光電子第四章

1、第四章第四章 光輻射的探測技術(shù)光輻射的探測技術(shù) 4.1 光電探測器的物理效應(yīng)光電探測器的物理效應(yīng) 4.2 光電探測器的性能參數(shù)光電探測器的性能參數(shù) 4.3 光電探測器的噪聲光電探測器的噪聲 4.4 光電導(dǎo)探測器光電導(dǎo)探測器光敏電阻光敏電阻 4.5 PN結(jié)光伏探測器的工作模式結(jié)光伏探測器的工作模式 4.6 硅光電池硅光電池太陽電池太陽電池 4.7 光電二極管光電二極管 4.8 光熱探測器光熱探測器 4.9 直接探測系統(tǒng)的性能分析直接探測系統(tǒng)的性能分析 4.10 光頻外差探測的基本原理光頻外差探測的基本原理 4.1 光電探測器光電探測器(Detector)的物理效應(yīng)的物理效應(yīng) 光探測器：對各種光輻

2、射進行接收和探測的器件光探測器：對各種光輻射進行接收和探測的器件熱電探測器熱電探測器光子探測器光子探測器光輻射量光輻射量光電探測器光電探測器電量電量探測器件探測器件熱電探測器件熱電探測器件光子探測器件光子探測器件外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)非放大型非放大型放放 大大 型型光電導(dǎo)探測器光電導(dǎo)探測器光磁電探測器光磁電探測器光生伏特探測器光生伏特探測器本征型本征型摻雜型摻雜型非放大非放大放大型放大型真空光電管真空光電管充氣光電管充氣光電管光電倍增管光電倍增管變像管變像管攝像管攝像管像增強器像增強器光敏電阻光敏電阻紅外探測器紅外探測器光電池光電池光電二極管光電二極管光電三極管光電三極管光電

3、場效應(yīng)管光電場效應(yīng)管雪崩型光電二極管雪崩型光電二極管一、光子效應(yīng)和光熱效應(yīng)一、光子效應(yīng)和光熱效應(yīng)光子效應(yīng)光子效應(yīng)(photonic effect ) 指單個光子的性質(zhì)對產(chǎn)生的光電子起直接作用的一類光指單個光子的性質(zhì)對產(chǎn)生的光電子起直接作用的一類光電效應(yīng)。探測器吸收光子后，直接引起原子或分子的內(nèi)部電電效應(yīng)。探測器吸收光子后，直接引起原子或分子的內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。光子能量的大小直接影響內(nèi)部電子狀態(tài)的改子狀態(tài)的改變。光子能量的大小直接影響內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。變。特點特點對光波頻率表現(xiàn)出選擇性，響應(yīng)速度一般比較快。對光波頻率表現(xiàn)出選擇性，響應(yīng)速度一般比較快。 光熱效應(yīng)光熱效應(yīng)(phototherma

4、l effect ) 探測元件吸收光輻射能量后，并不直接引起內(nèi)部電子狀探測元件吸收光輻射能量后，并不直接引起內(nèi)部電子狀態(tài)的改變，而是把吸收的光能變?yōu)榫Ц竦臒徇\動能量，引起態(tài)的改變，而是把吸收的光能變?yōu)榫Ц竦臒徇\動能量，引起探測元件溫度上升，溫度上升的結(jié)果又使探測元件的電學(xué)性探測元件溫度上升，溫度上升的結(jié)果又使探測元件的電學(xué)性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化。質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化。特點特點原則上對光波頻率沒有選擇性，響應(yīng)速度一般比較慢。原則上對光波頻率沒有選擇性，響應(yīng)速度一般比較慢。 在紅外波段上，材料吸收率高，光熱效應(yīng)也就更強烈，在紅外波段上，材料吸收率高，光熱效應(yīng)也就更強烈，所以廣泛用于對紅外線

5、輻射的探測。所以廣泛用于對紅外線輻射的探測。例如：家庭式熱釋電紅外探測器例如：家庭式熱釋電紅外探測器一、光子效應(yīng)和光熱效應(yīng)一、光子效應(yīng)和光熱效應(yīng)二、光電發(fā)射效二、光電發(fā)射效應(yīng)應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng)EhEk221mvEkE：光電發(fā)射體的功函數(shù)：光電發(fā)射體的功函數(shù) 電子離開發(fā)射體表面時的動能電子離開發(fā)射體表面時的動能 在光照下，物體向表面以外的空間發(fā)射電子（即光電子）在光照下，物體向表面以外的空間發(fā)射電子（即光電子）的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。光電發(fā)射體光電發(fā)射體 能產(chǎn)生光電發(fā)射效應(yīng)的物體，在光電管中又稱為能產(chǎn)生光電發(fā)射效應(yīng)的物體，在光電管中又稱為光陰極光陰極。愛因斯坦方程愛因斯坦方程 截止頻率截止頻率截

6、止波長截止波長chEsnmsmcseVsJh/103/1031013. 4106 . 617141534)(24. 1)(eVEmc二、光電發(fā)射效二、光電發(fā)射效應(yīng)應(yīng)三、光電導(dǎo)效應(yīng)三、光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)現(xiàn)象光電導(dǎo)現(xiàn)象半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體材料的“體體”效應(yīng)效應(yīng)半導(dǎo)體半導(dǎo)體光輻射照射外加電壓的半導(dǎo)體，如果光波長光輻射照射外加電壓的半導(dǎo)體，如果光波長滿足如下條件：滿足如下條件： )()(24. 1)(本征eVEmgc)()(24. 1雜質(zhì)eVEi 是禁帶寬度是禁帶寬度gEiE是雜質(zhì)能帶寬度是雜質(zhì)能帶寬度光敏電阻光敏電阻三、光電導(dǎo)效應(yīng)三、光電導(dǎo)效應(yīng) 光子將在其中激發(fā)出新的載流子光子將在其中激發(fā)出新的載流子(

7、電子和空穴電子和空穴)。這就。這就使半導(dǎo)體中的載流子濃度在原來平衡值上增加了變化量使半導(dǎo)體中的載流子濃度在原來平衡值上增加了變化量np 這個新增加的部分在半導(dǎo)體物理中叫非平衡載流子這個新增加的部分在半導(dǎo)體物理中叫非平衡載流子-光生光生載流子載流子。G 顯然，這兩個變化量將使半導(dǎo)體的電導(dǎo)增加一個量顯然，這兩個變化量將使半導(dǎo)體的電導(dǎo)增加一個量 ，我們稱之為我們稱之為光電導(dǎo)光電導(dǎo)。相應(yīng)的雜質(zhì)半導(dǎo)體就分別稱為。相應(yīng)的雜質(zhì)半導(dǎo)體就分別稱為本征光電本征光電導(dǎo)導(dǎo)和和雜質(zhì)光電導(dǎo)雜質(zhì)光電導(dǎo)。 三、光電導(dǎo)效應(yīng)三、光電導(dǎo)效應(yīng)四、光伏效應(yīng)四、光伏效應(yīng)光伏現(xiàn)象光伏現(xiàn)象半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體材料的“結(jié)結(jié)”效效應(yīng)應(yīng) 例如：雪崩

