(精品)第六章 探测技术.ppt

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1、福州大学物理与信息工程学院福州大学物理与信息工程学院 张永爱张永爱 E-mail：光电子技术光电子技术光探测技术光电探测器的物理效应光电转换定律光电探测器的特性参数和噪声光电导探测器光电池光电二极管6.1 光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应能把光辐射量转换为另一种便于测量的物理量的器件能把光辐射量转换为另一种便于测量的物理量的器件光探测器光探测器光辐射量光辐射量光电探测器光电探测器电量电量光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应光子效应光子效应光热效应光热效应一）光子效应一）光子效应(photonic effect)指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的指单个光子的性质对产生的光电子

2、起直接作用的一类光电效应。一类光电效应。探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光子能量的大小直接影响内部电子状态状态的改变。光子能量的大小直接影响内部电子状态的改变。的改变。特点特点对光波频率表现出选择性，响应速度一般比较快。对光波频率表现出选择性，响应速度一般比较快。光子效应光子效应内光电效应内光电效应-光电导效应，光伏效应光电导效应，光伏效应外光电效应外光电效应-光电发射效光电发射效应应（一）光电发射效应（一）光电发射效应 在光照下，物体向表面以外的空间发射电子（即光电在光照下，物体向表面以外的空间发射电子（即光电子）的现象

3、。子）的现象。光电发射体光电发射体能产生光电发射效应的物体，在光电管中又称为能产生光电发射效应的物体，在光电管中又称为光阴极光阴极。光电发射效应的能量关系可由著名的爱因斯坦方程来表示光电发射效应的能量关系可由著名的爱因斯坦方程来表示 即即 表示光电子离开发射体表面的动能表示光电子离开发射体表面的动能-光子能量光子能量-光电子发射体的功函数光电子发射体的功函数 物理意义物理意义 若发射体内部的电子吸收光子的能量大于发射体的功若发射体内部的电子吸收光子的能量大于发射体的功函数，光电子能从发射体表面逸出，并且具有相应的函数，光电子能从发射体表面逸出，并且具有相应的动能。动能。光电子发射效应产生的条件

4、光电子发射效应产生的条件 即即 或或 上式中等号表示，电子刚好能逸出表面，上式中等号表示，电子刚好能逸出表面，但是速度为零，即静止在发射体表面。但是速度为零，即静止在发射体表面。截止波长截止波长截止频率截止频率截止波长截止波长可见，要使波长较长的光辐射产生光电发射效应，可见，要使波长较长的光辐射产生光电发射效应，则发射体的则发射体的 必须要小。必须要小。（二）内光电效应（二）内光电效应当光照射物体表面时，光电子不逸出体外的光电效应。当光照射物体表面时，光电子不逸出体外的光电效应。1）光电导效应）光电导效应光电导现象光电导现象半导体材料的半导体材料的“体体”效效应应当半导体材料被光照时，由于对光

5、子的吸收随载流子当半导体材料被光照时，由于对光子的吸收随载流子的浓度增大而增大，因而导致电导率增大。的浓度增大而增大，因而导致电导率增大。是一种内光电效应，是光电导探测器光电转化的基础是一种内光电效应，是光电导探测器光电转化的基础 当光子能量大于材料禁带宽度时，把价带中的电子激当光子能量大于材料禁带宽度时，把价带中的电子激发到导带上，在价带中留下自由空穴，从而导致电导发到导带上，在价带中留下自由空穴，从而导致电导率的增大率的增大-本征光电导效应。本征光电导效应。若光子激发杂质半导体，使电子从施主能级跃迁到若光子激发杂质半导体，使电子从施主能级跃迁到导带或从价带跃迁到受主能级，产生自由电子或自由

