光电检测光电探测器

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1、 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 。 它 是 光 电 系 统 的 核心 组 成 部 分 ， 在 光 电 系 统 中 的 作 用 是 发 现 信 号 、测 量 信 号 ， 并 为 随 后 的 应 用 提 取 某 些 必 要 的 信息 。第 二 章 、 光 电 检 测 器 件 热 电 探 测 器 特 点 ： ， 它 对 从 可 见 光到 远 红 外 的 各 种 波 长 的 辐 射 同 样 敏 感 。 ， 吸 收 辐 射产 生 信 号 需 要 的 时 间 长 ， 一 般 在 几 毫 秒 以 上 。 光 电 探 测 器

2、特 点 ： ， 存 在 某 一 截 止波 长 0， 超 过 此 波 长 ， 器 件 没 有 响 应 。 ， 一 般 在纳 秒 到 几 百 微 秒 。 1.响 应 度 （ 或 灵 敏 度 ) 光 电 探 测 器 的 输 出 电 压 或 输 出 电 流 (或 光 电 导 )与 入 射光 功 率 (或 光 照 度 )之 比 ， 它 描 述 器 件 的 光 电 转 换 效 能 。 ig iOIiOV EgS PISPVS 光电 导 响 应 度 电 流 响 应 度电 压 响 应 度 第 一 节 、 基 本 特 性 参 数 光 谱 响 应 度 光 电 探 测 器 的 输 出 电 压 或 输 出 电 流 与

3、 入 射 到 探 测 器 上 的单 色 辐 射 通 量 之 比 ， 光 谱 响 应 度 愈 大 ， 表 示 光 电 探 测 器 愈 灵 敏 。 OO ISVS 或 积 分 响 应 度 光 电 探 测 器 输 出 的 电 流 或 电 压 与 入 射 总 光 通 量 之 比 称 为积 分 响 应 度 。 积 分 灵 敏 度 表 示 探 测 器 对 连 续 辐 射 通 量 的 反 应程 度 。 001 ddSIS O 2 响 应 时 间 当 入 射 辐 射 到 光 电 探 测 器后 或 入 射 辐 射 遮 断 后 ， 光 电 探测 器 的 输 出 上 升 到 稳 定 值 或 下降 到 照 射 前 的

4、 值 所 需 时 间 称 为响 应 时 间 。 上 升 时 间 和 下 降 时 间 3 频 率 响 应 光 电 探 测 器 的 响 应 随 入 射 辐 射 的 调 制 频 率 而 变 化 的 特 性 称为 频 率 响 应 。 从 响 应 度 的 定 义 来 看 ， 好 象 只 要 有 光 辐 射 存 在 ， 不 管 它 的功 率 如 何 小 ， 都 可 探 测 出 来 。 但 事 实 并 非 如 此 。 当 入 射 功 率 很低 时 ， 输 出 只 是 些 杂 乱 无 章 的 变 化 信 号 ， 而 无 法 肯 定 是 否 有 辐射 入 射 在 探 测 器 上 。 这 并 不 是 探 测 器

5、不 好 引 起 的 ， 而 是 它 所 固有 的 “ 噪 声 ” 引 起 的 。 如 果 对 这 些 随 时 间 而 起 伏 的 电 压 (流 )按时 间 取 平 均 值 ， 则 平 均 值 等 于 零 。 但 这 些 值 的 均 方 根 不 等 于 零 ，这 个 均 方 根 电 压 (流 )称 为 探 测 器 的 噪 声 电 压 (流 )。 热 噪 声 ： 也 称 约 翰 逊 噪 声 ， 载 流 子 无 规 则 的 热 运 动 造 成 的 噪 声 。热 噪 声 是 各 种 频 率 分 量 组 成 ， 就 像 白光 是 各 种 波 长 的 光 组 成 一 样 ， 所 以 热 噪 声 也 称 为

6、 白 噪 声 。1、 器 件 的 噪 声 散 粒 噪 声 ： 也 称 散 弹 噪 声 ， 穿 越 势 垒 的 载 流 子 的 随 机 涨 落 （ 统 计 起 伏 ） 所造 成 的 噪 声 。 在 每 个 时 间 间 隔 内 ， 穿 过 势 垒 区 的 载 流 子 的 数 或 从 阴极 到 阳 极 的 电 子 数 都 围 绕 一 平 均 值 上 下 起 伏 。 散 粒 噪 声 也 是 白 噪 声 。 1/f 噪 声 (闪 烁 噪 声 或 低 频 噪 声 ） ： 由 于 光 敏 层 的 微 粒 不 均 匀 或 不 必 要 的 微 量 杂 质 的 存 在 ， 当 电 流流 过 时 在 微 粒 间 发

