光电测试技术 (2)PPT讲稿.ppt

光电测试技术第1页，共105页，编辑于2022年，星期四第四章 光电测试常用器件第2页，共105页，编辑于2022年，星期四n n光电器件的类型与特点光电器件的类型与特点光电器件的类型与特点光电器件的类型与特点n n光电器件的基本特性参数光电器件的基本特性参数光电器件的基本特性参数光电器件的基本特性参数n n半导体光电器件半导体光电器件半导体光电器件半导体光电器件l l光电导器件光电导器件光电导器件光电导器件光敏电阻光敏电阻光敏电阻光敏电阻l l光伏器件光伏器件光伏器件光伏器件n n光电池光电池光电池光电池n n光电二极管光电二极管光电二极管光电二极管/三极管三极管三极管三极管n n真空光电器件真空光电器件真空光电器件真空光电器件l l光电管光电管光电管光电管l l光电倍增管光电倍增管光电倍增管光电倍增管n n热电检测器件热电检测器件热电检测器件热电检测器件l l热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻l l热电偶和热电堆热电偶和热电堆热电偶和热电堆热电偶和热电堆l l热释电探测器件热释电探测器件热释电探测器件热释电探测器件第3页，共105页，编辑于2022年，星期四1光电器件的类型与特点光电器件的类型与特点n n光电效应光电效应：光照射到物体表面上使物体光照射到物体表面上使物体的电学特性发生变化的电学特性发生变化n n光电子发射光电子发射：物体受光照后向外发射电子物体受光照后向外发射电子多发生于金属和金属氧化物多发生于金属和金属氧化物n n光电导效应光电导效应：半导体受光照后，内部产生光半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加而电生载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减少阻减少n n光生伏特效应光生伏特效应：光照在半导体光照在半导体PNPN结或金属结或金属半导体接触上时，会在半导体接触上时，会在PNPN结或金属结或金属半导体接触半导体接触的两侧产生光生电动势。的两侧产生光生电动势。第4页，共105页，编辑于2022年，星期四光电检测器件的类型光电检测器件的类型n n光电检测器件是利用物质的光电效应把光信号转换成电信号的器件.n n光电检测器件分为两大类:l l光子(光电子)检测器件l l热电检测器件不同之处：对光信号的响应无波长选择性不同之处：对光信号的响应无波长选择性第5页，共105页，编辑于2022年，星期四光电检测器件光电检测器件光电检测器件光电检测器件光子器件光子器件光子器件光子器件热电器件热电器件热电器件热电器件真空器件真空器件真空器件真空器件固体器件固体器件固体器件固体器件光电管光电倍增管真空摄像管变像管像增强管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第6页，共105页，编辑于2022年，星期四光电检测器件的特点光子器件光子器件热电器件热电器件响应波长有选择性，一般有响应波长有选择性，一般有截止波长，超截止波长，超 过该波长，器过该波长，器件无响应。件无响应。响应波长无选择性，对可见响应波长无选择性，对可见光到远红外的各种波长的辐光到远红外的各种波长的辐射同样敏感射同样敏感响应快，吸收辐射产生信号响应快，吸收辐射产生信号需要的时间短，需要的时间短，一般为纳秒一般为纳秒到几百微秒到几百微秒响应慢，一般为几毫秒响应慢，一般为几毫秒第7页，共105页，编辑于2022年，星期四3.2 3.2 器件的基本特性参数器件的基本特性参数n n响应特性n n噪声特性n n量子效率n n线性度n n工作温度第8页，共105页，编辑于2022年，星期四一、响应特性一、响应特性响应度（或称灵敏度）：是光电探测器输出信号与输入光功率之间关系的度量。描述的是光电探测器件的光电转换效率。l l响应度是随入射光波长变化而变化的l l响应度分电压响应率和电流响应率第9页，共105页，编辑于2022年，星期四n n电压响应率电压响应率 光电探测器件输出电压与入射光功率之光电探测器件输出电压与入射光功率之比比n n电流响应率电流响应率 光电探测器件输出电流与入射光功率光电探测器件输出电流与入射光功率之比之比第10页，共105页，编辑于2022年，星期四光谱响应度：即单色灵敏度 探测器在波长为的单色光照射下，输出电压或电流与入射的单色光功率之比积分响应度：检测器对各种波长光连续辐射量的反应程度第11页，共105页，编辑于2022年，星期四响应时间：响应时间是描述光电探测器对入射光响应快慢的一个参数l l上升时间：入射光照射到光电探测器后，光电探测器输出上升到稳定值所需要的时间。