【精品】光电检测器件精品ppt课件.ppt

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1、光电检测器件光光电器件的器件的类型与特点型与特点光光电器件的基本特性参数器件的基本特性参数半半导体光体光电器件器件光光电导器件器件光敏光敏电阻阻光伏器件光伏器件光光电池池光光电二极管二极管/三极管三极管真空光真空光电器件器件光光电管管光光电倍增管倍增管热电检测器件器件热释电探探测器件器件4.2 4.2 器件的基本特性参数器件的基本特性参数响应特性噪声特性量子效率线性度工作温度一、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电压响应率 光电探测器件输出电

2、压与入射光功率之比电流响应率 光电探测器件输出电流与入射光功率之比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。：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二、噪声特性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用

3、均方噪声来表示噪声值大小噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的。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。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。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。光电探测器常见的噪声热噪声散粒噪声产生-复合噪声1/f噪声1、热噪声或称约翰逊噪声，即载流子无规则的热运动造成的噪声。导体或半导体中每一电子都携带着电子电量作随机运动(相当于微电脉冲)，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，称为热噪声电压。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，热噪声又称为白

4、噪声2、散粒噪声散粒噪声：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，PN结中通过结区的载流子数也是随机的。散粒噪声也是白噪声，与频率无关。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：散粒噪声具有支配地位。例如光伏器件的PN结势垒是产生散粒噪声的主要原因。3、产生-复合噪声半导体受光照，载流子不断产生-复合。在平衡状态时，在载流子产生和复合的平均数是一定的但在某一瞬间载流子的产生数和复合数是有起伏的。载流子浓度的起伏引起半导体电导率的起伏。4、1/f噪声或称闪烁噪声或低频噪声。这种噪声是由于光敏层的微粒不均匀或不必要的微量杂质的存在引起的。噪声的功率近

5、似与频率成反比多数器件的1/f噪声在200300Hz以上已衰减到可忽略不计。、信噪比信噪比是判定噪声大小的参数。是负载电阻上信号功率与噪声功率之比若用分贝（dB）表示，为、噪声等效功率(NEP)定义：信号功率与噪声功率比为1（SNR=1）时，入射到探测器件上的辐射通量(单位为瓦)。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）一般一个良好的探测器件的NEP约为10-11W。NEP越小，噪声越小，器件的性能越好。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，

6、的辐射功率为、探测率与归一化探测率探测率D定义为噪声等效功率的倒数经过分析，发现NEP与检测元件的面积Ad和放大器带宽f 乘积的平方根成正比归一化探测率D*，即D*与探测器的敏感面积、放大器的带宽无关。返回三、量子效率（）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。对理想的探测器，入射一个光量子发射一个电子，=1实际上，A。由于不同材料具有不同的逸出功，因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射，此频率限称为“红限”。相应的波长K为 (4.3)式中，c为光速；A为逸出功。光电管正常工作时，阳极电位

7、高于阴极，如图4.3.2所示。在入射光频率大于“红限”的前提下，从阴极表面逸出的光电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，称为光电流。此时若光强增大，轰击阴极的光子数增多，单位时间内发射的光电子数也就增多，光电流变大。在图4.3.2所示的电路中，电流I和电阻RL上的电压降U0就和光强成函数关系，从而实现光电转换。阴极材料不同的光电管，具有不同的红限，因此适用于不同的光谱范围。此外，即使入射光的频率大于红限，并保持其强度不变，但阴极发射的光电子数量还会随入射光频率的变化而改变，即同一种光电管对不同频率的入射光灵敏度并不相同。光电管的这种光谱特性，要求人们应当根据检测对象是紫外光、

