光辐射探测器 ppt课件

1、光电探测器光电探测器光辐射量光辐射量电量电量热热 探探 测测 器器光子探测器光子探测器光电倍增管光电倍增管探测器件探测器件热电探测元件热电探测元件光子探测元件光子探测元件气体光电探测元件气体光电探测元件三、分类三、分类外光电效应外光电效应内光电效应内光电效应非放大型非放大型放放 大大 型型光电导探测器光电导探测器光磁电探测器光磁电探测器光生伏特探测器光生伏特探测器真空光电管真空光电管充气光电管充气光电管光电倍增管光电倍增管像加强器像加强器摄像管摄像管变像管变像管本征型本征型光敏电阻光敏电阻掺杂型掺杂型红外探测器红外探测器非放大非放大放大型放大型光电池光电池光电二极管光电二极管光电三极管光电三极

2、管光电场效应管光电场效应管雪崩型光电二极管雪崩型光电二极管3.1 3.1 光辐射探测器的光辐射探测器的 实际根底实际根底光辐射探测器的物理效应主要是光辐射探测器的物理效应主要是光热效应和光电效应。光热效应和光电效应。3.1.1 3.1.1 光热效应光热效应当光照射到理想的黑色吸收体上时，当光照射到理想的黑色吸收体上时，黑体将对一切波长的光能量全部吸收，黑体将对一切波长的光能量全部吸收，并转换为热能，称为光热效应并转换为热能，称为光热效应 。热能增大，导致吸收体的物理、机械性能变热能增大，导致吸收体的物理、机械性能变化，如：温度、体积、电阻、热电动势等，化，如：温度、体积、电阻、热电动势等，经过

3、丈量这些变化可确定光能量或光功率的经过丈量这些变化可确定光能量或光功率的大小，这类器件统称为光热探测器。大小，这类器件统称为光热探测器。光热探测器对光辐射的呼应有两个过程：光热探测器对光辐射的呼应有两个过程： 器件吸收光能量使本身温度发生变化器件吸收光能量使本身温度发生变化 把温度变化转换为相应的电信号把温度变化转换为相应的电信号 共性共性个性个性光热探测器的最大特点是：光热探测器的最大特点是：1 1、从紫外到、从紫外到40m40m以上宽波段范围，其呼应灵敏度以上宽波段范围，其呼应灵敏度与光波波长无关，原那么上是对光波长无选择性探与光波波长无关，原那么上是对光波长无选择性探测器。测器。2 2、

4、受热时间常数的制约，呼应速度较慢、受热时间常数的制约，呼应速度较慢 。 运用： 在红外波段上，资料吸收率高，光热效应也就更剧烈，所以广泛用于对红外线辐射的探测。探测器服从的热平衡方程：探测器服从的热平衡方程： TGdtTdCtt)(设入射光的表达式为：设入射光的表达式为：)1 (0tje代入热平衡方程，得到：代入热平衡方程，得到： 000)(TGdtTdCtttjtteTGdtTdC0)(解得：解得：tGT00器件的平均温升器件的平均温升 器件随频率器件随频率的交变温升的交变温升 )(2/1220)1 (tjtteGT式中，式中，tttttRCGC是器件的热时间常数。是器件的热时间常数。)(t

5、arctg阐明器件温升滞后于阐明器件温升滞后于辐射功率的变化。辐射功率的变化。 因此，光热探测器常用于低频调制辐照场所。因此，光热探测器常用于低频调制辐照场所。设计时应尽力降低器件的热时间常数，设计时应尽力降低器件的热时间常数，主要是减少器件的热容量。主要是减少器件的热容量。3.1.2 3.1.2 光电效应光电效应光电效应是物质在光的作用下释放出光电效应是物质在光的作用下释放出电子的物理景象。电子的物理景象。 分为分为: : 光电导效应光电导效应 光伏效应光伏效应 光电发射效应光电发射效应 3.1.2.1 3.1.2.1 半导体中的载流子半导体中的载流子载流子载流子: :能参与导电的自在电子和

