光电转换器特性的研究

实验简介传感器技术中很重要的一类称为光传感器。光传感器通常是指紫外到红外波长范围的传感器，其类型可分为量子探测器和热探测器两类。本实验将介绍常用的量子探测器或称光子探测器，它是利用材料的光电效应制作成的探测器，故也称为光电转换器。其主要参数有响应度（灵敏度）、光谱响应范围、响应时间和可探测的最小辐射功率等。光电转换器件主要是利用光电效应将光信号转换成电信号。自光电效应发现至今，光电转换器件获得了突飞猛进的发展，目前各种光电转换器件已广泛地应用在各行各业。常用的光电效应转换器件有光敏电阻、光电倍增器、光电池、PIN管、CCD等。光电倍增器是把微弱的输入转换为电子，并使电子获得倍增的电真空器件。当光信号强度发生变化时，阴极发射的光电子数目相应变化，由于各倍增极的倍增因子基本上保持常数，所以阳极电流亦随光信号的变化而变化，此即光电倍增管的简单工作过程。由此可见，光电倍增管的性能主要由光阴极、倍增极及极间电压决定。光电阴极受强光照射后，由于发射电子的速率很高，光电阴极内部来不及重新补充电子，因此使光电倍增管的灵敏度下降。如果入射光强度太高，导致器件内电流太大，以至于电阴极和倍增极因发射二分解，就会造成光电倍增管的永久性波坏。因此，使用光电倍增管时，应避免强光直接入射。光电倍增管一般用来测弱光信号。光电池是把光能直接变成电能的器件，可作为能源器件使用，如卫星上使用的太阳能电池。它也可作为光电子探测器件。光电二极管有耗尽层光电二极管和雪崩光电二极管两种。半导体pn结区附近成为耗尽层，该层的两侧是相对高的空间电荷区，而耗尽层内通常情况下并不存在电子和空穴。只有当光照射pn结时才能使耗尽层内产生载流子（电子－空穴对），载流子被结内电场加速形成光电流。利用该原理制成的光电二极管称为耗尽层光电二极管。耗尽层光电二极管有pin层、pn层、金属－半导体型、异质型等血崩光电二极管是利用二极管在高的反向偏压下发生血崩效应而制成的光电器件。血崩光电二极管的倍增效应与外加电压有关。血崩光电二极管具有倍的电流增益，因此，它的灵敏度很高，并且相应速度快，常用于超高频的调制光和超短光脉冲的探测。CCD（ChargeCoupledDevice）即电荷耦合器件，通过输入面上光电信号逐点的转换、储存和传输，在其输出端产生一时序信号。随着科技的进步，CCD技术日臻完善，已广泛用于安全防范、电视、工业、通信、远程教育、可视网络电话等领域。本实验的目的是了解光电效应原理及光电转换器件的工作模式并测量光电转换器件的基本特性。实验原理光电效应光电转换器件主要是利用物质的光电效应，即当物质在一定频率的光的照射下，释放出光电子的现象。当光照射金属、金属氧化物或半导体材料的表面时，会被这些材料内的电子所吸收，如果光子的能量足够大，吸收光子后的电子可挣脱原子的束缚而逸出材料表面，这种电子称为光电子，这种现象称为光电子发射，又称为外光电效应。有些物质受到光照射时，其内部原子释放电子，但电子仍留在物体内部，使物体的导电性增加，这种现象称为内光电效应。光电导效应某些半导体材料在光的照射下，内部电子吸收光子后，挣脱原子的束缚而形成自由电子，使其导电性能增加，电阻率下降，这种半导体器件称为光敏电阻，这种现象称为光电导效应。当光停止辐照后，自由电子又被失去电子的原子所俘获，其电阻率恢复原值。利用光敏电阻的这种特性制成的光控开关在我们日常生活中随处可见。二次电子发射效应当电子轰击某物体时，如果该电子的动能足够大，被轰击物体将会有新的电子发射出来，该现象称为二次电子发射效应。