光电探测材料与受光器件演示幻灯片.ppt

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光电探测材料与器件,5.1,光电探测的物理基础,5.2,光电探测器材料的基本特性,5.3,光电探测材料,5.4,光电探测器件（受光器件）,1,5.1,光电探测的物理基础,一、材料与光之间的相互作用,光电探测从本质上说材料与光的相互作用，主要决定于：,（,1,）光的性质：光谱组成、光强度、偏振、相干性及传播方向；,（,2,）材料的性能：能带结构,（,3,）外界条件：温度、机械压力、电场和磁场,二、光电效应,1,、定义,物质在光的作用下，不经升温而直接引起物质中电子运动状态发生变化；因此，把由光照而引起物体电学特性的改变统称为,光电效应,。,2,理解光电效应的三个,要点,：,1,）原因：是辐射，而不是升温；,2,）现象：电子运动状态发生变化；,3,）结果：光电子发射、电导率变化、光生伏特。,光电效应的,物理机制,：,在光的作用下，当光敏物质中的电子直接吸收光子的能量足以克服原子核的束缚时，电子就会从基态被激发到高能态，脱离原子核的束缚，在外电场作用下参与导电，因而产生了光电效应。,光电效应中光与物质相互作用的,本质,：光子与电子的,直接,作用,(,电子吸收光子,),注意：如果光子不是直接与电子起作用，而是能量被固体晶格振动吸收，引起固体的温度升高，导致固体电学性质的改变，这种情况就不是光电效应，而是,热电效应,。,3,2,、分类,外光电效应,:,指物质受光照后而激发的电子逸出物质的表面，在外电场作用下形成真空中的光电子流。这种效应多发生于金属和金属氧化物,.,内光电效应,:,指受光照而激发的电子在物质内部参与导电，电子并不逸出光敏物质表面。这种效应多发生于半导体内。内光电效应又可分为光电导效应、光生伏特效应和光磁电效应等。,外光电效应,和,内光电效应,的主要区别在于：受光照而激发的电子，前者逸出物质表面形成光电子流，而后者则在物质内部参与导电。,简单记为：,光辐射电子运动状态发生变化光电导效应、光生伏特效应、光电子发射。,4,光导管或光敏电阻,光电池,光电二极管,雪崩光电二极管,肖特基势垒光电二极管,光电磁探测器,光子牵引探测器,光电导,(,本征和非本征,),光生伏特,PN,结和,PIN,结,(,零偏,),PN,结和,PIN,结,(,反偏,),雪崩,肖特基势垒,异质结,3.,光电磁,光子牵引,内光电效应,光电管,充气光电管,光电倍增管,象增强管,1.,光阴极发射光电子,正电子亲和势光阴极,负电子亲和势光阴极,2.,光电子倍增,气体繁流倍增,打拿极倍增,通道电子倍增,外光电效应,相应的探测器,效 应,光电效应的分类,光电发射探测器、光电导探测器、光生伏特探测器,5,2.1,）光电导效应,:,当光照射到半导体材料时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。常存在于,高电阻率的半导体,中。,(1),本征光电导和杂质光电导,本征光电导,:,光照下半导体的本征激发引起导带电子和价带空穴增加，从而引起半导体电导率增加,.,直接带隙：,间接带隙：,杂质光电导,:,杂质能级和允许能带之间跃迁引起的光电导,.,6,本征光电导和杂质光电导的,区别,1),杂质的电离能通常比禁带宽度要小得多,杂质吸收和光电导的长波限比本征吸收和光电导长波限要大得多,.,2),杂质浓度比主晶格原子浓度要小几个数量级,杂质吸收和杂质光电导比本征吸收和本征光电导弱得多,.,3),从吸收跃迁结果看,本征光电导同时产生等量的自由电子和自由空穴,并且两者对光电导的产生做出贡献,.,而杂质光电导,只激发一种自由载流子,.,4),二者光激载流子产生率与激发光强度具有不同的函数关系,.,7,(2),表面对光电导的影响,光子能量小于禁带宽度时,本征吸收限以下的系数很低,表面吸收作用不大,样品的光电导主要由体积特性决定,.,在光子能量大于禁带宽度时,由于吸收系数很高,吸收深度很浅，近表面层对光的吸收作用很强，而体内吸收很弱，光电导主要决定于表面吸收、激发和复合。,8,（,3,）噪声,信号和噪声都与激发光的频率有关。最佳频率,1,）光子噪声：不可避免。每一个单位时间间隔内射入的光子数目与由此在半导体中产生的光生载流子数目是不同的，所以光电流不是严格不变的恒定值，而是在其平均值附近起伏。光电流的这种起伏表现为光子噪声。,9,2,）热激噪声：由载流子在光电导体中的不规则热运动所引起的。自由载流子热运动速度大小的起伏和运动方向的杂乱性使得每一个体积元中载流子浓度大小是变化的，这就造成噪声。降低温度可以减少热激噪声。