1、,光電檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用,參考書目,光電檢測(cè)技術(shù)曾光宇等編著 清華大學(xué)出版社 激光光電檢測(cè)呂海寶等編著 國(guó)防科技大學(xué)出版社 光電檢測(cè)技術(shù)雷玉堂等編著 中國(guó)計(jì)量出版社,教材,光電檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用郭培源 編著 北京航空航天大學(xué)出版社,目 錄,第一章 緒論 第二章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ) 2.1 光的基本性質(zhì) 2.2 輻射與光度學(xué)量 2.3 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí) 2.4 光電效應(yīng) 第三章 光電檢測(cè)器件 3.1光電器件的類型與特點(diǎn) 3.2光電器件的基本特性參數(shù),3.3半導(dǎo)體光電器件 光電導(dǎo)器件:光敏電阻 光伏器件:光電池/光電二極管/三極管 3.4真空光電器件 光電管 光電倍增管 3.5熱電檢測(cè)器件 熱敏電阻 熱電偶和

2、熱電堆 熱釋電探測(cè)器件,第四章 發(fā)光、耦合和成像器件 4.1 發(fā)光二極管 4.2 激光器 4.3 光電耦合器件 4.4 CCD 第五章 光電檢測(cè)系統(tǒng) 5.1 直接光電檢測(cè)系統(tǒng) 5.2 光外差光電檢測(cè)系統(tǒng) 5.3 典型的光電檢測(cè)系統(tǒng) 第六章光纖傳感檢測(cè) 第七章光電信號(hào)的數(shù)據(jù)采集與微機(jī)接口 第八章光電檢測(cè)技術(shù)的典型應(yīng)用,第一章 緒 論,光電（信息）技術(shù),以光電子學(xué)為基礎(chǔ),以光電子器件為主體,研究和發(fā)展光電信息的形成、傳輸、接收、變換、處理和應(yīng)用。它涉及到： 1、光電源器件（包括激光器）和可控光功能器件及集成 2、光通信和綜合信息網(wǎng)絡(luò) 4、光電方法用于瞬態(tài)光學(xué)觀測(cè) 5、光電傳感、光纖傳感和圖象傳感

3、6、激光、紅外、微光探測(cè)，定向和制導(dǎo) 7、光電精密測(cè)試，在線檢測(cè)和控制技術(shù) 8、混合光電信息處理、識(shí)別和圖象分析 9、光電人工智能和機(jī)器視覺 10、光（電）邏輯運(yùn)算和光（電）計(jì)算機(jī)及光電數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 11、生物光子學(xué),光電檢測(cè)是信息時(shí)代的關(guān)鍵技術(shù),信息技術(shù): 感測(cè)技術(shù)、通信技術(shù)、人工智能與計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)。 信息的產(chǎn)生和獲取、轉(zhuǎn)換、傳輸、控制、存儲(chǔ)、處理、顯示。 本課程著重在光電檢測(cè)的元器件、系統(tǒng)、方法和應(yīng)用。,光電檢測(cè)技術(shù),光電傳感器： 基于光電效應(yīng)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一種光電器件 將非電量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的電量輸出。 光電檢系統(tǒng)：是利用光電傳感器實(shí)現(xiàn)各類檢測(cè)。它將被測(cè)量的量轉(zhuǎn)換

4、成光通量,再轉(zhuǎn)換成電量，并綜合利用信息傳送和處理技術(shù)，完成在線和自動(dòng)測(cè)量 光電檢測(cè)系統(tǒng)包括 光學(xué)變換 光電變換 電路處理,光學(xué)變換 時(shí)域變換：調(diào)制振幅、頻率、相位、脈寬 空域變換：光學(xué)掃描 光學(xué)參量調(diào)制：光強(qiáng)、波長(zhǎng)、相位、偏振 形成能被光電探測(cè)器接收，便于后續(xù)電學(xué)處理的光學(xué)信息。 光電變換 光電/熱電器件（傳感器）、變換電路、前置放大 將信息變?yōu)槟軌蝌?qū)動(dòng)電路處理系統(tǒng)的電信息（電信號(hào)的放大和處理）。 電路處理 放大、濾波、調(diào)制、解調(diào)、A/D、D/A、微機(jī)與接口、控制。,光電探測(cè)器的種類,返回,光電檢測(cè)系統(tǒng),光電檢測(cè)技術(shù)以激光、紅外、光纖等現(xiàn)代光電器件為基礎(chǔ)，通過對(duì)載有被檢測(cè)物體信號(hào)的光輻射（發(fā)射

5、、反射、散射、衍射、折射、透射等）進(jìn)行檢測(cè)，即通過光電檢測(cè)器件接收光輻射并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。 由輸入電路、放大濾波等檢測(cè)電路提取有用的信息，再經(jīng)過A/D變換接口輸入微型計(jì)算機(jī)運(yùn)算、處理，最后顯示或打印輸出所需檢測(cè)物體的幾何量或物理量。,光電檢測(cè)系統(tǒng)組成,光學(xué)變換,電路處理,光電檢測(cè)系統(tǒng)的功能分類,測(cè)量檢查型: 幾何量:長(zhǎng)度、角度、形狀、位置、形變、面積、體積、距離。 運(yùn)動(dòng)量：速度、加速度、振動(dòng) 表面形狀：光潔度、庇病、傷痕 工作過程：濕度、流量、壓力、物位、PH值、濃度等 機(jī)械量：重量、壓力、應(yīng)變、壓強(qiáng) 電學(xué)量：電流、電壓、電場(chǎng)、磁場(chǎng) 光學(xué)量：吸收、反射、透射、光度、色度、波長(zhǎng)、光譜,控制跟蹤型

6、跟蹤控制：激光制導(dǎo)，紅外制導(dǎo) 數(shù)值控制：自動(dòng)定位，圖形加工形成，數(shù)值控制 圖象分析型 圖形檢測(cè) 圖形分析,光電檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn),高精度：從地球到月球激光測(cè)距的精度達(dá)到1米。 高速度：光速是最快的。 遠(yuǎn)距離、大量程：遙控、遙測(cè)和遙感。 非接觸式檢測(cè)：不改變被測(cè)物體性質(zhì)的條件下進(jìn)行測(cè)量。 壽命長(zhǎng)：光電檢測(cè)中通常無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分，故測(cè)量裝置壽命長(zhǎng)，工作可靠、準(zhǔn)確度高，對(duì)被測(cè)物無(wú)形狀和大小要求。 數(shù)字化和智能化：強(qiáng)的信息處理、運(yùn)算和控制能力。,光電檢測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),納米、亞納米高精度的光電測(cè)量新技術(shù)。 小型、快速的微型光、機(jī)、電檢測(cè)系統(tǒng)。 非接觸、快速在線測(cè)量。 微空間三維測(cè)量技術(shù)和大空間三維測(cè)量技術(shù)。

7、閉環(huán)控制的光電檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)光電測(cè)量與光電控制一體化。 向人們無(wú)法觸及的領(lǐng)域發(fā)展。 光電跟蹤與光電掃描測(cè)量技術(shù)。,一、在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用,在線檢測(cè)：零件尺寸、產(chǎn)品缺陷、裝配定位. 現(xiàn)代工程裝備中，檢測(cè)環(huán)節(jié)的成本約占5070%,光電檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用,二、檢測(cè)技術(shù)在日常生活中的應(yīng)用,家用電器：,數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)：自動(dòng)對(duì)焦-紅外測(cè)距傳感器,數(shù)字體溫計(jì)：接觸式-熱敏電阻，非接觸式-紅外傳感器,自動(dòng)感應(yīng)燈：亮度檢測(cè)-光敏電阻,空調(diào)、冰箱、電飯煲：溫度檢測(cè)-熱敏電阻、熱電偶,電話、麥克風(fēng)：話音轉(zhuǎn)換-駐極電容傳感器,遙控接收：紅外檢測(cè)-光敏二極管、光敏三極管,辦公商務(wù)：,可視對(duì)講、可視電話：圖像獲取-面

