1、第二章第二章 光电检测器件光电检测器件2-1光电检测技术的特性参数光电检测技术的特性参数2-2真空光电探测器件真空光电探测器件2-3半导体光电检测器件半导体光电检测器件2-4各种光电器件的性能比较及选择各种光电器件的性能比较及选择12-1光电检测器件的基本特性参数光电检测器件的基本特性参数一一.有关响应方面的特性参数有关响应方面的特性参数1、响应度（灵敏度）响应度（灵敏度）(1)响应度是光电探测器输出信号与输入辐射响应度是光电探测器输出信号与输入辐射功率之间关系的度量。功率之间关系的度量。(2)用来描述光电转换的效能（效率用来描述光电转换的效能（效率)。(3)根据光电转换信号不同，可分为电压响
2、应根据光电转换信号不同，可分为电压响应度度SV和电流响应度和电流响应度SI。ioVPS入射光功率光电器件输出电压VioIPIS入射光功率光电器件输出电流22-1 光电检测器件的基本特性参数光电检测器件的基本特性参数一一.有关响应方面的特性参数有关响应方面的特性参数2、光谱响应度、光谱响应度(1)相同光功率而不同波长的单色光入射时，相同光功率而不同波长的单色光入射时，光电探测器输出的信号不同，因此引入光谱响光电探测器输出的信号不同，因此引入光谱响应度概念。应度概念。(2)光谱响应度是光电探测器的输出信号与入光谱响应度是光电探测器的输出信号与入射单色辐射通量（光通量）之比。射单色辐射通量（光通量）
3、之比。(3)根据转换信号不同，可分为电压光谱响应根据转换信号不同，可分为电压光谱响应度度SV（）和电流光谱响应度）和电流光谱响应度SI（）。）（入射单色光通量光电器件输出电压)(V)(oVS）（入射单色光通量光电器件输出电流)()(oIIS32-1光电检测器件的基本特性参数光电检测器件的基本特性参数一一.有关响应方面的特性参数有关响应方面的特性参数3、积分响应度积分响应度(1)积分响应度是描述光电探测器对连续辐射通量（光通量）的反应程度。(2)连续辐射通量（光通量）是单色辐射通量（光通量）对波长的积分。总输出光电信号为各单色光引起的光电信号的总和。(3)根据光电转换信号不同，可分为电压响应度S
4、0V和电流响应度S0I。00)()()(01ddSSVV00)()()(01ddSSII42-1光电检测器件的基本特性参数光电检测器件的基本特性参数一一.有关响应方面的特性参数有关响应方面的特性参数4.响应时间响应时间(1)响应时间是描述光电探测器对入射辐射响应快慢的一个重要参数。(2)一般用上升时间与下降时间来表述。(3)从10%上升到90%峰值所需时间称为上升时间；从90%下降到10%峰值所需时间称为下降时间。52-1光电检测器件的基本特性参数光电检测器件的基本特性参数一一.有关响应方面的特性参数有关响应方面的特性参数5.频率响应频率响应(1)光电探测器信号产生和消失存在一个滞后过程，因此
5、入射光辐射的调制频率对探测器的响应影响较大。(2)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。0.7071f01/22()1(2)S fSf 0()S fSF上f上62-1 光电检测器件的基本特性参数光电检测器件的基本特性参数二二.有关噪声方面的特性参数有关噪声方面的特性参数1.探测器的主要噪声来源探测器的主要噪声来源(1)热噪声热噪声也称约翰逊噪声，是载流子无规则的热也称约翰逊噪声，是载流子无规则的热运动造成的噪声。与温度成正比。运动造成的噪声。与温度成正比。(2)散粒噪声散粒噪声也称散弹噪声，使穿越势垒的载流子也称散弹噪声，使穿越势垒的载流子的随机涨落所造成的噪声。的随机
6、涨落所造成的噪声。(3)产生产生-复合噪声复合噪声是载流子的产生率与复合率在某是载流子的产生率与复合率在某个时间间隔内在平均值上下起伏造成的噪声。个时间间隔内在平均值上下起伏造成的噪声。(4)1/f噪声噪声也称闪烁噪声或低频噪声，是由于光敏也称闪烁噪声或低频噪声，是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生微火花放电而引起的微电爆脉冲。流过时在微粒间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲。：频率越低噪声越大频率越低噪声越大。72-1 光电检测器件的基本特性参数光电检测器件的基本特性参数二二.有关噪声方面的特性参数有关噪声方面
