光电器件技术与应用

第1章光电器件基础

1.1光电器件概述

1.2

光电器件的基础知识

1.3

光电器件的发展

技能训练1

光电器件和实验室设备认识实验

本章小结《光电器件技术与技能》教学演示文稿电子工业出版社第1章光电器件基础

1.1光电器件概述

光电器件是光电技术的核心。光电器件应用广泛、种类很多。根据应用的不同，本书介绍的光电器件有半导体激光器、光电探测器件、光电成像器件以及光电显示器件等。半导体激光器是用半导体材料作为工作物质产生激光的器件，也称为激光二极管（LD）。光电探测器能将光辐射信号转换为电信号（电压或电流）。光电成像器件能输出图像信息。光电显示器件能将非视觉信息转换为视觉信息，是各种仪器信息系统的终端。

电子工业出版社第１章光电器件基础1.2.1

光电器件的基本类型1.2.2

光电器件的基本原理1.2光电器件的基础知识电子工业出版社第１章光电器件基础1.2.1光电器件的基本类型

电子工业出版社第１章光电器件基础1.半导体激光器

电子工业出版社第１章光电器件基础

半导体激光器（LD）是激光器家族中最主要的成员之一，随着光电子技术的迅速发展，新型的半导体激光器将不断涌现出来。2.光电探测器

电子工业出版社第１章光电器件基础

光电探测器在军事国防和国民经济的各个领域都有广泛应用。可用于导弹制导、红外热成像、工业自动控制等。它的物理效应分为光子效应和光热效应两大类。光子效应是指决定物质电学性质的电子系统直接吸收入射光能使其电学性质发生改变的现象。光热效应是指物质吸收光能后，温度升高，由于温度的变化造成物质的电学特性变化。3.光电成像器件

光电成像器件发展迅速、种类繁多。按工作方式的不同，它可分为直视型和非直视型成像器件。直视型成像器件具有图像转换、增强以及显示的功能，变像管、像增强器等就属于这类器件。非直视型成像器件的功能是将可见光或辐射图像转换为视频电信号。摄像管就属于这类器件。电子工业出版社第１章光电器件基础4.光电显示器件

CRT（阴极射线管）是传统的显示器件。它的图像质量优异、性价比高，但是体积大、笨重、耗电，难以满足人们对体积小、携带方便等方面的要求。在这样的背景下，采用平板显示技术的光电显示器件应运而生。平板显示器件有LCD（液晶显示器）、LED（发光二极管显示器）、OLED（有机薄膜电致发光显示器）、PDP（等离子体显示器）以及DMD（数字微镜器件）等。电子工业出版社第１章光电器件基础1.2.2光电器件的基础知识

1.半导体知识2．光电转换电子工业出版社第１章光电器件基础半导体知识

(1)什么是半导体（物质按导电情况分类）电子工业出版社第１章光电器件基础导体容易传导电流的物质，如电缆的线芯所使用的铜、铝等金属。绝缘体能够可靠地隔绝电流的物质，如电缆的包皮所使用的橡胶、塑料等。半导体导电能力介于导体与绝缘体之间的物质，硅（Si）、锗（Ge）是最常见的用于制造各种半导体器件的材料。(2)本征半导体电子工业出版社第１章光电器件基础纯净的半导体材料硅有四个价电子，通过共价键结合起来，如图1-7所示。

图1-7半导体材料硅的共价键结构(3)半导体的特性电子工业出版社第１章光电器件基础①掺杂性在纯净的半导体中掺入极其微量的杂质元素，则它的导电能力将大大增强。应用掺杂技术可以制造出各种半导体元器件，如二极管、三极管、晶闸管、场效应管、集成电路等半导体元器件。

②热敏性在常温下，大多数的价电子均被束缚在原子周围，不易自由移动，所以导电能力也较弱。温度升高，部分价电子获得足够的能量，得以挣脱共价键的束缚而成为自由电子和空穴，将使半导体的导电能力大大增强。利用半导体对温度十分敏感的特性，可以制成热敏电阻及其他热敏元器件，常用在自动控制电路中。

③光敏性半导体受到光线照射，自由电子和空穴数量会增多，半导体的导电能力会增强，这就是半导体的光敏特性。光照越强，导电能力越强。利用半导体的光敏特性，可以制成各种光电元器件，如光电二极管、光电三极管、光控晶闸管等，常用在路灯、航标灯的自动控制和火灾报警装置、光电控制开关及太阳能电池等。(4)P型半导体和N型半导体①P型半导体在纯净半导体硅或锗中掺入硼、铝等3价元素。这类掺杂后导体的特点是：空穴数量多，自由电子数量少，故又称为空穴半导体。②N型半导体在纯净半导体硅或锗中掺入微量磷、砷等5价元素，这类杂质半导体特点是：自由电子数量多，空穴数量少，故又称为电子半导体。电子工业出版社第１章光电器件基础将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成PN结。

图1-8PN结的扩散运动图1-9平衡状态下的PN结电子工业出版社第１章光电器件基础(5)ＰＮ结PN结的形成过程

将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在无外电场和其它激发作用下，参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目，从而达到动态平衡，形成PN结。电子工业出版社第１章光电器件基础电子工业出版社第１章光电器件基础PN结具有单向导电性，即加正向电压导通，加反向电压截止，二极管的核心是一个ＰＮ结，下面用二极管来演示ＰＮ结的单向导电性。

(a)电路原理图(b)实物图图1-10PN结正向导通

(a)电路图(b)实物图图1-11PN结反向截止(a)PN结加正向电压导通，使灯泡亮，如图1-10所示PN结的特点

(b)

PN结加反向电压截止，使灯不亮，如图1-11所示电子工业出版社第１章光电器件基础

(a)电路原理图(b)实物图图1-11PN结反向截止电子工业出版社第１章光电器件基础光、电转换现象应用十分广泛，能源、显示等很多光电器件和设备的工作原理都是根据光电转换的原理。如太阳能电池、发光二极管、平板显示、虚拟显示、高清晰度显示、语言和图形识别等。下面介绍光电效应的基础知识和应用实例。光照射到半导体上，引起物质的电性质发生变化，也就是光能量转换成电能。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应。光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏特效应。前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。2.光电转换2光电效应

光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化，也就是光能量转换成电能。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应。光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏特效应。前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。

1．光电子发射2．光生伏特效应3.光电导效应电子工业出版社第4章电转换现象和图像显示器件1．光电子发射用紫外灯照射带有负电的锌板，锌板与验电器相连，验电器指针张开，说明锌板被光照射发射电子。光电效应中发射出来的电子叫做光电子。阴极射线管、激光器就是光电子发射。电子工业出版社第4章电转换现象和图像显示器件电子工业出版社第１章光电器件基础

2．光生伏特效应在光照射下能输出电压叫光生伏特效应。太阳能电池是光生伏特效应的应用。

（b）太阳能电池原理示意图

(a)太阳能电池实物图3.光电导效应光照射到某些物体上后，引起其电导变化的现象称光电导效应。在光线作用下，半导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。光敏电阻、光电二极管就是基于这种效应的光电器件。

