《光电探测器》PPT课件.ppt

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1、光电探测器件光电探测器件是光辐射探测器件中的一大类，它利用各种光电效应，使入射辐射强度转换成电学信息或电能。本章将主要介绍真空光电器件、光电导器件及光伏器件三大类光电探测器。真空光电管 光电倍增管 一、结构和原理一、结构和原理 二、光电倍增管的主要参量与特性二、光电倍增管的主要参量与特性 三、光电倍增管的使用三、光电倍增管的使用光电导器件 光敏电阻的主要特性光敏电阻的主要特性 光敏电阻的使用光敏电阻的使用光伏器件 光电池光电池光电二极管光电二极管PIN管管 雪崩光电二极管雪崩光电二极管光电晶体管光电晶体管 阵列式或象限式结型光电器件阵列式或象限式结型光电器件 光电位置探测器光电位置探测器 光电

2、开关与光电耦合器光电开关与光电耦合器 各种结型光电器件的类似特性各种结型光电器件的类似特性及及使用要点使用要点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。真空光电管构造示意图真空光电管构造示意图优点：光电阴极面积大，灵敏度较高，一般积分灵敏度可达20200A/lm；暗电流小，最低可达10-14A；光电发射弛豫过程极短。缺点：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。光电倍

3、增管一、结构和原理一、结构和原理光电倍增管由光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极五个主要部分组成，其外形如图侧窗式侧窗式端窗式端窗式1光窗光窗分侧窗式和端窗式两种，它是入射光的通道。一般常用的光窗材料有钠钙玻璃、硼硅玻璃、紫外玻璃、熔凝石英和氟镁玻璃等。由于光窗对光的吸收与波长有关，波长越短吸收越多，所以倍增管光谱特性的短波阈值决定于光窗材料。2光电阴极光电阴极多是由化合物半导体材料制作，它接收入射光，向外发射光电子。所以倍增管光谱特性的长波阈值决定于光电阴极材料，同时对整管灵敏度也起着决定性作用。3电子光学系统电子光学系统是适当设计的电极结构，使前一级发射出来的电子尽可能没有散失

4、地落到下一个倍增极上，也就是使下一级的收集率接近于1；并使前一级各部分发射出来的电子，落到后一级上所经历的时间尽可能相同，即渡越时间零散最小。4倍增系统倍增系统是由许多倍增极组成的综合体，每个倍增极都是由二次电子倍增材料构成，具有使一次电子倍增的能力。因此倍增系统是决定整管灵敏度最关键的部分。为了表征不同材料的二次电子发射能力，通常将二次发射电子数N2与入射的一次电子数N1的比值定义为该材料的二次发射系数：显然，阳极电流可表示为：i0光阴极发出的光电流n光电倍增级的级数倍增极材料大致可分以下四类：倍增极材料大致可分以下四类：1）含碱复杂面主要是银氧铯和锑铯两种，它们既是灵敏的光电发射体，也是良

5、好的二次电子发射体。2）氧化物型，主要是氧化镁。3）合金型，主要是银镁、铝镁、铜镁、镍镁、铜铍等合金。4）负电子亲合势发射体。这几类材料在低电压下有大的二次电子发射系数，以便整管工作电压不致于过高；热发射小，以便整管的暗电流和噪声小；二次电子发射稳定，以便温度较高或一次电流较大时，长时间工作不下降；而且容易制备。根据电子轨迹的形式根据电子轨迹的形式可将倍增系统分为两大类，即聚焦型和非聚焦型。聚焦型是指电子从前一级倍增极飞向后一级倍增极时，在两电极间的电子运动轨迹，可能有交叉。非聚焦则是指在两电极间的电子运动轨迹是平行的。倍增极结构形式特点聚焦型直瓦片式极间电子渡越时间零散小，但绝缘支架可能积累

6、电荷而影响电子光学系统的稳定性。圆瓦片式结构紧凑，体积小，但灵敏度的均匀性差些。非聚焦型百叶窗式工作面积大，与大面积光电阴极配合可制成探测弱光的倍增管，但极间电压高时，有的电子可能越级穿过，收集率较低，渡越时间零散较大。盒栅式收集率较高（可达95%），结构紧凑，但极间电子渡越时间零散较大。各种倍增极的结构形式各种倍增极的结构形式a)百叶窗式b)盒栅式c)直瓦片式d)圆瓦片式5阳极阳极是采用金属网作的栅网状结构，把它置于靠近最末一级倍增极附近，用来收集最末一级倍增极发射出来的电子。二、光电倍增管的主要参量与特性二、光电倍增管的主要参量与特性光电倍增管的主要参量与特性是区分管子质量好坏的基本依据。

