光電探測(cè)材料與受光器件

光電探測(cè)材料與受光器件第一頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日理解光電效應(yīng)的三個(gè)要點(diǎn)：1）原因：是輻射，而不是升溫；2）現(xiàn)象：電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化；3）結(jié)果：光電子發(fā)射、電導(dǎo)率變化、光生伏特。光電效應(yīng)的物理機(jī)制：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)。

光電效應(yīng)中光與物質(zhì)相互作用的本質(zhì)：光子與電子的直接作用(電子吸收光子)注意：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)。第二頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日2、分類外光電效應(yīng):指物質(zhì)受光照后而激發(fā)的電子逸出物質(zhì)的表面，在外電場(chǎng)作用下形成真空中的光電子流。這種效應(yīng)多發(fā)生于金屬和金屬氧化物.內(nèi)光電效應(yīng):指受光照而激發(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)體內(nèi)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)和光磁電效應(yīng)等。外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)的主要區(qū)別在于：受光照而激發(fā)的電子，前者逸出物質(zhì)表面形成光電子流，而后者則在物質(zhì)內(nèi)部參與導(dǎo)電。簡單記為：光輻射→電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化→光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)、光電子發(fā)射。第三頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日光導(dǎo)管或光敏電阻光電池光電二極管雪崩光電二極管肖特基勢(shì)壘光電二極管光電磁探測(cè)器光子牽引探測(cè)器光電導(dǎo)(本征和非本征)光生伏特

PN結(jié)和PIN結(jié)(零偏)PN結(jié)和PIN結(jié)(反偏)

雪崩肖特基勢(shì)壘異質(zhì)結(jié)3.光電磁光子牽引內(nèi)光電效應(yīng)光電管充氣光電管光電倍增管象增強(qiáng)管1.光陰極發(fā)射光電子正電子親和勢(shì)光陰極負(fù)電子親和勢(shì)光陰極2.光電子倍增氣體繁流倍增打拿極倍增通道電子倍增外光電效應(yīng)相應(yīng)的探測(cè)器效應(yīng)光電效應(yīng)的分類光電發(fā)射探測(cè)器、光電導(dǎo)探測(cè)器、光生伏特探測(cè)器第四頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日2.1）光電導(dǎo)效應(yīng):當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料時(shí)，價(jià)帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價(jià)帶越過禁帶躍入導(dǎo)帶，使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價(jià)帶內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導(dǎo)率變大。常存在于高電阻率的半導(dǎo)體中。(1)本征光電導(dǎo)和雜質(zhì)光電導(dǎo)本征光電導(dǎo):光照下半導(dǎo)體的本征激發(fā)引起導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴增加，從而引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率增加.直接帶隙：

間接帶隙：雜質(zhì)光電導(dǎo):雜質(zhì)能級(jí)和允許能帶之間躍遷引起的光電導(dǎo).第五頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日本征光電導(dǎo)和雜質(zhì)光電導(dǎo)的區(qū)別1)雜質(zhì)的電離能通常比禁帶寬度要小得多,雜質(zhì)吸收和光電導(dǎo)的長波限比本征吸收和光電導(dǎo)長波限要大得多.2)雜質(zhì)濃度比主晶格原子濃度要小幾個(gè)數(shù)量級(jí),雜質(zhì)吸收和雜質(zhì)光電導(dǎo)比本征吸收和本征光電導(dǎo)弱得多.3)從吸收躍遷結(jié)果看,本征光電導(dǎo)同時(shí)產(chǎn)生等量的自由電子和自由空穴,并且兩者對(duì)光電導(dǎo)的產(chǎn)生做出貢獻(xiàn).而雜質(zhì)光電導(dǎo),只激發(fā)一種自由載流子.4)二者光激載流子產(chǎn)生率與激發(fā)光強(qiáng)度具有不同的函數(shù)關(guān)系.第六頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日(2)表面對(duì)光電導(dǎo)的影響光子能量小于禁帶寬度時(shí),本征吸收限以下的系數(shù)很低,表面吸收作用不大,樣品的光電導(dǎo)主要由體積特性決定.在光子能量大于禁帶寬度時(shí),由于吸收系數(shù)很高,吸收深度很淺，近表面層對(duì)光的吸收作用很強(qiáng)，而體內(nèi)吸收很弱，光電導(dǎo)主要決定于表面吸收、激發(fā)和復(fù)合。第七頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日（3）噪聲信號(hào)和噪聲都與激發(fā)光的頻率有關(guān)。最佳頻率1）光子噪聲：不可避免。每一個(gè)單位時(shí)間間隔內(nèi)射入的光子數(shù)目與由此在半導(dǎo)體中產(chǎn)生的光生載流子數(shù)目是不同的，所以光電流不是嚴(yán)格不變的恒定值，而是在其平均值附近起伏。光電流的這種起伏表現(xiàn)為光子噪聲。第八頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日2）熱激噪聲：由載流子在光電導(dǎo)體中的不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)所引起的。自由載流子熱運(yùn)動(dòng)速度大小的起伏和運(yùn)動(dòng)方向的雜亂性使得每一個(gè)體積元中載流子濃度大小是變化的，這就造成噪聲。降低溫度可以減少熱激噪聲。這種噪聲存在于任何電阻器中.3）產(chǎn)生-復(fù)合噪聲：半導(dǎo)體中由于熱激載流子產(chǎn)生和復(fù)合的不規(guī)則起伏所引起的噪聲。4）陷阱效應(yīng)噪聲：受到激發(fā)而產(chǎn)生的自由載流子在有陷阱的半導(dǎo)體中可以被陷阱俘獲，之后又可以因熱激發(fā)從陷阱釋出而成為自由載流子。同產(chǎn)生-復(fù)合過程類似，載流子被俘獲和釋放的過程也是起伏的，而導(dǎo)致噪聲。5）噪聲：其功率近似地與頻率f成反比，因而稱為噪聲是低頻范圍主要的噪聲。只在有電流通過時(shí)才存在。來源可能與表面情況、勢(shì)壘、晶體位錯(cuò)缺陷以及接觸不良等有關(guān)?？赏ㄟ^完善工藝來降低這種噪聲。第九頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日2.2）光生伏特效應(yīng):如果在一定條件下受到光照作用的半導(dǎo)體特定方向上產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),這種現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng).關(guān)鍵:光生電子和空穴能夠在空間中分開.產(chǎn)生條件:1)不均勻半導(dǎo)體(存在內(nèi)建電場(chǎng)）:p-n結(jié)、異質(zhì)結(jié)、肖特基勢(shì)壘等2)均勻半導(dǎo)體:體積光生伏特效應(yīng)①電子和空穴遷移率的不相等.在不均勻光照時(shí)由于兩種載流子擴(kuò)散速度不同而導(dǎo)致兩種電荷分開,從而出現(xiàn)光電勢(shì).這種現(xiàn)象稱為丹倍效應(yīng).②存在外加磁場(chǎng).該磁場(chǎng)使得擴(kuò)散中兩種載流子向相反方向偏轉(zhuǎn),從而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì).稱為光磁電效應(yīng).第十頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）接觸的半導(dǎo)體和PN結(jié)中，當(dāng)光線照射其接觸區(qū)域時(shí)，便引起光電動(dòng)勢(shì)，這就是結(jié)光電效應(yīng)。以PN結(jié)為例，光線照射PN結(jié)時(shí)，設(shè)光子能量大于禁帶寬度Eg，使價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在阻擋層內(nèi)電場(chǎng)的作用下，被光激發(fā)的電子移向N區(qū)外側(cè)，被光激發(fā)的空穴移向P區(qū)外側(cè)，從而使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，形成光電動(dòng)勢(shì)。第十一頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日2.3）光電子發(fā)射:指固體在光的照射下向外發(fā)射電子的過程,屬于外光電效應(yīng).(1)體積光電效應(yīng):光吸收是體積材料特性(2)光電發(fā)射的物理過程第一步:電子吸收光子后產(chǎn)生激發(fā),即得到能量.第二步:受激電子向固體表面擴(kuò)散并最終到達(dá)表面.在這個(gè)過程中電子發(fā)生散射并失去部分能量.第三步:受激電子越過表面勢(shì)壘逃逸至真空中.根據(jù)愛因斯坦假設(shè)，一個(gè)電子只能接受一個(gè)光子的能量，所以要使一個(gè)電子從物體表面逸出，必須使光子的能量大于該物體的表面逸出功，超過部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動(dòng)能。外光電效應(yīng)多發(fā)生于金屬和金屬氧化物，從光開始照射至金屬釋放電子所需時(shí)間不超過10-9s。第十二頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日根據(jù)能量守恒定理

m—電子質(zhì)量；v0—電子逸出速度。光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0。不同的物質(zhì)具有不同的逸出功，即每一個(gè)物體都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻率或波長限。當(dāng)入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比。即光強(qiáng)愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。光電子逸出物體表面具有初始動(dòng)能mv02/2