这种噪声存在于任何电阻器中,.,3,）产生,-,复合噪声：半导体中由于热激载流子产生和复合的不规则起伏所引起的噪声。,4,）陷阱效应噪声：受到激发而产生的自由载流子在有陷阱的半导体中可以被陷阱俘获，之后又可以因热激发从陷阱释出而成为自由载流子。同产生,-,复合过程类似，载流子被俘获和释放的过程也是起伏的，而导致噪声。,5,）,噪声：其功率近似地与频率,f,成反比，因而称为 噪声,是低频范围主要的噪声。只在有电流通过时才存在。来源可能与表面情况、势垒、晶体位错缺陷以及接触不良等有关。可通过完善工艺来降低这种噪声。,10,2.2,）光生伏特效应,:,如果在一定条件下受到光照作用的半导体,特定方向,上产生电动势,这种现象称为光生伏特效应,.,关键,:,光生电子和空穴能够在空间中分开,.,产生条件,:,1),不均匀半导体,(,存在,内建电场,）,:p-n,结、异质结、肖特基势垒等,2),均匀半导体,:,体积光生伏特效应,电子和空穴迁移率的不相等,.,在不均匀光照时由于两种载流子扩散速度不同而导致两种电荷分开,从而出现光电势,.,这种现象称为丹倍效应,.,存在外加磁场,.,该磁场使得扩散中两种载流子向相反方向偏转,从而产生电动势,.,称为光磁电效应,.,11,垒效应（结光电效应）,接触的半导体和,PN,结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。,以,PN,结为例，,光线照射,PN,结时，设光子能量大于禁带宽度,E,g,，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向,N,区外侧，被光激发的空穴移向,P,区外侧，从而使,P,区带正电，,N,区带负电，形成光电动势。,12,2.3,）光电子发射,:,指固体在光的照射下向外发射电子的过程,属于外光电效应,.,(1),体积光电效应,:,光吸收是体积材料特性,(2),光电发射的物理过程,第一步,:,电子吸收光子后产生激发,即得到能量,.,第二步,:,受激电子向固体表面扩散并最终到达表面,.,在这个过程中电子发生散射并失去部分能量,.,第三步,:,受激电子越过表面势垒逃逸至真空中,.,根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。,外光电效应多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过,10,-9,s,。,13,根据能量守恒定理,m,电子质量；,v,0,电子逸出速度,。,光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功,A,0,。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。,当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。,光电子逸出物体表面具有初始动能,mv,0,2,/2,，因此外光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射光的频率成正比。,14,为了得到尽可能高的光电发射量子效率,对半导体材料的要求,:,材料表面的反射系数要尽可能低,.,量子效率与电子在表面上的逃逸几率成正比,而逃逸几率的大小取决于半导体电子亲和势与电子能量之比,.,因此为了得到较高的量子效率,半导体的电子亲和势应尽可能低,达到负值更好,.,半导体应该具有较高的光吸收系数,.,逃逸深度应该尽可能地大,最好大于吸收深度,.,半导体的,E,g,要适中,.,(3),量子效率,光电发射灵敏度的表示法,:,每单位入射光功率的光电流,.mA/W,每一个吸收或入射光子所发射的电子数,.,光子数,/,电子数,15,(4),表面条件的影响,1),能带弯曲,:,对于,n,型半导体,表面态使得体内光电子发射变得更困难,.,对于,p,型半导体,表面态对于体内的光电子发射十分有利,.,2),发射阈和有效电子亲和势的进一步降低,:,向半导体表面淀积一薄层功函数低的材料,(,厚度比电子平均自由程小得多,),则受激电子可以不受大的能量损失而达到该层,.,结果光电发射阈由于新表面功函数较低而降低,.,16,一、光电探测器的主要性能参数,2,量子效率,1,响应度,R,5,噪声等效功率,NEP,3,光谱响应度,R(,),4,频率响应度,R(f),6,探测度,D,和归一化探测度,D,*,等,5.2,光电探测器材料的基本特性,17,1.,响应度,R,（或称灵敏度）,描述光电探测器的光电转换效率。