(2021年整理)光电探测器

1、光电探测器光电探测器 编辑整理：尊敬的读者朋友们：这里是精品文档编辑中心，本文档内容是由我和我的同事精心编辑整理后发布的，发布之前我们对文中内容进行仔细校对，但是难免会有疏漏的地方，但是任然希望（光电探测器）的内容能够给您的工作和学习带来便利。同时也真诚的希望收到您的建议和反馈，这将是我们进步的源泉，前进的动力。本文可编辑可修改，如果觉得对您有帮助请收藏以便随时查阅，最后祝您生活愉快 业绩进步，以下为光电探测器的全部内容。46一光电探测器第一节 光辐射探测器的主要指标 光信号的探测是光谱测量中的重要一环，在不同的场合和针对不同的目的所采用的探测器也不同，最重要的考虑是探测器的应用波长范围、探测

2、灵敏度以及响应时间。光探测器是将光辐射能转变为另一种便于测量的物理量的器件，它的门类繁多，一般来说可以按照在探测器上所产生的物理效应,分成光热探测器、光电探测器和光压探测器,光压探测器使用得很少。本章将着重介绍光谱学测量中常用的探测器。 光热探测器是探测元件吸收光辐射后引起温度的变化，例如光能被固体晶格振动吸收引起固体的温度升高,因此对光能的测量可以转变为对温度变化的测量。这种探测器的主要特点是：具有较宽的光波长响应范围，但时间响应较慢，测量灵敏度相对也低一些,经常用于光功率或光能量的测量。 光电探测器是将光辐射能转变为电流或电压信号进行测量，是最常使用的光信号探测器.它的主要特点是：探测灵敏

3、度高，时间响应快,可以对光辐射功率的瞬时变化进行测量，但它具有明显的光波长选择特性。光电探测器又分内光电效应器件和外光电效应器件,内光电效应是通过光与探测器靶面固体材料的相互作用，引起材料内电子运动状态的变化，进而引起材料电学性质的变化。例如半导体材料吸收光辐射产生光生载流子，引起半导体的电导率发生变化，这种现象称为光电导效应,所对应的器件称为光导器件；又如半导体pn结在光辐照下，产生光生电动势，称为光生伏特效应，利用这种效应制成的器件称为光伏效应器件. 外光电效应器件是依据爱因斯坦的光电效应定律，探测器材料吸收辐射光能使材料内的束縛电子克服逸出功成为自由电子发射出来。 - (2.1-1)上式

4、中 是入射光子的能量,ep 是探测器材料的功函数，即光电子的逸出功，ek是光电子离开探测器表面的动能。这种探测器有一个截止频率和截止波长和： , -(2。12)频率低于 或波长长于 的光波不能被探测到，因为这样的光子能量不足以使电子克服材料的逸出功。由于电子的发射必须在真空中进行，所以外光电效应器件都属于电真空器件. 光探测器的一些主要特性和参数 1,灵敏度（或称响应度）（sensitivity 或 responsibility） 灵敏度rv (或ri ) 的定义为：探测器输出电压vs（或输出电流is）与输入光功率p之比。 (单位为v/w）或 （单位为a/w）- (2。1-3）slpr10.5

5、图2.1 探测器灵敏度的光谱响应由于灵敏度与入射光波长有密切的关系，入射波长不同,探测器的灵敏度也不同，所以一般还须给出灵敏度的光谱响应 (spectral response) 特性,如图2.1所示。 在光谱响应特性曲线中，峰值灵敏度下降一半时的波长范围（图2.1中的从到的范围）为探测器的光谱响应范围(注：对具体器件的光谱响应范围的定义可能不同，例如对光电倍增管的定义为下降到峰值灵敏度的1 或 0.1%的波长范围)。 量子效率（quantum efficiency， qe)是从光的量子特性出发来定义灵敏度,表示单位时间内流出探测器件的电子流与入射光子流之比： - (2。1-4）上式中 i 为光

6、生电流，e 为电荷,p 为光辐射功率.量子效率与灵敏度之间的关系为： - (2。15)ri 为给定波长时的灵敏度，单位为 （a/w)， 波长的单位取为 (nm) 。2,噪声等效功率 （noise equivalent power，nep) nep定义为：探测信噪比s/n1时(信噪比是指信号的峰峰值和噪声的有效值之比)，入射到探测器上的信号光功率.它表征探测器的噪声电平和探测器对微弱光信号的探测能力。由于噪声电平与测量带宽的根号成正比,所以nep规定在1hz带宽条件下的测量结果.nep越小，则探测器的探测灵敏度越高。 （单位为w/hz1/2）- (2。1-6) 或者写为： - (2。17)ino