8、陣CCD,掃描儀：文檔掃描-線陣CCD,紅外傳輸數(shù)據(jù)：紅外檢測(cè)-光敏二極管、光敏三極管,醫(yī)療衛(wèi)生：,電子血壓計(jì)：血壓檢測(cè) - 壓力傳感器,血糖測(cè)試儀、膽固醇檢測(cè)儀 - 離子傳感器,三、檢測(cè)技術(shù)在軍事上的應(yīng)用,美軍研制的未來單兵作戰(zhàn)武器,夜視瞄準(zhǔn)機(jī)系統(tǒng)：非冷卻紅外傳感器技術(shù) 激光測(cè)距儀：可精確的定位目標(biāo)。,美國(guó)國(guó)家導(dǎo)彈防御計(jì)劃-NMD,四、檢測(cè)技術(shù)在國(guó)防領(lǐng)域的應(yīng)用,監(jiān)測(cè)系統(tǒng): 探測(cè)和發(fā)現(xiàn)敵人導(dǎo)彈的發(fā)射并追蹤導(dǎo)彈的飛行軌道；,攔截器：能識(shí)別真假?gòu)楊^，敵友方,“阿波羅10”：,火箭部分-2077個(gè)傳感器,飛船部分-1218個(gè)傳感器,檢測(cè)參數(shù)-加速度、溫度、壓力、 振動(dòng)、流量、應(yīng)變、 聲學(xué),神州飛船：

9、,185臺(tái)（套）儀器裝置,五、檢測(cè)技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用,學(xué)習(xí)本課程的目的,了解光電檢測(cè)系統(tǒng)的基本組成，光電檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。 掌握光電檢測(cè)器件（傳感器、光源和成像器件）的工作原理及基本特性，了解它們的應(yīng)用范圍。 能夠根據(jù)特性參數(shù)，選擇合適的光電檢測(cè)器件。熟悉常用器件的性能指標(biāo)。 掌握直接檢測(cè)與外差檢測(cè)的原理和區(qū)別。 了解光纖傳感檢測(cè)技術(shù)的原理和應(yīng)用，掌握光纖的光波調(diào)制技術(shù)。 掌握了解常用光電檢測(cè)技術(shù)的測(cè)量、數(shù)據(jù)采集、處理和轉(zhuǎn)換的方法，了解所需的元器件、儀器和相關(guān)的接口技術(shù)。,本課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容,光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ) 光電檢測(cè)器件的工作原理和特性及其應(yīng)用 光電直接和外差檢測(cè)系統(tǒng) 光纖傳感

10、檢測(cè)技術(shù) 光電信號(hào)的數(shù)據(jù)采集與微機(jī)接口,第二章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ),光的基本性質(zhì) 輻射與光度學(xué)量 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí) 光電效應(yīng),光的基本性質(zhì),牛頓微粒說 根據(jù)光直線傳播現(xiàn)象，對(duì)反射和折射做了解釋 不能解釋較為復(fù)雜的光現(xiàn)象：干涉、衍射和偏振 波動(dòng)理論 惠更斯、楊氏和費(fèi)涅耳等 解釋光的干涉和衍射現(xiàn)象 麥克斯韋電磁理論：光是一種電磁波,光的基本性質(zhì),光量子說 1900年普朗克在研究黑體輻射時(shí)，提出輻射的量子論 1905年，愛因斯坦在解釋光電發(fā)射現(xiàn)象時(shí)提出光量子的概念 光子的能量與光的頻率成正比 光具有波粒二象性,半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí),導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體 半導(dǎo)體的特性 半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) 本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體

11、平衡和非平衡載流子 載流子的輸運(yùn)過程 半導(dǎo)體的光吸收 PN結(jié),導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體,自然存在的各種物質(zhì)，分為氣體、液體、固體。 固體按導(dǎo)電能力可分為：導(dǎo)體、絕緣體和介于兩者之間的半導(dǎo)體。 電阻率10-6 10-3歐姆厘米范圍內(nèi)導(dǎo)體 電阻率1012歐姆厘米以上絕緣體 電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間半導(dǎo)體,半導(dǎo)體的特性,半導(dǎo)體電阻溫度系數(shù)一般是負(fù)的，而且對(duì)溫度變化非常敏感。根據(jù)這一特性，熱電探測(cè)器件。 導(dǎo)電性受極微量雜質(zhì)的影響而發(fā)生十分顯著的變化。（純凈Si在室溫下電導(dǎo)率為5*10-6/(歐姆厘米)。摻入硅原子數(shù)百萬(wàn)分之一的雜質(zhì)時(shí)，電導(dǎo)率為2 /(歐姆厘米) 半導(dǎo)體導(dǎo)電能力及性質(zhì)受光、電、磁等作用的影

12、響。,本征和雜質(zhì)半導(dǎo)體,本征半導(dǎo)體就是沒有雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體。 在絕對(duì)零度時(shí)，價(jià)帶中的全部量子態(tài)都被電子占據(jù)，而導(dǎo)帶中的量子態(tài)全部空著。 在純凈的半導(dǎo)體中摻入一定的雜質(zhì)，可以顯著地控制半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì)。 摻入的雜質(zhì)可以分為施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)。 施主雜質(zhì)電離后成為不可移動(dòng)的帶正電的施主離子，同時(shí)向?qū)峁╇娮?，使半?dǎo)體成為電子導(dǎo)電的n型半導(dǎo)體。 受主雜質(zhì)電離后成為不可移動(dòng)的帶負(fù)電的受主離子，同時(shí)向價(jià)帶提供空穴，使半導(dǎo)體成為空穴導(dǎo)電的p型半導(dǎo)體。,平衡和非平衡載流子,處于熱平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，在一定溫度下，載流子濃度一定。這種處于熱平衡狀態(tài)下的載流子濃度，稱為平衡載流子濃度。 半導(dǎo)體的熱平衡狀態(tài)是相

13、對(duì)的，有條件的。如果對(duì)半導(dǎo)體施加外界作用，破壞了熱平衡的條件，這就迫使它處于與熱平衡狀態(tài)相偏離的狀態(tài)，稱為非平衡狀態(tài)。 處于非平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，其載流子濃度也不再是平衡載流子濃度，比它們多出一部分。比平衡狀態(tài)多出來的這部分載流子稱為非平衡載流子。,非平衡載流子的產(chǎn)生,光注入：用光照使得半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生非平衡載流子。 當(dāng)光子的能量大于半導(dǎo)體的禁帶寬度時(shí)，光子就能把價(jià)帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶上去，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，使導(dǎo)帶比平衡時(shí)多出一部分電子，價(jià)帶比平衡時(shí)多出一部分空穴。 產(chǎn)生的非平衡電子濃度等于價(jià)帶非平衡空穴濃度。 光注入產(chǎn)生非平衡載流子，導(dǎo)致半導(dǎo)體電導(dǎo)率增加。 其它方法：電注入、高能粒子輻照等。,載流子的

14、輸運(yùn)過程,擴(kuò)散 漂移 復(fù)合,半導(dǎo)體對(duì)光的吸收,物體受光照射，一部分光被物體反射，一部分光被物體吸收，其余的光透過物體。 吸收包括：本征吸收、雜質(zhì)吸收、自由載流子吸收、激子吸收、晶體吸收 本征吸收由于光子作用使電子由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶 只有在入射光子能量大于材料的禁帶寬度時(shí)，才能發(fā)生本征激發(fā),雜質(zhì)吸收和自由載流子吸收,引起雜質(zhì)吸收的光子的最小能量應(yīng)等于雜質(zhì)的電離能 由于雜質(zhì)電離能比禁帶寬度小，所以這種吸收在本征吸收限以外的長(zhǎng)波區(qū) 自由載流子吸收是由同一能帶內(nèi)不同能級(jí)之間的躍遷引起的。,PN結(jié),將P型和N型半導(dǎo)體采用特殊工藝制造成半導(dǎo)體半導(dǎo)體內(nèi)有一物理界面，界面附近形成一個(gè)極薄的特殊區(qū)域，稱為PN結(jié)。