7、 生 微 火 花 放 电 而 引 起 的 微 电 爆 脉 冲 称 为 1/f 噪 声 。 频 率 越 低 ， 这 种 噪 声 越 大 ， 所 以 也 称 为 低 频 噪 声 ， 它 是 属 于“ 红 ” 噪 声 。 2、 噪 声 参 数 ： 信 噪 比 (S N) ： 信 噪 比 是 判 定 噪 声 大 小 通 常 使 用 的 参 数 。 它 是 在 负 载 电 阻 RL上产 生 的 信 号 功 率 与 噪 声 功 率 之 比 ， 即 2222 NSLN LSNS IIRI RIPPNS 若 用 分 贝 (dB)表 示 ， 则 为 NSNSdB IIIINS lg20lg10 22 利 用 S

8、 N评 价 两 种 光 电 探 测 器 性 能 时 ， 必 须 在 信 号 辐射 功 率 相 同 的 情 况 下 才 能 比 较 。 但 对 单 个 光 电 探 测 器 ， 其 S N的 大 小 与 入 射 信 号 辐 射功 率 及 接 收 面 积 有 关 。 如 果 入 射 辐 射 强 ， 接 收 面 积 大 ， SN就 大 ， 但 性 能 不 一 定 就 好 。 因 此 用 S N评 价 器 件 有 一 定 的局 限 性 。 ： 它 定 义 为 器 件 在 特 定 带 宽 内 (1Hz)产 生 的 均 方 根 信 号 电 流 恰 好等 于 均 方 根 噪 声 电 流 值 时 的 输 入 通

9、 量 ， 此 时 ， 其 他 参 数 ， 如 频 率温 度 等 应 加 以 规 定 。 这 个 参 数 是 在 确 定 光 电 探 测 器 件 的 探 测 极 限(以 输 入 通 量 为 瓦 或 流 明 表 示 )时 使 用 。 噪 声 等 效 功 率 (NEP)： 或 称 最 小 可 探 测 功 率 P min。 它 定 义 为 信 号 功 率 与 噪 声 功 率 之 比为 1(即 S N=1)时 ， 入 射 到 探 测 器 上 的 辐 射 通 量 (单 位 为 瓦 )。 即NSNEP e/ 探 测 率 D ： 只 用 NEP无 法 比 较 两 个 不 同 来 源 的 光 探 器 的 优 劣

10、 。 为 此 ， 引 入两 个 新 的 性 能 参 数 探 测 率 D和 比 探 测 率 D*。 探 测 率 D定 义 为 NEP（ 噪 声 等 效 功 率 ） 的 倒 数 ， 即 NEPD 1 显 然 ， D愈 大 ， 光 电 探 测 器 的 性 能 就 愈 好 。 探 测 率 D所 提 供 的 信息 与 NEP一 样 ， 也 是 一 项 特 征 参 数 。 不 过 它 所 描 述 的 特 性 是 ： 光 电探 测 器 在 它 的 噪 声 电 平 之 上 产 生 一 个 可 观 测 的 电 信 号 的 本 领 ， 归 一 化 探 测 率 D* ： 为 了 在 不 同 带 宽 内 对 测 得

11、的 不 同 的 光 敏 面 积 的 光 电 探 测 器 件 进行 比 较 ， 使 用 了 归 一 化 探 测 率 （ 比 探 测 率 ） D*。 暗 电 流 Id ： 即 光 电 探 测 器 在 没 有 输 入 信 号 和 背 景 辐 射 时 所 流 过 的 电 流 (加电 源 时 )。 一 般 测 量 其 直 流 值 或 平 均 值 。 1、 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 。 一 般 ()反 映 的 是 入 射 辐 射 与 最 初 的 光 敏 面 的 相 互 作用 。 若 () 1（ 理

12、 论 上 ） ， 则 入 射 一 个 光 量 子 就 能 发 射 一个 电 子 或 产 生 一 对 电 子 孔 穴 对 。 实 际 上 ()410nm的 可 见 光 来 说 ， 很 难产 生 光 电 发 射 ， (1)使 光 电 阴 极 发 射 的 光 电 子 尽 可 能 全 部 会 聚 到 第 一 倍 增 极 上 ， 而 将 其 他 部 分的 杂 散 电 子 散 射 掉 ， 提 高 信 噪 比 ； (2)使 阴 极 面 上 各 处 发 射 的 光 电 子 在 电 子 光 学 系 统 中 有 尽 可 能 相 等 的 渡 越 时 间 ，以 保 证 光 电 倍 增 管 的 快 速 响 应 。光 电