7、的特性参数2.衡量噪声的参数衡量噪声的参数(1)信噪比信噪比是判断噪声大小的常用参数。它是在负是判断噪声大小的常用参数。它是在负载电阻上的信号功率与噪声功率之比。载电阻上的信号功率与噪声功率之比。(2)等效噪声输入等效噪声输入特定带宽内产生的均方根信号等特定带宽内产生的均方根信号等于均方根噪声电流值时的输入通量。于均方根噪声电流值时的输入通量。(3)噪声等效功率噪声等效功率信噪比为信噪比为1时，入射到探测器的辐时，入射到探测器的辐射通量。射通量。(4)探测率探测率噪声等效功率的倒数。噪声等效功率的倒数。(5)暗电流暗电流没有输入信号和背景辐射时流过的电流。没有输入信号和背景辐射时流过的电流。8
8、光辐射检测器件一览表光辐射检测器件一览表（光子检测器件）（光子检测器件）（光电发射检测器件光电发射检测器件）92-2 真空光电探测器件真空光电探测器件真空光电管真空光电管真空光电管的外观真空光电管的外观10真空光电管真空光电管真空光电管的组成真空光电管的组成1、真空光电管由玻壳、光电阴极和阳极三部分组成。真空光电管由玻壳、光电阴极和阳极三部分组成。2、为了防止氧化为了防止氧化和和电子电子与气体的碰撞与气体的碰撞，将管内抽成真空。，将管内抽成真空。3、光电阴极即半导体光电发射材料，涂于玻壳内壁，光电阴极即半导体光电发射材料，涂于玻壳内壁，受光照时，可向外发射光电子。受光照时，可向外发射光电子。4
9、、阳极是金属环或金属网，置于光电阴极的对面，阳极是金属环或金属网，置于光电阴极的对面，加正的高电压，用来收集从阴极发射出来的电子。加正的高电压，用来收集从阴极发射出来的电子。2-2 真空光电探测器件真空光电探测器件11真空光电管真空光电管真空光电管的特点真空光电管的特点1、光电阴极面积大，灵敏度较高，一般积分灵敏度可达20200A/lm；2、暗电流小，最低可达10-14A；3、光电发射弛豫过程极短。4、一般体积都比较大、工作电压高达百伏到数百伏、玻壳容易破碎等。2-2 真空光电探测器件真空光电探测器件12光电倍增管（光电倍增管（PMT）光电倍增管的外观光电倍增管的外观2-2 真空光电探测器件真
10、空光电探测器件13光电倍增管光电倍增管光电倍增管的组成光电倍增管的组成光窗光窗光窗分侧窗式和端窗式两种，是入射光的通道。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。入射光光电阴极聚焦电极二次发射电子倍增系统最后一级倍增级阳极管座管脚光光窗窗2-2 真空光电探测器件真空光电探测器件14光电倍增管光电倍增管光电倍增管的组成光电倍增管的组成光电阴极光电阴极接收入射光，向外发射光电子。所以倍增管光谱特性的长波阈值决定于光电阴极材料，同时对整管灵敏度也起着决定性作用。2-2 真空光电探测器件真空光电探测器件入射光光电阴极光电阴极聚焦电极二次发射电子倍增系统最后一级倍增级阳极管座管
11、脚光窗15光电倍增管光电倍增管光电倍增管的组成光电倍增管的组成电子光学系统电子光学系统是适当设计的电极结构，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，也就是使下一级的收集率接近于1。2-2 真空光电探测器件真空光电探测器件入射光光电阴极聚焦电极聚焦电极二次发射电子倍增系统最后一级倍增级阳极管座管脚光窗16光电倍增管光电倍增管光电倍增管的组成光电倍增管的组成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二次电子倍增材料构成，具有使一次电子倍增的能力，是整管灵敏度最关键部分。2-2 真空光电探测器件真空光电探测器件入射光光电阴极聚焦电极二次发射电子
12、 倍增系统倍增系统最后一级倍增级阳极管座管脚光窗17光电倍增管光电倍增管光电倍增管的组成光电倍增管的组成阳极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。2-2 真空光电探测器件真空光电探测器件入射光光电阴极聚焦电极二次发射电子倍增系统最后一级倍增级阳极阳极管座管脚光窗18倍增级倍增级光电阴极光电阴极光窗入射光光电阴极聚焦电极二次发射电子倍增系统最后一级倍增级阳极阳极管座管脚光窗19光窗光窗光电倍增管光电倍增管光电倍增管的光电倍增管的的主要参量与特性的主要参量与特性 灵敏度灵敏度 1.倍增管灵敏度有阴极灵敏度与阳极灵敏度之分。每一种灵敏度
