第三章光电信息转换 § 3.1 光电信息转换器件 § 3.2 光电信息转换集成器件 § 3.3 光电信息转换组合器件

第三章光电信息转换 §3.1 光电信息转换器件 §3.2 光电信息转换集成器件 §3.3光电信息转换组合器件

§3.1 光电信息转换器件 光电信息转换原理基于前面所讲的四种光电效应。 1、外光电效应;2、光电导效应; 3、光伏效应; 4、光电热效应一、主要特性和参数 1．光电特性: IФ [光电流]＝F（Ф）[光通量] 2．光谱特性:IФ [光电流]＝F（λ）[入射光波长] 3．伏安特性: IФ [光电流]＝F（Ｕ）[电压] 4．频率特性: IФ [光电流]＝F（f）[入射光调制频率] 5．暗电流:Ф＝0时光电信息转换器件输出的电流，有时称为IФ＝0 6．灵敏度对于复色光: S=(积分灵敏度)ΔI /ΔФ 对于单色光: S（λ）(光谱灵敏度)＝ΔI（λ）/ΔФ（λ）

入射光 聚焦极管脚窗口光电阴极电子倍增器阳极 §3.1.1 光电培增管光电培增管是外光电效应探测器，把微弱的入射光转换成光电子，并获得培增的重要的真空光电发射器件。一．结构与原理 1、结构光电倍增管由光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极等五个主要部分组成，其外形如图3.3.1-1。

K A h V0 D1 D2 Dn Rl Rn R2 R1 2、工作原理 • 光子透过入射窗口入射到光电阴极上 • 光电阴极的电子受光子激发，离开表面发射到真空中 • 光电子通过电场加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增极D1上，倍增极将发射出比入射电子数目更多的二次电子。入射电子经N 级倍增极倍增后，光电子就放大N次。 • 经过倍增后的二次电子由阳极A收集起来，形成阳极光电流，在负载RL上产生信号电压。

二．组成部分 1、光窗光窗是入射光的通道，是对光吸收较多的部分。通常有侧窗和端窗两种，侧窗一般使用反射式光电阴极，而端窗一般使用半透明光电阴极，光电阴极材料沉积在入射窗的内侧面。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。如：硼硅玻璃，其透射光谱范围从300nm到红外熔融石英，其透紫外波长可达到160nm

2、光电阴极 它的作用是接收入射光，向外发射光电子。制作光电阴极的材料多是化合物半导体，它决定了倍增管光谱特性的长波阈值，同时也决定了整管的灵敏度。 3、电子光学系统主要有两方面的作用：①使光电阴极发射的光电子尽可能全部会聚到第一倍增极上，而将其它部分的杂散热电子散射掉，提高信噪比，一般用电子收集率o表示。②使阴极面上各处发射的光电子在电子光学系统中渡越时间尽可能相等，使渡越时间差异最小，以保证光电倍增管的快速响应，一般渡越时间的离散性△t用表示。

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的，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。（1）二次发射电子具有足够动能的电子轰击某些材料时，材料表面将发射新的电子，种现象称为二次电子发射。轰击材料的入射电子称为一次电子。（2）倍增极的原理及结构

如果每个电子落到某一倍增极上从该倍增极打出σ个二次电子，那么很明显地：如果每个电子落到某一倍增极上从该倍增极打出σ个二次电子，那么很明显地：光电倍增管的电流放大系数β可用下式表示: β= = 式中，I—阳极电流；i0—光阴极发出的光电流；n—光电倍增极的级数。图为倍增管各电极的连接线路。为简单起见，只画了四个倍增极。倍增系统有聚焦型和非聚焦型两类。聚焦型倍增系统倍增极的结构形式有直瓦片式、圆瓦片式；非聚焦倍增系统倍增极的结构形式有百叶窗式和盒栅式。

百叶窗式的主要特点是工作面积大，与大面积光电阴极配合可制成探测弱光的倍增管。但极间电压较高时，有的电子可能越级穿过，收集 率较低，渡越时间差异较大。盒栅式的主要特点是收集率较高，结构紧凑，但极间电子渡越时间差异较大直瓦片式的主要特点是极间电子渡越时间差异小，但绝缘支架可能积累电荷而影响电子光学系统的稳定性。圆瓦片式的主要特点是结构紧凑、体积小，但灵敏度和均匀性差些。

