常用光电探测器简介知识巩固n光电探测器的物理效应光子效应光子效应光热效应光热效应响应波长有选择性，一般有响应波长有选择性，一般有截止波长，超过该波长，器截止波长，超过该波长，器件无响应件无响应响应波长无选择性，对可见响应波长无选择性，对可见光到远红外的各种波长的辐光到远红外的各种波长的辐射同样敏感射同样敏感响应快，吸收辐射产生信号响应快，吸收辐射产生信号需要的时间短，一般为纳秒需要的时间短，一般为纳秒到几百微秒到几百微秒响应慢，一般为几毫秒响应慢，一般为几毫秒知识巩固1）以下属于内光电效应的有（ ） A A、光电发射效应、光电发射效应 B B、光电导效应、光电导效应 C C、光生伏特效应、光生伏特效应 D D、光磁效应、光磁效应2）在光线作用下，半导体电导率增加的现象属于( ) A、外光电效应、外光电效应 B、内光电效应、内光电效应 C、光电发射、光电发射 D、光导效应、光导效应3）以下几种探测器属于热探测器的有：（ ） A A、热电偶、热电偶 B B、热释电探测器、热释电探测器 C C、热敏电阻、热敏电阻 D D、超导远红外探测器、超导远红外探测器4）表征光电探测器探测微弱光信号能力的参数是（ ） A A、通量阈、通量阈 B B、噪声等效功率、噪声等效功率 C C、探测度、探测度 D D、归一化探测度、归一化探测度知识巩固1）以下属于内光电效应的有（ BCD ） A A、光电发射效应、光电发射效应 B B、光电导效应、光电导效应 C C、光生伏特效应、光生伏特效应 D D、光磁效应、光磁效应2）在光线作用下，半导体电导率增加的现象属于( BD ) A、外光电效应、外光电效应 B、内光电效应、内光电效应 C、光电发射、光电发射 D、光导效应、光导效应3）以下几种探测器属于热探测器的有：（ABCD ） A A、热电偶、热电偶 B B、热释电探测器、热释电探测器 C C、热敏电阻、热敏电阻 D D、超导远红外探测器、超导远红外探测器4）表征光电探测器探测微弱光信号能力的参数是（ABCD） A A、通量阈、通量阈 B B、噪声等效功率、噪声等效功率 C C、探测度、探测度 D D、归一化探测度、归一化探测度常用光电探测器n光电导探测器光敏电阻nPN结光伏探测器的工作模式n硅光电池太阳电池 n光电二极管 n光热探测器 n热敏电阻 n热释电探测器 光电导探测器光敏电阻n无结光电探测器无结光电探测器（无需形成pn结）n光光敏敏电电阻阻或光光导导管管（光照下改变自身的电阻率，光照愈强，器件自身的电阻愈小）n没有极性没有极性电阻随光照强度而变化的可变电阻器光电导探测器光电导探测器（光电导效应原理）本征型光敏电阻：本征型光敏电阻：非本征型光敏电阻：非本征型光敏电阻：一般在室温下工作，适用于可见光和近红外辐射探测通常在低温条件下工作，常用于中、远红外辐射探测 v常用的光敏电阻有CdS、CdSe、PbS以及TeCdHg等。其中CdS是工业应用最多的，而PbS主要用于军事装备，光敏电阻n在绝缘基片上淀积半导体薄膜，然后在薄膜面上蒸镀金或铟，形成梳状金属电极间距很近的电极之间，具有较大的光敏面积，从而获得很高的灵敏度。1. 光敏电阻的结构和偏置电路光敏电阻的结构和偏置电路M光电导体的光电流内增益光敏电阻n光敏响应特性n光照特性和伏安特性n时间响应特性n稳定特性n噪声特性2. 光敏电阻的工作特性光敏电阻的工作特性 光光敏敏电电阻阻的的性性能能可可依依据据其其光光谱谱响响应应特特性性、照照度度伏伏安安特特性性、频频率率响响应应、温温度度及及噪噪声声特特性性来来判判别别；在在实实际际应应用用中中，可可根根据据这这些些特特性性合合理理选选择择相相应应的的器件。器件。光敏电阻n光敏响应特性光敏响应特性 对对各各种种光光的的响响应应灵灵敏敏度度随随入入射射光光的的波波长长变变化化而而变变化化的的特特性性。常常用用光光谱谱响响应应曲曲线线、光光谱谱响响应应范范围围及及峰峰值值响响应应波长波长来描述。