《光电检测技术》投影片3

1、第三章 光电检测器件 3.1 光电探测器中的噪声1 光电测量系统的噪声情况A光子噪声（信号辐射、背景辐射噪声）B探测器噪声（如以下所述五种噪声）C信号放大与处理电路噪声 2 光电探测器中的噪声 A热噪声。是白噪声，存在于任何导体和半导体中。载流子热运动引起的电流起伏或电压起伏称热噪声，又称电阻噪声。 热噪声均方电流： (当f1012Hz时) 热噪声均方电压： （当f200Hz时，器件的1/f噪声已很小，可忽略。 均方电流：fqTin 22222214fNfIionffcIin2 E温度噪声。由于器件本身温度起伏产生。温度起伏均方值： 注： 噪声等效带宽f的求法： （即噪声带宽f求法） 其中A(

2、f)为光电系统中放大器的功率增益。222214ttnfGfkTt 01dffAAfm3 上述各种噪声的功率谱分布图 噪声的功率谱S（f）：指噪声功率随频率变化关系。S(f)数值为频率f的噪声在 1电阻上能产生的功率。 对两种典型情况： A、白噪声：S(f)常数； B、1/f噪声：S(f)1/f。 光电探测器噪声的功率谱分布示意图3.2 探测器的主要特性参数 1 响应率与光谱响应率： (单位：V/W) 若知 （光通量，单位为：V/1m或A/1m）则有 或eVS e )()(eVVS eIIS 2 等效噪声功率NEP和探测率： 探测率为探测器测量最小光信号能力的指标。 (W) 22SiiIennI

3、NEPwiSnNEPDI121归一化探测率为: (单位: )Ad为探测器面积 表示用温度500K的黑体做光源，调制频率为900Hz，测量带宽为1Hz等测量条件。 fDDAd*WHtcm1211 ,900,500*KD 3 响应时间 （阶跃光输入时） 上升时间 一般等于下降时间探测器的上限频率探测器的 为： = 4 线性 上下210f fS fSffS22103.3 光敏电阻 1 工作原理 光敏电阻是利用半导体材料的光电导效应制成的半导体光电导器件。在均质的光电导体两端加上电极后构成光敏电阻。光敏电阻两端电极加上一定电压后，当光照射到光电导体上，光照将产生光生载流子，在外电场作用下，定向运动，形

4、成电流。其原理图及电路符号为： 光生载流子过程： nmEgEgqhc12400nmEEqhc12400 因此，光敏电阻的长波限为， 本征半导体： 掺杂半导体： 由于EEg，掺杂型可应用与红外波段。 2 光敏电阻的特点： 优点： a.光谱的范围相当宽（紫外，可见，近红外， 远红外），对红外有较高的响应度。 b.工作电流大，可达数mA。（可驱动继电器 吸合） c.可测强光，也可测弱光。 不足之处： a. 强光照射下光电转换线性较差。 b. 光电驰豫过程较长，频率响应很低。 3 光敏电阻的特性参数 光电导灵敏度Sg：光敏电阻的光电导g与输入光照度E之比即为光电导灵敏度。即 式中，A为光敏面积；为入射

5、的通量。由欧姆定律，电流I与电压U的关系为I=gU，将式中g=SgE代入得I=SgEU，此即弱光照时的线性关系。 电阻灵敏度SR： 暗电阻与亮电阻。AgEgSgddRRRRS亮 光电特性：光敏电阻的光电流I与输入辐射通量有下列关系式：I=AUr，其中A为光敏材料决定的常数；U为电源电压；r为0.5-1之间的系数。弱光照时，r=1，I与有良好的线性关系。即线性光电导；强光照时。r=0.5，即抛物线性光电导。以CdS光敏电阻为例的光电特性曲线如下图所示。 温度特性：光敏电阻的特性曲线很复杂。图2-14为CdS和Cd光敏电阻的温度特性。光敏特性受温度影响较大，为了提高性能的稳定性、降低噪声、提高探测

