光電檢測(cè)技術(shù)演示文稿

光電檢測(cè)技術(shù)演示文稿目前一頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)參考書(shū)目《光電檢測(cè)技術(shù)》曾光宇等編著清華大學(xué)出版社《激光光電檢測(cè)》呂海寶等編著國(guó)防科技大學(xué)出版社《光電檢測(cè)技術(shù)》雷玉堂等編著中國(guó)計(jì)量出版社教材《光電檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用》郭培源編著北京航空航天大學(xué)出版社目前二頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)目錄第一章緒論第二章光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)2.1 光的基本性質(zhì)2.2 輻射與光度學(xué)量2.3 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)2.4 光電效應(yīng)第三章光電檢測(cè)器件3.1 光電器件的類(lèi)型與特點(diǎn)3.2 光電器件的基本特性參數(shù)目前三頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)3.3 半導(dǎo)體光電器件光電導(dǎo)器件: 光敏電阻光伏器件: 光電池/光電二極管/三極管3.4 真空光電器件 光電管光電倍增管3.5 熱電檢測(cè)器件熱敏電阻熱電偶和熱電堆熱釋電探測(cè)器件目前四頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)第四章發(fā)光、耦合和成像器件

4.1 發(fā)光二極管

4.2 激光器

4.3 光電耦合器件

4.4 CCD第五章光電檢測(cè)系統(tǒng)

5.1直接光電檢測(cè)系統(tǒng)

5.2 光外差光電檢測(cè)系統(tǒng)

5.3 典型的光電檢測(cè)系統(tǒng)第六章 光纖傳感檢測(cè)第七章 光電信號(hào)的數(shù)據(jù)采集與微機(jī)接口第八章 光電檢測(cè)技術(shù)的典型應(yīng)用目前五頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)第一章緒論目前六頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)1.光電系統(tǒng)描述光是一種電磁波，電磁波譜包括：長(zhǎng)波電震蕩、無(wú)線電波、微波、光波（包括紅外光、可見(jiàn)光、紫外光）、射線等。光波的波長(zhǎng)范圍為1mm-10nm,頻率為3x1011-3x1016Hz,它是工作于電磁波波譜圖上最后波段的系統(tǒng)，特點(diǎn)是波長(zhǎng)短，頻率高.(與電子系統(tǒng)載波相比，光電系統(tǒng)載波的頻率提高了幾個(gè)量級(jí)，因此載波能量大，分辨率高，但易受大氣的吸收等影響，傳輸距離受限，易遮擋）。目前七頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光電系統(tǒng)的作用體現(xiàn)在如下三個(gè)方面1）在經(jīng)典光學(xué)理論中，作為一種視覺(jué)的延伸，如經(jīng)典的光學(xué)儀器。2）在信息光電子學(xué)中，光作為一種載體，能實(shí)現(xiàn)信息的傳遞和探測(cè)功能，如光探測(cè)系統(tǒng)、光通訊系統(tǒng)、光信息識(shí)別系統(tǒng)。3）在能量光電子學(xué)中，光作為一種能量系統(tǒng)完成特定的功能，如激光加工技術(shù)，武器系統(tǒng)等。目前八頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光電檢測(cè)技術(shù)以光電子學(xué)為基礎(chǔ),以光電子器件為主體,研究和發(fā)展光電信息的形成、傳輸、接收、變換、處理和應(yīng)用。應(yīng)用領(lǐng)域包括：1、工業(yè)檢測(cè)（光電精密測(cè)試，光纖傳感在線檢測(cè)和機(jī)器視覺(jué)）2、日常生活：光電傳感（自動(dòng)對(duì)焦、路燈控制、圖象傳感）3.軍事：激光（激光雷達(dá)）、紅外、微光探測(cè)，定向和制導(dǎo)目前九頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光電檢測(cè)是信息時(shí)代的關(guān)鍵技術(shù)信息技術(shù):（三大支柱）感測(cè)技術(shù)、通信技術(shù)、人工智能與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。信息的產(chǎn)生和獲取、轉(zhuǎn)換、傳輸、控制、存儲(chǔ)、處理、顯示。本課程著重在光電檢測(cè)的元器件、系統(tǒng)、方法和應(yīng)用。目前十頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光電檢測(cè)技術(shù)光電傳感器：基于光電效應(yīng)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一種光電器件將非電量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的電量輸出。光電檢測(cè)系統(tǒng)：是利用光電傳感器實(shí)現(xiàn)各類(lèi)檢測(cè)。它將被測(cè)量的量轉(zhuǎn)換成光通量,再轉(zhuǎn)換成電量，并綜合利用信息傳送和處理技術(shù)，完成在線和自動(dòng)測(cè)量光電檢測(cè)系統(tǒng)包括光學(xué)變換光電變換電路處理目前十一頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光學(xué)變換時(shí)域變換：調(diào)制振幅、頻率、相位、脈寬（干涉、衍射）空域變換：光學(xué)掃描（掃描盤(pán)）事實(shí)上是光學(xué)參量調(diào)制：光強(qiáng)、波長(zhǎng)、相位、偏振形成能被光電探測(cè)器接收，便于后續(xù)電學(xué)處理的光學(xué)信息。光電變換光電/熱電器件（傳感器）、變換電路、前置放大將光信息變?yōu)槟軌蝌?qū)動(dòng)電路處理系統(tǒng)的電信息（電信號(hào)的放大和處理）。電路處理放大、濾波、調(diào)制、解調(diào)、A/D、D/A、微機(jī)與接口、控制。目前十二頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光電探測(cè)器的種類(lèi)類(lèi)型實(shí)例PN結(jié)PN光電二極管（Si,Ge,GaAs)PIN光電二極管（Si）雪崩光電二極管(Si,Ge)光電晶體管(Si)集成光電傳感器和光電晶閘管(Si)非PN結(jié)光電元件(CdS,CdSe,Se,PbS)熱電元件(PZT,LiTaO3,PbTiO3)電子管類(lèi)光電管，攝像管，光電倍增管其他類(lèi)色敏傳感器固體圖象傳感器（SI，CCD/MOS/CPD型）位置檢測(cè)用元件（PSD）光電池返回目前十三頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光電檢測(cè)系統(tǒng)光電檢測(cè)技術(shù)以現(xiàn)代光電器件為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)載有被檢測(cè)物體信號(hào)的光輻射（發(fā)射、反射、散射、衍射、折射、透射等）進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)光電檢測(cè)器件接收光輻射并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。由輸入電路、放大濾波等檢測(cè)電路提取有用的信息，再經(jīng)過(guò)A/D變換接口輸入微型計(jì)算機(jī)運(yùn)算、處理，最后顯示或打印輸出所需檢測(cè)物體的幾何量或物理量。目前十四頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光電檢測(cè)系統(tǒng)組成變換電路光電傳感光源光學(xué)系統(tǒng)被測(cè)對(duì)象光學(xué)變換電信號(hào)處理存儲(chǔ)顯示控制光學(xué)變換電路處理目前十五頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光電系統(tǒng)組成光電系統(tǒng)的組成也可描述為下列的三個(gè)部分：光發(fā)射機(jī)、光學(xué)信道、光接收機(jī)。根據(jù)光發(fā)射機(jī)的不同，光電系統(tǒng)可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩類(lèi)。主動(dòng)式：光發(fā)射機(jī)主要由光源和調(diào)制器組成被動(dòng)式：發(fā)射機(jī)為被探測(cè)物體的熱輻射，特點(diǎn)是隱蔽性高。光學(xué)信道：主要是指大氣、空間、水、光纖等光傳播過(guò)程中要經(jīng)過(guò)的介質(zhì)。光接收機(jī)：是指收集入射的光場(chǎng)并處理，恢復(fù)光載波的信息。目前十六頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光電檢測(cè)系統(tǒng)的功能分類(lèi)測(cè)量檢查型:幾何量:長(zhǎng)度、角度、位置、形變。表面形狀：光潔度、庇病、傷痕。光學(xué)量：吸收、反射、透射、光譜。（色牢度）目前十七頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)控制跟蹤型跟蹤控制：激光制導(dǎo)，紅外制導(dǎo)數(shù)值控制：自動(dòng)定位，圖形加工形成，數(shù)值控制圖象分析型圖形檢測(cè)圖形分析目前十八頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光電檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)高精度：從地球到月球激光測(cè)距的精度達(dá)到1米。高速度：光速是最快的。遠(yuǎn)距離、大量程：遙控、遙測(cè)和遙感。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。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。數(shù)字化和智能化：強(qiáng)的信息處理、運(yùn)算和控制能力。目前十九頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光電檢測(cè)技術(shù)研究熱點(diǎn)納米、亞納米高精度的光電測(cè)量新技術(shù)。小型、快速的微型光、機(jī)、電檢測(cè)系統(tǒng)。微空間三維測(cè)量技術(shù)和大空間三維測(cè)量技術(shù)。閉環(huán)控制的光電檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)光電測(cè)量與光電控制一體化。向人們無(wú)法觸及的領(lǐng)域發(fā)展。光電跟蹤與光電掃描測(cè)量技術(shù)。目前二十頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)一、在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用在線檢測(cè)：零件尺寸、產(chǎn)品缺陷、裝配定位….現(xiàn)代工程裝備中，檢測(cè)環(huán)節(jié)的成本約占50~70%光電檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用目前二十一頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)二、在日常生活中的應(yīng)用

