第七章 光电转换器件
光电转换器件的研制及应用
光电转换器件的研制及应用近年来，光电转换器件在光电子技术领域中被广泛研究和应用。
光电转换器件是利用光电效应将光信号转换成电信号的装置，广泛应用于通讯、制造、医疗、安防等领域。
本文将介绍光电转换器件的研制和应用。
一、概述光电转换器件是一种将光信号转换成电信号的器件，是半导体器件中的一种重要类型。
它是在光电子技术中广泛研究和应用的关键装置之一，通常被应用于电信、光通讯、显示、光学储存、医学和生命科学等领域。
光电转换器件的结构通常分为导电层、半导体层和吸收层。
其中导电层为金属基板，半导体层用于提供载流子，吸收层用于吸收光信号。
当吸收层吸收光子时，产生的电子和空穴通过半导体层流向导电层，产生电信号。
电信号的大小与光信号的强度成正比，是一种高灵敏度的传感器。
二、研制光电转换器件的研制主要包括三个方面：材料、工艺和器件结构。
材料方面，光电转换器件的吸收层一般采用半导体材料GaAs、InGaAs、CdTe 等；半导体层一般采用Si、Ge等材料；导电层通常采用金、铜、银等金属材料。
这些材料具有优异的光电性能，并可实现高效的光电转换。
工艺方面，光电转换器件的制备工艺一般采用化学气相沉积、分子束外延、激光退火等技术。
其中，化学气相沉积技术是制备光电转换器件的重要方法之一，具有样品均匀性好、成本低、制备速度快等特点。
器件结构方面，光电转换器件的结构形式主要包括PIN结、Schottky结和MIS 结。
其中，PIN结光电转换器件具有灵敏度高、响应速度快、工作稳定等优点，是目前应用最广泛的光电转换器件之一。
三、应用光电转换器件在通讯、制造、医疗、安防等领域中有广泛应用。
1. 通讯光电转换器件在通讯领域中主要应用于光通讯，具有传输速度快、距离远、带宽大等优点。
光电转换器件在光路的发送端和接收端分别充当激光器和光电检测器，将光信号转换成电信号进行传输。
目前，光电转换器件在高速通讯中的应用已成为技术发展的主流方向。
2. 制造光电转换器件在制造领域中主要应用于自动化检测、测量、质量控制等方面。
第七章 光电转换器件
光电导探测器工作电路
使Vs有最大值时的负载电阻： (ΔVs ) ′RL = 0 ⇒ Rd = R L （最佳匹配条件）
8
一 光电导器件工作特性
7.基本工作电路
（2）偏压选择问题 负载电阻热损耗功率：
⎡ V0 ⎤ ⎢ ⎥ Rd ≤ Pmax (最大耗散功率 ) ⎣ R L + Rd ⎦
2
第七章 光电转换器件
光热效应分类
效应 测辐射热计效应 温差电效应 热释电效应 相应的探测器 热敏电阻、金属测辐射热计、 超导远红外探测器 热电偶、热电堆 热释电探测器
3
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： 电压响应度：
2.光谱特性
峰值响应波长：
I RI = ( A W ) P
2
Rd V0 RL
C VS
光电导探测器工作电路
Rd = R L
V0 ≤ (4 Rd Pmax )
1
2
9
二 几种典型的光敏电阻
薄膜 光电导体 电极
V
衬底
新符号 旧符号
RL
光敏电阻原理图及符号
特点：在光照下会改变 自身的电阻率。光照越强， 电阻越小，又称光导管。
10
二 几种典型的光敏电阻
玻璃 光电导层 电极 绝缘衬底 金属壳 黑色绝缘玻璃 引线 光敏电阻电极图案 金属封装的光敏电阻
Si
Ge
（2）响应度（灵敏度）
IP eλ =η P0 hc
R0 ( μA μW ) =
波长(um)
800 1200 1600
《光电子学教程》课后作业答案-部分
解:
则纵模输出的个数为:
为使获得单模输出,需
7.He-Ne激光器的腔长为1m，计算基横模的远场发散角和10km处的光斑面积。
