應(yīng)用光電第三章——光電檢測(cè)技術(shù)

1、 光電檢測(cè)技術(shù)是以半導(dǎo)體、激光、紅外、光纖等現(xiàn)代光電光電檢測(cè)技術(shù)是以半導(dǎo)體、激光、紅外、光纖等現(xiàn)代光電子器件作為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)被檢測(cè)物體的光輻射，經(jīng)光電檢子器件作為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)被檢測(cè)物體的光輻射，經(jīng)光電檢測(cè)器接收光輻射并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，由輸入電路、放大濾波測(cè)器接收光輻射并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，由輸入電路、放大濾波等檢測(cè)電路提取有用信息，再經(jīng)模、數(shù)轉(zhuǎn)換接口輸入計(jì)算等檢測(cè)電路提取有用信息，再經(jīng)模、數(shù)轉(zhuǎn)換接口輸入計(jì)算機(jī)運(yùn)算處理，最后顯示輸出所需的檢測(cè)物理量等參數(shù)。機(jī)運(yùn)算處理，最后顯示輸出所需的檢測(cè)物理量等參數(shù)。第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)什么是光電檢測(cè)什么是光電檢測(cè)變換電路光電傳感光源光學(xué)系統(tǒng)被測(cè)對(duì)象

2、光學(xué)變換電信號(hào)處理存 儲(chǔ)顯 示控 制光學(xué)變換電路處理第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)系統(tǒng)光電檢測(cè)系統(tǒng)光電檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)光電檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)o高精度高精度：從地球到月球激光測(cè)距的精度達(dá)到：從地球到月球激光測(cè)距的精度達(dá)到1米。米。o高速度高速度：光速是最快的。：光速是最快的。o遠(yuǎn)距離、大量程遠(yuǎn)距離、大量程：遙控、遙測(cè)和遙感。：遙控、遙測(cè)和遙感。o非接觸式檢測(cè)非接觸式檢測(cè)：不改變被測(cè)物體性質(zhì)的條件下進(jìn)行測(cè)量。：不改變被測(cè)物體性質(zhì)的條件下進(jìn)行測(cè)量。o壽命長(zhǎng)壽命長(zhǎng)：光電檢測(cè)中通常無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分，故測(cè)量裝置壽命光電檢測(cè)中通常無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分，故測(cè)量裝置壽命長(zhǎng)，工作可靠、準(zhǔn)確度高，對(duì)被測(cè)物無(wú)形狀和

3、大小要求。長(zhǎng)，工作可靠、準(zhǔn)確度高，對(duì)被測(cè)物無(wú)形狀和大小要求。o數(shù)字化和智能化：數(shù)字化和智能化：強(qiáng)的信息處理、運(yùn)算和控制能力。強(qiáng)的信息處理、運(yùn)算和控制能力。第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)光輻射探測(cè)器：對(duì)各種光輻射進(jìn)行接收和探測(cè)的器件光輻射探測(cè)器：對(duì)各種光輻射進(jìn)行接收和探測(cè)的器件光探測(cè)器光探測(cè)器的物理效應(yīng)的物理效應(yīng): 光熱效應(yīng)光熱效應(yīng)1. 光電效應(yīng)光電效應(yīng)光輻射量光輻射量光探測(cè)器光探測(cè)器電量電量第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)51.1.光熱效應(yīng)光熱效應(yīng)當(dāng)光照射到理想的黑色吸收體上時(shí)，黑體將當(dāng)光照射到理想的黑色吸收體上時(shí)，黑體將對(duì)所有波長(zhǎng)的光能量全部吸收，并轉(zhuǎn)換為熱對(duì)所有波長(zhǎng)的光能量全

4、部吸收，并轉(zhuǎn)換為熱能，稱為能，稱為光熱效應(yīng)光熱效應(yīng) 。熱能增大，導(dǎo)致吸收體的物理、機(jī)械性能變熱能增大，導(dǎo)致吸收體的物理、機(jī)械性能變化，如：化，如：溫度、體積、電阻、熱電動(dòng)勢(shì)等溫度、體積、電阻、熱電動(dòng)勢(shì)等，通過(guò)測(cè)量這些變化可確定光能量或光功率的通過(guò)測(cè)量這些變化可確定光能量或光功率的大小，這類器件統(tǒng)稱為光熱探測(cè)器。大小，這類器件統(tǒng)稱為光熱探測(cè)器。第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光熱效應(yīng)光熱效應(yīng)光熱探測(cè)器對(duì)光輻射的響應(yīng)有兩個(gè)過(guò)程：光熱探測(cè)器對(duì)光輻射的響應(yīng)有兩個(gè)過(guò)程： 器件吸收光能量使自身溫度發(fā)生變化器件吸收光能量使自身溫度發(fā)生變化 把溫度變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)把溫度變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)

5、 共性共性個(gè)性個(gè)性光熱探測(cè)器的最大特點(diǎn)是：光熱探測(cè)器的最大特點(diǎn)是：1 1、從紫外到、從紫外到40m40m以上寬波段范圍，其響應(yīng)以上寬波段范圍，其響應(yīng)靈敏度與光波波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，靈敏度與光波波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，原則上原則上是對(duì)光波長(zhǎng)是對(duì)光波長(zhǎng)無(wú)選擇性探測(cè)器。無(wú)選擇性探測(cè)器。2 2、受熱時(shí)間常數(shù)的制約受熱時(shí)間常數(shù)的制約，響應(yīng)速度較慢，響應(yīng)速度較慢 。第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光熱效應(yīng)光熱效應(yīng)應(yīng)用：應(yīng)用： 在紅外在紅外波段上，材料吸波段上，材料吸收率高，光熱效收率高，光熱效應(yīng)也就更強(qiáng)烈，應(yīng)也就更強(qiáng)烈，所以廣泛用于對(duì)所以廣泛用于對(duì)紅外線輻射的探紅外線輻射的探測(cè)。測(cè)。第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)

6、技術(shù)- -光熱效應(yīng)光熱效應(yīng)8 由由MnMn、NiNi、CoCo、CuCu氧化物或氧化物或GeGe、SiSi、InSbInSb等等半導(dǎo)體做成的電阻器，半導(dǎo)體做成的電阻器，其阻值隨溫度而變化，其阻值隨溫度而變化，稱為熱敏電阻。稱為熱敏電阻。 當(dāng)它們吸收了光輻射，溫度發(fā)生變化，當(dāng)它們吸收了光輻射，溫度發(fā)生變化，從而從而引起電阻的阻值相應(yīng)改變，將引起回路電流或引起電阻的阻值相應(yīng)改變，將引起回路電流或電壓的變化，電壓的變化，這樣就可以探測(cè)入射光通量。這樣就可以探測(cè)入射光通量。光熱探測(cè)器光熱探測(cè)器熱敏電阻熱敏電阻第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光熱效應(yīng)光熱效應(yīng)9光熱探測(cè)器光熱探測(cè)器熱釋電探測(cè)器