,定义：光电探测器输出信号与输入光功率之比。,分类：响应度分为,电压响应度,和,电流响应度,。,电压响应度,R,v,：,光电探测器件输出电压与入射光功率之比,电流响应度,R,I,：,光电探测器件输出电流与入射光功率之比,18,2.,量子效率,：,是指每入射一个光子光电探测器所释放的平均电子数。它与入射光能量有关。其表达式为,:,式中，,I,是入射光产生的平均光电流大小，,e,是电子电荷，,P,是入射到探测器上的光功率。,I/e,为单位时间产生的电子数,P/h,为单位时间入射的光子数。,对于理想的探测器，每入射一个光子则发射一个电子，,=1,；,实际上一般有,410nm,）的可见光来说，很难产生光电发射，只有铯（,2eV,逸出功）对可见光最灵敏，故可用于光阴极。但纯金属铯量子效率很低，小于,0.1%,，在光电发射前两个阶段能量损耗太大。,42,(a),本征半导体,1),本征半导体,T=0K,时，本征半导体中电子占据的最高能级是价带顶，因此，电子从价带顶跃迁到导带所需的最小能量为：,6,、半导体的光电子发射,2)N,型半导体,N,型半导体是以电子为主导电的半导体，施主杂质中的电子只要获得很小的能量，就能脱离原子而参加导电。,施主能级处于禁带内导带底的下面。电子从施主能级跃迁到导带所需的最低能量为,:,(b)N,型半导体,说明：在常温下，电子（空穴）所具有的平均热能就足以使施主原子电离。因此，,N,型和,P,型半导体都具有较高的电导率。,3)P,型半导体,受主能级处于禁带内价带顶的上方，价带电子跃迁到受主能级所需的电离能为,:,43,半导体的逸出功,(b)N,型半导体,(a),本征半导体,半导体的光电逸出功由两部分组成：,1),电子从发射中心激发到导带所需的最低能量；,2),电子从导带底逸出到真空能级所需的最低能量（即电子亲和势）。,44,半导体电子逸出功定义为,T=0K,时真空能级与电子发射中心的能级之差，而电子发射中心的能级有的是价带顶，有的是杂质能级，有的是导带底，情况复杂，因此对于半导体很少用电子逸出功的概念。,由于电子逸出功不管从哪里算起，其中都包含有亲和势（真空能级与导带底之差），因此,为了表示光电发射的难易,，使用,亲和势,的概念比使用逸出功的概念更有实际意义。所以，对于半导体一般不用逸出功的概念，而用电子亲和势的概念。为了表示光电发射的能量阈值，许多资料都是按真空能级与价带顶之差（亲和势加上禁带宽度）来计算。,E,v,E,F,E,c,E,A,e,E,g,E,0,(b),理想半导体,E,电子亲和势：,真空能级与导带底之差,半导体表面处的光电发射阈值,E,：,45,e,E,C,E,V,E,Ae,E,D,E,A,j,E,E,0,E,E,F,（,a,）正电子亲和势,E,F,E,E,C,V,E,A,j,E,E,0,e,（,b,）负电子亲和势,正电子亲和势：表面真空能级位于导带底之上,负电子亲和势：表面特殊处理后表面区域能带弯曲，真空能级降至导带底之下，有效电子亲和势为负值。,实际半导体：表面能带弯曲，有效电子亲和势,半导体材料光阴极的分类：,正电子亲和势,(,PEA,，,亦称经典光阴极,),：,E,Ae,0,负电子亲和势,(,NEA,阴极，当前性能最好的光阴极）,:E,Ae,0,46,半导体材料与金属相比，对光辐射的吸收率大，内部能量散射损失小，表面势垒又可以人为控制，因而采用半导体材料作光阴极获得了广泛应用。,1.,光阴极表面对光辐射的反射小而吸收大，以便体内有较多的电子受到激发；,7,、良好的光阴极材料的标准,：,2.,受激电子最好是发生在表面附近，这样向表面运动过程中损失的能量少；,3.,材料的逸出功要小（光阴极表面势垒低），使到达真空界面的电子能够比较容易地逸出；,4.,材料还要有一定的电导率，以便能够通过外电源来补充因光电发射所失去的电子。,47,二、光电子发射材料,1,、光电发射材料的分类,纯金属材料；金属,+,吸附层；半导体材料。,2,、金属材料的特性,3,、半导体材料的特性,其反射率为,90%,；,体内自由电子多，由碰撞引起的能量散射损失大，逸出深度小；,逸出功大，量子效率低；,光谱响应在紫外或远紫外区，适于紫外灵敏的光电器件。,光吸收系数比金属大；,体内自由电子少，散射能量变小，故量子效率比金属大；,光发射波长延伸至可见、近红外波段。,在半导体光电发射材料的基础上，发展了,负电子亲和势,光电阴极，长波可至,1.6,um,（,70,年代后期）,48,h,=,0,.,1,%,h,=,1,%,10,1,0.2,0.8,1.0,1.2,l,m,m,=1%,=0.1%,S,(,l,),(,mA/W,),0.4,0.6,银氧铯光电阴极光谱响应曲线,1934,年研制的第一支红外变象管就采用这种阴极。