【正文】 光照時： 產(chǎn)生光生載流子。 雪崩二極管的倍增因子 雪崩倍增光電流與無雪崩時的反向飽和電流之比。 雪崩效應(yīng)： 加高反偏壓使耗盡層加厚在 無光入射 時無電子空穴對，不會發(fā)生雪崩現(xiàn)象； 光照到 PN結(jié) 產(chǎn)生電子空穴對，強場使載流子加速獲得足夠能量，與原子碰撞產(chǎn)生新的電子空穴對，又加速，再與晶格碰撞，再一次產(chǎn)生電子空穴對，這樣連鎖反應(yīng)，獲得載流子的雪崩，光電流很大。 圖 b用襯底輸入結(jié)構(gòu)，由于 InP襯底材料的 Eg大，對光輻射幾乎是透明的，光吸收在 nGaInAs層內(nèi)發(fā)生，使該層完全耗盡以避免光電流有擴散分布。 光照 PIN結(jié)光電流的產(chǎn)生 加反壓的示意圖 PIN管結(jié)構(gòu) ++NPU反IE自+++P+抗 反 射 涂 層金 屬 接 觸n+襯 底S i O2h γ3 0 μ m+++++增 透 膜+ ++ + + +NP+電 極++++++++I+ ++ +++++++++T i A u 接 觸 電 極P+ G a I n A s ( Z n )N+ I n P 緩 沖 層背 向 接 觸 電 極n G a I n A sn + I n P 襯 底接 觸 電 極接 觸 電 極G a I n A sN+ I n P 緩 沖 層n+I n P 襯 底環(huán) 氧 樹 脂入 射 光n 區(qū)p 區(qū)+ 因 輕度摻雜的 I層 在較低電壓下就能達到耗盡狀態(tài)，更可取。光子可透過 p區(qū)在 I區(qū)被吸收產(chǎn)生電子空穴對，在 E自 下，PI結(jié)中電子向 I區(qū)漂移，空穴向 P+漂移； IN結(jié)中電子向 n+區(qū)漂移，空穴向 I區(qū)漂移；形成 光電流 。 ILIV全暗2 0 0 0 L x4 0 0 0 L x0光照二、 PIN管： 為保證 耗盡層能 吸收大量的入射光，避免耗盡層以外的光吸收以降低吸收損耗。 Si光電池結(jié)構(gòu)： P型區(qū)為受光區(qū)，面積很大的特點 陽極 陰極n 型硅p 型硅引線 ： PN結(jié)內(nèi) 光電流由 N向 P流， PN結(jié)外 光電流由 P向 N流，與正向電流相反。 主要的光生伏特探測器 一、 PN結(jié)光電池 若給 PN結(jié)連接一個用電器，只要光照不停止，可連續(xù)產(chǎn)生電子空穴對，電路中就有源源不斷的電流。 若光照穩(wěn)定時，此電流一直存在。使內(nèi)建電場的勢壘高度降低， P區(qū)空穴向 n區(qū)移動 ,n區(qū)電子向 p區(qū)移動都更容易，正向電流增大 反向偏壓 時， E外 使 E自 增加， 耗盡區(qū) 變厚 。 基于該效應(yīng)的光電器件如半導(dǎo)體光電位置敏感器件（ PSD）。 當(dāng)光照部分吸收入射光子的能量產(chǎn)生電子空穴對時，光照部分載流子濃度比未受光照部分的載流子濃度大，就出現(xiàn)了載流子濃度梯度，因而載流子就要擴散。以 PN結(jié)為例，光線照射 PN結(jié)時，設(shè)光子能量大于禁帶寬度 Eg，使價帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生電子空穴對，在阻擋層內(nèi)電場的作用下，被光激發(fā)的電子移向 N區(qū)外側(cè)，被光激發(fā)的空穴移向 P區(qū)外側(cè)，從而使 P區(qū)帶正電， N區(qū)帶負(fù)電，形成光電動勢。 以可見光作光源的光電池是常用的光生伏特型器件 。 原理 半導(dǎo)體材料的費米能級 EF： 由于 p型半導(dǎo)體中電子是少子，則 p型半導(dǎo)體 EFp低于其本征半導(dǎo)體材料的費米能級 EFi；而 n型半導(dǎo)體中電子是多子，則 EFn高于 EFi，說明兩種材料的能帶不同。 