7、熱釋電探測(cè)器熱釋電探測(cè)器探測(cè)率高，是光熱探測(cè)器中熱釋電探測(cè)器探測(cè)率高，是光熱探測(cè)器中性能最好的。性能最好的。工作原理：工作原理：熱電晶體熱電晶體是壓電晶體中的一種，它具是壓電晶體中的一種，它具有自發(fā)極化的特性。有自發(fā)極化的特性。存在宏觀的電偶極矩，存在宏觀的電偶極矩，面束面束縛電荷密度等于自發(fā)極化矢量縛電荷密度等于自發(fā)極化矢量P Ps s。當(dāng)用斬波器調(diào)制當(dāng)用斬波器調(diào)制入射光，入射光，使矩形光脈沖（周期小于使矩形光脈沖（周期小于Q Q的平均壽命）的平均壽命）作用到熱電晶體表面的黑吸收層上，作用到熱電晶體表面的黑吸收層上，交變的交變的T T使使得晶體表面始終存在正比于入射光強(qiáng)的極化電荷。得晶體表面

8、始終存在正比于入射光強(qiáng)的極化電荷。這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。熱釋電探測(cè)器只能探熱釋電探測(cè)器只能探測(cè)調(diào)制和脈沖輻射。測(cè)調(diào)制和脈沖輻射。 第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光熱效應(yīng)光熱效應(yīng) 光照射到物體表面上使物體光照射到物體表面上使物體發(fā)射電子、或?qū)щ娐拾l(fā)生變化發(fā)射電子、或?qū)щ娐拾l(fā)生變化、或產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)、或產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)等，這種因光照而引起物體電學(xué)特性發(fā)生改等，這種因光照而引起物體電學(xué)特性發(fā)生改變統(tǒng)稱為光電效應(yīng)變統(tǒng)稱為光電效應(yīng)。2. 光電效應(yīng)光電效應(yīng)o 光電效應(yīng)的起因：在光的作用下，當(dāng)光敏物質(zhì)中的電子直接吸收光子的能量足以克服原子核的束縛時(shí)，電子就會(huì)從基態(tài)被激發(fā)到高

9、能態(tài)，脫離原子核的束縛，在外電場(chǎng)作用下參與導(dǎo)電，因而產(chǎn)生了光電效應(yīng)。o 這里需要說(shuō)明的是，如果光子不是直接與電子起作用，而是能量被固體晶格振動(dòng)吸收，引起固體的溫度升高，導(dǎo)致固體電學(xué)性質(zhì)的改變，這種情況就不是光電效應(yīng)，而是熱電效應(yīng)。第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電效應(yīng)光電效應(yīng)11內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng) （光敏電阻）（光敏電阻）光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng) （光電池）（光電池）電子不會(huì)逸出物體外部，電子不會(huì)逸出物體外部，主要為半導(dǎo)體材料主要為半導(dǎo)體材料光電效應(yīng)光電效應(yīng)有電子逸出物體外部，主有電子逸出物體外部，主要為金屬或金屬化合物要為金屬或金屬化合

10、物光電子發(fā)射（光電倍增管）光電子發(fā)射（光電倍增管）光電效應(yīng)的分類光電效應(yīng)的分類第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電效應(yīng)光電效應(yīng)外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)o 定義：定義： 在光照下，物體向表面以外的空間發(fā)射電子（即在光照下，物體向表面以外的空間發(fā)射電子（即光電子）的現(xiàn)象光電子）的現(xiàn)象 。又叫光電子發(fā)射效應(yīng)。又叫光電子發(fā)射效應(yīng) 。o 光電發(fā)射第一定律（光電發(fā)射第一定律（一個(gè)光子的光電效應(yīng)一個(gè)光子的光電效應(yīng)） 物體吸收光子的能量大于逸出功物體吸收光子的能量大于逸出功A A0 0，多余部分能量為光，多余部分能量為光 電子的動(dòng)能。根據(jù)能量守恒則有電子的動(dòng)能。根據(jù)能量守恒則有 該方程稱該方程稱愛(ài)因斯

11、坦方程愛(ài)因斯坦方程 A A0 0 - -電子逸出表面的最小能量電子逸出表面的最小能量20021mvAh第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電效應(yīng)光電效應(yīng)o 當(dāng)輻射的光譜分布不變時(shí)，飽和光電流與入射的光通量當(dāng)輻射的光譜分布不變時(shí)，飽和光電流與入射的光通量成正比，即成正比，即光電發(fā)射第二定律。光電發(fā)射第二定律。光電發(fā)射第二定律（光電發(fā)射第二定律（一束光的光電效應(yīng)一束光的光電效應(yīng)）gPShqIo 紅限頻率：能產(chǎn)生光電子的光子最小頻率。紅限頻率：能產(chǎn)生光電子的光子最小頻率。o 長(zhǎng)波限長(zhǎng)波限：chA0snmsmcseVsJh/103/1031013. 4106 . 617141534)(24.

12、 1)(eVEmthcvEth=Eg+EA第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電效應(yīng)光電效應(yīng)Eth為電子逸出功，分為電子從發(fā)射中心激發(fā)到導(dǎo)帶所需的最低能量為電子逸出功，分為電子從發(fā)射中心激發(fā)到導(dǎo)帶所需的最低能量Eg，和電子從導(dǎo)帶底溢出表面所需的最低能量，即材料的親和勢(shì)，和電子從導(dǎo)帶底溢出表面所需的最低能量，即材料的親和勢(shì)EA。14 受光照而激發(fā)的電子在物質(zhì)內(nèi)部參與導(dǎo)電，電受光照而激發(fā)的電子在物質(zhì)內(nèi)部參與導(dǎo)電，電子并不逸出光敏物質(zhì)表面。這種效應(yīng)多發(fā)生于半導(dǎo)子并不逸出光敏物質(zhì)表面。這種效應(yīng)多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特體內(nèi)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特

13、效應(yīng)、丹倍效應(yīng)和光磁電效應(yīng)等。效應(yīng)、丹倍效應(yīng)和光磁電效應(yīng)等。內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng) 注：注：外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)的主要外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)的主要區(qū)別區(qū)別在于：在于：受光照而激發(fā)的電子，前者受光照而激發(fā)的電子，前者逸出逸出物質(zhì)表面形成光電物質(zhì)表面形成光電子流，而后者則在物質(zhì)子流，而后者則在物質(zhì)內(nèi)部?jī)?nèi)部參與導(dǎo)電。參與導(dǎo)電。第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電效應(yīng)光電效應(yīng) 定義：定義：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)。物體物體受到光照后，吸收光子使載流子的濃度發(fā)生變化，受到光照后，吸收光子使載流子的濃度發(fā)生變化，使使半半導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加，我

14、們稱之為，我們稱之為光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)。光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電效應(yīng)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)分為本征分為本征光電導(dǎo)和雜質(zhì)光電導(dǎo)光電導(dǎo)和雜質(zhì)光電導(dǎo)。第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電效應(yīng)光電效應(yīng)光輻射照射外加電壓的半導(dǎo)體，如果光波長(zhǎng)光輻射照射外加電壓的半導(dǎo)體，如果光波長(zhǎng)滿足如滿足如下條件：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第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電效應(yīng)光電效應(yīng)o 當(dāng)兩塊半導(dǎo)體材料形成當(dāng)兩塊半導(dǎo)體

