第七章 光电转换器件
光电信息转换器件
若在两电极间接上负载 R，则负载中就有热释电电 流通过，其大小为：
Is=Aeα /R ·dT/dt= Aeρ ·dT/dt 式中：ρ ＝α /R为热释电系数
• 光热电转换过程
• W→△T • △T → △Q • △Q → △V
• 热释电晶体单畴化
通过外电场的瞬时作用，使铁电体产生较强的自发极化强度的过程。
VM=220, V→220, VS=120
VM=220, V=220, VS=210
VM=220, V=10, VS=0↓
VM=220, V=10→0, VS=0
• 表面束缚电荷
• 热释电效应
具有自发极化的晶体，由于在晶体发生温度变化时，晶 体表面呈现外电场，这种现象称之为“热释电效应”。
光电信息转换器件：是指把光能（可见光或不可见光） 的变化转换为电量（电阻、电流、电压等）变化的器件。
•光电效应 •外光电效应 •内光电效应
•光电热效应
一．原理
• 电偶极子：在没有外电场作用时，介电晶体的单个晶胞中 正电荷的分布重心与负电荷的分布重心不重合，即电矩不为 零而形成电偶极子。
• 电滞回线：（娇顽场强）
• 热释电材料特性
四．热释电的应用 1. 防盗报警
2. 自动门
3. 火警探测
• 火焰的抖动频率为10－30Hz • 光谱分布在4.1-4.7μ m之间，峰值波长为4.3μ源自m • 要求系统具有抗气温变化能力
4. 热释电摄像仪
二．热释电的构成
• 上电极 • 热释电体 • 下电极 • 基底
热释电外形和内部结构如图所示实用的热释电由敏感元 件、场效应管、高阻电阻、滤波片等组成，并向壳内充入 氮气封装起来。敏感元件用红外热释电材料制成很小的薄 片，再在薄片两面镀上电极。热释电材料以压电陶瓷和陶 瓷氧化物最多。热释电需要进行阻抗变换和信号放大。
第七章 光电转换器件
光电导探测器工作电路
使Vs有最大值时的负载电阻： (ΔVs ) ′RL = 0 ⇒ Rd = R L （最佳匹配条件）
8
一 光电导器件工作特性
7.基本工作电路
（2）偏压选择问题 负载电阻热损耗功率：
⎡ V0 ⎤ ⎢ ⎥ Rd ≤ Pmax (最大耗散功率 ) ⎣ R L + Rd ⎦
2
第七章 光电转换器件
光热效应分类
效应 测辐射热计效应 温差电效应 热释电效应 相应的探测器 热敏电阻、金属测辐射热计、 超导远红外探测器 热电偶、热电堆 热释电探测器
3
7-1 光电导探测器
一 光电导器件工作特性
1.响应度（灵敏度）
电流响应度： 电压响应度：
2.光谱特性
峰值响应波长：
I RI = ( A W ) P
2
Rd V0 RL
C VS
光电导探测器工作电路
Rd = R L
V0 ≤ (4 Rd Pmax )
1
2
9
二 几种典型的光敏电阻
薄膜 光电导体 电极
V
衬底
新符号 旧符号
RL
光敏电阻原理图及符号
特点：在光照下会改变 自身的电阻率。光照越强， 电阻越小，又称光导管。
10
二 几种典型的光敏电阻
玻璃 光电导层 电极 绝缘衬底 金属壳 黑色绝缘玻璃 引线 光敏电阻电极图案 金属封装的光敏电阻
Si
Ge
（2）响应度（灵敏度）
IP eλ =η P0 hc
R0 ( μA μW ) =
波长(um)
800 1200 1600
光电转换器件工作原理分析
光电转换器件工作原理分析光电转换器件是一种能够将光能转化为电能的装置，它在现代科技领域起到至关重要的作用。
光电转换器件可以通过光电效应将光能转化为电子能量，从而产生电流或电压。
本文将对光电转换器件的工作原理进行详细的分析。
