《光电检测技术》投影片3分析

SR
Rd R亮 Rd
光电特性：光敏电阻的光电流I与输入辐射通量φ 有下列关系式：I=AUφr，其中A为光敏材料决定的常 数；U为电源电压；r为0.5-1之间的系数。弱光照时， r=1，I与φ有良好的线性关系。即线性光电导；强光 照时。r=0.5，即抛物线性光电导。以CdS光敏电阻为 例的光电特性曲线如下图所示。
4 光敏电阻的应用
光敏电阻有灵敏度高、工作电流大（达数 毫安）、光谱响应范围与所测光强范围宽、无 极性使用方便的优点。 但有响应时间长、频率特性差、强光性差 与受温度影响的缺点。主要用在红外的弱光探 测与开关控制。
3.4 光伏效应器件
3.4.1 概述
1、什么是光伏效应： 如果固体内部存在一个内建电场，而且条件相当， 则本征光吸收能产生的电子――空穴对将会被电场分 离，电子越向固体的一部分，空穴越向另一部分，两 部分之间产生电势差，这就是光伏特效应，接上外电 路可以输出电流。P－N结具有光生伏特效应。 2、光伏效应与光电导效应： 后者表示材料受光辐射后，材料的电导率发生变 化。二者相同点：都存在内光电效应。
光生载流子过程：
因此，光敏电阻的长波限为， hc 1240 本征半导体： nm 0 掺杂半导体：
q Eg Eg hc 1240 nm 0 q E E
由于ΔE<<Eg，掺杂型可应用与红外波段。
2 光敏电阻的特点： 优点： a.光谱的范围相当宽（紫外，可见，近红外， 远红外），对红外有较高的响应度。 b.工作电流大，可达数mA。（可驱动继电器 吸合） c.可测强光，也可测弱光。
光电探测器噪声的功率谱分布示意图
3.2 探测器的主要特性参数
1 响应率与光谱响应率：
S
V
(单位：V/W)
e
若知 e （光通量，单位为： V/1m或A/1m） 则有 I V ( ) 或 SV S I e ( )
e
2 等效噪声功率NEP和探测率： 探测率为探测器测量最小光信号能力的指标。
3 响应时间 （阶跃光输入时）
上升时间
上 一般等于下降时间 下
1 2
探测器的上限频率 f 0
探测器的 S
f 为： S f =
S f 0 1 2f
2
4 线性
3.3 光敏电阻
1 工作原理 光敏电阻是利用半导体材料的光电导效应制成的 半导体光电导器件。在均质的光电导体两端加上电极 后构成光敏电阻。光敏电阻两端电极加上一定电压后， 当光照射到光电导体上，光照将产生光生载流子，在 外电场作用下，定向运动，形成电流。其原理图及电 路符号为：
2、光电池的特性参数 输出特性：PN结光电池伏安特性曲线在无光照时 与普通半导体二极管相同，有光照时沿电流轴方向平 移。平移幅度与光照度成正比，如图2-20所示。曲线 与电压轴的交点称为开路电压，与电流轴的交点称为 短路电流。图2-21是光电池的等效电路。
光谱特性：图2-27为光电池的光谱响应曲线，它 表明了用单位辐射通量的不同波长的光分别照射时， 光电池短路电流大小的相对比较。硅光电池的光谱响 应范围为0.4～1.1m，峰值波长为0.8～0.9m。硒光电 池的光谱响应范围为0.34～0.75m，峰值波长为0.54m 左右。光电池不仅和材料有关，而且随制造工艺及使 用环境温度不同而有所移动。
3、P－N结型光电器件与光敏电阻的区别： A、产生部位不同； B、光敏电阻没有极性，工作时必须外加电源，要让 光生载流子在扩散中被复合掉，结型光电器件没有外 加电路也可把光信号转换成电信号； C、前者响应速度较快，后者时间常数较大； D、有些结型光电器件内增益较大，灵敏度较高。
4、结型光电器件的应用领域：广泛用于光度色度测量， 光电自动控制，光电开关，光继电器，报警系统，电 视传真，图像识别等系统等方面。 5、结型光电器件的工作模式：结型光电器件在有光照条 件下，只有在反偏置或零偏置时，才产生明显的光伏 效应。前者称（反偏置的）光电导工作模式，后者称 （零偏置的）光伏工作模式。
NEP
e
I
in
2
in SI
2
(W)
1 D S I w1 2 NEP in
*