家用電器：數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)：自動(dòng)對(duì)焦---紅外測(cè)距傳感器數(shù)字體溫計(jì)：非接觸式---紅外傳感器自動(dòng)感應(yīng)燈：亮度檢測(cè)---光敏電阻遙控接收：紅外檢測(cè)---光敏二極管、光敏三極管辦公商務(wù)：掃描儀：文檔掃描---線陣CCD醫(yī)療衛(wèi)生：血糖測(cè)試儀目前二十二頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)三、在軍事上的應(yīng)用美軍研制的未來(lái)單兵作戰(zhàn)武器夜視瞄準(zhǔn)機(jī)系統(tǒng)：非冷卻紅外傳感器技術(shù)激光測(cè)距儀：可精確的定位目標(biāo)。目前二十三頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)美國(guó)國(guó)家導(dǎo)彈防御計(jì)劃---NMD四、檢測(cè)技術(shù)在國(guó)防領(lǐng)域的應(yīng)用1.地基攔截器2.早期預(yù)警系統(tǒng)3.前沿部署(如雷達(dá)）4.管理與控制系統(tǒng)5.衛(wèi)星紅外線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng):探測(cè)和發(fā)現(xiàn)敵人導(dǎo)彈的發(fā)射并追蹤導(dǎo)彈的飛行軌道；

攔截器：能識(shí)別真假?gòu)楊^，敵友方目前二十四頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)學(xué)習(xí)本課程的目的掌握光電檢測(cè)系統(tǒng)的基本組成，光電檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)，了解光電檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。掌握光電檢測(cè)器件（傳感器、光源和成像器件）的工作原理及基本特性，了解它們的應(yīng)用范圍。能夠根據(jù)特性參數(shù)，選擇合適的光電檢測(cè)器件。熟悉常用器件的性能指標(biāo)。掌握直接檢測(cè)與外差檢測(cè)的原理和區(qū)別。了解光纖傳感檢測(cè)技術(shù)的原理和應(yīng)用，掌握光纖的光波調(diào)制技術(shù)。掌握了解常用光電檢測(cè)技術(shù)的測(cè)量、數(shù)據(jù)采集、處理和轉(zhuǎn)換的方法，了解所需的元器件、儀器和相關(guān)的接口技術(shù)。目前二十五頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)本課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)光電檢測(cè)器件的工作原理和特性及其應(yīng)用光電直接和外差檢測(cè)系統(tǒng)光纖傳感檢測(cè)技術(shù)光電信號(hào)的數(shù)據(jù)采集與微機(jī)接口目前二十六頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)第二章光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)目前二十七頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光的基本性質(zhì)輻射與光度學(xué)量半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)光電效應(yīng)目前二十八頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體半導(dǎo)體的特性半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體平衡和非平衡載流子載流子的輸運(yùn)過(guò)程半導(dǎo)體的光吸收PN結(jié)目前二十九頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體自然存在的各種物質(zhì)(按分子間隙），分為氣體、液體、固體。固體按導(dǎo)電能力可分為：導(dǎo)體、絕緣體和介于兩者之間的半導(dǎo)體。電阻率10-6~10-3歐姆?厘米范圍內(nèi)——導(dǎo)體電阻率1012歐姆?厘米以上——絕緣體電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間——半導(dǎo)體目前三十頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)半導(dǎo)體的特性半導(dǎo)體電阻溫度系數(shù)一般是負(fù)的，而且對(duì)溫度變化非常敏感。根據(jù)這一特性，熱電探測(cè)器件。導(dǎo)電性受極微量雜質(zhì)的影響而發(fā)生十分顯著的變化。（純凈Si在室溫下電導(dǎo)率為5*10-6/(歐姆?厘米)。摻入硅原子數(shù)百萬(wàn)分之一的雜質(zhì)時(shí)，電導(dǎo)率為2/(歐姆?厘米))半導(dǎo)體導(dǎo)電能力及性質(zhì)受光、電、磁等作用的影響。目前三十一頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)本征和雜質(zhì)半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體就是沒(méi)有雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體。在絕對(duì)零度時(shí)，價(jià)帶中的全部量子態(tài)都被電子占據(jù)，而導(dǎo)帶中的量子態(tài)全部空著（半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，能帶、電子、空穴對(duì)，載流子）。溫度升高，導(dǎo)電能力增強(qiáng)，電子、空穴對(duì)在純凈的半導(dǎo)體中摻入一定的雜質(zhì)，可以顯著地控制半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì)。摻入的雜質(zhì)可以分為施主雜質(zhì)（磷）和受主雜質(zhì)（棚）。施主雜質(zhì)電離后成為不可移動(dòng)的帶正電的施主離子，同時(shí)向?qū)峁╇娮?，使半?dǎo)體成為多數(shù)載流子為電子的n型半導(dǎo)體。受主雜質(zhì)電離后成為不可移動(dòng)的帶負(fù)電的受主離子，同時(shí)向價(jià)帶提供空穴，使半導(dǎo)體成為多數(shù)載流子為空穴的p型半導(dǎo)體。目前三十二頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)平衡和非平衡載流子處于熱平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，在一定溫度下，載流子濃度一定。這種處于熱平衡狀態(tài)下的載流子濃度，稱為平衡載流子濃度。半導(dǎo)體的熱平衡狀態(tài)是相對(duì)的，有條件的。如果對(duì)半導(dǎo)體施加外界作用，破壞了熱平衡的條件，這就迫使它處于與熱平衡狀態(tài)相偏離的狀態(tài)，稱為非平衡狀態(tài)。處于非平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，其載流子濃度也不再是平衡載流子濃度，比它們多出一部分。比平衡狀態(tài)多出來(lái)的這部分載流子稱為非平衡載流子。

目前三十三頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)非平衡載流子的產(chǎn)生光注入：用光照使得半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生非平衡載流子。當(dāng)光子的能量大于半導(dǎo)體的禁帶寬度時(shí)，光子就能把價(jià)帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶上去，產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，使導(dǎo)帶比平衡時(shí)多出一部分電子，價(jià)帶比平衡時(shí)多出一部分空穴。產(chǎn)生的非平衡電子濃度等于價(jià)帶非平衡空穴濃度。光注入產(chǎn)生非平衡載流子，導(dǎo)致半導(dǎo)體電導(dǎo)率增加。其它方法：電注入、高能粒子輻照等。目前三十四頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)載流子的輸運(yùn)過(guò)程產(chǎn)生、復(fù)合擴(kuò)散漂移目前三十五頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)半導(dǎo)體對(duì)光的吸收物體受光照射，一部分光被物體反射，一部分光被物體吸收，其余的光透過(guò)物體。吸收包括：本征吸收、雜質(zhì)吸收、自由載流子吸收、激子吸收、晶體吸收本征吸收——由于光子作用使電子由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶只有在入射光子能量大于材料的禁帶寬度時(shí)，才能發(fā)生本征激發(fā)目前三十六頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)目前三十七頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)雜質(zhì)吸收和自由載流子吸收引起雜質(zhì)吸收的光子的最小能量應(yīng)等于雜質(zhì)的電離能由于雜質(zhì)電離能比禁帶寬度小，所以這種吸收在本征吸收限以外的長(zhǎng)波區(qū)自由載流子吸收是由同一能帶內(nèi)不同能級(jí)之間的躍遷引起的。目前三十八頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)PN結(jié)將P型和N型半導(dǎo)體采用特殊工藝制造成半導(dǎo)體半導(dǎo)體內(nèi)有一物理界面，界面附近形成一個(gè)極薄的特殊區(qū)域，稱為PN結(jié)。是二極管、三極管、集成電路和其它結(jié)型光電器件最基本的結(jié)構(gòu)單元。目前三十九頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)PN結(jié)反向偏置－－－－++++內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)變厚NP+_內(nèi)電場(chǎng)被被加強(qiáng)，多子的擴(kuò)散受抑制。少子漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。RE目前四十頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)

