光輻射探測器

1、第三章 光輻射探測器,3.1 光輻射探測器的理論基礎(chǔ) ﹡光熱效應 ﹡光電效應,3.2 光熱探測器,3.3 光電探測器,光電導器件,結(jié)型光電器件,光電發(fā)射器件,引言,一. 概念光輻射探測技術(shù)：把被調(diào)制的光信號轉(zhuǎn)換成電信號并將信息提取出來的技術(shù)光探測過程可以形象地稱為光頻解調(diào)。光電探測器：對各種光輻射進行接收和探測的器件,,,光電探測器,光輻射量,電量,,熱 探 測 器光子探測器,光電倍增管,,二. 歷史:187

2、3年: Smith, May: 發(fā)現(xiàn)光電效應 Simens: 光電池1909年：Richtmeyer: 奠定光電管的基礎(chǔ)1933年：Zworkyn: 發(fā)明光電攝像管1950年：Weimer: 制出光導攝像管1970年： Boyle: 發(fā)明CCD,,,探測器件,熱電探測元件,光子探測元件,氣體光電探測元件,三、分類,外光電效應,內(nèi)光電效應,非放大型,放 大 型,光電導探測器,光磁電探測器,光

3、生伏特探測器,真空光電管,充氣光電管,光電倍增管,像增強器,攝像管,變像管,本征型,光敏電阻,摻雜型,紅外探測器,非放大,放大型,光電池,光電二極管,光電三極管,光電場效應管,雪崩型光電二極管,3.1 光輻射探測器的 理論基礎(chǔ),光輻射探測器的物理效應主要是光熱效應和光電效應。,3.1.1 光熱效應,當光照射到理想的黑色吸收體上時，黑體將對所有波長的光能量全部吸收，并轉(zhuǎn)換為熱能，稱為光熱效應 。,熱能增大，導致吸收體的物理、機械性

4、能變化，如：溫度、體積、電阻、熱電動勢等，通過測量這些變化可確定光能量或光功率的大小，這類器件統(tǒng)稱為光熱探測器。,光熱探測器對光輻射的響應有兩個過程：,器件吸收光能量使自身溫度發(fā)生變化,把溫度變化轉(zhuǎn)換為相應的電信號,,共性,個性,光熱探測器的最大特點是：1、從紫外到40μm以上寬波段范圍，其響應靈敏度與光波波長無關(guān)，原則上是對光波長無選擇性探測器。2、受熱時間常數(shù)的制約，響應速度較慢 。,,應用： 在紅外波段上，材料吸收率高，光熱效

5、應也就更強烈，所以廣泛用于對紅外線輻射的探測。,探測器遵從的熱平衡方程：,,設(shè)入射光的表達式為：,代入熱平衡方程，得到：,,,解得：,,器件的平均溫升,器件隨頻率ω的交變溫升,,式中，,,是器件的熱時間常數(shù)。,表明器件溫升滯后于輻射功率的變化。,因此，光熱探測器常用于低頻調(diào)制輻照場合。,設(shè)計時應盡力降低器件的熱時間常數(shù)，主要是減少器件的熱容量。,3.1.2 光電效應,光電效應是物質(zhì)在光的作用下釋放出電子的物理現(xiàn)象。,分為: 光電導效應

6、 光伏效應 光電發(fā)射效應,3.1.2.1 半導體中的載流子,載流子:能參與導電的自由電子和自由空穴。,載流子濃度:單位體積內(nèi)的載流子數(shù)。,I:,N:,P:,室溫下,,（施主濃度）,全電離時,,（受主濃度）,一、熱平衡狀態(tài)下的載流子濃度,由（1.26）式，,,,,可得出：,,上式表明：禁帶愈小，溫度升高， np就愈大，導電性愈好。,在本征半導體中，,,,,平衡態(tài)判據(jù),則有,可得出，少子濃度：,

7、,,二、非平衡狀態(tài)下的載流子,半導體受光照、外電場作用，載流子濃度就要發(fā)生變化，這時半導體處于非平衡態(tài)。,載流子濃度對于熱平衡時濃度的增量，稱為非平衡載流子。,半導體材料吸收光子能量而轉(zhuǎn)換成電能是光電器件工作的基礎(chǔ)。,1.半導體對光的吸收,本征吸收,,,或,,,為長波限。,雜質(zhì)吸收,電離能,半導體對光的吸收主要是本征吸收,2.光生載流子,半導體受光照射而產(chǎn)生的非平衡載流子。,,約為1010cm-3 ;,,多子濃度約為,,少子濃度約為,,