6、自在空穴。能参与导电的自在电子和自在空穴。载流子浓度载流子浓度: :单位体积内的载流子数。单位体积内的载流子数。 I:I:iinpN:N:nnnpP:P:ppnp室温下室温下 DnNn 施主浓度施主浓度全电离时全电离时ApNp受主浓度受主浓度一、热平衡形状下的载流子浓度一、热平衡形状下的载流子浓度由由1.261.26式，式，kTEEfeEf/ )(11)(/ )(kTEEcfceNn/ )(kTEEvvfeNp可得出：可得出：kTEvckTEEvcgvceNNeNNnp/ )(上式阐明：禁带愈小，温度升高，上式阐明：禁带愈小，温度升高， npnp就愈大，导电性愈好。就愈大，导电性愈好。在本征半

7、导体中，在本征半导体中， kTEvciigeNNpn2/2/1)(2innp 平衡态判据平衡态判据 那么有那么有可得出，少子浓度：可得出，少子浓度：AipNnn2DinNnp2二、非平衡形状下的载流子二、非平衡形状下的载流子 半导体受光照、外电场作用，载流子浓度半导体受光照、外电场作用，载流子浓度就要发生变化，这时半导体处于非平衡态。就要发生变化，这时半导体处于非平衡态。 载流子浓度对于热平衡时浓度的增量，载流子浓度对于热平衡时浓度的增量，称为非平衡载流子。称为非平衡载流子。 半导体资料吸收光子能量而转换成电能是半导体资料吸收光子能量而转换成电能是光电器件任务的根底。光电器件任务的根底。1.1

8、.半导体对光的吸收半导体对光的吸收l本征吸收本征吸收 gEhgEch或或gccEchhc为长波限。为长波限。 l杂质吸收杂质吸收 h电离能电离能 gE半导体对光的吸收主要是本征吸收半导体对光的吸收主要是本征吸收 c产生电子产生电子- -空穴对。空穴对。 在自建电场作用下，在自建电场作用下， 光电流光电流II的方向与的方向与I0I0一样。一样。光照下光照下PNPN结的电流方程为结的电流方程为/00()qU kTII eIIIS短路短路(RL0)(RL0)情况情况,U=0 ,U=0 短路电流为短路电流为scII 光照下光照下PNPN结的两个重要参量结的两个重要参量: : 开路开路(RL)(RL)情

9、况情况,I=0,I=0开路电压为开路电压为0ln(1)ocIkTUqI3.1.2.4 3.1.2.4 光电发射效应光电发射效应光照到某些金属或半导体资料上，假光照到某些金属或半导体资料上，假设入射的光子能量足够大，致使电子设入射的光子能量足够大，致使电子从资料中逸出，称为光电发射效应，从资料中逸出，称为光电发射效应，又称外光电效应。又称外光电效应。 爱因斯坦定律爱因斯坦定律 Whme221当当hhW W，对应的光波长为阈值波长或长波限。，对应的光波长为阈值波长或长波限。 WhchmaxWhcmaxseVh151013. 4smc/10314)(24. 1maxmW金属资料的电子逸出功金属资料的

10、电子逸出功 W 从费米能级至真空能级的能量差。从费米能级至真空能级的能量差。 半导体资料的电子逸出功半导体资料的电子逸出功 gAWEE良好的光电发射体，应该具备的根本条件：良好的光电发射体，应该具备的根本条件： 光吸收系数大；光吸收系数大；光电子逸出深度大光电子逸出深度大 ；外表势垒低外表势垒低 。金属光电发射的量子效率都很低金属光电发射的量子效率都很低, ,且大多数金且大多数金属的光谱呼应都在紫外或远紫外区。属的光谱呼应都在紫外或远紫外区。半导体光电发射的量子效率远高于金属：光电发半导体光电发射的量子效率远高于金属：光电发射的过程是体积效应，外表能带弯曲降低了电子射的过程是体积效应，外表能带

11、弯曲降低了电子逸出功，特别是负电子亲和势资料逸出功，特别是负电子亲和势资料(NEA)(NEA)。 P P型型SiSi的光电子需抑制的有效亲和势为的光电子需抑制的有效亲和势为dAAeEEE2由于能级弯曲，使由于能级弯曲，使2AdEE 这样就构成了负电子亲和势。这样就构成了负电子亲和势。正电子亲和势资料的阈值波长正电子亲和势资料的阈值波长 )(24. 1maxmEEEEhcAgAg负电子亲和势资料的阈值波长负电子亲和势资料的阈值波长 )(24. 1maxmEEhcgg从而光谱呼应可扩展到从而光谱呼应可扩展到可见、红外区。可见、红外区。 3.1.3 3.1.3 光探测器的噪声光探测器的噪声光探测器在