15、材料形成PN結(jié)時(shí)，由于存在結(jié)時(shí)，由于存在濃度梯度濃度梯度，導(dǎo)致，導(dǎo)致N區(qū)的電子向區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散，區(qū)擴(kuò)散， P區(qū)的電子向區(qū)的電子向N區(qū)擴(kuò)散區(qū)擴(kuò)散.產(chǎn)生空間產(chǎn)生空間電荷區(qū)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)后，使正負(fù)離子在結(jié)區(qū)附近形成由電荷區(qū)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)后，使正負(fù)離子在結(jié)區(qū)附近形成由N指指向向P的內(nèi)建電場(chǎng)，也稱結(jié)電場(chǎng)。的內(nèi)建電場(chǎng)，也稱結(jié)電場(chǎng)。+-PNPN結(jié)的空間電荷區(qū)結(jié)的空間電荷區(qū)E光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電效應(yīng)光電效應(yīng)o 光照射到半導(dǎo)體的光照射到半導(dǎo)體的P-NP-N結(jié)上，若光子能量足夠大，則半導(dǎo)體結(jié)上，若光子能量足夠大，則半導(dǎo)體材料中價(jià)帶的電子吸收光子的能量從價(jià)帶越過(guò)禁帶到

16、達(dá)導(dǎo)材料中價(jià)帶的電子吸收光子的能量從價(jià)帶越過(guò)禁帶到達(dá)導(dǎo)帶，在導(dǎo)帶中出現(xiàn)電子，在價(jià)帶中出現(xiàn)空穴。在內(nèi)建電場(chǎng)帶，在導(dǎo)帶中出現(xiàn)電子，在價(jià)帶中出現(xiàn)空穴。在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，光電子被拉向的作用下，光電子被拉向N N區(qū)，光空穴被拉向區(qū)，光空穴被拉向P P區(qū)，結(jié)區(qū)產(chǎn)區(qū)，結(jié)區(qū)產(chǎn)生勢(shì)壘，稱此現(xiàn)象為生勢(shì)壘，稱此現(xiàn)象為光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)。o 光生載流子在外加負(fù)偏壓和內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，在外電路光生載流子在外加負(fù)偏壓和內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，在外電路中出現(xiàn)光電流。中出現(xiàn)光電流。光子光子電極電極電極電極耗盡層耗盡層SiO2p+nn+第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電效應(yīng)光電效應(yīng)光伏現(xiàn)象光伏現(xiàn)象半導(dǎo)體材料的半

17、導(dǎo)體材料的PN“結(jié)結(jié)”效應(yīng)效應(yīng) 例如：例如：雪崩二極管雪崩二極管第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電效應(yīng)光電效應(yīng) 半導(dǎo)體特性半導(dǎo)體特性摻入雜質(zhì)則導(dǎo)電率增加幾百倍摻入雜質(zhì)則導(dǎo)電率增加幾百倍摻雜特性摻雜特性半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件溫度增加使導(dǎo)電率大為增加溫度增加使導(dǎo)電率大為增加熱敏特性熱敏特性熱敏器件熱敏器件光照不僅使導(dǎo)電率大為增加還可以產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)光照不僅使導(dǎo)電率大為增加還可以產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)光敏特性光敏特性常用的半導(dǎo)體材料常用的半導(dǎo)體材料： 元素半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體：硅（硅（SiSi）、鍺（）、鍺（GeGe） 化合物半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體：砷化鎵（砷化鎵（GaAsGaAs） 摻雜材料摻雜材料：硼：硼(

18、B)(B)、銦、銦(In)(In)；磷；磷(P)(P)、銻、銻(Sb)(Sb)。第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)n半導(dǎo)體光電子器件的兩個(gè)基本機(jī)理半導(dǎo)體光電子器件的兩個(gè)基本機(jī)理：v一個(gè)電子和一個(gè)空穴的復(fù)合產(chǎn)生一個(gè)光子一個(gè)電子和一個(gè)空穴的復(fù)合產(chǎn)生一個(gè)光子v吸收一個(gè)能量足夠大的光子可以產(chǎn)生一個(gè)電子和空穴對(duì)吸收一個(gè)能量足夠大的光子可以產(chǎn)生一個(gè)電子和空穴對(duì)第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)-PN-PN結(jié)結(jié)P區(qū)區(qū)N區(qū)區(qū)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)載流子載流子從從濃度濃度大大向濃度向濃度小小的區(qū)域的區(qū)域擴(kuò)散擴(kuò)散,稱稱擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的電流成為形成的電流成為擴(kuò)散電流擴(kuò)散電流內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)阻礙多子阻

19、礙多子向?qū)Ψ降南驅(qū)Ψ降臄U(kuò)散擴(kuò)散即即阻礙擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)阻礙擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)同時(shí)同時(shí)促進(jìn)少子促進(jìn)少子向?qū)Ψ较驅(qū)Ψ狡破萍醇创龠M(jìn)了漂移運(yùn)動(dòng)促進(jìn)了漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)=漂移運(yùn)動(dòng)時(shí)漂移運(yùn)動(dòng)時(shí)達(dá)到達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡動(dòng)態(tài)平衡第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)-PN-PN結(jié)結(jié)內(nèi) 電 場(chǎng) 阻 止 多 子 擴(kuò) 散內(nèi) 電 場(chǎng) 阻 止 多 子 擴(kuò) 散 因濃度差因濃度差多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)多子從濃度大向濃度小的區(qū)域擴(kuò)散多子從濃度大向濃度小的區(qū)域擴(kuò)散,稱擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)稱擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生擴(kuò)

20、散電流擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生擴(kuò)散電流漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)少子向?qū)Ψ狡粕僮酉驅(qū)Ψ狡?稱漂移運(yùn)動(dòng)稱漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生漂移電流。漂移運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生漂移電流。動(dòng)態(tài)平衡動(dòng)態(tài)平衡擴(kuò)散電流擴(kuò)散電流= =漂移電流，漂移電流，PNPN結(jié)內(nèi)總電流結(jié)內(nèi)總電流=0=0。PN PN 結(jié)結(jié)穩(wěn)定的空間電荷區(qū)穩(wěn)定的空間電荷區(qū)又稱高阻區(qū)又稱高阻區(qū)也稱耗盡層也稱耗盡層第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)-PN-PN結(jié)結(jié)V V 內(nèi)電場(chǎng)的建立，使內(nèi)電場(chǎng)的建立，使PNPN結(jié)中產(chǎn)生結(jié)中產(chǎn)生電位差。從而形成接觸電位電位差。從而形成接觸電位V V 接觸電位接觸電位V V 決定于材料及摻雜濃度決定于材料及摻雜濃度硅：硅： V V =0.7=0.7鍺：鍺：

21、 V V =0.2=0.2PNPN結(jié)的接觸電位結(jié)的接觸電位第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)-PN-PN結(jié)結(jié)由此可以得出結(jié)論：由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)結(jié)具有單向?qū)щ娦浴＞哂袉蜗驅(qū)щ娦?。PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；電流；PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電阻，具有很小的反向漂移電流。電流。PNPN結(jié)單項(xiàng)導(dǎo)電結(jié)單項(xiàng)導(dǎo)電第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)-PN-PN結(jié)結(jié)第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)半導(dǎo)體光電探半導(dǎo)體光電探測(cè)器件測(cè)器件熱電探測(cè)元件熱電探測(cè)元件光子探測(cè)元件光子

