第2章光電探測-22013.4.12

光電檢測器件光子器件熱電器件真空器件固體器件光電管光電倍增管真空攝像管變像管像增強(qiáng)管光敏電阻光電池光電二極管光電三極管光纖傳感器電荷耦合器件CCD熱電偶/熱電堆熱輻射計(jì)/熱敏電阻熱釋電探測器半導(dǎo)體光電器件光電導(dǎo)器件（內(nèi)光電效應(yīng)）

光敏電阻（單晶型、多晶型、合金型等）光伏器件光電池光電二極管/三極管真空光電器件（外光電效應(yīng)）光電管光電倍增管熱電檢測器件熱敏電阻熱電偶熱釋電探測器件光電器件的分類光電檢測器件的特點(diǎn)光子器件熱電器件響應(yīng)波長有選擇性，一般有截止波長，超過該波長，器件無響應(yīng)。響應(yīng)波長無選擇性，對可見光到遠(yuǎn)紅外的各種波長的輻射同樣敏感響應(yīng)快，吸收輻射產(chǎn)生信號需要的時間短，一般為納秒到幾百微秒響應(yīng)慢，一般為幾毫秒

一、光電探測器特性參數(shù)

光電探測器和其它器件一樣，有一套根據(jù)實(shí)際需要而制定的特性參數(shù)。它是在不斷總結(jié)各種光電探測器的共性基礎(chǔ)上而給以科學(xué)定義的。光電探測器的特性參數(shù)和噪聲依據(jù)這一套參數(shù)，人們就可以評價探測器性能的優(yōu)劣，比較不同探測器之間的差異，根據(jù)需要合理選擇和正確使用光電探測器的目的。(一)積分靈敏度光電探測器光電轉(zhuǎn)換特性、光電轉(zhuǎn)換的光譜特性以及頻率特性的量度。光電探測器本質(zhì)是一個外電壓偏置的電流輸出器件，通過負(fù)載電阻又可變?yōu)殡妷狠敵銎骷?。光照下，它有兩個極端的輸出狀態(tài)——短路電流和開路電壓。負(fù)載電阻為零時，輸出電流為短路電流，負(fù)載電阻比探測器內(nèi)阻大得多時，輸出電壓為開路電壓。這個短路電流和開路電壓，就是信號電流和信號電壓。偏置電壓一定，光電流i(或光電壓u)和入射光功率P之間的關(guān)系i＝f(P)(或u＝g(P))稱為光電探測器的光電特性，相應(yīng)的曲線稱為光電特性曲線。靈敏度定義為相應(yīng)曲線的斜率，即電流靈敏度Ri和電壓靈敏度Ru。分別為i和u均是電表測量的電流、電壓有效值。因?yàn)槭街械墓夤β蔖一般是指分布在某一定光譜范圍內(nèi)的總功率，因此，這里的Ri和Ru又分別稱為積分電流靈敏度和積分電壓靈敏度。Ri＝di／dp(安／瓦)

Ru＝du／dp(伏／瓦)

由于光電探測器的光譜選擇性，不同波長的光功率譜密度在其它條件不變下所產(chǎn)生的光電流i是波長的函數(shù)，記為iλ(或uλ)，于是定義光譜靈敏度Rλ為

Rλ＝diλ／dPλ

(二)光譜靈敏度Rλ式中RλM是指的最大值，相應(yīng)的波長稱為峰值波長。如果Rλ是常數(shù)，則相應(yīng)的探測器稱為無選擇性探測器(如光熱探測器)。光子探測器是選擇性探測器。通常給出的是相對光譜靈敏度Sλ，它定義為

Sλ＝Rλ／RλM由Sλ＝S(λ)所繪制的曲線稱為探測器的光譜靈敏度曲線。如果入射光功率有一波長范圍，引入相對光功率譜密度函數(shù)fλ，它的定義為fλ＝Pλ／PλM

將探測器的Sλ曲線和入射光的fλ曲線畫在圖中，明顯可見光電探測器和入射光功率的光譜匹配是多么重要。光譜靈敏度通常以靈敏度隨波長變化的規(guī)律曲線來表示。有時只取靈敏度的相對比值，且把最大的靈敏度取為1，這種曲線稱為歸一化光譜靈敏度曲線。S=R/Rm如果入射光是強(qiáng)度調(diào)制的，在其它條件不變下，光電流if將隨調(diào)制頻率ｆ的升高而下降，這時的靈敏度稱為頻率靈敏度Rf，定義為(三)頻率靈敏度Rf式中稱為探測器響應(yīng)時間或時間常數(shù)。由材料、結(jié)構(gòu)和外電路決定。一般規(guī)定，Rf下降到R／＝0．707R時的頻率fc為探測器的截止響應(yīng)頻率或響應(yīng)頻率。

fc=1/2112023/2/612響應(yīng)時間是描述光電探測器對入射輻射響應(yīng)快慢的一個參數(shù)。當(dāng)入射輻射到光電探測器后，光電探測器的輸出上升到穩(wěn)定值或下降到照射前的值所需的時間稱為響應(yīng)時間,通常用時間常數(shù)的大小來表示。

響應(yīng)時間當(dāng)用一個矩形輻射脈沖照射光電探測器時，把探測器的輸出從10％上升到90％峰值處所需的時間稱r為探測器的上升時間,而把從90％下降到10％處所需的時間稱為下降時間f，如圖6—5所示。探測器響應(yīng)時間由材料、結(jié)構(gòu)和外電路決定。綜上所述，光電流是兩端電壓V、光功率P、光波長和光強(qiáng)度調(diào)制頻率f的函數(shù)，即以V、P、λ、f為參量，i＝F(f)的關(guān)系稱為光電頻率特性，相應(yīng)的曲線稱為頻率特性曲線。i=F(P)及其曲線稱為光電特性曲線；i＝P(λ)及其曲線稱為光譜特性曲線；i=F(V)及其曲線稱為伏安特性曲線。

