光电传感与检测器.ppt

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1、光电传感与检测技术,第3章 半导体光电检测器件及应用,第 3 章 半导体光电检测器件及应用,主要内容：3.1 真空光电器件 光电阴极、光电管、光电倍增管、微通道板光电倍增管 3.2 光电导器件 光敏电阻 3.3 结型光电器件 光电池、光敏二极管、三极管、光电耦合器件、光电位置敏感器件 电荷耦合器件 3.4 光热辐射检测器件,真空光电器件是基于外光电效应的光电探测器，它的结构特点是有一个真空管和一个光电阴极，光电阴极和其它元件都放在真空管中。真空光电器件包括光电管和光电倍增管。,能够产生光电发射效应的物体称为光电发射体，光电发射体在光电器件中常与阴极相联系故又称为光电阴极。,什么是光电阴极?,1

2、 概述,.真空光电器件,（1）灵敏度,光照灵敏度 在一定的白光照射下，光电阴极的光电流与入射的白光光通量之比，所以也称白光灵敏度或积分灵敏度。色光灵敏度 就是局部波长范围的积分灵敏度。它表示在某些特定的波长区域，阴极光电流与入射光的光通量之比。一般用插入不同的滤光片来获得不同的光谱范围，滤光片的透射比不同(如上图)，分别称为蓝光灵敏度、红光灵敏度及红外灵敏。光谱灵敏度 确定波长的单色光照射时，光电阴极发出的光电流与入射的单色光通量之比。,色温2856K的钨丝灯,（2）量子效率 阴极发射的光电子数 Ne()与入射的光子数 Np()之比，称为量子效率:Q()=Ne()/N p(),光电阴极受特定波

3、长的光照射时，,（3）光谱响应曲线 光电阴极的光谱灵敏度与入射光波长的关系曲线，称为光谱响应曲线。,（4）热电子发射 光电阴极中有一些电子的热能有可能大于光电阴极逸出功，热电子发射会引起噪声。,因而可产生热电子发射,室温下典型光电阴极每秒每平方厘米发射的热电子相当于,l0-16 10-17A/cm2的电流密度。,光电阴极一般分为透射型与反射型两种：,不透明阴极通常较厚，光照射到阴极上，光电子从同一面发射出来，所以不透明光电阴极又称为反射型阴极,透射型阴极通常制作在透明介质上，光通过透明介质后入射到光电阴极上。光电子则从光电阴极的另一边发射出来，所以透射型阴极又称为半透明光电阴极。,光电子的逸出

4、深度是有限的，因此，所有半透明光电阴极都有一个最佳厚度。,2光电阴极,Ag-O-Cs具有良好的可见和近红外响应。透射型光谱响应:300nm到1200nm，反射型光谱响应:300m到1100nm。Ag-O-Cs光电阴极主要应用于近红外探测。单碱锑化合物(PEA)以金属锑Sb与碱金属如锂、钠、钾、铯中的一种构成的化合物，都是能形成具有稳定光电发射的发射材料，CsSb最为常用，在紫外和可见光区的灵敏度最高。碱锑化合物(PEA)是指锑Sb和几种碱金属形成的化合物，包括双碱锑材料Sb-Na-K、Sb-K-Cs和三碱锑材料Sb-Na-K-Cs等，Sb-Na-K-Cs是最实用的光电阴极材料，具有高灵敏度和宽

5、光谱响应，其红外端可延伸到930nm。负电子亲合能材料(NEA)它们的真空能级降到导带之下，从而使有效的电子亲和势变为负值，这种材料称作负电子亲和势光电阴极材料。,常用光电阴极材料：,在某些应用中，要求光电阴极材料只对所探测的紫外辐射灵敏，对可见光无响应。这种材料通常称为“日盲”型光电阴极材料，也称紫外光电阴极材料。目前实用的紫外光电阴极碲化铯(CsTe)和碘化铯(Csl)两种。,长波限为0.32m,长波限为0.2m,紫外光电阴极材料,光电管是一个抽真空或充惰性气体的玻璃管，内部有光阴极、阳极，光阴极涂有光敏材料，当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量E大于电子的逸出功A（EA），会有电子逸

6、出产生电子发射。电子被带有正电的阳极吸引，在光电管内形成电子流，电流在回路电阻 R上产生正比于电流大小的压降。,入射光的频谱成分不变时，产生的光电子与光强成正比,3 光电管,主要用于：分光光度计、光电比色计等分析仪器 和各种自动装置。,光电管主要由玻壳（光窗）、光电阴极和阳极三部分组成,光电管内可以抽成真空也可以充入低压惰性气体，所以有真空型和充气型两种。,(a)侧窗式(b)端窗式图5-7 光电倍增管类型,4 光电倍增管,光照很弱时，光电管产生的电流很小，为提高灵敏度常常使用光电倍增管。如核仪器中闪烁探测器都使用的是光电倍增管做光电转换元件。光电倍增管是在光电管的基础上研制出来的一种真空光电器