PN結(jié)的伏安特性曲線

對(duì)應(yīng)表:目前四十一頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)半導(dǎo)體的物理效應(yīng):光電效應(yīng)與光熱效應(yīng)是指單個(gè)光子的性質(zhì)對(duì)產(chǎn)生的光電子直接作用，物體吸收光子后，直接引起原子或分子內(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)的改變，對(duì)光波頻率有選擇性，響應(yīng)速度一般較快。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、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)生改變統(tǒng)稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)包括外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。目前四十二頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)外光電效應(yīng)：物體受光照后向外發(fā)射電子——多發(fā)生于金屬和金屬氧化物發(fā)生過(guò)程與發(fā)生條件內(nèi)光電效應(yīng)：物體受到光照后所產(chǎn)生的光電子只在物質(zhì)內(nèi)部而不會(huì)逸出物體外部——多發(fā)生在半導(dǎo)體內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)：半導(dǎo)體受光照后，內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，使半導(dǎo)體中載流子數(shù)顯著增加而電阻減少的現(xiàn)象目前四十三頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光生伏特效應(yīng)：光照在半導(dǎo)體PN結(jié)或金屬—半導(dǎo)體接觸上時(shí)，會(huì)在PN結(jié)或金屬—半導(dǎo)體接觸的兩側(cè)產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)。

PN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)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p區(qū)，相當(dāng)于PN結(jié)上加一個(gè)正電壓。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)電流（光生電流）。目前四十四頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光熱效應(yīng)：物體吸收光輻射后，不直接引起原子或分子內(nèi)部電子狀態(tài)的改變，而是把吸收的光能量變?yōu)榫Ц竦臒徇\(yùn)動(dòng)能量，引起物體溫度上升，進(jìn)而引起物體電學(xué)特性或其他物理性質(zhì)發(fā)生改變。光熱效應(yīng)：材料受光照射后，光子能量與晶格相互作用，振動(dòng)加劇，溫度升高，材料的性質(zhì)發(fā)生變化．熱釋電效應(yīng)：介質(zhì)的極化強(qiáng)度隨溫度變化而變化，引起表面電荷變化的現(xiàn)象．輻射熱計(jì)效應(yīng)：入射光的照射使材料由于受熱而造成電阻率變化的現(xiàn)象．溫差電效應(yīng)：由兩種材料制成的結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)穩(wěn)差而在兩結(jié)點(diǎn)間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，回路中產(chǎn)生電流．目前四十五頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)第三章光電檢測(cè)器件目前四十六頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光電器件的類(lèi)型與特點(diǎn)光電器件的基本特性參數(shù)半導(dǎo)體光電器件光電導(dǎo)器件—光敏電阻光伏器件光電池光電二極管/三極管真空光電器件光電管光電倍增管熱電檢測(cè)器件熱敏電阻熱電偶和熱電堆熱釋電探測(cè)器件目前四十七頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光電檢測(cè)器件的類(lèi)型光電檢測(cè)器件是利用物質(zhì)的光電效應(yīng)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件.光電檢測(cè)器件分為兩大類(lèi):光子(光電子)檢測(cè)器件熱電檢測(cè)器件目前四十八頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光電檢測(cè)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(溫差電效應(yīng))熱輻射計(jì)/熱敏電阻(輻射熱計(jì)效應(yīng))熱釋電探測(cè)器(熱釋電效應(yīng))目前四十九頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光電檢測(cè)器件的特點(diǎn)光子器件熱電器件響應(yīng)波長(zhǎng)有選擇性，一般有截止波長(zhǎng)，超過(guò)該波長(zhǎng)，器件無(wú)響應(yīng)。響應(yīng)波長(zhǎng)無(wú)選擇性，對(duì)可見(jiàn)光到遠(yuǎn)紅外的各種波長(zhǎng)的輻射同樣敏感響應(yīng)快，吸收輻射產(chǎn)生信號(hào)需要的時(shí)間短，一般為納秒到幾百微秒響應(yīng)慢，一般為幾毫秒目前五十頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)3.2器件的基本特性參數(shù)響應(yīng)特性噪聲特性量子效率線性度工作溫度目前五十一頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)一、響應(yīng)特性１．響應(yīng)度（或稱靈敏度）：是光電探測(cè)器輸出信號(hào)與輸入光功率之間關(guān)系的度量。描述的是光電探測(cè)器件的光電轉(zhuǎn)換效率。響應(yīng)度是隨入射光波長(zhǎng)變化而變化的響應(yīng)度分電壓響應(yīng)度和電流響應(yīng)度目前五十二頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)電壓響應(yīng)度光電探測(cè)器件輸出電壓與入射光功率之比電流響應(yīng)度光電探測(cè)器件輸出電流與入射光功率之比目前五十三頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)２．光譜響應(yīng)度：探測(cè)器在波長(zhǎng)為λ的單色光照射下，輸出電壓或電流與入射的單色光功率(或者光通量）之比．３．積分響應(yīng)度：檢測(cè)器對(duì)各種波長(zhǎng)光連續(xù)輻射量的反應(yīng)程度．目前五十四頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)４．響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間τ是描述光電探測(cè)器對(duì)入射光響應(yīng)快慢的一個(gè)參數(shù)（如圖）。上升時(shí)間：入射光照射到光電探測(cè)器后，光電探測(cè)器輸出上升到穩(wěn)定值所需要的時(shí)間。下降時(shí)間：入射光遮斷后，光電探測(cè)器輸出下降到穩(wěn)定值所需要的時(shí)間。目前五十五頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光電探測(cè)器響應(yīng)率與入射調(diào)制頻率的關(guān)系

為調(diào)制頻率為f時(shí)的響應(yīng)率 為調(diào)制頻率為零時(shí)的響應(yīng)率 為時(shí)間常數(shù)（等于RC）

