第三章光电检测技术常用器件及应用
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光电检测技术与应用第3章光电检测器件资料
变像管
成像型 像增强器
摄像管 真空摄像管
固体成像器件CCD
2
热光电探测元件
探测器件 光电探测元件
气体光电探测元件
外光电效应
内光电效应
非放大型
真空光电管 充气光电管
放大型
光电倍增管 变像管 像增强器 摄像管
光电导探测 器
光磁电效应探测器
本征型
掺杂型
光敏电阻 红外探测器
非放大
光电池 光电二极管
光生伏特探测 器
光电流Ip= ΔσSU/L
7
光敏电阻的基本结构
光电导 体膜
2
绝缘基底
1
3
2
1-பைடு நூலகம்电导材料；2-电极；3-衬底材料
8
三种形式 ⑴梳状式 玻璃基底上蒸镀梳状金属膜而制成；或在
玻璃基底上面蚀刻成互相交叉的梳状槽，在 槽内填入黄金或石墨等导电物质，在表面再 敷上一层光敏材料。如图所示。
光电导体膜
O
CdS的光电特性
E
15
3.1.2、光敏电阻特性参数
2、伏安特性（输出特性）
一定光照下，光敏电阻
的光电流与所加电压关系
10
即为伏安特性。
100 lx
光敏电阻为一纯电阻， 符合欧姆定律，曲线为直线 。但对大多数半导体，电场 强度超过 104 伏厘米时，不再 遵守欧姆定律。而CdS在100V 时就不成线性了。
材料特性
（1）灵敏度是光电导体在光照下产生光电导 能力的大小。
结构参数
（2）增益指在工作状态下，各参数对光电导 效应的增强能力。
12
工作性能特点：
光谱响应范围相当宽。可见光、红外、远红外、紫外区域 工作电流大，可达数毫安。 所测光电强度范围宽，既可测弱光，也可测强光 灵敏度高，光电增益可以大于1 无选择极性之分，使用方便。
光电检测技术第三章光电检测器件教学提纲
工艺复杂，造价昂贵。
采用特殊工艺，例如在重掺杂P型硅表面涂一薄层CsO2，可形成 NEA材料。负电子亲和势是指体内的有效电子亲和势，而不是指表面 电子亲和势。NEA发射体和常规光电发射体的表面，电子状态是类似 的，导带底上的电子能量都低于真空能级，其差值为Ea。但是，两者 体内电子能量则不同。NEA发射体导带底的电子能量高于真空能级， 而常规发射体电子亲和势仍是正的。NEA阴极的量子效率高于正电子 亲和势阴极，可从其光电发射过程进行分析。价带中的电子吸收光子 能量，跃迁到导带底以上，成为热电子（受激电子能量超过导带底的 电子）。在向表面运动的过程中，由于碰撞散射而发生能量损失，故 很快就落到导带底而变成冷电子（能量恰好等于导带底的电子）。热 电子的平均寿命非常短，约 10e-14～10e-12s。如果在这么短的时间 内能够运动到真空界面，自然能逸出。但是热电子的逸出深度只有几 十纳米，绝大部分电子来不及到达真空界面，就已经落到导带底变成 冷电子了。冷电子的平均寿命比较长，约 10e-9～10e-8s，其逸出深 度可达1000纳米。因为体内冷电子能量仍高于真空能级，所以它们运 动到真空界面时，可以很容易地逸出。因此NEA量子效率比常规发射 体高得多。
光电导效应 如：光敏电阻
内光电效应
非放大型 光二、光电池
光生伏特
放大型 光三、场效应管、
雪崩光电二极管
光电检测器件
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 变像管 像增强管
固体器件
光敏电阻 光电池 光电二极管 光电三极管 光纤传感器 电荷耦合器件
CCD
热电偶/热电堆 热辐射计/热敏电阻 热释电探测器
②特点：
高吸收，低反射性质；
高量子效率，可达50％～60％，长波限可达9％； 光谱响应可达1μm以上； “冷”电子发射光谱能量分布较集中，接近高斯分
采用特殊工艺，例如在重掺杂P型硅表面涂一薄层CsO2，可形成 NEA材料。负电子亲和势是指体内的有效电子亲和势，而不是指表面 电子亲和势。NEA发射体和常规光电发射体的表面，电子状态是类似 的，导带底上的电子能量都低于真空能级，其差值为Ea。但是，两者 体内电子能量则不同。NEA发射体导带底的电子能量高于真空能级， 而常规发射体电子亲和势仍是正的。NEA阴极的量子效率高于正电子 亲和势阴极，可从其光电发射过程进行分析。价带中的电子吸收光子 能量，跃迁到导带底以上，成为热电子（受激电子能量超过导带底的 电子）。在向表面运动的过程中，由于碰撞散射而发生能量损失，故 很快就落到导带底而变成冷电子（能量恰好等于导带底的电子）。热 电子的平均寿命非常短，约 10e-14～10e-12s。如果在这么短的时间 内能够运动到真空界面，自然能逸出。但是热电子的逸出深度只有几 十纳米，绝大部分电子来不及到达真空界面，就已经落到导带底变成 冷电子了。冷电子的平均寿命比较长，约 10e-9～10e-8s，其逸出深 度可达1000纳米。因为体内冷电子能量仍高于真空能级，所以它们运 动到真空界面时，可以很容易地逸出。因此NEA量子效率比常规发射 体高得多。
光电导效应 如：光敏电阻
内光电效应
非放大型 光二、光电池
光生伏特
放大型 光三、场效应管、
雪崩光电二极管
光电检测器件
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 变像管 像增强管
