第3章__光电检测器件

1、探测器件热光电探测元件光电探测元件气体光电探测元件外光电效应内光电效应非放大型放 大 型光电导探测器光磁电效应探测器光生伏特探测器本征型掺杂型非放大放大型真空光电管充气光电管光电倍增管变像管摄像管像增强器光敏电阻红外探测器光电池光电二极管光电三极管光电场效应管雪崩型光电二极管UbbIpIp金属电极金属电极光电导材料光电导材料入射光入射光光敏电阻符号UIp电极入射光12321-光电导材料；2-电极；3-衬底材料绝缘基底光电导体膜绝缘基底光电导体膜pR材料特性结构参数应用：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。其中：I光

2、为光电流，I光=IL-Id； E为照度，为光照指数，与材料的入射光强弱有关，对CdS光电导体，弱光照射下=1，强光下=0.5； U为光敏电阻两端所加电压，为电压指数，与光电导体和电极材料间接触有关，欧姆接触时=1，非欧姆接触时=1.1-1.2 Sg为光电导灵敏度，单位S/lx OI光ECdS的光电特性对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，光电流呈饱和趋此复合几率也增大，光电

3、流呈饱和趋势。（冷却可以改善）势。（冷却可以改善）UESIg光允许的功耗线O10电压V/VI光/mA510050100 lx10 lx250mW光敏电阻的伏安特性 光敏电阻为一纯电阻，符合欧姆定律，曲线为直线。但对大多数半导体，电场强度超过 时，不再遵守欧姆定律。而CdS在100V时就不成线性了。 厘米伏410温度的变化，引起温度噪声，导致光敏电阻灵敏度、光照特性、响应率等都发生变化。为了提高灵敏度，必须采用冷却装置。20406080100T501001502000I 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状态对光敏电阻特性的影响。 暗态前历效应：指光敏电阻测

4、试或工作前处于暗态，当它突然受到光照后光电流上升的快慢程度。一般地，工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越重，光电流上升越慢。 1-黑暗放置3分钟后 2-黑暗放置60分钟后 3-黑暗放置24小时后 同时，时间特性与输入光的照度、工作温度有明显的依赖关系。4123O1f/Hz相对输出0.41051010.20.60.81021031041-Se；2-CdS；3-TlS；4-PbSrfEtOi(%)tO1006337rf矩形光矩形光脉冲脉冲10lx100lx相对灵敏度与波长的关系可见光区光敏电阻的光谱特性 光谱特性曲光谱特性曲线覆盖了整个可见线覆盖了整个可见光区（光区（380到到780nm）

5、，峰值波长在），峰值波长在515515715nm715nm之间。之间。尤其硫化镉（尤其硫化镉（2 2）的峰值波长与人眼的峰值波长与人眼的很敏感的峰值波的很敏感的峰值波长（长（555nm555nm）是很）是很接近的，因此可用接近的，因此可用于与人眼有关的仪于与人眼有关的仪器。器。1-Se；2-CdS；3-TlS；4-PbSu硫化镉（硫化镉（CdSCdS）光敏电阻：）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。u硫化铅

6、（硫化铅（PbSPbS）光敏电阻：）光敏电阻：响应波长在近红外波段，室温下响应波长可达3um，缺点主要是响应时间太长，室温条件下100-300uS。内阻约为1M，u锑化铟（锑化铟（InSbInSb）光敏电阻：）光敏电阻：长波限7.5um，内阻低（约50），时间常数0.02uS。零度时探测率可提高2-3倍。u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.u碲锡铅（碲锡

7、铅（PbSnTePbSnTe）系列光敏电阻：）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。RPURLULI 忽略暗电导Gd(暗电阻很大)： G=Gp=Sg（光电灵敏度*光通量） 即 对R求导得到 负号表示电阻是随输入辐射的增加而减小。当光通量变化时，电阻变化R，电流变化I，即取微分： 即 gSR1gSRR2RRRUIRRUIpLpL222pLgpRRUSRIURLULI输出电压LpLbgpLLRRRUSRIRU22R12k中心站放大器VDW6VR2200kR3PbSC168nFC268uFR43.9MR5820kR71kR832kR6

