稱為輻照量He，即

（1-29）輻照量He的計(jì)量單位是焦?fàn)柮科椒矫?/p>

[J/m2]。

如果面元上的輻照度Ee與時(shí)間無關(guān)，式（1-29）可簡化為

（1-30）與輻照量He對(duì)應(yīng)的光度量是曝光量Hv，它定義為物體表面某一面元接收的光照度Ev在時(shí)間t內(nèi)的積分，即（1-31）Hv的計(jì)量單位是勒（克司）秒[lx.s]。

1.1.3輻射源的光譜輻射分布

輻射源發(fā)射的輻能是按波長分布在輻射光譜范圍內(nèi)的。在單位波長范圍內(nèi)發(fā)射的輻射量稱為輻射的光譜密度Xe,λ，簡稱為光譜輻射量，即

式中，通用符號(hào)Xe,λ是波長的函數(shù)，代表所有的光譜輻射量，如光譜輻通量Φe,λ、光譜輻出度Me,λ、光譜輻強(qiáng)度Ie,λ、光譜輻亮度Le,λ、光譜輻照度Ee,λ等。

（1-32）符號(hào)Xv,λ為光源在可見光區(qū)單位波長范圍內(nèi)發(fā)射的光度量稱為光度光譜密集度，簡稱光譜光度量，即

（1-33）式中，Xv,λ為光譜光通量Φv,λ、光譜光出度Mv,λ、光譜光強(qiáng)度Iv,λ、光譜光亮度Lv,λ、光譜光照度Ev,λ。光源的輻射度參量Xe,λ隨波長λ的分布曲線稱為該光源的絕對(duì)光譜輻射分布曲線。

曲線任一波長λ處的Xe,λ除以峰值波長λmax處的光譜輻射量最大值Xe,λmax的商Xe,λr，稱為光源的相對(duì)光譜輻射量，即（1-34）Xe,λr與波長λ的關(guān)系稱為光源相對(duì)光譜輻射分布。

光源在波長λ1～λ2

范圍內(nèi)發(fā)射的輻射通量

光源發(fā)出的所有波長的總輻射通量

（1-35）光源發(fā)出λ1

～λ2

的輻通量ΔΦe與總輻通量Φe之比稱為光源的比輻射qe，即

式中，qe沒有量綱。

（1-36）1.1.4量子流速率光源的輻功率是每秒鐘發(fā)射光子能量的總和。光源在給定波長λ處,由λ到波長范圍內(nèi)發(fā)射的輻通量dΦe除以該波長λ的光子能量hv，得到光源在該波長λ處每秒鐘發(fā)射的光子數(shù)，稱為光譜量子流速率dNe,λ，即

（1-37）對(duì)可見光區(qū)域，光源每秒發(fā)射的總光子數(shù)

光源在波長λ為0→∞范圍內(nèi)發(fā)射的總量子流速率

（1-38）（1-39）注意，盡管光子流速率NV應(yīng)用了腳標(biāo)v，但，從（1-39）可見，它是物理的計(jì)量單位，只是積分區(qū)間（0.38~0.78μm）屬于人眼可見波長范圍，式中物理量均為輻度參數(shù)，因此是物理的計(jì)量單位。它反映了光源單位時(shí)間發(fā)出可見光波段的量子數(shù)。1.2物體熱輻射物體通常以兩種不同形式發(fā)射輻射能量。第一種稱為熱輻射。第二種稱為發(fā)光。1.2.1黑體輻射定律1.黑體能夠完全吸收從任何角度入射的任何波長的輻射，并且在每一個(gè)方向都能最大可能地發(fā)射任意波長輻射能的物體稱為黑體。顯然，黑體的吸收系數(shù)為1，發(fā)射系數(shù)也為1。黑體只是個(gè)理想的溫度輻射體，常被用于作為輻射計(jì)量的基準(zhǔn)。在有限的溫度范圍內(nèi)可以制造出各種黑體模型。圖1-2

黑體模型

圖1-2所示的模型中，入射輻射是經(jīng)過多次反射后才發(fā)射出恒溫槽的。2.普朗克輻射定律

黑體為理想的余弦輻射體，其光譜輻射出射度Me,s,λ（角標(biāo)“s”表示黑體）由普朗克公式表示為

（1-40）黑體光譜輻亮度Le,s,λ和光譜輻強(qiáng)度Ie,s,λ分別為（1-41）圖1-3為黑體的相對(duì)光譜輻亮度Le,s,λr與波長的等溫曲線。圖1-3

將式（1-40）對(duì)波長λ求積分，得到黑體發(fā)射的總輻射出射度

（1-42）式中，σ是斯特藩-波爾茲曼常數(shù)，它由下式?jīng)Q定

由式（1-42），Me,s與T的四次方成正比

3.斯忒藩-波爾茲曼定律4.維恩位移定律將式（1-40）對(duì)λ求微分后令其等于0，找到峰值光譜輻射出射度對(duì)應(yīng)的波長λm與絕對(duì)溫度T的關(guān)系為

(μm)（1-43）

λm與溫度（T）的乘積是常數(shù)。這是維恩位移定律。

將式（1.2-3）代入式（1.2-1），得到黑體的峰值光譜輻出度W·cm-2·μm-1·K-5

以上三個(gè)定律統(tǒng)稱為黑體輻射定律。

例1-1若可以將人體作為黑體，正常人體溫的為36.5℃，（1）試計(jì)算正常人體所發(fā)出的輻射出射度為多少W/m2？（2）正常人體的峰值輻射波長為多少μm？峰值光譜輻射出射度Me,s,λm為多少？（3）人體發(fā)燒到38℃時(shí)峰值輻射波長為多少？發(fā)燒時(shí)的峰值光譜輻射出射度Me,s,λm又為多少？解

（1）人體正常體的絕對(duì)溫度為T=36.5+273=309.5K，根據(jù)斯特藩-波爾茲曼輻射定律，正常人體所發(fā)出的輻射出射度為

（2）由維恩位移定律，正常人體的峰值輻射波長為

(μm)=9.36μm

峰值光譜輻射出射度為

Wcm-2μm-1

=3.72Wcm-2μm-1

（3）人體發(fā)燒到38℃時(shí)峰值輻射波長為

發(fā)燒時(shí)的峰值光譜輻射出射度為

=3.81Wcm-2μm-1

例1-2將標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈為黑體時(shí)，試計(jì)算它的峰值輻射波長，峰值光譜輻射出射度和它的總輻射出射度。解標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈的溫度為TW=2856K，因此它的峰值輻射波長為(μm)峰值光譜輻射出射度為

=1.309×28565×10-15

=248.7Wcm-2μm-1

總輻射出射度為

光學(xué)系統(tǒng)CCD2輻射度參數(shù)與光度參數(shù)是從不同角度對(duì)光輻射進(jìn)行度量的參數(shù)，這些參數(shù)在一定光譜范圍內(nèi)（可見光譜區(qū)）常相互使用，它們之間存在著一定的轉(zhuǎn)換關(guān)系；有些光電傳感器件采用光度參數(shù)標(biāo)定其特性參數(shù)，而另一些器件采用輻射度參數(shù)標(biāo)定其特性參數(shù)，因此討論它們之間的轉(zhuǎn)換是很重要的。本節(jié)將重點(diǎn)討論它們的轉(zhuǎn)換關(guān)系，掌握了這些轉(zhuǎn)換關(guān)系，就可以對(duì)用不同度量參數(shù)標(biāo)定的光電器件靈敏度等特性參數(shù)進(jìn)行比較。1.3輻射度參數(shù)與光度參數(shù)的關(guān)系1.3.1人眼的視覺靈敏度用各種單色輻射分別刺激正常人（標(biāo)準(zhǔn)觀察者）眼的錐狀細(xì)胞，當(dāng)刺激程度相同時(shí)，發(fā)現(xiàn)波長=0.555μm處的光譜輻射亮度Le,λm小于其它波長的光譜輻亮度Le,λ。把波長=0.555μm的光譜輻射亮度Le,λm被其它波長的光譜輻亮度Le,λ除得的商，定義為正常人眼的明視覺光譜光視效率V（λ），即（1-45）

