光電探測器資料

1、第4講 光電探測器廣學 明德(mn d) 海納 厚為共八十四頁光輻射探測器熱電探測器光子(gungz)探測器真空(zhnkng)光電器件半導體光電器件熱電偶和熱電堆熱敏電阻熱釋電探測器真空光電管光電倍增管充氣光電管光敏電阻光電池光電二極管光電三極管共八十四頁熱電探測器特點：響應波長無選擇性，它對從可見光到遠紅外的各種波長的輻射同樣敏感(mngn)。響應慢，吸收輻射產生信號需要的時間長，一般在幾毫秒以上。光電探測器特點：響應波長有選擇性，存在(cnzi)某一截止波長0，超過此波長，器件沒有響應。 響應快，一般在納秒到幾百微秒。共八十四頁 光電成像器件(qjin) 光電成象器件是指能夠輸出圖象(t

2、 xin)信息的一類器件，例如使不可見光圖象變?yōu)榭梢姽鈭D象的器件，使光學圖象變?yōu)殡娨曅盘柕钠骷?。共八十四頁共八十四?光電探測器件是利用(lyng)物質的光電效應把光信號轉換成電信號的器件。它是光電系統(tǒng)的核心組成部分，在光電系統(tǒng)中的作用是發(fā)現信號、測量信號，并為隨后的應用提取某些必要的信息。第4講 光電探測器共八十四頁1.響應(xingyng)度（或靈敏度) 光電探測器的輸出電壓或輸出電流(或光電導)與入射光功率(或光照度)之比，它描述器件的光電轉換效能。第一節(jié)、基本(jbn)特性參數一、響應方面的參數共八十四頁光譜響應度 光電探測器的輸出電壓或輸出電流(dinli)與入射到探測器上的單色輻

3、射通量之比，光譜響應度愈大，表示光電探測器愈靈敏。 共八十四頁積分(jfn)響應度 光電探測器輸出的電流或電壓與入射總光通量之比稱為積分響應度。積分靈敏度表示探測器對連續(xù)輻射通量的反應程度。共八十四頁2響應時間 當入射輻射(fsh)到光電探測器后或入射輻射(fsh)遮斷后，光電探測器的輸出上升到穩(wěn)定值或下降到照射前的值所需時間稱為響應時間。上升時間和下降時間共八十四頁3頻率響應 光電探測器的響應(xingyng)隨入射輻射的調制頻率而變化的特性稱為頻率響應(xingyng)。共八十四頁二、噪聲(zoshng)方面的參數 從響應度的定義來看，好象只要有光輻射存在，不管它的功率如何小，都可探測出來

4、。但事實并非如此。當入射功率很低時，輸出只是些雜亂無章的變化信號，而無法肯定(kndng)是否有輻射入射在探測器上。這并不是探測器不好引起的，而是它所固有的“噪聲”引起的。如果對這些隨時間而起伏的電壓(流)按時間取平均值，則平均值等于零。但這些值的均方根不等于零，這個均方根電壓(流)稱為探測器的噪聲電壓(流)。共八十四頁熱噪聲： 也稱約翰遜噪聲(zoshng)， 載流子無規(guī)則的熱運動造成的噪聲(zoshng)。熱噪聲存在于任何電阻中。 熱噪聲與溫度成正比。 熱噪聲與頻率無關。熱噪聲是各種頻率分量組成，就像白光是各種波長的光組成一樣，所以(suy)熱噪聲也稱為白噪聲。1、器件的噪聲共八十四頁散粒

5、噪聲： 也稱散彈噪聲， 穿越勢壘的載流子的隨機漲落（統(tǒng)計起伏(qf)）所造成的噪聲。在每個時間間隔內，穿過勢壘區(qū)的載流子的數或從陰極到陽極的電子數都圍繞一平均值上下起伏(qf)。散粒噪聲也是白噪聲。產生復合噪聲： 載流子的產生率與復合率在某個時間間隔內也會在平均值上下起伏，這種起伏導致載流子濃度(nngd)的起伏，從而也產生均方噪聲電流。它不是白噪聲。 共八十四頁 1/f 噪聲(閃爍噪聲或低頻噪聲）： 由于光敏層的微粒不均勻或不必要的微量雜質的存在，當電流流過時在微粒間發(fā)生微火花放電而引起(ynq)的微電爆脈沖稱為1/f 噪聲。 頻率越低，這種噪聲越大，所以也稱為低頻(dpn)噪聲，它是屬于“