6、空导带或从价带跃迁到受主能级，产生自由电子或自由空穴，从而使材料电导率增加穴，从而使材料电导率增加-非本征光电导效应。非本征光电导效应。光辐射照射外加电压的半导体，如果光波长光辐射照射外加电压的半导体，如果光波长满足如满足如下条件：下条件：-禁带宽度禁带宽度-杂质能带宽度杂质能带宽度光敏电阻光敏电阻（本征）（本征）（杂质）（杂质）这个新增加的部分在半导体物理中叫非平衡载这个新增加的部分在半导体物理中叫非平衡载流子流子-光生载流子光生载流子。显然，这两个变化量将使半导体的电导增加一个显然，这两个变化量将使半导体的电导增加一个量量 ，我们称之为，我们称之为光电导光电导。相应于本征和杂质半导体。相应

7、于本征和杂质半导体就分别称为就分别称为本征光电导本征光电导和和杂质光电导杂质光电导。光子将在其中激发出新的载流子光子将在其中激发出新的载流子(电子和空穴电子和空穴)。这就。这就使半导体中的载流子浓度在原来平衡值上增加了变化量使半导体中的载流子浓度在原来平衡值上增加了变化量2）光伏效应）光伏效应光伏现象光伏现象半导体材料的半导体材料的“结结”效应效应多数载流子（多数载流子（N侧的电子和侧的电子和P侧的空穴）的扩散作用侧的空穴）的扩散作用 少数载流子（少数载流子（P侧的电子和侧的电子和N侧的空穴）的漂移作用侧的空穴）的漂移作用 相互抵消相互抵消无静电流过无静电流过P-N结结零偏状态零偏状态P-N结

8、的伏安特性：结的伏安特性：若若P-N结反向偏压（结反向偏压（P区接负，区接负，N区接正）区接正）反向饱和电流反向饱和电流-暗电流暗电流-反向反向饱饱和和电电流流 E-电子电荷量电子电荷量U-偏置电压偏置电压K-波儿兹曼常数波儿兹曼常数T-绝对温度绝对温度在光照下在光照下入射光c光生电子空穴对内电场电子空穴分离开路电压光伏效应光照光照零偏零偏pn结产生开路电压的效应结产生开路电压的效应光照光照反偏反偏光伏效应光伏效应光电池光电池光电信号是光电流光电信号是光电流 结型光电探结型光电探测器的工作测器的工作原理原理光电二极管光电二极管 探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部探测元件吸收光辐射能量后

9、，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升，温度上升的结果又动能量，引起探测元件温度上升，温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。二）光热效应二）光热效应(photothermalphotothermal effect)effect)原则上对光波频率没有选择性，响应速度一般比较慢。原则上对光波频率没有选择性，响应速度一般比较慢。在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛用于对

10、红外线辐射的探测。所以广泛用于对红外线辐射的探测。热释电材料热释电材料电介质电介质一种结晶对称性很差的压电晶体一种结晶对称性很差的压电晶体在常态下具有自发电极化在常态下具有自发电极化(即固有电偶极矩即固有电偶极矩)热电体的热电体的|决定了面电荷密度决定了面电荷密度 的大小，当发生的大小，当发生变化时，面电荷密度也跟着变化变化时，面电荷密度也跟着变化热释电现象热释电现象 升高到升高到Tc值时，自发极化突然消失，值时，自发极化突然消失，TC称为居里温度称为居里温度 热释电体表面附近的自由电荷对面电荷的中和作热释电体表面附近的自由电荷对面电荷的中和作用比较缓慢，一般在用比较缓慢，一般在11000秒量

11、级秒量级热释电探测器是一种热释电探测器是一种交流交流或瞬时响应的器件。或瞬时响应的器件。|值是温度的函数值是温度的函数温度升高温度升高|减小。减小。三）光电转换定律三）光电转换定律光辐射量转换为光电流量的过程光辐射量转换为光电流量的过程 光电转换光电转换D探测器的光电转换因子探测器的光电转换因子-探测器的量子效率探测器的量子效率*光功率光功率P正比于光电场的平方正比于光电场的平方 平方律探测器平方律探测器非线性器件非线性器件(本质本质)。*光电探测器对入射光功率响应光电探测器对入射光功率响应(光电流光电流)一个光子探测器可视为一个电流源。一个光子探测器可视为一个电流源。光电转化定律光电转化定律

