第3章 光电检测器件
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弱光照射时，线性度好； 强光照时，电流出现饱和，负载电阻RL大时， 容易出现饱和，负载电阻RL小时，能在较宽范 围内保持线性关系。结论：如果获得比较大的 光电线性范围，负载电阻不能取得过大。
VD IL
RL
E/lx
硅光电池的特性参数
光电池光照特性特征：
1、Voc与光照E成对数关系；硅光电池典型值在0.45-0.6V。 作电源时，转化效率10%左右，最大15.5-20%。 2、Isc与E成线性关系，常用于光电池检测，硅光电池 Isc典 型值35-45mA/cm2。 3、RL越小，线性度越好，线性范围越宽。 4、光照增强到一定程度，光电流开始饱和，与负载电阻有 关。负载电阻越大越容易饱和。
5、频率响应
光电探测器的响应随入射辐射的调制频率 而变化的特性。其关系如下： So S f （） 4 1 2 2 1 2f
1 0.707
S f So
上限截 止频率
1 1 f上 2 2RC
频率响应曲线 f上 f
3.2 光电器件的基本特性参数
三、有关噪声方面的参数
1uF
光敏电阻的应用电路
3、照明灯的光电控制电路
基本功能：根据自然光 的情况决定是否开灯。 基本结构：整流滤波电 路；光敏电阻及继电器 控制；触电开关执行电 路 基本原理：光暗时，光 敏电阻阻值很高，继电 器关，灯亮；光亮时， 光敏电阻阻值降低，继 电器工作，灯关。
测光与控制
VD
R
CdS ~220V C K
2、光谱响应度
光电探测器的输出信号与入射到探测器上的单色 辐通量（光通量）之比。数值越大则意味着探测 器越灵敏。
S
Vo
, S
Vo
(2)
3、积分响应度
探测器对连续辐射通量的反应程度。它是光电探 测器的输出信号与入射到探测器上的总光通量之 比。
光敏电阻在恒压偏置电路的情况下输出的电流IP与处于 放大状态的三极管发射极电流Ie近似相等。因此，恒压 偏置电路的输出电压为
光敏电阻的应用电路
2、照相机电子快门
Ubb Rp2
10kΩ
R1
5.1kΩ
R2
300Ω
VD
M
驱动 单元
R CdS K C1
Uth UR
+ A _ V
Rp1
10kΩ
快门 按钮
量子效率
I s S e d q q
Is q N S hc q
•
2、线性度： 描述探测器的光电特性或光照特性曲线输 出信号与输入信号保持线性关系的程度。 通常指器件中的实际响应曲线接近拟和直 线的程度。一般用非线性误差来度量。
max
光敏电阻的应用电路
1、火焰检测报警器
高输入 阻抗放 大电路
恒压 偏置 电路
2kΩ
200kΩ
R2
R1
68nF
C1
3.9MΩ
R4
3.9kΩ
R6
V3 V1
68uF
Vo
中心站 放大器
4.7nF
C2
V2 R5 R7
150kΩ
R9
C4
VDW
6V
820kΩ PbS
R3
1kΩ
32kΩ
R8
+ C3
100uF
PbS光敏电阻：Rd=1MΩ, Rl=0.2MΩ，峰值波长2.2um。
光电检测技术
第三章
第三章 光电检测器件
主要教学内容：
3.1 光电器件的类型与特点 3.2 光电器件的基本特性参数
3.3 半导体光电器件
3.4 热电检测器件
3.1 光电器件的类型与特点
光电效应：光照射到物体表面上使物体的电学特 性发生变化。 光电子发射：物体受光照后向外发射电子—多发 生于金属和金属氧化物。 光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载 流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减少。 光生伏特效应：光照在半导体PN结或金属—半导 体接触上时，会在PN结或金属—半导体接触的两 侧产生光生电动势。