５．頻率響應(yīng)：光電探測(cè)器的響應(yīng)隨入射光的調(diào)制頻率而變化的特性稱為頻率響應(yīng)．由于光電探測(cè)器信號(hào)產(chǎn)生和消失存在著一個(gè)滯后過(guò)程，所以入射光的調(diào)制頻率對(duì)光電探測(cè)器的響應(yīng)會(huì)有較大的影響。光入射產(chǎn)生光電流是一個(gè)積分過(guò)程，是一階系統(tǒng)，根據(jù)RC積分電路的特點(diǎn)，它是一低通電路，其幅頻特性為：目前五十六頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)：上限截止頻率時(shí)間常數(shù)決定了光電探測(cè)器頻率響應(yīng)的帶寬返回目前五十七頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)二.光電轉(zhuǎn)換定律對(duì)于光電探測(cè)器，一端是光輻射量，另一端是光電流。把光輻射量轉(zhuǎn)換為光電流量的過(guò)程稱為光電轉(zhuǎn)換。即光電流正比于入射光功率量子效率（）：在某一特定波長(zhǎng)上，每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光子數(shù)之比。對(duì)理想的探測(cè)器，入射一個(gè)光量子發(fā)射一個(gè)電子，=1實(shí)際上，<1量子效率是一個(gè)微觀參數(shù)，量子效率愈高愈好。目前五十八頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)量子效率與響應(yīng)度的關(guān)系光探測(cè)器對(duì)入射光功率有響應(yīng)，響應(yīng)的是光電流。因此，一個(gè)光子探測(cè)器總可視為一個(gè)電流源。因?yàn)楣夤β蔖正比于光電場(chǎng)的平方，故常把光探測(cè)器稱為平方率探測(cè)器，光探測(cè)器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)非線性器件。目前五十九頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)三、噪聲特性在一定波長(zhǎng)的光照下光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)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)上就是物理系統(tǒng)內(nèi)部的起伏干擾：如電阻中自由電子的熱運(yùn)動(dòng)，光電陰極的隨機(jī)發(fā)射，載流子的隨機(jī)產(chǎn)生和復(fù)合等。服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律，其平均值為零。用均方噪聲來(lái)表示噪聲值大小。由于產(chǎn)生探測(cè)器起伏噪聲的因素很多，且這些因素又彼此獨(dú)立，總的噪聲功率為各種噪聲功率之和。目前六十頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)噪聲在實(shí)際的光電探測(cè)系統(tǒng)中是極其有害的。由于噪聲總是與有用信號(hào)混在一起，因而影響對(duì)信號(hào)特別是微弱信號(hào)的正確探測(cè)。一個(gè)光電探測(cè)系統(tǒng)的極限探測(cè)能力往往受探測(cè)系統(tǒng)的噪聲所限制。所以在精密測(cè)量、通信、自動(dòng)控制等領(lǐng)域，減小和消除噪聲是十分重要的問(wèn)題。目前六十一頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光電探測(cè)器常見(jiàn)的噪聲熱噪聲散粒噪聲產(chǎn)生-復(fù)合噪聲1/f噪聲目前六十二頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)1、熱噪聲或稱約翰遜噪聲，即載流子無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)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(dòng)(相當(dāng)于微電脈沖)，盡管其平均值為零，但瞬時(shí)電流擾動(dòng)在導(dǎo)體兩端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)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(wú)關(guān)，熱噪聲又稱為白噪聲目前六十三頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)通常我們認(rèn)為外界進(jìn)入系統(tǒng)，以及系統(tǒng)內(nèi)部電路產(chǎn)生的噪聲都是白噪聲，也就是頻率范圍非常寬。但并不是所有噪聲都會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，因?yàn)橐话阆到y(tǒng)都是有限帶寬的。噪聲功率帶寬就是描述多寬頻帶范圍內(nèi)的噪聲會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成影響。這個(gè)帶寬和噪聲功率譜密度相乘，就是噪聲功率了目前六十四頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)2、散粒噪聲散粒噪聲：無(wú)光照下，由于熱激發(fā)射到光探測(cè)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(guò)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(wú)關(guān)。散粒噪聲是光電探測(cè)器的固有特性，對(duì)大多數(shù)光電探測(cè)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(shì)壘是產(chǎn)生散粒噪聲的主要原因。熱激發(fā)平均電流，暗電流目前六十五頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)3、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲對(duì)光導(dǎo)探測(cè)器，熱激發(fā)載流子產(chǎn)生電子空穴對(duì)，與光伏器件不同，存在嚴(yán)重的復(fù)合過(guò)程，復(fù)合過(guò)程也是隨機(jī)的，使起伏加倍。在平衡狀態(tài)時(shí)，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。M為光電導(dǎo)的內(nèi)部增益。目前六十六頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)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)。目前六十七頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)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(hào)功率與噪聲功率之比若用分貝（dB）表示，為目前六十八頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)６、等效噪聲功率(NEP)定義：信號(hào)功率與噪聲功率比為1（SNR=1）時(shí)，入射到探測(cè)器件上的輻射通量(單位為瓦)。這時(shí)，入射到探測(cè)器上的輻射功率所產(chǎn)生的輸出電壓（或電流）等于探測(cè)器本身的噪聲電壓（或電流）一般一個(gè)良好的探測(cè)器件的NEP約為10-11W。NEP越小，噪聲越小，器件的性能越好。目前六十九頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)７、探測(cè)率與歸一化探測(cè)率探測(cè)率D定義為噪聲等效功率的倒數(shù)經(jīng)過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)NEP與檢測(cè)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(cè)率D*，即D*與探測(cè)器的敏感面積、放大器的帶寬無(wú)關(guān)。返回目前七十頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)四、線性度線性度是描述光電探測(cè)器輸出信號(hào)與輸入信號(hào)保持線性關(guān)系的程度。在某一范圍內(nèi)探測(cè)器的響應(yīng)度是常數(shù)，稱這個(gè)范圍為線性區(qū)。非線性誤差：

δ＝Δmax/(I2

–I1)Δmax：實(shí)際響應(yīng)曲線與擬合曲線之間的最大偏差；I2

和I1：分別為線性區(qū)中最小和最大響應(yīng)值。目前七十一頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)五、工作溫度工作溫度就是指光電探測(cè)器最佳工作狀態(tài)時(shí)的溫度。光電探測(cè)器在不同溫度下，性能有變化。

例如，半導(dǎo)體光電器件的長(zhǎng)波限和峰值波長(zhǎng)會(huì)隨溫度而變化；熱電器件的響應(yīng)度和熱噪聲會(huì)隨溫度而變化。目前七十二頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)半導(dǎo)體光電檢測(cè)器件及應(yīng)用光電管與光電倍增管光敏電阻光電池與四象限光電池光電二極管及陣列光電二極管光電三極管發(fā)光器件與光耦合器件PSD與CCD器件目前七十三頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光電管與光電倍增管（外光電效應(yīng)器件）：光電管是依據(jù)光電發(fā)射效應(yīng)而工作的一種光電探測(cè)器，主要由光電陰極K、陽(yáng)極A和管殼組成。分為真空光電管和充氣（增益氣體）光電管。接收形式有反射型和透射型。目前七十四頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光電陰極：銀氧銫光電陰極、銻化物光電陰極、負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極。決定帶寬，峰值波長(zhǎng)。目前七十五頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光電特性和伏安特性曲線光電特性：1，2，3是真空光電管光電特性；在一定范圍內(nèi)光電流與光照度為線性關(guān)系，4，5，6是充氣光電管光電特性，二者相比，真空光電管線性好，動(dòng)態(tài)范圍大，穩(wěn)定性好，但靈敏度低一些。目前七十六頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)在不同的入射P下，u=50-100V時(shí)，所有的光電子都能到達(dá)陽(yáng)極，光電流飽和，電壓再增高，光電流不在增大。在飽和區(qū)，當(dāng)u一定時(shí)光電流與入射功率成線性變化，光電管要求工作在飽和區(qū)，即u要高于50-100V。

伏安特性(光電管兩端電壓與流過(guò)電流關(guān)系）由偏置電路u=Ub-iRL目前七十七頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)1.無(wú)光照情況：當(dāng)光照功率Φ=0時(shí)，電流i不為零，暗電阻Rd=u/i=1/

稱為光電管的暗電導(dǎo)(漏電導(dǎo)）2.表征光電管進(jìn)入飽和區(qū)快慢的參數(shù)G0飽和電導(dǎo)（初始電導(dǎo)）

設(shè)對(duì)應(yīng)于M點(diǎn)的電壓與電流分別為U0(轉(zhuǎn)折電壓）,I0。則I0=G0U0,G0稱為光電管的飽和電導(dǎo)。因?yàn)镺M是所有曲線進(jìn)入飽和區(qū)的分界線。

3.光電管的工作負(fù)載線

伏安特性：u=Ub-iRL,Ub為偏置電壓,u為光電管兩端電壓.

i=0,u=Ub,u=0,i=Ub/RL,MH線即為光電管的工作負(fù)載線.當(dāng)偏置電壓一定時(shí)，RL從零到無(wú)窮，負(fù)載線從垂直向左旋轉(zhuǎn)900

目前七十八頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)目前七十九頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)4.光電管線性工作區(qū)確定光電管線性工作區(qū)是指光功率的變化與電流和電壓變化成線性關(guān)系的區(qū)域，設(shè)Φ0為如射入光功率的直流分量，Φmax

Φmin

為變化區(qū)間，即負(fù)載線必須在M點(diǎn)的上方通過(guò),對(duì)M點(diǎn)：

I=Id+IpG0U0=GU0+SΦmax

U0=SΦmax/(G0

–G)U0稱為轉(zhuǎn)折電壓。計(jì)算負(fù)載電阻和偏置電壓。為保證最大線性輸出條件，負(fù)載線和與對(duì)應(yīng)的伏安線交點(diǎn)不能低于轉(zhuǎn)折點(diǎn)M.(Ub-U0)GL=G0U0當(dāng)Ub已知時(shí)，可計(jì)算出負(fù)載電導(dǎo)GL或電阻RL為目前八十頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)當(dāng)RL＝1/GL為已知時(shí)，可計(jì)算出偏置電源電壓Ub為計(jì)算輸出電壓幅度當(dāng)輸入光通量由Φmin變化到Φmax時(shí)，輸出電壓幅度為ΔU＝Umax－U0。GL（Ub-Umax）=GUmax＋SΦmin

（在H點(diǎn)）GL（Ub-U0）=GU0＋SΦmax

（在M點(diǎn)）目前八十一頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)電壓幅度與輸入光通量的增量和光電靈敏度成正比，與結(jié)間漏電導(dǎo)和負(fù)載電導(dǎo)之和成反比。