来描述。三种光敏电阻的光谱响应特性曲线或或光敏电阻n光照特性理想光电转换关系式：实际光照特征呈非线性关系：CdS的光照特性曲线与器件的材料、尺寸、形状以及载流子寿命有关；电压指数，与接触电阻等因素有关，其值一般为11.2；照度指数，由杂质种类及数量决定，其值一般为0.51.0。v在低偏压、弱光照条件下光敏电阻n伏安特性当 时， 最大。称为匹配状态。最大功率损耗限制:光敏电阻n伏安特性偏置电压的选取原则：光敏电阻n时间响应特性 光敏电阻受光照后或被遮光后，回路电流并不立即增大或减小，而是有一响应时间。响应时间常数是由电流上升时间和衰减时间表示。 光敏电阻的响应时间与入射光的照度，所加电压、负载电阻及照度变化前电阻所经历的时间（称为前历时间）等因素有关。 光敏电阻n稳定稳定特性特性光敏电阻的阻值随温度变化而变化的变化率，在弱光照和强光照时都较大，而中等光照时，则较小。 【例】CdS光敏电阻的温度系数在10lx照度时约为0；照度高于10lx时，温度系数为正；小于10lx时，温度系数反而为负；照度偏离10lx愈多，温度系数也愈大。当环境温度在0+60的范围内时，光敏电阻的响应速度几乎不变；而在低温环境下，光敏电阻的响应速度变慢。例如，-30时的响应时间约为+20时的两倍。光敏电阻的允许功耗，随着环境温度的升高而降低。 光敏电阻n噪声特性噪声特性 光电导探测器的噪声主要有三个噪声源贡献：产生-复合噪声、热噪声、1/f 噪声。光敏电阻nCdS和CdSe：可见光辐射探测器，低造价、高可靠和长寿命；光电导增益比较高(103104)，响应时间比较长(大约50ms)。nPbS：近红外辐射探测器，波长响应范围在13.4m，峰值响应波长为2m，内阻（暗阻）大约为1M，响应时间约200s，室温工作能提供较大的电压输出；广泛用于遥感技术和红外制导技术。3.几种典型的光敏电阻光敏电阻nInSb：近红外辐射探测器，室温下工作噪声较大，在77K下，噪声性能大大改善，峰值响应波长为5m，内阻低（大约50欧），响应时间短（大约5010-9s），适用于快速红外信号探测。nHgxCd1-xTe探测器：化合物本征型光电导探测器，由HgTe和GdTe两种材料混在一起的固溶体，其禁带宽度随组分x呈线性变化。当x=0.2时响应波长为814m，工作温度77K，用液氮致冷；内电流增益约为500，低内阻，广泛用于10.6m的CO2激光探测。3.几种典型的光敏电阻光敏电阻 （1）用于测光的光源光谱特性必须与光敏电阻的光敏特性匹配； （2）要防止光敏电阻受杂散光的影响； （3）要防止使光敏电阻的电参数(电压、功耗)超过允许值； （4）根据不同用途，选用不同特性的光敏电阻。 4.使用注意事项使用注意事项PN结光伏探测器的工作模式n利用半导体PN结光伏效应制成的器件称为光光伏伏探探测测器器，也称结型光电器件。n品种很多，包括各种光光电电池池、光光电电二二极极管管、光光电电晶晶体体管管、光光电电场场效效应应管管、PIN管管、雪雪崩崩光光电电二二极极管管、光光可可控控硅硅、阵阵列列式式光光电电器器件件、象象限限式式光光电电器器件件、位位置置敏敏感感探探测测器器（PSD）、光电耦合器件）、光电耦合器件等。n和光电导探测器不同，光伏探测器的工作特性要复杂一些。通常有光电池和光电二极管之分，也就是说，光伏探测器有着不同的工作模式工作模式。因此在具体讨论光伏探测器的工作特性之前，首先必须弄清楚它的工作模式问题。 PN结光伏探测器的工作模式nPN结光伏探测器的典型结构如图所示。为说明光功率转换成光电流的关系，设想光伏探测器两端被短路，并用一理想电流表记录光照下流过回路的电流，这个电流常常称为短路光电流短路光电流 。光子电极电极耗尽层SiO2p+nn+PN结光伏探测器的工作模式n假定光生电子-空穴对在PN结的结区，即耗尽区内产生。由于内电场作用，电子向n区、空穴向p区漂移运动，被内电场分离的电子和空穴就在外回路中形成电流 。