常用光电探测器

常用光电探测器简介知识巩固光电探测器的物理效应光子效应光热效应响应波长有选择性，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，一般为几毫秒知识巩固1）以下属于内光电效应的有（）A、光电发射效应B、光电导效应C、光生伏特效应D、光磁效应2）在光线作用下，半导体电导率增加的现象属于()A、外光电效应B、内光电效应C、光电发射D、光导效应3）以下几种探测器属于热探测器的有：（）A、热电偶B、热释电探测器C、热敏电阻D、超导远红外探测器4）表征光电探测器探测微弱光信号能力的参数是（）A、通量阈B、噪声等效功率C、探测度D、归一化探测度知识巩固1）以下属于内光电效应的有（BCD）A、光电发射效应B、光电导效应C、光生伏特效应D、光磁效应2）在光线作用下，半导体电导率增加的现象属于(BD)A、外光电效应B、内光电效应C、光电发射D、光导效应3）以下几种探测器属于热探测器的有：（ABCD）A、热电偶B、热释电探测器C、热敏电阻D、超导远红外探测器4）表征光电探测器探测微弱光信号能力的参数是（ABCD）A、通量阈B、噪声等效功率C、探测度D、归一化探测度常用光电探测器光电导探测器——光敏电阻PN结光伏探测器的工作模式硅光电池——太阳电池光电二极管光热探测器热敏电阻热释电探测器光电导探测器——光敏电阻无结光电探测器（无需形成pn结）光敏电阻或光导管（光照下改变自身的电阻率，光照愈强，器件自身的电阻愈小）没有极性——电阻随光照强度而变化的可变电阻器光电导探测器（光电导效应原理）本征型光敏电阻：非本征型光敏电阻：一般在室温下工作，适用于可见光和近红外辐射探测通常在低温条件下工作，常用于中、远红外辐射探测常用的光敏电阻有CdS、CdSe、PbS以及TeCdHg等。其中CdS是工业应用最多的，而PbS主要用于军事装备，光敏电阻在绝缘基片上淀积半导体薄膜，然后在薄膜面上蒸镀金或铟，形成梳状金属电极——间距很近的电极之间，具有较大的光敏面积，从而获得很高的灵敏度。1.光敏电阻的结构和偏置电路PMheinnLuM2M——光电导体的光电流内增益光敏电阻光敏响应特性光照特性和伏安特性时间响应特性稳定特性噪声特性2.光敏电阻的工作特性光敏电阻的性能可依据其光谱响应特性、照度伏安特性、频率响应、温度及噪声特性来判别；在实际应用中，可根据这些特性合理选择相应的器件。光敏电阻光敏响应特性对各种光的响应灵敏度随入射光的波长变化而变化的特性。常用光谱响应曲线、光谱响应范围及峰值响应波长来描述。三种光敏电阻的光谱响应特性曲线)(24.1)(eVEmgm)(1240)(eVEnmgm或光敏电阻光照特性理想光电转换关系式：PMhei实际光照特征呈非线性关系：iKuPCdS的光照特性曲线与器件的材料、尺寸、形状以及载流子寿命有关；电压指数，与接触电阻等因素有关，其值一般为1~1.2；照度指数，由杂质种类及数量决定，其值一般为0.5~1.0。:K::在低偏压、弱光照条件下1,1光敏电阻伏安特性LguViRiRLR1arctangR1arctandR1arctangLRRViggLRRRVii2gLgVRiRR2gLgVRiRR当时，最大。称为匹配状态。最大功率损耗限制:LgRRu2maxgiRP1/2maxLggPVRRR光敏电阻伏安特性2gLLLgVRRuiRRRLiRVuLRiiVuu偏置电压的选取原则：光敏电阻时间响应特性光敏电阻受光照后或被遮光后，回路电流并不立即增大或减小，而是有一响应时间。响应时间常数是由电流上升时间和衰减时间表示。光敏电阻的响应时间与入射光的照度，所加电压、负载电阻及照度变化前电阻所经历的时间（称为前历时间）等因素有关。光敏电阻稳定特性光敏电阻的阻值随温度变化而变化的变化率，在弱光照和强光照时都较大，而中等光照时，则较小。