計(jì)算輸出電流幅度ΔI＝Imax－Imin＝GLΔU通常GL＞＞G，ΔI＝S（Φmax－Φmin）＝SΔΦ計(jì)算輸出電功率由功率關(guān)系P＝ΔIΔU可得若僅要求輸出光電流，可選擇Ub＝U0RL＝０目前八十二頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)５．頻率特性：從電路的觀點(diǎn)看，光電管等效為一個(gè)高內(nèi)阻的電流源，其等效電路可表示為：圖中Ｃｄ為光電管電容，（由于內(nèi)阻很大），由等效電路得截止頻率為：環(huán)境和溫度變化使光電管的靈敏度和暗電流發(fā)生變化，要求溫度保持在１０－４５０C目前八十三頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光電倍增管光電倍增管結(jié)構(gòu)原理如圖所示，由光電陰極K、陽(yáng)極A和倍增極及管殼組成。倍增極由某些金屬，半導(dǎo)體及氧化物等負(fù)電子親和勢(shì)材料組成。其特點(diǎn)是受到高速電子轟擊產(chǎn)生二次電子發(fā)射獲得很高的電流內(nèi)增益。目前八十四頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)供電電壓為千伏數(shù)量級(jí)，采用電阻或齊納穩(wěn)壓管分壓，分級(jí)電壓為百伏數(shù)量級(jí)。目前八十五頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)兩種供電電路：陽(yáng)極接地，負(fù)高壓供電；陰極接地，正高壓供電。負(fù)高壓供電可消除外部信號(hào)電路與陽(yáng)極中間的電位差，輸出光電流可直接與電流計(jì)或電流電壓轉(zhuǎn)換的運(yùn)算放大器相連。正高壓供電使用耐高壓的耦合電容輸出信號(hào)，用于交流或信號(hào)脈沖測(cè)量系統(tǒng)。目前八十六頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)信號(hào)輸出方式：光電倍增管用以檢測(cè)微弱的光信號(hào)，其輸出電流很小，常采用放大器輸出。目前八十七頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光電特性和伏安特性光電倍增管的光電特性與伏安特性與真空管十分相似，其分析方法與光電管基本一樣。頻率特性：截止頻率為：噪聲特性：由于溫度變化，光電倍增管的暗電流產(chǎn)生較大的散粒噪聲，因此在使用中一定要制冷。目前八十八頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)一、光敏電阻光敏電阻是光電導(dǎo)型器件。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），硫化鉛（PbS），銻化銦（InSb）等。特點(diǎn)：光譜響應(yīng)范圍寬（特別是對(duì)于紅光和紅外輻射）；偏置電壓低，工作電流大；動(dòng)態(tài)范圍寬，既可測(cè)強(qiáng)光，也可測(cè)弱光；光電導(dǎo)增益大，靈敏度高；無(wú)極性，使用方便；在強(qiáng)光照射下，光電線性度較差光電馳豫時(shí)間較長(zhǎng)，頻率特性較差。目前八十九頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光敏電阻(LDR)和它的符號(hào)：

符號(hào)目前九十頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)1.光敏電阻的工作原理光敏電阻結(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)。（如圖）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)，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。目前九十一頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)入射光返回目前九十二頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)本征型和雜質(zhì)型光敏電阻本征型光敏電阻：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。雜質(zhì)型光敏電阻：對(duì)于Ｎ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ΔＥ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。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ΔＥ施主目前九十三頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光電導(dǎo)與光電流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??；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）。光電流：亮電流和暗電流之差；

I光

=IL-Id光電導(dǎo)：亮電導(dǎo)和暗電導(dǎo)之差；

G

=GL-Gd目前九十四頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)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。光電流與光照強(qiáng)度／電阻結(jié)構(gòu)的關(guān)系。設(shè)載流子的遷移率分別為（單位電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)速率）。目前九十五頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)無(wú)光照，暗電導(dǎo)率光照下電導(dǎo)率

目前九十六頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)附加光電導(dǎo)率,簡(jiǎn)稱光電導(dǎo)光電導(dǎo)相對(duì)值要制成附加光電導(dǎo)相對(duì)值高的光敏電阻應(yīng)使p0和n0小，因此光敏電阻一般采用禁帶寬度大的材料或在低溫下使用。目前九十七頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)無(wú)光照時(shí)，光敏電阻的暗電流為光照時(shí)，光敏電阻的光電流為目前九十八頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)２．光敏電阻的工作特性光電特性伏安特性時(shí)間響應(yīng)和頻率特性溫度特性目前九十九頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光電特性：光電流與入射光照度的關(guān)系：

(1)弱光時(shí)，γ=1，光電流與照度成線性關(guān)系(CdS) (2)強(qiáng)光時(shí)，γ=0.5，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）

光敏電阻的光電特性目前一百頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)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(lèi)似的性質(zhì)。目前一百零一頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光電導(dǎo)靈敏度:光電導(dǎo)G與照度E之比. 光電導(dǎo)靈敏度與光敏電阻兩電極間距離的平方成反比，其主要原因是光生載流子有一定的壽命。從電導(dǎo)公式也可以反映出來(lái)，因此光敏電阻常為蛇形面。并且不同波長(zhǎng)的光，光敏電阻的靈敏度是不同的。在選用光電器件時(shí)必須充分考慮到這種特性。目前一百零二頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光電導(dǎo)增益

光電導(dǎo)增益反比于電極間距的平方。量子效率：光電流與入射光子流之比。目前一百零三頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)伏安特性在一定的光照下，光敏電阻的光電流與所加的電壓關(guān)系光敏電阻是一個(gè)純電阻，因此符合歐姆定律，其伏安特性曲線為直線。不同光照度對(duì)應(yīng)不同直線目前一百零四頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)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。目前一百零五頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光敏電阻的信號(hào)輸出R=1/(Gp+Gd)，IL=Ub/(R+RL),當(dāng)輸入光通量變化時(shí)，ΔIL=-UbΔR/(R+RL)2,由Gp=SE=SΦ,

R=1/(Gp+Gd)得：ΔR=-R2SΔΦΔIL=-UbΔR/(R+RL)2=UbR2SΔΦ

/(R+RL)2ΔUL=ΔILRL=

UbR2SΔΦRL/(R+RL)2恒壓偏置:負(fù)載電阻遠(yuǎn)小于光敏電阻，輸出信號(hào)與光敏電阻值無(wú)關(guān)，用于光控電路。恒流偏置:光敏電阻的偏置電壓：每個(gè)光敏電阻都有額定的最大耗散功率Pmax,在一定的光照下，要求：IL2R<Pmax，即

Ub<（Pmax/R)0.5(R+RL)目前一百零六頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)目前一百零七頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光敏電阻時(shí)間常數(shù)比較大，其上限截止頻率低。只有PbS光敏電阻的頻率特性稍好些，可工作到幾千赫。頻率特性目前一百零八頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)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(huì)影響光譜特性曲線。例如：硫化鉛光敏電阻，隨著溫度的升高光譜響應(yīng)的峰值將向短波方向移動(dòng)。尤其是紅外探測(cè)器要采取制冷措施溫度特性目前一百零九頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光敏電阻參數(shù)使用材料：硫化鎘（CdS），硫化鉛（PbS），銻化銦（InSb），碲鎘汞（HgCdTe），碲錫鉛（PbSnTe）.光敏面：1-3mm工作溫度：-40–80oC溫度系數(shù)：1極限電壓：10–300V耗散功率：<100W時(shí)間常數(shù)：5–50ms光譜峰值波長(zhǎng)：因材料而不同，在可見(jiàn)/紅外遠(yuǎn)紅外暗電阻：108歐姆亮電阻：104

歐姆目前一百一十頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光敏電阻的應(yīng)用基本功能：根據(jù)自然光的情況決定是否開(kāi)燈。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目前一百一十一頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光電池(光伏工作模式）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。PN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)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p區(qū).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)電流（光生電流）方向?yàn)镹-P。目前一百一十二頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光電池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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)接收更多的入射光。硅光電池在N型硅片上擴(kuò)散P型雜質(zhì)（如硼），形成一個(gè)P+N結(jié)，受光面是P型層（代號(hào)2CR)或在P型硅片上擴(kuò)散N型雜質(zhì)（如磷），形成一個(gè)N+P結(jié)，受光面是N型層。(代號(hào)2DR)高參雜的目的使空間勢(shì)壘加寬，增加光生載流子數(shù)目，減小反向飽和電流。目前一百一十三頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和保護(hù)作用由于光子入射深度有限，為使光照到PN結(jié)上，實(shí)際使用的光電池制成薄P型或薄N型。目前一百一十四頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)目前一百一十五頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)1、光譜響應(yīng)度硅光電池響應(yīng)波長(zhǎng)微米，峰值波長(zhǎng)微米。硒光電池響應(yīng)波長(zhǎng)微米，峰值波長(zhǎng)0.54微米。目前一百一十六頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)2、伏安特性無(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。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ISC。目前一百一十七頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光電池伏安特性曲線目前一百一十八頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)3.光電池等效電路