7、ise 为在1hz测量带宽内的噪声电流（单位为a/hz1/2），ri 为在峰值响应波长上的灵敏度，单位为a/w。3, 噪声等效辐射照度 （noise equivalent irradiance，nei） nei定义为:信噪比为1时的信号光辐射照度（单位面积上的辐射功率）,即噪声等效功率 （nep） 再除以探测器的靶面积ad. （单位为w/hz1/2cm2）- (2。18）4，探测率d (detectivity）探测率d定义为nep的倒数，这样d越大表明探测器的灵敏度越高. (单位为hz1/2w1）- (2.1-9）5，比探测率d* （dstar 或称品质因数 figure of merit)

8、由于探测器靶面积ad不同，以及测量电路带宽f 不同,d值也会不同.一般来说噪声电压正比于,因此把噪声除以，相当于把探测率d值归一为 ad=1cm2和 f1hz 时的值，这时的探测率称为比探测率d，以便对不同探测器之间的比较。d越大，探测器探测弱信号的能力越强。 (单位为）- （2。110)6，探测器的时间常数（time constant，tc） 和截止频率(cut-off frequency， fc） 探测器的时间常数是表征它对入射光功率随时间变化的响应，用来表示.从时域的角度看，时间常数定义为上升时间tr 和下降时间tf 之和,tr 和tf 反映了探测器对阶跃信号的时间响应.如图2。2所示，

9、表示输入理想的方波脉冲信号时探测器的输出，时间常数为输出波形前沿的上升时间（从0。1到0。9）和后沿的下降时间 (从0.9到0。1) 之和：.注意与入射光波长和探测器负载阻抗有关。ptttrtfp1 0.90.1图2.2 探测器的时间响应 从频域的角度看，1/即为探测器的高频截止园频率,即。探测器工作在 f 频率（注意：这里的频率 f 是指光强度的变化频率，例如对光强的调制频率）下的灵敏度响应特性与的关系可以用下式表示： - (2.1-11)r0 为探测直流光强时的灵敏度，当光强信号的园频率为时，灵敏度下降为 r0 的0.707倍，称为截止频率。 除此之外，还有一些重要的指标，如反映探测器噪声

10、电平的暗电流id，探测器的接收截面ad（会影响灵敏度和时间响应），探测器随温度的变化特性，半导体光电探测器的结电容（决定了时间响应）,以及最大反偏电压、光照功率允许范围等，在使用时都必须注意的。 r(f)10.707ffc图2.3 探测器的频率响应 光探测器的噪声 任何一个探测器都有噪声的随机输出，通常采用统计的方法来讨论，并用噪声功率（或电平）的有效值(即均方根值）给出。1，热噪声(thermal noise 或称johnson noise) 探测器有一个等效电阻r,电阻中自由电子的热运动引起电阻两端电压的随机起伏而产生的噪声，称为热噪声.理论和实验都表明热噪声与频率无关,因此属于白噪声。任

11、何一个电子学器件都会有热噪声，热噪声均方振幅电压值可以表示为： - (2。112）式中 k 为玻尔兹曼常数 (1。3810-23j/k），t为绝对温度（k)，r为电阻阻值（）,fn为测试系统等效噪声带宽。这个噪声源等效于与电阻相串联的电压源，或者看成与电阻相并联的电流噪声源,它的噪声电流均方值为： - (2。1-13） 热噪声的功率谱密度（定义为单位频率范围的噪声功率）为： - （2.114） 严格说，热噪声还不是真正的白噪声,热噪声功率谱密度更精确的公式应写为： - (2.1-15)只有当时，才近似为式（2.114),但在大部分情况下这个关系都可以满足，因此我们总是把热噪声作为白噪声来处理。

12、2,散粒噪声（shot noise) 散粒噪声(或称散弹噪声）最早是在电子管电路中发现的,由阴极热电子随机性发射而引起。在半导体器件中，当电荷载流子通过pn结时也有类似的随机产生和流动，这类由于粒状电流引起的起伏称为散粒噪声.在散粒噪声极限下探测到的信号，称为量子极限探测。散粒噪声也属于白噪声类,其功率谱密度为: - （2。1-16)上式中 e 为电子电荷 （1.591019库伦）,id 为流过的电流（无光照射时即为暗电流)。散粒噪声的电流有效值可以写为: - (2。117）相应的噪声电压有效值为： - （2。1-18）上式中r为探测器的电阻，如果探测器具有内增益m,在上二式中还要乘以m因子，