13、 阴 极 聚 焦 极3 电 子 光 学 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 ， 具 有 使 一 次 电 子 倍 增 的 能 力 。 因 此 倍 增 系 统 是 决 定 整 管 灵 敏 度 最 关 键 的部 分 。4 二 次 发 射 倍 增 系 统 阳 极 是 采 用 金 属 网 作 的 栅 网 状 结 构 ， 把 它 置 于 靠 近 最 末 一 级倍 增 极 附 近 ， 用 来 收 集 最 末 一 级 倍 增 极 发 射 出 来 的 电 子 。光 入 射 窗 口 光 电 阴 极 电

14、 子 光 学 输 入 系 统二 次 发 射 电 子 倍 增 器 阳 极5 阳 极 1、 光 子 透 过 入 射 窗 入 射 到 光 电 阴 极 K上 。2、 光 电 阴 极 的 电 子 受 光 子 激 发 ， 离 开 表 面 发 射 到 真 空 中 。3、 光 电 子 通 过 电 场 加 速 和 电 子 光 学 系 统 聚 焦 入 射 到 第 一 倍 增 极 D1上 ， 倍 增 极 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 后 ， 光 电 子 就 放 大 N次 。4、 经 过 倍 增 后 的 二 次 电 子 由 阳 极 a收 集

15、起 来 ， 形 成 阳 极 光 电 流 ， 在负 载 RL上 产 生 信 号 电 压 。 、 基 本 特 性 参 数1 光 谱 响 应 度 PMT的 光 谱 响 应 曲 线 与 光 电 阴 极 的 相 同 ， 主 要 取 决 于 光 电 阴极 材 料 的 性 质 。 2 放 大 倍 数 (电 流 增 益 ) 在 一 定 工 作 电 压 下 ， 光 电 倍 增 管 的 阳 极 电 流 与 阴 极 电 流 之比 称 为 管 子 的 放 大 倍 数 M或 电 流 增 益 G。 KaiiGM ）或(3.暗 电 流 它 限 制 了 可 测 直 流 光 通 量 的 最 小 值 ， 同 时 也 是 产 生

16、噪 声 的重 要 因 素 ， 是 鉴 别 管 子 质 量 的 重 要 参 量 。 应 选 取 暗 电 流 较 小 的管 子 。 4.伏 安 特 性 光 电 倍 增 管 的 伏 安 特 性曲 线 分 为 阴 极 伏 安 特 性 曲 线与 阳 极 伏 安 特 性 曲 线 。 在 电路 设 计 时 ， 一 般 使 用 阳 极 伏安 特 性 曲 线 来 进 行 负 载 电 阻 、输 出 电 流 、 输 出 电 压 的 计算 。 5. 频 率 响 应 由 于 PMT是 光 电 发 射 型 器 件 ， 而 光 电 发 射 的 延 迟 时 间3 10 13S， 所 以 。6.噪 声 主 要 来 源 是 光

17、电 阴 极 、 光 电 发 射 的 随 机 性 和 各 倍 增 极 二次 电 子 发 射 的 随 机 性 ， 同 时 也 与 背 景 光 或 信 号 光 中 的 直 流 分量 有 关 。 、 PMT的 供 电 电 路 倍 增 管 各 电 极 要 求 直 流 供 电 ， 从 阴 极 开 始 至 各 级 的 电 压要 依 次 升 高 ， 一 般 多 采 用 办 法 来 供 电 。 一 般 情 况下 ， 各 级 间 电 压 均 相 等 ， 约 80V 100V， 总 电 压 约1K V 1.3K V。 对 电 源 电 压 稳 定 性 要 求 较 高 。 如 果 电 源 电 压 不 稳 ， 会 引 起

18、 许多 参 量 的 变 化 ， 特 别 是 电 流 增 益 变 化 ， 从 而 直 接 影 响 输 出 特 性 。 目前 已 有 光 电 倍 增 管 专 用 的 电 源 稳 压 块 。 DDUUMM 因 倍 增 管 中 的 电 流 与 电 阻 链 中 的 电 流 是 并 联 关 系 ， 要 保 证 各级 电 压 稳 定 ， 要 求 流 过 电 阻 链 的 电 流 IR至 少 要 比 阳 极 电 流 Ia大 20倍 以 上 。 一 般 说 ， IR越 大 ， 对 稳 定 极 间 电 压 UD越 有 利 。 但 IR也 不 能 太 大， 因 为 IR太 大 会 增 大 电 阻 的 功 耗 ， 加