等效為一個(gè)電流源與一個(gè)普通二極管的并聯(lián)電路目前一百一十九頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)目前一百二十頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)目前一百二十一頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光電池短路電流與開(kāi)路電壓與入射光強(qiáng)度變化關(guān)系由P31圖3-14表示，由于ISC=Ip=SΦ,因此，短路電流與受光面積成正比，開(kāi)路電壓與與受光面積的對(duì)數(shù)成正比，如圖3-15所示。短路或線性電流放大是一種電流變換狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，后續(xù)電流放大級(jí)作為負(fù)載從光電池中吸取最大的輸出電流。為此要求負(fù)載電阻或后續(xù)放大電路的輸入阻抗盡可能小。在短路狀態(tài)下，由于輸出電流與入射光功率成正比，在器件噪聲較低情況下，適合于弱光信號(hào)的檢測(cè)。(105頁(yè)）開(kāi)路電壓應(yīng)通過(guò)高輸入阻抗放大器與后續(xù)放大電路連接，同一光電池的開(kāi)路電壓與光電池光敏面受光面積的對(duì)數(shù)成正比，但開(kāi)路電壓并不會(huì)無(wú)限增大，它的最大值受結(jié)勢(shì)壘的限制，通常，光電池的開(kāi)路電壓為0.45-0.6v,因此，可不加偏置作跳躍變化的光電開(kāi)關(guān)(105頁(yè)）。目前一百二十二頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)當(dāng)光電池用作太陽(yáng)能電源時(shí)，可通過(guò)多個(gè)串聯(lián)和并聯(lián)方式增大輸出電壓和輸出電流。光電池的負(fù)載特性：1.在一定的光照下，負(fù)載電阻RL由無(wú)窮變到零時(shí),輸出電壓由將由Uoc變?yōu)榱悖敵鲭娏鲗牧阍龃蟮蕉搪冯娏鱅SC，顯然存在某一負(fù)載電阻RM,光電池的輸出功率最大。近似求法：過(guò)開(kāi)路電壓及短路電流作伏安特性曲線的切線，兩切線交于Q點(diǎn)，連接OQ與伏安特性曲線交于M點(diǎn)，此時(shí)，矩形面積最大，即為最大的輸出功率。此時(shí)近似認(rèn)為UM=0.7Uoc,IM=ISC.,。即RM=0.7Uoc/ISC（圖4-12）2.當(dāng)負(fù)載電阻很小時(shí)，可得到與輸入光功率成正比的電流與電壓信號(hào)輸出。據(jù)目前一百二十三頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)式中將上式展開(kāi)得當(dāng)IRL<<UT時(shí)，由于I0<<I,若IRL<<UT即I=SΦ令最大線性輸出光電流為IM，相應(yīng)的光通量為ΦM,則可得輸出最大線性電壓的臨界電阻為：RM<<UT/IM=26/SΦM.負(fù)載上的電壓信號(hào)變化為：ΔU=RM

ΔI=(26/SΦM)SΔΦ=26ΔΦ/ΦM目前一百二十四頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)負(fù)載RL的增大線性范圍也越來(lái)越小。

因此，在要求輸出電流與光照度成線性關(guān)系時(shí)，負(fù)載電阻在條件許可的情況下越小越好，并限制在適當(dāng)?shù)墓庹辗秶鷥?nèi)使用目前一百二十五頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)4.頻率響應(yīng)(光生載流子渡越時(shí)間、電路決定的時(shí)間常數(shù)）

硅光電池頻率特性好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

目前一百二十六頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)要得到短的響應(yīng)時(shí)間，必須選用小的負(fù)載電阻RL；光電池面積越大則響應(yīng)時(shí)間越大，因?yàn)楣怆姵孛娣e越大則結(jié)電容Cj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，必須選用小面積光電池。目前一百二十七頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)開(kāi)路電壓下降大約23mV/度短路電流上升大約10-510-3mA/度5、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)，測(cè)量?jī)x器應(yīng)考慮溫度的漂移，要進(jìn)行補(bǔ)償。目前一百二十八頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光電池的應(yīng)用1、光電探測(cè)器件利用光電池做探測(cè)器有頻率響應(yīng)高，光電流隨光照度線性變化等特點(diǎn)。2、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)組成電池組。目前一百二十九頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)硅太陽(yáng)能電池硅太陽(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。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%,而規(guī)模生產(chǎn)的單晶硅太陽(yáng)能電池,其效率為15%。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18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10%。目前一百三十頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)非晶硅太陽(yáng)能電池非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池組件的制造采用薄膜工藝,具有較多的優(yōu)點(diǎn),例如:沉積溫度低、襯底材料價(jià)格較低廉,能夠?qū)崿F(xiàn)大面積沉積。

非晶硅的可見(jiàn)光吸收系數(shù)比單晶硅大,是單晶硅的40倍,1微米厚的非晶硅薄膜,可以吸引大約90%有用的太陽(yáng)光能。非晶硅太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性較差,從而影響了它的迅速發(fā)展。

目前一百三十一頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)化合物太陽(yáng)能電池

三五族化合物電池和二六族化合物電池。三五族化合物電池主要有GaAs電池、InP電池、GaSb電池等;二六族化合物電池主要有CaS/CuInSe電池、CaS/CdTe電池等。在三五族化合物太陽(yáng)能電池中,GaAs電池的轉(zhuǎn)換效率最高,可達(dá)28%;目前一百三十二頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)GaAs化合物太陽(yáng)能電池Ga是其它產(chǎn)品的副產(chǎn)品,非常稀少珍貴;As不是稀有元素,有毒。GaAs化合物材料尤其適用于制造高效電池和多結(jié)電池,這是由于GaAs具有十分理想的光學(xué)帶隙以及較高的吸收效率。

GaAs化合物太陽(yáng)能電池雖然具有諸多優(yōu)點(diǎn),但是GaAs材料的價(jià)格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs電池的普及。

目前一百三十三頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)太陽(yáng)能太陽(yáng)能特點(diǎn)：①無(wú)枯竭危險(xiǎn)；②絕對(duì)干凈；③不受資源分布地域的限制；④可在用電處就近發(fā)電；⑤能源質(zhì)量高；⑥使用者從感情上容易接受；⑦獲取能源花費(fèi)的時(shí)間短。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)能發(fā)電同現(xiàn)在的電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。目前一百三十四頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)四象限光電池四象限光電池是用來(lái)確定光點(diǎn)在二維平面上的位置坐標(biāo)，一般用于準(zhǔn)直、定位、跟蹤等方面。它是用集成電路光刻技術(shù)將一個(gè)圓形或方形的光敏面窗口隔成幾個(gè)面積相等、形狀相同、位置對(duì)稱（背面為整片）的區(qū)域。是四象限光探測(cè)器的一種。（如：硅光電二極管、雪崩光電二極管）和差電路形式：設(shè)器件的坐標(biāo)線與基準(zhǔn)線成水平安裝，電路的連接是先計(jì)算相鄰象限信號(hào)的和，再計(jì)算信號(hào)的差。設(shè)光斑形狀是彌散圓，半徑為r,光密度均勻，投影在四象限探測(cè)器每個(gè)象限上的面積分別為SA、SB、SC、SD目前一百三十五頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)由運(yùn)算電路輸出偏離信號(hào)ux和uy，

ux=K[(uA+uB)-(uC+uD)],uy=K[(uA+uD)-(uB+uC)]

為了消除光斑自身能量變化常采用和差比幅電路

Ux=ux/[(uA+uB+uC+uD)],

Uy=uy/[(uA+uB+uC+uD)],

目前一百三十六頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)2.直差電路形式：若器件的坐標(biāo)線和基準(zhǔn)線間成450角安裝，輸出偏移量為：

ux=K(uA-uC)/[(uA+uB+uC+uD)],

uy=k(uB-uD)

/[(uA+uB+uC+uD)],

目前一百三十七頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光敏二極管光敏二極管與光電池一樣，基本結(jié)構(gòu)為一個(gè)PN結(jié)，其特點(diǎn)是結(jié)面積小，頻率特性非常好，光生電動(dòng)勢(shì)與光電池相同，但輸出光電流比光電池小，一般為微安量級(jí)。種類(lèi)：鍺光敏二極管（紅外）、硅光敏二極管。圖3-21采用N型單晶硅形成P+N結(jié),型號(hào)為2CU.采用P型單晶硅形成N+P結(jié),型號(hào)為2DU.{環(huán)型光電二極管有三根引線，環(huán)極接電源正極，通過(guò)一電阻接前極（N極），也可不用}。由圖3-21，3-22.硅光電二極管可采用聚焦透鏡作入射窗口如圖3-23所示。目前一百三十八頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光電二極管（光敏二極管）光敏二極管符號(hào)