如圖1-5所示為人眼的明視覺光譜光視效率V（λ）。圖1-5若有微弱單色輻射刺激人眼，則在相同刺激程度下，波長為507nm處的光譜輻亮度小于其他波長的光譜輻亮度。為此，將Le，507nm與Le,λ的比值定義為正常人眼的暗視覺光譜光視效率。定義為

V′(λ）為無量綱的相對(duì)值，如圖1-46虛線所示。(1-46)1.3.2人眼的光譜光視效能

無論是錐狀細(xì)胞還是柱狀細(xì)胞，單色輻射對(duì)其刺激的程度與Le,λ成正比。

對(duì)于明視覺，刺激程度平衡條件為

（1-47）式中，Km為人眼的明視覺最靈敏波長的光度參量對(duì)輻射度參量的轉(zhuǎn)換常數(shù)，其值為683lm/W。

對(duì)于暗視覺，為

（1-48）式中，K‘m為人眼的暗視覺最靈敏波長的光度參量對(duì)輻射度參量的轉(zhuǎn)換常數(shù)，其值為1725lm/W。

引進(jìn)，K（λ），并令

（1-49）同樣，對(duì)于暗視覺有（1-50）式中，K（λ），K`（λ）分別稱為人眼明視覺和暗視覺的光譜光視效能。根據(jù)式（1-49）和（1-50），可以將任何光譜輻射量轉(zhuǎn)換成光譜光度量。例1-3

已知某He-Ne激光器的輸出功率為3mW，試計(jì)算其發(fā)出的光通量為多少lm？解He-Ne激光器輸出的光為光譜輻射通量，根據(jù)式（1-49）可以計(jì)算出它發(fā)出的光通量為Φv,λ=Kλ,eΦe,λ=KmV(λ)Φe,λ=683×0.24×3×10-3=0.492(lm)1.4.3輻射體光視效能

熱輻射體發(fā)射的總光通量Φv與總輻射通量Φe之比，稱為該輻射體的光視效能K，即

對(duì)于熱輻射體，由上式及式（1-49）可得總光通量Φv為

(1-51)(1-52)將式（1-35）和（1-52）代入式（1-51）得到(1-53)式中，V是輻射體的光視效率。

下面計(jì)算兩種常用熱輻射體的光視效能。1.純鉑凝固點(diǎn)溫度的黑體照明委員會(huì)曾規(guī)定：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力環(huán)境下純鉑凝固點(diǎn)的溫度為T＝2045K，將其視為黑體，其表面法線方向每平方厘米面積的輻強(qiáng)度為31.55W/sr時(shí)它的發(fā)光強(qiáng)度應(yīng)為60cd。由（1-51）推導(dǎo)出該黑體的光視效能為lm/W可見，純鉑在凝固點(diǎn)溫度下的黑體，若發(fā)射1W輻通量，其發(fā)出的光通量便為1.9lm。2.2856K標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈它的光視效能可按式（1-51）和圖1-7所示的曲線圍成的面積Al和A2的比值進(jìn)行計(jì)算，即圖1-7例如，對(duì)于色溫為2856K的標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈其光視效能為17lm/W，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈發(fā)出的輻射通量為Φe＝100W時(shí)，其光通量為Φv=1710lm?？梢姡珳卦礁叩妮椛潴w，它的可見光的成分越多，光視效能越高，光度量也越高。白熾鎢絲燈的供電電壓降低時(shí)，燈絲溫度降低，燈的可見光部分的光譜減弱，光視效能降低，用照度計(jì)檢測光照度時(shí)，照度將顯著下降。lm/W1.4半導(dǎo)體對(duì)光的吸收

1.4.1物質(zhì)對(duì)光吸收的一般規(guī)律

如圖1-8所示，光入射到物質(zhì)表面，光通量將發(fā)生衰減，減量dΦ與路程dx及光通量Φ有關(guān)，即

（1-54）式中，α稱為吸收系數(shù)。

利用初始條件x=0

，φ=φ0解微分方程，找到通過x路程與光通量的關(guān)系為圖1-8物質(zhì)對(duì)光的吸收（1-55）α為光衰減到e-1時(shí)所透過路程的倒數(shù)，稱為該物質(zhì)的吸收系數(shù)。根據(jù)電動(dòng)力學(xué)理論，平面電磁波在物質(zhì)中傳播時(shí)，其電矢量和磁矢量都按指數(shù)規(guī)律

exp(-ωμxc-1)衰減。

（1-56）乘積的其實(shí)數(shù)部分是輻通量隨傳播路徑x的變化。即

（1-57）式中，μ稱為消光系數(shù)。

由此得到

（1-58）半導(dǎo)體的消光系數(shù)μ與入射光的波長無關(guān)，表明它對(duì)愈短波長的光吸收愈強(qiáng)。（1-59）普通玻璃的消光系數(shù)μ也與波長λ無關(guān)，因此，它們對(duì)短波長輻射的吸收比長波長強(qiáng)。當(dāng)不考慮反射損失時(shí)，吸收的光通量應(yīng)為

1.4.2半導(dǎo)體對(duì)光的吸收1.本征吸收光入射到半導(dǎo)體表面，原子外層價(jià)電子吸收光子能量，越過禁帶，進(jìn)入導(dǎo)帶，成為可以自由運(yùn)動(dòng)的自由電子。價(jià)帶中留下一個(gè)自由空穴，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。如圖1-9所示，半導(dǎo)體價(jià)帶電子吸收光子能量躍遷入導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子空穴對(duì)的現(xiàn)象稱為本征吸收。

圖1-9本征吸收本征吸收的條件是光子能量必須大于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg。即（1-60）可以得到發(fā)生本征吸收的光波長波限

（1-61）只有波長短于的入射輻射才能使器件產(chǎn)生本征吸收，改變本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。

2.雜質(zhì)吸收N型半導(dǎo)體中未電離的雜質(zhì)原子（施主原子）吸收光子能量hv。若hv大于等于施主電離能ΔED，雜質(zhì)原子的外層電子將從雜質(zhì)能級(jí)（施主能級(jí)）躍入導(dǎo)帶，成為自由電子。P型半導(dǎo)體中，價(jià)帶上的電子吸收了能量hv大于ΔEA（受主電離能）的光子后，價(jià)電子躍入受主能級(jí)，價(jià)帶上留下空穴。相當(dāng)于受主能級(jí)上的空穴吸收光子能量躍入價(jià)帶。

這兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體吸收足夠能量的光子，產(chǎn)生電離的過程稱為雜質(zhì)吸收。顯然，雜質(zhì)吸收的長波限

由于Eg>ΔED或Eg>ΔEA，因此，雜質(zhì)吸收的長波長總要長于本征吸收的長波長。雜質(zhì)吸收會(huì)改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性，也會(huì)引起光電效應(yīng)。

（1-62）（1-63）3.激子吸收

當(dāng)入射到本征半導(dǎo)體上的光子能量hv小于Eg，或入射到雜質(zhì)半導(dǎo)體上的光子能量hv小于雜質(zhì)電離能（ΔED或ΔEA）時(shí)，電子不產(chǎn)生能帶間的躍遷成為自由載流子，仍受原來束縛電荷的約束而處于受激狀態(tài)。這種處于受激狀態(tài)的電子稱為激子。吸收光子能量產(chǎn)生激子的現(xiàn)象稱為激子吸收。激子吸收不會(huì)改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。4.自由載流子吸收當(dāng)入射光子不足以引起電子產(chǎn)生能帶間的躍遷或形成激子時(shí)，仍然存在著吸收，而且其強(qiáng)度隨波長增大而增強(qiáng)。由自由載流子在同一能帶內(nèi)的能級(jí)間的躍遷所引起的，稱為自由載流子吸收。自由載流子吸收不會(huì)改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。

5.晶格吸收

晶格原子對(duì)遠(yuǎn)紅外譜區(qū)的光子能量的吸收直接轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裾駝?dòng)動(dòng)能的增加，在宏觀上表現(xiàn)為物體溫度升高，引起物質(zhì)的熱敏效應(yīng)。以上五種吸收中，只有本征吸收和雜質(zhì)吸收能夠直接產(chǎn)生非平衡載流子，引起光電效應(yīng)。其他吸收都程度不同地把輻射能轉(zhuǎn)換為熱能，使器件溫度升高，使載流子運(yùn)動(dòng)的速度加快，而不直接改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。