19、重 电 源 负 担 。 当 UD给 定 后 ，分 压 电 阻 R的 最 大 值 应 取 决 于 阳 极 的 最 大 平 均 电 流 ， R最 小 值 应取 决 于 高 压 电 源 输 出 的 功 率 。 一 般 常 用 分 压 器 的 阻 值 选 择 范 围 为20K 500K 倍 增 管 的 输 出 电 流 主 要 是来 自 于 最 后 几 级 ， 探 测 脉 冲光 时 ， 为 了 不 使 阳 极 脉 动 电流 引 起 极 间 电 压 发 生 大 的 变化 ， 常 在 最 后 几 级 的 分 压 电阻 上 并 联 电 容 器 。3)并 联 电 容 的 确 定 1C 2C 3C 4)接 地 方

20、 式 优 点 ： 便 于 屏 蔽 ， 光 、 磁 、 电 的 屏 蔽 罩 可 以 跟 阴 极 靠 得 近些 ， 屏 蔽 效 果 好 ； 暗 电 流 小 ， 噪 声 低 。 缺 点 ： 但 这 时 阳 极 要 处 于 正 高 压 ， 会 导 致 寄 生 电 容 大 ， 匹配 电 缆 连 接 复 杂 ， 特 别 是 后 面 若 接 直 流 放 大 器 ， 整 个 放 大 器 都 处 于高 电 压 ， 不 利 于 安 全 操 作 ； 如 果 后 面 接 交 流 放 大 器 ， 则 必 须 接 一 个耐 压 很 高 的 隔 直 电 容 器 ， 而 一 般 耐 压 很 高 的 电 容 器 体 积 大 而

21、 且 价 格高 。 ： 便 于 跟 后 面 的 放 大 器 相 接 ， 操 作 安 全 ， 后 面 不 仅 可 以通 过 一 个 低 压 耦 合 电 容 与 交 流 放 大 器 相 接 ， 也 可 以 直 接 与 直 流放 大 器 相 接 。缺 点 ： 但 这 时 阴 极 要 处 于 负 高 压 ， 屏 蔽 罩 不 能 跟 阴 极 靠 得 很近 ， 至 少 要 间 隔 1cm 2cm， 因 此 屏 蔽 效 果 差 一 些 ， 暗 电 流 和 噪声 都 比 阴 极 接 地 时 大 ， 而 且 整 个 倍 增 管 装 置 的 体 积 也 要 大 些 。 使 用 前 应 了 解 器 件 的 特 性

22、。 真 空 光 电 器 件 的 共 同 特 点 是 灵 敏 度 高 、惰 性 小 、 供 电 电 压 高 、 采 用 玻 璃 外 壳 、 抗 震 性 差 。 使 用 时 不 宜 用 强 光 照 。 光 照 过 强 时 ， 光 电 线 性 会 变 差 而 且 容 易 使 光电 阴 极 疲 劳 （ 轻 度 疲 劳 经 一 段 时 间 可 恢 复 ， 重 度 疲 劳 不 能 恢 复 ） ， 缩 短 寿命 。 工 作 电 流 不 宜 过 大 。 工 作 电 流 大 时 会 烧 毁 阴 极 面 ， 或 使 倍 增 级 二 次 电子 发 射 系 数 下 降 ， 增 益 降 低 ， 光 电 线 性 变 差

23、， 缩 短 寿 命 。 用 来 测 量 交 变 光 时 ， 负 载 电 阻 不 宜 很 大 ， 因 为 负 载 电 阻 和 管 子 的 等效 电 容 一 起 构 成 电 路 的 时 间 常 数 ， 若 负 载 电 阻 较 大 ， 时 间 常 数 就 变 大 ， 频带 将 变 窄 。 一 、 简 答 题1、 光 电 倍 增 管 的 基 本 结 构 与 工 作 原 理 是 什 么 ？二 、 文 献 检 索 什 么 是 负 电 子 亲 和 势 （ NEA） 光 电 阴 极 ？ 原 理 ？ 三 、 选 择 题1、 关 于 PMT， 错 误 的 是 （ ）A、 使 用 时 不 宜 用 强 光 照 B、