7、分为基本参数（静态参数）、应用参数（动态参数）、基本参数（静态参数）、应用参数（动态参数）、运行特性（例行特性）运行特性（例行特性）。基本参数与管子工作原理、结构特征、材料性质、制造工艺有关。它包括灵敏度、量子效率、增益、暗电流、光谱响应等。应用参数与管子应用方法和探测对象有关，反映某种应用的特殊要求。它包括闪烁计数中的脉冲幅度分辨率、噪声能当量、计数坪特性；光子计数中的暗噪声计数、单电子分辨率、峰谷比；快速光脉冲测量中的上升时间、半高宽、渡越时间、时间分辨率等。运行特性与管子运行条件、运行环境有关。它表征管子承受的外部条件和使用极限，包括稳定性、温度特性、最大线性电流、抗电磁干扰特性、抗冲击

8、振动特性等。1.灵敏度倍增管灵敏度有阴极灵敏度阴极灵敏度与阳极灵敏度阳极灵敏度之分。每一种灵敏度对于入射光，又都有光谱灵敏度光谱灵敏度（对于单色光）与积分灵积分灵敏度敏度（对于多色光或全色光）之分。测试阴极灵敏度时，以阴极为一极，其它倍增极和阳极都连到一起为另一极，相对于阴极加100300V直流电压，照射到光电阴极上的光通量约为10-210-5lm。测试阳极灵敏度时，各倍增极和阳极都加上适当电压，因为阳极灵敏度是整管参量，与整管所加电压有关，所以必须注明整管所加电压。积分灵敏度与测试光源的色温有关，一般用色温为2856K的白炽钨丝灯（A光源）。(色温：辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光

9、的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。)色温不同时即使测试光源的波长范围相同，各单色光在光谱分布中的组分不同时，所得的积分灵敏度也不同。灵敏度公式说明阴极灵敏度阴极光谱灵敏度SK()=IK/S：灵敏度：波长I：光电流：光通量下标K：阴极下标A：阳极阴极积分灵敏度SK=IK/阳极灵敏度阳极光谱灵敏度SA()=IA/阳极积分灵敏度SA=IA/2.电流增益M阳极电流与阴极电流之比，或阳极灵敏度与阴极灵敏度之比，即M=IA/IK=SA/SK若倍增管有n个倍增极，并且每个倍增极的倍增系数均相等，则Mn因为是电压的函数，所以M也是电压的函数。3.光电特性阳极光电流与入射于光电阴极的光通量之间的函

10、数关系，称为倍增管的光电特性。对于模拟量测量，必须选取能保证光电流与光照在大范围内保持线性关系的那些型号的光电倍增管（工程上一般取特性偏离于直线3%作为线性区的界限）。光电特性图光电特性图 当光通量很大时，特性曲线开始明显偏离直线。因此，在工作时阴极不能有强光照射，否则易损坏管子。因它的灵敏度高，光电倍增管允许测量非常小的光通量，或所需放大器的级数可以较少。4.伏安特性光电倍增管的伏安特性曲线分为阴极伏安特性曲线阴极伏安特性曲线（阴极电流与阴极电压之间的关系）与阳极伏安特性曲线阳极伏安特性曲线（阳极电流与阳极和最末一级倍增极之间电压的关系）。在电路设计时，一般使用阳极伏安特性曲线来进行负载电阻

11、、输出电流、输出电压的计算。阳极伏安特性曲线阳极伏安特性曲线5.暗电流在各电极都加上正常工作电压并且阴极无光照情况下阳极的输出电流。它限制了可测直流光通量的最小值，同时也是产生噪声的重要因素，是鉴别管子质量的重要参量。应选取暗电流较小的管子。光电倍增管中产生暗电流的因素较多，其中较为重要的是光光电阴极和光电倍增极的热电子发电阴极和光电倍增极的热电子发射射。温度T越高，热电子发射越多，则暗电流越大，如图所示。如果需要较小的暗电流，可通过冷却光电倍增管来减小暗电流。暗电流的另一组成部分是光电倍光电倍增管的漏电流增管的漏电流。6.噪声与噪声等效功率光电倍增管噪声主要是指由倍增管本身引起的输出偏离于平