當(dāng)這些曲線給出時，靈敏度R的值就可以從曲線中求出，而且還可以利用這些曲線，尤其是伏安特性曲線來設(shè)計(jì)探測器的使用電路。靈敏度是從宏觀角度描述了光電探測器的光電、光譜以及頻率特性，量子效率η則是對同一個問題的微觀---宏觀描述。現(xiàn)在把量子效率和靈敏度聯(lián)系起來，

可得(四)量子效率量子效率正比于靈敏度，反比于波長。

考慮到式，又有光譜量子效率從靈敏度R的定義式可見，如果P＝0，應(yīng)有i=0實(shí)際情況是，當(dāng)P＝0時，光電探測器的輸出電流并不為零。這個電流稱為暗電流或噪聲電流，記為它是瞬時噪聲電流的有效值。靈敏度R巳失去意義，須定義一個新參量來描述光電探測器的特性。通量閾P(yáng)th和噪聲等效功率NEP噪聲的存在，限制了探測微弱信號的能力。如果信號光功率產(chǎn)生的信號光電流is等于噪聲電流in，那么就認(rèn)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P(yáng)th為光功率Ps和Pb分別為信號和背景光功率。即使Ps和Pb都為零，也會有噪聲輸出。探測器所能探測的最小光信號功率除了通量閾來描述光電探測器的這種特性外，還可以用噪聲等效功率NEP來描述。定義為單位信噪比時的信號光功率。(電壓信噪比)(電流信噪比)

NEP越小，表明探測微弱信號的能力越強(qiáng)。所以NEP是描述光電探測器探測能力的參數(shù)。

NEP越小，探測器探測能力越高，不符合人們“越大越好”的習(xí)慣，于是取NEP的倒數(shù)并定義為探測度D，即D值越大，探測器的探測能力高。六、歸一化探測度D*“D值大的探測器其探測能力一定好”的結(jié)論并不充分。？主要是探測器光敏面積A和測量帶寬Δf對D值影響甚大。通常情況下為了比較比較各種探測器的性能，需除去A、的差別所帶來的影響歸一化參數(shù)來表示歸一化探測度D*大的探測器其探測能力一定好。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λ、光輻射調(diào)制頻率f及測量帶寬Δf，即D*(λ,f,Δf)。二、噪聲特性在一定波長的光照下光電探測器輸出的電信號并不是平直的，而是在平均值上下隨機(jī)地起伏，它實(shí)質(zhì)上就是物理量圍繞其平均值的漲落現(xiàn)象。用均方噪聲來表示噪聲值大小噪聲在實(shí)際的光電探測系統(tǒng)中是極其有害的。由于噪聲總是與有用信號混在一起，因而影響對信號特別是微弱信號的正確探測。一個光電探測系統(tǒng)的極限探測能力往往受探測系統(tǒng)的噪聲所限制。所以在精密測量、通信、自動控制等領(lǐng)域，減小和消除噪聲是十分重要的問題。光電探測器常見的噪聲熱噪聲散粒噪聲產(chǎn)生-復(fù)合噪聲1/f噪聲1、熱噪聲或稱約翰遜噪聲，即載流子無規(guī)則的熱運(yùn)動造成的噪聲。導(dǎo)體或半導(dǎo)體中每一電子都攜帶著電子電量作隨機(jī)運(yùn)動(相當(dāng)于微電脈沖)，盡管其平均值為零，但瞬時電流擾動在導(dǎo)體兩端會產(chǎn)生一個均方根電壓，稱為熱噪聲電壓。熱噪聲存在于任何電阻中，熱噪聲與溫度成正比，與頻率無關(guān)，熱噪聲又稱為白噪聲。2、散粒噪聲散粒噪聲：入射到光探測器表面的光子是隨機(jī)的，光電子從光電陰極表面逸出是隨機(jī)的，PN結(jié)中通過結(jié)區(qū)的載流子數(shù)也是隨機(jī)的。散粒噪聲也是白噪聲，與頻率無關(guān)。散粒噪聲是光電探測器的固有特性，對大多數(shù)光電探測器的研究表明，散粒噪聲具有支配地位。例如光伏器件的PN結(jié)勢壘是產(chǎn)生散粒噪聲的主要原因。無光照下，由于熱激發(fā)作用，而隨機(jī)地產(chǎn)生電子所造成的起伏（以光電子發(fā)射為例）。由于起伏單元是電子電荷量e，故稱為散粒噪聲，這種噪聲存在于所有光電探測器中。3、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲對光電導(dǎo)探測器，載流子熱激發(fā)是電子—空穴對。電子和空穴在運(yùn)動中，與光伏器件重要的不同點(diǎn)在于存在嚴(yán)重的復(fù)合過程，而復(fù)合過程本身也是隨機(jī)的。不僅有載流子產(chǎn)生的起伏，而且還有載流子復(fù)合的起伏，其本質(zhì)也是散粒噪聲，為強(qiáng)調(diào)產(chǎn)生和復(fù)合兩個過程，取名為產(chǎn)生—復(fù)合散粒噪聲，簡稱為產(chǎn)生—復(fù)合噪聲在平衡狀態(tài)時，在載流子產(chǎn)生和復(fù)合的平均數(shù)是一定的;但在某一瞬間載流子的產(chǎn)生數(shù)和復(fù)合數(shù)是有起伏的載流子濃度的起伏引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率的起伏4、1/f噪聲或稱閃爍噪聲或低頻噪聲。噪聲的功率近似與頻率成反比多數(shù)器件的1/f噪聲在200~300Hz以上已衰減到可忽略不計(jì)。５、信噪比信噪比是判定噪聲大小的參數(shù)。是負(fù)載電阻上信號功率與噪聲功率之比若用分貝（dB）表示，為６、噪聲等效功率(NEP)定義：信號功率與噪聲功率比為1（SNR=1）時，入射到探測器件上的輻射通量(單位為瓦)。這時，投射到探測器上的輻射功率所產(chǎn)生的輸出電壓（或電流）等于探測器本身的噪聲電壓（或電流）一般一個良好的探測器件的NEP約為10-11W。NEP越小，噪聲越小，器件的性能越好。噪聲等效功率是一個可測量的量。設(shè)入射輻射的功率為P，測得的輸出電壓為U0然后除去輻射源，測得探測器的噪聲電壓為UN則按比例計(jì)算，要使U0＝UN，的輻射功率為７、探測率與歸一化探測率探測率D定義為噪聲等效功率的倒數(shù)經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)NEP與檢測元件的面積Ad和放大器帶寬Δf乘積的平方根成正比歸一化探測率D*，即