７。在He-Ne激光器的增益曲线上1/2G(v0)处，有两个烧孔，增益曲线半宽度为1500MHz，计算与烧孔相对应的粒子速度有多大？
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第三章激光振荡与工作特性
1.要使氦-氖激光器的相干长度达到1Km,它的单色性Δλ/λ0应为多少？ 解：根据P48式(3-1-2)：
好好学习，天天上上
03电子科学与技术
４）α＝０.５dＢ时： ＝１.１２２， 所以损耗百分比为：（１－ ）×１００﹪＝１０.９﹪；
５）α＝０.２dＢ时： ＝１.０４７， 所以损耗百分比为：（１－ ）×１００﹪＝４.５﹪；
4、阶跃光纤的纤芯折射率 ，包层折射率为 ,如果一条光线沿轴向传输，另一条光线沿最大入射角入射。计算传输１ｋＭ后两光线的时延差。 解：
好好学习，天天上上
03电子科学与技术
光电子学课程作业
*
章节目录
第五章 光辐射的探测
第四章 光辐射在介质中波导中的传播
第三章 激光振荡与工作特性
第二章 介质中的光增益
第一器件
第七章 光电转换器件
第八章 第八章 光波调制
第一章 光与物质相互作用基础
2. 说明相干长度相干时间与光源的关系：相干面积，相干体积的物理意义。 答：根据 故：光源频率宽度 越窄，相干时间越长，相干长度也越长。 根据P49(3-1-12),相干面积的物理意义：从单位面积光源辐射出的光波，在其传播方向上发生相干现象的任一截面面积范围为辐射波长λ与该截面至光源距离R的乘积的平方。 根据P49(3-1-13)，相干体积的物理意义：在单位面积光源辐射出的单位频率宽度的光波，在其传播方向上发生相干现象的任一体积范围为相对应的相干面积与光速的乘积。
光电转换器件工作原理分析
光电转换器件工作原理分析光电转换器件是一种能够将光能转化为电能的装置，它在现代科技领域起到至关重要的作用。
光电转换器件可以通过光电效应将光能转化为电子能量，从而产生电流或电压。
本文将对光电转换器件的工作原理进行详细的分析。
一、光电转换器件的基本原理光电转换器件主要基于光电效应来工作，光电效应是指当光线照射到物质表面时，物质中的电子受到激发，从而形成电子的迁移和电流的产生。
根据光电效应的不同机制，光电转换器件可以分为光电导、光电光导和光电电势差三类。
1. 光电导效应光电导效应是最常见的一种光电效应。
当光线照射到半导体材料表面时，光子的能量被传递给半导体的电子。
如果光子的能量大于半导体材料的禁带宽度，半导体中的电子将从价带跃迁到导带，产生自由电子和空穴。
这些自由电子和空穴将在半导体中发生传导，从而形成电流。
2. 光电光导效应光电光导效应是一种光电效应的特殊形式，它主要应用于光纤通信领域。
在光纤通信中，光子传输信号的特点可用光导来实现。
当光线通过光纤传输时，光子会产生光电效应，将光能转化为电子能量。
这些电子能量在光纤中传导，使得光信号得以传递。
3. 光电电势差效应光电电势差效应是一种利用光电效应产生电压的方法。
在某些特殊的材料中，光子的能量可以导致物质内部的电子从禁带跃迁到导带，形成电势差。
这个电势差可以作为电源来驱动电路，实现光电转换。
二、光电转换器件的主要应用光电转换器件作为一种能将光能转化为电能的装置，在许多领域都有着广泛的应用。
下面将介绍一些光电转换器件的主要应用。
1. 光电汇流排光电汇流排是一种利用光电转换器件将光信号转换为电信号的装置。
它通过将多个光电转换器件连接在一起，形成一个可靠的光电汇流排系统。
光电汇流排可以应用于光通信、光计算和光存储等领域，具有高速传输、低损耗和容量大等优点。
2. 光伏电池光伏电池是一种广泛应用于太阳能领域的光电转换器件。
它通过将光能转化为电能，实现太阳能的利用。
光电转换器件
2．光敏二极管