l l下降时间：入射光遮断后，光电探测器输出下降到稳定值所需要的时间。第12页，共105页，编辑于2022年，星期四n n表示时间响应选择性的方法：n n脉冲响应特性法 入射光亮度阶跃信号n n频率响应特性法 入射光辐射的调制频率第13页，共105页，编辑于2022年，星期四n n光电探测器响应率与入射调制频率的关系光电探测器响应率与入射调制频率的关系 为调制频率为为调制频率为f f 时的响应率时的响应率 为调制频率为零时的响应率为调制频率为零时的响应率 为时间常数（等于为时间常数（等于RCRC）频率响应：光电探测器的响应随入射光的调制频率而变化的特性称为频率响应l l由于光电探测器信号产生和消失存在着一个滞后过程，所以入射由于光电探测器信号产生和消失存在着一个滞后过程，所以入射光的调制频率对光电探测器的响应会有较大的影响。光的调制频率对光电探测器的响应会有较大的影响。第14页，共105页，编辑于2022年，星期四：上限截止频率：上限截止频率时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽返回返回第15页，共105页，编辑于2022年，星期四二、噪声特性n n在一定波长的光照下光电探测器输出的电信号并不是平直的，而是在平均值上下随机地起伏，它实质上就是物理量围绕其平均值的涨落现象。n n用均方噪声来表示噪声值大小用均方噪声来表示噪声值大小第16页，共105页，编辑于2022年，星期四n n噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的。噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的。n n由于噪声总是与有用信号混在一起，因而影响对信由于噪声总是与有用信号混在一起，因而影响对信号特别是微弱信号的正确探测。号特别是微弱信号的正确探测。n n一个光电探测系统的极限探测能力往往受探测系一个光电探测系统的极限探测能力往往受探测系统的噪声所限制。统的噪声所限制。n n所以在精密测量、通信、自动控制等领域，减小和所以在精密测量、通信、自动控制等领域，减小和消除噪声是十分重要的问题。消除噪声是十分重要的问题。第17页，共105页，编辑于2022年，星期四光电探测器常见的噪声n n热噪声n n散粒噪声n n产生-复合噪声n n1/f噪声第18页，共105页，编辑于2022年，星期四1 1、热噪声、热噪声n n或称约翰逊噪声，即载流子无规则的或称约翰逊噪声，即载流子无规则的热运动造成的噪声。热运动造成的噪声。n n导体或半导体中每一电子都携带着电导体或半导体中每一电子都携带着电子电量作随机运动子电量作随机运动(相当于微电脉冲相当于微电脉冲)，尽管其平均值为零，但瞬时电流扰动在尽管其平均值为零，但瞬时电流扰动在导体两端会产生一个均方根电压，称为导体两端会产生一个均方根电压，称为热噪声电压。热噪声电压。n n热噪声存在于任何电阻中，热噪声与热噪声存在于任何电阻中，热噪声与温度成正比，与频率无关，热噪声又温度成正比，与频率无关，热噪声又称为白噪声称为白噪声第19页，共105页，编辑于2022年，星期四2 2、散粒噪声、散粒噪声n n散粒噪声：入射到光探测器表面的光子散粒噪声：入射到光探测器表面的光子是随机的，光电子从光电阴极表面逸出是随机的，光电子从光电阴极表面逸出是随机的，是随机的，PNPN结中通过结区的载流子数结中通过结区的载流子数也是随机的。也是随机的。n n散粒噪声也是白噪声，与频率无关。散粒噪声也是白噪声，与频率无关。n n散粒噪声是光电探测器的固有特性，对散粒噪声是光电探测器的固有特性，对大多数光电探测器的研究表明：散粒噪大多数光电探测器的研究表明：散粒噪声具有支配地位。声具有支配地位。n n例如光伏器件的例如光伏器件的PNPN结势垒是产生散粒噪结势垒是产生散粒噪声的主要原因。声的主要原因。第21页，共105页，编辑于2022年，星期四3 3、产生、产生-复合噪声复合噪声n n半导体受光照，载流子不断产生-复合。n n在平衡状态时，在载流子产生和复合的平均数是一定的n n但在某一瞬间载流子的产生数和复合数是有起伏的。n n载流子浓度的起伏引起半导体电导率的起伏。第23页，共105页，编辑于2022年，星期四4 4、1/f1/f噪声噪声n n或称闪烁噪声或低频噪声。