1、光电特性 在相当宽的范围内为直线。当光通量很大时，特性曲线开始明显偏离直线。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。 5、阳极阳极是用来收集最末一级倍增极发射出来的电子的，通过引线向外输出电流。对于阳极的结构要求具有较高的电子收集率，能承受较大的电流密度，并且在阳极附近的空间不致产生空间电荷效应。现在普遍采用金属网来作阳极，使它置于靠近于最末一级倍增极附近。三．光电倍增管的主要特性参数

3、伏安特性 阳极伏安特性定义为：当入射光通量一定时，阳极电流Ia与最后一级倍增极和阳极之间电压U的关系。相应于不同光通量值的阳极伏安特性示于图中，它表示阳极电流Iα对于最后一级倍增极和阳极间的电压U的关系。作此曲线时，其余各电极的电压保持恒定。 2、光谱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。同时还要注意环境温度对光电倍增管光谱相应的影响。

4、放大特性 光电倍增管的电流放大系数β或灵敏度随电源电压U增大的关系，称为放大特性。随着电源电压升高，电子在电场中的速度加快，动能增大，电子在倍增电极中可打出更多的二次发射电子，因而放大系数或灵敏度增大。工程上有时利用这一性质来自动调节光电倍增管的灵敏度。 5、频率特性光电倍增管的频率特性很好，f高达106HZ或更高时仍能保持高的灵敏度。

6、疲乏特性 光电倍增管在工作过程中灵敏度要降低，其原因是最后几极倍增极的疲劳。曲线1和2各画出了相应于横坐标所给阳极电流Iα值，经过20分钟和40分钟后的灵敏度降低的情况。管子工作的头几分钟，疲劳得最快，以后疲劳过程就逐渐缓慢了。即使阳极电流非常微弱，还是有疲劳现象，只是灵敏度的降低相当慢而已。若测量过程中，阳极电流不超过1毫安，则每次测量后，把管子放在暗室中几昼夜，其灵敏度能恢复到近于初始值。而管子的衰老是不可逆的变化

7、暗电流 光电倍增管的暗电流是指在施加规定的电压后，在无光照情况下测定的阳极电流。在测量微弱光强时，其影响特别大。暗电流的来源： ①光电阴极和光电倍增管的热电子发射 ②光电倍增管的极间漏电流 ③场致发射减少暗电流的办法： ①采用热电子发射能力弱的光电阴极和倍增极 ②采用合适的屏蔽减小自然界中辐射线照射 ③致冷 ④将入射光调制成一定频率的周期信号，而输出电路中加一选频放大器

1、高压供电 为了使光电倍增管能正常工作，通常需要在阴极(K)和阳极(A)之间加上近千伏的高压。同时还需要在阴极、聚焦极、倍增极和阳极之间分配一定的极间电压，保证光电子能被有效收集，光电流通过倍增极系统得放大。最常用的分压器是采用一组电阻跨接在阴极与阳极之间。如前图。 2、供电电压的极性一般的分压电路中采用阳极接地，负高压供电。如图。 K A h V0 D1 D2 Dn Rl Rn R2 R1 四．光电倍增管的供电这种供电方式的好处：可消除外部信号输出电路与阳极之间的电位差这种供电方式的缺点：由于靠近管子玻壳的金属支架或磁屏蔽筒接地，它们与阴极和倍增极之间存在较高的电位差，结果使某些光电子打到玻壳上产生噪声

§3.1.2 光敏电阻 一．结构与原理光敏电阻利用光电导效应制成。根据半导体材料的分类，将光敏电阻分为两种类型—本征型半导体光敏电阻和掺杂型半导体光敏电阻 1、本征型半导体光敏电阻只有当入射光子的能量h等于或大于半导体材料的禁带宽度Eg时才能激发电子-空穴对，在外加的电场作用下形成光电流。这种本征光电导效应可用来检测可见光和近红外辐射。 2、掺杂型半导体光敏电阻例如n型半导体，光子的能量只要大于杂质的电离能就能把施主杂质能级上的的电子激发到导带而形成导电电子，在外加电场的作用下形成光电流。目前大都使用n型半导体光敏电阻。为了减少杂质能级上电子的热激发，常需要在低温下工作。这种效应可以检测波长较长的辐射。主要用于超过5微米的波段。

