光敏电阻、光电池.ppt

光敏电阻 一 结构与原理 光敏电阻利用光电导效应制成 当入射光子使电子由价带跃升到导带时 导带中的电阻和价带中的空穴二者均参与导电 因此电阻显著减小 称为光敏电阻 本征光电导效应可用来检测可见光和近红外辐射 如果入射光子从杂质能级跃升到导带 非本征光电导 那么N型材料的电导率增大 当光子能量使电子由价带跃升到P型主能级 从而使价带中留有可移动的空穴时 P型材料就会出现非本征光电导 非本征光电导体主要检测波长很长的辐射用于超过5微米的波段 光电导探测器 光电导探测器是基于半导体的光电导效应制成的光电探测器 光电导效应的主要特点是受光照射时其电阻值明显变小 故又称为光敏电阻 光电导探测器广泛应用在工业自动化 摄影机自动测光等监控系统 也广泛应用于目前其他探测器难以实现的红外测量系统 半导体对光的吸收 半导体对光的吸收是产生光电效应的基础 光照半导体材料时 若入射光子的能量大于某一值 就可以产生光激发 从而产生光生载流子 采取一定的措施合理利用这些光生载流子 便可以制出各种光子效应探测器 光生载流子 在光辐射作用下 半导体材料吸收入射光子的能量 使束缚态的电荷产生能级跃迁而变成自由电荷 这些由光激发产生的载流子称为光生载流子 相对于热平衡状态下由热激发与复合而产生的热平衡载流子而言 光生载流子又称为非平衡载流子 光电探测器的工作原理就是基于这些光生载流子 采取一定的措施利用这些非平衡载流子 将它们的变化耦合到外电路中 使外电路中的电流或电压的变化反映入射光辐射功率的变化 从而达到光检测的目的 本征吸收 本征吸收指光照半导体材料时 价带中的电子吸收入射光子的能量跃迁到导带中去 这种激发过程称为半导体的本征吸收 在本征吸收过程中 价带中的电子跃迁到导带 同时在价带中留下空穴 产生了电子空穴对 与热平衡状态相比 在导带中多出了一部分电子 在价带中多出了一部分空穴 它们是因为光照而产生的载流子 称为光生载流子 在光照时 半导体中总的载流子浓度比热平衡状态下载流子浓度大 本征吸收产生的条件是入射光子的能量必须大于材料的禁带宽度 杂质吸收 掺有杂质的半导体材料 在光照时也会产生光激发 对于n型半导体 施主杂质中的束缚电子吸收了光子的能量跃迁到导带 对于p型半导体 受主杂质中的束缚空穴吸收了光子能量跃迁到价带 施主释放束缚电子到导带 受主释放束缚空穴到价带所需的能量称为杂质的电离能和 光电导探测器的结构 光电导探测器的结构很简单 只要在一块匀质的半导体两端装上电极就可以构成一个光敏电阻 灵敏度 灵敏度通常指的是在一定条件下 单位照度所引起的光电流 由于各种器件使用的范围及条件不一致 因此灵敏度有各种不同的表示法 光电导体的灵敏度表示在一定光强下光电导的强弱 它可以用光电增益G来表示 根据定态条件下电子与空穴的产生率与复合率相等可推导出 为量子产额 即吸收一个光子所产生的电子空穴对数 为光生载流子寿命 为载流子在光电导两极间的渡越时间 光电导的弛豫 光电导是非平衡载流子效应 因此有一定的弛豫现象 光照射到样品后 光电导逐渐增加 最后达到定态 光照停止 光电导在一段时间内逐渐消失 这种弛豫现象表现了光电导对光强变化反应的快慢 光电导上升或下降的时间就是弛豫时间 或称为响应时间 惰性 显然 弛豫时间长 表示光电导反应慢 这时称惯性大 弛豫时间短 即光电导反应快 称惯性小 从光电导的机构来看 弛豫现象表现为在光强变化时 光生载流子的积累和消失的过程 因此 要讨论弛豫现象 必须研究光生载流子的产生与复合 光电导的驰豫决定在迅速变化的光强下 一个光电器件能否有效工作的问题 在分析定态光电导和光强之间的关系时 尽管实际情况比较复杂 但通常讨论下面两种典型情况 直线性光电导 即光电导与光强成线性关系 如Si Ge PbO等许多材料至少在较低的光强下都具有这种性质 抛物线性光电导 指的是光电导与光强的平方根成正比 有不少光电导体在低光强下属于直线性光电导 但在较高的光强下则为抛物线性光电导 光敏电阻工作机理较复杂 但结构简单 只是在一块匀质的光电导体两端加上电极即成 如图所示 1 光谱响应相当宽根据不同的光电导材料 光敏电阻的灵敏域可在紫外光区 可见光区 也可在红外区和远红外区 光敏电阻有以下优点 2 所测的光强范围宽 即可对强光响应 