光电检测技术.ppt

光电检测技术与应用 参考书目 光电检测技术 曾光宇等编著清华大学出版社 激光光电检测 吕海宝等编著国防科技大学出版社 光电检测技术 雷玉堂等编著中国计量出版社 教材 光电检测技术与应用 郭培源编著北京航空航天大学出版社 目录 第一章绪论第二章光电检测技术基础2 1光的基本性质2 2辐射与光度学量2 3半导体基础知识2 4光电效应第三章光电检测器件3 1光电器件的类型与特点3 2光电器件的基本特性参数 3 3半导体光电器件光电导器件 光敏电阻光伏器件 光电池 光电二极管 三极管3 4真空光电器件光电管光电倍增管3 5热电检测器件热敏电阻热电偶和热电堆热释电探测器件 第四章发光 耦合和成像器件4 1发光二极管4 2激光器4 3光电耦合器件4 4CCD第五章光电检测系统5 1直接光电检测系统5 2光外差光电检测系统5 3典型的光电检测系统第六章光纤传感检测第七章光电信号的数据采集与微机接口第八章光电检测技术的典型应用 第一章绪论 1 光电系统描述 光是一种电磁波 电磁波谱包括 长波电震荡 无线电波 微波 光波 包括红外光 可见光 紫外光 射线等 光波的波长范围为1mm 10nm 频率为3x1011 3x1016Hz 它是工作于电磁波波谱图上最后波段的系统 特点是波长短 频率高 与电子系统载波相比 光电系统载波的频率提高了几个量级 因此载波能量大 分辨率高 但易受大气的吸收等影响 传输距离受限 易遮挡 光电系统的作用体现在如下三个方面1 在经典光学理论中 作为一种视觉的延伸 如经典的光学仪器 2 在信息光电子学中 光作为一种载体 能实现信息的传递和探测功能 如光探测系统 光通讯系统 光信息识别系统 3 在能量光电子学中 光作为一种能量系统完成特定的功能 如激光加工技术 武器系统等 光电检测技术 以光电子学为基础 以光电子器件为主体 研究和发展光电信息的形成 传输 接收 变换 处理和应用 应用领域包括 1 工业检测 光电精密测试 光纤传感在线检测和机器视觉 2 日常生活 光电传感 自动对焦 路灯控制 图象传感 3 军事 激光 激光雷达 红外 微光探测 定向和制导 光电检测是信息时代的关键技术 信息技术 三大支柱 感测技术 通信技术 人工智能与计算机控制技术 信息的产生和获取 转换 传输 控制 存储 处理 显示 本课程着重在光电检测的元器件 系统 方法和应用 光电检测技术 光电传感器 基于光电效应 将光信号转换为电信号的一种光电器件将非电量转换为与之有确定对应关系的电量输出 光电检测系统 是利用光电传感器实现各类检测 它将被测量的量转换成光通量 再转换成电量 并综合利用信息传送和处理技术 完成在线和自动测量光电检测系统包括光学变换光电变换电路处理 光学变换时域变换 调制振幅 频率 相位 脉宽 干涉 衍射 空域变换 光学扫描 扫描盘 事实上是光学参量调制 光强 波长 相位 偏振形成能被光电探测器接收 便于后续电学处理的光学信息 光电变换光电 热电器件 传感器 变换电路 前置放大将光信息变为能够驱动电路处理系统的电信息 电信号的放大和处理 电路处理放大 滤波 调制 解调 A D D A 微机与接口 控制 光电探测器的种类 返回 光电检测系统 光电检测技术以现代光电器件为基础 通过对载有被检测物体信号的光辐射 发射 反射 散射 衍射 折射 透射等 进行检测 通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号 由输入电路 放大滤波等检测电路提取有用的信息 再经过A D变换接口输入微型计算机运算 处理 最后显示或打印输出所需检测物体的几何量或物理量 光电检测系统组成 光学变换 电路处理 光电系统组成 光电系统的组成也可描述为下列的三个部分 光发射机 光学信道 光接收机 根据光发射机的不同 光电系统可分为主动式和被动式两类 主动式 光发射机主要由光源和调制器组成被动式 发射机为被探测物体的热辐射 特点是隐蔽性高 光学信道 主要是指大气 空间 水 光纤等光传播过程中要经过的介质 光接收机 是指收集入射的光场并处理 恢复光载波的信息 光电检测系统的功能分类 测量检查型 几何量 长度 角度 位置 形变 表面形状 光洁度 庇病 伤痕 光学量 吸收 反射 透射 光谱 色牢度 控制跟踪型跟踪控制 激光制导 红外制导数值控制 自动定位 图形加工形成 数值控制图象分析型图形检测图形分析 光电检测技术的特点 高精度 从地球到月球激光测距的精度达到1米 高速度 光速是最快的 远距离 大量程 遥控 遥测和遥感 非接触式检测 不改变被测物体性质的条件下进行测量 寿命长 光电检测中通常无机械运动部分 故测量装置寿命长 工作可靠 准确度高 对被测物无形状和大小要求 数字化和智能化 强的信息处理 运算和控制能力 光电检测技术研究热点 纳米 亚纳米高精度的光电测量新技术 小型 快速的微型光 机 电检测系统 微空间三维测量技术和大空间三维测量技术 闭环控制的光电检测系统 实现光电测量与光电控制一体化 向人们无法触及的领域发展 光电跟踪与光电扫描测量技术 一 