电子工业出版社第4章电转换现象和图像显示器件光电器件在不同历史时期的不同内涵1.3.1光电器件的发展现状1.3.2光电器件的发展趋势1.3光电器件的发展电子工业出版社第１章光电器件基础1.3光电器件的发展

光电器件的发展经历了五个阶段电子工业出版社第１章光电器件基础

1.光电器件发展的初级阶段是电子管和无线电技术时代，当时大体积的电子学器件已经普及并进入批量生产，但还没有光子功能性的器件。

2.光电器件发展的第二阶段被称为晶体管和电子技术时代。3.光电器件发展的第三阶段出现了激光器。

4.光电器件发展的第四阶段出现了集成电路。20世纪70年代中期集成电路的出现成功地将电子学器件组成回路小型化、集成化。

5.光电器件及光电子技术发展的第五阶段是出现了集成光学和光纤通信技术，该阶段被称为光电信息技术时代。现在常用的光电器件世界第一台红宝石激光器热电偶PD632热释电红外传感器B749光子牵引探测器CMOS线阵图像传感器CMOS面阵图像传感器CCD线阵传感器CCD面阵图像传感器现在常用的光电器件1.3.1光电器件的发展现状

2.光纤、光调制、光开关等单元器件和简单集成光路，光电混合集成光路等，在多项技术领域获得重要应用

“光计算机”取代计算机。之后的研究表明要做成三个以上单元器件功能的集成光路是非常困难的，集成光路至今也没有实现。电子工业出版社第１章光电器件基础3.

各种半导体激光器需求量大，世界发达国家都在大力开展对其的研究与开发，并取得了新进展。垂直腔表面发射LD得以实现。

4.纳米光电器件的研究也取得了进展。在氧化铝衬底上生长的ZnO纳米线的扫描电子显微镜图像5.纳米光电探测器中的碲镉汞红外焦平面阵列器件用于红外摄像机、热像仪等。中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室研究员胡伟达、陈效双、陆卫等研究人员基于photogating效应在InAs纳米线光电探测器（低维探测器）上实现多子探测，成功研制出了高增益可见/近红外光电探测器。该器件性能不受测试环境的影响也使得其应用更加广泛。纳米太阳能电池（成本低、换能效率高。此外还有硅纳米光电子器件、纳米传感器（纳米探针、纳米细胞探测器等）以及纳米光机电系统等。

低维探测器研究示意图三层纳米太阳能电池板

红外摄像机FLUKETI25热像仪1.3.2光电器件的发展趋势

人类社会进入全新的信息化和网络化时代，这给光电子技术发展带来新机遇和新挑战。光电子技术的核心是光电子器件及其集成电路的设计、制作与应用。现代社会的发展要求更加精细、更为高效的光电子集成。随着纳米半导体材料与结构研究的不断深入，科研人员正致力于应用纳米材料，研发尺寸更小、精度更高、速度更快以及功耗更低的纳米光电子器件。目前纳米光电器件研究的重要方向之一是碳基光电器件。石墨烯的光学特性也很优异，与其相关的光电器件的研究也受到了广泛的关注。电子工业出版社第１章光电器件基础1.光电器件是光电技术的核心。半导体激光器是用半导体材料作为工作物质产生激光的器件，也称为激光二极管（LD）。光电探测器能将光辐射信号转换为电信号（电压或电流）。光电成像器件能输出图像信息。光电显示器件能将非视觉信息转换为视觉信息，是各种仪器信息系统的终端。

2.光电器件应用广泛、种类很多。根据应用的不同，本书介绍的光电器件有半导体激光器、光电探测器件、光电成像器件以及光电显示器件等。

电子工业出版社第１章光电器件基础电子工业出版社第１章光电器件基础3.半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。按照是否掺入杂质，半导体分为本征半导体和掺杂半导体。掺杂半导体的主要特性有掺杂型、热敏性和光敏性。根据掺入杂质的不同，掺杂半导体可分为P型半导体和N型半导体。将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成PN结。PN结具有单向导电性，即加正向电压导通，加反向电压截止，二极管的核心是一个PN结。电子工业出版社第１章光电器件基础4.光、电转换现象应用十分广泛，能源、显示等很多光电器件和设备的工作原理都是根据光电转换的原理。光照射到半导体上，引起物质的电性质发生变化，也就是光能量转换成电能。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应。光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏特效应。前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。光电发射效应中发射出来的电子叫做光电子；在光照射下能输出电压叫光生伏特效应；光照射到某些物体上后，引起其电导变化的现象称光电导效应。5.1960年第一台红宝石激光器诞生，激光器的发明标志着光学功能器件的出现，同时改变了光学在自然科学中的地位，电子技术转变为光电子技术，人类科学进入新的发展历程。1970年双异质结结构半导体激光器诞生，这是第一个可以使用的半导体激光器。各种半导体激光器需求量大，世界发达国家都在大力开展对其的研究与开发，并取得了新进展。作为新一代显示及照明材料的有机发光材料受到了广泛的重视。纳米光电器件的研究也取得了进展。6.人类社会进入全新的信息化和网络化时代，这给光电子技术发展带来新机遇和新挑战。光电子技术的核心是光电子器件及其集成电路的设计、制作与应用。现代社会的发展要求更加精细、更为高效的光电子集成。随着纳米半导体材料与结构研究的不断深入，科研人员正致力于应用纳米材料，研发尺寸更小、精度更高、速度更快以及功耗更低的纳米光电子器件。目前纳米光电器件研究的重要方向之一是碳基光电器件。石墨烯的光学特性也很优异，与其相关的光电器件的研究也受到了广泛的关注。

第2章光电检测器件

2.1真空光电探测器件---光电倍增管

2.2光敏电阻

2.3光电二极管《光电器件技术与技能》教学演示文稿电子工业出版社

2.4光电三极管

2.5硅光电池

2.6红外探测器件第2章光电探测器件

第2章光电检测器件

技能实训2光电倍增管(PMT)暗电流的测试

技能实训3测量光敏电阻的伏安特性和光照特性

本章小结《光电器件技术与技能》教学演示文稿电子工业出版社

技能实训4光电二极管和光电三极管的引脚检测和好坏测试

技能实训5红外线探测报警器的制作、调试、安装、运行和维护第2章光电探测器件

2.1光电倍增管

光电倍增管是一种能将微弱的光信号转换成可测电信号的光电转换器件。光电倍增管（PMT）是光子技术器件中的一个重要产品，它是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件。可广泛应用于光子计数、极微弱光探测、化学发光、生物发光研究、极低能量射线探测、分光光度计、旋光仪、色度计、照度计、尘埃计、浊度计、光密度计、热释光量仪、辐射量热计、扫描电镜、生化分析仪等仪器设备中。

电子工业出版社第2章光电探测器件2.1.1光电倍增管的分类2.1.2光电倍增管的结构2.1.3光电倍增管的工作原理2.1.4光电倍增管的特性2.1光电倍增管电子工业出版社第2章光电探测器件第2章光电探测器件2.1.1光电倍增管的分类

