第3章 光电检测技术.ppt

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1、第三章第三章 光电检测器件光电检测器件光电检测器件光电检测器件光子器件光子器件热电器件热电器件真空器件真空器件固体器件固体器件光电管光电管光电倍增管光电倍增管真空摄像管真空摄像管变像管变像管像增强管像增强管 光敏电阻光敏电阻 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管 光纤传感器光纤传感器 电荷耦合器件电荷耦合器件CCD热电偶热电偶/热电堆热电堆热辐射计热辐射计/热敏电阻热敏电阻热释电探测器热释电探测器光子器件光子器件热电器件热电器件响应波长有选择性，一般有响应波长有选择性，一般有截止波长，超过该波长，器截止波长，超过该波长，器件无响应件无响应响应波长无选择性，对可见响应波长无选

2、择性，对可见光到远红外的各种波长的辐光到远红外的各种波长的辐射同样敏感射同样敏感响应快，吸收辐射产生信号响应快，吸收辐射产生信号需要的时间短，一般为纳秒需要的时间短，一般为纳秒到几百微秒到几百微秒 响应慢，一般为几毫秒响应慢，一般为几毫秒1.器件的结构和工作原理器件的结构和工作原理2.器件的特性参数器件的特性参数3.器件的应用器件的应用本章重点：本章重点：3.1 3.1 光电检测器件的基本特性参数光电检测器件的基本特性参数3.1.1 3.1.1 响应特性响应特性1.1.响应度响应度响应度响应度:是光电探测器输出信号与输入光功率之间关系光电探测器输出信号与输入光功率之间关系 的度量。描述的是光电

3、探测器件的光电转换效率的度量。描述的是光电探测器件的光电转换效率2.2.光谱响应度：光谱响应度：光谱响应度：光谱响应度：探测器在波长为探测器在波长为的单色光照射下，输出电的单色光照射下，输出电压或电流与入射的单色光功率之比压或电流与入射的单色光功率之比3 3.积分响应度：积分响应度：积分响应度：积分响应度：检测器对各种波长光连续辐射量的反检测器对各种波长光连续辐射量的反 应程度应程度4.4.响应时间：响应时间：响应时间：响应时间：描述光电探测器对入射光响应快慢的描述光电探测器对入射光响应快慢的 一个参数一个参数5.5.频率响应：频率响应：频率响应：频率响应：光电探测器的响应随入射光的调制频光电

4、探测器的响应随入射光的调制频 率而变化的特性称为频率响应率而变化的特性称为频率响应3.1.2 3.1.2 光电检测器件的噪声光电检测器件的噪声1.1.热噪声热噪声热噪声热噪声:称约翰逊噪声，即载流子无规则的热运动造成的噪声称约翰逊噪声，即载流子无规则的热运动造成的噪声2.2.散粒噪声：散粒噪声：散粒噪声：散粒噪声：穿越势垒的载流子的随机涨落所造成的噪声穿越势垒的载流子的随机涨落所造成的噪声3.3.产生产生产生产生-复合噪声：复合噪声：复合噪声：复合噪声：载流子的产生率和复合率在某个时间间隔会在载流子的产生率和复合率在某个时间间隔会在平均值上下起伏，这种起伏引起的载流子浓度的起伏产生均方平均值上

5、下起伏，这种起伏引起的载流子浓度的起伏产生均方噪声电流噪声电流 4.1/f 4.1/f噪声：噪声：噪声：噪声：闪烁噪声或低频噪声闪烁噪声或低频噪声3.1.3 3.1.3 衡量噪声的参数衡量噪声的参数1.1.信噪比（信噪比（信噪比（信噪比（S/NS/N）:负载电阻上信号功率与噪声功率之比负载电阻上信号功率与噪声功率之比2.2.等效噪声功率（等效噪声功率（等效噪声功率（等效噪声功率（NEPNEP）：）：）：）：信号功率与噪声功率比为信号功率与噪声功率比为1（SNR=1）时，入射到探测器件上的辐射通量）时，入射到探测器件上的辐射通量(单位为瓦单位为瓦)3.3.探测率与归一化探测率探测率与归一化探测率

