光电检测原理与技术--第4章光电探测器及其校正技术.ppt

第4章 光电探测器及其校正技术,光电探测器及其校正技术,4.1 概述 4.2 光电管与光电倍增管 4.3 光电导器件（光敏电阻） 4.4 光电池与光电二极管 4.5 CCD图像传感的工作原理 4.6 热电探测器 4.7 光电探测器的校正,光电探测器的物理基础就是光电效应(Photoelectric effect )，光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。,一、 外光电效应,特点：速度快-从光照射到释放电子时间不超过10-9秒。 需足够光能-光子能量 表面溢出功A0,原理：光 物体表面 光电子发射,爱因斯坦光电效应方程,1、不同物质具有不同的逸出功，即每一物体都有一个对应的光频阀值，称为红限频率或波长限。,2、入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强度成正比。光强越大，入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。,3、光电子逸出物体表面具有初始动能，因此即使没有外加电压，也会有光电流产生。,4.1 概述,器件：光电管与光电倍增管,二、内光电效应,原理：,光电导效应：,器件：光敏电阻,原理：光 电子-空穴对 导电性 电阻,光 半导体 电子吸收光子能量 跃迁 电子-空穴对,当光照射到物体上，使物体的电阻率发生变化或者产生光生电动势的现象。,光子能量 禁带宽度 （本征激发）,光电效应:当半导体光电器件受光照不均匀时，光照部分产生电子空穴对，载流子浓度比未受光照部分的大，出现了载流子浓度梯度，引起载流子扩散，如果电子比空穴扩散得快，导致光照部分带正电，未照部分带负电，从而产生电动势，即为侧向光电效应。,光热效应,光热效应：材料受光照射后，光子能量与晶格相互作用，振动加剧，温度升高，材料的性质发生变化 热释电效应：介质的极化强度随温度变化而变化，引起介质表面电荷变化的现象 辐射热计效应：入射光的照射使材料由于受热而造成电阻率变化的现象 温差电效应：由两种材料制成的结点出现稳差而在两结点间产生电动势，回路中产生电流 （热敏电阻，热电偶和热释电探测器）,下面主要介绍以下探测器件的工作原理、主要特性和实际应用中的有关问题： 4.2 光电管与光电倍增管 4.3 光电导器件 4.4 光电池与光电二极管 4.5 CCD图像传感的工作原理 4.6 热电探测器 4.7 光电探测器的校正,一、光电管,光电管有真空光电管和充气光电管。,结构：由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。,4.2 光电管与光电倍增管,利用外光电效应制成的器件一般都是真空的或者充气的光电器件。,光电阴极通常采用逸出功小的光敏材料(如铯Cs)。当光线照射到光敏材料上便有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，在外电路就产生电流。 充气光电管是在真空光电管内充入少量的惰性气体。光电子在由阴极飞往阳极的途中，与惰性气体相碰撞而使气体电离，产生更多的电子，增大了光电流。 光电器件的性能主要由伏安特性、光照特性、 光谱特性、响应时间、温度特性和频率特性等来描述。,原理：光 阴极 光电子 阳极 空间电子流外接电阻 压降U=f(I),光电管的基本特性： 光照特性：通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系。,曲线1表示氧铯阴极：光照特性成线性关系， 曲线2表示锑铯阴极：光照特性成非线性关系， 光照特性曲线的斜率(光电流与入射光光通量之间比)称为光电管的灵敏度。,光谱特性：由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系称为光电管的光谱特性。 一般对于光电阴极材料不同的光电管，有不同的红限频率0，对应于不同的光谱范围。 同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同。 根据光谱特性：对不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极光谱响应范围。,例如：锑铯阴极，其红限0=700nm，它对紫外线和可见光范围的入射光灵敏度比较高，适用于白光光源和紫外光源。对红外光源，常用氧铯阴极。,伏安特性：在一定的光照射下，对光电管的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系是应用光电传感器的主要依据参数。,当极间电压高于50V时，光电流开始饱和，所有的光电子都达到了阳极。真空光电管一般工作于饱和部分。,其他特性,暗电流：无光照射时，光电流0 温度特性：受温度的影响。 频率特性：以不同光频率调制光电流。 稳定性和衰老：短期稳定性好；入射光越强衰老速度快。,二、光电倍增管,原理：当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几A，不易探测常用光电倍增管。光电倍增管的工作原理建立在光电发射和二次发射的基础上，获得大的光电流。 结构：光电倍增管由阴极、倍增极（次阴极）和阳极组成，这些电极被封装在真空的玻璃管中。 （1）闪烁光子作用在光阴极上时， 由于光电效应可产生出电子。 （2）电子倍增是通过一系列倍增极 所构成的倍增系统完成。 （3）从阳极上得到的电子流与 入射到光电倍增管光阴极 上的闪烁光强度成正比。,光电倍增管,光电倍增管 光电倍增管可使光电阴极发出的光电子增至 倍，在探测弱光方面得到广泛的应用。 它探测到光子和给出电信号只要630ns的时间。高灵敏度的光电倍增管的放大倍数得到108，能够探测到单个入射的光子,1. 光电倍增管的工作原理 光电倍增管是由封装在真空泡壳中的光阴极、阳极和若干中间二次发射极所组成。它的结构原理及偏置电路如图4-3所示。,图4-3 光电倍增管及回路示意图,(1) 光阴极 目前用于光电倍增管的光阴极材料主要有银氧铯、锑铯、锑钾钠铯和族砷化镓等。它们的主要特性见表4-1。,光阴极材料的光谱特性曲线如图4-4所示。,(2) 二次发射极 二次发射极简称二次极，有时又叫做打拿极。二次发射极的主要材料有锑铯(CsSb)、氧化铍(BeO)、银镁(AgMg)合金、磷化镓(GaP)和磷砷化镓等。 二次发射体的重要参数是二次发射系数: 式中n1、 n2分别是输入二次发射体的一次电子数和二次发射体对应发出的电子数。二次电子发射系数与材料本身特性、一次电子的动能或极间电压的大小有关，如图4-5所示。,图4-5 U关系曲线,二次发射极在光电倍增管中除提供大的电子增益外，另一个重要作用是引导管内电子的渡越，使电子从上一级正确地转移到下一级上去，这一作用叫做电子聚焦。如图4-6中给出了四种结构的示意图。,图4-6 几种光电倍增管的结构示意,(3) 阳极 阳极又称收集极。光电流经过各二次发射极倍增后由阳极收集并形成信号电流输出。阳极是管内电压最高的地方，当最后一个二次极发出的电子飞到阳极上后，阳极也会产生二次电子发射，这将破坏稳定的输出。 (4) 分压器 它的作用是使光电倍增管中从光电阴极到依次各二次极，最后到阳极的电位逐渐升高，使光电子顺利完成电子倍增过程、在各种类型的分压器中，用得最多也最简单的是电阻分压器，按照各极间所需电压的比例采用相应的电阻值，使总电压分配到各极间去。,2. 光电倍增管的主要特性 (1) 光电倍增管的光谱特性 光电倍增管的光谱特性主要由光阴极和玻壳材料的特性来确定。影响光电倍增管光谱特性的还有一些其它因素，如温度、受照点位置和磁场等。 图4-8为锑铯光阴极光谱特性随温度的变化曲线。,图 4-8 锑绝阴极S随T偏移的曲线,图4-8中纵坐标是光谱相对偏移，其定义为 式中 S20oc为20时锑铯阴极的光谱灵敏度；ST温度为T时的光谱灵敏度。 图4-9所示是多碱阴极的光谱特性随温度变化的曲线。,图 4-9 多碱阴极S随T偏移的曲线,(3) 线性度 在高精度的光电检测中，要求光电探测器的光特性具有良好的线性度，且线性范围尽可能宽。光特性是指倍增管输出信号电流随输入光通量变化的曲线，即If()。一般认为产生光特性非线性的原因主要有两个：一是内部的非线性源，它们包括光阴极的电阻率及材料特性、管内空间电荷间的互相作用，以及电子聚焦或收集效率的变化等。另一方面是外部非线性源，其中包括负载电阻的负反馈作用，以及由于信号电流过大造成极间电位的重新分布等。,(2) 灵敏度 光电器件灵敏度的定义有许多种，而对光电倍增管常用阳极灵敏度来表征这一特性。 定义阳极光谱灵敏度Sa()为 式中，单色光通量为()，阳极电流为Ia,图4-12给出了随入射通量增加输出电流Ia偏离直线的情况,图4一12 Ia与f()曲线,(4) 最大额定值 光电倍增管是极其灵敏的微信号光电探测器,为正确使用应了解各参量的最大额定值。 最大阴极电流Icm,有时给出最大电流密度(A/cm2)。工作时不应超过额定值。有时阴极电流Ic虽小于Icm，但入射光点很小，也会因电流密度过大而引起局部损坏。这时应按电流密度的额定值来限制输入。 最大阳极电流Iam,该值通常是以不产生严重的和不可逆的损坏为限，通常阳极功率限制在0.5W以下。 最大额定电压Um,该指标是从管子的绝缘性能和工作可靠性出发给出的。为使噪声不至太大，一般建议采用的总电压U(6080)Um。,(5) 光电倍增管的不稳定性 管子工作的不稳定性主要表现在以下三个方面: 由于光谱响应随时间缓慢地不可逆地变化 在几分钟或几小时内,由于可逆的疲劳所构成的漂移 滞后作用造成阳极输出的不稳定,(6) 暗电流 在无光输入时，由阳极输出的电流叫做暗电流。暗电流的主要来源有热发射、漏电流、管内电子散射引起泡壳荧光反馈阴极引起的发射电流、残余气体电离和宇宙射线等。 热电流IaoT是由于光阴极或二次极材料在温度作用下，其中获得大于材料逸出功所需能量的电子逸出后产生的其大小与环境温度、材料面积和工作电压等因素有关。阳极热电流可表示为 式中，Ico为光阴极发出的热电流；Iio为第i个二次极发出的热电流。,几种光阴极材料的暗电流密度与温度的关系如图4-13所示。暗电流、增益与电压间的关系如图4-14所示。 暗电流的测定方法：要在暗处存放24小时以后才能进行。（暗电流与光照历史有关）,图4一13 阴极暗电流密度随温度的变化,图4一14 Iao、G与电压间的关,(7)光电倍增管的噪声与信噪比 光电倍增管中的噪声源主要来自光阴极和二次极的热发射。入射光辐射本身亦带来噪声。 由光电阴极和K个二次发射极组成的光电倍增管中综合在阳极输出时的噪声电流用均方根值表示为 当12k=时，则有,(8)光电倍增管的时间特性 光电倍增管时间特性用其对脉冲光的响应特性来表示。