固体器件
光敏电阻 光电池 光电二极管 光电三极管 光纤传感器 电荷耦合器件
CCD
热电偶/热电堆 热辐射计/热敏电阻 热释电探测器
②特点：
高吸收，低反射性质；
高量子效率，可达50％～60％，长波限可达9％； 光谱响应可达1μm以上； “冷”电子发射光谱能量分布较集中，接近高斯分
光电检测器件及应用
指单位发射照度H下， 单位时间、单位面积 A收集的电量。
NS为t时间内收集的载流子 数，单位为mA/W。
S NSq HAt
固态图像传感器
CCD是低噪声器件。 ➢ 由于噪声叠加到信号电荷上，使信号电荷受到干扰。 ➢ 噪声的来源有转移噪声、电注入噪声、信号输出噪声、散粒噪声等。
○ 前三种可以采用有效措施来降低或消除，但散粒噪声不能消除，决定了图像 传感器的噪声极限值。在低照度、低反差下应用时更为显著。
的转移。
P - Si
电子转移示意图
固态图像传感器
fm
1 2
f0
1、转移效率
CCD图像传感器的特性参数
当CCD中电荷包转移时，若Q1为 转移一次后的电荷量，Q0为原始 电荷，转移效率定义为：
2、分辨率
指分辨图像细节的能力，光像的两个相邻 光强度最大值之间的间隔，主要取决于感 光单元的尺寸和间隔。
根据奈奎斯特采样定理，定义图像传感器 的最高分辨率fm等于它的空间采样频率f0 的一半，即：
透明树脂 光敏三极管
(b)塑料密封型
采用双列直插式用塑料封装的结 构。管心先装于管脚上，中间再 用透明树脂固定，具有集光作用 ，故此种结构灵敏度较高。
光电耦合器的组合形式
该形式结构简单、成本低，通常用
(a)
于50kHz以下工作频率的装置内。
该形式采用高速开关管构成的高速光
电耦合器,适用于较高频率的装置中。
固态图像传感器
01 3 、 暗 电 流
起因于热激发产生的 电子-空穴对。电荷 的积累时间越长，影 响越大。
暗电流产生不均匀总 出现在固定图形、相 同的单元上，利用信 号处理，把出现暗电 流尖峰的单元位置存 贮在PROM（可编程 只读存贮器）中，就 能消除影响。
NS为t时间内收集的载流子 数，单位为mA/W。
S NSq HAt
固态图像传感器
CCD是低噪声器件。 ➢ 由于噪声叠加到信号电荷上，使信号电荷受到干扰。 ➢ 噪声的来源有转移噪声、电注入噪声、信号输出噪声、散粒噪声等。
○ 前三种可以采用有效措施来降低或消除，但散粒噪声不能消除，决定了图像 传感器的噪声极限值。在低照度、低反差下应用时更为显著。
的转移。
P - Si
电子转移示意图
固态图像传感器
fm
1 2
f0
1、转移效率
CCD图像传感器的特性参数
当CCD中电荷包转移时，若Q1为 转移一次后的电荷量，Q0为原始 电荷，转移效率定义为：
2、分辨率
指分辨图像细节的能力，光像的两个相邻 光强度最大值之间的间隔，主要取决于感 光单元的尺寸和间隔。
根据奈奎斯特采样定理，定义图像传感器 的最高分辨率fm等于它的空间采样频率f0 的一半，即：
透明树脂 光敏三极管
(b)塑料密封型
采用双列直插式用塑料封装的结 构。管心先装于管脚上，中间再 用透明树脂固定，具有集光作用 ，故此种结构灵敏度较高。
光电耦合器的组合形式
该形式结构简单、成本低，通常用
(a)
于50kHz以下工作频率的装置内。
该形式采用高速开关管构成的高速光
电耦合器,适用于较高频率的装置中。
固态图像传感器
01 3 、 暗 电 流
起因于热激发产生的 电子-空穴对。电荷 的积累时间越长，影 响越大。
暗电流产生不均匀总 出现在固定图形、相 同的单元上，利用信 号处理，把出现暗电 流尖峰的单元位置存 贮在PROM（可编程 只读存贮器）中，就 能消除影响。
光电检测技术第三章光电检测器件-159页PPT精选文档
() 1，一个光量子对应一个电子或产生一个电
子-空穴对。
实际上，() 1
对于有增益的光电器件（如光电倍增管），则
()1，此时改用增益或放大倍数这个参数。
光电检测器件
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。 即在规定的范围内，探测器的输出电量精确地正比
波长
图2 Cs-Sb光电阴极光谱响应曲线
③多碱光电阴极
A、锑钾钠光电阴极：响应度可达50－100μA/lm，在 0.4 μm处量子效率达25％，能耐高温；
B、锑钾钠铯光电阴极：峰值响应度波长在0.42微米附 近，峰值响应度可达230μA/lm，量子效率高；响应 范围较宽。
④碲化铯（紫外）光电阴极：对太阳＆地表面辐射不 敏感，响应范围100－280nm；长波限在290～320微 米。
CCD
热电偶/热电堆 热辐射计/热敏电阻 热释电探测器
光电检测器件
第一节：光电检测器件的基本特征参数 一、有关响应方面的特性参数 1．响应度(或称为灵敏度)-光电转换效能
光电探测器输出信号（输出电压或输出电流）与 输入辐射功率或光通量之比。
一定入射光功率下，探测器输出电压或电流，可 分为电压响应度或电流响应度。用公式表示如下：
探测率(比探测率)D*这—参数。
光敏
面积
D 1 NEP
测量
D* D Af 带宽
⑤暗电流 即光电检测器件在没有输入信号和背景辐射时所流