n n噪声的功率近似与频率成反比n n多数器件的1/f噪声在200300Hz以上已衰减到可忽略不计。第24页，共105页，编辑于2022年，星期四、信噪比、信噪比n n信噪比是判定噪声大小的参数。n n是负载电阻上信号功率与噪声功率之比是负载电阻上信号功率与噪声功率之比n n若用分贝（dB）表示，为第25页，共105页，编辑于2022年，星期四、噪声等效功率、噪声等效功率(NEP)(NEP)n n定义：信号功率与噪声功率比为定义：信号功率与噪声功率比为1 1（SNR=1SNR=1）时，）时，入射到探测器件上的辐射通量入射到探测器件上的辐射通量(单位为瓦单位为瓦)。n n这时，投射到探测器上的辐射功率所产生的输出电这时，投射到探测器上的辐射功率所产生的输出电压（或电流）等于探测器本身的噪声电压（或电流）压（或电流）等于探测器本身的噪声电压（或电流）n n一般一个良好的探测器件的一般一个良好的探测器件的NEPNEP约为约为1010-11-11WW。n nNEPNEP越小，噪声越小，器件的性能越好。越小，噪声越小，器件的性能越好。第26页，共105页，编辑于2022年，星期四 噪声等效功率是一个可测量的量。设入射辐射的功率为P，测得的输出电压为U0 然后除去辐射源，测得探测器的噪声电压为UN 则按比例计算，要使U0UN，的辐射功率为第27页，共105页，编辑于2022年，星期四、探测率与归一化探测率、探测率与归一化探测率探测率探测率D D定义为噪声等效功率的倒数定义为噪声等效功率的倒数经经过过分分析析，发发现现NEPNEP与与检检测测元元件件的的面面积积A Ad d和和放放大大器带宽器带宽 f f 乘积的平方根成正比乘积的平方根成正比归一化探测率归一化探测率D D*，即，即D D*与探测器的敏感面积、放大器的带宽无关。与探测器的敏感面积、放大器的带宽无关。D D*(500K,900,1)*(500K,900,1)返回第28页，共105页，编辑于2022年，星期四三、量子效率（）n n量子效率：在某一特定波长上，每秒钟内产生的量子效率：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。光电子数与入射光量子数之比。n n对理想的探测器，入射一个光量子发射一个电子，对理想的探测器，入射一个光量子发射一个电子，=1=1n n实际上，实际上，11n n量子效率是一个微观参数，量子效率愈高愈好。量子效率是一个微观参数，量子效率愈高愈好。第29页，共105页，编辑于2022年，星期四量子效率与响应度的关系量子效率与响应度的关系I/q：每秒产生的光子数P/h：每秒入射的光子数第30页，共105页，编辑于2022年，星期四四、线性度n n线性度是描述光电探测器输出信号与输入信号保持线线性度是描述光电探测器输出信号与输入信号保持线性关系的程度。性关系的程度。n n在某一范围内探测器的响应度是常数，称这个范在某一范围内探测器的响应度是常数，称这个范围为线性区。围为线性区。n n非线性误差：非线性误差：maxmax/(I/(I2 2 I I1 1)maxmax：实际实际响响应应曲曲线线与与拟拟合曲合曲线线之之间间的最大偏差；的最大偏差；I I2 2 和和 I I1 1：分：分别为线别为线性区中最小和最大响性区中最小和最大响应值应值。第31页，共105页，编辑于2022年，星期四五、工作温度n n工作温度就是指光电探测器最佳工作状态时的温度。n n光电探测器在不同温度下，性能有变化。例如，半导体光电器件的长波限和峰值例如，半导体光电器件的长波限和峰值波长会随温度而变化；热电器件的响应波长会随温度而变化；热电器件的响应度和热噪声会随温度而变化。度和热噪声会随温度而变化。第32页，共105页，编辑于2022年，星期四光电探测器的合理选择n n根据待测光信号的大小，确定探测器能输出多大的根据待测光信号的大小，确定探测器能输出多大的电信号，即探测器的动态范围电信号，即探测器的动态范围n n探测器的光谱响应范围是否同待测光信号的相对光谱探测器的光谱响应范围是否同待测光信号的相对光谱功率分布一致，及探测器和光源的光谱匹配功率分布一致，及探测器和光源的光谱匹配n n对某种探测器，能探测的极限功率或最小分辨对某种探测器，能探测的极限功率或最小分辨率是多少，即需要知道探测器的等效噪声功率，率是多少，即需要知道探测器的等效噪声功率，需要知道所产生的电信号的信噪比。需要知道所产生的电信号的信噪比。