【例】CdS光敏电阻的温度系数在10lx照度时约为0；照度高于10lx时，温度系数为正；小于10lx时，温度系数反而为负；照度偏离10lx愈多，温度系数也愈大。当环境温度在0～+60℃的范围内时，光敏电阻的响应速度几乎不变；而在低温环境下，光敏电阻的响应速度变慢。例如，-30℃时的响应时间约为+20℃时的两倍。光敏电阻的允许功耗，随着环境温度的升高而降低。光敏电阻噪声特性光电导探测器的噪声主要有三个噪声源贡献：产生-复合噪声、热噪声、1/f噪声。光敏电阻CdS和CdSe：可见光辐射探测器，低造价、高可靠和长寿命；光电导增益比较高(103～104)，响应时间比较长(大约50ms)。PbS：近红外辐射探测器，波长响应范围在1～3.4μm，峰值响应波长为2μm，内阻（暗阻）大约为1MΩ，响应时间约200μs，室温工作能提供较大的电压输出；广泛用于遥感技术和红外制导技术。3.几种典型的光敏电阻光敏电阻InSb：近红外辐射探测器，室温下工作噪声较大，在77K下，噪声性能大大改善，峰值响应波长为5μm，内阻低（大约50欧），响应时间短（大约50×10-9s），适用于快速红外信号探测。HgxCd1-xTe探测器：化合物本征型光电导探测器，由HgTe和GdTe两种材料混在一起的固溶体，其禁带宽度随组分x呈线性变化。当x=0.2时响应波长为8~14μm，工作温度77K，用液氮致冷；内电流增益约为500，低内阻，广泛用于10.6μm的CO2激光探测。3.几种典型的光敏电阻光敏电阻（1）用于测光的光源光谱特性必须与光敏电阻的光敏特性匹配；（2）要防止光敏电阻受杂散光的影响；（3）要防止使光敏电阻的电参数(电压、功耗)超过允许值；（4）根据不同用途，选用不同特性的光敏电阻。4.使用注意事项PN结光伏探测器的工作模式利用半导体PN结光伏效应制成的器件称为光伏探测器，也称结型光电器件。品种很多，包括各种光电池、光电二极管、光电晶体管、光电场效应管、PIN管、雪崩光电二极管、光可控硅、阵列式光电器件、象限式光电器件、位置敏感探测器（PSD）、光电耦合器件等。和光电导探测器不同，光伏探测器的工作特性要复杂一些。通常有光电池和光电二极管之分，也就是说，光伏探测器有着不同的工作模式。因此在具体讨论光伏探测器的工作特性之前，首先必须弄清楚它的工作模式问题。PN结光伏探测器的工作模式PN结光伏探测器的典型结构如图所示。为说明光功率转换成光电流的关系，设想光伏探测器两端被短路，并用一理想电流表记录光照下流过回路的电流，这个电流常常称为短路光电流。光子电极电极耗尽层SiO2p+nn+iPN结光伏探测器的工作模式假定光生电子-空穴对在PN结的结区，即耗尽区内产生。由于内电场作用，电子向n区、空穴向p区漂移运动，被内电场分离的电子和空穴就在外回路中形成电流。Ei耗尽层EcEFEv光生空穴----++++++-pnxoLpn光子电离受主电离施主光生电子-iPN结光伏探测器的工作模式就光电流形成的过程而言，光伏探测器和光电导探测器有十分类似的情况。可以证明：在光伏情况下一个光生电子-空穴对对外回路所贡献的总电荷量：光伏探测器的内电流增益等于M=1。光伏探测器光电转换关系为这是和光电导探测器明显不同的地方。eQQQnpPheiPN结光伏探测器的工作模式一个PN结光伏探测器就等效为一个普通二极管和一个恒流源(光电流源)的并联，如图(b)所示。它的工作模式则由外偏压回路决定。在零偏压时(图(c))，称为光伏工作模式。当外回路采用反偏压V时(图(d))，即外加P端为负n端为正的电压时，称为光导工作模式。VuiiD(a)(b)(c)(d)iiLRLRPN结光伏探测器的工作模式普通二极管的伏安特性为光伏探测器的总伏安特性应为和之和，考虑到二者的流动方向，我们有：式中i是流过探测器的总电流，e是电子电荷，u是探测器两端电压，kB是玻耳兹曼常数，T是器件的绝对温度。