在工业生产领域的应用 在线检测 零件尺寸 产品缺陷 装配定位 现代工程装备中 检测环节的成本约占50 70 光电检测技术的应用 二 在日常生活中的应用 家用电器 数码相机 数码摄像机 自动对焦 红外测距传感器 数字体温计 非接触式 红外传感器 自动感应灯 亮度检测 光敏电阻 遥控接收 红外检测 光敏二极管 光敏三极管 办公商务 扫描仪 文档扫描 线阵CCD 医疗卫生 血糖测试仪 三 在军事上的应用 美军研制的未来单兵作战武器 夜视瞄准机系统 非冷却红外传感器技术激光测距仪 可精确的定位目标 美国国家导弹防御计划 NMD 四 检测技术在国防领域的应用 监测系统 探测和发现敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道 拦截器 能识别真假弹头 敌友方 学习本课程的目的 掌握光电检测系统的基本组成 光电检测技术的特点 了解光电检测技术的发展趋势 掌握光电检测器件 传感器 光源和成像器件 的工作原理及基本特性 了解它们的应用范围 能够根据特性参数 选择合适的光电检测器件 熟悉常用器件的性能指标 掌握直接检测与外差检测的原理和区别 了解光纤传感检测技术的原理和应用 掌握光纤的光波调制技术 掌握了解常用光电检测技术的测量 数据采集 处理和转换的方法 了解所需的元器件 仪器和相关的接口技术 本课程的学习内容 光电检测器件的物理基础光电检测器件的工作原理和特性及其应用光电直接和外差检测系统光纤传感检测技术光电信号的数据采集与微机接口 第二章光电检测技术基础 光的基本性质辐射与光度学量半导体基础知识光电效应 半导体基础知识 导体 半导体和绝缘体半导体的特性半导体的能带结构本征半导体与杂质半导体平衡和非平衡载流子载流子的输运过程半导体的光吸收PN结 导体 半导体和绝缘体 自然存在的各种物质 按分子间隙 分为气体 液体 固体 固体按导电能力可分为 导体 绝缘体和介于两者之间的半导体 电阻率10 6 10 3欧姆 厘米范围内 导体电阻率1012欧姆 厘米以上 绝缘体电阻率介于导体和绝缘体之间 半导体 半导体的特性 半导体电阻温度系数一般是负的 而且对温度变化非常敏感 根据这一特性 热电探测器件 导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化 纯净Si在室温下电导率为5 10 6 欧姆 厘米 掺入硅原子数百万分之一的杂质时 电导率为2 欧姆 厘米 半导体导电能力及性质受光 电 磁等作用的影响 本征和杂质半导体 本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体 在绝对零度时 价带中的全部量子态都被电子占据 而导带中的量子态全部空着 半导体的共价键结构 能带 电子 空穴对 载流子 温度升高 导电能力增强 电子 空穴对在纯净的半导体中掺入一定的杂质 可以显著地控制半导体的导电性质 掺入的杂质可以分为施主杂质 磷 和受主杂质 棚 施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子 同时向导带提供电子 使半导体成为多数载流子为电子的n型半导体 受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子 同时向价带提供空穴 使半导体成为多数载流子为空穴的p型半导体 平衡和非平衡载流子 处于热平衡状态的半导体 在一定温度下 载流子浓度一定 这种处于热平衡状态下的载流子浓度 称为平衡载流子浓度 半导体的热平衡状态是相对的 有条件的 如果对半导体施加外界作用 破坏了热平衡的条件 这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态 称为非平衡状态 处于非平衡状态的半导体 其载流子浓度也不再是平衡载流子浓度 比它们多出一部分 比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子 非平衡载流子的产生 光注入 用光照使得半导体内部产生非平衡载流子 当光子的能量大于半导体的禁带宽度时 光子就能把价带电子激发到导带上去 产生电子 空穴对 使导带比平衡时多出一部分电子 价带比平衡时多出一部分空穴 产生的非平衡电子浓度等于价带非平衡空穴浓度 光注入产生非平衡载流子 导致半导体电导率增加 其它方法 电注入 高能粒子辐照等 载流子的输运过程 产生 复合扩散漂移 半导体对光的吸收 物体受光照射 一部分光被物体反射 一部分光被物体吸收 其余的光透过物体 吸收包括 本征吸收 杂质吸收 自由载流子吸收 激子吸收 晶体吸收本征吸收 由于光子作用使电子由价带跃迁到导带只有在入射光子能量大于材料的禁带宽度时 才能发生本征激发 杂质吸收和自由载流子吸收 引起杂质吸收的光子的最小能量应等于杂质的电离能由于杂质电离能比禁带宽度小 所以这种吸收在本征吸收限以外的长波区自由载流子吸收是由同一能带内不同能级之间的跃迁引起的 PN结 将P型和N型半导体采用特殊工艺制造成半导体半导体内有一物理界面 