n n当测量调制或脉冲光信号时，要考虑探测器的当测量调制或脉冲光信号时，要考虑探测器的响应时间或者频率响应范围响应时间或者频率响应范围n n当测量的光信号幅值变化时，探测器输出的信当测量的光信号幅值变化时，探测器输出的信号的线性程度。号的线性程度。第33页，共105页，编辑于2022年，星期四3.3 半导体光电器件半导体光电器件n n光敏电阻光敏电阻n n光电池光电池n n光电二极管光电二极管n n光电三极管光电三极管第34页，共105页，编辑于2022年，星期四一、光敏电阻n n光敏电阻是光电导型器件。光敏电阻是光电导型器件。n n光敏电阻材料：主要是硅、锗和化合物半导光敏电阻材料：主要是硅、锗和化合物半导体，例如：硫化镉（体，例如：硫化镉（CdSCdS），锑化铟（），锑化铟（InSbInSb）等。等。n n特点：特点：l l光谱响应范围宽（特别是对于红光和红外辐射）；光谱响应范围宽（特别是对于红光和红外辐射）；l l偏置电压低，工作电流大；偏置电压低，工作电流大；l l动态范围宽，既可测强光，也可测弱光；动态范围宽，既可测强光，也可测弱光；l l光电导增益大，灵敏度高；光电导增益大，灵敏度高；l l无极性，使用方便；无极性，使用方便；l l在强光照射下，光电线性度较差在强光照射下，光电线性度较差l l光电驰豫时间较长，频率特性较差。光电驰豫时间较长，频率特性较差。第35页，共105页，编辑于2022年，星期四光敏光敏电阻电阻(LDR)(LDR)和它的和它的符号符号：符号符号第36页，共105页，编辑于2022年，星期四1.光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理n n光敏电阻结构光敏电阻结构光敏电阻结构光敏电阻结构：在一块均匀光电导体两端：在一块均匀光电导体两端：在一块均匀光电导体两端：在一块均匀光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料极引线，封装在带有窗口的金属或塑料极引线，封装在带有窗口的金属或塑料极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。（外壳内。（外壳内。（外壳内。（如图如图如图如图）n n工作机理工作机理工作机理工作机理：当接受光照的时候，光生载：当接受光照的时候，光生载：当接受光照的时候，光生载：当接受光照的时候，光生载流子迅速增加，阻值急剧减小。在外电流子迅速增加，阻值急剧减小。在外电流子迅速增加，阻值急剧减小。在外电流子迅速增加，阻值急剧减小。在外电场作用下，光生载流子沿一定方向运动，场作用下，光生载流子沿一定方向运动，场作用下，光生载流子沿一定方向运动，场作用下，光生载流子沿一定方向运动，形成电流。形成电流。形成电流。形成电流。第37页，共105页，编辑于2022年，星期四入射光入射光返回第38页，共105页，编辑于2022年，星期四本征型和杂质型光敏电阻n n本征型光敏电阻本征型光敏电阻：当入射光子的能：当入射光子的能量等于或大于半导体材料的禁带量等于或大于半导体材料的禁带宽度宽度EgEg时，激发一个电子空穴对，时，激发一个电子空穴对，在外电场的作用下，形成光电流。在外电场的作用下，形成光电流。n n杂质型光敏电阻杂质型光敏电阻：对于型半导体，：对于型半导体，当入射光子的能量等于或大于杂质电当入射光子的能量等于或大于杂质电离能离能 时，将施主能级上的电子时，将施主能级上的电子激发到导带而成为导电电子，在外激发到导带而成为导电电子，在外电场的作用下，形成光电流。电场的作用下，形成光电流。n n本征型用于可见光长波段本征型用于可见光长波段,杂质型杂质型用于红外波段。用于红外波段。价带导带电子空穴Eg价带导带电子空穴施主第39页，共105页，编辑于2022年，星期四光电导与光电流n n光敏电阻两端加电压（直流或交流）无光照时，光敏电阻两端加电压（直流或交流）无光照时，阻值（阻值（暗电阻暗电阻）很大，电流（）很大，电流（暗电流暗电流）很小；光照）很小；光照时，光生载流子迅速增加，阻值（时，光生载流子迅速增加，阻值（亮电阻亮电阻）急剧减少）急剧减少在外场作用下，光生载流子沿一定方向运动，形在外场作用下，光生载流子沿一定方向运动，形成光电流（成光电流（亮电流亮电流）。）。n n光电流：亮电流和暗电流之差；光电流：亮电流和暗电流之差；I I光光 =I IL L -I -Id dn n光电导：亮电流和暗电流之差；光电导：亮电流和暗电流之差；g g =g gL L -g -gd d第40页，共105页，编辑于2022年，星期四n n光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是说暗电流要小，亮电流要大，这样光敏电阻的灵敏度就高。