也可对弱光响应 3 无极性之分 使用方便 成本低 寿命长 4 灵敏度高 工作电流大 可达数毫安 使用时必须在光敏电阻两端加上电压 一般再串一个负载电阻 构成闭合回路 当光照光敏电阻时 其电导率发生变化 电阻值随之变化 那么流经整个回路的电流发生变化 负载上电流的变化反映了光照信号的变化 在负载上取出其变化信号 便达到了检测入射光信号的目的 光照时 光敏电阻的电阻值通常称为明电阻或亮电阻 无光照时的电阻称为暗电阻 模型 结构示意图 偏置电路 等效电路 二 特性 1 光照特性 图示出硫化镉光敏电阻的光照特性 光敏电阻受光照时的电流与不受光照时的电流之差 称光电流 由于有上述的光电流放大作用 它的灵敏度高 光照特性为非线性 在实用范围内 它们的关系可表示如下 I 通过光敏电阻的电流 U 加于光敏电阻的电压 L 光敏电阻上的照度 K 比例系数 a 电压指数 一般近于1 b 照度指数 光谱特性与所用的材料有关 图 b 的曲线1 2 3分别示出硫化镉 硒化镉 硫化铅光敏电阻的光谱特性 从图可以看出 硫化铅光敏电 2 光谱特性 光敏电阻的光谱分布 不仅和材料的性质有关 也和工艺过程有关 例如硫化镉光敏电阻 随着掺铜浓度的增加 光谱峰值由5000埃移至6400埃 而硫化铅随薄层的减薄 光谱峰值位置移向短波方向 阻在较宽的光谱范围内有较高的灵敏度 本征光电导光谱特性 3 伏安特性 图 c 的曲线1和2分别表示照度为零和某值时的伏安特性 如果所加电压越高 则光电流越大而且无饱和现象 对于大多数半导体 电场强度超过10伏 厘米时才开始不遵循欧姆定律 只有硫化镉是例外 它的伏安特性在100多伏时就产生转 折点而不再呈线性了 光敏电阻的最高使用电压由它的耗散功率所决定 而耗散功率又和面积大小 散热情况等有关 因为伏安特性成线性 光敏电阻除用积分灵敏度外 用比灵敏度也很方便 比灵敏度Sb的定义如下 I 光敏电阻被照射时和黑暗时的电流差 U 光敏电阻上所加的电压 照射于光敏电阻上的光通量 比灵敏度乘以电压就得积分灵敏度 积分灵敏度与电压成正比这是容易理解的 因为在相同的光通量下 光敏电路的电流与电压成正比 一般需要经过几百小时后 光敏电阻的灵敏度才趋稳定 光敏电阻的主要优点之一是积分灵敏度较高 4 频率特性 图 d 的曲线l和2分别表示出硫化镉和硫化铅光敏电阻的频率特性 光敏电阻的频率特性较差 这是因为光敏电阻的导电性与被俘获的载流子有关 当入射光强上升时 被俘获的自由载流子到相应的数值需要一 定时间 同样 入射光强降低时 被俘获的电荷释放出来也是比较慢的 光敏电阻的阻值 要花一段时间后才能达到相应的数值 新的平衡值 故其频率特性较差 有时以时间常数说明频率响应的好坏 当光敏电阻突然受到光照时 电导率上升到最终值的63 所花的时间 被称为上升时间常数 同样 降低时间常数是把器件突然黑暗时 其导电率降到起始值的37 即降低63 所花的时间 5 疲乏特性 图 e 的曲线l和2分别表示出型号不同的两种硫化镉光敏电阻的疲乏特性 初制成的光敏电阻 由于体内机构的不稳定 以及电阻体与其介质间的作用还没有达到平衡 所以性能是不够稳定的 在人为地加温 光照及加负载情况下 经一至二个星期的老化 性能可达到稳定 光敏电阻在开始一段时间的老化过程中 有些样品阻值上升了 有些样品阻值下降了 各不一样 但最后总能达到一个稳定值 以后就不再变了 这是光敏电阻的主要优点 它以其高度的稳定性而被广泛地应用在自动化技术上 6 温度特性 光敏电阻的性质受温度的影响较大 随着温度的升高灵敏度要下降 硫化镉的光电流I和温度T的关系如图 f 所示 有时为了提高灵敏度 将元件降温使用 例如 利用制冷器使光敏电阻的温度降低 随着温度的升高 光敏电阻黑暗时电流上升 光照时的电流增加不多 因此 它的光电流下降 即光电灵敏度下降 不同材料的光敏电阻 温度特性也不一样 一般硫化镉的温度特性比硒化镉好 硫化铅的温度特性比硒化铅好 光敏电阻的光谱特性也随着温度而变化 例如硫化铅光敏电阻 在 20 与 20 温度范围内 随着温度的升高 其光谱特性向短波方向移动 为了使元件对波长较长的光有较高的响应 有时也可采用降温措施 体积小 重量轻 结构简单而牢固 允许的光电流大 工作寿命长 光敏电阻在黑暗时的电阻值一般大于10兆欧 