，因此外光電效應(yīng)器件（如光電管）即使沒有加陽極電壓，也會(huì)有光電子產(chǎn)生。為了使光電流為零，必須加負(fù)的截止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。第十三頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日為了得到盡可能高的光電發(fā)射量子效率,對(duì)半導(dǎo)體材料的要求:①材料表面的反射系數(shù)要盡可能低.②量子效率與電子在表面上的逃逸幾率成正比,而逃逸幾率的大小取決于半導(dǎo)體電子親和勢(shì)與電子能量之比.因此為了得到較高的量子效率,半導(dǎo)體的電子親和勢(shì)應(yīng)盡可能低,達(dá)到負(fù)值更好.③半導(dǎo)體應(yīng)該具有較高的光吸收系數(shù).④逃逸深度應(yīng)該盡可能地大,最好大于吸收深度.⑤半導(dǎo)體的Eg要適中.(3)量子效率光電發(fā)射靈敏度的表示法:每單位入射光功率的光電流.mA/W每一個(gè)吸收或入射光子所發(fā)射的電子數(shù).光子數(shù)/電子數(shù)第十四頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日(4)表面條件的影響1)能帶彎曲:對(duì)于n型半導(dǎo)體,表面態(tài)使得體內(nèi)光電子發(fā)射變得更困難.對(duì)于p型半導(dǎo)體,表面態(tài)對(duì)于體內(nèi)的光電子發(fā)射十分有利.2)發(fā)射閾和有效電子親和勢(shì)的進(jìn)一步降低:向半導(dǎo)體表面淀積一薄層功函數(shù)低的材料(厚度比電子平均自由程小得多),則受激電子可以不受大的能量損失而達(dá)到該層.結(jié)果光電發(fā)射閾由于新表面功函數(shù)較低而降低.第十五頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日一、光電探測(cè)器的主要性能參數(shù)2量子效率η1響應(yīng)度R5噪聲等效功率NEP3光譜響應(yīng)度R(λ)4頻率響應(yīng)度R(f)6探測(cè)度D和歸一化探測(cè)度D*等5.2光電探測(cè)器材料的基本特性第十六頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日1.響應(yīng)度R（或稱靈敏度）描述光電探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換效率。

定義：光電探測(cè)器輸出信號(hào)與輸入光功率之比。分類：響應(yīng)度分為電壓響應(yīng)度和電流響應(yīng)度。電壓響應(yīng)度Rv：光電探測(cè)器件輸出電壓與入射光功率之比電流響應(yīng)度RI：光電探測(cè)器件輸出電流與入射光功率之比第十七頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日

2.量子效率：是指每入射一個(gè)光子光電探測(cè)器所釋放的平均電子數(shù)。它與入射光能量有關(guān)。其表達(dá)式為:式中，I是入射光產(chǎn)生的平均光電流大小，e是電子電荷，P是入射到探測(cè)器上的光功率。I/e為單位時(shí)間產(chǎn)生的電子數(shù),P/hυ為單位時(shí)間入射的光子數(shù)。對(duì)于理想的探測(cè)器，每入射一個(gè)光子則發(fā)射一個(gè)電子，=1；實(shí)際上一般有<1。對(duì)光電倍增管、雪崩光電二極管等有內(nèi)部增益機(jī)制的光電探測(cè)器，可大于1。量子效率是一個(gè)微觀參數(shù)，光電探測(cè)器的量子效率越高越好。第十八頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日3.光譜響應(yīng)度R(λ)是響應(yīng)度隨波長變化的性能參數(shù)。大多數(shù)光電探測(cè)器具有光譜選擇性。定義：探測(cè)器在波長為λ的單色光照射下，輸出電壓或電流與入射光功率之比。說明：波長不同的光電探測(cè)器具有不同的響應(yīng)度。光電探測(cè)器一般有截止波長。第十九頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日

4.頻率響應(yīng)度R(f)：響應(yīng)度隨入射光頻率而變化的性能參數(shù)。其表達(dá)式為：式中R(f)為頻率為f時(shí)的響應(yīng)度；R0為頻率為零時(shí)的響應(yīng)度；為探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間或稱時(shí)間常數(shù),由材料和外電路決定。圖

光電探測(cè)器的頻率響應(yīng)曲線R(f)隨f的升高而下降，下降的速度與響應(yīng)時(shí)間的大小有關(guān)。一般規(guī)定R(f)下降到：時(shí)的頻率fc為探測(cè)器的響應(yīng)截止頻率。第二十頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日定義：單位信噪比時(shí)的入射光功率。表達(dá)式為NEP越小，噪聲越小，探測(cè)器探測(cè)能力就越強(qiáng)。5.噪聲等效功率(NEP)是描述光電探測(cè)器探測(cè)能力的參數(shù)。第二十一頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日6.探測(cè)度D與歸一化探測(cè)度D*1）探測(cè)度D為噪聲等效功率的倒數(shù)，即2）歸一化探測(cè)度D*

由于D與探測(cè)器的面積Ad和放大器帶寬Δf乘積的平方根成正比，為消除這一影響，定義：D*越大的探測(cè)器其探測(cè)能力越強(qiáng)。第二十二頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日7.其它參數(shù)光電探測(cè)器還有其它一些參數(shù)，在使用時(shí)必須注意到。如：1）暗電流：指沒有信號(hào)和背景輻射時(shí)通過探測(cè)器的電流。2）光敏面積：指靈敏元的幾何面積。3）探測(cè)器電阻、電容。4）工作電壓、電流、溫度。第二十三頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日二、光電探測(cè)器對(duì)材料的要求1.固態(tài)探測(cè)器材料的一般要求：1）熱平衡載流子少；2）陷阱復(fù)合中心少。2.半導(dǎo)體探測(cè)器對(duì)材料的要求：1）載流子有長的漂移長度2）Eg大3）低的勁雜質(zhì)濃度4）高的原子序數(shù)5）理想的晶體生長技術(shù)和電接觸技術(shù)（晶體的完整性、均勻性）第二十四頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日5.3光電探測(cè)材料1、紅外探測(cè)器材料：非本征硅本征硅禁帶寬度:1.12eV~1.1μm探測(cè)更長波段:摻雜3-5μm~0.25eV,In,S,Tl8-14μm~0.089eV,Al,Ga,Bi,Mg優(yōu)缺點(diǎn):優(yōu)點(diǎn)：可在同一硅片上集成探測(cè)器和硅信號(hào)處理電路.