24、抗 震 性 好 C、 工 作 电 流 不 宜 过 大 D、 选 大 负 载 电 阻 来 扩 展 频 带2、 关 于 良 好 的 光 电 发 射 材 料 ， 错 误 的 是 （ ）A、 光 吸 收 系 数 要 小 B、 溢 出 深 度 要 小C、 材 料 的 溢 出 功 要 小 D、 有 一 定 的 电 导 率 三 、 计 算 题 现 有 G DB-423光 电 倍 增 管 的 阴 极 有 效 面 积 为 2cm2 ， 阴 极灵 敏 度 为 25A/lm， 倍 增 系 统 的 放 大 倍 数 105， 阳 极 额 定 电 流为 20A， 求 允 许 的 最 大 照 度 。 一 、 光 敏 电 阻

25、第 三 节 、 半 导 体 光 电 检 测 器 件 本 征 型 半 导 体 光 敏 电 阻 、 掺 杂 型 半 导 体 光 敏 电 阻 当 入 射 光 子 使 电 子 由 价 带 越 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 。 若连 接 电 源 和 负 载 电 阻 ， 即 可 输 出 电 信 号 。 dLP dLP III ggg 优 点 ： 灵 敏 度 高 ， 工 作 电 流 大 （ 达 数 毫 安 ） ，光 谱 响 应 范 围 宽 ， 所 测 光 强 范 围 宽 ， ， 无 极 性

26、 之 分 。 缺 点 ： 响 应 时 间 长 ， 频 率 特 性 差 ， 强 光 线 性 差 ，受 温 度 影 响 大 。 主 要 用 于 红 外 的 弱 光 探 测 与 开 关 控 制 。 路 灯 自 动 点 熄 原 理 图 如 图 所 示 ， 分 析 它 的 工 作 原 理 。 它 是 利 用 光 生 伏 特 效 应 制 成 的 将 光 能 转 换 成 电 能 的器 件 。 它 是 一 种 不 需 加 偏 压 就 能 把 光 能 直 接 转 换 成 电能 P-N结 光 电 器 件 。 按 用 途 可 分 成 太 阳 能 光 电 池 和 光 电 检 测 光 电 池 。二 、 光 电 池 在

27、P（ N） 型 硅 作 基 底 ， 然 后 在 基 底 上 扩 散 N（ P）型 半 导 体 作 为 受 光 面 。 构 成 P-N结 后 ， 再 经 过 各 种 工艺 处 理 ， 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 。 当 光 照 到 PN结 表 面 时 ， 如 果 光 子 能 量 足 够 大 ， 就将 在 PN结 附 近 激 发 电 子 空 穴 对 ， 在 PN结 内 电 场 作 用下 ， N区 的 光 生 空 穴 拉 向 P区 ， P区 的 光 生 电 子 拉 向 N区 ，结 果 在 N区 聚

28、集 了 电 子 ， P区 聚 集 了 空 穴 ， 这 样 在 N区 和P区 之 间 产 生 了 电 势 差 。 光 电 检 测 光 电 池 具 有 光 敏 面 积 大 ， 频 率 响 应 高 ， 光 电 流 随照 度 线 性 变 化 。 太 阳 能 光 电 池 耐 辐 射 ， 转 换 效 率 高 ， 成 本 低 ， 体 积 小 ， 结构 简 单 、 重 量 轻 、 可 靠 性 高 、 寿 命 长 ， 在 空 间 能 直 接 利 用 太阳 能 转 换 成 电 能 的 特 点 。 LRI U LRpI jI IU符 号 连 接 电 路 等 效 电 路 三 、 光 敏 二 极 管 共 同 点 ： 一

29、 个 PN结 ， 单 向 导 电 性不 同 点 ： 受 光 面 大 ， PN结 面 积 更 大 ， PN结 深 度 较 浅 ； 表 面 有 防 反 射 的 SiO2保 护 层 ； 外 加 负 偏 压 ； 共 同 点 ： 均 为 一 个 PN结 ， 利 用 光 生 伏 特 效 应 ， SiO2保 护 膜 ；不 同 点 ： 结 面 积 比 光 电 池 的 小 ， 频 率 特 性 好 ； 光 生 电 势 与 光 电 池 相 同 ， 但 电 流 比 光 电 池 小 ； 可 在 零 偏 压 下 工 作 ， 更 常 在 反 偏 压 下 工 作 ； 无 光 照 时 ， 只 有 热 效 应 引 起 的 暗电

30、流 流 过 PN结 ； 光 照 时 ， 产 生 附 加 的 光 生 载 流 子 ，使 流 过 PN结 的 电 流 骤 增 ； 反 向 电 压增 加 了 耗 尽 层 的 宽 度 和 结 电 场 ， 使更 多 的 光 生 载 流 子 流 过 PN结 。 a) 不 加 外 电 源 b) 加 反 向 外 电 源 c) 2DU环 极 接 法 环 极 接 法 的 作 用 ： 克 制 由 于 SiO2保 护膜 中 的 杂 质 正 离 子 静 电 感 应 。 消 除 表面 漏 电 流 ， 减 少 暗 电 流 和 噪 声 。 随 着 入 射 光 功 率 的 变强 ， 则 同 一 反 向 电 压 下的 光 电 流