过的电流(加电源时)。一般测量其直流值或平均值。
光电检测器件
三、其他参数 1、量子效率 ( )
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。
()
()
子-空穴对。
实际上，() 1
对于有增益的光电器件（如光电倍增管），则
()1，此时改用增益或放大倍数这个参数。
光电检测器件
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。 即在规定的范围内，探测器的输出电量精确地正比
波长
图2 Cs-Sb光电阴极光谱响应曲线
③多碱光电阴极
A、锑钾钠光电阴极：响应度可达50－100μA/lm，在 0.4 μm处量子效率达25％，能耐高温；
B、锑钾钠铯光电阴极：峰值响应度波长在0.42微米附 近，峰值响应度可达230μA/lm，量子效率高；响应 范围较宽。
④碲化铯（紫外）光电阴极：对太阳＆地表面辐射不 敏感，响应范围100－280nm；长波限在290～320微 米。
CCD
热电偶/热电堆 热辐射计/热敏电阻 热释电探测器
光电检测器件
第一节：光电检测器件的基本特征参数 一、有关响应方面的特性参数 1．响应度(或称为灵敏度)-光电转换效能
光电探测器输出信号（输出电压或输出电流）与 输入辐射功率或光通量之比。
一定入射光功率下，探测器输出电压或电流，可 分为电压响应度或电流响应度。用公式表示如下：
探测率(比探测率)D*这—参数。
光敏
面积
D 1 NEP
测量
D* D Af 带宽
⑤暗电流 即光电检测器件在没有输入信号和背景辐射时所流
过的电流(加电源时)。一般测量其直流值或平均值。
光电检测器件
三、其他参数 1、量子效率 ( )
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。
()
()
第三章 半导体光电检测器件及应用三
3.电流增益G 表征光电倍增管的内增益特性，为阳极电流 与阴极电流之比，或阳极灵敏度与阴极灵敏度 之比，即 G = IA/IK =SA/SK 若倍增管有n个倍增极，并且每个倍增极的 倍增系数均相等，则 G＝δn 因为δ是电压的函数，所以G也是电压的函数。 一般G为106~108。 《光电信号检测》
盒栅式 收集率较高（可达95%），结构紧凑， 但极间电子渡越时间零散较大。
《光电信号检测》
各种倍增极的结构形式 a) 百叶窗式 b) 盒栅式 c) 直瓦片式 d) 圆瓦片式
《光电信号检测》
所谓聚焦不是指使电子束会聚于一点，而 是指电子从前一级倍增极飞向后一级倍增 极时，在两电极间的电子运动轨迹，可能 有交叉。非聚焦则是指在两电极间的电子 运动轨迹是平行的。 5．阳极 阳极是采用金属网作的栅网状结构，把 它置于靠近最末一级倍增极附近，用来收 集最末一级倍增极发射出来的电子。
《光电信号检测》
主要技术指标
1.光谱响应范围和最大响应波长 下限：由窗口玻璃的材料决定 上限：由光阴极材料的逸出功决定。
《光电信号检测》
主要技术指标
2.灵敏度 倍增管灵敏度有阴极灵敏度与阳极灵敏度之 分。每一种灵敏度对于入射光，又都有光谱 灵敏度（对于单色光）与积分灵敏度（对于 多色光或全色光）之分。 测试阴极灵敏度时，以阴极为一极，其它倍 增极和阳极都连到一起为另一极，相对于阴 极加100～300V直流电压，照射到光电阴极 上的光通量约为10-2～10-5lm。
《光电信号检测》
通常用的砷化镓和磷化镓两种材料固溶体，写作 GaAs1-xPx，x代表磷化镓的比例，当x＞0.35时， 可得到Eg≥1.8eV的材料。改变x值还可以决定发 光波长，使λ在550～900nm间变化，它已经进入 红外区。
第3章 半导体光电检测器件及应用2
2、光敏二极管的响应波长 与GaAs激光管和发光二极管 的波长一致，组合制作光电 耦合器件。
3、光电二极管结电容很小 ，频率响应高，带宽可达 100kHz。
10
光电二极管的温度特性 光电二极管的温度特性主要是指反向饱和 电流对温度的依赖性，暗电流对温度的变化非常 敏感。
11
光电二极管的典型应用电路
光电三极管的温度特性
35
频率特性
光电三极管的频率特性曲线如图所示。光电三极管的频率特 性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。一般来 说，光电三极管的频率响应比光电二极管差。对于锗管，入射光 的调制频率要求在5kHz以下。硅管的频率响应要比锗管好。
光电三极管的频率特性
光电三极管的应用电路
入射光
32
伏安特性
光电三极管的伏安特性曲线如图所示。光电三极管在不 同的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基极电流时 的输出特性一样。因此，只要将入射光照在发射极 e与基极b之 间的PN结附近，所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三 极管看作一般的晶体管。光电三极管能把光信号变成电信号， 而且输出的电信号较大。
28
光电三极管的工作原理
I c I p I p 1 I p
光敏三极管的结构原理、工作原理和电气图形符号
29