缺點(diǎn):需在較低溫度下工作,光吸收系數(shù)小,探測(cè)器芯片必須具有相當(dāng)厚度.3.應(yīng)用:8-14μm及其以上波段曾有重要應(yīng)用,現(xiàn)已被碲鎘汞取代,鍺摻雜紅外探測(cè)器在幾十微米至150μm仍有應(yīng)用價(jià)值.第二十五頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日2、化合物半導(dǎo)體紅外探測(cè)器材料：HgCdTe（MCT）MCT是目前最重要和應(yīng)用最廣的紅外探測(cè)器材料Hg1-xCdxTe材料的特點(diǎn):①HgTe-CdTe半導(dǎo)體合金材料,其禁帶寬度Eg是組分x和溫度T的函數(shù).通過對(duì)x和T的調(diào)節(jié)與選擇使材料的禁帶寬度Eg從0.3eV(HgTe)變化到1.6eV(CdTe),因此,可以通過調(diào)整x值制備出所要求的禁帶寬度的本征型半導(dǎo)體,以制作1~30μm響應(yīng)波段內(nèi)所需的特定響應(yīng)波長的紅外探測(cè)器.②是一種本征半導(dǎo)體材料,其光吸收系數(shù)比非本征半導(dǎo)體材料大得多,大約10μm厚的材料就可實(shí)現(xiàn)有效的光吸收,探測(cè)器具有很高的量子效率.第二十六頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日③熱激發(fā)速率小,而非本征材料必須冷卻到足夠低的溫度才能避免雜質(zhì)的熱激發(fā),因而在同一工作波段時(shí),MCT比Ge,Si摻雜型紅外探測(cè)器具有更高的工作溫度,響應(yīng)速度快.④有很小的電子有效質(zhì)量、很高的電子遷移率、較低的本征載流子濃度和較小的介電常數(shù),因而MCT探測(cè)器有較高的光電導(dǎo)增益和響應(yīng)率,適合研制高頻響應(yīng)、寬頻帶的探測(cè)器.⑤材料的熱膨脹系數(shù)與硅接近,因此可研制出與硅信息處理電路集成的混合式紅外焦平面器件.MCT探測(cè)器類型:光導(dǎo)型,光伏型工作溫度:室溫~77K波長:1~3μm,3~5μm,8~14μm缺點(diǎn):窄禁帶；單晶制備較為困難第二十七頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日3.超晶格量子阱紅外探測(cè)器材料大氣窗口:中波紅外3~5μm,長波紅外8~14μm近室溫物體的輻射能量分布與長波紅外波段匹配較好傳統(tǒng)窄禁帶探測(cè)器材料HgCdTe和InSb的缺點(diǎn)Ⅰ類紅外超晶格材料:AlxGa1-xAs/GaAs8-14μm第二十八頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日量子阱紅外光電探測(cè)器工作原理:利用量子尺寸限制效應(yīng),將具有量子尺寸(100nm以下)的窄禁帶材料生長在較寬禁帶材料(量子勢(shì)壘材料)之間構(gòu)成量子阱,對(duì)量子阱材料進(jìn)行摻雜.由于雜質(zhì)只局限于很薄的量子阱材料,雜質(zhì)電離后形成的載流子將處于量子阱材料導(dǎo)帶或價(jià)帶中的子能級(jí)上.在紅外光作用下,較低子能級(jí)上的載流子可以向較高子能級(jí)躍遷,在偏置電壓的作用下依靠隧道穿透作用運(yùn)動(dòng)到勢(shì)壘材料的導(dǎo)帶或價(jià)帶中形成光電導(dǎo),也可以直接躍遷到勢(shì)壘材料的導(dǎo)帶或價(jià)帶中形成光電導(dǎo).量子阱器件結(jié)構(gòu)示意圖:InAlAs/InGaAs3~5μm第二十九頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日4、紫外光電探測(cè)器材料：Ⅲ-Ⅴ族氮化物材料1)帶隙寬:AlN-6.2eV,GaN-3.4eV,InN-1.9eV,BN-5.8eV,BP-2.0eV2)結(jié)構(gòu)上具有多型性,薄膜生長時(shí)對(duì)襯底的選擇不同.纖鋅礦結(jié)構(gòu)薄膜生長在六方結(jié)構(gòu)襯底上,閃鋅礦結(jié)構(gòu)薄膜生長在立方結(jié)構(gòu)襯底上.3)GaN是直接帶隙材料,光吸收主要發(fā)生在近表面的薄層區(qū)域內(nèi),表面效應(yīng)對(duì)光電探測(cè)器性的影響比間接帶隙材料更明顯.4)Ⅲ-Ⅴ族應(yīng)用于紫外光電探測(cè)器方面的一個(gè)顯著的特點(diǎn):用外延生長方法可以形成三元合金體系,并改變?nèi)逶氐慕M分比例.使其禁帶寬度在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào),從而可以制作出具有不同峰值響應(yīng)波長和截止波長的系列化紫外光探測(cè)器.第三十頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日GaN材料在紫外光電探測(cè)器上的應(yīng)用1)窄禁帶寬度半導(dǎo)體制作紫外光電探測(cè)器的缺點(diǎn):隨著波長的縮短,材料的光吸收系數(shù)急劇增加,光吸收深度減小,各種表面效應(yīng)的影響明顯增加,相應(yīng)的光電響應(yīng)會(huì)顯著降低.2)寬禁帶半導(dǎo)體材料制作紫外光電探測(cè)器的主要優(yōu)點(diǎn)和必要性:①可充分利用寬禁帶材料自然具有的可見光盲或陽光盲的特性,提高器件的抗干擾能力.②可利用寬禁帶材料的高化學(xué)穩(wěn)定性和耐高溫特性制成適用于惡劣環(huán)境的紫外光電探測(cè)器.第三十一頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日5.4受光器件（光電探測(cè)器件）受光器件：將光能轉(zhuǎn)換為電能的一種傳感器件,是構(gòu)成光電式傳感器最主要的部件。其主要用途有：1）用來察覺微弱光信號(hào)的存在和測(cè)量光信號(hào)的強(qiáng)弱，主要考慮的是器件探測(cè)微弱光信號(hào)的能力；2）在自動(dòng)控制中作為光電轉(zhuǎn)換器（考慮光電轉(zhuǎn)換效能）3）其他：作為測(cè)量用的光電池和作為能源用的太陽能電池

1、光電探測(cè)器件的分類（1）按工作波段分：紫外光、可見光、紅外光探測(cè)器（2）按應(yīng)用分A.非成像型：光信息轉(zhuǎn)化為電信息B.成像型：變像管、像增強(qiáng)管、攝像管[真空攝像管、固體成像器件CCD]第三十二頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日（3）按原理分外光電效應(yīng)器件：

光電發(fā)射型探測(cè)器件：光電管、光電倍增管內(nèi)光電效應(yīng)器件：

光電導(dǎo)型探測(cè)器件：光敏電阻

光伏型探測(cè)器件：光電池、光電二極管、光電晶體管、光電場(chǎng)效應(yīng)管、PIN管、雪崩光電二極管、光可控硅、陣列式光電器件、象限式光電器件、位置敏感探測(cè)器（PSD）、光電耦合器件第三十三頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日2、光電器件的特點(diǎn)（與熱敏型輻射探測(cè)器件比）【大都由半導(dǎo)體材料構(gòu)成，也有用金屬等其它材料的】（1）具有選擇性吸收，對(duì)不同波長的輻射也就具有選擇性的靈敏度。

光電器件接收光譜范圍因制作材料而異。{熱敏型的靈敏度與輻射波長無關(guān)}（2）靈敏度高，惰性小，響應(yīng)速度快。{熱敏型的惰性強(qiáng)，響應(yīng)速度慢，不適于高變化的頻率輻射的探測(cè)}第三十四頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日§5.4.1光電子發(fā)射型探測(cè)器件