13、对于入射光，又都有光谱灵敏度与积分灵敏度之分。2.测试阴极灵敏度时，以阴极为一极，其它倍增极和阳极都连到一起为另一极，加100300V直流电压，照射到光电阴极上的光通量约为10-210-5lm。3.测试阳极灵敏度时，各倍增极和阳极都加上适当电压，因为阳极灵敏度是整管参量，与整管所加电压有关，所以必须注明整管所加电压。2-2 真空光电探测器件真空光电探测器件20灵敏度灵敏度公式公式说明说明阴极阴极 灵敏灵敏 度度阳极阳极 灵敏灵敏 度度阴极光谱灵敏度阴极光谱灵敏度SK()=IK/阴极积分灵敏度阴极积分灵敏度SK=IK/阳极光谱灵敏度阳极光谱灵敏度SA()=IA/阳极积分灵敏度阳极积分灵敏度SA=
14、IA/S S：灵敏度：灵敏度 ：波长：波长 I I：光电流：光电流 ：光通量：光通量 下标下标K K：阴极：阴极 下标下标A A：阳极：阳极 21光电倍增管光电倍增管光电倍增管的光电倍增管的的主要参量与特性的主要参量与特性 电流增益M（放大倍数G）1.阳极电流与阴极电流之比，或阳极灵敏度与阴极灵敏度之比，即M=IA/IK=SA/SK2.若倍增管有n个倍增极，并且每个倍增极的倍增系数均相等，则：M=n当极间电压为80 150V时，倍增极的倍增系数为=3 36 6。3.放大倍率G近似为：式中，k1为第一倍增极对阴极发射电子的收集率，gn为倍增极间的传递效率，n 为倍增极个数。4.通常k1=0.9，
15、g=1，n为914，G=10G=105 5 10108 8。n nn ng gk kG G1 2-2 真空光电探测器件真空光电探测器件222-2真空光电探测器件光电探测器件光电倍增管光电倍增管光电倍增管的光电倍增管的的主要参量与特性的主要参量与特性 暗电流 1.在各电极都加上正常工作电压并且阴极无光照情况下阳极的输出电流。它限制了可测直流光通量的最小值，是鉴别管子质量的重要参量。应选取暗电流较小的管子。2.产生暗电流的因素较多，例如，阴极和靠近于阴极的倍增极的热电子发射热电子发射；阳极或其它电极的漏电极的漏电电；由于极间电压过高而引起的场致发射场致发射；光反馈光反馈，以及窗口玻璃中可能含有的少
16、量的钾、镭、钍等放射放射性元素性元素影响。23光电倍增管光电倍增管光电倍增管的光电倍增管的的主要参量与特性的主要参量与特性 伏安特性伏安特性 1.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。2.阴极伏安特性曲线是指阴极电流与阴极电压之间的关系。3.阳极伏安特性曲线是指阳极电流与阳极和最末一级倍增极之间电压的关系。4.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。2-2 真空光电探测器件真空光电探测器件24阳极伏安特性曲线阳极伏安特性曲线25光电倍增管光电倍增管光电倍增管的光电倍增管的的主要参量与特性的主要参量与特性 光电特性光电特性 1.阳
17、极光电流与入射于光电阴极的光通量之间的函数关系。2.对于模拟量测量，必须选取能保证光电流与光照在大范围内保持线性关系的光电倍增管。3.工程上一般取特性偏离于直线3%作为线性区的界限。2-2 真空光电探测器件真空光电探测器件26光电倍增管光电倍增管光电倍增管的光电倍增管的的主要参量与特性的主要参量与特性 时间特性与频率响应时间特性与频率响应 1.倍增管的时间响应很快，一般小于1ns。2.存在度越时间离散t 3.倍增管的响应频率一般定义为：50350 L LR Rr rt tf f.上2-2 真空光电探测器件真空光电探测器件27光电倍增管光电倍增管光电倍增管的光电倍增管的的主要参量与特性的主要参量
18、与特性 噪声与噪声等效功率噪声与噪声等效功率 1.光电倍增管噪声主要是指由倍增管本身引起的输出偏离于平均值的起伏，主要来源是光电阴极、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。2.噪声等效功率（NEP）表述倍增管阳极信号与噪声有效值之比等于1时，入射于倍增管光电阴极的光功率（通量）的有效值。即 IA/InA=1时，NEP=InA/SA它是倍增管可能探测到的信号光功率（通量）的最小值。2-2 真空光电探测器件真空光电探测器件28光电倍增管光电倍增管光电倍增管的光电倍增管的的主要参量与特性的主要参量与特性 磁场特性磁场特性 1.大部分光电倍增管会受到磁
19、场的影响。2.光电子在磁场的作用下将偏离正常的运动轨迹，引起 倍增管的灵敏度下降，燥声增加。3.为减少外部磁场对倍增管的影响，一般须在管子外部 加一个磁屏蔽筒。4.在磁场影响下用恒定光强的线偏振光以某一角度入射 到光电阴极上，不断改偏振面时，阳极输出电流会发 生相应的变化。因此，最好在光电倍增管的前面加装 退偏器件，减少这类误差。2-2 真空光电探测器件真空光电探测器件29光电倍增管光电倍增管光电倍增管的供电电路光电倍增管的供电电路1.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，一般多采用电阻链分压办法来供电。一般情况下，各级电压均相等，约80100V，总电压约10001300