3.1 光电器件的类型与特点
光电器件特点：
光子器件 热电器件
响应波长无选择性，对可见光到 响应波长有选择性，一般有截止 远红外的各种波长的辐射同样敏 波长，超 过该波长，器件无响应。 感 响应快，吸收辐射产生信号需要 的时间短， 一般为纳秒到几百微 秒 响应慢，一般为几毫秒
第三章 光电检测器件
入射光
g=gL-gd I光=IL-Id
光敏电阻的特性参数
1、光电特性 I 光＝S g E U 式中，S g 为光电导灵敏度（西门子 / 勒克斯：s / lx），是 光电导g与输入光照度E之比；E为照度，为光照指数， 它与材料的入射光强弱有关，一般 0.5 ~ 1 U为光敏 ； 电阻两端电压。
电极
目前一般采用禁带宽度较大的 材料，使得在室温下能获得较 大的暗电阻（无光照时的电 阻）。
光敏电阻的蛇形结构
•光敏电阻 (LDR) 和它的符号： 符号
光敏电阻
光敏电阻演示
暗电流（越小越好）
工作原理 当入射光子使半导体物
质中的电子由价带跃升到导 带时，导带中的电子和价带 中的空穴均参与导电，因此 电阻显著减小，电导增加， 或连接电源和负载电阻，可 输出电信号，此时可得出光 电导g与光电流I光的表达式 为：
3.1 光电器件的类型与特点
光电器件类型：
光电检测器件（按工作机理分类） 光子器件 热电器件
真空器件 光电管 光电倍增管 真空摄像管
固体或半导体器件 光导型：光敏电阻 光伏型：光电池 光伏型：光电二极管
热电偶/热电堆
热辐射计/热敏电阻 热释电探测器
光伏型：光电三极管
光纤传感器 电荷耦合器件CCD
I 2 I1
•
3、工作温度： 光电探测器最佳工作时的温度。
第三章 光电检测器件
主要教学内容： 3.1 光电器件的类型与特点 3.2 光电器件的基本特性参数 3.3 半导体光电器件 3.4 热电检测器件
3.3 半导体光电检测器件
一、光敏电阻
在绝缘材料上装梳状光电导体封 闭在金属或塑料外壳内，再在两 端连上欧姆接触的电极而成。
灯
常闭
半波整流
执行控制
3.3 半导体光电检测器件
二、光电池
分类
按用途 太阳能光电池：用作电源（效率高，成本低） 测量用光电池：探测器件（线性、灵敏度高等） 按材料 硅光电池：光谱响应宽，频率特性好，转换效率高（17%） 硒光电池：波谱峰值位于人眼视觉内，多用于曝光表、照度计 薄膜光电池：CdS增强抗辐射能力 紫光电池：PN结非常薄：0.2-0.3 µm,短波峰值600nm
1、光照特性
伏安特性
IL VD RL Ip Is VD Rs IL RL
由光电池的电流方程：
q V I L Rs I L I p I s e kT 1
Rs很小，可忽略，上式变为：
qV qV Ip=S· E I L S g E I s e kT 1 I L I p I s e kT 1
光 电 流 100lx
10lx
额定功耗线 E=0 电压
设计时不应使电阻的实际功耗超过额定值
3、温度特性
相 对 光 电 导
光源色温2856K
1000lx 10lx 100lx T
T升高，相对电导率下降，因此温度变化 大时，应采取制冷措施，提高光敏电阻工 作稳定性。
4、时间和频率响应
相 对 输 出 硫化铅 硫化镉 硒 硫化铊 频率
特点：时间常数大（为什么？），上限频率低 光敏电阻为多数载流子运动
光敏电阻的优缺点
1、优点：灵敏度高，工作电流大，光谱响应范 围与所测光强范围宽、无极性使用方便；
2、缺点：响应时间长、频率特性差、强光线性 差、受温度影响大等。
3、应用：主要应用在红外的弱光探测与开关控 制。（照相机的电子快门等）
（一）光电检测器件的噪声 1、热噪声（约翰逊噪声） 载流子无规则的热运动造成的噪声。主要用 热噪声电压或电流表示。
白噪声
2、散粒噪声（散弹噪声） 穿越势垒的载流子的随机涨落所造成的噪声。
3.2 光电器件的基本特性参数
（二）衡量噪声的参数