13、例如光电倍增管和半导体雪崩二极管光探测器具有m增益因子.3，闪烁噪声 (flicker noise） 闪烁噪声属于器件内部的低频噪声，大约在1khz以下的频域范围。如光电阴极表面局部不均匀性，引起发射电子的缓慢随机起伏,半导体器件也有类似的情况,其噪声电流的有效值可以用经验公式表述： - （2.1-19）a为与探测器有关的系数，i为流过探测器的总直流电流,，.于是，上式可以近似为: - （2。120)闪烁噪声的功率谱密度,因此经常被称为1/f噪声。为了克服这种噪声，在测量系统中尽可能采用比较高的调制频率来工作。4，产生-复合噪声 在光电导探测器中的激发载流子是电子空穴对，它们的产生和复合都是按

14、照散粒噪声的规律随机起伏的,只是考虑了产生和复合的共同作用,起伏要加倍。噪声电流和电压的有效值为： - （2。1-21）id为探测器的暗电流，m为探测器的内增益.产生复合噪声的本质是散粒噪声，但为了强调产生和复合二个因素，取名为产生复合散粒噪声，或简称产生复合噪声。 第二节 真空管光电探测器 真空管光电探测器是指利用在真空中光阴极受光辐照后产生光电子发射效应（即爱因斯坦光电效应）而制成的一类探测器.主要有真空管光电二极管、真空管光电倍增管、微通道板式的光电倍增管，它们是光谱测量中最常用的探测器。 对光电阴极材料的要求有以下几点：（1）对光的吸收系数要大。(2）光电子在发射体内传输过程中能量损失

15、要小，即逸出深度大。(3）阴极材料对电子的亲和势低,使光电子在材料表面的逸出几率大. 常用的阴极材料是采用碱金属的化合物制成，见下表。光电阴极峰值波长（nm)波长极限(nm）阴极灵敏度(ma/w）量子效率（峰值波长）银氧铯ag-o-cs7508001200230。4%单碱型sbcs340-400700205015%双碱型csk-sb330-420700309030%多碱型csna-k-sb330-64090020-6025日盲型cs-t3015日盲型csi120140200152012%半导体型gaascs2o85093050-7020半导体型inaspcs2o400

16、110040-5020% 日盲型的光电阴极是指对紫外或真空紫外的辐射有响应，而对可见光没有响应。 被探测光的长波极限由阴极材料所决定,即（2。1-2）式，而短波极限一般是由探测器窗口材料所决定。可见光波段的探测器采用硬质硼硅玻璃作窗口，短波极限约为300nm.紫外光探测器可以采用石英玻璃作窗口，短波极限约为180nm。更短波长的光探测器可采用氟化锂、氟化钙、氟化镁等材料作窗口，短波极限约为100nm，图2.4给出某些窗口材料的透射光谱。图2.4 窗口材料 的透过率光谱一,真空管光电二极管 真空管光电二极管由真空泡中的光阴极(k）和阳极（a)组成，工作时在二极间加上适当电压，阳极接正压，阴极接负

17、压，如图2。5所示.图2.5 真空管光电二极管光电阴极k在受光照后产生光电子发射，在电场作用下回路中产生光电流，通过rl负载电阻转变为电压信号。真空管光电二极管的结构简单，灵敏度较低，可以检测较强的光辐射信号；它的极间电容小，频率响应特性较快。 灵敏度主要由光电阴极的量子效率所决定，在给定的波长上,量子效率为: - （ 2.21)其中 为在给定波长上的阴极光谱灵敏度，用（a/w）作单位；为入射光波长,单位为（nm）。例如，sb-cs管的24，sb-k-cs管的30%,的数量级大致为102a/w（注：在可见光区经常用a/lm单位，即：安培/流明）。最大可测量的光功率约为毫瓦数量级，最小可测量的光