Ei耗尽层EcEFEv光生空穴- - -+ + +-pnxoLpn光子电离受主 电离施主光生电子-PN结光伏探测器的工作模式就光电流形成的过程而言，光伏探测器和光电导探测器有十分类似的情况。可以证明：在光伏情况下一个光生电子-空穴对对外回路所贡献的总电荷量：光伏探测器的内电流增益等于内电流增益等于M=1。光伏探测器光电转换关系为这是和光电导探测器明显不同的地方。PN结光伏探测器的工作模式一个PN结光伏探测器就等效为一个普通二极管和一个恒流源(光电流源)的并联，如图 (b)所示。它的工作模式则由外偏压回路决定。在零偏压时(图 (c)，称为光光伏伏工工作作模模式式。当外回路采用反偏压V时(图 (d)，即外加P端为负n端为正的电压时，称为光导工作模式光导工作模式。 VuiiD(a)(b)(c)(d)iPN结光伏探测器的工作模式普通二极管的伏安特性为光伏探测器的总伏安特性应为 和 之和，考虑到二者的流动方向，我们有：式中i是流过探测器的总电流，e是电子电荷，u是探测器两端电压，kB是玻耳兹曼常数，T是器件的绝对温度。把上式中i和u为纵横坐标作成曲线，就是光伏探测器的伏伏安特性曲线安特性曲线。 第第一一象象限限是正偏压状态，iD本来就很大，所以光电流不起重要作用。作为光电探测器作为光电探测器，工作在这一区域没有意义没有意义。第第三三象象限限是反偏压状态。这时iD=iS0，是普通二极管中的反向饱和电流，称为暗电流(对应于光功率P=0)，数值很小，这时的光电流(等于i-iS0)是流过探测器的主要电流，对应于光光导导工工作作模模式式。通常把光导工作模式的光伏探测器称为光光电电二二极极管管，因为它的外回路特性与光电导探测器十分相似。在第四象限中，外偏压为零第四象限中，外偏压为零。流过探测器的电流仍为反向光电流，随着光功率的不同，出现明显的非线性。这时探测器的输出是通过负载电阻RL上的电压或流过RL上的电流来体现，因此，称为光伏工作模式光伏工作模式。通常把光伏工作模式的光伏探测器称为光电池光电池。v应特别注意，光电流总是反向电流，而光电流在RL上的电压降，对探测器产生正向偏置称为自自偏偏压压，当然要产生正向电流。最终两个电流抵消，伏安曲线中止于横轴上。硅光电池硅光电池太阳电池太阳电池n零偏压pn结光伏探测器光伏工作模式光电池 n硅光电池的用途：光电探测器件，电源硅光电池硅光电池太阳电池太阳电池n硅光电池结构示意图硅光电池结构示意图-+RLpn防反射膜防反射膜(SiO2）pn+-SiO2pn结结硅光电池硅光电池硅光电池硅光电池太阳电池太阳电池光光电电池池按材料分，有硅、硒、硫化镉、砷化镓和无定型材料的光电池等。按结构分，有同质结和异质结光电池等。光电池中最典型的是同质结硅光电池。国产同质结硅光电池因衬底材料导电类型不同而分成2CR系系列列和2DR系系列列两种。2CR系列硅光电池是以N型硅为衬底，P型硅为受光面的光电池。受光面上的电极称为前前极极或上上电电极极，为了减少遮光，前极多作成梳状。衬底方面的电极称为后后极极或下下电电极极。为了减少反射光，增加透射光，一般都在受光面上涂有SiO2或MgF2，Si3N4，SiO2MgF2等材料的防反射膜，同时也可以起到防潮，防腐蚀的保护作用。 几种国产硅光电池的特性几种国产硅光电池的特性 硅光电池硅光电池太阳电池太阳电池硅光电池硅光电池太阳电池太阳电池硅光电池硅光电池太阳电池太阳电池硅光电池硅光电池太阳电池太阳电池硅光电池硅光电池太阳电池太阳电池硅光电池硅光电池太阳电池太阳电池硅光电池硅光电池太阳电池太阳电池n光电池等效电路光电池等效电路 短路电流和开路电压短路电流和开路电压n短路电流RL=0n开路电压RL=Cj：结电容ish：pn结漏电流，很小Rsh：等效泄露电阻，很大Rs：引出电极管芯接触电阻硅光电池硅光电池太阳电池太阳电池n短路电流的计算不计ish的影响，有 短接RL并忽略RS的影响，u1=0，iD=0。