1.5

光電效應(yīng)

光與物質(zhì)作用產(chǎn)生的光電效應(yīng)分為內(nèi)光電效應(yīng)與外光電效應(yīng)兩類。內(nèi)光電效應(yīng)是被光激發(fā)所產(chǎn)生的載流子仍在物質(zhì)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，使物質(zhì)的電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生伏特的現(xiàn)象。而被光激發(fā)產(chǎn)生的電子逸出物質(zhì)表面，形成真空中的電子的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。1.5.1內(nèi)光電效應(yīng)

1.光電導(dǎo)效應(yīng)

光電導(dǎo)效應(yīng)分為本征與雜質(zhì)兩種光電導(dǎo)效應(yīng)。在本征或雜質(zhì)半導(dǎo)體內(nèi)的價(jià)帶中電子吸收光子能量躍入導(dǎo)帶，則產(chǎn)生本征吸收。特點(diǎn)是導(dǎo)帶產(chǎn)生光生自由電子，價(jià)帶產(chǎn)生光生自由空穴。使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為本征光電導(dǎo)效應(yīng)。通量為Φe,λ的單色輻射入射到如圖1-10所示的半導(dǎo)體上，波長λ的單色輻射全部被吸收，則光敏層單位時(shí)間所吸收的量子數(shù)密度Ne,λ應(yīng)為

(1-64)圖1-10

光電導(dǎo)體光敏層每秒產(chǎn)生的電子數(shù)密度Ge為

(1-65)在熱平衡狀態(tài)下，半導(dǎo)體的熱電子產(chǎn)生率Gt與熱電子復(fù)合率rt相平衡。電子總產(chǎn)生率應(yīng)為熱電子產(chǎn)生率Gt與光電子產(chǎn)生率Ge之和

(1-66)導(dǎo)帶中的電子與價(jià)帶中的空穴的總復(fù)合率R應(yīng)為

(1-67)

熱電子復(fù)合率與導(dǎo)帶內(nèi)熱電子濃度ni及價(jià)帶內(nèi)空穴濃度pi的乘積成正比。即

(1-68)在熱平衡狀態(tài)載流子的產(chǎn)生率應(yīng)與符合率相等。即

(1-69)在非平衡狀態(tài)下，載流子的時(shí)間變化率應(yīng)等于載流子的總產(chǎn)生率與總復(fù)合率的差。即

(1-70)下面分為兩種情況討論：（1）微弱輻射作用下，光生載流子濃度Δn遠(yuǎn)小于熱激發(fā)電子濃度ni，光生空穴濃度Δp遠(yuǎn)小于熱激發(fā)空穴的濃度pi，并考慮到本征吸收的特點(diǎn)，Δn=Δp，式（1-70）可簡化為

利用初始條件t=0時(shí)，Δn=0，解微分方程得

式中，τ=1/Kf(ni+pi)稱為載流子的平均壽命。

(1-71)(1-72)由式（1-71），光激發(fā)載流子濃度隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)t>>τ時(shí)，載流子濃度Δn達(dá)到穩(wěn)態(tài)值Δn0，即動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)

(1-72)光激發(fā)載流子引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率的變化Δσ為

(1-73)式中，μ為電子遷移率μn與空穴遷移率μp之和。

半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)g為

(1-74)弱輻射作用下光電導(dǎo)不但與光敏材料的長度l的平方成反比而且與入射輻射通量Φe,λ成線性關(guān)系。求導(dǎo)可得

由此可得半導(dǎo)體材料在弱輻射作用下的光電導(dǎo)靈敏度Sg

弱輻射作用下光電導(dǎo)靈敏度為與材料性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。

（2）在強(qiáng)輻射的作用下，Δn>>ni，Δp>>pi（1-70）式可以簡化為

即(1-75)利用初始條件t=0時(shí)，Δn=0，解微分方程得

式中，為強(qiáng)輻射作用下載流子的平均壽命。

強(qiáng)輻射情況下，半導(dǎo)體的光電導(dǎo)與入射輻射通量間的關(guān)系為

進(jìn)行微分得

(1-76)在強(qiáng)輻射作用的情況下半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)靈敏度不僅與材料的性質(zhì)有關(guān)而且與入射輻射量有關(guān)，是非線性的。

(1-77)2.光生伏特效應(yīng)

是基于半導(dǎo)體PN結(jié)基礎(chǔ)上的一種將光能轉(zhuǎn)換成電能的效應(yīng)。如圖1-11所示，半導(dǎo)體PN結(jié)的內(nèi)建電場將光生電子與空穴分開，并分別在內(nèi)建電場作用下運(yùn)動(dòng)，形成光生伏特電壓或光生電流的現(xiàn)象。

圖1-11半導(dǎo)體PN結(jié)示意圖PN結(jié)能帶結(jié)構(gòu)如圖1-12所示，P區(qū)和N區(qū)的多數(shù)載流子要進(jìn)行相對(duì)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，以便平衡費(fèi)米能級(jí)差，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)平衡時(shí)，如圖所示，在結(jié)區(qū)形成由正負(fù)離子組成的空間電荷區(qū)或耗盡區(qū)。圖1-12PN結(jié)能帶結(jié)構(gòu)設(shè)定內(nèi)建電場的方向?yàn)殡妷号c電流的正方向，將PN結(jié)兩端接入適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻RL，在輻通量Φe,λ作用于PN，則有I流過負(fù)載電阻，并在RL兩端產(chǎn)生壓降U，電流I應(yīng)為

（1-78）

式中，IΦ為光生電流，ID為暗電流。輸出的短路電流ISC為（1-79）

PN結(jié)的開路電壓UOC為

（1-80）

PN結(jié)在反向偏置的情況下，輸出的電流為

I=IΦ+ID

（1-81）

PN節(jié)的暗電流ID一般要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光電流IΦ，可忽略。PN節(jié)的電流與入射輻射成線性關(guān)系（1-82）

3.丹培（Dember）效應(yīng)

如圖1-13所示，當(dāng)材料的一部分被遮蔽，另一部分被光均勻照射時(shí)，曝光區(qū)產(chǎn)生本征吸收，產(chǎn)生高密度的電子與空穴，而遮蔽區(qū)載流子的濃度很低，形成濃度差。

圖1-13光生載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由載流子遷移率的差別產(chǎn)生受照面與遮光面間的伏特現(xiàn)象稱為丹培效應(yīng)。

光生電壓由式（1-83）計(jì)算

（1-83）

4.光磁電效應(yīng)

在半導(dǎo)體上外加與光照方向垂直磁場，構(gòu)成如圖1-14所示的結(jié)構(gòu)。當(dāng)半導(dǎo)體受光照射產(chǎn)生丹培效應(yīng)時(shí)，電子和空穴在磁場中受到洛倫茲力的作用，使運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，電子與空穴按圖示方向偏轉(zhuǎn)。。

結(jié)果產(chǎn)生伏特電壓，稱為光磁電場。該現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的光磁電效應(yīng)。

圖1-14光磁電效應(yīng)光磁電場為

（1-84）

D為雙極性載流子的擴(kuò)散系數(shù)，在數(shù)值上等于

其中，Dn與Dp分別為電子與空穴的擴(kuò)散系數(shù)。

（1-85）

5.光子牽引效應(yīng)

當(dāng)光子與半導(dǎo)體中的自由載流子作用時(shí)，光子把動(dòng)量傳遞給自由載流子，自由載流子將順著光線的傳播方向做相對(duì)于晶格的運(yùn)動(dòng)。結(jié)果，在開路的情況下，半導(dǎo)體樣品將產(chǎn)生電場，它阻止載流子的運(yùn)動(dòng)。這個(gè)現(xiàn)象被稱為光子牽引效應(yīng)。在室溫下，P型鍺光子牽引探測器的光電靈敏度為

（1-87）

1.5.2光電發(fā)射效應(yīng)

