光电检测3-1 (2011)(探测器的性能参数.光电子器件)ppt.ppt

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1、第二章 光辐射探测器光电探测器的分类光电探测器的分类:基于光电效应原理的光子探测器基于光电效应原理的光子探测器光电子发射探测器光电子发射探测器光伏探测器、光伏探测器、光电导探测器光电导探测器特点：特点：探测灵敏度高（探测能力，响应波长探测灵敏度高（探测能力，响应波长范围，响应速度）范围，响应速度）对波长探测选择敏感；对波长探测选择敏感；多数工作在低温环境下多数工作在低温环境下光电探测器的分类光电探测器的分类基于光热热电效应原理的探测器基于光热热电效应原理的探测器热电偶探测器热电偶探测器热敏电阻探测器热敏电阻探测器热释电探测器热释电探测器特点：特点：探测灵敏度较低探测灵敏度较低（探测能力，响应波

2、长范围，响应速度）（探测能力，响应波长范围，响应速度）对波长探测选择不敏感；对波长探测选择不敏感；多数工作在室温环境下多数工作在室温环境下一一)探测器的灵敏度特性探测器的灵敏度特性 探测器的量子效率探测器的量子效率2.1 2.1 探测器的性能参数探测器的性能参数响应度响应度在入射辐射在入射辐射垂直投射垂直投射到探测器响应平面时到探测器响应平面时Rbb(Tb,f,f)黑体辐射黑体辐射R(,f,f)单色光辐射单色光辐射3）噪声等效功率）噪声等效功率4）探测度探测度D和归一化探测度和归一化探测度D*A：探测器面积，：探测器面积，f：放大器带宽放大器带宽5)探测器的光谱响应探测器的光谱响应探测器的光谱

3、响应是指探测器灵敏度探测器的光谱响应是指探测器灵敏度与波长间的关系，与波长间的关系，如：如：R(f,);D*(;D*(,f)等等6）探测器的频率响应）探测器的频率响应fcfR(f)0.707R(0)RV()/mR(0)：无调制时的直流相应：无调制时的直流相应7）探测器的响应时间探测器的响应时间当t=当t=二）二）噪声的统计描述和探测器噪声噪声的统计描述和探测器噪声 1）噪声的概念和分类）噪声的概念和分类 噪声是有用信号以外的噪声是有用信号以外的无用信号无用信号，噪声是一种，噪声是一种随机信号随机信号，不可预知它的精确大小，但有其统计规，不可预知它的精确大小，但有其统计规律，只能用律，只能用统计

4、的理论和方法统计的理论和方法处理。处理。系统外部噪声系统外部噪声 由系统外部产生由系统外部产生系统内部噪声系统内部噪声 由系统内部元件、电路产生由系统内部元件、电路产生 按噪声的波形特征及变化规律分按噪声的波形特征及变化规律分脉冲噪声和连续性脉冲噪声和连续性噪声，周期性噪声噪声，周期性噪声和和非周期性噪声，平稳性噪声非周期性噪声，平稳性噪声和和非非平稳性噪声；平稳性噪声；按噪声的幅度和频谱分布状况分有按噪声的幅度和频谱分布状况分有高斯噪声和白噪高斯噪声和白噪声。声。二）探测器的噪声二）探测器的噪声（1）散粒噪声（散弹噪声）散粒噪声（散弹噪声）半导体中的产生复合噪声半导体中的产生复合噪声噪声带宽

5、：噪声带宽：fR(f)R(0)f f0.707R(0)探测器或电路的电流的微粒流随机起伏引起的噪声（2）热噪声（过剩噪声）热噪声（过剩噪声）（3）温度噪声（热探测器）温度噪声（热探测器）（4）闪烁噪声（电流噪声、低频噪声）闪烁噪声（电流噪声、低频噪声,1/f噪声）噪声）2，0.81.5由于导体中电子的无规则热运动，产生的电流随机起伏引起的噪声由于环境或器件温度的随机起伏引起的噪声与光辐射的调制频率有关，与f成反比热导热导3 3）高斯噪声和白噪声）高斯噪声和白噪声高斯噪声高斯噪声 噪声强度具有高斯分布的噪声强度具有高斯分布的噪声噪声白噪声白噪声P(x)x m噪声功率谱按频率均匀噪声功率谱按频率均