7、件，在结构上增加了电子光学系统和电子倍增极，因此极大的提高了检测灵敏度。光电倍增管是利用二次电子释放效应，高速电子撞击固体表面，发出二次电子，将光电流在管内进行放大。,(a)侧窗式(b)端窗式图5-7 光电倍增管类型,光电倍增管主要由入射窗口、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极五个主要部分组成。,（1）光电倍增管的结构,(a)侧窗式(b)端窗式图5-7 光电倍增管类型,（）窗口形式,光窗通常有侧窗和端窗两种,侧窗,端窗,入射窗口,（）常用的窗口材料,硼硅玻璃 透射范围从300nm到红外,透紫外玻璃优点是紫外短波透射截止波长可延伸到185nm,熔融石英（熔融二氧化硅）的优点是在远紫外区有

8、相当好的 透过率，短波截止波长可达到160nm,蓝宝石是一种Al2O3晶体，它的特点是紫外透过率处于熔融 石英和透紫外玻璃之间，但紫外截止波长比石英玻 璃还要短，可以达到150nm。,MgF2 短波透射波长可到115nm,电子光学系统是指阴极到倍增系统第一倍增极之间的电极空间，其中包括光电阴极、聚焦极、加速极及第一倍增极。电子光学系统的主要作用有两点：,（)使阴极面上各处发射的光电子在电子光学系统中渡越的时 间尽可能相等，这样可以保证光电倍增管的快速响应，通常用渡越时间离散性表示。,电子光学系统,()使光电阴极发射的光电子尽可能全部汇聚到第一倍增 极上，而将其他部分的杂散热电子散射掉，提高信

9、噪比，倍增极收集电子的能力通常用电子收集率表示。,倍增系统是由许多倍增极组成，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。倍增系统决定整管灵敏度。,()二次电子发射原理,把二次发射的电子数N2与入射的一次电子数Nl的比值定义为该材料的二次发射系数：,电子倍增极,二次电子发射过程三个阶段：(a)材料吸收一次电子的能量，激发体内电子到高能态，这些受激电子称为内二次电子；(b)内二次电子中初速指向表面的那一部分向表面运动；(c)到达界面的内二次电子中能量大于表面势垒的电子发 射到真空中，成为二次电子。,(a)银氧铯和锑铯两种化合物，灵敏的光电发射体和 良好的二次电子发射体。(b

10、)氧化物型:氧化镁、氧化钡等。(c)合金型:银镁、铝镁、铜镁、镍镁、铜铍等合金。(d)负电子亲合势材料:铯激活的磷化镓等。,（）倍增极材料(大致可分以下四类),光电倍增管中的倍增极一般由几级到十五级组成。根据电子的轨迹又可分为聚焦型和非聚焦型两大类。,所谓聚焦不是指使电子束会聚于一点，而是指电子从前一级倍增极飞向后一级倍增极时，在两电极间的电子运动轨迹，可能有交叉。非聚焦则是指在两电极间的电子运动轨迹是平行的。,（）倍增极结构,（a）鼠笼式(b)盒栅式(c)直线聚焦型(d)百叶窗式(e)近贴撮网式(f)微通道板式,倍增极结构形式:,光电倍增管的性能不仅取决于倍增极的结构类型，还取决于光电阴极尺

11、寸和聚焦系统。,磁场平行于管轴方向。,下表为六种倍增极结构的端窗式光电倍增管的典型指标的比较。,阳极的作用是收集从末级倍增极发射出的二次电子。最简单常用的阳极是栅状阳极。栅状阳极的输出电容小，阳极附近也不易产生空间电荷效应。,阳极,如右图所示：,（2）光电倍增管的工作原理,()光子透过入射窗口入射在光电阴极K上；()光电阴极受光照激发，表面发射光电子；()光电子被电子光学系统加速和聚焦后入射到第 一 倍增极 1上，倍增极将发射出比入射电子数目更多的二次电子。入射电子经N级倍增极倍增后，光电子数就放大N次。()经过倍增后的二次电子由阳极收集起来，形成阳极光电 流I，在负载上产生信号电压0。,为了

12、使光电子能有效地被各倍增极电极收集并倍增，阴极与第一倍增极、各倍增极之间以及末级倍增极与阳极之间都必须施加一定的电压。最普通的形式是在阴极和阳极之间加上适当的高压，阴极接负，阳极接正，外部并接一系列电阻，使各电极之间获得一定的分压，如图所示。,几种光电倍增管的外形,（3）光电倍增管的主要特性参数,灵敏度 灵敏度是衡量光电倍增管探测光信号能 力的一 个重要参数.,()光谱响应灵敏度 阴极的光谱灵敏度取决于光电阴极和窗口的材料性质。阳极的光谱灵敏度等于阴极的光谱灵敏度与光电倍增管放大系数的乘积，而其光谱响应曲线基本上与阴极的相同。,()阴极灵敏度,阴极的光照灵敏度定义为光阴极产生的光电流与入射到它