信噪比（S/N）
在负载电阻RL上产生的信号功率与噪声功 率之比，即
wk.baidu.com 光电池的基本结构和工作原理
光电池是一种利用光生伏特效应制成的不需加偏压 就能将光能转化成电能的光电器件。 基本结构：
1、金属-半导体接触型（硒光电池）
2、PN结型 几个特征：
•
入射光线
电极()
1、栅(梳)状电极
N P
电极()
• 2、受光表面的保护膜 • 3、上、下电极的区分
符号
硅光电池的特性参数
RL=∞ RL5 E RL4 RL4 RL1 RL2 RL3
kT I p 一般Ip>>Is, Voc ln q Is
当RL=0时，Isc=Ip=S· E
RL=0
硅光电池的特性参数
1)、Voc，Isc与E的关系：
当IL=0，RL=∞时
kT I p Voc ln + 1 q Is
硅光电池的特性参数 1、光照特性
qV kT I L S g E I s e 1 qV 当E=0时 I L I s e kT 1
负载电流IL
Voc1 Voc5
Is
Isc1 Isc2 Isc3 Isc4
当IL=0时
kT I p Voc ln + 1 q Is
400
Isc/mA
VL
S
100
80
200
PL
0
40
ILS
硅光电池的特性参数
2、输出特性
•VLS随RL的加大而升高，当RL为无穷大时Voc/V ，VLS等于开路电压Voc 。 •RL趋近于0时，ILS趋近于短路电流Isc。 •在RL=RM时，PL为最大输出功率PM，RM称 为最佳负载。光电池作为换能器件时要 考虑最大输出问题，跟入射光照度也有 关。 •作为测量使用，光电池以电流使用。短 路电流Isc与光照度成线性关系，RL的存 在使IL随光照度非线性的增加。RL增大， 线性范围越来越小。
对CdS光电导体，弱光照射下 γ=1，强光下γ=0.5；为什么 ？ 光照增强的同时，载流子浓 度不断的增加，同时光敏电阻 的温度也在升高，从而导致载 流子运动加剧，因此复合几率 也增大，光电流呈饱和趋势。 （冷却可以改善）
I光
1
弱光照，线性光电
0.5
强光照，抛物线光
E
2、伏安特性（光敏电阻的光电流与所加电压关系）
主要教学内容： 3.1 光电器件的类型与特点 3.2 光电器件的基本特性参数 3.3 半导体光电器件 3.4 热电检测器件
3.2 光电器件的基本特性参数
一、光电检测器件的概念
利用物质的光电效应把光信号转换成电信 号的器件。 二、有关响应方面的特性参数 1、响应度（灵敏度）
响应度是光电探测器输出信号（电压或电 流）与输入辐射功率之间关系的度量。 Vo Io SV ，S I （） 1 Pi Pi
S
1
o
S d
输出光电流
0
d
(3)
总光通量
4、响应时间
描述光电探测器对入射辐射响应快慢地一个参数。 即当入射辐射到光电探测器后或入射辐射被遮断 后，其输出上升到稳定值或下降到照射前的值所 需要的时间。
入射光
入射光脉冲方波 t I光1
0.9
响应时间 t
0.1
tr
tf
E (Lx)
用于光电池检测
硅光电池的特性参数
2)、Isc与E和RL的关系：
J/uA· 2 mm
RL=120Ω RL=2.4kΩ RL=12kΩ
当RL=0时，
Isc=Ip=S· E
当RL不为0时
qV e kT 1 IL Sg E Is
为什么RL的增加会使光电流减小？
I sc (mA / cm2 )
5
4
U oc
U oc (V )
0.4 0.3
I sc
一般Ip>>Is,且Ip=S· E
kT S g E Voc ln I 1 q s
3
2 1
0.2 0.1
当V=0，RL=0时，
I sc I p S g E
0
2000 4000 6000 8000 10000
2 IS IS S 10 lg 2 20 lg IN IN N dB
（5）
四、其他参数
1、量子效率：在某一特定波长上每秒钟内产 生的光电子数与入射光量子数之比。