12、 知识巩固光与物质的作用实质是光子与电子的作用，电子吸收光子的能量后，改变了电子的运动规律。由于物质的结构和物理性能不同，以及光和物质的作用条件不同，在光子作用下产生的载流子就有不同的规律，因而导致了不同的光电效应。以下是属于内光电效应的有（）。A A、光电发射效应、光电发射效应B B、光电导效应、光电导效应 C C、光生伏特效应、光生伏特效应D D、光伏效应、光伏效应知识巩固在光线作用下，半导体的电导率增加的现在光线作用下，半导体的电导率增加的现象属于象属于()()A、外光电效应外光电效应B、内光电效应内光电效应C、光电发射效应光电发射效应D、光电导效应光电导效应6.2 光电探测器的特性参数

13、和噪声光电探测器的特性参数和噪声一）光电探测器特性参数一）光电探测器特性参数积分灵敏度积分灵敏度光谱灵敏度光谱灵敏度频率灵敏度频率灵敏度量子效率量子效率归一化探测度归一化探测度通量阈和噪声等效功率通量阈和噪声等效功率一、积分灵敏度一、积分灵敏度R R 灵敏度也常称作灵敏度也常称作响应度响应度，是光电探测器光电转，是光电探测器光电转换特性，光电转换的光谱特性以及频率特性的量度。换特性，光电转换的光谱特性以及频率特性的量度。光电流光电流i(或光电压或光电压u)和入射光功率和入射光功率P之间的关系之间的关系if(P)，称为探测器的，称为探测器的光电特性光电特性。光电探测器本质是一个外电压偏置的电流输

14、出器件，光电探测器本质是一个外电压偏置的电流输出器件，通过负载电阻可改变为电压输出器件。通过负载电阻可改变为电压输出器件。灵敏度灵敏度R定义为这个曲线的斜率，即定义为这个曲线的斜率，即 (线性区内线性区内)()(安安/瓦瓦)(线性区内线性区内)()(伏伏/瓦瓦)R i和和R u分别称为积分电流和积分电压灵敏度，分别称为积分电流和积分电压灵敏度，i和和u称为电表测量的电流、电压有效值。称为电表测量的电流、电压有效值。光功率光功率P是指分布在某一光谱范围内的总功率。是指分布在某一光谱范围内的总功率。R是常数时，相应探测器称为是常数时，相应探测器称为无选择性探测器无选择性探测器(如如光热探测器光热探

15、测器)，光子探测器则是选择性探测器。，光子探测器则是选择性探测器。光电探测器对光具有选择性，不同波长的光功率密度P在其他条件不变下所产生的光电流i是波长的函数，因此，光谱灵敏度可定义为：二、光谱灵敏度二、光谱灵敏度R通常给出的是通常给出的是相对光谱灵敏度相对光谱灵敏度S定义为定义为 Rm是指是指R的最大值，的最大值，S为无量纲，随为无量纲，随变化的曲变化的曲线称为线称为光谱灵敏度曲线光谱灵敏度曲线。三、频率灵敏度三、频率灵敏度 若入射光是强度调制，在其它条件不变下，光若入射光是强度调制，在其它条件不变下，光电流电流if将随调制频率将随调制频率f的升高而下降，这时的灵敏度的升高而下降，这时的灵敏