13、上面的光通量之比，即,()阳极灵敏度 阳极光照灵敏度表示光电倍增管在接收分布温度为2856K的光辐射时阳极输出信号电流与入射到阴极上的光通量之比，即,与阴极灵敏度相对应，阳极灵敏度也有蓝光灵敏度、红光灵敏度及单色灵敏度。,光电倍增管倍增极的二次电子发射系数，是倍增极间电压的函数，有以下关系,是常数；k值与倍增极的材料和结构有关，一般为0.70.8。,那么放大倍数与光电倍增管所加电压U的关系为,其中：,注意：从上式可知，光电倍增管的放大倍数和阳极输出电流随所加电压的 KN次方指数变化。,电流放大倍数,光电倍增管的暗电流是指在施加规定的电压后，在无光照情况下测定的阳极电流。暗电流决定了光电倍增管的

14、极限灵敏度。暗电流来源可归纳为三类：阴极或其他零件的热发射、极间欧姆漏电、残余气体以及场致发射等的再生效应。,()热电子发射是光电倍增管暗电流的主要部分。,()欧姆漏电是指光电倍增管内支撑电极的绝缘体(如玻 璃芯柱、陶瓷片、塑料管基等)在高电压下的漏电流。,()当光电倍增管的工作电压很高时，电极尖端的场致 发射和残余气体离子发射可能在高电压下产生。,。,暗电流,暗电流的产生与电源电压有密切关系，如下图所示,在低电压时，暗电流由漏电流决定；电压较高时，主要是热电子发射；电压再大，则导致场致发射和残余气体离子发射，使暗电流急剧增加，甚至可能发生自持放电。实际使用中，为了得到比较高的信噪比S/N，所

15、加的电源电压必须适当。,。,一般工作在图的b段,光电倍增管的噪声主要有光电器件本身的散粒噪声和热噪声、负载电阻的热噪声、光电阴极和倍增极发射时的闪烁噪声等。散粒噪声中一大部分是暗电流被倍增引起的。减小噪声和暗电流的常用有效方法是制冷。制冷对降低其它光电器件的噪声也很有效。,光电倍增管具有很宽的动态范围，能够在很大光强变化范围内保持线性。但如果入射光强过大，输出信号电流就会偏离理想的线性。,噪声,线性,光电倍增管的稳定性是指在恒定光照情况下，阳极电流随时间的变化。光电倍增管的稳定性与工作电流、极间电压、运行时间、环境条件和光照情况等许多因素有关。,当入射光或者所加电压以阶跃函数变化时，光电倍增管

16、并不能输出完全相同的阶跃函数信号，这种现象称为“滞后”。,滞后效应主要由于电子偏离设计的轨迹以及倍增极的陶瓷支架和玻壳等静电作用引起的。,稳定性,滞后效应,()当入射光通量一定时，阴极光电流与阴极和第一倍增极之间电压(简称为阴极电压UK)的关系称为阴极伏安特性，下图为不同光通量下测得的阴极伏安特性。从图可见，当阴极电压大于一定值(几十伏)后，阴极电流开始趋向饱和，饱和电流与入射光通量成线性关系。,伏安特性,()当入射光通量一定时，阳极电流与最后一级倍增极和阳极之间电压(简称阳极电压UP)的关系称为阳极伏安特性，下图为不同光通量下测得的阳极伏安特性。图中，当阳极电压大于一定值后阳极电流趋向饱和，

17、与入射到阴极面上的光通量成线性关系。,光电倍增管的时间响应主要是由从光阴极发射光电子、经过倍增极放大到达阳极的渡越时间，以及由每个光电子之间的渡越时间差决定的。光电倍增管的时间响应通常用阳极输出脉冲的上升、下降时间、电子的渡越时间来表示。,几乎所有的光电倍增管都会受到周围环境磁场的影响。磁场会使本来由静电场确定的电子轨迹产生偏移。这种现象在阴极到第一倍增极区域最为明显，因为在这一区域，电子路径最大。在磁场的作用下电子运动偏离正常轨迹，引起光电倍增管灵敏度下降，噪声增加。,目前由于分别采用了近贴栅网和微通道板代替普通的倍增极结构，这些类型的光电倍增管抗磁场干扰能力得到很大的加强，故可在强磁场强度

18、的环境中使用。,时间特性,磁场特性,（）光电倍增管的供电电路,为了使光电倍增管能正常工作，通常在阴极（K）和阳极（P）之间加上近千伏的高压。为保证光电子能被有效地收集，光电流通过倍增系统能得到有效放大，还需将高压在阴极、聚焦极、倍增极和阳极之间按一定规律进行分配。,高压电源,光电倍增管必修工作在高压状态下，在精密的光辐射测量中，通常要求电源电压的稳定度达到0.010.05。目前，光电倍增管常用一种体积小巧的高压电源模块，如左下图左所示。输入直流电压一般为+15伏，可获得上千伏的负高压输出，电压稳定度为0.02%0.05%。调节控制端的电阻或电压值，输出的电压可以在-200伏至-1200伏之间变

