《光辐射探测器》PPT课件.ppt

第三章第三章光光辐射探射探测器器3.13.1光光辐射探射探测器的理器的理论基基础 光光热效效应光光电效效应3.23.2光光热探探测器器3.33.3光光电探探测器器光光电导器件器件结型光型光电器件器件光光电发射器件射器件引言一一.概念概念光辐射探测技术光辐射探测技术光辐射探测技术光辐射探测技术：把被调制的光信号转换成电信：把被调制的光信号转换成电信号并将信息提取出来的技术号并将信息提取出来的技术光探测过程可以形象地称为光频解调。光探测过程可以形象地称为光频解调。光电探测器光电探测器光电探测器光电探测器：对对各种光各种光各种光各种光辐辐射射射射进进行接收和探行接收和探行接收和探行接收和探测测的器的器的器的器件件件件光光电探探测器器光光辐射量射量电量量热 探探 测 器器光子探光子探测器器光电倍增管光电倍增管二二.历史历史:1873年:Smith,May:发现光电效应 Simens:光电池1909年：Richtmeyer:奠定光电管的基础1933年：Zworkyn:发明光电摄像管1950年：Weimer:制出光导摄像管1970年：Boyle:发明CCD探探测器件器件热电探探测元件元件光子探光子探测元件元件气体光气体光电探探测元件元件三、分三、分类外光外光电效效应内光内光电效效应非放大型非放大型放放 大大 型型光光电导探探测器器光磁光磁电探探测器器光生伏特探光生伏特探测器器真空光真空光电管管充气光充气光电管管光光电倍增管倍增管像增像增强器器摄像管像管变像管像管本征型本征型光敏光敏电阻阻掺杂型型红外探外探测器器非放大非放大放大型放大型光光电池池光光电二极管二极管光光电三极管三极管光光电场效效应管管雪崩型光雪崩型光电二极管二极管3.13.1光光辐射探射探测器的器的理理论基基础光光辐射探射探测器的物理效器的物理效应主要是主要是光光热效效应和和光光电效效应。3.1.13.1.1光光热效效应当光照射到理想的黑色吸收体上当光照射到理想的黑色吸收体上时，黑体将黑体将对所有波所有波长的光能量全部吸收，的光能量全部吸收，并并转换为热能，称能，称为光光热效效应。热能增大，能增大，导致吸收体的物理、机械性能致吸收体的物理、机械性能变化，如：化，如：温度、体温度、体积、电阻、阻、热电动势等等，通通过测量量这些些变化可确定光能量或光功率的化可确定光能量或光功率的大小，大小，这类器件器件统称称为光光热探探测器。器。光光热探探测器器对光光辐射的响射的响应有两个有两个过程：程：器件吸收光能量使自身温度器件吸收光能量使自身温度发生生变化化 把温度把温度变化化转换为相相应的的电信号信号 共性共性个性个性光光热探探测器的最大特点是：器的最大特点是：1 1、从紫外到、从紫外到40m40m以上以上宽波段范波段范围，其响，其响应灵敏度灵敏度与光波波与光波波长无关，无关，原原则上上是是对光波光波长无无选择性探性探测器。器。2 2、受受热时间常数的制常数的制约，响，响应速度速度较慢慢。应用：应用：在在红外波段上，材红外波段上，材料吸收率高，光料吸收率高，光热效应也就更强热效应也就更强烈，所以广泛用烈，所以广泛用于对红外线辐射于对红外线辐射的探测。的探测。探探测器遵从的器遵从的热平衡方程：平衡方程：设入射光的表达式入射光的表达式为：代入代入热平衡方程，平衡方程，得到：得到：解得：解得：器件的平均温升器件的平均温升 器件随器件随频率率的交的交变温升温升 式中，式中，是器件的是器件的热时间常数。常数。表明器件温升滞后于表明器件温升滞后于辐射功率的射功率的变化。化。因此，因此，光光热探探测器常用于低器常用于低频调制制辐照照场合。