12、光照下输出的电流或电压信号光探测器在光照下输出的电流或电压信号是在平均值上下随机起伏，即含有噪声。是在平均值上下随机起伏，即含有噪声。 2ni .2nu用均方噪声用均方噪声表示噪声值的大小。表示噪声值的大小。 噪声的功率谱噪声的功率谱)( fN表示噪声功率随表示噪声功率随频率的变化关系。频率的变化关系。 光探测器中固有噪声主要有：光探测器中固有噪声主要有：热噪声、散粒噪声、热噪声、散粒噪声、产生产生- -复合噪声、复合噪声、1/f1/f噪声、噪声、温度噪声。温度噪声。、热噪声、热噪声热噪声存在于任何导体与半导体中，是由于热噪声存在于任何导体与半导体中，是由于载流子的热运动而引起的随机起伏。载流

13、子的热运动而引起的随机起伏。 RfkTin42fRkTun 42热噪声属于白噪声，降低温度和通带，热噪声属于白噪声，降低温度和通带，可减少噪声功率。可减少噪声功率。 二、散粒噪声二、散粒噪声在光子发射、电子发射、电子流中存在的随机起在光子发射、电子发射、电子流中存在的随机起伏伏 。fqIin 22散粒噪声也属于白噪声。散粒噪声也属于白噪声。三、产生三、产生- -复合噪声复合噪声在半导体器件中，载流子不断地产生在半导体器件中，载流子不断地产生- -复合，复合，使得载流子浓度存在随机起伏。使得载流子浓度存在随机起伏。)2(1 42022fNfIin四、四、1/f1/f噪声噪声是一种低频噪声，几乎一

14、切探测器中都存在。是一种低频噪声，几乎一切探测器中都存在。 ffcIin2多数器件的多数器件的1/f1/f噪声在噪声在200200300Hz300Hz以上以上已衰减为很低程度。已衰减为很低程度。五、温度噪声五、温度噪声在光热探测器中，由于器件本身吸收和传导在光热探测器中，由于器件本身吸收和传导等热交换引起的温度起伏。等热交换引起的温度起伏。)2(1 4222ttnfGfkTt低频时低频时 tnGfkTt224也具有白噪声性质。也具有白噪声性质。光电探测器光电探测器噪声功率谱噪声功率谱综合表示图综合表示图3.1.4 3.1.4 光探测器的性能参数光探测器的性能参数一、光电特性和光照特性一、光电特

15、性和光照特性光电流光电流I,大小为微安级或毫安级。大小为微安级或毫安级。 光电特性光电特性 )( FI光照特性光照特性 )(LFI 线性度很重要。线性度很重要。 二、光谱特性二、光谱特性)(IFI )(UFU 光谱特性决议于光电器件的资料。光谱特性决议于光电器件的资料。 光谱特性对选择光电器件和光源有重要光谱特性对选择光电器件和光源有重要意义，应尽量使二者的光谱特性匹配。意义，应尽量使二者的光谱特性匹配。光电器件的灵敏度呼应率光电器件的灵敏度呼应率光谱灵敏度光谱灵敏度)()()(USU)()()(ISI积分灵敏度积分灵敏度USUISI 积分灵敏度不但与探测器有关，而且与采用的光源有关。 三、等

16、效噪声功率和探测率三、等效噪声功率和探测率等效噪声功率等效噪声功率NEP 探测器的最小可探测功率探测器的最小可探测功率 噪声功率程度噪声功率程度 2/niINEP2/nuUNEP 等效噪声功率越小，阐明探测器本身的等效噪声功率越小，阐明探测器本身的噪声程度低，探测器的性能越好。噪声程度低，探测器的性能越好。 用探测率用探测率D D作为探测器作为探测器探测才干的目的探测才干的目的: : 21nIiSNEPD探测率探测率D阐明探测器探测单位入射辐阐明探测器探测单位入射辐射功率时的信噪比，其值越大越好。射功率时的信噪比，其值越大越好。归一化等效噪声功率为归一化等效噪声功率为IdndSfAifANEP

