光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)弛豫過程

光電導(dǎo)材料從光照開始到獲得穩(wěn)定的光電流是要經(jīng)過一定時(shí)間的。同樣光照停止后光電流也是逐漸消失的。這些現(xiàn)象稱為弛豫過程或惰性。

對(duì)光電導(dǎo)體受矩形脈沖光照時(shí)，常有上升時(shí)間常數(shù)τr和下降時(shí)間常數(shù)τf來描述弛豫過程的長(zhǎng)短。τr表示光生載流子濃度從零增長(zhǎng)到穩(wěn)態(tài)值63%時(shí)所需的時(shí)間，τf表示從停光前穩(wěn)態(tài)值衰減到37%時(shí)所需的時(shí)間。

當(dāng)輸入光功率按正弦規(guī)律變化時(shí)，光生載流子濃度（對(duì)應(yīng)于輸出光電流）與光功率頻率變化的關(guān)系，是一個(gè)低通特性，說明光電導(dǎo)的弛豫特性限制了器件對(duì)調(diào)制頻率高的光功率的響應(yīng)：

Δn0：中頻時(shí)非平衡載流子濃度。

ω：圓頻率，ω=2πf。

τ：非平衡載流子平均壽命，在這里稱時(shí)間常數(shù)。

可見Δn隨ω增加而減小，當(dāng)ω=1/τ時(shí)，Δn=Δn0/，稱此時(shí)f=1/2πτ為上限截止頻率或帶寬。

光電增益與帶寬之積為一常數(shù)，Mf=(τn/tn τp/tp)·(1/2πτ)=(1/tn 1/tp)·(1/2π)=常數(shù)。表明材料的光電靈敏度與帶寬是矛盾的：材料光電靈敏度高，則帶寬窄；材料帶寬寬，則光電靈敏度低。此結(jié)論對(duì)光電效應(yīng)現(xiàn)象有普遍性。

某些半導(dǎo)體材料受到光照射時(shí)，其電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象。光照射到半導(dǎo)體上，價(jià)帶上的電子接受能量，使電子脫離共價(jià)鍵。當(dāng)光提供的能量達(dá)到禁帶寬度的能量值時(shí)，價(jià)帶的電子躍遷到導(dǎo)帶，在晶體中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)自由電子和一個(gè)空穴，這兩種載流子都參與導(dǎo)電。由光產(chǎn)生的附加電導(dǎo)稱為光電導(dǎo)，也稱本征光電導(dǎo)。光能還可將雜質(zhì)能級(jí)激發(fā)產(chǎn)生附加電導(dǎo)，稱為雜質(zhì)光電導(dǎo)。利用光敏效應(yīng)可制成光敏電阻，不同波長(zhǎng)的光子具有不同的能量，因此，一定的材料只對(duì)應(yīng)于一定的光譜才具有這種效應(yīng)。對(duì)紫外光較靈敏的光敏電阻稱紫外光敏電阻，如硫化鎘和硒化鎘光敏電阻，用于探測(cè)紫外線。對(duì)可見光靈敏的光敏電阻稱可見光光敏電阻，如硒化鉈、硫化鉈，硫化鉍及鍺、硅光敏電阻，用于各種自動(dòng)控制系統(tǒng)，如光電自動(dòng)開關(guān)門窗，光電計(jì)算器，光電控制照明，自動(dòng)安全保護(hù)等。對(duì)紅外線敏感的光敏電阻稱紅外光敏電阻，如硫化鉛，碲化鉛、硒化鉛等，用于夜間或淡霧中探測(cè)能夠輻射紅外線目標(biāo)，紅外通信，導(dǎo)彈制導(dǎo)等。

半導(dǎo)體無光照時(shí)為暗態(tài)，此時(shí)材料具有暗電導(dǎo)；有光照時(shí)為亮態(tài)，此時(shí)具有亮電導(dǎo)。如果給半導(dǎo)體材料外加電壓，通過的電流有暗電流與亮電流之分。亮電導(dǎo)與暗電導(dǎo)之差稱為光電導(dǎo)，亮電流與暗電流之差稱為光電流。