合。设计时应尽力降低器件的尽力降低器件的热时间常数，常数，主要是减少器件的主要是减少器件的热容量。容量。3.1.23.1.2光光电效效应光光电效效应是物是物质在光的作用下在光的作用下释放出放出电子的物理子的物理现象。象。分分为:光光电导效效应光伏效光伏效应光光电发射效射效应 3.1.2.13.1.2.1半半导体中的体中的载流子流子载流子流子:能参与能参与导电的自由的自由电子和自由空穴。子和自由空穴。载流子流子浓度度:单位体位体积内的内的载流子数流子数。I:I:N:N:P:P:室温下室温下（施主（施主浓度）度）全全电离离时（受主（受主浓度）度）一、一、热平衡状平衡状态下的下的载流子流子浓度度由（）式，由（）式，可得出：可得出：上式表明：上式表明：禁禁带愈小，温度升高，愈小，温度升高，npnp就愈大，就愈大，导电性愈好。性愈好。在本征半在本征半导体中，体中，平衡平衡态判据判据 则有有可得出，少子可得出，少子浓度：度：二、非平衡状二、非平衡状态下的下的载流子流子 半半导体受光照、外体受光照、外电场作用，作用，载流子流子浓度度就要就要发生生变化，化，这时半半导体体处于非平衡于非平衡态。载流子流子浓度度对于于热平衡平衡时浓度的增量，度的增量，称称为非平衡非平衡载流子。流子。半半导体材料吸收光子能量而体材料吸收光子能量而转换成成电能是能是光光电器件工作的基器件工作的基础。1.1.半半导体体对光的吸收光的吸收l本征吸收本征吸收 或或为长波限。波限。l杂质吸收吸收 电离能离能 半半导体体对光的吸收主要是本征吸收光的吸收主要是本征吸收 2.2.光生光生载流子流子半半导体受光照射而体受光照射而产生的非平衡生的非平衡载流子。流子。约为10101010cmcm-3-3;多子多子浓度度约为 少子少子浓度度约为 而而热平衡平衡时，可可见，一切半一切半导体光体光电器件器件对光的响光的响应都是少子的行都是少子的行为。载流子的复合：流子的复合：电子子-空穴空穴对消失。只要有消失。只要有自由的自由的电子和空穴，复合子和空穴，复合过程就存在。程就存在。直接复合直接复合间接复合接复合 光生光生载流子的寿命流子的寿命 光生光生载流子的平均生存流子的平均生存时间复合率：复合率：单位位时间内内载流子流子浓度减少量：度减少量：三、三、载流子的流子的扩散与漂移散与漂移1.1.扩散散载流子因流子因浓度不均匀而度不均匀而发生的定向运生的定向运动。2.2.漂移漂移载流子受流子受电场作用所作用所发生的运生的运动。欧姆定律的微分形式欧姆定律的微分形式 对于于电子子电流流 同理，同理，对于空穴于空穴电流有流有漂移漂移电流密度矢量流密度矢量 3.1.2.23.1.2.2光光电导效效应半半导体材料受光照体材料受光照,吸收光子引起吸收光子引起载流流子子浓度增大，从而材料的度增大，从而材料的电导率增大。率增大。一、稳态光光电导与光与光电流流暗暗态下下 亮亮态下下 光光电导 光光电流流 定定义光光电导增益增益 电子在两极子在两极间的渡越的渡越时间 如果定如果定义 则有有以上分析，以上分析，对光敏光敏电阻的阻的设计和和选用用很有指很有指导意意义。二、响二、响应时间光光电导张驰过程程 非平衡非平衡载流子的流子的产生与复合都不生与复合都不是立即完成的，是立即完成的，需要一定的需要一定的时间。1.半半导体材料受体材料受阶跃光照：光照：受光受光时t=0t=0时，停光停光时t=0t=0时,（光照下的（光照下的稳态值）光光电导张驰过程的程的时间常数就是常数就是载流子的寿命流子的寿命2.2.