8、可见光还是红外光去选择阴极材料不同的光电管，以便获得满意的灵敏度。图图4.3.3 光电倍增管结构示意图光电倍增管结构示意图光电倍增管主要由光阴极K、倍增极D和阳极A组成，并根据要求采用不同性能的玻璃壳进行真空封装。依据分装方法，可分成端窗式和侧窗式两大类。端窗式光电倍增管的阴极通常为透射式阴极，通过管壳的端面接受入射光。侧窗式阴极则是通过管壳的侧面接收入射光，它的阴极通常为反射式阴极。二、光电倍增管由于真空光电管的灵敏度低，因此人们研制了具有放大光电流能力的光电倍增管。图4.3.3是光电倍增管结构示意图。光阴极的量子效率是一个重要的参数。波长为的光辐射入射到光阴极时，一个入射光子产生的光电子数

9、，定义为光阴极的量子效率。光阴极有很多种，常用的有双碱，S11及S20三种。光阴极通常由脱出功较小的锑铯或钠钾锑铯的薄膜组成，光阴极接负高压，各倍增极的加速电压由直流高压电源经分压电阻分压供给，灵敏检流计或负载电阻接在阳极A处，当有光子入射到光阴极K上，只要光子的能量大于光阴极材料的脱出功，就会有电子从阴极的表面逸出而成为光电子。在K和D1之间的电场作用下，光电子被加速后轰击第一倍增极D1，从而使D1产生二次电子发射每一个电子的轰击约可产生35个二次电子，这样就实现了电子数目的放大。D1产生的二次电子被D2和D1之间的电场加速后轰击D2，。这样的过程一直持续到最后一级倍增极Dn，每经过一级倍增

10、极，电子数目便被放大一次，倍增极的数目有813个，最后一级倍增极Dn发射的二次电子被阳极A收集。若倍增电极有n级，各级的倍增率为，则光电倍增管的倍增率可以认为是n，因此，光电倍增管有极高的灵敏度。在输出电流小于1mA的情况下，它的光电特性在很宽的范围内具有良好的线性关系。光电倍增管的这个特点，使它多用于微光测量。若将灵敏检流计串接在阳极回路中，则可直接测量阳极输出电流。若在阳极串接电阻RL作为负载，则可测量RL两端的电压，此电压正比于阳极电流。图图4.3.4 光电倍增管的基本电路光电倍增管的基本电路 图图4.3.5 光敏电阻结构示意图及符号光敏电阻结构示意图及符号 图4.3.4所示为光电倍增管

11、的基本电路。各倍增极的电压是用分压电阻R1、R2、Rn获得的，阳极电流流经负载电阻RL得到输出电压U0。当用于测量稳定的辐射通量时，图中虚线连接的电容C1、C2、Cn和输出隔离电容Ca都可以省去。这时电路往往将电源正端接地，并且输出可以直接与放大器输入端连接，从而使它能够响应变化缓慢的入射光通量。但当入射光通量为脉冲通量时，则应将电源的负端接地，因为光电倍增管的阴极接地比阳极接地有更低的噪声，此时输出端应接人隔离电容，同时各倍增极的并联电容亦应接人，以稳定脉冲工作时的各级工作电压，稳定增益并防止饱和。与测量有关的两个参数与测量有关的两个参数：(1)暗电流 光电倍增管接上工作电压后，在没有光照的

12、情况下阳极仍会有一个很小的电流输出，此电流即称为暗电流。光电倍增管在工作时，其阳极输出电流由暗电流和信号电流两部分组成。当信号电流比较大时，暗电流的影响可以忽略，但是当光信号非常弱，以至于阳极信号电流很小甚至和暗电流在同一数量级时，暗电流将严重影响对光信号测量的准确性。所以暗电流的存在决定了光电倍增管可测量光信号的最小值。一只好的光电倍增管，要求其暗电流小并且稳定。(2)光谱响应特征 光电倍增管对不同波长的光入射的响应能力是不相同的，这一特性可用光谱响应率表示。在给定波长的单位辐射功率照射下所产生的阳极电流大小称为光电倍增管的绝对光谱响应率，表示为 (4.4)式中，P()为入射到光阴极上的单色