脉冲光可用激光脉冲来产生，如采用上升时间50ps，半宽度70ps的激光脉冲。响应特性常用图4-15所示的三个量来表示。,图4-15 倍增管的时间特性,3. 光电倍增管的一般使用准则 为使光电倍增管工作稳定推荐图4-16所示的电路。 电阻分压式供电电路。,图4-16 光电倍增管基本偏置电路,(1) 阳极电流不超过几微安的数量级。 (2) 分压链中的电流应在1mA的数量级，应是阳极输出最大电流的1000倍，但也应避免电流过大而发热。 (3) 高压电源的稳定度应十倍于所要求的检测精度，并采用负高压供电。 (4) 光阴极和第一个二次极之间，最后一个二次极与阳极之间的电压可独立于总电压，用稳压管进行单独稳压。 (5) 阳极电流输出的信号放大，建议采用“电流一电压变换器”的型式。有利于减小阳极负载，稳定回路的工作。 (6) 为减少外界磁场对极间运动电子的作用，其中包括地磁的作用，在高精度检测时必须屏磁。如对端窗式光电倍增管可用圆筒屏磁罩，并要求罩长度超出光阴极面至少半个阴极的直径。,(7) 光电倍增管应存放在黑暗的环境中。即使未加高压，也只能暴露在极弱光的条件下。工作前应在高压供电条件下，在黑暗中处理数小时。 (8) 如要通过致冷以减小暗电流时，致冷温度不必过低。对银氧铯阴极可致冷到一77，而其它阴极致冷到一20即可。致冷过深会导致阴极电阻剧增、使噪声增加，信噪比下降。 (9) 如果光电倍增管的灵敏度足够高，光阴极前应加性能良好的漫射光器，以使入射光均匀照射全部光阴极面。 (10) 光电倍增管不应在氦气环境中使用，如有氦气分子渗入管内，因电离会产生大的附加噪声。 (11) 在光电倍增管使用中，如对光谱特性的稳定性要求很高，那么应选用有放数年后的管子。 (12) 如需了解使用光电倍增管的光谱特性、必须对该管进行单独测试，样本或说明书所给的资料只是一般性的指导。同厂家同型号的管子也很难有相同的光谱特性。,光阴极是由半导体光电材料锑铯制成； 次阴极（二次极，打拿极）是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的，次阴极多的可达30级； 阳极是最后用来收集电子的，收集到的电子数是阴极发射电子数的105106倍。即光电倍增管的放大倍数可达几万倍到几百万倍。 光电倍增管的灵敏度比普通光电管高几万倍到几百万倍。因此在很微弱的光照时，可产生很大的光电流。,光电倍增管的基本特性： 光照特性：阳极电流I和光通量之间的关系。,当光通量较小时，光照特性呈现线性； 当光通量很大时（0.1 lm）时，光照特性出现严重的非线性。,光谱特性：与光电管的光谱特性相似取决于光电阴极的材料性能。 伏安特性：阳极电流I与最后一级倍增极和阳极间的电压U的关系。使用时，应使其工作在饱和区。,暗电流：没有光信号输入（无光照），加上电压后阳极仍有电流暗电流。 原因：热电子发射、极间漏电流、场致发射等。 一般在使用光电倍增管时，必须把管子放在暗室里避光使用，使其只对入射光起作用； 暗电流对于测量微弱光强和精确测量的影响很大，通常可以用补偿电路加以消除。,4.3 光电导器件,光电导器件是利用内光电效应制成的光电探测器件。由于光照增加了自由载流子，使电导率发生变化，这种现象叫做光电导效应。光电导器件又称为光敏电阻。为纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。 光敏电阻常用材料：硫化镉(CdS,禁带宽度Eg =2.4eV)和硒化镉(CdSe, Eg=1.8eV)。 优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。广泛应用于微弱辐射信号的检测技术领域。 不足：需要外部电源，有电流时会发热。 下面将介绍光敏电阻的工作原理与特性。,1. 光电导器件的基本参数 (1) 光敏器件的光特性 光敏器件的光特性是表征光照下光敏器件的输出量，如电阻、电压或电流等量与入射辐射之间的关系； (2) 光敏器件的灵敏度 灵敏度又称响应度。它表示器件将光辐射能转换为电能的能力。具体定义为：器件产生的输出电信号与引起该信号的输入光辐射通量之比。输出电信号由器件及偏置电路的特性决定，既可以是电流，也可以是电压，如电流表示的光灵敏度,(3) 光谱响应 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。 (4) 量子效率 光敏器件的量子效率是指器件吸收辐射后，产生的光生载流子数与入射辐射的光子数之比 式中 ne为器件产生的载流子数；n0入射的光子数。 (5) 光敏器件的噪声 当器件无光辐射入射时，输出电压或电流的均方值或均方根值叫做噪声。 (6) 光敏器件的噪声等效功率 它是指在特定的带宽内，产生与均方根噪声电压或电流相等的信号电压或电流所需要的入射辐射通量或功率。用NEP来表示。,(7)光敏器件的探测率D 该特性也是光敏器件探测极限水平的表示形式,它是噪声等效功率的倒数。 (8)光敏器件的归一化探测率D* 该特性表示单位面积的器件，在放大器带宽为1Hz条件下的探测率 式中 A为器件光敏面的有效面积；f为所用放大器的带宽； (9)光敏器件的频率特性 该特性表示器件惰性的大小。它用器件的比探测率（或产生信号）与入射辐射调制频率的关系来表示。 