半半导体材料受正弦型光照体材料受正弦型光照（即正弦（即正弦调制光）制光）:可得出可得出当当 上限截止上限截止频率率带宽光光电导增益与增益与带宽之之积为一常数：一常数：这一一结论有一定的普遍性：有一定的普遍性：它表示材料的光它表示材料的光电灵敏度灵敏度与与频率率带宽是相互制是相互制约的。的。3.1.2.33.1.2.3光伏效光伏效应光照射到半光照射到半导体体PNPN结上，光子在上，光子在结区激区激发出出电子子-空穴空穴对。P P区、区、N N区两端区两端产生生电位差位差光光电动势 一、一、热平衡状平衡状态下的下的PNPN结由第一章已知，在由第一章已知，在热平衡状平衡状态下，由于下，由于自建自建场的作用，的作用，PNPN结能能带发生弯曲。生弯曲。由式（）、（）可得出由式（）、（）可得出 在室温下，在室温下，得出得出在一定温度下，在一定温度下，PNPN结两两边的的掺杂浓度愈高，度愈高，材料的禁材料的禁带愈愈宽，U UD D愈大。愈大。以上两式表明：以上两式表明：PNPN结两两边少数少数载流子流子与多数与多数载流子之流子之间的关系。的关系。热平衡状平衡状态下，下，PNPN结中漂移运中漂移运动等于等于扩散运散运动，净电流流为零。零。当在当在PNPN结两端外加两端外加电压U U，使，使势垒高度由高度由qUqUD D变为q(Uq(UD DU)U)，引起多数引起多数载流子流子扩散散时，少数，少数载流子流子产生增量生增量n np p、p pn n，有关系式：有关系式：扩散散电流流密度密度 则流流过PNPN结的的电流密度流密度为PNPN结电流方程流方程为PNPN结导电特性：特性：正向偏置，正向偏置，电流随着流随着电压的增加急的增加急剧上升。上升。反向偏置，反向偏置，电流流为反向反向饱和和电流流。热平衡状平衡状态，I=0I=0二、光照下的二、光照下的PNPN结产生生电子子-空穴空穴对。在自建在自建电场作用下，作用下，光光电流流I I的方向与的方向与I I0 0相同。相同。光照下光照下PNPN结的的电流方程流方程为短路短路(R(RL L0)0)情况情况,U=0,U=0 短路短路电流流为光照下光照下PNPN结的两个重要参量的两个重要参量:开路开路(R(RL L)情况情况,I=0I=0开开路路电压为3.1.2.43.1.2.4光光电发射效射效应光照到某些金属或半光照到某些金属或半导体材料上，体材料上，若若入射的光子能量足入射的光子能量足够大，致使大，致使电子从子从材料中逸出，材料中逸出，称称为光光电发射效射效应，又，又称称外光外光电效效应。爱因斯坦定律因斯坦定律 当当hhW，对应的光波的光波长为阈值波波长或或长波限。波限。金属材料的金属材料的电子逸出功子逸出功 W 从从费米能米能级至真空能至真空能级的能量差。的能量差。半半导体材料的体材料的电子逸出功子逸出功 良好的光良好的光电发射体，射体，应该具具备的基本条件：的基本条件：光吸收系数大；光吸收系数大；光光电子逸出深度大子逸出深度大；表面表面势垒低低。金属光金属光电发射的量子效率都很低射的量子效率都很低,且大多数金属且大多数金属的光的光谱响响应都在紫外或都在紫外或远紫外区。紫外区。半半导体光体光电发射的量子效率射的量子效率远高于金属：高于金属：光光电发射的射的过程是体程是体积效效应，表面能，表面能带弯曲降低了弯曲降低了电子子逸出功，逸出功，特特别是是负电子子亲和和势材料材料(NEA)(NEA)。P P型型SiSi的光的光电子需克服的有效子需克服的有效亲和和势为由于能由于能级弯曲，使弯曲，使这样就形成了就形成了负电子子亲和和势。正正电子子亲和和势材料的材料的阈值波波长 负电子子亲和和势材料的材料的阈值波波长 从而光从而光谱响响应可可扩展到展到可可见、红外区。