6、匀分布在整个频率区间的分布在整个频率区间的噪声，其功率谱记为：噪声，其功率谱记为：1 1）几何参数）几何参数视场角和立体角视场角和立体角(致冷探测器和具有浸没透镜探测器）致冷探测器和具有浸没透镜探测器）定义权重立体角（定义权重立体角（是入射角）：响应元的中心对光阑的是入射角）：响应元的中心对光阑的张角的余弦张角的余弦标称面积标称面积AnAn:厂商提供面积厂商提供面积选用面积选用面积AsAs:转换能量的实际面积转换能量的实际面积有效面积有效面积AeAe:整体响应灵敏度与其最大值之比整体响应灵敏度与其最大值之比三）探测器的几何参数和使用参数三）探测器的几何参数和使用参数2 2）探测器的电参数）探测

7、器的电参数阻抗阻抗 偏置工作电压：必须加偏压；无偏压（按偏置工作电压：必须加偏压；无偏压（按工作原理不同）工作原理不同）3）使用条件使用条件工作温度：为提高灵敏度，减低噪声，工作温度：为提高灵敏度，减低噪声，室温；低温室温；低温不同的探测器阻抗不同，要和放大器匹配不同的探测器阻抗不同，要和放大器匹配 光电子发射探测器光电子发射探测器真空光电二极管真空光电二极管光电倍增管光电倍增管电子倍增器和微通道板电子倍增器和微通道板2.2 2.2 光电子发射探测器光电子发射探测器1）金属光电子发射）金属光电子发射在某热平衡温度下，金属中在某热平衡温度下，金属中处在费米能级处在费米能级E=EE=EF F上的电

8、子，上的电子，吸收光子能量吸收光子能量h h后，后，除去散射能量损失除去散射能量损失E E,还克服表面还克服表面势垒势垒E EA A 的能量，逸出金属表面的现象的能量，逸出金属表面的现象光电子所具有的最大动能光电子所具有的最大动能 ，光电子发射的辐射极限频率光电子发射的辐射极限频率如果如果 EF=0,2 2）半导体的光电子发射）半导体的光电子发射本征半导体的能带结构本征半导体的能带结构W W0 0=h=h0 0=E Eg g+E+EA AE0Eg-EF价带价带导带导带W0EAE0EVEC禁带禁带杂质半导体的能带结构杂质半导体的能带结构N半导体半导体Wn0=EA+EnEnP半导体半导体Wp0=E

9、A+Eg-EpEp-EFpWn0EgE0价带价带导带导带Wp0EAE0EVEC禁带禁带-EFnEpEnEn受主能级施主能级杂质半导体的能带结构杂质半导体的能带结构-EFpWn0EgE0价带价带导带导带Wp0EAE0EVEC禁带禁带-EFnEpEnEnEA 材料的亲和势材料的亲和势负亲合势复合半导体负亲合势复合半导体CsGaAsEvEcEFE0Cs2OEcEfEvEFEvEcE0EcEvGaAsCsCs2O体内导带底体内导带底-EA两种材料未接触前的能带结构两种材料未接触前的能带结构两种材料接触后的能带结构两种材料接触后的能带结构形成了负电子亲合势形成了负电子亲合势(-EA)价带价带光电阴极的性

10、能参数光电阴极的性能参数（1）光照灵敏度）光照灵敏度阴极输出光电流与输阴极输出光电流与输入光通量之比入光通量之比光谱灵敏度光谱灵敏度（2 2）量子效率量子效率常用光电发射材料光谱响应编号光电发射阴极材料光电管窗口材料工作方式半透式T反射式R峰值响应波长(nm)光电积分灵敏度(A/Lm)峰值波长光谱灵敏度mA/W峰值波长量子效率%25时暗电流A/cm2S-1S-3S-4S-5S-8S-9S-10S-11S-13S-14S-16S-20S-25Ag-O-CsAg-O-RbCs-SbCs-SbCs-BiCs-SbAg-BiO-CsCs-SbCs-SbGeCdSeSb-K-Na-CsSb-Na-K-C