8、二極管例如：雪崩二極管五、溫差電效應(yīng)五、溫差電效應(yīng) 當(dāng)兩種不同的配偶材料（可以是金屬或半導(dǎo)體）兩端當(dāng)兩種不同的配偶材料（可以是金屬或半導(dǎo)體）兩端并聯(lián)熔接時，如果兩個接頭的溫度不同，并聯(lián)回路中就產(chǎn)并聯(lián)熔接時，如果兩個接頭的溫度不同，并聯(lián)回路中就產(chǎn)生電動勢，稱為溫差電動勢。生電動勢，稱為溫差電動勢。 提高測量靈敏度提高測量靈敏度若干個熱電偶串聯(lián)起來使用若干個熱電偶串聯(lián)起來使用熱電堆熱電堆 六、熱釋電效應(yīng)六、熱釋電效應(yīng)熱釋電材料熱釋電材料電介質(zhì)電介質(zhì)一種結(jié)晶對稱性很差的壓電晶體一種結(jié)晶對稱性很差的壓電晶體在常態(tài)下具有自發(fā)電極化在常態(tài)下具有自發(fā)電極化( (即固有電偶極矩即固有電偶極矩) )ssP熱電體

9、的熱電體的| | |決定了面電荷密度決定了面電荷密度 的大小，當(dāng)發(fā)生變化時，的大小，當(dāng)發(fā)生變化時，面電荷密度也跟著變化面電荷密度也跟著變化sPsP| | |值是溫度的函數(shù)值是溫度的函數(shù)溫度升高溫度升高| | |減小。減小。 升高到升高到Tc值時，自發(fā)極化突然消失，值時，自發(fā)極化突然消失，TC稱為居里溫度稱為居里溫度 熱釋電體表面附近的自由電荷對面電荷的中和作用比較熱釋電體表面附近的自由電荷對面電荷的中和作用比較緩慢，一般在緩慢，一般在11000秒量級秒量級熱釋電探測器是一種熱釋電探測器是一種交流交流或瞬時響應(yīng)的器件?；蛩矔r響應(yīng)的器件。六、熱釋電效應(yīng)六、熱釋電效應(yīng)七、光電轉(zhuǎn)換定律七、光電轉(zhuǎn)換定律

10、光輻射量轉(zhuǎn)換為光電流量的過程光輻射量轉(zhuǎn)換為光電流量的過程 光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換 dtdnhvdtdEtP光 dtdnedtdQti電 tDPtiD探測器的光電轉(zhuǎn)換因子探測器的光電轉(zhuǎn)換因子光子光子電極電極電極電極耗盡層耗盡層SiO2p+nn+dtdndtdn光電hveD 探測器的量子效率探測器的量子效率)()(tPhveti光電轉(zhuǎn)換定律光電轉(zhuǎn)換定律*光功率光功率P正比于光電場的平方正比于光電場的平方 平方律探測器平方律探測器非線性器件非線性器件(本質(zhì)本質(zhì))。*光子探測器對入射功率響應(yīng)光子探測器對入射功率響應(yīng)(光電流光電流) 一個光子探測器可視為一個電流源。一個光子探測器可視為一個電流源。 七、光電轉(zhuǎn)

11、換定律七、光電轉(zhuǎn)換定律光電檢測器件的特點光電檢測器件的特點光子器件光子器件熱電器件熱電器件響應(yīng)波長有選擇性，一般有響應(yīng)波長有選擇性，一般有截止波長，超過該波長，器截止波長，超過該波長，器件無響應(yīng)件無響應(yīng)響應(yīng)波長無選擇性，對可見響應(yīng)波長無選擇性，對可見光到遠紅外的各種波長的輻光到遠紅外的各種波長的輻射同樣敏感射同樣敏感響應(yīng)快，吸收輻射產(chǎn)生信號響應(yīng)快，吸收輻射產(chǎn)生信號需要的時間短，一般為納秒需要的時間短，一般為納秒到幾百微秒到幾百微秒響應(yīng)慢，一般為幾毫秒響應(yīng)慢，一般為幾毫秒Laser光電探測器光電探測器 夜色降臨，海面上有一無形的，視而不見，觸而不覺的夜色降臨，海面上有一無形的，視而不見，觸而不覺

12、的哨兵哨兵-紅外激光探測器監(jiān)視著海面，當(dāng)有不速之客到來，光紅外激光探測器監(jiān)視著海面，當(dāng)有不速之客到來，光線擋斷，光電探測器探測不到激光而進行聲光報警。線擋斷，光電探測器探測不到激光而進行聲光報警。Laser 光電探測器在光電探測器在軍事軍事和和國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域有廣泛用途。有廣泛用途。在可見光或近紅外波段主要用于射線測量和探測、在可見光或近紅外波段主要用于射線測量和探測、工業(yè)自動工業(yè)自動控制、光度計量控制、光度計量等；在紅外波段主要用于等；在紅外波段主要用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、紅外熱導(dǎo)彈制導(dǎo)、紅外熱成像、紅外遙感成像、紅外遙感等方面。等方面。 4.2 光電探測器的性能參數(shù)光電探測器的性

13、能參數(shù) 一、積分靈敏度一、積分靈敏度R 靈敏度也常稱作靈敏度也常稱作響應(yīng)度響應(yīng)度，是光電探測器光電轉(zhuǎn)換特性，是光電探測器光電轉(zhuǎn)換特性，光譜特性以及頻率特性的量度。光譜特性以及頻率特性的量度。dPdiRiPidPduRuPu 光電流光電流i(或光電壓或光電壓u)和入射光功率和入射光功率P之間的關(guān)系之間的關(guān)系if (P)，稱為探測器的稱為探測器的光電特性光電特性。靈敏度靈敏度R定義為這個曲線的斜率，即定義為這個曲線的斜率，即 (線性區(qū)內(nèi)線性區(qū)內(nèi)) (安安/瓦瓦) (線性區(qū)內(nèi)線性區(qū)內(nèi)) (伏伏/瓦瓦) R i和和R u分別稱為積分電流和積分電壓靈敏度，分別稱為積分電流和積分電壓靈敏度，i和和u稱為稱

14、為電表測量的電流、電壓有效值。電表測量的電流、電壓有效值。 光功率光功率P是指分布在某一光譜范圍內(nèi)的總功率。是指分布在某一光譜范圍內(nèi)的總功率。有些教有些教材采用材采用微安微安/ /流明流明 1dPdiR 光功率譜密度光功率譜密度P由于光電探測器的光譜選擇性，在其它由于光電探測器的光譜選擇性，在其它條件下不變的情況下，光電流將是光波長的函數(shù)，記為條件下不變的情況下，光電流將是光波長的函數(shù)，記為i，于是光譜靈敏度于是光譜靈敏度R定義為定義為 R是常數(shù)時，相應(yīng)探測器稱為是常數(shù)時，相應(yīng)探測器稱為無選擇性探測器無選擇性探測器(如光熱探測如光熱探測器器)，光子探測器則是選擇性探測器。，光子探測器則是選擇性

15、探測器。通常給出的是通常給出的是相對光譜靈敏度相對光譜靈敏度S定義為定義為 Rm是指是指R的最大值，的最大值，S為無量綱，隨為無量綱，隨變化的曲線稱為變化的曲線稱為光光譜靈敏度曲線譜靈敏度曲線。)2(/mRRS二、光譜靈敏度二、光譜靈敏度R三、頻率靈敏度三、頻率靈敏度Rf(響應(yīng)頻率響應(yīng)頻率fc和響應(yīng)時間和響應(yīng)時間t) 若入射光是強度調(diào)制，在其它條件不變下，光電流若入射光是強度調(diào)制，在其它條件不變下，光電流if將將隨調(diào)頻隨調(diào)頻f的升高而下降，這時的靈敏度稱為的升高而下降，這時的靈敏度稱為頻率靈敏度頻率靈敏度Rf，PiRff20)2(1fiiff定義為定義為if是光電流時變函數(shù)的付里葉變換，通常是