13、辐射功率；I()是在该辐射功率照射下所产生的阳极电流；S()是波长的函数，它与波长的关系曲线称为光电倍增管的绝对光谱响应曲线。测量S()十分复杂，因此在一般测量中都是测量它的相对值。为此，可以把S()中的最大值当作一个单位对所有S()值进行归一化，这时就得到 (4.5)s()称为光电倍增管的相对光谱响应率，它与波长的关系曲线称为光电倍增管的相对光谱响应曲线。s()1，是一个无量纲的量，只表示光电倍增管的光谱响应特征。一、光敏电阻光敏电阻是光电导型器件。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。特点：光谱响应范围宽（特别是对于红光和红外辐射）；偏置电

14、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光敏光敏电阻阻结构构：在一：在一块均匀光均匀光电导体两端加上体两端加上电极，极，贴在硬在硬质玻璃、云母、高玻璃、云母、高频瓷或其他瓷或其他绝缘材材料基板上，两端接有料基板上，两端接有电极引极引线，封装在，封装在带有窗口有窗口的金属或塑料外壳内。（的金属或塑料外壳内。（如如图）工作机理工作机理：当入射光子使半：当入射光子使半导体中的体中的

15、电子由价子由价带跃迁到迁到导带时，导带中的中的电子和价子和价带中的空穴均中的空穴均参与参与导电，其阻，其阻值急急剧减小，减小，电导增加。增加。入射光入射光返回本征型和杂质型光敏电阻本征型光敏电阻：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，在外电场的作用下，形成光电流。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。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光敏电阻两端加电压（直流或交流）无光照时，阻值（暗电阻）很

16、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）。光电流：亮电流和暗电流之差；I光 =IL -Id光电导：亮电流和暗电流之差；g =gL -gd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。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光光电特性特性伏安特性伏安特性时间响响应和和频率特性率特性温度特性温度特性光电特性：光电流与入射光照度的关系：(1)弱光弱光时，=1，光，光电流与照度成流与照度成线性关系性关系(2)强光光时，=0.5，光

17、，光电流与照度成抛物流与照度成抛物线光照增光照增强的同的同时，载流子流子浓度不断的增加，同度不断的增加，同时光敏光敏电阻的温度也在升高，从而阻的温度也在升高，从而导致致载流子运流子运动加加剧，因，因此复合几率也增大，光此复合几率也增大，光电流呈流呈饱和和趋势。（冷却可以。（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。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。

18、光电导增益光电导增益反比于电极间距的平方。量子效率：光电流与入射光子流之比。伏安特性伏安特性在一定的光照下，光敏在一定的光照下，光敏电阻的光阻的光电流与所流与所加的加的电压关系关系光敏光敏电阻是一个阻是一个纯电阻，因此符合欧姆定阻，因此符合欧姆定律，其伏安特性曲律，其伏安特性曲线为直直线。不同光照度不同光照度对应不同直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。光敏光敏电阻阻时间常数比常数比较大，其上限截止大，其上限截止频率低。只有率低。只有PbSPbS光敏光敏电阻的阻的频率特性稍好率特性稍好些，可工作到几

19、千赫。些，可工作到几千赫。频率特性光敏电阻的时间响应特性较差材料受光照到稳定状态，光生载流子浓度的变化规律：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

20、电阻参数使用材料：硫化镉（CdS），硫化铅（PbS），锑化铟（InSb），碲镉汞（HgCdTe），碲锡铅（PbSnTe）.光敏面：1-3 mm工作温度：-40 80 oC温度系数：1极限电压：10 300V耗散功率：R0，则负载功率功率P0为：另一方面，由式另一方面，由式(7-12)计算光算光电二极管直接与二极管直接与负载电阻阻相相连时负载上的功率上的功率 比比较两种情况可两种情况可见，采用阻抗采用阻抗变换器可以使功率器可以使功率输出提高出提高(Rf/RL)2倍。例如，倍。例如，当当RL=1M，Rf=10M时，功率提高，功率提高100倍。倍。这种种电路路的的时间特性特性较差，但用在信号差，但用