,它是红外波段唯一可用的经典光电发射材料，长波限可达,1.2,um,量子效率极低,(1%),，灵敏度低,(,3mA/W,),暗电流大,。,当阴极长期受光照后，会产生严重的疲劳现象，且疲劳特性与光照度、光照波长等都有密切关系，疲劳后光谱响应曲线也会发生变化，因此它的应用受到很大限制。,4,、常用的光电发射材料,1,）银氧铯（,AgOCs),阴极,Ag,2,O,Ag,Cs,2,O,内吸附,Cs,原子,Cs,原子,银氧铯阴极是以,Ag,为基底，氧化银为中间层，上面再有一层带有过剩,Cs,原子及,Ag,原子的氧化铯，而表面由,Cs,原子组成，可用,Ag-Cs,2,OAgCs-Cs,的符号表示。,49,碱金属与锑（,Sb,）、铅（,Pb,）、铋（,Bi,）、铊（,Tl,）等生成的金属化合物具有极其宝贵的光电发射性能，其中，锑铯,(CsSb),阴极广泛用于紫外和可见光区的光电探测器中。,量子效率高,:,在蓝光区峰值量子效率可达,30%,，比,Ag-O-Cs,高,30,倍。,在可见区，积分响应度达,70-150uA/lm;,长波限为,0.7um,左右，可延伸；对红光、红外不灵敏。,2,）单碱锑化物光电阴极,锑化物光电阴极光谱响应曲线,SbKCs,CsSb,NaKSbCs,.,100,10,1,0.7,0.9,l,m,m,S,(,l,),(,mA/W,),0.3,0.5,它在可见光的短波区和近紫外区,(0.30.45m),响应率最高，其量子效率可达,25,，长波限在,0.65m,附近；,它的典型光照灵敏度达,60A/lm,，比银氧铯阴极高得多。,CsSb,阴极的热电子发射,(,约,10,-16,A/cm,2,),和疲劳特性均优于银氧铯阴极，而且制造工艺简单，目前使用比较普遍。,50,当锑和几种碱金属形成化合物时，具有较高的响应度（其中碱分为：,双碱、三碱、四碱,等，统称多碱）,3,）多碱光电阴极,锑钾钠（,NaKSb,）,响应度,50,100uA/lm,在,0.4um,处，量子效率为,25%,其典型光照灵敏度可达,50A/lm,。耐高温（,175,左右）而一般含铯阴极的工作温度不能超过,60,，因此锑钾钠阴极可用于石油勘探等特殊场合。,锑钾钠铯（,NaKSbCs,）,峰值响应波长,0.42,um,，响应度,150uA/lm,，长波限为,0.85um,。在较宽的光谱区具有较高的量子效率。具有高稳定性、疲劳效应小，运用广泛。,近几年，经过特殊处理的,NaKSbCs,阴极，其光谱响应的长波限可扩展到,930nm,，峰值波长也从,0.42nm,延伸至,0.6nm,，,光照灵敏度提高到,400A/lm,。,51,紫外辐射有较高的能量，探测其一般没有困难，而关键在于采用什么合适的,窗口材料,，可使紫外辐射透过（而可见光无响应）并且射向光电阴极。,4,）紫外光电阴极,(,日盲型光电阴极,),碲化铯（,CsTe,）和碘化铯（,CsI,）,对太阳和地表辐射不敏感，在紫外区响应范围为,100,280nm,长波限在,290,320nm,。,52,5,）负电子亲和势光电阴极,前面讨论的常规光电阴极都属于正电子亲和势,(PEA),类型，表面的真空能级位于导带之上。,如果给半导体的表面作特殊处理使表面区域能带弯曲，真空能级降到导带之下，从而使有效的电子亲和势为负值，经这种特殊处理的阴极称作负电子亲和势光电阴极,(NEA),。,GaAs,、,InGaAs,、,GaAsP,等。其量子效率比经典,Ag-O-Cs,光电阴极要高,10,100,倍，而且在较宽的光谱范围内光谱响应曲线较为平坦。,GaAs,In,0.06,Ga,0.94,As,Ag-O-Cs,.,50,10,1,0.9,1.1,l,m,m,量子效率,(%),0.5,0.7,5,0.5,0.1,In,0.12,Ga,0.22,As,53,(1),量子效率高,负电子亲和势阴极因其表面无表面势垒，所以受激电子跃迁到导带并迁移到表面后，无需克服表面势垒就可以较容易地逸出表面,.,负电子亲和势光电阴极与前述的正电子亲和势光电阴极相比，具有以下特点：,(2),光谱响应延伸到红外、光谱响应率均匀,正电子亲和势光电阴极的阈值波长为：,负电子亲和势光电阴极的阈值波长为：,(3),热电子发射小,与光谱响应范围类似的正电子亲和势的光电发射材料相比，负电子亲和势材料的禁带宽度一般比较宽，所以在没有强电场作用的情况下，,热电子发射,较小，一般只有,10,-16,A/cm,2,。,(4),光电子的能量集中,基本等于导带底的能量，可提高光电成像器件的空间分辨率和时间分辨率。