2019年光电检测技术与应用第3章光电检测器件ppt课件.ppt

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1、1,第三章 半导体光电检测器件及应用,光敏电阻光生伏特器件-光电池光电二极管与光电三极管光热辐射检测器件各种光电检测器件的性能比较,2,光电器件的分类,一、按工作波段分 紫外光探测器 可见光探测器 红外光探测器二、按应用分 换能器 将光信息（光能）转换成电信息（电能）非成像型光信息转换成电信息 探测器 变像管成像型 像增强器 摄像管 真空摄像管 固体成像器件CCD,3,4,3.1 光敏电阻,利用具有光电导效应的材料（如Si、Ge等本征半导体与杂质半导体，如CdS、CdSe、PbO）可以制成电导率随入射光辐射量变化而变化的器件，这类器件被称为光电导器件或光敏电阻。,结构特点：体积小、坚固耐用、价

2、格低廉、光谱响应范围宽，广泛应用于微弱辐射信号的检测技术领域。,5,3.1.1、光敏电阻的结构及工作原理,工作原理,6,当入射光子使半导体物质中的电子由价带跃升到导带时，导带中的电子和价带中的空穴均参与导电，因此电阻显著减小，电导增加，或连接电源和负载电阻，可输出电信号，此时可得出光电导g与光电流I光的表达式为：,工作原理,g=gL-gdI光=IL-Id,7,工作原理,光敏电阻按半导体材料的不同可分为本征型和杂质型两种，本征型半导体光敏电阻常 用于可见光长波段检测，杂质型常用于红外波段至远红外波段光辐射的检测。,光敏电阻设计的基本原则,光敏电阻在弱光辐射下光电导灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距离

3、l的平方成反比 ，在强辐射作用下Sg与l的二分之三次方成反比，因此在设计光敏电阻时，尽可能地缩短光敏电阻两极间距离。,光电流Ip= SU/L,8,光敏电阻的基本结构,1-光电导材料；2-电极；3-衬底材料,绝缘基底,光电导体膜,9,三种形式梳状式 玻璃基底上蒸镀梳状金属膜而制成；或在玻璃基底上面蚀刻成互相交叉的梳状槽，在槽内填入黄金或石墨等导电物质，在表面再敷上一层光敏材料。如图所示。,绝缘基底,光电导体膜,10,刻线式在玻璃基片上镀制一层薄的金属箔，将其刻划成栅状槽，然后在槽内填入光敏电阻材料层后制成。其结构如下图所示。注意：与梳状式的区别,11,涂膜式在玻璃基片上直接涂上光敏材料膜后而制成

4、。其结构如右下图所示。2、光敏电阻在电路中的符号,12,注意：灵敏度与光电增益的区别（1）灵敏度是光电导体在光照下产生光电导能力的大小。（2）增益指在工作状态下，各参数对光电导效应的增强能力。,材料特性,结构参数,13,工作性能特点：,光谱响应范围相当宽。可见光、红外、远红外、紫外区域工作电流大，可达数毫安。所测光电强度范围宽，既可测弱光，也可测强光灵敏度高，光电增益可以大于1无选择极性之分，使用方便。,缺点： 强光下光电线性度较差，弛豫时间过长，频率特性差。,14,光敏电阻的种类及应用,主要材料：Si、Ge、II-VI族和III-V族化合物，以及一些有机物。分紫外光、可见光、红外及远红外敏感

5、的光敏电阻。,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。,15,3.1.2、光敏电阻特性参数,1、光电特性,光敏电阻的光电流I光与输入辐射照度有下列关系式：,其中：I光为光电流，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,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

6、，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）,16,2、伏安特性（输出特性）,一定光照下，光敏电阻的光电流与所加电压关系即为伏安特性。,3.1.2、光敏电阻特性参数,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。,17,3.1.2、光敏电阻特性参数,3、温度特性,光敏电阻为多数载流子导电的光电器件，具有复杂的温度特性。不同材料的光敏电阻温度特性不同。书25页中图3-5中为CdS和CdSe光敏电阻不同照度下的温度特性曲线。可

7、以看出温度升高可以导致材料光电导率的下降。实际中往往采用控制光敏电阻工作的温度的办法提高工作稳定性。,18,3.1.2、光敏电阻特性参数,换句话说，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，尤其是杂质型半导体对长波长红外辐射检测领域更为重要。,温度特性,19,3.1.2、光敏电阻特性参数,4、前历效应,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