一、光電子發(fā)射效應(yīng)二、光電發(fā)射材料三、真空光電管四、光電倍增管第三十五頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日1887，德國物理學(xué)家赫茲發(fā)現(xiàn)金屬或半導(dǎo)體在光照射下吸收光子激發(fā)出自由電子，當(dāng)吸收的能量足以克服原子核對(duì)電子的束縛時(shí)，電子就會(huì)脫離原子核逸出物質(zhì)的表面，這就是物質(zhì)的光電發(fā)射現(xiàn)象，也稱為外光電效應(yīng)。1905年，外光電效應(yīng)被愛因斯坦成功解釋。一、光電子發(fā)射效應(yīng)光電陰極：能產(chǎn)生光電發(fā)射效應(yīng)的物體，稱為光電發(fā)射體，在光電管中又稱為光陰極。電子逸出功：是描述材料表面對(duì)電子束縛強(qiáng)弱的物理量，在數(shù)量上等于電子逸出表面所需的最低能量，也可以說是光電發(fā)射的能量閾值。第三十六頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日1、光電發(fā)射基本定律當(dāng)照射到光陰極上的入射光頻率或頻譜成分不變時(shí)，入射輻射通量越大（攜帶的光子數(shù)越多），激發(fā)電子逸出光電發(fā)射體表面的數(shù)量也越多，因而發(fā)射的光電流就增加，因此，飽和光電流（即單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)目）與入射輻射通量（光強(qiáng)度）成正比：1）光電發(fā)射第一定律——斯托列托夫定律：I：飽和光電流;

k：光電發(fā)射靈敏度常數(shù)；：入射輻射通量第三十七頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日光電子的最大動(dòng)能與入射光的頻率成正比，而與入射光強(qiáng)度無關(guān)：顯然，當(dāng)時(shí)，逸出電子無動(dòng)能，那么，就不會(huì)產(chǎn)生光電發(fā)射，因此，光電發(fā)射存在長波限。2）光電發(fā)射第二定律——愛因斯坦定律：m為電子質(zhì)量vmax為電子逸出后的最大速度；h為普朗克常數(shù)：Ew為光電發(fā)射體的逸出功第三十八頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日（1）光電效應(yīng)的有、無只與入射光的波長、頻率有關(guān)，與入射光的強(qiáng)度無關(guān)；

——光電效應(yīng)的產(chǎn)生，唯一的取決于入射光的波長、頻率以及器件的能級(jí)結(jié)構(gòu)。

（2）光電效應(yīng)的強(qiáng)弱既與入射光的強(qiáng)度有關(guān)，也與入射光的波長、頻率有關(guān)。

——入射光的強(qiáng)弱反映入射光子數(shù)的多少；入射光的波長、頻率不同，器件對(duì)其的響應(yīng)度不同。2、光電效應(yīng)的特點(diǎn)第三十九頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日3、光電效應(yīng)發(fā)生的條件截止頻率截止波長可見，Ew小的發(fā)射體才能對(duì)波長較長的光輻射產(chǎn)生光電發(fā)射效應(yīng)。

一些金屬的極限波長(nm)：

銫

鈉

鋅

銀

鉑

6525403722601964、光電發(fā)射的基本過程1)光射入物體后，物體中的電子吸收光子能量，從基態(tài)躍遷到能量高于真空能級(jí)的激發(fā)態(tài)。2)受激電子從受激地點(diǎn)出發(fā)，在向表面運(yùn)動(dòng)過程中免不了要同其它電子或晶格發(fā)生碰撞，而失去一部分能量。

3)達(dá)到表面的電子，如果仍有足夠的能量足以克服表面勢(shì)壘對(duì)電子的束縛（即逸出功）時(shí)，即可從表面逸出。第四十頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日5、金屬的光電子發(fā)射在向表面運(yùn)動(dòng)并逸出表面前各種損失能量ΔE≥0，克服表面勢(shì)壘EA。因此，從表面逸出電子動(dòng)能為：金屬反射掉大部分入射的可見光（反射系數(shù)達(dá)90%以上），吸收效率很低；光電子與金屬中大量的自由電子碰撞，在運(yùn)動(dòng)中喪失很多能量。只有很靠近表面的光電子，才有可能到達(dá)表面并克服勢(shì)壘逸出，即金屬中光電子逸出深度很淺，只有幾nm；金屬逸出功大多為大于3eV，對(duì)能量小于3eV（λ>410nm）的可見光來說，很難產(chǎn)生光電發(fā)射，只有銫（2eV逸出功）對(duì)可見光最靈敏，故可用于光陰極。但純金屬銫量子效率很低，小于0.1%，在光電發(fā)射前兩個(gè)階段能量損耗太大。第四十一頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日(a)本征半導(dǎo)體1)本征半導(dǎo)體T=0K時(shí)，本征半導(dǎo)體中電子占據(jù)的最高能級(jí)是價(jià)帶頂，因此，電子從價(jià)帶頂躍遷到導(dǎo)帶所需的最小能量為：6、半導(dǎo)體的光電子發(fā)射2)N型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體是以電子為主導(dǎo)電的半導(dǎo)體，施主雜質(zhì)中的電子只要獲得很小的能量，就能脫離原子而參加導(dǎo)電。施主能級(jí)處于禁帶內(nèi)導(dǎo)帶底的下面。電子從施主能級(jí)躍遷到導(dǎo)帶所需的最低能量為:(b)N型半導(dǎo)體說明：在常溫下，電子（空穴）所具有的平均熱能就足以使施主原子電離。因此，N型和P型半導(dǎo)體都具有較高的電導(dǎo)率。3)P型半導(dǎo)體受主能級(jí)處于禁帶內(nèi)價(jià)帶頂?shù)纳戏?，價(jià)帶電子躍遷到受主能級(jí)所需的電離能為:第四十二頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日半導(dǎo)體的逸出功(b)N型半導(dǎo)體(a)本征半導(dǎo)體半導(dǎo)體的光電逸出功由兩部分組成：1)電子從發(fā)射中心激發(fā)到導(dǎo)帶所需的最低能量；2)電子從導(dǎo)帶底逸出到真空能級(jí)所需的最低能量（即電子親和勢(shì)）。第四十三頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日半導(dǎo)體電子逸出功定義為T=0K時(shí)真空能級(jí)與電子發(fā)射中心的能級(jí)之差，而電子發(fā)射中心的能級(jí)有的是價(jià)帶頂，有的是雜質(zhì)能級(jí)，有的是導(dǎo)帶底，情況復(fù)雜，因此對(duì)于半導(dǎo)體很少用電子逸出功的概念。由于電子逸出功不管從哪里算起，其中都包含有親和勢(shì)（真空能級(jí)與導(dǎo)帶底之差），因此為了表示光電發(fā)射的難易，使用親和勢(shì)的概念比使用逸出功的概念更有實(shí)際意義。所以，對(duì)于半導(dǎo)體一般不用逸出功的概念，而用電子親和勢(shì)的概念。為了表示光電發(fā)射的能量閾值，許多資料都是按真空能級(jí)與價(jià)帶頂之差（親和勢(shì)加上禁帶寬度）來計(jì)算。EvEFEcEAeEgE0(b)理想半導(dǎo)體Eφ電子親和勢(shì)：真空能級(jí)與導(dǎo)帶底之差半導(dǎo)體表面處的光電發(fā)射閾值Eφ：第四十四頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日eECEVEAeEDEAjEE0EEF（a）正電子親和勢(shì)EFEECVEAjEE0e（b）負(fù)電子親和勢(shì)正電子親和勢(shì)：表面真空能級(jí)位于導(dǎo)帶底之上負(fù)電子親和勢(shì)：表面特殊處理后表面區(qū)域能帶彎曲，真空能級(jí)降至導(dǎo)帶底之下，有效電子親和勢(shì)為負(fù)值。實(shí)際半導(dǎo)體：表面能帶彎曲，有效電子親和勢(shì)半導(dǎo)體材料光陰極的分類：正電子親和勢(shì)(PEA，亦稱經(jīng)典光陰極)：EAe>0負(fù)電子親和勢(shì)(NEA陰極，當(dāng)前性能最好的光陰極）:EAe<0第四十五頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日半導(dǎo)體材料與金屬相比，對(duì)光輻射的吸收率大，內(nèi)部能量散射損失小，表面勢(shì)壘又可以人為控制，因而采用半導(dǎo)體材料作光陰極獲得了廣泛應(yīng)用。