2.端窗型光电倍增管（CR系列）

侧窗型光电倍增管（R系列）

电子工业出版社第2章光电探测器件1.侧窗型光电倍增管（R系列）从玻璃壳的侧面接收入射光，如图1-48所示。在通常情况下，侧窗型光电倍增管（R系列）的单价比较便宜（一般数百元/只â），在分光光度计、旋光仪和常规光度测定方面具有广泛的应用。大部分的侧窗型光电倍增管使用不透明光阴极（反射式光阴极）和环形聚焦型电子倍增极结构，这种结构能够使其在较低的工作电压下具有较高的灵敏度。

电子工业出版社第2章光电探测器件2.端窗型光电倍增管（CR系列）从玻璃壳的顶部接收入射光。如图1-49所示。端窗型光电倍增管（CR系列）也称顶窗型光电倍增管。其价格一般在千元以上，它是在其入射窗的内表面沉积了半透明的光阴极（透过式光阴极），这使其具有优于侧窗型的均匀性。端窗型光电倍增管的特点是拥有从几十平方毫米到几百平方厘米的光阴极，另外，现在还出现了针对高能物理实验用的可以广角度捕获入射光的大尺寸半球形光窗的光电倍增管。

电子工业出版社第2章光电探测器件2.1.2光电倍增管的结构

图1—50端窗型光电倍增管的结构图光电倍增管是一种真空器件。它由光电发射阴极（光阴极）和聚焦电极、电子倍增极及电子收集极（阳极）、入射面板（窗）等组成。光电倍增管的阴极一般都采用具有低逸出功能的碱金属材料所形成的光电发射面。光电倍增管的窗材料通常由硼硅玻璃、透紫玻璃（UV玻璃）、合成石英玻璃和氟化镁（或镁氟化物）玻璃制成。硼硅玻璃窗材料可以透过近红外至300nm的可见入射光，而其它3种玻璃材料则可用于对紫外区不可见光的探测。电子工业出版社第2章光电探测器件2.1.3光电倍增管的工作原理

当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，并通过打拿极(电子倍增极)进一步的二次发射得到的倍增放大。然后把放大后的电子用阳极收集作为信号输出电子工业出版社第2章光电探测器件2.1.4光电倍增管的特性

3．电流放大（增益）2．光照灵敏度1.光谱响应4．阳极暗电流5．磁场影响6．温度特点7．滞后特性电子工业出版社第2章光电探测器件

1.光谱响应光电倍增管由阴极接收入射光子的能量并将其转换为光子，其转换效率（阴极灵敏度）随入射光的波长而变。这种光阴极灵敏度与入射光波长之间的关系叫做光谱响应特性。一般情况下，光谱响应特性的长波段取决于光阴极材料，短波段则取决于入射窗材料。量子效率为光阴极发射出来的光电子数量与入射光光子的数量之比

电子工业出版社第2章光电探测器件2．光照灵敏度光电倍增管一般是为用户提供阴极和阳极的光照灵敏度。阴极光照灵敏度，是指使用钨灯产生的2856K色温光测试的每单位通量入射光产生的阴极光电子电流。阳极光照灵敏度是每单位阴极上的入射光能量产生的阳极输出电流（即经过二次发射极倍增的输出电流）。

电子工业出版社第2章光电探测器件3．电流放大（增益）光阴极发射出来的光电子被电场加速后撞击到第一倍增极上将产生二次电子发射，以便产生多于光电子数目的电子流，这些二次发射的电子流又被加速撞击到下一个倍增极，以产生又一次的二次电子发射，连续地重复这一过程，直到最末倍增极的二次电子发射被阳极收集，这样就达到了电流放大的目的。这时光电倍增管阴极产生的很小的光电子电流即被放大成较大的阳极输出电流。一般的光电倍增管有9～12个倍增极。

电子工业出版社第2章光电探测器件4．阳极暗电流光电倍增管在完全黑暗的环境下仍有微小的电流输出。这个微小的电流叫做阳极暗电流。它是决定光电倍增管对微弱光信号的检出能力的重要因素之一。电子工业出版社第2章光电探测器件5．磁场影响大多数光电倍增管会受到磁场的影响，磁场会使光电倍增管中的发射电子脱离预定轨道而造成增益损失。这种损失与光电倍增管的型号及其在磁场中的方向有关。一般而言，从阴极到第一倍增极的距离越长，光电倍增管就越容易受到磁场的影响。因此，端窗型尤其是大口径的端窗型光电倍增管在使用中要特别注意这一点。电子工业出版社第2章光电探测器件6．温度特点降低光电倍增管的使用环境温度可以减少热电子发射，从而降低暗电流。另外，光电倍增管的灵敏度也会受到温度的影响。

7．滞后特性当工作电压或入射光发生变化之后，光电倍增管会有一个几秒钟以几十秒钟的不稳定输出过程。电子工业出版社第2章光电探测器件光电倍增管的应用提示

1.光电倍增管的工作电压可能造成电击，在仪器设计中应适当地设置保护装置。

2.由于光电倍增管的封装尾管易受外力或振动而损伤，故应尽量保证其安全。特别是对带有过渡封装的合成石英外壳的光电倍增管，应特别注意外力的冲击和机械振动等影响。

3.不要用手触光电倍增管，面板上的尘土和手印会影响光信号的穿透率，受到污染的管基会产生低压漏光。光电倍增管受到污染后，可用酒精擦试干净。

4.当阳光或其他强光照射到光电倍增管时，会损伤管中的光阴极。所以光电倍增管存放时，不应暴露在强光中。

5.玻璃管基（芯柱）光电倍增管比塑料管基更缺乏缓冲保护，所以对玻璃管基的管子应更加保护，例如，在管座上焊接分压电阻时，应将光电倍增管先插入管座中。

6.在使用中需要冷却光电倍增管时，应经常将光电倍增管的相关部件也进行冷却。

7.氦气会穿透石英管壳，从而使噪声值升高。因此，在使用和存放中避免将光电倍增管暴露在有氦气存在的环境中。电子工业出版社第2章光电探测器件

2.2光敏电阻

光敏电阻器是利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器，又称为光电导探测器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。还有另一种入射光弱，电阻减小，入射光强，电阻增大。

电子工业出版社第2章光电探测器件第2章光电探测器件

2.2.1光敏电阻的外形、结构和符号2.2.2光敏电阻的工作原理2.2.3光敏电阻的特性测试与主要参数2.2.4光敏电阻的应用2.2光敏电阻电子工业出版社第2章光电探测器件2.2.1光敏电阻的外形、结构和符号

2.光敏电阻的结构3．光敏电阻的符号(RG)光敏电阻外形

电子工业出版社第2章光电探测器件1.光敏电阻外形

电子工业出版社第2章光电探测器件2.光敏电阻的结构在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体。为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度电子工业出版社第2章光电探测器件3．光敏电阻的符号(RG)2.2.2光敏电阻的原理

光敏电阻的工作原理是基于内光电效应，光照下物体电导率改变的现象称为内光电效应。常用的制作光敏电阻的材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。当光敏电阻两端加上电压后，流过光敏电阻的电流随光照增大而增大。入射光消失，电子-空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值，电流也逐渐减小，电子工业出版社第2章光电探测器件2.2.2光敏电阻的原理动手做：按下图连接好电路，合上开关，调节光照强度，观察MA表的读数和发光二极管的亮度，得出结论。在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到一定波长的光线照射时，电流就会随光强的增大而变大，发光二极管会变得更亮，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可加交流电压。