18、功率受暗电流限制，约为1010w，暗电流大致为10-10至10-11a.充气型（充有惰性气体，如ar气）的真空管光电二极管由于光电子与所充气体原子的碰撞产生新的电子和离子，因而它的光电流要比真空型的大。目前，由于光电倍增管制作工艺的成熟以及半导体光电探测器的发展，真空管光电二极管已被这些器件所替代.二，光电倍增管 （photomultiplier tube 或简称：pmt） 在真空管光电二极管中插入电子倍增系统,当光照射光阴极发出光电子,经聚焦极进入倍增级（或称打拿级 dynode）产生二次电子发射，使到达阳极的光电流信号大大地增强.阳极电流 ia 为：, ik 为光电阴极发射的光电流，为二次

19、电子发射系数，定义为二次电流与一次电流之比=is/if，n为pmt中倍增级的级数。光电倍增管具有高灵敏度和低噪声、快速响应、低成本和大的探测面积的特点.图2。6 给出光电倍增管的结构，图2.7为光电倍增管的外型图,（a)为侧窗型的pmt,（b）为顶窗型的pmt，可以根据实验的具体情况进行选择 。光电倍增管的主要指标为：（1） 阴极灵敏度：阴极电流与照射到阴极上的光通量之比，或者用量子效率来表示，二者都与波长有关。图2。8 给出典型的pmt的阴极灵敏度和量子效率的光谱响应。图2.6 光电倍增管（pmt）的结构图（2） 阳极灵敏度:阳极输出电流与照射到阴极上的光通量之比,单位用a/lm(安/流明)

20、表示，阳极灵敏度与工作波长和所加的电压有关,图2。9 给出阳极灵敏度和工作电压的关系。图2.7 光电倍增管的外型图 (a)侧窗型 (b)顶窗型(a)(b) （3）电流放大倍数（增益）：，g 与 pmt 的倍增级数目 n 和材料有关,一般的光电倍增管倍增极数目为 n=912，是倍增极的平均二次电子发射率，,a为常数,e为极间电压。图2.8 典型光电倍增管的阴极灵敏度和量子效率 图2.9 光电倍增管的阳极灵敏度、阳极暗电流与工作电压的关系图（4）暗电流：主要来源于阴极和倍增级的热电子发射,决定了光电倍增管可探测的最小光功率.暗电流与管子的工作温度以及所加电压有关，为了降低光电倍增管的暗电流,可以降

21、低工作温度。例如,从25co降为0co可以使暗电流降低一个数量级,如降到160co，则可降低约4个数量级。图2.9给出暗电流与工作电压之间的关系.(5）噪声等效功率:定义为与阳极暗电流相等的阳极输出电流所需要的光功率，即前面提到的nep，它决定了最小可探测功率。 - （2。22) 上式中e为电子电量， id、s、g 分别是光电倍增管的暗电流（安培)、阳极辐射灵敏度（安培/瓦)和放大倍数,为测量系统的带宽（一般取1赫兹）。通常nep可达10-151016瓦，经过冷却的光电倍增管甚至可达10-1810-19瓦，相当于每秒钟几个光子的弱光辐射，即可以达到单光子探测的本领。（6）探测功率范围：最大可探

22、测功率由阴极材料和倍增级的输出能力所决定，一般控制阳极电流为 10-6a 左右，相应的安全入射光功率为10-910-10w。(7）时间常数:与光电倍增管的结构有关，通常为120ns,最好的可达0.5ns. 光电倍增管典型的连接原理图如图2.10所示。(a)(b)图2.10 光电倍增管的连接原理图 (a) 用于脉冲光强测量 (b) 用于直流光强测量光电倍增管的工作电压通常采用负高压连接，如图2。10所示。这样在负载输出端电压不至于过高，且一端接地，便于与其它设备相连接，使用比较安全。r1至r11为分压电阻,可取100k至500k.在脉冲工作方式时，加入c1和c2，这是因为最后几级的瞬间电流较大，

23、容易引起阳极电流的过早饱和，导致灵敏度的下降，并入电容可以使r9r11上的压降更稳定。光电倍增管输出一个电流信号，可以采用一个负载电阻rl来完成电流-电压的转换，输出线路如图2.11所示.信号大小为光电流与负载电阻rl的乘积,rl选取得大一些（例如为100k以上）,可以获得较大的电压信号,但会影响光电倍增管的输出时间常数，其中cs 为输出端分布电容，正确选取负载阻抗是时间谱测量过程中至关重要的一点，经常容易被忽略.图2。12 显示了负载阻抗对响应时间的影响,对短脉冲光信号测量时特别需要注意,rl 过大，使时间常数变长,无法响应短的光脉冲信号；另外，rl过大,造成阳极和末倍增极之间的电压降低，影