光敏二極管接法

目前一百三十九頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)外加反向偏壓與光電池不同，光敏二極管一般在負(fù)偏壓情況下使用(10v)大反偏壓的施加，光生載流子快速通過(guò)結(jié)區(qū)電子—空穴復(fù)合機(jī)會(huì)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(wú)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。目前一百四十頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光譜特性與電流靈敏度常溫下硅光電二極管的峰值波長(zhǎng)為0.9μm,帶寬為0.4-1.1μm，在峰值波長(zhǎng)處量子效率大于50%，電流靈敏度大于0.4μA/μW.圖3-25所示。目前一百四十一頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光敏二極管體積小，靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短，光譜響應(yīng)在可見(jiàn)到近紅外區(qū)中，光電檢測(cè)中應(yīng)用多。在較小的負(fù)載電阻下，光電流與入射光功率有較好的線性關(guān)系。光電特性曲線。目前一百四十二頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)頻率響應(yīng)特性硅光電二極管是半導(dǎo)體光電器件中最好的一種，因此，特別適用于快速變化的光信號(hào)探測(cè)。光電二極管的頻率響應(yīng)主要由兩個(gè)因素決定：1.光生載流子在耗盡層內(nèi)的漂移時(shí)間，2.與負(fù)載電阻并聯(lián)的結(jié)電容所決定的電路時(shí)間常數(shù)。等效電路目前一百四十三頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)伏安特性曲線反向偏置可以減小載流子的渡越時(shí)間有利于提高器件的靈敏度和響應(yīng)時(shí)間，但反向偏置電壓不能太高，以免雪崩擊穿。光敏二極管在無(wú)光照時(shí)的暗電流為二極管的反向飽和電流，光照時(shí)的光電流與反向飽和電流同方向。在較低的反向電壓作用下，光電流隨反向偏壓的變化比較明顯，因反向偏壓增加使結(jié)電場(chǎng)增強(qiáng)，提高了結(jié)區(qū)光生載流子的收集效率，當(dāng)反向偏壓進(jìn)一步增加時(shí)，光生載流子的收集接近極限，光電流接近飽和，此時(shí)二極管可視為恒流源，光電流取決于入射光功率。如圖3-24所示。目前一百四十四頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)噪聲特性光電二極管常用于微弱信號(hào)的探測(cè)，其噪聲主要包括散粒噪聲、和電阻的熱噪聲，信號(hào)輸出時(shí)應(yīng)遵循噪聲匹配原則。目前一百四十五頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)

P-i-N硅光敏二極管和雪崩光敏二極管

選擇高電阻率的基體材料(本征層），一定厚度的i層，具有高速響應(yīng)特性。i層所起的作用:(1)反偏電壓主要集中i區(qū)，光生電子-空穴立即被電場(chǎng)分離，快速漂移；（2）實(shí)際上增加了耗盡層厚度使結(jié)電容下降。（3）高電阻率的i層使暗電流明顯減小。目前一百四十六頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)PIN管的最大特點(diǎn)是頻帶寬，可達(dá)10GHz。另一特點(diǎn)是線性輸出范圍寬。缺點(diǎn):

由于I層的存在，管子的輸出電流小，一般多為零點(diǎn)幾微安至數(shù)微安。目前一百四十七頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)雪崩光敏二極管是借助強(qiáng)電場(chǎng)作用產(chǎn)生載流子倍增效應(yīng)的一種高速光電器件，由于存在因碰撞電離引起的內(nèi)增益機(jī)理，雪崩管具有高的增益和極快的時(shí)間響應(yīng)特性。目前一百四十八頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)

當(dāng)光敏二極管的PN結(jié)上加相當(dāng)大的反向偏壓時(shí)(10V，增大到160V)在結(jié)區(qū)產(chǎn)生一個(gè)很高的電場(chǎng)，使進(jìn)入場(chǎng)區(qū)的光生載流子獲得足夠的能量，通過(guò)碰撞使晶格原子電離，而產(chǎn)生新的電子—空穴對(duì)。新的電子—空穴對(duì)在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下分別向相反方向運(yùn)動(dòng)．在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，又有可能與原子碰撞再一次產(chǎn)生電子—空穴對(duì)。只要電場(chǎng)足夠強(qiáng)，此過(guò)程就將繼續(xù)下去，達(dá)到載流子的雪崩倍增。通常，雪崩光敏二極管的反向工作偏壓略低于擊穿電壓。目前一百四十九頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)雪崩光電二極管的

倍增電流、噪聲與偏壓的關(guān)系曲線目前一百五十頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)在偏置電壓較低時(shí)的A點(diǎn)以左，不發(fā)生雪崩過(guò)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(shí)噪聲也顯著增加，如圖中c點(diǎn)以上的區(qū)域。因此，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。擊穿電壓會(huì)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。目前一百五十一頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)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(hào)的探測(cè)方向被廣泛地應(yīng)用。在設(shè)計(jì)雪崩光敏二極管時(shí)，要保證載流子在整個(gè)光敏區(qū)的均勻倍增，這就需要選擇無(wú)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。目前一百五十二頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)雪崩光電二極管與光電倍增管比較體積小結(jié)構(gòu)緊湊工作電壓低使用方便但其暗電流比光電倍增管的暗電流大，相應(yīng)的噪聲也較大故光電倍增管更適宜于弱光探測(cè)目前一百五十三頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)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(lái)同時(shí)探測(cè)被測(cè)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(hào)的器件。目前一百五十四頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)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(gè)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(gè)光電二極管。同光電二極管一樣，光電三極管外殼也有一個(gè)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。目前一百五十五頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)普通三極管的工作原理發(fā)射結(jié)加正向電壓，集電結(jié)加反向電壓。因此，發(fā)射結(jié)勢(shì)壘減小，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子電子在正向電壓作用下，擴(kuò)散到基區(qū)，形成發(fā)射極電流IE，其方向與電子流動(dòng)方向相反。與此同時(shí)，基區(qū)空穴也擴(kuò)散到發(fā)射區(qū)，但由于發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度比基區(qū)高得多，這部分空穴電流可忽略。由發(fā)射區(qū)來(lái)的電子注入基區(qū)后，在基區(qū)靠近發(fā)射結(jié)的邊界積累起來(lái)，在基區(qū)中形成了一定的濃度梯度，靠近發(fā)射結(jié)附近濃度最高，離發(fā)射結(jié)越遠(yuǎn)濃度越小。電子向集電結(jié)方向擴(kuò)散，在擴(kuò)散過(guò)程中又會(huì)與基區(qū)中空穴復(fù)合，同時(shí)接在基區(qū)的電源正端不斷從基區(qū)拉走電子，好像不斷供給基區(qū)空穴。使基區(qū)的空穴濃度基本維持不變，形成基極電流IB.集電結(jié)勢(shì)壘增加，使集電結(jié)的電子和基區(qū)的空穴很難通過(guò)集電結(jié)，對(duì)基區(qū)擴(kuò)散到集電結(jié)邊緣的電子卻有很強(qiáng)的吸引力，形成集電結(jié)電流IC。但基區(qū)中少數(shù)載流子電子和集電區(qū)少數(shù)載流子空穴在結(jié)電場(chǎng)作用下形成反向飽和電流，但很小。目前一百五十六頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)電流分配關(guān)系IE=IB+ICα=IC/IE(0.9-0.99)β=α/(1-α)≈IC/IBIE=IB(1+β)目前一百五十七頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)1.光電三極管工作原理NPN光電三極管（3DU型），基區(qū)和集電區(qū)處于反向偏置，光敏區(qū)是基區(qū)，管子的基極開(kāi)路，光照基區(qū)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，光生電子在內(nèi)電場(chǎng)作用下漂移到集電結(jié)，空穴留在基區(qū)，使基極與發(fā)射結(jié)的電位升高（發(fā)射結(jié)正向偏置），發(fā)射結(jié)便有大量電子經(jīng)基極流向集電結(jié)，光照越強(qiáng)，最后形成光電流越大。光電三極管不受光時(shí)，相當(dāng)于普通三極管基極開(kāi)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。目前一百五十八頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)與普通二極管不同的是，集電極電流是由基極-集電結(jié)上產(chǎn)生的光電流控制。集電結(jié)起雙重作用，把光信號(hào)變成電信號(hào)，起光電二極管作用，使光電流在放大，起一般晶體管作用。光電三極管等效于一個(gè)光電二極管與一般三極管基極-集電極結(jié)的并聯(lián)。一般基極不需外接點(diǎn)，所以通常只有集電極和發(fā)射極兩個(gè)引腳線。目前一百五十九頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)2.光電特性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)的非線性所致一般光敏三極管不能作線性轉(zhuǎn)換元件，但可以作開(kāi)關(guān)元件使用。管不能作線性轉(zhuǎn)換元件，但可以作開(kāi)關(guān)元件使用。光電三極管的光照特性目前一百六十頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)3.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(jí)，硅光電二極管的光電流在微安量級(jí)。在零偏壓時(shí)硅光電三極管沒(méi)有光電流輸出，光電三極管必須在一定的偏置電壓作用下才能工作，當(dāng)偏壓達(dá)到5V時(shí)，集電結(jié)的收集能力達(dá)到極限，為此光電三極管應(yīng)工作在偏置電壓大于5V的線性區(qū)。