21、在信号带宽没有特殊要求的没有特殊要求的缓变光信号光信号检测中，可以得到很高的功率放大倍数。此中，可以得到很高的功率放大倍数。此外，用外，用场效效应管代替双极性晶体管作前置管代替双极性晶体管作前置级，其偏置，其偏置电流很小，因此适用于光功率很小的流很小，因此适用于光功率很小的场合。合。4.3.4 4.3.4 常见光电传感器及应用常见光电传感器及应用4.3.4.1 4.3.4.1 各种光电检测器件的性能比较各种光电检测器件的性能比较参看75页表2-6 典型光电探测器件工作特性的比较.动态性能(即频率响应):光电倍增管和光电二极管最好;光电特性(线性):光电倍增管、光电二极管和光电池;灵敏度:光电倍

22、增管、雪崩光电二极管、光敏电阻和光电三极管;长期稳定性:光电二极管和光电池最好,其次是光电倍增管.4.3.4.2 4.3.4.2 光电检测器件的应用选择要点光电检测器件的应用选择要点1.光电检测器件必须和辐射信号源及光学系统在光电检测器件必须和辐射信号源及光学系统在光光谱特性谱特性上匹配上匹配;2.光电检测器的光电转换特性必须和光电检测器的光电转换特性必须和入射辐射能量入射辐射能量相匹配相匹配(器件的感光面要和照射光匹配好器件的感光面要和照射光匹配好);3.光电检测器必须和光信号的调制形式光电检测器必须和光信号的调制形式、信号频率信号频率及波形及波形相匹配相匹配,以保证得到没有频率失真的输出以

23、保证得到没有频率失真的输出波形和良好的时间响应波形和良好的时间响应;4.光电检测器件必须和光电检测器件必须和输入电路在电特性输入电路在电特性上良好地上良好地匹配匹配,以保证有有足够的线性范围、信噪比及快以保证有有足够的线性范围、信噪比及快速的动态响应速的动态响应;5.为使器件具有长期工作的可靠性为使器件具有长期工作的可靠性,必须注意选好必须注意选好器件的规格和使用的环境条件器件的规格和使用的环境条件.4.3.4.3 透射式光电传感器及在烟尘浊度监测上的应用透射式光电传感器及在烟尘浊度监测上的应用透射式光电传感器是将发光管和光敏三极管等，以相对的方向装在中间带槽的支架上。当槽内无物体时，发光管发

24、出的光直接照在光敏三极管的窗口上，从而产生一定大的电流输出，当有物体经过槽内时则挡住光线，光敏管无输出，以此可识别物体的有无。适用于光电控制、光电计量等电路中，可检测物体的有无、运动方向、转速等方面。防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。图图4.3.7 透射型透射型BYD3M.TDT光电传感器使用示意图光电传感器使用示意图 图图4.3.8 吸收式烟尘浊度监测系统组成框图吸收式烟尘浊度监测系统组成框图DST9702激光反射式烟尘浓度仪技术特点 采用激光背散射原理,不怕烟道的机械振动及烟气温度不均造成的折射率

25、不均造成的光束摆动；单端安装,无需光路对中，且安装简单方便；采用标准4-20mA工业标准电流输出,连接方便；仪器整体功耗非常小,大约5w左右；一般标准设置参数可适用于烟道璧厚小于400，烟道直径大于仪器名牌标示（D.GT.2000）,在特殊的要求条件下测量区大小可以订制.用户也可以在经维护人员的认可及指导下调整.烟道里的烟尘浊度是通过光在烟道在传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器的光减少。因此光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。本应用中应用奥托尼克斯(Autonics)公司的BYD3M-TDT透射式小型光电传感器，其光源

26、(发光器)与接收器不在同一个机壳内，见图4.3.7使用示意图：先将发射器和接收器对准并固定好后才可以通电(12.24)VDC；接着在ON状态设定好发射器的中心位置，然后左右上下方向调节接收器和发射器的位置；最后检测目标稳定后固定好发射器和接收器。图4.3.8是吸收式烟尘浊度监测系统的组成框图：为了检测出烟尘中对人体危害性最大的亚微米颗粒的浊度和避免水蒸气对光源衰减的影响，选取可见光作光源(400-700nm波长的白炽光)。光检测器光谱响应范围为400-600nm的光电管，获取随浊度变化的相应电信号。为了提高检测灵敏度，采用具有高增益、高输入阻抗、低零漂、高共模抑制比的运算放大器，对信号进行放大

