《光电检测技术》PPT课件.ppt

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1、光电综合实践目目 录录第一节第一节 绪论绪论第二节第二节 光电检测技术基础光电检测技术基础2.1 光的基本性质光的基本性质2.2 辐射与光度学量辐射与光度学量2.3 半导体基础知识半导体基础知识2.4 光电效应光电效应第三节第三节 光电检测器件光电检测器件3.1 光电器件的类型与特点光电器件的类型与特点3.2 光电器件的基本特性参数光电器件的基本特性参数3.3 半导体光电器件半导体光电器件光电导器件光电导器件:光敏电阻光敏电阻光伏器件光伏器件:光电池光电池/光电二极管光电二极管/三极管三极管3.4 真空光电器件真空光电器件光电管光电管光电倍增管光电倍增管3.5 热电检测器件热电检测器件热敏电阻

2、热敏电阻热电偶和热电堆热电偶和热电堆热释电探测器件热释电探测器件第四节第四节 发光、耦合和成像器件发光、耦合和成像器件4.1 4.1 发光二极管发光二极管4.2 4.2 激光器激光器4.3 4.3 光电耦合器件光电耦合器件4.4 CCD4.4 CCD第五节第五节 光电检测系统光电检测系统5.1 5.1 直接光电检测系统直接光电检测系统5.2 5.2 光外差光电检测系统光外差光电检测系统5.3 5.3 典型的光电检测系统典型的光电检测系统第一节 绪 论光电信息技术1、光电源器件（包括激光器）和可控光功能器件及集成2、光通信和综合信息网络3、光频微电子4、光电方法用于瞬态光学观测以光电子学为基础,

3、以光电子器件为主体,研究和发展光电信息的形成、传输、接收、变换、处理和应用。它涉及到：5、光电传感、光纤传感和图象传感、光电传感、光纤传感和图象传感6、激光、红外、微光探测，定向和制导、激光、红外、微光探测，定向和制导7、光电精密测试，在线检测和控制技术、光电精密测试，在线检测和控制技术8、混合光电信息处理、识别和图象分析（人工智能和 机器视觉）光电检测技术光电检测技术n检测与测量n光电传感器：基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种光电器件将非电量转换为与之有确定对应关系的电量输出。n光电检测技术：是利用光电传感器实现各类检测。它将被测量的量转换成光通量,再转换成电量，并综合利用信息传送和处

4、理技术，完成在线和自动测量。n光电检测系统光学变换光电变换电路处理定义：定义：被测信息：被测信息：传感器、检测仪器、检测装置、检测系统传感器、检测仪器、检测装置、检测系统全部操作：全部操作：检测过程检测过程确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作检测的基本概念检测的基本概念信号采集、信号处理、信号显示、信号输出信号采集、信号处理、信号显示、信号输出物理量（光、电、力、热、磁、声、物理量（光、电、力、热、磁、声、）被测对象：被测对象：宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体）检测器具检测器具化学量（化学量（PH、成份、成份）

5、生物量（酶、葡萄糖、生物量（酶、葡萄糖、）例：空调机测量控制室温例：空调机测量控制室温空气空气被测对象被测对象：被测信息被测信息：检测器具检测器具：操作过程操作过程：室内空气室内空气温度温度温度传感器温度传感器-热电阻、热电偶热电阻、热电偶 热敏电阻热敏电阻 电信号电信号 处理处理 显示显示空调机空调机n直接直接测量：测量：对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量的数对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量的数值。例如：值。例如：长度：直尺、游标卡尺、千分尺长度：直尺、游标卡尺、千分尺电压：万用表电压：万用表质量：天平质量：天平n间接测量：间接测量：测量几个与被测量相关的物理量，通过测量几个与被测

6、量相关的物理量，通过函数关系式计算出被测量。例如：函数关系式计算出被测量。例如：电功率：电功率：P=I*V（电流（电流/电压）电压）重力加速度：单摆测量（重力加速度：单摆测量（L：摆的线长，：摆的线长，T：摆动的周期）：摆动的周期）光电探测器的种类类 型实 例PN结PN光电二极管（Si,Ge,GaAs)PIN光电二极管（Si）雪崩光电二极管(Si,Ge)光电晶体管(Si)集成光电传感器和光电晶闸管(Si)非PN结光电元件(CdS,CdSe,Se,PbS)热电元件(PZT,LiTaO3,PbTiO3)电子管类光电管，摄像管，光电倍增管其他类色敏传感器固体图象传感器（SI，CCD/MOS/CPD型