界面附近形成一个极薄的特殊区域 称为PN结 是二极管 三极管 集成电路和其它结型光电器件最基本的结构单元 PN结的伏安特性曲线 对应表 半导体的物理效应 光电效应与光热效应 是指单个光子的性质对产生的光电子直接作用 物体吸收光子后 直接引起原子或分子内部电子状态的改变 光子能量的大小直接影响内部电子状态的改变 对光波频率有选择性 响应速度一般较快 光照射到物体表面上使物体发射电子 或导电率发生变化 或产生光电动势等 这种因光照而引起物体电学特性发生改变统称为光电效应 光电效应包括外光电效应和内光电效应 外光电效应 物体受光照后向外发射电子 多发生于金属和金属氧化物发生过程与发生条件内光电效应 物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出物体外部 多发生在半导体内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应光电导效应 半导体受光照后 内部产生光生载流子 使半导体中载流子数显著增加而电阻减少的现象 光生伏特效应 光照在半导体PN结或金属 半导体接触上时 会在PN结或金属 半导体接触的两侧产生光生电动势 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 光热效应 物体吸收光辐射后 不直接引起原子或分子内部电子状态的改变 而是把吸收的光能量变为晶格的热运动能量 引起物体温度上升 进而引起物体电学特性或其他物理性质发生改变 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 第三章光电检测器件 光电器件的类型与特点光电器件的基本特性参数半导体光电器件光电导器件 光敏电阻光伏器件光电池光电二极管 三极管真空光电器件光电管光电倍增管热电检测器件热敏电阻热电偶和热电堆热释电探测器件 光电检测器件的类型 光电检测器件是利用物质的光电效应把光信号转换成电信号的器件 光电检测器件分为两大类 光子 光电子 检测器件热电检测器件 光电检测器件 光子器件 热电器件 真空器件 固体器件 光电管光电倍增管真空摄像管变像管像增强管 光敏电阻光电池光电二极管光电三极管光纤传感器电荷耦合器件CCD 热电偶 热电堆 温差电效应 热辐射计 热敏电阻 辐射热计效应 热释电探测器 热释电效应 光电检测器件的特点 3 2器件的基本特性参数 响应特性噪声特性量子效率线性度工作温度 一 响应特性 响应度 或称灵敏度 是光电探测器输出信号与输入光功率之间关系的度量 描述的是光电探测器件的光电转换效率 响应度是随入射光波长变化而变化的响应度分电压响应度和电流响应度 电压响应度光电探测器件输出电压与入射光功率之比电流响应度光电探测器件输出电流与入射光功率之比 光谱响应度 探测器在波长为 的单色光照射下 输出电压或电流与入射的单色光功率 或者光通量 之比 积分响应度 检测器对各种波长光连续辐射量的反应程度 响应时间 响应时间 是描述光电探测器对入射光响应快慢的一个参数 如图 上升时间 入射光照射到光电探测器后 光电探测器输出上升到稳定值所需要的时间 下降时间 入射光遮断后 光电探测器输出下降到稳定值所需要的时间 光电探测器响应率与入射调制频率的关系为调制频率为f时的响应率为调制频率为零时的响应率 为时间常数 等于RC 频率响应 光电探测器的响应随入射光的调制频率而变化的特性称为频率响应 由于光电探测器信号产生和消失存在着一个滞后过程 所以入射光的调制频率对光电探测器的响应会有较大的影响 光入射产生光电流是一个积分过程 是一阶系统 根据RC积分电路的特点 它是一低通电路 其幅频特性为 上限截止频率时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽 返回 二 光电转换定律 对于光电探测器 一端是光辐射量 另一端是光电流 把光辐射量转换为光电流量的过程称为光电转换 即光电流正比于入射光功率 量子效率 在某一特定波长上 每秒钟内产生的光电子数与入射光子数之比 对理想的探测器 入射一个光量子发射一个电子 1实际上 1量子效率是一个微观参数 量子效率愈高愈好 量子效率与响应度的关系 光探测器对入射光功率有响应 响应的是光电流 因此 一个光子探测器总可视为一个电流源 因为光功率P正比于光电场的平方 故常把光探测器称为平方率探测器 光探测器实质上是一个非线性器件 三 噪声特性 在一定波长的光照下光电探测器输出的电信号并不是平直的 而是在平均值上下随机地起伏 它实质上就是物理系统内部的起伏干扰 如电阻中自由电子的热运动 光电阴极的随机发射 载流子的随机产生和复合等 服从统计规律 其平均值为零 用均方噪声来表示噪声值大小 由于产生探测器起伏噪声的因素很多 且这些因素又彼此独立 总的噪声功率为各种噪声功率之和 噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的 由于噪声总是与有用信号混在一起 