1.光陰極表面對(duì)光輻射的反射小而吸收大，以便體內(nèi)有較多的電子受到激發(fā)；

7、良好的光陰極材料的標(biāo)準(zhǔn)：2.受激電子最好是發(fā)生在表面附近，這樣向表面運(yùn)動(dòng)過程中損失的能量少；3.材料的逸出功要小（光陰極表面勢(shì)壘低），使到達(dá)真空界面的電子能夠比較容易地逸出；4.材料還要有一定的電導(dǎo)率，以便能夠通過外電源來補(bǔ)充因光電發(fā)射所失去的電子。第四十六頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日二、光電子發(fā)射材料1、光電發(fā)射材料的分類純金屬材料；金屬+吸附層；半導(dǎo)體材料。2、金屬材料的特性3、半導(dǎo)體材料的特性其反射率為90%；體內(nèi)自由電子多，由碰撞引起的能量散射損失大，逸出深度??；逸出功大，量子效率低；光譜響應(yīng)在紫外或遠(yuǎn)紫外區(qū)，適于紫外靈敏的光電器件。光吸收系數(shù)比金屬大；體內(nèi)自由電子少，散射能量變小，故量子效率比金屬大；光發(fā)射波長延伸至可見、近紅外波段。在半導(dǎo)體光電發(fā)射材料的基礎(chǔ)上，發(fā)展了負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極，長波可至1.6um（70年代后期）第四十七頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日h=0.1%h=1%1010.20.81.01.2lmmη=1%η=0.1%S(l)(mA/W)0.40.6銀氧銫光電陰極光譜響應(yīng)曲線1934年研制的第一支紅外變象管就采用這種陰極。它是紅外波段唯一可用的經(jīng)典光電發(fā)射材料，長波限可達(dá)1.2um量子效率極低(<1%)，靈敏度低(3mA/W),暗電流大。當(dāng)陰極長期受光照后，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的疲勞現(xiàn)象，且疲勞特性與光照度、光照波長等都有密切關(guān)系，疲勞后光譜響應(yīng)曲線也會(huì)發(fā)生變化，因此它的應(yīng)用受到很大限制。4、常用的光電發(fā)射材料1）銀氧銫（Ag—O—Cs)陰極Ag2OAgCs2O內(nèi)吸附Cs原子Cs原子銀氧銫陰極是以Ag為基底，氧化銀為中間層，上面再有一層帶有過剩Cs原子及Ag原子的氧化銫，而表面由Cs原子組成，可用[Ag]-Cs2OAgCs-Cs的符號(hào)表示。第四十八頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日堿金屬與銻（Sb）、鉛（Pb）、鉍（Bi）、鉈（Tl）等生成的金屬化合物具有極其寶貴的光電發(fā)射性能，其中，銻銫(CsSb)陰極廣泛用于紫外和可見光區(qū)的光電探測(cè)器中。量子效率高:在藍(lán)光區(qū)峰值量子效率可達(dá)30%，比Ag-O-Cs高30倍。在可見區(qū)，積分響應(yīng)度達(dá)70-150uA/lm;長波限為0.7um左右，可延伸；對(duì)紅光、紅外不靈敏。2）單堿銻化物光電陰極銻化物光電陰極光譜響應(yīng)曲線SbKCsCsSbNaKSbCs.1001010.70.9lmmS(l)(mA/W)0.30.5它在可見光的短波區(qū)和近紫外區(qū)(0.3~0.45μm)響應(yīng)率最高，其量子效率可達(dá)25％，長波限在0.65μm附近；它的典型光照靈敏度達(dá)60μA/lm，比銀氧銫陰極高得多。CsSb陰極的熱電子發(fā)射(約10-16A/cm2)和疲勞特性均優(yōu)于銀氧銫陰極，而且制造工藝簡單，目前使用比較普遍。第四十九頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日——當(dāng)銻和幾種堿金屬形成化合物時(shí)，具有較高的響應(yīng)度（其中堿分為：雙堿、三堿、四堿等，統(tǒng)稱多堿）3）多堿光電陰極銻鉀鈉（

NaKSb）——響應(yīng)度50－100uA/lm,在0.4um處，量子效率為25%,其典型光照靈敏度可達(dá)50μA/lm。耐高溫（175℃左右）而一般含銫陰極的工作溫度不能超過60℃，因此銻鉀鈉陰極可用于石油勘探等特殊場(chǎng)合。銻鉀鈉銫（

NaKSbCs）——峰值響應(yīng)波長0.42um，響應(yīng)度150uA/lm，長波限為0.85um。在較寬的光譜區(qū)具有較高的量子效率。具有高穩(wěn)定性、疲勞效應(yīng)小，運(yùn)用廣泛。近幾年，經(jīng)過特殊處理的NaKSbCs陰極，其光譜響應(yīng)的長波限可擴(kuò)展到930nm，峰值波長也從0.42nm延伸至0.6nm，光照靈敏度提高到400μA/lm。第五十頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日紫外輻射有較高的能量，探測(cè)其一般沒有困難，而關(guān)鍵在于采用什么合適的窗口材料，可使紫外輻射透過（而可見光無響應(yīng)）并且射向光電陰極。4）紫外光電陰極(日盲型光電陰極)碲化銫（CsTe）和碘化銫（CsI）——對(duì)太陽和地表輻射不敏感，在紫外區(qū)響應(yīng)范圍為100－280nm,長波限在290－320nm。第五十一頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日5）負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極前面討論的常規(guī)光電陰極都屬于正電子親和勢(shì)(PEA)類型，表面的真空能級(jí)位于導(dǎo)帶之上。如果給半導(dǎo)體的表面作特殊處理．使表面區(qū)域能帶彎曲，真空能級(jí)降到導(dǎo)帶之下，從而使有效的電子親和勢(shì)為負(fù)值，經(jīng)這種特殊處理的陰極稱作負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極(NEA)。

GaAs、InGaAs、GaAsP等。其量子效率比經(jīng)典Ag-O-Cs光電陰極要高10－100倍，而且在較寬的光譜范圍內(nèi)光譜響應(yīng)曲線較為平坦。GaAsIn0.06Ga0.94AsAg-O-Cs.501010.91.1lmm

量子效率(%)0.50.750.50.1In0.12Ga0.22As第五十二頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日(1)量子效率高負(fù)電子親和勢(shì)陰極因其表面無表面勢(shì)壘，所以受激電子躍遷到導(dǎo)帶并遷移到表面后，無需克服表面勢(shì)壘就可以較容易地逸出表面.負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極與前述的正電子親和勢(shì)光電陰極相比，具有以下特點(diǎn)：(2)光譜響應(yīng)延伸到紅外、光譜響應(yīng)率均勻正電子親和勢(shì)光電陰極的閾值波長為：負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極的閾值波長為：(3)熱電子發(fā)射小與光譜響應(yīng)范圍類似的正電子親和勢(shì)的光電發(fā)射材料相比，負(fù)電子親和勢(shì)材料的禁帶寬度一般比較寬，所以在沒有強(qiáng)電場(chǎng)作用的情況下，熱電子發(fā)射較小，一般只有10-16A/cm2。(4)光電子的能量集中基本等于導(dǎo)帶底的能量，可提高光電成像器件的空間分辨率和時(shí)間分辨率。第五十三頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日三、真空光電管真空光電管由玻殼、光電陰極和陽極三部分組成。為了防止氧化，將管內(nèi)抽成真空。光電陰極即半導(dǎo)體光電發(fā)射材料，涂于玻殼內(nèi)壁，受光照時(shí)，可向外發(fā)射光電子。陽極是金屬環(huán)或金屬網(wǎng)，置于光電陰極的對(duì)面，加正的高電壓，用來收集從陰極發(fā)射出來的電子。真空光電管常用的電極結(jié)構(gòu)有：①中心陰極型②中心陽極型③半圓柱面陰極型④平行平板極型⑤帶圓筒平板陰極型第五十四頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日真空光電管一般體積都比較大、工作電壓高達(dá)百伏到數(shù)百伏、玻殼容易破碎等。優(yōu)點(diǎn)：光電陰極面積大，靈敏度較高，一般積分靈敏度可達(dá)20－200μA/lm；暗電流小，最低可達(dá)10-14A；光電發(fā)射弛豫過程極短。缺點(diǎn)：第五十五頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日充氣光電管充氣光電管（又稱離子光電管）由封裝于充氣管內(nèi)的光陰極和陽極構(gòu)成。它不同于真空光電管的是，光電子在電場(chǎng)作用下向陽極運(yùn)動(dòng)時(shí)與管中氣體原子碰撞而發(fā)生電離現(xiàn)象。由電離產(chǎn)生的電子和光電子一起都被陽極接收，正離子卻反向運(yùn)動(dòng)被陰極接收。因此在陽極電路內(nèi)形成數(shù)倍于真空光電管的光電流。充氣光電管的電極結(jié)構(gòu)也不同于真空光電管。常用的電極結(jié)構(gòu)有中心陰極型、半圓柱陰極型和平板陰極型。第五十六頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日充氣光電管最大缺點(diǎn)是在工作過程中靈敏度衰退很快，其原因是正離子轟擊陰極而使發(fā)射層的結(jié)構(gòu)破壞。充氣光電管按管內(nèi)充氣不同可分為單純氣體型和混合氣體型。①單純氣體型：這種類型的光電管多數(shù)充氬氣，優(yōu)點(diǎn)是氬原子量小，電離電位低，管子的工作電壓不高。有些管內(nèi)充純氦或純氖，使工作電壓提高。②混合氣體型：這種類型的管子常選氬氖混合氣體，其中氬占10％左右。由于氬原子的存在使處于亞穩(wěn)態(tài)的氖原子碰撞后即能恢復(fù)常態(tài)，因此減少惰性。