如果它被光线照射 电阻值显著降低 称为亮阻 约在几万欧以下 暗阻和亮阻之比在 之间 这一比值越大 光敏电阻的灵敏度越高 随着温度的升高 暗电阻下降 这对光敏电阻的工作不利 光敏电阻有下列优点 7 暗电阻和暗电流 型号相同的光敏电阻的参数也参差不齐 光照特性的非线性使它不适合于测量要求线性的场合 缺点 光敏电阻虽有它的缺点 但在很多情况下这些缺点并不重要 因而它的应用较广 例如遥控设备的主要要求是灵敏度高而采用光敏电阻 另外 由于很多光敏电阻对红外线敏感 适宜于在红外线光谱区工作 光敏电阻的符号和连接电路如图所示 图 a 中的输出电压与入射光通量的变化成反相 图 b 中与入射光通量变化成同相 在入射光通量变化范围一定情况下 为了使输出电压变化范围最大 一般取 三 电路 当入射光通量 连续变化时 为光敏电阻变化的中间值 即 当入射光通量跳跃变化时 和是指入射光通量 最大和最小时的光敏电阻值 可通过实验得到 同时 电源E也应满足下式 为光敏电阻的最大允许功耗 1 采用光调制技术 一般调制频率为800 1000Hz 2 制冷或恒温 使热噪声减少 3 采用合理的偏置 选择最佳的偏置电流 使信噪比达到最高 在图中 当入射光通量变化时 会引起I和的同时变化 使整个系统线性变坏 噪声增加 为了降低光敏电阻的噪声 提高信息转换精度 可采取以下办法 恒流偏置电路如图所示 图中 由于采用了稳压管D 故不变 使不变 不变 达到恒流的目的 这时 入射光通量的变化仅引起电压的变化 恒压偏置电路如图所示 图中 由于采用了稳压管D 故不变 也不变 入射光通量的变化仅引起的变化 可以证明 恒压偏置的最大特点是光敏电阻的灵敏度与光敏电阻的暗阻值无关 因而互换性好 调换光敏电阻时不影响仪器的精度 恒压偏置电路 增大加于探测器上的直流偏压可以增大信号和噪声输出 但加偏压不能过大 只能在允许的条件下增大工作偏压 习题 1 光电导探测器灵敏度与其工作偏流有何关系 它在实用中的重要意义是什么 2 光电导探测器响应时间 频率特性五受哪些因素限制 为什么光电导探测器的工作频率都不如光伏高 一般上限频率最高约为多少量级 实际使用时如何改善其频率响应 3 试绘出光电导探测器的等效电路 并进一步绘出 1 信号交流等效电路 2 噪声等效电路 3 信号 噪声等效电路 4 光电导探测器的内增益与哪些量有关 为什么说 内增益系数是一个随机变量 4 光电发射和二次电子发射两者有哪些不同 简述光电倍增管的工作原理 5 光电倍增管中倍增极有哪几种结构 每一种的主要特点是什么 6 如何选择倍增极之间的级间电压 7 分析电阻分压器的电压再分配效应和负载电阻的反馈效应 怎样才能减少这些效应的影响 光生伏特效应 光伏型探测器是一种结型结构的探测器 它是基于半导体的光生伏特效应制成的 光伏效应是光照射光敏材料时产生光生电压的现象 通过检测光生电压 或者检测探测器回路的光生感应电流达到检测入射光功率的目的 根据探测器的具体结构不同 光电探测器可以分为以下几种 光电池 光电二极管 PIN光电二极管 雪崩光电二极管 光电三极管以及其它派生的光电探测器 光伏探测器的主要特点是 线性好 响应速度快 使用方便 它们广泛应用在测量系统 光伏探测器与光电导探测器相比较 主要区别在于 1 产生光电变换的部位不同 光电导探测器是均值型 光无论照在它的哪一部分 受光部分的电导率都要增大 而光伏探测器是结型 只有到达结区附近的光才产生光伏效应 2 光电导探测器没有极性 工作时必须外加偏压 而光伏探测器有确定的正负极 不需外加偏压也可以把光信号变为电信号 3 光电导探测器的光电效应主要依赖于非平衡载流子中的多子产生与复合运动 弛豫时间较大 响应速度慢 频率响应性能较差 而光伏探测器的光伏效应主要依赖于结区非平衡载流子中的少于漂移运动 弛豫时间较小 因此 响应速度快 频率响应特性好 另外 像雪崩二极管和光电三极管还有很大的内增益作用 不仅灵敏度高 还可以通过较大的电流 基于上述特点 光伏探测器的应用非常广泛 一般多用于光度测量 光开关 报警系统 图像识别 自动控制等方面 光生伏特效应是光照使不均匀半导体或均匀半导体中光生电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象 