31、 也 变 大 。 入 射 光 功 率 不 变 时 ，反 向 电 压 加 到 某 一 电 压后 ， 光 电 流 几 乎 不 随 反向 电 压 的 变 化 而 变 化 。 光 生 载 流 子 在 薄 层 中 的 扩 散 时 间 及 PN结 中 的 漂 移 时 间 （ 载流 子 的 渡 越 时 间 ） ； 结 电 容 和 杂 散 电 容 （ RC时 间 常 数 ） ； 它 是 半 导 体 光 电 器 件 中 频 率 响 应 最 好 的 器 件 之 一 ， 频 率响 应 与 下 列 因 素 有 关 ： 无 论 是 光 生 载 流 子 向 结 区 扩 散 ， 还 是 结 电 场 中 载 流 子 的 漂

32、移 ， 它 们 都有 一 定 的 驰 豫 时 间 ， 这 个 驰 豫 时 间 影 响 光 敏 器 件 的 频 率 响 应 。 对 于 扩 散型 二 极 管 主 要 驰 豫 时 间 为 光 生 载 流 子 向 结 区 扩 散 时 间 。 对 于 耗 尽 层 型 二极 管 主 要 驰 豫 时 间 为 光 生 少 子 在 结 区 的 漂 移 时 间 。 对 于 不 同 波 长 的 光 ， 器 件 也 有 不 同 的 频 率 响 应 。 波 长 越 长 的 光 在 较 深处 被 吸 收 ， 产 生 的 少 数 载 流 子 远 离 PN结 ， 需 较 长 的 扩 散 时 间 。 而 较 短 波长 的 光

33、 在 靠 近 表 面 处 被 吸 收 ， 产 生 的 少 数 载 流 子 离 PN结 很 近 ， 扩 散 时 间短 。 所 以 耗 尽 层 型 优 于 扩 散 型 光 敏 二 极 管 。 温 度 特 性 由 于 反 向 饱 和 电 流 对 温 度 的 强 烈 依 赖性 ， 光 敏 二 极 管 的 暗 电 流 对 温 度 的 变 化非 常 敏 感 。 硅 光 敏 二 极 管 、 锗 光 敏 二 极 管 、 化 合 物 光 敏 二 极 管 ； PN结 （ 扩 散 层 、 耗 尽 层 ） 、 PIN结 、 异 质 结 、 肖 特 基 势 垒 型 及 点 接 触 型 ； PIN管 它 的 结 构 特

34、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 I层 中 ， 从 而 使 PN结 双 电 层 的 间 距 加 宽 ， 结 电 容变 小 。 这 种 管 子 最 大 的 特 点 是 ， 可 达 10G H z。 另 一 个 特 点 是 ， 。 所 不 足 的 是 ， I层 电 阻 很 大 ， ， 一 般多 为 零 点 几 微 安 至 数 微 安 。 目 前 有 将 PIN管 与 前 置 运 算 放 大 器集 成 在 同 一 硅 片 上 并 封 装 于

35、 一 个 管 壳 内 的 商 品 出 售 。 雪 崩 光 电 二 极 管 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 。 特 点 ： 工 作 电 压 很 高 ， 约 100V 200V， 接 近 于 反 向 击穿 电 压 。 有 很 高 的 内 增 益 ， 可 达 到 几 百 。 响 应 速 度 特 别 快 ， 带 宽 可 达 100G H z， 是 目 前 响 应 速 度 最 快的 一 种 光 电 二 极 管 。 缺 点 ： 噪 声 大 。 特 点 ： 光 电 晶 体 管 的 灵 敏 度 比 光 电

36、 二 极 管 高 ， 输 出 电 流 也 比光 电 二 极 管 大 ， 多 为 毫 安 级 。 缺 点 ： 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 敏 三 极 管 多 用 来 作 光 电 开 关 元件 或 光 电 逻 辑 元 件 。 利 用 集 成 电 路 技 术 使 两 个 至 几 百 个 光 电 二 极 管 或 光 电 池 排成 一 行 ， 集 成 在 一 块 集 成 电 路 片 子 上 ， 即 成 为 阵 列 式 的 一 维 光电 器 件 ， 也 可 以 使 光 电 二 极