19、化，如下图右所示。可变电阻一般为10 k的精密电阻。,()高压分压电路的必要性 光电倍增管工作时，需要在阴极和阳极之间加上5001000V的高压。该电压将以适当的比例分配给聚焦极、倍增极和阳极，保证光电子能被有效地收集，光电流通过倍增系统得到放大。实际应用中各极间的电压都是由连接于阳极与阴极之间的分压电阻所提供的，这一电路被称为高压分压电路。,高压分压电路,()高压分压电路的接地方式 如下图所示，多数情况下采用阳极接地、阴极接负高压方式。此方案消除了外部电路与阳极之间的电压差，便于电流计或电流电压转换运算放大器直接与光电倍增管相连接。,阳极接地带来的问题：由于靠近管子玻壳的金属支架或磁屏蔽筒接

20、地，它们与阴极和倍增极之间存在比较高的电位差，结果使某些光电子打到玻壳上产生噪声；如果靠近光电阴极的端面或玻壳接地，具有高负电位的阴极与地之间就会产生漏电流。,阴极接地：使用耐高压的耦合电容来输出信号，也可将外部信号电路与阳极高压电源隔开。只适用于交流或脉冲信号测量系统。,流经分压电路的电流被称为分压电流，该电流与光电倍增管输出电流有着密切关系。分压电流约等于供电电压除以各分压电阻阻值的和。无论是阳极还是阴极接地，无论是直流还是脉冲信号工作，当入射到光电倍增管光阴极的光通量增加时，输出电流也随着相应增加。如下图所示，入射光通量与阳极电流的理想的线性关系从一个特定的电流值（B段）开始发生变化，并

21、最终使光电倍增管的输出饱和（C段）。,分压电流与阳极输出电流的线性关系,用负载电阻实现电流-电压转换,电路的负载电阻为RL,光电倍增管阳极与包含诸如导线电容、杂散电容在内的其它各极间的总电容为Cs，那么截止频率可以由下面的等式给出：,（5）光电倍增管的信号输出电路,选择负载电阻时要注意三点：(1)在频响要求比较高的场合，负载电阻应尽可能小一些。(2)当输出信号的线性度要求较高时，选择的负载电阻应使信号电流在它上面产生的压降在几伏以下。(3)负载电阻应比放大器的输入阻抗小得多。,下图为一个由运算放大器构成的电流电压转换电路。,用运算放大器实现电流-电压转换,如果用微通道板代替一般光电倍增管中的电

22、子倍增器，就构成微通道板光电倍增管。这种光电倍增管尺寸大为缩小，电子渡越时间很短，阳极电流的上升时间几乎降低了一个数量级，有可能响应更窄的脉冲或更高频率的辐射。,5 微通道板光电倍增管,如图所示，微通道是一根根很细的玻璃管。它的内壁镀有高阻的二次发射材料，施加高电压后内壁将出现电位梯度，光电阴极发出的一次电子轰击微通道的一端，发射出的二次电子因电场加速而轰击另一处，再发射二次电子，这样连续多次发射二次电子，可获得约104的增益。,微通道板是由成千上万根直径为1540mm、长度为0.61.6mm的微通道排成的二维列阵，如右上图所示，简称MCP。,为了获得较高的增益，通道的长度不能太长。由于通道中

23、存在残余离子，这些正离子与电子的移动方向相反，撞击管壁时将释放出更多的二次电子，有可能产生雪崩击穿；或者在负端离开通道，破坏光电阴极。所以一般将通道制成人字形或z形的折线通道，以减小离子自由飞行的路程，和由离子轰击发射的二次电子。带有两个串联的MCP光电倍增管的基本电路如下图所示,光电倍增管的使用,阳极电流要小于l A，以减缓疲劳和老化效应。分压器中流过的电流应大于阳极最大电流的1000 倍，但是不应过分加大，以免发热。高压电源的稳定性必须达到测量精度的10倍以上。电压的纹波系数一般应小于0.001%。阴极和第一倍增极之间、末级倍增极和阳极之间的 级间电压应设计得与总电压无关。用运算放大器作光

24、电倍增管输出信号的电流电压变 换，可获好的信噪比和线性度。电磁屏蔽时最好使屏蔽筒与阴极处于相同电位。,（）正确使用光电倍增管，应该注意：,光电倍增管使用前应接通高压电源，在黑暗中放 置几小时。不用时应贮存在黑暗中。光电倍增管的冷却温度一般取-20。在光电阴极前放置优质的漫射器，可减少因阴极 区域灵敏度不同而产生的误差。光电倍增管不能在有氦气的环境中使用，因为它 会渗透到玻壳内而引起噪声。光电倍增管使用前应让其自然老化数年，已获得 良好的稳定性。光电倍增管参数的离散性很大，要获得确切的参 数，只能逐个测定。,光谱测量极微弱光信号的探测光子计数射线的探测,光电倍增管的应用,（）光电倍增管典型应用领