电子工业出版社第2章光电探测器件2.2.3光敏电阻的特性和主要参数

1．伏安特性在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。图2-11为硫化镉光敏电阻的伏安特性。由图可见光敏电阻在一定的电压范围内，其特性曲线为直线。即光照一定时，光敏电阻两端的电压与光电流为线性关系，呈电阻特性。该直线过零点，其斜率反映在该照度下的电阻值。电子工业出版社第2章光电探测器件2.2.3光敏电阻的特性和主要参数

2．光照特性光敏电阻的光照特性是描述光电流和光照强度（光能量）之间的关系，不同材料的光照特性是不同的，绝大多数光敏电阻的光照特性是非线性的。如图2-12为硫化镉光敏电阻的光照特性。电子工业出版社第2章光电探测器件2.2.3光敏电阻的特性和主要参数

3．光谱特性光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射光的波长的关系称为光敏电阻的光谱特性，也称光谱响应。图2－13为几种材料的光谱特性。从图中可以看出不同材料的光谱特性曲线不一样，同一材料对应于不同波长的光敏电阻的灵敏度不相同。电子工业出版社第2章光电探测器件2.2.3光敏电阻的特性和主要参数

4．频率特性。光敏电阻的光电流不能随着光强变化而立即变化，光敏电阻受到脉冲光照时，光电流要经过一段时间才能达到稳态值，光照突然消失时，光电流也不立刻为零，这说明光敏电阻有时延特性。由于不同材料的光敏电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不相同。图2-14给出相对灵敏度S，与光强变化频率f之间的关系曲线，可以看出硫化铅的使用频率比硫化镉高得多，但多数光敏电阻的时延都较大，因此不能用在要求快速响应的场合，这是光敏电阻的一个缺陷。

电子工业出版社第2章光电探测器件2.2.3光敏电阻的特性和主要参数

5．温度特性。温度变化影响光敏电阻的光谱响应，同时，光敏电阻的灵敏度和暗电阻都要改变，尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。图2-15为硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线，它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。因此.硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用。对于可见光的光敏电阻，其温度影响要小一些。电子工业出版社第2章光电探测器件2.2.3光敏电阻的特性和主要参数

6．光敏电阻的主要参数（1）暗电阻（MΩ）：光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。（2）亮电流（KΩ）：光敏电阻在受光照射时的阻值称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。（3）光电流：亮电流与暗电流之差称为光电流。电子工业出版社第2章光电探测器件2.2.4

光敏电阻的应用

光敏电阻属半导体光敏器件，除具灵敏度高，反应速度快，光谱特性及r值一致性好等特点外，在高温，多湿的恶劣环境下，还能保持高度的稳定性和可靠性，可广泛应用于照相机，太阳能庭院灯，草坪灯，验钞机，石英钟，音乐杯，礼品盒，迷你小夜灯，光声控开关，路灯自动开关以及各种光控玩具，光控灯饰，灯具等光自动开关控制领域。下面给出几个典型应用电路，有兴趣的同学可自己制作光控调光电路板装在楼道灯里，也可做个光控开关。电子工业出版社第2章光电探测器件2.2.4

光敏电阻的应用

1．调光电路图中是一种典型的光控调光电路，其工作原理是：当周围光线变弱时引起光敏电阻的阻值增加，使加在电容C上的分压上升，进而使可控硅的导通角增大，达到增大照明灯两端电压的目的。反之，若周围的光线变亮，则RG的阻值下降，导致可控硅的导通角变小，照明灯两端电压也同时下降，使灯光变暗，从而实现对灯光照度的控制。电子工业出版社第2章光电探测器件

电路中整流桥给出的是必须是直流脉动电压，不能将其用电容滤波变成平滑直流电压，又可使电容C的充电在每个半周从零开始，准确完成对可控硅的同步移相触发。2.2.4

光敏电阻的应用

2．光控开关以光敏电阻为核心元件的带继电器控制输出的光控开关电路有许多形式，如自锁亮激发、暗激发及精密亮激发、暗激发等等，下面给出几种典型电路。电子工业出版社第2章光电探测器件右图一种简单的暗激发继电器开关电路。其工作原理是：当照度下降到设置值时由于光敏电阻阻值上升激发VT1导通，VT2的激励电流使继电器工作，常开触点闭合，常闭触点断开，实现对外电路的控制。2.2.4

光敏电阻的应用

２．光控开关右是一种精密的暗激发时滞继电器开关电路。其工作原理是：当照度下降到设置值时由于光敏电阻阻值上升使运放IC的反相端电位升高，其输出激发VT导通，VT的激励电流使继电器工作，常开触点闭合，常闭触点断开，实现对外电路的控制。电子工业出版社第2章光电探测器件2.2.4

光敏电阻的应用

3．动手动脑，提升能力光敏电阻的几个应用实例都可以软件仿真和实物制作：（1）用PROTEUS软件搭接电路，运行，进行仿真可加深对光敏电阻应用实例的理解。（2）有兴趣的同学可用电脑制作PCB板，用转印纸打印，然后通过加热转印到电路板上，腐蚀，打孔，打磨清洗，涂助焊剂，检测元件，焊接等过程，制作出调光电路板或光控开关，然后进行调试。调试完成后就是一个产品了，自己可以以拿回家用。电子工业出版社第2章光电探测器件

2.3.1光电二极管的结构2.3.2光电二极管的工作原理2.3.3光电二极管的导电特性2.3.4光电二极管的应用2.3光电二极管

电子工业出版社第2章光电探测器件2.3.1光电二极管的外形、结构和符号

2.光电二极管的结构3．光电二极管的符号(RG)光电二极管的外形

电子工业出版社第2章光电探测器件1.光电二极管外形

电子工业出版社第2章光电探测器件2.光电二极管的结构光电二极管可分为两种结构形式：以P型硅为衬底的2DU型，以N型硅为衬底的2CU型。光电二极管和普通二极管一样，也是由一个PN结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性。但是，在电路中不是用它作整流元件，它是将光信号变成电信号的半导体器件。光电二极管和普通二极管相比，在结构上不同之处是在光电二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，实现光电转换，为了便于接受入射光照，PN结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米电子工业出版社第2章光电探测器件3．光电二极管的符号(Ｖ)2.3.2光电二极管的原理

光电二极管由一片很薄的N型半导体和一片很厚的P型半导体结合在一起而组成（N型半导体侧有丰富的电子，P型半导体侧有丰富的空穴，如图2－23所示）。此PN结的N侧作为负极，P侧作为正极。光电二极管在光照作用下，许多光子将通过N型半导体进入P型半导体。进入P区的部分光子将会与束缚电子碰撞而将其分离原来的位置，并在此过程中产生空穴。如果碰撞在PN结附近进行，被逐出电子将越过PN结。结果，在N侧额外增加了电子而在P侧额外增加了空穴。正负电荷的分离使得在PN结两侧形成了电位差。此时，如果用一根导线将负极（N侧）与正极（P侧），电子将从有丰富电子的负极流向有丰富空穴的正极（或按习惯，认为电流从正极通过导线流向负极）。电子工业出版社第2章光电探测器件2.3.3光电二极管的导电特性

