光电子技术：第三章 光辐射探测器（2）

1、3.3.2 结型光电器件,3.3.2.1 基本原理,结型光电器件有N+P型 、P+N型，形成易受光照的PN结,N+P型,P+N型,光照射PN结，产生光电动势。用导线连接P区和N区，就有电流通过,结型光电器件等效于一个电流源和一个普通二极管的并联,受光照射时,0， 伏安特性与普通二极管完全一样,受光照射时，0,伏安特性曲线向下移动一距离I,第三象限：U0,I0,光敏二极管区域； 加反向偏压，光电导模式,第四象限：U0,I0,光电池区域； 自供电，光伏工作模式,U=0，短路情况，Isc与成线性关系,I=0，开路情况，Uoc与成非线性关系,光电池与光敏二极管虽然都是结型光电器件，但二者工作条件不同；

2、在制造产品时，它们的结构、工艺及受光面积均不同；两者的性能指标不一样，不能相互通用,3.3.2.2 光电池,主要有硒光电池、硅光电池、砷化镓光电池、锗光电池等。按用途可分为两大类,太阳能光电池，要求转换效率高、成本低,测量光电池，要求光照特性的线性度好,2CR型（PN）、2DR型（NP,硅光电池性能稳定、换能效率高，既可用于探测又可用作能源，应用广泛。有,2CR型,底面：负电极,光敏面： 梳状正电极，涂上二氧化硅保护膜,正、负极 银丝引线,一、基本特性,1.光照特性,光电池的开路电压为,硅光电池,硒光电池,硅光电池的光电动势Uoc在0.450.6V之间,开路条件,RD为光电池内阻,短路电流Is

3、c与照度成线性关系, 受光照结面积越大，Isc亦越大,光电池作测量时，应利用Isc， 电路应满足短路条件,光电池在不同照度下内阻不同,光照度越大， RD 越小， 要求RL 要更小,RL越小，光电流和照度的线性关系越好，而且线性范围也较宽,2.伏安特性,用光电流方向为电流的正方向,负载线方程,每条照度曲线有各自的拐点,通过拐点的负载线是光照特性是否线性的分界线,3.光谱特性,I/： 各波长入射光能量一定时的相对光谱响应,硅光电池 光谱响应范围： 4001100nm,峰值响应：约850 nm,4.频率特性,光电池的PN结面积大，极间电容大，因此频率特性较差,光电池的响应与调制光频率的关系,由表3.

4、3可见,要响应时间短，则,RL要小； 光电池的面积要小,选择合适的负载RL, 以兼顾频率特性和输出电压的要求,5.温度特性,光电池的温度特性主要指开路电压和短路电流随温度变化的情况,控制工作温度20较好,请仔细阅读 6.使用要点,二、基本电路,1.自偏置电路,光电池的优点在于能输出较大电流，常用在需输出大的电流的场合，如用于光电控制,用光电池的光电控制电路,光电池开路电压的应用,2.零伏偏置电路,短路工作情况，用于测量,放大器的输入电阻,A0104， Rf 100K,ri010,这种电路线性好，输出光电流大，噪声低，信噪比好，在辐射测量方面很重要,3.光电池作为能源的应用,光电池输出功率,选择

5、最佳负载电阻,工作点应选伏安特性相应照度曲线的拐点a,当照度大于500lx时，估算RM的简易公式为,照度不同，特性曲线的拐点不同，RM不同,需要根据全天日照情况，选一较为合适的负载,最佳负载随照度的变化,太阳能光电池品种很多，应用较多的有,单晶硅电池，换能效率1523,多晶硅电池，换能效率1219,非晶与多晶硅薄膜电池，换能效率913,3.3.2.3 光电二极管（PD,光电二极管与光电池不同之处,光电池掺杂浓度较高，约为10161019原子数/cm3， 而硅光电二极管约为10121013原子数/cm3,光电池的电阻率低，约为0.10.01/cm，而硅光电二极管则为1000/cm,光电池通常在零

6、偏置下工作，而硅光电二极管通常在反向偏置下工作,光电池的受光面积比硅光电二极管大得多，因此，硅光电二极管的光电流小得多，通常在微安级,硅光电二极管,2CU: P+N型, 有两根引出线：P,N,2DU: N+P型，有三根引出线 ：前极（N）、后极（P），环极,要点：2CU、2DU反向偏置；环极接法；等效电路,PD的封装：金属外壳,入射窗口有凸透镜、平镜,一、基本特性,1.光照特性,线性好； 灵敏度低 ：I/A,2.伏安特性,类似于普通三极管，光照取代了Ib,3.温度特性,硅光电二极管的光电流和暗电流均随温度而变化，要设法克服温度变化的影响,4.频率特性,光电二极管的结电容小，频率特性是半导体光电