光敏二极管又叫做光电二极管，是将光能转换成电能的器件，其构造与普通二极管相似，不同点是在管壳上有个入射光窗口，可将接收到的光线聚焦到半导体芯片上。在无光照时，光敏二极管与普通二极管一样具有单向导电性，如果外加正向电压，其电流与端电压呈现指数关系，若外加反向电压则会呈现出较大的电阻；在有光照时，光敏二极管上如果仍加有反向电压，将会产生与光照成正比的电流，这个电流被称为光电流。
在光耦合电路中，为了切断干扰的传输途径，电路的输入回路和输出回路必须各自独立，不能共地。由于光耦合器是一种以光为介质传送信号的器件，实现了输出端与输入端的电气绝缘（绝缘电阻大于1019），耐压在1 kV以上；光耦合器的特点可以记做：电气隔离、信号传输。光耦合器为
教学过程及教学设计
单向传输，无内部反馈，抗干扰能力强，尤其是抗电磁干扰，是一种广泛应用于微机检测和控制系统中光电隔离方面的新型器件，在PLC中有广泛的应用。
1．光敏电阻器
光敏电阻器是应用半导体光电效应原理制成的一种器件。当半导体受光照时，产生大量的空穴和电子，空穴和电子在复合之前由一电极到达另一电极，从而使光电导体的电阻率发生变化。光敏电阻器在无光线照射时呈高阻态，当有光线照射时，其电阻迅速减小。现在广泛应用在楼房走廊内的声光两控节能灯，就使用了光敏电阻器。
光敏二极管的检测，可用万用表的“R×1 k”挡测量，光敏二极管的正向电阻约10 k。无光照射时，反向电阻为∞，说明管子是好的；有光照射时，反向电阻随光的强度增加而减小，阻值可减小到几千欧或1 k以下，则管子是好的；若反向电阻为∞或0，则管子是坏的。
(整理)第七章光电传感器习题答案
•第七章光敏传感器•1．光电效应通常分为哪几类？简要叙述之。
与之对应的光电器件有哪些？•2．半导体内光电效应与入射光频率的关系是什么？3．光电倍增管产生暗电流的原因有哪些？如何降低暗电流？•4．试述光电倍增管的组成及工作原理？•5．简述光敏二极管和光敏三极管的结构特点、工作原理及两管的区别？•6．为什么在光照度增大到一定程度后，硅光电池的开路电压不再•随入射照度的增大而增大？硅光电池的最大开路电压为多少？•7．试举出几个实例说明光电传感器的实际应用，并进行工作原理的分析。
答案：一、光电效应分为两类：外光电效应和内光电效应外光电效应：入射光子被物质的表面所吸收，并从表面向外部释放电子的一种物理现象。
基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管。
内光电效应当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象。
分为光电导效应（如：光敏电阻）和光生伏特效应（如光电池、光电二极管、光电三极管）。
二、、对于不同的本征半导体材料，禁带宽度Eg不同，对入射光的波长或频率的要求也不同，一般都必须满足：7he1.24「hv=T^^-Eg式中v、A分别为入射光的频率和波长。
对于杂质半导体：Ei为杂质电离能三、1、欧姆漏电欧姆漏电主要指光电倍增管的电极之间玻璃漏电、管座漏电和灰尘漏电等。
欧姆漏电通常比较稳定，对噪声的贡献小。
在低电压工作时，欧姆漏电成为暗电流的主要部分。
在使用光电倍增管时，保证管壳和所有连接件的清洁干燥是十分必要的。
2、热发射由于光电阴极材料的光电发射阈值较低，容易产生热电子发射，即使在室温下也会有一定的热电子发射，并被电子倍增系统倍增。
要减小热电子发射，应选用热发射小的阴极材料，并在满足使用的前提下，尽量减小光电阴极的面积，降低光电倍增管温度。
3、残余气体放电光电倍增管中高速运动的电子会使管中的残余气体电离，产生正离子和光子，它们也将被倍增，形成暗电流。
这种效应在工作电压高时特别严重，使倍增管工作不稳定。
光电转换器件的性能分析及优化
光电转换器件的性能分析及优化随着信息技术的快速发展，光电转换器件如太阳能电池、LED灯等已经成为人们生活中不可或缺的一部分。
在这些转换器件中，性能的优化是非常重要的。