12、均值的起伏，主要来源是光电阴极、光电发射的随机性和各倍增极二次电子发射的随机性，同时也与背景光或信号光中的直流分量有关。噪声等效功率（NEP）表述倍增管阳极信号与噪声有效值之比等于1时，入射于倍增管光电阴极的光功率（通量）的有效值。即IA/InA=1时，NEP=InA/SA它是倍增管可能探测到的信号光功率（通量）的最小值。7、光谱响应 光电倍增管的光谱响应，在较长的波长取决于所用光电发射材料的性能，而较短的波长则主要取决于窗材料的透射特性。图中示出了锑钾铯（Sb-K-Cs）光电阴极的光谱特性，最灵敏的光谱波长约在4000埃处。三、光电倍增管的使用三、光电倍增管的使用微变等效电路从倍增管阳极伏安

13、特性曲线来看，最大光通量所对应的曲线拐点以右，基本上是平直均匀分布的，一般使用倍增管也都是利用这一区域的特性，因此在交流微变电路中可以把倍增管看成是电流源，并考虑阳极电路的电容效应。iA-阳极电流C0-等效电容R1-直流负载R2-下一级放大器的输入电阻光电倍增管的交流微变等效电路光电倍增管的交流微变等效电路1.供电电路倍增管各电极要求直流供电，从阴极开始至各级的电压要依次升高，一般多采用电阻链分压办法来供电。一般情况下，各级电压均相等，约80100V，总电压约10001300V光电倍增管供电电路图光电倍增管供电电路图1)电源电压稳定性的要求电源电压稳定性要求较高。如果电源电压不稳，会引起许多参

14、量的变化，特别是电流增益变化，从而直接影响输出特性。目前已有光电倍增管专用的电源稳压块。2)电阻链分压电阻的确定若电阻链为均匀分压，则每个分压电阻的阻值应相等。因倍增管中的电流与电阻链中的电流是并联关系，要保证阳极电流最大时流过电阻链的电流基本不变，这就要求流过电流过电阻链的电流阻链的电流IR至少要比阳极最大的平均电流至少要比阳极最大的平均电流IAm大大10倍以上。倍以上。一般说，IR越大（即R=UD/IR越小）对稳定极间电压UD越有利。但IR也不能太大，因为IR太大会增大电阻的功耗，加重电源负担。当UD给定后，分压电阻R的最大值应取决于阳极的最大平均电流，R最小值应取决于高压电源输出的功率。

15、以上讨论的是均匀分压情形，实际各倍增极间电压也可以实际各倍增极间电压也可以不相等，这样，有可能使某单项指标得到提高不相等，这样，有可能使某单项指标得到提高。例如，要提高管子的时间特性，可适当增大靠近于阴极的几级倍增极间的电压。因为电压高，可以提高收集率，减小极间电子渡越时间零散。如果第一级倍增极对阴极的收集率提高一点，整管的时间特性就会有较大改善，这点对于测量脉冲光是很重要的。但是，在选定的工作状态下，阳极灵敏度往往要降低，这是因为要使整管工作稳定，总电压不宜过高，在总电压基本保持不变的情况下，前几级电压高了，后几级电压就得相应降低，因此将导致阳极灵敏度下降。同理，要使阳极输出的线性范围宽一些

16、，可适当增大阳极与最末一级倍增极的电压，但这时阳极灵敏度也要下降。3)并联电容的确定倍增管的输出电流主要是来自于最后几级，探测脉冲光时，为了不使阳极脉动电流引起极间电压发生大的变化，常在最后几级的分压电阻上并联电容器。4)接地方式倍增管供电电路与其后续信号处理电路必须要有一个共用的参考电位，即接地点。倍增管的接地方式有两种，即阴极接地阴极接地或阳极接地或阳极接地。阴极接地的特点是，便于屏蔽，光、磁、电的屏蔽罩可以跟阴极靠得近些，屏蔽效果好；暗电流小，噪声低。但这时阳极要处于正高压，会导致寄生电容大，匹配电缆连接复杂，特别是后面若接直流放大器，整个放大器都处于高电压，不利于安全操作；如果后面接交

17、流放大器，则必须接一个耐压很高的隔直电容器，而一般耐压很高的电容器体积大而且价格高。阳极接地的特点是，便于跟后面的放大器相接，操作安全，后面不仅可以通过一个低压耦合电容与交流放大器相接，也可以直接与直流放大器相接。但这时阴极要处于负高压，屏蔽罩不能踉阴极靠得很近，至少要间隔12cm，因此屏蔽效果差一些，暗电流和噪声都比阳极接地时大，而且整个倍增管装置的体积也要大些。2.使用注意事项1)使用前应了解器件的特性。真空光电器件的共同特点是灵敏度高、惰性小、供电电压高、采用玻璃外壳、抗震性差。2)使用时不宜用强光照。光照过强时，光电线性会变差而且容易使光电阴极疲劳（轻度疲劳经一段时间可恢复，重度疲劳不