对于不均匀半导体 由于同质的半导体不同的掺杂形成的pn结 不同质的半导体组成的异质结或金属与半导体接触形成的肖特基势垒都存在内建电场 当光照这种半导体时 由于半导体对光的吸收而产生了光生电子和空穴 它们在内建电场的作用下就会向相反的方向移动和积聚而产生电位差 这种现象是最重要的一类光生伏特效应 对于均匀半导体 由于体内没有内建电场 当光照这种半导体一部分时 由于光生载流子浓度梯度的不同而引起载流子的扩散运动 但电子和空穴的迁移率不等 由于两种载流子扩散速度的不同而导致两种电荷的分开 从而出现光生电势 这种现象称为丹倍效应 此外 如果存在外加磁场 也可使得扩散中的两种载流子向相反方向偏转 从而产生光生电势 称为光磁电效应 通常把丹倍效应和光磁电效应称为体积光生伏特效应 从晶体管理论可知 当把N型半导体和P型半导体结合在一起时 N型半导体中的电子和P型半导体中的空穴就会互相扩散 见图 a 结果在PN区交界面附近形成一个很薄的空间电荷区 产生如图 b 所示的内电场 方向由N区指向P区 一 原理与结构 光电池 硒光电池结构示意图 硅光电池结构示意图 当光线照射PN结时 PN结将吸收入射光子 如果光子能量超过半导体材料的禁带宽度 则由半导体能带理论可知 在PN结附近会产生电子和空穴 在内电场的作用下 空穴移向P区 电子移向N区 移动的结果 在N区聚集大量的电子而带上负电 在P区聚集大量的空穴而带上正电 于是在P区和N区之间产生了电势 成为光生电动势 如果用导线和电阻把N区和P区连接起来 回路中就会有光电流I流过 电流方向是由P区流向N区 如图3 1 3 1 c 所示 这就是光电池受光照时产生光生电动势和光电流的简单原理 光电池的符号如图所示 光电池的内部结构等效电路如图 b 所示 从以上分析可知 由光照产生的电子和空穴在内电场的作用下才形成光生电动势和光电流 由于内电场 另外 光电池的输出也受外接负载电阻大小的影响 如图所示 当时 是由掺杂的P区和N区自由扩散形成的 故内电场的强度是非常有限的 就导致了光电池的光电转换效率非常低 最高也只能是百分之十几 即输出电流与入射光通量 成线性关系 上式中 S是光电池的灵敏度 当时 随着U的增大 PN结的等效电阻开始变小 则开始增大 由于 显然 I与 成非线性关系 当U继续增大到PN结的导通电压时 非常大时 U就不会再增大 此时 PN结的变得很小 光照所产生的光电流几乎全部流向二极管 即 这时 在负载RL上除有少量的电流维持PN结的导通电压U外 光照产生的光电流几乎都消耗在光电池内部 这种现象也可以从图 c 中看出 当较大时 光电流流过时 必然使U增大 由于U的方向是与内电场方向相反 故要削弱内电场的强度 从而使光生的电子和空穴不能移过PN结 使对外输出的光电流减少 光电池的种类硒光电池 氧化亚铜光电池 硫化铊光电池 硫化镉光电池 锗光电池 硅光电池 砷化镓光电池等 其中最受重视的是硅光电池 因为它有一系列的优点 例如性能稳定 光谱范围宽 频率特性好 换能效率高 能耐高能辐射等 硒光电池比硅光电池价廉 它的光谱峰值位置在人的视觉范围内 因而应用在不少测量仪器上 二 特性 1 光照特性 图 a 和图 b 分别示出硅光电池和硒光电的光照特性 它指光生电动势和光电流与照度的关系 光电池的电动势 即开路电压与照度L成非线性关系 在照度2000勒克斯照射下就趋向饱和了 光电池的短路电流与照度成线性关系 而且受照结面积越大 短路电流亦越大 可把光电池看成由许多小光电池并联而成 光电池的所谓短路电流是指外接负载电阻相对于光电池的内阻来讲很小 而光电池在不同照度时 其内阻也不同 所以在不同的照度时可用不同大小的外接负载近似地满足 短路 条件 当光电池作为测量元件时 应以电流源的形式来使用 图 c 示出硒光电池的光照特性与负载电阻的关系 硅光电池也有相类似的关系 从图可见 负载电阻RL越小 光电流和照度的线性关系越好 且线性范围较广 所以光电池作为测量元件时 所用负载电阻的大小 应根据照度或光强而定 当照度较大时 为保证测量有线性关系 所用负载电阻应较小 负载电阻增大时 光电流变小 而且光照特性的线性区域亦变小 这是因为光电池的内阻随照度和电压而改变 硅光电池的内阻一般属于低阻范围 