15、 是二極管、三極管、集成電路和其它結(jié)型光電器件最基本的結(jié)構(gòu)單元。,PN結(jié)的伏安特性曲線,對(duì)應(yīng)表:,半導(dǎo)體的物理效應(yīng):光電效應(yīng)與光熱效應(yīng),是指單個(gè)光子的性質(zhì)對(duì)產(chǎn)生的光電子直接作用，物體吸收光子后，直接引起原子或分子內(nèi)部電子狀態(tài)的改變，光子能量的大小直接影響內(nèi)部電子狀態(tài)的改變，對(duì)光波頻率有選擇性，響應(yīng)速度一般較快。光照射到物體表面上使物體發(fā)射電子、或?qū)щ娐拾l(fā)生變化、或產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)等，這種因光照而引起物體電學(xué)特性發(fā)生改變統(tǒng)稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)包括外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。 光熱效應(yīng)：物體吸收光輻射后，不直接引起原子或分子內(nèi)部電子狀態(tài)的改變，而是把吸收的光能量變?yōu)榫Ц竦臒徇\(yùn)動(dòng)能量，引起物體溫度上升，進(jìn)

16、而引起物體電學(xué)特性或其他物理性質(zhì)發(fā)生改變。,外光電效應(yīng)：物體受光照后向外發(fā)射電子多發(fā)生于金屬和金屬氧化物 發(fā)生過程與發(fā)生條件 內(nèi)光電效應(yīng)：物體受到光照后所產(chǎn)生的光電子只在物質(zhì)內(nèi)部而不會(huì)逸出物體外部多發(fā)生在半導(dǎo)體 內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng) 光電導(dǎo)效應(yīng)：半導(dǎo)體受光照后，內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，使半導(dǎo)體中載流子數(shù)顯著增加而電阻減少的現(xiàn)象,光生伏特效應(yīng)：光照在半導(dǎo)體PN結(jié)或金屬半導(dǎo)體接觸上時(shí)，會(huì)在PN結(jié)或金屬半導(dǎo)體接觸的兩側(cè)產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)。 PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)：當(dāng)用適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射PN結(jié)時(shí)，由于內(nèi)建場(chǎng)的作用（不加外電場(chǎng)），光生電子拉向n區(qū)，光生空穴拉向p區(qū)，相當(dāng)于PN結(jié)上加一個(gè)正電壓。

17、半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)（光生電壓）；如將PN結(jié)短路，則會(huì)出現(xiàn)電流（光生電流）。,光熱效應(yīng),光熱效應(yīng)：材料受光照射后，光子能量與晶格相互作用，振動(dòng)加劇，溫度升高，材料的性質(zhì)發(fā)生變化 熱釋電效應(yīng)：介質(zhì)的極化強(qiáng)度隨溫度變化而變化，引起電荷表面電荷變化的現(xiàn)象 輻射熱計(jì)效應(yīng)：入射光的照射使材料由于受熱而造成電阻率變化的現(xiàn)象 溫差電效應(yīng)：由兩種材料制成的結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)穩(wěn)差而在兩結(jié)點(diǎn)間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，回路中產(chǎn)生電流,第三章 光電檢測(cè)器件,光電器件的類型與特點(diǎn) 光電器件的基本特性參數(shù) 半導(dǎo)體光電器件 光電導(dǎo)器件光敏電阻 光伏器件 光電池 光電二極管/三極管 真空光電器件 光電管 光電倍增管 熱電檢測(cè)器件 熱敏電阻 熱電偶

18、和熱電堆 熱釋電探測(cè)器件,3.1光電器件的類型與特點(diǎn),光電效應(yīng)：光照射到物體表面上使物體的電學(xué)特性發(fā)生變化 光電子發(fā)射：物體受光照后向外發(fā)射電子多發(fā)生于金屬和金屬氧化物 光電導(dǎo)效應(yīng)：半導(dǎo)體受光照后，內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，使半導(dǎo)體中載流子數(shù)顯著增加而電阻減少 光生伏特效應(yīng)：光照在半導(dǎo)體PN結(jié)或金屬半導(dǎo)體接觸上時(shí)，會(huì)在PN結(jié)或金屬半導(dǎo)體接觸的兩側(cè)產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)。,光電檢測(cè)器件的類型,光電檢測(cè)器件是利用物質(zhì)的光電效應(yīng)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件. 光電檢測(cè)器件分為兩大類: 光子(光電子)檢測(cè)器件 熱電檢測(cè)器件,光電檢測(cè)器件,光子器件,熱電器件,真空器件,固體器件,光電管 光電倍增管 真空攝像管 變像管

19、像增強(qiáng)管,光敏電阻 光電池 光電二極管 光電三極管 光纖傳感器 電荷耦合器件CCD,熱電偶/熱電堆 熱輻射計(jì)/熱敏電阻 熱釋電探測(cè)器,光電檢測(cè)器件的特點(diǎn),3.2 器件的基本特性參數(shù),響應(yīng)特性 噪聲特性 量子效率 線性度 工作溫度,一、響應(yīng)特性,響應(yīng)度（或稱靈敏度）：是光電探測(cè)器輸出信號(hào)與輸入光功率之間關(guān)系的度量。描述的是光電探測(cè)器件的光電轉(zhuǎn)換效率。 響應(yīng)度是隨入射光波長(zhǎng)變化而變化的 響應(yīng)度分電壓響應(yīng)度和電流響應(yīng)度,電壓響應(yīng)率 光電探測(cè)器件輸出電壓與入射光功率之比 電流響應(yīng)率 光電探測(cè)器件輸出電流與入射光功率之比,光譜響應(yīng)度：探測(cè)器在波長(zhǎng)為的單色光照射下，輸出電壓或電流與入射的單色光功率之比 積

20、分響應(yīng)度：檢測(cè)器對(duì)各種波長(zhǎng)光連續(xù)輻射量的反應(yīng)程度,響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間是描述光電探測(cè)器對(duì)入射光響應(yīng)快慢的一個(gè)參數(shù)（如圖）。 上升時(shí)間：入射光照射到光電探測(cè)器后，光電探測(cè)器輸出上升到穩(wěn)定值所需要的時(shí)間。 下降時(shí)間：入射光遮斷后，光電探測(cè)器輸出下降到穩(wěn)定值所需要的時(shí)間。,光電探測(cè)器響應(yīng)率與入射調(diào)制頻率的關(guān)系 為調(diào)制頻率為f 時(shí)的響應(yīng)率 為調(diào)制頻率為零時(shí)的響應(yīng)率 為時(shí)間常數(shù)（等于RC）,頻率響應(yīng)：光電探測(cè)器的響應(yīng)隨入射光的調(diào)制頻率而變化的特性稱為頻率響應(yīng)由于光電探測(cè)器信號(hào)產(chǎn)生和消失存在著一個(gè)滯后過程，所以入射光的調(diào)制頻率對(duì)光電探測(cè)器的響應(yīng)會(huì)有較大的影響。光入射產(chǎn)生光電流是一個(gè)積分過程，是一階系統(tǒng)，根據(jù)

21、RC積分電路的特點(diǎn)，它是一低通電路，其幅頻特性為：,：上限截止頻率 時(shí)間常數(shù)決定了光電探測(cè)器頻率響應(yīng)的帶寬,返回,二.光電轉(zhuǎn)換定律,對(duì)于光電探測(cè)器，一端是光輻射量，另一端是光電流。把光輻射量轉(zhuǎn)換為光電流量的過程稱為光電轉(zhuǎn)換。即光電流正比于入射光功率,量子效率（）：在某一特定波長(zhǎng)上，每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光子數(shù)之比。 對(duì)理想的探測(cè)器，入射一個(gè)光量子發(fā)射一個(gè)電子， =1 實(shí)際上， 1 量子效率是一個(gè)微觀參數(shù)，量子效率愈高愈好。,量子效率與響應(yīng)度的關(guān)系,光探測(cè)器對(duì)入射光功率有響應(yīng)，響應(yīng)的是光電流。因此，一個(gè)光子探測(cè)器總可視為一個(gè)電流源。 因?yàn)楣夤β蔖正比于光電場(chǎng)的平方，故常把光探測(cè)器稱為平方率

