第3章-§3.1-光电信息转换器件

四种光电效应：1．外光电效应。在入射光能量作用下，某些物体内的电子逸出物体表面，向外发射电子。相应器件：光电倍增管等。第三章光电信息转换器件2．光电导效应。光作用下，半导体材料中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子的激发，将由价带越过禁带跃迁到导带，从而使导带中电子浓度加大，材料的电阻率减小。相应器件：光敏电阻等。3．光伏效应。在入射光能量作用下能使物体产生一定方向的电动势。以PN结为例，由于光线照射PN结而产生的电子和空穴，在内电场作用下分别移向N和P区，从而对外形成光生电动势。相应器件：光电池、光敏二极管、光敏三极管等。4．光电热效应。光照引起材料温度发生变化而产生电流的现象。相应器件：热电探测器。光电信息转换器件的主要特性和参数如下：1．光电特性——IФ[光电流]＝F（Ф）[光通量]2．光谱特性——IФ[光电流]＝F（λ）[入射光波长]3．伏安特性——IФ[光电流]＝F（Ｕ）[电压]4．频率特性——IФ[光电流]＝F（f）[入射光调制频率]——导致电子瓶颈的主要原因5．暗电流——Ф＝0时光电信息转换器件输出的电流，有时称为IФ=06．灵敏度——对于复色光:S(积分灵敏度)=ΔI/ΔФ对于单色光:S（λ）(光谱灵敏度)＝ΔI（λ）/ΔФ（λ）§3.1光电信息转换器件光电倍增管由光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极等五个主要部分组成，其外形如图3.1.1-1所示。侧窗式端窗式一、结构与原理§3.1.1光电倍增管1D2D3D4DAK倍增极阳极原理图图3.1.1-2多级倍增管的工作原理1．光窗光窗是入射光的通道，是对光吸收较多的部分。常用的光窗材料有钠钙玻璃和熔凝石英等。2．光电阴极它的作用是接收入射光，向外发射光电子。制作光电阴极的材料多是化合物半导体。3．电子光学系统任务：（1）使前一级发射出来的电子尽可能没有散失地落到下一个倍增极上，使下一级的收集率接近于1；（2）使前一级各部分发射出来的电子，落到后一级上时所经历的时间尽可能相同。4．倍增系统0nIi每个倍增极由二次电子倍增材料构成。光电倍增管是利用二次电子发射（高速电子打到金属表面，由于电子的动能被金属吸收，改变了金属原子内电子能量的状态，使有些电子从金属表面逸出）现象制成的。如果每个电子落到某一倍增极上从该倍增极打出σ个二次电子，那么很明显地：式中，I——阳极电流；i0——光阴极发出的光电流；n———光电倍增极的级数。光电倍增管的电流放大系数β可用下式表示：0nIi5.阳极用来收集末级倍增极发射出来的电子。现在普遍采用金属网来作阳极，靠近末级倍增极附近。倍增系统有聚焦型和非聚焦型两类（根据两极间的电子运动轨迹是否平行分类）。二、光电倍增管的特性1．光电特性2．光谱特性3．伏安特性4．放大特性5．频率特性（可达1MHZ以上）6．疲乏特性7．暗电流Iφ=01．光电特性RLAD4D3D2D1KR5R4R3R2R1+-特点：线性增加，然后偏离直线。2．光谱特性(图所示的光电阴极：锑钾铯Sb-K-Cs）。RLAD4D3D2D1KR5R4R3R2R1+-表示阳极电流Ia对于最后一级倍增极和阳极间的电压U的关系。作此曲线时，其余各电极的电压保持恒定。特点：（1）光通量不变，曲线由上升至饱和。（2）电压不变，阳极电流随光通量增加3．伏安特性放大特性是指电流放大系数β或灵敏度随电源电压U增大的关系。4．放大特性5.频率特性（可达1MHZ以上）特点：随着电源电压升高，放大系数或灵敏度增大。疲劳指在工作过程中灵敏度降低。6．疲劳特性特点：•随阳极电流的增大，灵敏度下降•随使用时间的增长，灵敏度下降RLAD4D3D2D1KR5R4R3R2R1+-1-20分钟；2-40分钟阳极电流对灵敏度的影响示意图暗电流Iφ=0的来源：光电阴极和光电倍增极的热电子发射。温度T越高，热电子发射越多，则暗电流越大。