因而影响对信号特别是微弱信号的正确探测 一个光电探测系统的极限探测能力往往受探测系统的噪声所限制 所以在精密测量 通信 自动控制等领域 减小和消除噪声是十分重要的问题 光电探测器常见的噪声 热噪声散粒噪声产生 复合噪声1 f噪声 1 热噪声 或称约翰逊噪声 即载流子无规则的热运动造成的噪声 导体或半导体中每一电子都携带着电子电量作随机运动 相当于微电脉冲 尽管其平均值为零 但瞬时电流扰动在导体两端会产生一个均方根电压 称为热噪声电压 热噪声存在于任何电阻中 热噪声与温度成正比 与频率无关 热噪声又称为白噪声 通常我们认为外界进入系统 以及系统内部电路产生的噪声都是白噪声 也就是频率范围非常宽 但并不是所有噪声都会对系统产生影响 因为一般系统都是有限带宽的 噪声功率带宽就是描述多宽频带范围内的噪声会对系统造成影响 这个带宽和噪声功率谱密度相乘 就是噪声功率了 2 散粒噪声 散粒噪声 无光照下 由于热激发射到光探测器表面的光子是随机的 光电子从光电阴极表面逸出是随机的 PN结中通过结区的载流子数也是随机的 散粒噪声也是白噪声 与频率无关 散粒噪声是光电探测器的固有特性 对大多数光电探测器的研究表明 散粒噪声具有支配地位 例如光伏器件的PN结势垒是产生散粒噪声的主要原因 热激发平均电流 暗电流 3 产生 复合噪声 对光导探测器 热激发载流子产生电子空穴对 与光伏器件不同 存在严重的复合过程 复合过程也是随机的 使起伏加倍 在平衡状态时 在载流子产生和复合的平均数是一定的但在某一瞬间载流子的产生数和复合数是有起伏的 载流子浓度的起伏引起半导体电导率的起伏 M为光电导的内部增益 4 1 f噪声 或称闪烁噪声或低频噪声 噪声的功率近似与频率成反比多数器件的1 f噪声在200 300Hz以上已衰减到可忽略不计 信噪比 信噪比是判定噪声大小的参数 是负载电阻上信号功率与噪声功率之比若用分贝 dB 表示 为 等效噪声功率 NEP 定义 信号功率与噪声功率比为1 SNR 1 时 入射到探测器件上的辐射通量 单位为瓦 这时 入射到探测器上的辐射功率所产生的输出电压 或电流 等于探测器本身的噪声电压 或电流 一般一个良好的探测器件的NEP约为10 11W NEP越小 噪声越小 器件的性能越好 探测率与归一化探测率 探测率D定义为噪声等效功率的倒数经过分析 发现NEP与检测元件的面积Ad和放大器带宽 f乘积的平方根成正比归一化探测率D 即D 与探测器的敏感面积 放大器的带宽无关 返回 四 线性度 线性度是描述光电探测器输出信号与输入信号保持线性关系的程度 在某一范围内探测器的响应度是常数 称这个范围为线性区 非线性误差 max I2 I1 max 实际响应曲线与拟合曲线之间的最大偏差 I2和I1 分别为线性区中最小和最大响应值 五 工作温度 工作温度就是指光电探测器最佳工作状态时的温度 光电探测器在不同温度下 性能有变化 例如 半导体光电器件的长波限和峰值波长会随温度而变化 热电器件的响应度和热噪声会随温度而变化 半导体光电检测器件及应用 光电管与光电倍增管光敏电阻光电池与四象限光电池光电二极管及阵列光电二极管光电三极管发光器件与光耦合器件PSD与CCD器件 光电管与光电倍增管 外光电效应器件 光电管是依据光电发射效应而工作的一种光电探测器 主要由光电阴极K 阳极A和管壳组成 分为真空光电管和充气 增益气体 光电管 接收形式有反射型和透射型 光电阴极 银氧铯光电阴极 锑化物光电阴极 负电子亲和势光电阴极 决定带宽 峰值波长 光电特性和伏安特性曲线光电特性 1 2 3是真空光电管光电特性 在一定范围内光电流与光照度为线性关系 4 5 6是充气光电管光电特性 二者相比 真空光电管线性好 动态范围大 稳定性好 但灵敏度低一些 在不同的入射P下 u 50 100V时 所有的光电子都能到达阳极 光电流饱和 电压再增高 光电流不在增大 在饱和区 当u一定时光电流与入射功率成线性变化 光电管要求工作在饱和区 即u要高于50 100V 伏安特性 光电管两端电压与流过电流关系 由偏置电路u Ub iRL 1 无光照情况 当光照功率 0时 电流i不为零 暗电阻Rd u i 1 称为光电管的暗电导 漏电导 2 表征光电管进入饱和区快慢的参数G0饱和电导 初始电导 设对应于M点的电压与电流分别为U0 转折电压 I0 则I0 G0U0 G0称为光电管的饱和电导 因为OM是所有曲线进入饱和区的分界线 3 光电管的工作负载线伏安特性 u Ub iRL Ub为偏置电压 u为光电管两端电压 i 0 u Ub u 0 i Ub RL MH线即为光电管的工作负载线 当偏置电压一定时 RL从零到无穷 负载线从垂直向左旋转900 4 光电管线性工作区确定光电管线性工作区是指光功率的变化与电流和电压变化成线性关系的区域 设 0为如射入光功率的直流分量 max min为变化区间 即负载线必须在M点的上方通过 对M点 I Id IpG0U0 GU0 S maxU0 S max G0 G U0称为转折电压 计算负载电阻和偏置电压 为保证最大线性输出条件 