6、率，采用专门的冷却装置冷却灵敏面的办法是十分必要的。 伏安特性（输出特性）：在一定光照下，光敏电阻的电流与所加的光电压关系即为伏安特性。如图2-13所示，光敏电阻是一个纯电阻，因此符合欧姆定律，故曲线为直线，图中虚线为额定功耗线。使用时，应不使电阻的实际功耗超过额定值。在设计负载电阻时，应不使负载线与额定功耗线相交。 前历效应：前历效应是指光敏电阻的时间特性与工作前历史有关的一种现象。即测试前光敏电阻所处的状态对光敏电阻特性的影响。 时间和频率响应：光敏电阻的时间常数比较大，所以其上限频率低。只有PbS光敏电阻的频率特性稍好些，可工作到几千赫。光敏电阻的时间特性与输入光的照度、工作温度有明显的

7、依赖关系。 噪声：当工作频率f小于1KHz时，主要为1/f噪声；当1KHzf1MHz，主要是热噪声。由于光敏电阻的时间常数大，一般工作在低频段，所以主要表现1/f噪声。 4 光敏电阻的应用 光敏电阻有灵敏度高、工作电流大（达数毫安）、光谱响应范围与所测光强范围宽、无极性使用方便的优点。 但有响应时间长、频率特性差、强光性差与受温度影响的缺点。主要用在红外的弱光探测与开关控制。 3.4 光伏效应器件 3.4.1 概述1、什么是光伏效应： 如果固体内部存在一个内建电场，而且条件相当，则本征光吸收能产生的电子空穴对将会被电场分离，电子越向固体的一部分，空穴越向另一部分，两部分之间产生电势差，这就是光

8、伏特效应，接上外电路可以输出电流。PN结具有光生伏特效应。2、光伏效应与光电导效应： 后者表示材料受光辐射后，材料的电导率发生变化。二者相同点：都存在内光电效应。 3、PN结型光电器件与光敏电阻的区别： A、产生部位不同； B、光敏电阻没有极性，工作时必须外加电源，要让光生载流子在扩散中被复合掉，结型光电器件没有外加电路也可把光信号转换成电信号； C、前者响应速度较快，后者时间常数较大； D、有些结型光电器件内增益较大，灵敏度较高。4、结型光电器件的应用领域：广泛用于光度色度测量，光电自动控制，光电开关，光继电器，报警系统，电视传真，图像识别等系统等方面。5、结型光电器件的工作模式：结型光电器

9、件在有光照条件下，只有在反偏置或零偏置时，才产生明显的光伏效应。前者称（反偏置的）光电导工作模式，后者称（零偏置的）光伏工作模式。 6、光照下结型光电器件PN结的电流方程：IP：光激发电子空穴对在内建电场作用下光生电流。I0：PN结反向饱和电流。IL：光伏电压产生电流，总电流是二者之差。 其中IP =SEE （SE称光照灵敏度）IIIIPPDLkTqvI1exp03.4.2 光电池 光电池是根据光生伏特效应制成的将光能转变成电能的一种器件。目前应用较多的是硒光电池和硅光电池。硒光电池因光谱特性与人眼视觉很接近，频谱较宽，故多用于曝光表和照度计。硅光电池是目前转换效率最高（达到17%），几乎接近

10、理论极限的一种光电池。 1、光电池的结构 光电池核心部分是一个PN结，一般做成面积较大的薄片状，来接受更多的入射光。 作为光电探测器使用的可按不同测量要求特制。如光栅测量中使用的四等分硅光电池之类的多极电池组，电极数目有3、4、5个等多种。还有把光电池制成两个对称半圆式，四象限式，适合差分放大电路。2、光电池的特性参数 输出特性输出特性：PN结光电池伏安特性曲线在无光照时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，如图2-20所示。曲线与电压轴的交点称为开路电压，与电流轴的交点称为短路电流。图2-21是光电池的等效电路。 光谱特性光谱特性：图2-27为光电池的光谱