光照电极一．结构与原理 3、简单的结构原理图光敏电阻是在绝缘材料上装梳状光电导体封闭在金属或塑料外壳内，再在两端连上欧姆接触的电极构成。为避免外部干扰，入射窗口装有透明保护窗，使起特殊滤光作用（对所需光透明）。图为最简单的光敏电阻原理图及符号表示。光电导体

一．结构与原理 4、光敏电阻的优缺点光敏电阻有以下优点： (1).光谱响应相当宽。 (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。光敏电阻的不足之处（缺点） (1).强光照射下线性较差。 (2).频率特性也较差。

二．主要特性参数 1．光照特性图为硫化镉光敏电阻的光照特性。其灵敏度高，光照特性为非线性。在实用范围内，有如下关系： I＝KU a L b 式中 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 ——材料决定的比例系数；a ——电压指数，一般近于1；b ——照度指数。

二．主要特性参数 2．光谱特性图中曲线1、2、3分别为硫化镉、硒化镉、硫化铅光敏电阻的光谱响应。图中可看出，硫化铅在较宽的光谱范围内有较高的灵敏度。光谱特性与光敏电阻的材料有关。光谱特性还与材料的工艺过程有关。

二．主要特性参数 3．伏安特性（输出特性）在一定光照下，光电流与所加电压的关系为伏安特性。图为照度为0和某值时的伏安特性。光敏电阻是纯电阻，因此符合欧姆定律，曲线为直线。电压很大时会偏离线性关系。其最高使用电压由它的耗散功率所决定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=△I / U 积分灵敏度=比灵敏度×U，即积分灵敏度与电压成正比，这是因为在相同的光通量下，光敏电阻的电流与电压成正比。

二．主要特性参数 4．频率特性图中曲线1、2分别为硫化镉和硫化铅光敏电阻的频率特性，从如中可以看出光敏电阻的频率特性较差。光敏电阻的驰豫时间反映了光敏电阻的惰性。驰豫时间长表示光敏电阻对光的变化反应慢或惰性大。有时用时间常数说明频率响应的好坏程度。上升时间常数（电导率上升到63％）和下降时间常数（电导率下降到37％）, PbS探测器的时间常数一般为50～500微秒。

二．主要特性参数 5．疲乏特性图中曲线1、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性。初制成的光敏电阻，性能不够稳定但经过一至两个星期的老化，性能可达到稳定。光敏电阻的使用寿命，在密封良好，使用合理的情况下，几乎是无限长的。

二．主要特性参数 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。图示硫化镉的光电流与温度的关系。不同的材料其温度特性也不一样。温度升高，光敏电阻在黑暗时的电流增大，导致在光照时电流增加不多，则I减小，灵敏度降低温度还影响光谱特性、峰值响应波长等等一些因素。

二．主要特性参数 7．暗电阻和暗电流光敏电阻在黑暗时的电阻值一般大于10兆欧，光照使其电阻值显著降低，这时候的电阻称为亮阻。暗阻和亮阻之比在102-106 之间，这一比值越大，灵敏度越高。随着温度增加，暗电阻下降，这对其工作不利。

三．电路 1、光敏电阻的符号和连接电路如图图(a)中的输出电压与入射光通量的变化反相；而图(b)中的输出电压于入射光通量成同相。在入射光通量变化范围一定的情况下，为了使输出电压Vo变化范围最大，一般取 RL=RG 当入射光通量Φ跳跃变化时， RG＝(RG max × RG min )1/2 同时，电源E也应满足下式 E≤(4P max RL)1/2 Pmax为光敏电阻的最大允许功耗。

补充： 证明：当入射光通量跳跃变化时， RG＝(RG max × RG min )1/2 证明：设两个光强时的光敏电阻值分别为RG max和RG min 则两个状态下的电流差为：则两种状态下光敏电阻的输出电压之差为：要求两个工作状态的电压差最大，则要求：