本文将对光电转换器件的性能进行分析，并提出优化方案。
1. 光电转换器件的基本结构光电转换器件通常包括光电转换物质、电子注入材料、电子传输材料、电极等组成。
光电转换物质是转换器件中最重要的部分，它能够将光能转化为电能。
对于太阳能电池来说，其光电转换物质是半导体材料。
当太阳光射入太阳能电池中时，激发出电子并形成电子空穴对。
通过电子传输材料的导电作用，光电子被传输到电子注入材料中，从而形成电流。
最后，电极将电流收集在一起，转换为电能。
对于LED灯来说，其光电转换物质则是半导体材料中掺杂了杂质的p-n结。
当外加正向电压时，电子和空穴能够在p-n结中重组而释放出光子，形成发光现象。
2. 光电转换器件的性能分析在光电转换器件中，性能通常包括光电转换效率、发光效率、响应速度等。
下面将对这些性能进行分析。
2.1 光电转换效率光电转换效率是指太阳能电池从光能到电能的转换效率。
通常使用以下公式计算：η = Pout / Pin其中，Pout是太阳能电池的输出功率，Pin是其接受的太阳光最大功率。
光电转换效率的提高是光电转换器件优化的重点。
目前提高光电转换效率的研究主要集中在以下几个方面：①选用高效的光电转换物质，如InGaAs、GaAs等。
②降低光反射损失，提高光吸收率。
如使用纳米组装技术将不同大小的晶粒组装在一起，能够形成有效地光吸收材料。
③提高光电子的传输效率，降低传输损失。
如使用石墨烯等材料，能够提高电子传输速度。
④降低器件中的电子复合损失。
如使用TCO透明电极等材料，能够降低电子复合损失。
2.2 发光效率发光效率是指LED灯将电能转换为光能的效率。
通常使用以下公式计算：ηl = Pl / Pe其中，Pl是LED灯的光输出功率，Pe是其电输功率。
光电信息转换器件【可编辑PPT】
特点： 随着电源电压升高，放
大系数或灵敏度增大。
5. 频率特性（可达1MHZ以上）
i
6．疲劳特性
+
R5
RL
A
R4
D4
R3
D3
R2
D2
D1
-
R1
K
疲劳指在工作过程中 灵敏度降低。
1-20分钟； 2-40分钟
特点：
阳极电流对灵敏度的影响示意图
光电信息转换器件
3．光伏效应。在入射光能量作用下能使物体产生一定 方向的电动势。以PN结为例，由于光线照射PN结而产 生的电子和空穴，在内电场作用下分别移向N和P区，从 而对外形成光生电动势。相应器件：光电池、光敏二极 管（PD、PIN、APD）、光敏三极管等。
4．光电热效应。光照引起材料温度发生变化而产生电 流的现象。相应器件： 热电探测器。
一、按工作波段分
紫外光探测器、可见光探测器、红外光探测器
二、按应用分
换能器： 将光信息（光能）转换成电信息（电能）
探测器
非成像型：光信息转换成电信息
变像管
成像型
像增强器 真空摄像管
摄像管 固体成像器件
CCD 、CMOS
§3.1 光电信息转换器件
光电信息转换器件的主要特性和参数如下： 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] —— 导致电子瓶颈的主要原因 5．暗电流—— Ф＝0时光电信息转换器件输出的电流，
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¾
¾
一 光电二极管工作原理
光电流
Ｐ
Ｎ
入射光波长需满足：
1.24 λ ( μm) ≤ λc = E g (eV )
光电二极管工作原理示意图
32
二 光电二极管结构
硅光电池的两种典型结构：
电极 SiO2 光 P+ N 光 SiO2 前极 N+ N+ P 电极 后极 环极
后极 前极
2CU型
电极
RL
N+
2DU型
RL
环极
33
二 光电二极管结构
环极的作用：
前极 SiO2膜 表面 漏电流 R N+ P 环极
++
-
++
- -
N+
N+ P