光电二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗电流，如图2－24（a）。当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子---空穴对，称为光生载流子。它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。这种特性称为“光电导”。光电二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流,如图2－24（b）所示。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化电子工业出版社第2章光电探测器件2.3.3光电二极管的导电特性

电子工业出版社第2章光电探测器件(a)无光照时的暗电流(b)有光照时的光电导情况(c)光电流通过负载获得电信号图2-24光电二极管的导电特性2.3.4

光电二极管的应用

1.光电电流源在图2-25(a)中，光电二极管的作用是将光能直接转换成电流。该电流可用电流表测量。光的输入强度（亮度）和输出电流成线性关系，如图2-25（b）所示。电子工业出版社第2章光电探测器件图2-25光电二极管作光电电流源2.3.4

光电二极管的应用

2.光电导应用单个光电二极管可能无法产生足够大的电流来驱动一个光电电路。通常它与一个电压源合在一起使用。图2-26中，光电二极管以反向偏置的方向与电压源相连。当处于黑暗中时，只有很小的暗电流（纳安数量级）通过光电二极管。用光照射光电二极管时，通过它的电流增大。本电路与前述电路不同的地方是利用电池来增加输出的电流。如果，在电路中串接一个电阻器，可用于电流表的校准。注意，如果你将光电二极管看做是普通的二极管，电路是不能导通的。光电二极管的连接方式与普通二极管的相反。电子工业出版社第2章光电探测器件图2-26光电二极管作光电导应用2.3.4

光电二极管的应用

3.光电二极管红外线遥控接收装置如图2-27所示，图是红外线遥控接收装置实例。红外线传感器有多种，这里选用光电二极管TPS604。工作原理简介如下：光电二极管TPS604接收到被调制的红外线的微弱信号，先经场效应晶体管VT1的前级放大，再经晶体管VT2进行适当的放大，由UT2的集电极输出相应信号控制有关电路。电子工业出版社第2章光电探测器件图2-27

光电二极管红外线遥控接收装置原理图2.3.4

光电二极管的应用

4．动手动脑，提升能力用光电二极管制作失火检测器电子工业出版社第2章光电探测器件

2.4光电三极管

光电三极管除具有光电转换的功能外，还具有放大功能，在电路图中文字符号一般为VT。

电子工业出版社第2章光电探测器件

2.4.1光电三极管的结构2.4.2光电三极管的工作原理2.4.3光电三极管的导电特性2.4.4光电三极管的应用2.4光电三极管

电子工业出版社第2章光电探测器件2.４.1光电三极管的外形、结构和符号

2.光电三极管的结构3．光电三极管的符号(ＶＴ)光电三极管的外形

电子工业出版社第2章光电探测器件1.光电三极管外形

电子工业出版社第2章光电探测器件常见光电三极管有3DU0～7型、3DU11～51型以及硅光电三极管组合件。在左图中，有的硅光电三极管只有两只脚，这是由于在制作时，基极b没有引出的缘故。硅光电三极管组合件是将10只或15只光电三极管，采用集成电路工艺，利用双列直插式外壳封装而成。在外壳上，每只光电三极管都有一个玻璃窗口。2.光电三极管的结构光电三极管因输入信号为光信号，所以通常只有集电极和发射极两个引脚线。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。它由玻璃凸镜,外壳,管芯引脚构成,如图2-29(a)所示,管芯由衬底,NPN三层半导体,二氧化硅绝缘层,发射极和集电极两个电极构成电子工业出版社第2章光电探测器件3．光电三极管的符号(ＶＴ)2.4.2光电三极管的原理光电三极管的等效电路图

其工作原理分为两个部份：一是光电转换；二是光电流放大。光电转换过程与一般光电二极管相同，在集—基PN结区内进行。光激发产生的电子—空穴对在反向偏置的PN结内电场的作用下，电子流向集电区被集电极所收集，而空穴流向基区与正向偏置的发射结发射的电子复合，形成基极电流，基极电流将被集电结放大，这与一般半导体三极管的放大原理相同，光电三极管可等效为光电二极管和一个三极管连接,如图3－32所示。不同的是一般三极管是由基极向发射结注入空穴载流子，控制发射极的扩散电流，而光电三极管是由注入到发射结的光生电流控制的。光强与光电流的关系与光电二极管一样如图2－33所示.

电子工业出版社第2章光电探测器件光强与光电流的关系2.4.3光电三极管的导电特性

１.伏安特性光电三极管在偏置电压为零时，无论光照度有多强，集电极电流都为零。偏置电压要保证光电三极管的发射结处于正向偏置，而集电结处于反向偏置。随着偏置电压的增高伏安特性曲线趋于平坦。光电三极管的伏安特性曲线向上偏斜，间距增大。这是因为光电三极管除具有光电灵敏度外，还具有电流增益β，并且，β值随光电流的增大而增大,光电三极管的集电极电流与光强以及反向电压的关系类似于三极管的输出曲线.测试电路图和伏安曲线如图2－34所示。电子工业出版社第2章光电探测器件2.4.3光电三极管的导电特性

2.时间响应（频率特性）光电三极管的时间响应常与PN结的结构及偏置电路等参数有关。光电三极管的时间响应由以下四部分组成：（1）光生载流子对发射结电容Cbe和集电结电容Cbc的充放电时间；（2）光生载流子渡越基区所需要的时间；（3）光生载流子被收集到集电极的时间；（4）输出电路的等效负载电阻RL与等效电容Cce所构成的RC时间；总时间常数为上述四项和。比光电二极管的时间响应长。电子工业出版社第2章光电探测器件2.4.3光电三极管的导电特性

3.温度特性硅光电二极管和硅光电三极管的暗电流Id和光电流IL均随温度而变化，由于硅光电三极管具有电流放大功能，所以硅光电三极管的暗电流Id和亮电流IL受温度的影响要比硅光电二极管大得多。电子工业出版社第2章光电探测器件2.4.3光电三极管的导电特性

4.光谱响应光电二极管与光电三极管具有相同的光谱响应。它的响应范围为0.4~1.1μm，峰值波长为0.85μm。电子工业出版社第2章光电探测器件2.4.4

光电三极管的应用

1.光电三极管与三极管构成达林顿管,接收光信号,作为555电路的输入,从而控制3脚输出,控制继电开关K电子工业出版社第2章光电探测器件图2－35光电三极管灵敏光电开关2.４.4

光电三极管的应用

2.亮通光电控制电路当有光线照射于光电器件上时，使继电器有足够的电流而动作，这种电路称为亮通光电控制电路，也叫明通控制电路。最简单的亮通电路如图2－36所示。电子工业出版社第2章光电探测器件图2－36亮通光电控制开关电路2.４.4

光电三极管的应用

3.暗通光电控制电路如果光电继电器不受光照时能使继电器动作，而受光照时继电器释放，则称它为暗通控制电路，其电路如2－37所示。电子工业出版社第2章光电探测器件图2－37亮通光电控制开关电路2.４.4