16、光電流時變函數(shù)的付里葉變換，通常 稱為探測器的響應(yīng)時間或時間常數(shù)，由材料、結(jié)構(gòu)和外稱為探測器的響應(yīng)時間或時間常數(shù)，由材料、結(jié)構(gòu)和外電路決定。電路決定。 頻率靈敏度頻率靈敏度20)2(1fRRf00707. 02/RR21cf 這就是探測器的這就是探測器的頻率特性頻率特性，R f隨隨f 升高而下降的速度與升高而下降的速度與值大小關(guān)系很大。值大小關(guān)系很大。一般規(guī)定，一般規(guī)定，R f下降到下降到從上式可見：從上式可見：當(dāng)當(dāng)ffc時，認為光電流能線性再現(xiàn)光功率時，認為光電流能線性再現(xiàn)光功率P的變化。的變化。如果是脈沖形式的入射光，則更常用響應(yīng)時間來描述。如果是脈沖形式的入射光，則更常用響應(yīng)時間來描述。

17、 頻率頻率fc為探測器的為探測器的截止響應(yīng)頻率截止響應(yīng)頻率和和響應(yīng)頻率響應(yīng)頻率。三、頻率靈敏度三、頻率靈敏度Rf(響應(yīng)頻率響應(yīng)頻率fc和響應(yīng)時間和響應(yīng)時間t) 探測器對突然光照的輸出電流，要經(jīng)過一定時間才能探測器對突然光照的輸出電流，要經(jīng)過一定時間才能上升到與這一輻射功率相應(yīng)的穩(wěn)定值上升到與這一輻射功率相應(yīng)的穩(wěn)定值i。21cf),(fPuFi 當(dāng)輻射突然降去后，輸出電流也需要經(jīng)過一定時間才能當(dāng)輻射突然降去后，輸出電流也需要經(jīng)過一定時間才能下降到零。下降到零。一般而論，上升和下降時間相等，時間常數(shù)近似地由一般而論，上升和下降時間相等，時間常數(shù)近似地由 決定。決定。光電流是兩端電壓光電流是兩端電壓

18、u、光功率光功率P、光波長、光波長和光強調(diào)制頻和光強調(diào)制頻率率f的函數(shù)，即的函數(shù)，即三、頻率靈敏度三、頻率靈敏度Rf(響應(yīng)頻率響應(yīng)頻率fc和響應(yīng)時間和響應(yīng)時間t) 以以u，P，為參變量，為參變量，iF（f）的關(guān)系稱為）的關(guān)系稱為光電頻率特性光電頻率特性，相應(yīng)的曲線稱為相應(yīng)的曲線稱為頻率特性曲線頻率特性曲線。同樣，同樣，i=F (P)及曲線稱為及曲線稱為光電特性曲線光電特性曲線。iF ()及其曲線稱為及其曲線稱為光譜特性曲線光譜特性曲線。而而iF (u)及其曲線稱為及其曲線稱為伏安特性曲線伏安特性曲線。 當(dāng)這些曲線給出時，靈敏度當(dāng)這些曲線給出時，靈敏度R的值就可以從曲線中求出，的值就可以從曲線中

19、求出，而且還可以利用這些曲線，尤其是伏安特性曲線來設(shè)計探測而且還可以利用這些曲線，尤其是伏安特性曲線來設(shè)計探測器的使用電路。器的使用電路。 量子效率：在某一特定波長上，每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的光電子量子效率：在某一特定波長上，每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光量子數(shù)之比。數(shù)與入射光量子數(shù)之比。四、量子效率四、量子效率 對理想的探測器，入射一個光量子發(fā)射一個電子，對理想的探測器，入射一個光量子發(fā)射一個電子， =1實際上，實際上， 1量子效率是一個微觀參數(shù)，量子效率愈高愈好。量子效率是一個微觀參數(shù)，量子效率愈高愈好。 如果說靈敏度如果說靈敏度R是從宏觀角度描述了光電探測器的光是從宏觀角度描述了光電探測器的光電、

20、光譜以及頻率特性，那么量子效率電、光譜以及頻率特性，那么量子效率則是對同一個問則是對同一個問題的微觀題的微觀宏觀描述。宏觀描述。iRehiRehc這里給出量子效率和靈敏度關(guān)系這里給出量子效率和靈敏度關(guān)系對某一波長來說，其光譜量子效率對某一波長來說，其光譜量子效率 ： c是材料中的光速。是材料中的光速。量子效率正比于靈敏度而反比于波長。量子效率正比于靈敏度而反比于波長。 iRehdtdndtdn光電)()(tPhveti五、通量閾五、通量閾Pth和噪聲等效功率和噪聲等效功率NEP 從靈敏度從靈敏度R的定義式的定義式dPdiRiPi2/ 12)(nnii 可見，如果可見，如果P0，應(yīng)有，應(yīng)有i=0

21、實際情況是，當(dāng)實際情況是，當(dāng)P0時，光電探測器的輸出電流并不為零。時，光電探測器的輸出電流并不為零。 這個電流稱為這個電流稱為暗電流或噪聲電流暗電流或噪聲電流，記為，記為它是瞬時噪聲電流的有效值。它是瞬時噪聲電流的有效值。顯然，這時靈敏度顯然，這時靈敏度R巳失去意義，我們必須定義一個新參量巳失去意義，我們必須定義一個新參量來描述光電探測器的這種特性。來描述光電探測器的這種特性。光功率光功率Ps和和Pb分別為信號和背景光功率。分別為信號和背景光功率。即使即使Ps和和Pb都為零，也會有噪聲輸出。都為零，也會有噪聲輸出。噪聲的存在，限制了探測微弱信號的能力。噪聲的存在，限制了探測微弱信號的能力。通常

22、認為，如果信號光功率產(chǎn)生的信號光電流通常認為，如果信號光功率產(chǎn)生的信號光電流is等于噪聲等于噪聲電流電流in，那么就認為剛剛能探測到光信號存在。，那么就認為剛剛能探測到光信號存在。 依照這一判據(jù)，定義探測器的通量閾依照這一判據(jù)，定義探測器的通量閾Pth為為)(瓦inthRiP五、通量閾五、通量閾Pth和噪聲等效功率和噪聲等效功率NEP 例：若例：若Ri=10A/W，in=0.01A，則通量閾，則通量閾Pth0.001W。即。即小于小于0.001微瓦的信號光功率不能被探測器所得知，所以，微瓦的信號光功率不能被探測器所得知，所以，通量通量閾是探測器所能探測的最小光信號功率。閾是探測器所能探測的最小

23、光信號功率。nsiiSNRnsuuSNR(電壓信噪比電壓信噪比) 采用另一種更通用的表述方法，這就是采用另一種更通用的表述方法，這就是噪聲等效功率噪聲等效功率NEP（Noise Equivalent Power） 。它定義為單位信噪比時的信號。它定義為單位信噪比時的信號光功率。信噪比光功率。信噪比SNR定義為定義為 (電流信噪比電流信噪比) 于是有于是有 ：1)SNR(NEPisisPSNRPNEP越小，表明探測微弱信號的能力越強。所以越小，表明探測微弱信號的能力越強。所以NEP是是描述光電探測器探測能力的參數(shù)。描述光電探測器探測能力的參數(shù)。五、通量閾五、通量閾Pth和噪聲等效功率和噪聲等效功

