光電導效應穩(wěn)態(tài)光電導

半導體無光照時為暗態(tài)，此時材料具有暗電導；有光照時為亮態(tài)，此時具有亮電導。如果給半導體材料外加電壓，通過的電流有暗電流與亮電流之分。亮電導與暗電導之差稱為光電導，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：半導體材料橫截面面積

L：半導體材料長度

I：電流

U：外加電壓

G：電導

σ：電導率

Δσ：光致電導率的變化量

下標d代表暗，l代表亮，p代表光。

光電導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。

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

當輸入光功率按正弦規(guī)律變化時，光生載流子濃度（對應于輸出光電流）與光功率頻率變化的關系，是一個低通特性，說明光電導的弛豫特性限制了器件對調制頻率高的光功率的響應：

Δn0：中頻時非平衡載流子濃度。

ω：圓頻率，ω=2πf。

τ：非平衡載流子平均壽命，在這里稱時間常數(shù)。

可見Δn隨ω增加而減小，當ω=1/τ時，Δn=Δn0/，稱此時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。此結論對光電效應現(xiàn)象有普遍性。

某些半導體材料受到光照射時，其電導率發(fā)生變化的現(xiàn)象。光照射到半導體上，價帶上的電子接受能量，使電子脫離共價鍵。當光提供的能量達到禁帶寬度的能量值時，價帶的電子躍遷到導帶，在晶體中就會產生一個自由電子和一個空穴，這兩種載流子都參與導電。由光產生的附加電導稱為光電導，也稱本征光電導。光能還可將雜質能級激發(fā)產生附加電導，稱為雜質光電導。利用光敏效應可制成光敏電阻，不同波長的光子具有不同的能量，因此，一定的材料只對應于一定的光譜才具有這種效應。對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，用于探測紫外線。對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，用于各種自動控制系統(tǒng)，如光電自動開關門窗，光電計算器，光電控制照明，自動安全保護等。對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能夠輻射紅外線目標，紅外通信，導彈制導等。

光電導效應的應用主要體現(xiàn)在光電導材料的應用上。光電導材料是一種靈敏、快速的光電器件。通過它，能靈敏、快速地將接受到的光信號轉換成對應的電信號，廣泛地應用于國民經(jīng)濟、軍事、科學技術等各個部門和社會生活的方方面面，特別是現(xiàn)代高新技術之中。

光電導效應在基礎光電器件中的應用

(1)在探測器中的應用

利用光電導效應原理工作的探測器稱為光電導探測器。作為半導體材料的一種體效應，光電導效應無須形成p-n結。光照越強，光電導材料的電阻率越小，故光電導材料又稱為光敏電阻。不含雜質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，含雜質的光敏電阻通常必須在低溫條件下工作，常用于中、遠紅外輻射探測。

(2)在攝像管中的應用

光電導材料是目前攝像管中應用最為廣泛的光電變換材料之一。與利用外光電效應的攝像管相比，光電導攝像管突出的優(yōu)點是：體積小、重量輕、結構簡單、靈敏度高等。目前，它已廣泛地應用于工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。

光電導效應軍事領域中的應用

(1)紅外夜視儀(熱像儀)

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

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

(2)導彈系統(tǒng)中的制導裝置和反導彈系統(tǒng)中的預警裝置

紅外光電導攝像管是紅外制導導彈的眼睛。許多軍事目標(飛機、坦克、軍艦等)都裝有大功率發(fā)動機，其動力部分是強大的紅外輻射源，可形成紅外制導導彈的目標控制信號。當信號被導彈接受后，經(jīng)處理去驅動導彈的控制系統(tǒng)，在紅外光電導攝像管的協(xié)助下，不斷矯正導彈的飛行方向，逼近目標并加以摧毀。用導彈攔截導彈，關鍵在于傳感器準確及時地探測、跟蹤目標。由對紅外光響應速度快、靈敏度高、有較高響應率的光電導材料制成的紅外光電導探測器，可安裝在預警飛機或預警衛(wèi)星上，能準確及時地探測、跟蹤敵方導彈尾焰的紅外輻射，是反導彈系統(tǒng)預警裝置中的重要組成部分。紅外光電導制導、探測技術具有不易受干擾、定位準確率高、結構簡單、成本低、可探測超低空目標等優(yōu)點，但受氣象條件的影響比較大，往往要和雷達配合，以便取長補短。目前，許多地空導彈是雷達)紅外雙模制導導彈。有趣的是，光電導效應同樣應用于隱身技術。