第五十七頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日真空光電管充氣光電管優(yōu)點(diǎn)1.光電陰極面積大，暗電流??；光照靈敏度高2.馳豫過程小。缺點(diǎn)1.靈敏度低；1.穩(wěn)定性差；2.體積大；2.線性度差；3.玻璃體，易碎。4.和放大器配合使用受限3.噪聲大；4.響應(yīng)時(shí)間長真空、充氣光電管比較第五十八頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日四、光電倍增管K------光電發(fā)射陰極；D------聚焦板；D1～D10------倍增極；A------收集電子的陽極工作原理：器件包含一個(gè)對(duì)光子敏感的光電陰極，當(dāng)光子投射到光電陰極上時(shí)，光子可能被光電陰極中的電子吸收，獲得足夠大能量的電子能逸出光電陰極而成為自由的光電子。在光電管中，光電子在帶正電的陽極的作用下運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成光電流。在光電倍增管的光電陰極與陽極之間設(shè)置了多個(gè)電位逐級(jí)上升并能產(chǎn)生二次電子的電極（稱為打拿極）。從光電陰極逸出的光電子在打拿極電壓的加速下與打拿極碰撞，發(fā)生倍增效應(yīng)，最后形成較大的光電流信號(hào)。第五十九頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日光電倍增管的光電轉(zhuǎn)換過程分為兩個(gè)過程：1）光電發(fā)射2）電子倍增光電倍增管的組成：光窗（Inputwindow)光電陰極(Photocathode)電子光學(xué)系統(tǒng)電子倍增系統(tǒng)(Dynodes)陽極(Anode)特點(diǎn)：光電流大，靈敏度高倍增率=δn,δ-單極倍增率，n-倍增極數(shù)

在入射光極為微弱時(shí)，光電倍增管能產(chǎn)生的光電流就很大光電倍增管：放大光電流第六十頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日倍增極材料大致可分以下幾類：1）某些金屬氧化物：主要是銀氧銫、銻銫、氧化鎂等，它們既是靈敏的光電發(fā)射體，也是良好的二次電子發(fā)射體。2）合金型：主要是銀鎂、鋁鎂、銅鎂、鎳鎂、銅鈹?shù)群辖?）負(fù)電子親和勢(shì)發(fā)射體：GaP-Cs、GaAs-Cs2O導(dǎo)帶底的電子能量高于真空能級(jí),量子效率高。第六十一頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日光電倍增管的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：1）放大倍數(shù)高，適于弱光探測(cè)，單一光子便可響應(yīng)；2）光電特性的線性關(guān)系好；3）工作頻率高；4）性能穩(wěn)定，使用方便；缺點(diǎn)：1）供電電壓高；2）玻璃外殼，抗震性差；3）價(jià)格昂貴，體積大；4）熱發(fā)射強(qiáng)，暗電流大，需冷卻。第六十二頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日（1）光電管的伏安特性在一定的光照射下，對(duì)光電器件的陰極所加電壓與陽極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性。真空光電管充氣光電管150100502020μlm40μlm60μlm80μlm100μlm120μlm4681012陰極電壓/VIA/μA2010050弱光強(qiáng)光1504681012陰極電壓/VIA/μA第六十三頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日（2）光電管的光照特性當(dāng)光電管的陰極和陽極之間所加的電壓一定時(shí)，光通量與光電流之間的關(guān)系。光照特性曲線的斜率稱為光電管的靈敏度。光電管的光照特性第六十四頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日(3)光電管的光譜特性一般光電陰極材料不同的光電管有不同的紅限頻率，因此它們可用于不同的光譜范圍。另外，同一光電管對(duì)于不同頻率的光的靈敏度不同。以GD-4型光電管為例，陰極是用銻銫材料制成，其紅限λc=700nm，對(duì)可見光范圍的入射光靈敏度比較高。適用于白光光源，被應(yīng)用于各種光電式自動(dòng)檢測(cè)儀表中。對(duì)紅外光源，常用銀氧銫陰極，構(gòu)成紅外探測(cè)器。對(duì)紫外光源，常用銻銫陰極和鎂鎘陰極。還有些光電管的光譜特性與人的視覺光譜特性有很大差異，可以擔(dān)負(fù)人眼不能勝任的工作，如夜視鏡等。第六十五頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日國產(chǎn)光電管的技術(shù)參數(shù)國產(chǎn)光電倍增管的技術(shù)參數(shù)第六十六頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日§5.4.2光電導(dǎo)型探測(cè)器件——光敏電阻

光電導(dǎo)探測(cè)器（光電導(dǎo)效應(yīng)或內(nèi)光電效應(yīng)）半導(dǎo)體材料光子能量大于禁帶寬度材料內(nèi)不導(dǎo)電束縛狀態(tài)的電子空穴自由電子空穴光輻射電導(dǎo)率變化第六十七頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日１．光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理光敏電阻又稱光導(dǎo)管,它幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成的光電器件。光敏電阻沒有極性,純粹是一個(gè)電阻器件,使用時(shí)既可加直流電壓,也可以加交流電壓。無光照時(shí),光敏電阻值（暗電阻）很大,電路中電流（暗電流）很小。

當(dāng)光敏電阻受到一定波長范圍的光照時(shí),它的阻值（亮電阻）急劇減少,電路中電流迅速增大。一般希望暗電阻越大越好,亮電阻越小越好,此時(shí)光敏電阻的靈敏度高。實(shí)際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級(jí),亮電阻在幾千歐以下。一、光敏電阻（光電導(dǎo)型）第六十八頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日?qǐng)D為光敏電阻的原理結(jié)構(gòu)。它是涂于玻璃底板上的一薄層半導(dǎo)體物質(zhì),半導(dǎo)體的兩端裝有金屬電極,金屬電極與引出線端相連接,光敏電阻就通過引出線端接入電路。為了防止周圍介質(zhì)的影響,在半導(dǎo)體光敏層上覆蓋了一層漆膜,漆膜的成分應(yīng)使它在光敏層最敏感的波長范圍內(nèi)透射率最大。第六十九頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日原理：電阻器件，加直流偏壓，無極性無光照---電子-空穴對(duì)很少---電阻大(暗電阻)