16、度称为称为频率灵敏度频率灵敏度Rf定义为定义为 称为探测器的响应时间或时间常数，由材料、称为探测器的响应时间或时间常数，由材料、结构和外电路决定。结构和外电路决定。频率灵敏度是探测器的频率灵敏度是探测器的频率特性频率特性，R f随随f 升高而下升高而下降的速度与降的速度与值大小关系很大。值大小关系很大。一般规定，一般规定，R f下降到下降到从上式可见：从上式可见：当当ffc时，认为光电流能线性再现光功率时，认为光电流能线性再现光功率P的变化。的变化。如果是脉冲形式的入射光，则更常用响应时间来描述。如果是脉冲形式的入射光，则更常用响应时间来描述。频率频率fc为探测器的为探测器的截止响应频率截止响

17、应频率和和响应频率响应频率。探测器对突然光照的输出电流，要经过一定探测器对突然光照的输出电流，要经过一定时间才能上升到与这一辐射功率相应的稳定值时间才能上升到与这一辐射功率相应的稳定值i。当辐射突然降去后，输出电流也需要经过一定当辐射突然降去后，输出电流也需要经过一定时间才能下降到零。时间才能下降到零。一般而论，上升和下降时间相等，时间常数近似地由一般而论，上升和下降时间相等，时间常数近似地由 决定。决定。光电流是两端电压光电流是两端电压u、光功率光功率P、光波长、光波长和光强和光强调制频率调制频率f的函数，即的函数，即 以以u，P，为参变量，为参变量，iF（f）的关系称为）的关系称为光电光电

18、频率特性频率特性，相应的曲线称为，相应的曲线称为频率特性曲线频率特性曲线。i=F(P)及曲线称为及曲线称为光电特性曲线光电特性曲线。iF()及其曲线称为及其曲线称为光谱特性曲线光谱特性曲线。而而iF(u)及其曲线称为及其曲线称为伏安特性曲线伏安特性曲线。当这些曲线给出时，灵敏度当这些曲线给出时，灵敏度R的值就可以从曲线的值就可以从曲线中求出，而且还可以利用这些曲线，尤其是伏安特中求出，而且还可以利用这些曲线，尤其是伏安特性曲线来设计探测器的使用电路。性曲线来设计探测器的使用电路。量子效率：在某一特定波长上，每秒钟内产生量子效率：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。的光电

19、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，对理想的探测器，入射一个光量子发射一个电子，=1实际上，实际上，RL2第三象限是反偏压状态。这时第三象限是反偏压状态。这时iD=iS，它是普通二极管，它是普通二极管中的反向饱和电流，现在称为暗电流中的反向饱和电流，现在称为暗电流(对应于光功率对应于光功率P=0)，数值很小，这时的光电流，数值很小，这时的光电流(等于等于i-iS)是流过探测是流过探测器的主要电流，此情况下的外回路特性与光电导相似，器的主要电流，此情况下的外回路特性与光电导相似，对应于光导工作模式对应于光导工作模式-相应探测器相应探测器-光电二极管。光电二极管。第

20、一象限是正偏压状态，第一象限是正偏压状态，i iD D 本来就很大，所以光电流本来就很大，所以光电流不起重要作用。作为光电探测器，工作在这一区域没不起重要作用。作为光电探测器，工作在这一区域没有意义。有意义。i+RLVi+V在第四象限中，外偏压为零。流过探测器的电流仍为在第四象限中，外偏压为零。流过探测器的电流仍为在第四象限中，外偏压为零。流过探测器的电流仍为在第四象限中，外偏压为零。流过探测器的电流仍为反向光电流，随着光功率的不同，出现明显的非线性。反向光电流，随着光功率的不同，出现明显的非线性。反向光电流，随着光功率的不同，出现明显的非线性。反向光电流，随着光功率的不同，出现明显的非线性。