22、探測(cè)器，光探測(cè)器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)非線性器件。,三、噪聲特性,在一定波長(zhǎng)的光照下光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)并不是平直的，而是在平均值上下隨機(jī)地起伏，它實(shí)質(zhì)上就是物理系統(tǒng)內(nèi)部的起伏干擾：如電阻中自由電子的熱運(yùn)動(dòng)，光電陰極的隨即發(fā)射，載流子的隨機(jī)產(chǎn)生和復(fù)合等。服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律，其平均值為零。用均方噪聲來表示噪聲值大小。由于產(chǎn)生探測(cè)器起伏噪聲的因素很多，且這些因素又彼此獨(dú)立，總的噪聲功率為各種噪聲功率之和。,噪聲在實(shí)際的光電探測(cè)系統(tǒng)中是極其有害的。 由于噪聲總是與有用信號(hào)混在一起，因而影響對(duì)信號(hào)特別是微弱信號(hào)的正確探測(cè)。 一個(gè)光電探測(cè)系統(tǒng)的極限探測(cè)能力往往受探測(cè)系統(tǒng)的噪聲所限制。 所以在精密測(cè)量、通信、自動(dòng)控制等

23、領(lǐng)域，減小和消除噪聲是十分重要的問題。,光電探測(cè)器常見的噪聲,熱噪聲 散粒噪聲 產(chǎn)生-復(fù)合噪聲 1/f噪聲,1、熱噪聲,或稱約翰遜噪聲，即載流子無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)造成的噪聲。 導(dǎo)體或半導(dǎo)體中每一電子都攜帶著電子電量作隨機(jī)運(yùn)動(dòng)(相當(dāng)于微電脈沖)，盡管其平均值為零，但瞬時(shí)電流擾動(dòng)在導(dǎo)體兩端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)均方根電壓，稱為熱噪聲電壓。 熱噪聲存在于任何電阻中，熱噪聲與溫度成正比，與頻率無(wú)關(guān)，熱噪聲又稱為白噪聲,2、散粒噪聲,散粒噪聲：無(wú)光照下，由于熱激發(fā)射到光探測(cè)器表面的光子是隨機(jī)的，光電子從光電陰極表面逸出是隨機(jī)的，PN結(jié)中通過結(jié)區(qū)的載流子數(shù)也是隨機(jī)的。 散粒噪聲也是白噪聲，與頻率無(wú)關(guān)。 散粒噪聲是光電探測(cè)

24、器的固有特性，對(duì)大多數(shù)光電探測(cè)器的研究表明：散粒噪聲具有支配地位。 例如光伏器件的PN結(jié)勢(shì)壘是產(chǎn)生散粒噪聲的主要原因。 熱激發(fā)平均電流，暗電流,3、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲,對(duì)光導(dǎo)探測(cè)器，熱激發(fā)載流子產(chǎn)生電子空穴對(duì)，與光伏器件不同，存在嚴(yán)重的復(fù)合過程，復(fù)合過程也式隨機(jī)的，使起伏加倍。 在平衡狀態(tài)時(shí)，在載流子產(chǎn)生和復(fù)合的平均數(shù)是一定的 但在某一瞬間載流子的產(chǎn)生數(shù)和復(fù)合數(shù)是有起伏的。 載流子濃度的起伏引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率的起伏。 M為光電導(dǎo)的內(nèi)部增益。,4、1/f噪聲,或稱閃爍噪聲或低頻噪聲。 噪聲的功率近似與頻率成反比 多數(shù)器件的1/f噪聲在200300Hz以上已衰減到可忽略不計(jì)。,、信噪比,信噪比是判定噪聲

25、大小的參數(shù)。 是負(fù)載電阻上信號(hào)功率與噪聲功率之比 若用分貝（dB）表示，為,、噪聲等效功率(NEP),定義：信號(hào)功率與噪聲功率比為1（SNR=1）時(shí)，入射到探測(cè)器件上的輻射通量(單位為瓦)。 這時(shí)，入射到探測(cè)器上的輻射功率所產(chǎn)生的輸出電壓（或電流）等于探測(cè)器本身的噪聲電壓（或電流） 一般一個(gè)良好的探測(cè)器件的NEP約為10-11W。 NEP越小，噪聲越小，器件的性能越好。,噪聲等效功率是一個(gè)可測(cè)量的量。 設(shè)入射輻射的功率為P，測(cè)得的輸出電壓為U0 然后除去輻射源，測(cè)得探測(cè)器的噪聲電壓為UN 則按比例計(jì)算，要使U0UN，的輻射功率為,、探測(cè)率與歸一化探測(cè)率,探測(cè)率D定義為噪聲等效功率的倒數(shù) 經(jīng)過分

26、析，發(fā)現(xiàn)NEP與檢測(cè)元件的面積Ad和放大 器帶寬f 乘積的平方根成正比 歸一化探測(cè)率D*，即 D*與探測(cè)器的敏感面積、放大器的帶寬無(wú)關(guān)。,返回,四、線性度,線性度是描述光電探測(cè)器輸出信號(hào)與輸入信號(hào)保持線性關(guān)系的程度。 在某一范圍內(nèi)探測(cè)器的響應(yīng)度是常數(shù)，稱這個(gè)范圍為線性區(qū)。 非線性誤差： max / ( I2 I1) max：實(shí)際響應(yīng)曲線與擬合曲線之間的最大偏差； I2 和 I1：分別為線性區(qū)中最小和最大響應(yīng)值。,五、工作溫度,工作溫度就是指光電探測(cè)器最佳工作狀態(tài)時(shí)的溫度。 光電探測(cè)器在不同溫度下，性能有變化。 例如，半導(dǎo)體光電器件的長(zhǎng)波限和峰值波長(zhǎng)會(huì)隨溫度而變化；熱電器件的響應(yīng)度和熱噪聲會(huì)隨溫

27、度而變化。,半導(dǎo)體光電檢測(cè)器件及應(yīng)用,光電管與光電倍增管 光敏電阻 光電池與四象限光電池 光電二極管及及陣列光電二極管 光電三極管 發(fā)光器件與光耦合器件 PSD與CCD器件,光電管與光電倍增管（外光電效應(yīng)器件）：,光電管是依據(jù)光電發(fā)射效應(yīng)而工作的一種光電探測(cè)器，主要由光電陰極K、陽(yáng)極A和管殼組成。分為真空光電管和充氣（增益氣體）光電管。接收形式有反射型和透射型。,光電陰極：銀氧銫光電陰極、銻化物光電陰極、負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極。決定帶寬，峰值波長(zhǎng)。,光電特性和伏安特性曲線 光電特性：1，2，3是真空光電管光電特性；在一定范圍內(nèi)光電流與光照度為線性關(guān)系，4，5，6是充氣光電管光電特性，二者相比，真

28、空光電管線性好，動(dòng)態(tài)范圍大，穩(wěn)定性好，但靈敏度低一些。,在不同的入射P下，u=50-100V時(shí)，所有的光電子都能到達(dá)陽(yáng)極，光電流飽和，電壓再增高，光電流不在增大。在飽和區(qū)，當(dāng)u一定時(shí)光電流與入射功率成線性變化，光電管通常工作在飽和區(qū)，即u要高于50-100V。伏安特性光電管兩端電壓與流過電流關(guān)系）由偏置電路u=Ub-iRL,1.無(wú)光照情況：當(dāng)光照功率=0時(shí)，電流i不為零，暗電阻Rd=u/i=1/ 稱為光電管的暗電導(dǎo)(漏電導(dǎo)）,2.表征光電管進(jìn)入飽和區(qū)快慢的參數(shù)G0飽和電導(dǎo)（初始電導(dǎo)）設(shè)對(duì)應(yīng)于M點(diǎn)的電壓與電流分別為U0(轉(zhuǎn)折電壓）,I0。則I0 = G0U0, G0稱為光電管的飽和電導(dǎo)。因?yàn)镺M

29、是所有曲線進(jìn)入飽和區(qū)的分界線。3.光電管的工作負(fù)載線伏安特性：u=Ub-iRL, Ub為偏置電壓,u為光電管兩端電壓。i=0,u= Ub ,u=0,i= Ub /RL,MH線即為光電管的工作負(fù)載線.當(dāng)偏置電壓一定時(shí)，RL從零到無(wú)窮，負(fù)載線從垂直向左旋轉(zhuǎn)900,4.光電管線性工作區(qū)確定 光電管線性工作區(qū)是指光功率的變化與電流和電壓變化成線性關(guān)系的區(qū)域，設(shè)0為如射入光功率的直流分量， max min 為變化區(qū)間，Q為靜態(tài)工作點(diǎn)。即負(fù)載線必須在M點(diǎn)的上方通過,對(duì)M點(diǎn)： I=Id+Ip G0 U0=GU0+S max U0=S max /(G0 G) U0稱為轉(zhuǎn)折電壓。 計(jì)算負(fù)載電阻和偏置電壓。 為保