截止频率：信号功率降到低频值的1/2时（或信号电压下降到 ）时所对应的频率。,2. 光敏电阻的结构与工作原理,工作原理,当入射光子使半导体物质中的电子由价带跃升到导带时，导带中的电子和价带中的空穴均参与导电，因此电阻显著减小，电导增加，或连接电源和负载电阻，可输出电信号。,光敏电阻按半导体材料的不同可分为本征型和杂质型两种，本征型半导体光敏电阻常 用于可见光长波段检测，杂质型常用于红外波段至远红外波段光辐射的检测。,光敏电阻设计的基本原则,光敏电阻在弱光辐射下光电导灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距离l的平方成反比 ，在强辐射作用下Sg与l的二分之三次方成反比，因此在设计光敏电阻时，尽可能地缩短光敏电阻两极间距离。,根据光敏电阻的设计原则可以设计出如图所示的3种基本结构。（a）所示光敏面为梳形的结构。,光敏电阻结构：管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个接触电极的光电半导体，一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，电极一般采用硫状图案。,本征型和杂质型光敏电阻,本征型光敏电阻：当入射光子的能量等于或大于半导体材料的禁带宽度Eg时，激发一个电子空穴对，在外电场的作用下，形成光电流。 杂质型光敏电阻：对于型半导体，当入射光子的能量等于或大于杂质电离能时，将施主能级上的电子激发到导带而成为导电电子，在外电场的作用下，形成光电流。 本征型用于可见光长波段,杂质型用于红外波段。,光电导与光电流,光敏电阻两端加电压（直流或交流）无光照时，阻值（暗电阻）很大，电流（暗电流）很小；光照时，光生载流子迅速增加，阻值（亮电阻）急剧减少在外场作用下，光生载流子沿一定方向运动，形成光电流（亮电流）。 光电流：亮电流和暗电流之差； I光 = IL - Id 光电导：亮电导和暗电导之差； = L - d,光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是说暗电流要小，亮电流要大，这样光敏电阻的灵敏度就高。,无光照，暗电导率,光照下电导率,附加光电导率,简称光电导,光电导相对值,要制成附加光电导相对值高的光敏电阻应使p0和n0小，因此光敏电阻一般采用禁带宽度大的材料或在低温下使用。,当光照稳定时，光生载流子的浓度为 无光照时，光敏电阻的暗电流为 光照时，光敏电阻的光电流为 L为电阻的长，A面积，电阻R=L/A,3. 常用光敏电阻及其特性 光敏电阻可用多种光电导材料制成。表4-2给出了几种常用光电导材料的禁带宽度和大致的光谱响应范围。,(1) 硫化镉、硒化镉光敏电阻 这两种光敏电阻用于可见光和近红外区域中，是使用最广泛的光电导器件。其结构如图4-18所示。,图4-18 光敏电阻结构示意,(2) 硫化铅和硒化铅光敏电阻 硫化铅(PbS)是一种多晶薄膜型光电探测材料适用的光谱范围可从可见光到中红外波段。表4-3给出了不同温度下硫化铅的性能。 硒化铅(PbSe)也是多晶薄膜型光电导材料，响应时间比硫化铅快。室温下可工作在33m5m的光谱范围中。表4-4给出了PbS探测器的性能参数。图4-20给出了两种温度条件下硒化铅探测器的光谱待性,图4-20 不同温度下PbSe探测器的光谱特性,(3) 锑化铟和砷化铟光电探测器 锑化铟是单晶本征型探测器表4-5给出了它在不同温度下的性能；图4-22给出了PC型InSb探测器响应度、噪声和相对D*与频带间的关系。,图4-22 PC型InSb响应度、噪声和相对D*与频率的关系,光伏型锑化铟常在接近直流短路状态下工作,可以得到最佳的探测率和灵敏度。图4-23给出了77K时PV型InSb探测器的光谱特性。图4-24给出了PV型InSb探测器信号、噪声、探测度与频率之间的关系。,图4-23 PV型InSb探测器的光谱特性,图4- 24 PV型InSb探测器信号、噪声、探测度与频率的关系,砷化铟(1nAs)探测器是单晶本征型光伏器件。适用于14m光谱范围中工作。图4-25给出了不同温度下InAs探测器的光谱特性。图4-26给出了InAs探测器的噪声谱。,图4-25 不同温度下InAs探测器的光谱特性,图4-26 InAs探测器的噪声谱,(4) 碲镉汞和碲锡铅光电探测器 碲镉汞材料(Hg1-xCdxTe)的禁带宽度Eg随组分x的改变而变化。其主要特性列于表4-6中。,图4-27给出了三种不同组分的PC型碲镉汞探测器在77K和2视场条件下的光谱特性。图4-28为PV型碲镉汞三种组分探测器在77K、视场为300时的光谱特性。,图4-27 碲镉汞探测器的光谱持性,图4-28 PV型碲镉汞探测器的光谱持性,图4-29给出了不同窗口材料、77K、视场为60条件下PV碲锡铅锡铅探测器的光谱特性。,图4-29 碲锡铅探测器的光谱特性,(5) 杂质光电导探测器 锗掺金探测器是P型杂质光电导探测器，图4-30所示为77K、2视场、背景为295K条件下锗掺金探测器的光谱特性。图4-31所示为锗掺金探测器探测率与频率的关系。,图4-31 锗掺金探测器探测率与频率的关系,图4-30 锗掺金探测器的光谱特性,表4-7列出了主要硅掺杂探测器的特性。,图4-32所示温度为27K时硅掺镓探测器的光谱特性。