25、域：,光电倍增管具有灵敏度高和响应迅速等特点，目前它仍然是最常用的光电探测器之一，而且在许多场合还是唯一适用的光电探测器。,光谱测量,由于光电倍增管的放大倍数很高，所以常用来进行光子计数。但是当测量的光照微弱到一定的水平时，由于探测器本身的背景噪声(热噪声、散粒噪声等)而给测量带来很大的困难。,光电倍增管可用来测量光源在某个波长范围内的辐射功率。它在元素的成分鉴定、各种化学分析和冶金学分析仪器中都有广泛的应用。,极微弱光信号的探测光子计数,射线的探测,（）闪烁计数,闪烁计数是将闪烁晶体与光电倍增管结合在一起探测高能粒子的有效方法。常用的闪烁体式是NaI，用端窗式光电倍增管与之配合。如下图所示，

26、当高能粒子照到闪烁体上时，它产生光辐射并由倍增管接收转变为电信号，而且，光电倍增管输出脉冲的幅度与粒子的能量成正比。,基于光电倍增管的输入设备滚筒扫描仪,X射线荧光仪闪烁探测器,射线探测在核医学上已经应用于PET(Position Emission Tomography正电子发射断层扫描)系统，这种PET-CT与一般CT的区别在于它可以对生物的动机能进行诊断。,（）在医学上的应用,第 3 章 半导体光电检测器件及应用,3.1 真空光电器件 光电阴极、光电管、光电倍增管（1）光电倍增管的结构（2）光电倍增管的工作原理（3）光电倍增管的特性参数（4）光电倍增管的供电电路（5）光电倍增管的输出电路微

27、通道板光电倍增管 3.2 光电导器件 光敏电阻、3.3 结型光电器件 光电池、光敏二极管、三极管、光电耦合器件、光电位置敏感器件 电荷耦合器件、3.4 光热辐射检测器件,.2 光电导器件,光敏电阻,光电导效应：入射光强改变物质导电率的物理现象 称光电导效应。这种效应几乎所有高电阻率半导体都有，为使电子从价带激发到导带，入射光子的能量E0应大于禁带宽度Eg。基于光电导效应的光电器件有光敏电阻。,（1）定义,光电导过程,（2）光电导效应分类,分为本征型和杂质型两类,（3）本征型的长波限条件由禁带宽度Eg决定，（光子的能量，取决于半导体材料的禁带 宽度Eg=E1-E0，放出的能量越大，发出 的光辐射

28、波长就越短），即,当光子的能量等于或大于Eg时，才能释放出电子空穴对，释放的多少，与材料的反射系数，吸收系数和厚度有关。,（4）杂质型杂质型光电导效应是能量足够大的光子使施主能级中的电子或受主能级中的空穴跃迁到导带或价带，从而使电导增加。此时长波限由杂质的电离能Ei决定，因为Ei Eg，所以杂质型光电导的长波限比本征型光电导的要长得多。,从原理上说，P型、N型半导体均可制成光敏电阻，但由于电子的迁移率比空穴大，而且用N型半导体材料制成的光敏电阻性能较稳定，故目前大都使用N型半导体光敏电阻。,光辐射入射到本征或非本征半导体材料上，开始时随时间的增加光生载流子逐渐增加，经过一定时间后，载流子浓度才

29、逐渐趋于一稳定值。此后，若突然遮断入射的光辐射，光生载流子并不立即下降到照射前的水平，而是经过一定时间才趋于照射前的水平，这种现象称为光电导的弛豫现象。光电导的弛豫时间或时间常数 光辐射入射到本征或非本征半导体材料上，建立稳定的光生载流子浓度所需要的时间，或停止照射后光生载流子浓度下降到照射前的水平所需要的时间。,（5）光电导的弛豫现象,光敏电阻的工作原理是基于光电导效应，其结构是在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质，两端有梳状金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜。,光敏电阻结构及符号,(6)光敏电阻的工作原理,光敏电阻工作原理图及其符号:,光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时两电极

30、可加直流电压，也可加交流电压。,当光电导体上加上电压，无光照时，其相应的暗电导率为,光照稳定情况下的电导率为:,实际光敏电阻,光敏电阻光照特性:无光照时，内部电子被原子束缚，具有很高的电阻值；有光照时，电阻值随光强增加而降低；光照停止时，自由电子与空穴复合，电阻恢复原值。光敏电阻主要参数:暗电阻无光照时的电阻；暗电流无光照时的电流；亮电阻、亮电流受光照时的阻值、电流；光电流亮电流与暗电流之差称光电流。,(7)光敏电阻的主要特性,光电导灵敏度Sg,Gp：光电导，单位为西门子S（-1）。,E：照度，单位为勒克斯（lx）。,Sg：单位为西门子/勒克斯（S/lx）或Sm2/W。,gP 称为光敏电阻的光