工作过程：一、光电转换；二、光电流放大
基本 应用 电路
30
达林顿光电三极管电路 为了提高光电三极管的频率响应、增益和减小 体积。将光电二极管、三极管制作在一个硅片上 构成集成器件
3.3.2 光电三极管的基本结构 光电晶体管和普通晶体管类似，也有电流放大 作用。只是它的集电极电流不只是受基极电路 的电流控制，也可以受光的控制。 光电晶体管的外形，有光窗、集电极引出线、 发射极引出线和基极引出线（有的没有）。 制作材料一般为半导体硅，管型为NPN型的国产 器件称为3DU系列,管型为PNP型的国产器件称为 3CU系列。
第三章光电检测技术常用器件及应用3教材
为了提高PN结硅光电二极管的时间响应，消除在PN结外 光生载流子的扩散运动时间，常采用在P区与N区之间生成 I型层。
在反向电压作用下， i层的 存在，提高了击穿电压。耗 尽层较无i层时要大得多，从 而使结电容下降，则RC延迟 时间τ RC减小，在ns左右。 提高了dr 响应速度；
由于耗尽层变宽，增加了吸收层厚度，改善了对长 波光的吸收，提高了灵敏度，增大了长波响应率。
高度 测量
三维尺寸 检测
光幕应用（续）
木材外形截面积检测
光幕应用（续）
光幕可 检测出带材 在卷曲过程 中的偏移， 经控制器和 执行机构使 带材向正确 的方向运动 （纠偏）。
纠偏
光幕应用（续）
光幕用于 自动收费系统的
车辆检测
光幕应用（续）
锻压机床的 安全区域设置 及入侵报警
光幕应用（续）
安全区示警
1. 工作原理
光电三极管的工作分为两过程： 一是光电转换；二是光电流放大。
集电极输出的电流为
透明度测量、控制
质量检测
光电开关应用（续）
加工控制
光电开关应用（续）
机械手定位
光电开关应用（续）
商标方向检测
光电断续器的应用（续）
当工件 经过光电断 续器时，接 收器即产生 一个计数脉 冲。
光电传感器的其他用途（续）
电梯自动运行 条件判断
光电计数电路举例
光电三极管
光电三极管与普通半导体三极管一样有两种基本结 构，NPN结构与PNP结构。用N型硅材料为衬底制作的 NPN 结构，称为 3DU型；用P型硅材料为衬底制作的称为PNP 结构，称为3CU型。
光电二极管 根据基底不同可 分为以P型硅为衬 底的2DU型与以N 型硅为衬底的2CU 型两种结构形式。 如图示为2DU型光 电二极管的原理 结构图。
在反向电压作用下， i层的 存在，提高了击穿电压。耗 尽层较无i层时要大得多，从 而使结电容下降，则RC延迟 时间τ RC减小，在ns左右。 提高了dr 响应速度；
由于耗尽层变宽，增加了吸收层厚度，改善了对长 波光的吸收，提高了灵敏度，增大了长波响应率。
高度 测量
三维尺寸 检测
光幕应用（续）
木材外形截面积检测
光幕应用（续）
光幕可 检测出带材 在卷曲过程 中的偏移， 经控制器和 执行机构使 带材向正确 的方向运动 （纠偏）。
纠偏
光幕应用（续）
光幕用于 自动收费系统的
车辆检测
光幕应用（续）
锻压机床的 安全区域设置 及入侵报警
光幕应用（续）
安全区示警
1. 工作原理
光电三极管的工作分为两过程： 一是光电转换；二是光电流放大。
集电极输出的电流为
透明度测量、控制
质量检测
光电开关应用（续）
加工控制
光电开关应用（续）
机械手定位
光电开关应用（续）
商标方向检测
光电断续器的应用（续）
当工件 经过光电断 续器时，接 收器即产生 一个计数脉 冲。
光电传感器的其他用途（续）
电梯自动运行 条件判断
光电计数电路举例
光电三极管
光电三极管与普通半导体三极管一样有两种基本结 构，NPN结构与PNP结构。用N型硅材料为衬底制作的 NPN 结构，称为 3DU型；用P型硅材料为衬底制作的称为PNP 结构，称为3CU型。
光电二极管 根据基底不同可 分为以P型硅为衬 底的2DU型与以N 型硅为衬底的2CU 型两种结构形式。 如图示为2DU型光 电二极管的原理 结构图。
第三章 半导体光电检测器件及应用一
光电信号检测
4）光敏电阻的温度特性很复杂，电阻温度系数 有正有负，一般说，光敏电阻不适于在高温下 使用，温度高时输出将明显减小，甚至无输出。 5）光敏电阻频带宽度都比较窄，在室温下只有 少数品种能超过1000Hz，而且光电增益与带宽 之积为一常量，如要求带宽较宽，必须以牺牲 灵敏度为代价。 6）设计负载电阻时，应考虑到光敏电阻的额定 功耗，负载电阻值不能很小。 7）进行动态设计时，应意识到光敏电阻的前历 效应。
光电信号检测
表 3-1 几种光敏电阻的特性参数
光电信号检测
(6)噪声特性 1）热噪声 由于光敏电阻内载流子热运动产生的噪声 称为热噪声，又称为约翰逊（Johson）噪 声。
INJ
2
4kT f 4kT f (f) Rd (1 ) f Rd
光电信号检测
7)．前历效应 前历效应是指光敏电阻的时间特性与工作前 “历史”有关的一种现象。前历效应有暗态前 历与亮态前历之分。
暗态前历效应是指光敏电阻测试或工作前处
于暗态，当它突然受到光照后表现为暗态前历 越长，光电流上升越慢，其效应曲线如下图所 示。一般，工作电压越低，光照度越低，则暗 态前历效应就越重。
光电信号检测
硫化镉光敏电阻的暗态前历效应曲线 1 黑暗放置3分钟后 2 黑暗放置60分钟后 3 黑暗放置24小时后
