第三章 光电检测器件济南大学物理科学与技术学院1? ? ?光电器件的类型与特点 光电器件的基本特性参数 半导体光电器件? ?光电导器件―光敏电阻 光伏器件 ? 光电池 ? 光电二极管/三极管 光电管 光电倍增管 热敏电阻 热电偶和热电堆 热释电探测器件?真空光电器件? ??热电检测器件? ? ?济南大学物理科学与技术学院23.1 光电器件的类型与特点?? ? ?光电效应：光照射到物体表面上使物体的电学特 性发生变化． 光电子发射：物体受光照后向外发射电子――多发生于金属和金属氧化物．光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减少．光生伏特效应：光照在半导体PN结或金属―半导体接触上时，会在PN结或金属―半导体接触的两侧产生光生电 动势。济南大学物理科学与技术学院33.1.1 光电检测器件的类型?光电检测器件是利用物质的光电效应 把光信号转换成电信号的器件. 光电检测器件分为两大类:? ??光子(光电子)检测器件 热电检测器件济南大学物理科学与技术学院4光电检测器件光子器件真空器件? 光电管 ? 光电倍增管 ? 真空摄像管 ? 变像管 ? 像增强管热电器件固体器件? 光敏电阻? 热电偶/热电堆? 热辐射计/热敏电 阻 ? 热释电探测器? 光电池? 光电二极管 ? 光电三极管? 光纤传感器? 电荷耦合器件 CCD济南大学物理科学与技术学院53.1.2 光电检测器件的特点光子器件 热电器件响应波长有选择性，一般有 响应波长无选择性，对可见 截止波长，超 过该波长， 光到远红外的各种波长的辐 器件无响应。 射同样敏感响应快，吸收辐射产生信号 响应慢，一般为几毫秒 需要的时间短， 一般为纳 秒到几百微秒济南大学物理科学与技术学院 63.2器件的基本特性参数? 响应特性? 噪声特性 ? 量子效率 ? 线性度 ? 工作温度济南大学物理科学与技术学院73.2.1 响应特性１．响应度（或称灵敏度）：是光电探测器输 出信号与输入光功率之间关系的度量。描述的是光电探测器件的光电转换效率。? ?响应度是随入射光波长变化而变化的 响应度分电压响应率和电流响应率济南大学物理科学与技术学院8?电压响应率 光电探测器件输出电压与入射光功率之比Vo SV ? Pi?电流响应率光电探测器件输出电流与入射光功率之比SI ? Io Pi济南大学物理科学与技术学院9２．光谱响应度：探测器在波长为λ的单色光照 射下，输出电压或电流与入射的单色光功率之 比． Vo (? ) SV (? ) ? P i (? )I o (? ) S I (? ) ? P i (? )３．积分响应度：检测器对各种波长光连续辐射 量的反应程度．济南大学物理科学与技术学院10４．响应时间： 响应时间τ是描述光电探测器对入射光响应快慢的一个参数（如图）。?上升时间：入射光照射到光电探测器后，光电探测器输出上升到稳定值所需要的时间。?下降时间：入射光遮断后，光电探测器输出下降到稳定值所需要的时间。济南大学物理科学与技术学院11５．频率响应：光电探测器的响应随入射光 的调制频率而变化的特性称为频率响应．C 由于光电探测器信号产生和消失存在着一个滞后过程， 所以入射光的调制频率对光电探测器的响应会有较大 的影响。?光电探测器响应率与入射调制频率的关系S0 S( f ) ? [1 ? ( 2?f? ) 2 ]1 / 2S ( f ) 为调制频率为f 时的响应率 S 0 为调制频率为零时的响应率? 为时间常数（等于RC）济南大学物理科学与技术学院121 fc ? ? 2?? 2? RC S0 S0 S( f ) ? ? ? 0.707 S0 2 1/ 2 [1 ? (1) ] 21fc：上限截止频率.时间常数决定了光电探测器频 率响应的带宽济南大学物理科学与技术学院返回13二、噪声特性? ?只要有光辐射存在，都可探测出来？ 在一定波长的光照下光电探测器输出的电信号并 不是平直的，而是在平均值上下随机地起伏，它 实质上就是物理量围绕其平均值的涨落现象。1 I ?i? T??T0i (t )dt用均方噪声来表示噪声值大小 1 T 2 2 ?i (t ) ? ? [i (t ) ? i (t )] dt T 0济南大学物理科学与技术学院 14?噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的。?由于噪声总是与有用信号混在一起，因而影响对信 号特别是微弱信号的正确探测。一个光电探测系统的极限探测能力往往受探测系统 的噪声所限制。 所以在精密测量、通信、自动控制等领域，减小和 消除噪声是十分重要的问题。??济南大学物理科学与技术学院15光电探测器常见的噪声? ???热噪声 散粒噪声 产生-复合噪声 1/f噪声济南大学物理科学与技术学院161、热噪声???或称约翰逊噪声，即载流子无规则的热运动造成的 噪声。 导体或半导体中每一电子都携带着电子电量作随机 运动(相当于微电脉冲)，尽管其平均值为零，但瞬 时电流扰动在导体两端会产生一个均方根电压，称 为热噪声电压。 热噪声存在于任何电阻中，热噪声与温度成正比， 与频率无关，热噪声又称为白噪声济南大学物理科学与技术学院172、散粒噪声?? ??散粒噪声：入射到光探测器表面的光子是随机 的，光电子从光电阴极表面逸出是随机的， PN结中通过结区的载流子数也是随机的。 