D*與探測器的敏感面積、放大器的帶寬無關(guān)。光敏面積、探測器電阻、電容等。特別是極限工作條件，正常使用時都不允許超過這些指標(biāo)，否則會影響探測器的正常工作，甚至使探測器損壞。通常規(guī)定了工作電壓、電流、溫度以及光照功率允許范圍，使用時要特別加以注意。

(七)其它參數(shù)光電檢測器件的性能參數(shù)參數(shù)物理描述表達(dá)式單位積分靈敏度光電轉(zhuǎn)換特性的量度安/瓦伏/瓦光譜靈敏度對某一波長光電轉(zhuǎn)換的量度安/瓦頻率靈敏度電流隨調(diào)制頻率變化的量度安/瓦量子效率吸收的光子數(shù)和激光的電子數(shù)之比通量閾探測器所能探測的最小光信息功率瓦噪聲等效功率單位信噪比時的信號光功率瓦歸一化探測度與噪聲等效功率成倒數(shù)、光敏面積和噪聲功率有關(guān)厘米.赫茲1/2/瓦光電檢測器件的性能參數(shù)4、工作特性（1）光譜響應(yīng)特性光敏電阻對各種光響應(yīng)靈敏度隨入射光的波長變化而變化的特性稱為光譜響應(yīng)特性。譜響應(yīng)特性通常用光譜響應(yīng)曲線、光譜響應(yīng)范圍、峰值響應(yīng)波長以及長波限來描述。把響應(yīng)度隨波長變化的規(guī)律畫成曲線稱為光譜響應(yīng)曲線。通常取響應(yīng)的相對變化值，并把響應(yīng)的相對最大值作為1，這種曲線稱為“歸一化光譜響應(yīng)曲線”。響應(yīng)度最大時所對應(yīng)的波長稱為峰值響應(yīng)波長，以m表示。長波限c取決于制造光敏電阻所用半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，其值可由下式估算：（本征材料）（非本征材料）（2）光敏電阻的光照特性和伏安特性圖是GdS光敏電阻的光照特性曲線?？梢钥闯鲈谌肷涔夤β瘦^弱時，光電流與入射光功率可簡單視為線性關(guān)系，若入射光功率過大，則將出現(xiàn)非線性特性。使用時應(yīng)注意這個問題。光照特性光敏電阻的本質(zhì)是電阻，符合歐姆定律，因此它具有與普通電阻相似的伏安特性，但是它的電阻值是隨入射光功率而變化的。伏安特性暗電阻：光敏電阻在室溫條件下，全暗（無光照射）后經(jīng)過一定時間測量的電阻值，稱為暗電阻。此時在給定電壓下流過的電流為暗電流。亮電阻：光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻。此時流過的電流稱為亮電流。實(shí)用的光敏電阻的暗電阻往往超過10MΩ,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，這一比值越大，光敏電阻的靈敏度越高。RLRgVs利用圖所示的電路可以測出在不同光照下加在光敏電阻兩端的電壓u與流過它的電流i的關(guān)系曲線，并稱其為光敏電阻的伏安特性曲線。伏安特性曲線ui伏安特性曲線光敏電阻工作電路（3）時間響應(yīng)特性光敏電阻的時間響應(yīng)(又稱為慣性)比其他光電器件要差一些，頻率響應(yīng)要低一些，當(dāng)用一個理想方波脈沖輻射照射光敏電阻時,光生電子要有產(chǎn)生的過程，光生電導(dǎo)率，要經(jīng)過一定的時間才能達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)停止輻射時，復(fù)合光生載流子也需要時間，表現(xiàn)出光敏電阻具有較大的慣性。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，光敏電阻的暗電阻和靈敏度都要下降，溫度的變化也會影響光譜特性曲線。觀測光敏電阻的相對光電導(dǎo)率隨溫度的變化關(guān)系，可以看出光敏電阻的相對光電導(dǎo)率隨（4）溫度特性溫度的升高而下降，光電響應(yīng)特性隨著溫度的變化較大。因此，在溫度變化大的情況下，應(yīng)采取制冷措施，尤其對長波長紅外輻射的探測領(lǐng)域更為重要。光電子發(fā)射器件光電管

真空光電管、充氣光電管光電倍增管光電管及其基本特性

光電管有真空光電管和充氣光電管或稱電子光電管和離子光電管兩類。兩者結(jié)構(gòu)相似，如圖。它們由一個陰極和一個陽極構(gòu)成，并且密封在一只真空玻璃管內(nèi)。陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。光電管的結(jié)構(gòu)示意圖