8、而熱平衡時，,可見，一切半導體光電器件對光的響應都是少子的行為。,載流子的復合：電子-空穴對消失。只要有自由的電子和空穴，復合過程就存在。,直接復合,間接復合,光生載流子的壽命,,—光生載流子的平均生存時間,復合率：單位時間內(nèi)載流子濃度減少量：,三、載流子的擴散與漂移,1.擴散,載流子因濃度不均勻而發(fā)生的定向運動。,,,,2.漂移,載流子受電場作用所發(fā)生的運動。,歐姆定律的微分形式,,對于電子電流,,,,｝,同理，對于空穴電流有,漂移電

9、流密度矢量,,,3.1.2.2 光電導效應,半導體材料受光照,吸收光子引起載流子濃度增大，從而材料的電導率增大。,、穩(wěn)態(tài)光電導與光電流,暗態(tài)下,,,亮態(tài)下,,,光電導,,光電流,,,,,,定義光電導增益,,,電子在兩極間的渡越時間,如果定義,,,則有,以上分析，對光敏電阻的設(shè)計和選用很有指導意義。,二、響應時間,光電導張馳過程,非平衡載流子的產(chǎn)生與復合都不是立即完成的，需要一定的時間。,半導體材料受階躍光照：,受光時,,t=0時，,,停

10、光時,,t=0時,,,（光照下的穩(wěn)態(tài)值）,,光電導張馳過程的時間常數(shù)就是載流子的壽命τ,2.半導體材料受正弦型光照（即正弦調(diào)制光）:,,可得出,,,當,,,,上限截止頻率,帶寬,光電導增益與帶寬之積為一常數(shù)：,,這一結(jié)論有一定的普遍性：,它表示材料的光電靈敏度與頻率帶寬是相互制約的。,3.1.2.3 光伏效應,光照射到半導體PN結(jié)上，光子在結(jié)區(qū)激發(fā)出電子-空穴對。,P區(qū)、N區(qū)兩端產(chǎn)生電位差—光電動勢,一、熱平衡狀態(tài)下的PN結(jié),由第一章

11、已知，在熱平衡狀態(tài)下，由于自建場的作用，PN結(jié)能帶發(fā)生彎曲。,,由式（3.7）、（3.8）可得出,,,,,在室溫下，,,,,得出,在一定溫度下，PN結(jié)兩邊的摻雜濃度愈高，材料的禁帶愈寬，UD愈大。,,,以上兩式表明：PN結(jié)兩邊少數(shù)載流子與多數(shù)載流子之間的關(guān)系。,熱平衡狀態(tài)下，PN結(jié)中漂移運動等于擴散運動，凈電流為零。,當在PN結(jié)兩端外加電壓U，使勢壘高度由qUD變?yōu)閝(UD–U)，引起多數(shù)載流子擴散時，少數(shù)載流子產(chǎn)生增量Δnp、Δpn，

12、有關(guān)系式：,,,,,,,擴散電流密度,,,則流過PN結(jié)的電流密度為,,PN結(jié)電流方程為,,PN結(jié)導電特性：,,正向偏置，電流隨著電壓的增加急劇上升。,,反向偏置，電流為反向飽和電流。,,熱平衡狀態(tài) ，I=0,二、光照下的PN結(jié),產(chǎn)生電子-空穴對。,在自建電場作用下， 光電流Iφ的方向與I0相同。,光照下PN結(jié)的電流方程為,,,短路(RL→0)情況,U=0 短路電流為,,光照下PN結(jié)的兩個重要參量:,開路(RL→∞)情

13、況,I=0開路電壓為,,3.1.2.4 光電發(fā)射效應,光照到某些金屬或半導體材料上，若入射的光子能量足夠大，致使電子從材料中逸出，稱為光電發(fā)射效應，又稱外光電效應。,愛因斯坦定律,,當hν＝W，對應的光波長為閾值波長或長波限。,,,,,,金屬材料的電子逸出功 W —從費米能級至真空能級的能量差。,半導體材料的電子逸出功,良好的光電發(fā)射體，應該具備的基本條件：,光吸收系數(shù)大；,光電子逸出深度大 ；,表面勢壘低 。