當(dāng)物質(zhì)中的電子吸收足夠高的光子能量，電子將逸出物質(zhì)表面成為真空中的自由電子，這種現(xiàn)象稱為光電發(fā)射效應(yīng)或稱為外光電效應(yīng)。外光電效應(yīng)中光電能量轉(zhuǎn)換的基本關(guān)系為

表明，具有能量的光子被電子吸收后，只要光子的能量大于光電發(fā)射材料的光電發(fā)射閾值Eth，則質(zhì)量為m的電子初始動(dòng)能便大于0。（1-88）

圖1-15金屬能級(jí)結(jié)構(gòu)光電發(fā)射閾值Eth是建立在材料能帶結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上，對(duì)于金屬，如圖1-15所示的能級(jí)結(jié)構(gòu)，光電發(fā)射閾值Eth等于真空能級(jí)與費(fèi)米能級(jí)之差

式中，EVAC為真空能級(jí)，一般設(shè)為為0；Ef為低于真空能級(jí)的負(fù)值；因此光電發(fā)射閾值Eth大于0。

（1-89）

對(duì)于半導(dǎo)體，情況較為復(fù)雜，分為本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體，雜質(zhì)半導(dǎo)體又有P型與N型，能級(jí)結(jié)構(gòu)不同，光電發(fā)射閾值的定義也不同。圖1-16所示為三種半導(dǎo)體的能級(jí)結(jié)構(gòu)圖，由能級(jí)圖可以得到處于導(dǎo)帶中的電子的光電發(fā)射閾值為

圖1-16半導(dǎo)體光電發(fā)射閾值（1-90）

電子接收大于EA的光子后就可以飛出半導(dǎo)體表面。

而對(duì)于價(jià)帶中的電子，其光電發(fā)射閾值Eth為

光電發(fā)射長波限為利用具有光電發(fā)射效應(yīng)的材料也可以制成各種光電探測器件，這些器件統(tǒng)稱為光電發(fā)射器件。（1-91）

（1-92）

光電發(fā)射器件具有許多不同于內(nèi)光電器件的特點(diǎn)：1.電發(fā)射器件中的導(dǎo)電電子可以在真空中運(yùn)動(dòng)，因此，可以通過電場加速電子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，或通過電子的內(nèi)倍增系統(tǒng)提高光電探測靈敏度，使它能高速度地探測極其微弱的光信號(hào)，成為像增強(qiáng)器與變相器技術(shù)的基本元件。2.很容易制造出均勻的大面積光電發(fā)射器件，這在光電成像器件方面非常有利。一般真空光電成像器件的空間分辨率要高于半導(dǎo)體光電圖像傳感器。3.光電發(fā)射器件需要高穩(wěn)定的高壓直流電源設(shè)備，使得整個(gè)探測器體積龐大，功率損耗大，不適用于野外操作，造價(jià)也昂貴。4.光電發(fā)射器件的光譜響應(yīng)范圍一般不如半導(dǎo)體光電器件寬。

第2章光源物體向外發(fā)射出可見光的現(xiàn)象稱為發(fā)光。在光電技術(shù)領(lǐng)域，光輻射還包括紅外、紫外等波段的輻射。發(fā)光常分為熱輻射和激發(fā)輻射，激發(fā)輻射的光源常被稱為冷光源。

從應(yīng)用的角度簡單地介紹各類光源的特性、發(fā)光光譜，并重點(diǎn)介紹各種電光源的發(fā)光機(jī)理和供電電路是本章的宗旨。2.1光源的分類

光源的種類很多，分類方式各異。總結(jié)光電工程中所用光源的特征，分為自然光源與電光源兩大類。

2.1.1自然光源1.太陽太陽光是最典型和能量最強(qiáng)的自然光源，人類的視覺觀察活動(dòng)幾乎主要是在太陽的照明下進(jìn)行。圖2-1為太陽在大氣層外和在海平面的光譜輻出度與波長的關(guān)系曲線。可見，在大氣層外的光譜輻照度曲線很接近5900K黑體的光譜輻出度曲線。圖2-1

H2O、CO2

和O3有許多吸收峰，使海平面的輻照度降低。大氣在可見光譜內(nèi)為透明度較高的窗口。直接或間接利用太陽作光源時(shí)，應(yīng)考慮到天氣變化對(duì)測量結(jié)果的影響。2.月亮、星光與天空月亮、星光與天空也是一個(gè)重要的自然光源。

圖2-2所示為月亮、行星的光譜輻射與波長分布。天空也是不可忽略的光源，黃道光約占15％、銀河光約占5％、夜空光約占40％、上述各光源的散射光約占10％、直射和散射的星光約占30％而銀河系以外輻射約占1％。圖2-2表2-1白天和夜間各種條件下自然光源在地面上形成的照度自然條件照度值（Lx）自然條件照度值（Lx）直射日光深黃昏1完全白天光

滿月10-1白天（陰）103弦月10-2很暗的白天102星光10-3黃昏（黎明）10星光（陰天）10-4自然條件光亮度值（cd/m2）自然條件光亮度值（cd/m2）晴朗的白日104日落后1/2小時(shí)10-1白天（陰）103相當(dāng)明亮的月光10-2白天（陰得很重）102無月（晴朗夜空）10-3日落時(shí)（陰天）10無月（陰天夜空）10-4日落后1/4小時(shí)（晴天）1表2-2各種條件下接近地平線天空的光亮度值

2.2鎢絲燈為給圖像傳感器創(chuàng)造良好、穩(wěn)定的成像和測量條件，制造許多種人工光源，輔助自然光源的各種不足，鎢絲燈光源最古老、最普遍。本節(jié)主要介紹鎢絲燈的發(fā)光特性及工作特性。鎢絲燈種類很多，將其歸納為兩類—鎢絲白熾燈與鹵鎢燈。2.2.1鎢絲白熾燈1.普通鎢絲白熾燈的結(jié)構(gòu)圖2-3

典型儀器用的鎢絲白熾燈結(jié)構(gòu)圖如圖2-3所示為儀器儀表中幾種常見的鎢絲白熾燈的結(jié)構(gòu)圖。2.鎢絲白熾燈的特性①發(fā)光光譜鎢絲白熾燈屬于熱輻射體，可以近似為黑體。其光譜分布與工作溫度有關(guān)，溫度升高，光譜發(fā)射系數(shù)隨波長的變化減少，最后在溫度很高時(shí)趨向于1，服從黑體輻射定律。

（2-1）

如圖2-4為標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈的相對(duì)光譜輻射功率隨波長的分布特性曲線?？梢姡?.0μm處標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈的光譜輻出度值最高，即標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈光譜輻出度的波長為1.0μm。②鎢絲白熾燈的功率、光通量和發(fā)光效率圖2-5為鎢絲白熾燈的功函數(shù)與溫度的關(guān)系曲線。鎢絲燈的供電電壓變化時(shí)，對(duì)電流、光通量、燈的功率損耗、燈的壽命等都有很大影響。如果電壓增加，則燈絲溫度上升，光通量增加，發(fā)光效率提高。燈絲溫度太高，鎢的蒸發(fā)加快、加劇，使燈絲的某些局部迅速變細(xì)，電阻值增大，局部功耗加大，并很快被燒斷。

圖2-5白熾燈功函數(shù)與溫度的關(guān)系表2-3不同溫度下鎢絲在真空中的蒸發(fā)率和壽命的關(guān)系

溫度T（K）蒸發(fā)率rm(g/(cm2?s)直徑為0.1mm鎢絲的壽命τ（h）rm·τ20002200240026002800300015.522.413.841.78.3310.51.04×1077.20×1041.11×1033.86×101.90.1516.1×10-816.1×10-816.1×10-816.1×10-815.8×10-815.7×10-8

通過實(shí)驗(yàn)得到，燈的電壓變化使燈的電流I、發(fā)光效率ηv、光通量φv、壽命τ均發(fā)生變化。它們之間的關(guān)系為(2-2)對(duì)于真空白熾燈泡，發(fā)光效率ηv=0.0769，對(duì)于充氣燈泡，發(fā)光效率ηv＝0.0714。