光电信号检测
亮态前历效应是指光敏电阻测试或工作前已
处于亮态，当照度与工作时所要达到的照度不 同时，所出现的一种滞后现象，其效应曲线如 下图所示。一般，亮电阻由高照度状态变为低 照度状态达到稳定值时所需的时间要比由低照 度状态变为高照度状态时短。
0 .4 0 0 .3 5 0 .3 0 0 .2 5 0 .2 0 0 .1 5 0 .1 0 0 .0 5 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0 1 .2 1 .4
4）光敏电阻的温度特性很复杂，电阻温度系数 有正有负，一般说，光敏电阻不适于在高温下 使用，温度高时输出将明显减小，甚至无输出。 5）光敏电阻频带宽度都比较窄，在室温下只有 少数品种能超过1000Hz，而且光电增益与带宽 之积为一常量，如要求带宽较宽，必须以牺牲 灵敏度为代价。 6）设计负载电阻时，应考虑到光敏电阻的额定 功耗，负载电阻值不能很小。 7）进行动态设计时，应意识到光敏电阻的前历 效应。
光电信号检测
表 3-1 几种光敏电阻的特性参数
光电信号检测
(6)噪声特性 1）热噪声 由于光敏电阻内载流子热运动产生的噪声 称为热噪声，又称为约翰逊（Johson）噪 声。
INJ
2
4kT f 4kT f (f) Rd (1 ) f Rd
光电信号检测
7)．前历效应 前历效应是指光敏电阻的时间特性与工作前 “历史”有关的一种现象。前历效应有暗态前 历与亮态前历之分。
暗态前历效应是指光敏电阻测试或工作前处
于暗态，当它突然受到光照后表现为暗态前历 越长，光电流上升越慢，其效应曲线如下图所 示。一般，工作电压越低，光照度越低，则暗 态前历效应就越重。
光电信号检测
硫化镉光敏电阻的暗态前历效应曲线 1 黑暗放置3分钟后 2 黑暗放置60分钟后 3 黑暗放置24小时后
光电信号检测
亮态前历效应是指光敏电阻测试或工作前已
处于亮态，当照度与工作时所要达到的照度不 同时，所出现的一种滞后现象，其效应曲线如 下图所示。一般，亮电阻由高照度状态变为低 照度状态达到稳定值时所需的时间要比由低照 度状态变为高照度状态时短。
0 .4 0 0 .3 5 0 .3 0 0 .2 5 0 .2 0 0 .1 5 0 .1 0 0 .0 5 0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0 1 .2 1 .4
第三章_光电检测技术常用器件及应用
3）频率特性
下图是硅光电池的频率特性曲线。
由图可见，负载大时频率特性变差，减小负载可 减小时间常数τ，提高频响。但是负载电阻RL的减 小会使输出电压降低，实际使用时视具体要求而 定。（为什么？）
4）温度特性
光电池的温度特性曲线主要指光照射时它的开路电压Voc与短
路电流Isc随温度变化的情况。光电池的温度曲线如下图所示。 它的开路电压VOC随着温度的升高而减小，其值约为2～3mV／oC；
为便于透光和减 小串联电阻 (a)结构示意图 (b)符号 （c）电极结构
工作原理如下图所示
硅光电池的电流方程
I L I p I D I p I0(eqV / kT 1)
3 光电池的特性参数
1)伏安特性
光照特性主要有伏安特性、照度-电流电压特性和照度-负载特性。 硅光电池的伏安特性，表示输出电流和电压随负载电阻变化的曲线。
真空摄像管 变像管
像增强管
光电检测器件的特点
光子器件 热电器件
响应波长有选择性，一般有截 响应波长无选择性，对可见光 止波长，超 过该波长，器件 到远红外的各种波长的辐射同 无响应。 样敏感
响应快，吸收辐射产生信号需 响应慢，一般为几毫秒 要的时间短， 一般为纳秒到 几百微秒
3.1 光敏电阻
光生伏特效应是少数载流子导电的光电效应， 而光电导效应是多数载流子导电的光电效应。
3.2.1 光电池
光电池是一种不需加偏压就能把光能直接转 换 成电能的p-n结光电器件。 按光电池的用途可分为两类：即太阳能光电池 和测量光电池 光电池的基本结构就是一个p-n结，由于制作pn结的材料不同，目前有硒光电池、硅光电池、 砷化镓光电池和锗光电池。
68
光敏电阻的应用-----火焰检测报警器
光电检测技术与应用-3光电检测器件的工作原理
辐射度的基本物理量
• 辐射能Qe ：一种以电磁波的形式发射、传播 或接受的能量。单位：焦耳[J] • 辐射通量Φe：单位时间内通过一定面积发射、 传播或接受的能量，又称辐射功率Pe，是辐 射能的时间变化率。单位：瓦［Ｗ］ • 辐射强度Ｉe：点辐射源在给定方向上通过单 位立体角内的辐射通量。单位：［W/Sr］
电场、光照、光电流
二、光电效应
光电导的弛豫
光照射到样品后，光 电导逐渐增加，光照停止， 光电导在一段时间内逐渐 消失。 反应了光电导对光强 变化反应的快慢。 弛豫特性限制了器件 对调制频率高的光功率的
响应。
矩形脉冲光照下光电导弛豫过程
二、光电效应
光电导的增益
光电导增益是表征光电导器件特性的一个重要参数。
非平衡载流子的产生
• 光注入：用光照使得半导体内部产生非平衡载流子。 • 当光子的能量大于半导体的禁带宽度时，光子就能把 价带电子激发到导带上去，产生电子－空穴对，使导 带比平衡时多出一部分电子，价带比平衡时多出一部 分空穴。