一、光电转换器件的基本原理光电转换器件主要基于光电效应来工作，光电效应是指当光线照射到物质表面时，物质中的电子受到激发，从而形成电子的迁移和电流的产生。
根据光电效应的不同机制，光电转换器件可以分为光电导、光电光导和光电电势差三类。
1. 光电导效应光电导效应是最常见的一种光电效应。
当光线照射到半导体材料表面时，光子的能量被传递给半导体的电子。
如果光子的能量大于半导体材料的禁带宽度，半导体中的电子将从价带跃迁到导带，产生自由电子和空穴。
这些自由电子和空穴将在半导体中发生传导，从而形成电流。
2. 光电光导效应光电光导效应是一种光电效应的特殊形式，它主要应用于光纤通信领域。
在光纤通信中，光子传输信号的特点可用光导来实现。
当光线通过光纤传输时，光子会产生光电效应，将光能转化为电子能量。
这些电子能量在光纤中传导，使得光信号得以传递。
3. 光电电势差效应光电电势差效应是一种利用光电效应产生电压的方法。
在某些特殊的材料中，光子的能量可以导致物质内部的电子从禁带跃迁到导带，形成电势差。
这个电势差可以作为电源来驱动电路，实现光电转换。
二、光电转换器件的主要应用光电转换器件作为一种能将光能转化为电能的装置，在许多领域都有着广泛的应用。
下面将介绍一些光电转换器件的主要应用。
1. 光电汇流排光电汇流排是一种利用光电转换器件将光信号转换为电信号的装置。
它通过将多个光电转换器件连接在一起，形成一个可靠的光电汇流排系统。
光电汇流排可以应用于光通信、光计算和光存储等领域，具有高速传输、低损耗和容量大等优点。
2. 光伏电池光伏电池是一种广泛应用于太阳能领域的光电转换器件。
它通过将光能转化为电能，实现太阳能的利用。
(整理)第七章光电传感器习题答案
•第七章光敏传感器•1．光电效应通常分为哪几类？简要叙述之。
与之对应的光电器件有哪些？•2．半导体内光电效应与入射光频率的关系是什么？3．光电倍增管产生暗电流的原因有哪些？如何降低暗电流？•4．试述光电倍增管的组成及工作原理？•5．简述光敏二极管和光敏三极管的结构特点、工作原理及两管的区别？•6．为什么在光照度增大到一定程度后，硅光电池的开路电压不再•随入射照度的增大而增大？硅光电池的最大开路电压为多少？•7．试举出几个实例说明光电传感器的实际应用，并进行工作原理的分析。
答案：一、光电效应分为两类：外光电效应和内光电效应外光电效应：入射光子被物质的表面所吸收，并从表面向外部释放电子的一种物理现象。
基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管。
内光电效应当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象。
分为光电导效应（如：光敏电阻）和光生伏特效应（如光电池、光电二极管、光电三极管）。
二、、对于不同的本征半导体材料，禁带宽度Eg不同，对入射光的波长或频率的要求也不同，一般都必须满足：7he1.24「hv=T^^-Eg式中v、A分别为入射光的频率和波长。
对于杂质半导体：Ei为杂质电离能三、1、欧姆漏电欧姆漏电主要指光电倍增管的电极之间玻璃漏电、管座漏电和灰尘漏电等。
欧姆漏电通常比较稳定，对噪声的贡献小。
在低电压工作时，欧姆漏电成为暗电流的主要部分。
在使用光电倍增管时，保证管壳和所有连接件的清洁干燥是十分必要的。
2、热发射由于光电阴极材料的光电发射阈值较低，容易产生热电子发射，即使在室温下也会有一定的热电子发射，并被电子倍增系统倍增。