暗態(tài)下

Gd=σd·A/L, Id=GdU=σd·AU/L

亮態(tài)下

Gl=σl·A/L, Il=GlU=σl·AU/L

亮態(tài)與暗態(tài)之差

Gp=Gl - Gd=(σl-σd）·A/L=Δσ·A/L

Ip=Il - Id=(Gl-Gd）·U=Δσ·AU/L

A：半導(dǎo)體材料橫截面面積

L：半導(dǎo)體材料長(zhǎng)度

I：電流

U：外加電壓

G：電導(dǎo)

σ：電導(dǎo)率

Δσ：光致電導(dǎo)率的變化量

下標(biāo)d代表暗，l代表亮，p代表光。

光電導(dǎo)效應(yīng)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在光電導(dǎo)材料的應(yīng)用上。光電導(dǎo)材料是一種靈敏、快速的光電器件。通過它，能靈敏、快速地將接受到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，廣泛地應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)、軍事、科學(xué)技術(shù)等各個(gè)部門和社會(huì)生活的方方面面，特別是現(xiàn)代高新技術(shù)之中。

光電導(dǎo)效應(yīng)在基礎(chǔ)光電器件中的應(yīng)用

(1)在探測(cè)器中的應(yīng)用

利用光電導(dǎo)效應(yīng)原理工作的探測(cè)器稱為光電導(dǎo)探測(cè)器。作為半導(dǎo)體材料的一種體效應(yīng)，光電導(dǎo)效應(yīng)無須形成p-n結(jié)。光照越強(qiáng)，光電導(dǎo)材料的電阻率越小，故光電導(dǎo)材料又稱為光敏電阻。不含雜質(zhì)的光敏電阻一般在室溫下工作，適用于可見光和近紅外輻射探測(cè)，含雜質(zhì)的光敏電阻通常必須在低溫條件下工作，常用于中、遠(yuǎn)紅外輻射探測(cè)。

(2)在攝像管中的應(yīng)用

光電導(dǎo)材料是目前攝像管中應(yīng)用最為廣泛的光電變換材料之一。與利用外光電效應(yīng)的攝像管相比，光電導(dǎo)攝像管突出的優(yōu)點(diǎn)是：體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高等。目前，它已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。

光電導(dǎo)效應(yīng)軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用

(1)紅外夜視儀(熱像儀)

通過光電導(dǎo)材料，熱像儀中的紅外光可變成可見光，即將紅外圖像轉(zhuǎn)化為可見光圖像，以便作戰(zhàn)人員觀察夜間戰(zhàn)場(chǎng)情況。這一過程分為兩步進(jìn)行：首先是使用對(duì)紅外輻射敏感的紅外光電導(dǎo)探測(cè)器，把紅外輻射信號(hào)變成電信號(hào)，該信號(hào)的大小正比于紅外輻射的強(qiáng)度；其次是通過電視顯像系統(tǒng)將電信號(hào)顯示于電視屏幕上。

熱像儀是當(dāng)代夜視技術(shù)發(fā)展的最高水平，廣泛應(yīng)用于各類紅外觀察儀、紅外熱瞄器、坦克上的潛望儀器、帶光測(cè)距機(jī)、火控系統(tǒng)與跟蹤系統(tǒng)之中，具有隱蔽性好、抗干擾性強(qiáng)、分辨率高、全天候性等優(yōu)點(diǎn)。

