1、第三章第三章 光辐射探测器光辐射探测器3.1 3.1 光辐射探测器的理论基础光辐射探测器的理论基础 光热效应光热效应 光电效应光电效应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增强器像增强器摄像管摄像管变像管变像管
2、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3.1.1 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，黑体将对所有波长的光能量全部吸收，黑体将对所有波长的光能量全部吸收，并转换为热能，称为并转换为热能，称为光热效应光热效应 。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：化，如：温度、体积、电阻、热电动势等温度、体积、电阻、热电动势等，通过测量这些变化可确定光能量或
3、光功率的通过测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响应有两个过程：光热探测器对光辐射的响应有两个过程： 器件吸收光能量使自身温度发生变化器件吸收光能量使自身温度发生变化 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，其响应灵敏度以上宽波段范围，其响应灵敏度与光波波长无关，与光波波长无关，原则上原则上是对光波长无选择性探测是对光波长无选择性探测器。器。2 2、受热时间常数的制约受热时间常数
4、的制约，响应速度较慢，响应速度较慢 。 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。探测器遵从的热平衡方程：探测器遵从的热平衡方程： 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，代入热平衡方程，得到：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，ttttt
5、RCGC是器件的热时间常数。是器件的热时间常数。)(tarctg表明器件温升滞后于表明器件温升滞后于辐射功率的变化。辐射功率的变化。 因此，因此，光热探测器常用于低频调制辐照场合。光热探测器常用于低频调制辐照场合。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现象。电子的物理现象。 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
6、导体中的载流子载流子载流子: :能参与导电的自由电子和自由空穴。能参与导电的自由电子和自由空穴。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、热平衡状态下的载流子浓度一、热平衡状态下的载流子浓度由（由（1.261.26）式，）式，kTEEfeEf/ )(11)(/ )(kTEEcfceNn/ )(kTEEvvfeNp可得出：可得出：kTEvckTEEvcgvceNNeNNnp/ )(上式表明：上式表明：禁带愈小，温度升高，禁
7、带愈小，温度升高， npnp就愈大，导电性愈好。就愈大，导电性愈好。在本征半导体中，在本征半导体中， kTEvciigeNNpn2/2/1)(2innp 平衡态判据平衡态判据 则有则有可得出，少子浓度：可得出，少子浓度：AipNnn2DinNnp2二、非平衡状态下的载流子二、非平衡状态下的载流子 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。 半导体材料吸收光子能量而转换成电能是半导体材料
8、吸收光子能量而转换成电能是光电器件工作的基础。光电器件工作的基础。1.1.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结的电流方程为结的电流方程为/00()qU kTII eIIIS短路短路(R(RL L0)0)情况情况,U=0,U=0 短路电流为短路电流为scII 光照下光
9、照下PNPN结的两个重要参量结的两个重要参量: : 开路开路(R(RL L) )情况情况,I=0I=0开开路电压为路电压为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材料上，光照到某些金属或半导体材料上，若若入射的光子能量足够大，致使电子从入射的光子能量足够大，致使电子从材料中逸出，材料中逸出，称为称为光电发射效应光电发射效应，又，又称称外光电效应外光电效应。 爱因斯坦定律爱因斯坦定律 Whme221当当hhW，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. 4s
10、mc/10314)(24. 1maxmW金属材料的电子逸出功金属材料的电子逸出功 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。 半导体材料的电子逸出功半导体材料的电子逸出功 gAWEE良好的光电发射体，应该具备的基本条件：良好的光电发射体，应该具备的基本条件： 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 ；表面势垒低表面势垒低 。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响应都在紫外或远紫外区。属的光谱响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：半导体光电发射的量子效率远高于金属：光电发光电发
11、射的过程是体积效应，表面能带弯曲降低了电子射的过程是体积效应，表面能带弯曲降低了电子逸出功，逸出功，特别是负电子亲和势材料特别是负电子亲和势材料(NEA)(NEA)。 P P型型SiSi的光电子需克服的有效亲和势为的光电子需克服的有效亲和势为dAAeEEE2由于能级弯曲，使由于能级弯曲，使2AdEE 这样就形成了负电子亲和势。这样就形成了负电子亲和势。正电子亲和势材料的阈值波长正电子亲和势材料的阈值波长 )(24. 1maxmEEEEhcAgAg负电子亲和势材料的阈值波长负电子亲和势材料的阈值波长 )(24. 1maxmEEhcgg从而光谱响应可扩展到从而光谱响应可扩展到可见、红外区。可见、红