8、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,20,亮态前历效应：光敏电阻测试或工作前已处于亮态，当照度与工作时所要达到的照度不同时，所出现的一种滞后现象。,3.1.2、光敏电阻特性参数,前历效应,21,3.1.2、光敏电阻特性参数,5、频率特性,光敏电阻的时间常数较大，所以其上限频率f上低，只有PbS光敏电阻的工作频率特性达到几千赫兹。,当E=0.11lx时，光敏电阻tr=1.4s， E=10lx时， 光敏电阻tr=66mS, E=100lx时， 光敏电阻tr=6mS。,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。,22,3

9、.1.2、光敏电阻特性参数,6、时间响应,光敏电阻的时间常数较大，惯性大，时间响应比其它光电器件差。频率响应低。 时间特性与光照度、工作温度有明显的依赖关系。,r,23,3.1.2、光敏电阻特性参数,7、光谱特性,相对灵敏度与波长的关系,可见光区光敏电阻的光谱特性,光谱特性曲线覆盖了整个可见光区，峰值波长在515600nm之间。尤其硫化镉（2）的峰值波长与人眼的很敏感的峰值波长（555nm）是很接近的，因此可用于与人眼有关的仪器。,1-Se；2-CdS；3-TlS；4-PbS,24,3.1.2、光敏电阻特性参数,光谱特性,红外区光敏电阻的光谱特性,注明：此特性与所用材料的光谱响应、制造工艺、掺

10、杂浓度和使用的环境温度有关。,25,1、常用光敏电阻,CdS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。PbS光敏电阻：响应波长在近红外波段，室温下响应波长可达3um，峰值探测率D*=1.51011cmHz1/2/w。缺点主要是响应时间太长，室温条件下100-300uS。内阻约为1M，锑化铟（InSb）光敏电阻：长波限7.5um，内阻低（约50），峰值探测率D*=1.21011cmHz1/2/w。时间常数0.02u

11、S。零度时探测率可提高2-3倍。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.碲锡铅（PbSnTe）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。,3.1.3、光敏电阻的应用电路,26,2、基本偏置电路,3.1.3、光敏电阻的应用电路,RP,忽略暗电导Gd(暗电阻很大)： G=Gp=SgE或G=Sg 即 对R求导

12、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Rp，电流变化I，即有： 即,27,2、基本偏置电路,3.1.3、光敏电阻的应用电路,输出电压,28,3.1.3、光敏电阻的应用电路,1、火焰检测报警器,PbS光敏电阻：Rd=1M, Rl=0.2M，峰值波长2.2um。,Vo,29,Uth,UR,Uth=?UR=?,3.1.3、光敏电阻的应用电路,2、照相机电子快门,30,3、照明灯的光电控制电路,3.1.3、光敏电阻的应用电路,31,3.1.4、光敏电阻使用的注意事项,测光的光源光谱特性与光敏电阻的光敏特性相匹配。要防止光敏电阻受杂散光的影响。要防止使光敏电阻的电参数(电

13、压,功耗)超过允许值。根据不同用途，选用不同特性的光敏电阻。 一般, 数字信息传输:亮电阻与暗电阻差别大，光照指数大的光敏电阻。 模拟信息传输:则以选用值小、线性特性好的光敏电阻。,32,3.2 光电池,33,光电池是一种利用光生伏特效应制成的不需加偏压就能将光能转化成电能的光电器件。,3.2.1 光电池的基本结构和工作原理,1、金属-半导体接触型（硒光电池）,基本结构,2、PN结型,几个特征： 1、栅状电极 2、受光表面的保护膜 3、上、下电极的区分,符号,34,3.2.2 硅光电池的特性参数,1、光照特性,伏安特性,由光电池的电流方程： Rs很小，可忽略，上式变为：,Ip=SgE,35,1

14、、光照特性,3.2.2 硅光电池的特性参数,Isc1,Isc2,Isc3,Isc4,当IL=0时 一般IpIs, 当RL=0时，Isc=Ip=SgE,下面看两个关系：,当E=0时,36,1、Voc，Isc与E的关系：,当IL=0，RL=时 一般IpIs,且Ip=SgE,3.2.2 硅光电池的特性参数,当V=0，RL=0时，,37,2、Isc与E和RL的关系：,3.2.2 硅光电池的特性参数,当RL=0时， Isc=Ip=SgE,当RL不为0时,38,光电池光照特性特征：1、Voc与光照E成对数关系；典型值在0.45-0.6V。作电 源时，转化效率10%左右。最大15.5-20%。2、Isc与E