24、率NEP )(NEP11瓦DNEP越小，探測器探測能力越高，不符合人們越小，探測器探測能力越高，不符合人們“越大越越大越好好”的習(xí)慣，于是取的習(xí)慣，于是取NEP的倒數(shù)并定義為探測度的倒數(shù)并定義為探測度D，即，即六、歸一化探測度六、歸一化探測度D*這樣，這樣，D值大的探測器就表明其探測力高。值大的探測器就表明其探測力高。常需要在同類型的不同探測器之間進行比較，發(fā)現(xiàn)常需要在同類型的不同探測器之間進行比較，發(fā)現(xiàn)“D值大的探測器其探測能力一定好值大的探測器其探測能力一定好”的結(jié)論并不充分。的結(jié)論并不充分。主要是探測器光敏面積主要是探測器光敏面積A和測量帶寬和測量帶寬f對對D值影響甚大。值影響甚大。探測

25、器的噪聲功率探測器的噪聲功率N f，所以，所以)(fin21)(fD21)(Ain21)( AD于是由于是由D的定義知的定義知另一方面，探測器的噪聲功率另一方面，探測器的噪聲功率N A 所以所以又有又有六、歸一化探測度六、歸一化探測度D*把兩種因素一并考慮，把兩種因素一并考慮，21)(fADfADD*)W/Hzcm(21定義定義 稱為歸一化探測度。稱為歸一化探測度。這時就可以說：這時就可以說：D*大的探測器其探測能力一定好。大的探測器其探測能力一定好?？紤]到光譜的響應(yīng)特性，一般給出考慮到光譜的響應(yīng)特性，一般給出D*值時注明響應(yīng)波長值時注明響應(yīng)波長、光輻射調(diào)制頻率、光輻射調(diào)制頻率f及測量帶寬及測

26、量帶寬f，即，即D*(, f ,f )。六、歸一化探測度六、歸一化探測度D*七、其它參數(shù)七、其它參數(shù) 光電探測器還有其它一些特性參光電探測器還有其它一些特性參數(shù)，在使用時必須注意到，例如數(shù)，在使用時必須注意到，例如光敏光敏面積面積，探測器，探測器電阻，電容電阻，電容等。等。 特別是特別是極限工作條件極限工作條件，正常使用，正常使用時都不允許超過這些指標，否則會影時都不允許超過這些指標，否則會影響探測器的正常工作，甚至使探測器響探測器的正常工作，甚至使探測器損壞。損壞。 通常規(guī)定了通常規(guī)定了工作電壓、電流、溫度工作電壓、電流、溫度以及以及光照功率允許范圍光照功率允許范圍，使用時要特，使用時要特別

27、加以注意。別加以注意。 光敏電阻光敏電阻光電二極管光電二極管 光電池光電池光電檢測器件的性能參數(shù)光電檢測器件的性能參數(shù)參數(shù)參數(shù)物理描述物理描述表達式表達式單位單位積分靈敏度積分靈敏度光電轉(zhuǎn)換特性的量度光電轉(zhuǎn)換特性的量度安安/ /瓦瓦伏伏/ /瓦瓦光譜靈敏度光譜靈敏度對某一波長光電轉(zhuǎn)換的量度對某一波長光電轉(zhuǎn)換的量度安安/ /瓦瓦頻率靈敏度頻率靈敏度電流隨調(diào)制頻率變化的量度電流隨調(diào)制頻率變化的量度安安/ /瓦瓦量子效率量子效率吸收的光子數(shù)和激發(fā)的電子數(shù)吸收的光子數(shù)和激發(fā)的電子數(shù)之比之比通量閾通量閾探測器所能探測的最小光信號探測器所能探測的最小光信號功率功率瓦瓦噪聲等效功率噪聲等效功率單位信噪比時的

28、信號光功率單位信噪比時的信號光功率瓦瓦歸一化探測度歸一化探測度與噪聲等效功率成倒數(shù)、光敏與噪聲等效功率成倒數(shù)、光敏面積和測量帶寬有關(guān)面積和測量帶寬有關(guān)厘米厘米. .赫赫茲茲1/2/ /瓦瓦pidpdiRidPdiR piRffiRehinthRiP 1iSNRsPNEPNEPfAD/*pudpduRu4.3 光電探測器的噪聲光電探測器的噪聲 主要分為主要分為:有形噪聲和無規(guī)則噪聲有形噪聲和無規(guī)則噪聲 前者一般可以預(yù)知，因而總可以設(shè)法減少和消除。前者一般可以預(yù)知，因而總可以設(shè)法減少和消除。后者來自物理系統(tǒng)內(nèi)部，表現(xiàn)為一種無規(guī)則起伏。后者來自物理系統(tǒng)內(nèi)部，表現(xiàn)為一種無規(guī)則起伏。例如，電阻中自由電子

29、的熱運動，真空管中電子的隨機發(fā)射，例如，電阻中自由電子的熱運動，真空管中電子的隨機發(fā)射，半導(dǎo)體中載流子隨機的產(chǎn)生和復(fù)合等，這些隨機因素把一種半導(dǎo)體中載流子隨機的產(chǎn)生和復(fù)合等，這些隨機因素把一種無規(guī)則起伏施加給有用信號。無規(guī)則起伏施加給有用信號。 一、噪聲的概念一、噪聲的概念 當(dāng)入射光強度較大時，在示波器上可以看到正當(dāng)入射光強度較大時，在示波器上可以看到正弦變化的信號電壓波形弦變化的信號電壓波形 。 降低入射光功率時，增大放大率，發(fā)現(xiàn)正弦電降低入射光功率時，增大放大率，發(fā)現(xiàn)正弦電壓信號上出現(xiàn)許多無規(guī)起伏，使正弦信號變得模糊壓信號上出現(xiàn)許多無規(guī)起伏，使正弦信號變得模糊不清不清(圖圖(b)。 再降低

30、入射光功率時，正弦波幅度越來越小，再降低入射光功率時，正弦波幅度越來越小，而雜亂無章的變化愈來愈大。最后只剩下了無規(guī)則而雜亂無章的變化愈來愈大。最后只剩下了無規(guī)則的起伏，完全看不出什么正弦變化，這叫做噪聲完的起伏，完全看不出什么正弦變化，這叫做噪聲完全埋沒了信號。當(dāng)然這時探測器也失去了探測弱光全埋沒了信號。當(dāng)然這時探測器也失去了探測弱光信號的能力。信號的能力。探探測測器器放放大大器器示波器示波器(a)(b)(c)光光 一、噪聲的概念一、噪聲的概念 起伏噪聲對有用信號的影響：起伏噪聲對有用信號的影響：任何一個探測器，都一定有噪聲。也就是說，在它輸出端任何一個探測器，都一定有噪聲。也就是說，在它輸