12、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
13、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。载流子的热运动而引起的随机起伏。 RfkTin42fRkTun 42热噪声属于白噪声，热噪声属于白噪声，降低温度和通带，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伏在光子发射、电子发射、电子流中存在的随机起伏 。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 4
14、2022fNfIin四、四、1/f1/f噪声噪声是一种低频噪声，几乎所有探测器中都存在。是一种低频噪声，几乎所有探测器中都存在。 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水平。已衰减为很低水平。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示意图综合示意图3.1.4 3.1.4
15、 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、光电特性和光照特性光电流光电流I,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 光谱特性决定于光电器件的材料。光谱特性决定于光电器件的材料。 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，意义，应尽量使二者的光谱特性匹配。应尽量使二者的光谱特性匹配。光电器件的灵敏度（响应率）光电器件的灵敏度（响应率）光谱灵敏度光谱灵敏度)()()(USU)()()(ISI积分灵敏度
16、积分灵敏度USUISI 积分灵敏度不但与探测器有关，而且积分灵敏度不但与探测器有关，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 （噪声功率水平）（噪声功率水平） 2/niINEP2/nuUNEP 等效噪声功率越小，说明探测器本身的等效噪声功率越小，说明探测器本身的噪声水平低，探测器的性能越好。噪声水平低，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能力的指标探测能力的指标: : 21nIiSNEPD探测率探测率D D表明探测器探测单位入射辐射表明探测
17、器探测单位入射辐射功率时的信噪比，其值越大越好。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IdndSfAifANEPNEP2/122/1)()(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，常要标记出它们的测量条件时，常要标记出它们的测量条件 如如D D* *(500K,800,50)(500K,800,50)。 四、响应时间与频率特性四、响应时间与频率特性如同光电导驰豫，光探测器对信号光如同光电导驰豫，光探测器对信号光的响应表现出惰性。的响应表现出惰性。对于矩形光脉冲信号，对于矩形光脉冲信号
18、，其响应出现上升沿其响应出现上升沿和下降沿，和下降沿，响应时间响应时间。对于正弦型调制光，对于正弦型调制光，响响应率随频率升高而降低应率随频率升高而降低 。2/120)2(1)(fSfS21cf响应时间响应时间越小，越小，频率特性越好。频率特性越好。 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，等半导体做成的电阻器，其阻值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，化，从而引起电阻的阻值相应改变，从而引起电阻的阻值相应改变，将引起回路电流或
19、电压的变化，将引起回路电流或电压的变化，这样这样就可以探测入射光通量。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、工作原理一、工作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。 热电晶体热电晶体是压电晶体中的一种，它具有自发是压电晶体中的一种，它具有自发极化的特性。极化的特性。存在宏观的电偶极矩，存在宏观的电偶极矩，面束缚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P Ps s。 当用斩波器调
20、制入射光，当用斩波器调制入射光，使矩形光脉使矩形光脉冲（周期小于冲（周期小于QQ的平均寿命）作用到热的平均寿命）作用到热电晶体表面的黑吸收层上，电晶体表面的黑吸收层上，交变的交变的TT使使得晶体表面始终存在正比于入射光强的得晶体表面始终存在正比于入射光强的极化电荷。极化电荷。这种现象称为热释电效应。这种现象称为热释电效应。 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。 热释电器件的基本结构热释电器件的基本结构: :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，P Ps s 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。 T