20、V。光电倍增管供电电路图光电倍增管供电电路图C1C2C32-2 真空光电探测器件真空光电探测器件30光电倍增管光电倍增管光电倍增管的供电电路光电倍增管的供电电路2.电源电压稳定性的要求：电源电压稳定性要求较高。如果电源电压不稳，会引起许多参量的变化，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。光电倍增管供电电路图光电倍增管供电电路图C1C2C32-2 真空光电探测器件真空光电探测器件31光电倍增管光电倍增管光电倍增管的供电电路光电倍增管的供电电路3.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。光电倍增管供电电路图光电倍增管
21、供电电路图C1C2C3D DD DL LV VC C 13221C CC CC C 2-2 真空光电探测器件真空光电探测器件32光电倍增管光电倍增管光电倍增管的供电电路光电倍增管的供电电路4.接地方式：倍增管的接地方式有两种，即阴极接地或阳极接地.阴极接地的特点阴极接地的特点:便于屏蔽，光、磁、电的屏蔽罩可以跟阴极靠得近些，效果好；暗电流小，噪声低。但阳极处于正高压，会导致寄生电容大，匹配电缆连接复杂.阳极接地的特点阳极接地的特点:便于跟后面的放大器相接，操作安全。但阴极处于负高压，屏蔽罩不能跟阴极靠得很近，至少要间隔12cm，屏蔽效果差，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
22、也要大些。2-2 真空光电探测器件真空光电探测器件33第二章第二章 光电检测器件光电检测器件2-1光电检测技术的特性参数光电检测技术的特性参数2-2真空光电探测器件真空光电探测器件2-3半导体光电检测器件半导体光电检测器件2-4各种光电器件的性能比较及选择各种光电器件的性能比较及选择342-3半导体光电检测器件半导体光电检测器件一、光敏电阻一、光敏电阻二、光电池二、光电池三、光电二极管三、光电二极管四、光电三极管四、光电三极管2-3 半导体光电检测器件半导体光电检测器件一、光敏电阻一、光敏电阻光敏电阻的外观光敏电阻的外观36光敏电阻的组成光敏电阻的组成1 1.光敏电阻的结构是在一块光敏电阻的结
23、构是在一块光电导光电导体体两端加上两端加上电极电极，贴在硬质玻璃、，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其它云母、高频瓷或其它绝缘材料基板绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带上，两端接有电极引线，封装在带有窗口的有窗口的金属或塑料外壳金属或塑料外壳内。内。2.2.光敏面作成光敏面作成蛇形蛇形，电极作成梳状，电极作成梳状是因为这样即可以保证有较大的受是因为这样即可以保证有较大的受光表面，也可以减小电极之间距离，光表面，也可以减小电极之间距离，从而既可从而既可减小减小极间电子极间电子渡越时间渡越时间，也有利于也有利于提高灵敏度提高灵敏度。372-3 半导体光电检测器件半导体光电检测器件一、光敏电阻一
24、、光敏电阻光电导器件材料禁带宽度/eV光谱响应范围/nm峰值波长/nm硫化镉（CdS）2.45400800515550硒化镉（CdSe）1.74680750720730硫化铅（PbS）0.4050030002000碲化铅（PbTe）0.3160045002200硒化铅（PbSe）0.2570058004000硅（Si）1.124501100850锗（Ge）0.6655018001540锑化铟（InSb）0.1660070005500砷化铟（InAs）0.33100040003500常用光电导材料常用光电导材料38光敏电阻的主要特性光敏电阻的主要特性1.光电导灵敏度光电导灵敏度Sg灵敏度定义灵敏
25、度定义：响应量与输入量之比响应量与输入量之比。即：。即：Sg=Gp/E Gp：光电导，单位为西门子：光电导，单位为西门子S（-1）。）。E：照度，单位为勒克斯（：照度，单位为勒克斯（lx）。）。Sg：单位为西门子单位为西门子/勒克斯（勒克斯（S/lx）或）或 Sm2/W 1 lx=W/m2392-3 半导体光电检测器件半导体光电检测器件一、光敏电阻一、光敏电阻光敏电阻的主要特性光敏电阻的主要特性2.光电特性光电特性 光电流与照度的关系称为光电特性。光电流与照度的关系称为光电特性。光敏电阻光电特性如下：光敏电阻光电特性如下：Ip=SgEU (Sg=Gp/E）Ip：光电流：光电流 Sg：光电导灵敏