6、紅”噪聲。共八十四頁2、噪聲(zoshng)參數：信噪比(SN) ： 信噪比是判定噪聲大小通常使用的參數。它是在負載電阻RL上產生的信號(xnho)功率與噪聲功率之比，即若用分貝(dB)表示，則為共八十四頁 利用SN評價兩種光電探測器性能時，必須在信號輻射功率相同的情況下才能比較。 但對單個光電探測器，其SN的大小與入射信號輻射功率及接收面積(min j)有關。如果入射輻射強，接收面積(min j)大，SN就大，但性能不一定就好。因此用SN評價器件有一定的局限性。共八十四頁等效噪聲輸入(ENl) ： 它定義為器件在特定帶寬內(1Hz)產生的均方根信號電流恰好等于均方根噪聲電流值時的輸入通量，此

7、時，其他參數(cnsh)，如頻率溫度等應加以規(guī)定。這個參數(cnsh)是在確定光電探測器件的探測極限 (以輸入通量為瓦或流明表示)時使用。 噪聲等效功率(NEP)： 或稱最小可探測功率Pmin。它定義(dngy)為信號功率與噪聲功率之比為1(即SN=1)時，入射到探測器上的輻射通量(單位為瓦)。即共八十四頁探測率D ： 只用NEP無法比較兩個不同來源(liyun)的光探器的優(yōu)劣。為此，引入兩個新的性能參數探測率D和比探測率D*。探測率D定義為NEP（噪聲等效功率）的倒數，即 顯然，D愈大，光電探測器的性能就愈好。探測率D所提供的信息與NEP一樣(yyng)，也是一項特征參數。不過它所描述的特性

8、是：光電探測器在它的噪聲電平之上產生一個可觀測的電信號的本領，即光電探測器能響應的入射光功率越小，則其探測率越高。共八十四頁歸一化探測率D* ： 為了在不同帶寬內對測得的不同的光敏面積的光電探測器件進行(jnxng)比較，使用了歸一化探測率（比探測率）D*。暗電流Id ： 即光電探測器在沒有輸入(shr)信號和背景輻射時所流過的電流(加電源時)。一般測量其直流值或平均值。 共八十四頁1、量子效率() ： 在某一特定(tdng)波長上每秒鐘內產生的光電子數與入射光量子數之比。 一般(ybn)()反映的是入射輻射與最初的光敏面的相互作用。若()1（理論上），則入射一個光量子就能發(fā)射一個電子或產生一

9、對電子孔穴對。實際上()410nm的可見光來說，很難產生光電發(fā)射，量子效率低；金屬材料是否滿足良好(lingho)的光電發(fā)射材料的條件？共八十四頁半導體材料是否滿足良好(lingho)的光電發(fā)射材料的條件？光吸收系數比金屬大；體內自由電子少，散射能量變小(bin xio)故量子效率比金屬大；光發(fā)射波長延伸至可見光、近紅外波段。 70年代后期，發(fā)展了負電子親和勢（NEA）光電陰極，長波可至1.6m。共八十四頁 (1)使光電陰極發(fā)射的光電子盡可能全部會聚(huj)到第一倍增極上，而將其他部分的雜散電子散射掉，提高信噪比； (2)使陰極面上各處發(fā)射的光電子在電子光學系統(tǒng)中有盡可能相等的渡越時間，以保

10、證光電倍增管的快速響應。光電陰極聚焦極3電子光學(din z un xu)系統(tǒng)共八十四頁 倍增系統(tǒng)(xtng)是由許多倍增極組成的綜合體，每個倍增極都是由二次電子倍增材料構成，具有使一次電子倍增的能力。因此倍增系統(tǒng)(xtng)是決定整管靈敏度最關鍵的部分。4二次發(fā)射倍增(bi zn)系統(tǒng)共八十四頁 陽極是采用金屬網作的柵網狀結構，把它置于靠近最末一級倍增極附近，用來收集最末一級倍增極發(fā)射出來(ch li)的電子。光入射窗口光電陰極電子光學輸入系統(tǒng)二次發(fā)射電子倍增器陽極5陽極(yngj)共八十四頁1、光子(gungz)透過入射窗入射到光電陰極K上。2、光電陰極的電子受光子激發(fā)，離開(l ki)表