光電導效應其他應用

(1)在生產生活中的應用

在生產生活方面，光敏電阻可應用在各種自動控制裝置和光檢測設備中，如生產線上的自動送料、自動門裝置、航標燈、路燈、應急自動照明、自動給水停水裝置、生產安全裝置、煙霧火災報警裝置、照相機的自動調節(jié)、電子計算機的輸入設備以及醫(yī)療器械(如光電脈搏計、心電圖儀)等方面。此外，還可應用于電子樂器、電視和其它家用電器中。

(2)在教育教學中的應用

在教育教學方面，光電導攝像管可廣泛地應用于學校教育教學的監(jiān)督和管理評價工作之中。光電導材料應用于掃描儀、復印機、投影儀，給學校的教學和人們日常的學習和交流帶來方便。

(3)在科學研究中的應用

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

總之，光電導傳感和遙感技術對于自動控制、機電一體化十分重要。

光電導效應光電導材料的應用前景展望

探測、傳感技術的發(fā)展離不開高性能的光電器件材料。 在今后一段時間內, 響應速度更快、 響應效率更好、靈敏度更高、響應頻率更寬的高性能光電導材料, 將是光電導技術研究的主要發(fā)展方向。

綜上所述, 人類已經(jīng)進入信息時代, 半導體和微電子技術無疑是信息社會的核心技術之一。 展望未來, 在光電子技術的革命中, 光電導材料會在光學、集成光電子學和分子電子學領域發(fā)揮重大作用 。 在語言和圖像的識別中, 在復雜情況下作出判斷的人工智能以及神經(jīng)網(wǎng)絡和模擬人腦等方面的發(fā)展中, 半導體微電子技術和光電子技術仍將是未來科學技術革命的主要內 容, 作為一種性能不斷優(yōu)化的基礎元器件, 光電導材料將會作出巨大的貢獻。

第1章 緒論

1.1 信息技術與光電檢測技術

1.2 光電檢測與光電傳感器概念

1.2.1 檢測與測量的概念

1.2.2 光電傳感器與敏感器的概念

1.3 光電檢測系統(tǒng)的組成及特點

1.4 光電檢測方法及應用發(fā)展趨勢

思考題與習題

第2章 光電檢測器件工作原理及特性

2.1 光電檢測器件的物理基礎

2.1.1 光電導效應

2.1.2 雜質光電導效應

2.1.3 光生伏特效應

2.1.4 光熱效應

2.2 光電檢測器件的特性參數(shù)

思考題與習題

第3章 半導體光電檢測器件及應用

3.1 光敏電阻

3.1.1 光敏電阻的結構及其工作原理

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 光熱輻射檢測器件

3.2.7 各種光電檢測器件的性能比較

思考題與習題

第4章 光電信號檢測電路

4.1 光電檢測電路的設計要求

4.2 光電信號輸入電路的靜態(tài)計算

4.2.1 恒流源型器件光電信號輸入電路

4.2.2 光伏型器體光電信號輸入電路

4.2.3 可變電阻型器體光電信號輸入電路

4.3 光電信號檢測電路的動態(tài)計算

4.3.1 光電信號輸入電路的動態(tài)計算

4.3.2 光電檢測電路的頻率特性

4.4 光電信號檢測電路的噪聲

4.4.1 檢測電路的噪聲等效處理

4.4.2 典型光電檢測電路的噪聲估算

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計

4.5.3 檢測器件和放大電路的連接

4.6 光電檢測電路舉例

思考題與習題

第5章 光電直接檢測系統(tǒng)