其大小与受光面积和光强有关 在100毫瓦 厘米的入射光强下 光电池每平方厘米的内阻范围在15 20欧之间 2 光谱特性 光电池的光谱特性决定于所采用的材料 图 d 的曲线1和2分别示出硒和硅光电池的光谱特性 从图上可看出 硒光电池在可见光谱内有较高的灵敏度 峰值波长在5400埃附近 它适宜于测量可见光 如果硒光电池与适当的滤光片配合 它的光谱灵敏度与人的眼睛很接近 可用它客观地决定照度 硅光电池可以应用的范围为4000 11000埃 峰值波长在8500埃附近 因此对色温为2854K的钨丝灯光源 能得到很好的光谱响应 光电池的光谱峰值位置不仅与制造光电池的材料有关 也和制造工艺有关 并且随使用温度的不同而有所移动 3 伏安特性 伏安特性如图 图中还画出负载电阻为0 5 l 3千欧的负载线 光电池的负载线由决定 负载电阻短接或很小时 负载线垂直或接近于垂直 它与伏安特性的交点为等距离 电流正比于照度 数值也较大 负载电阻增 增大时 交点的距离不等 例如3千欧这条负载线与伏安特性的交点相互间距离不等 即电流不与照度成正比 光照特性不是直线 电流也减小 光电池的积分灵敏度由光通量为1流明所能产生的短路电流决定 硅光电池的灵敏度为6 8毫安 流明 硒光电池的灵敏度约为0 5毫安 流明 因而硅光电池的灵敏度比硒高 硅光电池的开路电压在0 45 0 6伏之间 在器件结构相同的情况下 可能达到的最大开路电压 硒比硅略微高一些 4 频率特性 光电池的PN结或阻挡层的面积大极间电容大 因此频率特性较差 图 f 曲线l示出硒光电池的频率特性 它是在负载电阻为一兆欧时绘出的 负载电阻越大 电容的旁路作用越显著 频率特性高频部分的下降越厉害 因此不宜于检测交变 图 f 中的曲线2 在照度较强和负载电阻较小的情况下 它的截止频率最高可达10 30千赫 在低照度时频率特性要变差 这是因为在低照度时光电池内阻增大的缘故 响应速度与结电容和负载电阻的乘积有关 如欲改善频率特性 需减小负载电阻或减小光电池的面积 使它的结电容减小 此外 响应速度还与少数载流子的寿命和扩散时间等有关 光通量 硅光电池的频率特性要好一些 5 温度特性 图 g 示出硅光电池的开路电压和短路电流与温度T的关系 硅光电池的开路电压随温度升高而降低 温度每升高l度 电压下降2 3毫伏 短路电流随着温度升高 开始增大 当温度超过70度左右时 温度升高 电流下降 硅光电池在强辐射下性能也是稳定的 对于硒光电池 在强光照射时性能变化很大 这主要是由于此时体内已起了变化或表面的硒被氧化所造成的 光电池的可靠性好 寿命也较长 它们除与制造材料 工艺有关外 还和使用的情况有关 因此合理地使用光电池 也是保证性能稳定 可靠性好 寿命长的重要环节 光电池的使用 光电池在受强光照射或聚焦光照射的情况下 应该考虑光电池的工作温度及散热措施 如果硒光电池的结温超过50度 硅光电池的结温超过200度时 就要破坏它们的晶体结构 造成损坏 通常硅光电池使用的结温不允许超过125度 硅光电池是由薄的硅片制成 极脆 使用时应特别小心 硅光电池的固定不宜用压紧法 应采用胶粘法 由于硅光电池和座子的膨胀系数不可能相同 所以也不宜用极牢固的胶合剂 如环氧树脂 502胶等 应采用柔软而富有弹性的胶合剂 如蜂蜡 硬柏油 清凡力水 万能胶等 硅光电池的表面通常镀有一层增透膜 使用时应避免硬物接触表面 表面如有脏物 可以用酒精棉花轻轻擦拭 若增透膜脱落 将使硅光电池的输出略有下降 但仍可使用 硅光电池的引线很娇嫩 不能拉力太大 以免脱落 三 电路 1 光电池用作太阳能电池 当光电池用作太阳能电池时 是把光能直接转换成电能 需要最大的输出功率和转换效率 这时光电池的受光面积往往做得比较大 或把多个光电池作串 并联连接 再将它们置于太阳光的照射下 就成为把光能转换成电能的太阳电池 光电池用作太阳能电池时的电路如图所示 在黑夜或光线微弱时 为防止蓄电池经过光电池放电而设置二极管D 光电池用作检测元件使用时的电路如图所示 此电路可实现光电池的线性输出 对光电池而言 近似等于0 图中 式中 S为光电池的灵敏度 是入射到光电池的光通量 2 光电池用作检测元件 3 1 4光敏二极管 PD 光敏二极管是一种用PN结单向导电性的结型光电信息转换器件 