22、探測(cè)元件氣體光電探測(cè)元件氣體光電探測(cè)元件外光電效應(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(cè)器光電導(dǎo)探測(cè)器光磁電探測(cè)器光磁電探測(cè)器光生伏特探測(cè)器光生伏特探測(cè)器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像增強(qiáng)器像增強(qiáng)器攝像管攝像管變像管變像管本征型本征型光敏電阻光敏電阻摻雜型摻雜型紅外探測(cè)器紅外探測(cè)器非放大非放大放大型放大型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場(chǎng)效應(yīng)管光電場(chǎng)效應(yīng)管雪崩型光電二極管雪崩型光電二極管o 光敏電阻是光電導(dǎo)型器件。o 光敏電阻材料：主要是硅、鍺和化合物半導(dǎo)體，例如：硫化鎘（CdS），銻化銦（InSb）等。

23、o 特點(diǎn)：n光譜響應(yīng)范圍寬（特別是對(duì)于紅光和紅外輻射）；n偏置電壓低，工作電流大；n動(dòng)態(tài)范圍寬，既可測(cè)強(qiáng)光，也可測(cè)弱光；n光電導(dǎo)增益大，靈敏度高；n無(wú)極性，使用方便；n在強(qiáng)光照射下，光電線性度較差n光電馳豫時(shí)間較長(zhǎng)，頻率特性較差。光敏電阻光敏電阻第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光敏電阻光敏電阻光敏光敏電阻電阻 (LDR) (LDR) 和它的和它的符號(hào)符號(hào)： 符號(hào)符號(hào)第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光敏電阻光敏電阻o光敏電阻結(jié)構(gòu)光敏電阻結(jié)構(gòu)：在一塊均勻光電導(dǎo)體兩端加上電極，貼在硬質(zhì)玻：在一塊均勻光電導(dǎo)體兩端加上電極，貼在硬質(zhì)玻璃、云母、高頻瓷或其他絕緣材料基板上，兩端接有

24、電極引線，璃、云母、高頻瓷或其他絕緣材料基板上，兩端接有電極引線，封裝在帶有窗口的金屬或塑料外殼內(nèi)。封裝在帶有窗口的金屬或塑料外殼內(nèi)。o工作機(jī)理工作機(jī)理：當(dāng)入射光子使半導(dǎo)體中的電子由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶時(shí)，：當(dāng)入射光子使半導(dǎo)體中的電子由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶時(shí)，導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴均參與導(dǎo)電，其阻值急劇減小，電導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴均參與導(dǎo)電，其阻值急劇減小，電導(dǎo)增加。導(dǎo)增加。光敏電阻工作原理光敏電阻工作原理第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光敏電阻光敏電阻入射光入射光第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光敏電阻光敏電阻o本征型光敏電阻：當(dāng)入射光子的能量等于或大于半導(dǎo)體材料的禁帶

25、寬度Eg時(shí)，激發(fā)一個(gè)電子空穴對(duì)，在外電場(chǎng)的作用下，形成光電流。o雜質(zhì)型光敏電阻：對(duì)于型半導(dǎo)體，當(dāng)入射光子的能量等于或大于雜質(zhì)電離能時(shí)，將施主能級(jí)上的電子激發(fā)到導(dǎo)帶而成為導(dǎo)電電子，在外電場(chǎng)的作用下，形成光電流。o本征型用于可見(jiàn)光長(zhǎng)波段,雜質(zhì)型用于紅外波段。價(jià)帶導(dǎo)帶電子空穴Eg價(jià)帶導(dǎo)帶電子空穴施主本征型和雜質(zhì)型光敏電阻本征型和雜質(zhì)型光敏電阻第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光敏電阻光敏電阻o光敏電阻兩端加電壓（直流或交流）無(wú)光照時(shí)，阻值（暗電阻）很大，電流（暗電流）很小；光照時(shí)，光生載流子迅速增加，阻值（亮電阻）急劇減少在外場(chǎng)作用下，光生載流子沿一定方向運(yùn)動(dòng)，形成光電流（亮電流）。o光電

26、流：亮電流和暗電流之差；I光 = IL - Ido光電導(dǎo)：亮電流和暗電流之差；g = gL - gd光電導(dǎo)與光電流光電導(dǎo)與光電流第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光敏電阻光敏電阻o光敏電阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是說(shuō)暗電流要小，亮電流要大，這樣光敏電阻的靈敏度就高。o光電流與光照強(qiáng)度電阻結(jié)構(gòu)的關(guān)系。第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光敏電阻光敏電阻o光電特性光電特性o伏安特性伏安特性o時(shí)間響應(yīng)和頻率特性時(shí)間響應(yīng)和頻率特性o溫度特性溫度特性光敏電阻工作特性光敏電阻工作特性第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光敏電阻光敏電阻o光電特性：光電流與入射光照度的關(guān)

27、系：光電特性：光電流與入射光照度的關(guān)系：(1)弱光時(shí)，弱光時(shí)，=1，光電流與照度成線性關(guān)系，光電流與照度成線性關(guān)系(2)強(qiáng)光時(shí)，強(qiáng)光時(shí)， =0.5，光電流與照度成拋物線，光電流與照度成拋物線光照增強(qiáng)的同時(shí)，載流子濃度不斷的增加，同時(shí)光敏電阻的溫度也光照增強(qiáng)的同時(shí)，載流子濃度不斷的增加，同時(shí)光敏電阻的溫度也在升高，從而導(dǎo)致載流子運(yùn)動(dòng)加劇，因此復(fù)合幾率也增大，光電流在升高，從而導(dǎo)致載流子運(yùn)動(dòng)加劇，因此復(fù)合幾率也增大，光電流呈飽和趨勢(shì)。（冷卻可以改善）呈飽和趨勢(shì)。（冷卻可以改善） ：外加電壓，歐姆接觸為電壓指數(shù)光電導(dǎo)，照度指數(shù)光USUESIgg) 1(:) 15 . 0(:第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)

28、光電檢測(cè)技術(shù)- -光敏電阻光敏電阻在弱光照下，光電流與E具有良好的線性關(guān)系在強(qiáng)光照下則為非線性關(guān)系其他光敏電阻也有類似的性質(zhì)。第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光敏電阻光敏電阻光電導(dǎo)靈敏度光電導(dǎo)靈敏度: 光電導(dǎo)光電導(dǎo)g與照度與照度E之比之比.：入射通量光敏面積，:AAgEggS不同波長(zhǎng)的光，不同波長(zhǎng)的光，光敏電阻的靈敏光敏電阻的靈敏度是不同的。度是不同的。在選用光電器件在選用光電器件時(shí)必須充分考慮時(shí)必須充分考慮到這種特性。到這種特性。第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光敏電阻光敏電阻o在一定的光照下，光敏電阻的光電流與所加的電壓關(guān)系在一定的光照下，光敏電阻的光電流與所加的電

29、壓關(guān)系o光敏電阻是一個(gè)純電阻，因此符合歐姆定律，其伏安特性曲線為光敏電阻是一個(gè)純電阻，因此符合歐姆定律，其伏安特性曲線為直線。直線。o不同光照度對(duì)應(yīng)不同直線不同光照度對(duì)應(yīng)不同直線伏安特性伏安特性第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光敏電阻光敏電阻受耗散功率的限制，在使用時(shí)，光敏電阻兩端的電壓不能超過(guò)最高工作電壓，圖中虛線為允許功耗曲線由此可確定光敏電阻正常工作電壓。第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光敏電阻光敏電阻o光敏電阻的時(shí)間響應(yīng)特性較差o材料受光照到穩(wěn)定狀態(tài)，光生載流子濃度的變化規(guī)律：o停止光照，光生載流子濃度的變化為00(1 exp()tppp 為穩(wěn)態(tài)光生載流子濃度0