④白熾燈的色彩與調(diào)光特性普通白熾燈可以無限制的調(diào)整發(fā)出光的亮度。調(diào)光使燈絲溫度降低，從而使燈的色溫降低，光效降低，但壽命延長。長壽命是以犧牲光效率為代價(jià)的。當(dāng)要求連續(xù)調(diào)整白熾燈的光照情況下，一般采用功率較低的白熾燈為好。熾燈工作在標(biāo)稱電壓的50%以下時(shí)，燈幾乎不發(fā)可見光。然而，此時(shí)的能量損耗依然不小。因此，當(dāng)調(diào)光到這種程度時(shí)應(yīng)該將其熄滅。

白熾燈的燈絲溫度常在2800K，遠(yuǎn)比太陽表層的溫度6000K低得多，因此，它的色溫偏低，顏色偏紅。

2.2.2鹵鎢燈鹵鎢燈是一種改進(jìn)的鎢絲白熾燈。在燈泡中充入6價(jià)元素，如氟、氯、溴或碘等，使它們與蒸發(fā)在玻璃殼上的鎢形成鹵化物。當(dāng)這些鹵化物回到燈絲附近時(shí)，遇到高溫便會(huì)分解，鎢又回到鎢絲上。故，燈絲的溫度可以大大提高，玻璃殼也不發(fā)黑。因此，燈絲發(fā)光亮度高、效率高，使鹵鎢燈具有形體小，成本低的特點(diǎn)。常用的鹵鎢燈有碘鎢燈和溴鎢燈。在光電傳感器技術(shù)中應(yīng)用最多的鹵鎢燈為溴鎢燈。圖2-6為儀器用部分國產(chǎn)鹵鎢燈的外形與結(jié)構(gòu)。

圖2-6儀器用部分國產(chǎn)鹵鎢燈的外形結(jié)構(gòu)圖表2-3儀器用國產(chǎn)鹵鎢燈型號(hào)規(guī)格光通量(Lm)平均壽命(h)主要尺寸圖號(hào)(V)(W)最大直徑D全長L光中心高H燈絲尺寸d·l或A·B開檔d`LYQ5-40540800～10005010.54220+11×35cLYQ6-156152702008.54214～151.1×1.24aLYQ6-20620360～4002008.54211～120.8×2.34aLYQ6-25625500～6005010.545301×34.5cLYQ6-30630510～57010010.542251×36.5aLYQ12-50125012600～14005011.552361.5×1.66.5dLYQ12-7512752025～22505011.552362×36.5dLYQ12-100121002700～30005011.552361.9×3.76.5dLYQ24-150241504050～450005012.554372.3×3.56.5dLYQ24-250242506750～7500501457382.5×5.56.5dLYQ55-5005550013500～15000501557455×86.5b2.3氣體放電燈含汞燈、鈉燈、氙燈和銦燈等。通過高壓使氣體電離放電產(chǎn)生光輻射，因而也稱其為冷光源。共同特點(diǎn)是發(fā)光光譜為線或帶狀光譜，發(fā)光機(jī)理為等離子體發(fā)光。2.3.1氣體放電一些元素在紫外線或宇宙射線下，會(huì)有少量氣體被電離成正、負(fù)離子和自由電子，電壓增高后將出現(xiàn)如圖2-7所示的激發(fā)光現(xiàn)象。圖2-7氣體放電原理電路及特性圖2-8

輝光放電的明暗區(qū)域及電場電勢分布在如圖2-8所示輝光放電時(shí)，將產(chǎn)生明暗相間的區(qū)域，各區(qū)域的電勢和光強(qiáng)分布如圖2-8b所示?；」夥烹姲l(fā)出的光輝極其明亮，可用在電影放映和公共場所照明。無論輝光放電或弧光放電，都是氣體的場致發(fā)光現(xiàn)象。氣體放電過程，電場使帶電粒子動(dòng)能增加到足以電離其他氣體分子，氣體分子吸收帶電粒子的能量，使其電子處于激發(fā)狀態(tài)。激發(fā)態(tài)一般在10-8s以內(nèi)。從激發(fā)態(tài)回到低能態(tài)或基態(tài)，便以發(fā)光的形式放出能量。如鈉蒸汽原子輻射出589.0nm、589.6nm的雙黃光。2.3.2氙燈氙燈分為長弧氙燈、短弧氙燈和脈沖氙燈。下面以脈沖氙燈為例介紹氙燈的工作。脈沖氙燈分為單次閃光和重復(fù)閃光兩種，脈沖氙燈的驅(qū)動(dòng)電路如圖2-9所示。圖2-9脈沖氙燈的單次閃光電路長弧氙燈電極間距較長，在150mm以上，其弧光也較長，適合于較大面積照明的情況。短弧燈的電極間距一般很短，在幾個(gè)毫米范圍內(nèi)，發(fā)光也比較集中。表2-4幾種國產(chǎn)氙燈的特性參數(shù)類型型

號(hào)功耗（W）電源電壓（V）工作電壓（V）工作電流（A）極間距（mm）泡殼外徑（mm）冷卻方式長

弧SZ1500SZ1500FSZ3000150015003000220～200～220～6090220201714150190620321512自然風(fēng)

冷自然冷

短

弧SQ75SQ150SQ300SQ300ASQ500SQ1000751503003005001000≧50≧50≧50～220≧50≧6516182018202258151825501.02.03.02.03.44.0131825253040自然冷自然冷自然冷自然冷自然冷自然冷2.4金屬蒸氣燈2.4.1水銀蒸氣燈（汞燈）圖2-13高壓汞燈的結(jié)構(gòu)與發(fā)光光譜在石英玻璃管內(nèi)充入汞，瞬時(shí)高壓激發(fā)使燈中汞被蒸發(fā)，并被點(diǎn)燃而產(chǎn)生輝光放電。汞燈可連續(xù)發(fā)光。高壓汞燈發(fā)出的光譜如圖2-13所示，穩(wěn)定而豐富，常用作光譜儀的校準(zhǔn)光源。汞特征光譜為404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm、579.1nm、等。2.5LED光源LED已經(jīng)成為21世紀(jì)科技發(fā)展的一大亮點(diǎn)應(yīng)該是不爭的事實(shí)了。因?yàn)長ED具有諸多優(yōu)點(diǎn)：（1）電光轉(zhuǎn)換效率高（高于90%）、響應(yīng)速度快（可達(dá)到GHz）；（2）體積?。▎沃槌叽缫呀?jīng)小于1mm），重量輕，便于集成；（3）工作電壓低，耗電少，驅(qū)動(dòng)簡便，容易通過軟、硬件實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)數(shù)字控制；（4）既能制成單色性好的各種單色LED，又能制成發(fā)各種色品的白光LED；（5）發(fā)光亮度高，功率控制簡單，便于組合，構(gòu)成適合于各種場合的照明燈具；（6）色澤鮮艷易于數(shù)字調(diào)整與控制，易于組合成為各種規(guī)模的圖像顯示部件，用于室內(nèi)、外的大屏幕顯示；（7）易于與各種光學(xué)元件組合構(gòu)成各種特殊光形的光源（線、面光源）用于特殊應(yīng)用的光電檢測系統(tǒng)。2.5.1LED的發(fā)光機(jī)理1.PN結(jié)注入發(fā)光PN結(jié)注入發(fā)光原理如圖2-15所示。圖2-15注入發(fā)光能帶圖正向偏置的情況下擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使載流子在P區(qū)從導(dǎo)帶跌落到價(jià)帶，以發(fā)光的方式釋放出能量。2.異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光為提高載流子注入效率，常采用異質(zhì)結(jié)PN結(jié)結(jié)構(gòu)。圖2-16a所示為理想的異質(zhì)結(jié)的能帶圖。圖2-16

