光電檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用-4半導(dǎo)體光電檢測(cè)器件應(yīng)用

1、第4章 半導(dǎo)體光電檢測(cè)器件及應(yīng)用光電檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用光電檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用上節(jié)課內(nèi)容回顧上節(jié)課內(nèi)容回顧1 1、光的基本性質(zhì)、光的基本性質(zhì)2 2、輻射、輻射/ /光度量的最基本單位光度量的最基本單位3 3、光電發(fā)射定律和光電子的發(fā)射過(guò)程、光電發(fā)射定律和光電子的發(fā)射過(guò)程4 4、光電效應(yīng)、光電效應(yīng)5 5、光熱效應(yīng)、光熱效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)：光電導(dǎo)效應(yīng)： 物質(zhì)吸收光子能量后產(chǎn)生本征吸收或雜質(zhì)吸收，從而物質(zhì)吸收光子能量后產(chǎn)生本征吸收或雜質(zhì)吸收，從而改變物質(zhì)改變物質(zhì)電導(dǎo)率電導(dǎo)率的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。光電導(dǎo)器件（光敏電阻）：光電導(dǎo)器件（光敏電阻）： 利用光電導(dǎo)效應(yīng)，制成電導(dǎo)率隨入射

2、光輻射量變化而利用光電導(dǎo)效應(yīng)，制成電導(dǎo)率隨入射光輻射量變化而變化的器件。變化的器件。光敏電阻特點(diǎn)：光敏電阻特點(diǎn)： 體積小、堅(jiān)固耐用、價(jià)格低廉、光譜響應(yīng)范圍寬。體積小、堅(jiān)固耐用、價(jià)格低廉、光譜響應(yīng)范圍寬。中國(guó)是光敏電阻生產(chǎn)大國(guó)中國(guó)是光敏電阻生產(chǎn)大國(guó)一、光敏電阻一、光敏電阻1 1 光敏電阻的結(jié)構(gòu)及工作原理光敏電阻的結(jié)構(gòu)及工作原理 本征半導(dǎo)體光敏電阻：本征半導(dǎo)體光敏電阻：可見(jiàn)光波段可見(jiàn)光波段雜質(zhì)半導(dǎo)體光敏電阻：雜質(zhì)半導(dǎo)體光敏電阻：紅外、遠(yuǎn)紅外波段紅外、遠(yuǎn)紅外波段書(shū)書(shū)P23，中間一段。，中間一段。1 1 光敏電阻的結(jié)構(gòu)及工作原理光敏電阻的結(jié)構(gòu)及工作原理1 1 光敏電阻的結(jié)構(gòu)及工作原理光敏電阻的結(jié)構(gòu)及工

3、作原理1 1 光敏電阻的結(jié)構(gòu)及工作原理光敏電阻的結(jié)構(gòu)及工作原理1 1 光敏電阻的結(jié)構(gòu)及工作原理光敏電阻的結(jié)構(gòu)及工作原理光敏電阻是光敏電阻是純電阻純電阻器件：器件： 沒(méi)有極性，沒(méi)有極性，可加直流電壓、交流電壓可加直流電壓、交流電壓。2.1. 光電特性光電特性 光敏電阻的光敏電阻的光電流光電流與與光照光照度度之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。 光電特性整體呈光電特性整體呈非線性非線性，這是光敏電阻的這是光敏電阻的缺點(diǎn)缺點(diǎn)之一。之一。2 2 光敏電阻特性參數(shù)光敏電阻特性參數(shù) 在一定照度下，光敏電阻在一定照度下，光敏電阻兩端所加的兩端所加的電壓電壓與流過(guò)光敏電與流過(guò)光敏電阻的阻的電流電流之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。

4、 光敏電阻符合光敏電阻符合歐姆定律歐姆定律。 伏安特性伏安特性近似直線近似直線，而且，而且沒(méi)有飽和現(xiàn)象。沒(méi)有飽和現(xiàn)象。 受受耗散功率耗散功率的限制，在使的限制，在使用時(shí)，光敏電阻兩端的電壓不用時(shí)，光敏電阻兩端的電壓不能超過(guò)能超過(guò)最高工作電壓最高工作電壓，圖中虛，圖中虛線為線為允許功耗曲線允許功耗曲線。2.2. 伏安特性伏安特性2 2 光敏電阻特性參數(shù)光敏電阻特性參數(shù)2.3. 頻率特性頻率特性頻率特性曲線：頻率特性曲線： 相對(duì)相對(duì)靈敏度靈敏度KrKr與光強(qiáng)變化與光強(qiáng)變化頻率頻率f f之之間的關(guān)系；間的關(guān)系； 多數(shù)光敏電阻的多數(shù)光敏電阻的時(shí)延都較大時(shí)延都較大，因，因此此不能不能用在要求用在要求快速

5、響應(yīng)快速響應(yīng)的場(chǎng)合。的場(chǎng)合。2 2 光敏電阻特性參數(shù)光敏電阻特性參數(shù) 光敏電阻的相對(duì)靈敏度與入射波光敏電阻的相對(duì)靈敏度與入射波長(zhǎng)的關(guān)系。長(zhǎng)的關(guān)系。 硫化鎘硫化鎘的峰值在的峰值在可見(jiàn)光可見(jiàn)光區(qū)域區(qū)域 硫化鉈硫化鉈的峰值在的峰值在紅外紅外區(qū)域區(qū)域 選用光敏電阻時(shí)應(yīng)當(dāng)把選用光敏電阻時(shí)應(yīng)當(dāng)把元件和光元件和光源源的種類結(jié)合起來(lái)考慮的種類結(jié)合起來(lái)考慮 。 是指光電器件的輸出與入射光是指光電器件的輸出與入射光波長(zhǎng)（或頻率）的關(guān)系。波長(zhǎng)（或頻率）的關(guān)系。2.4. 光譜特性光譜特性2 2 光敏電阻特性參數(shù)光敏電阻特性參數(shù)2.5. 溫度特性溫度特性光敏電阻受溫度影響較大：光敏電阻受溫度影響較大： 當(dāng)溫度升高時(shí)，它