6、探测率与归一化探测率探测率与归一化探测率：探测率探测率D定义为噪声等效功率的倒数定义为噪声等效功率的倒数4.4.暗电流：暗电流：暗电流：暗电流：光电检测期间仅在加电源时，而没有输入信号和背景光电检测期间仅在加电源时，而没有输入信号和背景 辐射时所流过的电流辐射时所流过的电流3.1.4 3.1.4 其他参数其他参数1.1.量子效率：量子效率：量子效率：量子效率：在某一特定波长上，每秒钟内产生的光电子数与入射光在某一特定波长上，每秒钟内产生的光电子数与入射光 量子数之比量子数之比2.2.2.2.线性度：线性度：线性度：线性度：描述光电探测器输出信号与输入信号保持线性关系的程度描述光电探测器输出信号

7、与输入信号保持线性关系的程度 非线性误差非线性误差:max/(I2 I1)max：实际响应曲线与拟合曲线之间的最大偏差实际响应曲线与拟合曲线之间的最大偏差 I2 和和 I1：分别为线性区中最小和最大响应值分别为线性区中最小和最大响应值3 3.工作温度：工作温度：工作温度：工作温度：光电探测器最佳工作状态时的温度光电探测器最佳工作状态时的温度3.23.2 真空光电探测器件真空光电探测器件3.2.13.2.1 光电发射材料光电发射材料1)光电发射材料的类型及其应具备的条件光电发射材料的类型及其应具备的条件 光吸收系数大光吸收系数大光吸收系数大光吸收系数大 光电在在体内传输过程中收到的能量损失小光电

8、在在体内传输过程中收到的能量损失小光电在在体内传输过程中收到的能量损失小光电在在体内传输过程中收到的能量损失小 表面势垒低，表面逸出率大表面势垒低，表面逸出率大表面势垒低，表面逸出率大表面势垒低，表面逸出率大2)光电光电发射发射阴极材料阴极材料(1)(1)单碱与多碱锑化物光阴极单碱与多碱锑化物光阴极单碱与多碱锑化物光阴极单碱与多碱锑化物光阴极(2)(2)银氧铯与铋银氧铯光阴极银氧铯与铋银氧铯光阴极银氧铯与铋银氧铯光阴极银氧铯与铋银氧铯光阴极(3)(3)紫外光电阴极紫外光电阴极紫外光电阴极紫外光电阴极(4)(4)负电子亲和势负电子亲和势负电子亲和势负电子亲和势图图3-1 3-1 集中光电阴极材料

9、的光谱响应集中光电阴极材料的光谱响应3.2.23.2.2 光电倍增管（光电倍增管（PMTPMT）图图3-23-2 光电倍增管工作原理示意图光电倍增管工作原理示意图1)PMT的基本原理的基本原理光入射窗、光电阴极、电子光学系统、二次发射光入射窗、光电阴极、电子光学系统、二次发射光入射窗、光电阴极、电子光学系统、二次发射光入射窗、光电阴极、电子光学系统、二次发射倍增系统、阳极倍增系统、阳极倍增系统、阳极倍增系统、阳极2)光电倍增管结构光电倍增管结构(1)PMT的入射窗结构的入射窗结构 端面窗端面窗端面窗端面窗 侧面窗侧面窗侧面窗侧面窗(2)光电阴极光电阴极 半透明型半透明型半透明型半透明型 反射型

10、反射型反射型反射型(3)电子光学系统电子光学系统(4)倍增级结构倍增级结构 聚集型聚集型聚集型聚集型 非聚集型非聚集型非聚集型非聚集型 常用倍增级材料：常用倍增级材料：锑化铯（锑化铯（锑化铯（锑化铯（CsSbCsSb）材料）材料）材料）材料 氧化的银镁合金材料氧化的银镁合金材料氧化的银镁合金材料氧化的银镁合金材料 铜铜铜铜-铍合金（铍的含量为铍合金（铍的含量为铍合金（铍的含量为铍合金（铍的含量为2%2%）负电子亲和势材料负电子亲和势材料负电子亲和势材料负电子亲和势材料GaPCsGaPCs(5)阳极结构阳极结构 栅网状阳极栅网状阳极栅网状阳极栅网状阳极图图3-3 3-3 光电倍增管结构图光电倍增