18、能恢复），缩短寿命。3)工作电流不宜过大。工作电流大时会烧毁阴极面，或使倍增级二次电子发射系数下降，增益降低，光电线性变差，缩短寿命。4)用来测量交变光时，负载电阻不宜很大，因为负载电阻和管子的等效电容一起构成电路的时间常数，若负载电阻较大，时间常数就变大，频带将变窄。P102,第10题：(b)、(c);第12题。光电导器件半导体光电导器件是利用半导体光电导效应制成的器件，所谓光电导效应是指受到光辐射后材料的电导率发生变化。典型的光电导器件为光敏电阻光敏电阻。只有能量（h）大于材料禁带宽度（Eg）的光子，才能使材料产生光电导效应。每一种半导体或绝缘体都有一定的光电导效应，但只有其中一部分材料经

19、过特殊处理，掺进适当杂质，才有明显的光电导效应。现在使用的光电导材料有-族、-族化合物，硅、锗等，以及一些有机物。光电导器件材料禁带宽度/eV光谱响应范围/nm峰值波长/nm硫化镉（CdS）2.45400800515550硒化镉（CdSe）1.74680750720730硫化铅（PbS）0.4050030002000碲化铅（PbTe）0.3160045002200硒化铅（PbSe）0.2570058004000硅（Si）1.124501100850锗（Ge）0.6655018001540锑化铟（InSb）0.1660070005500砷化铟（InAs）0.33100040003500常用光电导

20、材料常用光电导材料光敏电阻的结构是在一块光电导体两端加上电极，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。光敏面作成蛇形，电极作成梳状是因为这样即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。光敏电阻光敏电阻光敏电阻的主要特性光敏电阻的主要特性1.光电导灵敏度Sg按灵敏度定义（响应量与输入量之比），可得Sg=Gp/EGp：光电导，单位为西门子S（-1）。E：照度，单位为勒克斯（lx）。Sg单位为西门子/勒克斯（S/lx）或Sm2/W。2.光电特性光电流与照度的关系称为光电特性。光敏电阻

21、光电特性如下：Ip=SgEUIp：光电流；E：照度；：电压指数；Sg：光电导灵敏度U：光敏电阻两端所加的电压；：光照指数与材料和入射光强弱有关，对于硫化镉光电导体，在弱光照下1，在强光照下1/2，一般0.51。与光电导体和电极材料之间的接触有关，欧姆接触时1，非欧姆接触时=1.11.2。硫化镉光敏电阻的光电特性曲线硫化镉光敏电阻的光电特性曲线由图可见，硫化镉光敏电阻在弱光照下，Ip与E具有良好的线性关系，在强光照下则为非线性关系，其它光敏电阻也有类似的性质。如果电压指数1，在弱光照下有Ip=SgEU3光谱特性光谱特性多用相对灵敏度与波长的关系曲线表示。从这种曲线中可以直接看出灵敏范围、峰值波长

22、位置和各波长下灵敏度的相对关系。在可见光区灵敏的几种光敏电阻的光谱特性曲线在可见光区灵敏的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在红外区灵敏的几种在红外区灵敏的几种光敏电阻的光谱特性光敏电阻的光谱特性曲线曲线由图可见，硫化镉单晶、硫化镉与硒化镉混合多晶，硫化镉多晶、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515600nm之间。这与人眼的光谱光视效率V()曲线的范围和峰值波长（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。不过它们的形状与V()曲线还不完全一致。如直接使用，与人

23、的视觉还有一定的差距，所以必须加滤光片进行修正，使其特性曲线与V()曲线完全符合，这样即可得到与人眼视觉相同的效果。4温度特性光敏电阻的温度特性很复杂，在一定的照度下，亮电阻的温度系数有正有负，=(R2-R1)/R1(T2-T1)R1、R2分别为与温度T1、T2相对应的亮电阻。温度对光谱响应也有影响。一般说，光谱特性主要决定于材料，材料的禁带宽度越窄则对长波越敏感，但禁带很窄时，半导体中热激发也会使自由载流子浓度增加，使复合运动加快，灵敏度降低。因此，采取冷却灵敏面的办法来提高灵敏度往往是很有效的。硫化镉光敏电阻的温度特性曲线硫化镉光敏电阻的温度特性曲线a)硫化镉单晶b)硫化镉多晶硫化铅光敏电