24、响输出的线性度（即输出电流与入射光强之间的线性关系）。在测量短脉冲信号时，rl可取50，以便获得对快脉冲信号的响应，同时又与50输出电缆相匹配，可以参考图2.13的接法。这时从光电倍增管来看，阻抗与电缆的长度无关，就是电缆的特性阻抗，因此，传输波形不会失真.综合上述，请注意以下几点:1）在重视频率特性或短脉冲测量情况时，务必使用小的负载电阻;2)在要求输出幅度线性的场合，使用输出电压低于几伏水平的负载电阻；3）负载电阻值等于或小于后接放大器的输入阻抗。图2.11 光电倍增管的输出电路光电倍增管的增益与工作电压之间有如下关系： - (2。23）上式中 k是与光电倍增管结构有关的常数，v为工作电压

25、，约为0。70.8。当工作电压增加时，增益也要增加，增益受工作电压影响很大，因此用于光电倍增管的电压源稳定度至少要优于0。1。此外，电源电压加高，可以降低时间常数（见图2。14）.102030t(ns)输入光脉冲信号幅度t输出信号图2.12 负载阻抗对时间响应的影响，时间常数为=rlcs。图2.13 光电倍增管的快速输出电路 图2.14 光电倍增管的时间常数与工作电压的关系图 在使用中还要考虑有无外磁场的干扰，因为外磁场会改变电子运动轨迹，因此可以用高导磁率的合金材料对管子作磁屏蔽。 下面给出hamamatsu(日本滨松公司)r955型光电倍增管的主要指标： 波长范围：160 930 nm 峰

26、值波长： 400 nm 阴极材料： 多碱材料 窗口材料： 熔石英 阴阳极间最大电压：1250v 正常电压：1000v 阴极灵敏度：200a/lm 阴极辐照度:68ma/w 阳极灵敏度:2000a/lm 阴极辐照度：ma/w 电流放大系数： 暗电流：10na 上升时间：2。2ns 渡越时间：22ns 渡越时间是指从输入一个脉冲光开始到光电倍增管达到最大输出的时间间隔，反映了从阴极接收光子到阳极电子倍增过程所需要的时间,如图2.15，渡越时间的离散程度大致为2ns。电子渡越时间输入脉冲光tt幅度图2.15 光电倍增管的渡越时间特性由于光电倍增管对光照非常敏感,一般不让管子直接曝光，在受过强光照射后

27、，阴极容易疲劳而使灵敏度降低，暗电流增加。在不加高压时曝过强光，通常需要在暗处静置24小时以上，暗电流才能恢复正常状态；加电压时曝过强光,则恢复时间需要更长，甚至无法恢复。光电倍增管是光谱测量中常用的一种探测器,经常用于微弱荧光的探测,尤其应用于可见光、近红外和紫外波段的探测，具有很高的灵敏度和快速的时间响应，灵敏度之高可以达到单光子检测，在某些使用场合是不可替代的。它的缺点是体积较大，使用时须加高压.三，微通道光电倍增管 普通的光电倍增管有十多个倍增级，因此电子渡越时间较长,可达几十个ns，又有一定的离散度，限制了对快速光变化的测量。60年代出现了连续的电子倍增器，称为通道式电子倍增器(ch

28、annel electron multipliercem）,它的渡越时间很短（2ns）.通道内壁表面为109量级的高阻导电层，且二次电子发射系数3，二端加13kv电压，在管内建立均匀的电场。电子倍增后，在高电位端输出增益可达108。增益系数可由下式决定： - (2.2-4）其中a=l/d为管长与管径之比，a为决定二次发射系数的物质常数，约为0。20.25之间，v0为垂直管壁方向的二次电子平均发射电位，约为12伏，v为所加的工作电压。3kv内壁导电层图2.16 微通道倍增管 微通道电子倍增器阳极光阴极图2.17 微通道光电倍增管示意图把大量cem并联起来,构成微通道板(microchannel

29、plate=mcp）。它是将1mm长的玻璃毛细管熔结在一起，形成一块薄板，每根毛细管都是一个cem，内径为25，内壁涂有二次电子发射材料（如fe-cr材料)。这样，在几个平方厘米上可以有106个单元,二端加11。6kv电压,总的渡越时间约为2ns，渡越离散时间小于100ps，可适应于快速测量。将光阴极材料结合mcp，就可构成多通道式光电倍增管，这种器件最大的特点是体积小，响应时间快,通过分别收集各微通道管的信号还可以实现二维图象的记录。图2。17是一种用两块mcp串联作为电子倍增器的微通道光电倍增管的结构示意图，多级串联可以提高增益，目前已有三级串联的商品器件,它的上升时间为0.32ns，增益