7、）位置检测用元件（PSD）光电池光电检测系统n光电检测技术以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础，通过对载有被检测物体信号的光辐射（发射、反射、散射、衍射、折射、透射等）进行检测，即通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号。n由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用的信息，再经过A/D变换接口输入微型计算机运算、处理，最后显示或打印输出所需检测物体的几何量或物理量。光电检测系统变换电路光电传感光源光学系统被测对象光学变换电信号处理存 储显 示控 制光学变换电路处理光电检测系统n光学变换时域变换：调制振幅、频率、相位、脉宽空域变换：光学扫描光学参量调制：光强、波长、相位、偏振形成能被光电探测器接收

8、，便于后续电学处理的光学信息。n光电变换光电/热电器件（传感器）、变换电路、前置放大将信息变为能够驱动电路处理系统的电信息（电信号的放大和处理）。n电路处理放大、滤波、调制、解调、A/D、D/A、微机与接口、控制。光电检测系统与人操作功能比较光电检测系统与人操作功能比较n被测物体 感觉器官 人脑 手控 n被测物体 光电传感 微机 执行机构n光电传感部分相当于人身的感觉器官 光电检测系统的功能分类n测量检查型测量检查型:几何量几何量:长度、角度、形状、位置、形变、面积、体积、距离。运动量运动量：速度、加速度、振动表面形状表面形状：光洁度、庇病、伤痕工作过程工作过程：湿度、流量、压力、物位、PH值

9、、浓度等机械量机械量：重量、压力、应变、压强电学量电学量：电流、电压、电场、磁场光学量光学量：吸收、反射、透射、光度、色度、波长、光谱n控制跟踪型控制跟踪型跟踪控制：激光制导，红外制导数值控制：自动定位，图形加工形成，数值控制n图象分析型图象分析型图形检测图形分析一、在工业生产领域的应用一、在工业生产领域的应用在在线线检检测测：零零件件尺尺寸寸、产产品品缺缺陷陷、装装配配定定位位.现现代代工工程程装装备备中中，检检测测环环节节的的成成本本约约占占5070%光电检测技术的应用检测技术在汽车中的应用日新月异检测技术在汽车中的应用日新月异发动机：发动机：向发动机的电子控制单元（向发动机的电子控制单元

10、（ECU）提供发动机的工作状况信息，）提供发动机的工作状况信息，对发动机工作状况进行精确控制对发动机工作状况进行精确控制 温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等 汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容 普通轿车：约安装几十到近百只传感器，普通轿车：约安装几十到近百只传感器，豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。底底 盘：盘：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等控制变速器系统、悬架系统、动力转向系

11、统、制动防抱死系统等 车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温 车车 身：身：提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等 温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等 二、检测技术在日常生活中的应用二、检测技术在日常生活中的应用 家用电器：家用电器：数码相机、数码摄像机：自动对焦数码相机、数码摄像机：自动对焦-红外测距传感器红外测距传感器数字体温计：接触式数字体温计：接触式-热敏电阻，非接触式热敏电阻，非接触式-红外传感器红外传感器自动感应灯：亮度检测自

12、动感应灯：亮度检测-光敏电阻光敏电阻空调、冰箱、电饭煲：温度检测空调、冰箱、电饭煲：温度检测-热敏电阻、热电偶热敏电阻、热电偶电话、麦克风：话音转换电话、麦克风：话音转换-驻极电容传感器驻极电容传感器遥控接收：红外检测遥控接收：红外检测-光敏二极管、光敏三极管光敏二极管、光敏三极管办公商务：办公商务：可视对讲、可视电话：图像获取可视对讲、可视电话：图像获取-面阵面阵CCDCCD扫描仪：文档扫描扫描仪：文档扫描-线阵线阵CCDCCD红外传输数据：红外检测红外传输数据：红外检测-光敏二极管、光敏三极管光敏二极管、光敏三极管医疗卫生：医疗卫生：电子血压计：血压检测电子血压计：血压检测-压力传感器压力

