光电检测器件

光电检测技术,第三章,第三章光电检测器件,主要教学内容：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3.4热电检测器件,3.1光电器件的类型与特点,光电效应：光照射到物体表面上使物体的电学特性发生变化。光电子发射：物体受光照后向外发射电子多发生于金属和金属氧化物。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。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。,光电检测器件（按工作机理分类）,光子器件,热电器件,真空器件,固体或半导体器件,光电管光电倍增管真空摄像管,光导型：光敏电阻光伏型：光电池光伏型：光电二极管光伏型：光电三极管光纤传感器电荷耦合器件CCD,热电偶/热电堆热辐射计/热敏电阻热释电探测器,3.1光电器件的类型与特点,光电器件类型：,光电器件特点：,3.1光电器件的类型与特点,第三章光电检测器件,主要教学内容：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3.4热电检测器件,3.2光电器件的基本特性参数,一、光电检测器件的概念利用物质的光电效应把光信号转换成电信号的器件。二、有关响应方面的特性参数1、响应度（灵敏度）响应度是光电探测器输出信号（电压或电流）与输入辐射功率之间关系的度量。,2、光谱响应度光电探测器的输出信号与入射到探测器上的单色辐通量（光通量）之比。数值越大则意味着探测器越灵敏。3、积分响应度探测器对连续辐射通量的反应程度。它是光电探测器的输出信号与入射到探测器上的总光通量之比。,输出光电流,总光通量,4、响应时间描述光电探测器对入射辐射响应快慢地一个参数。即当入射辐射到光电探测器后或入射辐射被遮断后，其输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需要的时间。,入射光,t,t,I光,1,0.9,0.1,tr,tf,入射光脉冲方波,响应时间,5、频率响应光电探测器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性。其关系如下：,1,0.707,f,f上,频率响应曲线,上限截止频率,3.2光电器件的基本特性参数,三、有关噪声方面的参数,（一）光电检测器件的噪声1、热噪声（约翰逊噪声）载流子无规则的热运动造成的噪声。主要用热噪声电压或电流表示。2、散粒噪声（散弹噪声）穿越势垒的载流子的随机涨落所造成的噪声。,白噪声,（二）衡量噪声的参数,信噪比（S/N）在负载电阻RL上产生的信号功率与噪声功率之比，即,（5）,3.2光电器件的基本特性参数,四、其他参数,1、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量子数之比。,单个光子的能量为,辐通量为,量子流速率（每秒入射的光量子数）,每秒产生的光电子数,量子效率,2、线性度：描述探测器的光电特性或光照特性曲线输出信号与输入信号保持线性关系的程度。通常指器件中的实际响应曲线接近拟和直线的程度。一般用非线性误差来度量。3、工作温度：光电探测器最佳工作时的温度。,第三章光电检测器件,主要教学内容：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3.4热电检测器件,3.3半导体光电检测器件,一、光敏电阻,光敏电阻的蛇形结构,电极,在绝缘材料上装梳状光电导体封闭在金属或塑料外壳内，再在两端连上欧姆接触的电极而成。,目前一般采用禁带宽度较大的材料，使得在室温下能获得较大的暗电阻（无光照时的电阻）。,光敏电阻(LDR)和它的符号：,符号,光敏电阻,光敏电阻演示,暗电流（越小越好）,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，此时可得出光电导g与光电流I光的表达式为：,工作原理,g=gL-gdI光=IL-Id,光敏电阻的特性参数,对CdS光电导体，弱光照射下=1，强光下=0.5；为什么？,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）,2、伏安特性（光敏电阻的光电流与所加电压关系）,额定功耗线,设计时不应使电阻的实际功耗超过额定值,3、温度特性,相对光电导,T,光源色温2856K,1000lx,100lx,10lx,T升高，相对电导率下降，因此温度变化大时，应采取制冷措施，提高光敏电阻工作稳定性。,4、时间和频率响应,相对输出,频率,硒,硫化镉,硫化铊,硫化铅,特点：时间常数大（为什么？），上限频率低,光敏电阻为多数载流子运动,光敏电阻的优缺点1、优点：灵敏度高，工作电流大，光谱响应范围与所测光强范围宽、无极性使用方便；2、缺点：响应时间长、频率特性差、强光线性差、受温度影响大等。