(2)導(dǎo)彈系統(tǒng)中的制導(dǎo)裝置和反導(dǎo)彈系統(tǒng)中的預(yù)警裝置

紅外光電導(dǎo)攝像管是紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的眼睛。許多軍事目標(biāo)(飛機(jī)、坦克、軍艦等)都裝有大功率發(fā)動(dòng)機(jī)，其動(dòng)力部分是強(qiáng)大的紅外輻射源，可形成紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的目標(biāo)控制信號(hào)。當(dāng)信號(hào)被導(dǎo)彈接受后，經(jīng)處理去驅(qū)動(dòng)導(dǎo)彈的控制系統(tǒng)，在紅外光電導(dǎo)攝像管的協(xié)助下，不斷矯正導(dǎo)彈的飛行方向，逼近目標(biāo)并加以摧毀。用導(dǎo)彈攔截導(dǎo)彈，關(guān)鍵在于傳感器準(zhǔn)確及時(shí)地探測(cè)、跟蹤目標(biāo)。由對(duì)紅外光響應(yīng)速度快、靈敏度高、有較高響應(yīng)率的光電導(dǎo)材料制成的紅外光電導(dǎo)探測(cè)器，可安裝在預(yù)警飛機(jī)或預(yù)警衛(wèi)星上，能準(zhǔn)確及時(shí)地探測(cè)、跟蹤敵方導(dǎo)彈尾焰的紅外輻射，是反導(dǎo)彈系統(tǒng)預(yù)警裝置中的重要組成部分。紅外光電導(dǎo)制導(dǎo)、探測(cè)技術(shù)具有不易受干擾、定位準(zhǔn)確率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可探測(cè)超低空目標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)，但受氣象條件的影響比較大，往往要和雷達(dá)配合，以便取長(zhǎng)補(bǔ)短。目前，許多地空導(dǎo)彈是雷達(dá))紅外雙模制導(dǎo)導(dǎo)彈。有趣的是，光電導(dǎo)效應(yīng)同樣應(yīng)用于隱身技術(shù)。

光電導(dǎo)效應(yīng)其他應(yīng)用

(1)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用

在生產(chǎn)生活方面，光敏電阻可應(yīng)用在各種自動(dòng)控制裝置和光檢測(cè)設(shè)備中，如生產(chǎn)線上的自動(dòng)送料、自動(dòng)門裝置、航標(biāo)燈、路燈、應(yīng)急自動(dòng)照明、自動(dòng)給水停水裝置、生產(chǎn)安全裝置、煙霧火災(zāi)報(bào)警裝置、照相機(jī)的自動(dòng)調(diào)節(jié)、電子計(jì)算機(jī)的輸入設(shè)備以及醫(yī)療器械(如光電脈搏計(jì)、心電圖儀)等方面。此外，還可應(yīng)用于電子樂器、電視和其它家用電器中。

(2)在教育教學(xué)中的應(yīng)用

在教育教學(xué)方面，光電導(dǎo)攝像管可廣泛地應(yīng)用于學(xué)校教育教學(xué)的監(jiān)督和管理評(píng)價(jià)工作之中。光電導(dǎo)材料應(yīng)用于掃描儀、復(fù)印機(jī)、投影儀，給學(xué)校的教學(xué)和人們?nèi)粘５膶W(xué)習(xí)和交流帶來方便。

(3)在科學(xué)研究中的應(yīng)用

在科學(xué)研究方面，利用紅外光電導(dǎo)，可以遙感物體表面溫度、無損探傷、氣象遙感、地學(xué)遙感等。

總之，光電導(dǎo)傳感和遙感技術(shù)對(duì)于自動(dòng)控制、機(jī)電一體化十分重要。

光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)材料的應(yīng)用前景展望

探測(cè)、傳感技術(shù)的發(fā)展離不開高性能的光電器件材料。 在今后一段時(shí)間內(nèi), 響應(yīng)速度更快、 響應(yīng)效率更好、靈敏度更高、響應(yīng)頻率更寬的高性能光電導(dǎo)材料, 將是光電導(dǎo)技術(shù)研究的主要發(fā)展方向。

綜上所述, 人類已經(jīng)進(jìn)入信息時(shí)代, 半導(dǎo)體和微電子技術(shù)無疑是信息社會(huì)的核心技術(shù)之一。 展望未來, 在光電子技術(shù)的革命中, 光電導(dǎo)材料會(huì)在光學(xué)、集成光電子學(xué)和分子電子學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮重大作用 。 在語言和圖像的識(shí)別中, 在復(fù)雜情況下作出判斷的人工智能以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模擬人腦等方面的發(fā)展中, 半導(dǎo)體微電子技術(shù)和光電子技術(shù)仍將是未來科學(xué)技術(shù)革命的主要內(nèi) 容, 作為一種性能不斷優(yōu)化的基礎(chǔ)元器件, 光電導(dǎo)材料將會(huì)作出巨大的貢獻(xiàn)。