13、传感器血糖测试仪、胆固醇检测仪血糖测试仪、胆固醇检测仪-离子传感器离子传感器三、检测技术在军事上的应三、检测技术在军事上的应用用美军研制的未来单兵作战武器美军研制的未来单兵作战武器夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术激光测距仪：可精确的定位目标。激光测距仪：可精确的定位目标。美国国家导弹防御计划美国国家导弹防御计划-NMD四、检测技术在国防领域的应用四、检测技术在国防领域的应用1.地基拦截器地基拦截器2.早期预警系统早期预警系统3.前沿部署前沿部署(如雷达）如雷达）4.管理与控制系统管理与控制系统5.卫星红外线监测系统卫星红外线监测系统监测系统监测系统:探测

14、和发现敌探测和发现敌人导弹的发射并追踪导人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道；弹的飞行轨道；拦截器：能识别真假弹拦截器：能识别真假弹头，敌友方头，敌友方“阿波罗阿波罗10”：火箭部分火箭部分-2077个传感器个传感器飞船部分飞船部分-1218个传感器个传感器检测参数检测参数-加速度、温度、压力、加速度、温度、压力、振动、流量、应变、振动、流量、应变、声学声学神州飞船：神州飞船：185台（套）仪器装置台（套）仪器装置五、检测技术在航天领域的应用五、检测技术在航天领域的应用学习本课程的目的n了解光电检测系统的基本组成，光电检测技术的特点和发展趋势。n掌握光电检测器件（传感器、光源和成像器件）的工作原理

15、及基本特性，了解它们的应用范围。n能够根据特性参数，选择合适的光电检测器件。熟悉常用器件的性能指标。n掌握了解常用光电检测技术的测量、数据采集、处理和转换的方法，了解所需的元器件、仪器和相关的接口技术。第二节第二节 光电检测技术基础光电检测技术基础n光的基本性质光的基本性质n辐射与光度学量辐射与光度学量n半导体基础知识半导体基础知识n光电效应光电效应光的基本性质光的基本性质n牛顿牛顿微粒说微粒说根据光直线传播现象，对反射和折射做了解释根据光直线传播现象，对反射和折射做了解释不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振n波动理论波动理论惠更斯、杨氏和费涅耳

16、等惠更斯、杨氏和费涅耳等解释光的干涉和衍射现象解释光的干涉和衍射现象麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波光的基本性质光的基本性质n光量子说光量子说1900年普朗克在研究黑体辐射时，提出辐射年普朗克在研究黑体辐射时，提出辐射的量子论的量子论1905年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提出光量子的概念出光量子的概念光子的能量与光的频率成正比光子的能量与光的频率成正比光具有波粒二象性光具有波粒二象性辐射度的基本物理量n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Jn辐射通量e：单位时间内通过一定面积发射、传播或接受的能量，

17、又称辐射功率Pe，是辐射能的时间变化率。单位：瓦n辐射强度e：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 辐射度的基本物理量n辐射照度Ee：投射在单位面积上的辐射通量。单位：W/m2n辐射出射度e：扩展辐射源单位面积所辐射的通量（也称辐射本领）。单位：W/m2n辐射亮度e：辐射表面定向发射的辐射强度。单位：W/m2Srn光谱辐射通量e（）：辐射通量的光谱密度，即单位波长间隔内的辐射通量。基本辐射度量的名称、符号和定义方程名称符号定义方程单位符号辐射能Q,焦耳J辐射能密度焦耳立方米Jm-3辐射通量，辐射功率瓦特W辐射强度瓦特球面度Wsr-1辐射亮度 瓦特球面度平方米Wm-2

18、sr-1辐射出射度瓦特平方米Wm-2辐射照度瓦特平方米Wm-2光度量的最基本单位n发光强度Iv：发出波长为555nm的单色辐射，在给定方向上的发光强度规定为1cd。单位：坎德拉（Candela）cd，它是国际单位制中七个基本单位之一。n光通量v：光强度为1cd的均匀点光源在1sr内发出的光通量。单位：流明lm。n光照度Ev：单位面积所接受的入射光的量，单位：勒克斯lx，相当于 1平方米面积上接受到1个流明的光通量。光度的基本物理量n光度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对应的。辐射度量下标为e，例如Qe，e，Ie，Me，Ee，光度量下标为v，Qv，v，Iv，Lv，Mv，Ev。n光度量只在可见光