8、3.9kR9150kC44.7nF+ C3 100uFV1V2V3PbS光敏电阻：Rd=1M, Rl=0.2M，峰值波长2.2um（火焰的峰值辐射波长），火焰跳变信号经C2耦合。恒压偏置电路高输入阻抗放大电路Vo12v快门按钮驱动单元UthUR+_ARp210kRp110kR2300R15.1kC11uFMVDVRCdSUbbCKVDRCdS常闭灯220V半波整流测光与控制执行控制分类1、金属-半导体接触型（硒光电池）基本结构2、PN结型NP)(电极)(电极入射光线几个特征： 1、栅状电极 2、受光表面的抗反射膜 符号符号光电池光照特性特征：开路电压Voc与光照度E成对数关系；典型值在0.45

9、-0.6V。作电 源时，转化效率10%左右。最大15.5-20%。短路电流Isc与E成线性关系，常用于光电池检测， Isc典型值 35-45mA。RL越小，线性度越好，线性范围越宽。光照增强到一定程度，光电流开始饱和。2、输出特性RL/0 100 200 300 400 500Voc/mVIsc/mA400200 010080400PLVocILRMUL随RL的增大而增大，直到接近饱和。RL小时IL趋近于短路电流Isc。在RL=RM时，有最大输出功率，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。作为测量使用，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。

10、RL增大，线性范围越来越小。3、光谱特性4、温度特性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T0 . 29 . 18 . 1200400600ocUscI)(mVUoc)(mAIsc200204060 80 100总结：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。光电池与外电路的连接方式-10VVociC3DG62CR21k硅三极管的放大光电流电路-10VVociC3AX42CR锗三极管的放大电路1k光电池作缓变信号检测时的的变换电路举例硅三极管放大光电流的电路+4VVociC

11、3DG7A2CR1k2AP7100+_VocRf2CR采用运算放大器的电路光电池的变换电路举例1 1太阳电池电源太阳电池电源 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+12VR4R3R6R5R2R1WBG1BG2 图 (a)为光电池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

12、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BG2BG1+12VC 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。光电二极管的分类： 按材料分，光电二极管有硅、砷化镓、锑化铟光电二极管等许多种。按结构分，有同质结与异质结之分。其中最典型的是同质结硅光电二极管。 国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和2DU两种系列。2CU系列以N-Si为衬底，2DU系列以P-Si为衬

13、底。2CU系列的光电二极管只有两条引线，而2DU系列光电二极管有三条引线。 光电二极管与光电池的特性比较基本结构相同，有一个PN结；光电二极管的光敏面小，结面积小，频率特性好，虽然光生电动势相同,但光电流普遍比光电池小,为数微安。电阻率：光电池0.1-0.01/cm，光电二极管1000/cm。1. 光电池零偏压下工作，光电二极管反偏压下工作。光电二极管的类型：光电二极管的类型：硅、锗、PIN、APD光电二极管的工作原理光电二极管的工作原理NP光+_外加反向偏压符号环型光电二极管的基本结构环型光电二极管的基本结构N环极前极N+N+P后极环型光电二极管的结构环极用于阻挡漏电流。前级后级环级VARL

14、h等效电路环极环极围绕前极光电二极管的伏安特性光电二极管的伏安特性u加正向偏压时， 表现为单向导电性。u作为光敏二极管使用时，需要加反向偏压，当有光照时会产生光电流，且光电流远大于反向饱和电流。u反向偏压可以减小载流子的渡越时间和二极管的极间电容。光电二极管的光谱特性光电二极管的光谱特性1、光敏二极管在较小负载电阻下，光电流与入射光功率有较好的线性关系。2、光敏二极管的响应波长与GaAs激光管和发光二极管的波长一致，组合制作光电耦合器件。3、光电二极管结电容很小，频率响应高，可达100kHz。光电二极管的温度特性光电二极管的温度特性 光电二极管的温度特性主要是指暗电流对温度的依赖性，暗电流对温

15、度的变化非常敏感。暗电流/A10 20305070T /C0.1 00.54060光电二极管的典型应用电路光电二极管的典型应用电路应用电路EhRLVoRL+EVoh光电二极管的典型应用电路光电二极管的典型应用电路VoRf2CR+_ACRf2CRVo+_ARLRf PIN管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。这样，PN结的内电场就基本上全集中于本征层中，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小。时间常数RC变小，频带变宽。PINPIN光电二极管光电二极管 P-Si N-Si I-SiPIN管结构示意图特点：1、频带宽，可达10GHz