如果需要较小的暗电流，可通过冷却光电倍增管来减小暗电流。暗电流的另一组成部分是光电倍增管的漏电流。7．暗电流三、光电倍增管的供电电路1．电阻链分压型供电电路光电倍增管具有极高的灵敏度和快速响应等特点，使它在光谱探测和极微弱快速光信息的探测等方面成为首选的光电探测器。图3.1.1-6所示为典型光电倍增管的电阻分压式供电电路。电路由11个电阻构成电阻链分压器，分别向10级倍增极提供电压UDD。当入射辐射信号为高速的迅变信号或脉冲时，末3级倍增极电流变化会引起较大UDD的变化，引起光电倍增管增益的起伏，将破坏信息的变换。在末3极并联3个电容C1、C2与C3，通过电容的充放电过程使末3级电压稳定。2．末极的并联电容五、分析与计算1.分压电阻的确定总电压UAK在1000～1300伏之间，倍增极间电压在80～100伏之间。max)20~10(ARIIAKAKRURIR1与末几极R应取较大数值，中间电阻可均匀分配。2.并联电容的确定光电倍增管用于探测高速的迅变信号或脉冲时，常在最后几级并联旁路电容C1、C2、C3（使末3级电压稳定,要求极间电压变化小于1％）。UtICA1001C2、C3的电容值，大概为C1的1/δ、1/δ2，约为0.002～0.005μF。3.高压电源一般配有专用高压直流电源，电源模块内部有保护电路。4.接地方式•阴极接地（正高压接法）：输入光脉冲时用;•阳极接地（负高压接法）：一般采用此方式,便于与后面的放大器相连,操作安全。一、结构与原理§3.1.2光敏电阻利用光电导效应制成。当入射光子使电子由价带跃升到导带时，导带中的电阻和价带中的空穴二者均参与导电，因此电阻显著减小，称为光敏电阻。光敏电阻结构：在一块匀质的光电导体两端加上电极。光敏电阻有以下优点：1．光谱响应相当宽。2．所测的光强范围宽，既可对强光响应，也可对弱光响应。3．无极性之分，使用方便，成本低，寿命长。4．灵敏度高，工作电流大，可达数毫安。光敏电阻的不足：强光照射下线性较差，频率特性也较差。光电导体光照电极二、特性2．光谱特性1．光照特性有以下关系式：式中：I——通过光敏电阻的电流；U——加于光敏电阻的电压；L——光敏电阻上的照度；K——比例系数；a——电压指数，一般近于1；b——照度指数。baLKUI光谱特性与所用的材料和工艺（随薄层的减薄光谱峰值移向短波方向）过程有关。光谱特性1－硫化镉单晶2－硫化镉多晶3－硒化镉单晶4－硫化镉与硒化镉混合多晶对红外光灵敏的光敏电阻对可见光灵敏的光敏电阻3．伏安特性因伏安特性成线性，光敏电阻除用积分灵敏度外，用比灵敏度也很方便。Sb（比灵敏度）＝ΔI/（UΦ）（比灵敏度乘以电压为积分灵敏度）式中△I——光敏电阻被照射时和黑暗时的电流差；U——光敏电阻上所加的电压；Φ——照射于光敏电阻上的光通量。在一定光照下，光电流与所加电压的关系为伏安特性。图为照度为0和某值时的伏安特性。4．频率特性——导致电子瓶颈的主要原因光敏电阻的频率特性较差，这是因为光敏电阻的导电性与被俘获的载流子有关，由于光强的变化，俘获和释放载流子都需要时间。5．疲乏特性初制时不稳定，经人为光照老化后，性能可达到稳定。光敏电阻的使用寿命，在密封良好，使用合理的情况下，几乎是无限长的。6．温度特性光敏电阻与其它半导体器件一样，性质受温度的影响较大。随着温度的升高灵敏度要下降。7．暗电阻和暗电流暗阻与亮阻相差越大，灵敏度越高，随着温度的升高，暗电阻下降。