6、的暗電阻會(huì)當(dāng)溫度升高時(shí)，它的暗電阻會(huì)下降。下降。溫度變化對(duì)光譜特性有很大影響：溫度變化對(duì)光譜特性有很大影響： 光譜溫度特性曲線的峰值隨著光譜溫度特性曲線的峰值隨著溫度上升溫度上升向向波長(zhǎng)短波長(zhǎng)短的方向移動(dòng)。的方向移動(dòng)。 為了提高精度、為了能接受遠(yuǎn)為了提高精度、為了能接受遠(yuǎn)紅外光而采取紅外光而采取降溫降溫措施。措施。2 2 光敏電阻特性參數(shù)光敏電阻特性參數(shù)光電導(dǎo)的弛豫現(xiàn)象：光電導(dǎo)的弛豫現(xiàn)象： 光電流的變化對(duì)于光的變化，在時(shí)間上有一個(gè)光電流的變化對(duì)于光的變化，在時(shí)間上有一個(gè)滯后滯后。2.6. 時(shí)間和頻率響應(yīng)：時(shí)間和頻率響應(yīng)：慣性大，頻響低慣性大，頻響低 光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間除光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間除了與

7、元件的了與元件的材料材料有關(guān)外，還有關(guān)外，還與光照的與光照的強(qiáng)弱強(qiáng)弱有關(guān)，光照越有關(guān)，光照越強(qiáng)，響應(yīng)時(shí)間越短。強(qiáng)，響應(yīng)時(shí)間越短。2 2 光敏電阻特性參數(shù)光敏電阻特性參數(shù) 初制成初制成的光敏電阻，由于內(nèi)部組織的不穩(wěn)定性等原的光敏電阻，由于內(nèi)部組織的不穩(wěn)定性等原因，光電特性因，光電特性不穩(wěn)定不穩(wěn)定。 當(dāng)受到光照和外接負(fù)載后。其當(dāng)受到光照和外接負(fù)載后。其靈敏度有明顯下降靈敏度有明顯下降。在人為地加溫、光照和加負(fù)載情況下，經(jīng)過(guò)在人為地加溫、光照和加負(fù)載情況下，經(jīng)過(guò)一、二星期一、二星期的老化的老化，光電性能，光電性能趨向穩(wěn)定趨向穩(wěn)定后就基本上不變了。后就基本上不變了。2.7. 穩(wěn)定性穩(wěn)定性2 2 光敏電

8、阻特性參數(shù)光敏電阻特性參數(shù) 利用光敏電阻控制的利用光敏電阻控制的路燈自動(dòng)控制路燈自動(dòng)控制電路。電路。 該電路由兩部分組成，電阻該電路由兩部分組成，電阻R 、電容、電容C 和二極管和二極管D 組成組成半波半波整流電路整流電路。CdS光敏電阻和開(kāi)關(guān)光敏電阻和開(kāi)關(guān)J組成組成光控繼電器光控繼電器。 路燈路燈接在繼電器常閉觸點(diǎn)上，由光接在繼電器常閉觸點(diǎn)上，由光控繼電器控制燈的點(diǎn)燃控繼電器控制燈的點(diǎn)燃和熄滅。和熄滅。 采用光采用光敏電阻控制的路燈自動(dòng)控制電路敏電阻控制的路燈自動(dòng)控制電路3 3 光敏電阻的應(yīng)用光敏電阻的應(yīng)用晚上晚上光線很暗，光線很暗，CdS 光敏電阻阻值很大，流過(guò)光敏電阻阻值很大，流過(guò)J的電

9、流很小，使的電流很小，使繼電器繼電器J不動(dòng)作，路燈接通電源點(diǎn)亮。不動(dòng)作，路燈接通電源點(diǎn)亮。 早上早上，天漸漸變亮，即照度逐漸增大，天漸漸變亮，即照度逐漸增大，CdS光敏電阻受光照光敏電阻受光照后，阻值變小，流過(guò)后，阻值變小，流過(guò)J的電流逐漸增大，當(dāng)照度達(dá)到一定值時(shí)，的電流逐漸增大，當(dāng)照度達(dá)到一定值時(shí)，流過(guò)繼電器的電流足以使流過(guò)繼電器的電流足以使J動(dòng)作，使其閉合，其常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，動(dòng)作，使其閉合，其常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，路燈熄滅。路燈熄滅。 采用光采用光敏電阻控制的路燈自動(dòng)控制電路敏電阻控制的路燈自動(dòng)控制電路3 3 光敏電阻的應(yīng)用光敏電阻的應(yīng)用夜間汽車的自動(dòng)開(kāi)門：夜間汽車的自動(dòng)開(kāi)門： 把把光敏電阻光敏電阻