11、管结构图(a)(a)百叶窗倍增级百叶窗倍增级 (b)(b)盒栅倍增级盒栅倍增级(c)(c)瓦片倍增级瓦片倍增级 (d)(d)圆形鼠笼圆形鼠笼3)PMT的基本特性参数的基本特性参数 (1)(1)光谱响应度光谱响应度光谱响应度光谱响应度 (2)(2)放大倍数放大倍数放大倍数放大倍数 (3)(3)暗电流暗电流暗电流暗电流 光电倍增管的暗电流是指光电倍增管的暗电流是指光电倍增管的暗电流是指光电倍增管的暗电流是指无光照无光照无光照无光照时（时（时（时（加有电源加有电源加有电源加有电源），光电），光电），光电），光电 倍增管的输出电流倍增管的输出电流倍增管的输出电流倍增管的输出电流 a.光电阴极和第一倍增

12、级的热电子发射光电阴极和第一倍增级的热电子发射 b.级间漏电流级间漏电流 c.离子和光的反馈作用离子和光的反馈作用 d.场致发射场致发射 e.放射性同位素和宇宙射线的影响放射性同位素和宇宙射线的影响 主要暗电流源(4)(4)伏安特性伏安特性伏安特性伏安特性 (5)(5)时间特性和频率响应特性时间特性和频率响应特性时间特性和频率响应特性时间特性和频率响应特性；（；（；（；（6 6）PMTPMT的噪声的噪声的噪声的噪声图图3-4 PMT3-4 PMT阳极伏安特性阳极伏安特性3214)PMT的供电电路的供电电路图图3-5 PMT电阻链分压型电阻链分压型供电电路供电电路5）光电倍增管的应用）光电倍增管

13、的应用3.3 3.3 半导体光电导型检测器件半导体光电导型检测器件 3.3.1 3.3.1 光敏电阻的结构与工作原理光敏电阻的结构与工作原理1)1)光敏电阻的结构光敏电阻的结构 图图3-6 3-6 光敏电阻结构示意图光敏电阻结构示意图(a)(a)梳状结构梳状结构(b)(b)蛇形结构蛇形结构(c)(c)刻线式结构刻线式结构 1-1-光电导材料光电导材料 2-2-电极电极 3-3-衬底材料衬底材料2)2)光敏电阻的基本工作原理光敏电阻的基本工作原理图图3-7 3-7 光敏电阻原理及符号光敏电阻原理及符号价带价带导带导带电子电子空穴空穴Eg价带价带导带导带电子电子空穴空穴施主施主图图3-8 3-8

14、本征半导体与杂质半导体本征半导体与杂质半导体3.3.23.3.2 光敏电阻特性参数光敏电阻特性参数1)1)光电导增益光电导增益 2)光电导灵敏度光电导灵敏度图图3-9 光敏电阻的光谱特性光敏电阻的光谱特性3)光电特性光电特性图图3-10 CdSCdS光敏电阻的光照特性光敏电阻的光照特性什么是欧什么是欧姆接触？姆接触？4)伏安特性伏安特性图图3-11 光敏电阻的伏安特性光敏电阻的伏安特性5)温度特性温度特性图图3-12 光敏电阻的温度特性光敏电阻的温度特性6)频率响应频率响应1.硒硒2.硫化镉硫化镉3.硫化铊硫化铊4.硫化铅硫化铅图图3-13 光敏电阻的频率特性曲线光敏电阻的频率特性曲线1 1）

15、照明灯自动控制电路）照明灯自动控制电路3.3.3 3.3.3 光敏电阻的应用光敏电阻的应用图图3-14 照明灯自动控制电路照明灯自动控制电路K220V灯常闭CdS2）火焰探测报警火焰探测报警图图3-15 火焰探测报警器电路图火焰探测报警器电路图作业题：作业题：1.设某光敏电阻在设某光敏电阻在100lx的光照下的阻值为的光照下的阻值为2k，且，且，已知它在已知它在90120lx范围内的范围内的=0.9，试求该光敏电，试求该光敏电阻在阻在110lx光照下的阻值？光照下的阻值？2.2.在如图在如图2-13所示的恒流偏置电路中，已知电源所示的恒流偏置电路中，已知电源电压为电压为12V，Rb为为820，