,54,三、真空光电管,真空光电管由玻壳、光电阴极和阳极三部分组成。,为了防止氧化，将管内抽成真空。,光电阴极,即半导体光电发射材料，涂于玻壳内壁，受光照时，可向外发射光电子。,阳极,是金属环或金属网，置于光电阴极的对面，加正的高电压，用来收集从阴极发射出来的电子。,真空光电管常用的电极结构有：,中心阴极型,中心阳极型,半圆柱面阴极型,平行平板极型,带圆筒平板阴极型,55,真空光电管一般体积都比较大、工作电压高达百伏到数百伏、玻壳容易破碎等。,优点：,光电阴极面积大，灵敏度较高，一般积分灵敏度可达,20,200A/lm,；,暗电流小，最低可达,10,-14,A,；,光电发射弛豫过程极短。,缺点：,56,充气光电管,充气光电管,（又称,离子光电管,）由封装于充气管内的光阴极和阳极构成。,它不同于真空光电管的是，光电子在电场作用下向阳极运动时与,管中气体原子碰撞而发生电离现象,。由电离产生的电子和光电子一起都被阳极接收，正离子却反向运动被阴极接收。因此在阳极电路内形成,数倍于真空光电管的光电流,。,充气光电管的电极结构也不同于真空光电管。常用的电极结构有中心阴极型、半圆柱阴极型和平板阴极型。,57,充气光电管最大缺点是在工作过程中灵敏度衰退很快，其原因是,正离子轰击阴极而使发射层的结构破坏,。,充气光电管按管内充气不同可分为,单纯气体型,和,混合气体型,。,单纯气体型：,这种类型的光电管多数充,氩气,，优点是氩原子量小，电离电位低，管子的工作电压不高。有些管内充,纯氦或纯氖,，使工作电压提高。,混合气体型：,这种类型的管子常选,氩氖混合气体,，其中氩占,10,左右。由于氩原子的存在使处于亚稳态的氖原子碰撞后即能恢复常态，因此减少惰性。,58,真空光电管,充气光电管,优,点,1.,光电阴极面积大，暗电流小；,光照灵敏度高,2.,驰豫过程小。,缺,点,1.,灵敏度低,；,1.,稳定性差；,2.,体积大；,2.,线性度差；,3.,玻璃体，易碎。,4.,和放大器配合使用受限,3.,噪声大；,4.,响应时间长,真空、充气光电管比较,59,四、光电倍增管,K-,光电发射阴极；,D-,聚焦板；,D,1,D,10,-,倍增极；,A-,收集电子的阳极,工作原理：器件包含一个对光子敏感的光电阴极，当光子投射到光电阴极上时，光子可能被光电阴极中的电子吸收，获得足够大能量的电子能逸出光电阴极而成为自由的光电子。在光电管中，光电子在带正电的阳极的作用下运动，构成光电流。在光电倍增管的光电阴极与阳极之间设置了多个电位逐级上升并能产生二次电子的电极（称为打拿极）。从光电阴极逸出的光电子在打拿极电压的加速下与打拿极碰撞，发生倍增效应，最后形成较大的光电流信号。,60,光电倍增管的光电转换过程分为两个过程：,1,）光电发射,2,）电子倍增,光电倍增管的组成：,光窗（,Input window),光电阴极,(Photo cathode),电子光学系统,电子倍增系统,(Dynodes),阳极,(Anode),特点：光电流大，灵敏度高,倍增率,=,n,-,单极倍增率，,n-,倍增极数,在入射光极为微弱时，光电倍增管能产生的光电流就很大,光电倍增管：放大光电流,61,倍增极材料大致可分以下几类：,1,）某些金属氧化物：,主要是银氧铯、锑铯、氧化镁等，它们既是灵敏的光电发射体，也是良好的二次电子发射体。,2,）合金型：,主要是银镁、铝镁、铜镁、镍镁、铜铍等合金,3,）负电子亲和势发射体：,GaP-Cs,、,GaAs-Cs,2,O,导带底的电子能量高于真空能级,量子效率高。,62,光电倍增管的优缺点,优点：,1,）放大倍数高，适于弱光探测，单一光子便可响应；,2,）光电特性的线性关系好；,3,）工作频率高；,4,）性能稳定，使用方便；,缺点：,1,）,供电电压高；,2,）玻璃外壳，抗震性差；,3,）价格昂贵，体积大；,4,）热发射强，暗电流大，需冷却。,63,（,1,）光电管的伏安特性,在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。,真空光电管 充气光电管,150,100,50,2,0,20lm,40lm,60lm,80lm,100lm,120lm,4,6,8,10,12,阴极电压,/V,I,A,/A,2,0,100,50,弱光,强光,150,4,6,8,10,12,阴极电压,/V,I,A,/A,64,（,2,）光电管的光照特性,当光电管的阴极和阳极之间所加的电压一定时，光通量与光电流之间的关系。,光照特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度。