7、器件中最好的一种。负载RL为1k时，截止频率可达1.5MHZ以上,二、特殊光电二极管,1.PIN光电二极管,大大减小结电容，频带宽，可达10GHZ,线性输出范围宽,输出电流很小，器件一般做成 PIN-FET模块,2.雪崩光电二极管（APD,工作电压很高，约100200V,管子有很高的内增益，可达102103,响应速度特别快，带宽可达100 GHZ,广泛应用于光纤通信、激光测距及光纤传感技术中,三、基本电路,1.缓变信号的基本电路,当入射光信号为恒定或缓变时，通常采用直流检测电路,直流负载线方程,为PD两端电压,由于普通PD输出电流小，通常要加直流放大器,用伏安特性曲线计算Ub 、RL、输出电压

8、、输出电流等参数，有,图解计算法,解析计算法,图解计算法直观方便,若直流放大器的输入电阻为ri,PD的偏置电阻RL1,则,RL 、Ub 对输出信号的影响,图解法计算,使直流负载线通过拐点M ,确定RL 或Ub,2.交变信号的基本电路,光电检测电路常常接收的是随时间变化的光信号，如调制光、干涉条纹和莫尔条纹等,检测电路要使用交流放大器,中频情况,微变等效电路,交流负载RL,交流负载线过拐点,高频情况,微变等效电路,对于调制频率2f的入射光,输出电压,光信号频率较高时,负载的选取要兼顾输出和频率响应两个方面,时间常数,光电二极管用于精密测量和信号传递。但它灵敏度低，易受温度影响。宜用噪声低、输入阻

9、抗高的场效应管作前置放大，并采用温度补偿,3.3.2.4 光电三极管,光电三极管是在光电二极管PN结的基础上，增加一个发射结，对光电流放大,有e、c两极引出线和e、c、b三极引出线的两种管子。后者若使用基极b，使光电三极管可同时加上电信号和光信号，进行双重控制，也可用来补偿温度变化，减小暗电流,3DU型：NPN,3CU型：PNP,集电结反偏置，发射结正偏置,光电三极管的工作有两个过程：一是光电转换，二是光电流放大,光电三极管可看作由一个硅光电二极管和普通晶体管组合而成,一、基本特性,1.光照特性,灵敏度高，输出电流毫安级,光照特性呈现出一定的非线性，在于不是常数。特性曲线中部近似线性,2.伏安

10、特性,光电三极管的伏安特性与光电二极管类似，特性曲线稍有不同,在零偏压时硅光电三极管没有光电流输出,在一定的偏压下，硅光电三极管的伏安特性曲线在低照度下较均匀，在高照度时曲线越来越密,用伏安特性曲线进行电路参数计算同光电二极管,3.温度特性,光电三极管受温度的影响比光电二极管大得多,4.频率特性,频率特性比光电二极管差,二、基本电路,1.测量电路,光电三极管可看成是一个灵敏度高的光电二极管。光电流较大，使用较方便。用作测量时，其基本电路与光电二极管相同,接电阻Rb，使rbe 减小并趋于稳定，可使暗电流及随温度的变化减小,除用Rb 以外，还利用二极管进行温度补偿。Re作反馈电阻，可改善测量的线性

11、,利用基极引出线，形成基极偏流，减小了光电三极管的rbe ，还有利于提高频率特性,2.控制电路,用无基极引出线的硅光电三极管作光控继电器。无光照时集电极电流基本为零，使继电器灵敏而准确地工作,电流控制,电压控制,亮通电路,暗通电路,有斯密特触发器的光控电路,光线明暗渐变，达预定亮度继电器准确动作,T2 、T3 组成斯密特触发电路，即射极耦合触发器,斯密特触发器输入（Ui)、输出（Uo)之间的关系如图,可见斯密特触发器能把渐变信号变为跃变信号，是双稳态电路，从而使继电器可靠地动作,JEC-2是内含斯密特触发器的IC片,当7脚电平上升，2脚电平突降,用JEC-2的暗通光电控制电路,3.3.2.5

12、光电场效应管,光电场效应管的结构与普通结型场效应管类似:有栅极、源极、漏极,光入射于栅源PN结，产生光生栅电压,UGS 控制ID,作用可等效为光电二极管与场效应管的组合,基本电路,无光照时沟道被夹断,有光入射光敏面时，光电流在栅电阻上产生压降,当,时，即有,使沟道开启的最小光照度为,光电场效应管可以通过改变RG的值调节光电灵敏度，这在实用中是很有意义的,光电场效应管比光电二极管有更高的灵敏度，噪声低，灵敏度可以调节。但响应速度慢， 一般只适宜探测恒定或缓慢变化的光信号,3.3.2.6 集成光电器件,随着半导体工艺的发展，出现了多种集成光电器件,一、光电器件与放大器的组合器件,1.达林顿光电管,