37、管 或 光 电 池 制 成 象 限 式 的 二 维 光 电器 件 。 这 两 种 器 件 中 ， 衬 底 是 共 用 的 ， 而 各 光 敏 元 都 是 独 立 的 ，分 别 有 各 自 的 前 极 引 出 线 。 就 目 前 的 应 用 看 ， 两 个 并 列 的 光 电 二 极 管 或 光 电 池 ， 可 用来 辨 别 光 点 移 动 的 方 向 。 2 4个 并 列 的 光 敏 元 ， 可 用 来 收 集 光 点 移 动 的 相 位 信 息 。 几 十 个 至 几 百 个 或 更 多 并 列 的 光 敏 元 ， 可 用 来 摄 取 光 学 图象 或 用 作 空 间 频 谱 分 析 。 象

38、 限 式 光 电 器 件 可 用 来 确 定 光 点 在 二 维 平 面 上 的 位 置 坐 标 。多 用 于 准 直 、 定 位 、 跟 踪 或 频 谱 分 析 等 方 面 。 这 种 器 件 的 特 点 是 ， 光 敏 元 件 密 集 度 大 ，总 尺 寸 小 ， 容 易 作 到 各 单 元 多 数 一 致 ， 便 于信 号 处 理 。 一 、 接 受 光 信 号 的 方 式 光 信 号 的 有 无 ： 被 测 对 象 造 成 投 射 到 光 电 器 件 上 的 光信 号 截 断 或 通 过 。 如 光 电 开 关 、 光 电 报 警 等 。 这 时 光 电 器 件不 考 虑 线 性 ，

39、而 要 考 虑 灵 敏 度 。 光 信 号 的 色 度 差 异 ： 当 被 测 对 象 本 身 光 辐 射 的 色 温 存 在 差异 或 表 面 颜 色 变 化 时 ， 必 须 选 择 合 适 的 光 谱 特 性 的 光 电 器 件 。 光 信 号 的 幅 度 大 小 ： 当 被 测 对 象 因 对 光 的 反 射 率 、 透 过 率或 是 被 测 对 象 本 身 光 辐 射 的 强 度 变 化 ， 此 时 光 信 号 幅 度 大 小 亦改 变 。 为 准 确 测 出 幅 度 大 小 的 变 化 ， 必 须 选 用 线 性 好 、 响 应 快的 器 件 ， 如 PMT或 光 电 二 极 管 。

40、 光 信 号 按 一 定 频 率 交 替 变 化 ： 这 种 光 信 号 的 输 入 是 有 一定 频 率 的 ， 必 须 使 所 选 器 件 的 上 限 截 止 频 率 大 于 输 入 信 号 的 频率 才 能 测 出 输 入 信 号 的 变 化 。 波 长 响 应 范 围 （ nm） 输 出电 流 光 电特 性直 线性 动 态 特 性 受 光面 积 稳定性 外 形尺 寸 价格短 波 峰 值 长 波 频 率响 应 上 升 时 间光 电 管 紫 外 红 外 小 好 好 0.1s 大 良 大 高光 电 倍 增 管 紫 外 红 外 小 最 好 最 好 0.1s 大 良 大 最高光 敏 电 阻 Cd

41、S 400 640 900 大 差 差 0.2 1ms 大 一般 中 低光 敏 电 阻 CdSe 300 750 1220 大 差 差 0.2 10ms 大 一般 中 低光 电 池 Si 400 800 1200 最 大 好 良 0.5 100s 最 大 最好 中 中 光 电 池 Se 350 550 700 中 好 差 1ms 最 大 一般 中 中光 电 二 极 管 400 750 1000 最 小 好 最 好 2s以 下 小 最好 最 小 低光 电 三 极 管 同 上 小 较 好 良 2 100s 小 良 小 低 在 动 态 特 性 （ 即 频 率 响 应 与 时 间 响 应 ） 方 面

42、， 以 光电 倍 增 管 和 光 电 二 极 管 （ 尤 其 是 PIN管 与 APD管 ） 为 最好 ； 在 光 电 特 性 （ 即 线 性 ） 方 面 ， 以 光 电 倍 增 管 、 光 电二 极 管 和 光 电 池 为 最 好 ； 在 灵 敏 度 方 面 ， 以 光 电 倍 增 管 、 雪 崩 光 电 二 极 管 、光 敏 电 阻 和 光 电 三 极 管 为 最 好 。 灵 敏 度 高 不 一 定 就 是 输 出 电 流 大 ， 而 输 出 电 流 大的 器 件 有 大 面 积 光 电 池 、 光 敏 电 阻 、 雪 崩 光 电 二 极管 和 光 电 三 极 管 ； 外 加 偏 置 电