21、这时探测器的输出是通过负载电阻这时探测器的输出是通过负载电阻这时探测器的输出是通过负载电阻这时探测器的输出是通过负载电阻R R R RL L上的电压或流过上的电压或流过上的电压或流过上的电压或流过RLRLRLRL上的电流来体现，因此，称为光伏工作模式上的电流来体现，因此，称为光伏工作模式上的电流来体现，因此，称为光伏工作模式上的电流来体现，因此，称为光伏工作模式-相应相应相应相应探测器探测器探测器探测器-光电池。光电池。光电池。光电池。iRL光电池光电池 光电池是一种不需要加偏压的能把光能直接转换成电光电池是一种不需要加偏压的能把光能直接转换成电能的能的pn结光电器件，结光电器件，-采用光伏工

22、作模式的光伏探测器采用光伏工作模式的光伏探测器光电池分类光电池分类测量光电池测量光电池-当作光电探测器使用当作光电探测器使用 太阳能电池太阳能电池-用作电源用作电源 它的工作模式是光伏工作模式它的工作模式是光伏工作模式-光伏电池。光伏电池。太阳能光电池太阳能光电池主要用作向负载提供电源，对它的要求主要用作向负载提供电源，对它的要求主要是光电转换效率高、成本低。由于它具有结构简单、主要是光电转换效率高、成本低。由于它具有结构简单、体积小、重量轻、高可靠性、寿命长、可在空间直接将太体积小、重量轻、高可靠性、寿命长、可在空间直接将太阳能转换成电能的特点，因此成为航天工业中的重要电源，阳能转换成电能的

23、特点，因此成为航天工业中的重要电源，而且还被广泛地应用于供电困难的场所和一些日用便携电而且还被广泛地应用于供电困难的场所和一些日用便携电器中。器中。测量光电池测量光电池的主要功能是作为光电探测，即在不加偏的主要功能是作为光电探测，即在不加偏置的情况下将光信号转换成电信号，此时对它的要求是线置的情况下将光信号转换成电信号，此时对它的要求是线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性高、寿命长性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性高、寿命长等。等。广泛用于红外辐射探测器、光电开关广泛用于红外辐射探测器、光电开关 如图所示，当光作用于如图所示，当光作用于PNPN结时，耗尽区内的光生电结时，耗尽区内的

24、光生电子与空穴在内建电场力的作用下分别向子与空穴在内建电场力的作用下分别向N N区和区和P P区运动，区运动，在闭合的电路中将产生如图所示的输出电流在闭合的电路中将产生如图所示的输出电流I IL L，且负载且负载电阻电阻R RL L上产生电压降为上产生电压降为U U。显然，显然，PNPN结获得的偏置电压结获得的偏置电压U U与光电池输出电流与光电池输出电流I IL L与负载电阻与负载电阻R RL L有关，即有关，即 1）光电池的工作原理）光电池的工作原理当以输出电流的当以输出电流的I IL L为电流和电为电流和电压的正方向时，可以得到如下压的正方向时，可以得到如下图所示的伏安特性曲线。图所示的

25、伏安特性曲线。光电池的伏安特性曲线光电池的伏安特性曲线从曲线可以看出，负从曲线可以看出，负载电阻载电阻RL所获得的功所获得的功率为率为其中，光电池输出电流其中，光电池输出电流IL包括光生电流、扩散电流包括光生电流、扩散电流与暗电流等三部分与暗电流等三部分光电池的等效电路光电池的等效电路2）光电池的等效电路）光电池的等效电路-光电流光电流-二极管电流二极管电流 -p-n-p-n结漏电流结漏电流 Rsh-等效泄露电阻等效泄露电阻 Cj结电容结电容 Rs引线管芯接触电阻引线管芯接触电阻 RL负载电阻负载电阻 R Rshsh很大，很大，很小，若不计很小，若不计影响，则影响，则 若将若将R RL L短接