26、度：光电导灵敏度E：照度：照度：光照指数：光照指数U：光敏电阻两端所加的电压：光敏电阻两端所加的电压：电压指数：电压指数 402-3 半导体光电检测器件半导体光电检测器件一、光敏电阻一、光敏电阻光敏电阻的主要特性光敏电阻的主要特性2.光电特性光电特性 Ip=SgEU与材料和入射光强弱有关，对于硫与材料和入射光强弱有关，对于硫化镉光电导体，在弱光照下化镉光电导体，在弱光照下1，在，在强光照下强光照下1/2，一般，一般0.51。与光电导体和电极与光电导体和电极材料之间的接触材料之间的接触有关，欧姆接触时有关，欧姆接触时1，非欧姆接触，非欧姆接触时时=1.11.2。412-3 半导体光电检测器件半导
27、体光电检测器件一、光敏电阻一、光敏电阻光敏电阻的主要特性光敏电阻的主要特性2.光电特性光电特性 光光 电电 流流硫化镉光敏电阻的光电特性曲线硫化镉光敏电阻的光电特性曲线 由图可见，硫化镉光由图可见，硫化镉光敏电阻在弱光照下，敏电阻在弱光照下，Ip与与E具有良好的线性关系，具有良好的线性关系，在强光照下则为非线性在强光照下则为非线性关系，其它光敏电阻也关系，其它光敏电阻也有类似的性质。如果电有类似的性质。如果电压指数压指数1，在弱光照，在弱光照下有下有 Ip=SgEU422-3 半导体光电检测器件半导体光电检测器件一、光敏电阻一、光敏电阻Ip光敏电阻的主要特性光敏电阻的主要特性3 3光谱特性光谱
28、特性 光谱特性多用相对灵敏度与波长的关系曲线表示。光谱特性多用相对灵敏度与波长的关系曲线表示。1-硫化镉单晶硫化镉单晶 2-硫化镉多晶硫化镉多晶 3-硒化镉多晶硒化镉多晶 4-硫化镉与硒化镉混合多晶硫化镉与硒化镉混合多晶从这种曲线中从这种曲线中可以直接看出可以直接看出灵敏范围、峰灵敏范围、峰值波长位置和值波长位置和各波长下灵敏各波长下灵敏度的相对关系。度的相对关系。432-3 半导体光电检测器件半导体光电检测器件一、光敏电阻一、光敏电阻光敏电阻的主要特性光敏电阻的主要特性4 4伏安特性伏安特性 在一定的光照下，加到光在一定的光照下，加到光敏电阻两端的电压与流过敏电阻两端的电压与流过光敏电阻的亮
29、电流之间的光敏电阻的亮电流之间的关系称为光敏电阻的伏安关系称为光敏电阻的伏安特性，常用曲线表示。特性，常用曲线表示。光敏电阻的伏安特性曲线光敏电阻的伏安特性曲线图中的虚线为额定功耗线。图中的虚线为额定功耗线。使用时，应不能使静态工使用时，应不能使静态工作点居于虚线以内的区域。作点居于虚线以内的区域。442-3 半导体光电检测器件半导体光电检测器件一、光敏电阻一、光敏电阻光敏电阻的主要特性光敏电阻的主要特性5.温度温度特性特性 光敏电阻的温度特性光敏电阻的温度特性很复杂，在一定的照很复杂，在一定的照度下，亮电阻的温度度下，亮电阻的温度系数系数有正有负：有正有负：=(R=(R2 2-R-R1 1)
30、/R)/R1 1(T(T2 2-T-T1 1)硫化镉光敏电阻的温度特性曲线硫化镉光敏电阻的温度特性曲线 a)硫化镉单晶硫化镉单晶 b)硫化镉多晶硫化镉多晶452-3 半导体光电检测器件半导体光电检测器件一、光敏电阻一、光敏电阻光敏电阻的主要特性光敏电阻的主要特性5.温度温度特性特性 温度对光谱响应也有影响。温度对光谱响应也有影响。一般说，光谱特性主要决定一般说，光谱特性主要决定于材料，材料的禁带宽度越于材料，材料的禁带宽度越窄则对长波越敏感，但禁带窄则对长波越敏感，但禁带很窄时，半导体中热激发也很窄时，半导体中热激发也会使自由载流子浓度增加，会使自由载流子浓度增加，使复合运动加快，灵敏度降使复
31、合运动加快，灵敏度降低。因此，采取冷却灵敏面低。因此，采取冷却灵敏面的办法来提高灵敏度。的办法来提高灵敏度。硫化铅光敏电阻在冷却情况硫化铅光敏电阻在冷却情况下相对光谱灵敏度的变化下相对光谱灵敏度的变化 462-3 半导体光电检测器件半导体光电检测器件一、光敏电阻一、光敏电阻光敏电阻的主要特性光敏电阻的主要特性6 6前历效应前历效应 前历效应是指光敏电阻的时间特性前历效应是指光敏电阻的时间特性与工作前与工作前“历史历史”有关的一种现象。有关的一种现象。前历效应分前历效应分为为暗态前历暗态前历与与亮态前历亮态前历。暗态前历效应暗态前历效应是指光敏电阻测试是指光敏电阻测试或工作前处于暗态，当它突然受