30、證最大線性輸出條件，負(fù)載線和與對(duì)應(yīng)的伏安線交點(diǎn)不能低于轉(zhuǎn)折點(diǎn)M. (Ub -U0)GL= G0 U0 U0當(dāng)Ub已知時(shí)，可計(jì)算出負(fù)載電導(dǎo)GL或電阻RL為,當(dāng)RL1/GL為已知時(shí)，可計(jì)算出偏置電源電壓Ub為,計(jì)算輸出電壓幅度 當(dāng)輸入光通量由min變化到max時(shí)，輸出電壓幅度為UUmaxU0。 GL（Ub-Umax）=GUmaxS min （在H點(diǎn)） GL（Ub-U0）=GU0S max （在M點(diǎn)）,電壓幅度與輸入光通量的增量和光電靈敏度成正比，與結(jié)間漏電導(dǎo)和負(fù)載電導(dǎo)之和成反比。計(jì)算輸出電流幅度,IImaxIminGLU 通常GLG，IS（maxmin）S 計(jì)算輸出電功率 由功率關(guān)系PIU可得 若

31、僅要求輸出光電流，可選擇UbU0 RL,頻率特性：由伏安特性，光電管等效為一個(gè)高內(nèi)阻的電流源，其等效電路可表示為：圖中為光電管電容，由等效電路得截止頻率為：,環(huán)境和溫度變化使光電管的靈敏度和暗電流發(fā)生變化，要求溫度保持在,光電倍增管,光電倍增管結(jié)構(gòu)原理如圖所示，由光電陰極K、陽(yáng)極A和倍增極及管殼組成。 倍增極由某些金屬，半導(dǎo)體及氧化物等負(fù)電子親和勢(shì)材料組成。其特點(diǎn)是受到高速電子轟擊產(chǎn)生二次電子發(fā)射獲得很高的電流內(nèi)增益。,供電電壓為千伏數(shù)量級(jí)，采用電阻或齊納穩(wěn)壓管分壓，分級(jí)電壓為百伏數(shù)量級(jí)。,兩種供電電路：陽(yáng)極接地，負(fù)高壓供電；陰極接地，正高壓供電。 負(fù)高壓供電可消除外部信號(hào)電路與陽(yáng)極中間的電位

32、差，輸出光電流可直接與電流計(jì)或電流電壓轉(zhuǎn)換的運(yùn)算放大器相連。正高壓供電使用耐高壓的耦合電容輸出信號(hào)，用于交流或信號(hào)脈沖測(cè)量系統(tǒng)。,信號(hào)輸出方式：光電倍增管用以檢測(cè)微弱的光信號(hào)，其輸出電流很小，常采用放大器輸出。,光電特性和伏安特性,光電倍增管的光電特性與伏安特性與真空管十分相似，其分析方法與光電管基本一樣。 頻率特性：截止頻率為：,噪聲特性：由于溫度變化，光電倍增管的暗電流產(chǎn)生較大的散粒噪聲，因此在使用中一定要制冷。,一、光敏電阻,光敏電阻是光電導(dǎo)型器件。 光敏電阻材料：主要是硅、鍺和化合物半導(dǎo)體，例如：硫化鎘（CdS），銻化銦（InSb）等。 特點(diǎn)： 光譜響應(yīng)范圍寬（特別是對(duì)于紅光和紅外輻射

33、）； 偏置電壓低，工作電流大； 動(dòng)態(tài)范圍寬，既可測(cè)強(qiáng)光，也可測(cè)弱光； 光電導(dǎo)增益大，靈敏度高； 無(wú)極性，使用方便； 在強(qiáng)光照射下，光電線性度較差 光電馳豫時(shí)間較長(zhǎng)，頻率特性較差。,光敏電阻 (LDR) 和它的符號(hào)：,符號(hào),1. 光敏電阻的工作原理,光敏電阻結(jié)構(gòu)：在一塊均勻光電導(dǎo)體兩端加上電極，貼在硬質(zhì)玻璃、云母、高頻瓷或其他絕緣材料基板上，兩端接有電極引線，封裝在帶有窗口的金屬或塑料外殼內(nèi)。（如圖） 工作機(jī)理：當(dāng)入射光子使半導(dǎo)體中的電子由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶時(shí)，導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴均參與導(dǎo)電，其阻值急劇減小，電導(dǎo)增加。,返回,本征型和雜質(zhì)型光敏電阻,本征型光敏電阻：當(dāng)入射光子的能量等于或大于半

34、導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg時(shí)，激發(fā)一個(gè)電子空穴對(duì)，在外電場(chǎng)的作用下，形成光電流。 雜質(zhì)型光敏電阻：對(duì)于型半導(dǎo)體，當(dāng)入射光子的能量等于或大于雜質(zhì)電離能時(shí)，將施主能級(jí)上的電子激發(fā)到導(dǎo)帶而成為導(dǎo)電電子，在外電場(chǎng)的作用下，形成光電流。 本征型用于可見光長(zhǎng)波段,雜質(zhì)型用于紅外波段。,光電導(dǎo)與光電流,光敏電阻兩端加電壓（直流或交流）無(wú)光照時(shí)，阻值（暗電阻）很大，電流（暗電流）很??；光照時(shí)，光生載流子迅速增加，阻值（亮電阻）急劇減少在外場(chǎng)作用下，光生載流子沿一定方向運(yùn)動(dòng)，形成光電流（亮電流）。 光電流：亮電流和暗電流之差； I光 = IL - Id 光電導(dǎo)：亮電導(dǎo)和暗電導(dǎo)之差； G = GL - Gd,光敏電阻

35、的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是說暗電流要小，亮電流要大，這樣光敏電阻的靈敏度就高。 光電流與光照強(qiáng)度電阻結(jié)構(gòu)的關(guān)系。 設(shè)載流子的遷移率分別為 （單位電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)速率）。,無(wú)光照，暗電導(dǎo)率 光照下電導(dǎo)率,附加光電導(dǎo)率,簡(jiǎn)稱光電導(dǎo) 光電導(dǎo)相對(duì)值 要制成附加光電導(dǎo)相對(duì)值高的光敏電阻應(yīng)使p0和n0小，因此光敏電阻一般采用禁帶寬度大的材料或在低溫下使用。,無(wú)光照時(shí)，光敏電阻的暗電流為 光照時(shí)，光敏電阻的光電流為,光敏電阻的工作特性,光電特性 伏安特性 時(shí)間響應(yīng)和頻率特性 溫度特性,光電特性：光電流與入射光照度的關(guān)系： (1)弱光時(shí)，=1，光電流與照度成線性關(guān)系(CdS) (2)強(qiáng)光時(shí)， =0

36、.5，光電流與照度成拋物線 光照增強(qiáng)的同時(shí)，載流子濃度不斷的增加，同時(shí)光敏電阻的溫度也在升高，從而導(dǎo)致載流子運(yùn)動(dòng)加劇，因此復(fù)合幾率也增大，光電流呈飽和趨勢(shì)。（冷卻可以改善）,光敏電阻的光電特性,在弱光照下，光電流與E具有良好的線性關(guān)系 在強(qiáng)光照下則為非線性關(guān)系 其他光敏電阻也有類似的性質(zhì)。,光電導(dǎo)靈敏度: 光電導(dǎo)G與照度E之比.,不同波長(zhǎng)的光，光敏電阻的靈敏度是不同的。 在選用光電器件時(shí)必須充分考慮到這種特性。,光電導(dǎo)增益 光電導(dǎo)增益反比于電極間距的平方。 量子效率：光電流與入射光子流之比。,伏安特性,在一定的光照下，光敏電阻的光電流與所加的電壓關(guān)系 光敏電阻是一個(gè)純電阻，因此符合歐姆定律，其