30、可达。微通道电子倍增器阳极光阴极图2.17 微通道光电倍增管示意图 第三节 半导体光电探测器 半导体光探测器是利用内光电效应进行工作，即由于光照射引起半导体材料内部性能的变化，如电导率的变化（称为光导型）或产生光电压（称为光伏型）。 光导型半导体器件相当于一个光敏电阻,工作时两端须加上一定的偏置电压，受光照射后导电率发生变化。在电场的作用下，形成与入射光功率成正比的光电流，流经负载电阻rl，转变为相应的输出电压vs。 目前作为光电导探测器的材料主要有硅和锗，长波极限分别为1。1微米和1。7微米，可以在室温下使用。此外还有二元化合物的半导体材料,如硫化镉(cds 0。30。52m）、硒化镉（cd

31、se 0.67m)、硫化铅（pbs 1-3。5m)、硒化铅(pbse 4.5-5.2m）、碲化铟 （insb 6m左右)等，以及三元系化合物合金材料，如碲镉汞(hgcdte 114m），可以通过对各组份的百分比和运行温度的调节，改变对不同波长的探测灵敏度,有些探测器需要在液氮温度（77k）下运行。这类探测器在红外遥感、红外成像和夜视探测等方面有重要的作用. 光电池是典型的光伏型器件,在不加偏置情况下,pn 结受光照射时产生与入射光强成正比的光电压。比较成熟的是硅单晶pn结光电池，它的开路电压为0.450。6v之间，短路电流约为150-300a/m2，应用时可以根据具体情况作串并联，转换效率在理

32、论上可达24%，目前的水平在10-20%的范围。为了克服大面积硅单晶材料制作上的困难,多晶硅光电池、砷化镓光电池和异质结晶体光电池也在发展中。光电池在解决太阳能的利用方面起作重要的作用。 各种半导体光电二极管是在光探测过程中使用最广泛的器件，它们体积小、灵敏度高、响应速度快，且易于集成化.以下我们将对光电二极管作一介绍。1, 半导体光电二极管 光伏型的光电二极管的工作原理是基于pn结的光伏效应，pn结在光照时其中电子被激发，产生光生载流子，即光生电子空穴对，在结电场作用下,电子被拉向n区,空穴被拉向p区，形成与入射光功率成正比的光电流.目前用得较多的还是硅光电二极管，如国产的2cu和2du型。

33、在使用时必须加上反向偏置电压，由于结区面积小，内建电场很强,结区较厚，结电容小,频率特性也较好。 图2.18 给出半导体光电二极管使用线路图以及等效电路图。pdrlvipdidirdrdcdicdrsilrl clis图2.18 半导体光电二极管原理图和等效电路 半导体光电二极管的光谱响应特性取决于半导体材料的禁带宽度，只有满足以下关系式的波长才能够被探测到: （2.3-1) 上式中是入射光波长，单位为（nm)；eg为禁带宽度，单位为电子伏特（ev）。硅材料的禁带宽度为1.15ev，所以极限波长为1。1m。 在图2。18 的硅光电管等效电路图中,is 是并联在光电管上的等效电流发生器，硅光电管

34、接受光辐射后,产生光电流 ip ，暗电流 id 和噪声电流 in , - （2。32) rs为串联电阻,由接触电阻和未耗尽的体电阻组成，rs与管子尺寸、所加的偏压有关，面积大、偏压高，则rs小，通常为十几至几十欧姆。 cd 为光电管的结电容,与光电管尺寸、结构和偏压有关，通常为几个至几千个微微法（pf）.rd为光电管的并联电阻，由耗尽层电阻和污染引起的漏电阻构成,与管子的截面积有关,从几十千欧姆至上百兆欧姆。d为pn结的等效电路，rl 和 cl为负载电阻和负载电容。 由光电管的v-a特性(图2.19）可知,通过二极管的电流为： - （2。33）is为二极管的反向饱和电流,a为常数，对硅光电二极