把上式中i和u为纵横坐标作成曲线，就是光伏探测器的伏安特性曲线。)1(/0TkeuSDBeiiDiiieiiiiTkeuSDB)1(/0第一象限是正偏压状态，iD本来就很大，所以光电流不起重要作用。作为光电探测器，工作在这一区域没有意义。i+－RLVRL2RL1RL1RL2iRLi－+P=0P1P2P3V光功率增大RL1RL2i1i2u1u2-VoRL1RL2第三象限是反偏压状态。这时iD=iS0，是普通二极管中的反向饱和电流，称为暗电流(对应于光功率P=0)，数值很小，这时的光电流(等于i-iS0)是流过探测器的主要电流，对应于光导工作模式。通常把光导工作模式的光伏探测器称为光电二极管，因为它的外回路特性与光电导探测器十分相似。i+－RLVRL2RL1RL1RL2iRLi－+P=0P1P2P3V光功率增大RL1RL2i1i2u1u2-VoRL1RL2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。这时探测器的输出是通过负载电阻RL上的电压或流过RL上的电流来体现，因此，称为光伏工作模式。通常把光伏工作模式的光伏探测器称为光电池。i+－RLVRL2RL1RL1RL2iRLi－+P=0P1P2P3V光功率增大RL1RL2i1i2u1u2-VoRL1RL2应特别注意，光电流总是反向电流，而光电流在RL上的电压降，对探测器产生正向偏置称为自偏压，当然要产生正向电流。最终两个电流抵消，伏安曲线中止于横轴上。硅光电池——太阳电池零偏压pn结光伏探测器——光伏工作模式——光电池硅光电池的用途：光电探测器件，电源硅光电池——太阳电池硅光电池结构示意图-+RLpn防反射膜(SiO2）pn+-SiO2pn结硅光电池硅光电池——太阳电池光电池按材料分，有硅、硒、硫化镉、砷化镓和无定型材料的光电池等。按结构分，有同质结和异质结光电池等。光电池中最典型的是同质结硅光电池。国产同质结硅光电池因衬底材料导电类型不同而分成2CR系列和2DR系列两种。2CR系列硅光电池是以N型硅为衬底，P型硅为受光面的光电池。受光面上的电极称为前极或上电极，为了减少遮光，前极多作成梳状。衬底方面的电极称为后极或下电极。为了减少反射光，增加透射光，一般都在受光面上涂有SiO2或MgF2，Si3N4，SiO2－MgF2等材料的防反射膜，同时也可以起到防潮，防腐蚀的保护作用。几种国产硅光电池的特性硅光电池——太阳电池硅光电池——太阳电池硅光电池——太阳电池硅光电池——太阳电池硅光电池——太阳电池硅光电池——太阳电池硅光电池——太阳电池光电池等效电路短路电流和开路电压短路电流——RL=0开路电压——RL=∞Cj：结电容ish：pn结漏电流，很小Rsh：等效泄露电阻，很大Rs：引出电极－管芯接触电阻硅光电池——太阳电池短路电流的计算不计ish的影响，有0iiiD短接RL并忽略RS的影响，u1=0，iD=0。流过光电池的短路电流就是光电流，即scii若计RS与RSh的影响，短路电流的精确表达式应为shTkeusscRueiiiB1011)1(/0TkeuSDBeii硅光电池——太阳电池开路电压的计算)1(/0TkeuSDBeii负载电阻开路时，光电池输出电压（即开路电压uOC）等于u1，由二极管伏安特性求得0ln1BocsikTuei考虑，开路电压为shi0ln1shBocsiikTuei硅光电池——太阳电池单片硅光电池的开路电压约为0.45～0.6V，短路电流密度约为150～300A/m2。测量方法：在一定光功率（例如1kW/m2）照射下，使光电池两端开路，用一高内阻直流毫伏表或电位差计接在光电池