光陽極光電陰極光窗

當(dāng)入射光照射在陰極上時，單個光子就把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個自由電子，從而使自由電子的能量增加。當(dāng)電子獲得的能量大于陰極材料的逸出功A時，它就可以克服金屬表面束縛而逸出，形成電子發(fā)射。這種電子稱為光電子，光電子逸出金屬表面后的初始動能為：根據(jù)能量守恒定律有m為電子質(zhì)量；v為電子逸出的初速度。由上式可知，要使光電子逸出陰極表面的必要條件是

>A。由于不同材料具有不同的逸出功，因此對每一種陰極材料，入射光都有一個確定的頻率限，當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時，不論光強(qiáng)多大，都不會產(chǎn)生光電子發(fā)射，此頻率限稱為“紅限”。相應(yīng)的波長λK為：

式中，c為光速；A為逸出功。光電管工作原理光電管測量電路圖

光電管正常工作時，陽極電位高于陰極，如圖所示。在入射光頻率大于“紅限”的前提下，從陰極表面逸出的光電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，稱為光電流。此時若光強(qiáng)增大，轟擊陰極的光子數(shù)增多，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)也就增多，光電流變大。電流IФ和電阻RL上的電壓降U0就和光強(qiáng)成函數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光電池光電二極管光電三極管光伏探測器件光電二極管常用光伏探測器主要有PN型光電二極管、PIN光電二極管、雪崩光電二極管、光電三極管、硅光電池等。1、Si光電二極管具有光伏效應(yīng)的半導(dǎo)體材料有很多，如硅(Si)、鍺(Ge)、硒(sc)、砷化鎵(GaAs)等半導(dǎo)體材料。利用這些材料能夠制造出具有各種持點(diǎn)的光生伏特器件。其中硅光生伏特器件具有制造工藝簡單、成本低等特點(diǎn)。因此，硅光電二極管應(yīng)用最為廣泛，同時也是最具有代表性、最基本的光生伏特器件，其他光伏器件是在它的基礎(chǔ)上為提高某方面的特性而發(fā)展起來的。光敏二極管光敏二極管與普通二極管一樣有一個PN結(jié)，屬于單向?qū)щ娦缘姆蔷€形元件。外形不同之處是在光電二極管的外殼上有一個透明的窗口以接收光線照射，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。為了獲得盡可能大的光生電流，需要較大的工作面，即PN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。為了提高光電轉(zhuǎn)換能力，PN結(jié)的深度較普通二極管淺。光敏二極管

光電二極管（光敏二極管）光敏二極管符號

光敏二極管接法

外加反向偏壓光敏二極管一般在負(fù)偏壓情況下使用大反偏壓的施加，增加了耗盡層的寬度和結(jié)電場，電子—空穴在耗盡層復(fù)合機(jī)會少，提高光敏二極管的靈敏度。增加了耗盡層的寬度，結(jié)電容減小，提高器件的頻響特性。但是，為了提高靈敏度及頻響特性，卻不能無限地加大反向偏壓，因?yàn)樗€受到PN結(jié)反向擊穿電壓等因素的限制。

光敏二極管的反向偏置接線及光照特性示意圖在沒有光照時，由于二極管反向偏置，反向電流（暗電流）很小。

當(dāng)光照增加時，光電流IΦ與光照度成正比關(guān)系。

光敏二極管的反向偏置接法RL光照光敏二極管外形

包含1024個InGaAs元件的線性光電二極管陣列。56光電二極管與光電池的比較相同點(diǎn)工作原理相同，都是基于pn結(jié)工作的不同點(diǎn)1.結(jié)區(qū)面積小2.通常工作于反偏置狀態(tài)3.內(nèi)建電場強(qiáng)，結(jié)區(qū)厚，結(jié)電容小，頻率特性好4.光電流小，在微安量級光電二極管的電流方程在無輻射作用的情況下（暗室中），PN結(jié)硅光電二極管的正、反向特性與普通PN結(jié)二極管的特性一樣。其電流方程為：I0為稱為反向電流或暗電流。

當(dāng)光輻射作用到光電二極管上時，

光電二極管的全電流方程為：式中Ip為光電流：Ip=Ri?P二、光電二極管的基本特性1.伏安特性由光電二極管的電流方程可以得到光電二極管在不同偏置電壓下的輸出特性曲線。

光電二極管的工作區(qū)域應(yīng)在圖的第3象限與第4象限。

在光電技術(shù)中常采用重新定義電流與電壓正方向的方法把特性曲線旋轉(zhuǎn)成下面右圖所示。重新定義的電流與電壓的正方向均以PN結(jié)內(nèi)建電場的方向相同的方向?yàn)檎颉?/p>