16、Re为为3.3k，三极管，三极管的放大倍率不小于的放大倍率不小于80，稳压二极管的输出电，稳压二极管的输出电压为压为4V，光照度为，光照度为40lx时输出电压为时输出电压为6V，80 lx时为时为8V。（设光敏电阻在。（设光敏电阻在30到到100 lx之间的之间的 值不变）值不变）试求：（试求：（1）输出电压为）输出电压为7V 的照度为多少的照度为多少 lx （2）该电路的电压灵敏度（）该电路的电压灵敏度（V/lx）3.43.4 半导体光伏型检测器件半导体光伏型检测器件3.4.1 3.4.1 光电池光电池1 1）光电池的结构和工作原理）光电池的结构和工作原理图图3-16 硅光电池结构、外型与电

17、路符号硅光电池结构、外型与电路符号 (a)(a)结构结构 (b)(b)外型外型 (c)(c)符号符号图图3-17 硅光电池工作原理硅光电池工作原理2 2）光电池的特性参数）光电池的特性参数(1)(1)输出特性输出特性输出特性输出特性/伏安特性曲线伏安特性曲线伏安特性曲线伏安特性曲线图图3-18 光电池伏安特性曲线光电池伏安特性曲线图图3-19 光电池等效电路光电池等效电路结电容(2)(2)(2)(2)光谱特性光谱特性光谱特性光谱特性图图3-20 光谱特性曲线光谱特性曲线(3)(3)(3)(3)温度特性温度特性温度特性温度特性图图3-21 光电池的温度特性曲线光电池的温度特性曲线(4)(4)(4

18、)(4)频率特性频率特性频率特性频率特性图图3-22 光电池的频率特性光电池的频率特性(5)(5)(5)(5)光照特性光照特性光照特性光照特性图图3-24 硅光电池的光照特性硅光电池的光照特性图图3-23 光电池连接方式光电池连接方式3）光电池的应用光电池的应用(1)(1)(1)(1)光电检测器件光电检测器件光电检测器件光电检测器件(2)(2)(2)(2)光电能量器件光电能量器件光电能量器件光电能量器件1)结面积比光电池小，因而输出电流比光电池小；结面积比光电池小，因而输出电流比光电池小；2)电阻率比光电池高电阻率比光电池高(1000/cm)，光电池的为，光电池的为(0.10.01/cm)；3

19、)制作衬底材料的参杂浓度比光电池低（制作衬底材料的参杂浓度比光电池低（10121013/cm3）,光电池光电池 为为(10161019/cm3）4)全在反向偏置电压下工作，而光电池多工作在零偏全在反向偏置电压下工作，而光电池多工作在零偏3.4.2 3.4.2 光敏二极管光敏二极管与光电池的性能比较：与光电池的性能比较：1 1）光敏二极管的结构与工作原理）光敏二极管的结构与工作原理 图图3-25 3-25 硅光电二极管硅光电二极管(a)(a)结构原理；结构原理；(b)(b)工作原理；工作原理；(c)(c)电路符号；电路符号；(d)(d)光敏二极管接法光敏二极管接法(d)2 2）光敏二极管的特性参

20、数）光敏二极管的特性参数(1)(1)输出特性输出特性输出特性输出特性 图图3-26 光敏二极管输出特性曲线光敏二极管输出特性曲线 (a)(a)伏安特性；伏安特性；(b)(b)光照特性光照特性(a)(b)(2)(2)光谱响应光谱响应光谱响应光谱响应图图3-27 典型光敏二极管的光谱响应典型光敏二极管的光谱响应(3)(3)频率响应：频率响应：频率响应：频率响应：漂移时间、扩漂移时间、扩漂移时间、扩漂移时间、扩散时间散时间散时间散时间和和和和延迟时间延迟时间延迟时间延迟时间(4)(4)温度特性：温度特性：温度特性：温度特性：暗电流暗电流暗电流暗电流对温度对温度对温度对温度 变化非常敏感变化非常敏感变

21、化非常敏感变化非常敏感(5)(5)噪声：主要是噪声：主要是噪声：主要是噪声：主要是散粒噪声散粒噪声散粒噪声散粒噪声3.4.3 PIN3.4.3 PIN光敏二极管光敏二极管结构和原理结构和原理图图3-28 PIN光电二极管结构和外形图光电二极管结构和外形图 (a)结构；结构；(b)外形图外形图3.4.4 3.4.4 雪崩雪崩光敏二极管光敏二极管图图3-29 几种雪崩光敏二极管结构原理几种雪崩光敏二极管结构原理(a)P型型N结构结构 (b)N型型P结构结构 (c)PIN结构结构图图图图3-29(a)3-29(a)所示为在所示为在所示为在所示为在P P型硅基片上扩散杂质浓度大的型硅基片上扩散杂质浓度