11、面發(fā)射到真空中。3、光電子通過電場加速和電子光學系統(tǒng)聚焦入射到第一倍增極D1上，倍增極發(fā)射出比入射電子數目更多的二次電子。入射電子經N級倍增后，光電子就放大N次。4、經過倍增后的二次電子由陽極a收集起來，形成陽極光電流，在負載RL上產生信號電壓。工作原理共八十四頁、基本(jbn)特性參數1光譜響應(xingyng)度 PMT的光譜響應曲線與光電陰極的相同，主要取決于光電陰極材料的性質。共八十四頁2放大倍數(電流增益) 在一定工作電壓下，光電倍增管的陽極電流與陰極電流之比稱為(chn wi)管子的放大倍數M或電流增益G。3.暗電流 它限制(xinzh)了可測直流光通量的最小值，同時也是產生噪聲的

12、重要因素，是鑒別管子質量的重要參量。應選取暗電流較小的管子。共八十四頁4.伏安特性 光電倍增管的伏安特性曲線分為陰極伏安特性曲線與陽極伏安特性曲線。在電路設計時，一般使用(shyng)陽極伏安特性曲線來進行負載電阻、輸出電流、輸出電壓的計算。共八十四頁5. 頻率響應(pn l xin yn) 由于PMT是光電發(fā)射型器件，而光電發(fā)射的延遲時間31013S，所以PMT有很高的頻率響應。6.噪聲 主要來源是光電陰極、光電發(fā)射的隨機性和各倍增極二次電子發(fā)射的隨機性，同時(tngsh)也與背景光或信號光中的直流分量有關。共八十四頁、PMT的供電(n din)電路 倍增管各電極要求直流供電(n din)，

13、從陰極開始至各級的電壓要依次升高，一般多采用電阻鏈分壓辦法來供電。一般情況下，各級間電壓均相等，約80V100V，總電壓約1KV1.3KV。共八十四頁 使用前應了解器件的特性。真空光電器件的共同特點是靈敏度高、惰性小、供電電壓高、采用玻璃外殼、抗震性差。 使用時不宜用強光照。光照過強時，光電線性會變差而且容易使光電陰極疲勞（輕度疲勞經一段時間可恢復，重度疲勞不能恢復），縮短壽命。 工作電流不宜過大。工作電流大時會燒毀陰極面，或使倍增級二次電子發(fā)射系數下降，增益降低，光電線性變差，縮短壽命。 用來測量交變光時，負載電阻不宜很大，因為負載電阻和管子的等效電容一起構成電路的時間常數(sh jin c

14、hn sh)，若負載電阻較大，時間常數(sh jin chn sh)就變大，頻帶將變窄。6）使用(shyng)注意事項共八十四頁一、光敏電阻(un mn din z)第三節(jié)、半導體光電檢測(jin c)器件1. 結構共八十四頁 本征型半導體光敏電阻(un mn din z)、摻雜型半導體光敏電阻2. 分類(fn li)共八十四頁 當入射光子使電子由價帶越升到導帶時，導帶中的電子和價帶中的空穴均參與導電，因此電阻(dinz)顯著減小，電導增加。若連接電源和負載電阻(dinz)，即可輸出電信號。3. 工作(gngzu)原理 共八十四頁 優(yōu)點：靈敏度高，工作電流大（達數毫安） ，光譜響應范圍寬，所測

15、光強范圍寬，無極性之分。 缺點：響應時間(shjin)長，頻率特性差，強光線性差，受溫度影響大。 主要用于紅外的弱光探測與開關控制。4. 特性(txng)共八十四頁5. 典型連接(linji)電路共八十四頁例子(l zi)路燈(ldng)自動點熄原理圖如圖所示，分析它的工作原理。共八十四頁 它是利用光生伏特效應制成的將光能轉換成電能的器件。它是一種不需加偏壓(pin y)就能把光能直接轉換成電能P-N結光電器件。 按用途可分成太陽能光電池和光電檢測光電池。二、光電池共八十四頁 在P（N）型硅作基底，然后(rnhu)在基底上擴散N（P）型半導體作為受光面。構成P-N結后，再經過各種工藝處理，分別

16、在基底和光敏面上制作輸出電極，涂上二氧化硅作保護膜，即成光電池。1. 結構(jigu)共八十四頁 當光照到PN結表面(biomin)時，如果光子能量足夠大，就將在PN結附近激發(fā)電子空穴對，在PN結內電場作用下，N區(qū)的光生空穴拉向P區(qū)，P區(qū)的光生電子拉向N區(qū)，結果在N區(qū)聚集了電子，P區(qū)聚集了空穴，這樣在N區(qū)和P區(qū)之間產生了電勢差。2. 工作(gngzu)原理共八十四頁 光電檢測光電池具有光敏面積大，頻率響應高，光電流隨照度線性變化。 太陽能光電池耐輻射，轉換效率高，成本低，體積小，結構簡單、重量輕、可靠性高、壽命長，在空間能直接(zhji)利用太陽能轉換成電能的特點。3. 特點(tdin)共八十