14、,金屬光電發(fā)射的量子效率都很低,且大多數(shù)金屬的光譜響應都在紫外或遠紫外區(qū)。,半導體光電發(fā)射的量子效率遠高于金屬：光電發(fā)射的過程是體積效應，表面能帶彎曲降低了電子逸出功，特別是負電子親和勢材料(NEA)。,P型Si的光電子需克服的有效親和勢為,,由于能級彎曲，使,這樣就形成了負電子親和勢。,正電子親和勢材料的閾值波長,,負電子親和勢材料的閾值波長,,從而光譜響應可擴展到可見、紅外區(qū)。,3.1.3 光探測器的噪聲,光探測器在光照下輸出的電流

15、或電壓信號是在平均值上下隨機起伏，即含有噪聲。,用均方噪聲,表示噪聲值的大小。,噪聲的功率譜,表示噪聲功率隨頻率的變化關(guān)系。,光探測器中固有噪聲主要有：熱噪聲、散粒噪聲、產(chǎn)生-復合噪聲、1/f噪聲、溫度噪聲。,、熱噪聲,熱噪聲存在于任何導體與半導體中，是由于載流子的熱運動而引起的隨機起伏。,,,熱噪聲屬于白噪聲，降低溫度和通帶，可減少噪聲功率。,二、散粒噪聲,在光子發(fā)射、電子發(fā)射、電子流中存在的隨機起伏 。,,散粒噪聲也屬于白噪聲。

16、,三、產(chǎn)生-復合噪聲,在半導體器件中，載流子不斷地產(chǎn)生-復合，使得載流子濃度存在隨機起伏。,,,四、1/f噪聲,是一種低頻噪聲，幾乎所有探測器中都存在。,,多數(shù)器件的1/f噪聲在200～300Hz以上已衰減為很低水平。,五、溫度噪聲,在光熱探測器中，由于器件本身吸收和傳導等熱交換引起的溫度起伏。,,低頻時,,也具有白噪聲性質(zhì)。,光電探測器噪聲功率譜綜合示意圖,3.1.4 光探測器的性能參數(shù),一、光電特性和光照特性,光電流I,大小為微安級

17、或毫安級。,光電特性,光照特性,線性度很重要。,二、光譜特性,,,光譜特性決定于光電器件的材料。,光譜特性對選擇光電器件和光源有重要意義，應盡量使二者的光譜特性匹配。,光電器件的靈敏度（響應率）,光譜靈敏度,,,積分靈敏度,,,積分靈敏度不但與探測器有關(guān)，而且與采用的光源有關(guān)。,三、等效噪聲功率和探測率,等效噪聲功率,,探測器的最小可探測功率,（噪聲功率水平）,,,等效噪聲功率越小，說明探測器本身的噪聲水平低，探測器的性能越好。,用探測

18、率D作為探測器探測能力的指標:,,探測率D表明探測器探測單位入射輻射功率時的信噪比，其值越大越好。,歸一化等效噪聲功率為,,歸一化探測率為,,在給出,時，常要標記出它們的測量條件,,如D*(500K,800,50)。,四、響應時間與頻率特性,如同光電導馳豫，光探測器對信號光的響應表現(xiàn)出惰性。,對于矩形光脈沖信號，其響應出現(xiàn)上升沿和下降沿，響應時間τ。,對于正弦型調(diào)制光，響應率隨頻率升高而降低 。,,,響應時間τ越小，頻率特性越好。,3.

19、2 光熱探測器,3.2.1 熱敏電阻,由Mn、Ni、Co、Cu氧化物或Ge、Si、InSb等半導體做成的電阻器，其阻值隨溫度而變化，稱為熱敏電阻。 當它們吸收了光輻射，溫度發(fā)生變化，從而引起電阻的阻值相應改變，將引起回路電流或電壓的變化，這樣就可以探測入射光通量。,,,正溫度系數(shù),負溫度系數(shù),3.2.2 熱釋電探測器,熱釋電探測器探測率高，是光熱探測器中性能最好的。,一、工作原理,基于熱電晶體的熱釋電效應。,熱電晶體是壓電晶體中的一

20、種，它具有自發(fā)極化的特性。存在宏觀的電偶極矩，面束縛電荷密度等于自發(fā)極化矢量Ps。,當用斬波器調(diào)制入射光，使矩形光脈沖（周期小于ΔQ的平均壽命）作用到熱電晶體表面的黑吸收層上，交變的ΔT使得晶體表面始終存在正比于入射光強的極化電荷。這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應。,熱釋電探測器只能探測調(diào)制和脈沖輻射。,熱釋電器件的基本結(jié)構(gòu):是一個以熱電晶體為電介質(zhì)的平板電容器，Ps 的方向垂直于電容器的極板平面。,,,為熱釋電系數(shù),二、基本電路,如果把輻射通量