異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光P區(qū)和N區(qū)的禁帶寬度相差較大，加上正向電壓時(shí)結(jié)區(qū)勢壘降低，兩區(qū)的價(jià)帶幾乎相同，空穴就會(huì)不斷向N區(qū)擴(kuò)散，使其與電子復(fù)合幾率提高而提高發(fā)光效率。如圖2-16b所示在N區(qū)電子由導(dǎo)帶跌入道價(jià)帶因釋放能量而發(fā)光。例如，禁帶寬EG2=1.32eV的P-GaAs與禁帶寬EG1＝O.7eV的N-GaSb組成異質(zhì)結(jié)后，N-GaAs的空穴注入N-GaAs區(qū)復(fù)合發(fā)光。2.5.2LED的基本特性參數(shù)1.電流與發(fā)光強(qiáng)度特性在正向電壓作用下流過LED的正向電流If使其發(fā)光，發(fā)光強(qiáng)度Iv與電流Ifn成正比，其中n＞1。即Iv=ηvIfn。式中ηv為LED的發(fā)光效率。圖2-17所示為GaP（紅色）LED發(fā)光強(qiáng)度（每秒發(fā)射出的光子數(shù)）與電流密度If的關(guān)系曲線。由于LED的正向伏安特性曲線在發(fā)光區(qū)呈現(xiàn)為指數(shù)形式，發(fā)光強(qiáng)度Iv與正向電壓也是指數(shù)形式，故不采用調(diào)整正向電壓的方式調(diào)整發(fā)光強(qiáng)度。圖2-17LED發(fā)光強(qiáng)度與電流密度的關(guān)系曲線2.發(fā)光光譜與發(fā)光效率由LED發(fā)光機(jī)理可知發(fā)射光譜的峰值波長由材料的禁帶寬度決定。例如GaAs紅外LED的禁帶寬度在室溫下為1.4eV，峰值波在0.86～0.9μm范圍內(nèi)。發(fā)綠光的GaP禁帶寬度為2.26eV，峰值波長為0.55μm。對(duì)異質(zhì)結(jié)LED，禁帶寬度由元素的組分量決定，如GaAs1-xPx，最佳組分x＝0.4，峰值波長為0.65～0.66μm。改變組分量x可以改變發(fā)光峰值波長。LED發(fā)出的光通量與輸入電功率之比稱為發(fā)光效率，單位lm/W；也把光強(qiáng)度與注入電流之比（cd/A）稱為發(fā)光效率。GaAs紅外LED的發(fā)光效率定義為輸出輻射功率與輸入電功率的百分比。發(fā)光效率由內(nèi)部量子效率與外部量子效率兩個(gè)參數(shù)決定。內(nèi)部量子效率為（2-5）在平衡時(shí)，電子-空穴對(duì)的激發(fā)率等于非平衡載流子的復(fù)合率（含輻射與無輻射復(fù)合），而復(fù)合率又分別取決于載流子的壽命τr和τn，其中復(fù)合率為1/τr，無輻射復(fù)合率為1/τn。內(nèi)部量子效率又為（2-6）由式（2-6）可見，只有τn＞＞τr，才能獲得較高內(nèi)部量子效率的光子發(fā)射。單位時(shí)間發(fā)射到外部的光子數(shù)nex與注入的內(nèi)部量子數(shù)nin之比定義為器件的外部量子效率ηex，即（2-7）表2-7幾種典型LED的發(fā)光效率與發(fā)光波長名稱峰值波長/μm外部量子效率%可見光發(fā)光效率/lm/W禁帶寬度Eg/eV數(shù)變值平均值GaAs0.6P0.4

紅光Ga0.65Al0.35As紅光GaP:EnO紅光GaP:N綠光GaP:NN黃光GaP純綠光GaAs0.35P0.65:N紅光GaAs0.15P0.85:N黃光GaAs紅外In0.32Ga0.68P[Te,Zn]0.650.660.790.5680.590.5550.6380.5890.9

0.50.5120.70.10.660.50.2

0.20.20.212.30.05～0.15_0.020.20.05

0.10.380.272.44.20.450.40.950.90

1.91.91.772.192.12.051.962.11.35

3.溫度特性通常LED的外部發(fā)光效率均隨溫度上升而下降。圖2-18所示GaP（綠色）、GaP（紅色）、GaAsP三種LED的相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度與溫度的關(guān)系曲線。圖2-183種LED的相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度與溫度的關(guān)系可見，隨著溫度的升高相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度顯著下降，冷卻LED，會(huì)使相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度增大。這是為什么在光電檢測系統(tǒng)中作為光源應(yīng)用的LED常常工作在脈沖狀態(tài)下而不工作在直流狀態(tài)的原因。4.最大工作電流如圖2-19為典型發(fā)紅光的GaP內(nèi)部量子效率ηin的相對(duì)值與電流密度J和溫度的關(guān)系曲線。LED的最大工作電流密度應(yīng)低于最大發(fā)射效率處的電流密度值。若LED的最大容許功耗為Pmax，最大工作電流為圖2-19式中，rd是LED的動(dòng)態(tài)內(nèi)阻；If、Uf為LED在較小工作電流時(shí)的電流和正向壓降。5.伏安特性LED的伏安特性如圖2-20所示，它與普通二極管的伏安特性大致相同。圖2-20正向電流隨正向電壓的增大而快速增長，遵守式（2-9）關(guān)系（2-9）在反向電壓作用下表現(xiàn)如圖2-20左側(cè)所示特性，當(dāng)反向電壓大于擊穿電壓后，反向電流將快速增長，表現(xiàn)出“擊穿”特性。6.壽命亮度降低到原有亮度一半時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間稱為LED的壽命。LED的壽命一般都很長，在電流密度小于lA/cm2時(shí)，一般可達(dá)106h，最長可大于等于109h。隨著工作時(shí)間的加長，亮度下降的現(xiàn)象叫老化。老化的快慢與工作電流密度有關(guān)。隨著電流密度的加大，老化變快，壽命變短。7.響應(yīng)時(shí)間是對(duì)輸入電信號(hào)變化響應(yīng)程度的物理量，LED響應(yīng)時(shí)間是指輸入信號(hào)電流加載到器件上，其發(fā)光（點(diǎn)亮）響應(yīng)時(shí)間與關(guān)掉電流發(fā)光關(guān)閉的延遲時(shí)間。LED發(fā)光時(shí)間隨電流的增加而近似呈指數(shù)減小，如GaAs1-xPx僅為幾個(gè)ns，GaP約為100ns。在脈沖電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，間隔和占空比必須在響應(yīng)時(shí)間允許的范圍內(nèi)，否則LED發(fā)出的光脈沖與輸入脈沖的差異將很大。8.光強(qiáng)分布不同的LED發(fā)出的光在空間范圍內(nèi)具有不同的光強(qiáng)分布。通常用如圖2-21所示的光強(qiáng)分布曲線描述。圖2-21圖2-21a為LED外形圖，在xyz直角坐標(biāo)系中，z為LED的機(jī)械軸方向。發(fā)出光的主方向可能不與機(jī)械軸重合，設(shè)發(fā)光主方向與z軸間的夾角為θ，主光線發(fā)光強(qiáng)度Iv則是角度變量θ的函數(shù)，有Iv=f（θ）

（2-10）θ稱為LED的“機(jī)械角”?；蚱蚪?。另一個(gè)參數(shù)是半發(fā)光強(qiáng)度角，用θ1/2表示。如圖2-21b所示△θ稱為偏差角2.5.3LED的驅(qū)動(dòng)電路LED驅(qū)動(dòng)電路可以分為直流、脈沖與交流驅(qū)動(dòng)三種方式。如圖2-22所示為典型的直流驅(qū)動(dòng)電路。流過LED的電流IL為圖2-22（2.5-8）如圖2-23所示為能夠發(fā)出緩變交流光的LED交流驅(qū)動(dòng)電路。該電路常用于光通信中作為輻射信息光源。當(dāng)然Ui也可以是脈沖信號(hào)。圖2-23LED三極管驅(qū)動(dòng)電路如圖2-24所示為一款集成低側(cè)功率MOSFET集成LED驅(qū)動(dòng)電路—SGM3732器件。圖2-24SGM3732外形圖它可輸出高達(dá)38V的電壓，提供高達(dá)260mA的電流。可驅(qū)動(dòng)10只串聯(lián)的藍(lán)色LED（正向電壓為3.7V）。SGM3732溫度范圍為-40℃~+85℃。SGM3732器件內(nèi)置數(shù)字脈沖PWM調(diào)光接口（SW端口），可通過CTRL實(shí)現(xiàn)LED電流的調(diào)節(jié)，其頻率范圍為2kHz~60kHz。被廣泛地應(yīng)用于LED背光、手機(jī)、手持電子設(shè)備、數(shù)碼相框和汽車導(dǎo)航等設(shè)備上。2.5.4LED的應(yīng)用1.綠色節(jié)能照明光源1）LED球形燈泡圖2-25a為典型的透明式的LED球形燈泡，可以直接看到LED發(fā)光體。圖2-25b為乳白色LED球形燈泡。2）LED吸頂燈圖2-26a為矩形LED吸頂燈，圖2-26b為圓形裝飾LED吸頂燈，圖2-26c為帶護(hù)圈且花式修飾的圓形吸頂燈。圖2-25球形LED燈泡圖2-26LED吸頂燈3）LED筒燈如圖2-27所示是幾款用于室內(nèi)及展廚用的LED筒燈。4）LED壁燈、庭院與草坪燈如圖2-28所示，家庭裝飾用的壁燈也被LED燈取代。圖2-27LED筒燈圖2-28典型LED壁燈