13、适于作光控继电器,2.光电二极管前置放大器组件,适于光信号测量,二、列阵式光电器件,列阵式器件中，各光敏单元是独立的,光敏元密集度大，总尺寸小，容易作到各单元参数一致，便于信号处理,三、象限式光电器件,可以用来确定光点在二维平面上的位置坐标，用于准直、定位、跟踪或频谱分析等,四、光电位置探测器（PSD,可确定光斑的能量中心的位置,对光斑位置连续测量，位置分辨率高，可同时检测位置和光强,一维PSD,二维PSD,五、光电耦合器,光电耦合器是发光二极管和光电接收器件组合的一种器件,输入端和输出端之间是通过光信号传输，对电信号起着隔离作用，没有电信号的反馈和干扰，因而性能稳定，是这种器件最突出的优点,

14、在逻辑电路中的应用,用于对抗干扰要求很强的场合,在开关电路中的应用,受电信号控制的无触点开关。控制电路和开关电路彼此间电隔离，可靠性高,交流耦合电路,信号传送，线性转换，抑制噪声效果好，抗干扰能力强,3.3.3 光电发射器件,3.3.3.1 光电管,光电管体积较大，工作电压高达百伏到数百伏，玻壳容易破碎。已基本被半导体光电器件所代替,3.3.3.2 光电倍增管(GDB,光电倍增管是内部有电子倍增机构的真空光电管，内增益极高，是目前灵敏度最高的一种光电探测器,一、结构与原理,1.光窗,光窗是入射光的通道，光电倍增管光谱特性的短波阈值决定于光窗材料,2.光电阴极,光电阴极的作用是光电转换，接收入射

15、光，向外发射光电子。有常规光电阴极、NEA光电阴极,光电倍增管光谱特性的长波阈值决定于光电阴极材料，同时对整管灵敏度也起决定性作用,光窗有端窗式、侧窗式,NEA光电阴极是现代最优秀的阴极,3.电子光学系统,通过电场加速和控制电子运动路线，使极间电子收集率接近于1，渡越时间零散最小,4.电子倍增系统,倍增系统是由许多倍增极组成的，是决定整管灵敏度最关键的部分,二次电子发射,具有足够动能的电子轰击某些材料时，材料表面将发射新的电子,入射电子：一次电子；n1 ，i1,出射电子: 二次电子；n2 ，i2,是一次电子能量EP的函数,常用的倍增材料有下面几种类型,实用的倍增材料应具有： 在低电压下有大的值

16、 ； 热发射要小 ；二次电子发射要稳定,复杂的半导体型：如锑铯(CsSb)、锑铯钾(KCsSb)等，它们是良好的光电阴极材料，也是常用的二次电子发射材料,氧化物型：主要是氧化镁（MgO,合金型：主要是银镁、铝镁、铜镁、镍镁、铜铍等,NEA型：主要有（GaP:Cs）和(Si:CsO)等,倍增极结构,5.阳极,要求具有较高的电子收集率，能承受较大的电流密度，在阳极附近的空间不致产生空间电荷效应。目前阳极广泛采用栅网状结构,二、主要参数和特性,1.灵敏度,阴极积分灵敏度,阳极积分灵敏度,2.电流增益,3.光电特性,线性区范围相当宽,灵敏度很高,工作时要求阳极电流不得超过额定值，一般在100A以下,光

17、电倍增管只适用于测量非常微弱的光信号,4.光谱特性,取决于光电阴极的材料,NEA,5.伏安特性,光电倍增管的伏安特性一般是指阳极电流与最后一级倍增极和阳极间的电压的关系,曲线形状与PD的相似,同样可以利用伏安特性进行负载电阻设计，输出电流、输出电压的计算等，计算方法参照光电二极管,6.频率特性,频率高达1MHZ以上，仍有高的灵敏度,7.暗电流,指各电极都加上正常工作电压以后，阴极无光照时阳极的输出电流,GDB中产生的暗电流的因素较多，如：阴极和靠近阴极的倍增极的热电子发射；阳极或其它电极的漏电；由于极间电压过高而引起的场致发射等,8.疲乏特性,GDB工作中随时间的延长灵敏度下降,是鉴别GDB质量的重要参量之一,使用时忌强光照射；不使用时，应存放在黑暗的环境中,9.放大特性,电源电压升高，电子在电场中的速度加快，动能增大，在倍增电极中可以打出更多的二次发射电子，因而放大系数或灵敏度增大。这一特性可以用来自动调节光电倍增管的灵敏度,三、供电电路,光电