27、。刻度校正被用来进行调零与调满刻度，以保证测试准确性。显示器可显示浊度瞬时值。报警电路由多谐振荡器组成，当运算放大器输出浊度信号超过规定时，多谐振荡器工作，输出信号经放大后推动喇叭发出报警信号。4.4 4.4 光电传感器的应用光电传感器的应用 光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，体积小。近年来，随着光电技术的发展，光电传感器已成为系列产品，其品种及产量日益增加，用户可根据需要选用各种规格产品，在各种轻工自动机上获得广泛的应用。4.4.1 4.4.1 光电式带材跑偏检测器光电式带材跑偏检测器 带材跑偏检测器用来检测带型材料在加工中偏离正确

28、位置的大小及方向,从而为纠偏控制电路提供纠偏信号,主要用于印染、送纸、胶片、磁带生产过程中。光电式带材跑偏检测器原理如图4.4.1所示。光源发出的光线经过透镜1会聚为平行光束,投向透镜2,随后被会聚到光敏电阻上。在平行光束到达透镜2的途中,有部分光线受到被测带材的遮挡,使传到光敏电阻的光通量减少。图图4.4.1 带材跑偏检测器工作原理带材跑偏检测器工作原理 图图4.4.2 测量电路测量电路 图4.4.2为测量电路简图。1、2是同型号的光敏电阻。1作为测量元件装在带材下方，2用遮光罩罩住,起温度补偿作用。当带材处于正确位置(中间位)时，由1、2、3、4组成的电桥平衡，使放大器输出电压为0。当带材

29、左偏时，遮光面积减少，光敏电阻1阻值减少，电桥失去平衡。差动放大器将这一不平衡电压加以放大，输出电压为负值，它反映了带材跑偏的方向及大小。反之，当带材右偏时，为正值。输出信号一方面由显示器显示出来，另一方面被送到执行机构，为纠偏控制系统提供纠偏信号。4.4.2 4.4.2 包装充填物高度检测包装充填物高度检测 用容积法计量包装的成品，除了对重量有一定误差范围要求外，一般还对充填高度有一定的要求，以保证商品的外观质量，不符合充填高度的成品将不许出厂。图4.4.3所示为借助光电检测技术控制充填高度的原理。当充填高度偏差太大时，光电接头没有电信号，即由执行机构将包装物品推出进行处理。图图4.4.34

30、.4.3利用光电检测技术控制充填高度利用光电检测技术控制充填高度 利用光电开关还可以进行产品流水线上的产量统计、对装配件是否到位及装配质量进行检测，例如灌装时瓶盖是否压上、商标是否漏贴，以及送料机构是否断料等。激光器在光电检测中的应用激光测距，测长，测平面度等激光大气污染检测激光检测激光海洋探测激光制导激光雷达激光干涉测量（探伤）激光全息测量激光式气体分析仪在转炉煤气回收中的应用测量原理是基于朗伯-比尔定律(1)“单线光谱”测量技术 该技术利用激光的光谱比较窄、远小于被测气体的吸收谱线的特性，选择某一位于特定波长的吸收光谱线，使得在所选吸收谱线波长附近无测量环境中其他气体组分的吸收谱线，从而避免了这些背景气体组分对该被测气体的交叉吸收干涉。单线光束测量原理图(2)激光频率扫描技术 激光气体分析仪通过调制激光频率使之周期性地扫描过被测气体吸收谱线，激光频率的扫描范围被设置成大于被测气体吸收谱线的宽度。(3)谱线展宽自动修正技术在气体温度和压力发生变化时被测气体谱线的展宽及高度会发生相应的变化从而影响测量的准确性。通过输入420 mA方式的温度和压力信号，激光气体分析仪能自动修正温度和压力变化对气体浓度测量的影响。从而保证了测量数据的精确