32、到或工作前处于暗态，当它突然受到光照后表现为暗态前历越长，光电光照后表现为暗态前历越长，光电流上升越慢，其效应曲线如右图所流上升越慢，其效应曲线如右图所示。一般，工作电压越低，光照度示。一般，工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越重。越低，则暗态前历效应就越重。硫化镉的暗态前历效应硫化镉的暗态前历效应 1-黑暗放置黑暗放置3分钟后分钟后；2-黑暗放置黑暗放置60分钟后分钟后；3-黑黑暗放置暗放置24小时小时472-3 半导体光电检测器件半导体光电检测器件一、光敏电阻一、光敏电阻光敏电阻的主要特性光敏电阻的主要特性6 6前历效应前历效应 亮态前历效应亮态前历效应是指光敏电阻测是指光敏电阻测
33、试或工作前已处于亮态，当照度与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，所工作时所要达到的照度不同时，所出现的一种滞后现象，其效应曲线出现的一种滞后现象，其效应曲线如图所示。一般，亮电阻由高照度如图所示。一般，亮电阻由高照度状态变为低照度状态达到稳定值时状态变为低照度状态达到稳定值时所需的时间要比由低照度状态变为所需的时间要比由低照度状态变为高照度状态时短。高照度状态时短。482-3 半导体光电检测器件半导体光电检测器件一、光敏电阻一、光敏电阻光敏电阻的主要特性光敏电阻的主要特性7 7频率特性频率特性 光敏电阻是依靠非光敏电阻是依靠非平衡载流子效应工作的平衡载流子效应工作的，非
34、平衡载流子的产生，非平衡载流子的产生与复合都有一个时间，与复合都有一个时间，这个时间在一定程度上这个时间在一定程度上影响了光敏电阻对变化影响了光敏电阻对变化光照的响应。光敏电阻光照的响应。光敏电阻采用交变光照时，其输采用交变光照时，其输出将随入射光频率的增出将随入射光频率的增加而减小。加而减小。几种光敏电阻的频率特性曲线几种光敏电阻的频率特性曲线 1-硒硒 2-硫化镉硫化镉 3-硫化铊硫化铊 4-硫化铅硫化铅492-3 半导体光电检测器件半导体光电检测器件一、光敏电阻一、光敏电阻光敏电阻的使用光敏电阻的使用光敏电阻的重要特点光敏电阻的重要特点：光谱响应范围宽，测光范围宽，灵光谱响应范围宽，测光
35、范围宽，灵敏度高，无极性。但由于材料不同，在性能上差别较大。敏度高，无极性。但由于材料不同，在性能上差别较大。使用中应注意：使用中应注意：1 1）当用于模拟量测量时，因光照指数）当用于模拟量测量时，因光照指数与光照强弱有关，与光照强弱有关，只有在弱光照下光电流与入射辐射通量成线性关系。只有在弱光照下光电流与入射辐射通量成线性关系。2 2）用于光度量测试仪器时，必须对光谱特性曲线进行修）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。正，保证其与人眼的光谱光视效率曲线符合。3 3）光敏电阻的光谱特性与温度有关，温度低时，灵敏范）光敏电阻的光谱特性与温度有关，
36、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。法来提高光敏电阻在长波区的灵敏度。502-3 半导体光电检测器件半导体光电检测器件一、光敏电阻一、光敏电阻光敏电阻的使用光敏电阻的使用4 4）光敏电阻的温度特性很复杂，电阻温度系数有正有负，）光敏电阻的温度特性很复杂，电阻温度系数有正有负，一般说，光敏电阻不适于在高温下使用，温度高时输出将一般说，光敏电阻不适于在高温下使用，温度高时输出将明显减小，甚至无输出。明显减小，甚至无输出。5 5）光敏电阻频带宽度都比较窄，在室温下只有少数品种）光敏电阻频
37、带宽度都比较窄，在室温下只有少数品种能超过能超过1000Hz1000Hz，而且光电增益与带宽之积为一常量，如要，而且光电增益与带宽之积为一常量，如要求带宽较宽，必须以牺牲灵敏度为代价。求带宽较宽，必须以牺牲灵敏度为代价。6 6）设计负载电阻时，应考虑到光敏电阻的额定功耗，负）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。载电阻值不能很小。7 7）进行动态设计时，应意识到光敏电阻的前历效应。）进行动态设计时，应意识到光敏电阻的前历效应。512-3 半导体光电检测器件半导体光电检测器件一、光敏电阻一、光敏电阻2-3半导体光电检测器件半导体光电检测器件二、光电池二、光电池光电池的外