26、，忽略短接，忽略R RS S的影响，则的影响，则U U1 1=0=0（二极管的压），（二极管的压），i iD D=0=0。则流过光电池的短路电流则流过光电池的短路电流 就是光电流就是光电流 表明：光电池在短路工作状态下，光电池的短路电流表明：光电池在短路工作状态下，光电池的短路电流与入射的光功率成正比与入射的光功率成正比（）在这状态下工作的光电池可用做光电探测器在这状态下工作的光电池可用做光电探测器 3）短路电流和开路电压）短路电流和开路电压负载电阻负载电阻R RL L所获得的功率所获得的功率P PL L与负载电阻的阻值有关，当与负载电阻的阻值有关，当R RL L=0=0（电路为短路）时，电路

27、为短路）时，U=U=0 0，输出功率输出功率P PL L=0=0；当；当R RL L=（电路为开路）时，电路为开路）时，I IL L=0 0，输出功率输出功率P PL L=0=0；在短路和开路两种工作状态，光电池均无电功率输出，在短路和开路两种工作状态，光电池均无电功率输出，当负载电阻为某一当负载电阻为某一Rm时，才得到最大电输出功率时，才得到最大电输出功率Pm。Rm称为特定照射光功率条件下最佳负载电阻，初略值称为特定照射光功率条件下最佳负载电阻，初略值 由由 当当RL趋近无穷大时，趋近无穷大时，i=0，光电池输出电压，光电池输出电压U1即开路电压即开路电压 4）光电池的工作特性）光电池的工作

28、特性（1）光谱特性）光谱特性光电池的光谱特性主要光电池的光谱特性主要由材料决定，材料不同，由材料决定，材料不同，光谱特性不同。光谱特性不同。由图可见，由图可见，SeSe光电池在可见光范围内具有高的灵敏度，光电池在可见光范围内具有高的灵敏度，峰值响应波长在峰值响应波长在500um500um左右。特别适用于可见光应用。左右。特别适用于可见光应用。SiSi光电池的光谱响应范围要宽，峰值响应波长在光电池的光谱响应范围要宽，峰值响应波长在850um850um左右，可见光和近红外波段都有广泛应用。左右，可见光和近红外波段都有广泛应用。（2）频率特性）频率特性对于光电池来说，由于载流子在对于光电池来说，由于

29、载流子在pn结区内的结区内的扩散扩散漂移，产生与复合都要一定的时间。漂移，产生与复合都要一定的时间。光电池的频率特性一般说来不是太好，主要有光电池的频率特性一般说来不是太好，主要有以下几个原因：以下几个原因：1）光敏面积一般做的较大，因而极间结电容）光敏面积一般做的较大，因而极间结电容cj较大，较大，则响应时间变大，给定则响应时间变大，给定RL，2）光电池工作在第四象限，有较小的正偏压存在，）光电池工作在第四象限，有较小的正偏压存在，所以光电池的内阻很低，而且随入射功率变化而变化。所以光电池的内阻很低，而且随入射功率变化而变化。光功率很小时，内阻变大，频率特性变坏。光功率很小时，内阻变大，频率

30、特性变坏。（3）温度特性）温度特性光电池的温度特性曲线主要指光照射光电池时光电池的温度特性曲线主要指光照射光电池时开路电压开路电压Voc与短路电流与短路电流Isc随温度变化的情况。随温度变化的情况。开路电压与短路电流均随温度开路电压与短路电流均随温度而变化，它关系到应用光电池而变化，它关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响的仪器设备的温度漂移，影响到测量或控制精度等主要指标。到测量或控制精度等主要指标。当光电池作为测量元件时，最好能保持当光电池作为测量元件时，最好能保持温度恒定，温度恒定，或采取温度补偿措施或采取温度补偿措施6.5 光电二极管光电二极管 以光导模式工作的结型光伏探测器以光导

31、模式工作的结型光伏探测器-光电二极管光电二极管它通常在反偏置条件下工作，即光电导工作模式，它通常在反偏置条件下工作，即光电导工作模式，它主要用于可见光以及红外光谱区。它主要用于可见光以及红外光谱区。可作光电二极管的材料很多，有可作光电二极管的材料很多，有Si，Ge，GaAs等，等，但是目前常用的时但是目前常用的时Si光电二极管光电二极管 i+V结构原理结构原理工作原理工作原理电路符号电路符号小箭头表示正向电流的方向（普通小箭头表示正向电流的方向（普通整流二极管中规定的正方向），光整流二极管中规定的正方向），光电流的方向与之相反。图中的前极电流的方向与之相反。图中的前极为光照面，后极为背光面。为