61工作區(qū)的選擇低反偏壓下光電流隨光電壓變化非常敏感，這是由于反偏壓增加使耗盡層加寬。結(jié)電場增強(qiáng)，這對于結(jié)區(qū)光的吸收率及光生載流子的收集效率影響很大。當(dāng)反偏壓進(jìn)一步增加時，光生載流子的收集已達(dá)極限，光電流就趨于飽和，特性曲線近似于乎直，而且在低照度部分比較均勻。利用光電二極管作線性測量時，主要是用特性曲線平直、均勻的這部分。通過選取適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻，可得較大的線性輸出范圍。硅光電二極管的特性1.光譜特性2.伏安特性3.頻率特性4.溫度特性（1）光譜響應(yīng)特性Si光電二極管光譜響應(yīng)范圍：0.4~1.1m峰值響應(yīng)波長約為0.9m通常將其峰值響應(yīng)波長的電流靈敏度作為光電二極管的電流靈敏度。硅光電二極管的電流響應(yīng)率通常在0.4~05A/W（2）伏安特性由圖可見，在低反壓下電流隨光電壓變化非常敏感。這是由于反向偏壓增加使耗盡層加寬、結(jié)電場增強(qiáng)，它對于結(jié)區(qū)光的吸收率及光生裁流子的收集效率影響很大。當(dāng)反向偏壓進(jìn)一步增加時，光生載流子的收集已達(dá)極限，光電流就趨于飽和。這時，光電流與外加反向偏壓幾乎無關(guān)，而僅取決于入射光功率。光電二極管在較小負(fù)載電阻下，入射光功率與光電流之間呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系。圖示出了在一定的負(fù)偏壓下，光電二極管光電流輸出特性。（3）頻率響應(yīng)特性光電二極管的頻率特性響應(yīng)主要由三個因素決定：(a)光生載流子在耗盡層附近的擴(kuò)散時間；(b)光生載流子在耗盡層內(nèi)的漂移時間；(c)與負(fù)載電阻RL并聯(lián)的結(jié)電容Ci所決定的電路時間常數(shù)。頻率特性優(yōu)于光電導(dǎo)探測器,適宜于快速變化的光信號探測。光照特性當(dāng)光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時，光通量與光電流之間的關(guān)系為光電管的光照特性。其特性曲線如圖所示。曲線1表示氧銫陰極光電管的光照特性，光電流I與光通量成線性關(guān)系。曲線2為銻銫陰極的光電管光照特性，它成非線性關(guān)系。光電管的光照特性255075100200.51.52.0Φ/1mIA/μA1.02.51

靈敏度

說明：陰極材料不同的光電管，具有不同的紅限，因此適用于不同的光譜范圍。此外，即使入射光的頻率大于紅限，并保持其強(qiáng)度不變，但陰極發(fā)射的光電子數(shù)量還會隨入射光頻率的變化而改變，即同一種光電管對不同頻率的入射光靈敏度并不相同。光電管的這種光譜特性，要求人們應(yīng)當(dāng)根據(jù)檢測對象是紫外光、可見光還是紅外光去選擇陰極材料不同的光電管，以便獲得滿意的靈敏度。

光照特性曲線的斜率（光電流與入射光光通量之間比）稱為光電管的靈敏度。某些光敏二極管的特性參數(shù)光敏二極管陣列

將光敏二極管以線列或面陣形式集合在一起，用來同時探測被測物體各部位提供的不同光信息，并將這些信息轉(zhuǎn)換為電信號的器件。光敏三極管（光電三極管）光電三極管是由光電二極管和一個晶體三極管構(gòu)成，相當(dāng)于在晶體三極管的基極和集電極間并聯(lián)一個光電二極管。同光電二極管一樣，光電三極管外殼也有一個透明窗口，以接收光線照射。日前用得較多的是NPN和PNP兩種平面硅光電三極管。NPN光電三極管結(jié)構(gòu)原理簡圖光電三極管工作原理

NPN光電三極管（3DU型），使用時光電二極管的發(fā)射極接電源負(fù)極，集電極接電源正極。光電三極管不受光時，相當(dāng)于普通三極管基極開路的狀態(tài)。集電結(jié)(基—集結(jié))處于反向偏置，基極電流等于0，因而集電極電流很小，為光電三極管的暗電流。當(dāng)光子入射到集電結(jié)時，就會被吸收而產(chǎn)生電子—空穴對，處于反向偏置的集電結(jié)內(nèi)建電場使電子漂移到集電極，空穴漂移到基極，形成光生電壓，基極電位升高。發(fā)射結(jié)集電結(jié)BECNNP基極發(fā)射極集電極光電三極管與光電二極管相比，具有較高的輸出光電流，但線性差。線性差主要是由電流放大倍數(shù)的非線性所致在大照度時，光敏三極管不能作線性轉(zhuǎn)換元件，但可以作開關(guān)元件使用。光電三極管的光照特性光敏三極管的伏安特性硅光電三極管的光電流在毫安量級，硅光電二極管的光電流在微安量級。在零偏壓時硅光電三極管沒有光電流輸出，但硅光電二極管有光電流輸出。

工作電壓較低時輸出電流有非線性，硅光電三極管的非線性更嚴(yán)重。（因?yàn)榉糯蟊稊?shù)與工作電壓有關(guān)）在一定的偏壓下，硅光電三極管的伏安曲線在低照度時間隔較均勻，在高照度時曲線越來越密硅光電三極管硅光電二極管

光敏三極管的溫度特性光電三極管的光電流和暗電流受溫度影響比光電二極管大得多

光敏三極管的（調(diào)制）頻率特性光敏三極管的頻率特性受負(fù)載電阻的影響，減小負(fù)載電阻可以提高頻率響應(yīng)。一般來說，光敏三極管的頻率響應(yīng)比光敏二極管差。對于鍺管，入射光的調(diào)制頻率要求在5000Hz以下，硅管的頻率響應(yīng)要比鍺管好。

由于PN結(jié)耗盡層只有幾微米，大部分入射光被中性區(qū)吸收，因而光電轉(zhuǎn)換效率低，響應(yīng)速度慢。為改善器件的特性，在PN結(jié)中間設(shè)置一層本征半導(dǎo)體(稱為I)，這種結(jié)構(gòu)便是常用的PIN光電二極管。2、

PIN光電二極管原理P-SiN-SiI-SiPIN管結(jié)構(gòu)PN管結(jié)構(gòu)PIN管結(jié)構(gòu)示意圖PIN管的結(jié)構(gòu)：在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層本征半導(dǎo)體。因?yàn)楸菊鲗酉鄬τ赑區(qū)和N區(qū)是高阻區(qū)這樣，PN結(jié)的內(nèi)電場就基本上全集中于I層中。2、