工作電壓較低時(shí)輸出電流有非線性，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)）

目前一百六十一頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)硅光電三極管硅光電二極管目前一百六十二頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)4.4光敏三極管的溫度特性溫度特性反映光敏三極管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。溫度變化對(duì)光電流和暗電流都有影響，對(duì)暗電流的影響更大。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目前一百六十三頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)

光敏三極管的（調(diào)制）頻率特性1.集電結(jié)和發(fā)射結(jié)電容的充、放電時(shí)間2.電子渡越基區(qū)所需要的時(shí)間3.電子掃過(guò)結(jié)勢(shì)壘區(qū)的渡越時(shí)間一般來(lái)說(shuō)，光敏三極管的頻率響應(yīng)比光敏二極管差。光敏三極管的頻率特性受負(fù)載電阻的影響，減小負(fù)載電阻可以提高頻率響應(yīng)。對(duì)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。目前一百六十四頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)光敏三極管的應(yīng)用1.晶體管輸出方式2.集成光電器件達(dá)林頓輸出：有光照時(shí)可得到一個(gè)穩(wěn)定高增益的輸出電信號(hào)，利用光電三極管與多個(gè)三極管集成構(gòu)成的集成光電器件。目前一百六十五頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)第四章 發(fā)光、耦合和成像器件

4.1 發(fā)光二極管

4.2 激光器

4.3 光電耦合器件

4.4 CCD目前一百六十六頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)4.1 發(fā)光二極管發(fā)光二極管（LED）的類(lèi)型發(fā)光二極管的原理發(fā)光二極管的特性發(fā)光二極管的應(yīng)用目前一百六十七頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn).發(fā)光二極管（LED）光源的分類(lèi)：根據(jù)光源的光譜寬度，非相干光源與相干光源熱輻射光源:任何物體只要其溫度大于熱力學(xué)溫度會(huì)向外界輻射能量，輻射特性與溫度有關(guān)（白熾燈、鹵鎢燈）。發(fā)光光譜是連續(xù)的，光輻射由通電加熱產(chǎn)生。氣體放電光源：在電場(chǎng)作用下激勵(lì)出電子和離子，電子向陽(yáng)極離子向陰極運(yùn)動(dòng)過(guò)程中獲得能量，再次與氣體分子或原子碰撞激勵(lì)出電子和離子，這一過(guò)程有些電子會(huì)躍遷到高能級(jí)，但不穩(wěn)定，自發(fā)的回到低能級(jí)，當(dāng)回到低能級(jí)時(shí)伴隨光的輻射（汞燈、脈沖氙燈）。汞原子釋放出來(lái)的光子大部分在紫外區(qū)域，這些高能量的光子(紫外線)在和熒光粉的撞擊之間產(chǎn)生了白光。固體發(fā)光光源（發(fā)光二極管LED）。目前一百六十八頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)2.發(fā)光二極管（LED）的工作原理發(fā)光二極管是把電能直接轉(zhuǎn)換為光能的半導(dǎo)體器件，其基本結(jié)構(gòu)是PN結(jié)，在施加正向電壓時(shí)，即管內(nèi)流過(guò)一定的電流后，在外電場(chǎng)作用下，P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子向?qū)Ψ綌U(kuò)散運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成少數(shù)載流子的注入，從而在PN結(jié)附近產(chǎn)生導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴的復(fù)合，在復(fù)合過(guò)程中，釋放與材料有關(guān)的復(fù)合能量光能表現(xiàn)出來(lái)。分類(lèi)：表面發(fā)光SLED,側(cè)面發(fā)光ELED,常用在光通信中，易于做成與光纖耦合。平面LED,圓頂型LED由于功率小，價(jià)格低常用于顯示等方面。超輻射發(fā)光二極管MLD發(fā)光強(qiáng)度高，相干性好，常用于相干光通信中，但穩(wěn)定性差。目前一百六十九頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)3.發(fā)光二極管（LED）的特性光譜特性：發(fā)光二極管的材料不同，其發(fā)光光譜不同，即發(fā)光顏色不同，如圖3-37所示。響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間是指注入電流后發(fā)光二極管啟亮或熄滅時(shí)間，是表示反應(yīng)速度的一個(gè)重要參數(shù)，處決于材料的結(jié)構(gòu)。同時(shí)發(fā)光二極管有一定的開(kāi)啟電壓。4.發(fā)光二極管（LED）的應(yīng)用指示、照明、顯示光源光電耦合器目前一百七十頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)4.2 激光器激光器的結(jié)構(gòu)與原理激光器的種類(lèi)激光器的特性參數(shù)激光器在光電檢測(cè)方面的應(yīng)用目前一百七十一頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)目前一百七十二頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)（P1、P2是兩個(gè)反射鏡的反射率，G是激活介質(zhì)的增益系數(shù)，A是介質(zhì)的損耗系數(shù)，），才能輸出穩(wěn)定的激光.另一方面，激光在諧振腔內(nèi)來(lái)回反射，只有這些光束兩兩之間在輸出端的相位差Δф=2qπq=1、2、3、4時(shí)，才能在輸出端產(chǎn)生加強(qiáng)干涉，輸出穩(wěn)定激光。設(shè)諧振腔的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，激活介質(zhì)的折射率為N，則

Δф=（2π/λ）2NL=4πN(Lf/c)=2qπ，

上式可化為f=qc/2NL該式稱為諧振條件，它表明諧振腔長(zhǎng)度L和折射率N確定以后，只有某些特定頻率的光才能形成光振蕩，輸出穩(wěn)定的激光。這說(shuō)明諧振腔對(duì)輸出的激光有一定的選頻作用。

激發(fā)源激活介質(zhì)目前一百七十三頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)激光器的類(lèi)型工作物質(zhì)：氣體、固體、半導(dǎo)體激光器抽運(yùn)方式：氣體激光器：碰撞激發(fā)固體激光器：光學(xué)激發(fā)半導(dǎo)體激光器：通電激發(fā)目前一百七十四頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)He-Ne激光器的基本結(jié)構(gòu)形式氣體激光器光束質(zhì)量好，線寬窄，相干性好，譜線豐富。效率低，能耗高，壽命較短，體積大原子（氦－氖）激光器，離子（氬，氪，金屬蒸汽）激光器，分子（CO2,CO,準(zhǔn)分子)激光器。目前一百七十五頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)固體激光器主要在紅外波段工作，采用光學(xué)泵浦方式；結(jié)構(gòu)緊湊，壽命較長(zhǎng)，穩(wěn)定可靠；ＮＤ：ＹＡＧ，紅寶石，釹玻璃激光器。目前一百七十六頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)固體激光晶體棒目前一百七十七頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)固體激光實(shí)驗(yàn)裝置目前一百七十八頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)微型固體激光器（學(xué)生研發(fā)）目前一百七十九頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)深大學(xué)生研究固體激光器目前一百八十頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)深大“挑戰(zhàn)杯”小組（省二等獎(jiǎng)）目前一百八十一頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器與半導(dǎo)體發(fā)光二極管最大的不同是一個(gè)是受激發(fā)射光，一個(gè)是自發(fā)發(fā)射光（復(fù)合發(fā)射光）。為了獲得離子數(shù)反轉(zhuǎn)，通常采用重?fù)诫s的P型和N型材料構(gòu)成PN結(jié)，半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光所需的最小電流稱為閾值電流，在這種注入電流的作用下，在腔內(nèi)，受激輻射超過(guò)受激吸收，當(dāng)增益大于損耗就可以形成激光。體積小，效率高，能耗低，壽命長(zhǎng)，穩(wěn)定可靠；發(fā)散角大，溫度特性差，容易產(chǎn)生噪聲。目前一百八十二頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)半導(dǎo)體激光器（自制）目前一百八十三頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)半導(dǎo)體激光器電源目前一百八十四頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)白光激光器目前一百八十五頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三點(diǎn)激光器在光電檢測(cè)中的應(yīng)用激光特點(diǎn)：相干性、方向性和高亮度。激光測(cè)距，測(cè)長(zhǎng)，測(cè)平面度等激光大氣污染檢測(cè)激光海洋探測(cè)激光制導(dǎo)激光雷達(dá)激光干涉測(cè)量（探傷）激光全息測(cè)量目前一百八十六頁(yè)\總數(shù)二百八十頁(yè)\編于二十三