19、区（nm)才有意义。n辐射度量和光度量都是波长的函数。晴天阳光直射地面照度约为100000lx晴天背阴处照度约为10000lx晴天室内北窗附近照度约为2000lx晴天室内中央照度约为200lx晴天室内角落照度约为20lx阴天室外50500lx阴天室内550lx月光（满月）2500lx日光灯5000lx电视机荧光屏100lx阅读书刊时所需的照度5060lx在40W白炽灯下1m远处的照度约为30lx晴朗月夜照度约为黑夜半导体基础知识半导体基础知识n导体、半导体和绝缘体n半导体的特性n半导体的能带结构n本征半导体与杂质半导体n平衡和非平衡载流子n载流子的输运过程n半导体的光吸收nPN结第三节 光电检

20、测器件9月月13号号 上午上午9点点 16号楼门口集合号楼门口集合 参观欧姆龙公司参观欧姆龙公司 半导体的特性n半导体电阻温度系数一般是负的，而且对温度变半导体电阻温度系数一般是负的，而且对温度变化非常敏感。根据这一特性，热电探测器件。化非常敏感。根据这一特性，热电探测器件。n导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。化。（纯净（纯净Si在室温下电导率为在室温下电导率为5*10-6/(欧姆欧姆厘米厘米)。掺。掺入硅原子数百万分之一的杂质时，电导率为入硅原子数百万分之一的杂质时，电导率为2/(欧姆欧姆厘米厘米)n半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用

21、的影半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影响。响。本征和杂质半导体n本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体。n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。n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。n掺入的杂质可以分为施主杂质和受主杂质。n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。n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。平衡和非平衡载流子n处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度一定。这种处于热平衡状态下的载流子浓度

22、，称为平衡载流子浓度。n半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。如果对半导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。n处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是平衡载流子浓度，比它们多出一部分。比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。非平衡载流子的产生n光注入光注入：用光照使得半导体内部产生非平衡载流子。n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。n产生的非平衡电子浓度等于价带非平衡空穴浓度。n光注入产生非平衡载流子，导致半导体电导率增

23、加。n其它方法其它方法：电注入、高能粒子辐照等。半导体对光的吸收n物体受光照射，一部分光被物体反射，一部分光被物体吸收，其余的光透过物体。n吸收包括：本征吸收、杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收、晶体吸收n本征吸收由于光子作用使电子由价带跃迁到导带n只有在入射光子能量大于材料的禁带宽度时，才能发生本征激发PN结n将P型和N型半导体采用特殊工艺制造成半导体半导体内有一物理界面，界面附近形成一个极薄的特殊区域，称为PN结。n是二极管、三极管、集成电路和其它结型光电器件最基本的结构单元。PN结的伏安特性曲线 对应表:光电效应n光照射到物体表面上使物体发射电子、或导光照射到物体表面上使物体发射电子、或

24、导电率发生变化、或产生光电动势等，这种因电率发生变化、或产生光电动势等，这种因光照而引起物体电学特性发生改变统称为光光照而引起物体电学特性发生改变统称为光电效应电效应n光电效应包括外光电效应和内光电效应光电效应包括外光电效应和内光电效应n外光电效应外光电效应：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多发生于金属和金属氧化物于金属和金属氧化物n内光电效应内光电效应：物体受到光照后所产生的光电子只在物：物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出物体外部质内部而不会逸出物体外部多发生在半导体多发生在半导体n内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应内光电效应又分为光电导效应和光

25、生伏特效应n光电导效应光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载流子，：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的现象使半导体中载流子数显著增加而电阻减少的现象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PN结或金属结或金属半导体接半导体接触上时，会在触上时，会在PN结或金属结或金属半导体接触的两侧产生光半导体接触的两侧产生光生电动势。生电动势。n PN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射PN结结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向向n区，光生空穴拉向区，

26、光生空穴拉向p区，相当于区，相当于PN结上加一个正电结上加一个正电压。压。n半导体内部产生电动势（光生电压）；如将半导体内部产生电动势（光生电压）；如将PN结短路，结短路，则会出现电流（光生电流）。则会出现电流（光生电流）。光热效应n光热效应：材料受光照射后，光子能量与晶格相互作用，振动加剧，温度升高，材料的性质发生变化热释电效应：介质的极化强度随温度变化而变化，引起电荷表面电荷变化的现象辐射热计效应：入射光的照射使材料由于受热而造成电阻率变化的现象温差电效应：由两种材料制成的结点出现稳差而在两结点间产生电动势，回路中产生电流n光电器件的类型与特点光电器件的类型与特点n光电器件的基本特性参数光