一 结构和工作原理 与一般半导体二极管类似 其PN结装在管子的顶部 以便使 光线集中在光敏面 光敏二极管的外形结构如图 a 所示 光敏二极管工作时加反向偏压 图 b 加反向偏压的目的是加一个方向与PN结内电场方向一致的外电场 克服了光电池弱点 线性特性和频率特性将彻底改善 光电流的输出仅受光照强弱变化的影响 与负载电阻的大小无关 无光照时 光敏二极管工作在截止状态 只有少数载流子在反向偏压作用下 渡越阻挡层 形成微小的反向电流 即暗电流 光敏二极管受光照时 PN结附近受光子轰击吸收其能量而产生电子空穴对 从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加 在外加电场和内电场的共同作用下 P区的电子渡越阻挡层进入N区 N区的空穴进人P区 从而使通过PN结的方向电流大大增加 这就形成了光电流 1 光照特性 图 a 画出了硅光敏二极管的光电流I与照度L的特性曲线 从图上可看出 它的光照特性线性较好 适合于检测方面的应用 光谱特性决定于所采用的材料 图3 1 4 2 b 示出了锗的光谱响应曲线 由图可知 它的响应光谱长波限为18000埃 短波限在4000埃附近 最灵敏的响应波长大约14000 15000埃之间 硅的光谱特性可见图 b 它的最灵敏响应波长在8000 9000埃之间 二 特性 2 光谱特性 硅光敏二极管在入射光波长为9000埃处 其光谱灵敏度不小于0 4微安 微瓦 图 c 示出了硅光敏二极管的实际伏安特性曲线 由光照控制的光敏二极管 与由基极控制的晶体三极管的工作情况相类似 因而光敏二极管在不同照度下的伏安特性 与一般晶体管在不同基极电流下的输出特性相似 由此可知 光敏二极管对光信号的作用 正像一般晶体管在基极上加上电信号时的放大作用一样 光敏二极管在外加电压为零时仍有电流 这是光生伏特效应所产生的短路电流 3 伏安特性 4 频率特性 a 结电容 一般小于20微微法 和杂散电容 因它与负载电阻并联 负载电阻越大 它的高额旁路作用越显著 高频响应变差 负载电阻小 能使高频响应改善 但输出电压要减小 两者应同时考虑 以选择合适的负载电阻 在负载电阻为l千欧的情况下 截止频率可达1 5兆赫或更高 b 光生载流子在薄层中的扩散时间及PN结 耗尽层或阻挡层 中的漂移时间 前者与入射光的波长有关 当波长超过某限度 材料对长波的吸收系数小 入射光可透过二极管PN结而到达体内 N区 较深部位几十到上千微米 它激发的光生载流子要扩散到PN结后才能形成光电流 这一扩散时间限制了对长波光的频率响应 光敏二极管的频率响应与下述因素有关 波长较短的光生载流子大部分产生在PN结内 没有体内扩散时间的问题 而且频率响应要好得多 对硅二极管 由波长不同引起的响应时间可相差102 108倍 5 温度特性 光敏二极管在电压不变 50伏 和照度不变的情况下 其光电流随温度T而变如图 在精密光电测量中要注意温度对测量精度的影响 桥式电路是减小温度影响的措施之一 在用调制光照射时 可采用交流放大器以抑制变化较慢的温度影响 6 暗电流 图示出的曲线l和2各为锗和硅光敏二极管的暗电流随温度T而变化的曲线 温度升高 半导体受热激发 少数载流子增加 使暗电流增加 硅器件的暗电流及其温度系数都比锗器件小 因此对锗器件需要适当的温度补偿 使用时要注意不使管壳侧面沾污 否则会引起漏电流 使暗电流变大 光敏二极管体积小 灵敏度高 稳定性好 响应速度快 易于获得定向性 光谱在可见和红外区 它在检测和自动控制中用得较多 光敏二极管的输出电路和等效电路 图 a 和图 b 的差别是输出电压U是反向的 因为 由图 c 可知 上式中 S是光敏二极管的灵敏度 是入射到光敏二极管的光通量 是等效 有此可见 为了得到较大的输出电压 除串接较大的R外 后级电路的输入阻抗应尽可能大些 在图 c 中 C是结电容 一般较小 故在中频内可忽略 但在高频时不能忽略 C直接影响光敏二极管的高频特性 计算光敏二极管的上限频率 负载电阻 即是R和后级电路输入阻抗的并联值 三 电路 当时得 而 令 得 从这里看出 减少负载电阻 可使上限频率提高 这结论对其他光电信息转换器件也适用 在前面讨论P N结的光电效应时已指出 P