n n光电流与光照强度电阻结构的关系。第41页，共105页，编辑于2022年，星期四n n无光照，暗电导率无光照，暗电导率n n光照下电导率光照下电导率 第42页，共105页，编辑于2022年，星期四n n附加光电导率附加光电导率附加光电导率附加光电导率,简称光电导简称光电导简称光电导简称光电导n n光电导相对值光电导相对值光电导相对值光电导相对值n n要制成附加光电导相对值高的光敏电阻应要制成附加光电导相对值高的光敏电阻应要制成附加光电导相对值高的光敏电阻应要制成附加光电导相对值高的光敏电阻应使使使使p p0 0和和和和n n0 0小，因此光敏电阻一般采用禁带小，因此光敏电阻一般采用禁带小，因此光敏电阻一般采用禁带小，因此光敏电阻一般采用禁带宽度大的材料或在低温下使用。宽度大的材料或在低温下使用。宽度大的材料或在低温下使用。宽度大的材料或在低温下使用。第43页，共105页，编辑于2022年，星期四n n当光照稳定时，光生载流子的浓度为n n无光照时，光敏电阻的暗电流为n n光照时，光敏电阻的光电流为第44页，共105页，编辑于2022年，星期四光敏电阻的工作特性光敏电阻的工作特性n n光电特性光电特性n n伏安特性伏安特性n n时间响应和频率特性时间响应和频率特性n n温度特性温度特性第45页，共105页，编辑于2022年，星期四n n光电特性：光电流与入射光照度的关系光电特性：光电流与入射光照度的关系：(1)(1)弱光时，弱光时，弱光时，弱光时，=1=1，光电流与照度成线性关系，光电流与照度成线性关系，光电流与照度成线性关系，光电流与照度成线性关系(2)(2)强光时，强光时，强光时，强光时，=0=0.5.5，光电流与照度成抛物线，光电流与照度成抛物线，光电流与照度成抛物线，光电流与照度成抛物线光照增强的同时，载流子浓度不断的增加，同时光敏电阻光照增强的同时，载流子浓度不断的增加，同时光敏电阻光照增强的同时，载流子浓度不断的增加，同时光敏电阻光照增强的同时，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，因此复合几的温度也在升高，从而导致载流子运动加剧，因此复合几的温度也在升高，从而导致载流子运动加剧，因此复合几的温度也在升高，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）率也增大，光电流呈饱和趋势。（冷却可以改善）率也增大，光电流呈饱和趋势。（冷却可以改善）率也增大，光电流呈饱和趋势。（冷却可以改善）光敏电阻的光电特性第46页，共105页，编辑于2022年，星期四在弱光照下，光电流与E具有良好的线性关系在强光照下则为非线性关系其他光敏电阻也有类似的性质。第47页，共105页，编辑于2022年，星期四n n光电导灵敏度:光电导g与照度E之比.不同波长的光，光不同波长的光，光敏电阻的灵敏度是敏电阻的灵敏度是不同的。不同的。在选用光电器件时在选用光电器件时必须充分考虑到这必须充分考虑到这种特性。种特性。第48页，共105页，编辑于2022年，星期四n n光电导增益光电导增益反比于电极间距的平方。光电导增益反比于电极间距的平方。n n量子效率：光电流与入射光子流之比。第49页，共105页，编辑于2022年，星期四伏安特性伏安特性n n在一定的光照下，光敏电阻的光在一定的光照下，光敏电阻的光电流与所加的电压关系电流与所加的电压关系n n光敏电阻是一个纯电阻，因此符光敏电阻是一个纯电阻，因此符合欧姆定律，其伏安特性曲线为合欧姆定律，其伏安特性曲线为直线。直线。n n不同光照度对应不同直线不同光照度对应不同直线第50页，共105页，编辑于2022年，星期四受耗散功率的限制，在使用时，光敏电阻两端的电压不能超过最高工作电压，图中虚线为允许功耗曲线由此可确定光敏电阻正常工作电压。第51页，共105页，编辑于2022年，星期四n n光敏电阻时间常数比较大，其上限截止频率低。光敏电阻时间常数比较大，其上限截止频率低。光敏电阻时间常数比较大，其上限截止频率低。光敏电阻时间常数比较大，其上限截止频率低。只有只有只有只有PbSPbSPbSPbS光敏电阻的频率特性稍好些，可工作光敏电阻的频率特性稍好些，可工作光敏电阻的频率特性稍好些，可工作光敏电阻的频率特性稍好些，可工作到几千赫。到几千赫。到几千赫。