16、。2、本征层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，线性输出范围宽。3、由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会使耗尽层宽度增加，且集中在本征层，从而结电容要进一步减小，使频带宽度变宽。4、本征层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一芯片上并封装成一个器件。 雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。 这种管子工作电压很高，约100200V，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此，这种管子有很高的内增益，可达到几百。当

17、电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生所谓的雪崩。这种管子响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光电二极管。 雪崩光电二极管(APD)雪崩光电二极管(APD)原理图3.3.2 3.3.2 光电三极管的基本结构光电三极管的基本结构发射极发射极集电极集电极基极基极发射极发射极集电极集电极光电三极管的工作原理cbeIcIpIbVo光敏三极管的结构原理、工作原理和电气图形符号pppcIIII1光电三极管的工作原理工作过程：一、光电转换；二、光电流放大VCCVCC基本基本应用应用电路电路达林顿光电三极管电路 为了提高光电三极管的频率响应、增益和减小体积。将光电二极管、

18、三极管制作在一个硅片上构成集成器件光电三极管的主要特性： 光电三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。当入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降。因为光子能量太小，不足以激发电子空穴对。当入射光的波长缩短时，相对灵敏度也下降，这是由于光子在半导体表面附近就被吸收，并且在表面激发的电子空穴对不能到达PN结，因而使相对灵敏度下降。光谱特性光谱特性入射光硅锗/nm40080012001600相对灵敏度/%10080604020 0硅的峰值波长为900nm，锗的峰值波长为1500nm。由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管的性能较差。故在可见光或探测赤热状态物体时，一般选用硅管；但对红外线进行探测时,则采用锗管较

19、合适。伏安特性伏安特性伏安特性 光电三极管的伏安特性曲线如图所示。光电三极管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。因此，只要将入射光照在发射极e与基极b之间的PN结附近，所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看作一般的晶体管。光电三极管能把光信号变成电信号，而且输出的电信号较大。U为集电极反向偏压I/mA024620406080U/V500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mAL/lx200400600800100001.02.03.0光敏晶体管的光照特性 光电三极管的光照特性如图所示。它给出了光敏三极管的输出电流 I 和照度之间

20、的关系。它们之间呈现了近似线性关系。当光照足够大(几klx)时，会出现饱和现象，从而使光电三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。 光照特性光照特性暗电流/A10 20 305070T /C 04060光电流/mA1 024801020 30 4050 60 70T/C光电三极管的温度特性 光电三极管的温度特性曲线反映的是光电三极管的暗电流及光电流与温度的关系。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流的影响较小（斜率小），而对暗电流的影响很大所以电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。温度特性 光电三极管的频率特性曲线如图所示。光电三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻

21、可以提高频率响应。一般来说，光电三极管的频率响应比光电二极管差。对于锗管，入射光的调制频率要求在5kHz以下。硅管的频率响应要比锗管好。RL=1kRL=10kRL=100k01100k10k1000k10020406080调制频率 / Hz相对灵敏度/%光电三极管的频率特性频率特性频率特性JR2R1A3DG12VJR2R1A3DG12V 1 1亮通光电控制电路亮通光电控制电路2 2暗通光电控制电路暗通光电控制电路光电耦合器以光电转换原理传输信息，由于光耦两侧是电绝缘的，所以对地电位差干扰有很强的抑制能力，同时光耦对电磁干扰也有很强的抑制能力。 光电耦合器由发光器件（发光二极管）和受光器件（光敏

22、三极管）封装在一个组件内构成； 当发光二极管流过电流IF时发出红外光，光敏三极管受光激发后导通，并在外电路作用下产生电流IC。光耦合器件有透光型与反射型两种。在透光型光耦合器件中，发光器件与受光器件面对面安放，在它们之间有一间隔，当物体通过这一间隔时，发射光被切断。利用这一现象可以检测出物体的有无。采用这种方式的耦合器件后边连接的接口电路设计比较简单，检测位置精度也高。反射型光耦合器件从发光器件来的光反射到物体上面由受光器件来检测出，比起透光型来显得体积小，把它放在物体的侧面就能使用。 具有电隔离的功能； 信号的传输是单向性的，适用于模拟和数字信号传输； 具有抗干扰和噪声的能力，可以抑制尖脉冲