10、裝在大門上，汽車裝在大門上，汽車燈光燈光能照到能照到的地方，把帶動(dòng)大門的電動(dòng)機(jī)的地方，把帶動(dòng)大門的電動(dòng)機(jī)接在干簧管的電路中，那么夜間汽車接在干簧管的電路中，那么夜間汽車開(kāi)到大門前，燈光照射光敏電阻時(shí)，開(kāi)到大門前，燈光照射光敏電阻時(shí)，干簧繼電器接通電動(dòng)機(jī)電路，電動(dòng)機(jī)干簧繼電器接通電動(dòng)機(jī)電路，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)大門打開(kāi)。帶動(dòng)大門打開(kāi)。 干簧管是一種磁敏的特殊開(kāi)關(guān)干簧管是一種磁敏的特殊開(kāi)關(guān)。3 3 光敏電阻的應(yīng)用光敏電阻的應(yīng)用窗簾自動(dòng)拉開(kāi)窗簾自動(dòng)拉開(kāi) 把把光敏電阻光敏電阻作為晶體管的偏流電阻。這樣當(dāng)有作為晶體管的偏流電阻。這樣當(dāng)有光照光照時(shí)晶時(shí)晶體管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)繼電器接通電動(dòng)機(jī)，將窗簾打開(kāi)。體管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)繼電

11、器接通電動(dòng)機(jī)，將窗簾打開(kāi)。3 3 光敏電阻的應(yīng)用光敏電阻的應(yīng)用二、二、 光生伏特器件光生伏特器件光生伏特器件：光生伏特器件： 是利用是利用光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)制造的光電敏感器。制造的光電敏感器。光生伏特器件與光電導(dǎo)器件的對(duì)比：光生伏特器件與光電導(dǎo)器件的對(duì)比： 光生伏特器件是光生伏特器件是少數(shù)載流子少數(shù)載流子導(dǎo)電，暗電流小噪聲低、響導(dǎo)電，暗電流小噪聲低、響應(yīng)速度快、受溫度影響小。應(yīng)速度快、受溫度影響小。 光電導(dǎo)器件是光電導(dǎo)器件是多數(shù)載流子多數(shù)載流子導(dǎo)電，光譜響應(yīng)范圍導(dǎo)電，光譜響應(yīng)范圍 寬、能夠檢查微弱輻射。寬、能夠檢查微弱輻射。光生伏特效應(yīng)的材料：光生伏特效應(yīng)的材料： 硅、鍺、砷化鎵硅、鍺、

12、砷化鎵書(shū)書(shū)P28，下面一段文字，下面一段文字二、二、 光生伏特器件光生伏特器件PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)：結(jié)的光生伏特效應(yīng)： PN結(jié)結(jié)內(nèi)部?jī)?nèi)部存在一個(gè)存在一個(gè)電場(chǎng)電場(chǎng)，吸收光吸收光產(chǎn)生的產(chǎn)生的電子空穴對(duì)被電子空穴對(duì)被電場(chǎng)分離電場(chǎng)分離，兩端形成，兩端形成電勢(shì)差電勢(shì)差。PN結(jié)光電器件和普通二極管結(jié)光電器件和普通二極管PN結(jié)結(jié)差別：差別： 在在不加光照不加光照時(shí)，它們的時(shí)，它們的特性很相似特性很相似。 在在結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)上有上有明顯的區(qū)別明顯的區(qū)別：普通二極管：普通二極管PN結(jié)被遮蔽起來(lái)，不受光照射；結(jié)型光結(jié)被遮蔽起來(lái)，不受光照射；結(jié)型光電器件必須受光照射。電器件必須受光照射。二、二、 光生伏特器件光生伏特器件

13、1 光電池光電池光電池：光電池： 是將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的是將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的PN結(jié)光電器件。結(jié)光電器件。 大面積的薄片大面積的薄片PN結(jié)。結(jié)。 不需要外加偏置電壓不需要外加偏置電壓（這一點(diǎn)要注意，后續(xù)講的光電二（這一點(diǎn)要注意，后續(xù)講的光電二極管多數(shù)情況是極管多數(shù)情況是加反向電壓加反向電壓工作）。工作）。太陽(yáng)能光電池：太陽(yáng)能光電池：電源，轉(zhuǎn)換效率高、成本低電源，轉(zhuǎn)換效率高、成本低測(cè)量光電池：測(cè)量光電池：光電檢測(cè)，傳感性能指標(biāo)光電檢測(cè)，傳感性能指標(biāo)硒光電池（很少用）：硒光電池（很少用）： 穩(wěn)定性差穩(wěn)定性差、轉(zhuǎn)換效率低轉(zhuǎn)換效率低、壽命短、可見(jiàn)光、壽命短、可見(jiàn)光硅光電池：硅光電池： 應(yīng)用最廣應(yīng)用

14、最廣、成本低、成本低、有發(fā)展前途有發(fā)展前途、可見(jiàn)光、可見(jiàn)光+紅外紅外光、用于野外燈塔、無(wú)人氣象站、微波站光、用于野外燈塔、無(wú)人氣象站、微波站砷化鎵光電池：砷化鎵光電池： 紫外紫外+可見(jiàn)光，可見(jiàn)光，耐受宇宙射線的輻射耐受宇宙射線的輻射，用于宇宙，用于宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測(cè)器，飛船、衛(wèi)星、太空探測(cè)器，轉(zhuǎn)換效率最高轉(zhuǎn)換效率最高鍺光電池：鍺光電池： 近紅外區(qū)近紅外區(qū)1 光電池光電池1.1. 光電池的基本結(jié)構(gòu)和工作原理光電池的基本結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)： 在在N型硅片上擴(kuò)散型硅片上擴(kuò)散P型雜質(zhì)，形成型雜質(zhì)，形成PN結(jié)；結(jié)； 大面積的薄片大面積的薄片PN結(jié)NPEa )結(jié)構(gòu)示意圖b)圖形符號(hào) 光光照射照