单个光子 的能量为
hc /
N
e d
hc
d 辐通量为 e d
每秒产生的光 电子数
量子流速率 （每秒入射的 光量子数）
VD IL
RL
E/lx
硅光电池的特性参数
光电池光照特性特征：
1、Voc与光照E成对数关系；硅光电池典型值在0.45-0.6V。 作电源时，转化效率10%左右，最大15.5-20%。 2、Isc与E成线性关系，常用于光电池检测，硅光电池 Isc典 型值35-45mA/cm2。 3、RL越小，线性度越好，线性范围越宽。 4、光照增强到一定程度，光电流开始饱和，与负载电阻有 关。负载电阻越大越容易饱和。
5、频率响应
光电探测器的响应随入射辐射的调制频率 而变化的特性。其关系如下： So S f （） 4 1 2 2 1 2f
1 0.707
S f So
上限截 止频率
1 1 f上 2 2RC
频率响应曲线 f上 f
3.2 光电器件的基本特性参数
三、有关噪声方面的参数
1uF
光敏电阻的应用电路
3、照明灯的光电控制电路
基本功能：根据自然光 的情况决定是否开灯。 基本结构：整流滤波电 路；光敏电阻及继电器 控制；触电开关执行电 路 基本原理：光暗时，光 敏电阻阻值很高，继电 器关，灯亮；光亮时， 光敏电阻阻值降低，继 电器工作，灯关。
测光与控制
VD
R
CdS ~220V C K
2、光谱响应度
光电探测器的输出信号与入射到探测器上的单色 辐通量（光通量）之比。数值越大则意味着探测 器越灵敏。
S
Vo
, S
Vo
(2)
3、积分响应度
探测器对连续辐射通量的反应程度。它是光电探 测器的输出信号与入射到探测器上的总光通量之 比。
光敏电阻在恒压偏置电路的情况下输出的电流IP与处于 放大状态的三极管发射极电流Ie近似相等。因此，恒压 偏置电路的输出电压为
光敏电阻的应用电路
2、照相机电子快门
Ubb Rp2
10kΩ
R1
5.1kΩ
R2
300Ω
VD
M
驱动 单元
R CdS K C1
Uth UR
+ A _ V
Rp1
10kΩ
快门 按钮
量子效率
I s S e d q q
Is q N S hc q
•
2、线性度： 描述探测器的光电特性或光照特性曲线输 出信号与输入信号保持线性关系的程度。 通常指器件中的实际响应曲线接近拟和直 线的程度。一般用非线性误差来度量。
max
光敏电阻的应用电路
1、火焰检测报警器
高输入 阻抗放 大电路
恒压 偏置 电路
2kΩ
200kΩ
R2
R1
68nF
C1
3.9MΩ
R4
3.9kΩ
R6
V3 V1
68uF
Vo
中心站 放大器
4.7nF
C2
V2 R5 R7
150kΩ
R9
C4
VDW
6V
820kΩ PbS
R3
1kΩ
32kΩ
R8
+ C3
100uF
PbS光敏电阻：Rd=1MΩ, Rl=0.2MΩ，峰值波长2.2um。
光电检测技术
第三章
第三章 光电检测器件
主要教学内容：
3.1 光电器件的类型与特点 3.2 光电器件的基本特性参数
3.3 半导体光电器件
3.4 热电检测器件
3.1 光电器件的类型与特点
光电效应：光照射到物体表面上使物体的电学特 性发生变化。 光电子发射：物体受光照后向外发射电子—多发 生于金属和金属氧化物。 光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载 流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减少。 光生伏特效应：光照在半导体PN结或金属—半导 体接触上时，会在PN结或金属—半导体接触的两 侧产生光生电动势。
3.1 光电器件的类型与特点
光电器件特点：
光子器件 热电器件