轰击物体的电子称为一次电子，物体吸收一次电子后激励体内的电子到高能态，这些高能电子的一部分向物体表面运动，到达表面时仍具有足够的能量克服表面势垒而发射出来的电子称为二次电子。常用的光电转换器件主要有光敏电阻、光电倍增管、光电二极管等。光电二极管光电二极管是典型的光电效应探测器，具有量子噪声低、响应会、使用方便等特点，广泛用于激光探测器。图1.1.1-1是硅光电二极管的工作原理。外加反偏电压于结内电场方向一致，当pn结及其附近被光照射时，就会产生载流子（即电子－空穴对）。结区内的电子－空穴对在势垒区电场的作用下，电子被拉向n区，空穴被拉向p区而形成光电流。同时势垒区一侧一个扩散长度内的光生载流子先向势垒区扩散，然后在势垒区电场的作用下也参与导电。当入设光强变化时，光生载流子的浓度及通过外回路的光电流也随之发生相应的变化。这种变化在入射光强很大的动态范围内仍能保持线性关系。–伏安特性当没有光照射时，光电二极管相当于普通的二极管。其伏安特性是式中I为流过二极管的总电流，为反向饱和电流，e为电子电荷，k为玻尔兹曼常量，T为工作温度，V为加在二极管两端的电压。如图1.1.1-2所示对于外加正向电压，I随V指数增长，称为正向电流；当外加电压反向时，在反向击穿电压之内，反向饱和电流基本上是个常数。对于硅光二极管来说，其伏安特性可表示为式中是流过硅光电二极管的总电流，是反向光电流，S是电流灵敏度，P是入射光功率，因硅光二极管是反向偏压工作，故上式可简化为硅光电二极管的伏安特性曲线相当于把普通二极管的伏安特性曲线向下平移。其实际伏安曲线如图1.1.1-3所示。在工作反偏压一定的情况下，从图1.1.1-3可以绘出与入射光强的关系曲线，如图1.1.1-4所示。从图中可以看出，在很大的动态范围内，它们基本上是线性关系。因此光电二极管不像光电倍增管那样容易损坏。光电二极管的频率响应、峰值相应、时间响应：光电二极管具有频率响应宽、灵敏度高、时间响应快等特点，是一种常用的光电探测器件。光电二极管的光谱响应主要由构成pn结的材料决定。图1.1.1-5是硅光电二极管的光谱响应曲线。量子效率：光电探测器吸收光子产生光电子，光电子形成光电流。因此，光电流I与每秒入射的光子数，即光功率P成正比。根据统计光学理论，光电流与入射光功率的关系为式中I为光电流，P为光功率，是光电转换因子，e为电子电荷，h为普朗克常量，v为入射光频率，为量子效率。从上式可知。实验内容测量光电二极管的频谱曲线、峰值响应频率如图1.1.1-6所示，在暗箱里，强度较高的白光光源通过滤光片后入射到光电二极管上，光电二极管的线路图如图1.1.1-7所示。利用示波器或电压表观察、测量不同波长的光（用不同颜色的滤光片获得）照射在pin管上所获得的电压。绘出波长－电压及图，通过曲线向找到峰值响应频率，曲线向两边延伸，确定截至波长。能量计是一种灵敏度较高的测量激光输出能量的仪器，使用中应注意适当的挡位，以免过高能量损坏仪器。存贮示波器内含微处理器，可将测得的波形经机内RAM/ROM存贮起来，获得静态显示，便于观察、测量、拍照。按图1.1.1-7的接线，用已确定对应于峰值波长的滤光片，加一定的反偏电压，改变入射光强（用可变光阑实现），测量光电流与光强的关系，绘出其关系图，观察二者之间的关系。利用上述装置测量光敏电阻的长波极限以及峰值响应波长核频谱曲线。光电二极管的灵敏度高，应避免强光入射时损坏器件。自己设计一套电路装置，测量光电二极管的量子效率。思考题利用光敏电阻的特性，设计一光控开关电路。