5.1 光電直接檢測系統(tǒng)的基本工作原理

5.2 光電直接檢測系統(tǒng)的基本特性

5.2.1 直接檢測系統(tǒng)的信噪比

5.2.2 直接檢測系統(tǒng)的檢測極限及趨近方法

5.2.3 直接檢測系統(tǒng)的視場角

5.2.4 系統(tǒng)的通頻帶寬度

5.3 直接檢測系統(tǒng)的距離方程

5.3.1 被動檢測系統(tǒng)的距離方程

5.3.2 主動檢測距離方程

5.4 光電直接檢測系統(tǒng)舉例

5.4.1 莫爾條紋測長儀

5.4.2 激光測距儀

5.4.3 環(huán)境污染監(jiān)測系統(tǒng)

思考題與習題

第6章 光外差檢測系統(tǒng)

6.1 光外差檢測原理

6.2 光外差檢測特性

6.2.1 光外差檢測可獲得全部信息

6.2.2 光外差檢測轉換增益高

6.2.3 良好的濾波性能

6.2.4 信噪比損失小

6.2.5 最小可檢測功率

6.2.6 光外差檢測系統(tǒng)對檢測器性能的要求

6.3 影響光外差檢測靈敏度的因素

6.3.1 光外差檢測的空間條件(空間調準)

6.3.2 光外差檢測的頻率條件

6.4 光外差檢測系統(tǒng)舉例

6.4.1 干涉測量技術

6.4.2 光外差通信

6.4.3 多普勒測速

思考題與習題

第7章 光纖傳感檢測技術

7.1 光纖傳感器的基礎

7.1.1 光纖波導原理

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 光纖的光波調制技術

7.2.1 強度調制與解調

7.2.2 偏振調制與解調

7.2.3 相位調制與解調

7.2.4 頻率調制與解調

7.3 光纖傳感器實例

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 用于構成分布式光纖傳感器的主要技術

思考題與習題

第8章 光電信號的數(shù)據(jù)采集與微機接口

8.1 光電信號的二值化處理

8.1.1 單元光電信號的二值化處理

8.1.2 視頻信號的二值化處理

8.1.3 光電信號二值化數(shù)據(jù)采集與接口

8.2 單元光電信號的A/D轉換與數(shù)據(jù)采集

8.2.1 單元光電信號的A/D轉換

8.2.2 單元光電信號的A/D數(shù)據(jù)采集

8.3 視頻光電信號的A/D轉換與數(shù)據(jù)采集

8.3.1 視頻光電信號的A/D轉換

8.3.2 視頻信號的數(shù)據(jù)采集與微機接口

思考題與習題

第9章 光電檢測技術的典型應用

9.1 微弱光信號檢測技術

9.1.1 鎖相放大器

9.1.2 取樣積分器

9.1.3 光子計數(shù)器

9.2 光電開關與光電轉速計

9.2.1 光電開關

9.2.2 光電轉速計

9.3 條形碼技術

9.3.1 條形碼的概念及特點

9.3.2 條形碼的工作原理

9.3.3 條形碼的識別原理及裝置

9.4 光電遙控技術

9.4.1 光電遙控原理

9.4.2 光電遙控裝置舉例

9.5 紅外方位檢測系統(tǒng)

9.5.1 基于調制盤的方位檢測原理

9.5.2 基于調制盤的紅外方位檢測系統(tǒng)結構

思考題與習題

參考文獻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，而光電效應是由于物體吸收到光子能量后產生的電效應。通常把光電效應分為三類：

1．外光電效應。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?；谠撔墓怆娖骷泄怆姽?、光電倍增管等。

2．內光電效應。在光線作用下能使物體電阻率改變的稱為內光電效應，又稱光電導效應?；谠撔墓怆娖骷泄饷綦娮琛⒐饷艟w管等。

3．半導體光生伏特效應。在光線作用下能使物體產生一定方向電動勢的稱為半導體光生伏特效應?；谠撔墓怆娖骷泄怆姵亍?

基于外光電效應的光電器件屬于真空光電器件，基于內光電效應和半導體光生伏特效應的光電器件屬于半導體光電器件