32、光照面，后极为背光面。1）光电二极管的结构和原理）光电二极管的结构和原理2）光电二极管的电流方程和伏安特性）光电二极管的电流方程和伏安特性在无辐射作用的情况下（暗室中），在无辐射作用的情况下（暗室中），PNPN结硅光电二极管结硅光电二极管的正、反向特性与普通的正、反向特性与普通PNPN结二极管的特性一样，如图所结二极管的特性一样，如图所示。其电流方程为示。其电流方程为 光电二极管的伏安特性光电二极管的伏安特性-暗电流或方向饱和电流暗电流或方向饱和电流当光辐射作用到光电二极管上时当光辐射作用到光电二极管上时光电二极管的伏安特性光电二极管的伏安特性（1）光电二极管的灵敏度）光电二极管的灵敏度 定义

33、光电二极管的电流灵敏度为入射到光敏面上定义光电二极管的电流灵敏度为入射到光敏面上辐射量的变化（例如通量变化辐射量的变化（例如通量变化d d）引起电流变化引起电流变化d dI I与与辐射量变化之比。辐射量变化之比。必须指出，电流灵敏度与入射辐射波长必须指出，电流灵敏度与入射辐射波长的关系是复杂的关系是复杂的，定义光电二极管的电流灵敏度时通常定义其峰值响的，定义光电二极管的电流灵敏度时通常定义其峰值响应波长的电流灵敏度为光电二极管的电流灵敏度。应波长的电流灵敏度为光电二极管的电流灵敏度。3）光电二极管的工作特性）光电二极管的工作特性（2）光谱响应）光谱响应 光电二极管的光谱响应定义为以等功率的不同

34、单色光电二极管的光谱响应定义为以等功率的不同单色辐射波长的光作用于光电二极管时，其响应程度或电流辐射波长的光作用于光电二极管时，其响应程度或电流灵敏度与波长的关系称为其光谱响应。灵敏度与波长的关系称为其光谱响应。典型硅光电二极管光谱响典型硅光电二极管光谱响应长波限为应长波限为1.1m1.1m左右，左右，短波限接近短波限接近0.4m0.4m，峰值峰值响应波长为响应波长为0.9m0.9m左右。左右。（3）伏安特性）伏安特性 其中弯曲点其中弯曲点 所对应的电压值所对应的电压值-曲膝电压曲膝电压 为分析方便，经线性处理后的特性曲线如图。为分析方便，经线性处理后的特性曲线如图。为了保证输出电流和入射光功

35、率之间呈线性关系，关为了保证输出电流和入射光功率之间呈线性关系，关键在于确定最佳负载电阻。键在于确定最佳负载电阻。由图可见，当光信号功率由由图可见，当光信号功率由P慢慢变化到慢慢变化到P时，为使输时，为使输出光电流和入射光功率之间呈线性变化，负载线必须通出光电流和入射光功率之间呈线性变化，负载线必须通过过M点右方。要使输出电压最大（保证线性关系最大），点右方。要使输出电压最大（保证线性关系最大），则负载线必须通过则负载线必须通过 点，此时可求处点，此时可求处Umax由此相对应的由此相对应的GL为为由图可知，在由图可知，在 段上的电流段上的电流 Ni-光电二极管的电流灵敏度；光电二极管的电流灵敏