第1章 緒論

1.1 信息技術(shù)與光電檢測(cè)技術(shù)

1.2 光電檢測(cè)與光電傳感器概念

1.2.1 檢測(cè)與測(cè)量的概念

1.2.2 光電傳感器與敏感器的概念

1.3 光電檢測(cè)系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)

1.4 光電檢測(cè)方法及應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)

思考題與習(xí)題

第2章 光電檢測(cè)器件工作原理及特性

2.1 光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)

2.1.1 光電導(dǎo)效應(yīng)

2.1.2 雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)

2.1.3 光生伏特效應(yīng)

2.1.4 光熱效應(yīng)

2.2 光電檢測(cè)器件的特性參數(shù)

思考題與習(xí)題

第3章 半導(dǎo)體光電檢測(cè)器件及應(yīng)用

3.1 光敏電阻

3.1.1 光敏電阻的結(jié)構(gòu)及其工作原理

3.1.2 光敏電阻特性參數(shù)

3.1.3 光敏電阻的應(yīng)用

3.2 光生伏特器件

3.2.1 光電池

3.2.2 光電二極管與光電三極管

3.2.3 發(fā)光器件

3.2.4 光電耦合器件

3.2.5 光電位置敏感器件

3.2.6 光熱輻射檢測(cè)器件

3.2.7 各種光電檢測(cè)器件的性能比較

思考題與習(xí)題

第4章 光電信號(hào)檢測(cè)電路

4.1 光電檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)要求

4.2 光電信號(hào)輸入電路的靜態(tài)計(jì)算

4.2.1 恒流源型器件光電信號(hào)輸入電路

4.2.2 光伏型器體光電信號(hào)輸入電路

4.2.3 可變電阻型器體光電信號(hào)輸入電路

4.3 光電信號(hào)檢測(cè)電路的動(dòng)態(tài)計(jì)算

4.3.1 光電信號(hào)輸入電路的動(dòng)態(tài)計(jì)算

4.3.2 光電檢測(cè)電路的頻率特性

4.4 光電信號(hào)檢測(cè)電路的噪聲

4.4.1 檢測(cè)電路的噪聲等效處理

4.4.2 典型光電檢測(cè)電路的噪聲估算

4.5 前置放大器

4.5.1 放大器的噪聲

4.5.2 前置放大器的低噪聲設(shè)計(jì)

4.5.3 檢測(cè)器件和放大電路的連接

4.6 光電檢測(cè)電路舉例

思考題與習(xí)題

第5章 光電直接檢測(cè)系統(tǒng)

5.1 光電直接檢測(cè)系統(tǒng)的基本工作原理

5.2 光電直接檢測(cè)系統(tǒng)的基本特性

5.2.1 直接檢測(cè)系統(tǒng)的信噪比

5.2.2 直接檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)極限及趨近方法

5.2.3 直接檢測(cè)系統(tǒng)的視場(chǎng)角

5.2.4 系統(tǒng)的通頻帶寬度

5.3 直接檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程

5.3.1 被動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程

5.3.2 主動(dòng)檢測(cè)距離方程

5.4 光電直接檢測(cè)系統(tǒng)舉例

5.4.1 莫爾條紋測(cè)長(zhǎng)儀

5.4.2 激光測(cè)距儀

5.4.3 環(huán)境污染監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

思考題與習(xí)題

第6章 光外差檢測(cè)系統(tǒng)

6.1 光外差檢測(cè)原理

6.2 光外差檢測(cè)特性

6.2.1 光外差檢測(cè)可獲得全部信息

6.2.2 光外差檢測(cè)轉(zhuǎn)換增益高

6.2.3 良好的濾波性能

6.2.4 信噪比損失小

6.2.5 最小可檢測(cè)功率

6.2.6 光外差檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)器性能的要求

6.3 影響光外差檢測(cè)靈敏度的因素

6.3.1 光外差檢測(cè)的空間條件(空間調(diào)準(zhǔn))