11、响应曲线，它表明了用单位辐射通量的不同波长的光分别照射时，光电池短路电流大小的相对比较。硅光电池的光谱响应范围为0.41.1m，峰值波长为0.80.9m。硒光电池的光谱响应范围为0.340.75m，峰值波长为0.54m左右。光电池不仅和材料有关，而且随制造工艺及使用环境温度不同而有所移动。 温度特性温度特性：光电池的温度特性曲线是描述Voc及Isc随温度变化的情况。随温度的升高，硅光电池的光谱响应向长波方向移动，开路电压Voc将下降，短路电流Isc略有上升。国产硅光电池的温度特性为温度每升高1，Voc下降约23mV，Isc上升约78A。当光电池作为探测器件时，测量仪器应考虑温度的漂移或进行补偿

12、，以保证测量精度，温度升高，转换效率略有下降，这是对作为换能器的光电池所应考虑的。 频率特性频率特性：光电池作为探测器件在交变光照下使用时，由它的频率特性来描述光的交变频率与光电池输出电流的关系。在交变光照下，光电池的响应时间由PN结电容和负载电阻RL的乘积决定，而结电容与器件面积成正比，故在要求较好频率特性的探测电路中，选用小面积光电池较有利。如果负载选择得当，可以获得较高的频率特性。 3、光电池的应用 光电池的应用主要有两个方面，一是作为光电检测器件，二是将太阳能转变成为电能。 光电池作为探测器件，有着光敏面积大，频率响应高，光电流随照度线性变化等特点。因此，它既可作为开关应用，也可用于线

13、性测量。如用在光电计数、光电开关、光栅测量技术、激光准直、电影还音等装置上。 光电池将太阳能变成电能，目前主要是使用硅光电池，因为它能耐较强的辐射，转换效率较其它光电池高。实际应用中，把硅光电池单体经串联、并联组成电池组，与镍镉蓄电池配合，可作为卫星、微波站，野外灯塔，航标灯，无人气象站等无输电线路地区的电源供给。 3.4.3 光敏二极管 1、结构 半导体光敏二极管与普通二极管类似，都有一个PN结，均属单向导电的非线性元件。 为了获得尽可能大的光生电流，光敏二极管PN结面积比普通二极管大得多，且通常都以扩散层作为它的受光面，受光面上的电极做得很小。 为了提高光电转换能力，PN结的深度较普通二极

14、管浅。 为了保证管子的稳定性、减小暗电流和防止光线的反射，在表面上还必须用二氧化硅作保护。 2、原理 无光照时，只有热效应引起的微小暗电流经过PN结。光照时，不同波长的光在光敏二极管的不同区域被吸收，在那里激发出电子-空穴对，在空间电荷区电场的作用下，它们分别达N区和P区。产生的光生电流随入射光强度的变化而相应变化，这样，在负载电阻上就可得到一个随入射光变化的电压信号。 光敏二极管一般在负偏压情况下使用。光敏二极管可以按光伏型工作（即无外加偏压），也可以按光电导型工作。加大反偏压可提高光敏二极管的灵敏度，但是，不能无限地加大反向偏压，因为它还受到PN结表面漏电及反向击穿电压等因素的限制。3、光

15、敏二极管的特性参数光谱响应光谱响应：光谱响应主要决定于， A、表面层（半导体薄层与金属薄层）中的反射与吸收； B、材料的禁带宽度Eg； C、表面抗反射涂层的性质与厚度； D、器件的结构。 图2-34是三种典型的光敏二极管的相对光谱响应曲线。 光敏二极管的光照特性光敏二极管的光照特性：光敏二极管在反向偏压的光生电流，电压特性如图2-35所示。曲线与坐标的交点即为零偏压时的光生电流。在较小的负载电阻下，表现出较好的线性。 光敏二极管的频率响应光敏二极管的频率响应：光敏二极管的频率响应，主要由载流子的渡越时间和RC时间常数来决定。 载流子的渡越时间：扩散型PN结光敏二极管，主要由在结两侧一个少子扩散