散粒噪声也是白噪声，与频率无关。 散粒噪声是光电探测器的固有特性，对大多数 光电探测器的研究表明：散粒噪声具有支配地 位。 例如光伏器件的PN结势垒是产生散粒噪声的 主要原因。济南大学物理科学与技术学院183、产生-复合噪声? ???半导体受光照，载流子不断产生-复合。 在平衡状态时，在载流子产生和复合的平 均数是一定的 但在某一瞬间载流子的产生数和复合数是 有起伏的。 载流子浓度的起伏引起半导体电导率的起 伏。济南大学物理科学与技术学院194、1/f噪声? ? ?或称闪烁噪声或低频噪声。 噪声的功率近似与频率成反比 多数器件的1/f噪声在200~300Hz以上已 衰减到可忽略不计。济南大学物理科学与技术学院20５、信噪比? ?信噪比是判定噪声大小的参数。 是负载电阻上信号功率与噪声功率之比PS I S2 RL I S2 S ? ? 2 ? 2 N PN I N RL IN?若用分贝（dB）表示，为2 I IS S ? ? S ? ? ? 10 lg 2 ? 20 lg IN IN ?N?济南大学物理科学与技术学院21利用信噪比评价两种光电器件性能时，必须在信号 辐射功率相同的情况下才能比较。 对于单个光电器件，信噪比的大小与入射信号辐射 功率及接受面积有关。如果入射辐射强，接受面积 大，信噪比就大，但是性能不一定就好。 因此，利用信噪比评价期间就有一定局限性。６、噪声等效功率(NEP)?定义：信号功率与噪声功率比为1（SNR=1）时，入射到探 测器件上的辐射通量(单位为瓦)。这时，投射到探测器上的辐射功率所产生的输出电压（或电 流）等于探测器本身的噪声电压（或电流）?? ?一般一个良好的探测器件的NEP约为10-11W。NEP越小，噪声越小，器件的性能越好。?e NEP ? (W ) SNR济南大学物理科学与技术学院23? 噪声等效功率是一个可测量的量。? 设入射辐射的功率为P，测得的输出电压为U0 ? 然后除去辐射源，测得探测器的噪声电压为UN? 则按比例计算，要使U0＝UN，的辐射功率为NEP ?P ? U0 ? ? ? ?UN ?2(W )济南大学物理科学与技术学院24７、探测率与归一化探测率? 探测率D定义为噪声等效功率的倒数1 D? NEP? 经过分析，发现NEP与检测元件的面积Ad和放大 ? 器带宽Δf 乘积的平方根成正比 ? 归一化探测率D*，即? D*与探测器的敏感面积、放大器的带宽无关。1 1/ 2 D ? ? D ? ( A ? f ) d NEP**济南大学物理科学与技术学院返回25三、量子效率?（?）?量子效率：在某一特定波长上，每秒钟内产生的光电 子数与入射光量子数之比。?对理想的探测器，入射一个光量子发射一个电子，?=1? ?实际上，? &1 量子效率是一个微观参数，量子效率愈高愈好。济南大学物理科学与技术学院26量子效率与响应度的关系I /q S (? ) ? (? ) ? ? h? P / h? q? I/q ： 每秒产生的光子数? P/hυ：每秒入射的光子数济南大学物理科学与技术学院 27四、线性度?线性度是描述光电探测器输出信号与输入信号保持 线性关系的程度。在某一范围内探测器的响应度是常数，称这个范围 为线性区。 非线性误差：δ ＝ Δmax / ( I2 C I1)??Δmax：实际响应曲线与拟合曲线之间的最大偏差； I2 和 I1： 分别为线性区中最小和最大响应值。济南大学物理科学与技术学院 28五、工作温度??工作温度就是指光电探测器最佳工作状态 时的温度。 光电探测器在不同温度下，性能有变化。例如，半导体光电器件的长波限和峰值波长会随 温度而变化；热电器件的响应度和热噪声会随温 度而变化。济南大学物理科学与技术学院29外光电效应器件利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应 而制成的光电器件，一般都是真空的或充气的光 电器件，如光电管和光电倍增管。一、光电管及其基本特性 1. 结构与工作原理光电管有真空光电管和充气光 电管或称电子光电管和离子光电管 两类。两者结构相似，如图。它们 由一个阴极和一个阳极构成，并且 密封在一只真空玻璃管内。阴极装 在玻璃管内壁上，其上涂有光电发 射材料。阳极通常用金属丝弯曲成 矩形或圆形，置于玻璃管的中央。光电阴极 光窗 光 阳极光电管的结构示意图济南大学物理科学与技术学院 302. 主要性能光电器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特 性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。（1） 光电管的伏安特性IA/ μA12 120μlm108 6 4 2100μlm80μlm60μlm40μlm 20μlm 50 100 150 2000阳极与末级倍增极间的电压/V在一定的光 照射下，对光电器 件的阴极所加电压 与阳极所产生的电 流之间的关系称为 光电管的伏安特性 。光电管的伏安特 性如图所示。它是 应用光电传感器参 数的主要依据。31图4.2-2 光电管的伏安特性济南大学物理科学与技术学院（2） 光电管的光照特性通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时， 光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。