• 产生的非平衡电子浓度等于价带非平衡空穴浓度。 • 光注入产生非平衡载流子，导致半导体电导率增 加。
• 导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变 化。（纯净Si在室温下电导率为5*10-6/(欧姆•厘米)。掺入
硅原子数百万分之一的杂质时，电导率为2 /(欧姆•厘米))
• 半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影 响。
本征和杂质半导体
• 本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体。 • 在绝对零度时，价带中的全部量子态都被电子占据， 而导带中的量子态全部空着。 • 在纯净的半导体中掺入一定的杂质，可以显著地控制 半导体的导电性质。 • 掺入的杂质可以分为施主杂质和受主杂质。 • 施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子， 同时向导带提供电子，使半导体成为电子导电的n型半 导体。 • 受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子， 同时向价带提供空穴，使半导体成为空穴导电的p型半 导体。
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第三章光电检测技术常用器件及应用
1. 发光光谱
LED的特性参数
LED的发光光谱指LED 发出光的相对强度(或能量) 随波长(或频率)变化的分布 曲线。它直接决定着发光二 极管的发光颜色
Δλ Δλ
第三章光电检测技术常用器件及应用
2、发光效率
发光二极管发射的光通量与输人电能之比表 示发光效率，单位lm/W；也有把光强度与注入 电流之比称为发光效率，单位为cd／A（坎/安）。
激励出电子和离子，气体变成导电体。当离子向阴
极，电子向阳极运动时，从电场中获得能量，使内
层电子跃迁到高能级，引起原子的激发，紫外辐射。气
体放电光源有辉光放电灯、弧光放电灯、高频放电
灯等
第三章光电检测技术常用器件及应用
第三章光电检测技术常用器件及应用
发光二极管的基本工作原理与特性
第三章光电检测技术常用器件及应用
发光二极管的发光机理
发光二极管 （即LED）是一种 注入电致发光器件， 它由P型和 N型半 导体组合而成。其 发光机理常分为PN 结注入发光与异质 结注入发光两种。
第三章光电检测技术常用器件及应用
1. PN结注入发光
1、制作半导体发光二极管的材料是掺杂的，热平衡 状态下的N区很多自由电子，P区有很多多空穴。 2、当加以正向电压时，N区导带中的电子可越过PN 结的势垒进入P区。P区的空穴也向N区扩散 3、于是电子与空穴有机会相遇，复合发光。由于空 穴迁移率低于自由电子，则复合发光主要发生在p区。 光的颜色（波长）决定于材料禁带宽度Eg，光的强 弱与电流有关
第三章光电检测技术常用器件及应用
4. 寿命
发光二极管的寿命定义为亮度降低到原有亮 度一半时所经历的时间。二极管的寿命一般都很 长，在电流密度小于lA/cm2时，一般可达106h，最 长可达109h。随着工作时间的加长，亮度下降的 现象叫老化。电流密度大，老化快。
第三章光电检测技术常用器件及应用
LED特点
光电测量中的常用光源
根据光谱宽度，可将光源分为相干光源和非相干光源
相干光源 ： 激光（气体、固体、半导体） 非相干光源：除了激光之外的其他光源 1、热辐射光源 （白炽灯，太阳光 等） 2、气体放电光源（汞灯、脉冲氙灯等） 3、固体发光光源（LED发光二极管）
第三章光电检测技术常用器件及应用
白炽灯
LCD 液晶屏是 Liquid Crystal Display 的简称，LCD 的 构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中 间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状 水晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面。 LED显示器与LCD显示器相比，LED在亮度、功耗、可视角 度和刷新速率等方面，都更具优势。LED与LCD的功耗比大 约为1:10，而且更高的刷新速率使得LED在视频方面有更 好的性能表现，能提供宽达160°的视角。有机LED显示屏 的单个元素反应速度是LCD液晶屏的1000倍，在强光下也 可以照看不误，并且适应零下40度的低温。利用LED技术， 可以制造出比LCD更薄、更亮、更清晰的显示器，拥有广泛 的应用前景。 LED的分辨率一般较低，价格也比较昂贵，因为集成度更高。
第三章光电检测技术常用器件及应用
2.照明
1998年发白光的LED开发成功。高效节能超长寿命：以相 同亮度比较，3W的LED节能灯333小时耗1度电，而普 通60W白炽灯17小时耗1度电，普通5W节能灯200小 时耗1度电。CREE公司实验室最高光效已达260lm/W， 而市面上的单颗大功率LED也已经突破100lm/W。绿色 环保：不含汞和氙等有害元素。