图4-33所示为50K时锗硅合金掺金探测器的光谱特性：,图4-32 硅掺镓探测器的光谱特性,图4-33 锗硅掺金探测器的光谱特性,4光敏电阻的工作特性,光电特性 灵敏度 伏安特性 时间响应和频率特性 温度特性,光电特性：光电流与入射光照度的关系： (1)弱光时，=1，光电流与照度成线性关系 (2)强光时， =0.5，光电流与照度成抛物线 光照增强的同时，载流子浓度不断的增加，同时光敏电阻的温度也在升高，从而导致载流子运动加剧，因此复合几率也增大，光电流呈饱和趋势。（冷却可以改善）,光敏电阻的光电特性,I光为光电流，I光=IL-Id； E为照度。照度指数与材料的入射强弱有关， 对CdS光电导体，,在弱光照下，光电流与E具有良好的线性关系 在强光照下则为非线性关系 其他光敏电阻也有类似的性质。,光敏电阻的灵敏度: 光电导g与照度E之比.,不同波长的光，光敏电阻的灵敏度是不同的。 在选用光电器件时必须充分考虑到这种特性。,光敏电阻的增益 光电导增益反比于电极间距的平方。,伏安特性,在一定的光照下，光敏电阻的光电流与所加的电压关系。 光敏电阻是一个纯电阻，因此符合欧姆定律，其伏安特性曲线为直线。 不同光照度对应不同直线,受耗散功率的限制，在使用时，光敏电阻两端的电压不能 超过最高工作电压， 图中虚线为允许功耗曲线 由此可确定光敏电阻正常工作电压。,光敏电阻时间常数比较大，其上限截止频率低。只有PbS光敏电阻的频率特性稍好些，可工作到几千赫。,频率特性,光敏电阻的时间响应特性较差 材料受光照到稳定状态，光生载流子浓度的变化规律： 停止光照，光生载流子浓度的变化为,响应时间,光敏电阻的时间常数较大，惯性大，时间响应比其它光电器件差。频率响应低。 时间特性与光照度、工作温度有明显的依赖关系。,r,光敏电阻是多数载流子导电，温度特性复杂。随着温度的升高，光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降，温度的变化也会影响光谱特性曲线。 例如：硫化铅光敏电阻，随着温度的升高光谱响应的峰值将向短波方向移动。 尤其是红外探测器要采取制冷措施，控制光敏电阻工作的温度的办法提高工作稳定性。,温度特性,光谱特性,相对灵敏度与波长的关系,可见光区光敏电阻的光谱特性,光谱特性曲线覆盖了整个可见光区，峰值波长在515600nm之间。尤其硫化镉（2）的峰值波长与人眼的很敏感的峰值波长（555nm）是很接近的，因此可用于与人眼有关的仪器。,红外区光敏电阻的光谱特性,注明：此特性与所用材料的光谱响应、制造工艺、掺杂浓度和使用的环境温度有关。,光敏电阻参数,使用材料：硫化镉（CdS），硫化铅（PbS），锑化铟（InSb），碲镉汞（HgCdTe），碲锡铅（PbSnTe）. 光敏面：1-3 mm 工作温度：-40 80 oC 温度系数： 1 极限电压：10 300V 耗散功率： 100 W 时间常数：5 50 ms 光谱峰值波长：因材料而不同，在可见/红外远红外 暗电阻：108 欧姆 亮电阻：104 欧姆,光敏电阻的应用,基本功能：根据自然光的情况决定是否开灯。 基本结构：整流滤波电路；光敏电阻及继电器控制；触电开关执行电路 基本原理：光暗时，光敏电阻阻值很高，继电器关，灯亮；光亮时，光敏电阻阻值降低，继电器工作，灯关。,光敏电阻工作性能特点：,光谱响应范围相当宽。可见光、红外、远红外、紫外区域 工作电流大，可达数毫安。 所测光电强度范围宽，既可测弱光，也可测强光 灵敏度高，光电增益可以大于1 无选择极性之分，使用方便。,缺点： 强光下光电线性度较差，弛豫时间过长，频率特性差。,光敏电阻的种类及应用,主要材料：Si、Ge、II-VI族和III-V族化合物，以及一些有机物。分紫外光、可见光、红外及远红外敏感的光敏电阻。,应用：照相机、光度计、光电自动控制、辐射测量、能量辐射、物体搜索和跟踪、红外成像和红外通信等技术方面制成的光辐射接收器件。,常用光敏电阻,CdS光敏电阻：峰值响应波长0.52um，掺铜或氯时峰值波长变长，光谱响应向红外区延伸，其亮暗电导比在10lx照度上可达1011(一般约为106)，其时间常数与入射光强度有关，100lx下可达几十毫秒。是可见光波段最灵敏的光敏电阻。 PbS光敏电阻：响应波长在近红外波段，室温下响应波长可达3um，峰值探测率D*=1.51011cmHz1/2/w。缺点主要是响应时间太长，室温条件下100-300uS。内阻约为1M， 锑化铟（InSb）光敏电阻：长波限7.5um，内阻低（约50），峰值探测率D*=1.21011cmHz1/2/w。时间常数0.02uS。零度时探测率可提高2-3倍。 碲镉汞HgCdTe系列光敏电阻。其性能优良，最有前途的光敏电阻。不同的Cd组分比例，可实现1-3um,3-5um,8-14um的光谱范围的探测。例如Hg0.8Cd0.2Te响应在大气窗口8-14um，峰值波长10.6um，Hg0.72Cd0.28Te 响应波长在3-5um. 碲锡铅（PbSnTe）系列光敏电阻：不同的锡组分比例，响 应波长不同。主要用在8-10um波段探测 ，但探测率低，应用不广泛。,3.光敏电阻使用中的有关计算及偏置电路 (1)比探测率D*在使用中的转化 设探测器与特定黑体间光谱匹配系数为 ，而探测器与目标间光谱匹配系数为 ，那么，比探测率D*应修正为 ，即 通常探测器的频率特性曲线如图4-34所示,图4-34 PbS探测器的频率特性曲线,(2) 减小噪声提高信噪比的措施 利用信号调制及选频技术可抑制噪声的引入。