外区。3.1.33.1.3光探光探测器的噪声器的噪声光探光探测器在光照下器在光照下输出的出的电流或流或电压信号信号是在平均是在平均值上下随机起伏，即含有噪声。上下随机起伏，即含有噪声。用均方噪声用均方噪声表示噪声表示噪声值的大小。的大小。噪声的功率噪声的功率谱表示噪声功率随表示噪声功率随频率的率的变化关系。化关系。光探光探测器中固有噪声主要有：器中固有噪声主要有：热噪声、散粒噪声、噪声、散粒噪声、产生生-复合噪声、复合噪声、1/f1/f噪声、噪声、温度噪声。温度噪声。1、热噪声噪声热噪声存在于任何噪声存在于任何导体与半体与半导体中，是由于体中，是由于载流子的流子的热运运动而引起的随机起伏。而引起的随机起伏。热噪声属于白噪声，噪声属于白噪声，降低温度和通降低温度和通带，可减少噪声功率。可减少噪声功率。二、散粒噪声二、散粒噪声在光子在光子发射、射、电子子发射、射、电子流中存在的随机起伏子流中存在的随机起伏。散粒噪声也属于白噪声。散粒噪声也属于白噪声。三、三、产生生-复合噪声复合噪声在半在半导体器件中，体器件中，载流子不断地流子不断地产生生-复合，复合，使得使得载流子流子浓度存在随机起伏。度存在随机起伏。四、四、1/f1/f噪声噪声是一种低是一种低频噪声，几乎所有探噪声，几乎所有探测器中都存在。器中都存在。多数器件的多数器件的1/f1/f噪声在噪声在200200300Hz300Hz以上以上已衰减已衰减为很低水平。很低水平。五、温度噪声五、温度噪声在光在光热探探测器中，由于器件本身吸收和器中，由于器件本身吸收和传导等等热交交换引起的温度起伏。引起的温度起伏。低低频时 也具有白噪声性也具有白噪声性质。光光电探探测器器噪声功率噪声功率谱综合示意合示意图3.1.43.1.4光探光探测器的性能参数器的性能参数一、光一、光电特性和光照特性特性和光照特性光光电流流I,I,大小大小为微安微安级或毫安或毫安级。光光电特性特性 光照特性光照特性 线性度很重要。性度很重要。二、光二、光谱特性特性光光谱特性决定于光特性决定于光电器件的材料。器件的材料。光光谱特性特性对选择光光电器件和光源有重要器件和光源有重要意意义，应尽量使二者的光尽量使二者的光谱特性匹配。特性匹配。光光电器件的灵敏度（响器件的灵敏度（响应率）率）光光谱灵敏度灵敏度积分灵敏度分灵敏度 积分灵敏度不但与探分灵敏度不但与探测器有关，而且器有关，而且与采用的光源有关。与采用的光源有关。三、等效噪声功率和探三、等效噪声功率和探测率率等效噪声功率等效噪声功率 探探测器的最小可探器的最小可探测功率功率（噪声功率水平）（噪声功率水平）等效噪声功率越小，等效噪声功率越小，说明探明探测器本身的器本身的噪声水平低，探噪声水平低，探测器的性能越好。器的性能越好。用探用探测率率D D作作为探探测器器探探测能力的指能力的指标:探探测率率D D表明探表明探测器探器探测单位入射位入射辐射射功率功率时的信噪比，其的信噪比，其值越大越好。越大越好。归一化等效噪声功率一化等效噪声功率为归一化探一化探测率率为在在给出出时，常要，常要标记出它出它们的的测量条件量条件 如如D D*(500K,800,50)(500K,800,50)。四、响四、响应时间与与频率特性率特性如同光如同光电导驰豫，光探豫，光探测器器对信号光信号光的响的响应表表现出惰性。出惰性。对于矩形光脉冲信号，于矩形光脉冲信号，其响其响应出出现上升沿上升沿和下降沿，和下降沿，响响应时间。对于正弦型于正弦型调制光，制光，响响应率随率随频率升高而降低率升高而降低。响响应时间越小，越小，频率特性越好。率特性越好。