响应波长无选择性，对可见光到 响应波长有选择性，一般有截止 远红外的各种波长的辐射同样敏 波长，超 过该波长，器件无响应。 感 响应快，吸收辐射产生信号需要 的时间短， 一般为纳秒到几百微 秒 响应慢，一般为几毫秒
第三章 光电检测器件
入射光
g=gL-gd I光=IL-Id
光敏电阻的特性参数
1、光电特性 I 光＝S g E U 式中，S g 为光电导灵敏度（西门子 / 勒克斯：s / lx），是 光电导g与输入光照度E之比；E为照度，为光照指数， 它与材料的入射光强弱有关，一般 0.5 ~ 1 U为光敏 ； 电阻两端电压。
电极
目前一般采用禁带宽度较大的 材料，使得在室温下能获得较 大的暗电阻（无光照时的电 阻）。
光敏电阻的蛇形结构
•光敏电阻 (LDR) 和它的符号： 符号
光敏电阻
光敏电阻演示
暗电流（越小越好）
工作原理 当入射光子使半导体物
质中的电子由价带跃升到导 带时，导带中的电子和价带 中的空穴均参与导电，因此 电阻显著减小，电导增加， 或连接电源和负载电阻，可 输出电信号，此时可得出光 电导g与光电流I光的表达式 为：
3.1 光电器件的类型与特点
光电器件类型：
光电检测器件（按工作机理分类） 光子器件 热电器件
真空器件 光电管 光电倍增管 真空摄像管
固体或半导体器件 光导型：光敏电阻 光伏型：光电池 光伏型：光电二极管
热电偶/热电堆
热辐射计/热敏电阻 热释电探测器
光伏型：光电三极管
光纤传感器 电荷耦合器件CCD
I 2 I1
•
3、工作温度： 光电探测器最佳工作时的温度。
第三章 光电检测器件
主要教学内容： 3.1 光电器件的类型与特点 3.2 光电器件的基本特性参数 3.3 半导体光电器件 3.4 热电检测器件
3.3 半导体光电检测器件
一、光敏电阻
在绝缘材料上装梳状光电导体封 闭在金属或塑料外壳内，再在两 端连上欧姆接触的电极而成。
灯
常闭
半波整流
执行控制
3.3 半导体光电检测器件
二、光电池
分类
按用途 太阳能光电池：用作电源（效率高，成本低） 测量用光电池：探测器件（线性、灵敏度高等） 按材料 硅光电池：光谱响应宽，频率特性好，转换效率高（17%） 硒光电池：波谱峰值位于人眼视觉内，多用于曝光表、照度计 薄膜光电池：CdS增强抗辐射能力 紫光电池：PN结非常薄：0.2-0.3 µm,短波峰值600nm
1、光照特性
伏安特性
IL VD RL Ip Is VD Rs IL RL
由光电池的电流方程：
q V I L Rs I L I p I s e kT 1
Rs很小，可忽略，上式变为：
qV qV Ip=S· E I L S g E I s e kT 1 I L I p I s e kT 1
光 电 流 100lx
10lx
额定功耗线 E=0 电压
设计时不应使电阻的实际功耗超过额定值
3、温度特性
相 对 光 电 导
光源色温2856K
1000lx 10lx 100lx T
T升高，相对电导率下降，因此温度变化 大时，应采取制冷措施，提高光敏电阻工 作稳定性。
4、时间和频率响应
相 对 输 出 硫化铅 硫化镉 硒 硫化铊 频率
特点：时间常数大（为什么？），上限频率低 光敏电阻为多数载流子运动
光敏电阻的优缺点
1、优点：灵敏度高，工作电流大，光谱响应范 围与所测光强范围宽、无极性使用方便；
2、缺点：响应时间长、频率特性差、强光线性 差、受温度影响大等。
3、应用：主要应用在红外的弱光探测与开关控 制。（照相机的电子快门等）
（一）光电检测器件的噪声 1、热噪声（约翰逊噪声） 载流子无规则的热运动造成的噪声。主要用 热噪声电压或电流表示。
白噪声
2、散粒噪声（散弹噪声） 穿越势垒的载流子的随机涨落所造成的噪声。
3.2 光电器件的基本特性参数
（二）衡量噪声的参数
信噪比（S/N）
在负载电阻RL上产生的信号功率与噪声功 率之比，即
wk.baidu.com 光电池的基本结构和工作原理