24、阻在硫化铅光敏电阻在冷却情况下相对光冷却情况下相对光谱灵敏度的变化谱灵敏度的变化5频率特性。光敏电阻是依靠非平衡载流子效应工作的，非平衡载流子的产生与复合都有一个时间过程，这个时间过程在一定程度上影响了光敏电阻对变化光照的响应。光敏电阻采用交变光照时，其输出将随入射光频率的增加而减小。几种光敏电阻的频率特性曲线几种光敏电阻的频率特性曲线1-硒2-硫化镉3-硫化铊4-硫化铅6伏安特性在一定的光照下，加到光敏电阻两端的电压与流过光敏电阻的亮电流之间的关系称为光敏电阻的伏安特性，常用曲线表示。光敏电阻的伏安特性曲线光敏电阻的伏安特性曲线图中的虚线为额定功耗线。使用光敏电阻时，应不使电阻的实际功耗超过

25、额定值。从图上来说，就是不能使静态工作点居于虚线以内的区域。按这一要求在设计负载电阻时，应不使负载线与额定功耗线相交。7前历效应前历效应是指光敏电阻的时间特性与工作前“历史”有关的一种现象。前历效应有暗态前历与亮态前历之分。暗态前历效应是指光敏电阻测试或工作前处于暗态，当它突然受到光照后表现为暗态前历越长，光电流上升越慢，其效应曲线如下图所示。一般，工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越重。硫化镉光敏电阻的暗态前历效应曲线硫化镉光敏电阻的暗态前历效应曲线1-黑暗放置3分钟后2-黑暗放置60分钟后3-黑暗放置24小时后亮态前历效应是指光敏电阻测试或工作前已处于亮态，当照度与工作时所要达到的

26、照度不同时，所出现的一种滞后现象，其效应曲线如下图所示。一般，亮电阻由高照度状态变为低照度状态达到稳定值时所需的时间要比由低照度状态变为高照度状态时短。硫化镉光敏电阻亮态前历效应曲线硫化镉光敏电阻亮态前历效应曲线微变等效电路光敏电阻的微变等效电路光敏电阻的微变等效电路设入射于光敏电阻的辐射为正弦形式，有0mejt：辐射通量：调制辐射的圆频率则流过光敏电阻的光电流I为II0+ejtIm/(1+j)I0：光电流I的直流分量，I0Sg0U。U：加到光敏电阻两端的电压Im/(1+j)：微变光电流的幅值，Im=SgmU。：时间常数如果令i=Im/(1+j)则可以看出，流过光敏电阻R的微变光电流i，相当于

27、电流源Im在RC并联电路中被电容C分流后流过电阻R的电流。图中的C是按光敏电阻的属性而引入的等效电容，C/R，R为与直流辐射分量相对应的光电阻。光敏电阻的使用光敏电阻的使用光敏电阻的重要特点是，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，因光照指数与光照强弱有关，只有在弱光照下光电流与入射辐射通量成线性关系。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

28、区的灵敏度。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。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。7）进行动态设计时，应意识到光敏电阻的前历效应。光伏器件光伏器件利用半导体PN结光伏效应制成的器件称为光伏器件，也称结型光电器件。这类器件品种很多，其中包括各种光电池、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

29、件、象限式光电器件、位置敏感探测器（PSD）、光电耦合器件等。光电池光电池光电池的基本结构就是一个PN结。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。硅光电池结构及符号示意图硅光电池结构及符号示意图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，SiO2M

30、gF2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。光电池在光照下能够产生光生电势，光电流实际流动方向为，从P端流出，经过外电路，流入N端，光生电势与照度是对数关系。当光电池短路时，短路电流Isc与照度E成线性关系，SIsc/E称为灵敏度。在一定的照度下，曲线在横轴的截距，代表该照度下的开路电压Uoc。曲线在纵轴的截距，代表该照度下的短路电流Isc。硅光电池的Uoc一般为V，最大不超过v，因为它不能大于PN结热平衡时的接触电势差。硅单晶光电池短路电流为3540mA/cm2。线形测量中，光电池通常以电流源的形式使用。随着负载电阻RL和光照度的增加，输出电流I的非线性增大，故要求负载电阻

31、在条件许可的情况下越小越好，并限制在光照范围内使用。几种国产硅光电池的特性几种国产硅光电池的特性光电二极管光电二极管光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。它和光电池相比，重要的不同点是结面积小，因此它的频率特性特别好。光生电势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为数微安到数十微安。按材料分，光电二极管有硅、砷化稼、锑化锢、铈化铅光电二极管等许多种。按结构分，也有同质结与异质结之分。其中最典型的还是同质结硅光电二极管。国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和2DU两种系列。2CU系列以N-Si为衬底，2DU系列以P-Si为衬底。2CU系列光电二极管只有两个引出线