3.23.2光光热探探测器器3.2.13.2.1热敏敏电阻阻由由MnMn、NiNi、CoCo、CuCu氧化物或氧化物或GeGe、SiSi、InSbInSb等半等半导体做成的体做成的电阻器，阻器，其阻其阻值随温度而随温度而变化，称化，称为热敏敏电阻。阻。当它当它们吸收了光吸收了光辐射，温度射，温度发生生变化，化，从而引起从而引起电阻的阻阻的阻值相相应改改变，将引起回路将引起回路电流或流或电压的的变化，化，这样就可以探就可以探测入射光通量。入射光通量。正温度系数正温度系数 负温度系数温度系数3.2.23.2.2热释电探探测器器热释电探探测器探器探测率高，是光率高，是光热探探测器中器中性能最好的。性能最好的。一、工作原理一、工作原理基于基于热电晶体的晶体的热释电效效应。热电晶体晶体是是压电晶体中的一种，它具有自晶体中的一种，它具有自发极化的特性。极化的特性。存在宏存在宏观的的电偶极矩，偶极矩，面束面束缚电荷密度等于自荷密度等于自发极化矢量极化矢量P Ps s。当用当用斩波器波器调制入射光，制入射光，使矩形光脉使矩形光脉冲（周期小于冲（周期小于Q的平均寿命）作用到的平均寿命）作用到热热电电晶体表面的黑吸收晶体表面的黑吸收层层上，上，交交变的的T使使得晶体表面始得晶体表面始终终存在正比于入射光存在正比于入射光强强的的极化极化电电荷。荷。这种种现象称象称为热释电效效应。热释电探探测器只能探器只能探测调制和脉冲制和脉冲辐射。射。热释电器件的基本器件的基本结构构:是一个以是一个以热电晶体晶体为电介介质的平板的平板电容器，容器，P Ps s 的方向垂直于的方向垂直于电容容器的极板平面。器的极板平面。为热释电系数系数 二、基本二、基本电路路如果把如果把辐射通量射通量为的光照射到的光照射到热释电器件器件光敏面上，光敏面上，则其温升其温升为 由它引起由它引起热释电电量量变化化从而从而产生的生的电流流为输出出电压为电压响响应率率为，也等于零，即也等于零，即不能响不能响应恒定恒定辐射射。高高频时，响响应很差。很差。热释电探探测器器 适于接收低适于接收低频调制光，制光，约20H20HZ Z左右。左右。三、三、热释电器件的主要材料器件的主要材料常用的常用的热电晶体材料有：硫酸三甘晶体材料有：硫酸三甘肽（TGSTGS）钽酸酸锂（LiTaO3LiTaO3）等。）等。还有一些陶瓷材料如有一些陶瓷材料如钛锆酸酸铅（PZTPZT）等。）等。不不论哪种材料，都有一个特定温度，称居里温度。哪种材料，都有一个特定温度，称居里温度。只有低于居里温度，材料才有自只有低于居里温度，材料才有自发极化性极化性质。应使器件工作于离居里温度稍使器件工作于离居里温度稍远一点，一点，热释电系数系数变化化较平平稳的区段。的区段。热释电敏感元件都作成薄片敏感元件都作成薄片,以降低以降低热容量。薄片容量。薄片的两个面分的两个面分别有正有正负电极，受光面有黑化吸收极，受光面有黑化吸收层。为提高响提高响应率：率：3.33.3光光电探探测器器3.3.13.3.1光光电导器件器件典型的光典型的光电导器件是光敏器件是光敏电阻。阻。一、光敏、光敏电阻材料与阻材料与电阻阻结构构现在使用的光在使用的光电导材料有材料有-、-族化合物、硅、族化合物、硅、锗等，以及一些有机物。等，以及一些有机物。目前大都使用目前大都使用N N型半型半导体光敏体光敏电阻。阻。本征半本征半导体：体：掺杂半半导体：体：掺杂半半导体光敏体光敏电阻的阻的长波限大于本征半波限大于本征半导体体光敏光敏电阻，因而它阻，因而它对红外波段外波段较为敏感。敏感。光敏面作成蛇形，光敏面作成蛇形，电极作成梳状，极作成梳状，有利于提高灵敏度。有利于提高灵敏度。