6.3.2 光外差檢測(cè)的頻率條件

6.4 光外差檢測(cè)系統(tǒng)舉例

6.4.1 干涉測(cè)量技術(shù)

6.4.2 光外差通信

6.4.3 多普勒測(cè)速

思考題與習(xí)題

第7章 光纖傳感檢測(cè)技術(shù)

7.1 光纖傳感器的基礎(chǔ)

7.1.1 光纖波導(dǎo)原理

7.1.2 光纖的種類

7.1.3 光纖的特性

7.1.4 光纖傳感器分類

7.2 光纖的光波調(diào)制技術(shù)

7.2.1 強(qiáng)度調(diào)制與解調(diào)

7.2.2 偏振調(diào)制與解調(diào)

7.2.3 相位調(diào)制與解調(diào)

7.2.4 頻率調(diào)制與解調(diào)

7.3 光纖傳感器實(shí)例

7.3.1 光纖位移傳感器

7.3.2 光纖溫度傳感器

7.3.3 光纖角速度傳感器(光纖陀螺)

7.3.4 光纖壓力傳感器

7.3.5 光纖電流傳感器

7.4 分布式光纖傳感器

7.4.1 概述

7.4.2 用于構(gòu)成分布式光纖傳感器的主要技術(shù)

思考題與習(xí)題

第8章 光電信號(hào)的數(shù)據(jù)采集與微機(jī)接口

8.1 光電信號(hào)的二值化處理

8.1.1 單元光電信號(hào)的二值化處理

8.1.2 視頻信號(hào)的二值化處理

8.1.3 光電信號(hào)二值化數(shù)據(jù)采集與接口

8.2 單元光電信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集

8.2.1 單元光電信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換

8.2.2 單元光電信號(hào)的A/D數(shù)據(jù)采集

8.3 視頻光電信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集

8.3.1 視頻光電信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換

8.3.2 視頻信號(hào)的數(shù)據(jù)采集與微機(jī)接口

思考題與習(xí)題

第9章 光電檢測(cè)技術(shù)的典型應(yīng)用

9.1 微弱光信號(hào)檢測(cè)技術(shù)

9.1.1 鎖相放大器

9.1.2 取樣積分器

9.1.3 光子計(jì)數(shù)器

9.2 光電開關(guān)與光電轉(zhuǎn)速計(jì)

9.2.1 光電開關(guān)

9.2.2 光電轉(zhuǎn)速計(jì)

9.3 條形碼技術(shù)

9.3.1 條形碼的概念及特點(diǎn)

9.3.2 條形碼的工作原理

9.3.3 條形碼的識(shí)別原理及裝置

9.4 光電遙控技術(shù)

9.4.1 光電遙控原理

9.4.2 光電遙控裝置舉例

9.5 紅外方位檢測(cè)系統(tǒng)

9.5.1 基于調(diào)制盤的方位檢測(cè)原理

9.5.2 基于調(diào)制盤的紅外方位檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

思考題與習(xí)題

參考文獻(xiàn)2100433B

光照射在物體表面上可看成是物體受到一連串能量為E的光子轟擊，而光電效應(yīng)是由于物體吸收到光子能量后產(chǎn)生的電效應(yīng)。通常把光電效應(yīng)分為三類：

1．外光電效應(yīng)。在光線作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。基于該效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。

2．內(nèi)光電效應(yīng)。在光線作用下能使物體電阻率改變的稱為內(nèi)光電效應(yīng)，又稱光電導(dǎo)效應(yīng)?；谠撔?yīng)的光電器件有光敏電阻、光敏晶體管等。

3．半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)。在光線作用下能使物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的稱為半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)。基于該效應(yīng)的光電器件有光電池。

基于外光電效應(yīng)的光電器件屬于真空光電器件，基于內(nèi)光電效應(yīng)和半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)的光電器件屬于半導(dǎo)體光電器件