17、四頁符號(fho) 連接電路 等效電路4. 符號及典型連接(linji)電路共八十四頁三、光敏二極管1. 結構(jigu)共八十四頁共同點：一個PN結，單向導電性不同點： 受光面大，PN結面積更大，PN結深度較淺； 表面有防反射的SiO2保護層； 外加(wiji)負偏壓；與普通(ptng)二極管相比:共八十四頁共同點：均為一個PN結，利用光生伏特效應，SiO2保護膜；不同點： 結面積比光電池的小，頻率特性好； 光生電勢與光電池相同，但電流(dinli)比光電池??； 可在零偏壓下工作，更常在反偏壓下工作；與光電池相比(xin b)：共八十四頁無光照時，只有(zhyu)熱效應引起的暗電流流過PN結

18、；光照時，產生附加的光生(un shn)載流子，使流過PN結的電流驟增；反向電壓增加了耗盡層的寬度和結電場，使更多的光生載流子流過PN結。2. 工作原理 共八十四頁a) 不加外電源(dinyun) b) 加反向外電源 c) 2DU環(huán)極接法環(huán)極接法的作用(zuyng)：克制由于SiO2保護膜中的雜質正離子靜電感應。消除表面漏電流，減少暗電流和噪聲。3. 光電二極管的典型連接電路共八十四頁光譜(gungp)響應4. 特性(txng)參數共八十四頁光照(gungzho)特性隨著入射光功率的變強，則同一反向(fn xin)電壓下的光電流也變大。入射光功率不變時，反向電壓加到某一電壓后，光電流幾乎不隨反

19、向電壓的變化而變化。共八十四頁頻率響應(pn l xin yn)光生載流子在薄層中的擴散時間及PN結中的漂移時間（載流子的渡越時間）；結電容(dinrng)和雜散電容(dinrng)（ RC時間常數）； 它是半導體光電器件中頻率響應最好的器件之一，頻率響應與下列因素有關：共八十四頁無論是光生載流子向結區(qū)擴散，還是結電場中載流子的漂移，它們都有一定的馳豫時間，這個馳豫時間影響光敏器件的頻率響應。對于擴散型二極管主要馳豫時間為光生載流子向結區(qū)擴散時間。對于耗盡層型二極管主要馳豫時間為光生少子在結區(qū)的漂移時間。對于不同波長(bchng)的光，器件也有不同的頻率響應。波長(bchng)越長的光在較深處

20、被吸收，產生的少數載流子遠離PN結，需較長的擴散時間。而較短波長的光在靠近表面處被吸收，產生的少數載流子離PN結很近，擴散時間短。所以耗盡層型優(yōu)于擴散型光敏二極管。載流子的渡越時間(shjin)共八十四頁溫度(wnd)特性由于反向飽和電流對溫度的強烈(qin li)依賴性，光敏二極管的暗電流對溫度的變化非常敏感。共八十四頁PIN管 它的結構特點是，在P型半導體和N型半導體之間夾著一層（相對）很厚的本征半導體。這樣，PN結的內電場就基本上全集中(jzhng)于I層中，從而使PN結雙電層的間距加寬，結電容變小。幾種(j zhn)特殊的光敏二極管共八十四頁 這種管子最大的特點是頻帶寬，可達10GHz

21、。 另一個特點是，線性輸出范圍寬。 所不足的是，I層電阻很大，管子的輸出電流小，一般多為零點幾微安至數微安。目前有將PIN管與前置運算放大器集成在同一(tngy)硅片上并封裝于一個管殼內的商品出售。共八十四頁雪崩光電二極管 雪崩光電二極管是利用PN結在高反向(fn xin)電壓下產生的雪崩效應來工作的一種二極管。共八十四頁 特點：工作電壓很高，約100V200V，接近(jijn)于反向擊穿電壓。 有很高的內增益，可達到幾百。 響應速度特別快，帶寬可達100GHz，是目前響應速度最快的一種光電二極管。 缺點：噪聲大。共八十四頁四、光敏三極管結構(jigu) 符號(fho)共八十四頁工作(gngz