二、光敏二、光敏电阻阻的主要特性的主要特性1.1.光光电特性特性约为1 1；在在1 1之之间电阻阻结构构在弱光照下，在弱光照下，如如L100lxL100lxL100lx时，G GP PL L则为非非线性关系。性关系。为方便表达，仍可用关系式：方便表达，仍可用关系式：但但S Sg g不是常数：不是常数：流流过光敏光敏电阻的亮阻的亮电流流2.2.光光谱特性特性1 1硫化硫化镉单晶晶2 2硫化硫化镉多晶多晶3 3硒化硒化镉单晶晶4 4硫化硫化镉与硒化与硒化镉混合多晶混合多晶 对红外光外光灵敏的灵敏的 光敏光敏电阻阻 对可可见光灵敏光灵敏的光敏的光敏电阻阻 3.3.频率特性率特性光敏光敏电阻在一定的阻在一定的光照下阻光照下阻值稳定。定。它因高度的它因高度的稳定性定性 而广泛地而广泛地应用在用在 自自动化技化技术中。中。光敏光敏电阻的阻的频率特性差，率特性差，不适于接收高不适于接收高频光信号。光信号。4.4.伏安特性伏安特性1 1硒；硒；22硫化硫化镉3 3硫化硫化铊；4 4硫化硫化铅5.5.温度特性温度特性光敏光敏电阻的特性参数受温度的影响阻的特性参数受温度的影响较大，而且大，而且这种种变化没有化没有规律。律。在要求高的装置中，在要求高的装置中，必必须采用冷却装置。采用冷却装置。6.6.前前历效效应暗暗态前前历效效应 亮亮态前前历效效应 7.7.噪声噪声在在红外探外探测中，中，采用光采用光调制技制技术，8008001000H1000HZ Z时可可以消除以消除1/f1/f噪声噪声和和产生生-复合噪复合噪声。声。光敏光敏电阻阻优点：点：光光谱响响应范范围相当相当宽。工作工作电流大，达数毫安。流大，达数毫安。既可既可测弱光，也可弱光，也可测强光。光。灵敏度高。灵敏度高。偏置偏置电压低，无极性之分，使用方便。低，无极性之分，使用方便。三、光敏三、光敏电阻的偏置阻的偏置电路路1.1.基本偏置基本偏置电路路微微变等效等效电路路 为了使光敏了使光敏电阻正常工作，阻正常工作，必必须正确正确选择U Ub b、R RL L。为不使光敏不使光敏电阻在任何阻在任何光照下因光照下因过热而而烧坏坏 由基本偏置由基本偏置电路知路知负载线方程方程为联立二式得立二式得 要使要使负载线与与P PM M曲曲线不相交，不相交，则有有 此关系式此关系式对其它光其它光电器件也适用器件也适用（当（当负载线方程相同方程相同时）。）。2.2.恒流偏置恒流偏置电路路在基本偏置在基本偏置电路中路中 如果如果 可可见I I与光敏与光敏电阻阻无关，基本恒定。无关，基本恒定。光照改光照改变引起引起输出出电压的的变化化为电压灵敏度：灵敏度：提高提高I I或或选择大的大的R RG G，可，可显著提高著提高电压灵敏度。灵敏度。实用中常采用的晶用中常采用的晶体管恒流偏置体管恒流偏置电路。路。适用于微弱光信号适用于微弱光信号的探的探测。3.3.恒恒压偏置偏置电路路在基本偏置在基本偏置电路中，当路中，当 光敏光敏电阻上阻上的的电压为光照改光照改变输出出电压的的变化化为可可见，输出出电压信号与光信号与光敏敏电阻的阻阻的阻值无关。无关。需要需要更更换光敏光敏电阻阻时，对电路路状状态影响不大。影响不大。实际常采用的常采用的恒恒压偏置偏置电路路4.4.恒功率偏置恒功率偏置电路路在基本偏置在基本偏置电路中，若路中，若 光敏光敏电阻消耗阻消耗的功率的功率为这种种电路的特点是路的特点是负载可可获得最大功率得最大功率输出。出。5.5.控制控制电路路光敏光敏电阻在一定光照下阻阻在一定光照下阻值稳定，定，适用作光控适用作光控继电器。器。电流控制流控制 电压控制控制 光控开关光控开关电路路