15、成线性关系，常用于光电池检测， Isc典型值 35-45mA/cm2。2、RL越小，线性度越好，线性范围越宽。3、光照增强到一定程度，光电流开始饱和，与负载 电阻有关。负载电阻越大越容易饱和。,3.2.2 硅光电池的特性参数,39,2、输出特性,3.2.2 硅光电池的特性参数,UL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，跟入射光照度也有关。作为测量使用，光电池以电流使用。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。RL增大，线性范围越来越小。,40,

16、3、光谱特性,3.2.2 硅光电池的特性参数,41,4、温度特性,3.2.2 硅光电池的特性参数,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,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。,42,3.2.3 硅光电池的应用,1、光电池用作太阳能电池 把光能直接转化成电能，需要最大的输出功率和转化效率。即把受光面做得较大，或把多个光电池作串、并联组成电池组，与镍镉蓄电池配合，可作为卫星、微波站等无输电线路地区的电源供给。,2、光电池用作检测元件 利用其光敏面大，频率响应高，光电流与照

17、度线性变化，适用于开关和线性测量等。,43,光电池与外电路的连接方式,3.2.3 硅光电池的应用,光电池作缓变信号检测时的的变换电路举例,44,3.2.3 硅光电池的应用,光电池的变换电路举例,45,1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,46,47,(a) 光电追踪电路,+12V,R4,R3,R6,R5,R2,R1,W,BG1,BG2,图 (a)为光电地构成的光电跟踪电路，用两只性能

18、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,48,BG2,BG1,+12V,C,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。,49,(c) 光电池触发电路,R1,R2,R3,R4,R5,R6,BG1,BG2,BG3,BG4,C1,C2,C3,+

19、12V,W,图 (c)为光电池触发电路。当光电池受光照射时，使单稳态或双稳态电路的状态翻转，改变其工作状态或触发器件(如可控硅)导通。,50,+12V,5G23,(d) 光电池放大电路,C3,-12V,W,R1,R2,R3,R4,R5,C1,C2,1,8,7,6,5,4,3,2,图(d)为光电池放大电路。在测量溶液浓度、物体色度、纸张的灰度等场合，可用该电路作前置级，把微弱光电信号进行线性放大，然后带动指示机构或二次仪表进行读数或记录。,在实际应用中，主要利用光电池的光照特性、光谱特性、频率特性和温度特性等，通过基本电路与其它电子线路的组合可实现或自动控制的目的。,51,220V,C1,路灯,

20、CJD-10,8V,200F,200F,C2,C3,100F,R1,R3,R5,R7,R4,R6,R7,R2,J,470k,200k,10k,4.3k,BG1,280k,25k,57k,10k,路灯自动控制器,BG2,BG3,BG4,2CR,52,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。,3.3

21、 光电二极管与光电三极管,53,3.3 光电二极管与光电三极管,光电二极管与光电池的特性比较基本结构相同，由一个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。掺杂浓度：光电池约为1016-1019/cm3，硅光电二极管10121013/cm3，电阻率：光电池0.1-0.01/cm，光电二极管1000/cm。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：硅、锗、PIN、APD,54,3.3 光电二极管与光电三极管,光电二极管的工作原理,55,光电二极管的基本结构,3.3 光电二极管与光电三极管,56,光电二极管的伏安特

22、性,加正向偏压时， 表现为单向导电性。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。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。,57,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，带宽可达100kHz。,58,光电二极管的温度特性,光电二极管的温度特性主要是指反向饱和电流对温度的依赖性，暗电流对温度的变化非常敏感。,59,光电二极管的典型应用电路,60,光电二极管的典型应用电

23、路,电流放大型,电压放大型,61,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。时间常数变小，频带变宽。,PIN光电二极管,62,特点：1、频带宽，可达10GHz。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

24、放大器集成在同一芯片上并封装成一个器件。,63,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),64,雪崩光电二极管(APD)原理图,65,APD的缺点,噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。由于雪崩反应是随

25、机的，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无法使用。但由于APD的响应时间极短，灵敏度很高，它在光通信中应用前景广阔。,66,思考题,某光敏电阻与负载电阻RL=2k串接于12伏的直流电源上，无光照时负载电阻上的输出电压为u1=20mV，有光照时负载上的输出电流u2=2V，试求：光敏电阻的暗电阻和亮电阻值；若光敏电阻的光导灵敏度S=610-6s/lx，求光敏电阻所受的照度？,67,3.3.2 光电三极管的基本结构,光电晶体管和普通晶体管类似，也有电流放大作用。只是它的集电极电流不只是受基极电路的电流控制，也可以受光的控制。光电晶体管的外形，