43、压 最 低 的 是 光 电 二 极 管 、 光 电 三 极 管 ，光 电 池 不 需 外 加 偏 置 ； 在 暗 电 流 方 面 ， 光 电 倍 增 管 和 光 电 二 极 管 最 小 ，光 电 池 不 加 偏 置 时 无 暗 电 流 ， 加 反 向 偏 置 后 暗 电 流也 比 光 电 倍 增 管 和 光 电 二 极 管 大 ； 长 期 工 作 的 稳 定 性 方 面 ， 以 光 电 二 极 管 、 光 电池 为 最 好 ， 其 次 是 光 电 倍 增 管 与 光 电 三 极 管 ； 在 光 谱 响 应 方 面 ， 以 光 电 倍 增 管 和 CdSe光 敏 电阻 为 最 宽 ， 但 光 电

44、 倍 增 管 响 应 偏 紫 外 方 向 ， 而 光敏 电 阻 响 应 偏 红 外 方 向 。 1） 极 性 结 型 器 件 都 有 确 定 的 极 性 ， 如 要 加 电 压 使 用 时 ， 光 电 结必 须 加 反 向 电 压 ， 即 P端 与 外 电 源 的 低 电 位 相 接 。 2） 使 用 时 对 入 射 光 强 范 围 的 选 择 应 视 用 途 而 定 。 用 于 开 关 电 路或 逻 辑 电 路 时 光 照 可 以 强 些 。 用 于 模 拟 量 测 量 时 ， 光 照 不 宜 过 强 。因 为 一 般 器 件 都 有 这 样 的 性 质 ： 光 照 弱 些 ， 负 载 电

45、阻 小 些 ， 加 反 偏压 使 用 时 ， 光 电 线 性 好 ， 反 之 则 差 。 3） 灵 敏 度 主 要 决 定 于 器 件 ， 但 也 与 使 用 条 件 和 方 法 有 关 ， 例 如光 源 和 接 收 器 在 光 谱 特 性 上 是 否 匹 配 ； 入 射 光 的 方 向 与 器 件 光 敏 面法 线 是 否 一 致 等 。 4） 结 型 器 件 的 响 应 速 度 都 很 快 。 负 载 电 阻 大 ， 输 出 电 压 可 以 大 ，但 会 变 大 ， 响 应 变 慢 。 相 反 ， 负 载 电 阻 小 些 ， 输 出 电 压 要 减 小 ，但 会 变 小 ， 响 应 速 度

46、 变 快 。5） 灵 敏 度 与 频 带 宽 度 之 积 为 一 常 数 的 结 论 ， 对 结 型 光 电 器 件 也 适用 。6） 器 件 的 各 种 参 量 差 不 多 都 与 温 度 有 关 ， 但 其 中 受 温 度 影 响 最 大的 是 暗 电 流 。 暗 电 流 大 的 器 件 ， 容 易 受 温 度 变 化 的 影 响 ， 而 使 电 路工 作 不 稳 定 ， 同 时 噪 声 也 大 。7） 除 了 温 度 变 化 ， 电 、 磁 场 干 扰 可 引 起 电 路 发 生 误 动 作 外 ， 背 景光 或 光 反 馈 也 是 引 起 电 路 误 动 作 的 重 要 因 素 ， 应

47、 设 法 消 除 。 一 、 分 析 题1、 红 外 报 警 电 路 如 图 所 示 ， 分 析 它 的 工 作 原 理 ？ 二 、 选 择 题1、 雪 崩 光 电 二 极 管 是 利 用 （ ） 效 应 制 作 的 器 件 。 A、 光 电 发 射 B、 光 电 导 C、 光 生 伏 特 D、 内 光 电 2、 外 光 电 效 应 的 光 电 探 测 器 有 （ ） A、 光 电 三 极 管 B、 光 电 池 C、 PMT D、 雪 崩 光 电 二 极 管 三 、 计 算 题 光 敏 电 阻 R与 RL 20k的 负 载 电 阻 串 联 后 接 于 Ub 12V的直 流 电 源 上 ， 无 光 照 时 负 载 上 的 输 出 电 压 为 U1 20mV， 有光 照 时 负 载 上 的 输 出 电 压 为 U2 2V， 求 ： 光 敏 电 阻 的 暗 电 阻 和 亮 电 阻 值 。 若 光 敏 电 阻 的 光 电 导 灵 敏 度 Sg 6 10 6S/lx,求 光 敏 电阻 所 受 的 照 度 。