N+
保护环
后极 表面漏电流的形成 环极结构
环极
前极
34
二 光电二极管结构
硅光电二极管的外形及灵敏度的方向问题：
300 200 100 00 100
θ
400
0% 0 1
凸镜
Si
Ge
（2）响应度（灵敏度）
IP eλ =η P0 hc
R0 ( μA μW ) =
波长(um)
800 1200 1600
36
光电二极管光谱响应曲线
三 光电二极管的工作特性
3. 照度特性 IL/uA
40 30 20 10 0 200 400
2
A U C
2C
A 2 U
2CU5 L/lx
600
800 1000
ΔVs = ΔiRL = − VΔRd RL ( R L + Rd ) 2
光电导探测器工作电路
使Vs有最大值时的负载电阻： (ΔVs ) ′RL = 0 ⇒ Rd = R L （最佳匹配条件）
8
一 光电导器件工作特性
7.基本工作电路
（2）偏压选择问题 负载电阻热损耗功率：
⎡ V0 ⎤ ⎢ ⎥ Rd ≤ Pmax (最大耗散功率 ) ⎣ R L + Rd ⎦
CdS光敏面 梳状 电极
11
二 几种典型的光敏电阻
1.种类
¾ CdS和CdSe：自动化技术和摄影机中的光计量。 ¾ PbS：遥感技术和武器红外制导。 ¾ InSb：快速红外信号探测。
2. 使用注意事项
¾ 光源光谱须与光敏电阻的光谱响应特性匹配。 ¾ 防止杂散光影响。 ¾ 电压、功耗等电参数不超过允许值。 ¾ 根据不同用途选择不同特性的光敏电阻。
v(Hz)
典型光电导探测器的噪声功率谱
7
一 光电导器件工作特性
7.基本工作电路
（1）低频条件下的负载匹配问题
Rd V0 RL
C VS
V0 i= R L + Rd
Δi = −
V0 i + Δi = RL + Rd + ΔRd
V0 ΔRd VΔRd ≈− ( RL + Rd + ΔRd )( RL + Rd ) ( R L + Rd ) 2
U(mV)
硅光电池的输出特性
RL1 < RL 2 < RL 3
20
二 光电池特性
3. 光照特性
硅光电池 硒光电池
Isc(mA/cm2)
5 4 3 2 1 0 2 4
Voc(V)
开路电压
0.5 0.4 0.3
Isc(mA/cm2)
0.3 0.2 0.1
Voc(V)
0.5 0.4 0.3
开路电压
短路电流
60 50 40 30 20 10 90
T(0C)
光电池的温度特性曲线
23
二 光电池特性
6、输出功率和最佳负载电阻
电输出功率：P=UI 获得最大电功率输出时的负载电阻 光电池转换效率：最大电输出功率与入射光功率的比值
θm
开路电压
Pm η= (10% ~ 15%) P0
Rm = 1 tan θ m
一定光功率下的伏安曲线 短路电流
19
开路电压
I p − I sh kT Voc = ln( + 1) e Is
RL
光电池的等效电路
二 光电池特性
2. 伏安特性 I(mA)
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
RL1 RL2
P1(1000lx) P2 P3 P4 P5
RL
RL3
光电池的基本电路
P1 > P2 > P3 > P4 > P5
6 8
0.2 0.1 10
短路电流
0 1 2 3 4 5
0.2 0.1
E/klx
E/klx 光电池的光照特性曲线
21
二 光电池特性
3. 光照特性 I (mA)
0.4 0.3 0.2 0.1 0
4. 频率特性
RL = 0Ω
50Ω 100Ω
相对响应I（100%）
100 80 60 40 20 102 103
硅光电二极管光照特性曲线
37
三 光电二极管的工作特性
4. 响应时间 I
光 强 0
I
100％ 90％
10％
t
t0
0
tr
tf
t
入射的矩形光脉冲信号
探测器输出光电流波形