17、NEP2/122/1)()(归一化探测率为归一化探测率为2/122/1)()(1fADiSfANEPDdnId*DT ,f ,f ,在给出在给出时，常要标志出它们的丈量条件时，常要标志出它们的丈量条件 如如D D* *(500K,800,50)(500K,800,50)。 四、呼应时间与频率特性四、呼应时间与频率特性好像光电导驰豫，光探测器对信号光好像光电导驰豫，光探测器对信号光的呼应表现出惰性。的呼应表现出惰性。对于矩形光脉冲信号，其呼应出现上升沿对于矩形光脉冲信号，其呼应出现上升沿和下降沿，呼应时间和下降沿，呼应时间。对于正弦型调制光，呼对于正弦型调制光，呼应率随频率升高而降低应率随频率升

18、高而降低 。2/120)2(1)(fSfS21cf呼应时间呼应时间越小，越小，频率特性越好。频率特性越好。3.2 3.2 光热探测器光热探测器3.2.1 3.2.1 热敏电阻热敏电阻 由由MnMn、NiNi、CoCo、CuCu氧化物或氧化物或GeGe、SiSi、InSbInSb等半导体做成的电阻器，其阻值等半导体做成的电阻器，其阻值随温度而变化，称为热敏电阻。随温度而变化，称为热敏电阻。 当它们吸收了光辐射，温度发生变当它们吸收了光辐射，温度发生变化，从而引起电阻的阻值相应改动，化，从而引起电阻的阻值相应改动，将引起回路电流或电压的变化，这样将引起回路电流或电压的变化，这样就可以探测入射光通量

19、。就可以探测入射光通量。TRRT0T正温度系数正温度系数 0T负温度系数负温度系数3.2.2 3.2.2 热释电探测器热释电探测器热释电探测器探测率高，是光热探测器中热释电探测器探测率高，是光热探测器中性能最好的。性能最好的。一、任务原理一、任务原理基于热电晶体的热释电效应。基于热电晶体的热释电效应。 热电晶体是压电晶体中的一种，它具有自发热电晶体是压电晶体中的一种，它具有自发极化的特性。存在宏观的电偶极矩，面束缚极化的特性。存在宏观的电偶极矩，面束缚电荷密度等于自发极化矢量电荷密度等于自发极化矢量PsPs。 当用斩波器调制入射光，使矩形光脉当用斩波器调制入射光，使矩形光脉冲周期小于冲周期小于

20、QQ的平均寿命作用到热的平均寿命作用到热电晶体外表的黑吸收层上，交变的电晶体外表的黑吸收层上，交变的TT使使得晶体外表一直存在正比于入射光强的得晶体外表一直存在正比于入射光强的极化电荷。这种景象称为热释电效应。极化电荷。这种景象称为热释电效应。 热释电探测器只能探测调制和脉冲辐射。热释电探测器只能探测调制和脉冲辐射。 热释电器件的根本构造热释电器件的根本构造: :是一个以热电晶体为是一个以热电晶体为电介质的平板电容器，电介质的平板电容器，Ps Ps 的方向垂直于电容的方向垂直于电容器的极板平面。器的极板平面。 TATTPAPAQss)(TPs/为热释电系数为热释电系数 二、根本电路二、根本电路

21、假设把辐射通量为假设把辐射通量为)1 (0tje的光照射到热释电器件的光照射到热释电器件光敏面上，那么其温升光敏面上，那么其温升为为 )(2/1220)1 (tjtteGT由它引起热释由它引起热释电电量变化电电量变化从而产生的电流为从而产生的电流为)(2/1220)1 ()()(tjttseGAjdtTdAdtQdi输出电压为输出电压为) (2/1222/12200)1 ()1 (tjetteRGAU电压呼应率为电压呼应率为2/1222/12200)1 ()1 (ettUGRAUS0US，也等于零，即不能呼应恒定辐射也等于零，即不能呼应恒定辐射 。高频时，高频时，)/(ettUGRAS，呼应很

22、差。，呼应很差。热释电探测器热释电探测器 适于接纳低频调制光，约适于接纳低频调制光，约20HZ20HZ左右。左右。三、热释电器件的主要资料三、热释电器件的主要资料常用的热电晶体资料有：硫酸三甘肽常用的热电晶体资料有：硫酸三甘肽TGSTGS钽酸锂钽酸锂LiTaO3LiTaO3等。还有一些陶瓷资料如等。还有一些陶瓷资料如钛锆酸铅钛锆酸铅PZTPZT等。等。 不论哪种资料，都有一个特定温度，称居里温度。不论哪种资料，都有一个特定温度，称居里温度。只需低于居里温度，资料才有自发极化性质。只需低于居里温度，资料才有自发极化性质。 应使器件任务于离居里温度稍远一点，应使器件任务于离居里温度稍远一点，热释电