圖2-29a為幾款LED草坪燈。

圖2-29b為一種太陽能LED庭院燈。

圖2-30為幾款典型的LED路燈。圖2-29LED草坪燈與太陽能庭院燈圖2-30幾款LED路燈6）其他LED照明燈2.LED在顯示方面的應(yīng)用①數(shù)碼顯示器圖2-32所示的形狀，便能夠顯示0~9數(shù)字的七段數(shù)碼管。圖2-31其他應(yīng)用的LED照明燈圖2-32七段LED數(shù)碼管②文字字符顯示器圖2-33是16筆劃的字碼管，它不但可以顯示10個(gè)數(shù)字和26個(gè)字母，還可以顯示加、減、乘、除等運(yùn)算符號(hào)。圖2-34所示為LED陣列顯示器，把LED排列成矩陣方式可以構(gòu)成各種不同規(guī)模的顯示器件。它除能完成顯示數(shù)碼數(shù)字與符號(hào)外，還能顯示簡單的文字和其他符號(hào)。如圖2-35所示的電路，分別由“行開關(guān)”與“列開關(guān)”控制，每行LED的陽極接于行地址，而陰極接在列地址上，行地址通過開關(guān)接到正電源上，列地址分別通過開關(guān)和限流電阻接到電源的負(fù)端。圖2-3316段數(shù)碼管圖2-35陣列顯示器原理圖2-34LED燈泡圖2-34LED陣列顯示器③圖像顯示模組如圖2-36為顯示單元板，又稱其為“LED顯示模組”。④

指示與裝飾用LED采用單個(gè)LED作為儀器開關(guān)指示燈、示波器標(biāo)尺照明、道路交通指揮顯示燈、儀器儀表盤照明燈、文字與圖片背光照明燈等的應(yīng)用隨處可見。圖2-36LED顯示模組外形圖3.LED在信息通訊系統(tǒng)的應(yīng)用用LED能夠發(fā)出高頻調(diào)制光的特點(diǎn)，在光電信息的傳輸，數(shù)字通訊（如LiFi）、信號(hào)與圖像等信息通信等方面顯示出巨大的優(yōu)勢。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展與超小型LED芯的制作工藝的提高，LED在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用將有很大的發(fā)展。為滿足通信技術(shù)的發(fā)展，LED的頻率響應(yīng)與發(fā)光光譜等技術(shù)指標(biāo)在不斷提高，因此我們必須密切關(guān)注LED性能的提高，經(jīng)常上網(wǎng)搜索LED，會(huì)使我們獲得它的最新發(fā)展，對(duì)開發(fā)設(shè)計(jì)LED應(yīng)用產(chǎn)品非常有利。2.6激光光源1.氦氖激光器的結(jié)構(gòu)2.6.1氦氖激光器圖2-37He-Ne激光器的三種結(jié)構(gòu)圖2-37所示為三種結(jié)構(gòu)的氦氖激光器結(jié)構(gòu)示意圖，由放電管、光學(xué)共振腔與激光電源等三部分組成。放電管包括放電毛細(xì)管、貯氣管和電極三部分。共振腔分為半內(nèi)腔式、內(nèi)腔式和外腔式三種結(jié)構(gòu)。內(nèi)腔式結(jié)構(gòu)雖然制造困難些，但不需要調(diào)整，反射鏡也不易弄臟。另外還有一種半外腔式結(jié)構(gòu)，兼有制造簡單、調(diào)整較易的優(yōu)點(diǎn)。2.氦氖激光器的特點(diǎn)氦氖激光器具有連續(xù)輸出激光的能力。輸出激光功率不高，只有幾毫瓦。激光波長λ為0.6328μm，波長的穩(wěn)定性度高達(dá)10-10量級(jí)。氦氖激光器輸出光束的相干性及方向性均很強(qiáng)，居各類激光器的首位。光束的發(fā)散角為1×10-3rad。氦氖激光器輸出功率隨時(shí)間的波動(dòng)量常常較大，且變化方式各不相同，有緩慢變化的，也有周期性迅速變化的。輸出功率的波動(dòng)頻率低于1Hz的稱為漂移，高于1Hz的稱為噪聲。表2-8幾種國產(chǎn)氦氖激光器的特性參數(shù)結(jié)構(gòu)類型型

號(hào)輸出功率/mw模式諧振腔長/mm發(fā)散角/mrad光束直徑/mm外形尺寸/mm

全外腔QJH-T1800

QJH-T1000QJH-T800QJH-T500QJH-T250D-A>50

>25>18>7≧1TEM00

TEM00TEM00TEM00TEM001880

1100800500250<0.7

<1<1<1<1.52

0.90.80.8

2100×410×2001400×200×240

665×150×120

全內(nèi)腔H101DH103CH104BH102BH102CH105BH107BH108B≧11.5～2≧24～5≧5≧5≧78TEM00TEM00TEM00TEM00TEM00TEM00TEM00TEM00190250300350350400600600

φ32φ42φ42φ43φ43φ43φ43φ452.6.2半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器（LD）是體積最小的激光器件。具有效率高，工作電壓低，功率損耗小，驅(qū)動(dòng)與調(diào)整都很方便等特點(diǎn)。適于野外短距離的激光通信，激光測距，激光遙控、遙測、引爆等。1.砷化鎵半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)與工作原理由激發(fā)裝置（泵源）、工作物質(zhì)和諧振腔等3部分組成。如圖2-38所示為PN結(jié)型GaAs半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)原理圖。由p-GaAs、n-GaAs和散熱片等部分組成，典型尺寸為100μm×300μm。圖2-38GaAs激光器的結(jié)構(gòu)圖2.異質(zhì)結(jié)PN結(jié)半導(dǎo)體激光器如圖2-39a所示，構(gòu)成單異質(zhì)PN結(jié)型的半導(dǎo)體激光器。單異質(zhì)結(jié)的發(fā)光閾值比較低，輻射波長較長。如圖2-39b所示結(jié)構(gòu)為砷化鎵雙異質(zhì)結(jié)型半導(dǎo)體激光器。圖2-39