16、长度范围内的区域中，光生少子扩散至结区所需的扩散时间来决定。耗尽层型光敏二极管，主要由光生少子在结区的漂移时间来决定。波长越长的光在较深处被吸收，产生的少数载流子远离PN结，需较长的扩散时间才能被收集。 RC时间常数：Rs为串联电阻，电容Cj为结电容，RC时间常数为： 在实际使用中，时间常数中的R应包括负载在内，C还与分布电容有关。 jscCRW1 光敏二极管的温度特性光敏二极管的温度特性：由于反向饱和电流对温度的强烈依赖性，光敏二极管的暗电流对温度的变化非常敏感。图2-40为典型光敏二极管的温度特性。图中实线表示典型值，图中虚线表示可能的最大值。由曲线可知，在探测恒定光时（直流应用）必须考虑

17、温度的影响。光生电流与电压随温度的变化见图2-41。3、光敏二极管的类型 光敏二极管的种类很多，就材料来分，有锗、硅制作的光敏二极管，也有-族化合物及其他化合物制作的二极管。从结特性来分，有PN结，P-i-N结、异质结、肖特基势垒及点接触型等。从对光的响应来分，有用与紫外、可见及红外等种类。 不同种类的光敏二极管，具有不同的电特性和探测性能。例如，锗光敏二极管与硅光敏二极管相比，它在红外光区域有更大的灵敏度。这是锗材料的禁带宽度较硅小，它的本征吸收限处于红外，因此，在红外应用，锗光敏二极管有较大的电流输出，但它比硅光敏二极管有较大的反暗向电流，因此，它的燥声较大。又如，P-i-N型或雪崩型光敏

18、二极管与扩散型PN结光敏二极管相比具有很短的时间效应。 3.4.4 光电倍增管(PMT)1、结构 PMT由光电阴极、电子光学输入系统（光电阴极到第一个倍增极D1之间的系统）、二次发射倍增系统及阳极等构成。光电阴极可根据设计需要采用不同的光电发射材料制成。阳极目前一般采用栅网状阳极。电子光学系统形成的电场能很好地把来自光电阴极的光电子会聚成束并通过膜孔打到第一倍增极上，收集率可达85以上，渡越时间的离散性t约为10ns。倍增极根据结构可分为聚焦型和非聚焦型。聚焦型就是由前倍增极来的电子被加速和会聚在下倍增极上。而非聚焦型形成的电场只能使电子加速，电子轨迹是平行的。2、工作过程：光照射到光电阴极上

19、，光电阴极激发出的光电子在电场的加速作用下，打到第一倍增极（二次发射极）上，由于光电子能量很大，在倍增极上被激发出若干二次电子，这些电子在电场作用下，又打到第二倍增极处，又引起二次电子发射，直到阳极收集为止。若一次倍增极电子数增加倍，如果n个倍增极，则阳极收集的电子数就是原来的n倍。为二次电子发射系数，即一个入射电子所产生的二次电子的平均数。 3、PMT的基本特性参数 光谱响应曲线：PMT的光谱响应曲线与光电阴极的光谱响应曲线相同，主要取决于光电阴极材料的性质。 放大倍数（电流增益）：在一定的工作电压下，光电倍增管的阳极电流和阴极电流之比称为管子的放大倍数M或电流增益G。 暗电流Id：光电信增

20、管的暗电流是指无光照时，光电倍增管的输出电流。 引起暗电流的因素有如下几点： (1)光电阴极和第一倍增极的热电子发射。在室温下即使无光照也会有部分电子逸出表面，经放大到达阳极成为暗电流。这是PMT的主要暗电流。 (2)极间漏电流。由于光电倍增管各级绝缘强度不够或极间灰尘放电引起漏电流。 (3)离子和光的反馈作用。管内残余气体被运动电子碰撞电离的电子经放大形成暗电流。离子打在管壁上产生荧光再反射至阴极造成光反馈，形成暗电流。 (4)场致发射。电极上的尖端、棱角、粗糙边缘在高电压下(极间电压U200V)发生。 (5)放射性同位素和宇宙射线的影响。PMT的光窗材料钾衰变会产生一种发光的粒子；宇宙射线