23、系数变化较平稳的区段。热释电系数变化较平稳的区段。热释电敏感元件都作成薄片热释电敏感元件都作成薄片, ,以降低热容量。薄片以降低热容量。薄片的两个面分别有正负电极，受光面有黑化吸收层。的两个面分别有正负电极，受光面有黑化吸收层。 为提高呼应率：为提高呼应率：3.3 3.3 光电探测器光电探测器3.3.1 3.3.1 光电导器件光电导器件典型的光电导器件是光敏电阻。典型的光电导器件是光敏电阻。 一、光敏电阻资料与电阻构造、光敏电阻资料与电阻构造 如今运用的光电导资料有如今运用的光电导资料有-、-族化合物、硅、锗等，以及一些有机物。族化合物、硅、锗等，以及一些有机物。目前大都运用目前大都运用N N

24、型半导体光敏电阻。型半导体光敏电阻。本征半导体：本征半导体： hEg0gEhc0掺杂半导体：掺杂半导体： 0EhEhc0掺杂半导体光敏电阻的长波限大于本征半导体掺杂半导体光敏电阻的长波限大于本征半导体光敏电阻，因此它对红外波段较为敏感。光敏电阻，因此它对红外波段较为敏感。光敏面作成蛇形，光敏面作成蛇形， 电极作成梳状，电极作成梳状， 有利于提高灵敏度。有利于提高灵敏度。 二、光敏电阻二、光敏电阻的主要特性的主要特性1.1.光电特性光电特性LUSIgp约为约为1 1； 在在0.50.51 1之间之间 电阻构造电阻构造在弱光照下，如在弱光照下，如L100lxL100lx时，时，GPGPL L那么为

25、非线性关系。那么为非线性关系。 为方便表达，仍可用关系式：为方便表达，仍可用关系式：pgpIS ULG U但但SgSg不是常数：不是常数：dLdGSpgLSUIGgppGUUGLSUGUGIIIdgdpdp)(流过光敏电阻的亮电流流过光敏电阻的亮电流2.2.光谱特性光谱特性1 1硫化镉单晶硫化镉单晶2 2硫化镉多晶硫化镉多晶3 3硒化镉单晶硒化镉单晶4 4硫化镉与硒化镉硫化镉与硒化镉 混合多晶混合多晶 对红外光对红外光灵敏的灵敏的 光敏电阻光敏电阻 对可见光灵敏对可见光灵敏的光敏电阻的光敏电阻 3.3.频率特性频率特性光敏电阻在一定的光敏电阻在一定的光照下阻值稳定。光照下阻值稳定。 它因高度的

26、稳定性它因高度的稳定性 而广泛地运用在而广泛地运用在 自动化技术中。自动化技术中。光敏电阻的频率特性差，光敏电阻的频率特性差，不适于接纳高频光信号。不适于接纳高频光信号。4.4.伏安特性伏安特性1 1硒；硒； 2 2硫化镉硫化镉3 3硫化铊；硫化铊；4 4硫化铅硫化铅5.5.温度特性温度特性光敏电阻的特性参数受温度的影响较大，而且光敏电阻的特性参数受温度的影响较大，而且这种变化没有规律。在要求高的安装中，必需这种变化没有规律。在要求高的安装中，必需采用冷却安装。采用冷却安装。 6.6.前历效应前历效应暗态前历效应暗态前历效应 亮态前历效应亮态前历效应 7.7.噪声噪声在红外探测中，在红外探测中

27、，采用光调制技术，采用光调制技术，8008001000HZ1000HZ时时可以消除可以消除1/f1/f噪噪声和产生声和产生- -复合复合噪声。噪声。 光敏电阻优点：光敏电阻优点： 光谱呼应范围相当宽。 任务电流大，达数毫安。既可测弱光，也可测强光。既可测弱光，也可测强光。 灵敏度高。 偏置电压低，无极性之分，运用方便。偏置电压低，无极性之分，运用方便。三、光敏电阻的偏置电路三、光敏电阻的偏置电路1.1.根本偏置电路根本偏置电路bGLUIRRLLbGLRUURRLGGGLRRRii微变等效电路微变等效电路 为了使光敏电阻正常任务，为了使光敏电阻正常任务，必需正确选择必需正确选择UbUb、RLRL。MPIUP