30、exp()tpp 響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光敏電阻光敏電阻光敏電阻時(shí)間常數(shù)比較大，其上限截止頻率低。只有光敏電阻時(shí)間常數(shù)比較大，其上限截止頻率低。只有PbSPbS光敏電阻的頻率特光敏電阻的頻率特性稍好些，可工作到幾千赫。性稍好些，可工作到幾千赫。頻率特性頻率特性第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光敏電阻光敏電阻光敏電阻是多數(shù)載流子導(dǎo)電，溫光敏電阻是多數(shù)載流子導(dǎo)電，溫度特性復(fù)雜。隨著溫度的升高，度特性復(fù)雜。隨著溫度的升高，光敏電阻的暗電阻和靈敏度都要光敏電阻的暗電阻和靈敏度都要下降，溫度的變化也會(huì)影響光譜下降，溫度的變化也會(huì)影響光譜特性曲線。特性曲線

31、。例如：硫化鉛光敏電阻，隨著溫例如：硫化鉛光敏電阻，隨著溫度的升高光譜響應(yīng)的峰值將向短度的升高光譜響應(yīng)的峰值將向短波方向移動(dòng)。波方向移動(dòng)。尤其是紅外探測(cè)器要采取制冷措尤其是紅外探測(cè)器要采取制冷措施施溫度特性溫度特性第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光敏電阻光敏電阻o基本功能：根據(jù)自然光的情況決定是否開(kāi)燈。o基本結(jié)構(gòu)：整流濾波電路；光敏電阻及繼電器控制；觸電開(kāi)關(guān)執(zhí)行電路o基本原理：光暗時(shí)，光敏電阻阻值很高，繼電器關(guān)，燈亮；光亮?xí)r，光敏電阻阻值降低，繼電器工作，燈關(guān)。照明燈自動(dòng)控制電路K220V燈常閉CdS光敏電阻的應(yīng)用光敏電阻的應(yīng)用第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光敏電阻光

32、敏電阻o光電池是根據(jù)光生伏特效應(yīng)制成的將光能轉(zhuǎn)換成電能的一種器件。光電池是根據(jù)光生伏特效應(yīng)制成的將光能轉(zhuǎn)換成電能的一種器件。oPN結(jié)的光生伏特效應(yīng)：當(dāng)用適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射結(jié)的光生伏特效應(yīng)：當(dāng)用適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射PN結(jié)時(shí)，由于內(nèi)結(jié)時(shí)，由于內(nèi)建場(chǎng)的作用（不加外電場(chǎng)），光生電子拉向建場(chǎng)的作用（不加外電場(chǎng)），光生電子拉向n區(qū)，光生空穴拉向區(qū)，光生空穴拉向p區(qū)，相當(dāng)于區(qū)，相當(dāng)于PN結(jié)上加一個(gè)正電壓。結(jié)上加一個(gè)正電壓。o半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)（光生電壓）；如將半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)（光生電壓）；如將PN結(jié)短路，則會(huì)出現(xiàn)結(jié)短路，則會(huì)出現(xiàn)電流（光生電流）。電流（光生電流）。光電池光電池第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢

33、測(cè)技術(shù)- -光電池光電池 當(dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體直接接觸，P區(qū)中空穴向N區(qū)擴(kuò)散，同時(shí)N區(qū)中的電子向P區(qū)擴(kuò)散。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)在P區(qū)界面附近積累的負(fù)電荷，和在N區(qū)界面附近積累的正電荷形成內(nèi)電場(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)促進(jìn)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的內(nèi)電場(chǎng)和內(nèi)電場(chǎng)促使的漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡（一定的溫度下，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間）。P-N結(jié)的形成 PNPN結(jié)與光伏效應(yīng)（結(jié)與光伏效應(yīng)（Photo Voltage EffectPhoto Voltage Effect）第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電池光電池 當(dāng)入射光子的能量=h Eg， 本征激發(fā)，產(chǎn)生e-he-h對(duì)。P區(qū)中的光生 h h 和N區(qū)中的光生 e e

34、因受P-N結(jié)的阻擋作用而不能通過(guò)結(jié)區(qū)，結(jié)區(qū)中產(chǎn)生的 e-he-h對(duì)在內(nèi)電場(chǎng)作用下，e e 驅(qū)向N區(qū)，h h 驅(qū)向P區(qū)。而結(jié)區(qū)附近P區(qū)中的光生e e 和N區(qū)中的h h 如能擴(kuò)散到結(jié)區(qū)，并在內(nèi)電場(chǎng)作用下通過(guò)結(jié)區(qū)，這樣在P區(qū)中積累了過(guò)量的h h在N區(qū)中積累了過(guò)量的e e，從而形成一個(gè)附加電場(chǎng)附加電場(chǎng)，方向與內(nèi)電場(chǎng)相方向與內(nèi)電場(chǎng)相反反。光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電池光電池障層光電效應(yīng)原理 當(dāng)P-N結(jié)端部受光照時(shí)光子入射的深度有限，不會(huì)得到好的效果。實(shí)際使用的光伏效應(yīng)器件，都制成薄P型或薄N型，如圖 (b)所示。入射光垂直P-N結(jié)面入射，以提高光伏效應(yīng)的效率第三章第三

35、章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電池光電池光電池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)光電池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)o光電池核心部分是一個(gè)光電池核心部分是一個(gè)PN結(jié)，一般作成面積大的薄片狀，來(lái)接結(jié)，一般作成面積大的薄片狀，來(lái)接收更多的入射光。收更多的入射光。o在在N型硅片上擴(kuò)散型硅片上擴(kuò)散P型雜質(zhì)（如硼），受光面是型雜質(zhì)（如硼），受光面是P型層型層o或在或在P型硅片上擴(kuò)散型硅片上擴(kuò)散N型雜質(zhì)（如磷），受光面是型雜質(zhì)（如磷），受光面是N型層型層第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電池光電池o受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和保護(hù)作用受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和保護(hù)作用o上電極做成柵狀，為了更多的光入射上電

36、極做成柵狀，為了更多的光入射o由于光子入射深度有限，為使光照到由于光子入射深度有限，為使光照到PN結(jié)上，實(shí)際使用的光電結(jié)上，實(shí)際使用的光電池制成薄池制成薄P型或薄型或薄N型。型。第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電池光電池第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電池光電池?zé)o光照時(shí)，光電池伏安特性曲線與普通半導(dǎo)體二極管相同。無(wú)光照時(shí)，光電池伏安特性曲線與普通半導(dǎo)體二極管相同。有光照時(shí)，沿電流軸方向平移，平移幅度與光照度成正比。有光照時(shí)，沿電流軸方向平移，平移幅度與光照度成正比。曲線與電壓軸交點(diǎn)稱為開(kāi)路電壓曲線與電壓軸交點(diǎn)稱為開(kāi)路電壓VOC，與電流軸交點(diǎn)稱為短路電流，與電流軸交點(diǎn)

37、稱為短路電流ISC。第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電池光電池光電池的伏安特性光電池的伏安特性光電池伏安特性曲線光電池伏安特性曲線第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電池光電池反向電流隨光照度的增加而上升反向電流隨光照度的增加而上升IU照度增加照度增加第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電池光電池 硅光電池頻率特性好硅光電池頻率特性好 硒光電池頻率特性差硒光電池頻率特性差 硅光電池是目前使用最廣泛的光電池硅光電池是目前使用最廣泛的光電池 第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電池光電池時(shí)間和頻率響應(yīng)時(shí)間和頻率響應(yīng)o 要得到短的響應(yīng)時(shí)間，必須選用小的負(fù)載