31、出端總存在著一些毫無規(guī)律，事先無法預(yù)知的電壓起伏?？偞嬖谥恍┖翢o規(guī)律，事先無法預(yù)知的電壓起伏。這種無規(guī)起伏，在統(tǒng)計學(xué)中稱為隨機起伏，它是微觀世界這種無規(guī)起伏，在統(tǒng)計學(xué)中稱為隨機起伏，它是微觀世界服從統(tǒng)計規(guī)律的反映。服從統(tǒng)計規(guī)律的反映。從這個意義上說，實現(xiàn)微弱光信號的探測，就是從噪聲中從這個意義上說，實現(xiàn)微弱光信號的探測，就是從噪聲中如何提取信號的問題，這是當(dāng)今信息探測理論研究的中心如何提取信號的問題，這是當(dāng)今信息探測理論研究的中心課題之一。課題之一。 一、噪聲的概念一、噪聲的概念 二、噪聲的描述二、噪聲的描述 噪聲電壓隨時間無規(guī)則起伏情況。噪聲電壓隨時間無規(guī)則起伏情況。顯然，無法用預(yù)先確知的

32、時間函數(shù)來描述它。顯然，無法用預(yù)先確知的時間函數(shù)來描述它。然而，噪聲本身是統(tǒng)計獨立的，所以能用統(tǒng)計的方法來描述。然而，噪聲本身是統(tǒng)計獨立的，所以能用統(tǒng)計的方法來描述。長時間看，噪聲電壓從零向上漲和向下落的機會是相等的，其長時間看，噪聲電壓從零向上漲和向下落的機會是相等的，其時間平均值一定為零。所以用時間平均值無法描述噪聲大小。時間平均值一定為零。所以用時間平均值無法描述噪聲大小。 ) (tun) 0 ( g)(tgtt00(a)(b)但是，如果我們先取噪聲電壓的平方，然后求這些平方值對時但是，如果我們先取噪聲電壓的平方，然后求這些平方值對時間的平均值，再開方，就得到所謂方均根噪聲電壓間的平均值

33、，再開方，就得到所謂方均根噪聲電壓un，即，即這正是我們用電壓表所測量到的那種有效電壓。這正是我們用電壓表所測量到的那種有效電壓。雖然噪聲電壓的起伏是毫無規(guī)則，無法預(yù)知的，但其方均根電雖然噪聲電壓的起伏是毫無規(guī)則，無法預(yù)知的，但其方均根電壓卻具有確定值。壓卻具有確定值。這就是噪聲電壓這就是噪聲電壓(噪聲電流也一樣噪聲電流也一樣)服從統(tǒng)計規(guī)律的反映。服從統(tǒng)計規(guī)律的反映。由于產(chǎn)生探測器起伏噪聲的因素往往很多，且這些因素又彼此由于產(chǎn)生探測器起伏噪聲的因素往往很多，且這些因素又彼此獨立，所以總的噪聲功率等于各種獨立的噪聲功率之和，即獨立，所以總的噪聲功率等于各種獨立的噪聲功率之和，即 212)(tuu

34、nn 二、噪聲的描述二、噪聲的描述 為此，把探測器輸出的方均根噪聲電壓為此，把探測器輸出的方均根噪聲電壓(電流電流)稱為探測器的稱為探測器的噪聲電壓噪聲電壓(電流電流)。顯然，探測噪聲的存在，就使得探測器對光信號的探測本領(lǐng)顯然，探測噪聲的存在，就使得探測器對光信號的探測本領(lǐng)受到一個限制。受到一個限制。所以定量估計探測器的噪聲大小就顯得很重要了。所以定量估計探測器的噪聲大小就顯得很重要了。由于許多時域問題往往在頻域中討論可能更為方便，方法是由于許多時域問題往往在頻域中討論可能更為方便，方法是付里葉變換付里葉變換。若噪聲電壓為若噪聲電壓為un(t)，則其付里葉變換對為，則其付里葉變換對為22212

35、nnnuuu22212nnnnuuuu 二、噪聲的描述二、噪聲的描述 成立的條件是成立的條件是un(t)絕對可積，即絕對可積，即顯然，無限延續(xù)的噪聲電壓并不能滿足上式。顯然，無限延續(xù)的噪聲電壓并不能滿足上式。因此，無限延續(xù)的噪聲電壓的幅度付里葉譜不存在。因此，無限延續(xù)的噪聲電壓的幅度付里葉譜不存在。為了克服這個困難，但還要使用付里葉變換的方法，辦法是為了克服這個困難，但還要使用付里葉變換的方法，辦法是引入噪聲電壓的自相關(guān)和功率譜。引入噪聲電壓的自相關(guān)和功率譜。dtetuutjnn)()(deututjnn)(21)(dttun)( 二、噪聲的描述二、噪聲的描述 自相關(guān)定義為：自相關(guān)定義為：意思

36、是對噪聲電壓進行卷積運算并求時間平均值。意思是對噪聲電壓進行卷積運算并求時間平均值。顯然它滿足絕對可積條件，因而它的變換譜存在，即顯然它滿足絕對可積條件，因而它的變換譜存在，即在自相關(guān)定義中，令在自相關(guān)定義中，令t0，則，則)1 ()()(21lim)(dutuTtgTTnnT)2()()(detggtj)3()(21)(degtgtj)4()(21lim)0(22nTTnTuduTg) 0 ( g)(tgt0 二、噪聲的描述二、噪聲的描述 式中式中 表示噪聲電壓平方的平均值，表示噪聲電壓平方的平均值，它的物理意義：噪聲電壓消耗在它的物理意義：噪聲電壓消耗在1電阻上的平均功率。電阻上的平均功率

37、。同樣，在同樣，在(3)式中令式中令t0，則有：，則有： 式中使用了式中使用了 的關(guān)系。的關(guān)系。為了表述得更清楚一些，還可以從為了表述得更清楚一些，還可以從(4)式出發(fā)，并令式出發(fā)，并令再應(yīng)用付里葉變換對，可以證明：再應(yīng)用付里葉變換對，可以證明：2nu)4()(21lim)0(22nTTnTuduTgdgugn)(21)0(2)5()(dffgf2)()()(*2nnnuuu 二、噪聲的描述二、噪聲的描述 比較比較(5)和和(6)式，就有式，就有 或或它們是單位頻帶噪聲電壓消耗在它們是單位頻帶噪聲電壓消耗在1電阻上的平均功率，稱為電阻上的平均功率，稱為噪聲電壓的功率譜噪聲電壓的功率譜。實際上，

38、探測器的測量帶寬是有限的，用實際上，探測器的測量帶寬是有限的，用f表示，那么當(dāng)表示，那么當(dāng)g( f )常數(shù)常數(shù)(這種噪聲又稱為白噪聲這種噪聲又稱為白噪聲)時時: 于是，求噪聲于是，求噪聲 或或Vn的問題就轉(zhuǎn)化為求解噪聲功率譜的問題就轉(zhuǎn)化為求解噪聲功率譜g(f)的問的問題了題了. duTugnTn22)(21lim21)0(dun2)(21)6()(2dffun2)()(nug2)()(fufgnffgugn)(2)0(22nu 二、噪聲的描述二、噪聲的描述 按噪聲產(chǎn)生的原因，可分為以下幾類按噪聲產(chǎn)生的原因，可分為以下幾類 噪聲噪聲 外部原因外部原因 內(nèi)部原因內(nèi)部原因 人為噪聲人為噪聲 自然噪聲