38、观光电池的外观52光电池的组成光电池的组成1.1.光电池的基本结构就是一个光电池的基本结构就是一个PNPN结。结。2.2.按材料分，有硅、硒、硫化镉、砷化镓和无定型材料按材料分，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。的光电池等。按结构分，有同质结和异质结光电池。3.3.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光电池因衬底材料导电类型不同而分成2CR2CR系列和系列和2DR2DR系系列。列。2CR2CR系列硅光电池是以系列硅光电池是以N N型硅为衬底，型硅为衬底，P
39、P型硅为受光型硅为受光面的光电池。面的光电池。2DR2DR系列硅光电池是以系列硅光电池是以P P型硅为衬底，型硅为衬底，N N型型硅为受光面的光电池。硅为受光面的光电池。532-3 半导体光电检测器件半导体光电检测器件二、光电池二、光电池光电池的组成光电池的组成4.4.受光面上的电极称为前极或上电极，为了减少遮光，受光面上的电极称为前极或上电极，为了减少遮光，前极多作成梳状。衬底方面的电极称为后极或下电极。前极多作成梳状。衬底方面的电极称为后极或下电极。为了减少反射光，增加透射光，一般都在受光面上涂为了减少反射光，增加透射光，一般都在受光面上涂有有SiOSiO2 2或或MgFMgF2 2等材料
40、的防反射膜，同时也可以起到防等材料的防反射膜，同时也可以起到防潮，防腐蚀的保护作用。潮，防腐蚀的保护作用。5.5.光电池在光照下能够产生光生电势，光电流实际流光电池在光照下能够产生光生电势，光电流实际流动方向为，从动方向为，从P P端流出，经过外电路，流入端流出，经过外电路，流入N N端，光生端，光生电势与照度是对数关系。当光电池短路时，短路电流电势与照度是对数关系。当光电池短路时，短路电流I Iscsc与照度与照度E E成线性关系，成线性关系，S SI Iscsc/E/E称为灵敏度称为灵敏度。542-3 半导体光电检测器件半导体光电检测器件二、光电池二、光电池2-3半导体光电检测器件半导体光
41、电检测器件三、光电二极管三、光电二极管光电二极管的外观光电二极管的外观55光电二极管的组成光电二极管的组成4.4.按材料分，光电二极管有硅、按材料分，光电二极管有硅、砷化稼、铈化铅光电二极管等砷化稼、铈化铅光电二极管等许多种。按结构分，也有同质许多种。按结构分，也有同质结与异质结之分。其中最典型结与异质结之分。其中最典型的还是同质结硅光电二极管。的还是同质结硅光电二极管。1.光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN PN 结结。2.2.它和光电池相比，重要的不同点是它和光电池相比，重要的不同点是结面积小结面积小，因此它，因此它的的频率特性特别好频
42、率特性特别好。3.3.光生光生电势电势与光电池与光电池相同相同，但输出，但输出电流电流普遍比光电池普遍比光电池小小，一般为数微安到数十微安。一般为数微安到数十微安。562-3半导体光电检测器件半导体光电检测器件三、光电二极管三、光电二极管光电二极管的组成光电二极管的组成5.国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为 2CU2CU和和2DU2DU两种系列。两种系列。6.2CU6.2CU系列以系列以N-SiN-Si为衬底，为衬底，2DU2DU系列以系列以P-SiP-Si为衬底。为衬底。7.2CU7.2CU系列光电二极管只有两系列光电二极管只有两个引
43、出线，个引出线，前极前极(p)(p)、后极后极(n)(n)而而2DU2DU系列光电二极管有三条系列光电二极管有三条引出线，除了引出线，除了前极前极(n)(n)、后极后极(p)(p)外，还设了一个外，还设了一个环环极极。其其目的是为了目的是为了减少暗电流和噪声减少暗电流和噪声。572-3 半导体光电检测器件半导体光电检测器件三、光电二极管三、光电二极管光电二极管的组成光电二极管的组成2CU型光电二极管前极(p)SiO2膜后极(n)2DU型光电二极管后极(p)前极(n)SiO2膜环极N-Si582-3半导体光电检测器件半导体光电检测器件三、光电二极管三、光电二极管光电二极管的用法光电二极管的用法a
44、)不加外电源b)加反向外电源c)2DU环极接法592-3半导体光电检测器件半导体光电检测器件三、光电二极管三、光电二极管光电二极管的特性参数光电二极管的特性参数1 1光电特性光电特性器件的光电特性一般是指器件的光电特性一般是指光电流与照度之间的函数关系，不过有时光电流与照度之间的函数关系，不过有时也表示为其它输出量与照度的函数关系。也表示为其它输出量与照度的函数关系。光电二极管光电二极管器件的光电特性主要决定于材器件的光电特性主要决定于材料，同时也与结构和使用条件（负载大小、料，同时也与结构和使用条件（负载大小、所加电压高低）有关。所加电压高低）有关。602-3半导体光电检测器件半导体光电检测