其特性曲 线如图所示。曲线1表示氧铯阴极光电管的光照特性，光电 流I与光通量成线性 IA/ μA 关系。曲线2为锑铯 阴极的光电管光照特 100 性，它成非线性关系。 75 光照特性曲线的斜率 2 （光电流与入射光光 50 通量之间比）称为光 1 25 电管的灵敏度。0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5Φ/1m32光电管的光照特性 济南大学物理科学与技术学院（3）光电管光谱特性 由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选 择性。保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之 间的关系叫光电管的光谱特性。一般对于光电阴极材料不 同的光电管，它们有不同的红限频率υ0，因此它们可用于 不同的光谱范围。除此之外，即使照射在阴极上的入射光 的频率高于红限频率υ0，并且强度相同，随着入射光频率 的不同，阴极发射的光电子的数量还会不同，即同一光电 管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱 特性。所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料 的光电阴极。济南大学物理科学与技术学院33国产GD-4型的光电管，阴极是用锑铯材料制成的。 其红限λ0=7000?，它对可见光范围的入射光灵敏度比较高， 转换效率：25%~30%。它适用于白光光源，因而被广泛地 应用于各种光电式自动检测仪表中。对红外光源，常用银 氧铯阴极，构成红外传感器。对紫外光源，常用锑铯阴极 和镁镉阴极。另外，锑钾钠铯阴极的光谱范围较宽，为 ?，灵敏度也较高，与人的视觉光谱特性很接近， 是一种新型的光电阴极；但也有些光电管的光谱特性和人 的视觉光谱特性有很大差异，因而在测量和控制技术中， 这些光电管可以担负人眼所不能胜任的工作，如坦克和装 甲车的夜视镜等。 一般充气光电管当入射光频率大于8000Hz时，光电流 将有下降趋势，频率愈高，下降得愈多。济南大学物理科学与技术学院 34二、光电倍增管及其基本特性当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只 有零点几 μA ，很不容易探测。这时常用光电倍增管对电流进 行放大，下图为其内部结构示意图。1. 结构和工作原理由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成。光阴极是 由半导体光电材料锑铯做成；次阴极是在镍或铜 - 铍的衬底上 涂上锑铯材料而形成的，次阴极多的可达30级；阳极是最后用 来收集电子的，收集到的电子数是阴极发射电子数的105~106倍。 光电阴极 阳极 即光电倍增管的放大倍数 可达几万倍到几百万倍。 光电倍增管的灵敏度就比 普通光电管高几万倍到几 百万倍。因此在很微弱的 光照时，它就能产生很大 第一倍增极 第三倍增极 的光电流。入射光济南大学物理科学与技术学院 352. 主要参数（1）倍增系数M 倍增系数M等于n个倍增电极的二次电子发 n 射系数δ的乘积。如果n个倍增电极的δ都相同，则M= ?因此， i 阳极电流 I 为 i ―光电阴极的光电流 I= i? ? in 光电倍增管的电流放大倍数M为 M= I / i = ? n i 5 M与所加电压有关，M在10 ~108之间，稳定性为1％左右，加 速电压稳定性要在0.1％以内。如果有波动，倍增系数也要波 动，因此M具有一定的统计涨落。一般阳极和阴极之间的电 压为V，两个相邻的倍增电极的电位差为50~100V 。对所加电压越稳越好，这样可以减小统计涨落，从而减小 测量误差。济南大学物理科学与技术学院36放大倍数106105 104 103 极间电压/V255075100 125光电倍增管的特性曲线济南大学物理科学与技术学院 37（2）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度 一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电倍 增管的阴极灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子 数叫做光电倍增管的总灵敏度。 光电倍增管的最大灵敏度可达10A/lm，极间电压越高， 灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极 电流不稳。 另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强 光照射，否则将会损坏。济南大学物理科学与技术学院38（3）暗电流和本底脉冲一般在使用光电倍增管时，必须把管子放在暗室里 避光使用，使其只对入射光起作用；但是由于环境温度、 热辐射和其它因素的影响，即使没有光信号输入，加上 电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流，这是热发 射所致或场致发射造成的，这种暗电流通常可以用补偿 电路消除。 