负载线和与对应的伏安线交点不能低于转折点M Ub U0 GL G0U0当Ub已知时 可计算出负载电导GL或电阻RL为 当RL 1 GL为已知时 可计算出偏置电源电压Ub为 计算输出电压幅度当输入光通量由 min变化到 max时 输出电压幅度为 U Umax U0 GL Ub Umax GUmax S min 在H点 GL Ub U0 GU0 S max 在M点 电压幅度与输入光通量的增量和光电灵敏度成正比 与结间漏电导和负载电导之和成反比 计算输出电流幅度 I Imax Imin GL U通常GL G I S max min S 计算输出电功率由功率关系P I U可得若仅要求输出光电流 可选择Ub U0RL 频率特性 从电路的观点看 光电管等效为一个高内阻的电流源 其等效电路可表示为 图中 为光电管电容 由于内阻很大 由等效电路得截止频率为 环境和温度变化使光电管的灵敏度和暗电流发生变化 要求温度保持在 C 光电倍增管 光电倍增管结构原理如图所示 由光电阴极K 阳极A和倍增极及管壳组成 倍增极由某些金属 半导体及氧化物等负电子亲和势材料组成 其特点是受到高速电子轰击产生二次电子发射获得很高的电流内增益 供电电压为千伏数量级 采用电阻或齐纳稳压管分压 分级电压为百伏数量级 两种供电电路 阳极接地 负高压供电 阴极接地 正高压供电 负高压供电可消除外部信号电路与阳极中间的电位差 输出光电流可直接与电流计或电流电压转换的运算放大器相连 正高压供电使用耐高压的耦合电容输出信号 用于交流或信号脉冲测量系统 信号输出方式 光电倍增管用以检测微弱的光信号 其输出电流很小 常采用放大器输出 光电特性和伏安特性 光电倍增管的光电特性与伏安特性与真空管十分相似 其分析方法与光电管基本一样 频率特性 截止频率为 噪声特性 由于温度变化 光电倍增管的暗电流产生较大的散粒噪声 因此在使用中一定要制冷 一 光敏电阻 光敏电阻是光电导型器件 光敏电阻材料 主要是硅 锗和化合物半导体 例如 硫化镉 CdS 硫化铅 PbS 锑化铟 InSb 等 特点 光谱响应范围宽 特别是对于红光和红外辐射 偏置电压低 工作电流大 动态范围宽 既可测强光 也可测弱光 光电导增益大 灵敏度高 无极性 使用方便 在强光照射下 光电线性度较差光电驰豫时间较长 频率特性较差 光敏电阻 LDR 和它的符号 符号 1 光敏电阻的工作原理 光敏电阻结构 在一块均匀光电导体两端加上电极 贴在硬质玻璃 云母 高频瓷或其他绝缘材料基板上 两端接有电极引线 封装在带有窗口的金属或塑料外壳内 如图 工作机理 当入射光子使半导体中的电子由价带跃迁到导带时 导带中的电子和价带中的空穴均参与导电 其阻值急剧减小 电导增加 返回 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 G GL Gd 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 光电流与光照强度 电阻结构的关系 设载流子的迁移率分别为 单位电场作用下的运动速率 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 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 光敏电阻的工作特性 光电特性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 CdS 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 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 光电导灵敏度 光电导G与照度E之比 光电导灵敏度与光敏电阻两电极间距离的平方成反比 其主要原因是光生载流子有一定的寿命 从电导公式也可以反映出来 因此光敏电阻常为蛇形面 并且不同波长的光 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 光电导增益光电导增益反比于电极间距的平方 量子效率 光电流与入射光子流之比 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 光敏电阻的信号输出 R 1 Gp Gd IL Ub R RL 当输入光通量变化时 IL Ub R R RL 2 由Gp SE S R 1 Gp Gd 得 R R2S IL Ub R R RL 2 UbR2S R RL 2 UL ILRL UbR2S RL R RL 2恒压偏置 负载电阻远小于光敏电阻 输出信号与光敏电阻值无关 用于光控电路 恒流偏置 光敏电阻的偏置电压 每个光敏电阻都有额定的最大耗散功率Pmax 在一定的光照下 要求 IL2R Pmax 即Ub Pmax R 0 5 R RL 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 温度特性 