N结光生电流主要由耗尽区电子一空穴对在外加电场与内电场作用下的漂移运动形成的 由于电场主要分布在耗尽区内 所以载流子的漂移运动速度很快 一般来讲 耗尽区的电场足以使载流子的漂移速度达到极限值 在扩散区 由于场的分布趋于零 载流子的运动是扩散运动 所以运动速度很慢 这样 就影响了光电检测器响应速度的提高 因此为了保证光电检测器有快的响应速度和高的效率 应当设法尽量减小零电场P区和N区的厚度而增加耗尽区的厚度 并且还应尽量避免光生电子一空穴对在零电场区里产生 在工艺上采取以下措施 将N层做成轻掺杂 使耗尽区变宽或变厚 这种掺杂很轻的N层 称作本征I层 另外 为了制成低电阻的接触 在I层的两端再做成重掺杂的P层和N层 并且它们的宽度很窄 或厚度很薄 这样 便构成了PIN型的光敏二极管 四 PIN管 PIN的结构示意图如所示 由图可以看出 由于采用了上述工艺手段 使耗尽区的宽度几乎占据了整个吸收区 而扩散区变得很薄 所以PIN比PD具有更高的光生电流效率和更高的响应速度 PIN管特点是1 频带宽 可达10GHz 因为耗尽区宽度增加 结电容大大减小 缺点 由于I层很大 管子的输出电流小 一般多为零点几微安至数微安 2 线性输出范围宽 因为I层很厚 在反偏压下运行可承受较高的反向电压 五 APD 雪崩光敏二极管的反向偏压很高 可达50 150V 这样 在P N结内形成了一个强电场区 初始的载流子在经过这个强电场区时 在强电场的作用下获得很大动能 从而运动速度很高 载流子在高速运动过程中要与晶体的晶格发生碰撞作用 结果使价带的电子跃迁到导带上去 于是就产生新的电子一空穴对 这个过程称为碰撞电离过程 尽管PIN比PD有所改进 但由于耗尽区加宽而且所加反向偏压又不能很高 故载流子的漂移时间势必要拉长 从而影响响应速度的进一步提高 另外 PIN产生的光生电流仍然是很微弱的 为了达到可供使用的程度 必然要对其进行多次放大 这样 不可避免地要引进放大器的噪声 从而使接收机的信噪比降低 为了克服PIN的缺点 需做进一步的改进 使光生电流在其内部先进行放大 这就要求光电管具有雪崩增益作用 具有这种功能的光电管称为雪崩光敏二极管 以APD Avalanchephotodiode 表示 新产生的电子一空穴对称为二次电子一空穴对 初始的和新生的电子或空穴 在强电场作用下 又要碰撞别的原子进而产生新的电子一空穴对 经多次碰撞电离后 便使载流子迅速增加 从而反向电流也迅速增大形成雪崩倍增效应 如图所 示 APD就是利用雪崩倍增效应使光生电流达到很高的数值 电流增益可达106 因此 雪崩光敏二极管是灵敏度很高的光电信息转换器件 雪崩光敏二极管的工作偏压必须适当 过小时 增益太小 过大时 噪声大 而且电压过高可能使管子被击穿烧毁 由于击穿电压会随温度漂移 必须根据环境温度变化相应调整工作电压 a 雪崩过程伴有一定的噪声 并受温度的影响较大 b 由于材料本身 特别是表面部分 具有一定的缺陷 使PN结的各区域电场分布不均匀 局部的高电场区首先发生击穿 使漏电流变大 这相当于增强了噪声 为避免这一情况发生 在选择材料和工艺上应加以注意 影响雪崩光敏二极管工作的因素有 雪崩光敏二极管一般由硅或锗材料制成 频率响应很高 带宽可达100GHz 是目前响应最快的一种光敏二极管 适用于光纤通信 激光测距及其他微弱光的探测等 光敏二极管阵列是将光敏二极管以线阵或面阵形式集合在一起 用来同时探测被测物体各部位提供的不同光信息 并将这些信息转换为电信号的器件 光敏三极管阵列与其类似 与光敏二极管阵列类似 还有象限探测器 象限探测器有二象限和四象限探测器 又分光敏二极管象限探测器和硅光电池象限探测器 象限探测器是在同一块芯片上制成两或四个探测器 中间有沟道将它们隔开 因而这两或四个探测器有完全相同性能参数 当被测体位置发生变化时 来自目标的辐射量使象限间产生差异 这种差异会引起象限间信号输出变化 从而确定目标方位 起到制导 跟踪 搜索 定位等作用 六 光敏二极管阵列 接收光信号的方式 1 光信号的有无即被测对象造成投射到光电器件上的光信号截断或通过 如光电开关 光电 报警等 这时的光电器件不考虑线性 但要考虑灵敏度 2 光信号按一定频率交替变化这种光信号的输入是有一定频率的 必须使所选器件的上限截止频率 