通信光电子学第七篇.ppt

第七章 光电转换器件 7-1 光电导探测器 7-2 光电池 7-3 光电二极管 7-4 光电倍增管 7-5 变像管、像增强管、摄像管 7-6 电荷耦合器件（CCD） 序 言 光电转换器件是把光转换成电或者通过光信号来控制电信号的器件。 根据光与物质的相互作用产生的不同物理效应，可将光电转换器件分为不同的类型： 7.1 光电导探测器 光电导探测器是利用光电导效应制作的光探测器，简称为PC探测器。 特征：受到光照后，器件的电阻发生变化。 主要类型 光敏电阻 光导管等 产生光电导效应的电子跃迁类型包括 本征吸收 杂质吸收 一、光电导器件工作特性 1、响应度 定义：光探测器的输出电压或输出电流与入射光功率之比 。 表达式： 结合第五章的内容，可得： G为光导器件的内增益。 影响因素：由于 ，可见，响应度与外加偏压、载流子寿命、器件长度等因素有关 。 2、光谱特性 光电导探测器属于选择性器件，某种材料制成的光敏电阻，只在一定的波长范围内才对入射光有响应，而其他波长的光照射下，响应度极小或趋于0 。 材料的禁带宽度决定了光谱响应的长波限制，在响应率从增加到减小的过程中会出现一个响应的峰值波长 典型的响应曲线：图7-1-2 。 3、照度特性 表达式： ， ， ， 为常数，K与器件的材料、尺寸、形状及载流子寿命有关； 是电压指数、 是照度指数。 三种光敏电阻的光谱响应特性曲线 CdS光敏电阻的光照特性曲线 4、响应速度 响应时间：光照时流过光电导器件的电流上升到0.63 所需要的时间及遮光后电流下降到0.37 所需要的时间。I0为稳定后的正常值。 响应时间的大小决定了器件对调制频率的影响，其响应速度变化规律为： 截止频率：当 下降到 的0.707倍时，所对应的 为截频率,此时信号功率下降为零频时功率的一半。 Rv0为低频响应度。 响应时间的长短意味着光生载流子的寿命长短。增大光生载流子寿命，可以增大内增益，提高响应率。但是器件的响应时间也随之增大，又影响了对高频成分的响应。 5、温度效应 温度与光谱响应的关系：温度增高 时，响应峰值波长象短波方向移动，如图 温度与器件电阻值的关系：中等温 度照射时温度系数较小，在弱光与强光 照射下温度系数较大 温度与器件的响应时间的关系：器件的 响应时间在温度高时比较慢，器件应该在低温下工作。 6、噪声特性 不同的工作频率下，不同噪声源会起主要作用 较高时――热噪声 较低时――1/v噪声 1k-1mhz时――g-r噪声  7、基本工作电路 暗电阻与亮电阻 光电导器件在无光照时的电阻（称为暗电阻）很大，光照后，电阻显著下降，称为亮电阻。 正常使用范围内，亮、暗电阻之比为 。 设在无光照时的负载上电压为 有光照时的负载 电压为 输出电压为 匹配状态： 要使输出信号最大的条件是 ，是器件的匹配状态 。 此时，输出电压为 。 二、几种常用的光电导器件 7.2光电池 光电池是利用光生伏特效应制成的无偏压光电转换器件，由于其内部可能存在PN结，所以也称为结型探测器，简称PV探测器。 主要用途 光电池用作太阳能电池 把光能直接转化成电能，需要最大的输出功率和转化效率。即把 受光面做得较大，或把多个光电池作串、并联组成电池组，与镍镉蓄电池配合，可作为卫星、微波站等无输电线路地区的电源供给。 光电池用作探测元件 利用其光敏面大，频率响应高，光电流与照度线性变化，适用于开关和线性测量等。 光电池是一种利用光生伏特效应制成的不需加偏压就能将光能转化成电能的光电器件。简单的说，其本质就是一个PN结。 一、结构原理 1、结构 金属-半导体接触型（硒光电池）图721 PN结型光电池——是在N型（或P型）半导体表面上扩散一层P型（或N型）杂质，形成PN结。 按基底材料不同分 2DR（P型Si为基底） 2CR（N型Si为基底） 图示： 2、分类 按用途 太阳能光电池：用作电源（效率高，成本低） 测量用光电池：探测器件（线性、灵敏度