JRC d SCS1S2V T1V T2V T3RP 1Es1 K1 K1 0 K2 2 KE 光生伏特效應(yīng)器件 Photovoltaic effect device 光生伏特效應(yīng) Photovoltaic effect 主要的光生伏特探測器 main Photovoltaic effect prober 光生伏特效應(yīng)器件的應(yīng)用 application 光生伏特效應(yīng) 定義 光照 PN結(jié)，在結(jié)兩端產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象，制成很多光生伏特效應(yīng)器件 。 若 VT VT3導(dǎo)通， J工作 S2合上， VT1 截止 VT VT3截止 。 后接 電流并聯(lián)負(fù)反饋電流型 放大器 CdS的阻值 隨 外光源變化， 時間常數(shù) 由 RCdSC決定。 R1R2R3R4R0RLR5R6 R7F E TC1C2C3C4UBEc三、恒壓偏置 R L10KR 1150KC P b SR 0 =200KT 1T 2+18VR 310KR 41KR 2100K電阻構(gòu)成的恒壓偏置 電流放大電路圖 直流電源電壓加到硫化鉛光敏電阻上，負(fù)載電阻 RL10KΩ 171。 熱敏電阻匹配 偏置放大 機理 ： 補償 熱敏電阻 R0與 RL隨 T產(chǎn)生相同變化，輸出信號點 T引起的電位不變 UB為偏置電源； R C1和 R C2分別構(gòu)成 T型濾波器 ，以減小 UB不穩(wěn)的影響；R R R0和 RL接成 電橋 。 τ越小，響應(yīng)越迅速。 + 2 0 ℃ 2 0 ℃I（μA）λ （ nm ） 0 2 0 0 3 0 0 4 0 01 0 03 0 02 0 0 一般光電流 不能 隨著光照量的改變而 立刻 改變，即 產(chǎn)生光電流有一定惰性 。且 n增加 I增。 圖中 T升高 時 峰值波長 λ max向短波長方向移動 ；下降時 λ max向長波長方向移動 。 最大靈敏度 Smax在給光敏電阻加上最大電壓時光電流 Imax與光通量θ 的比值。暗電阻與亮電阻之比一般在 102～ 106之間。 光敏電阻電流測量電路圖 R L 光敏電阻的參數(shù)及特性 ： 暗電阻 R0在全暗條件下所測得的電阻值，一般超過 1MΩ，甚至達100 MΩ。 暗電流 在給定的工作電壓下， 沒有光照時測得電路的電流 亮電流 有光照時電流 光電流 亮電流與暗電流之差 即 所增加的電流 因 當(dāng)光強增大光電導(dǎo)增大，光電流 就成比例增大。 為防潮：將整個管子 密封于 金屬外殼和玻璃窗內(nèi) 為光敏電阻散熱：給內(nèi)部充入氫氣。 電極光電材料半 導(dǎo) 體電極塑料殼玻 璃 底 板電極電極光導(dǎo)管的整體 折線式光敏電阻 梳狀電極結(jié)構(gòu) 工藝： 在 玻璃（或陶瓷）基片 上均勻地涂敷一薄層 光電導(dǎo)多晶材料 ，經(jīng) 燒結(jié) 后 光刻 ，放上 掩蔽膜 ， 蒸鍍 上兩個金（或銦）電極，再在電阻表面 覆蓋 一層漆保護膜。因面積小，光電流小，誤差大 … 。 若材料中 不存在 電子或空穴的陷阱，非平衡載流子 Δ n和 Δ P壽命 η相同， 光敏電阻 Photoresistor 是利用光敏材料的 光電導(dǎo)效應(yīng) 制成的光電元件。 ∴ 電子 — 空穴對的產(chǎn)生率為： x0I0IdxIdI /??? 在穩(wěn)態(tài)條件下，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的載流子數(shù)目 等于 這段時間內(nèi)復(fù)合的數(shù)目，即 G＝ R，因此 ： G是深度的函數(shù)，由 α 決定 。 令 I為照射到物體某一位置 x的單位面積的光強， α 是吸收系數(shù)， 光吸收公式為： I＝ I0eαx 說明在樣品的不同深度，光強不同。 相對光電導(dǎo) 將光電導(dǎo)與暗電導(dǎo)的比值，表達式為 ： 對于 不同的半導(dǎo)體材料，可簡化如下 : ： 光照前后電子濃度的變化量為 Δ n=Δ ni+Δ n0， Δ n0是本征躍遷所產(chǎn)生的 , Δ ni為雜質(zhì)電離增加的。由光照而產(chǎn)生的附加電導(dǎo)又稱為 光電導(dǎo) 。 