,光电管的光照特性,65,(3),光电管的光谱特性,一般光电阴极材料不同的光电管有不同的红限频率，因此它们可用于不同的光谱范围。另外，同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同。,以,GD-4,型光电管为例，阴极是用锑铯材料制成，其红限,c=700nm,，对可见光范围的入射光灵敏度比较高。适用于白光光源，被应用于各种光电式自动检测仪表中。,对红外光源，常用银氧铯阴极，构成红外探测器。对紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。还有些光电管的光谱特性与人的视觉光谱特性有很大差异，可以担负人眼不能胜任的工作，如夜视镜等。,66,国产光电管的技术参数,国产光电倍增管的技术参数,67,5.4.2,光电导型探测器件,光敏电阻,光电导探测器,（光电导效应或内光电效应）,半导体材料,光子能量大于,禁带宽度,材料内不导电束缚状态的电子空穴,自由电子空穴,光辐射,电导率变化,68,光敏电阻的结构与工作原理,光敏电阻又称光导管,它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性,纯粹是一个电阻器件,使用时既可加直流电压,也可以加交流电压。无光照时,光敏电阻值（暗电阻）很大,电路中电流（暗电流）很小。,当光敏电阻受到一定波长范围的光照时,它的阻值（亮电阻）急剧减少,电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好,亮电阻越小越好,此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级,亮电阻在几千欧以下。,一、光敏电阻（光电导型）,69,图为光敏电阻的原理结构。它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质,半导体的两端装有金属电极,金属电极与引出线端相连接,光敏电阻就通过引出线端接入电路。为了防止周围介质的影响,在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜,漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。,70,原理：电阻器件，加直流偏压，无极性,无光照,-,电子,-,空穴对很少,-,电阻大,(,暗电阻,),有光照,-,电子,-,空穴对增多,-,导电性增强（亮电阻）,光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。,特点：,很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，应用广泛。,结构：,光敏电阻是在一块光电导体两端加电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其它绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。电极和光电导体间呈,欧姆接触。,光敏面作成蛇形，电极作成梳状可以保证有较大的受光表面，也可以减小电极之间距离，从而既可减小极间电子渡越时间，也有利于提高灵敏度。,71,光敏电阻,R,G,R,L,E,I,72,2,、,光敏电阻的主要参数,）暗电阻：光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻,此时流过的电流称为暗电流。,）亮电阻：光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻,此时流过的电流称为亮电流。,）光电流：亮电流与暗电流之差称为光电流。,光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。,实用光敏电阻的暗电阻往往超过,1M,甚至高达,100M,，而亮电阻则在几,k,以下，暗电阻与亮电阻之比在,10,2,10,6,之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。,73,（,1,）光照特性,用于描述光电流与光照强度之间的关系。,多数是非线性的。不宜做线性测量元件，一般用做开关式的光电转换器。,3.,光敏电阻的基本特性,74,（,2,）光谱特性,对应于不同波长,光敏电阻的灵敏度是不同的。,光谱特性光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性,亦称为光谱响应。