38、電阻要得到短的響應(yīng)時(shí)間，必須選用小的負(fù)載電阻RL；o 光電池面積越大則響應(yīng)時(shí)間越大，因?yàn)楣怆姵孛婀怆姵孛娣e越大則響應(yīng)時(shí)間越大，因?yàn)楣怆姵孛娣e越大則結(jié)電容積越大則結(jié)電容Cj越大，在給定負(fù)載時(shí)，時(shí)間常越大，在給定負(fù)載時(shí)，時(shí)間常數(shù)就越大，故要求短的響應(yīng)時(shí)間，必須選用小面數(shù)就越大，故要求短的響應(yīng)時(shí)間，必須選用小面積光電池。積光電池。第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電池光電池開(kāi)路電壓下降大約開(kāi)路電壓下降大約2 2 3mV/3mV/度度短路電流上升大約短路電流上升大約1010- -5 5 1010-3-3mA/mA/度度n3 3、溫度特性、溫度特性 隨著溫度的上升，硅光電池的光譜響應(yīng)向長(zhǎng)波方

39、向移隨著溫度的上升，硅光電池的光譜響應(yīng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，開(kāi)路電壓下降，短路電流上升。光電池做探測(cè)器件時(shí)，動(dòng)，開(kāi)路電壓下降，短路電流上升。光電池做探測(cè)器件時(shí)，測(cè)量?jī)x器應(yīng)考慮溫度的漂移，要進(jìn)行補(bǔ)償。測(cè)量?jī)x器應(yīng)考慮溫度的漂移，要進(jìn)行補(bǔ)償。第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電池光電池4 4、光譜響應(yīng)度、光譜響應(yīng)度o硅光電池硅光電池 響應(yīng)波長(zhǎng)響應(yīng)波長(zhǎng)0.4-1.10.4-1.1微米，微米， 峰值波長(zhǎng)峰值波長(zhǎng)0.8-0.90.8-0.9微米。微米。o硒光電池硒光電池 響應(yīng)波長(zhǎng)響應(yīng)波長(zhǎng)0.34-0.750.34-0.75微米，微米， 峰值波長(zhǎng)峰值波長(zhǎng)0.540.54微米。微米。第三章第三章 光電檢

40、測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電池光電池5、光電池的光照特性、光電池的光照特性 連接方式：開(kāi)路電壓輸出連接方式：開(kāi)路電壓輸出-(a) 短路電流輸出短路電流輸出-(b) 光電池在不同的光強(qiáng)照射下可產(chǎn)生不同的光電流和光生光電池在不同的光強(qiáng)照射下可產(chǎn)生不同的光電流和光生電動(dòng)勢(shì)。電動(dòng)勢(shì)。 短路電流在很大范圍內(nèi)與光強(qiáng)成線性關(guān)系。短路電流在很大范圍內(nèi)與光強(qiáng)成線性關(guān)系。 開(kāi)路電壓隨光強(qiáng)變化是非線性的，并且當(dāng)照度在開(kāi)路電壓隨光強(qiáng)變化是非線性的，并且當(dāng)照度在2000lx時(shí)趨于飽和。時(shí)趨于飽和。第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電池光電池 光照特性光照特性- 開(kāi)路電壓輸出：非線性開(kāi)路電壓輸出：非線性(電壓

41、電壓-光強(qiáng)光強(qiáng))，靈敏度高，靈敏度高 短路電流輸出：線性好短路電流輸出：線性好(電流電流-光強(qiáng)光強(qiáng)) ，靈敏度低，靈敏度低 開(kāi)關(guān)測(cè)量（開(kāi)路電壓輸出），線性檢測(cè)（短路電流輸開(kāi)關(guān)測(cè)量（開(kāi)路電壓輸出），線性檢測(cè)（短路電流輸出）出）第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電池光電池o 負(fù)載負(fù)載RL的增大線性的增大線性范圍也越來(lái)越小。范圍也越來(lái)越小。o 因此，在要求輸出電因此，在要求輸出電流與光照度成線性關(guān)流與光照度成線性關(guān)系時(shí)，負(fù)載電阻在條系時(shí)，負(fù)載電阻在條件許可的情況下越小件許可的情況下越小越好，并限制在適當(dāng)越好，并限制在適當(dāng)?shù)墓庹辗秶鷥?nèi)使用。的光照范圍內(nèi)使用。第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢

42、測(cè)技術(shù)- -光電池光電池光電池的應(yīng)用o 1、光電探測(cè)器件光電探測(cè)器件 利用光電池做探測(cè)器有頻率響應(yīng)高，光利用光電池做探測(cè)器有頻率響應(yīng)高，光電流隨光照度線性變化等特點(diǎn)。電流隨光照度線性變化等特點(diǎn)。o 2、將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能、將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能 實(shí)際應(yīng)用中，把硅光電池經(jīng)串聯(lián)、并聯(lián)實(shí)際應(yīng)用中，把硅光電池經(jīng)串聯(lián)、并聯(lián)組成電池組。組成電池組。第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電池光電池63光電池光電池外形外形光敏面第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電池光電池64能提供較大電流的大能提供較大電流的大面積光電池面積光電池外形外形第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電池光電池

43、65光電池及在照度測(cè)量中的應(yīng)用光電池及在照度測(cè)量中的應(yīng)用柔光罩下面為圓形光電池第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電池光電池66光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用光電池驅(qū)動(dòng)的涼帽第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電池光電池67光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用（續(xù)）光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用（續(xù)）太陽(yáng)能賽車太陽(yáng)能電動(dòng)機(jī)模型太陽(yáng)能 硅光電池板第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電池光電池68光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用（續(xù)）光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用（續(xù)）太陽(yáng)能發(fā)電屋頂并網(wǎng)發(fā)電太陽(yáng)能路燈交通信號(hào)燈第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電池光電池69光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用（

44、續(xù)）光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用（續(xù)）光電池在人造衛(wèi)星上的應(yīng)用第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電池光電池硅太陽(yáng)能電池o 硅太陽(yáng)能電池包括單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電硅太陽(yáng)能電池包括單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池、非晶硅太陽(yáng)能電池。池、非晶硅太陽(yáng)能電池。o 單晶硅太陽(yáng)能電池在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為單晶硅太陽(yáng)能電池在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為23%,23%,而而規(guī)模生產(chǎn)的單晶硅太陽(yáng)能電池規(guī)模生產(chǎn)的單晶硅太陽(yáng)能電池, ,其效率為其效率為15%15%。o 多晶硅半導(dǎo)體材料的價(jià)格比較低廉多晶硅半導(dǎo)體材料的價(jià)格比較低廉, ,但是由于它存在著但是由于它存在著較多的晶粒間界而有較多的弱點(diǎn)。多晶