光电导探测器的噪声谱如图4-35所示,而一般放大器的噪声谱如图4-36所示。,图4-35 光敏电阻的噪声频率特性,图4-36 放大器的噪声频率特性,减少光敏电阻噪声的另一种方法是将器件致冷，以减小热发射，也可降低产生复合噪声。常用的液氮杜瓦瓶致冷器原理如图4-37所示。,图4-37 杜瓦瓶致冷器原理图,(3) 几种典型的偏置电路 恒流偏置电路 在一定光照下，光敏电阻产生的信号和噪声均与通过光敏电阻的电流大小有关，其关系曲线如图4-38所示。,图4-38 信号、噪声、倍噪比与光敏电阻中电流间的关系,由图4-38中可知，信噪比曲线有一极大值存在，从这一特点出发希望偏置电路使器件偏流稳定，并取值在最佳电流Iopt的区域中。按此要求设计的恒流偏置电路如图4-39所示。,图4-39 晶体管恒流偏置电路,恒压偏置电路 将恒流偏置电路稍加改变便可形成如图4-40所示的恒压偏置电路。,图4-40 晶体管恒压偏置电路,最大输出及继电器工作的偏置电路 这类简单的光敏电阻偏置电路如图4-41所示。图4-42所示是对应平均照度E0、最大照度E”和最小照度E的三条伏安特性曲线。,图4-41 光敏电阻偏置电路,图4-42 不同照度下光敏电阻的伏安特性,a.检测光量时负载电阻 的确定 RL的选择原则是在一定RG、RG和E的条件下，使信号电压u的输出最大。通过取极值 ，则有 于是有,b.在继电器型式工作时 的确定 c.电源电压的选择 从以上各式都可以看到、选用较大的电源电压对产生信号十分有利、但又必须以保持长期正常工作，不损坏光敏电阻为原则。有时在器件的说明书中给出。,基本偏置电路,RP,忽略暗电导Gd(暗电阻很大)： G=Gp=SgE或G=Sg 即 对R求导得到 负号表示电阻是随温度的增加而减小。,当光通量变化时，电阻变化Rp， 电流变化I，即有： 即,输出电压,1、火焰检测报警器,PbS光敏电阻：Rd=1M, Rl=0.2M(幅照度1mw/cm2下测试)，峰值波长2.2um。,Vo,92,Uth,UR,Uth=? UR=?,2、照相机电子快门,3、照明灯的光电控制电路,光敏电阻使用的注意事项,测光的光源光谱特性与光敏电阻的光敏特性相匹配。 要防止光敏电阻受杂散光的影响。 要防止使光敏电阻的电参数(电压,功耗)超过允许值。 根据不同用途，选用不同特性的光敏电阻。 一般, 数字信息传输:亮电阻与暗电阻差别大，光照指数大的光敏电阻。 模拟信息传输:则以选用值小、线性特性好的光敏电阻。,1. PN结与光伏效应（Photo Voltage Effect） 当P型半导体和N型半导体直接接触时，P区中的多数载流子空穴向空穴密度低的N区扩散，同时N区中的多数载流子电子向P区扩散。这一扩散运动在P区界面附近积累了负电荷，而在N区界面附近积累了正电荷，正负电荷在两界面间形成内电场。在该电场逐步形成和增加的同时，在它的作用下产生载流子的漂移运动。随着扩散运动的进行和界面间内电场的增高，促使漂移运动加强。这一伴生的对立运动在一定温度条件下定时间后达到动态平衡。如图4-43所示。,图4-43 P-N结的形成,4.4 光电池与光电二极管,当有外界光辐射照射在结区及其附近时只要入射光子的能量=h大于半导体的禁带宽度Eg，就可能产生本征激发，激发产生电子空穴对。P区中的光生空穴和N区中的光生电子，因受P-N结的阻挡作用而不能通过结区，结区中产生的电子空穴对在内电场作用下，电子驱向N区，空穴驱向P区。而结区附近P区中的光生电子和N区中的空穴如能扩散到结区，并在内电场作用下通过结区，这样在P区中积累了过量的空穴在N区中积累了过量的电子，从而形成一个附加的电场，方向与内电场相反，如图4-44(a)所示。该附加电场对外电路来说将产生由P到N方向的电动势。当联接外电路时，将有光生电流通过，这就是光伏效应。 当P-N结端部受光照时光子入射的深度有限，不会得到好的效果。实际使用的光伏效应器件，都制成薄P型或薄N型，如图4-44(b)所示。入射光垂直P-N结面入射，以提高光伏效应的效率。,图4-44 障层光电效应原理,2. 光伏效应器件的伏安特性 光伏效应器件工作的等效电路如图4-45所示。这类器件的伏安特性图4-46所示。,图4-45 光伏效应器件的等效电路,图4-46 光伏器件的伏安特性曲线,分析图4-46第象限中曲线的情况可知，外加电压为正，而外电路中的电流却与外加电压方向相反为负。即外电路中电流与等效电路中规定的电流相反，而与光电流方向一致。这一现象意味着该器件在光照下能发出功率，以对抗外加电压而产生电流，该状态下的器件被称为光电池。,3.光电池,光电池是根据光生伏特效应制成一种自发电式的光电元件，它受到光照时自身能产生一定方向的电动势，在不加电源的情况下，只要接通外电路，便有电流通过。由于它可把太阳能直接变电能，因此又称为太阳能电池。 光电池的种类很多，有硒、氧化亚铜、硫化铊、硫化镉、锗、硅、砷化镓光电池等，其中应用最广泛的是硅光电池，因为它有一系列优点，例如性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、转换效率高，能耐高温辐射等。另外，由于硒光电池的光谱峰值位于人眼的视觉范围，所以很多分析仪器、测量仪表也常用到它。