如果光电倍增管与闪烁体放在一处，在完全蔽光情 况下，出现的电流称为本底电流，其值大于暗电流。增 加的部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发，被激 发的闪烁体照射在光电倍增管上而造成的，本底电流具有脉冲形式。济南大学物理科学与技术学院39（4）光电倍增管的光谱特性光谱特性反应了光电倍增管的阳极输出电流与照射在光 电阴极上的光通量之间的函数关系。对于较好的管子，在很 宽的光通量范围之内，这个关系是线性的，即入射光通量小 于10-4lm时，有较好的线性关系。光通量大，开始出现非线性， 如图所示。10－1阳 极 电 流 /A10－310－5 10－7 10－9 10－10 10－13 －2 －6 10 10 10 10－14 10－ 济南大学物理科学与技术学院 光通量/1m 与直线最大 偏离是3% 在 45mA 处饱和光电 倍增 管的 光照 特性403.3 半导体光电器件? ? ? ?光敏电阻 光电池 光敏二极管 光敏三极管济南大学物理科学与技术学院41一、光敏电阻? ?光敏电阻是光电导型器件。 光敏电阻材料：主要是硅、锗和化合物半导体，例如：硫化镉 （CdS），锑化铟（InSb）等。 特点：???? ? ? ? ?光谱响应范围宽（特别是对于红光和红外辐射）； 偏置电压低，工作电流大； 动态范围宽，既可测强光，也可测弱光； 光电导增益大，灵敏度高； 无极性，使用方便； 在强光照射下，光电线性度较差 光电驰豫时间较长，频率特性较差。济南大学物理科学与技术学院42?光敏电阻 (LDR) 和它的符号： 符号济南大学物理科学与技术学院431. 光敏电阻的工作原理?光敏电阻结构：在一块均匀光电导体两端加上电 极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝缘材 料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。（如图）?工作机理：当入射光子使半导体中的电子由价带 跃迁到导带时，导带中的电子和价带中的空穴均参与导电，其阻值急剧减小，电导增加。济南大学物理科学与技术学院44入射光济南大学物理科学与技术学院45 返回本征型和杂质型光敏电阻?本征型光敏电阻：当入射光子的能量 等于或大于半导体材料的禁带宽度 Eg时，激发一个电子－空穴对，在 外电场的作用下，形成光电流。 杂质型光敏电阻：对于Ｎ型半导体， 当入射光子的能量等于或大于杂质电 离能ΔＥ时，将施主能级上的电子激 发到导带而成为导电电子，在外电场 的作用下，形成光电流。导带电子Eg?价带 导带空穴 电子ΔＥ施主 空穴?本征型用于可见光长波段,杂质型用 于红外波段。价带 济南大学物理科学与技术学院 46光电导与光电流?光敏电阻两端加电压（直流或交流）．无光照时， 阻值（暗电阻）很大，电流（暗电流）很小；光照 时，光生载流子迅速增加，阻值（亮电阻）急剧减 少．在外场作用下，光生载流子沿一定方向运动， I 形成光电流（亮电流）。光?光电流：亮电流和暗电流之差；I光=IL - Id gL - gd济南大学物理科学与技术学院 47?光电导：亮电导和暗电导之差； g=??光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好， 也就是说暗电流要小，亮电流要大，这样光 敏电阻的灵敏度就高。 光电流与光照强度／电阻结构的关系。济南大学物理科学与技术学院48?无光照，暗电导率? 0 ? n0q?n ? p0q? p?光照下电导率? ? nq?n ? pq? pn ? n0 ? ?n p ? p 0 ? ?p济南大学物理科学与技术学院49?附加光电导率,简称光电导 ?? ? ?nq? n ? ?pq? p 光电导相对值????0???n?n ? ?p? p n0 ?n ? p0 ? p??n(?n ? ? p ) n0 ?n ? p0 ? p要制成附加光电导相对值高的光敏电阻应使 p0和n0小，因此光敏电阻一般采用禁带宽度 大的材料或在低温下使用。济南大学物理科学与技术学院 50?当光照稳定时，光生载流子的浓度为?n0 ? ?p0 ? g? 无光照时，光敏电阻的暗电流为（n0 ? n ? p0 ? p） U? 0 A qUA Id ? ? L L??光照时，光敏电阻的光电流为（?n? n ? ?p? p） U ?? A qUA Ip ? ? L L济南大学物理科学与技术学院51２．光敏电阻的工作特性? ? ? ? ?增益 灵敏度 光电特性 伏安特性 时间响应和频率特性?温度特性济南大学物理科学与技术学院 52光电导增益U G ? ? ?? 2 l ? : 量子产额，?：载流子寿命，?：迁移率，U：外加电压， ?：电极间距光电导增益反比于电极间距的平方。?量子效率：光电流与入射光子流之比。济南大学物理科学与技术学院 53光电导灵敏度: 光电导g与照度E之比.Sg g? A g ? ? E ?A : 光敏面积， ?：入射通量不同波长的光， 光敏电阻的灵敏 度是不同的。 在选用光电器件 时必须充分考虑 到这种特性。济南大学物理科学与技术学院54光敏电阻的光电特性?