n0 和 p0為熱平衡時自由電子和空穴的濃度， μ n、 μ p分別為電子和空穴其遷移率。 導(dǎo)帶 價帶 禁帶 自由電子所占能帶 不存在電子所占能帶 價電子所占能帶 Eg gEhc??gEch ??gEh ?? ??? ??? hch為了實現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度 Eg，即 ? 光照 摻雜的半導(dǎo)體材料 時， 除 本征價帶電子激發(fā) 外 ，雜質(zhì)能帶中的電子受光子激發(fā) 也 到達導(dǎo)帶形成電子和離子，使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生改變。 又稱 內(nèi)光電效應(yīng) 導(dǎo)帶禁帶價帶導(dǎo)帶禁帶價帶禁帶滿帶半滿帶（a ）絕緣體 （b ）半導(dǎo)體 （c ）導(dǎo)體 光照 本征半導(dǎo)體 時，若光子能量 hγ大于此材料的 Eg，價帶中電子越過禁帶躍遷到導(dǎo)帶，形成電子 空穴對，使載流子數(shù)目增多。181。181。 高輸入阻抗的電壓放大器電路圖 低輸入阻抗的電流放大器電路圖 G D B1 8 0 K0 .0 2 27 . 5 K3 0 K3 . 3 K1 5181。 左圖 中 180KΩ的負(fù)載電阻將倍增管的電流脈沖變?yōu)殡妷好}沖，送入射隨器。 只要探測出脈沖信號的數(shù)目及幅度，可測出射線的強弱與能量的大小。但由于陰極有負(fù)高壓存在， 屏蔽罩應(yīng)離開管子玻璃殼 1～ 2cm， 否則陽極輸出的暗電流和噪聲增大。 優(yōu)點： 光、磁和電的屏蔽罩電壓很低 ,可直接接近管子外殼，暗電流和噪聲較低，但因陽極的正電壓 必須通過耐高壓的隔直電容才能與 前放耦合，只能輸出交流信號。 D1D2D3D4D9D7D8D10D5D6AKR1R2R3R4R5R7R8R9R 10R11R6CC11KVRLUoIa 其輸出電壓或電流從其陽極取出，而陽極與陰極間一般有 900～2022V的直流高壓，存在 電源接地 的問題。 總陽極電壓一般在 900～2022V間，打拿極間電壓在 80～ 150V間 光電倍增管的電路圖 RL的確定 當(dāng)工作時，各 打拿級之間的內(nèi)阻 隨信號電流的增加而減小，對 分壓電阻鏈 RL有分流作用，會引起極間電壓變小，電流放大倍數(shù)降低。 光通量大，開始出現(xiàn)非線性，如圖所示。 光電倍增管的光照特性 與直線最大偏離是 3% 10－ 13 10－ 10 10－ 9 10－ 7 10－ 5 10－ 3 10－ 1 在 45mA處飽和 10－ 14 10－ 10 10－ 6 10－ 2 光通量 /1m 陽極電流 / A 4. 光電倍增管的光譜特性 反應(yīng)了光電倍增管的陽極輸出電流與照射在光電陰極上的光通量之間的函數(shù)關(guān)系。 增加的部分是宇宙射線對閃爍體的照射而使其激發(fā)，被激發(fā)的閃爍體照射在光電倍增管上而造成的。 形成主要原因： ① 歐姆漏電 ② 熱電子發(fā)射 ③ 反饋效應(yīng) ④ 場致發(fā)射 ⑤ 其它因素 所以 ， 一般在使用時必須把管子放在暗室里避光使用 ， 使其只對入射光起作用； 但由于環(huán)境溫度 、 熱輻射和其它因素的影響 ， 造成的這種暗電流通?？梢杂醚a償電路消除 。 103 104 105 106 25 50 75 100 125 極間電壓 /V 放大倍數(shù) 光電倍增管的特性曲線 在全暗條件下工作時 ,陽極上收集到的輸出電流的直流成分。 一般陽極和陰極間電壓為 1000~2500V，兩個相鄰的倍增電極的電位差為 50~100V。 如果 n個倍增電極的 δ都相同 ， 則 M=δn M與所加電壓有關(guān)， M在 105~108之間，穩(wěn)定性為 1％左右， 加速電壓穩(wěn)定性要在 ％以內(nèi)。主要由倍增系統(tǒng)的能力決定。 另外，由于光電倍增管的靈敏度很高，所以不能受強光照射，否則將會損壞。 式中 iK為陰極電流， θ K為 到陰極上的光通量， 單位取 μA／ lm。測量時所用的光源是鎢絲白熾燈， SK光電陰極本身的積分靈敏度。