流过光电池的短路电流就是光电流，即 若计RS与RSh的影响，短路电流的精确表达式应为硅光电池硅光电池太阳电池太阳电池n开路电压的计算 负载电阻开路时，光电池输出电压（即开路电压uOC）等于u1，由二极管伏安特性求得考虑 ，开路电压为硅光电池硅光电池太阳电池太阳电池n单片硅光电池的开路电压约为0.450.6V，短路电流密度约为150300A/m2。n测量方法：在一定光功率（例如1kW/m2）照射下，使光电池两端开路，用一高内阻直流毫伏表或电位差计接在光电池两端，测量出开路电压；在同样条件下，将光电池两端用一低内阻（小于1）电流表短接，电流表的示值即为短路电流。 硅光电池硅光电池太阳电池太阳电池n输出功率输出功率的一般表达式输出电流输出功率为硅光电池硅光电池太阳电池太阳电池n最佳负载电阻输出功率为硅光电池硅光电池太阳电池太阳电池n实实际际光光照照下下的的开开路路电电压压计计算算（根根据据手手册册中中的的光光电电池池在在特特定定光光照照度度下下的的开开路路电电压压值，求出实际照度下的开路电压值）值，求出实际照度下的开路电压值）n最佳最佳负载电阻阻Rm的估算的估算n保保证证光光电电池池线线性性工工作作的的负负载载电电阻阻RL的的选选取原则取原则缓变光电信号探测缓变光电信号探测硅光电池硅光电池太阳电池太阳电池在光照在光照P P1 1下下在光照在光照P P2 2下下 1） 计算开路电压计算开路电压由光伏探由光伏探测器的光器的光电转换关系，关系，v可以根据手册上给定的光电池在特定光照度下开可以根据手册上给定的光电池在特定光照度下开路电压值，求出实际照度下的开路电压值路电压值，求出实际照度下的开路电压值。室温下，硅光电池硅光电池太阳电池太阳电池硅光电池硅光电池太阳电池太阳电池2）最佳最佳负载电阻阻的估算的估算负载上的压降负载上的压降负载上的功率负载上的功率硅光电池硅光电池太阳电池太阳电池硅光电池硅光电池太阳电池太阳电池当 ，上式变为硅光电池硅光电池太阳电池太阳电池当当输出功率出功率P电（RL上的功率）达到最大上的功率）达到最大v通通常常为为保保证证光光电电池池工工作作在在线线性性状状态态（输输出出信信号号不不失真），取失真），取硅光电池硅光电池太阳电池太阳电池3）保证光电池线性工作的负载电阻保证光电池线性工作的负载电阻RL的选取原则的选取原则硅光电池硅光电池太阳电池太阳电池光电池的电流输出变换电路举例光电池的电流输出变换电路举例-后带放后带放大器电路大器电路a)用锗三级管放大，输出电压用锗三级管放大，输出电压硅光电池硅光电池太阳电池太阳电池b)两个光电池串联，使用两个光电池串联，使用Si三级管放大光电流三级管放大光电流硅光电池硅光电池太阳电池太阳电池c)Ge二极管与二极管与Si光电池串接，使用光电池串接，使用Si三级管放大光电流三级管放大光电流硅光电池硅光电池太阳电池太阳电池d) Si光电池接运算放大器硅光电池硅光电池太阳电池太阳电池1 电路分析电路分析交变光信号探测交变光信号探测令光令光电池接收的光功率池接收的光功率为正正弦脉弦脉动形式，即形式，即下面利用下面利用I-V特性，作出直特性，作出直流流负载线、交流、交流负载线分析最大分析最大输出功率和最出功率和最佳佳负载 光光电池池加加恒恒定定光光信信号号时，画画直直流通路流通路交点交点为Q 为光功率光功率为的等效直流电阻的等效直流电阻硅光电池硅光电池-交变光信号探测交变光信号探测交流负载线 光电池加交变光信号，电路为交流工作状态，画交流通路交流负载线的确定: 过Q点，作一条直线，斜率为硅光电池硅光电池-交变光信号探测交变光信号探测 正弦交流输出电压峰值为：硅光电池硅光电池-交变光信号探测交变光信号探测2.2.交流交流输出出电压峰峰值输出出电功率有效功率有效值（负载 上的功率）上的功率）硅光电池硅光电池-交变光信号探测交变光信号探测3输出出电功率功率n求最大输出功率与最佳负载令令最佳匹配最佳匹配负载所以，最大所以，最大输出功率出功率硅光电池硅光电池-交变光信号探测交变光信号探测