光电三极管的应用

4.印刷机纸张监控器印刷机纸张监控器可以自动监测每次印刷的纸张是否为一张，如果不是一张则发出报警讯响，停止印刷，待整理好纸张后，再开始工作，其电路如图2－38所示。。电子工业出版社第2章光电探测器件图2－38印刷机纸张监控器光电三极管的应用提示

在实际工作中，有时需要区别是红外发光二极管，还是红外光电二极管(或者是光电三极管)。其方法是：若管子都是透明树脂封装，则可以从管芯安装外来区别。红外发光二极管管芯下有一个浅盘，而光电二极管和光电三极管则没有；若管子尺寸过小或黑色树脂封装的，则可用万用表(置1k挡)来测量电阻。用手捏住管子(不让管子受光照)，正向电阻为20-40kΩ，而反向电阻大于200kΩ的是红外发光二极管；正反向电阻都接近∞的是光电三极管；正向电阻在10k左右，反向电阻接近∞的是光电二极管。光电二极管与光电三极管外壳形状基本相同，其判定方法如下：遮住窗口，选用万用表R*1K挡，测两管脚引线间正、反向电阻，均为无穷大的为光电三极管。正、反向阻值一大一小者为光电二极管。电子工业出版社第2章光电探测器件

2.5硅光电池

硅光电池是一种直接把光能转换成电能的半导体器件。

电子工业出版社第2章光电探测器件2.5.1硅光电池的结构2.5.2硅光电池的工作原理2.5.3硅光电池的特性测试2.5.4硅光电池的应用2.5硅光电池

电子工业出版社第2章光电探测器件2.5.1硅光电池的结构外形和符号

１.硅光电池的结构

3.硅光电池的外形和符号

电子工业出版社第2章光电探测器件2.硅光电池的分类１.硅光电池结构

电子工业出版社第2章光电探测器件它的结构很简单，核心部分是一个大面积的PN结.硅光电池的基体材料为一薄片P型单晶硅，其厚度在0.44mm以下,栅状电极，在它的表面上利用热扩散法生成一层N型受光层，基体和受光层的交接处形成PN结。在N型受光层上制作有栅状负电极，另外在受光面上还均匀覆盖有抗反射膜，它是一层很薄的天蓝色一氧化硅膜，可以使电池对有效人射光的吸收率达到90%以上，并使硅光电池的短路电流增加25%-30%。２.硅光电池分类

电子工业出版社第2章光电探测器件以硅材料为基体的硅光电池，可以使用单晶硅、多晶硅、非晶硅来制造。单晶硅光电池是目前应用最广的一种，它有2CR和2DR两种类型，其中2CR型硅光电池采用N型单晶硅制造，2DR型硅光电池刚采用P型单晶硅制造。３.光电三极管外形和符号

电子工业出版社第2章光电探测器件硅光电池的外封装有很多种类,常见的外形如左图所示右图为硅光电池的符号2.5.2硅光电池的原理

硅光电池的工作原理是光生伏特效应。当光照射在硅光电池的PN结区时，会在半导体中激发出光生电子一空穴对。PN结两边的光生电子一空穴对，在内电场的作用下，属于多数载流子的不能穿越阻挡层，而少数载流子却能穿越阻挡层。结果，P区的光生电子进入N区，N区的光生空穴进入p区，使每个区中的光生电子一空穴对分割开来。光生电子在N区的集结使N区带负电，光生电子在p区的集结使P区带正电。P区和N区之间产生光生电动势。当硅光电池接人负载后，光电流从P区经负载流至NE，负载中即得到功率输出。把一只透明玻璃外壳的点接触型二极管与一块微安表接成闭合回路，当二极管的管芯(PN结)受到光照时，你就会看到微安表的表针发生偏转，显示出回路里有电流，这个现象称为光生伏特效应。硅光电池的PN结面积要比二极管的PN结大得多，所以受到光照时产生的电动势和电流也大得多。电子工业出版社第2章光电探测器件2.5.3硅光电池的特性测试

不同强度的光线照射在硅光电池上会产生不同强弱的电流，电流与光线的强度形成线性的关系，因此利用硅光电池的特性测量可以通过控制光的强弱程度来测定电流获得，测试电路图如图2－42和图2－43所示，测得的特性曲线如图2－44所示。电子工业出版社第2章光电探测器件图2－42硅光电池无光照时电流测试情况图2－43硅光电池有光照时电流测试情况硅光电池光强与光电流的关系曲线

研究人员观察硅光光电池光谱特性的曲线图不难发现，不同的光电池的光谱曲线峰值所在位置不同，硅光电池的光谱范围较宽，当然，这不仅仅与硅光电池的制造材料有关，也跟光电池的制造工艺有关，此外还随着环境中的温度变化有关。硅光电池的电压与温度成负相关，而短流电流则与温度成正相关。因而，硅光电池作为测量仪器的传感器使用时，需要进行相应的温度补偿作业，通常在测量的参数设置不变的情况下，测量仪器的数据会跟随着温度而发生偏移，产生相应的误差。电子工业出版社第2章光电探测器件2.5.4硅光电池的应用

硅光电池是太阳能电池的一种，光伏技术可直接将太阳的光能转换为电能，用此技术制作的光电池使用方便，光照时产生的电动势和电流也大得多。目前，硅光电池的应用已经十分的广泛，从航天科技到日常生活，都给我们带来了许多的便利。许多生产厂家发现了利用硅光电池特性的价值，开始大批量的制造新产品，硅光电池在未来能源中的利用价值颇高，如数码摄像、光通信、航天器、太阳能电池等领域得到了广泛应用，在现代科技发展中起到了十分重要的作用。电子工业出版社第2章光电探测器件太阳能电池的实物图原理示意图电路符号2.5.4硅光电池的应用

太阳能电池可用于热水器、路灯照明、太阳能汽车、卫星供能等如下图所示。电子工业出版社第2章光电探测器件(a)太阳能电池玻璃车（b）太阳能电池在卫星上应用（c）太阳能热水器动手动脑，提升能力：制作光线检测调节电路

如下图所示，用两个性能相近的硅光电池作光接受器件，当入射光通量相同时Vo=0，执行机构按预定的方式工作。当光路系统略有偏差时，两个硅光电池接收到的光通量发生变化，此时Vo≠0，这一差动输出信号经过放大即可带动执行机构(例如微型电机)对系统状态进行纠正，直到Vo=0为止，从而达到跟踪的目的。电子工业出版社第2章光电探测器件图2－49光线检测调节电路硅光电池的使用及注意

1)硅光电池的寿命很长，性能很稳定，但是要注意保护，不能受机械损伤，一旦电池破碎就无法再使用了。

2)硅光电池不能受潮，也不能沾油污，否则将使抗反射膜脱落。

3)应避免用白炽灯的光源长时间照射硅光电池，这样会使电池的温度升高，降低输出功率。

电子工业出版社第2章光电探测器件硅光电池的使用及注意

4)硅光电池的输出电压一般为0.5V，为能获得较高的电压，可将硅光电池串联起来使用，如要获得较大的电流，也可将硅光电池并联使用。硅光电池串、并联后，就可得到一定输出功率的电池组。该电池组就可当电源使用。也可与蓄电池配合共同完成对负载的供电。如下图所示，当无光照射时，由蓄电池向负载供电，当有光照射时，由硅光电池向负载供电，同时给蓄电池充电。图中的VD为防逆流二极管，其反向耐压要高于蓄电池的电压，最大工作电流要大于硅光电池组的最大输出电流。电子工业出版社第2章光电探测器件硅光电池的使用及注意