PIN光電二極管原理P-SiN-SiI-SiI層很厚，入射光很容易進(jìn)入材料內(nèi)部被充分吸收而產(chǎn)生大量電子-空穴對，因而大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效率，從而使靈敏度得以提高。兩側(cè)P層和N層很薄，吸收入射光的比例很小，I層幾乎占據(jù)整個耗盡層，因而光生電流中漂移分量占支配地位，從而大大提高了響應(yīng)速度。P-SiN-SiI-Si

PIN光電二極管原理83結(jié)構(gòu)與工作原理1.本征半導(dǎo)體近似于介質(zhì)，這就相當(dāng)于增大了pn結(jié)結(jié)電容兩個電極之間的距離，使結(jié)電容變得很小。2.p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體中耗盡層的寬度是隨反向電壓增加而加寬的，隨著反偏壓的增大，結(jié)電容也要變得很小。3.由于i層的存在，而p區(qū)一般做得很簿，入射光子只能在i層內(nèi)被吸收，而反向偏壓主要集中在i區(qū)，形成高電場區(qū)，i區(qū)的光生載波子在強(qiáng)電場作用下加速運(yùn)動，所以載流子渡越時間非常短，即使i層較厚，對渡越時間影響也不大，這樣使電路時間常量減小，從而改善了光電二極管的頻率響應(yīng)。4.i層的引入加大了耗盡區(qū)，展寬了光電轉(zhuǎn)換的有效工作區(qū)域，從而使靈敏度得以提高。

頻帶寬（可達(dá)10GHz）靈敏度高線性輸出范圍寬噪聲低PIN光電二極管的特點(diǎn)I層所起的作用:本征層的引入，明顯增大了耗盡層的厚度，這有利于縮短載流子的擴(kuò)散過程。同時耗盡加寬還有利于對長波區(qū)的吸收。性能良好的PIN光電二極管，擴(kuò)散和漂移時間一般在10-10s數(shù)量級，頻率響應(yīng)在千兆赫茲。實(shí)際應(yīng)用中決定光電二極管的頻率響應(yīng)的主要因素是電路的時間常數(shù)。合理選擇負(fù)載電阻是一個很重要的問題。PN結(jié)PIN結(jié)PIN硅光電二極管特點(diǎn)：頻帶寬，可達(dá)10GHz。另一個特點(diǎn)是線性輸出范圍寬。由耗盡層寬度與外加電壓的關(guān)系可知，增加反向偏壓會使耗盡層寬度增加，從而結(jié)電容要進(jìn)一步減小，使頻帶寬度變寬。不足：I層電阻很大，管子的輸出電流小，一般多為零點(diǎn)幾微安至數(shù)微安。照度電流PIN型二極管的優(yōu)點(diǎn)選擇一定厚度的i層，具有高速響應(yīng)特性。i層所起的作用:(1)為了取得較大的PN結(jié)擊穿電壓，必須選擇高電阻率的基體材料，這樣勢必增加了串聯(lián)電阻，使時間常數(shù)增大，影響管子的頻率響應(yīng)。而i層的存在，使擊穿電壓不再受到基體材料的限制，從而可選擇低電阻率的基體材料。這樣不但提高了擊穿電壓，還減少了串聯(lián)電阻和時間常數(shù)。