32、，而2DU系列光电二极管有三条引出线，除了前极、后极外，还设了一个环极。硅光电二极管结构示意图硅光电二极管结构示意图2DU管加环极的目的是为了减少暗电流和噪声。光电二极管的受光面一般都涂有SiO2防反射膜，而SiO2中又常含有少量的钠、钾、氢等正离子。SiO2是电介质，这些正离子在SiO2中是不能移动的，但是它们的静电感应却可以使P-Si表面产生一个感应电子层。这个电子层与N-Si的导电类型相同，可以便P-Si表面与NSi连通起来。当管子加反偏压时，从前极流出的暗电子流，除了有PN结的反向漏电子流外，还有通过表面感应电子层产生的漏电子流，从而使从前极流出的暗电子流增大。为了减小暗电流，设置一个

33、N+-Si的环把受光面（N-Si）包围起来，并从N+-Si环上引出一条引线（环极），使它接到比前极电位更高的电位上，为表面漏电子流提供一条不经过负载即可达到电源的通路。这样，即可达到减小流过负载的暗电流、减小噪声的目的。如果使用时环极悬空，除了暗电流、噪声大些外，其它性能均不受影响。2CU管子，因为是以N-Si为衬底，虽然受光面的SiO2防反射膜中也含有少量的正离子，而它的静电感应不会使N-Si表面产生一个和P-Si导电类型相同的导电层，从而也就不可能出现表面漏电流，所以不需要加环极。光电二极管的用法：光电二极管的用法只能有两种。一种是不加外电压，直接与负载相接。另一种是加反向电压，如图所示。

34、实际上，不是不能加正向电压，只是正接以后就与普通二极管一样，只有单向导电性，而表现不出它的光电效应。光电二极管的用法光电二极管的用法a)不加外电源b)加反向外电源c)2DU环极接法由于多数场合光电二极管都是加反向电压，所以其伏安特性曲线常画成如下图所示的形式。光电二极管的伏安特性曲线光电二极管的伏安特性曲线上图的画法与硅光电池的伏安特性曲线图比较，有两点不同。一是把硅光电池的伏安特性曲线图中、象限里的图线对于纵轴反转了一下，变为上图(a)。这里是以横轴的正向代表负电压，这样处理对于以后的电路设计很方便。二是因为开路电压UOC一般都比外加的反向电压小很多，二者比较可略而不计，所以实用曲线常画为上

35、图(b)的形式。微变等效电路与频率特性：在一定的照度下，光电二极管的伏安特性曲线几乎是平直的，可把它看成是恒流源。光电二极管的等效电路光电二极管的等效电路其中图a为实际电路；图b为考虑到光电二极管结构、功能后画出的微变等效电路，其中Ip为光电流，V为理想二极管，Cj为结电容，Rsh为漏电阻，Rs为体电阻，RL为负载电阻；图c是从图b简化来的，因为正常运用时，光电二极管要加反向电压，Rsh很大，Rs很小，所以图b中的D、Rsh、Rs都可以不计，因而有图c的形式；图d又是从图c简化来的，因为Cj很小，除了高频情况要考虑它的分流作用外，在低频情况下，它的阻抗很大，可不计。因此具体应用时多用图d和图c

36、两种形式。流过负载的交变电流复振幅为ILIp1/(1+j)：入射光的调制圆频率，2f，f为入射光的调制频率；=CjRLIL的模量为可见，IL是频率的函数，随着入射光调制频率的增加而减小。当=1/时，ILIp/1.414，这时f=1/2称为上限截止频率，或称为带宽。PIN管管PIN管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，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。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。由式=CjRL与f=1/2知，Cj小，则小，频带将变宽。因此，这种管子最大的特点是频带宽，可达10GHz。另一个特点是，因为I层很厚

37、，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，线性输出范围宽。由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会使耗尽层宽度增加，从而结电容要进一步减小，使频带宽度变宽。所不足的是，I层电阻很大，管子的输出电流小，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。PIN管结构示意图管结构示意图雪崩光电二极管雪崩光电二极管雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。雪崩光电二极管工作原理示意图雪崩光电二极管工作原理示意图这种管子工作电压很高，约100200V，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