37、伏安特性曲線為直線。 不同光照度對(duì)應(yīng)不同直線,受耗散功率的限制，在使用時(shí)，光敏電阻兩端的電壓不能 超過最高工作電壓， 圖中虛線為允許功耗曲線 由此可確定光敏電阻正常工作電壓。,光敏電阻的信號(hào)輸入電路,R=1/(Gp+Gd)，IL=Ub/(R+RL),當(dāng)輸入光通量變化時(shí)， IL=-UbR/(R+RL)2,由Gp=SE=S, R=1/(Gp+Gd) 得： R=-R2S IL=-UbR/(R+RL)2=Ub R2S /(R+RL)2 UL= IL RL = Ub R2SRL /(R+RL)2 光敏電阻的偏置電壓：每個(gè)光敏電阻都有額定的最大耗散功率Pmax,在一定的光照下，要求： IL2R Pmax，

38、即 Ub（ Pmax/R)0.5(R+RL),光敏電阻時(shí)間常數(shù)比較大，其上限截止頻率低。只有PbS光敏電阻的頻率特性稍好些，可工作到幾千赫。,頻率特性,光敏電阻是多數(shù)載流子導(dǎo)電，溫度特性復(fù)雜。隨著溫度的升高，光敏電阻的暗電阻和靈敏度都要下降，溫度的變化也會(huì)影響光譜特性曲線。 例如：硫化鉛光敏電阻，隨著溫度的升高光譜響應(yīng)的峰值將向短波方向移動(dòng)。 尤其是紅外探測(cè)器要采取制冷措施,溫度特性,光敏電阻參數(shù),使用材料：硫化鎘（CdS），硫化鉛（PbS），銻化銦（InSb），碲鎘汞（HgCdTe），碲錫鉛（PbSnTe）. 光敏面：1-3 mm 工作溫度：-40 80 oC 溫度系數(shù)： 1 極限電壓：10

39、 300V 耗散功率： 100 W 時(shí)間常數(shù)：5 50 ms 光譜峰值波長(zhǎng)：因材料而不同，在可見/紅外遠(yuǎn)紅外 暗電阻：108 歐姆 亮電阻：104 歐姆,光敏電阻的應(yīng)用,基本功能：根據(jù)自然光的情況決定是否開燈。 基本結(jié)構(gòu)：整流濾波電路；光敏電阻及繼電器控制；觸電開關(guān)執(zhí)行電路 基本原理：光暗時(shí)，光敏電阻阻值很高，繼電器關(guān)，燈亮；光亮?xí)r，光敏電阻阻值降低，繼電器工作，燈關(guān)。,光電池(光伏工作模式）,光電池是根據(jù)光生伏特效應(yīng)制成的將光能轉(zhuǎn)換成電能的一種器件。 PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)：當(dāng)用適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射PN結(jié)時(shí)，由于內(nèi)建場(chǎng)的作用（不加外電場(chǎng)），光生電子拉向n區(qū)，光生空穴拉向p區(qū). 半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)

40、（光生電壓）；如將PN結(jié)短路，則會(huì)出現(xiàn)電流（光生電流）方向?yàn)镹-P。,光電池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),光電池核心部分是一個(gè)PN結(jié)，一般作成面積大的薄片狀，來接收更多的入射光。 硅光電池 在N型硅片上擴(kuò)散P型雜質(zhì)（如硼），形成一個(gè)P+N結(jié)， 受光面是P型層（代號(hào)2CR) 或在P型硅片上擴(kuò)散N型雜質(zhì)（如磷），形成一個(gè)N+P結(jié)， 受光面是N型層。(代號(hào)2DR) 高參雜的目的使空間勢(shì)壘加寬，增加光生載流子數(shù)目，減小反向飽和電流。,受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和保護(hù)作用 由于光子入射深度有限，為使光照到PN結(jié)上， 實(shí)際使用的光電池制成薄P型或薄N型。,1、光譜響應(yīng)度,硅光電池 響應(yīng)波長(zhǎng)0.4-1.1微米，

41、峰值波長(zhǎng)0.8-0.9微米。 硒光電池 響應(yīng)波長(zhǎng)0.34-0.75微米， 峰值波長(zhǎng)0.54微米。,2、伏安特性,無(wú)光照時(shí)，光電池伏安特性曲線與普通半導(dǎo)體二極管相同。 有光照時(shí)，沿電流軸方向平移，平移幅度與光照度成正比。 曲線與電壓軸交點(diǎn)稱為開路電壓VOC，與電流軸交點(diǎn)稱為短路電流ISC。,光電池伏安特性曲線,3.光電池等效電路等效為一個(gè)電流源與一個(gè)普通二極管的并聯(lián)電路,光電池短路電流與開路電壓與入射光強(qiáng)度變化關(guān)系由P31圖3-14表示，由于ISC=Ip=S,因此，短路電流與受光面積成正比，開路電壓與與受光面積的對(duì)數(shù)成正比，如圖3-15所示。 短路或線性電流放大是一種電流變換狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，

42、后續(xù)電流放大級(jí)作為負(fù)載從光電池中吸取最大的輸出電流。為此要求負(fù)載電阻或后續(xù)放大電路的輸入阻抗盡可能小。在短路狀態(tài)下，由于輸出電流與入射光功率成正比，在器件噪聲較低情況下，適合于弱光信號(hào)的檢測(cè)。 開路電壓應(yīng)通過高輸入阻抗放大器與后續(xù)放大電路連接，同一光電池的開路電壓與光電池光敏面受光面積的對(duì)數(shù)成正比，但開路電壓并不會(huì)無(wú)限增大，它的最大值受結(jié)勢(shì)壘的限制，通常，光電池的開路電壓為0.45-0.6v,因此，可不加偏置作跳躍變化的光電開關(guān)。,當(dāng)光電池用作太陽(yáng)能電源時(shí)，可通過多個(gè)串聯(lián)和并聯(lián)方式增大輸出電壓和輸出電流。 光電池的負(fù)載特性： 1.在一定的光照下，負(fù)載電阻RL由無(wú)窮變到零時(shí),輸出電壓由將由Uoc

43、變?yōu)榱悖敵鲭娏鲗牧阍龃蟮蕉搪冯娏鱅SC，顯然存在某一負(fù)載電阻RM,光電池的輸出功率最大。如圖3-17所示。 近似求法：過開路電壓及短路電流作伏安特性曲線的切線，兩切線交于Q點(diǎn)，連接OQ與伏安特性曲線交于M點(diǎn)，此時(shí)，矩形面積最大，即為最大的輸出功率。此時(shí)近似認(rèn)為UM=0.7 Uoc,IM= ISC.,。即RM =0.7Uoc/ ISC（圖4-12） 2.當(dāng)負(fù)載電阻很小時(shí)，可得到與輸入光功率成正比的電流與電壓信號(hào)輸出。據(jù),式中 將上式展開得 當(dāng)IRLUT時(shí)， 由于I0I,若IRLUT 即I=S 令最大線性輸出光電流為IM，相應(yīng)的光通量為M,則可得輸出最大線性電壓的臨界電阻為： RMUT/IM

44、=26/SM. 負(fù)載上的電壓信號(hào)變化為： U= RM I=(26/SM)S=26/M,負(fù)載RL的增大線性范圍也越來越小。因此，在要求輸出電流與光照度成線性關(guān)系時(shí)，負(fù)載電阻在條件許可的情況下越小越好，并限制在適當(dāng)?shù)墓庹辗秶鷥?nèi)使用,4.頻率響應(yīng) 硅光電池頻率特性好 硒光電池頻率特性差 硅光電池是目前使用最廣泛的光電池,要得到短的響應(yīng)時(shí)間，必須選用小的負(fù)載電阻RL； 光電池面積越大則響應(yīng)時(shí)間越大，因?yàn)楣怆姵孛娣e越大則結(jié)電容Cj越大，在給定負(fù)載時(shí)，時(shí)間常數(shù)就越大，故要求短的響應(yīng)時(shí)間，必須選用小面積光電池。,開路電壓下降大約23mV/度 短路電流上升大約10-510-3mA/度,5、溫度特性 隨著溫度的