到几千赫。频率特性第52页，共105页，编辑于2022年，星期四n n光敏电阻的时间响应特性较差光敏电阻的时间响应特性较差n n材料受光照到稳定状态，光生载流子浓度的变材料受光照到稳定状态，光生载流子浓度的变化规律：化规律：n n停止光照，光生载流子浓度的变化为停止光照，光生载流子浓度的变化为响应时间第53页，共105页，编辑于2022年，星期四光敏电阻是多数载流子导电，温度特性复杂。随着温度的升高，光光敏电阻是多数载流子导电，温度特性复杂。随着温度的升高，光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降，温度的变化也会影响光谱特性敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降，温度的变化也会影响光谱特性曲线。曲线。例如：硫化铅光敏电阻，随着温度的升高光谱响应的峰值将向短波例如：硫化铅光敏电阻，随着温度的升高光谱响应的峰值将向短波方向移动。方向移动。尤其是红外探测器要采取制冷措施尤其是红外探测器要采取制冷措施温度特性第54页，共105页，编辑于2022年，星期四前历效应n n光敏电阻时间特性与工作前“历史”有关的现象n n暗态前历n n亮态前历第55页，共105页，编辑于2022年，星期四光敏电阻参数n n使用材料使用材料：硫化镉（：硫化镉（CdSCdS），硫化铅（），硫化铅（PbSPbS），锑化），锑化铟（铟（InSbInSb），碲镉汞（），碲镉汞（HgCdTeHgCdTe），碲锡铅），碲锡铅（PbSnTePbSnTe）.n n光敏面光敏面：1-3 mm1-3 mmn n工作温度工作温度：-40 80-40 80 o oC Cn n温度系数温度系数：1 1n n极限电压极限电压：10 300V10 300Vn n耗散功率耗散功率：100 W 100 Wn n时间常数时间常数：5 50 ms5 50 msn n光谱峰值波长光谱峰值波长：因材料而不同，在可见：因材料而不同，在可见/红外远红外红外远红外n n暗电阻暗电阻：10108 8 欧姆欧姆n n亮电阻亮电阻：10104 4 欧姆欧姆第56页，共105页，编辑于2022年，星期四特性总结n n弱光照射下光电流与入射辐射通量成线性关弱光照射下光电流与入射辐射通量成线性关系系n n用于光度量测试仪器时，须对光谱特性用于光度量测试仪器时，须对光谱特性曲线进行修正，保证与人眼光谱光视效曲线进行修正，保证与人眼光谱光视效率曲线符合率曲线符合n n光谱特性与温度有关，不适合在高温下光谱特性与温度有关，不适合在高温下使用使用n n频带宽度窄频带宽度窄n n设计负载电阻应考虑到光敏电阻的额定功设计负载电阻应考虑到光敏电阻的额定功耗耗n n前历效应前历效应第57页，共105页，编辑于2022年，星期四光敏电阻的应用n n基本功能：根据自然基本功能：根据自然光的情况决定是否开光的情况决定是否开灯。灯。n n基本结构：整流滤波基本结构：整流滤波电路；光敏电阻及继电路；光敏电阻及继电器控制；触电开关电器控制；触电开关执行电路执行电路n n基本原理：光暗时，基本原理：光暗时，光敏电阻阻值很高，光敏电阻阻值很高，继电器关，灯亮；光继电器关，灯亮；光亮时，光敏电阻阻值亮时，光敏电阻阻值降低，继电器工作，降低，继电器工作，灯关。灯关。照明灯自动控制电路K220V灯常闭CdS第58页，共105页，编辑于2022年，星期四光电池n n光电池是根据光生伏特效应制成的将光光电池是根据光生伏特效应制成的将光光电池是根据光生伏特效应制成的将光光电池是根据光生伏特效应制成的将光能转换成电能的一种器件。能转换成电能的一种器件。能转换成电能的一种器件。能转换成电能的一种器件。n nPNPN结的光生伏特效应：当用适当波长的结的光生伏特效应：当用适当波长的结的光生伏特效应：当用适当波长的结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射光照射光照射光照射PNPN结时，由于内建场的作用（不加结时，由于内建场的作用（不加结时，由于内建场的作用（不加结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向外电场），光生电子拉向外电场），光生电子拉向外电场），光生电子拉向n n区，光生空穴拉区，光生空穴拉区，光生空穴拉区，光生空穴拉向向向向p p区，相当于区，相当于区，相当于区，相当于PNPN结上加一个正电压。结上加一个正电压。结上加一个正电压。结上加一个正电压。