21、中的介子穿过窗而成为光子。它们射到光电阴极上而产生暗电流(可采用一种无钾的石英窗来大大减弱)。 减少暗电流几的方法： 主要是设计好PMT的极间电压。有了合适的极间电压可避开光反馈、场致发射及宇宙射线等造成的不稳定状态的影响。其余还可按下述方法来减少： 在阳极回路中加上与暗电流相反的直流成分来补偿； 在倍增输出电路中加一选频或锁相放大滤掉暗电流； 利用冷却法减小热电子发射等。 伏安特性：伏安特性又称阳极特性或输出特性。即在一定光照下，阳极电流Ia与最后一级倍增极Dk和阳极A之间的电压的关系。入射辐射通量越大，阳极电流越大，饱和电压也越大，PMT工作范围宽和线性好。 时间特性和频率响应：PMT是光

22、电发射型器件，时间常数非常小而有很高的频率响应。目前快速的PMT的响应时间已达0.23ns。当输入正弦光信号给负载电阻为50的PMT时，PMT的f1可用下列经验公式算出。即 rt35. 0f1 PMT的噪声：PMT的噪声主要有散粒噪声和负载电阻的热噪声。一般来说，选PMT总是使热噪声远小于器件固有的散粒噪声。一般RL都比O05大很多倍。所以PMT主要考虑散粒噪声，而不考虑热噪声。 PMT的最小可探测功率Pmin(即NEP)：它表示PMT能探测到的最小功率的能力。 4、PMT的供电电路 电源电压一般达千伏以上，使PMT工作在线性区内。 分压电路：由于PMT的倍增极多，通常采用电阻链分压。为使各级

23、电压稳定，一般分压电路的电流Ik为阳极电流Ia的20倍以上（即IR20Ia），这样才能使分压网络的电流稳定。但分流大大会使分压电阻发热而使管子温度增加而增加噪声。一般常用分压器的阻值选择范围为20500之内。由于倍增极D很大，对于直流的应用，一般采取线性分压，而对脉冲状态的应用，则用非线性分压。 5、PMT的输出电路： PMT可作为理想的电流源，其等效电路如图形控制2-11所示。图中，CL为输出电容。PMT输出端一般接约1 m 长的同轴电缆，则CL约为100pF 。即 因此，低频工作时，RL可取大些；高频工作时，RL可取小些。CfRL上213.5 光电耦合器件 1、光电耦合器件的含义 将发光器

24、件(LED)和光敏器件(光敏二、三极管等)密封装在一起形成的一个电-光-电器件。如图所示。这种器件在信息的传输过程中是用光作为媒介把输入边和输出边的电信号耦合在一起的，在它的线性工作范围内，这种耦合具有线性变化关系。由于输入边和输出边仅用光来耦合，在电性能上完全是隔离的。有的人把光电耦合器件也称为光隔离器或光耦合器。 2、光电耦合器件的特点 A、具有电隔离的功能。它的输入、输出信号间完全没有电路的联系，所以输入和输出回路的电平零位可以任意选择。绝缘电阻击穿电压高达10025KV，耦合电容小到零点几个pF。 B、信号传输是单向性的。不论脉冲、直流都可以使用。模拟信号和数字信号均可。 C、具有抗干

25、扰和噪声的能力。它作为继电器和变压器使用时，可以使电路板上看不到磁性元件。它不受外界电磁干扰、电源干扰和杂光影响。 D、响应速度快。一般可达微秒数量级，甚至纳秒级。它可传输的信号的频率在直流和100MHZ之间。 E、使用方便。具有一般固体器件的可靠性，体积小，重量轻，抗震，密封防水，性能稳定，耗电省，成本低，工作温度范围在55100之间。 3、光电耦合器件的传输特性参数 电流传输比电流传输比：在直流状态下，光电耦合器件的集电极电流Ic与发光二极管的注入电流IF之比，称为光电耦合器件的电流传输比。工作点选择在输出特性的不同位置时，直流传输比有不同的值，因此，在传输小信号时，用直流传输比是不恰当的