31、电导,光电导增益,量子效率 光电导器件的量子效率，表示输出的光电流与入射光子流之比。假设入射的单色辐射功率()能产生N 个光电子，则量子效率,无量纲它表示单位时间内每入射一个光子所能引起的载流子数,光谱响应率与光谱响应曲线,输出光电流,光谱响应率,(5)响应时间和频率特性,光电特性和值,式中,Sg 是光电导灵敏度，它与光敏电阻材料有关；U 为外加电源电压；为入射光通量；E 为入射光照度；为照度指数。在弱光照时，值为1，称线性光电导；在强光照时，值为0.5，则为非线性光电导；一般情况下值在0.5l之间。,实验证明：当所加电压一定时，光电流和照度关系曲线,或,前历效应是指光敏电阻的响应特性与工作前

32、的“历史”有关的一种现象。前历效应有暗态前历效应与亮态前历效应之分。,光敏电阻的暗态前历效应,前历效应,光敏电阻的亮态前历效应,温度特性 光敏电阻的温度特性很复杂，在一定的照度下，亮电阻的温度系数有正有负,R1、R2分别为与温度 T1、T2 相对应的亮电阻。,特点：(1)产生光电变换的部位不同。光敏电阻不管那一部份受光，受光部份的电导率就增大；(2)光敏电阻没有极性，工作时可任意外加电压。(3)光敏电阻的光电导效应主要依赖于非平衡载流子的产生与 复合运动，时间常数较大，频率响应较差；,(7)光敏电阻的特点和应用,光敏电阻在使用时的注意事项：,(7)光敏电阻的特点和应用,当用于模拟量测量时，因光

33、照指数与光照强弱有 关，只有在弱光照下光电流与入射光通量成线性关系；,用于光度量测试仪器时，必须对光谱特性曲线进行修 正，保证其与人眼的光谱光视效率曲线符合；,光敏电阻的光谱特性与温度有关，温度低时，灵敏范围 和峰值波长都向长波方向移动，可采取冷却灵敏面的办 法来提高光敏电阻在长波区的灵敏度。,光敏电阻的温度特性很复杂，电阻温度系数有正有负。,光敏电阻频带宽度都比较窄，在室温下只有少数品种能 超过1000 Hz。,设计负载电阻时，应考虑到光敏电阻的额定功耗，负载电 阻值不能很小。,进行动态设计时，应意识到光敏电阻的前历效应。,()对紫外光灵敏的光敏电阻，如硫化镉(CdS)和硒化镉(CdSe)等

34、；()对可见光灵敏的光敏电阻，如硫化铊(TiS)，硫化镉(CdS)和硒化镉(CdSe)等；()对红外光灵敏的光敏电阻如硫化铅(PbS)、碲化铅(PbTe)、硒化铅(PbSe)和碲化铟(InSb)，碲镉汞(Hg1-xCdxTe)，碲锡铅(Pb1-xSnxTe)和锗掺杂等。,几种常用的光敏电阻:,具有光电导性能的半导体材料很多，但能够满足光敏电阻的各项要求而又能实际应用的却不多。光敏电阻若按照它的光谱特性及最佳工作波长范围，基本上可分为三类：,第 3 章 半导体光电检测器件及应用,3.1 真空光电器件 光电阴极、光电管、光电倍增管（1）光电倍增管的结构（2）光电倍增管的工作原理（3）光电倍增管的特

35、性参数（4）光电倍增管的供电电路（5）光电倍增管的输出电路微通道板光电倍增管 3.2 光电导器件 光敏电阻、3.3 结型光电器件 光电池、光敏二极管、三极管、光电耦合器件、光电位置敏感器件 电荷耦合器件、3.4 光热辐射检测器件,3.3 结型光电器件,半导体结型光电器件是利用光生伏特效应来工作的光电探测器件。结型光电器件包括光电池、光电二极管、光电三极管、PIN光电二极管、雪崩光电二极管、光可控硅、象限式光电器件、位置敏感探测器（PSD）、光电耦合器件等。按结的种类不同，可分为PN结型，PIN结型和肖特基结型等。,一种简单的金属与半导体的交界面，它与PN结相似，具有非线性阻抗特性(整流特性)。

36、1938年德国的W.H.肖特基提出理论模型，对此特性作了科学的解释，故后来把这种金属与半导体的交界面称为肖特基结或肖特基势垒。,1 PN结型光电器件工作原理,(1)无光照时的p-n结 在热平衡条件下，PN结中净电流为零。如果有外加电压时结内平衡被破坏，这时流过PN结的电流方程为,(2)光照下的p-n 结,PN结光伏效应 PN结受光照射时，就会在结区产生电子-空穴对。受内建电场的作用，空穴顺着电场运动，电子逆电场运动，最后在结区两边产生一个与内建电场 方向相反的光生电动势，这就是光生伏特效应。如果用一个理想电流表接通PN结，则有由N区流向P区的电流Ip通过，称为短路光电流。,有光照时，若p-n结