26、有光窗、集电极引出线、发射极引出线和基极引出线（有的没有）。制作材料一般为半导体硅，管型为NPN型，国产器件称为3DU系列。,68,光电晶体管的灵敏度比光电二极管高，输出电流也比光电二极管大，多为毫安级。但它的光电特性不如光电二极管好，在较强的光照下，光电流与照度不成线性关系。所以光电晶体管多用来作光电开关元件或光电逻辑元件。,69,正常运用时，集电极加正电压。因此，集电结为反偏置，发射结为正偏置，集电结为光电结。当光照到集电结上时，集电结即产生光电流Ip向基区注入，同时在集电极电路即产生了一个被放大的电流Ic（Ie（1）Ip）为电流放大倍数。因此，光电晶体管的电流放大作用与普通晶体管在上偏流

27、电路中接一个光电二极管的作用是完全相同的。,70,光电三极管的工作原理,光敏三极管的结构原理、工作原理和电气图形符号,71,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,基本应用电路,72,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、三极管制作在一个硅片上构成集成器件,73,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

28、相对灵敏度下降。,光谱特性,入射光,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,则采用锗管较合适。,74,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。,75,光敏晶体管的光照特性,光电三极管的光照特性如图所示。

29、它给出了光敏三极管的输出电流 I 和照度之间的关系。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,76,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很小，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,77,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

30、的调制频率要求在5kHz以下。硅管的频率响应要比锗管好。,光电三极管的频率特性,频率特性,78,光电三极管的应用电路,光电三极管主要应用于开关控制电路及逻辑电路。,79,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所示。,1亮通光电控制电路,80,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。,另一种方法是在亮通电路的基础上加一级倒相器，也可完成暗通电路的作用。 要说明的是，亮通和暗通是相对而言的，以上分析都是假定继电器高压开关工作在常开状态，如工作在常闭状态，则亮通和暗通也就

31、反过来。,2暗通光电控制电路,81,如要求路灯控制灵敏，可采用如图电路。,3、路灯、霓虹灯的自动控制电路,82,3.5 光电耦合器件,83,光电耦合器件的工作原理,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。,84,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

32、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。,85,光电耦合器件的特点,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，可以抑制尖脉冲及各种噪声，发光器件为电流驱动器件。可理解为：1、输入阻抗低，分得噪声电压小，抑制输入端的噪声干扰；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、采用光耦合，且密封安装，抑制外界杂散光干扰；4、寄生电容小

33、(0.5pF-2pF)，绝缘电阻大(105-107M)，抑制反馈噪声。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。,86,光电耦合器件的主要参数,1、电流传输比,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：,如果在小信号下，交流电流传输比用微小变量定义：,在饱和区和截止区都变小。,87,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。,88,2、最高工作频率，,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

34、越低。,89,光电耦合器件的应用,1、代替脉冲变压器耦合信号，带宽宽，失真小。2、代替继电器，无断电时的冲击电流和触点抖动。3、完成电平匹配和电平转换功能。4、用于计算机作为光电耦合接口器件，提高可靠性。5、饱和压降低，代替三极管做为开关元件。6、在稳压电源中，作为过电流自动保护器件，简单可靠。,90,光电耦合器件,91,3.6 光电位置敏感器件（PSD）,92,1、一维光电位置敏感器件（PSD）的工作原理,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。,93,3.7 光热辐

35、射检测器件,94,1、热敏电阻,热敏电阻热敏电阻是用金属氧化物或半导体材料作为电阻体的温敏元件。有三种基本类型：正温度系数，PTC负温度系数，NTC临界温度系数CTC特点：温度系数大、灵敏度高电阻值大、引线电阻可忽略体积小，热响应快，廉价互换性差、测温范围窄在汽车、家电领域得到大量应用,95,半导体对光的吸收,本征和杂质吸收,产生光生载子,晶格吸收、自由电子吸收,不产生光生载子,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,96,负温度系数热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：,A，C，D为与材料有关的常数。,电阻随温度的变化规律为