(2)反偏下，耗盡層較無i層時要大得多，從而使結(jié)電容下降，提高了頻率響應(yīng)。PIN光電二極管性能3、雪崩光電二極管（APD）PIN型光電二極管提高了PN結(jié)光電二極管的時間響應(yīng)，但對器件的靈敏度沒有多少改善。為了提高光電二極管的靈敏度，人們設(shè)計(jì)了雪崩光電二極管，使光電二極管的光電靈敏度提高到需要的程度。雪崩光電二極管是利用PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來工作的一種二極管。雪崩光電二極管是具有內(nèi)增益的一種光伏器件。它利用光生載流子在強(qiáng)電場內(nèi)的定向運(yùn)動產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，以獲得光電流的增益。在雪崩過程中，光生載流子在強(qiáng)電場的作用下高速定向運(yùn)動，具有很高動能的光生電子或空穴與晶格原子碰撞，使晶格原子電離產(chǎn)生二次電子－空穴對；二次電子和空穴對在電場的作用下獲得足夠的動能，又使晶格原子電離產(chǎn)生新的電子－空穴對，此過程像“雪崩”似地繼續(xù)下去。電離產(chǎn)生的載流子數(shù)遠(yuǎn)大于光激發(fā)產(chǎn)生的光生載流子數(shù)，這時雪崩光電二極管的輸出電流迅速增加。APD載流子雪崩式倍增示意圖高速運(yùn)動的電子和晶格原子相碰撞，使晶格原子電離，產(chǎn)生新的電子-空穴對。新產(chǎn)生的二次電子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，致使載流子雪崩式倍增。所以這種器件就稱為雪崩光電二極管(APD)。雪崩光電二極管(APD)雪崩光電二極管輸出電流I和反偏壓U的關(guān)系示于圖。隨著反向偏壓的增加，開始光電流基本保持不變。當(dāng)反向偏壓增加到一定數(shù)值時，光電流急劇增加，最后器件被擊穿，這個電壓稱為擊穿電壓UB。光電二極管輸出電流I和反向偏壓U的關(guān)系在偏置電壓較低時的A點(diǎn)以左，不發(fā)生雪崩過程；隨著偏壓的逐漸升高，倍增電流逐漸增加從B點(diǎn)到c點(diǎn)增加很快，屬于雪崩倍增區(qū)；偏壓再繼續(xù)增大，將發(fā)生雪崩擊穿；同時噪聲增大。如圖中c點(diǎn)以右的區(qū)域，也顯著增加。最佳的偏壓工作區(qū)是c點(diǎn)以左，否則進(jìn)入雪崩擊穿區(qū)燒壞管子。由于擊穿電壓會隨溫度漂移，必須根據(jù)環(huán)境溫度變化相應(yīng)調(diào)整工作電壓。雪崩光電二極管的電流增益用倍增系數(shù)或雪崩增益M表示，它定義為:倍增系數(shù)M與PN結(jié)所加的反向偏壓有關(guān)。一般在100～200V。也有的管子工作電壓更高。i為輸出電流，i0為倍增前的電流.雪崩光電二極管具有電流增益大，靈敏度高，頻率響應(yīng)快，帶寬可達(dá)100GHz。是目前響應(yīng)最快的一種光敏二極管。不需要后續(xù)龐大的放大電路等特點(diǎn)。因此它在微弱輻射信號的探測方向被廣泛地應(yīng)用。在設(shè)計(jì)雪崩光敏二極管時，要保證載流子在整個光敏區(qū)的均勻倍增，這就需要選擇無缺陷的材料，必須保持更高的工藝和保證結(jié)面的平整。其缺點(diǎn)是工藝要求高，穩(wěn)定性差，受溫度影響大。97線性區(qū)當(dāng)入射光功率在1nw到幾個μw時，倍增電流與入射光具有較好的線性。當(dāng)入射光功率過大時，倍增系數(shù)反而會降低，從而引起光電流的畸變。當(dāng)入射光功率較小時，多采用APD。在入射光功率較大時，采用PIN管更為恰當(dāng)。98應(yīng)用雪崩光電二極管在光纖通信、激光測距及光纖傳感等光電變換系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。由于具有內(nèi)增益，大大降低了對前置放大器的要求。但APD管需要上百伏的工作電壓．影響了它的推廣使用。APD光電二極管性能光電倍增管光電倍增管(PMT---Photo-multipletube)利用外光電效應(yīng)和二次電子發(fā)射效應(yīng)相結(jié)合，把微弱的光輸入轉(zhuǎn)化為光電子，并使光電子獲得倍增的一種真空光電探測器件，極大地提高了檢測靈敏度。放大倍數(shù)很高，用于探測微弱信號；光電特性的線性關(guān)系好；工作頻率高；性能穩(wěn)定，使用方便；供電電壓高；玻璃外殼，抗震性差；價格昂貴，體積大；一、光電倍增管的結(jié)構(gòu)與原理——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)1、光窗入射光的通道；光窗材料決定了PMT光譜特性的短波閾值;PMT光譜特性的長波閾值由什么因素決定?光窗通常有側(cè)窗和端窗兩種類型；常用窗口材料有：硼硅玻璃、透紫外玻璃、熔融石英、藍(lán)寶石和氟化鎂等；光電陰極材料沉積在入射窗的內(nèi)側(cè)面,接收入射光,向外發(fā)射光電子。透射型反射型

光電倍增管主要由光陰極K、倍增極D和陽極A組成。分類：端窗式（透射式陰極，通過管殼的端面接收入射光）

側(cè)窗式（反射式陰極，通過管殼的側(cè)面接收入射光）光電倍增管2、光電陰極（1）結(jié)構(gòu)——把光電發(fā)射體鍍在金屬或透明材料（玻璃或石英玻璃）上就制成了光電陰極。（2）常用材料：Ag-O-Cs：近紅外唯一具有使用價值的陰極材料；CsSb：可見、紫外區(qū)有較高的響應(yīng)率;3、電子光學(xué)系統(tǒng)

——是指光電陰極至第一倍增極之間的區(qū)域。電子光學(xué)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上主要由聚焦電極和偏轉(zhuǎn)電極組成電子光學(xué)系統(tǒng)的主要作用：（1）使光電陰極發(fā)射的光電子盡可能多的會聚到第一倍增極的有效區(qū)域內(nèi)；而將其它部分的雜散熱電子散射掉，提高信噪比。（2）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)歷的時間盡可能一致，保證PMT的快速響應(yīng)。倍增系統(tǒng)：是指由各倍增極構(gòu)成的綜合系統(tǒng)，各倍增極都是由二次電子發(fā)射體構(gòu)成。二次電子發(fā)射效應(yīng)當(dāng)有足夠動能的電子轟擊某種材料時,材料表面發(fā)射新的電子的現(xiàn)象。稱入射電子為一次電子,從材料表面發(fā)射的電子為二次電子。用該材料的二次發(fā)射系數(shù)表征材料發(fā)射電子的能力：4、電子倍增系統(tǒng)二次電子發(fā)射的過程：材料吸收一次電子的能量，激發(fā)體內(nèi)電子到高能態(tài)（二次電子）；體內(nèi)二次電子中初速度指向表面的那一部分向表面運(yùn)動；到達(dá)界面的二次電子中能量大于表面勢壘的電子發(fā)射到真空中，成為二次電子。要求：二次電子發(fā)射系數(shù)要大