影响响应时间的主要因素：载流子的运动速度
38
三 光电二极管的工作特性
5. 伏安特性 I/uA
25 20 15 10 5 0 10 20 30 800lx 600lx 400lx 200lx 40
16
二 光电池特性
1. 光谱特性
相 1.0 对 0.8 响 应 0.6 率 0.4
0.2
硒光电池
硅光电池
0 200 400
波长(um)
600 800 1000 1200
光电池光谱特性曲线
17
二 光电池特性
2. 伏安特性
短路电流：在一定光功率照射下将光电池两端用一低内阻电流表短接， 所测得的电流值。 开路电压：在一定光功率照射下将光电池两端开路，用一高内阻电 压表所测电压值。
低偏压、弱光照条件下近似：
5 4 3 2 1 E（×102lx) 0 5 10 15 20 25 CdS光敏电阻的光照特性曲线
5
I = KVE
一 光电导器件工作特性
4. 响应速度
调制频率升高，响应度下降
Rv = Rv 0 (1 + ω τ )
2 2 1 2
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
2
第七章 光电转换器件
光热效应分类
效应 测辐射热计效应 温差电效应 热释电效应 相应的探测器 热敏电阻、金属测辐射热计、 超导远红外探测器 热电偶、热电堆 热释电探测器
3
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： 电压响应度：
2.光谱特性
峰值响应波长：
I RI = ( A W ) P
U/V
硅光电二极管伏安特性曲线
39
三 光电二极管的工作特性
6. 温度特性 I/uA
30 20 10 -40 -20 0 20 40 10 10 0.1
Ip=0/uA
T/0C
60
0.01 0
T/0C
20 40 60 80
硅光电二极管温度特性曲线
40
四 PIN光电二极管
电极 SiO2 P+ 光
0
E
I：Intrinsic 电极 N
截止频率：Rv = 0.707 Rv 0 ⇒ ω
相 对 100 响 63 应 37 (%) tr 光电导的驰豫 td
tτ
6
一 光电导器件工作特性
6. 噪声特性
2 IN
7.基本工作电路
1/v 噪声 g-r噪声
1k 1M
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。 热噪声 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。
第七章 光电转换器件
7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 光电导探测器 光电池 光电二极管 光电倍增管 电荷耦合器件
1
第七章 光电转换器件
光子效应分类
效应 外光电效应 光电子发射 光电子倍增 光电导 PN结零偏 内光电效应 光生伏特 PN结反偏 雪崩 肖特基势垒 相应的探测器 光电管 光电倍增管、像增强管 光敏电阻、光导管 光电池 光电二极管 雪崩光电二极管 肖特基势垒光电二极管
200
平镜
300 400
相
对
% 80
灵
敏
60
%
% 40
度
% 20
硅光电二极管的外形
灵敏度的角度变化
35
三 光电二极管的工作特性
1. 光电转换特性
（1）量子效率
2. 光谱特性
截止波长： λc ( μm) =
1.24 E g (eV )
η=
Ip e P hv
I (100%)
100 80 60 40 20 400
RL = 1kΩ
10kΩ
1000Ω
5000Ω
0.2 0.4 0.6 0.8 1
100kΩ
E/klx
v(Hz)
104
硒光电池的光照特性与负载电阻的关系
硅光电池的频率特性曲线
22
二 光电池特性
5. 温度特性 Voc(mV)