15、射P區(qū)表面時(shí)，區(qū)表面時(shí)，P區(qū)內(nèi)每吸收一個(gè)光子便產(chǎn)生一個(gè)區(qū)內(nèi)每吸收一個(gè)光子便產(chǎn)生一個(gè)電子電子-空穴對(duì)空穴對(duì)，P區(qū)區(qū)表面表面吸收的光子最多，激發(fā)的電子吸收的光子最多，激發(fā)的電子-空穴最多，空穴最多，越向內(nèi)部越少越向內(nèi)部越少。 電子電子-空穴空穴濃度差濃度差形成從表面向體內(nèi)擴(kuò)散的自然趨勢(shì)。形成從表面向體內(nèi)擴(kuò)散的自然趨勢(shì)。PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)使擴(kuò)散的結(jié)內(nèi)電場(chǎng)使擴(kuò)散的電子電子-空穴對(duì)分離空穴對(duì)分離，光生電子被推，光生電子被推向向N區(qū)，光生空穴被留在區(qū)，光生空穴被留在P區(qū)。區(qū)。 N區(qū)帶負(fù)電，區(qū)帶負(fù)電，P區(qū)帶正電區(qū)帶正電，形成光生電動(dòng)勢(shì)。，形成光生電動(dòng)勢(shì)。工作原理：工作原理：I I光光光電池的工作原理示意圖光電池的

16、工作原理示意圖 P N1 光電池光電池(1)(1)光照特性：光照特性： 開(kāi)路電壓曲線：開(kāi)路電壓曲線： 光生電動(dòng)勢(shì)與光生電動(dòng)勢(shì)與照度照度之間的特性曲線。之間的特性曲線。 短路電流曲線：短路電流曲線： 光電流與光電流與照度照度之間的特性曲線。之間的特性曲線。1.2. 光電池的特性參數(shù)光電池的特性參數(shù)L/klx L/klx5432100.10.20.30.40.5246810開(kāi)路電壓開(kāi)路電壓Uoc/V0.10.20.30.4 0.50.30.1012345Uoc/VIsc/mAIsc/mA(a) 硅光電池硅光電池(b) 硒光電池硒光電池開(kāi)路電壓開(kāi)路電壓短路電流短路電流短路電流短路電流當(dāng)照度為當(dāng)照度為

17、2000lx時(shí)趨向飽和時(shí)趨向飽和1.2. 光電池的特性參數(shù)光電池的特性參數(shù)光電池在不同照度下，其光電池在不同照度下，其內(nèi)阻內(nèi)阻也不同。也不同。02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx 50 10010005000RL=0硒光電池在不同負(fù)載電阻時(shí)的光照特性硒光電池在不同負(fù)載電阻時(shí)的光照特性 負(fù)載電阻負(fù)載電阻RL越小，光電流與強(qiáng)度的越小，光電流與強(qiáng)度的線性關(guān)系線性關(guān)系越好，且越好，且線性范圍線性范圍越寬。越寬。1.2. 光電池的特性參數(shù)光電池的特性參數(shù)204060801000.40.60.81.01.20.2I/ %12/m(2)(2)光譜特性光譜特性 光電池的光譜特性決定于

18、光電池的光譜特性決定于材料材料。1硒光電池硒光電池2硅光電池硅光電池 硒光電池硒光電池在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長(zhǎng)在在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長(zhǎng)在540nm附近，適宜測(cè)附近，適宜測(cè)可見(jiàn)光可見(jiàn)光。 硅光電池硅光電池應(yīng)用的范圍應(yīng)用的范圍400nm1100nm，峰值波長(zhǎng)在，峰值波長(zhǎng)在850nm附附近，因此硅光電池可以在近，因此硅光電池可以在很寬的范圍很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。內(nèi)應(yīng)用。1.2. 光電池的特性參數(shù)光電池的特性參數(shù)(3)(3)頻率特性頻率特性 是指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。是指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。 光電池光電池PN結(jié)面積較大，極間電容大，故頻率特性較差。結(jié)

19、面積較大，極間電容大，故頻率特性較差。204060801000I/ %1234512f/ kHz1硒光電池硒光電池2硅光電池硅光電池硅光電池硅光電池較高的頻率響應(yīng)較高的頻率響應(yīng)硒光電池硒光電池較差較差的頻率響應(yīng)的頻率響應(yīng)光電池常用調(diào)制光輸入光電池常用調(diào)制光輸入1.2. 光電池的特性參數(shù)光電池的特性參數(shù)（4 4）溫度特性）溫度特性（通常的測(cè)試指標(biāo)在室溫下進(jìn)行）（通常的測(cè)試指標(biāo)在室溫下進(jìn)行） 是指開(kāi)路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。是指開(kāi)路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。2004060904060UOC/ mVT / CISCUOCISC / A600400200UOC開(kāi)路電壓開(kāi)路電壓ISC 短路

20、電流短路電流硅光電池在硅光電池在1000lx照度下的溫度特性曲線照度下的溫度特性曲線 溫度影響光電池的溫度漂移溫度影響光電池的溫度漂移 作為測(cè)量元件時(shí)，最好保持溫度恒定，或采取補(bǔ)償措施作為測(cè)量元件時(shí)，最好保持溫度恒定，或采取補(bǔ)償措施。1.2. 光電池的特性參數(shù)光電池的特性參數(shù)兩種典型應(yīng)用兩種典型應(yīng)用（1）光伏器件）光伏器件太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池。 探索新能源、美探索新能源、美開(kāi)普勒號(hào)（類地行星、生命跡象）開(kāi)普勒號(hào)（類地行星、生命跡象） 目前太陽(yáng)能電池成本不能與常規(guī)能源競(jìng)爭(zhēng)目前太陽(yáng)能電池成本不能與常規(guī)能源競(jìng)爭(zhēng) 成本會(huì)逐漸下降成本會(huì)逐漸下降 電源：硅光電池組電源：硅光電池組+鎳鎘蓄電池鎳鎘蓄電池（