38、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。当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生所谓的自持雪崩。这种管子响应速度特别快，带宽可达100GHz，足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个主要缺点。由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无法使用。光电晶体管光电晶体管光电晶体管和普通晶体管类似，也有电流放大作用。只是它的集电极电流不只是受基极电路的电流控制，也可以受光的控制。所以光电晶体管的外形，有光窗、集电极引出线、发射极引出线和基极引出线（

39、有的没有）。制作材料一般为半导体硅，管型为NPN型，国产器件称为3DU系列。光电晶体管原理性结构图光电晶体管原理性结构图正常运用时，集电极加正电压。因此，集电结为反偏置，发射结为正偏置，集电结为光电结。当光照到集电结上时，集电结即产生光电流Ip向基区注入，同时在集电极电路即产生了一个被放大的电流IcIe（1）Ip，为电流放大倍数。因此，光电晶体管的电流放大作用与普通晶体管在上偏流电路中接一个光电二极管的作用是完全相同的。光电晶体管的灵敏度比光电二极管高，输出电流也比光电二极管大，多为毫安级。但它的光电特性不如光电二极管好，在较强的光照下，光电流与照度不成线性关系。所以光电晶体管多用来作光电开关

40、元件或光电逻辑元件。光电晶体管的伏安特性曲线光电晶体管的伏安特性曲线阵列式或象限式结型光电器件阵列式或象限式结型光电器件利用集成电路技术使2个至几百个光电二极管或光电池排成一行，集成在一块集成电路片子上，即成为阵列式的一维光电器件，也可以使光电二极管或光电池制成象限式的二维光电器件。这两种器件中，衬底是共用的，而各光敏元都是独立的，分别有各自的前极引出线。这种器件的特点是，光敏元密集度大，总尺寸小，容易作到各单元多数一致，便于信号处理。就目前的应用看，两个并列的光电二极管或光电池，可用来辨别光点移动的方向。24个并列的光敏元，可用来收集光点移动的相位信息。几十个至几百个或更多并列的光敏元，可用

41、来摄取光学图象或用作空间频谱分析。象限式光电器件可用来确定光点在二维平面上的位置坐标。多用于准直、定位、跟踪或频谱分析等方面。光电位置探测器（光电位置探测器（PSD，PositionSensitiveDetectors）PSD是利用离子注入技术制成的一种可确定光的能量中心位置的结型光电器件，有一维的和二维的两种。当入射光是一个小光斑，照射到光敏面时，其输出则与光的能量中心位置有关。这种器件和象限光电器件比较，其特点是，它对光斑的形状无严格要求，光敏面上无象限分隔线，对光斑位置可连续测量。1）一维PSD如图所示，PSD的受光面为P-Si，同时也是个均匀电阻层。设1、2两电极间距离为2L。如果入射

42、光点位于A点，则电极1、2输出的光电流与A点至电极1、2的距离成反比，有I1=I0(L-x)/2LI2=I0(L+x)/2Lx=L(I2-I1)/(I2+I1)式中，I0=I1+I2。利用上式即可确定光斑能量中心对于器件中心的位置。2）二维PSD二维PSD有两种形式，一种是单面型的如图a所示，在受光面上设有两对电极，A、B为x轴电极，C、D为y轴电极，E为背面衬底共用电极，用它可对正面各电极进行反偏置。设IAID为电极AD的光电流，则光点能量中心的位置坐标为x=(IA-IB)/(IA+IB)y=(IC-ID)/(IC+ID)另一种是双面型的，如图b所示，正面与背面之间是一个PN结，正面和背面都

43、是均匀电阻层。x轴电极A、B安在正面的受光面上，y轴电极C、D垂直于x轴安在背面。光点产生的光电流分为正面与背面两部分。对于这种结构，反偏压是加在正面电极与背面电极之间（信号电极与偏置电极不独立）。设IAID分别为电极AD的光电流，代入上式即可求得光点能量中心位置。需要指出，上面的式子都是近似式，在器件中心附近是正确的，而距离器件中心较远接近边缘部分时误差较大。对于二维PSD，双面型的比单面型的位置误差小。这是因为x、y轴分开设置减少了彼此干扰的缘故。光电开关与光电耦合器光电开关与光电耦合器光电开关和光电耦合器都是由发光端和受光端组成的组合件。光电开关不封闭，发光端与受光端之间可以插入调制板。

