光辐射探测器课件.ppt

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1、第三章 光辐射探测器,3.1 光辐射探测器的理论基础 光热效应 光电效应,3.2 光热探测器,3.3 光电探测器,光电导器件,结型光电器件,光电发射器件,引言,一. 概念光辐射探测技术：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光探测过程可以形象地称为光频解调。光电探测器：对各种光辐射进行接收和探测的器件,光电探测器,光辐射量,电量,热 探 测 器光子探测器,光电倍增管,二. 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

2、摄像管1970年： Boyle: 发明CCD,探测器件,热电探测元件,光子探测元件,气体光电探测元件,三、分类,外光电效应,内光电效应,非放大型,放 大 型,光电导探测器,光磁电探测器,光生伏特探测器,真空光电管,充气光电管,光电倍增管,像增强器,摄像管,变像管,本征型,光敏电阻,掺杂型,红外探测器,非放大,放大型,光电池,光电二极管,光电三极管,光电场效应管,雪崩型光电二极管,3.1 光辐射探测器的 理论基础,光辐射探测器的物理效应主要是光热效应和光电效应。,3.1.1 光热效应,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，并转换为热能，称为光热效应 。,热能增大，导致

3、吸收体的物理、机械性能变化，如：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光功率的大小，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：,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,共性,个性,光热探测器的最大特点是：1、从紫外到40m以上宽波段范围，其响应灵敏度与光波波长无关，原则上是对光波长无选择性探测器。2、受热时间常数的制约，响应速度较慢 。,应用： 在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛用于对红外线辐射的探测。,探测器遵从的热平衡方程：,设入射光的表达式为：,代入热平衡方程，得到：,解得：,器件的平均温升,器件随

4、频率的交变温升,式中，,是器件的热时间常数。,表明器件温升滞后于辐射功率的变化。,因此，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，主要是减少器件的热容量。,3.1.2 光电效应,光电效应是物质在光的作用下释放出电子的物理现象。,分为: 光电导效应 光伏效应 光电发射效应,3.1.2.1 半导体中的载流子,载流子:能参与导电的自由电子和自由空穴。,载流子浓度:单位体积内的载流子数。,I:,N:,P:,室温下,（施主浓度）,全电离时,（受主浓度）,一、热平衡状态下的载流子浓度,由（1.26）式，,可得出：,上式表明：禁带愈小，温度升高， np就愈大，导电性愈好。,在本征

5、半导体中，,平衡态判据,则有,可得出，少子浓度：,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，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光电器件工作的基础。,1.半导体对光的吸收,本征吸收,或,为长波限。,杂质吸收,电离能,半导体对光的吸收主要是本征吸收,2.光生载流子,半导体受光照射而产生的非平衡载流子。,约为1010cm-3 ;,多子浓度约为,少子浓度约为,而热平衡时，,可见，一切半导体光电器件对光的响应都是少子的行为。,载流子的复合：电子-空穴对消失。只要有自由的电子和空穴，复合过程

6、就存在。,直接复合,间接复合,光生载流子的寿命,光生载流子的平均生存时间,复合率：单位时间内载流子浓度减少量：,三、载流子的扩散与漂移,1.扩散,载流子因浓度不均匀而发生的定向运动。,2.漂移,载流子受电场作用所发生的运动。,欧姆定律的微分形式,对于电子电流,同理，对于空穴电流有,漂移电流密度矢量,3.1.2.2 光电导效应,半导体材料受光照,吸收光子引起载流子浓度增大，从而材料的电导率增大。,、稳态光电导与光电流,暗态下,亮态下,光电导,光电流,定义光电导增益,电子在两极间的渡越时间,如果定义,则有,以上分析，对光敏电阻的设计和选用很有指导意义。,二、响应时间,光电导张驰过程,非平衡载流子的

7、产生与复合都不是立即完成的，需要一定的时间。,半导体材料受阶跃光照：,受光时,t=0时，,停光时,t=0时,（光照下的稳态值）,光电导张驰过程的时间常数就是载流子的寿命,2.半导体材料受正弦型光照（即正弦调制光）:,可得出,当,上限截止频率,带宽,光电导增益与带宽之积为一常数：,这一结论有一定的普遍性：,它表示材料的光电灵敏度与频率带宽是相互制约的。,3.1.2.3 光伏效应,光照射到半导体PN结上，光子在结区激发出电子-空穴对。,P区、N区两端产生电位差光电动势,一、热平衡状态下的PN结,由第一章已知，在热平衡状态下，由于自建场的作用，PN结能带发生弯曲。,由式（3.7）、（3.8）可得出,