39、自然噪聲散粒噪聲散粒噪聲 產(chǎn)生復(fù)合噪聲產(chǎn)生復(fù)合噪聲 光子噪聲光子噪聲 熱噪聲熱噪聲 低頻噪聲低頻噪聲 溫度噪聲溫度噪聲 放大器噪聲放大器噪聲 三、光電探測器的噪聲源三、光電探測器的噪聲源 1.散粒噪聲：散粒噪聲：無光照下，由于熱激發(fā)作用，而隨機地產(chǎn)生電子所造成的起無光照下，由于熱激發(fā)作用，而隨機地產(chǎn)生電子所造成的起伏（以光電子發(fā)射為例）。伏（以光電子發(fā)射為例）。由于由于起伏單元是電子電荷量起伏單元是電子電荷量e，故稱為，故稱為散粒噪聲散粒噪聲，這種噪聲，這種噪聲存在于存在于所有所有光電探測器中。光電探測器中。三、光電探測器的噪聲源三、光電探測器的噪聲源 2.熱噪聲熱噪聲 電阻材料，即使在恒定的

40、溫度下，其內(nèi)部的自由載流電阻材料，即使在恒定的溫度下，其內(nèi)部的自由載流子數(shù)目及運動狀態(tài)也是隨機的，由此而構(gòu)成無偏壓下的起子數(shù)目及運動狀態(tài)也是隨機的，由此而構(gòu)成無偏壓下的起伏電動勢。伏電動勢。 這種由載流子的熱運動引起的起伏就是電阻材料的這種由載流子的熱運動引起的起伏就是電阻材料的熱熱噪聲噪聲，或稱為，或稱為約翰遜（約翰遜（Johnson）噪聲）噪聲。 熱噪聲是由導(dǎo)體或半導(dǎo)體中載流子隨機熱激發(fā)的波動熱噪聲是由導(dǎo)體或半導(dǎo)體中載流子隨機熱激發(fā)的波動而引起的。其大小與電阻的阻值、溫度及工作帶寬有關(guān)。而引起的。其大小與電阻的阻值、溫度及工作帶寬有關(guān)。三、光電探測器的噪聲源三、光電探測器的噪聲源 3. 1

41、/f 噪聲噪聲 1/f 噪聲又稱為噪聲又稱為閃爍或低頻噪聲閃爍或低頻噪聲。 這種噪聲是由于這種噪聲是由于光敏層的微粒不均勻光敏層的微粒不均勻或或不必要的微量雜不必要的微量雜質(zhì)的存在質(zhì)的存在，當(dāng)電流流過時在微粒間發(fā)生微火花放電而引起的，當(dāng)電流流過時在微粒間發(fā)生微火花放電而引起的微電爆脈沖。微電爆脈沖。 幾乎在所有探測器中都存在這種噪聲。它主要出現(xiàn)在大幾乎在所有探測器中都存在這種噪聲。它主要出現(xiàn)在大約約1KHz以下的低頻頻域，而且與光輻射的調(diào)制頻率以下的低頻頻域，而且與光輻射的調(diào)制頻率f成反比，成反比，故稱為低頻噪聲或故稱為低頻噪聲或1/f 噪聲。噪聲。 實驗發(fā)現(xiàn)，探測器表面的工藝狀態(tài)實驗發(fā)現(xiàn)，探

42、測器表面的工藝狀態(tài)(缺陷或不均勻等缺陷或不均勻等)對這對這種噪聲的影響很大，所以有時也稱為種噪聲的影響很大，所以有時也稱為表面噪聲或過剩噪聲表面噪聲或過剩噪聲。 三、光電探測器的噪聲源三、光電探測器的噪聲源 4.4 光電導(dǎo)探測器光電導(dǎo)探測器光敏電阻光敏電阻一、原理及結(jié)構(gòu)一、原理及結(jié)構(gòu)在光的照射下，材料的電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)在光的照射下，材料的電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。效應(yīng)。光敏電阻是基于光電導(dǎo)效應(yīng)做成的光電器件。光敏電阻是基于光電導(dǎo)效應(yīng)做成的光電器件。一、原理及結(jié)構(gòu)一、原理及結(jié)構(gòu)一、原理及結(jié)構(gòu)一、原理及結(jié)構(gòu)一、原理及結(jié)構(gòu)一、原理及結(jié)構(gòu)一、原理及結(jié)構(gòu)一、原理及結(jié)構(gòu)組成：它由一

43、塊涂在絕緣基底上組成：它由一塊涂在絕緣基底上的光電導(dǎo)材料薄膜和兩端接有兩的光電導(dǎo)材料薄膜和兩端接有兩個引線，封裝在帶有窗口的金屬個引線，封裝在帶有窗口的金屬或塑料外殼內(nèi)。電極和光電導(dǎo)體或塑料外殼內(nèi)。電極和光電導(dǎo)體之間呈歐姆接觸。之間呈歐姆接觸。結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：pR光敏電阻在電路中的符號光敏電阻在電路中的符號一、原理及結(jié)構(gòu)一、原理及結(jié)構(gòu)1、光電特性：、光電特性：g光SIuP15.0光電流與光功率的關(guān)系：光電流與光功率的關(guān)系： 光照指數(shù)光照指數(shù)：電壓指數(shù)：電壓指數(shù)光IE（1）弱光時，）弱光時， 與照度與照度 成線性關(guān)系成線性關(guān)系（2) 強光時，光電流與照度成拋物線強光時，光電流與照度成拋物線二、特性參

44、數(shù)二、特性參數(shù)強光照下光電特性的分析：強光照下光電特性的分析： 光照增強的同時，載流子濃度不斷的增加，同時光敏光照增強的同時，載流子濃度不斷的增加，同時光敏電阻的溫度也在升高，從而導(dǎo)致載流子運動加劇，因此復(fù)電阻的溫度也在升高，從而導(dǎo)致載流子運動加劇，因此復(fù)合幾率也增大，光電流呈飽和趨勢。（冷卻可以改善）合幾率也增大，光電流呈飽和趨勢。（冷卻可以改善）1、光電特性：、光電特性：2、伏安特性：、伏安特性：50100510)(VV0ELx10Lx100Lx1000)(mAI0在一定的光照下，光電流在一定的光照下，光電流 I光光與所加電壓與所加電壓的關(guān)系的關(guān)系一定的光照下，一定的光照下，光光與電壓與電

45、壓的關(guān)系的關(guān)系; 相同的電壓下，相同的電壓下，光光與光照與光照的關(guān)系的關(guān)系 說明：說明：（1) 光敏電阻為純電阻，符合歐姆定律，對多數(shù)半導(dǎo)體，當(dāng)光敏電阻為純電阻，符合歐姆定律，對多數(shù)半導(dǎo)體，當(dāng) 電場強度電場強度超過超過104伏特伏特/厘米厘米 （強光時），（強光時），不遵守歐姆不遵守歐姆 定律定律。硫化鎘例外，其伏安特性在硫化鎘例外，其伏安特性在100多伏就不成線性了。多伏就不成線性了。（2）光照使光敏電阻發(fā)熱，使得在額定功耗內(nèi)工作，其最）光照使光敏電阻發(fā)熱，使得在額定功耗內(nèi)工作，其最高使用電壓由其耗散功率所決定，而功耗功率又和其高使用電壓由其耗散功率所決定，而功耗功率又和其面積面積大小、大小