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 3mm工作温度 40 80oC温度系数 1极限电压 10 300V耗散功率 100W时间常数 5 50ms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 光电池 光伏工作模式 光电池是根据光生伏特效应制成的将光能转换成电能的一种器件 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 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 方向为N P 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 硅光电池在N型硅片上扩散P型杂质 如硼 形成一个P N结 受光面是P型层 代号2CR 或在P型硅片上扩散N型杂质 如磷 形成一个N P结 受光面是N型层 代号2DR 高参杂的目的使空间势垒加宽 增加光生载流子数目 减小反向饱和电流 受光面有二氧化硅抗反射膜 起到增透作用和保护作用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 1 光谱响应度 硅光电池响应波长0 4 1 1微米 峰值波长0 8 0 9微米 硒光电池响应波长0 34 0 75微米 峰值波长0 54微米 2 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 光电池伏安特性曲线 3 光电池等效电路等效为一个电流源与一个普通二极管的并联电路 光电池短路电流与开路电压与入射光强度变化关系由P31图3 14表示 由于ISC Ip S 因此 短路电流与受光面积成正比 开路电压与与受光面积的对数成正比 如图3 15所示 短路或线性电流放大是一种电流变换状态 在这种状态下 后续电流放大级作为负载从光电池中吸取最大的输出电流 为此要求负载电阻或后续放大电路的输入阻抗尽可能小 在短路状态下 由于输出电流与入射光功率成正比 在器件噪声较低情况下 适合于弱光信号的检测 105页 开路电压应通过高输入阻抗放大器与后续放大电路连接 同一光电池的开路电压与光电池光敏面受光面积的对数成正比 但开路电压并不会无限增大 它的最大值受结势垒的限制 通常 光电池的开路电压为0 45 0 6v 因此 可不加偏置作跳跃变化的光电开关 105页 当光电池用作太阳能电源时 可通过多个串联和并联方式增大输出电压和输出电流 光电池的负载特性 1 在一定的光照下 负载电阻RL由无穷变到零时 输出电压由将由Uoc变为零 而输出电流将从零增大到短路电流ISC 显然存在某一负载电阻RM 光电池的输出功率最大 近似求法 过开路电压及短路电流作伏安特性曲线的切线 两切线交于Q点 连接OQ与伏安特性曲线交于M点 此时 矩形面积最大 即为最大的输出功率 此时近似认为UM 0 7Uoc IM ISC 即RM 0 7Uoc ISC 图4 12 2 当负载电阻很小时 可得到与输入光功率成正比的电流与电压信号输出 据 式中将上式展开得当IRL UT时 由于I0 I 若IRL UT即I S 令最大线性输出光电流为IM 相应的光通量为 M 则可得输出最大线性电压的临界电阻为 RM UT IM 26 S M 负载上的电压信号变化为 U RM I 26 S M S 26 M 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 4 频率响应 光生载流子渡越时间 电路决定的时间常数 硅光电池频率特性好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2 3mV 度短路电流上升大约10 5 10 3mA 度 5 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 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 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 可以吸引大约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 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 四象限光电池 四象限光电池是用来确定光点在二维平面上的位置坐标 一般用于准直 定位 跟踪等方面 它是用集成电路光刻技术将一个圆形或方形的光敏面窗口隔成几个面积相等 形状相同 位置对称 背面为整片 的区域 是四象限光探测器的一种 如 硅光电二极管 雪崩光电二极管 和差电路形式 设器件的坐标线与基准线成水平安装 电路的连接是先计算相邻象限信号的和 再计算信号的差 设光斑形状是弥散圆 半径为r 光密度均匀 投影在四象限探测器每个象限上的面积分别为SA