3、应用：主要应用在红外的弱光探测与开关控制。（照相机的电子快门等）,光敏电阻的应用电路,1、火焰检测报警器,PbS光敏电阻：Rd=1M,Rl=0.2M，峰值波长2.2um。,Vo,光敏电阻在恒压偏置电路的情况下输出的电流IP与处于放大状态的三极管发射极电流Ie近似相等。因此，恒压偏置电路的输出电压为,Uth,UR,光敏电阻的应用电路,2、照相机电子快门,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。,光敏电阻的应用电路,3、照明灯的光电控制电路,3.3半导体光电检测器件,二、光电池,光电池是一种利用光生伏特效应制成的不需加偏压就能将光能转化成电能的光电器件。,光电池的基本结构和工作原理,1、金属-半导体接触型（硒光电池）,基本结构：,2、PN结型,几个特征：1、栅(梳)状电极2、受光表面的保护膜3、上、下电极的区分,符号,硅光电池的特性参数,1、光照特性,伏安特性,由光电池的电流方程：,Rs,RL,VD,Ip,Is,IL,Ip=SE,Rs很小，可忽略，上式变为：,1、光照特性,硅光电池的特性参数,负载电流IL,RL1,RL2,RL3,RL4,RL4,RL5,RL=,RL=0,Isc1,Isc2,Isc3,Isc4,当IL=0时一般IpIs,当RL=0时，Isc=Ip=SE,当E=0时,1)、Voc，Isc与E的关系：,当IL=0，RL=时一般IpIs,且Ip=SE,硅光电池的特性参数,当V=0，RL=0时，,2)、Isc与E和RL的关系：,硅光电池的特性参数,当RL=0时，Isc=Ip=SE,当RL不为0时,为什么RL的增加会使光电流减小？,弱光照射时，线性度好；强光照时，电流出现饱和，负载电阻RL大时，容易出现饱和，负载电阻RL小时，能在较宽范围内保持线性关系。结论：如果获得比较大的光电线性范围，负载电阻不能取得过大。,光电池光照特性特征：1、Voc与光照E成对数关系；硅光电池典型值在0.45-0.6V。作电源时，转化效率10%左右，最大15.5-20%。2、Isc与E成线性关系，常用于光电池检测，硅光电池Isc典型值35-45mA/cm2。3、RL越小，线性度越好，线性范围越宽。4、光照增强到一定程度，光电流开始饱和，与负载电阻有关。负载电阻越大越容易饱和。,硅光电池的特性参数,VLS随RL的加大而升高，当RL为无穷大时，VLS等于开路电压Voc。RL趋近于0时，ILS趋近于短路电流Isc。在RL=RM时，PL为最大输出功率PM，RM称为最佳负载。光电池作为换能器件时要考虑最大输出问题，跟入射光照度也有关。作为测量使用，光电池以电流使用。短路电流Isc与光照度成线性关系，RL的存在使IL随光照度非线性的增加。RL增大，线性范围越来越小。,2、输出特性,硅光电池的特性参数,3、光谱特性（用单位辐射通量的不同波长的光分别照射时，光电池相对输出短路电流大小）,硅光电池的特性参数,4、温度特性,硅光电池的特性参数,总结：当光电池接收强光照时要考虑温度升高的影响。如硅光电池不能超过200度。,Voc,Isc,使用环境温度,Voc具有负温度系数，其值约为2-3mV/度。,Isc具有正温度系数，但随温度升高增长的比例很小，约为10-5-10-3mA/度,硅光电池的应用,1、光电池用作太阳能电池把光能直接转化成电能，需要最大的输出功率和转化效率。即把受光面做得较大，或把多个光电池作串、并联组成电池组，与镍镉蓄电池配合，可作为卫星、微波站等无输电线路地区的电源供给。,2、光电池用作检测元件利用其光敏面大，频率响应高，光电流与照度线性变化，适用于开关和线性测量等。,路灯自动控制器,220V,C1,路灯,CJD-10,8V,200F,200F,C2,C3,100F,R1,R3,R5,R7,R4,R6,R7,R2,J,470k,200k,10k,4.3k,BG1,280k,25k,57k,10k,BG2,BG3,BG4,2CR,（四）光电池的应用光电开关，激光准直，太阳能转换为电能(硅光电池)等。,光电池外形,光敏面,能提供较大电流的大面积光电池外形,其它光电池及在照度测量中的应用,柔光罩下面为圆形光电池,光电池在动力方面的应用,太阳能赛车,太阳能电动机模型,太阳能硅光电池板,光电池在动力方面的应用（续）,太阳能发电,光电池在动力方面的应用（续）,光电池在人造卫星上的应用,三、光敏（电）二极管（一）结构与原理1、结构：（1）典型光电二极管结构,上栅状电极,SiO2,P区,N区,下电极,PN结光电二极管,入射光,N型单晶硅及硼（B）扩散工艺，称为P+N结构（图例所示型号2CU）P型单晶硅及磷（P）扩散工艺，称为N+P结构（型号是2DU）,光敏二极管,将光敏二极管的PN结设置在透明管壳顶部的正下方，光照射到光敏二极管的PN结时，电子-空穴对数量增加，光电流与照度成正比。