35、管可以取为 a=2,k为boltzmann常数，t为绝对温度，e为电子电荷量，是二极管二端的电压，为热电压。流过负载rl上的电流为：- （2。34) 由上式可知光生电流ip与负载电流il并非线性关系，如果rl=0，既输出短路，且rsrd，则上式为： - (2.3-5）在反向电流很小时，即is 很小，输出电流不大的情况下，即,则有.此时负载电流与光生电流呈线性关系。实际使用时，可以选rd大、rs小以及is小的管子，并尽量在输出近短路情况下工作，以获得最佳的线性关系。图2.19 光电二极管的伏安特性曲线典型的光电二极管参数如下:型号靶面积mm2光谱范围nm灵敏度a/w等效噪声功率w/hz1/2或暗

36、电流 a结电容pf结电阻m响应时间sc308490.240011000.6210-14w/hz1/21020010-7c30851540011000。6210-14 w/hz1/2801000。4106a3-81072cu11400-11000。50。52 na1。55ns2cu5190250011000。1200.55 na2.55nsc308070。8450。610 na2。53nsc30810100450。6300 na7012nss475232010000.28200.550.3 na2。310-15 w/hz1/221ghzs5533320-10000。12200。520。1 na1

37、.510-15 w/hz1/21.51.5ghz3， 雪崩光电二极管（avalanche photodiode， apd) 在pn结上加上几百伏甚至上千伏反向电压，光生载流子在强电场中被加速到很高的能量，与晶格原子碰撞可以产生新的载流子，形成雪崩过程，而具有一定的放大作用。雪崩光电二极管的倍增因子m为: - (2。3-6)上式中vb为击穿电压，v为外加电压，n为13的常数. 当外加电压接近vb时，雪崩二极管的增益接近光电倍增管的水平，且量子效率很高,响应时间也很快,适应于微弱和快速变化的光辐射信号的测量。典型的雪崩二极管特性如下表所示，其中s型是日本hamamatsu公司的产品。型号光谱响应范

38、围(nm)灵敏度(a/w)nep或暗电流工作电压(v)响应时间或截止频率增益2du101500-88031012w/hz1/250-100100 ns2du201500-880310-12w/hz1/250-10010 nss2381400-10000。50。1na1501.2ghz100s238240010000。50。3na1500。9ghz100s388440010000.50.8na1500.15ghz100以下给出二个典型的光电二极管实用电路。pd：高速pin管，如s1721，s2506，s2216等。rl：由灵敏度和响应时间决定。rs：决定了场效应管的工作点。fet：2sk152，

39、2sk192a， 2sk362 等场效应管。pdrl100.110k10+15v1k0.11000p1mrs0.1fet输出1,低噪光敏前置放大器 pd：高速pin管，s1721，s2506等。rl：决定灵敏度和时间常数。a：运算放大器，如pa620，ha2625，lf357等。pdrl10k+15v1001k32746输出+-a-15v2,高速光信号检测：第四节 热电探测器 热电探测器是基于“光热电”的转换原理来工作，其最大的特点是探测灵敏度具有很宽的光谱响应范围，因而得到广泛的应用,尤其是用于宽光谱范围的功率计、能量计和红外光区的灵敏探测器.1，辐射热电偶 将热电偶的热端用很薄的金属箔包起

40、来，金属箔即为辐射光照面，经光照射后，温度升高，热电偶的ab端产生相应的温差电势vt,再由外电路进行检测。热电偶ab涂黑金箔(t0+t)(t0)吸收p连接gheatsink tst散热片i0图2.21 热电探测器原理图及等效图 热电探测器的等效图如图2.21上所示。入射光强（io）的功率为p，其中p部分被吸收,h为探头的热容量，ts为散热片的温度,t为探头温度，g为探头和散热片之间的热传导系数，有如下的热平衡方程： - (2.41）如果入射光功率恒定，探头温度从ts上升到t，且平衡后dt/dt=0，则有 - (2。42）上式表明探头的平衡温度与入射光功率成正比，与探头的热容量无关,增加/g可以

41、增加测量灵敏度,但是热传导g过小将增加探测器的时间常数。 当用于脉冲光（脉宽为t0)测量时，要对脉冲持续时间进行积分： - (2.4-3）如果探头的热绝缘性非常好，脉冲持续时间非常短时，上式的第二项可以忽略不计,这样有： - (2.44)其中e为单个脉冲光的能量，上式表明探头的温升正比于脉冲光的能量，这时的热电探测器起到能量计的功能.2，热释电探测器 有些晶体材料有自发的极化强度ps，这种极化与温度变化有关。平时这种极化ps在晶体表面感应出来的电荷被外来电荷所中和，因此观测不到这种极化。如果温度变化很快时,ps有突变，外来电荷来不及中和感应电荷,就会在晶体表面产生净电荷，通过外电路可以被探测到