21、ATTPAPAQss)(TPs/为热释电系数为热释电系数 二、基本电路二、基本电路如果把辐射通量为如果把辐射通量为)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，光敏面上，则其温升为则其温升为 )(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电压响应率为电压响应率为2/1222/12200)1 ()1 (ettUGRAUS0US，也等于零，即也等于零，即不能
22、响应恒定辐射不能响应恒定辐射 。高频时，高频时，)/(ettUGRAS，响应很差。响应很差。热释电探测器热释电探测器 适于接收低频调制光，约适于接收低频调制光，约20H20HZ Z左右。左右。三、热释电器件的主要材料三、热释电器件的主要材料常用的热电晶体材料有：硫酸三甘肽（常用的热电晶体材料有：硫酸三甘肽（TGSTGS）钽酸锂（钽酸锂（LiTaO3LiTaO3）等。还有一些陶瓷材料如）等。还有一些陶瓷材料如钛锆酸铅（钛锆酸铅（PZTPZT）等。）等。 不论哪种材料，都有一个特定温度，称居里温度。不论哪种材料，都有一个特定温度，称居里温度。只有低于居里温度，材料才有自发极化性质。只有低于居里温度
23、，材料才有自发极化性质。 应使器件工作于离居里温度稍远一点，应使器件工作于离居里温度稍远一点，热释电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。 为提高响应率：为提高响应率：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、光敏电阻材料与电阻结构、光敏电阻材料与电阻结构 现在使用的光电导材料有现在使用的光电导材料有-、-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。目前大都使
24、用目前大都使用N N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，因而它对红外波段较为敏感。光敏电阻，因而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 电阻结构电阻结构在弱光照下，在弱光照下，如如L100lxL100lxL100
25、lx时，时，G GP PL L则为非线性关系。则为非线性关系。 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S Sg g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
26、值稳定。光照下阻值稳定。 它因高度的稳定性它因高度的稳定性 而广泛地应用在而广泛地应用在 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，不适于接收高频光信号。不适于接收高频光信号。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。这种变化没有规律。在要求高的装置中，在要求高的装置中，必须必须采用冷却装置。采用冷却装置。 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
27、.噪声噪声在红外探测中，在红外探测中，采用光调制技术，采用光调制技术，8008001000H1000HZ Z时可时可以消除以消除1/f1/f噪声噪声和产生和产生- -复合噪复合噪声。声。 光敏电阻优点：光敏电阻优点： 光谱响应范围相当宽。光谱响应范围相当宽。 工作电流大，达数毫安。工作电流大，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。灵敏度高。 偏置电压低，无极性之分，使用方便。偏置电压低，无极性之分，使用方便。三、光敏电阻的偏置电路三、光敏电阻的偏置电路1.1.基本偏置电路基本偏置电路bGLUIRRLLbGLRUURRLGGGLRRRii微变等效电路微变等效电路
28、为了使光敏电阻正常工作，为了使光敏电阻正常工作，必须正确选择必须正确选择U Ub b、R RL L。MPIUP为不使光敏电阻在任何为不使光敏电阻在任何光照下因过热而烧坏光照下因过热而烧坏 bLUUIR由基本偏置电路知由基本偏置电路知负载线方程为负载线方程为联立二式得联立二式得 242bbMLLUUP RIR要使负载线与要使负载线与P PM M曲线曲线不相交，则有不相交，则有 240bMLUP R24bLMURP此关系式对其它光电器件也适用此关系式对其它光电器件也适用（当负载线方程相同时）。（当负载线方程相同时）。2.2.恒流偏置电路恒流偏置电路在基本偏置电路中在基本偏置电路中 bGLUIRR如
29、果如果GLRR bLUIR可见可见I I与光敏电阻与光敏电阻无关，基本恒定。无关，基本恒定。dLSIRIdRdUgGGL2光照改变引起输光照改变引起输出电压的变化为出电压的变化为电压灵敏度：电压灵敏度：22GGgLUIRRISdLdUS提高提高I I或选择大的或选择大的R RG G，可显著提高电压灵敏度。，可显著提高电压灵敏度。实用中常采用的晶实用中常采用的晶体管恒流偏置电路。体管恒流偏置电路。 适用于微弱光信号适用于微弱光信号的探测。的探测。3.3.恒压偏置电路恒压偏置电路在基本偏置电路中，当在基本偏置电路中，当 GLRR 光敏电阻上光敏电阻上的电压为的电压为bGGbGLUUIRRURR光照
30、改变输出光照改变输出电压的变化为电压的变化为LgbLdUS U R dL可见，输出电压信号与可见，输出电压信号与光敏电阻的阻值无关。光敏电阻的阻值无关。需要更换光敏电阻时，需要更换光敏电阻时，对电路状态影响不大。对电路状态影响不大。 实际常采用的实际常采用的恒压偏置电路恒压偏置电路4.4.恒功率偏置电路恒功率偏置电路在基本偏置电路中，若在基本偏置电路中，若 GLRR 光敏电阻消耗光敏电阻消耗的功率为的功率为222()4bbGGGLLUUPI RRRRR这种电路的特点是负载可获得最大功率输出。这种电路的特点是负载可获得最大功率输出。5.5.控制电路控制电路光敏电阻在一定光照下阻值稳定，光敏电阻在一定光照下阻值稳定，适用作光控继电器。适用作光控继电器。 电流控制电流控制 电压控制电压控制 光控开关电路光控开关电路