11、s石灰玻璃石灰玻璃石灰玻璃9471玻璃石灰玻璃7052玻璃7052玻璃7052玻璃熔融石英石灰玻璃石灰玻璃石灰玻璃石灰玻璃T,RRRRRTTTTRR8004204003403654804504404401500730420420306.54040330407060124001502002.81.840502.320.520564852064.2430.430.5312.418.20.785.35.515.713.5431812.790010150.210150.310150.1310150.3101570101531015410150.3101510152）真空、充气光电二极管）真空、充气光电

12、二极管KAKA充气光电二极管充气光电二极管真空光电二极管真空光电二极管VI(a)1002000.05lm0.1 lm0.15 lm51015I(a)V51015200.05lm0.1 lm0.15 lm100200EARLA光电管光电管真空光电管的输出信号和噪声真空光电管的输出信号和噪声信号电流信号电流散弹噪声均方电流散弹噪声均方电流热噪声均方电流热噪声均方电流Id：无光照时，光电阴极的热电子发射和电极间漏电流：无光照时，光电阴极的热电子发射和电极间漏电流形成的暗电流。形成的暗电流。Iks+Ikb：信号光和背景光照射饱和发射电流均值：信号光和背景光照射饱和发射电流均值光电管负载电阻和放大器输入

13、电阻引起的热噪声，光电管负载电阻和放大器输入电阻引起的热噪声，R 等效电阻等效电阻真空光电管的输出信号噪声比真空光电管的输出信号噪声比令令SNR=1,只考虑信号噪声，则：只考虑信号噪声，则：3）光电倍增管（PhotomultiplierPMT)（1 1）光电倍增管的结构和工作原理）光电倍增管的结构和工作原理K阴极（阴极（1000v3000V)D聚焦电极聚焦电极A阳极阳极D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,D8倍增电极（倍增电极（1300100v)(2)(2)倍增电极倍增电极总增益总增益 具有二次电子发射性能材料做成的电极，通具有二次电子发射性能材料做成的电极，通常用二次发射系数常用二次发

14、射系数 表示这种性能。表示这种性能。常用材料有：常用材料有：锑化铯锑化铯 400v,400v,1010 银镁合金银镁合金 AgMgO(CsAgMgO(Cs)400v,)400v,6 6 负亲合势材料负亲合势材料GaPCsGaPCs 1000v,1000v,5050百叶窗式倍增电极百叶窗式倍增电极倍增电极面积小，电流密度逐级递倍增电极面积小，电流密度逐级递增，极间电场均匀，对电压变化不增，极间电场均匀，对电压变化不敏感，受磁场影响小敏感，受磁场影响小(3)3)光电倍增管的典型结构光电倍增管的典型结构瓦片式（聚焦型）瓦片式（聚焦型）：放大倍率高，电子渡越时间小，：放大倍率高，电子渡越时间小，适于快

15、速管。适于快速管。盒栅式倍增电极盒栅式倍增电极结构紧凑，均匀性、稳定性好，级数变结构紧凑，均匀性、稳定性好，级数变化灵活，对电源要求不严格。化灵活，对电源要求不严格。(4)(4)光电倍增管的工作电路光电倍增管的工作电路G=CV dG/G=dV0/V0,要求要求电压稳定度不低于定度不低于0.010.05%，波，波纹系数不高于系数不高于0.001Io=V0/Rn Io(2025)IaIo=V0/Rn脉冲工作的光电倍增管，为使极间电压保持稳定，分压脉冲工作的光电倍增管，为使极间电压保持稳定，分压器后几级电阻上要并联稳压电容。器后几级电阻上要并联稳压电容。C1,C2,C3 约为约为0.05F0.1F。