,（二）光电二极管的特性参数1、光谱响应（1）影响因素表面层（半导体薄层与金属薄层）中的反射与吸收；材料的禁带宽度；表面抗反射涂层的性质与厚度；器件的结构。（2）相对光谱响应曲线,相对响应,波长,2DUL,2DU,2DU是普通光敏二极管，2DUL是经过锂漂移的硅光敏二极管,2、光照特性,光电流,反向电压,2500lx,2000lx,1500lx,1000lx,500lx,光电二极管光生电流、电压特性,负载电阻,光生电流,5000lx,2000lx,1000lx,500lx,零偏时，不同照度下光电流与负载电阻的关系,反向电压大到一定程度，光生电流与所加电压无关。,在较小的负载电阻下，表现出较好的线性。,光生电流,照度,3、温度特性,最大值,典型值,暗电流,温度,电流相对值,电压相对值,温度,温度,4、光敏二极管的反向偏置接法,在没有光照时，由于二极管反向偏置，所以反向电流很小，这时的电流称为暗电流，相当于普通二极管的反向饱和漏电流。当光照射在二极管的PN结（又称耗尽层）上时，在PN结附近产生的电子-空穴对数量也随之增加，光电流也相应增大，光电流与照度成正比。,光敏二极管的反向偏置接线（参考上页图）及光电特性演示,在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向电流（暗电流）很小。,当光照增加时，光电流I与光照度成正比关系。,光敏二极管的反向偏置接法,UO,+,光照,四、光敏（电）三极管,N,P,N,c,e,b,入射光,结构图,c,e,b,原理图,光电三极管相当于在基极与集电极之间接有光电二极管的普通三极管,光敏三极管外形,光敏三极管有两个PN结。与普通三极管相似，有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负（c、e）两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。,光敏三极管内部结构,a)内部组成b)管芯结构c）结构简化图1集电极引脚2管芯3外壳4玻璃聚光镜5发射极引脚6N+衬底7N型集电区8SiO2保护圈9集电结10P型基区11N型发射区12发射结,硅光敏晶体管的光谱特性,电磁波频谱,光敏二极管和光敏三极管的光电特性,0,光照,光电流,光敏三极管,光敏二极管,3000lx,4mA,请判断灵敏度的高低,0.3mA,请计算当E=100lx时，光敏二极管的光电流I,I,E,第三章光电检测器件,主要教学内容：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3.4热电检测器件,3.4热电检测器件,热电检测器件,热释电检测器（热释电效应）,热敏电阻（辐射热计效应）,热电偶和热电堆（温差电效应）,1、电介质的极化矢量与所加电场的关系,电介质,正电荷向阴极移动，负电荷向阳极移动，其结果使电介质一面带正电，另一面带负电，这种现象称为电极化，而电极化状态建立到停止的时间内会产生位移电流。,热释电器件的工作原理,Ps,Ps,E,E,Ec,一般电介质,铁电体电介质,一般电介质在电压去除后，极化状态随即消失，但铁电体电介质在外加电压去除后，仍保持极化状态，这就是“自发极化”。极化强度Ps（单位面积上的电荷）与温度有关（温度上升，极化强度降低），升到一定温度时，自发极化消失，该温度称为居里温度。,2、结构,窗口,上电极,TGS,下电极,基片,管座,管壳,铟环,电极引线,把已完成好电极工艺的TGS热敏元件连同衬底贴于普通晶体管管座上，上下电极通过导电胶、铟球或细钢丝过渡到管脚，加窗口封装后，即成为完整的TGS热电探测器。,热释电传感器在人体检测、报警中的应用,热释电元件在红外线检测中得到广泛的应用。它可用于能产生远红外辐射的人体检测，如防盗门、宾馆大厅自动门、自动灯的控制等。,热释电元件外形,热释电传感器简介,热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。早在1938年，有人提出过利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视，直到六十年代才又兴起了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用。热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器。除了在楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域得到应用。比如：在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机；电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的电路；开启监视器或自动门铃上的应用；摄影机或数码照相机自动记录动物或人的活动等等您可以根据自己的奇思妙想，结合其他电路开发出更加优秀的新产品。