n n半导体内部产生电动势（光生电压）；半导体内部产生电动势（光生电压）；半导体内部产生电动势（光生电压）；半导体内部产生电动势（光生电压）；如将如将如将如将PNPN结短路，则会出现电流（光生电流）。结短路，则会出现电流（光生电流）。结短路，则会出现电流（光生电流）。结短路，则会出现电流（光生电流）。第59页，共105页，编辑于2022年，星期四光电池的结构特点n n光电池核心部分是一个光电池核心部分是一个光电池核心部分是一个光电池核心部分是一个PNPN结，一般作结，一般作结，一般作结，一般作成面积大的薄片状，来接收更多的入射成面积大的薄片状，来接收更多的入射成面积大的薄片状，来接收更多的入射成面积大的薄片状，来接收更多的入射光。光。光。光。n n在在在在N N型硅片上扩散型硅片上扩散型硅片上扩散型硅片上扩散P P型杂质（如硼），型杂质（如硼），型杂质（如硼），型杂质（如硼），受光面是受光面是受光面是受光面是P P型层型层型层型层n n或在或在或在或在P P型硅片上扩散型硅片上扩散型硅片上扩散型硅片上扩散N N型杂质（如磷），型杂质（如磷），型杂质（如磷），型杂质（如磷），受光面是受光面是受光面是受光面是N N型层型层型层型层第60页，共105页，编辑于2022年，星期四n n受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和保护作用透作用和保护作用透作用和保护作用透作用和保护作用n n上电极做成栅状，为了更多的光入上电极做成栅状，为了更多的光入上电极做成栅状，为了更多的光入上电极做成栅状，为了更多的光入射射射射n n由于光子入射深度有限，为使光照由于光子入射深度有限，为使光照由于光子入射深度有限，为使光照由于光子入射深度有限，为使光照到到到到PNPN结上，结上，结上，结上，实际使用的光电池制成薄实际使用的光电池制成薄实际使用的光电池制成薄实际使用的光电池制成薄P P型或薄型或薄型或薄型或薄N N型。型。型。型。第61页，共105页，编辑于2022年，星期四第62页，共105页，编辑于2022年，星期四光电池等效电路光电池等效电路第63页，共105页，编辑于2022年，星期四第64页，共105页，编辑于2022年，星期四第65页，共105页，编辑于2022年，星期四光电池的特性n n1、伏安特性、伏安特性 无光照时，光电池伏安特性曲线与无光照时，光电池伏安特性曲线与无光照时，光电池伏安特性曲线与无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导体二极管相同。普通半导体二极管相同。普通半导体二极管相同。普通半导体二极管相同。有光照时，沿电流轴方向平移，平有光照时，沿电流轴方向平移，平有光照时，沿电流轴方向平移，平有光照时，沿电流轴方向平移，平移幅度与光照度成正比。移幅度与光照度成正比。移幅度与光照度成正比。移幅度与光照度成正比。曲线与电压轴交点称为开路电压曲线与电压轴交点称为开路电压曲线与电压轴交点称为开路电压曲线与电压轴交点称为开路电压V VOCOC，与电流轴交点称为短路电流，与电流轴交点称为短路电流，与电流轴交点称为短路电流，与电流轴交点称为短路电流I ISCSC。第66页，共105页，编辑于2022年，星期四光电池伏安特性曲线光电池伏安特性曲线第67页，共105页，编辑于2022年，星期四反向电流随光照度的增加而上升反向电流随光照度的增加而上升IU照度增加照度增加第68页，共105页，编辑于2022年，星期四n n2、时间和频率响应、时间和频率响应 硅光电池频率特性好硅光电池频率特性好硅光电池频率特性好硅光电池频率特性好 硒光电池频率特性差硒光电池频率特性差硒光电池频率特性差硒光电池频率特性差 硅光电池是目前使用最广泛的光电池硅光电池是目前使用最广泛的光电池硅光电池是目前使用最广泛的光电池硅光电池是目前使用最广泛的光电池 第69页，共105页，编辑于2022年，星期四n n要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻R RL L；n n光电池面积越大则响应时间越大，因为光电池面积光电池面积越大则响应时间越大，因为光电池面积光电池面积越大则响应时间越大，因为光电池面积光电池面积越大则响应时间越大，因为光电池面积越大则结电容越大则结电容越大则结电容越大则结电容C Cj j越大，在给定负载时，时间常数就越大，在给定负载时，时间常数就越大，在给定负载时，时间常数就越大，在给定负载时，时间常数就越大，故要求短的响应时间，必须选用小面积光电越大，故要求短的响应时间，必须选用小面积光电越大，故要求短的响应时间，必须选用小面积光电越大，故要求短的响应时间，必须选用小面积光电池。