8、在室温下，,得出,在一定温度下，PN结两边的掺杂浓度愈高，材料的禁带愈宽，UD愈大。,以上两式表明：PN结两边少数载流子与多数载流子之间的关系。,热平衡状态下，PN结中漂移运动等于扩散运动，净电流为零。,当在PN结两端外加电压U，使势垒高度由qUD变为q(UDU)，引起多数载流子扩散时，少数载流子产生增量np、pn，有关系式：,扩散电流密度,则流过PN结的电流密度为,PN结电流方程为,PN结导电特性：,正向偏置，电流随着电压的增加急剧上升。,反向偏置，电流为反向饱和电流。,热平衡状态 ，I=0,二、光照下的PN结,产生电子-空穴对。,在自建电场作用下， 光电流I的方向与I0相同。,光照下PN结

9、的电流方程为,短路(RL0)情况,U=0 短路电流为,光照下PN结的两个重要参量:,开路(RL)情况,I=0开路电压为,3.1.2.4 光电发射效应,光照到某些金属或半导体材料上，若入射的光子能量足够大，致使电子从材料中逸出，称为光电发射效应，又称外光电效应。,爱因斯坦定律,当hW，对应的光波长为阈值波长或长波限。,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。,半导体材料的电子逸出功,良好的光电发射体，应该具备的基本条件：,光吸收系数大；,光电子逸出深度大 ；,表面势垒低 。,金属光电发射的量子效率都很低,且大多数金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

10、属：光电发射的过程是体积效应，表面能带弯曲降低了电子逸出功，特别是负电子亲和势材料(NEA)。,P型Si的光电子需克服的有效亲和势为,由于能级弯曲，使,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,负电子亲和势材料的阈值波长,从而光谱响应可扩展到可见、红外区。,3.1.3 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是在平均值上下随机起伏，即含有噪声。,用均方噪声,表示噪声值的大小。,噪声的功率谱,表示噪声功率随频率的变化关系。,光探测器中固有噪声主要有：热噪声、散粒噪声、产生-复合噪声、1/f噪声、温度噪声。,、热噪声,热噪声存在于任何导体与半导体中，是由于载流子的热运动而

11、引起的随机起伏。,热噪声属于白噪声，降低温度和通带，可减少噪声功率。,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 。,散粒噪声也属于白噪声。,三、产生-复合噪声,在半导体器件中，载流子不断地产生-复合，使得载流子浓度存在随机起伏。,四、1/f噪声,是一种低频噪声，几乎所有探测器中都存在。,多数器件的1/f噪声在200300Hz以上已衰减为很低水平。,五、温度噪声,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。,低频时,也具有白噪声性质。,光电探测器噪声功率谱综合示意图,3.1.4 光探测器的性能参数,一、光电特性和光照特性,光电流I,大小为微安级或毫安级。,光电

12、特性,光照特性,线性度很重要。,二、光谱特性,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意义，应尽量使二者的光谱特性匹配。,光电器件的灵敏度（响应率）,光谱灵敏度,积分灵敏度,积分灵敏度不但与探测器有关，而且与采用的光源有关。,三、等效噪声功率和探测率,等效噪声功率,探测器的最小可探测功率,（噪声功率水平）,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。,用探测率D作为探测器探测能力的指标:,探测率D表明探测器探测单位入射辐射功率时的信噪比，其值越大越好。,归一化等效噪声功率为,归一化探测率为,在给出,时，常要标记出它们的测量条件,如D*(500K,8

13、00,50)。,四、响应时间与频率特性,如同光电导驰豫，光探测器对信号光的响应表现出惰性。,对于矩形光脉冲信号，其响应出现上升沿和下降沿，响应时间。,对于正弦型调制光，响应率随频率升高而降低 。,响应时间越小，频率特性越好。,3.2 光热探测器,3.2.1 热敏电阻,由Mn、Ni、Co、Cu氧化物或Ge、Si、InSb等半导体做成的电阻器，其阻值随温度而变化，称为热敏电阻。 当它们吸收了光辐射，温度发生变化，从而引起电阻的阻值相应改变，将引起回路电流或电压的变化，这样就可以探测入射光通量。,正温度系数,负温度系数,3.2.2 热释电探测器,热释电探测器探测率高，是光热探测器中性能最好的。,一、