光电特性：光电流与入射光照度的关系：I光 ? SgE ? U ?? : 照度指数(0.5 ? 1)，Sg : 光电导， ? :电压指数(欧姆接触为 1)，U：外加电压(1)弱光时，γ=1，光电流与照度成线性关系 (2)强光时， γ=0.5，光电流与照度成抛物线 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， 光电流呈饱和趋势。（冷却可以改善）济南大学物理科学与技术学院 55在弱光照下，光电流与E具有良好的线性关系 在强光照下则为非线性关系 其他光敏电阻也有类似的性质。济南大学物理科学与技术学院 56伏安特性?在一定的光照下，光敏电阻的光电流与所 加的电压关系 光敏电阻是一个纯电阻，因此符合欧姆定 律，其伏安特性曲线为直线。 不同光照度对应不同直线??济南大学物理科学与技术学院57?受耗散功率的限制，在使用时，光敏电阻两端的电压 不能超过最高工作电压， ?图中虚线为允许功耗曲线 ?由此可确定光敏电阻正常工作电压。济南大学物理科学与技术学院 58频率特性??光敏电阻时间常数比较大，其上限截止频率 低。只有PbS光敏电阻的频率特性稍好些，可 工作到几千赫。 1―硒，2―硫化镉，3―硫化铊，4―硫化铅济南大学物理科学与技术学院59响应时间? ?光敏电阻的时间响应特性较差 材料受光照到稳定状态，光生载流子浓度的变化 规律： t ?p ? ?p0 (1 ? exp(? ))??p0 为稳态光生载流子浓度?停止光照，光生载流子浓度的变化为?p ? ?p 0 exp(? )t?济南大学物理科学与技术学院60温度特性光敏电阻是多数载流子导电，温度特性复杂。随着温度 的升高，光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降，温度的 变化也会影响光谱特性曲线。例如：硫化铅光敏电阻，随着温度的升高光谱响应的峰 值将向短波方向移动。 尤其是红外探测器要采取制冷措施济南大学物理科学与技术学院61噪声? ? ?工作频率f&1kHz时，主要是1/f噪声； 当1kHz&f&1MHz时，为产生-复合噪声； 当f&1MHz时，主要是热噪声。3.光敏电阻参数??? ? ? ? ? ? ? ?使用材料：硫化镉（CdS），硫化铅（PbS），锑化铟 （InSb），碲镉汞（HgCdTe），碲锡铅（PbSnTe）. 光敏面：1-3 mm 工作温度：-40 C 80 oC 温度系数： 1 极限电压：10 C 300V ? W 耗散功率：& 100 时间常数：5 C 50 ms 光谱峰值波长：因材料而不同，在可见/红外远红外 暗电阻：108 欧姆 亮电阻：104 欧姆济南大学物理科学与技术学院634.光敏电阻的应用???基本功能：根据自然 光的情况决定是否开 灯。 基本结构：整流滤波 电路；光敏电阻及继 电器控制；触电开关 执行电路 基本原理：光暗时， 光敏电阻阻值很高， 继电器关，灯亮；光 亮时，光敏电阻阻值 降低，继电器工作， 灯关。灯 220VCdSK 常闭照明灯自动控制电路济南大学物理科学与技术学院64二、光电池?光电池是根据光生伏特效应制成的将光能转换成 电能的一种器件。 PN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射 PN结时，由于内建场的作用（不加外电场）， 光生电子拉向n区，光生空穴拉向p区，相当于 PN结上加一个正电压。 半导体内部产生电动势（光生电压）；如将PN 结短路，则会出现电流（光生电流）。??济南大学物理科学与技术学院651.光电池的结构特点?光电池核心部分是一个PN结，一般作成面积大的薄 片状，来接收更多的入射光。 在N型硅片上扩散P型杂质（如硼），P+N 受光面是P型层 或在P型硅片上扩散N型杂质（如磷）， N+P??受光面是N型层济南大学物理科学与技术学院66?受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和保护 作用? ?上电极做成栅状，为了更多的光入射由于光子入射深度有限，为使光照到PN结上， 实际使用的光电池制成薄P型或薄N型。济南大学物理科学与技术学院67济南大学物理科学与技术学院682.光电池的特性（1）输出特性光电池等效电路济南大学物理科学与技术学院 69无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导 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。 曲线与电压轴交点称为开路电压VOC，与电 流轴交点称为短路电流ISC。济南大学物理科学与技术学院70q I L ? I p ? I 0 {exp[ (U ? I L Rs )] ? 1} kT I p为光电池等效电路中的恒流源 I 0为光电池等效二极管反向饱和电流, q为电子电荷量 U 为光电池输出电压 Rs为光电池等效电路中串联电阻，Rs 很小，可以忽略 qU I L ? I p ? I 0 [exp( ) ? 1] kT济南大学物理科学与技术学院 71当I ? 0，得到开路电压 Ip kT U oc ? ln( ? 1) q I0 当U ? 