授课教案 第七章光电转换器件 第七章光电转换器件 表71光子效应分类 效应 相应的探测器 光电子发射 光电管 外光电效应 光电子倍增 光电倍增管、像增强管 光电导 光敏电阻、光导管 PN结零偏 光电池 内光电效应 PN结反偏 光电二极管 光生伏特 雪崩 雪崩光电二极管 肖特基势垒 肖特基势垒光电二极管 表7-2光热效应分类 效应 相应的探测器 测辐射热计效应 热敏电阻、金属测辐射热计、超导远红外探测器 温差电效应 热电偶、热电堆 热释电效应 热释电探测器 §7-1光电导探测器 一、 光电导器件工作特性 1.响应度(灵敏度) 电流响应度: R=(4/W) (7.1) 电压响应度: eem (7.2) 2.光谱特性 峰值响应波长为 2(m)-E.(eV) 1.24 (7.3
授课教案 第七章 光电转换器件 第七章 光电转换器件 表 7-1 光子效应分类 效应 相应的探测器 光电子发射 光电管 外光电效应 光电子倍增 光电倍增管、像增强管 光电导 光敏电阻、光导管 PN 结零偏 光电池 PN 结反偏 光电二极管 雪崩 雪崩光电二极管 内光电效应 光生伏特 肖特基势垒 肖特基势垒光电二极管 表 7-2 光热效应分类 效应 相应的探测器 测辐射热计效应 热敏电阻、金属测辐射热计、超导远红外探测器 温差电效应 热电偶、热电堆 热释电效应 热释电探测器 §7-1 光电导探测器 一、 光电导器件工作特性 1. 响应度(灵敏度) 电流响应度: WA )( P I RI = (7.1) 电压响应度: WV )( P V RV = (7.2) 2. 光谱特性 峰值响应波长为 )( 24.1 )( eVE m g m μλ = (7.3) 1
授教案 第七章光电转换器件 杂质和晶格缺陷所形成的能级与导带间禁带宽度比价带与导带间的主禁带 宽度窄—光谱响应向长波长方向扩展: 光敏电阻对短波长光吸收系数大,在表层载流子浓度高,自由载流子在表层 复合速度快一对波长短于峰值波长的光响应灵敏度降低。 PbS 82162020m 图7.1三种光敏电阻的光谱响应特性 3.照度特性 外加电压一定时,光生电流与光照度关系: I=KV“E(非线性) (7.4) 低偏压、弱光照条件下可近似为: 1=KVE (7.5) 1(m) 图7.2CdS光敏电阻的光照特性曲线 4.响应速度
授课教案 第七章 光电转换器件 杂质和晶格缺陷所形成的能级与导带间禁带宽度比价带与导带间的主禁带 宽度窄——光谱响应向长波长方向扩展; 光敏电阻对短波长光吸收系数大,在表层载流子浓度高,自由载流子在表层 复合速度快——对波长短于峰值波长的光响应灵敏度降低。 图 7.1 三种光敏电阻的光谱响应特性 3. 照度特性 外加电压一定时,光生电流与光照度关系: γα = EKVI (非线性) (7.4) 低偏压、弱光照条件下可近似为: = KVEI (7.5) 图 7.2 CdS 光敏电阻的光照特性曲线 4. 响应速度 2
授课教案 第七章光电转换器件 相 响 63 图7.3光电导的驰豫 t:光生电流从零上升到0.631时所需时间: ta:光生电流从稳定值下降到0.371o时所需时间。 响应时间决定了器件对调制频率的影响:当调制频率升高,响应度比低频时 的响应度下降,变化关系为 R,= (7.6) 0+ox3)月 截止频率:R下降到R。的0.707倍时对应的o值 5.温度效应 温度升高时产生的影响: >热噪声变大 >灵敏度降低 >峰值响应波长向短波长方向移动 >响应时间下降 6.噪声特性 工作频率>1MHz:热噪声为主要噪声源 工作频率<1kz:~噪声为主要噪声源 1MH>工作频率>1kHz:产生一复合噪声为主要噪声源 1心噪声 热噪声 gr噪声 1k 图7.4典型光电导探测器的噪声功率谱
授课教案 第七章 光电转换器件 图 7.3 光电导的驰豫 tr:光生电流从零上升到 0.63I0时所需时间; td:光生电流从稳定值下降到 0.37I0时所需时间。 响应时间决定了器件对调制频率的影响:当调制频率升高,响应度比低频时 的响应度下降,变化关系为 2 1 22 0 + τω )1( = v v R R (7.6) 截止频率: 下降到 的 Rv Rv0 0.707 倍时对应的ω 值。 5. 温度效应 温度升高时产生的影响: ¾ 热噪声变大 ¾ 灵敏度降低 ¾ 峰值响应波长向短波长方向移动 ¾ 响应时间下降 6. 噪声特性 工作频率>1MHz:热噪声为主要噪声源 工作频率<1kHz:1 v噪声为主要噪声源 1MHz>工作频率>1kHz:产生—复合噪声为主要噪声源 图 7.4 典型光电导探测器的噪声功率谱 3