36、：,对负温度系数材料：,97,热敏电阻的基本结构,98,99,热敏电阻应用范围,家用电器（如空调机、微波炉、电风扇、电取暖炉等）的温度控制与温度检测 办公自动化设备（如复印机、打印机等）的温度检测或温度补偿。 工业、医疗、环保、气象、食品加工设备的温度控制与检验。 仪表线圈、集成电路、石英晶体振荡器和热电偶的温度补偿。热敏电阻特点 稳定性好、可靠性高。 阻值范围宽：0.11000K 阻值精度高 。,100,热电偶又称温差电偶，1826年就出现。其工作原理是热电效应。热电偶是温度测量中应用最普遍的测温器件，它的特点是测温范围宽，性能稳定，有足够的测量精度，能够满足工业过程温度测量的需要；结构简单

37、，动态响应好；输出为电信号，可以远传，便于集中检测和自动控制。,2、热电偶检测器,101,热电偶工作原理,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。,102,热电堆工作原理,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。,103,104,应用范围,适合高低温环境温度测量。如：在陶瓷

38、生产中热电偶是热工监测与测试的计量工具。,105,3、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。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。,106,“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

39、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。,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。,107,热释电红外线传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。,108,109,光电倍增管 Photo-Multiplier tube （PMT）,110,真空光电管,阴极表面可涂渍不同光敏物质：高灵敏(K,Cs,Sb其中二者)、红光敏(

40、Na/K/Cs/Sb, Ag/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，40K的放射线激发）。,111,光电倍增管的结构及工作原理,光电阴极,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。,112,光电倍增管是建立在光电子发射效应、二次电子发射效应和电子光学理论的基础上，能够将微弱光信号转换成

41、光电子并获得倍增效应的真空光电发射器件。,113,一结构与原理 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3.1.1-1所示。,光电倍增管,光电倍增管,114,1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 它的作用是接收入射光，向外发射光电子。制作光电阴极的材料多是化合物半导体。3电子光学系统 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

42、时所经历的时间尽可能相同，使渡越时间零散最小。,115,放大倍数很高，用于探测微弱信号；光电特性的线性关系好 ；工作频率高 ；性能稳定，使用方便 ；供电电压高；玻璃外壳，抗震性差；价格昂贵，体积大；,光电倍增管的特点,116,4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）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

43、显地：,117,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可用下式表示: = = 倍增系统有聚焦型和非聚焦型两类。聚焦型倍增系统倍增极的结构形式有直瓦片式、圆瓦片式;非聚焦倍增系统倍增极的结构形式有百叶窗式和盒棚式。,118,5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： 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=0,当光通量很大时，特性曲线开始明显偏离直线。因此，在工作时阴极不能有强光照射，

44、否则易损坏管子。因它的灵敏度高，光电倍增管允许测量非常小的光通量，或所需放大器的级数可以较少。,光电倍增管的光谱响应，在较长的波长取决于所用光电发射材料的性能，而较短的波长则主要取决于窗材料的透射特性。图中示出了锑钾铯（Sb-K-Cs）光电阴极的光谱特性，最灵敏的光谱波长约在4000埃处。,相应于不同光通量值的阳极伏安特性示于图中，它表示阳极电流I对于最后一级倍增极和阳极间的电压U的关系。作此曲线时，其余各电极的电压保持恒定。,光电倍增管的电流放大系数或灵敏度随电源电压U增大的关系，称为放大特性。随着电源电压升高，电子在电场中的速度加快，动能增大，电子在倍增电极中可打出更多的二次发射电子，因而

45、放大系数或灵敏度增大。,曲线1和2各画出了相应于横坐标所给阳极电流I值。若测量过程中，阳极电流不超过1毫A 则每次测量后，把管子放在暗室中几昼夜，其灵敏度能恢复到近于初始值。管子工作的头几分钟，疲劳得最快，以后疲劳过程就逐渐缓慢了，即使阳极电流非常微弱，还是有疲劳现象，只是灵敏度得降低相当慢而已。,暗电流I=0的一个重要来源，是光电阴极和光电倍增极的热电子发射。温度T越高，热电子发射越多，则暗电流越大，如图3.1.1-5 (f)所示。如果需要较小的暗电流，可通过冷却光电倍增管来减小暗电流。暗电流的另一组成部分是光电倍增管的漏电流。,125,用于测量辐射光谱在狭窄波长范围内的辐射功率。用于分析仪器中，如光谱辐射仪。,光电倍增管的应用,126,3.8 各种光电检测器件的性能比较,请同学们在课下自学这一部分内容。,