三、电路在入射光通量变化范围一定的情况下，为了使输出电压Vo变化范围最大，一般取RL=RG当入射光通量Φ连续变化时，RG为光敏电阻变化的中间值，即2minmaxGGGRRR当入射光通量Φ跳跃变化时，minmaxGGGRRR补充：证明：当入射光通量跳跃变化时，RG＝(RGmax×RGmin)1/2证明：设两个光强时的光敏电阻值分别为RGmax和RGmin则两个状态下的电流差为：))((maxminminmaxmaxmin21GLGLGGGLGLRRRRRRERRERREII则两种状态下光敏电阻的输出电压之差为：要求两个工作状态的电压差最大，则要求：))(()()(VVmaxminmaxmin212o1oGLGLGGLLLRRRRRRERRIERIE21minmax21)(0GGGLLooRRRRdR)Vd(V补充：证明：E≤（4PmaxRL）1/2证明：光敏电阻上的电压为U＝E－IRLEQQ1Q2Q3UIIL2L1Pmax图中画出了Pmax曲线、以及分别对应于不同负载电阻的三条负载线EQ1、EQ2、EQ3对于工作点Q来说，其电流与电压的关系为：LRUEI/)(而Q又在Pmax曲线上，即U=Pmax/I有：0max2LLRPIREI当时，即方程只有一个解或没有解04max22LLRPRE即负载线和Pmax曲线只有一个或没有交点，光敏电阻的功率不会超过Pmax即要求：E≤（4PmaxRL）1/2当入射光通量变化时，会引起I和U的同时变化，使系统线性变坏，噪声增加。为了降低噪声，提高信息转换精度，可采取以下办法：1．采用光调制技术，一般调制频率为800～1000Hz。2．制冷或恒温，使热噪声减少。3．采用合理的偏置，选择最佳的偏置电流，使信噪比达到最高。典型偏置电路四．应用举例图为路灯自动电熄装置，分两部分组成，电阻R、电容C和二极管D组成半波整流滤波电路；CdS光敏电阻和继电器组成光控继电器。路灯接在继电器常闭触点上，由光控继电器来控制路灯的点燃和熄灭。J§3.1.3光电池一、原理与结构由光照产生的电子和空穴在内电场的作用下才形成光生电动势和光电流。光电池的光电效率非常低，最高也只能是百分之十几。利用光生伏特效应扩散光照np二氧化硅电极光电池的输出受外接负载电阻:当RL＝0时，U＝0，则I＝Iφ＝Sφ即输出电流与入射光通量φ成线性关系。当RL≠0时，当U继续增大到PN结的导通电压时（RL非常大时），U就不会再增大，此时，PN结的rD变得很小，光照所产生的光电流Iφ几乎全部流向二极管，即：Iφ≈ID这时，在负载RL上除有少量的电流维持PN结的导通电压U外，光照产生的光电流几乎都消耗在光电池内部。二、特性1．光照特性指光生电动势和光电流与照度的关系。光电池的电动势与照度成非线性关系，而短路电流与照度成线性关系。所以，当用光电池作为测量元件时，应以电流源的形式来使用。而且，为保证测量有线性关系，所用负载电阻应较小。2．光谱特性光电池的光谱特性决定于所采用的材料。3．伏安特性光电池的负载线由U=RLI决定。负载短接或很小时，负载线与伏安特性的交点为等距离，电流正比于照度，数值也大。负载电阻较大时，负载线与伏安特性的交点相互间距不等，即电流不与照度成正比，光照特性不是直线，电流也减小。4．频率特性光电池的PN结或阻挡层的面积大，极间电容大，因此频率特性较差。负载电阻越大，电路的旁路作用越显著，频率特性高频部分下降越厉害。如欲改善频率特性，需减小负载电阻或减小光电池面积，使它的结电容减小。5．温度特性硅光电池的开路电压随温度的升高而降低。三、电路光电池用作太阳能电池时的电路如图所示。在黑夜或光线微弱时，为防止蓄电池经过光电池放电而设置二极管D。1．光电池用作太阳能电池光电池用作检测元件使用时的电路如图所示，此电路可实现光电池的线性输出。对光电池而言，RL近似等于0。图中，2．光电池用作检测元件SRIRVff220一、结构和工作原理§3.1.4光敏二极管是一种用PN结单向导电性的结型光电信息转换器件。其PN结装在管子的顶部，以便接收光照。其上面有一个透镜制成的窗口，使光线集中在敏感面。光敏二极管工作时一般加反向偏压，无光照时，处于反偏的光敏二极管工作在截止状态，这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层，形成微小的反向电流，即暗电流。受光照时，PN结及其附近受光子轰击吸收其能量而产生电子空穴对，在外加电场和内电场的共同作用下，使通过PN结的反向电流大大增加，形成了光电流。光电二极管（PD，photodiode）把光信号转换为电信号的功能，是由半导体PN结的光