異質(zhì)結(jié)GaAs能級(jí)圖電子向右擴(kuò)散到P_P+結(jié)區(qū)時(shí)，受到P+區(qū)高電子勢壘的阻擋，不能再往右擴(kuò)散；而空穴往左擴(kuò)散到P區(qū)時(shí)受到高空穴勢壘的阻擋也不再往左擴(kuò)散。電子、空穴在很窄的P區(qū)集中、發(fā)出激光也比較集中。2.7光電傳感器應(yīng)用系統(tǒng)中光源與照度的匹配圖像傳感器的應(yīng)用系統(tǒng)大致可分為圖像傳感、圖像分析和圖像檢測三種類型。不同的應(yīng)用類型對(duì)照明光源的要求也不相同，應(yīng)該根據(jù)具體的需要選用不同的照明光源。1）攝像（圖像傳感）攝像是為了真實(shí)地記錄景物的結(jié)構(gòu)、狀態(tài)和顏色。要根據(jù)色度學(xué)的基本常識(shí)，景物的顏色選擇照明光源的光譜與功率分布。還有根據(jù)特殊攝影的要求采用特殊的光源，例如高速攝像需要有高速脈沖光源的配合。通常攝像系統(tǒng)常采用與日光光譜接近的白光光源，如氙燈、白光LED燈等。2.7.1光源的選擇2）圖像分析圖像分析需要考慮分析的內(nèi)容，屬于光譜分析還是影像分析，光譜分析中所考慮的問題是配合光源必須掌握其光譜分布規(guī)律。影像分析的光源應(yīng)該與圖像攝影相同。3）圖像檢測圖像檢測可分為兩種情況考慮：①通過測量被檢測物體的像來測量被檢測物體的某些特征參數(shù)。例如醫(yī)用內(nèi)窺鏡的光源要根據(jù)所攝圖像的特征判斷病情，則需要從顏色、尺寸等信息時(shí)要求配合光源盡量不失真地反應(yīng)被攝物圖像的光譜信息。氙燈和白色LED光源稱為首選。②通過測量被檢物體的空間頻譜分布確定被檢物體的某些特征參數(shù)。這種情況下需要配合光源能夠?qū)⑽矬w的特征突出出來，例如測量齒輪的參數(shù)，則需要用遠(yuǎn)心照明光源將齒輪的各種圖像參數(shù)不失真地突顯出來。又如物體位置測量，行為尺寸測量等對(duì)光源的光譜要求可以降低，有時(shí)采用單色光可能獲得更好的效果，需要綜合考慮光電器件的光譜響應(yīng)物體。在需要通過干涉、衍射手段提取圖像信息時(shí)，可以考慮采用激光光源，但是，一定要注意它的功率和衍射干擾問題。2.7.2照度匹配半導(dǎo)體集成圖像傳感器大部分為光積分型的器件（如CCD器件），它的輸出電流不但與光敏面上的照度有關(guān)，也和兩次取樣的間隔時(shí)間，即積分時(shí)間有關(guān)。若以Io代表它的輸出電流信號(hào)，Ev代表光敏面上的照度，t代表兩次取樣的間隔時(shí)間，則在正常工作范圍內(nèi)有（2-12）式中，k為比例常數(shù)；Qv=Evt，稱為曝光量，單位為lx·s。選定光電器件后，應(yīng)限定曝光量在一定的范圍之內(nèi)，其上限為Qsat，像面上任何像元的曝光量Qv均應(yīng)低于Qsat，否則將產(chǎn)生畫面亮度失真，或產(chǎn)生較大的測量誤差。因Qv＝Evt，可適當(dāng)選擇CCD像面上照度Ev和兩次采樣間隔時(shí)間t來達(dá)到Qv＜Qsat。

t由驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)移脈沖周期TSH確定，當(dāng)采用石英晶體振蕩器為主時(shí)鐘設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)器時(shí)，TSH可認(rèn)為是常數(shù)。調(diào)節(jié)曝光量通常是通過調(diào)節(jié)CCD像面照度來實(shí)現(xiàn)，要求像面上任何點(diǎn)的照度應(yīng)滿足(2-13)最好是把光敏面上的最大照度Emax調(diào)節(jié)為略低于Qsat/t，以便充分利用器件的動(dòng)態(tài)范圍。對(duì)于CCD應(yīng)用系統(tǒng)，CCD像面的照度是經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像的或是經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行傅里葉變換后的譜面照度。發(fā)光特性接近于余弦輻射體的物體經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像，其軸上像點(diǎn)的照度E′e

和軸外像點(diǎn)照度E′可分別用下列兩式表示（2-14）（2-15）式中，n'和n分別為像方和物方介質(zhì)的折射率；k為透過率；L為物體的亮度；U'為像方孔徑角；ω為視場角。在使用望遠(yuǎn)鏡時(shí)，

，軸上像點(diǎn)的照度為（2-16）這種情況下像面照度與相對(duì)孔徑D/f′的平方成正比，主要靠選擇望遠(yuǎn)鏡的相對(duì)孔徑來達(dá)到像面照度與CCD相匹配。對(duì)于觀測人工照明目標(biāo)，則可用合理選擇照明光源的功率及照明系統(tǒng)的參數(shù)來調(diào)節(jié)被觀測對(duì)像的亮度值L，并配以合適的觀測光學(xué)系統(tǒng)來保持所需的像面照度。測量系統(tǒng)像面或譜面照度分布不均勻，最大和最小照度之差遠(yuǎn)超過CCD器件的響應(yīng)范圍，單靠調(diào)節(jié)照明和光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)不能達(dá)到目的。濾光補(bǔ)償法就是在CCD前放置一塊透過率按一定規(guī)律分布的濾光鏡，使高照度區(qū)的照度降下來，低照度區(qū)不受其影響或少受其影響。使整個(gè)像面或譜面測量值均在可測范圍之內(nèi)。而各點(diǎn)的實(shí)際照度E（x，y）可由實(shí)測照度E（x，y）和濾光鏡相應(yīng)點(diǎn)的透過率τ（x，y）求得(2-17)濾光鏡的透過率不要求制作得很準(zhǔn)確，準(zhǔn)確值可在系統(tǒng)組裝后通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定。第3章光電導(dǎo)器件

某些物質(zhì)吸收了光子的能量產(chǎn)生本征吸收或雜質(zhì)吸收，從而改變了物質(zhì)電導(dǎo)率的現(xiàn)象稱為物質(zhì)的光電導(dǎo)效應(yīng)。利用具有光電導(dǎo)效應(yīng)的材料（如硅、鍺等本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體，硫化鎘、硒化鎘、氧化鉛等）可以制成電導(dǎo)隨入射光度量變化器件，稱為光電導(dǎo)器件或光敏電阻。光敏電阻具有體積小，堅(jiān)固耐用，價(jià)格低廉，光譜響應(yīng)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。光電導(dǎo)器件廣泛應(yīng)用于微弱輻射信號(hào)的探測領(lǐng)域。3.1光敏電阻的原理與結(jié)構(gòu)

3.1.1光敏電阻的基本原理

圖3-1所示為光敏電阻的原理圖與光敏電阻的符號(hào)，在均勻的具有光電導(dǎo)效應(yīng)的半導(dǎo)體材料的兩端加上電極便構(gòu)成光敏電阻。當(dāng)光敏電阻的兩端加上適當(dāng)?shù)钠秒妷篣bb后，便有電流Ip流過，用檢流計(jì)可以檢測到該電流。改變照射到光敏電阻上的光度量，發(fā)現(xiàn)電流Ip也變化，說明光敏電阻的阻值隨照度變化。

圖3-1光敏電阻原理與符號(hào)3.1.2

光敏電阻的基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)光敏電阻在微弱輻射作用下光電導(dǎo)靈敏度Sg與電極間距離l的平方成反比，在強(qiáng)輻射作用的情況下Sg與電極間距離l2/3成反比，均與電極間距離l有關(guān)。

光敏電阻的外形設(shè)計(jì)成如圖3-2所示的3種基本結(jié)構(gòu)，圖3-2a所示為梳形的結(jié)構(gòu),圖3-2b為蛇形，圖3-2c刻線結(jié)構(gòu)。圖3-2光敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖3.1.3典型光敏電阻1、CdS光敏電阻

CdS光敏電阻是常見的光敏電阻，光譜響應(yīng)特性最接近人眼光譜光視效率，在可見光波段范圍內(nèi)的靈敏度最高，常被廣泛地應(yīng)用于燈光的自動(dòng)控制，照相機(jī)的自動(dòng)測光與控制等。

峰值響應(yīng)波長為0.52μm，CdSe光敏電阻為0.72μm，一般調(diào)整S和Se的比例，可使Cd（S，Se）光敏電阻的峰值響應(yīng)波長大致控制在0.52~0.72μm范圍內(nèi)。它的光敏面常為如圖3-2b所示的蛇形光敏面結(jié)構(gòu)。2、PbS光敏電阻PbS光敏電阻是近紅外波段最靈敏的光電導(dǎo)器件。PbS光敏電阻在2μm附近的紅外輻射的探測靈敏度很高，因此，常用于火災(zāi)的探測等領(lǐng)域。

PbS光敏電阻的光譜響應(yīng)和比探測率等特性與工作溫度有關(guān)，隨著工作溫度的降低其峰值響應(yīng)波長和長