三．电路 在上图中，当入射光通量变化时，会引起I和U的同时变化，使整个系统线性变坏，噪声增加。 3、偏置电路恒流偏置电路如图。图中，由于采用了稳压管D，所以V b不变，使I b 不变，I c 不变，达到恒流的目的，这时，入射光通量的变化仅引起电压V o 的变化。

恒压偏置电路如图。由于采用了稳压管D，同样V b不变，V e 也不变。入射光通量的变化仅引起I c的变化。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。

J 四．应用举例图为路灯自动电熄装置，分两部分组成，电阻R、电容C和二极管D组成半波整流滤波电路；CdS光敏电阻和继电器组成光控继电器。路灯接在继电器常闭触点上，由光控继电器来控制路灯的点燃和熄灭。

电极二氧化硅 n p §3.1.3 光电池一．原理与结构光电池是根据光生伏特效应制成的将光能转变为电能的一种器件。它的基本结构就是一个P-N结。光电池是在n（p）型硅基底上扩散p（n）型杂质并作为受光面，构成p-n结后，再经过各种工艺处理，分别在基底和光敏面上制作输出电极，涂上二氧化硅作保护膜（一方面起防潮保护作用，另一方面对入射光起抗反射作用），即成光电池。

光电池的符号以及内部结构等效电路如图所示 从以上结构图可知,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,由于内电场是由掺杂的P区和n区自由扩散形成的，故内建电场的强度是非常有限的，这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。

光电池的输出也受外接负载电阻大小的影响，如图所示。光电池的输出也受外接负载电阻大小的影响，如图所示。当RL＝0时，U＝0，则 I＝Iφ＝S 即输出电流与入射光通量φ成线性关系。当RL≠0时，U≠0，U↑，PN结的等效电阻rD↓，则ID↑；当U继续增大到PN结的导通电压时（RL非常大时），U就不会再增大，此时，PN结的rD变得很小，光照所产生的光电流Iφ几乎全部流向二极管，即 Iφ≈ID 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。

二.特性 1．光照特性图(a)、(b)分别表示出硅光电池和硒光电池的光生电动势以及光电流与照度的关系。Uoc表示开路电压，Isc是短路电流。

二.特性 1．光照特性图为硒光电池的光照特性与负载电阻的关系。从图中可以看出，负载RL减小，光电流与照度的线性越好，而且线性范围也越广。因此光电池作为测量元件时，所用负载的大小应根据照度而定。当照度较大时，为保证测量有线性关系，负载电阻应很小。

二.特性 2．光谱特性图中曲线1、2分别为硒和硅光电池的光谱特性。图中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。而硅光电池应用的光谱范围为4000-11000埃，峰值波长在8500埃左右。光谱特性与光电池的材料有关，还与制造工艺及温度有关。

3．伏安特性 图为在不同的光照之下光电池的伏安特性。图中还画出了三条负载线。负载短接或很小时，负载线与伏安特性的交点为等距离，电流正比于照度，数值也较大。负载电阻较大时，负载线与伏安特性的交点相互间距不等，即电流不与照度成正比，光照特性不是直线，电流也减小。二.特性

二.特性 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。图中曲线1、2分别表示硒光电池与硅光电池的频率特性。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。在低照度时频率特性要变差，这是因为在低照度时光电池的内阻增大的缘故。响应速度与结电容和负载电阻的乘积有关。如果要改善频率特性，需减小负载电阻或减小光电池的面积，使它的结电容减小。

二.特性 5．温度特性图为硅光电池的开路电压和短路电流与温度的关系。从图中可以看出，硅光电池的开路电压随温度升高降低。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。当光电池在受强光照射或聚焦光照射的情况下必须考虑光电池的工作温度，如硒光电池超过50℃或硅光电池超过200℃时，它们因晶格受到破坏而导致器件的破坏。因此光电池作为探测器件时，为保证测量精度应考虑温度变化的影响。

二.特性 注意事项： ①硅光电池在强辐射下是稳定的，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。 ②硅光电池由薄的硅片制成，极脆，使用时要特别小心。硅光电池的引线很娇嫩，不能拉力太大。硅光电池的背面通常镀有一层增透膜，使用时应避免硬物接触表面。因此，合理的使用光电池可以保证其性能稳定、可靠性好以及寿命长等等。