46、、散熱散熱情況有關(guān)。情況有關(guān)。（3）伏安特性曲線和負載線的交點即為光敏電阻的工作點。）伏安特性曲線和負載線的交點即為光敏電阻的工作點。 3、溫度特性：、溫度特性：20406080100T501001502000I 溫度的變化，引起溫度噪聲，導(dǎo)致其溫度的變化，引起溫度噪聲，導(dǎo)致其靈敏度靈敏度、光照特性光照特性等都發(fā)生變化。為了提高靈敏度，必須采用冷卻裝置，尤其等都發(fā)生變化。為了提高靈敏度，必須采用冷卻裝置，尤其是雜質(zhì)型半導(dǎo)體受溫度影響更明顯。是雜質(zhì)型半導(dǎo)體受溫度影響更明顯。4前歷效應(yīng)前歷效應(yīng) 1-黑暗放置黑暗放置3分鐘后分鐘后 2-黑暗放置黑暗放置60分鐘后分鐘后 3-黑暗放置黑暗放置24小時后

47、小時后指光敏電阻的時間特性與工作前指光敏電阻的時間特性與工作前“歷史歷史”有關(guān)的一種現(xiàn)有關(guān)的一種現(xiàn)象。即測試前光敏電阻所處狀態(tài)對光敏電阻特性的影響。象。即測試前光敏電阻所處狀態(tài)對光敏電阻特性的影響。暗態(tài)前歷效應(yīng)暗態(tài)前歷效應(yīng)：指光敏電阻測試或工作前處于暗態(tài)，：指光敏電阻測試或工作前處于暗態(tài)，當(dāng)它突然受到光照后光電流上升的越慢程度。工作電壓越當(dāng)它突然受到光照后光電流上升的越慢程度。工作電壓越低，光照度越低，則暗態(tài)前歷效應(yīng)就越重。低，光照度越低，則暗態(tài)前歷效應(yīng)就越重。亮態(tài)前歷效應(yīng)：亮態(tài)前歷效應(yīng)： 光敏電阻測試或工作前已處于亮態(tài)，當(dāng)照度與工作時光敏電阻測試或工作前已處于亮態(tài)，當(dāng)照度與工作時所要達到的照

48、度不同時，所出現(xiàn)的一種滯后現(xiàn)象。所要達到的照度不同時，所出現(xiàn)的一種滯后現(xiàn)象。4前歷效應(yīng)前歷效應(yīng)5、暗電阻和暗電流：、暗電阻和暗電流： 光敏電阻在黑暗時的阻值稱為光敏電阻在黑暗時的阻值稱為暗電阻暗電阻，一般情況下，一般情況下，暗電阻都大于暗電阻都大于10兆，受光照時的阻值稱為兆，受光照時的阻值稱為亮阻亮阻。暗阻與。暗阻與亮阻的比值也可作為衡量靈敏度的高低，比值越大，靈亮阻的比值也可作為衡量靈敏度的高低，比值越大，靈敏度越高。敏度越高。6、時間頻率響應(yīng)：、時間頻率響應(yīng)：37. 063. 012tLx100Lx101t1t2tIt時間特性與光照度、工作溫度有明顯的依賴關(guān)系。時間特性與光照度、工作溫度

49、有明顯的依賴關(guān)系。7、噪聲特性：、噪聲特性：2NIflg0躁聲f1復(fù)合躁聲產(chǎn)生熱躁聲熱噪聲、產(chǎn)生復(fù)合噪聲熱噪聲、產(chǎn)生復(fù)合噪聲 、1/f 噪聲與調(diào)制頻率的關(guān)系噪聲與調(diào)制頻率的關(guān)系（1) 紅外：減小溫漂，使信號放大，可調(diào)制較高的紅外：減小溫漂，使信號放大，可調(diào)制較高的f （2）制冷可降低熱噪聲）制冷可降低熱噪聲（3）恰當(dāng)?shù)钠秒娐?，可使信噪比最大）恰?dāng)?shù)钠秒娐罚墒剐旁氡茸畲?8、光譜特性：相對靈敏度與波長的關(guān)系、光譜特性：相對靈敏度與波長的關(guān)系可見光區(qū)光敏電阻的光譜特性可見光區(qū)光敏電阻的光譜特性 光譜特性曲線覆蓋了整個可見光區(qū)，峰值波長在光譜特性曲線覆蓋了整個可見光區(qū)，峰值波長在515600n

50、m之間。尤其硫化鎘的峰值波長與人眼的很敏感之間。尤其硫化鎘的峰值波長與人眼的很敏感的峰值波長（的峰值波長（555nm）是很接近的，因此可用于與人眼有）是很接近的，因此可用于與人眼有關(guān)的儀器，例如關(guān)的儀器，例如照相機照相機、照度計照度計、光度計光度計等。等。 紅外區(qū)光敏電阻的光譜特性紅外區(qū)光敏電阻的光譜特性此特性與所用材料的光譜響應(yīng)、制造工藝、摻雜濃此特性與所用材料的光譜響應(yīng)、制造工藝、摻雜濃度和使用的環(huán)境溫度有關(guān)。度和使用的環(huán)境溫度有關(guān)。8、光譜特性：相對靈敏度與波長的關(guān)系、光譜特性：相對靈敏度與波長的關(guān)系三、光敏電阻的特點三、光敏電阻的特點1、優(yōu)點：、優(yōu)點：靈敏度高，工作電流大，無極性之分靈

51、敏度高，工作電流大，無極性之分光譜響應(yīng)范圍寬，尤其對紅外有較高的靈敏度光譜響應(yīng)范圍寬，尤其對紅外有較高的靈敏度所測光強范圍寬，可測強光、弱光所測光強范圍寬，可測強光、弱光2、不足：、不足：強光下光電轉(zhuǎn)換線性差強光下光電轉(zhuǎn)換線性差光電導(dǎo)弛豫時間長光電導(dǎo)弛豫時間長受溫度影響大受溫度影響大由伏安特性知，設(shè)計負載時，應(yīng)考慮額定功耗由伏安特性知，設(shè)計負載時，應(yīng)考慮額定功耗進行動態(tài)設(shè)計時，應(yīng)考慮光敏電阻的前歷效應(yīng)進行動態(tài)設(shè)計時，應(yīng)考慮光敏電阻的前歷效應(yīng)三、光敏電阻的特點三、光敏電阻的特點作用與應(yīng)用作用與應(yīng)用廣泛應(yīng)用于各種自動控制電路（如自動照明廣泛應(yīng)用于各種自動控制電路（如自動照明燈控制電路、自動報警電路

52、等）、家用電器（如電視機中的燈控制電路、自動報警電路等）、家用電器（如電視機中的亮度自動調(diào)節(jié)，照相機的自動曝光控制等）及各種測量儀器亮度自動調(diào)節(jié)，照相機的自動曝光控制等）及各種測量儀器中。中。光敏電阻器種類：光敏電阻器種類： 1）按制作材料分類：多晶和單晶光敏電阻器，還可分為）按制作材料分類：多晶和單晶光敏電阻器，還可分為硫化鎘硫化鎘（CdS）、）、硒化鎘硒化鎘(CdSe) 、硫化鉛硫化鉛(PbS)、硒化鉛硒化鉛(PbSe)、銻化銻化銦銦(InSb) 光敏電阻器等。光敏電阻器等。2）按光譜特性分類：）按光譜特性分類： 可見光光敏電阻器可見光光敏電阻器：主要用于各種光電自動控制系統(tǒng)、電子：主要用