45、上升，硅光電池的光譜響應(yīng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，開路電壓下降，短路電流上升。光電池做探測(cè)器件時(shí)，測(cè)量?jī)x器應(yīng)考慮溫度的漂移，要進(jìn)行補(bǔ)償。,光電池的應(yīng)用,1、光電探測(cè)器件 利用光電池做探測(cè)器有頻率響應(yīng)高，光電流隨光照度線性變化等特點(diǎn)。 2、將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能 實(shí)際應(yīng)用中，把硅光電池經(jīng)串聯(lián)、并聯(lián)組成電池組。,硅太陽(yáng)能電池,硅太陽(yáng)能電池包括單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池、非晶硅太陽(yáng)能電池。 單晶硅太陽(yáng)能電池在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為23%,而規(guī)模生產(chǎn)的單晶硅太陽(yáng)能電池,其效率為15%。 多晶硅半導(dǎo)體材料的價(jià)格比較低廉,但是由于它存在著較多的晶粒間界而有較多的弱點(diǎn)。多晶硅太陽(yáng)能電池的實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為18

46、%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10%。,非晶硅太陽(yáng)能電池,非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池組件的制造采用薄膜工藝, 具有較多的優(yōu)點(diǎn),例如:沉積溫度低、襯底材料價(jià)格較低廉,能夠?qū)崿F(xiàn)大面積沉積。 非晶硅的可見光吸收系數(shù)比單晶硅大,是單晶硅的40倍,1微米厚的非晶硅薄膜,可以吸引大約90%有用的太陽(yáng)光能。 非晶硅太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性較差, 從而影響了它的迅速發(fā)展。,化合物太陽(yáng)能電池,三五族化合物電池和二六族化合物電池。 三五族化合物電池主要有GaAs電池、InP電池、GaSb電池等; 二六族化合物電池主要有CaS/CuInSe電池、CaS/CdTe電池等。 在三五族化合物太陽(yáng)能電池中,GaAs電池的轉(zhuǎn)換效率最高,可

47、達(dá)28%;,GaAs 化合物太陽(yáng)能電池,Ga是其它產(chǎn)品的副產(chǎn)品,非常稀少珍貴;As 不是稀有元素,有毒。 GaAs化合物材料尤其適用于制造高效電池和多結(jié)電池,這是由于GaAs具有十分理想的光學(xué)帶隙以及較高的吸收效率。 GaAs 化合物太陽(yáng)能電池雖然具有諸多優(yōu)點(diǎn),但是GaAs材料的價(jià)格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs電池的普及。,太陽(yáng)能,太陽(yáng)能特點(diǎn)： 無(wú)枯竭危險(xiǎn)；絕對(duì)干凈；不受資源分布地域的限制；可在用電處就近發(fā)電；能源質(zhì)量高；使用者從感情上容易接受；獲取能源花費(fèi)的時(shí)間短。 要使太陽(yáng)能發(fā)電真正達(dá)到實(shí)用水平，一是要提高太陽(yáng)能光電變換效率并降低成本；二是要實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能發(fā)電同現(xiàn)在的電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。,四象

48、限光電池,四象限光電池是用來確定光點(diǎn)在二維平面上的位置坐標(biāo)，一般用于準(zhǔn)直、定位、跟蹤等方面。它是用集成電路光刻技術(shù)將一個(gè)圓形或方形的光敏面窗口隔成幾個(gè)面積相等、形狀相同、位置對(duì)稱（背面為整片）的區(qū)域。是四象限光探測(cè)器的一種。（如：硅光電二極管、雪崩光電二極管） 和差電路形式：設(shè)器件的坐標(biāo)線與基準(zhǔn)線成水平安裝，電路的連接是先計(jì)算相鄰象限信號(hào)的和，再計(jì)算信號(hào)的差。設(shè)光斑形狀是彌散圓，半徑為r,光密度均勻，投影在四象限探測(cè)器每個(gè)象限上的面積分別為SA、SB、SC、SD,由運(yùn)算電路輸出偏離信號(hào)ux和uy，ux=K(uA+uB)-(uC+uD),uy=K(uA+uD)-(uB+uC)為了消除光斑自身能量

49、變化常采用和差比幅電路Ux=ux/ (uA+uB+uC+uD), Uy=uy / (uA+uB+uC+uD),2.直差電路形式：若器件的坐標(biāo)線和基準(zhǔn)線間成450角安裝，輸出偏移量為：ux=K(uA-uC)/ (uA+uB+uC+uD), uy=k(uB-uD) / (uA+uB+uC+uD),光敏二極管,光敏二極管與光電池一樣，基本結(jié)構(gòu)為一個(gè)PN結(jié)，其特點(diǎn)是結(jié)面積小，頻率特性非常好，光生電動(dòng)勢(shì)與光電池相同，但輸出光電流比光電池小，一般為微安量級(jí)。 種類：鍺光敏二極管、硅光敏二極管。圖3-20 采用N型單晶硅形成P+N結(jié),型號(hào)為2CU.采用P型單晶硅形成N+P結(jié),型號(hào)為2DU.環(huán)型光電二極管有三

50、根引線，環(huán)極接電源正極，通過一電阻接前極（N極），也可不用。由圖3-21，3-22. 硅光電二極管可采用平面鏡和聚焦透鏡作入射窗口如圖3-23所示。,光電二極管（光敏二極管）,光敏二極管符號(hào) 光敏二極管接法,外加反向偏壓,與光電池不同，光敏二極管一般在負(fù)偏壓情況下使用 大反偏壓的施加，增加了耗盡層的寬度和結(jié)電場(chǎng)，電子空穴在耗盡層復(fù)合機(jī)會(huì)少，提高光敏二極管的靈敏度。 增加了耗盡層的寬度，結(jié)電容減小，提高器件的頻響特性。 但是，為了提高靈敏度及頻響特性，卻不能無(wú)限地加大反向偏壓，因?yàn)樗€受到PN結(jié)反向擊穿電壓等因素的限制。,光譜特性與電流靈敏度,常溫下硅光電二極管的峰值波長(zhǎng)為0.9m,帶寬為0.4

51、-1.1m，在峰值波長(zhǎng)處量子效率大于50%，電流靈敏度大于0.4A/W.圖3-25所示。,光敏二極管體積小，靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短，光譜響應(yīng)在可見到近紅外區(qū)中，光電檢測(cè)中應(yīng)用多。在較小的負(fù)載電阻下，光電流與入射光功率有較好的線性關(guān)系。 光電特性曲線。,頻率響應(yīng)特性,硅光電二極管是半導(dǎo)體光電器件中最好的一種，因此，特別適用于快速變化的光信號(hào)探測(cè)。光電二極管的頻率響應(yīng)主要由兩個(gè)因素決定：1.光生載流子在耗盡層內(nèi)的漂移時(shí)間，2.與負(fù)載電阻并聯(lián)的結(jié)電容所決定的電路時(shí)間常數(shù)。 等效電路,伏安特性曲線,反向偏置可以減小載流子的渡越時(shí)間有利于提高器件的靈敏度和響應(yīng)時(shí)間，但反向偏置電壓不能太高，以免雪崩擊穿。光

52、敏二極管在無(wú)光照時(shí)的暗電流為二極管的反向飽和電流，光照時(shí)的光電流與反向飽和電流同方向。在較低的反向電壓作用下，光電流隨反向偏壓的變化比較明顯，因反向偏壓增加使結(jié)電場(chǎng)增強(qiáng)，提高了結(jié)區(qū)光生載流子的收集效率，當(dāng)反向偏壓進(jìn)一步增加時(shí)，光生載流子的收集接近極限，光電流接近飽和，此時(shí)二極管可視為恒流源，光電流取決于入射光功率。 如圖3-24所示。,交變信號(hào)檢測(cè),首先確定在交變光信號(hào)作用下電路的最佳工作狀態(tài)。假定輸入光照度為正弦變化，即 光照度的變化范圍為E0Em。若在信號(hào)通頻帶范圍內(nèi)，耦全電容Cc可認(rèn)為是短路，則等效交流負(fù)載電阻是Rb和RL的并聯(lián)。對(duì)應(yīng)的交流負(fù)載MN應(yīng)該通過特性曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)M（見圖415（