21、2）光電轉(zhuǎn)換器件）光電轉(zhuǎn)換器件 靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短、特殊制造工藝靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短、特殊制造工藝 用于光電檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)中用于光電檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)中1.3. 光電池的應(yīng)用光電池的應(yīng)用三、三、 光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管2CU系列：系列：N-Si襯底、兩條引線襯底、兩條引線2DU系列系列：P-Si襯底、三條引線襯底、三條引線光電二極管光電二極管1. 1.光敏二極管光敏二極管 一個(gè)一個(gè)結(jié)面積小結(jié)面積小的的PN結(jié)（光電池的結(jié)面積結(jié)（光電池的結(jié)面積大大） 頻率特性特好頻率特性特好 有硅、鍺、砷化鎵、銻化銦光電二極管等多種。有硅、鍺、砷化鎵、銻化銦光電二極管等多種。 在電路中

22、處于在電路中處于反向工作狀態(tài)反向工作狀態(tài)光電池與光電二極管：光電池與光電二極管：書(shū)書(shū)P35P35，上面一段文字，上面一段文字PN光光光敏二極管符號(hào)光敏二極管符號(hào)RL光光PN光敏二極管接線光敏二極管接線 1.光敏二極管光敏二極管 沒(méi)有光照射時(shí)沒(méi)有光照射時(shí)（如同普通二極管反向）：（如同普通二極管反向）： 反向電阻反向電阻很大，很大，反向電流反向電流很小，光敏二極管為截止?fàn)顟B(tài)；很小，光敏二極管為截止?fàn)顟B(tài)； 只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層形成只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層形成微微小小的反向電流，即的反向電流，即暗電流暗電流； 受光照射時(shí)：受光照射時(shí)： PN結(jié)吸收結(jié)吸收光子能

23、量光子能量，產(chǎn)生電子，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，使空穴對(duì)，使P區(qū)和區(qū)和N區(qū)的區(qū)的少少數(shù)載流子濃度大大增加數(shù)載流子濃度大大增加； 在外加在外加反向偏壓反向偏壓和內(nèi)電場(chǎng)的作用下，和內(nèi)電場(chǎng)的作用下， P區(qū)的少數(shù)載流子渡區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入越阻擋層進(jìn)入N區(qū)，區(qū)， N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入?yún)^(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入P區(qū)，使區(qū)，使通過(guò)通過(guò)PN結(jié)的結(jié)的反向電流大為增加反向電流大為增加，形成，形成光電流光電流。1.1.光敏二極管的工作原理光敏二極管的工作原理 光敏二極管的光照特性（光電流光敏二極管的光照特性（光電流 I與照度）呈線性關(guān)系，與照度）呈線性關(guān)系，適合檢測(cè)。適合檢測(cè)。PIN管結(jié)光電二極管管結(jié)

24、光電二極管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 在在P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間型半導(dǎo)體之間夾著夾著一層（相對(duì)）很厚一層（相對(duì)）很厚的的本征本征半導(dǎo)體半導(dǎo)體I。 P-Si N-Si I-SiPIN管結(jié)構(gòu)示意圖管結(jié)構(gòu)示意圖1.1.光敏二極管的工作原理光敏二極管的工作原理特點(diǎn)：特點(diǎn)： 頻帶寬，可達(dá)頻帶寬，可達(dá)10GHz： PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)就基本上全集中于結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)就基本上全集中于 I 層中，從而使層中，從而使PN結(jié)雙結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小，頻帶變寬。電層的間距加寬，結(jié)電容變小，頻帶變寬。 承受高反向電壓：承受高反向電壓： I層很厚，在反偏壓下可承受層很厚，在反偏壓下可承受較高的反向電壓較高的反向電壓

25、，線性輸出范，線性輸出范圍寬。圍寬。 輸出電流小：輸出電流?。?I層電阻很大，管子的輸出電流小。層電阻很大，管子的輸出電流小。 1.1.光敏二極管的工作原理光敏二極管的工作原理雪崩光電二極管雪崩光電二極管(APD)(APD) 是利用是利用PN結(jié)在結(jié)在高反向電壓高反向電壓下產(chǎn)生的下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)雪崩效應(yīng)的二極管。的二極管。二極管反向擊穿：二極管反向擊穿： 可能造成可能造成PN結(jié)結(jié)永久性損壞永久性損壞，不同型號(hào)二極管的反向擊穿電，不同型號(hào)二極管的反向擊穿電壓差別很大，從幾十伏到幾千伏，包括壓差別很大，從幾十伏到幾千伏，包括齊納擊穿、雪崩擊穿齊納擊穿、雪崩擊穿。 齊納擊穿齊納擊穿指在指在高摻雜濃度高

26、摻雜濃度的情況下，因勢(shì)壘區(qū)寬度很小，的情況下，因勢(shì)壘區(qū)寬度很小，反向電壓較大反向電壓較大時(shí)，破壞了勢(shì)壘區(qū)內(nèi)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，使價(jià)電子脫離時(shí)，破壞了勢(shì)壘區(qū)內(nèi)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，使價(jià)電子脫離共價(jià)鍵束縛，產(chǎn)生電子共價(jià)鍵束縛，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，致使空穴對(duì)，致使電流急劇增大電流急劇增大 。 雪崩擊雪崩擊穿穿指指反向電壓較大反向電壓較大時(shí)，外加電場(chǎng)使電子漂移速度加時(shí)，外加電場(chǎng)使電子漂移速度加快，從而與共價(jià)鍵中的價(jià)電子相碰撞，把價(jià)電子撞出共價(jià)鍵，快，從而與共價(jià)鍵中的價(jià)電子相碰撞，把價(jià)電子撞出共價(jià)鍵，產(chǎn)生新的電子產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)。新產(chǎn)生的電子空穴對(duì)。新產(chǎn)生的電子-空穴被電場(chǎng)加速后又撞空穴被電場(chǎng)加速后又撞出其它價(jià)電子，出