27、电器件的基本特性参数n半导体光电器件半导体光电器件光电导器件光电导器件光敏电阻光敏电阻光伏器件光伏器件光电池光电池光电二极管光电二极管/三极管三极管n真空光电器件真空光电器件光电管光电管光电倍增管光电倍增管n热电检测器件热电检测器件热敏电阻热敏电阻热电偶和热电堆热电偶和热电堆热释电探测器件热释电探测器件3.1 光电器件的类型与特点光电器件的类型与特点n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n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n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n光生伏特效应：光照在半导体PN结或金属半导体

28、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。光电检测器件的类型光电检测器件的类型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光电检测器件分为两大类:光子(光电子)检测器件热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热电器件热电器件真空器件真空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，一般有截止波长，超 过该波长，器件无响应。响应波长无选择性，对可见光到远红外的各种

29、波长的辐射同样敏感响应快，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3.2 3.2 器件的基本特性参数器件的基本特性参数n响应特性n噪声特性n量子效率n线性度n工作温度一、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。响应度是随入射光波长变化而变化的响应度分电压响应率和电流响应率n电压响应率 光电探测器件输出电压与入射光功率之比n电流响应率 光电探测器件输出电流与入射光功率之比光谱响应度：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

30、连续 辐射量的反应程度响应时间：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。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。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。n光电探测器响应率与入射调制频率的关系 为调制频率为f 时的响应率 为调制频率为零时的响应率 为时间常数（等于RC）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。二、量子效率（）n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

31、。n对理想的探测器，入射一个光量子发射一个电子，=1n实际上，1n量子效率是一个微观参数，量子效率愈高愈好。三、线性度n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。n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。n非线性误差：max/(I2 I1)max：实际响应曲线与拟合曲线之间的最大偏差；I2 和 I1：分别为线性区中最小和最大响应值。四、工作温度n工作温度就是指光电探测器最佳工作状态时的温度。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。3.3 半导体光电器件半导体光电器件n光敏

32、电阻光敏电阻n光电池光电池n光电二极管光电二极管n光电三极管光电三极管一、光敏电阻n光敏电阻是光电导型器件。n光敏电阻材料：主要是硅、锗和化合物半导体，例如：硫化镉（CdS），锑化铟（InSb）等。n特点：光谱响应范围宽（特别是对于红光和红外辐射）；偏置电压低，工作电流大；动态范围宽，既可测强光，也可测弱光；光电导增益大，灵敏度高；无极性，使用方便；在强光照射下，光电线性度较差光电驰豫时间较长，频率特性较差。光敏光敏电阻电阻(LDR)(LDR)和它的和它的符号符号：符号符号1.光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理n光敏电阻结构光敏电阻结构：在一块均匀光电导体两端加上：在一块均匀光电导体两端加上

33、电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。（有窗口的金属或塑料外壳内。（如图如图）n工作机理工作机理：当入射光子使半导体中的电子由价：当入射光子使半导体中的电子由价带跃迁到导带时，导带中的电子和价带中的空带跃迁到导带时，导带中的电子和价带中的空穴均参与导电，其阻值急剧减小，电导增加。穴均参与导电，其阻值急剧减小，电导增加。入射光入射光本征型和杂质型光敏电阻n本征型光敏电阻：当入射光子的能量等于或大于半导体材料的禁带宽度Eg时，激发一个电子空穴对，在外电

34、场的作用下，形成光电流。n杂质型光敏电阻：对于型半导体，当入射光子的能量等于或大于杂质电离能时，将施主能级上的电子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。n本征型用于可见光长波段,杂质型用于红外波段。价带导带电子空穴Eg价带导带电子空穴施主光电导与光电流n光敏电阻两端加电压（直流或交流）无光照时，阻值（暗电阻）很大，电流（暗电流）很小；光照时，光生载流子迅速增加，阻值（亮电阻）急剧减少在外场作用下，光生载流子沿一定方向运动，形成光电流（亮电流）。n光电流：亮电流和暗电流之差；I光 =IL -Idn光电导：亮电流和暗电流之差；g =gL -gdn光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小

35、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光电流与光照强度电阻结构的关系。光敏电阻的工作特性光敏电阻的工作特性n光电特性光电特性n伏安特性伏安特性n时间响应和频率特性时间响应和频率特性n温度特性温度特性n光电特性：光电流（I）与入射光照度（E）的关系：(1)弱光时，弱光时，=1，光电流与照度成线性关系，光电流与照度成线性关系(2)强光时，强光时，=0.5，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，因电阻的温度也在升高，从而导致载流子运动