22、u)原理共八十四頁 特點：光電晶體管的靈敏度比光電二極管高，輸出電流也比光電二極管大，多為毫安級。 缺點：它的光電特性不如光電二極管好，在較強的光照下，光電流與照度不成線性關系。所以(suy)光敏三極管多用來作光電開關元件或光電邏輯元件。共八十四頁五、陣列式或象限(xingxin)式結型光電器件 利用集成電路技術使兩個(lin )至幾百個光電二極管或光電池排成一行，集成在一塊集成電路片子上，即成為陣列式的一維光電器件，也可以使光電二極管或光電池制成象限式的二維光電器件。 這兩種器件中，襯底是共用的，而各光敏元都是獨立的，分別有各自的前極引出線。1.結構共八十四頁 就目前的應用看，兩個并列的光電

23、二極管或光電池，可用來辨別光點移動的方向。 24個并列的光敏元，可用來收集光點移動的相位信息。 幾十個至幾百個或更多并列的光敏元，可用來攝取光學圖象或用作空間頻譜分析。 象限式光電器件可用來確定光點在二維平面上的位置(wi zhi)坐標。多用于準直、定位、跟蹤或頻譜分析等方面。 這種器件的特點是，光敏元件密集度大，總尺寸小，容易作到各單元多數(dush)一致，便于信號處理。2.特點3. 應用共八十四頁六、光電位置(wi zhi)探測器（PSD） PSD是利用(lyng)離子注入技術制成的一種可確定光的能量中心位置的結型光電器件，有一維的和二維的兩種。 當入射光是一個小光斑，照射到光敏面時，其輸

24、出則與光的能量中心位置有關。這種器件和象限光電器件比較，其特點是，它對光斑的形狀無嚴格要求，光敏面上無象限分隔線，對光斑位置可連續(xù)測量。共八十四頁一、接受光信號(xnho)的方式光信號(xnho)的有無：被測對象造成投射到光電器件上的光信號截斷或通過。如光電開關、光電報警等。這時光電器件不考慮線性，而要考慮靈敏度。第四節(jié)、各種光電檢測器件的性能比較和應用選擇共八十四頁光信號的色度差異：當被測對象本身光輻射的色溫存在差異或表面(biomin)顏色變化時，必須選擇合適的光譜特性的光電器件。光信號的幅度大小：當被測對象因對光的反射率、透過率或是被測對象本身光輻射的強度變化，此時光信號幅度大小亦改變。

25、為準確測出幅度大小的變化，必須(bx)選用線性好、響應快的器件，如PMT或光電二極管。光信號按一定頻率交替變化：這種光信號的輸入是有一定頻率的，必須使所選器件的上限截止頻率大于輸入信號的頻率才能測出輸入信號的變化。共八十四頁二、各種光電器件的性能(xngnng)比較 波長響應范圍（nm）輸出電流光電特性直線性動態(tài)特性受光面積穩(wěn)定性外形尺寸價格短波峰值長波頻率響應上升時間光電管紫外紅外小好好0.1s大良大高光電倍增管紫外紅外小最好最好0.1s大良大最高光敏電阻CdS400640900大差差0.21ms大一般中低光敏電阻CdSe3007501220大差差0.210ms大一般中低光電池Si40080

26、01200最大好良0.5100s最大最好中中光電池Se350550700中好差1ms最大一般中中光電二極管4007501000最小好最好2s以下小最好最小低光電三極管同上小較好良2100s小良小低共八十四頁在動態(tài)特性（即頻率響應與時間響應）方面，以光電倍增管和光電二極管（尤其是PIN管與APD管）為最好；在光電特性（即線性）方面，以光電倍增管、光電二極管和光電池為最好；在靈敏度方面，以光電倍增管、雪崩(xubng)光電二極管、光敏電阻和光電三極管為最好。共八十四頁靈敏度高不一定就是輸出電流大，而輸出電流大的器件有大面積光電池、光敏電阻、雪崩光電二極管和光電三極管；外加偏置(pin zh)電壓最低的是光電二極管、光電三極管，光電池不需外加偏置；在暗電流方面，光電倍增管和光電二極管最小，光電池不加偏置時無暗電流，加反向偏置后暗電流也比光電倍增管和光電二極管大；共八十四頁長期工作(gngzu)的穩(wěn)定性方面，以光電二極管、光電池為最好，其次是光電倍增管與光電三極管；在光