27、其它價(jià)電子，載流子雪崩式地增加載流子雪崩式地增加，致使，致使電流急劇增加電流急劇增加。特點(diǎn)：特點(diǎn)： 工作電壓很高：工作電壓很高： 約約100200V，接近于反向擊穿電壓；，接近于反向擊穿電壓； 雪崩效應(yīng)：雪崩效應(yīng)： 結(jié)區(qū)內(nèi)電場(chǎng)極強(qiáng)，光生電子得到極大的加速，與晶格碰結(jié)區(qū)內(nèi)電場(chǎng)極強(qiáng)，光生電子得到極大的加速，與晶格碰撞產(chǎn)生電離雪崩反應(yīng)，內(nèi)增益很高，電流增益可達(dá)撞產(chǎn)生電離雪崩反應(yīng)，內(nèi)增益很高，電流增益可達(dá)102 106 響應(yīng)速度特別快：響應(yīng)速度特別快： 帶寬可達(dá)帶寬可達(dá)100GHz，是目前響應(yīng)速度最快的光電二極管。，是目前響應(yīng)速度最快的光電二極管。 噪聲大噪聲大 在光通信中應(yīng)用前景廣闊在光通信中應(yīng)用前

28、景廣闊 雪崩光電二極管雪崩光電二極管(APD)1.2.1.2.光敏二極管的基本特性光敏二極管的基本特性（1 1）光譜特性）光譜特性 在入射度一定時(shí)，輸出的光電流（或相對(duì)靈敏度）隨光在入射度一定時(shí)，輸出的光電流（或相對(duì)靈敏度）隨光波波長(zhǎng)的變化而變化。波波長(zhǎng)的變化而變化。 一種光敏二極管只對(duì)一定波長(zhǎng)的入射光敏感。一種光敏二極管只對(duì)一定波長(zhǎng)的入射光敏感。（2）伏安特性）伏安特性 在較低反向在較低反向電壓下，光電流電壓下，光電流隨反向偏壓的變隨反向偏壓的變化較為明顯?；^為明顯。 1.2.1.2.光敏二極管的基本特性光敏二極管的基本特性（3 3）光照特性）光照特性1.2.1.2.光敏二極管的基本特性光

29、敏二極管的基本特性（4 4）溫度特性）溫度特性 溫度變化對(duì)光敏二極管輸出電流影響較小溫度變化對(duì)光敏二極管輸出電流影響較小, ,但對(duì)暗但對(duì)暗電流的影響卻十分顯著電流的影響卻十分顯著. .1.2.1.2.光敏二極管的基本特性光敏二極管的基本特性光敏二極管陣列光敏二極管陣列 將光敏二極管以將光敏二極管以線列或面陣線列或面陣形式集合在一起，用來(lái)形式集合在一起，用來(lái)同時(shí)探測(cè)多個(gè)不同光信息，并將這些信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)同時(shí)探測(cè)多個(gè)不同光信息，并將這些信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件。的器件。類型：類型： 有兩種：有兩種：PNP型和型和NPN型。型。結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)： 與一般三極管很相似，具有電流增益；與一般三極管很相似，具有

30、電流增益； 基極不接引線；基極不接引線；PPNNNPe b bc RL Eec2.2.光敏三極管光敏三極管原理：原理： 常態(tài)：常態(tài)： 集電極加正電壓，基極開(kāi)路，集電極處于反向偏置狀態(tài)。集電極加正電壓，基極開(kāi)路，集電極處于反向偏置狀態(tài)。 光照時(shí)：光照時(shí)： 光線照射在集電結(jié)的基區(qū)時(shí)，產(chǎn)生電子光線照射在集電結(jié)的基區(qū)時(shí)，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，在內(nèi)電空穴對(duì)，在內(nèi)電場(chǎng)的作用下，光生電子被拉到集電極，基區(qū)留下空穴，使基場(chǎng)的作用下，光生電子被拉到集電極，基區(qū)留下空穴，使基極與發(fā)射極間的電壓升高，這樣便有大量的電子流向集電極，極與發(fā)射極間的電壓升高，這樣便有大量的電子流向集電極，形成輸出電流，形成輸出電流，集電極電

31、流為光電流的集電極電流為光電流的倍倍。 2.1.2.1.光敏三極管的工作原理光敏三極管的工作原理最佳靈敏度的波長(zhǎng)最佳靈敏度的波長(zhǎng) （1 1）光譜特性）光譜特性相對(duì)靈敏度相對(duì)靈敏度/%硅硅鍺鍺入射光入射光/4000800012000 1600010080604020 02.2.2.2.光敏三極管的主要特性光敏三極管的主要特性當(dāng)入射光波長(zhǎng)增加時(shí)：當(dāng)入射光波長(zhǎng)增加時(shí)： 相對(duì)靈敏度下降。因?yàn)楣庾幽芰刻?，不足以激發(fā)電子相對(duì)靈敏度下降。因?yàn)楣庾幽芰刻?，不足以激發(fā)電子空穴對(duì)?？昭▽?duì)。當(dāng)入射光波長(zhǎng)縮短時(shí)：當(dāng)入射光波長(zhǎng)縮短時(shí)： 相對(duì)靈敏度也下降，是由于光子在半導(dǎo)體表面附近就被相對(duì)靈敏度也下降，是由于光子在半