,硫化镉光敏电阻的光谱响应的峰值在可见光区域,常被用作光度量测量（照度计）的探头。,硫化铅光敏电阻响应于近红外和中红外区,常用做火焰探测器的探头。,75,可见光区几种光敏电阻的光谱特性曲线,1-,硫化镉单晶,2-,硫化镉多晶,3-,硒化镉多晶,4-,硫化镉与硒化镉混合多晶,硫化镉,(CdS),单晶、多晶、硫化镉与硒化镉,(CdSe),混合多晶，硒化镉多晶等几种光敏电阻的光谱特性曲线,覆盖了整个可见光区，峰值波长在,515-750nm,之间。尤其硫化镉多晶的峰值波长与人眼的很敏感的峰值波长,（,555nm,）,是很接近的，因此可用于与人眼有关的仪器，例如照相机、照度计、光度计等。,76,注明：,此特性与所用材料的光谱响应、制造工艺、掺杂浓度和使用的环境温度有关。,红外区光敏电阻的光谱特性,77,(3),伏安特性,所加的电压越高，光电流越大，而且没有饱和的现象。在给定的电压下，光电流的数值将随光照增强而增大。,伏安特性在一定照度下,流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。,电阻在一定的电压范围内,其,I-U,曲线为直线，说明其阻值与入射光量有关,而与电压、电流无关。,78,（,4,）频率特性,时间常数：光敏电阻自停止光照起到电流下降为原来的,63%,所需要的时间。多数光敏电阻的时间常数都很大。,79,(5),温度特性,硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线,温度变化影响光敏电阻的光谱响应,同时,光敏电阻的灵敏度和暗电阻都要改变,尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。,峰值随着温度上升向波长短的方向移动。因此,硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用。对于可见光的光敏电阻,其温度影响要小一些。,80,初制成的光敏电阻，由于电阻体与其介质的作用还没有达到平衡，性能不稳定。但在人工加温、光照及加负载情况下，性能可达稳定。光敏电阻在最初的老化过程中，阻值会有变化，但最后达到稳定值后就不再变化。这是光敏电阻的主要优点。,光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况下几乎是无限长的。,（,6,）稳定性,81,几种光敏电阻的特性参数,82,4,、光敏电阻的分类,本征型光敏电阻,一般在室温下工作,适用于可见光和近红外辐射探测,非本征型光敏电阻,通常在低温条件下工作,常用于中、远红外波长的辐射探测,83,优点：,灵敏度高，工作电流大，无极性之分；,光谱响应范围宽，尤其对红外有较高的灵敏度；,所测光强范围宽，可测强光、弱光。,5,、光敏电阻的优缺点,强光下光电转换线性差；,光电导弛豫时间长；,受温度影响大；,由伏安特性知，设计负载时，应考虑额定功耗；,进行动态设计时，应考虑光敏电阻的前历效应。,缺点：,84,6,、几种典型的光电导探测器,低造价、可见光辐射探测器；,光电导增益比较高,(10,3,10,4,),、响应时间比较长,(,大约,50ms),（,2,）,PbS,：近红外辐射探测器,（,1,）,CdS,和,CdSe,波长响应范围在,13.4m,，峰值响应波长为,2m,内阻（暗阻）大约为,1M,、响应时间约,200s,85,（,3,）锑化铟,InSb,（,4,）碲镉汞,Hg,x,Cd,1-x,Te,探测器,在,77k,下，噪声性能大大改善；,峰值响应波长为,5m,、,响应时间短（大约,10s,）,化合物本征型光电导探测器，它是由,HgTe,和,CdTe,两种材料混在一起的合金系统，其禁带宽度随组分,x,呈线性变化。,当,x=0.2,时响应波长为,814m,工作温度,77k,，用液氮致冷。,86,7,、光敏电阻的使用注意事项,光敏电阻的重要特点：,光谱响应范围宽，测光范围宽，灵敏度高，无极性之分。,但由于材料不同，在性能上差别较大。使用中应注意：,1,）,当用于模拟量测量时,，,因,光照指数,r,与光照强弱有关，只有在弱光照下光电流与入射辐通量成线性关系。,2,）,用于光度量测试仪器时，,必须对光谱特性曲线进行修正，保证其与人眼的光谱光视效率曲线符合。,3,）,光敏电阻的光谱特性与温度有关,，温度低时，灵敏范围和峰值波长都向长波方向移动，可采取冷却灵敏面的办法来提高光敏电阻在长波区的灵敏度。,87,4,）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,要防止光敏电阻受杂散光的影响。