授误教案」 第七章光电转换器件 7.基本工作电路 暗电阻:在室温和全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻,或暗阻。此时流过 的电流称为暗电流。 亮电阻:在一定光照条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻或亮阻。此时流过的电 流称为亮电流。 (1)低频条件下的负载匹配问题 图7.5光电导探测器工作电路 在一定光照条件下,回路电流: i-R+R (7.7) 光照强度发生变化时回路电流: i+△=R,+R+AR (7.8 电流变化量: △i= V△R VAR (R+R+ARXR+R)(R+R) (7.9) 端电压变化量: AV,=AIR=-(R+R) V△RR (7.10) 使V,有最大值时的负载电阻: (△V)=0→R:=R(最佳匹配条件) (7.11) (2)偏压选择问题 电流在负载电阻上产生的热损耗功率: R,+R尼≤P(最大耗散功) 72 (7.12)
授课教案 第七章 光电转换器件 7. 基本工作电路 暗电阻:在室温和全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻,或暗阻。此时流过 的电流称为暗电流。 亮电阻:在一定光照条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻或亮阻。此时流过的电 流称为亮电流。 (1)低频条件下的负载匹配问题 图 7.5 光电导探测器工作电路 在一定光照条件下,回路电流: RR dL V i + = 0 (7.7) 光照强度发生变化时回路电流: dL RRR d V ii Δ++ =Δ+ 0 (7.8) 电流变化量: 2 0 ( ))( )( dL d dL dLd d RR RV RRRRR RV i + Δ −≈ +Δ++ Δ −=Δ (7.9) 端电压变化量: 2 )( dL Ld s L RR RRV iRV + Δ −=Δ=Δ (7.10) 使 有最大值时的负载电阻: Vs V Rs RR Ld L Δ ′ 0)( ⇒= = (最佳匹配条件) (7.11) (2) 偏压选择问题 电流在负载电阻上产生的热损耗功率: ( ) max 2 0 PR 最大耗散功率 RR V d dL ⎥ ≤ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + (7.12) 4
授课教案 第七章光电转换器件 当R=R时,有s(4R,P)为 二几种典型的光敏电阻 山薄膜 电极 光电导体 新符号旧符号 R 图7.6光敏电阻原理图及符号 特点:自身电阻随光照强度可变,光照越强,阻值越小。 1.种类 (1)Cds和CdSc:自动化技术和摄影机中的光计量。 (2)PbS:遥感技术和武器红外制导。 (3)nSb:快速红外信号探测。 2.使用注意事项 (1)光源光谱须与光敏电阻的光谱响应特性匹配。 (2)防止杂散光影响。 (3)电压、功耗等电参数不超过允许值。 (4)根据不同用途选择不同特性的光敏电阻。 3.光敏电阻的典型应用 R (a)电流控制 (b)电压控制 图7.7光控光开关电路 5
授课教案 第七章 光电转换器件 当 时,有 = RR Ld 2 1 0 max PRV )4( ≤ d 二 几种典型的光敏电阻 图 7.6 光敏电阻原理图及符号 特点:自身电阻随光照强度可变,光照越强,阻值越小。 1.种类 (1)CdS 和 CdSe:自动化技术和摄影机中的光计量。 (2)PbS:遥感技术和武器红外制导。 (3)InSb:快速红外信号探测。 2. 使用注意事项 (1)光源光谱须与光敏电阻的光谱响应特性匹配。 (2)防止杂散光影响。 (3)电压、功耗等电参数不超过允许值。 (4)根据不同用途选择不同特性的光敏电阻。 3. 光敏电阻的典型应用 (a)电流控制 (b)电压控制 图 7.7 光控光开关电路 5