应用光电第三章——光电检测详解.ppt

光电检测技术是以半导体、激光、红外、光纤等现代光电子器件作为基础，通过对被检测物体的光辐射，经光电检测器接收光辐射并转换为电信号，由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息，再经模、数转换接口输入计算机运算处理，最后显示输出所需的检测物理量等参数。;变换电路 光电传感;光电检测技术的特点;光辐射探测器：对各种光辐射进行接收和探测的器件;*;光热探测器对光辐射的响应有两个过程： ;应用： 在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛用于对红外线辐射的探测。;*;*; 光照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光电动势等，这种因光照而引起物体电学特性发生改变统称为光电效应。;*;外光电效应;当辐射的光谱分布不变时，饱和光电流与入射的光通量成正比，即光电发射第二定律。 ;*; 定义：光电导现象——半导体材料的“体”效应。物体受到光照后，吸收光子使载流子的浓度发生变化，使半导体的电导率增加，我们称之为光电导效应。 ;光电导效应分为本征光电导和杂质光电导。;光辐射照射外加电压的半导体，如果光波长λ满足如下条件： ;当两块半导体材料形成PN结时，由于存在浓度梯度，导致N区的电子向P区扩散， P区的电子向N区扩散.产生空间电荷区。扩散运动后，使正负离子在结区附近形成由N指向P的内建电场，也称结电场。;光照射到半导体的P-N结上，若光子能量足够大，则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量从价带越过禁带到达导带，在导带中出现电子，在价带中出现空穴。在内建电场的作用下，光电子被拉向N区，光空穴被拉向P区，结区产生势垒，称此现象为光生伏特效应。 光生载流子在外加负偏压和内建电场的作用下，在外电路中出现光电流。 ;光伏现象——半导体材料的PN“结”效应 ;? 半导体特性;半导体光电子器件的两个基本机理： 一个电子和一个空穴的复合产生一个光子 吸收一个能量足够大的光子可以产生一个电子和空穴对;;内电场阻止多子扩散 ;V?;由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。;第三章 光电检测技术;光敏电阻是光电导型器件。 光敏电阻材料：主要是硅、锗和化合物半导体，例如：硫化镉（CdS），锑化铟（InSb）等。 特点： 光谱响应范围宽（特别是对于红光和红外辐射）； 偏置电压低，工作电流大； 动态范围宽，既可测强光，也可测弱光； 光电导增益大，灵敏度高； 无极性，使用方便； 在强光照射下，光电线性度较差 光电驰豫时间较长，频率特性较差。;光敏电阻 (LDR) 和它的符号：;光敏电阻结构：在一块均匀光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。 工作机理：当入射光子使半导体中的电子由价带跃迁到导带时，导带中的电子和价带中的空穴均参与导电，其阻值急剧减小，电导增加。;入射光;本征型光敏电阻：当入射光子的能量等于或大于半导体材料的禁带宽度Eg时，激发一个电子－空穴对，在外电场的作用下，形成光电流。 杂质型光敏电阻：对于Ｎ型半导体，当入射光子的能量等于或大于杂质电离能ΔＥ时，将施主能级上的电子激发到导带而成为导电电子，在外电场的作用下，形成光电流。 本征型用于可见光长波段,杂质型用于红外波段。 ;光敏电阻两端加电压（直流或交流）．无光照时，阻值（暗电阻）很大，电流（暗电流）很小；光照时，光生载流子迅速增加，阻值（亮电阻）急剧减少．在外场作用下，光生载流子沿一定方向运动，形成光电流（亮电流）。 光电流：亮电流和暗电流之差； I光 = IL - Id 光电导：亮电流和暗电流之差； g = gL - gd;光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是说暗电流要小，亮电流要大，这样光敏电阻的灵敏度就高。 光电流与光照强度／电阻结构的关系。 ;光电特性 伏安特性 时间响应和频率特性 温度特性;光电特性：光电流与入射光照度的关系： (1)弱光时，γ=1，光电流与照度成线性关系 (2)强光时， γ=0.5，光电流与照度成抛物线 光照增强的同时，载流子浓度不断的增加，同时光敏电阻的温度也在升高，从而导致载流子运动加剧，因此复合几率也增大，光电流呈饱和趋势。（冷却可以改善） ;在弱光照下，光电流与E具有良好的线性关系 在强光照下则为非线性关系 其他光敏电阻也有类似的性质。;光电导灵敏度: 光电导g与照度E之比. ;在一定的光照下，光敏电阻的光电流与所加的电压关系 光敏电阻是一个纯电阻，因此符合欧姆定律，其伏安特性曲线为直线。 不同光照度对应不同直线;受耗散功率的限制，在使用时，光敏电阻两端的电压不能超过最高工作电压， 图中虚线为允许功耗曲线 由此可确定光敏电阻正常工作电压。;光敏电阻的时间响应特性较差 材