5)将硅光电池可作为光电开关的光接收器件，在其中起到一个自动开关的作用。当有光照射时，硅光电池输出电压，使晶体管导通。当无光照射时，硅光电池无电压输出，晶体管截止不导通。电子工业出版社第2章光电探测器件

2.6红外探测器件

红外探测器件是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件。红外辐射是波长介于可见光与微波之间的电磁波，人眼察觉不到。要察觉这种辐射的存在并测量其强弱，必须把它转变成可以察觉和测量的其他物理量。一般说来，红外辐射照射物体所引起的任何效应，只要效果可以测量而且足够灵敏，均可用来度量红外辐射的强弱。现代红外探测器所利用的主要是红外热效应和光电效应。这些效应的输出大都是电量，或者可用适当的方法转变成电量。

电子工业出版社第2章光电探测器件

2.6.1红外探测器件的结构2.6.2红外探测器件的工作原理2.6.3红外探测器件的特性测试2.6.4红外探测器件的应用2.6红外探测器件

电子工业出版社第2章光电探测器件2.6.1红外探测器件的结构

１.红外探测器件的组成电子工业出版社第2章光电探测器件2.红外探测器件的分类1.红外探测器件的组成

电子工业出版社第2章光电探测器件一个红外探测器至少有一个对红外辐射产生敏感效应的物体，称为响红外探测器应元也叫电红外传感器，和可以让红外透过并划分区域的介质也叫菲涅尔透镜。此外，还包括响应元的支架、密封外壳。有时还包括致冷部件、光学部件和电子部件等。其内部的热电元采用高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成,其极化随温度的变化而变化。为了抑制因自身温度变化而产生的干扰,在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路

,它能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化,并将其转换为电信号输出。热释红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换。由于热电元输出的是电荷信号

,这并不能直接使用

,需要用电阻将其转换为电压的形式该电阻阻抗高达10MΩ,故引入N沟道结型场效应管接成共漏形式(即源极跟随器)

,以完成阻抗变换。为了提高探头的增益

,Ｎ沟道增强型MOS管在探头中也有应用。２.红外探测器件的分类

电子工业出版社第2章光电探测器件2．红外探测器的种类（1）热探测器热探测器是根据热效应制成的。物体受热而温度升高会引起一些物理参数的变化，有些物理参数的改变比较大，就可用来制造红外探测器。热探测器的响应时间比较长，大多在毫秒级以上。①热电偶：利用温差电现象制成的红外探测器图3-14

热电偶外形和精密热电偶温度仪电子工业出版社第3章红外技术2．红外探测器的种类（1）热探测器②电阻测辐射热器：利用温度变化引起电阻变化制成的红外探测器电阻测辐射热器有半导体测辐射热器、金属测辐射热器和超导体测辐射热器三种。图3-15

热敏电阻电子工业出版社第3章红外技术2．红外探测器的种类（1）热探测器③气动探测器：温度升高时，气体在体积一定的条件下，压强增大。从压强的增加可以测定出被吸收的红外辐射功率。这样的红外探测器叫气动探测器图3-16

气动探测器电子工业出版社第3章红外技术2．红外探测器的种类（1）热探测器④热释电探测器：有一些晶体，当受到红外辐射照射后温度升高时，在某个晶体方向上能够产生电压。由此，就能测量出红外辐射的功率，这种探测器叫热释电探测器。图3-18

热释电探测器电子工业出版社第3章红外技术2．红外探测器的种类（2）光子探测器光子探测器是利用光电效应制成的，光电效应是指物体中的电子吸收红外辐射而改变运动状态的过程。光子探测器的响应时间比热探测器的响应时间短得多，最短的可达毫微秒（10-9秒）级。①外光电探测器：当光照射在某些金属氧化物或半导体表面时，如果光子的能量足够大，就能使表面发射出电子，这叫光电效应。利用这个效应制成的探测器叫外光电探测器，如光电管和光电倍增管（图3-20）。

电子工业出版社第3章红外技术2．红外探测器的种类（2）光子探测器图3-19

光电管外观和结构图3-20

光电倍增管外观和结构电子工业出版社第3章红外技术2．红外探测器的种类（2）光子探测器②光电导探测器：半导体吸收能量足够大的光子后，半导体的电阻减小，导电性增强，这种现象称为光电导。利用光电导制成的红外探测器应用广泛，统称为光电导探测器。由于光电导探测器的电阻对光线敏感，因此也称为光敏电阻。图3-21光敏电阻电子工业出版社第3章红外技术2．红外探测器的种类（2）光子探测器③光生伏特探测器：利用光照使不均匀半导体不同部位之间产生电势差的现象制作而成的一种探测器。图3-22光电二极管图3-23硅光电池探测器测量照度电子工业出版社第3章红外技术2．红外探测器的种类应用提示：被动红外探测器是一种在安防工程中使用极为普遍的探测器，要让其正确使用，防止漏报，减少误报，很重要的一点是合理确定安装的位置。①根据说明书确定正常的安装高度。安装高度不是随意的，它会影响到探测器的灵敏度和防小宠物的效果。②不宜面对玻璃门窗。首先是由于面向玻璃门窗会有强光干扰，其次探测器且易受到窗外复杂环境的干扰。③不宜正对冷热通风口或冷热源，感应作用与温度有着密切的关系。④不宜正对易摆动的物体。电子工业出版社第3章红外技术2.6.2红外探测器件的工作原理

红外探测器是一种辐射能转换器，主要用于将接收到的红外辐射能转换为便于测量或观察的电能，热能等其他形式的能量。

电子工业出版社第2章光电探测器件1.热释电红外探测器的工作原理

红外探测器是靠探测人体发射的红外线来进行工作的。探测器收集外界的红外辐射进而聚集到红外传感器上。红外传感器通常采用热释电元件，这种元件在接收了红外辐射温度发出变化时就会向外释放电荷，检测处理后产生报警。红外线探测器这种探测器是以探测人体辐射为目标的。所以辐射敏感元件对波长为10μm左右的红外辐射必须非常敏感。为了对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。红外探测器，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元。而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释电元几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。一旦入侵人进入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜而聚焦，从而被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而报警。电子工业出版社第2章光电探测器件2.光子红外探测器的工作原理光子探测器是利用外光电效应或内光电效应制成的辐射探测器，也称光电型探测器。其原理是探测器中电子吸收光子的能量，使运动状态发生变化而产生电信号，常用于探测红外辐射和可见光。电子工业出版社第2章光电探测器件2.6.3红外探测器件的特性

1．红外探测器的特性参数

2．红外探测器的优点3.