45、硅太陽(yáng)能電池的較多的晶粒間界而有較多的弱點(diǎn)。多晶硅太陽(yáng)能電池的實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為18%,18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10%10%。第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電池光電池非晶硅太陽(yáng)能電池o 非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池組件的制造采用薄膜工藝非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池組件的制造采用薄膜工藝, 具具有較多的優(yōu)點(diǎn)有較多的優(yōu)點(diǎn),例如例如:沉積溫度低、襯底材料價(jià)格較低沉積溫度低、襯底材料價(jià)格較低廉廉,能夠?qū)崿F(xiàn)大面積沉積。能夠?qū)崿F(xiàn)大面積沉積。 o 非晶硅的可見(jiàn)光吸收系數(shù)比單晶硅大非晶硅的可見(jiàn)光吸收系數(shù)比單晶硅大,是單晶硅的是單晶硅的40倍倍,1微米厚的非

46、晶硅薄膜微米厚的非晶硅薄膜,可以吸引大約可以吸引大約90%有用的有用的太陽(yáng)光能。太陽(yáng)光能。o 非晶硅太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性較差非晶硅太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性較差, 從而影響了它的迅從而影響了它的迅速發(fā)展速發(fā)展。 第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電池光電池化合物太陽(yáng)能電池 o 三五族化合物電池和二六族化合物電池。三五族化合物電池和二六族化合物電池。o 三五族化合物電池主要有三五族化合物電池主要有GaAs電池、電池、InP電電池、池、GaSb電池等電池等;o 二六族化合物電池主要有二六族化合物電池主要有CaS/CuInSe電池、電池、CaS/CdTe電池等。電池等。o 在三五族化合物太陽(yáng)能電池

47、中在三五族化合物太陽(yáng)能電池中,GaAs電池的轉(zhuǎn)電池的轉(zhuǎn)換效率最高換效率最高,可達(dá)可達(dá)28%;第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電池光電池GaAs 化合物太陽(yáng)能電池化合物太陽(yáng)能電池o Ga是其它產(chǎn)品的副產(chǎn)品是其它產(chǎn)品的副產(chǎn)品,非常稀少珍貴非常稀少珍貴;As 不是稀不是稀有元素有元素,有毒。有毒。o GaAs化合物材料尤其適用于制造高效電池和多結(jié)化合物材料尤其適用于制造高效電池和多結(jié)電池電池,這是由于這是由于GaAs具有十分理想的光學(xué)帶隙以及具有十分理想的光學(xué)帶隙以及較高的吸收效率。較高的吸收效率。 o GaAs 化合物太陽(yáng)能電池雖然具有諸多優(yōu)點(diǎn)化合物太陽(yáng)能電池雖然具有諸多優(yōu)點(diǎn),但是但

48、是GaAs材料的價(jià)格不菲材料的價(jià)格不菲,因而在很大程度上限制了用因而在很大程度上限制了用GaAs電池的普及。電池的普及。 第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電池光電池太陽(yáng)能o 太陽(yáng)能特點(diǎn)：太陽(yáng)能特點(diǎn)： 無(wú)枯竭危險(xiǎn)；絕對(duì)干凈；不受資源分布地域的限無(wú)枯竭危險(xiǎn)；絕對(duì)干凈；不受資源分布地域的限制；可在用電處就近發(fā)電；能源質(zhì)量高；使用者制；可在用電處就近發(fā)電；能源質(zhì)量高；使用者從感情上容易接受；獲取能源花費(fèi)的時(shí)間短。從感情上容易接受；獲取能源花費(fèi)的時(shí)間短。o 要使太陽(yáng)能發(fā)電真正達(dá)到實(shí)用水平，一是要提高太陽(yáng)能要使太陽(yáng)能發(fā)電真正達(dá)到實(shí)用水平，一是要提高太陽(yáng)能光電變換效率并降低成本；二是要實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)

49、能發(fā)電同現(xiàn)光電變換效率并降低成本；二是要實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能發(fā)電同現(xiàn)在的電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。在的電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電池光電池光電倍增管光電倍增管o 基本概念；基本概念；o 光電倍增管組成及工作原理；光電倍增管組成及工作原理；o 光電倍增管具體結(jié)構(gòu)光電倍增管具體結(jié)構(gòu)第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電倍增管光電倍增管1、基本概念：光電發(fā)射和二次電子發(fā)射、基本概念：光電發(fā)射和二次電子發(fā)射o 光電發(fā)射及其基本定律；光電發(fā)射及其基本定律；(光電發(fā)射第一、光電發(fā)射第一、二定律二定律)o 二次電子發(fā)射；二次電子發(fā)射；o 光電管光電管第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -

50、光電倍增管光電倍增管二次電子發(fā)射二次電子發(fā)射o當(dāng)用具有一定能量或速度的電子（或離子等其他粒子）轟擊金屬等物質(zhì)時(shí),也會(huì)引起電子從這些物體中發(fā)射出來(lái),這種物理現(xiàn)象稱為二次電子發(fā)射。被發(fā)射出的電子叫做二次電子,而引起二次電子出現(xiàn)的入射粒子叫做原粒子。o如果在真空中用電子轟擊金屬表面,那么會(huì)發(fā)現(xiàn)從金屬上發(fā)射出的反電流（二次電子）。在一次電子能量足夠大的情況下,與一次電子到達(dá)這一表面的同時(shí),從被轟擊面上發(fā)出的二次電子數(shù)可以達(dá)到一個(gè)相當(dāng)大的數(shù)值。o對(duì)于相同的二次電子陰極材料和相同的一次電子能量,二次電子數(shù)和一次電子數(shù)成正比。=n2/n1，式中，為二次電子發(fā)射系數(shù)。它表示一個(gè)一次電子所產(chǎn)生的二次電子數(shù)。二次

51、發(fā)射系數(shù)取決于一次電子的能量。隨著一次電子能量增大,很快上升。在一次電子的能量約為400800eV時(shí)達(dá)到極大值。繼續(xù)增加一次電子的能量,則發(fā)生了的下降。在一次電子的能量很大時(shí),重新降為較小的數(shù)值。金屬的發(fā)射系數(shù)極大值不大，大約在11.4的范圍內(nèi)。第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電倍增管光電倍增管2、光電倍增管、光電倍增管(PMT)o利用利用外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)和和二次電子發(fā)射二次電子發(fā)射相結(jié)相結(jié)合即合即 把微弱的光輸入轉(zhuǎn)化為光電子，把微弱的光輸入轉(zhuǎn)化為光電子，并使光電子并使光電子獲得倍增獲得倍增的一種光電探測(cè)的一種光電探測(cè)器件。器件。第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光

52、電倍增管光電倍增管光電倍增管優(yōu)缺點(diǎn)光電倍增管優(yōu)缺點(diǎn)o 放大倍數(shù)很高，用于探測(cè)微弱信號(hào)；放大倍數(shù)很高，用于探測(cè)微弱信號(hào)；o 光電特性的線性關(guān)系好光電特性的線性關(guān)系好 ；o 工作頻率高工作頻率高 ；o 性能穩(wěn)定，使用方便性能穩(wěn)定，使用方便 ；o 供電電壓高；供電電壓高；o 玻璃外殼，抗震性差；玻璃外殼，抗震性差；o 價(jià)格昂貴，體積大；價(jià)格昂貴，體積大；第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電倍增管光電倍增管光電倍增管組成及工作原理光電倍增管組成及工作原理o 光電倍增管組成光電倍增管組成o 光窗（光窗（Input window ) o 光電陰極光電陰極(Photo cathode)o 電子光