22、大的型硅基片上扩散杂质浓度大的型硅基片上扩散杂质浓度大的N+N+层，层，层，层，制成制成制成制成P P型型型型N N结构结构结构结构图图图图3-29(b)3-29(b)所示为在所示为在所示为在所示为在N N型硅基片上扩散杂质浓度大的型硅基片上扩散杂质浓度大的型硅基片上扩散杂质浓度大的型硅基片上扩散杂质浓度大的P+P+层，层，层，层，制成制成制成制成N N型型型型P P结构的雪崩光电二极管结构的雪崩光电二极管结构的雪崩光电二极管结构的雪崩光电二极管图图图图3-29(c)3-29(c)所示为所示为所示为所示为PINPIN型雪崩光电二极管型雪崩光电二极管型雪崩光电二极管型雪崩光电二极管 1 1）结构

23、和）结构和原理原理(1)(1)雪崩增益雪崩增益雪崩增益雪崩增益 电流倍增系数电流倍增系数电流倍增系数电流倍增系数 经验公式经验公式经验公式经验公式(2)(2)伏安特性伏安特性伏安特性伏安特性2 2）特性参数）特性参数图图3-30 3-30 雪崩光电二极管暗电流雪崩光电二极管暗电流和光电流与偏置电压的关系和光电流与偏置电压的关系倍增前输出电流倍增前输出电流倍增后输出电流倍增后输出电流(3)(3)光谱响应：可延伸至光谱响应：可延伸至光谱响应：可延伸至光谱响应：可延伸至4 4 mm(4)(4)响应时间：硅管约为响应时间：硅管约为响应时间：硅管约为响应时间：硅管约为0.51ns0.51ns(5)(5)

24、噪声：噪声：噪声：噪声：噪声电流噪声电流3 3）雪崩光电二极管与光电倍增管比较雪崩光电二极管与光电倍增管比较体积小体积小体积小体积小结构紧凑结构紧凑结构紧凑结构紧凑工作电压低工作电压低工作电压低工作电压低使用方便使用方便使用方便使用方便但其暗电流比光电倍增管的暗电流大，相应的噪声也较大但其暗电流比光电倍增管的暗电流大，相应的噪声也较大但其暗电流比光电倍增管的暗电流大，相应的噪声也较大但其暗电流比光电倍增管的暗电流大，相应的噪声也较大故光电倍增管更适宜于弱光探测故光电倍增管更适宜于弱光探测故光电倍增管更适宜于弱光探测故光电倍增管更适宜于弱光探测3.4.5 3.4.5 光敏二极管的应用光敏二极管的

25、应用1 1）光敏二极管阵列光敏二极管阵列 2 2）象限探测器象限探测器图图3-31 光电二极管阵列检测元件光电二极管阵列检测元件1 1）光敏三极管的结构和原理）光敏三极管的结构和原理3.4.6 3.4.6 光敏三极管光敏三极管图图3-32 光敏三极管的原理和结构光敏三极管的原理和结构发射结发射结发射结发射结集电结集电结集电结集电结B B B BE E E EC C C CN N N NN N N NP P P P基极基极基极基极发射极发射极发射极发射极集电极集电极集电极集电极2 2）光敏三极管的特性参数）光敏三极管的特性参数(1)(1)伏安特性伏安特性伏安特性伏安特性图图3-33 光敏三极管伏

26、安特性曲线光敏三极管伏安特性曲线(2)(2)频率特性频率特性频率特性频率特性 图图3-34 3-34 光电三极管频率特性光电三极管频率特性(3)(3)温度特性温度特性温度特性温度特性 图图3-35 光敏二极管、光敏三极管的温度特性光敏二极管、光敏三极管的温度特性(a)暗电流暗电流Id的温度特性的温度特性 (b)亮电流亮电流IL的温度特性的温度特性3.4.7 3.4.7 光伏器件与光电导器件的区别及使用要点光伏器件与光电导器件的区别及使用要点光伏器件光伏器件光电导性器件光电导性器件光电变换部位光电变换部位PNPN结或结区附近结或结区附近结或结区附近结或结区附近少数载流子少数载流子少数载流子少数载