42、，这就是热释电探测器的基本工作原理。热释电探测器只能用于交流方式或脉冲方式，即只有温度发生变化时才能进行探测。它可测量的最小功率大致为10101012瓦，光谱响应比较平坦。常用的热释电晶体材料有铌酸锶钡(sbn）、钽酸锂（litao3）、硫酸三甘肽（tgs)等，此外还有钛锆酸铅(pzt）压电陶瓷热释电探测器和聚二氟乙烯（pvf2）薄膜热释电探测器. 第五节 列阵探测元件一，基本原理ed1d2d3dnc1c2c3cnrlk图2.22 列阵探测器原理 列阵探测器是由n个独立的象素（光电元件）所组成，列阵形式可以分为一维线阵或二维面阵.二维面阵的列阵探测器可以接收光学图象用于摄像器件，它的原理是先将

43、一幅光学图象转换为潜电信号图象，再对n个光电元件依次进行扫描，取出电信号,通过一个电学信道发射出去;在接收端经过适当的电子学接收设备处理后还原为光学图象.列阵探测器是近几十年中发展起来的一种多道光电接收器件，在光谱测量中也用得很多，尤其是用于光学多通道（optical multichannel 简称oma）测量系统，使光谱测量变得更加方便有效。列阵探测器一般可分为三个部分(见图2。22）：1， 光电变换元件：每个光电元件作为一个独立的光信号接收象素,将所接收的光能转换为光电流，并对与其对应的电容c进行充电。2， 光电流的存储元件:电容c将光电流以电荷形式存储起来，并转换为与象素光通量对应的电位

44、;光强信号与所存储的电荷和曝光时间的乘积成正比。这样,一幅光学图象在存储元件上变换成一幅潜电学图象信号。 3,扫描读取装置:因为光学与存储元件有一一对应的关系，为了不使图象失真，必须按照一定的规律依次读出存储器上的电位起伏变化信息，才有可能记录和恢复原来的图象。 以下将讨论几种常用的列阵探测器件。二，硅光电二极管列阵（silicon photodiode array，spda） 利用集成电路技术,在一块n型硅衬底上扩散出许多条型p型硅，每个p区与衬底组成一个独立的二极管，形成排成一列的许多微型硅光电二极管。p区宽度为13微米，长度为2.5毫米，间距为25微米，因此每块12.5毫米的衬底上可以做

45、出500只光电二极管，形成一维线阵（图2.23)。p型 n型硅图 2.23 半导体列阵探测器原理图 图2.23 spda的工作原理如图2.24所示，每个探测单元都包括光电二极管d，场效应开关管 k 和存储电容c各一只，所有元件封装在一块芯片上。光电二极管处于5v反向偏置电压下，电容 c 被充电至饱和电压。当光照射至某个光电二极管 di 时,di 内阻降低，并联电容 ci 上的电荷将减少，减少量正比于光强和曝光时间的乘积。移位寄存器按顺序开启各个开关管 ki，并重新对ci充电以补充由于光照而损失的电荷,补充的电荷量被采样，经放大器 a 放大后输出。当所有探测器元件被“访问一遍后，即可得到照射在光

46、电二极管线阵上的光强分布。 图2.24 spda列阵探测器线路原理图 为了增加光探测灵敏度，在列阵探头内插入微通道板增强级(mcp）.如eg&g普林斯顿公司生产的1420型增强型自扫描光电二极管一维线阵,其结构如图2.25所示。1420型探测器已被用于光学多通道（oma）光谱测量系统中。光阴极mcp磷光体光纤peltier热电冷却器被增强的像元光纤耦合列阵+5kv+1kv-200v门脉冲 图2.25 增强型二极管列阵探测器 该器件具有1024个象元组成一维阵列，入射光进入窗口后，打在光阴极上产生光电子，在200v电压作用下进入微通道板（mcp)，微通道板在1kv工作电压下有103 以上的增益。从mcp出来的光电子打在一块磷光材料的屏上激发出光子，并由光纤耦合到二极管列阵上，完成第二次光电转换和输出信号.由于mcp的直径只有18mm，这样25mm宽的1024个象元中只有730个象元被增强了。1420型列阵探测器的灵敏度可以达到一个光子产生一个计数;而没有mcp增强的1412型二极管列阵探测器需要有