23、及各种噪声，发光器件为电流驱动器件。可理解为：1 1、输入阻抗低，分得噪声电压小，抑制输入端的噪声干扰；2 2、LED发光需要一定能量，因此可以抑制高电压、低能量的干扰；3 3、采用光耦合，且密封安装，抑制外界杂散光干扰；4 4、寄生电容小(0.5pF-2pF)，绝缘电阻大(105-107M) 响应速度快； 使用方便，结构小巧，防水抗震，工作温度范围宽； 即具有耦合特性又具有隔离特性。1、电流传输比Ic/mAIc3Ic2Ic1Uc/VIF3IF2IF1Q3Q2Q1IFIFIFQIFO 定义为在直流状态下，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。如图中在Q点处电流传输比为：%

24、100FQCQQII如果在小信号下，交流电流传输比用微小变量定义：%100FCII饱和区截止区与IF的关系： 由于发光二极管发出的光不总与电流成正比，所以有如图示的变化。4 3 2 1 0 50 100 150 电流电流/mA输出功率输出功率/ mW发光二极管的P-I曲线0 10 20 30 40 50 60 7012010080604020IF/mAIF与的关系曲线2、最高工作频率，mff /M Hz相对输出1.00.7070f m1f m2f m3RL1RL2RL3 最高工作频率取决于发光器件与光电接收器件的频率特性。同时与负载电阻的阻值有关，阻值越大，最高工作频率越低。光电耦合器件光电耦

25、合器件光电耦合继电器光电耦合继电器光电隔离器（传感器）光电隔离器（传感器）P层i层0AxAI1I2I0N层LL光3.6 光电位置敏感器件（PSD）的工作原理LIIIIxLxLIILxLIIIIIAAA1212020121022依图中所示，电流I0、I1、I2、入射光位置xA和电极间距2L之间有如下关系：其中，P型层电阻是均匀的。一维PSD器件可用来测量光斑在一维方向上的位置和位置移动量。3.7 光热辐射检测器件 1、热敏电阻半导体对光的吸收本征和杂质吸收产生光生载流子晶格吸收、自由电子吸收不产生光生载流子光电导率变化，伴随少量的热能产生热能产生，温升造成电阻值变化光敏电阻热敏电阻p负温度系数热

26、敏电阻和金属材料温度特 性比较热敏电阻的电阻与温度关系为： TDCeATTRA，C，D为与材料有关的常数。电阻随温度的变化规律为：RTRT对负温度系数材料：0Tp热敏电阻的基本结构电极引线黏合剂发黑材料热敏元件衬底导热基体2、热电偶检测器热端T+T冷端TABII温差热电偶T+TJ1BAJ2IGc辐射热电偶T+TNPTTRLI+_涂黑金箔半导体辐射热电偶基于温差热电效应，多用于测温，采用金属材料制成，用于探测入射辐射，温升小，对材料的要求高，结构严格且复杂，成本高。P型半导体冷端带正电，N型半导体冷端带负电，最小可检测功率一般为10-11W。塞贝克效应 ：若金属棒的两端处在不同温度时，则自由电子

27、电子便会由高温区扩散至低温区，因而产生热流及电流电流由高温区传流向低温区的现象。在不同 金属内导电子的扩散速率不同，形成净电流 光热端冷端涂黑金箔mVRL 热电堆提高了热电偶的响应时间和灵敏度。其结构是多个热电偶串联。 热电堆的灵敏度为每个热电偶灵敏度的和。总结：热电偶型红外辐射探测器的时间常数较大，响应时间长，动态特性差，被测辐射变化频率一般应在10Hz以下。3、热释电器件热释电器件利用热释电效应制成的热或红外辐射检测器件，具有以下优点：宽的频率响应，工作频率可近兆赦兹，一般热检测器时间常数典型值在1-0.01s范围内。而热释电器件的有效时间常数可低至10-4-310-5s。检测率高，有大面