36、加剧，因此复合几率也增大，光电流呈饱和趋势。（冷却可以此复合几率也增大，光电流呈饱和趋势。（冷却可以改善）改善）光敏电阻的光电特性在弱光照下，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。n光电导灵敏度:光电导g与照度E之比.不同波长的光，不同波长的光，光敏电阻的灵敏光敏电阻的灵敏度是不同的。度是不同的。在选用光电器件在选用光电器件时必须充分考虑时必须充分考虑到这种特性。到这种特性。伏安特性伏安特性n在一定的光照下，光敏电阻的光电流与在一定的光照下，光敏电阻的光电流与所加的电压关系所加的电压关系n光敏电阻是一个纯电阻，因此符合欧姆光敏电阻是一个纯电阻，因此符合

37、欧姆定律，其伏安特性曲线为直线。定律，其伏安特性曲线为直线。n不同光照度对应不同直线不同光照度对应不同直线受耗散功率的限制，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。n光敏电阻时间常数比较大，其上限截止频光敏电阻时间常数比较大，其上限截止频率低。只有率低。只有PbSPbS光敏电阻的频率特性稍好光敏电阻的频率特性稍好些，可工作到几千赫。些，可工作到几千赫。频率特性n光敏电阻的时间响应特性较差n材料受光照到稳定状态，光生载流子浓度的变化规律：n停止光照，光生载流子浓度的变化为响应时间光敏电阻是多数载流子导电，温度特性复杂。随着温度光敏电

38、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曲线。变化也会影响光谱特性曲线。例如：硫化铅光敏电阻，随着温度的升高光谱响应的峰例如：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。值将向短波方向移动。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光敏电阻参数n使用材料：硫化镉（CdS），硫化铅（PbS），锑化铟（InSb），碲镉汞（HgCdTe），碲锡铅（PbSnTe）.n光敏面：1-3 mmn工作温度：-40 80 oCn温度系数：1n极限电压：

39、10 300Vn耗散功率：100 Wn时间常数：5 50 msn光谱峰值波长：因材料而不同，在可见/红外远红外n暗电阻：108 欧姆n亮电阻：104 欧姆光敏电阻的应用n基本功能：根据自然光的情况决定是否开灯。n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n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。照明灯自动控制电路K220V灯常闭CdS光电池n光电池是根据光生伏特效应制成的将光能转换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。成电能的一种器件。nPN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射结的光生伏特效应：当

40、用适当波长的光照射PN结时，由于内建场的作用（不加外电场），结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向光生电子拉向n区，光生空穴拉向区，光生空穴拉向p区，相当于区，相当于PN结上加一个正电压。结上加一个正电压。n半导体内部产生电动势（光生电压）；如将半导体内部产生电动势（光生电压）；如将PN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）。光电池的结构特点n光电池核心部分是一个光电池核心部分是一个PN结，一般作成面积大结，一般作成面积大的薄片状，来接收更多的入射光。的薄片状，来接收更多的入射光。n在在N型硅片上扩散型硅片上扩散P型杂质（如硼），受光面是型杂质（如硼），

41、受光面是P型层型层n或在或在P型硅片上扩散型硅片上扩散N型杂质（如磷），受光面型杂质（如磷），受光面是是N型层型层n受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和保护作用保护作用n上电极做成栅状，为了更多的光入射上电极做成栅状，为了更多的光入射n由于光子入射深度有限，为使光照到由于光子入射深度有限，为使光照到PN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P型或薄型或薄N型。型。光电池等效电路光电池等效电路光电池的特性n1、伏安特性、伏安特性 无光照时，光电池伏安特性曲线与普通无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导体二极管相同。半导体二极管相同。有

42、光照时，沿电流轴方向平移，平移幅有光照时，沿电流轴方向平移，平移幅度与光照度成正比。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VOC，与电流轴交点称为短路电流与电流轴交点称为短路电流ISC。光电池伏安特性曲线光电池伏安特性曲线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 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 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RL

43、；n光电池面积越大则响应时间越大，因为光电池面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积越大则结电容Cj越大，在给定负载时，时间常数越大，在给定负载时，时间常数就越大，故要求短的响应时间，必须选用小面积就越大，故要求短的响应时间，必须选用小面积光电池。光电池。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，动，开路