1 2
归一化探测率为: D D Ad f (单位: cm H t W 1 ) Ad为探测器面积 D* 500 K ,900,1 表示用温度500K的黑体做光源，调制频 率为900Hz，测量带宽为1Hz等测量条件。
温度特性：光敏电阻的特性曲线很复杂。图2-14 为CdS和Cd光敏电阻的温度特性。光敏特性受温度影响 较大，为了提高性能的稳定性、降低噪声、提高探测 率，采用专门的冷却装置冷却灵敏面的办法是十分必 要的。
伏安特性（输出特性）：在一定光照下，光敏电 阻的电流与所加的光电压关系即为伏安特性。如图213所示，光敏电阻是一个纯电阻，因此符合欧姆定律， 故曲线为直线，图中虚线为额定功耗线。使用时，应 不使电阻的实际功耗超过额定值。在设计负载电阻时， 应不使负载线与额定功耗线相交。
3.4.3 光敏二极管
1、结构
半导体光敏二极管与普通二极管类似，都有一个 PN结，均属单向导电的非线性元件。 为了获得尽可能大的光生电流，光敏二极管PN结 面积比普通二极管大得多，且通常都以扩散层作为它 的受光面，受光面上的电极做得很小。 为了提高光电转换能力，PN结的深度较普通二极 管浅。 为了保证管子的稳定性、减小暗电流和防止光线 的反射，在表面上还必须用二氧化硅作保护。
4kT f 热噪声均方电流： in R
2
(当f<1012Hz时)
v n 4kT f R 热噪声均方电压： （当f<1012Hz时）
2
例：室温下，1Ω电阻在单位Hz带宽内产生的热噪声 功率为1.62×10-20W。
B．散粒噪声。是白噪声。光电管中光电子逸出阴 极表面的随机性，P-N结中载流子通过结区的随机性， 入射到探测器表面光子的随机性均表现为散粒噪声。
第三章 光电检测器件
3.1 光电探测器中的噪声
1 光电测量系统的噪声情况
A．光子噪声（信号辐射、背景辐射噪声） B．探测器噪声（如以下所述五种噪声） C．信号放大与处理电路噪声
2
光电探测器中的噪声 A．热噪声。是白噪声，存在于任何导体和半导体中。 载流子热运动引起的电流起伏或电压起伏称热噪声，又称 电阻噪声。
不足之处： a. 强光照射下光电转换线性较差。 b. 光电驰豫过程较长，频率响应很低。
3 光敏电阻的特性参数 光电导灵敏度Sg：光敏电阻的光电导g与输入光照 度E之比即为光电导灵敏度。即 g gA Sg E Ф 式中，A为光敏面积；Ф为入射的通量。由欧姆定 律，电流I与电压U的关系为I=gU，将式中g=SgE代入得 I=SgEU，此即弱光照时的线性关系。 电阻灵敏度SR： 暗电阻与亮电阻。
3、光敏二极管的特性参数 光谱响应：光谱响应主要决定于， A 、表面层（半导体薄层与金属薄层）中的反射与吸 收； B、材料的禁带宽度Eg； C、表面抗反射涂层的性质与厚度； D、器件的结构。 图2-34是三种典型的光敏二极管的 相对光谱响应曲线。
光敏二极管的光照特性：光敏二极管在反向偏压 的光生电流，电压特性如图2-35所示。曲线与坐标的 交点即为零偏压时的光生电流。在较小的负载电阻下， 表现出较好的线性。
3.4.2 光电池
光电池是根据光生伏特效应制成的将光能转变成电能 的一种器件。目前应用较多的是硒光电池和硅光电池。 硒光电池因光谱特性与人眼视觉很接近，频谱较宽，故 多用于曝光表和照度计。硅光电池是目前转换效率最高 （达到17%），几乎接近理论极限的一种光电池。 1、光电池的结构 光电池核心部分是一个PN结，一般做成面积较大的薄 片状，来接受更多的入射光。 作为光电探测器使用的可按不同测量要求特制。如 光栅测量中使用的四等分硅光电池之类的多极电池组， 电极数目有3、4、5个等多种。还有把光电池制成两个对 称半圆式，四象限式，适合差分放大电路。
6、光照下结型光电器件P－N结的电流方程：
IP：光激发电子－空穴对在内建电场作用下光生电流。 I0：P－N结反向饱和电流。 IL：光伏电压产生电流，总电流是二者之差。
qv I exp 1 IP IL ID IP 0 kT
其中IP =SE· E （SE称光照灵敏度）
2、原理 无光照时，只有热效应引起的微小暗电流经 过PN结。光照时，不同波长的光在光敏二极管的 不同区域被吸收，在那里激发出电子-空穴对，在 空间电荷区电场的作用下，它们分别达N区和P区。 产生的光生电流随入射光强度的变化而相应变化， 这样，在负载电阻上就可得到一个随入射光变化 的电压信号。 光敏二极管一般在负偏压情况下使用。光敏 二极管可以按光伏型工作（即无外加偏压），也 可以按光电导型工作。加大反偏压可提高光敏二 极管的灵敏度，但是，不能无限地加大反向偏压， 因为它还受到PN结表面漏电及反向击穿电压等因 素的限制。
均方电流：
2 in 2qTf
C．产生－复合噪声。载流子的产生数与复合数在 某瞬间表现出起伏性。 2 4 I f 2 均方电流： in 2 N o 1 2f


D ． 1/f 噪声。在半导体器件中都存在，其机理尚 无准确解释。在 f>200Hz 时，器件的 1/f 噪声已很小， 可忽略。 cI 2 f 均方电流： in f
E．温度噪声。由于器件本身温度起伏产生。 温度起伏均方值：
2 tn

Gt 1 2f t

4kT 2 f
2

注： 噪声等效带宽Δf的求法： （即噪声带宽Δf求法）
1 f A f df 0 Am
其中A(f)为光电系统中放大器的功率增益。
3 上述各种噪声的功率谱分布图 噪声的功率谱 S （ f ）：指噪声功率随频率变化关 系。S(f)数值为频率f的噪声在 1Ω电阻上能产生的功 率。 对两种典型情况： A、白噪声：S(f)≡常数； B、1/f噪声：S(f)∝1/f。