红外探测器的缺点电子工业出版社第2章光电探测器件1．红外探测器的特性参数（1）响应率①我们把输出的电压与输入的红外辐射功率之比称为响应率。用R来表示响应率，单位为伏/瓦；其中S代表输出电压，单位为伏；P代表红外辐射功率，单位为瓦；

例：有一红外探测器，当红外辐射功率为0.1W时，探测器输出电压为5mV，求该探测器的响应率？

电子工业出版社第3章红外技术1．红外探测器的特性参数（2）响应波长范围（光谱响应曲线）描述红外探测器的响应率和入射辐射的波长之间关系的曲线。图3-12（a）是热探测器的响应曲线，它表明，响应率不受波长的影响。图3-12（b）是光子探测器响应曲线，它表明响应率和波长有一定的关系。图3-12红外探测器的两种典型的光谱响应曲线

电子工业出版社第3章红外技术1．红外探测器的特性参数（3）噪声电压①噪声对探测器的影响：当入射红外辐射太低时，我们通过增加放大器的倍数来观察输出电压，但增大放大倍数的同时输出电压产生随机杂乱的变化，最后剩下杂乱无章的变化，原有正弦电压完全看不出来了，这就是噪声的影响。②由于噪声的存在，使得探测器所能探测的最小红外辐射有限。③噪声是探测器的一种不可避免的现象。任何探测器都存在一定的噪声。电子工业出版社第3章红外技术1．红外探测器的特性参数（4）噪声等效功率（5）探测率当投射到探测器面上的红外辐射功率所产生的输出电压正好等于探测器的噪声电压时，这个辐射功率就叫做“噪声等效功率”。也就是说，它对探测器所产生的效果与噪声相等。

探测率表示探测器的探测能力，它的值是噪声等效功率的倒数。探测率的数值大小表明了探测器性能的好坏，它与探测器敏感元的面积无关。电子工业出版社第3章红外技术1．红外探测器的特性参数（6）响应时间（7）其它特性参数当一定功率的辐射突然照射到探测器上时，探测器的输出电压要经过一定的时间才能达到这个功率相对应的稳定的数值。这个时间称为探测器的响应时间。红外探测器还有一些其它的特性参数，如工作温度、工作时的外加电压或电流、敏感元面积、电阻等。电子工业出版社第3章红外技术2．红外探测器的优点（1）环境适应性优于可见光，尤其是在夜间和恶劣天候下的工作能力;隐蔽性好，一般都是被动接收目标的信号，比雷达和激光探测安全且保密性强，不易被干扰;（2）由于是根据目标和背景之间的温差和发射率差形成的红外辐射特性进行探测，因而识别伪装目标的能力优于可见光。（3）与雷达系统相比，红外系统的体积小，重量轻，功耗低。（4）探测器的光谱响应从短波扩展到长波;探测器从单元发展到多元、从多元发展到焦平面;发展了种类繁多的探测器和系统。电子工业出版社第3章红外技术3．红外探测器的缺点容易受各种热源、阳光源干扰。红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探测器接收。易受射频辐射的干扰。环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵。电子工业出版社第3章红外技术红外探测器的应用提示

被动红外探测器是一种在安防工程中使用极为普遍的探测器，要让其正确使用，防止漏报，减少误报，很重要的一点是合理确定安装的位置。根据说明书确定正常的安装高度。安装高度不是随意的，它会影响到探测器的灵敏度和防小宠物的效果。不宜面对玻璃门窗。首先是由于面向玻璃门窗会有强光干扰，其次探测器且易受到窗外复杂环境的干扰。不宜正对冷热通风口或冷热源，感应作用与温度有着密切的关系。不宜正对易摆动的物体。电子工业出版社第2章光电探测器件2.6.4红外探测器件的应用

红外线探测器在军事、医学、农业、水产、工业、生活、安防、土木建筑、地质学、海洋学,气象学和宇宙学方面都有应用。红外探测器应用的主流,现在几乎都是被动无源传感器制作的探测器。如右图所示为各种红外线探测器产品产品。电子工业出版社第2章光电探测器件1.红外探测器在军事上的应用

红外探测具有环境适应性好、隐蔽性好、抗干扰能力强、能在一定程度上识别伪装目标，且设备体积小、重量轻、功耗低等特点，在军事上被广泛应用于红外夜视、红外侦察以及红外制导等方面。如美军为Ｆ－22加装红外探测器以应对以针对歼20空空导弹近距战斗机发射，如右图所示。电子工业出版社第2章光电探测器件1.红外探测器在军事上的应用

（1）红外侦察①空间侦察与监视

②空中侦察与监视

③地面侦察与监视

（2）红外夜视和红外制导

①用于各种作战飞机、武装直升机的导航、瞄准②用于舰载观察和火控系统

③用于陆上侦测、瞄准、火控和车辆驾驶

电子工业出版社第2章光电探测器件2.无线红外探测器安防系统

无线红外探测器是采用国际最先进的数字处理技术开发而成的智能型双元式探测器，它主要采用双元被动红外热释电传感器和特殊的光辑分析判断，带微电脑数字信号处理，完善的温度补偿，独有的防误报算法，低功耗，性能稳定，抗干扰性强，是一种高性价比的无线红外防盗探测器。电子工业出版社第2章光电探测器件2.无线红外探测器安防系统

如下图所示，该红外线探测器包括红外线发射器、接收器、以及信号处理器，信号处理器的信号输出端经红外线发射电路与红外线发射器连接;信号输入端经红外线接收电路与红外线接收器连接，其反馈信号输出端与外围控制电路连接。电子工业出版社第2章光电探测器件2.无线红外探测器安防系统

本技术采用微型单片机作为信号处理器产生编码信号，驱动红外线发射器发出带有编码信号的红外线信号，并实时检测经过放大电路处理后的反射信号，其编码信号能够保证多个相同型号的传感器同时同地工作而不相互干扰。而且工作频率一致、可靠性高、功耗小，其实物如图2－69所示。电子工业出版社第2章光电探测器件

3.热成像仪

利用光学器件将场景中的物体发出的红外能量聚焦在红外探测器上，然后来自与每个探测器元件的红外数据转换成标准的视频格式，可以在标准的视频监视器上显示出来，或记录在录像带上。其工作原理如下图所示。

电子工业出版社第2章光电探测器件4.四路红外探测智能寻迹小车

机器人的设计中，可以用多个红外探测器进行智能寻迹，如下图所示为四路红外探测智能寻迹小车。电子工业出版社第2章光电探测器件

5.主动红外夜视仪

利用夜幕的掩护，进行各种军事活动，这是战斗部队常有的事。为了克服人眼夜间视力的局限性，人们借助于红外夜视仪器来扩大活动的能力。主动红外夜视仪是通过主动照射并利用目标反射红外源的红外光来实施观察的夜视装备。尽管它具有成像清晰、制作简单等特点，但它有一个致使弱点就是所发出的红外光会被敌人的红外探测装置发现。夜间可见光很微弱，但人眼看不见的红外线却很丰富。红外夜视仪可帮助人们在夜间进行观察、搜索、瞄准和驾驶车辆。电子工业出版社第2章光电探测器件便携式主动红外夜视仪

6.红外测温仪