14、工作原理,基于热电晶体的热释电效应。,热电晶体是压电晶体中的一种，它具有自发极化的特性。存在宏观的电偶极矩，面束缚电荷密度等于自发极化矢量Ps。,当用斩波器调制入射光，使矩形光脉冲（周期小于Q的平均寿命）作用到热电晶体表面的黑吸收层上，交变的T使得晶体表面始终存在正比于入射光强的极化电荷。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。,热释电器件的基本结构:是一个以热电晶体为电介质的平板电容器，Ps 的方向垂直于电容器的极板平面。,为热释电系数,二、基本电路,如果把辐射通量为,的光照射到热释电器件光敏面上，则其温升为,由它引起热释电电量变化,从而产生的电流为,输出电压为,电压响

15、应率为,，,也等于零，即不能响应恒定辐射 。,高频时，,，响应很差。,热释电探测器 适于接收低频调制光，约20HZ左右。,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（TGS）钽酸锂（LiTaO3）等。还有一些陶瓷材料如钛锆酸铅（PZT）等。,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。,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。,热释电敏感元件都作成薄片,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。,为提高响应率：,3.3 光电探测器,3.3.1 光电导器件,典型的光电导器件是光敏电阻。,、光敏电阻材

16、料与电阻结构,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。,目前大都使用N型半导体光敏电阻。,本征半导体：,掺杂半导体：,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。,光敏面作成蛇形，,电极作成梳状，,有利于提高灵敏度。,二、光敏电阻的主要特性,1.光电特性,约为1； 在0.51之间,电阻结构,在弱光照下，如L100lx,1,GPL具有良好的线性关系, Sg为常数：,一般，L100lx时，GPL则为非线性关系。,为方便表达，仍可用关系式：,但Sg不是常数：,流过光敏电阻的亮电流,2.光谱特性,1硫化镉单晶2硫化镉多晶3硒化镉单晶4硫化镉与硒化

17、镉 混合多晶,对红外光灵敏的 光敏电阻,对可见光灵敏的光敏电阻,3.频率特性,光敏电阻在一定的光照下阻值稳定。,它因高度的稳定性 而广泛地应用在 自动化技术中。,光敏电阻的频率特性差，不适于接收高频光信号。,4.伏安特性,1硒； 2硫化镉3硫化铊；4硫化铅,5.温度特性,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。在要求高的装置中，必须采用冷却装置。,6.前历效应,暗态前历效应,亮态前历效应,7.噪声,在红外探测中，采用光调制技术，8001000HZ时可以消除1/f噪声和产生-复合噪声。,光敏电阻优点：,光谱响应范围相当宽。,工作电流大，达数毫安。,既可测弱光，也可测强光。,灵敏

18、度高。,偏置电压低，无极性之分，使用方便。,三、光敏电阻的偏置电路,1.基本偏置电路,微变等效电路,为了使光敏电阻正常工作，必须正确选择Ub、RL。,为不使光敏电阻在任何光照下因过热而烧坏,由基本偏置电路知负载线方程为,联立二式得,要使负载线与PM曲线不相交，则有,此关系式对其它光电器件也适用（当负载线方程相同时）。,2.恒流偏置电路,在基本偏置电路中,如果,可见I与光敏电阻无关，基本恒定。,光照改变引起输出电压的变化为,电压灵敏度：,提高I或选择大的RG，可显著提高电压灵敏度。,实用中常采用的晶体管恒流偏置电路。,适用于微弱光信号的探测。,3.恒压偏置电路,在基本偏置电路中，当,光敏电阻上的电压为,光照改变输出电压的变化为,可见，输出电压信号与光敏电阻的阻值无关。需要更换光敏电阻时，对电路状态影响不大。,实际常采用的恒压偏置电路,4.恒功率偏置电路,在基本偏置电路中，若,光敏电阻消耗的功率为,这种电路的特点是负载可获得最大功率输出。,5.控制电路,光敏电阻在一定光照下阻值稳定，适用作光控继电器。,电流控制,电压控制,光控开关电路,