53、學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng)o 電子倍增系統(tǒng)電子倍增系統(tǒng)(Dynodes)o 陽(yáng)極陽(yáng)極(Anode)第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電倍增管光電倍增管第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電倍增管光電倍增管o 光電倍增管的窗材料通常由硼硅玻璃、透紫玻璃（UV玻璃）、合成石英玻璃和氟化鎂（或鎂氟化物）玻璃制成。硼硅玻璃窗材料可以透過(guò)近紅外至300nm的可見(jiàn)入射光，而其它3種玻璃材料則可用于對(duì)紫外區(qū)不可見(jiàn)光的探測(cè)。 第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電倍增管光電倍增管光電倍增管組成光電倍增管組成第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電倍增管光電倍增管（1）光電倍增管

54、工作原理）光電倍增管工作原理o 光電倍增管（光電倍增管（PMT）是利用外光電效應(yīng)制）是利用外光電效應(yīng)制成的一種光電探測(cè)器件。其光電轉(zhuǎn)換分為成的一種光電探測(cè)器件。其光電轉(zhuǎn)換分為光光電發(fā)射電發(fā)射和和電子倍增電子倍增兩個(gè)過(guò)程。其工作原理如兩個(gè)過(guò)程。其工作原理如下圖示。下圖示。、第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電倍增管光電倍增管（2）光電倍增管工作原理）光電倍增管工作原理 原理圖原理圖K1D2D3D4DA第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電倍增管光電倍增管（3）光電倍增管工作過(guò)程）光電倍增管工作過(guò)程第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電倍增管光電倍增管（4）供電原理

55、圖）供電原理圖o 原理圖原理圖KA1D2D3DnD1R2R3RnR1nRLR第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電倍增管光電倍增管三、光電倍增管具體結(jié)構(gòu)三、光電倍增管具體結(jié)構(gòu)1、光電陰極、光電陰極(Photo cathode) 把光電發(fā)射體鍍?cè)诮饘倩蛲该靼压怆姲l(fā)射體鍍?cè)诮饘倩蛲该鞑牧希úＡЩ蚴⒉ＡВ┥暇椭瞥闪斯獠牧希úＡЩ蚴⒉ＡВ┥暇椭瞥闪斯怆婈帢O。電陰極。 第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電倍增管光電倍增管（1）結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電倍增管光電倍增管（2）常用材料）常用材料：o Ag-O-Cs：近紅外唯一具有使用價(jià)值的陰極材：近

56、紅外唯一具有使用價(jià)值的陰極材料；料；o CsSb：可見(jiàn)、紫外區(qū)有較高的響應(yīng)率：可見(jiàn)、紫外區(qū)有較高的響應(yīng)率;o 多堿光電陰極多堿光電陰極（雙、三、四（雙、三、四堿）；堿）；第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電倍增管光電倍增管2、電子光學(xué)系統(tǒng)、電子光學(xué)系統(tǒng) 是指是指光電陰極光電陰極至至第一倍增極之第一倍增極之間間的區(qū)域。的區(qū)域。 電子光學(xué)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上主要由電子光學(xué)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上主要由聚焦電極聚焦電極和和偏轉(zhuǎn)電極偏轉(zhuǎn)電極組成組成第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電倍增管光電倍增管對(duì)電子光學(xué)系統(tǒng)要求對(duì)電子光學(xué)系統(tǒng)要求o 要求：要求：（1）使光電陰極發(fā)射的光電子）使光電陰極發(fā)射的光

57、電子盡可能多的會(huì)聚到第一倍增極盡可能多的會(huì)聚到第一倍增極的有效區(qū)域內(nèi)；的有效區(qū)域內(nèi)；（2）光電陰極各部分發(fā)射的）光電陰極各部分發(fā)射的光電子到達(dá)第一倍增極所經(jīng)歷的光電子到達(dá)第一倍增極所經(jīng)歷的時(shí)間盡可能一致。時(shí)間盡可能一致。第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電倍增管光電倍增管3、倍增系統(tǒng)（、倍增系統(tǒng)（Dynodes ）o倍增系統(tǒng)：是指由各倍增極構(gòu)成的綜合倍增系統(tǒng)：是指由各倍增極構(gòu)成的綜合系統(tǒng)，各倍增極都是由系統(tǒng)，各倍增極都是由二次電子發(fā)射體二次電子發(fā)射體構(gòu)成。構(gòu)成。o要求：要求：二次電子發(fā)射系數(shù)要大二次電子發(fā)射系數(shù)要大 o 倍增極分類倍增極分類： 非聚焦型非聚焦型只加速只加速 聚聚 焦

58、焦 型型加速聚焦加速聚焦 第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電倍增管光電倍增管各種倍增極的結(jié)構(gòu)形式各種倍增極的結(jié)構(gòu)形式 a) 百葉窗式百葉窗式 b) 盒柵式盒柵式 c) 直瓦片式直瓦片式 d) 圓瓦片式圓瓦片式第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電倍增管光電倍增管4、陽(yáng)極、陽(yáng)極o 陽(yáng)極是采用金屬網(wǎng)作的柵網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，把它置于陽(yáng)極是采用金屬網(wǎng)作的柵網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，把它置于靠近最末一級(jí)倍增極附近，用來(lái)收集最末一級(jí)靠近最末一級(jí)倍增極附近，用來(lái)收集最末一級(jí)倍增極發(fā)射出來(lái)的電子。倍增極發(fā)射出來(lái)的電子。o 陽(yáng)極結(jié)構(gòu)示意圖陽(yáng)極結(jié)構(gòu)示意圖 一次電子?xùn)啪W(wǎng)狀陽(yáng)極二次電子第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢

59、測(cè)技術(shù)- -光電倍增管光電倍增管o要求：要求： 接收性能良好，盡可能多的收集電子，工接收性能良好，盡可能多的收集電子，工作在較大電流時(shí)，不至于產(chǎn)生作在較大電流時(shí)，不至于產(chǎn)生空間電荷效應(yīng)?？臻g電荷效應(yīng)。 輸出電容要小輸出電容要小第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電倍增管光電倍增管光敏二極管結(jié)構(gòu)光敏二極管結(jié)構(gòu)o 光敏二極管與普通二極管一樣有一個(gè)光敏二極管與普通二極管一樣有一個(gè)PN結(jié)，屬于結(jié)，屬于單向?qū)щ娦缘姆蔷€性元件。外形不同之處是在光單向?qū)щ娦缘姆蔷€性元件。外形不同之處是在光電二極管的外殼上有一個(gè)透明的窗口以接收光線電二極管的外殼上有一個(gè)透明的窗口以接收光線照射，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。照射，

60、實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。o 為了獲得盡可能大的光生電流，需要較大的工作為了獲得盡可能大的光生電流，需要較大的工作面，即面，即PN結(jié)面積比普通二極管大得多，以擴(kuò)散層結(jié)面積比普通二極管大得多，以擴(kuò)散層作為它的受光面。作為它的受光面。o 為了提高光電轉(zhuǎn)換能力，為了提高光電轉(zhuǎn)換能力，PN結(jié)的深度較普通二極結(jié)的深度較普通二極管淺。管淺。第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電二極管光電二極管光電二極管（光敏二極管）光電二極管（光敏二極管）光敏二極管符號(hào)光敏二極管符號(hào) 光敏二極管接法光敏二極管接法 第三章第三章 光電檢測(cè)技術(shù)光電檢測(cè)技術(shù)- -光電二極管光電二極管外加反向偏壓外加反向偏壓o 可以不加偏壓，與光