光电池是一种利用光生伏特效应制成的不需加偏压 就能将光能转化成电能的光电器件。 基本结构：
1、金属-半导体接触型（硒光电池）
2、PN结型 几个特征：
•
入射光线
电极()
1、栅(梳)状电极
N P
电极()
• 2、受光表面的保护膜 • 3、上、下电极的区分
符号
硅光电池的特性参数
RL=∞ RL5 E RL4 RL4 RL1 RL2 RL3
kT I p 一般Ip>>Is, Voc ln q Is
当RL=0时，Isc=Ip=S· E
RL=0
硅光电池的特性参数
1)、Voc，Isc与E的关系：
当IL=0，RL=∞时
kT I p Voc ln + 1 q Is
硅光电池的特性参数 1、光照特性
qV kT I L S g E I s e 1 qV 当E=0时 I L I s e kT 1
负载电流IL
Voc1 Voc5
Is
Isc1 Isc2 Isc3 Isc4
当IL=0时
kT I p Voc ln + 1 q Is
400
Isc/mA
VL
S
100
80
200
PL
0
40
ILS
硅光电池的特性参数
2、输出特性
•VLS随RL的加大而升高，当RL为无穷大时Voc/V ，VLS等于开路电压Voc 。 •RL趋近于0时，ILS趋近于短路电流Isc。 •在RL=RM时，PL为最大输出功率PM，RM称 为最佳负载。光电池作为换能器件时要 考虑最大输出问题，跟入射光照度也有 关。 •作为测量使用，光电池以电流使用。短 路电流Isc与光照度成线性关系，RL的存 在使IL随光照度非线性的增加。RL增大， 线性范围越来越小。
对CdS光电导体，弱光照射下 γ=1，强光下γ=0.5；为什么 ？ 光照增强的同时，载流子浓 度不断的增加，同时光敏电阻 的温度也在升高，从而导致载 流子运动加剧，因此复合几率 也增大，光电流呈饱和趋势。 （冷却可以改善）
I光
1
弱光照，线性光电
0.5
强光照，抛物线光
E
2、伏安特性（光敏电阻的光电流与所加电压关系）
主要教学内容： 3.1 光电器件的类型与特点 3.2 光电器件的基本特性参数 3.3 半导体光电器件 3.4 热电检测器件
3.2 光电器件的基本特性参数
一、光电检测器件的概念
利用物质的光电效应把光信号转换成电信 号的器件。 二、有关响应方面的特性参数 1、响应度（灵敏度）
响应度是光电探测器输出信号（电压或电 流）与输入辐射功率之间关系的度量。 Vo Io SV ，S I （） 1 Pi Pi
S
1
o
S d
输出光电流
0
d
(3)
总光通量
4、响应时间
描述光电探测器对入射辐射响应快慢地一个参数。 即当入射辐射到光电探测器后或入射辐射被遮断 后，其输出上升到稳定值或下降到照射前的值所 需要的时间。
入射光
入射光脉冲方波 t I光1
0.9
响应时间 t
0.1
tr
tf
E (Lx)
用于光电池检测
硅光电池的特性参数
2)、Isc与E和RL的关系：
J/uA· 2 mm
RL=120Ω RL=2.4kΩ RL=12kΩ
当RL=0时，
Isc=Ip=S· E
当RL不为0时
qV e kT 1 IL Sg E Is
为什么RL的增加会使光电流减小？
I sc (mA / cm2 )
5
4
U oc
U oc (V )
0.4 0.3
I sc
一般Ip>>Is,且Ip=S· E
kT S g E Voc ln I 1 q s
3
2 1
0.2 0.1
当V=0，RL=0时，
I sc I p S g E
0
2000 4000 6000 8000 10000
2 IS IS S 10 lg 2 20 lg IN IN N dB
（5）
四、其他参数
1、量子效率：在某一特定波长上每秒钟内产 生的光电子数与入射光量子数之比。
单个光子 的能量为
hc /
N
e d
hc
d 辐通量为 e d
每秒产生的光 电子数
量子流速率 （每秒入射的 光量子数）