,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；防止使光敏电阻的电参数,(,电压、功耗,),超过允许值。,7,）进行动态设计时，应意识到光敏电阻的前历效应。,88,5.4.3,光伏型探测器件,一、光敏二极管,二、光敏三极管,三、光电池,89,一、光敏二极管,1,、结构原理,结构与一般二极管相似。它装在透明玻璃外壳中,其,PN,结装在管的顶部,可以直接受到光照射。,光敏二极管结构简图和符号,原理：利用,PN,结在施加反向电压时，在光线照射下反向电阻发生变化的原理来工作的，当没有光照射时反向电阻很大，反向电流很小；当有光照射时，反向电阻减小，反向电流增大。光电二极管在反向电压下受到光照而产生的电流称为光电流，光电流受入射照度的控制。,90,光敏二极管在电路中一般是处于,反向工作状态,。,在没有光照射时,反向电阻很大,反向电流很小,这反向电流称为暗电流。当光照射在,PN,结上时,光子打在,PN,结附近,使,PN,结附近产生光生电子和光生空穴对。它们在,PN,结处的内电场作用下作定向运动,形成光电流。,光敏二极管在不受光照射时,处于截止状态,受光照射时,处于导通状态。,光的照度越大,光电流越大,，,在光电流大于几十微安时,光敏二极管的光电流,I,与照度之间呈,线性关系,。则当电阻,R,一定时，光照越强，电流越大，,R,上获得的功率越大，从而实现了光电转换。光敏二极管的光照特性是线性的，所以,适合检测,等方面的应用。,R,L,光,P,N,P,N,光,91,2,、光电二极管的参数,光电二极管的参数较多，在使用时一般只需关注最高工作电压、光电流、光电灵敏度等主要参数即可。,（,1,）最高工作电压,U,RM,最高工作电压,U,RM,是指在无光照、反向电流不超过规定值的前提下，光电二极管所允许加的最高反向电压。使用中，不能超过此参数值。,（,2,）光电流,I,L,光电流,I,L,是指在受到一定光照时，工作在反向电压下的光电二极管中说流过的电流，约为几十微安。一般情况下，选用光电流较大的光电二极管效果较好。,（,3,）光电灵敏度,S,n,光电灵敏度,S,n,是指在光照下，光电二极管的光电流,I,L,与人射光功率之比，单位为,A/W,。光电灵敏度,S,n,越高越好。,92,3,、光电二极管的检测,（,1,）光电二极管的正、负极判别,光电二极管两管脚有正、负极之分，通常，靠近管键或色点的是正极，另一脚是负极；较长的是正极，较短的是负极。,（,2,）用万用表检测光电二极管的好坏,将万用表置“,RlK”,挡，黑表笔（表内电池正极）接光电二极管正极，红表笔接负极，测其正向电阻，应为,1020k,；对调两表笔，即红表笔接光电二极管正极，黑表笔接负极，然后用一遮光物（例如黑纸片等）将光电二极管的透明窗口遮住，这时测得的是无光照情况下的反向电阻，应为无穷大；,93,移去遮光物，使光电二极管的透明窗口朝向光源（自然光、白炽灯或手电筒等,),，这时表针应向右偏转至几,k,处，这说明被测管是好的。如果在无光照和有光照时测得的反向电阻均为,0,或无穷大，则说明此 光电二极管是坏的，不能使用。,4,）光电二极管的正确选用,光电二极管的种类很多，而且参数相差较大，选用时要根据电路的要求。首先确定选用什么类别的，再确定选用什么型号的，最后再从同型号中选用参数满足电路要求的光电二极管。,94,4,、,PIN,管结光电二极管（非放大型）,PIN,管是光电二极管中的一种。在,P,型半导体和,N,型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体（耗尽层）。这样，,PN,结的内电场就基本上全集中于,I,层中，从而使,PN,结双电层的间距加宽，结电容变小，频带变宽。,P-Si,N-Si,I-Si,PIN,管结构示意图,特点：频带宽，可达,10GHz,。在反偏压下运用可承受较高的反向电压，线性输出范围宽。,不足：,I,层电阻很大，输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。目前有将,PIN,管与前置运算放大器集成在同一硅片上并封装于一个管壳内的商品出售。,95,96,5,、雪崩光电二极管,(APD,，放大型,),管子,工作电压很高,，约,100,200V,，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此，这种管子有很高的内增益，可达到几百。响应速度特别快，,带宽可达,100GHz,，是目前,响应速度最快的一种光电二极管,。,噪声大是这种管子目前的一