0，得到短路电流 I sc ? I p I sc与入射光强度成正比 开路电压与入射光强度的对数成正比济南大学物理科学与技术学院 72光电池伏安特性曲线济南大学物理科学与技术学院73反向电流随光照度的增加而上升IU照度增加济南大学物理科学与技术学院74输出电压、输出电流、 输出功率随负载电阻的 变化曲线? ??负载上的电功率PL。 转化效率：负载电阻上的电功率与入射光 功率之比。 最佳负载：当在负载电阻上获得最大功率 输出是的电阻，记为RM。作为换能器件时 ，应考虑此点。光电池伏安特性曲线? ?伏安特性曲线，可表示输出功率大小。 利用作图法可以获得最佳负载线和最大输 出功率。（2）时间和频率响应硅光电池频率特性好 硒光电池频率特性差 硅光电池是目前使用最广泛的光电池济南大学物理科学与技术学院77? ?要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻RL； 光电池面积越大则响应时间越大，因为光电池面积越大则结电容Cj越大，在给定负载时，时间常数就越大，故要求短的响应时间，必须选用小面积光电池。济南大学物理科学与技术学院78（3）温度特性随着温度的上升，硅光电池的光谱响应向长波方向移 动，开路电压下降，短路电流上升。光电池做探测器件时， 测量仪器应考虑温度的漂移，要进行补偿。开路电压下降大约2?3mV/度 短路电流上升大约10-5?10-3mA/度济南大学物理科学与技术学院79（4）光谱响应度?硅光电池响应波长0.4-1.1微米，峰值波长0.8-0.9微米。?硒光电池响应波长0.34-0.75微米，峰值波长0.54微米。济南大学物理科学与技术学院80（5）光电池的光照特性? 连接方式：开路电压输出---(a) 短路电流输出---(b)? 光电池在不同的光强照射下可产生不同的光电流和光生电动势。 ? 短路电流在很大范围内与光强成线性关系。? 开路电压随光强变化是非线性的，并且当照度在2000lx时趋 于饱和。济南大学物理科学与技术学院81? 光照特性--? 开路电压输出：非线性(电压---光强)，灵敏度高 ? 短路电流输出：线性好(电流---光强) ，灵敏度低 ? 开关测量（开路电压输出），线性检测（短路电流输出）济南大学物理科学与技术学院82输出电流与照度的关系?把光电池用作探测器时，通常以电流源形式使用。ISC 是 光电池输出端短路，输出电压V=0时流过光电池两端的电流。 ?实际使用时都有负载电阻RL，当负载电阻相对于光电池内 阻很小时，可以认为接近短路。 ?内阻一般很小，选取合适的负载，以保证光电流和光强保 持线性关系。 ?负载电阻越小，线性度越好，线性范围愈广。并限制在适 当光照范围内。3.光电池的应用?1、光电探测器件利用光电池做探测器有频率响应高，光 电流随光照度线性变化等特点。?2、将太阳能转化为电能实际应用中，把硅光电池经串联、并联 组成电池组。济南大学物理科学与技术学院84硅太阳能电池?硅太阳能电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、 非晶硅太阳能电池。 单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率为23%,而规 模生产的单晶硅太阳能电池,其效率为15%。??多晶硅半导体材料的价格比较低廉,但是由于它存在着较 多的晶粒间界而有较多的弱点。多晶硅太阳能电池的实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率为10%。济南大学物理科学与技术学院85非晶硅太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池组件的制造采用薄膜工艺, 具有较多的 优点,例如:沉积温度低、衬底材料价格较低廉,能够实现大面 积沉积。??非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大,是单晶硅的40倍,1微米 厚的非晶硅薄膜,可以吸引大约90%有用的太阳光能。 非晶硅太阳能电池的稳定性较差, 从而影响了它的迅速发展。?济南大学物理科学与技术学院86化合物太阳能电池? ?三五族化合物电池和二六族化合物电池。 三五族化合物电池主要有GaAs电池、InP电池、 GaSb电池等; 二六族化合物电池主要有CaS/CuInSe电池、 CaS/CdTe电池等。 在三五族化合物太阳能电池中,GaAs电池的转换 效率最高,可达28%;??济南大学物理科学与技术学院87GaAs 化合物太阳能电池?Ga是其它产品的副产品,非常稀少珍贵;As 不是稀有元 素,有毒。 GaAs化合物材料尤其适用于制造高效电池和多结电池, 这是由于GaAs具有十分理想的光学带隙以及较高的吸 收效率。 GaAs 化合物太阳能电池虽然具有诸多优点,但是GaAs 材料的价格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs电池 的普及。??济南大学物理科学与技术学院88太阳能?太阳能特点： ①无枯竭危险；②绝对干净；③不受资源分布地域的限制； ④可在用电处就近发电；⑤能源质量高；⑥使用者从感情 上容易接受；⑦获取能源花费的时间短。?要使太阳能发电真正达到实用水平，一是要提高太阳能光 电变换效率并降低成本；二是要实现太阳能发电同现在的电网联网。济南大学物理科学与技术学院89三、光敏二极管?光敏二极管与普通二极管一样有一个PN结，属于单向导电 性的非线性元件。外形不同之处是在光敏二极管的外壳上有 一个透明的窗口以接收光线照射，实现光电转换。 为了获得尽可能大的光生电流，需要较大的工作面，即PN 结面积比普通二极管大得多，以扩散层作为它的受光面。??为了提高光电转换能力，PN结的深度较普通二极管浅。济南大学物理科学与技术学院90光电二极管（光敏二极管）光敏二极管符号光敏二极管接法济南大学物理科学与技术学院91???无光照时：热效应引起的微小暗电流；光 照时：光生载流子产生电流。 不同波长的光在光敏二极管的不同区域被 吸收。 光敏二极管一般在负偏压情况下使用。