,光电池工作原理,PN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射PN结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向n区，光生空穴拉向p区，相当于PN结上加一个正电压。 半导体内部产生电动势（光生电压）；如将PN结短路，则会出现电流（光生电流）。,光电池分类,按用途 太阳能光电池：用作电源（效率高，成本低） 测量用光电池：探测器件（线性、灵敏度高等）,按材料 硅光电池：光谱响应宽，频率特性好，转换效率高，寿命长，适于接受红外光. 硒光电池：转换效率低(0.02)、寿命短，适于接收可见光(响应峰值波长0.56m)，波谱峰值位于人眼视觉内(用于分析仪器、测量仪表). 砷化镓光电池:转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性则与太阳光谱最吻合。且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因此，它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的。 薄膜光电池：CdS增强抗辐射能力 紫光电池：PN结非常薄：0.2-0.3 m,短波峰值600nm,光电池的示意图,如图所示。它是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质(如硼)形成PN结。当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。若将PN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。,光电池的结构,+,光,P,N,SiO2,RL,(a) 光电池的结构图,I,光,(b) 光电池的工作原理示意图,P,N,光电池的结构特点,光电池核心部分是一个PN结，一般作成面积大的薄片状，来接收更多的入射光。 在N型硅片上扩散P型杂质（如硼），受光面是P型层. 或在P型硅片上扩散N型杂质（如磷）， 受光面是N型层,受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和保护作用 上电极做成栅状，为了更多的光入射。 由于光子入射深度有限，为使光照到PN结上， 实际使用的光电池制成薄P型或薄N型。,光电池的表示符号、基本电路及等效电路如图所示。,I,U,Id,U,I,RL,I,(a),(b),(c),光电池符号和基本工作电路,光电池等效电路,光电池的特性,(1)、伏安特性 无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导体二极管相同。 有光照时，沿电流轴方向平移，平移幅度与光照度成正比。 曲线与电压轴交点称为开路电压VOC，与电流轴交点称为短路电流ISC。,反向电流随光照度的增加而上升,(2)、时间和频率响应 硅光电池频率特性好（动态响应快）。 硒光电池频率特性差 硅光电池是目前使用最广泛的光电池,要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻RL； 光电池面积越大则响应时间越大，因为光电池面积越大则结电容Cj越大，在给定负载时，时间常数就越大，故要求短的响应时间，必须选用小面积光电池。,开路电压下降大约23mV/度 短路电流上升大约10-510-3mA/度,(3)、温度特性 随着温度的上升，硅光电池的光谱响应向长波方向移动，开路电压下降，短路电流上升。光电池做探测器件时，测量仪器应考虑温度的漂移，要进行补偿。,(4)、光谱响应度,硅光电池 响应波长0.4-1.1微米， (红-红外) 峰值波长0.8-0.9微米。(近红外) 硒光电池 响应波长0.34-0.75微米， (紫-红) 峰值波长0.54微米。(绿) 可见光,图4-47 硅、硒光电池的相对光谱特性曲线,(5)、光电池的光照特性,连接方式：开路电压输出-(a) 短路电流输出-(b) 光电池在不同的光强照射下可产生不同的光电流和光生电动势。,短路电流在很大范围内与光强成线性关系。 开路电压随光强变化是非线性的，并且当照度在2000lx时趋于饱和。 开路电压输出：非线性(电压-光强)，灵敏度高 短路电流输出：线性好(电流-光强) ，灵敏度低 （所以作测量元件使用时应做电流源来使用。 ）,负载RL的增大线性范围也越来越小。 因此，在要求输出电流与光照度成线性关系时，负载电阻在条件许可的情况下越小越好，并限制在适当的光照范围内使用。,光电池的应用,（1）、光电探测器件 利用光电池做探测器有频率响应高，光电流随光照度线性变化等特点。 （2）、将太阳能转化为电能 实际应用中，把硅光电池经串联、并联组成电池组。,下面分析光电池几种不同输出要求的偏置电路。 (1) 光电池作为电流输出的电路 将图4-36第象限的曲线经翻转，处理后获得如图4-51所示的光电池伏安特性。,图4-51 光电池的伏安特性曲线,图4-46 光伏器件的伏安特性曲线,负载较小时，等间隔光照变化对应信号的间隔基本相等。负载较大时，负载信号线上间隔不等造成光特性弯曲。,在光电检测中希望线性输出时，为此应采用低输入阻抗的电路来完成放大工作。图4-52所示电路就是典型的原理图。P83,图4-52 光电池低输入阻抗放大电路,有时对输出信号与入射光量间的线件关系要求不高，又希望能有比较简单的电路型式，如图4-53所示。