44、光电耦合器则是把发光元件与受光元件都封闭在一个不透光的管壳内。发光端与受光端彼此独立，完全没有电的联系，两端之间的电阻一般都在1011以上。光电开关多用于光电计数、报警、安全保护、无接触开关，及各种光电控制等方面。光电耦合器多用于电位隔离、电平匹配、抗干扰电路、逻辑电路、模/数转换、长线传输、过流保护，及高压控制等方面。光电开关与光电耦合器结构示意图光电开关与光电耦合器结构示意图a)光电开关b)光电耦合器各种结型光电器件的类似特性各种结型光电器件的类似特性结型光电器件在原理上都相同，所以在性质上也都类似。1光电特性器件的光电特性一般是指光电流与照度之间的函数关系，不过有时也表示为其它输出量与照

45、度的函数关系。器件的光电特性主要决定于材料，同时也与结构和使用条件（负载大小、所加电压高低）有关。2DUA硅光电二硅光电二极管在零偏压下极管在零偏压下的光电特性曲线的光电特性曲线硅光电池的光硅光电池的光电特性曲线电特性曲线硅光电二极管在反偏压为硅光电二极管在反偏压为15V时的光电特性曲线时的光电特性曲线硒光电池的光电特性曲线硒光电池的光电特性曲线由图可见，器件的光电特件不仅与材料有关，同时也与光照范围、负载大小、外加电压等条件有关。一般说，负载电阻一定时，照度低时光电流与照度有良好的线性关系，照度高时线性关系则变差；在相同照度范围内，负载电阻小比负载电阻大时线性关系好；在其它条件都相同的情况下

46、，加反偏压比不加反偏压时，线性范围宽。2光谱特性器件的光谱特性多用相对灵敏度与波长的关系曲线表示。硅、锗光电二极管的光谱特性曲线硅、锗光电二极管的光谱特性曲线砷化镓光电池的光谱特性曲线砷化镓光电池的光谱特性曲线硅光电池的光谱特性曲线硅光电池的光谱特性曲线1-普通硅光电池2-浅结硅光电池可见，器件的光谱特性主要决定于材料，同时与结深和温度（见温度特性）略有关系。3温度特性温度对器件的开路电压Uoc、短路电流Isc、暗电流Id、光电流Ip及单色光灵敏度都有影响。在不同温度下硅光电池的在不同温度下硅光电池的2CU光电二极管光电流光电二极管光电流伏安特性曲线（在伏安特性曲线（在1000lx时）时）随温

47、度的变化曲线随温度的变化曲线4噪声、信噪比与噪声等效功率1）噪声结型光电器件的噪声主要是电流散粒噪声和电阻的热噪声。电流散粒噪声是结区释放非平衡载流子的随机性引起的，其噪声电流均方值的计算式为I2In2qIfq：电子电量；I：通过PN结电流的平均值；f：测试系统带宽电阻的热噪声是由于电阻中电子的热运动引起的，其噪声电流均方值的计算式为I2Rn(4kT/R)fk：波耳兹曼常数T：温度R：电阻值f：测试系统的带宽需要指出的是器件在实际应用时，后面总要接放大器，所以式中的R应为PN结的漏电阻和负载电阻的并联值。因为PN结的漏电阻远大于负载电阻，所以R值实际是PN结的负载电阻值。2）信噪比与噪声等效功

48、率（NEP）一般情况下，电流的散粒噪声都比电阻的热噪声大，如果只考虑电流的散粒噪声，则器件的信号与噪声有效值之比为Ip：光电流；S：电流灵敏度；：入射于器件的辐射通量噪声等效功率（NEP）为使用要点使用要点1）极性结型器件都有确定的极性，如要加电压使用时，光电结必须加反向电压，即P端与外电源的低电位相接。2）使用时对入射光强范围的选择应视用途而定。用于开关电路或逻辑电路时光照可以强些。用于模拟量测量时，光照不宜过强。因为一般器件都有这样的性质：光照弱些，负载电阻小些，加反偏压使用时，光电线性好，反之则差。3）灵敏度主要决定于器件，但也与使用条件和方法有关，例如光源和接收器在光谱特性上是否匹配；入射光的方向与器件光敏面法线是否一致等。4）结型器件的响应速度都很快。它主要决定于负载电阻和结电容所构成的时间常数（RC）。负载电阻大，输出电压可以大，但会变大，响应变慢。相反，负载电阻小些，输出电压要减小，但会变小，响应速度变快。5）灵敏度与频带宽度之积为一常数的结论，对结型光电器件也适用。6）器件的各种参量差不多都与温度有关，但其中受温度影响最大的是暗电流。暗电流大的器件，容易受温度变化的影响，而使电路工作不稳定，同时噪声也大。7）除了温度变化，电、磁场干扰可引起电路发生误动作外，背景光或光反馈也是引起电路误动作的重要因素，应设法消除。P116,第3和第4题P163，第6和第9题