要减小热电子发射，应选用热发射小的阴极材料，并在满足使用的前提下，尽量减小光电阴极的面积，降低光电倍增管温度。
3、残余气体放电光电倍增管中高速运动的电子会使管中的残余气体电离，产生正离子和光子，它们也将被倍增，形成暗电流。
这种效应在工作电压高时特别严重，使倍增管工作不稳定。
第七章光电转换器件
第七章光电转换器件第七章光电转换器件1、什么是光电探测器件的光谱响应特性？了解它有何重要性？2、为什么结型光电器件在正向偏置时没有明显的光电效应？结型光电器件必须工作在哪种偏置状态？3、如何理解“热释电探测器是一种交流或瞬时响应的器件”?4、光敏电阻和热敏电阻其阻值随光照强度的变化规律分别是什么？5、光电探测器的“电压响应度”和“电流响应度”如何定义？6、光电导探测器的“截止频率”如何定义？7、光敏电阻的“亮电阻”、“暗电阻”的含义是？实际应用中，选择光敏电阻时，其暗电阻阻值越大越好还是越小越好？为什么？8、光电导探测器的工作电路如左图所示，试推导光敏电阻的最佳负载电阻阻值。
9、一块半导体样品，有光照时电阻为50Ω，无光照时为5000Ω，求该样品的光电导。
10、已知CdS 光敏电阻的最大功耗为40mW ，光电导灵敏度lx s S g /105.06-?=，暗电导00=g ，若给CdS 光敏电阻加偏压20V ，此时入射到CdS 光敏电阻上的极限照度为多少勒克斯？11、敏电阻R 与Ωk R L 2=的负载电阻串联后接于V U b 12=的直流电源上，无光照时负载上的输出电压为mW U 201=，有光照时负载上的输出电压为V U 22=。
求：（1）光敏电阻的亮电阻和暗电阻阻值；（2）若光敏电阻的光电导灵敏度lx s S g /1066-?=，求光敏电阻所受的照度。
12、已知CdS 光敏电阻的暗电阻ΩM R D 10=，在照度为100lx 时亮电阻Ωk R 5=，用此光敏电阻控制继电器，如右图所示。
如果继电器的线圈电阻为4Ωk ，继电器的吸合电流为2mA ，问需要多少光照度时才能使继电器吸合？13、太阳能电池的“开路电压”、“短路电流”、“转换效率”、“最佳负载电阻”如何定义？14、（1）硅光电池的的开路电压为oc U ，当光照度增加到一定值后，oc U 为何不随光照度的增加而增加，只是接近0.6V ？（给出开路电压饱和的物理解释）（2）随着光照度的增加，光电池的短路电流是否会出现饱和现象？为什么？15、在太阳能电池的伏安特性曲线中，（1）“光电压区域”和“光电流区域”如何定义？（2）用光电池探测缓变光信号时，应工作在哪个区域？16、（1）PIN 管和普通PN 结光电二极管相比在结构上有何区别？（2）简述PIN 管、雪崩光电二极管的工作原理。
第14次-光电转换-了解
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=1.1到1.2 电压指数
1.0 弱光照
照度指数 0.5 强光照 弱光： 1， 1，
为线性关系
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4、响应速度 上升响应时间tr：光生载流子从零上升到 稳定值的63%所需要的时间。 下降响应时间t f：光照停止后，光生载流 子下降到稳定值的37%所需要的时间。
tr t f
I e P e P G
h Td
h
G：光电导增益。
RI
e h
G
RV
e h
GR
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影响响应度的因素:
1）与入射光频率成反比，越大，响应度越小 2）与量子效率成正比
3）与G成正比，即与光生载流子寿命成正比， 与渡越时间成反比。
2、光谱特征 光敏电阻只对一定范围内旳光波才有响应，对有
①当电阻RL 0时，短路
电流即光电流，Isc IP
实际电路上R s很小，R sh 很大
eV
短路电流：Isc IP IS (e kT 1) Ish
IP
eV
IS (e kT
V 1)
R sh
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②开路时，I 0
开路电压：Voc
kT e
ln( IP
Ish IS
1)
一般情况，PN结两端电压
自由空穴，还没来得及分离，又复合掉了，而只有进入
耗尽层的光子才有可能被利用，所以，量子效率低。
（2）由于P区和N区载流子的扩散速度比PN结内载流子
的漂移速度小的多，使得响应时间很长。
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PIN光电二极管，就是在P区和N区之间加入一层 本征层，厚度约为毫米量级。
光电转换器件的制备和性能研究
光电转换器件的制备和性能研究1、光电转换器件简介光电转换器件是将光信号转换为电信号或将电信号转换为光信号的器件。
它由光电转换元件和电路组成。
光电转换元件的作用是将光信号转换为电信号或将电信号转化为光信号。
常见的光电转换元件有光电二极管、光电晶体管、光电流变阻器、光电导、光电探测器等。
2、光电转换器件的制备技术光电转换器件的制备技术是指将光电转换元件与电路集成在一起，制成具备光电转换功能的器件的方法。
制备过程一般包括以下几个步骤。
2.1、基板制备基板是光电转换器件的承载平台，其质量和结构将直接影响器件的性能。
常用基板材料有玻璃、硅、氮化硅、氧化铝等。
基板制备的主要工艺包括磨削、抛光、蚀刻、清洗等。
2.2、光电转换元件制备光电转换元件的种类较多，其制备工艺也各不相同。
以光电二极管为例，其制备工艺一般包括以下几个步骤。
（1）基板表面处理：首先清洗基板表面，以去除表面的尘垢和污染物，然后将其进行氧化处理，增强表面的粘附性。
（2）光阻涂覆：将光阻涂覆在基板上，并在紫外线下进行预处理，形成光阻图形。
（3）配线：将金属线材料放置在预定的位置，然后进行金属线刻蚀。
（4）N区扩散：在光阻图案的边缘加热，使N型信号区域扩散到基底上。
（5）蚀刻：进行蚀刻处理，将未覆盖在光阻图案下的金属线材料和N型区域蚀去。
2.3、电路制备采用传统的半导体制程制备电路，常用的技术包括光刻、离子注入、蒸发、溅射、金属化等。
3、光电转换器件的主要性能指标光电转换器件的主要性能指标包括响应速度、灵敏度、带宽和噪声等。
3.1、响应速度响应速度是指光电转换器件对于光信号的响应速度，通俗来说，就是光电二极管输出电流上升到90%需要的时间。
不同种类的光电转换器件响应速度不同，一般情况下，响应速度越快，其性能越好。
3.2、灵敏度灵敏度是指光电转换器件输出信号的大小与输入光信号的强度之间的关系。
通俗来说，就是光电二极管输出的电流与入射光的光功率之间的关系。
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第七章 光电转换器件
1、什么是光电探测器件的光谱响应特性？了解它有何重要性？
2、为什么结型光电器件在正向偏置时没有明显的光电效应？结型光电器件必须
工作在哪种偏置状态？
3、如何理解“热释电探测器是一种交流或瞬时响应的器件”?