37、外电路接上负载电阻，如下图所示，此时p-n结内出现两种方向相反的电流：一种是光激发产生的电子空穴对，在内建电场作用下，形成的光生电流，它与光照有关，其方向与p-n结反向饱和电流 相同；另一种是光生电流 流过负载 产生电压降，相当于在p-n结施加正向偏置电压，从而产生正向电流。,流过p-n结的总电流是两者之差：,注：以p-n结的正向电流 的方向为正方向。,有光照无偏压流过PN结的电流方程：,光照下PN结的电流方程,当负载电阻RL断开(IL0)时，p端对n端的电压称为开路电压，用Voc表示：,SE 为光电灵敏度,IpI0,当负载电阻短路(即RL=0)时，光生电压接近于零，流过器件的电流叫短路电流，

38、用 Is c 表示,根据光照PN结时流过p-n结的电流，可画出在不同照度下PN结光电器件的伏安特性曲线。,第一象限正偏压，I结本来就很大，所以光电流Ip不起重要作用。第三象限反向偏压，这时I结-Is0，它是普通二极管中的反向饱和电流，现在称为暗电流（对应于光照度E0），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，对应于光导工作模式。,在第四象限中，外偏压为0，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。,当PN结上加有反偏压时，暗电流随反向偏压的增大有所增大，最后

39、等于反向饱和电流Is0，而光电流Ip几乎与反向电压的高低无关。光电二极管和光电三极管就工作在这个象限。,光电池的主要功能是在不加偏置的情况下能将光信号转换成电信号。按用途光电池可分为太阳能光电池和测量光电池。光电池是一个PN结，根据PN结材料的不同，常见的光电池有硒光电池，硅光电池、砷化镓光电池和锗光电池四种。,2 光电池,硅光电池按基底材料不同分为2DR型和2CR型。2DR型硅光电池是以P型硅作基底，2CR型光电池则是以N型硅作基底，然后在基底上扩散磷（或硼）作为受光面。构成PN结后，分别在基底和光敏面上制作输出电极，涂上二氧化硅作保护膜，即成光电池。,光电池结构,光电池工作原理图,光电池符

40、号,光电池（有源器件）,Hubble Space Telescope 哈勃太空望远镜,Credit:NASA,Credit:Adrien Monier,结构：光电池实质是一个大面积PN结，上电极为栅状受光电极，下电极是一层衬底铝。原理：当光照射PN结的一个面时，电子空穴对迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势。一般可产生0.2V0.6V电压、50mA电流。,光电池（有源器件）,光电池的工作原理,（a）光电池工作原理图（b）光电池等效电路图（c）进一步简化光电池的工作原理图和等效电路,注：此处以光生电流 IP 的方向为正方向。,光照特性 光照特性主要有伏安特性、照度-电流电压特性

41、和照度-负载特性。硅光电池的伏安特性，表示输出电流和电压随负载电阻变化的曲线。,不同照度时的伏-安特性曲线一般硅光电池工作在第四象限。若硅光电池工作在反偏置状态，则伏安特性将延伸到第三象限,硅光电池的特性参数,硅光电池伏安特性曲线,当IL0时，RL=(开路)时，光电池的开路电压，以Voc表示,式中 SE表示光电池的光电灵敏度，E 表示入射光照度。,当IpI0,当RL0 时所得的电流称为光电池短路电流，以I sc 表示,硅光电池的电流方程式,当E=0时,式中，ID是光电流，IS0是反向饱和电流，是光电池加反向偏压后出现的暗电流。,硅光电池的Uoc、Isc与照度的关系,照度-电流电压特性,光电池的

42、短路光电流Isc与入射光照度成正比，而开路电压UOC与光照度的对数成正比。,开路电压UOC和短路电流Isc与光电池受光面积也有关系。在光照度一定时，UOC与受光面积的对数成正比，短路电流Isc与受光面积成正比。,电流、电压与受光面积的关系,光照与负载特性,光电流在弱光照射下与光照度成线性关系。光照增加到一定程度后，输出电流非线性缓慢地增加，直至饱和，并且负载电阻越大，越容易出现饱和，即线性范围较小。因此，如欲获得较宽的光电线性范围，负载电阻不能取很大。,光电池不同负载电阻下的光电特性,光电池的光谱特性,光电池对不同波长的光灵敏度不同。硅光电池的光谱响应峰值在0.8m附近，波长范围0.41.2m

43、。硅光电池可在很宽的波长范围内应用。硒光电池光谱响应峰值在0.5m附近,波 长范围0.380.75m。,频率特性指光电池相对输出电流与光的调制频率之间关系。硅、硒光电池的频率特 性不同，硅光电池频率 响应较好，硒光电池较差。所以高速计数器的转换 一般采用硅光电池作为 传感器元件。,硅、硒光电池的频率特性,频率特性,硅光电池的频率特性曲线,对同一材料光电池，负载大时频率特性变差，减小负载可减小时间常数，提高频响。但是负载电阻RL的减小会使输出电压降低，实际使用时视具体要求而定。,（）要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻；负载大时频率特性变差，减小负载可减小时间常数，提高频响。但负载电阻的减小