白炽灯利用热辐射发出可见光的电 光源。 在灯泡内充入卤钨循环剂（如氯化 碘、溴化硼等），可以形成卤钨循 环，就构成了卤钨灯。卤钨灯的工 作温度为3200K，光效为 30lm/W。
第三章光电检测技术常用器件及应用
卤钨灯
气体放电光源
利用气体放电原理制成的光 源称为气体放电光源。
制作时在灯中充入发光用的气体，在电场作用下
第三章 光电检测技术常用器件及应用
第三章光电检测技术常用器件及应用
1、光电器件的类型与特点
2、光电检测器件的特性参数
3、光电导器件---光敏电阻
主要内容
4、光生伏特效应------光电池 、光电二极管、光电三极管等
5、发光器件及耦合器件
6、光电发射效应---光电管、光电倍增管等 7、第三光章光热电检效测技术应常用-器-件--及热应用敏电阻、热电偶
LCD
LCD 液晶屏是 Liquid Crystal Display 的简称， LCD 的构造是在 两片平行的玻璃 当中放置液态的 晶体，两片玻璃 中间有许多垂直 和水平的细小电 线，透过通电与 否来控制杆状水 晶分子改变方向， 将光线折射出来 产生画面。
第三章光电检测技术常用器件及应用
LED与LCD比较
发光二极管（LED-Light Emitting Diode ）是一种固态发 光，是利用半导体或类似结构把电能转换成光能的元件，属 于低场下的注入式电致发光。
第三章光电检测技术常用器件及应用
发展史
1907年首次发现半导体二极管在正向偏置的情况下 发光。 1923年，由Losev在产生p-n结的SiC中发现注入 式电致发光 60年代末，LED得到迅速发展 1964年，Gvimmeiss和Scholz以GaP间接带材 料隙得到橙、黄、绿的LED 70年代末，人们开始用发光二极管作为数码显示器 和图像显示器。
第三章光电检测技术常用器件及应用
第三章光电检测技术常用器件及应用
第三章光电检测技术常用器件及应用
第三章光电检测技术常用器件及应用
3、数字、文字以及图像显示
七段式数码管 14划字码管 文字显示器的内部接线
第三章光电检测技术常用器件及应用
4、显示器
彩色大面积显示设备，如电子商标及大屏幕显示
第三章光电检测技术常用器件及应用
1、 LED辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角较大。 2、 LED的发光颜色丰富，通过选用不同的材料，可以实 现各种发光颜色。如采用GaP:ZnO或GaAaP材料的红色 LED，GaAaP材料的橙色、黄色LED，以及GaN蓝色LED 等。 3、LED的辉度高。随着各种颜色LED辉度的迅速提高，即 使在日光下，由LED发出的光也能视认。 4、LED的单元体积小。再加上低电压、低电流驱动的特点， 可作为电子仪器设备、家用电器的指示灯、信号灯的使用。 5、寿命长，基本上不需要维修。可作为地板、马路、广场 地面的信号光源，是一个新的应用领域。
发光效率对比： 白炽灯 9lm/w 日光灯 40lm/w LED 60lm/w
第三章光电检测技术常用器件及应用
3. 时间响应
亮度
1 0.9
0.1
tr
t tf
响应时间指器件启亮(上升)与熄灭(衰减)时间的延迟。实验 证明，二极管的上升时间随电流的增加而近似呈指数衰减。 它的响应时间一般是很短的，如GaAs1-xPx仅为几个ns， GaP约为100ns。
1. 发光光谱
LED的特性参数
LED的发光光谱指LED 发出光的相对强度(或能量) 随波长(或频率)变化的分布 曲线。它直接决定着发光二 极管的发光颜色
Δλ Δλ
第三章光电检测技术常用器件及应用
2、发光效率
发光二极管发射的光通量与输人电能之比表 示发光效率，单位lm/W；也有把光强度与注入 电流之比称为发光效率，单位为cd／A（坎/安）。
激励出电子和离子，气体变成导电体。当离子向阴
极，电子向阳极运动时，从电场中获得能量，使内
层电子跃迁到高能级，引起原子的激发，紫外辐射。气
体放电光源有辉光放电灯、弧光放电灯、高频放电
灯等
第三章光电检测技术常用器件及应用
第三章光电检测技术常用器件及应用
发光二极管的基本工作原理与特性
第三章光电检测技术常用器件及应用
发光二极管的发光机理
发光二极管 （即LED）是一种 注入电致发光器件， 它由P型和 N型半 导体组合而成。其 发光机理常分为PN 结注入发光与异质 结注入发光两种。
第三章光电检测技术常用器件及应用
1. PN结注入发光
1、制作半导体发光二极管的材料是掺杂的，热平衡 状态下的N区很多自由电子，P区有很多多空穴。 2、当加以正向电压时，N区导带中的电子可越过PN 结的势垒进入P区。P区的空穴也向N区扩散 3、于是电子与空穴有机会相遇，复合发光。由于空 穴迁移率低于自由电子，则复合发光主要发生在p区。 光的颜色（波长）决定于材料禁带宽度Eg，光的强 弱与电流有关
第三章光电检测技术常用器件及应用
4. 寿命
发光二极管的寿命定义为亮度降低到原有亮 度一半时所经历的时间。二极管的寿命一般都很 长，在电流密度小于lA/cm2时，一般可达106h，最 长可达109h。随着工作时间的加长，亮度下降的 现象叫老化。电流密度大，老化快。
第三章光电检测技术常用器件及应用