44、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。测量仪器应考虑温度的漂移，要进行补偿。4 4、光谱响应度、光谱响应度n硅光电池硅光电池 响应波长微米，响应波长微米，峰值波长微米。峰值波长微米。n硒光电池硒光电池 响应波长微米，响应波长微米，峰值波长微米。峰值波长微米。5、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-(a)短路电流输出短路电流输出-(b)光光电电池池在在不不同同的的光光强强照照射射下下可可产产生生不不同同的的光光电电流流和和光光生电动势。生电动势。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

45、成线性关系。开开路路电电压压随随光光强强变变化化是是非非线线性性的的，并并且且当当照照度度在在2000lx时趋于饱和。时趋于饱和。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(电压电压-光强光强)，灵敏度高，灵敏度高短路电流输出：线性好短路电流输出：线性好(电流电流-光强光强)，灵敏度低，灵敏度低开开关关测测量量（开开路路电电压压输输出出），线线性性检检测测（短短路路电电流流输输出）出）n负载负载RL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因此，在要求输出电流与光照度成线性关系时，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，并限负载

46、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。制在适当的光照范围内使用。光电池的应用n1、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高，光电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。流随光照度线性变化等特点。n2、将太阳能转化为电能将太阳能转化为电能 实际应用中，把硅光电池经串联、并联组实际应用中，把硅光电池经串联、并联组成电池组。成电池组。硅太阳能电池n硅太阳能电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能硅太阳能电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池。电池、非晶硅太阳能电池。n单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率为单晶硅太阳

47、能电池在实验室里最高的转换效率为23%,23%,而规模生产的单晶硅太阳能电池而规模生产的单晶硅太阳能电池,其效率为其效率为15%15%。n多晶硅半导体材料的价格比较低廉多晶硅半导体材料的价格比较低廉,但是由于它存在着但是由于它存在着较多的晶粒间界而有较多的弱点。多晶硅太阳能电池较多的晶粒间界而有较多的弱点。多晶硅太阳能电池的实验室最高转换效率为的实验室最高转换效率为18%,18%,工业规模生产的转换效工业规模生产的转换效率为率为10%10%。非晶硅太阳能电池n非晶硅薄膜太阳能电池组件的制造采用薄膜工艺非晶硅薄膜太阳能电池组件的制造采用薄膜工艺,具有具有较多的优点较多的优点,例如例如:沉积温度低

48、、衬底材料价格较低廉沉积温度低、衬底材料价格较低廉,能够实现大面积沉积。能够实现大面积沉积。n非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大,是单晶硅的是单晶硅的40倍倍,1微米厚的非晶硅薄膜微米厚的非晶硅薄膜,可以吸引大约可以吸引大约90%有用的太阳有用的太阳光能。光能。n非晶硅太阳能电池的稳定性较差非晶硅太阳能电池的稳定性较差,从而影响了它的迅速从而影响了它的迅速发展发展。GaAs 化合物太阳能电池化合物太阳能电池nGa是其它产品的副产品是其它产品的副产品,非常稀少珍贵非常稀少珍贵;As 不是稀有不是稀有元素元素,有毒。有毒。nGaAs化合物材料尤其适用于制造高效电池和多

49、结电化合物材料尤其适用于制造高效电池和多结电池池,这是由于这是由于GaAs具有十分理想的光学带隙以及较具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率。高的吸收效率。nGaAs 化合物太阳能电池虽然具有诸多优点化合物太阳能电池虽然具有诸多优点,但是但是GaAs材料的价格不菲材料的价格不菲,因而在很大程度上限制了用因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。电池的普及。光敏二极管结构光敏二极管结构n光敏二极管与普通二极管一样有一个光敏二极管与普通二极管一样有一个PN结，属于结，属于单向导电性的非线形元件。外形不同之处是在光电单向导电性的非线形元件。外形不同之处是在光电二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收

50、光线照射，二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，实现光电转换。实现光电转换。n为了获得尽可能大的光生电流，需要较大的工作面，为了获得尽可能大的光生电流，需要较大的工作面，即即PN结面积比普通二极管大得多，以扩散层作为结面积比普通二极管大得多，以扩散层作为它的受光面。它的受光面。n为了提高光电转换能力，为了提高光电转换能力，PN结的深度较普通二极结的深度较普通二极管浅。管浅。光电二极管（光敏二极管）光电二极管（光敏二极管）光敏二极管符号光敏二极管符号 光敏二极管接法光敏二极管接法 外加反向偏压外加反向偏压n可以不加偏压，与光电池不同，光敏二极管一般在负可以不加偏压，与光电池不同，光敏二极