或自动化控制装置。,热释电传感器的内部电路,两块反向串联的热释电晶片,场效应管,热释电传感器工作原理,菲涅尔透镜,热释电晶片,热释电晶片表面必须罩上一块由一组平行的棱柱型透镜所组成菲涅尔透镜，每一透镜单元都只有一个不大的视场角，当人体在透镜的监视视野范围中运动时，顺次地进入第一、第二单元透镜的视场，晶片上的两个反向串联的热释电单元将输出一串交变脉冲信号。当然，如果人体静止不动地站在热释电元件前面，它是“视而不见”,热释电传感器工作原理,菲涅尔透镜外形,传感器不加菲涅尔透镜时，其检测距离小于2m，而加上该透镜后，其检测距离可增加3倍以上。,热释电套件,热释电报警器,菲涅尔透镜,设定按钮,高分贝喇叭,热释电报警器（续）,菲涅尔透镜,5mm接插件,热释电报警器（续）,吸顶式热释电报警器,热释电传感器用于自动亮灯，当然也可以用于防盗,热释电传感器的感应范围,热释电传感器应用,热释电感应灯,热释电传感器,自动感应灯（参考施特朗公司资料）,热释电传感器在智能空调中的应用,智能空调能检测出屋内是否有人，微处理器据此自动调节空调的出风量，以达到节能的目的。,空调中，热释电传感器的菲涅尔透镜做成球形状，从而能感受到屋内一定空间角范围里是否有人，以及人是静止着还是走动着。,上下范围,左右范围,3.4热电检测器件,1、结构与原理由热敏材料制成厚度为0.01mm左右的薄片电阻粘合在具有导热能力的绝缘衬底上，电阻体两端蒸发金电极，同外电路连接，再把衬底同一个热容量很大的、导热性良好的金属基体连接，红外辐射通过探测窗口投射到热敏元件上，引起元件的电阻变化，通常在热敏元件表面用发黑材料进行表面黑化，增强对辐射的吸收能力。,导热基体,衬底,粘合剂,热敏元件,发黑材料,金电极,电极引线,2、热敏电阻的外形、结构及符号,a）圆片型热敏电阻b）柱型热敏电阻c）珠型热敏电阻d）铠装型e）厚膜型f）图形符号1热敏电阻2玻璃外壳3引出线4紫铜外壳5传热安装孔,MF12型NTC热敏电阻,聚脂塑料封装热敏电阻,3、热敏电阻外形,4、其它形式的热敏电阻,玻璃封装NTC热敏电阻,MF58型热敏电阻,带安装孔的热敏电阻,大功率PTC热敏电阻,贴片式NTC热敏电阻,4、其它形式的热敏电阻,MF5A-3型热敏电阻,MF58型（珠形）高精度负温度系数热敏电阻,其他形式的热敏电阻（续）,MF58型（珠形）高精度负温度系数热敏电阻,MF5A-3型热敏电阻,热敏电阻用于CPU的温度测量,（参考小熊在线公司资料）,3.4热电检测器件,先看一个实验热电偶工作原理演示,结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。,热电极A,右端称为：自由端（参考端、冷端）,热电偶的工作原理,左端称为：测量端（工作端、热端）,热电极B,热电势,A,B,通过以上演示得出结论有关热电偶热电势的讨论,热电偶两结点所产生的总的热电势等于热端热电势与冷端热电势之差，是两个结点的温差t的函数：EAB（T，T0）=eAB（T）-eAB（T0）,热电势大致与两个结点的温差t成正比,从实验到理论：热电效应,1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的指南针发生偏转（说明什么？），如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小（又说明什么？）。显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。,结点产生热电势的微观解释及图形符号,两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生热电势。,自由电子,A,B,eAB（T）,T,如何由热电偶的热电势查热端温度值,设冷端为0C，根据以下电路中的毫伏表的示值及K热电偶的分度表，查出热端的温度tx。,普通装配型热电偶的外形,安装螺纹,安装法兰,普通装配型热电偶的结构放大图,接线盒,引出线套管,固定螺纹（出厂时用塑料包裹）,热电偶工作端（热端）,不锈钢保护管,铠装型热电偶外形,法兰,铠装型热电偶可长达上百米,薄壁金属保护套管（铠体）,铠装型热电偶横截面,谢谢！,（二）光电池的结构,N型硒化镉,P型硒,PN结,半透明金属电极,电极引线（）,电极引线（）,硒光电池结构示意图,背电极引线,背电极,硅单晶,PN结,扩散层,上电极引线,上电极,SiO抗反射膜,硅光电池结构示意图,如果光照是连续的，经短暂的时间，PN结两侧就有一个稳定的光生电动势输出。,在N型衬底上制造一薄层P型层作为光照敏感面，就构成最简单的光电池。,当入射光子的能量足够大时，P型区每吸收一个光子就产生一对光生电子空穴对，光生电子空穴对的的扩散运动使电子通过漂移运动被拉到N型区，空穴留在P区，所以N区带负电，P区