光電倍增極材料要求：耐撞擊、穩(wěn)定性好、使用溫度高等銻化銫：具有高的倍增系數(shù)，但使用溫度不超過60℃，在倍增電流較大時，倍增系數(shù)顯著下降。銀鎂合金：倍增系數(shù)高，穩(wěn)定性好，使用溫度不超過150℃，可用于電流較大的倍增管中。銅鈹合金和負(fù)電子親和勢倍增材料：減少倍增級數(shù)，提高光電管的頻率響應(yīng)和降低散粒噪聲。倍增極材料主要是Ag-O-Cs、CsSb，靈敏的光電發(fā)射體一般也是良好的二次電子發(fā)射體；氧化物：MgO、BaO；合金型：銀鎂、鋁鎂、銅鎂、鎳鎂、銅鈹?shù)?；?fù)電子親合勢材料；(電子親和勢指的是半導(dǎo)體導(dǎo)帶底部到真空能級間的能量值，它表征材料在發(fā)生光電效應(yīng)時，電子逸出材料的難易程度。電子親和勢越小，就越容易逸出。如果電子親和勢為零或負(fù)值，則意味著電子處于隨時可以脫離的狀態(tài)，用電子親和勢為負(fù)值的材料制作的光電陰極，由光子激發(fā)出的電子只要能擴(kuò)散到表面就能逸出，因此靈敏度極高。)倍增極結(jié)構(gòu)根據(jù)電子的軌跡，倍增極可分為：

非聚焦型——只加速

如：盒柵式、百葉窗式聚焦型——加速聚焦

如：圓瓦片式（鼠籠式）、直線聚焦式各種倍增極的結(jié)構(gòu)形式

a)百葉窗式

b)盒柵式

c)直瓦片式

d)圓瓦片式5、陽極陽極是采用金屬網(wǎng)作的柵網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，把它置于靠近最末一級倍增極附近，用來收集最末一級倍增極發(fā)射出來的電子。陽極結(jié)構(gòu)示意圖要求：①接收性能良好，盡可能多的收集電子，工作在較大電流時，不至于產(chǎn)生空間電荷效應(yīng)。

②

輸出電容要小光電倍增管工作原理光電陰極倍增極陽極電子光學(xué)系統(tǒng)光電倍增管（PMT）是利用外光電效應(yīng)制成的一種光電探測器件。其光電轉(zhuǎn)換分為光電發(fā)射和電子倍增兩個過程。其工作原理如下圖示。與光電管相比。陰極K、陽極A以及管殼外，多了若干中間電極，倍增極或打拿極。每相鄰兩個電極稱為一級。Vi為各級電壓，總電壓約為千伏量級，從陰極K經(jīng)打拿極Di，到陽極A，形成逐級遞增的加速電場。光電發(fā)射探測器——光電倍增管逐級倍增使電子數(shù)目大量增加，被陽極收集形成陽極電流。當(dāng)光信號變化時，陰極發(fā)射的光電子數(shù)目發(fā)生相應(yīng)變化．由于各倍增極的倍增因子基本上是常數(shù)．陽極電流隨光信號而變化．陰極在光照下發(fā)射光電子，光電子被極間電場加速聚焦，轟擊倍增極，倍增極在高速電子轟擊下產(chǎn)生更多的電子，電子數(shù)目增大若干倍。光電倍增管的性能主要由光陰極和倍增極以及極間電壓決定。

負(fù)電子親合勢材料是目前最好的光陰極材料：二次電子發(fā)射特性用二次發(fā)射系數(shù)來描述，即如果倍增極的總級數(shù)為n，且各級性能相同，考慮到電子的傳輸損失，則光電倍增管的電流增益為MM=IA/Ik=f（g）n良好的電子光學(xué)設(shè)計(jì)可使f、g值在0．9以上。式中n為倍增極級數(shù)，N為發(fā)射的電子數(shù)，σn表示第n級倍增極每一個入射電子所能產(chǎn)生的二次電子的倍數(shù)，即該級的電流增益。式中IA為陽極電流，Ik為陰極電流。f為第一倍增極對陰極發(fā)射電子的收集效率，g為各倍增極之間的電子傳遞效率。

例如，銻化銫材料，σ＝0．2V0.7，銀鎂合金的σ≈V／40，V(伏特)．若取n＝10，則前面的電流增益為M＝σ10＝(0．2)l0V7，后者的M＝(V／40)10。

理論和實(shí)驗(yàn)表明，倍增極的電流增益σ值主要取決于倍增極材料和極間電壓，可見，材料一定，總電流增益與極間電壓的關(guān)系十分密切，工作電壓微小變化將使M值有明顯的波動，這將使光電倍增管的工作不穩(wěn)定。但過多的倍增級數(shù)將使光電倍增管的管長加長，體積加大，同時還將使電子渡越效應(yīng)變得嚴(yán)重，影響光電倍增管的頻率特性和噪聲性能。M=IA/Ik=f（g）n從上述討論可知，n和σ愈大，M值就愈高。通常σ值為3--6，n取9--14級，M為105--107。負(fù)電子親合勢打拿極σ的值可高達(dá)20--25，這可使級數(shù)n大為減少．又可得到良好的頻率特性。綜合上述諸因素，一般選用較大的σ值和較少的級數(shù)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著工作電壓增大，σ趨于一最大飽和值，過此值后．電壓V再增大時σ反而變小。陰極靈敏度紅外靈敏度來表示：紅光靈敏度與白光靈敏度之比陽極靈敏度陽極輸出電流與陰極光通量之比光電倍增管特性參數(shù)1.靈敏度2.暗電流

光電倍增管接上工作電壓后，在沒有光照的情況下陽極仍會有一個很小的電流輸出，此電流即稱為暗電流。

陽極輸出電流：暗電流和信號電流說明：暗電流的存在決定了光電倍增管可測量光信號的最小值。一只好的光電倍增管，要求其暗電流小并且穩(wěn)定。

暗電流

當(dāng)光電倍增管用來測量微弱的光強(qiáng)時，或確定管子靈敏度的極限值時，暗電流的影響極大，因而暗電流可作為光電倍增管的一個重要參量。暗電流的重要來源1、光電陰極和光電倍增極的熱電子發(fā)射。溫度T越高，熱電子發(fā)射越多，則暗電流越大，如圖所示。如果需要較