4、光敏电阻和热敏电阻其阻值随光照强度的变化规律分别是什么？
5、光电探测器的“电压响应度”和“电流响应度”如何定义？
6、光电导探测器的“截止频率”如何定义？
7、 光敏电阻的“亮电阻”、“暗电阻”的含义是？实际应用中，选择光敏电阻时，
其暗电阻阻值越大越好还是越小越好？为什么？
8、光电导探测器的工作电路如左图所示，
试推导光敏电阻的最佳负载电阻阻值。
9、一块半导体样品，有光照时电阻为50Ω，无光照时为5000Ω，求该样品的
光电导。
10、 已知CdS 光敏电阻的最大功耗为40mW ，光电导灵敏度
lx s S g /105.06-⨯=，暗电导00=g ，若给CdS 光敏电阻加偏压20V ，此时入射到CdS 光敏电阻上的极限照度为多少勒克斯？
11、敏电阻R 与Ωk R L 2=的负载电阻串联后接于V U b 12=的直流电源上，无光照时负载上的输出电压为mW U 201=，有光照时负载上的输出电压为V U 22=。
求：（1）光敏电阻的亮电阻和暗电阻阻值；
（2）若光敏电阻的光电导灵敏度lx s S g /1066-⨯=，求光敏电阻所受的照度。
12、已知CdS 光敏电阻的暗电阻ΩM R D 10=，在照度为
100lx 时亮电阻Ωk R 5=，用此光敏电阻控制继电器，如
右图所示。
如果继电器的线圈电阻为4Ωk ，继电器的吸合电流为2mA ，问需要多少光照度时才能使继电器吸合？
13、太阳能电池的“开路电压”、“短路电流”、“转换效率”、“最佳负载电阻”如
何定义？
14、（1）硅光电池的的开路电压为oc U ，当光照度增加到一定值后，
oc U 为何不 随光照度的增加而增加，只是接近0.6V ？（给出开路电压饱和的物理解释）
（2） 随着光照度的增加，光电池的短路电流是否会出现饱和现象？为什么？
15、在太阳能电池的伏安特性曲线中，
（1） “光电压区域”和“光电流区域”如何定义？
（2） 用光电池探测缓变光信号时，应工作在哪个区域？
16、（1）PIN 管和普通PN 结光电二极管相比在结构上有何区别？
（2）简述PIN 管、雪崩光电二极管的工作原理。
（3）它们和普通的PN 结光电二极管相比，性能有哪些改善？
（4）PIN 管的频率特性为什么比普通光电二极管好？
17、2CU 型和2DU 型光电二极管在结构上由何区别？2DU 型引入环极的作用是
什么？
18、（1）简述光电倍增管的工作原理。
（2）光电倍增管的“阳极灵敏度”、“阴极灵敏度”、“放大倍数”如何定义？
19、现有GDB-433型光电倍增管，其光电阴极的面积为2cm 2，阴极灵敏度lm A S K /25μ=，倍增系统的放大倍数为105，阳极额定电流为20A μ，求允许的最大光照。
20、用波长为0.633m μ的单色辐射照射2CU 硅光电二极管，入射光功率为2mW ，输出光电流为0.6mA ，求光电二极管的响应度和量子效率。
21、（1）已知硅PIN 光电二极管的量子效率7.0=η，波长m μλ85.0=，求其响
应度。
（2）已知锗PIN 光电二极管的量子效率4.0=η，波长m μλ6.1=，求其响应
度。
22、光电倍增光的光阴极灵敏度为lm A /50μ，每一个倍增极的二次电子收集率为
80%，二次电子发射系数6=σ，共有11级，求阳极灵敏度。
（令1≈f ）
23、制作探测波长为0.9m μ的光电二极管，相应的半导体材料的禁带宽度是多少
电子伏特？
μ，量子效率为0.75，平均倍增因子G=30。
当24、某APD的工作波长为1.55m
每秒有1012个光子入射时，计算APD的探测输出光电流。
25、用光子能量为1.5eV、功率为2mW的光照射硅光电池。
已知光敏面反射系
η，并设全部光电载流子都能够到达电极。
求光生电数为0.25，量子效率1
=
流。
若反向饱和电流为10-8A，求T=300K时的开路电压。
26、以双列两相表明沟道CCD为例，简述CCD电荷产生、存储、转移、输出
的基本原理。
27、某两相2048位线阵CCD，其电荷转移损失率ε为10-5，计算其电荷转移效
率和电荷传输效率。
28、两相驱动CCD，像元数N=1024，若要求最后位仍有50%的电荷输出，求电
荷转移损失率ε为多少？。