28、积均匀的敏感面，工作时不接外偏置。与热敏电阻比，受环境温度变化影响小。1. 热释电器件的强度和可靠性比其它多数热检测器好，制造容易。 “自发极化的电介质，其自发极化强度Ps（单位面积上的电荷量）与温度存在着如下关系：当温度升高时，极化强度减低，当温度升高一定值时，自发极化消失，这个温度称为”居里点“。 在居里点以下，Ps是温度t的函数，利用这一关系制造出热释电器件，温度的升高，电极化强度减小，相当于热”释放了“部分电荷，可由放大器转变成电压输出。TcPsTOPsTOTc 热释电器件不同于其它光电器件的特点：在恒定辐射作用情况下输出信号电压为零。只有在交变辐射作用下才会有信号输出。热释电红外线传

29、感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成的探测元件。电源开关控制、防盗防火报警、自动览测。 适合交变的信号测量。 夜视仪 DC直流放大直流放大阴极阴极R-+光束光束e阳极丝（阳极丝（Ni）抽真空抽真空 阴极表面可涂渍不同光敏物质：高灵敏(K,Cs铯,Sb锑)、红光敏(Na/K/Cs/Sb, Ag银/O/Cs)、紫外光敏、平坦响应(Ga/As，响应受波长影响小)。产生的光电流约为硒光电池的1/10。优点：阻抗大，电流易放大；响应快；应用广。缺点：有微小暗电流（Dark current，）。阳极倍增极 阴极在光照下发射出光电子，光电子受到电极间电场作用获得较大能

30、量打在倍增电极上，产生二次电子发射，经过多极倍增的光电子到达阳极被收集而形成阳极电流，随光信号的变化。在倍增极不变的条件下，阳极电流随光信号变化。环型光电倍增管环型光电倍增管石英套石英套光束光束1个光子产生个光子产生106107个电子个电子栅极，栅极，Grill阳极阳极屏蔽屏蔽光电倍增管示意图光电倍增管示意图 光电倍增管由光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极等 五个主要部分组成，其外形如图所示。侧窗式侧窗式端窗式端窗式1光窗光窗 光窗是入射光的通道，是对光吸收较多的部分。常用的光窗材料有钠钙玻璃、硼硅玻璃、紫外玻璃、熔凝石英和氟镁玻璃等。2光电阴极光电阴极 它的作用是接收入射光，向

31、外发射光电子。制作光电阴极的材料多是化合物半导体。3电子光学系统电子光学系统 任务：（1）通过对电极结构的适当设计，使前一级发射出来的电子尽可能没有散失地落到下一个倍增极上，使下一级的收集率接近于1；（2）使前一级各部分发射出来的电子，落到后一级上时所经历的时间尽可能相同，使渡越时间零散最小。4倍增系统倍增系统 倍增系统是由许多倍增极组成的综合体，每个倍增极都是由二次电子倍增材料构成的，具有使一次电子倍增的能力。倍增系统是决定整管灵敏度最关键的部分。光电倍增管是利用二次电子发射（当高速的电子打击到金属表面，由于高速电子的动能被金属吸收，改变了金属原子内电子能量的状态，使有些电子从金属表面逸出）

32、现象制成的。 如果每个电子落到某一倍增极上从该倍增极打出个二次电子，那么很明显地：niI0式中， I 阳极电流; i0 光阴极发出的光电流; n 光电倍增极的级数。 光电倍增管的电流放大系数光电倍增管的电流放大系数可用下式表示可用下式表示: = = 倍增系统有聚焦型聚焦型和非聚焦型非聚焦型两类。聚焦型倍增系统倍增极的结构形式为瓦片式非聚焦倍增系统倍增极的结构形式为百叶窗式。0iIn5阳极阳极 阳极是用来收集最末一级倍增极发射出来的电子的。现在普遍采用金属网来作阳极，使它置于靠近于最末一级倍增极附近。 二光电倍增管的特性：二光电倍增管的特性： 1光电特性 2光谱特性 3. 伏安特性 4放大特性 5. 频率特性 6疲乏特性 7. 暗电流I 当光通量很大时，特当光通量很大时，特性曲线开始明显偏离性曲线开始明显偏离直线。因此，在工作直线。因此，在工作时阴极不能有强光照时阴极不能有强光照射，否则易