,图4-53 利用锗晶体管的放大电路,因为光电池的开路电压大多在0.5V以下， 因此只能选择锗三极管。 锗管（基极工作电压：0.20.3V） 硅管（基极工作电压：0.65V）,如果用硅管的话，光电池的输出电压太小， 不能驱动硅管工作。因此可以采用图4-45方案,图4-54所示是采用RW提供可调电压，图4-55所示是用锗二极管D提供一定电压。,图4-54 利用RW提供可调电位 的硅管 放大电路,图4-55 利用锗二极管VD提供电位的 锗三极管放大电路,(2) 光电池作为开路输出的电路 有时为获得较大的电压输出而不要求线性关系时，可采用高输入阻抗的前放，这时光电池相当开路工作。图4-56所示为高输入阻抗低噪声放大器的原理图。这类电路常作为光开关和继电器使用。,图4-56 光电池高输入阻抗放大器,(3)光电池作功率输出的电路 采用光电池做为将光能转换为电能的太阳能电池时，要求有大的输出功率和转换效率，可用多个光电池串、并联构成大的受光面积。如图4-57所示是光电池给负载RL供电的电路图。最佳负载与入射照度间的关系如图4-58所示。,图4-57 光电池作功率输出电路,图4-58 最佳负载曲线,太阳电池电源系统主要由太阳电池方阵、蓄电池组、调节控制和阻塞二极管组成。如果还需要向交流负载供电，则加一个直流交流变换器，太阳电池电源系统框图如图。,逆变器,交流负载,直流负载,太阳能电池电源系统,阻塞二极管,调节控制器,太阳 电池 方阵,(a) 光电追踪电路,+12V,R4,R3,R6,R5,R2,R1,W,BG1,BG2,图 (a)为光电地构成的光电跟踪电路，用两只性能相似的同类光电池作为光电接收器件。当入射光通量相同时，执行机构按预定的方式工作或进行跟踪。当系统略有偏差时，电路输出差动信号带动执行机构进行纠正，以此达到跟踪的目的。,光电池在检测和控制方面应用中的几种基本电路,BG2,BG1,+12V,C,J,R1,R2,(b) 光电开关,图 (b)所示电路为光电开关，多用于自动控制系统中。无光照时，系统处于某一工作状态，如通态或断态。当光电池受光照射时，产生较高的电动势，只要光强大于某一设定的阈值，系统就改变工作状态，达到开关目的。,(c) 光电池触发电路,R1,R2,R3,R4,R5,R6,BG1,BG2,BG3,BG4,C1,C2,C3,+12V,W,图 (c)为光电池触发电路。当光电池受光照射时，使单稳态或双稳态电路的状态翻转，改变其工作状态或触发器件(如可控硅)导通。,+12V,5G23,(d) 光电池放大电路,C3,-12V,W,R1,R2,R3,R4,R5,C1,C2,1,8,7,6,5,4,3,2,图(d)为光电池放大电路。在测量溶液浓度、物体色度、纸张的灰度等场合，可用该电路作前置级，把微弱光电信号进行线性放大，然后带动指示机构或二次仪表进行读数或记录。,在实际应用中，主要利用光电池的光照特性、光谱特性、频率特性和温度特性等，通过基本电路与其它电子线路的组合可实现或自动控制的目的。,硅太阳能电池,硅太阳能电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池。 单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率为23%,而规模生产的单晶硅太阳能电池,其效率为15%。 多晶硅半导体材料的价格比较低廉,但是由于它存在着较多的晶粒间界而有较多的弱点。多晶硅太阳能电池的实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率为10%。,非晶硅太阳能电池,非晶硅薄膜太阳能电池组件的制造采用薄膜工艺, 具有较多的优点,例如:沉积温度低、衬底材料价格较低廉,能够实现大面积沉积。 非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大,是单晶硅的40倍,1微米厚的非晶硅薄膜,可以吸收大约90%有用的太阳光能。 非晶硅太阳能电池的稳定性较差, 从而影响了它的迅速发展。,化合物太阳能电池,三五族化合物电池和二六族化合物电池。 三五族化合物电池主要有GaAs电池、InP电池、GaSb电池等; 二六族化合物电池主要有CaS/CuInSe电池、CaS/CdTe电池等。 在三五族化合物太阳能电池中,GaAs电池的转换效率最高,可达28%;,GaAs 化合物太阳能电池,Ga是其它产品的副产品,非常稀少珍贵;As 不是稀有元素,有毒。 GaAs化合物材料尤其适用于制造高效电池和多结电池,这是由于GaAs具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率。 GaAs 化合物太阳能电池虽然具有诸多优点,但是GaAs材料的价格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。,太阳能特点： 无枯竭危险；绝对干净；不受资源分布地域的限制；可在用电处就近发电；能源质量高；使用者从感情上容易接受；获取能源花费的时间短。 要使太阳能发电真正达到实用水平，一是要提高太阳能光电变换效率并降低成本；二是要实现太阳能发电同现在的电网联网。,结构： 光电二极管与普通二极管一样有一个PN结，属于单向导电性的非线形元件。外形不同之处是在光电二极管