最好是最佳工作频率 大于输入信号的频率才能测出输入信号的变化 3 光信号的幅度大小当被测对象因对光的反射率 透过率变化或是被测对象本身光辐射的强度变化 此时的光信号幅度大小亦改变 为准确测出幅度大小的变化 必须选用线性好 响应快的器件 如PMT或光电二极管等 4 光信号的色度差异当被测对象本身光辐射的色温存在差异或表面颜色变化时 必须选择合适的光谱特性的光电器件等 各种光电检测器件的性能比较 在动态特性方面 即频率响应与时间响应 以光电信增管和光电二极管 尤其是PIN管与雪崩管 为最好 在光电特性方面 即线性 以光电倍增管 光电二极管 光电池为最好 在灵敏度方面 以光电倍增管 雪崩光电二极管 光敏电阻和光电三极管为最好 值得指出的是 灵敏度高不见得就是输出电流大 而输出电流大的器件有大面积光电池 光敏电阻 雪崩光电二极管与光电三极管 外加电压最低的是光电二 三极管 光电池不需加电源 暗电流光电倍增管与光电二极管最小 光电池不加电源时无暗流 加反压后Id也比PMT与光电二极管大 长期工作的稳定性方面 以光电二极管 光电池为最好 其次是PMT与光电三极管 在光谱响应方面 以光电信增管和CdSe光敏电阻为最宽 但PMT响应偏紫外方面 而光敏电阻响应偏红外方面 光电检测器件的应用选择 光电检测器件的应用选择 实际上是应用时的一些注意事项或要点 在很多要求不太严格的应用中 可采用任何一种光电检测器件 不过在某些情况下 选用某种器件会合适些 例如 当需要比较大的光敏面积时 先可选用真空光电管 因其光谱响应范围比较宽 故真空光电管在分光光度计中应用 当被测辐射等级很低 信号微弱 响应速率较高时 采用光电倍增管最合适 因为其放大倍数可达10 以上 这样高的增益可使其信号超过输出和放大线路内的噪声分量 使得对探测器的限制只剩下光阴极电流中的统计变化 因此在天文 光谱学 激光测距和闪烁计数等方面得到广泛应用 CdS光敏电阻因成本低而在光亮度控制 如照相自动曝光或路灯日光控制等 中采用 光电池是固体光电器件中具有最大光敏面积的器件 它除作探测器件外 还可作太阳能变换器 硅光电二极管体积小 响应快 可靠性高 而且在可见光与近红外波段内有较高的量子效率 因而在各种工业控制中获得应用 硅雪崩管由于增益高 响应快 噪声小 因而在激光测距与光纤通讯中普遍采用 光电检测器件的应用选择要点归纳如下 1 光电检测器件必须和辐射信号源及光学系统在光谱特性上匹配 如测量波长是紫外波段 则选PMT或专门的紫外光电半导体器件 如果信号是可见光 则可选PMT 光敏电阻与Si的光电器件 如是红外信号 选光敏电阻 近红外选Si的光电器件或PMT 2 光电检测器件的光电转换特性必须和入射辐射能量相匹配 其中首先要注意的是器件的感光面要和照射光匹配好 因光源必须照到器件的有效位置 如发生变化 则光电灵敏度将发生变化 如太阳电池具有大的感光面 一般用于杂散光或者没有达到聚焦状态的光束的接收 又如光敏电阻是一个可变电阻 有光照的部分电阻就降低 必须设计光线照在两电极间的全部电阻体上 以便有效地利用全部感光面 光电二 三极管的感光面只是结附近的一个极小的面积 故一般把透镜作为光的入射窗 要把透镜的焦点与感光的灵敏点对准 光电池的光电流比其它器件因照射光的晃动要小些 一般要使入射通量的变化中心处于检测器件光电特性的线性范围内 以确保获得良好的线性检测 对微弱的光信号 器件必须有合适的灵敏度 以确保一定的信噪比与输出足够强的电信号 3 光电检测器件必须和光信号的调制形式 信号频率及波形相匹配 以保证得到没有频率失真的输出波形和良好的时间响应 这种情况主要是选择响应时间短或上限频率高的器件 但在电路上也要注意匹配好动态参数 4 光电检测器件必须和输入电路在电特性上良好地匹配 以保证有足够大的转换系数 线性范围 信噪比及快速的动态响应等 5 为使器件具有长期工作的可靠性 必须注意选好器件的规格和使用的环境条件 一般要求在长时间的连续使用中 能保证在低于最大限额状态下正常工作 当工作条件超过最大限额时 器件的特性即急剧劣化 特别是超过电流容限值后 其损坏往往是永久性的 使用的环境温度和电流容限一样 当超过温度的容限值后 一般将引起缓慢的特性劣化 总之 要使器件在额定条件下使用 才能保证稳定可靠地工作