外加反向偏压??? ?可以不加偏压，与光电池不同，光敏二极管一般在负偏压 情况下使用 大反偏压的施加，增加了耗尽层的宽度和结电场，电子― 空穴在耗尽层复合机会少，提高光敏二极管的灵敏度。 增加了耗尽层的宽度，结电容减小，提高器件的频响特性。 但是，为了提高灵敏度及频响特性，却不能无限地加大反 向偏压，因为它还受到PN结反向击穿电压等因素的限制。济南大学物理科学与技术学院94光敏二极管特性参数1.势垒区的厚度与电容 势垒区是光敏二极管的重要工作区。 2.光谱响应 （1）表面层中的反射与吸收； （2）材料的禁带宽度； （3）表面抗反射层的性质和厚度； （4）器件的结构。光敏二极管特性参数3.光照特性 光电流随反向电压变化较敏感。 4.频率响应响应 主要由载流子的渡越时间和RC时间常数决 定； 5.温度特性 反向饱和电流对温度强烈依赖。光敏二极管的类型? ??材料：硅、锗，化合物材料及其他材料 结构：PN结、P-i-N结、异质结、肖特基 势垒型和点接触型等 光的响应：紫外、可见及红外等?光敏二极管体积小，灵敏度高，响应时间短，光谱响应在可见 到近红外区中，光电检测中应用多。（1）点接触型：工艺较困难。 （2）扩散型PN结光敏二极管：耗尽层厚度比结的任何一边的扩 散长度小，工作区是扩散区，光生电流主要是扩散流，频率响 应特性差。 （3）耗尽层型光敏二极管：肖特基势垒二极管，势垒不是PN结， 而是金属和半导体接触形成的阻挡层，耗尽层厚度比结的任何 一边的扩散长度大，工作区是耗尽层，光生电流主要是漂移流， 频率响应特性好。济南大学物理科学与技术学院 98扩散型P-i-N硅光敏二极管? ?选择一定厚度的i层，具有高速响应特性。 i层所起的作用:(1)i层是高阻区，在工作情况下承受着极大部分的外加电压，使耗 尽区增大，展宽了光电转换的有效工作区域，提高了灵敏度； (2)为了取得较大的PN结击穿电压，必须选择高电阻率的基体材 料，这样势必增加了串联电阻，使时间常数增大，影响管子的 频率响应。 (3)而i层的存在，使击穿电压不再受到基体材料的限制，从而可选 择低电阻率的基体材料。这样不但提高了击穿电压，还减少了 串联电阻和时间常数。(4)反偏下，耗尽层较无i层时要大得多，从而使结电容下降，提高 了频率响应。济南大学物理科学与技术学院 99PIN管的最大特点是：频带宽，可达10GHz。另一特点是线性输出范围宽。缺点: 由于I层的存在，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。济南大学物理科学与技术学院100雪崩光敏二极管?由于存在因碰撞电离引起的内增益机理，雪崩管具 有高的增益带宽乘积和极快的时间响应特性。 通过一定的工艺可以使它在1.06微米波长处的量子 效率达到30％，非常适于可见光及近红外区域的应 用。?济南大学物理科学与技术学院101?当光敏二极管的PN结上加相当大的反向偏压 时，在结区产生一个很高的电场，使进入场区 的光生载流子获得足够的能量，通过碰撞使晶 格原子电离，而产生新的电子―空穴对。 新的电子―空穴对在强电场的作用下分别向相 反方向运动．在运动过程中，又有可能与原子 碰撞再一次产生电子―空穴对。 只要电场足够强，此过程就将继续下去，达到 载流子的雪崩倍增。通常，雪崩光敏二极管的 反向工作偏压略低于击穿电压。??济南大学物理科学与技术学院102雪崩光电二极管的 倍增电流、噪声与偏压的关系曲线济南大学物理科学与技术学院103?在偏置电压较低时的A点以左，不发生雪崩过程；随着偏压的 逐渐升高，倍增电流逐渐增加 从B点到c点增加很快，属于雪崩倍增区；偏压再继续增大， 将发生雪崩击穿；同时噪声也显著增加，如图中c点以右的区?域。因此，最佳的偏压工作区是c点以左，否则进入雪崩击穿 区烧坏管子。?由于击穿电压会随温度漂移，必须根据环境温度变化相应调整 工作电压。济南大学物理科学与技术学院104?雪崩光电二极管具有电流增益大（10~100），灵敏度高， 频率响应快，带宽可达100GHz。是目前响应最快的一种光 敏二极管。?不需要后续庞大的放大电路等特点。因此它在微弱辐射信号的 探测方向被广泛地应用。?在设计雪崩光敏二极管时，要保证载流子在整个光敏区的均匀倍增，这就需要选择无缺陷的材料，必须保持更高的工艺和保证结面的平整。?其缺点是工艺要求高，稳定性差，受温度影响大。济南大学物理科学与技术学院 105雪崩光电二极管与光电倍增管比较? ??? ??