44、会使输出电压降低，实际使用时视具体情况而定。（）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 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。总的来说，由于硅光电池光敏面积大，结电容大，频响较低。,光电池的温度特性曲线主要指光照射时它的开路电压Voc与短路电流Isc随温度变化的情况。光电池的温度曲线如下图所示。它的开路电压Voc随着温度的升高而减小，其值约为23mVoC；短路电流I sc 随着温度的升高而增大，但增大比例很小，约为10-510-3mA/oC数量级。,温度特性,当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合理时,光电池的性能是相当稳定的,使用

45、寿命也很长。硅光电池的性能比硒光电池更稳定。光电池的性能和寿命除了与光电池的材料及制造工艺有关外,在很大程度上还与使用环境条件有密切关系。如在高温和强光照射下,会使光电池的性能变坏,而且降低使用寿命，这在使用中要加以注意。下表给出了几种硅光电池的性能参数，以供参考。,稳定性,几种硅光电池的性能参数,第 3 章 半导体光电检测器件及应用,3.1 真空光电器件 光电阴极、光电管、光电倍增管（1）光电倍增管的结构（2）光电倍增管的工作原理（3）光电倍增管的特性参数（4）光电倍增管的供电电路（5）光电倍增管的输出电路微通道板光电倍增管 3.2 光电导器件 光敏电阻、3.3 结型光电器件 光电池、光敏二

46、极管、三极管、光电耦合器件、光电位置敏感器件 3.4 光热辐射检测器件,硅光敏二极管结构,2 光敏二极管,光敏二极管是基于PN结的光电效应工作的，它主要用于可见光及红外光谱区。光敏二极管通常在反偏置条件下工作，也可用在零偏置状态。制作光敏二极管的材料有硅、锗、砷化镓、碲化铅等，目前在可见光区应用最多的是硅光敏二极管。,工作原理与电池相似，利用光子引起的电子跃迁将光信号转变成电信号，光生电流与光强成正比。光敏二极管的结构与一般二极管相似。它装在透明玻璃外壳中,其PN结装在管的顶部,可以直接受到光照射。,将光敏二极管的PN结设置在透明管壳顶部的正下方,光敏二极管结构与一般二极管相似，它们都有一个P

47、N结，并且都是单向导电的非线性元件。为了提高转换效率采用大面积受光，因此PN结面积比一般二极管大。,注：发光二极管与光敏二极管不同，发光二极管利用固体材料发光（电致发光），材料不同发光颜色不同，是一种将电能转化为光能的器件，加正向电压时，在N-P的电子、空穴结合过程中发射一定频率的光信号。工作时加正向电压。,硅光敏二极管的结构和工作原理与硅光电池相似，不同的地方是：就制作衬底材料的掺杂浓度而言，光电池较高，约为10161019原子数厘米3，而硅光电二极管掺杂浓度约为10121013原子数厘米3；光电池的电阻率低，约为0.10.01欧姆厘米，而硅光电二极管则为1000欧姆厘米，光电池在零偏下工作

48、，而硅光电二极管在反偏下工作；一般光电池的光敏面面积都比硅光电二极管的光敏面大得多。,光敏二极管基本电路,I,（1）光敏二极管的结构与工作原理：,无光照时：处于截止状态，反向电阻很大，反向电流很小；有光照时：处于导通状态，产生光生电子空穴对，在电场作用下形成光电流，光照越强光电流越大；光电流方向与反向电流一致。,光照特性,（2）基本特性,下图是硅光敏二极管在小负载电阻下的光照特性。光电流与照度成线性关系。,硅光敏二极管的光谱响应如下：当入射波长0.9m时响应下降，因波长长光子能量小于禁带宽度，不产生电子、空穴对；当入射波长0.9m时，响应也逐渐下降，波长短的光穿透深度小，使光电流减小。,光谱特

49、性,当 反向偏压较低时，光电流随电压变化比较敏感，随反向偏压的加大，反向电流趋于饱和，这时光生电流与所加偏压几乎无关，只取决于光照强度。,伏安特性,由于反向饱和电流与温度密切有关，因此光敏二极管的暗电流对温度变化很敏感。,温度特性,光敏管的频率响应是指光敏管输出的光电流随频率的变化关系。光敏管的频响与本身的物理结构、工作状态、负载以及入射光波长等因素有关。下图中光敏二极管频率响应曲线说明，调制频率高于1000Hz时，硅光敏二极管灵敏度急剧下降。,光敏二极管频率响应曲线,频率响应,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。

50、,（2）光敏二极管阵列,光敏三极管和普通三极管相似，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，同时也受光辐射的控制。,3 光敏三极管,几种光敏三极管,光敏三极管由光窗、集电极引出线、发射极引出线和基极引出线组成，由两个结，即发射结和集电结组成。是将基极集电极结作为光敏二极管，集电结做受光结，尺寸做的很大，以扩大光照面积。与普通三极管不同的是，大多数光敏三极管的基极无引线，通常基极不引出，但一些光敏三极管的基极有引出，用于温度补偿和附加控制等作用。,光敏晶极管结构,(1)光敏三极管结构和工作原理,光敏三极管本质上是相当于在基极和集电极之间接有光电二极管的普通三极管。在正常工