45、器件三、光电二极管三、光电二极管光电二极管的特性参数光电二极管的特性参数反偏反偏 压为压为15V时的光电特性时的光电特性 不同负载下不同负载下的光电特性曲线的光电特性曲线612-3半导体光电检测器件半导体光电检测器件三、光电二极管三、光电二极管光电二极管的特性参数光电二极管的特性参数2 2光谱特性光谱特性器件的光谱特性多用相对器件的光谱特性多用相对灵敏度与波长的关系曲线表示。灵敏度与波长的关系曲线表示。光电二极管光电二极管器件的光器件的光谱谱特性特性也也主要决定于主要决定于材料，同时也与结构和使用条件（负载大材料，同时也与结构和使用条件（负载大小、所加电压高低）有关。小、所加电压高低）有关。6
46、22-3半导体光电检测器件半导体光电检测器件三、光电二极管三、光电二极管光电二极管的特性参数光电二极管的特性参数硅、锗光电二极管的光谱特性曲线硅、锗光电二极管的光谱特性曲线硅光硅光二极管二极管的光谱特性曲线的光谱特性曲线 632-3半导体光电检测器件半导体光电检测器件三、光电二极管三、光电二极管光电二极管的特性参数光电二极管的特性参数3温度特性温度对器件的开路电压Uoc、短路电流Isc、暗电流Id、光电流Ip及单色光灵敏度都有影响。642-3半导体光电检测器件半导体光电检测器件三、光电二极管三、光电二极管光电二极管的特性参数光电二极管的特性参数 2CU光电二极管光电流随温度的变化曲线光电二极管
47、光电流随温度的变化曲线652-3半导体光电检测器件半导体光电检测器件三、光电二极管三、光电二极管光电二极管的特性参数光电二极管的特性参数4 4伏安伏安特性特性光电二极管光电二极管器件的器件的反偏电反偏电压与压与光电光电流的流的函数关系。函数关系。在一定的照度下，光电二极管的伏安特性曲在一定的照度下，光电二极管的伏安特性曲线几乎是平直的，可把它看成是恒流源。线几乎是平直的，可把它看成是恒流源。662-3半导体光电检测器件半导体光电检测器件三、光电二极管三、光电二极管光电二极管的特性参数光电二极管的特性参数-672-3半导体光电检测器件半导体光电检测器件三、光电二极管三、光电二极管光电二极管的特性
48、参数光电二极管的特性参数5 5噪声噪声 结型光电器件的噪声主要是结型光电器件的噪声主要是电流散粒噪声和电阻的热噪声。电流散粒电流散粒噪声和电阻的热噪声。电流散粒噪声是结区释放非平衡载流子的随机性引噪声是结区释放非平衡载流子的随机性引起的起的。682-3 半导体光电检测器件半导体光电检测器件三、光电二极管三、光电二极管PIN光电二极管光电二极管2CU2CU型光电二极管型光电二极管前极前极(p)(p)SiOSiO2 2膜膜后极后极(n)(n)PINPIN光电二极管光电二极管692-3 半导体光电检测器件半导体光电检测器件三、光电二极管三、光电二极管PIN光电二极管光电二极管1 1.PINPIN管是
49、光电二极管中的一种。管是光电二极管中的一种。2.2.它的结构特点是，在它的结构特点是，在P P型和型和N N型半导体之间夹着一层相型半导体之间夹着一层相对很厚的本征半导体对很厚的本征半导体I I层。层。使使PNPN结的内电场全集中于结的内电场全集中于I I层层中，从而使中，从而使PNPN结双电层的间距加宽，结电容变小。由式结双电层的间距加宽，结电容变小。由式=C=Cj jR RL L与与f=1/2f=1/2知，知，C Cj j小，小，则小，频带变宽则小，频带变宽。因此，这种管子最大的特点是频带宽，可达。因此，这种管子最大的特点是频带宽，可达10GHz10GHz。3.3.另一个特点是，因为另一个
50、特点是，因为I I层很厚，在反偏压下运用可承层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，线性输出范围宽。增加反向偏压会受较高的反向电压，线性输出范围宽。增加反向偏压会使耗尽层宽度增加，从而使耗尽层宽度增加，从而使使结电容减小，频带变宽。结电容减小，频带变宽。4.4.但因但因I I层电阻很大，输出电流小，层电阻很大，输出电流小，在在零点几至数微安零点几至数微安。702-3 半导体光电检测器件半导体光电检测器件三、光电二极管三、光电二极管雪崩光电二极管雪崩光电二极管雪崩光电二极管雪崩光电二极管712-3 半导体光电检测器件半导体光电检测器件三、光电二极管三、光电二极管雪崩光电二极管雪崩光电二极管1