体积小 结构紧凑 工作电压低 使用方便 但其暗电流比光电倍增管的暗电流大， 相应的噪声也较大 故光电倍增管更适宜于弱光探测济南大学物理科学与技术学院 106光敏二极管阵列?将光敏二极管以线列或面阵形式集合在一起， 用来同时探测被测物体各部位提供的不同光 信息，并将这些信息转换为电信号的器件。济南大学物理科学与技术学院107象限探测器? 象限探测器有二象限和四象限探测器，又分 ?光电二极管象限探测器和硅光电池象限探测 器。 象限探测器是在同一块芯片上制成两或四个 探测器，中间有沟道将它们隔开，因而这两 或四个探测器有完全相同性能参数。 当被测体位置发生变化时，来自目标的辐射 量使象限间产生差异，这种差异会引起象限 间信号输出变化，从而确定目标方位，同时 可起制导、跟踪、搜索、定位等作用。济南大学物理科学与技术学院 108?光敏三极管（光电三极管）?光电三极管是由光电二极管和一个晶体三极管构成， 相当于在晶体三极管的基极和集电极间并联一个光 电二极管。?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。 日前用得较多的是NPN和PNP两种平面硅光电三极管。?济南大学物理科学与技术学院109集电极 C 集电结 基极 B 发射结NP N E 发射极110济南大学物理科学与技术学院NPN光电三极管结构原理简图济南大学物理科学与技术学院111光电三极管工作原理? ??NPN光电三极管（3DU型），使用时光电二极管 的发射极接电源负极，集电极接电源正极。 光电三极管不受光时，相当于普通三极管基极开路 的状态。集电结(基―集结)处于反向偏置，基极电 流等于0，因而集电极电流很小，为光电三极管的暗 电流。 当光子入射到集电结时，就会被吸收而产生电子― 空穴对，处于反向偏置的集电结内建电场使电子漂 移到集电极，空穴漂移到基极，形成光生电压，基 极电位升高。济南大学物理科学与技术学院112?? ?如同普通三极管的发射结(基―发结)加上 了正向偏置，当基极没有引线时，集电极 电流就等于发射极电流。 这样晶体三极管起到电流放大的作用。 由于光敏三极管基极电流是由光电流供给， 因此一般基极不需外接点，所以通常只有 集电极和发射极两个引脚线。济南大学物理科学与技术学院113光电三极管的光照特性?光电三极管与光电二极管相比，具有较高的输出光电流，但线 性差 线性差主要是由电流放大倍数?的非线性所致 在大照度时，光敏三极管不能作线性转换元件，但可以作开关 元件使用。管不能作线性转换元件，但可以作开关元件使用。济南大学物理科学与技术学院 114??光敏三极管的伏安特性?? ? ?硅光电三极管的光电流在毫安量级，硅光电二极管的光电流 在微安量级。 在零偏压时硅光电三极管没有光电流输出，但硅光电二极管 有光电流输出。 工作电压较低时输出电流有非线性，硅光电三极管的非线 性更严重。（因为放大倍数与工作电压有关） 在一定的偏压下，硅光电三极管的伏安曲线在低照度时间隔 较均匀，在高照度时曲线越来越密济南大学物理科学与技术学院 115硅光电二极管硅光电三极管济南大学物理科学与技术学院116光敏三极管的温度特性? 温度特性反映了光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。 ? 温度变化对光电流和暗电流都有影响，对暗电流的影响更大。 ? 精密测量时，应采取温度补偿措施，否则将会导致输出误差。 ? 光电三极管的光电流和暗电流受温度影响比光电二极管大得多济南大学物理科学与技术学院117光敏三极管的（调制）频率特性光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电 阻可以提高频率响应。 一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。 对于锗管，入射光的调制频率要求在 5000Hz以下，硅管 的频率响应要比锗管好。济南大学物理科学与技术学院1183DU33硅光敏三极管 一、用途例子：光电自动控制、光电计数、光电传感器中作光电信号转换用 二、光电参数 名 称 最高工作电压 暗电流 光电流 上升时间 下降时间 峰值波长 封装形式 三、极限参数 名 称 最大功率 工作温度嫖露 最 小 值 20 典 型 值 30 10 10 5 5 880 100符号 VRM(C E) ID IL tr tf λP测试条件 ICE=ID V= VRM (CE) VCE=10V E=1000LX RL=50Ω,VCE=10V 脉冲电流幅度为 1mA最大值单位V nA mA μs μs nm镀镍金属帽，玻璃球透镜。 四、实物图 称号 PM 参数 70 单位 mw 五、外形图 119TOP -30～+65 ℃ 济南大学物理科学与技术学院Tstg -30～+80 ℃济南大学物理科学与技术学院120国产三极管的型号命名?国产三极管的型号命名由五部分组成，各部分的 含义见下表。 第一部分用数字“3”表示主称和三极管。 第二部分用字母表示三极管的材料和极性。 第三部分用字母表示三极管的类别。 第四部分用数字表示同一类型产品的序号。 第五部分用字母表示规格号。济南大学物理科学与技术学院121济南大学物理科学与技术学院122
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