53、b），以便能充分利用器件的線性區(qū)間，其斜率由Rb和RL的并聯(lián)電阻決定。交流負(fù)載線與光照度EE0對(duì)應(yīng)的伏安特性相交于Q點(diǎn)。該點(diǎn)對(duì)應(yīng)交變輸入光照度的直流分量，是輸入直流偏置電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。通過Q點(diǎn)作直流負(fù)載線可以圖解得到偏置電阻Rb和Ub值。下面首先計(jì)算負(fù)載RL上的輸出電壓和輸出功率。,負(fù)載電阻上的輸出電壓峰值Um可利用圖（b）中陰影線三角形MHQ的數(shù)值關(guān)系計(jì)算。若交流負(fù)載線的斜率是GLGb，設(shè)交流負(fù)載總電流峰值為Im，則有 另一方面，在圖中的線段MN上有電流關(guān)系 Im=SEEmGUm （G為暗電導(dǎo)） 代入上式，有 負(fù)載電阻RL上的輸出功率PL,式中：IL（ILUm/RL=GLUm）是負(fù)載RL上

54、的電流峰值,代入上式，有,由PL對(duì)RL求偏微分，計(jì)算最大功率輸出下的負(fù)載電阻， 可得GL0=Gb+G 把上式代入可得阻抗匹配條件下負(fù)載的輸出電壓峰值Um0、最大輸出功率有效值PLm輸出電流峰值Im0為,最大功率輸出條件的直流偏置電阻Rb0和電源電壓Ub可用解析法計(jì)算。靜態(tài)工作點(diǎn)Q的電流值由伏安特性 IQ=GUQ+SEE0 由負(fù)載線得IQ=(UbUQ)Gb 求解以上二式，得,另一方面，在電壓軸上工作點(diǎn)Q處的電壓UQ為 比較前二式可計(jì)算出Gb0或Rb0為,噪聲特性,光電二極管常用于微弱信號(hào)的探測(cè)，其噪聲主要包括散粒噪聲、和電阻的熱噪聲，信號(hào)輸出時(shí)應(yīng)遵循噪聲匹配原則。,P-i-N硅光敏二極管和雪崩光

55、敏二極管,選擇選擇高電阻率的基體材料，一定厚度的i層，具有高速響應(yīng)特性。 i層所起的作用:(1)反偏電壓主要集中i區(qū)，光生電子-空穴立即被電場(chǎng)分離，快速漂移； （2）實(shí)際上增加了耗盡層厚度使結(jié)電容下降。 （3）高電阻率的i層使暗電流明顯減小。,PIN管的最大特點(diǎn)是 頻帶寬，可達(dá)10GHz。 另一特點(diǎn)是線性輸出范圍寬。 缺點(diǎn): 由于I層的存在，管子的輸出電流小，一般多為零點(diǎn)幾微安至數(shù)微安。,雪崩光敏二極管,是借助強(qiáng)電場(chǎng)作用產(chǎn)生載流子倍增效應(yīng)的一種高速光電器件，由于存在因碰撞電離引起的內(nèi)增益機(jī)理，雪崩管具有高的增益和極快的時(shí)間響應(yīng)特性。,當(dāng)光敏二極管的PN結(jié)上加相當(dāng)大的反向偏壓時(shí)，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生一個(gè)很

56、高的電場(chǎng)，使進(jìn)入場(chǎng)區(qū)的光生載流子獲得足夠的能量，通過碰撞使晶格原子電離，而產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)。 新的電子空穴對(duì)在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下分別向相反方向運(yùn)動(dòng)在運(yùn)動(dòng)過程中，又有可能與原子碰撞再一次產(chǎn)生電子空穴對(duì)。 只要電場(chǎng)足夠強(qiáng)，此過程就將繼續(xù)下去，達(dá)到載流子的雪崩倍增。通常，雪崩光敏二極管的反向工作偏壓略低于擊穿電壓。,雪崩光電二極管的倍增電流、噪聲與偏壓的關(guān)系曲線,在偏置電壓較低時(shí)的A點(diǎn)以左，不發(fā)生雪崩過程；隨著偏壓的逐漸升高，倍增電流逐漸增加 從B點(diǎn)到c點(diǎn)增加很快，屬于雪崩倍增區(qū)；偏壓再繼續(xù)增大，將發(fā)生雪崩擊穿；同時(shí)噪聲也顯著增加，如圖中c點(diǎn)以有的區(qū)域。因此，最佳的偏壓工作區(qū)是c點(diǎn)以左，否則進(jìn)入雪崩擊

57、穿區(qū)燒壞管子。 擊穿電壓會(huì)隨溫度漂移，必須根據(jù)環(huán)境溫度變化相應(yīng)調(diào)整工作電壓。,雪崩光電二極管具有電流增益大，靈敏度高，頻率響應(yīng)快，帶寬可達(dá)100GHz。是目前響應(yīng)最快的一種光敏二極管。 不需要后續(xù)龐大的放大電路等特點(diǎn)。因此它在微弱輻射信號(hào)的探測(cè)方向被廣泛地應(yīng)用。 在設(shè)計(jì)雪崩光敏二極管時(shí)，要保證載流子在整個(gè)光敏區(qū)的均勻倍增，這就需要選擇無(wú)缺陷的材料，必須保持更高的工藝和保證結(jié)面的平整。 其缺點(diǎn)是工藝要求高，穩(wěn)定性差，受溫度影響大。,雪崩光電二極管與光電倍增管比較,體積小 結(jié)構(gòu)緊湊 工作電壓低 使用方便 但其暗電流比光電倍增管的暗電流大，相應(yīng)的噪聲也較大 故光電倍增管更適宜于弱光探測(cè),光敏二極管陣

58、列,將光敏二極管以線列或面陣形式集合在一起，用來同時(shí)探測(cè)被測(cè)物體各部位提供的不同光信息，并將這些信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件。,光敏三極管（光電三極管）,光電三極管是由光電二極管和一個(gè)晶體三極管構(gòu)成，相當(dāng)于在晶體三極管的基極和集電極間并聯(lián)一個(gè)光電二極管。 同光電二極管一樣，光電三極管外殼也有一個(gè)透明窗口，以接收光線照射。 日前用得較多的是NPN和PNP兩種平面硅光電三極管。,普通三極管的工作原理,發(fā)射結(jié)加正向電壓，集電結(jié)加反向電壓。 因此，發(fā)射結(jié)勢(shì)壘減小，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子電子在正向電壓作用下，擴(kuò)散到基區(qū)，形成發(fā)射極電流IE，其方向與電子流動(dòng)方向相反。與此同時(shí)，基區(qū)空穴也擴(kuò)散到發(fā)射區(qū)，但由于發(fā)射區(qū)雜

59、質(zhì)濃度比基區(qū)高得多，這部分空穴電流可忽略。 由發(fā)射區(qū)來的電子注入基區(qū)后，在基區(qū)靠近發(fā)射結(jié)的邊界積累起來，在基區(qū)中形成了一定的濃度梯度，靠近發(fā)射結(jié)附近濃度最高，離發(fā)射結(jié)越遠(yuǎn)濃度越小。電子向集電結(jié)方向擴(kuò)散，在擴(kuò)散過程中又會(huì)與基區(qū)中空穴復(fù)合，同時(shí)接在基區(qū)的電源正端不斷從基區(qū)拉走電子，好像不斷供給基區(qū)空穴。使基區(qū)的空穴濃度基本維持不變，形成基極電流IB. 集電結(jié)勢(shì)壘增加，使集電結(jié)的電子和基區(qū)的空穴很難通過集電結(jié)，對(duì)基區(qū)擴(kuò)散到集電結(jié)邊緣的電子卻有很強(qiáng)的吸引力，形成集電結(jié)電流IC。但基區(qū)中少數(shù)載流子電子和集電區(qū)少數(shù)載流子空穴在結(jié)電場(chǎng)作用下形成反向飽和電流，但很小。,電流分配關(guān)系,IE=IB+IC =IC/IE =/(1-)IC/IB IE=IB(1+),1.光電三極管工作原理,NPN光電三極管（3DU型），基區(qū)和集電區(qū)處于反向偏置，光敏區(qū)是基區(qū)，管子的基極開路，光照基區(qū)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，光生電子在內(nèi)電場(chǎng)作用下漂移到集電結(jié)，空穴留在基