三.电路 1．光电池用作太阳能电池光电池用作太阳能电池时的电路如图3.1.3－5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。

2．光电池用作检测元件 光电池用作检测元件使用时的电路如图3.1.3－6所示，此电路可实现光电池的线性输出。对光电池而言，RL近似等于0。图中， Vo=－2RfIφ＝－2RfSφ。

PD在结构和工作原理上与光电池相似，都是属于p-n结型光生伏特效应。但与光电池比较，又有不同。PD在结构和工作原理上与光电池相似，都是属于p-n结型光生伏特效应。但与光电池比较，又有不同。 ①就制作衬底材料的掺杂浓度而言，光电池较高。 ②光电池在零偏置下工作，而PD通常在反偏置下工作。 ③一般来说光电池的光敏面面积都比PD的大得多，因此 PD的光电流小得多，在微安级。 §3.1.4 光敏二极管和光敏三极管一．光敏二极管的结构和工作原理光敏二极管（PD）是一种用PN结单向导电性的结型光电信息转换器件。其PN结装在管子的顶部，以便接收光照。其上面有一个透镜制成的窗口，以便使光线集中在敏感面，光敏二极管的外形结构如图（a）所示。

光敏二极管的反向偏置的工作模式 光敏二极管工作时一般加反相偏压，如图所示，反偏使外电场的方向与PN内建电场的方向相同，加强了内建电场，使p-n结空间电荷区拉宽。无光照时，只有少数载流子在反向偏压的作用下渡越阻挡层，形成微小的反向电流，即暗电流。当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。

光 n p n Ie RL Vc 二．光敏三极管的结构和工作原理光敏三极管是在光敏二极管的基础上发展起来的，它和普通晶体三极管相似——具有电流放大的作用，只是它的集电极电流是受光照的控制。所以光敏三极管的外形有光窗、集电极和发射极的引出线等组成。图为光敏三极管的结构。图中以n型硅片作为衬底，扩散硼而形成p型，再扩散磷而形成重掺杂n+层，并涂以SiO2作为保护层，在重掺杂的n+侧开窗，引出一个电极并称作“集电极c”，由中间的P型层引出一个基极b，而在n型硅片的衬底上引出一个发射极e，这就构成了一个光敏三极管。

光敏三极管的工作原理： 光敏三极管工作时各电极所加的电压与普通晶体管相同，即需要保证集电极反偏，发射极正偏。由于集电极反偏，在结区内有很强的内建电场，内建电场的方向由c到b，与光敏二极管的工作原理相同的分析。可见，光敏三极管的光电转换部分是在集基结区内进行的，而三个电极又构成一个有放大作用的晶体管，所以在原理上完全可以把它看作一个由光敏二极管与普通晶体管结合而成的组合件。

二．光敏二极管以及光敏三极管的特性比较 1.光照特性图为硅光敏二极管的光电流I与照度L的特性曲线。从图中可以看出其光照特性线性较好。光敏三极管的光电流在弱光照时有弯曲，强光照射时又趋于饱和，只有在某一段光照范围内线性较好，这都是由于硅光敏三极管的电流放大倍数在小电流或大电流时都要下降造成的。

二．特性 2.光谱特性图为锗光敏二极管的光谱响应曲线，从图中可以看出它的光谱响应长波限、短波限以及峰值响应波长。光敏二极管以及光敏三极管的光谱特性都取决于所用的材料。

二．特性 3.伏安特性伏安特性表示为当入射光的照度（或光通量）一定时，光敏管的输出的光电流与偏压的关系。图分别为硅光敏二极管和硅光敏三极管的伏安特性曲线。从图中可以看出两者的伏安特性稍有不同。 ①在相同的照度下，三极管比二极管的电流大得多 ②在零偏压时，硅光敏二极管仍然有光电流输出，而硅光敏三极管没有。

第三章 光电信息转换 § 3.1 光电信息转换器件 § 3.2 光电信息转换集成器件 § 3.3 光电信息转换组合器件