SB SC SD 由运算电路输出偏离信号ux和uy ux K uA uB uC uD uy K uA uD uB uC 为了消除光斑自身能量变化常采用和差比幅电路Ux ux uA uB uC uD Uy uy uA uB uC uD 2 直差电路形式 若器件的坐标线和基准线间成450角安装 输出偏移量为 ux K uA uC uA uB uC uD uy k uB uD uA uB uC uD 光敏二极管 光敏二极管与光电池一样 基本结构为一个PN结 其特点是结面积小 频率特性非常好 光生电动势与光电池相同 但输出光电流比光电池小 一般为微安量级 种类 锗光敏二极管 红外 硅光敏二极管 图3 21采用N型单晶硅形成P N结 型号为2CU 采用P型单晶硅形成N P结 型号为2DU 环型光电二极管有三根引线 环极接电源正极 通过一电阻接前极 N极 也可不用 由图3 21 3 22 硅光电二极管可采用聚焦透镜作入射窗口如图3 23所示 光电二极管 光敏二极管 光敏二极管符号光敏二极管接法 外加反向偏压 与光电池不同 光敏二极管一般在负偏压情况下使用 10v 大反偏压的施加 光生载流子快速通过结区电子 空穴复合机会少 提高光敏二极管的灵敏度 增加了耗尽层的宽度 结电容减小 提高器件的频响特性 但是 为了提高灵敏度及频响特性 却不能无限地加大反向偏压 因为它还受到PN结反向击穿电压等因素的限制 光谱特性与电流灵敏度 常温下硅光电二极管的峰值波长为0 9 m 带宽为0 4 1 1 m 在峰值波长处量子效率大于50 电流灵敏度大于0 4 A W 图3 25所示 光敏二极管体积小 灵敏度高 响应时间短 光谱响应在可见到近红外区中 光电检测中应用多 在较小的负载电阻下 光电流与入射光功率有较好的线性关系 光电特性曲线 频率响应特性 硅光电二极管是半导体光电器件中最好的一种 因此 特别适用于快速变化的光信号探测 光电二极管的频率响应主要由两个因素决定 1 光生载流子在耗尽层内的漂移时间 2 与负载电阻并联的结电容所决定的电路时间常数 等效电路 伏安特性曲线 反向偏置可以减小载流子的渡越时间有利于提高器件的灵敏度和响应时间 但反向偏置电压不能太高 以免雪崩击穿 光敏二极管在无光照时的暗电流为二极管的反向饱和电流 光照时的光电流与反向饱和电流同方向 在较低的反向电压作用下 光电流随反向偏压的变化比较明显 因反向偏压增加使结电场增强 提高了结区光生载流子的收集效率 当反向偏压进一步增加时 光生载流子的收集接近极限 光电流接近饱和 此时二极管可视为恒流源 光电流取决于入射光功率 如图3 24所示 噪声特性 光电二极管常用于微弱信号的探测 其噪声主要包括散粒噪声 和电阻的热噪声 信号输出时应遵循噪声匹配原则 P i N硅光敏二极管和雪崩光敏二极管 选择高电阻率的基体材料 本征层 一定厚度的i层 具有高速响应特性 i层所起的作用 1 反偏电压主要集中i区 光生电子 空穴立即被电场分离 快速漂移 2 实际上增加了耗尽层厚度使结电容下降 3 高电阻率的i层使暗电流明显减小 PIN管的最大特点是频带宽 可达10GHz 另一特点是线性输出范围宽 缺点 由于I层的存在 管子的输出电流小 一般多为零点几微安至数微安 雪崩光敏二极管 是借助强电场作用产生载流子倍增效应的一种高速光电器件 由于存在因碰撞电离引起的内增益机理 雪崩管具有高的增益和极快的时间响应特性 当光敏二极管的PN结上加相当大的反向偏压时 10V 增大到160V 在结区产生一个很高的电场 使进入场区的光生载流子获得足够的能量 通过碰撞使晶格原子电离 而产生新的电子 空穴对 新的电子 空穴对在强电场的作用下分别向相反方向运动 在运动过程中 又有可能与原子碰撞再一次产生电子 空穴对 只要电场足够强 此过程就将继续下去 达到载流子的雪崩倍增 通常 雪崩光敏二极管的反向工作偏压略低于击穿电压 雪崩光电二极管的倍增电流 噪声与偏压的关系曲线 在偏置电压较低时的A点以左 不发生雪崩过程 随着偏压的逐渐升高 倍增电流逐渐增加从B点到c点增加很快 属于雪崩倍增区 偏压再继续增大 将发生雪崩击穿 同时噪声也显著增加 如图中c点以上的区域 因此 最佳的偏压工作区是c点以左 否则进入雪崩击穿区烧坏管子 击穿电压会随温度漂移 必须根据环境温度变化相应调整工作电压 雪崩光电二极管具有电流增益大 灵敏度高 频率响应快 带宽可达100GHz 是目前响应最快的一种光敏二极管 不需要后续庞大的放大电路等特点 因此它在微弱辐射信号的探测方向被广泛地应用 在设计雪崩光敏二极管时 要保证载流子在整个光敏区的均匀倍增 这就需要选择无缺陷的材料 必须保持更高的工艺和保证结面的平整 其缺点是工艺要求高 稳定性差 受温度影响大 雪崩光电二极管与光电倍增管比较 体积小结构紧凑工作电压低使用方便但其暗电流比光电倍增管的暗电流大 相应的噪声也较大故光电倍增管更适宜于弱光探测 光敏二极管阵列 将光敏二极管以线列或面阵形式集合在一起 用来同时探测被测物体各部位提供的不同光信息 并将这些信息转换为电信号的器件 光敏三极管 