有光照---電子-空穴對(duì)增多---導(dǎo)電性增強(qiáng)（亮電阻）光敏電阻的靈敏度易受潮濕的影響，因此要將光電導(dǎo)體嚴(yán)密封裝在帶有玻璃的殼體中。特點(diǎn)：很高的靈敏度，很好的光譜特性，光譜響應(yīng)可從紫外區(qū)到紅外區(qū)范圍內(nèi)。而且體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、價(jià)格便宜，應(yīng)用廣泛。結(jié)構(gòu)：光敏電阻是在一塊光電導(dǎo)體兩端加電極，貼在硬質(zhì)玻璃、云母、高頻瓷或其它絕緣材料基板上，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)。電極和光電導(dǎo)體間呈歐姆接觸。光敏面作成蛇形，電極作成梳狀可以保證有較大的受光表面，也可以減小電極之間距離，從而既可減小極間電子渡越時(shí)間，也有利于提高靈敏度。第七十頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日光敏電阻RGRLEI第七十一頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日2、光敏電阻的主要參數(shù)１）暗電阻：光敏電阻在不受光時(shí)的阻值稱為暗電阻,此時(shí)流過的電流稱為暗電流。２）亮電阻：光敏電阻在受光照射時(shí)的電阻稱為亮電阻,此時(shí)流過的電流稱為亮電流。３）光電流：亮電流與暗電流之差稱為光電流。

光敏電阻的暗電阻越大，而亮電阻越小則性能越好。也就是說，暗電流越小，光電流越大，這樣的光敏電阻的靈敏度越高。

實(shí)用光敏電阻的暗電阻往往超過1MΩ,甚至高達(dá)100MΩ，而亮電阻則在幾kΩ以下，暗電阻與亮電阻之比在102～106之間，可見光敏電阻的靈敏度很高。第七十二頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日（1）光照特性用于描述光電流與光照強(qiáng)度之間的關(guān)系。

多數(shù)是非線性的。不宜做線性測(cè)量元件，一般用做開關(guān)式的光電轉(zhuǎn)換器。3.光敏電阻的基本特性第七十三頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日（2）光譜特性對(duì)應(yīng)于不同波長,光敏電阻的靈敏度是不同的。光譜特性光敏電阻的相對(duì)光敏靈敏度與入射波長的關(guān)系稱為光譜特性,亦稱為光譜響應(yīng)。硫化鎘光敏電阻的光譜響應(yīng)的峰值在可見光區(qū)域,常被用作光度量測(cè)量（照度計(jì)）的探頭。硫化鉛光敏電阻響應(yīng)于近紅外和中紅外區(qū),常用做火焰探測(cè)器的探頭。第七十四頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日可見光區(qū)幾種光敏電阻的光譜特性曲線1-硫化鎘單晶

2-硫化鎘多晶

3-硒化鎘多晶4-硫化鎘與硒化鎘混合多晶硫化鎘(CdS)單晶、多晶、硫化鎘與硒化鎘(CdSe)混合多晶，硒化鎘多晶等幾種光敏電阻的光譜特性曲線覆蓋了整個(gè)可見光區(qū)，峰值波長在515-750nm之間。尤其硫化鎘多晶的峰值波長與人眼的很敏感的峰值波長（555nm）是很接近的，因此可用于與人眼有關(guān)的儀器，例如照相機(jī)、照度計(jì)、光度計(jì)等。第七十五頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日注明：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)。紅外區(qū)光敏電阻的光譜特性第七十六頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日(3)伏安特性

所加的電壓越高，光電流越大，而且沒有飽和的現(xiàn)象。在給定的電壓下，光電流的數(shù)值將隨光照增強(qiáng)而增大。伏安特性在一定照度下,流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)系稱為光敏電阻的伏安特性。電阻在一定的電壓范圍內(nèi),其I-U曲線為直線，說明其阻值與入射光量有關(guān),而與電壓、電流無關(guān)。第七十七頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日（4）頻率特性

時(shí)間常數(shù)：光敏電阻自停止光照起到電流下降為原來的63%所需要的時(shí)間。多數(shù)光敏電阻的時(shí)間常數(shù)都很大。第七十八頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日(5)溫度特性硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線溫度變化影響光敏電阻的光譜響應(yīng),同時(shí),光敏電阻的靈敏度和暗電阻都要改變,尤其是響應(yīng)于紅外區(qū)的硫化鉛光敏電阻受溫度影響更大。峰值隨著溫度上升向波長短的方向移動(dòng)。因此,硫化鉛光敏電阻要在低溫、恒溫的條件下使用。對(duì)于可見光的光敏電阻,其溫度影響要小一些。第七十九頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日

初制成的光敏電阻，由于電阻體與其介質(zhì)的作用還沒有達(dá)到平衡，性能不穩(wěn)定。但在人工加溫、光照及加負(fù)載情況下，性能可達(dá)穩(wěn)定。光敏電阻在最初的老化過程中，阻值會(huì)有變化，但最后達(dá)到穩(wěn)定值后就不再變化。這是光敏電阻的主要優(yōu)點(diǎn)。光敏電阻的使用壽命在密封良好、使用合理的情況下幾乎是無限長的。（6）穩(wěn)定性第八十頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日幾種光敏電阻的特性參數(shù)第八十一頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日4、光敏電阻的分類本征型光敏電阻一般在室溫下工作適用于可見光和近紅外輻射探測(cè)非本征型光敏電阻通常在低溫條件下工作常用于中、遠(yuǎn)紅外波長的輻射探測(cè)第八十二頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，工作電流大，無極性之分；光譜響應(yīng)范圍寬，尤其對(duì)紅外有較高的靈敏度；所測(cè)光強(qiáng)范圍寬，可測(cè)強(qiáng)光、弱光。5、光敏電阻的優(yōu)缺點(diǎn)強(qiáng)光下光電轉(zhuǎn)換線性差；光電導(dǎo)弛豫時(shí)間長；受溫度影響大；由伏安特性知，設(shè)計(jì)負(fù)載時(shí)，應(yīng)考慮額定功耗；進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮光敏電阻的前歷效應(yīng)。缺點(diǎn)：第八十三頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日6、幾種典型的光電導(dǎo)探測(cè)器低造價(jià)、可見光輻射探測(cè)器；光電導(dǎo)增益比較高(103~104)、響應(yīng)時(shí)間比較長(大約50ms)（2）PbS：近紅外輻射探測(cè)器（1）CdS和CdSe波長響應(yīng)范圍在1~3.4μm，峰值響應(yīng)波長為2μm內(nèi)阻（暗阻）大約為1MΩ、響應(yīng)時(shí)間約200μs第八十四頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日（3）銻化銦InSb（4）碲鎘汞HgxCd1-xTe探測(cè)器在77k下，噪聲性能大大改善；峰值響應(yīng)波長為5μm、

響應(yīng)時(shí)間短（大約10μs）化合物本征型光電導(dǎo)探測(cè)器，它是由HgTe和CdTe兩種材料混在一起的合金系統(tǒng)，其禁帶寬度隨組分x呈線性變化。當(dāng)x=0.2時(shí)響應(yīng)波長為8~14μm,工作溫度77k，用液氮致冷。85第八十五頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日7、光敏電阻的使用注意事項(xiàng)光敏電阻的重要特點(diǎn)：光譜響應(yīng)范圍寬，測(cè)光范圍寬，靈敏度高，無極性之分。但由于材料不同，在性能上差別較大。使用中應(yīng)注意：1）當(dāng)用于模擬量測(cè)量時(shí)，因光照指數(shù)r與光照強(qiáng)弱有關(guān)，只有在弱光照下光電流與入射輻通量成線性關(guān)系。2）用于光度量測(cè)試儀器時(shí)，必須對(duì)光譜特性曲線進(jìn)行修正，保證其與人眼的光譜光視效率曲線符合。3）光敏電阻的光譜特性與溫度有關(guān)，溫度低時(shí)，靈敏范圍和峰值波長都向長波方向移動(dòng)，可采取冷卻靈敏面的辦法來提高光敏電阻在長波區(qū)的靈敏度。