32、導(dǎo)體表面附近就被吸收，并且在表面激發(fā)的電子空穴對(duì)不能到達(dá)吸收，并且在表面激發(fā)的電子空穴對(duì)不能到達(dá)PN結(jié)，因而結(jié)，因而使相對(duì)靈敏度下降。使相對(duì)靈敏度下降。相對(duì)靈敏度相對(duì)靈敏度/%硅硅鍺鍺入射光入射光/40008000120001600010080604020 02.2.2.2.光敏三極管的主要特性光敏三極管的主要特性相對(duì)靈敏度相對(duì)靈敏度/%硅硅鍺鍺入射光入射光/4000800012000 1600010080604020 0硅硅的峰值波長(zhǎng)為的峰值波長(zhǎng)為9000；鍺鍺的峰值波長(zhǎng)為的峰值波長(zhǎng)為15000； 由于鍺管的暗電流比硅管大，因此由于鍺管的暗電流比硅管大，因此鍺管的性能較差鍺管的性能較差； 在

33、在可見(jiàn)光或探測(cè)赤熱狀態(tài)可見(jiàn)光或探測(cè)赤熱狀態(tài)物體時(shí)，一般物體時(shí)，一般選用硅管選用硅管； 對(duì)對(duì)紅外線紅外線進(jìn)行探測(cè)時(shí)，則進(jìn)行探測(cè)時(shí)，則采用鍺管采用鍺管較合適。較合適。2.2.2.2.光敏三極管的主要特性光敏三極管的主要特性0500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI / mA24620406080光敏晶體管的伏安特性光敏晶體管的伏安特性（2 2）伏安特性）伏安特性 光敏三極管在不同光敏三極管在不同照度照度下的伏安特性，就像一般晶體管在下的伏安特性，就像一般晶體管在不同不同基極電流基極電流時(shí)的輸出特性一樣。將入射光產(chǎn)生的時(shí)的輸出特性一樣。將入射光產(chǎn)生的光電流看作光電流看作基極電流基

34、極電流，就可將光敏三極管看作一般的晶體管。，就可將光敏三極管看作一般的晶體管。 光敏三極管把光信號(hào)變成電信號(hào)，且輸出的光敏三極管把光信號(hào)變成電信號(hào)，且輸出的電信號(hào)較大電信號(hào)較大。U/V2.2.2.2.光敏三極管的主要特性光敏三極管的主要特性光敏晶體管的光照特性光敏晶體管的光照特性（3 3）光照特性）光照特性 是輸出電流是輸出電流 I 和照度之間的關(guān)系；和照度之間的關(guān)系； 光電三極管的光電三極管的線性度線性度比比光電二極管要光電二極管要差差； 光電流和靈敏度比光電光電流和靈敏度比光電二極管二極管大幾十倍大幾十倍； 在弱光時(shí)靈敏度在弱光時(shí)靈敏度低低些，些，強(qiáng)光時(shí)出現(xiàn)強(qiáng)光時(shí)出現(xiàn)飽和飽和現(xiàn)象?，F(xiàn)象。2

35、.2.2.2.光敏三極管的主要特性光敏三極管的主要特性暗電流暗電流/mA光電流光電流/mA10 20 30 40 50 60 70T/C25 050100 02003004001020 30 4050 60 70 80T/C光敏晶體管的溫度特性光敏晶體管的溫度特性（4 4）溫度特性）溫度特性 是光敏三極管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系；是光敏三極管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系； 溫度變化對(duì)溫度變化對(duì)光電流的影響很小光電流的影響很小，而對(duì)，而對(duì)暗電流的影響很大暗電流的影響很大； 電子線路中應(yīng)該對(duì)電子線路中應(yīng)該對(duì)暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償。2.2.2.2.光敏三極管的主要特性光敏三極管的主

36、要特性（5 5）頻率特性）頻率特性 光敏三極管的頻率特性受光敏三極管的頻率特性受負(fù)載電阻負(fù)載電阻的影響，減小負(fù)載電的影響，減小負(fù)載電阻可以提高頻率響應(yīng)。阻可以提高頻率響應(yīng)。 光敏三極管的頻率響應(yīng)比光敏二極管差。光敏三極管的頻率響應(yīng)比光敏二極管差。0100100050050001000020406010080RL=1kRL=10kRL=100k入射光調(diào)制頻率入射光調(diào)制頻率 / HZ相相對(duì)對(duì)靈靈敏敏度度/%圖圖 光敏晶體管的頻率特性光敏晶體管的頻率特性2.2.2.2.光敏三極管的主要特性光敏三極管的主要特性四、光電管四、光電管真空光電管：真空光電管：真空（防止氧化）真空（防止氧化）充氣光電管：充氣

37、光電管：充充低壓惰性低壓惰性氣體氣體 典型結(jié)構(gòu)：典型結(jié)構(gòu)： 球形球形玻璃殼玻璃殼( (真空、低壓惰性氣體真空、低壓惰性氣體) ) 內(nèi)半球面上涂一層光電材料作為內(nèi)半球面上涂一層光電材料作為陰極陰極 球心放置小球形或小環(huán)形金屬作為球心放置小球形或小環(huán)形金屬作為陽(yáng)極陽(yáng)極 基于外光電效應(yīng)，將微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的光電器件?；谕夤怆娦?yīng)，將微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的光電器件。通常應(yīng)用于自動(dòng)控制、光度學(xué)測(cè)量和強(qiáng)度調(diào)制光的檢測(cè)。通常應(yīng)用于自動(dòng)控制、光度學(xué)測(cè)量和強(qiáng)度調(diào)制光的檢測(cè)。 陽(yáng)極材料：陽(yáng)極材料：金屬金屬陰極材料：陰極材料：堿金屬、汞、金、銀等堿金屬、汞、金、銀等 堿金屬：堿金屬： 指的是元素周期表指的