21、為,的光照射到熱釋電器件光敏面上，則其溫升為,,由它引起熱釋電電量變化,從而產(chǎn)生的電流為,,輸出電壓為,,電壓響應率為,,，,也等于零，即不能響應恒定輻射 。,ω高頻時，,,，響應很差。,熱釋電探測器 適于接收低頻調(diào)制光，約20HZ左右。,三、熱釋電器件的主要材料,常用的熱電晶體材料有：硫酸三甘肽（TGS）鉭酸鋰（LiTaO3）等。還有一些陶瓷材料如鈦鋯酸鉛（PZT）等。,不論哪種材料，都有一個特定溫度，稱居里溫度。只有低于居里溫度，材

22、料才有自發(fā)極化性質(zhì)。,應使器件工作于離居里溫度稍遠一點，熱釋電系數(shù)變化較平穩(wěn)的區(qū)段。,熱釋電敏感元件都作成薄片,以降低熱容量。薄片的兩個面分別有正負電極，受光面有黑化吸收層。,為提高響應率：,3.3 光電探測器,3.3.1 光電導器件,典型的光電導器件是光敏電阻。,、光敏電阻材料與電阻結(jié)構(gòu),現(xiàn)在使用的光電導材料有Ⅲ-Ⅳ、Ⅲ-Ⅴ族化合物、硅、鍺等，以及一些有機物。,目前大都使用N型半導體光敏電阻。,本征半導體：,,,摻雜半導體：,,,摻雜

23、半導體光敏電阻的長波限大于本征半導體光敏電阻，因而它對紅外波段較為敏感。,光敏面作成蛇形，,電極作成梳狀，,有利于提高靈敏度。,二、光敏電阻的主要特性,1.光電特性,,α約為1； γ在0.5～1之間,電阻結(jié)構(gòu),在弱光照下，如L<100lx,γ＝1,,,GP～L具有良好的線性關(guān)系, Sg為常數(shù)：,,一般，L>100lx時，GP～L則為非線性關(guān)系。,為方便表達，仍可用關(guān)系式：,但Sg不是常數(shù)：,,,,流過光敏電阻的亮電流,2

24、.光譜特性,1－硫化鎘單晶2－硫化鎘多晶3－硒化鎘單晶4－硫化鎘與硒化鎘 混合多晶,對紅外光靈敏的 光敏電阻,對可見光靈敏的光敏電阻,3.頻率特性,光敏電阻在一定的光照下阻值穩(wěn)定。,它因高度的穩(wěn)定性 而廣泛地應用在 自動化技術(shù)中。,光敏電阻的頻率特性差，不適于接收高頻光信號。,4.伏安特性,1－硒； 2－硫化鎘3－硫化鉈；4－硫化鉛,5.溫度特性,光敏電阻的特性參數(shù)受溫度的影響較大，而且這種變化沒有規(guī)律。在要

25、求高的裝置中，必須采用冷卻裝置。,6.前歷效應,暗態(tài)前歷效應,亮態(tài)前歷效應,7.噪聲,在紅外探測中，采用光調(diào)制技術(shù)，800～1000HZ時可以消除1/f噪聲和產(chǎn)生-復合噪聲。,光敏電阻優(yōu)點：,①光譜響應范圍相當寬。,②工作電流大，達數(shù)毫安。,③既可測弱光，也可測強光。,④靈敏度高。,⑤偏置電壓低，無極性之分，使用方便。,三、光敏電阻的偏置電路,1.基本偏置電路,,,,微變等效電路,為了使光敏電阻正常工作，必須正確選擇Ub、RL。,,為不

26、使光敏電阻在任何光照下因過熱而燒壞,由基本偏置電路知負載線方程為,聯(lián)立二式得,,要使負載線與PM曲線不相交，則有,,此關(guān)系式對其它光電器件也適用（當負載線方程相同時）。,2.恒流偏置電路,在基本偏置電路中,如果,,,可見I與光敏電阻無關(guān)，基本恒定。,,光照改變引起輸出電壓的變化為,電壓靈敏度：,,提高I或選擇大的RG，可顯著提高電壓靈敏度。,實用中常采用的晶體管恒流偏置電路。,適用于微弱光信號的探測。,3.恒壓偏置電路,在基本偏置電路中