LED特点
光电测量中的常用光源
根据光谱宽度，可将光源分为相干光源和非相干光源
相干光源 ： 激光（气体、固体、半导体） 非相干光源：除了激光之外的其他光源 1、热辐射光源 （白炽灯，太阳光 等） 2、气体放电光源（汞灯、脉冲氙灯等） 3、固体发光光源（LED发光二极管）
第三章光电检测技术常用器件及应用
白炽灯
LCD 液晶屏是 Liquid Crystal Display 的简称，LCD 的 构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中 间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状 水晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面。 LED显示器与LCD显示器相比，LED在亮度、功耗、可视角 度和刷新速率等方面，都更具优势。LED与LCD的功耗比大 约为1:10，而且更高的刷新速率使得LED在视频方面有更 好的性能表现，能提供宽达160°的视角。有机LED显示屏 的单个元素反应速度是LCD液晶屏的1000倍，在强光下也 可以照看不误，并且适应零下40度的低温。利用LED技术， 可以制造出比LCD更薄、更亮、更清晰的显示器，拥有广泛 的应用前景。 LED的分辨率一般较低，价格也比较昂贵，因为集成度更高。
第三章光电检测技术常用器件及应用
2.照明
1998年发白光的LED开发成功。高效节能超长寿命：以相 同亮度比较，3W的LED节能灯333小时耗1度电，而普 通60W白炽灯17小时耗1度电，普通5W节能灯200小 时耗1度电。CREE公司实验室最高光效已达260lm/W， 而市面上的单颗大功率LED也已经突破100lm/W。绿色 环保：不含汞和氙等有害元素。
白炽灯利用热辐射发出可见光的电 光源。 在灯泡内充入卤钨循环剂（如氯化 碘、溴化硼等），可以形成卤钨循 环，就构成了卤钨灯。卤钨灯的工 作温度为3200K，光效为 30lm/W。
第三章光电检测技术常用器件及应用
卤钨灯
气体放电光源
利用气体放电原理制成的光 源称为气体放电光源。
制作时在灯中充入发光用的气体，在电场作用下
第三章 光电检测技术常用器件及应用
第三章光电检测技术常用器件及应用
1、光电器件的类型与特点
2、光电检测器件的特性参数
3、光电导器件---光敏电阻
主要内容
4、光生伏特效应------光电池 、光电二极管、光电三极管等
5、发光器件及耦合器件
6、光电发射效应---光电管、光电倍增管等 7、第三光章光热电检效测技术应常用-器-件--及热应用敏电阻、热电偶
LCD
LCD 液晶屏是 Liquid Crystal Display 的简称， LCD 的构造是在 两片平行的玻璃 当中放置液态的 晶体，两片玻璃 中间有许多垂直 和水平的细小电 线，透过通电与 否来控制杆状水 晶分子改变方向， 将光线折射出来 产生画面。
第三章光电检测技术常用器件及应用
LED与LCD比较
发光二极管（LED-Light Emitting Diode ）是一种固态发 光，是利用半导体或类似结构把电能转换成光能的元件，属 于低场下的注入式电致发光。
第三章光电检测技术常用器件及应用
发展史
1907年首次发现半导体二极管在正向偏置的情况下 发光。 1923年，由Losev在产生p-n结的SiC中发现注入 式电致发光 60年代末，LED得到迅速发展 1964年，Gvimmeiss和Scholz以GaP间接带材 料隙得到橙、黄、绿的LED 70年代末，人们开始用发光二极管作为数码显示器 和图像显示器。
第三章光电检测技术常用器件及应用
第三章光电检测技术常用器件及应用
第三章光电检测技术常用器件及应用
第三章光电检测技术常用器件及应用
3、数字、文字以及图像显示
七段式数码管 14划字码管 文字显示器的内部接线
第三章光电检测技术常用器件及应用
4、显示器
彩色大面积显示设备，如电子商标及大屏幕显示
第三章光电检测技术常用器件及应用
1、 LED辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角较大。 2、 LED的发光颜色丰富，通过选用不同的材料，可以实 现各种发光颜色。如采用GaP:ZnO或GaAaP材料的红色 LED，GaAaP材料的橙色、黄色LED，以及GaN蓝色LED 等。 3、LED的辉度高。随着各种颜色LED辉度的迅速提高，即 使在日光下，由LED发出的光也能视认。 4、LED的单元体积小。再加上低电压、低电流驱动的特点， 可作为电子仪器设备、家用电器的指示灯、信号灯的使用。 5、寿命长，基本上不需要维修。可作为地板、马路、广场 地面的信号光源，是一个新的应用领域。
发光效率对比： 白炽灯 9lm/w 日光灯 40lm/w LED 60lm/w
第三章光电检测技术常用器件及应用
3. 时间响应
亮度
1 0.9
0.1
tr
t tf
响应时间指器件启亮(上升)与熄灭(衰减)时间的延迟。实验 证明，二极管的上升时间随电流的增加而近似呈指数衰减。 它的响应时间一般是很短的，如GaAs1-xPx仅为几个ns， GaP约为100ns。