26、，而应当用所选工作点Q处的小信号电流传输比来计算。这种以微小变量定义的传输比称为交流电流传输比。 在一般的线性状态使用中，都尽可能的把工作点设计在线性工作区； 对于开关使用状态，由于不关心交流与直流电流传输比的差别，而且在实际使用中直流传输比又便于测量，因此通常都采用直流电流传输比。 FCII/ 输入输出间绝缘耐压输入输出间绝缘耐压BVBVcfo：这是指输入与输出之间的绝缘耐压值。一般低压使用时都能满足要求。当用于高压控制时，就要注意这一参数。目前，北京光电仪器厂生产的光电耦合器件BVcfo500V，采用特殊的组装方式，可制造用于高压隔离线路等方面的耐压达几千伏特或上万伏的光电耦合器件。 输入

27、输出间的绝缘电阻输入输出间的绝缘电阻R RFC：这是输入与输出端之间的绝缘电阻，一般在1091013之间。RFC的大小意味着光电耦合器件的隔离性能如何。光电耦合器件的RFC一般要比变压器原付边绕组之间的绝缘电阻大几个数量级，因此它的隔离性能要比变压器好的多。北京光电仪器长生产的RFC一般达到1011。 输入输出间的寄生电容输入输出间的寄生电容C CFC：这是输入与输出间的寄生电容。当CFC变大时，会使光电耦合器件的工作频率下降，也能使其共模压制比CMRR下降，故后面的系统噪音容易反馈到前面系统中。对于一般的光电耦合器件，其CFC仅仅为几个pF，一般在中频范围内都不会影响电路的正常工作，但在高频

28、电路中就要予以重视了。 最高工作频率最高工作频率f fM：上图给出测量光电耦合器件的频率特性的电路图。向发光二极管送入幅度相等而频率变化的交流小信号，在光电耦合器的输出端用交流电压表测其交流输出电压值。随着频率的最高，虽然输入电压幅度不变，而输出幅度却下降了，当输出电压相对幅值降至0.707时，所对应的频率就称为光电耦合器件的最高工作频率（或截止频率），用fM表示。4、光电耦合器件抗干扰强的原因： A、光电耦合器件的输入阻抗很低，一般为101k；而干扰源的内阻一般都很大，一般为103106。按一般分压比的原理来计算，能够馈送到光电耦合器件输入端的干扰噪声就变的很小了。 B、由于一般干扰噪声源的

29、内阻都很大，虽然也能供给较大的干扰电压，但可供出的能量却很小，只能形成很微弱的电流。而光电耦合器件输入端的发光二极管只有在通过一定的电流时才能发光。因此，即使是电压幅度很高的干扰，由于没有足够的电量，不能使发光二极管发光，从而被它压制掉了。 C、光电耦合器件的输入输出间是用光耦合的，且这种耦合又是在一个密封光管内进行的，因而不会受到外界光的干扰。 D、光电耦合器件的输入输出间的寄生电容很小（般为0.52pF），绝缘电阻又非常大（一般为10111013），因而输出系统的内的各种干扰噪音很难通过光电耦合器件反馈到输入系统中去。 5、光电耦合器件的应用 A、在代替脉冲变压器耦合信号时，可以耦合从零频

30、到几兆赫的信息，且失真很小，这使变压器相形见绌； B、在代替继电器使用时，能克服继电器在断电时反电势的泄放干扰及在大振动大冲击下触点抖动等问题； C、能把不同电位的两组电路互联起来，从而完成电平匹配、电平转移等功能； D、光耦合器件的输入端的发光器件是电流驱动器件，通过光与输出端耦合，抗干扰能力很强，在长线传输中用它作为终端负载时，可以大大的提高信息在传输中的信噪比； E、在计算机主体运算部与输入、输出之间，用光电耦合器件作为接口部件，将会大大增加计算机的可靠性。 F、光电耦合器件的饱和压降比较低，在作为开关器件使用时，有晶体管开关不可比拟的优点； G、在稳压电源中，它作为过电流自动保护器使用时，使保护电路既简单又可靠。 3.6 各种光电检测器件的性能比较 在动态特性方面，即频率响应与时间响应，以光电倍增管和光电二极管(尤其是PIN管与雪崩管)为最好； 在光电特性方面(即线性)，以光电倍增管、光电二极管、光电池为最好； 在灵敏度方面，以光电倍增管、雪崩光电二极管、光敏电阻和光电三极管为最好； 输出电流大的器件，有大面