第八十六頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日

4）光敏電阻的溫度特性很復(fù)雜，電阻溫度系數(shù)有正有負(fù)，一般說，光敏電阻不適于在高溫下使用，溫度高時(shí)輸出將明顯減小，甚至無輸出。5）光敏電阻頻帶寬度都比較窄，在室溫下只有少數(shù)品種能超過1000Hz，而且光電增益與帶寬之積為一常量，如要求帶寬較寬，必須以犧牲靈敏度為代價(jià),要防止光敏電阻受雜散光的影響。6）設(shè)計(jì)負(fù)載電阻時(shí)，應(yīng)考慮到光敏電阻的額定功耗，負(fù)載電阻值不能很??；防止使光敏電阻的電參數(shù)(電壓、功耗)超過允許值。7）進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)意識(shí)到光敏電阻的前歷效應(yīng)。第八十七頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日§5.4.3光伏型探測(cè)器件

一、光敏二極管二、光敏三極管三、光電池第八十八頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日一、光敏二極管1、結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu)與一般二極管相似。它裝在透明玻璃外殼中,其PN結(jié)裝在管的頂部,可以直接受到光照射。光敏二極管結(jié)構(gòu)簡圖和符號(hào)原理：利用PN結(jié)在施加反向電壓時(shí)，在光線照射下反向電阻發(fā)生變化的原理來工作的，當(dāng)沒有光照射時(shí)反向電阻很大，反向電流很??；當(dāng)有光照射時(shí)，反向電阻減小，反向電流增大。光電二極管在反向電壓下受到光照而產(chǎn)生的電流稱為光電流，光電流受入射照度的控制。第八十九頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)。在沒有光照射時(shí),反向電阻很大,反向電流很小,這反向電流稱為暗電流。當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí),光子打在PN結(jié)附近,使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對(duì)。它們?cè)赑N結(jié)處的內(nèi)電場(chǎng)作用下作定向運(yùn)動(dòng),形成光電流。

光敏二極管在不受光照射時(shí),處于截止?fàn)顟B(tài),受光照射時(shí),處于導(dǎo)通狀態(tài)。光的照度越大,光電流越大，在光電流大于幾十微安時(shí),光敏二極管的光電流I與照度之間呈線性關(guān)系。則當(dāng)電阻R一定時(shí)，光照越強(qiáng)，電流越大，R上獲得的功率越大，從而實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換。光敏二極管的光照特性是線性的，所以適合檢測(cè)等方面的應(yīng)用。RL

光PNPN光第九十頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日2、光電二極管的參數(shù)光電二極管的參數(shù)較多，在使用時(shí)一般只需關(guān)注最高工作電壓、光電流、光電靈敏度等主要參數(shù)即可。（1）最高工作電壓URM最高工作電壓URM是指在無光照、反向電流不超過規(guī)定值的前提下，光電二極管所允許加的最高反向電壓。使用中，不能超過此參數(shù)值。（2）光電流IL光電流IL是指在受到一定光照時(shí)，工作在反向電壓下的光電二極管中說流過的電流，約為幾十微安。一般情況下，選用光電流較大的光電二極管效果較好。（3）光電靈敏度Sn光電靈敏度Sn是指在光照下，光電二極管的光電流IL與人射光功率之比，單位為μA/μW。光電靈敏度Sn越高越好。第九十一頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日3、光電二極管的檢測(cè)（1）光電二極管的正、負(fù)極判別光電二極管兩管腳有正、負(fù)極之分，通常，靠近管鍵或色點(diǎn)的是正極，另一腳是負(fù)極；較長的是正極，較短的是負(fù)極。（2）用萬用表檢測(cè)光電二極管的好壞將萬用表置“R×lK”擋，黑表筆（表內(nèi)電池正極）接光電二極管正極，紅表筆接負(fù)極，測(cè)其正向電阻，應(yīng)為10~20kΩ；對(duì)調(diào)兩表筆，即紅表筆接光電二極管正極，黑表筆接負(fù)極，然后用一遮光物（例如黑紙片等）將光電二極管的透明窗口遮住，這時(shí)測(cè)得的是無光照情況下的反向電阻，應(yīng)為無窮大；第九十二頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日移去遮光物，使光電二極管的透明窗口朝向光源（自然光、白熾燈或手電筒等)，這時(shí)表針應(yīng)向右偏轉(zhuǎn)至幾kΩ處，這說明被測(cè)管是好的。如果在無光照和有光照時(shí)測(cè)得的反向電阻均為0或無窮大，則說明此光電二極管是壞的，不能使用。4）光電二極管的正確選用光電二極管的種類很多，而且參數(shù)相差較大，選用時(shí)要根據(jù)電路的要求。首先確定選用什么類別的，再確定選用什么型號(hào)的，最后再從同型號(hào)中選用參數(shù)滿足電路要求的光電二極管。第九十三頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日4、PIN管結(jié)光電二極管（非放大型）

PIN管是光電二極管中的一種。在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層（相對(duì)）很厚的本征半導(dǎo)體（耗盡層）。這樣，PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)就基本上全集中于I層中，從而使PN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小，頻帶變寬。P-SiN-SiI-SiPIN管結(jié)構(gòu)示意圖特點(diǎn)：頻帶寬，可達(dá)10GHz。在反偏壓下運(yùn)用可承受較高的反向電壓，線性輸出范圍寬。不足：I層電阻很大，輸出電流小，一般多為零點(diǎn)幾微安至數(shù)微安。目前有將PIN管與前置運(yùn)算放大器集成在同一硅片上并封裝于一個(gè)管殼內(nèi)的商品出售。第九十四頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日第九十五頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日5、雪崩光電二極管(APD，放大型)

管子工作電壓很高，約100～200V，接近于反向擊穿電壓。結(jié)區(qū)內(nèi)電場(chǎng)極強(qiáng)，光生電子在這種強(qiáng)電場(chǎng)中可得到極大的加速，同時(shí)與晶格碰撞而產(chǎn)生電離雪崩反應(yīng)。因此，這種管子有很高的內(nèi)增益，可達(dá)到幾百。響應(yīng)速度特別快，帶寬可達(dá)100GHz，是目前響應(yīng)速度最快的一種光電二極管。噪聲大是這種管子目前的一個(gè)主要缺點(diǎn)。但由于APD的響應(yīng)時(shí)間極短，靈敏度很高，它在光通信中應(yīng)用前景廣闊。第九十六頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日第九十七頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日6、光電二極管的參數(shù)光電二極管的參數(shù)較多，在使用時(shí)一般只需關(guān)注最高工作電壓、光電流、光電靈敏度等主要參數(shù)即可。1）最高工作電壓URM最高工作電壓URM是指在無光照、反向電流不超過規(guī)定值的前提下，光電二極管所允許加的最高反向電壓。使用中，不能超過此參數(shù)值。2）光電流IL光電流IL是指在受到一定光照時(shí)，工作在反向電壓下的光電二極管中說流過的電流，約為幾十微安。一般情況下，選用光電流較大的光電二極管效果較好。3）光電靈敏度Sn光電靈敏度Sn是指在光照下，光電二極管的光電流IL與人射光功率之比，單位為μA/μW。光電靈敏度Sn越高越好。第九十八頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日第九十九頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日第一百頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日二、光敏晶體管（三極管，放大型）PPNbecNNPebcRLE1、結(jié)構(gòu)與原理

光敏三極管有PNP型和NPN型兩種。其結(jié)構(gòu)與一般三極管很相似，具有電流增益,只是它的發(fā)射極一邊做的很大,以擴(kuò)大光的照射面積,且其基極不接引線。當(dāng)光線照射在基區(qū)時(shí),會(huì)產(chǎn)生電子-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,且集電極電流為光電流的β倍，因而有放大作用。

第一百零一頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日2、光電三極管的檢測(cè)（1）從外觀上檢查判別光電三極管的引腳靠近管鍵或色點(diǎn)的是發(fā)射極E，離管鍵或色點(diǎn)較遠(yuǎn)的是集電極C，較長的管腳是發(fā)射極E，較短的管腳是集電極C。第一百零二頁，共一百一十六頁，2022年，8月28日光電三極管的檢測(cè)（2）用萬用表檢測(cè)光電三極管的好壞將萬用表置于“R