16、光电倍增管的接地方式光电倍增管的接地方式阳极接地方式阳极接地方式 特点：特点：这种接法杂散电容小，直接接输出级。这种接法杂散电容小，直接接输出级。但但阴极对地、对屏蔽罩有负高压阴极对地、对屏蔽罩有负高压，暗电流大，噪声大。，暗电流大，噪声大。KAD1D2DnGND-1500VRL屏蔽罩屏蔽罩GND 阴极接地（正高压）方式阴极接地（正高压）方式 特点：特点：这种接法这种接法对地、对屏蔽罩无负高压，暗电流小，对地、对屏蔽罩无负高压，暗电流小，噪声小。但噪声小。但阳极呈高压，需经电容隔离阳极呈高压，需经电容隔离，不能，不能直接接输出直接接输出级，级，高频性能不好高频性能不好。KAD1D2DnGND+

17、1500VRLC屏蔽罩屏蔽罩关于负载电阻的考虑关于负载电阻的考虑频响要求高的场合，越小越好，频响要求高的场合，越小越好，光电倍增管的负载阻抗应小于放大器输入阻抗光电倍增管的负载阻抗应小于放大器输入阻抗（5 5）光电倍增管的噪声与探测灵敏限）光电倍增管的噪声与探测灵敏限光电倍增管的散弹噪声光电倍增管的散弹噪声是倍增是倍增电电极的倍增系数，倍增极的倍增系数，倍增级级数数为为nG2=2n是功率增益是功率增益。探测器输出信噪比探测器输出信噪比对于强信号，忽略信号外其对于强信号，忽略信号外其它噪声，它噪声，=1=1，则：则：是是噪声因子噪声因子G=n是是电流增益流增益。（6 6）光电倍增管的性能指标）光

18、电倍增管的性能指标 光谱响应范围和最大响应波长光谱响应范围和最大响应波长 光电倍增管响应波长决定于光电阴极材料，一般在光电倍增管响应波长决定于光电阴极材料，一般在可见光到近红外波段范围，即可见光到近红外波段范围，即 0.21.20.21.2m m 阴极积分灵敏度阴极积分灵敏度 单位入射光功率所产生的饱和光电流，就是阴极电单位入射光功率所产生的饱和光电流，就是阴极电流响应度：流响应度：S Sk k Rikik =i ik k/P/Ps s S Sk k =20=20 200200A/LmA/Lm 阳极积分灵敏度阳极积分灵敏度 S SA A=S Sk k G G S SA A=20=20 3 3

19、10104 4 A/LmA/Lm 电流增益电流增益 G=10G=105 5 10 108 8 暗电流暗电流 I Id d n1010-8-8 A A 响应时间响应时间 一般在一般在 10 ns 1010 ns 10s s光电倍增管及电源光电倍增管及电源（7）电子倍增器和微通道板 通道型电子倍增器通道型电子倍增器(Channel Electron Multiplier，CEM)是一种由内壁既是电阻体又是二次发射体的微细玻是一种由内壁既是电阻体又是二次发射体的微细玻璃管构成。璃管构成。采用重金属铅、铋硅酸盐玻璃，直径采用重金属铅、铋硅酸盐玻璃，直径1010100100m,m,电电阻率阻率10109

20、 910101111/cm/cm3000v 弯曲板单通道电子倍增器弯曲板单通道电子倍增器,既能提高器件的空间和时间既能提高器件的空间和时间分辨率分辨率,又能降低暗噪声。能有效的抑制由反馈正离子产又能降低暗噪声。能有效的抑制由反馈正离子产生的背景噪声和对光阴极的有害轰击，生的背景噪声和对光阴极的有害轰击，器件的工作寿命器件的工作寿命得以提高。得以提高。微通道板微通道板(Microchannel Plate,MCP)微通道板一般由微通道板一般由1 1万万10001000万个万个相互平行相互平行的通道电子倍增器的通道电子倍增器密集成二维阵列结构密集成二维阵列结构组成，通道组成，通道直直径径1010100100m m,长度通常是直径的长度通常是直径的4040100100倍，前后倍，前后端面电极间电阻达端面电极间电阻达10109 9量级，量级，总增益为总增益为10106 6特点特点体积小、分辨力好、增益高、噪声低、使用电压低体积小、分辨力好、增益高、噪声低、使用电压低电极材料：电极材料：Ni-Cr通道孔径通道孔径：550m开口比：开口比：60