27、流子任何区域任何区域任何区域任何区域多数载流子多数载流子多数载流子多数载流子器件连接器件连接有正负极性有正负极性有正负极性有正负极性无极性无极性无极性无极性频率特性频率特性弛豫时间短，响应速度弛豫时间短，响应速度弛豫时间短，响应速度弛豫时间短，响应速度快快快快时间常数大，频率响应时间常数大，频率响应时间常数大，频率响应时间常数大，频率响应较差较差较差较差工作电流与灵敏度工作电流与灵敏度光电三极管、雪崩二极光电三极管、雪崩二极光电三极管、雪崩二极光电三极管、雪崩二极管灵敏度高，可通过较管灵敏度高，可通过较管灵敏度高，可通过较管灵敏度高，可通过较大电流大电流大电流大电流灵敏度高，工作电流大灵敏度高

28、，工作电流大灵敏度高，工作电流大灵敏度高，工作电流大光谱响应与光电线性光谱响应与光电线性线性好线性好线性好线性好光谱响应宽，光电特性光谱响应宽，光电特性光谱响应宽，光电特性光谱响应宽，光电特性非线性非线性非线性非线性3.5 3.5 几种特殊的半导体光电检测器件几种特殊的半导体光电检测器件光电位置传感器光电位置传感器图图3-36 PSD器件结构示意图器件结构示意图 图图3-37 一维一维PSDPSD器件器件(a)原理结构原理结构 (b)等效电路等效电路图图3-38 一维一维PSD位置检测电路位置检测电路1）判断光信号的有无）判断光信号的有无2）按一定频率变化的光信号）按一定频率变化的光信号3）检

29、测光信号的幅度大小）检测光信号的幅度大小4）检测光信号的色度差异）检测光信号的色度差异3.6 3.6 各种光电检测器件的性能比各种光电检测器件的性能比较和应用选择较和应用选择3.6.1 3.6.1 接收光信号的方式接收光信号的方式1.1.动态特性：动态特性：频率响应和时间响应频率响应和时间响应2.2.光电特性：线性光电特性：线性3.3.动态范围：线性和非线性动态范围动态范围：线性和非线性动态范围4.4.灵敏度：灵敏度：光敏二极管光敏二极管最低最低5.5.光谱特性：与使用材料有关光谱特性：与使用材料有关6.6.暗电流与噪声：暗电流与噪声：光电倍增管光电倍增管和和光敏二极管光敏二极管暗电流最小；暗

30、电流最小；复合光敏三极复合光敏三极管管噪声最大噪声最大7.7.供电电源和应用灵活性：供电电源和应用灵活性：光电池光电池应用灵活应用灵活8.8.长期工作的稳定可靠性：光敏二极管、光电池稳定可靠长期工作的稳定可靠性：光敏二极管、光电池稳定可靠3.6.2 3.6.2 各种光电检测器件的性能比较各种光电检测器件的性能比较1.光电检测器件必须和辐射信号源及光学系统在光谱特性上匹配光电检测器件必须和辐射信号源及光学系统在光谱特性上匹配2.光电检测器件的光敏面必须和入射辐射能量相对准光电检测器件的光敏面必须和入射辐射能量相对准3.光电检测器件的光电转换特性必须和入射辐射相匹配光电检测器件的光电转换特性必须和入射辐射相匹配4.光电检测器件必须和光信号的调制形式、信号频率及波形相匹配光电检测器件必须和光信号的调制形式、信号频率及波形相匹配5.光电检测器件的最小可探测功率必须和入射辐射相匹配光电检测器件的最小可探测功率必须和入射辐射相匹配6.光电检测器件必须和后续电路在电特性上有良好的匹配光电检测器件必须和后续电路在电特性上有良好的匹配7.注意选好器件的规格和使用条件，以确保器件工作的长期稳定可靠注意选好器件的规格和使用条件，以确保器件工作的长期稳定可靠3.6.3 3.6.3 光电检测器件的应用选择光电检测器件的应用选择