38、是元素周期表A族族的金屬元素：鋰、鈉、鉀等，的金屬元素：鋰、鈉、鉀等，是金屬性很強(qiáng)的元素，表現(xiàn)出較強(qiáng)的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性。是金屬性很強(qiáng)的元素，表現(xiàn)出較強(qiáng)的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性。 四、光電管四、光電管 K為陰極，內(nèi)表面涂有感光層（光電發(fā)射材為陰極，內(nèi)表面涂有感光層（光電發(fā)射材料）料） 。 A 為陽(yáng)極，呈圓環(huán)形或網(wǎng)形（金屬）。為陽(yáng)極，呈圓環(huán)形或網(wǎng)形（金屬）。 光照在陰極上，從陰極層發(fā)射光電子至真空。光照在陰極上，從陰極層發(fā)射光電子至真空。 在正向電場(chǎng)作用下，光電子在極間作加速運(yùn)動(dòng)，在正向電場(chǎng)作用下，光電子在極間作加速運(yùn)動(dòng)，最后被高電位的陽(yáng)極接收。最后被高電位的陽(yáng)極接收。結(jié)構(gòu)和工作原理：結(jié)構(gòu)和工作原理：光電管結(jié)構(gòu)

39、示意圖光電管結(jié)構(gòu)示意圖A AK K 在陽(yáng)極電路可測(cè)出光電流，飽和電流與入射在陽(yáng)極電路可測(cè)出光電流，飽和電流與入射光強(qiáng)度有嚴(yán)格比例關(guān)系。光強(qiáng)度有嚴(yán)格比例關(guān)系。I IU U0 0R RL LE E光電管測(cè)量電路圖光電管測(cè)量電路圖四、光電管四、光電管特點(diǎn)：特點(diǎn)： 光電陰極面積增大，靈敏度提高。光電陰極面積增大，靈敏度提高。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 體積比較大、工作電壓高達(dá)百伏到體積比較大、工作電壓高達(dá)百伏到數(shù)百伏、玻殼容易破碎。數(shù)百伏、玻殼容易破碎。 逐漸被固體光電器件取代。逐漸被固體光電器件取代。I IU U0 0R RL LE E光電管測(cè)量電路圖光電管測(cè)量電路圖四、光電管四、光電管（1）伏安特性）伏安特性

40、光照射在光電管的光陰極上能夠激發(fā)出能量不同的電子。陽(yáng)極電壓低時(shí)，只有能量高的電子能夠到達(dá)陽(yáng)極，升高陽(yáng)極電壓使低能量的電子也能到達(dá)陽(yáng)極。所以曲線低端，陽(yáng)極電壓越高，光電管的輸出電流越大。 根據(jù)愛(ài)因斯坦光量子假說(shuō)，一個(gè)光子的能量只能傳給一個(gè)電子。當(dāng)光照強(qiáng)度（光通量）一定時(shí)，光子的總數(shù)就是一定的，所能夠激發(fā)的電子總數(shù)就是一定的，當(dāng)陽(yáng)極電壓升高到一定值后，所有被激發(fā)出的電子都到達(dá)了陽(yáng)極，再升高陽(yáng)極電壓也不會(huì)有更多的光電子到達(dá)陽(yáng)極。所以陽(yáng)極電壓到達(dá)一定值后，電流達(dá)到飽和。此時(shí)若要增加光電流，只能增加光通量（增加光子的數(shù)量）。四、光電管四、光電管（2）光電管的光譜特性）光電管的光譜特性 一般對(duì)于不同光電陰

41、極材料的光電管，它們有不同的哄限頻率。因此他們可用于不同的光譜范圍。而且，同一光電管對(duì)于不同頻率的光的靈敏度不同。四、光電管四、光電管（3）光電管的光照特性）光電管的光照特性四、光電管四、光電管 當(dāng)光電管的陽(yáng)極和陰極之間所加的電壓一定是，光通量與光電流之間的關(guān)系稱為光電管的光照特性。 曲線1表示氧銫陰極光電管的光照特性，光電流與光通量成線性關(guān)系； 曲線2表示銻銫陰極的光電管光照特性，它呈非線性關(guān)系。光照特性曲線的斜率稱為光電管的靈敏度。 靈敏度很高，把微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，進(jìn)行放大。靈敏度很高，把微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，進(jìn)行放大。 使光電子數(shù)目得到成倍放大，放大倍數(shù)可達(dá)使光電子數(shù)目得到成倍放大，放大倍數(shù)可達(dá)106109。 在紅外、可見(jiàn)和紫外波段檢測(cè)在紅外、可見(jiàn)和紫外波段檢測(cè)微弱光信號(hào)微弱光信號(hào)最靈敏的器件最靈敏的器件之一，廣泛應(yīng)用于之一，廣泛應(yīng)用于微弱微弱光信號(hào)的測(cè)量、核物理領(lǐng)域及頻譜分光信號(hào)的測(cè)量、核物理領(lǐng)域及頻譜分析等方面。析等方面。五、光電倍增管五、光電倍增管 光電倍增管主要由光電倍增管主要由光窗、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、電子光窗、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、電子倍增系統(tǒng)和陽(yáng)極倍增系統(tǒng)和陽(yáng)極組成，玻璃殼真空封裝。組成，玻璃殼真空封裝。D