36、度；G-光电二极管的内电导，其值等于管子内阻的倒数；光电二极管的内电导，其值等于管子内阻的倒数；-负载电阻负载电阻的倒数；的倒数；g-光电二极管的临界电导；光电二极管的临界电导；当光信号功率当光信号功率Pmin变大变大Pmax时，由图中的时，由图中的M、M点的点的电流值得：电流值得：在M在M已知某已知某i光电二极管的电流灵敏度光电二极管的电流灵敏度i为为.uA/um，结间电导结间电导g.微西，曲膝电压微西，曲膝电压V=10伏，入射功伏，入射功率从率从 P uw变到变到 P uw，偏压伏，偏压伏，求最大功率输出时的求最大功率输出时的，输出电流，输出电压和输出，输出电流，输出电压和输出功率。功率。

37、根据题意得根据题意得（兆欧）（伏）（uA）（uw）（）频率的响应特性（）频率的响应特性 以以f f频率调制的辐射作用于频率调制的辐射作用于PNPN结硅光电二极管光敏面时，结硅光电二极管光敏面时，PNPN结硅光电二极管的电流产生要经过下面结硅光电二极管的电流产生要经过下面3 3个过程：个过程：1)在在PN结区内产生的光生载流子渡越结区的时间，称结区内产生的光生载流子渡越结区的时间，称为漂移时间记为为漂移时间记为RC；2)在在PN结区外产生的光生载流子扩散到结区外产生的光生载流子扩散到PN结区内结区内所需要的时间，称为扩散时间记为所需要的时间，称为扩散时间记为p；3)由由PN结电容结电容Cj和管芯

38、电阻和管芯电阻Ri及负载电阻及负载电阻RL构成构成的的RC延迟时间。延迟时间。设载流子在结区内的漂移速度为设载流子在结区内的漂移速度为vd，PN结区的宽度结区的宽度为为W，载流子在结区内的最长漂移时间为，载流子在结区内的最长漂移时间为 一般的一般的PNPN结硅光电二极管，内电场强度结硅光电二极管，内电场强度E Ei i都在都在10105 5V/cmV/cm以上，以上，载流子的平均漂移速度要高于载流子的平均漂移速度要高于10107 7cm/scm/s，PNPN结区的宽度常结区的宽度常在在100100mm左右，由上式可知漂移时间为左右，由上式可知漂移时间为nsns数量级。数量级。对于对于PNPN结

39、硅光电二极管，入射辐射在结硅光电二极管，入射辐射在PNPN结势垒区以外结势垒区以外激发的光生载流子必须经过扩散运动到势垒区内才能在内激发的光生载流子必须经过扩散运动到势垒区内才能在内建电场作用，并分别拉向建电场作用，并分别拉向P P区与区与N N区。载流子的扩散运动往区。载流子的扩散运动往往很慢，因此，扩散时间往很慢，因此，扩散时间p p很长，约为很长，约为100100nsns，它是限制它是限制PNPN结硅光电二极管时间响应的主要因素。结硅光电二极管时间响应的主要因素。另一个因素是PN结电容Cj和管芯电阻Ri及负载电阻RL构成的时间常数RC，RC为 它的频率特性响应主要由三个因素决定它的频率特

40、性响应主要由三个因素决定1）PN结电容结电容Cj和管芯电阻和管芯电阻Ri及负载电阻及负载电阻RL构成的构成的时间常数时间常数2）光生载光生载流子在耗尽层附近的扩散时间；）光生载光生载流子在耗尽层附近的扩散时间；3）光生载流子在耗尽层内的漂移时间；）光生载流子在耗尽层内的漂移时间；知识巩固光电二极管的频率特性较好，其决定因素包括（）。A、PN结电容、管芯电阻及负载电阻构成的时间常数B、光生载流子在耗尽层附近的扩散时间C、光生载流子在耗尽层内的漂移时间D、载流子在PN结扩散漂移的时间ABC光电池的工作特性是指（光电池的工作特性是指（）知识巩固A、温度特性、温度特性B、频率特性、频率特性D、光谱特性、光谱特性C、光照特性、光照特性ABD