53、于各種光電自動控制系統(tǒng)、電子照相機、光報警等地。照相機、光報警等地。 紫外光光敏電阻器紫外光光敏電阻器：主要用于紫外線探測儀器。：主要用于紫外線探測儀器。 紅外光光敏電阻器紅外光光敏電阻器：主要用于天文、軍事等領(lǐng)域的有關(guān)自動：主要用于天文、軍事等領(lǐng)域的有關(guān)自動控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)。光敏電阻器的主要參數(shù)光敏電阻器的主要參數(shù)1）亮電阻（亮電阻（k）：指光敏電阻器受到光照射時的電阻值。：指光敏電阻器受到光照射時的電阻值。2）暗電阻暗電阻(M)：指光敏電阻器在無光照射（黑暗環(huán)境）時：指光敏電阻器在無光照射（黑暗環(huán)境）時的電阻值。的電阻值。3）最高工作電壓最高工作電壓(V)：指光敏電阻器在額定功率下所允許

54、承：指光敏電阻器在額定功率下所允許承受的最高電壓受的最高電壓4）亮電流亮電流：指光敏電阻器在規(guī)定的外加電壓下受到光照射時：指光敏電阻器在規(guī)定的外加電壓下受到光照射時所通過的電流。所通過的電流。5）暗電流暗電流(mA)：指在無光照射時，光敏電阻器在規(guī)定的外：指在無光照射時，光敏電阻器在規(guī)定的外加電壓下通過的電流。加電壓下通過的電流。6）時間常數(shù)（時間常數(shù)（s）：指光敏電阻器從光照躍變開始到穩(wěn)定亮：指光敏電阻器從光照躍變開始到穩(wěn)定亮電流的電流的63時所需的時間。時所需的時間。7）電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)：指光敏電阻器在環(huán)境溫度改變：指光敏電阻器在環(huán)境溫度改變1時，其時，其電阻值的相對變化。電阻值的

55、相對變化。8）靈敏度靈敏度：指光敏電阻器在有光照射和無光照射時電阻值的：指光敏電阻器在有光照射和無光照射時電阻值的相對變化。相對變化。知識延伸和鞏固如圖所示為光敏電阻自動計數(shù)器的示意圖，如圖所示為光敏電阻自動計數(shù)器的示意圖，其中其中A為發(fā)光儀器，為發(fā)光儀器，B為水平傳送帶，由電為水平傳送帶，由電動機帶動做勻速直線運動。動機帶動做勻速直線運動。R1為光敏電阻，為光敏電阻，R2為定值電阻，為定值電阻，R1、R2串聯(lián)在電路中，電串聯(lián)在電路中，電源電壓保持不變每當(dāng)傳送帶上有易拉罐擋源電壓保持不變每當(dāng)傳送帶上有易拉罐擋住由住由A射向射向R1的光線時，的光線時，R1的電阻值就增大，的電阻值就增大，計數(shù)器就

56、計數(shù)一次。則：（計數(shù)器就計數(shù)一次。則：（1）當(dāng)傳送帶上）當(dāng)傳送帶上有易拉罐擋住由有易拉罐擋住由A射向射向R1的光線時，定值電的光線時，定值電阻阻R2兩端的電壓將兩端的電壓將_。（填。（填“變大變大”、“變小變小”或或“不變不變”）（2）已知相鄰的兩個易拉罐中心之間的距）已知相鄰的兩個易拉罐中心之間的距離均為離均為20cm，若計數(shù)器從易拉罐第一次擋住，若計數(shù)器從易拉罐第一次擋住光線開始計時，到恰好計數(shù)光線開始計時，到恰好計數(shù)101次共用時間次共用時間40s，則傳送帶的速度為多少，則傳送帶的速度為多少m/s？答案：答案：（1）由題意可知，當(dāng)傳送帶上有易拉罐擋住由）由題意可知，當(dāng)傳送帶上有易拉罐擋住

57、由A射射向向R1的光線時，的光線時，R1的電阻值就增大，由于的電阻值就增大，由于R1、R2是是串聯(lián)在電路中的，當(dāng)串聯(lián)在電路中的，當(dāng)R1電阻值增大，電阻值增大，R1分得的電壓分得的電壓就增大，就增大，R2兩端的電壓將變小；兩端的電壓將變小；（2）由）由vs/t(101-1)0.2m/40s0.5m/s。4.5 pn結(jié)光伏探測器的工作模式結(jié)光伏探測器的工作模式 利用半導(dǎo)體利用半導(dǎo)體PN結(jié)光伏效應(yīng)制成的器件稱為光伏器件，也稱結(jié)結(jié)光伏效應(yīng)制成的器件稱為光伏器件，也稱結(jié)型光電器件。型光電器件。 這類器件品種很多，其中包括各種光電池、這類器件品種很多，其中包括各種光電池、 光電二極管、光電二極管、 光光電

58、晶體管、光電場效應(yīng)管、電晶體管、光電場效應(yīng)管、PIN管、管、 雪崩光電二極管、光可雪崩光電二極管、光可控硅、控硅、 陣列式光電器件、象限式光電器件、位置敏感探測器陣列式光電器件、象限式光電器件、位置敏感探測器（PSD）、光電耦合器件等。）、光電耦合器件等。 和光電導(dǎo)探測器不同，光伏探測器的工作特性要復(fù)雜一些。和光電導(dǎo)探測器不同，光伏探測器的工作特性要復(fù)雜一些。通常有光電池和光電二極管之分，也就是說，光伏探測器有通常有光電池和光電二極管之分，也就是說，光伏探測器有著不同的工作模式。因此在具體討論光伏探測器的工作特性著不同的工作模式。因此在具體討論光伏探測器的工作特性之前，首先我們必須弄清楚它的工

59、作模式問題。之前，首先我們必須弄清楚它的工作模式問題。 1 光電轉(zhuǎn)換原理光電轉(zhuǎn)換原理 PN結(jié)光伏探測器的典型結(jié)構(gòu)如圖所示。為了說明光功結(jié)光伏探測器的典型結(jié)構(gòu)如圖所示。為了說明光功率轉(zhuǎn)換成光電流的關(guān)系，我們設(shè)想光伏探測器兩端被短路，率轉(zhuǎn)換成光電流的關(guān)系，我們設(shè)想光伏探測器兩端被短路，并用一理想電流表記錄光照下流過回路的電流，這個電流并用一理想電流表記錄光照下流過回路的電流，這個電流常常稱為短路光電流。常常稱為短路光電流。 光子電極電極耗盡層SiO2p+nn+ 假定光生電子假定光生電子-空穴對在結(jié)的結(jié)區(qū)，即耗盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生。由空穴對在結(jié)的結(jié)區(qū)，即耗盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生。由于內(nèi)電場作用，電子從于內(nèi)電場作用，電子從

60、n區(qū)向區(qū)向p區(qū)漂移運動，被內(nèi)電場分離區(qū)漂移運動，被內(nèi)電場分離的電子和空穴就在外回路中形成電流。的電子和空穴就在外回路中形成電流。 EcEFEv光生空穴- - -+ + +-pnxoLpn光子Ei電離受主 電離施主光生電子耗盡層-光電導(dǎo)過程 就光電流形成的過程而言，光伏探測器和光電導(dǎo)探測器有就光電流形成的過程而言，光伏探測器和光電導(dǎo)探測器有十分類似的情況。十分類似的情況。 可以證明：在光伏情況下一個光生電子可以證明：在光伏情況下一個光生電子空穴對對外回路空穴對對外回路所貢獻的總電荷量：所貢獻的總電荷量： 光伏探測器的內(nèi)電流增益等于光伏探測器的內(nèi)電流增益等于1。 光伏探測器光電轉(zhuǎn)換關(guān)系為光伏探測器