池。池。池。第70页，共105页，编辑于2022年，星期四开路电压下降大约开路电压下降大约2 2 3mV/3mV/度度短路电流上升大约短路电流上升大约1010-5-5 1010-3-3mA/mA/度度n3 3、温度特性、温度特性 随着温度的上升，硅光电池的光谱响应向长波方向移动，开随着温度的上升，硅光电池的光谱响应向长波方向移动，开路电压下降，短路电流上升。光电池做探测器件时，测量仪器应路电压下降，短路电流上升。光电池做探测器件时，测量仪器应考虑温度的漂移，要进行补偿。考虑温度的漂移，要进行补偿。第71页，共105页，编辑于2022年，星期四4 4、光谱响应度、光谱响应度n n硅光电池硅光电池硅光电池硅光电池 响应波长响应波长响应波长响应波长0.4-1.10.4-1.10.4-1.10.4-1.1微米，微米，微米，微米，峰值波长峰值波长峰值波长峰值波长0.8-0.90.8-0.90.8-0.90.8-0.9微米。微米。微米。微米。n n硒光电池硒光电池硒光电池硒光电池 响应波长响应波长响应波长响应波长0.34-0.750.34-0.750.34-0.750.34-0.75微米，微米，微米，微米，峰值波长峰值波长峰值波长峰值波长0.540.540.540.54微米。微米。微米。微米。第72页，共105页，编辑于2022年，星期四5 5、光电池的光照特性、光电池的光照特性、光电池的光照特性、光电池的光照特性连接方式：开路电压输出连接方式：开路电压输出连接方式：开路电压输出连接方式：开路电压输出-(a)-(a)短路电流输出短路电流输出短路电流输出短路电流输出-(b)-(b)光光光光电电电电池池池池在在在在不不不不同同同同的的的的光光光光强强强强照照照照射射射射下下下下可可可可产产产产生生生生不不不不同同同同的的的的光光光光电电电电流流流流和和和和光光光光生生生生电电电电动势。动势。动势。动势。短路电流在很大范围内与光强成线性关系。短路电流在很大范围内与光强成线性关系。短路电流在很大范围内与光强成线性关系。短路电流在很大范围内与光强成线性关系。开开开开路路路路电电电电压压压压随随随随光光光光强强强强变变变变化化化化是是是是非非非非线线线线性性性性的的的的，并并并并且且且且当当当当照照照照度度度度在在在在2000lx2000lx时时时时趋于饱和。趋于饱和。趋于饱和。趋于饱和。第73页，共105页，编辑于2022年，星期四光照特性光照特性光照特性光照特性-开路电压输出：非线性开路电压输出：非线性开路电压输出：非线性开路电压输出：非线性(电压电压电压电压-光强光强光强光强)，灵，灵，灵，灵敏度高敏度高敏度高敏度高短路电流输出：线性好短路电流输出：线性好短路电流输出：线性好短路电流输出：线性好(电流电流电流电流-光强光强光强光强)，灵敏，灵敏，灵敏，灵敏度低度低度低度低开开开开关关关关测测测测量量量量（开开开开路路路路电电电电压压压压输输输输出出出出），线线线线性性性性检检检检测测测测（短路电流输出）（短路电流输出）（短路电流输出）（短路电流输出）第74页，共105页，编辑于2022年，星期四n n负载负载负载负载R RL L的增大线性范围也越来越小。的增大线性范围也越来越小。的增大线性范围也越来越小。的增大线性范围也越来越小。n n因此，在要求输出电流与光照度成线性关系时，负载因此，在要求输出电流与光照度成线性关系时，负载因此，在要求输出电流与光照度成线性关系时，负载因此，在要求输出电流与光照度成线性关系时，负载电阻在条件许可的情况下越小越好，并限制在适当的电阻在条件许可的情况下越小越好，并限制在适当的电阻在条件许可的情况下越小越好，并限制在适当的电阻在条件许可的情况下越小越好，并限制在适当的光照范围内使用。光照范围内使用。光照范围内使用。光照范围内使用。第75页，共105页，编辑于2022年，星期四光电池的应用n n1、光电探测器件光电探测器件光电探测器件光电探测器件 利用光电池做探测器有频率响应利用光电池做探测器有频率响应利用光电池做探测器有频率响应利用光电池做探测器有频率响应高，光电流随光照度线性变化等特点。高，光电流随光照度线性变化等特点。高，光电流随光照度线性变化等特点。高，光电流随光照度线性变化等特点。n n2 2、将太阳能转化为电能、将太阳能转化为电能、将太阳能转化为电能、将太阳能转化为电能 实际应用中，把硅