光电三极管 光电三极管是由光电二极管和一个晶体三极管构成 相当于在晶体三极管的基极和集电极间并联一个光电二极管 同光电二极管一样 光电三极管外壳也有一个透明窗口 以接收光线照射 日前用得较多的是NPN和PNP两种平面硅光电三极管 普通三极管的工作原理 发射结加正向电压 集电结加反向电压 因此 发射结势垒减小 发射区的多数载流子电子在正向电压作用下 扩散到基区 形成发射极电流IE 其方向与电子流动方向相反 与此同时 基区空穴也扩散到发射区 但由于发射区杂质浓度比基区高得多 这部分空穴电流可忽略 由发射区来的电子注入基区后 在基区靠近发射结的边界积累起来 在基区中形成了一定的浓度梯度 靠近发射结附近浓度最高 离发射结越远浓度越小 电子向集电结方向扩散 在扩散过程中又会与基区中空穴复合 同时接在基区的电源正端不断从基区拉走电子 好像不断供给基区空穴 使基区的空穴浓度基本维持不变 形成基极电流IB 集电结势垒增加 使集电结的电子和基区的空穴很难通过集电结 对基区扩散到集电结边缘的电子却有很强的吸引力 形成集电结电流IC 但基区中少数载流子电子和集电区少数载流子空穴在结电场作用下形成反向饱和电流 但很小 电流分配关系 IE IB IC IC IE 0 9 0 99 1 IC IBIE IB 1 1 光电三极管工作原理 NPN光电三极管 3DU型 基区和集电区处于反向偏置 光敏区是基区 管子的基极开路 光照基区产生电子空穴对 光生电子在内电场作用下漂移到集电结 空穴留在基区 使基极与发射结的电位升高 发射结正向偏置 发射结便有大量电子经基极流向集电结 光照越强 最后形成光电流越大 光电三极管不受光时 相当于普通三极管基极开路的状态 集电结 基 集结 处于反向偏置 基极电流等于0 因而集电极电流很小 为光电三极管的暗电流 与普通二极管不同的是 集电极电流是由基极 集电结上产生的光电流控制 集电结起双重作用 把光信号变成电信号 起光电二极管作用 使光电流在放大 起一般晶体管作用 光电三极管等效于一个光电二极管与一般三极管基极 集电极结的并联 一般基极不需外接点 所以通常只有集电极和发射极两个引脚线 2 光电特性光电三极管与光电二极管相比 具有较高的输出光电流 但线性差线性差主要是由电流放大倍数 的非线性所致一般光敏三极管不能作线性转换元件 但可以作开关元件使用 管不能作线性转换元件 但可以作开关元件使用 光电三极管的光照特性 3 光敏三极管的伏安特性硅光电三极管的光电流在毫安量级 硅光电二极管的光电流在微安量级 在零偏压时硅光电三极管没有光电流输出 光电三极管必须在一定的偏置电压作用下才能工作 当偏压达到5V时 集电结的收集能力达到极限 为此光电三极管应工作在偏置电压大于5V的线性区 工作电压较低时输出电流有非线性 光电三极管的非线性更严重 因为放大倍数与工作电压有关 硅光电三极管 硅光电二极管 4 4光敏三极管的温度特性温度特性反映光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系 温度变化对光电流和暗电流都有影响 对暗电流的影响更大 光电三极管的光电流和暗电流受温度影响比光电二极管大得多 光敏三极管的 调制 频率特性1 集电结和发射结电容的充 放电时间2 电子渡越基区所需要的时间3 电子扫过结势垒区的渡越时间一般来说 光敏三极管的频率响应比光敏二极管差 光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响 减小负载电阻可以提高频率响应 对于锗管 入射光的调制频率要求在5000Hz以下 硅管的频率响应要比锗管好 光敏三极管的应用 1 晶体管输出方式2 集成光电器件达林顿输出 有光照时可得到一个稳定高增益的输出电信号 利用光电三极管与多个三极管集成构成的集成光电器件 第四章发光 耦合和成像器件 4 1发光二极管4 2激光器4 3光电耦合器件4 4CCD 4 1发光二极管 发光二极管 LED 的类型发光二极管的原理发光二极管的特性发光二极管的应用 发光二极管 LED 光源的分类 根据光源的光谱宽度 非相干光源与相干光源热辐射光源 任何物体只要其温度大于热力学温度会向外界辐射能量 辐射特性与温度有关 白炽灯 卤钨灯 发光光谱是连续的 光辐射由通电加热产生 气体放电光源 在电场作用下激励出电子和离子 电子向阳极离子向阴极运动过程中获得能量 再次与气体分子或原子碰撞激励出电子和离子 这一过程有些电子会跃迁到高能级 但不稳定 自发的回到低能级 当回到低能级时伴随光的辐射 汞灯 脉冲氙灯 汞原子释放出来的光子大部分在紫外区域 这些高能量的光子 紫外线 在和荧光粉的撞击之间产生了白光 固体发光光源 发光二极管LED 2 发光二极管 LED 的工作原理 发光二极管是把电能直接转换为光能的半导体器件 其基本结构是PN结 在施加正向电压时 即管内流过一定的电流后 在外电场作用下 P区的空穴和N区的电子向对方扩散运动 构成少数载流子的注入 从而在PN结附近产生导带电子和价带空穴的复合 在复合过程中 释放与材料