《光辐射检测器》PPT课件.ppt

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1、第三章 光辐射检测器件,光电导检测器件光生伏特检测器件热电检测器件,光敏电阻：利用光电导效应的材料制成电导率随着入射光辐射量变化而变化的器件。1、光敏电阻的结构及工作原理在绝缘材料装上梳形光电导体并封闭在金属或塑料外壳内，再在两端连上电极。,3.1 光电导检测器件,光电导材料主要采用N型金属硫化物或硒化物。工作时在两端加上适当的偏置电压，则有电流通过。当改变光照，半导体内部因产生光生载流子而电阻减小。电阻的变化反应在电流的变化。,光敏电阻分为：本征型半导体光敏电阻、杂质型半导体光敏电阻。本征型半导体光敏电阻常用于可见光长波长检测。杂质型半导体光敏电阻常用于红外波段光辐射甚至于远红外波段光辐射的

2、检测。光敏电阻特点：光谱响应范围宽工作电流大所测的光电强度范围宽灵敏度高无选择极性之分，使用方便,使用的光电导材料有-族、-族化合物，硅、锗等，以及一些有机物。,常用光电导材料,2、光敏电阻特性参数 1）光电导灵敏度Sg按灵敏度定义（响应量与输入量之比）有:,Gp：光电导，单位为西门子S（-1）。E：照度，单位为勒克斯（lx）。Sg:单位为西门子/勒克斯（S/lx）或Sm2/W。,2)光电特性 光电流与照度的关系称为光电特性。,I光：光电流E：照度：电压指数Sg：光电导灵敏度U：光敏电阻两端所加的电压：光照指数,与材料和入射光强弱有关，对于硫化镉光电导体，在弱光照下1，在强光照下1/2，一般0

3、.51。,3）光谱特性 光谱特性多用相对灵敏度与波长的关系曲线表示。,1-硫化镉单晶 2-硫化镉多晶 3-硒化镉多晶4-硫化镉与硒化镉混合多晶,红外区几种光敏电阻的光谱特性曲线,4）伏安特性 在一定的光照下，加到光敏电阻两端的电压与光敏电阻的光电流之间的关系称为光敏电阻的伏安特性。,光敏电阻的伏安特性曲线,5）时间和频率特性 光敏电阻的时间常数大，从而影响了光敏电阻对变化光照的响应。光敏电阻采用交变光照时，其输出将随入射光频率的增加而减小。照度越大时间常数越大。,1-硒 2-硫化镉 3-硫化铊 4-硫化铅,6）温度特性 光敏电阻的温度特性很复杂，一般情况下相对光电导率随温度的升高而下降。,硫化

4、镉光敏电阻的温度特性曲线a)硫化镉单晶 b)硫化镉多晶,3、光敏电阻的应用优点：光谱响应范围宽，测光范围宽，灵敏度高，无极性之分。缺点：响应时间长、频率特性差、强光线性差、受温度影响大。主要用在红外区的弱光探测和开关控制上。1）使用中的注意事项：（1）当用于模拟量测量时，因光照指数与光照强弱有关，只有在弱光照下光电流与入射辐射通量成线性关系。,（2）用于光度量测试仪器时，必须对光谱特性曲线进行修正，保证其与人眼的光谱光视效率曲线符合。（3）光敏电阻的光谱特性与温度有关，温度低时，灵敏范围和峰值波长都向长波方向移动，可采取冷却灵敏面的办法来提高光敏电阻在长波区的灵敏度。（4）光敏电阻的温度特性很

5、复杂，电阻温度系数有正有负，一般说，光敏电阻不适于在高温下使用，温度高时输出将明显减小，甚至无输出。,（5）光敏电阻频带宽度都比较窄，在室温下只有少数品种能超过1000Hz，而且光电增益与带宽之积为一常量，如要求带宽较宽，必须以牺牲灵敏度为代价。（6）设计负载电阻时，应考虑到光敏电阻的额定功耗，负载电阻值不能很小。,2）火焰检测报警器,3）照相机电子快门,4）照明灯的光电控制,真空光电器件光电导检测器件光生伏特检测器件热电检测器件,利用半导体PN结光伏效应制成的器件称为光生伏特器件，也称结型光电器件。这类器件品种很多，包括：光电池、光电二极管、光电晶体管、光电场效应管、PIN管、雪崩光电二极管

6、、光可控硅、阵列式光电器件、象限式光电器件、位置敏感探测器（PSD）、光电耦合器件等。暗电流小、噪声低、响应速度快、光电特性线形度好、温度影响小等特点。,3.3 光生伏特检测器件,1、光电池光电池是利用光生伏特效应直接将光能转换为电能的器件。目前主要有硒光电池、硅光电池、砷化镓光电池和锗光电池四大类。硒光电池：光谱响应与人眼接近，频谱较宽硅光电池：转换效率高砷化镓光电池：量子效率高、噪声小、光谱响应在紫外区和可见光区锗光电池：长波响应宽，多用于红外探测,1）光电池的基本结构光电池的基本结构就是一个PN结。因衬底材料导电类型不同而分成2CR系列和2DR系列两种。,光电池在光照下能够产生光生电势，

7、光电流实际流动方向为，从P端流出，经过外电路，流入N端。作为太阳能电池使用时，为提高其输出功率，可将硅光电池单体经串联或并联构成阵列结构，作为光电检测器使用时可按不同测量要求制做。2）光电池的特性参数 伏安特性、输出特性、光谱特性、温度特性和频率特性。,（1）伏安特性硅光电池的伏安特性，表示输出电流和输出电压随负载电阻变化的曲线。,光电池等效电路,光电池伏安特性曲线,伏安特性曲线方程为：,IL为光电池等效电路中的恒流源Is为光电池等效二极管反向饱和电流 Rd为光电池等效电路中串联电阻,Rd很小，则方程改写为：,其中,S为光电灵敏度,L为入射光强度,短路电流：V=0,开路电压：I=0,可以看出，

8、开路电压与入射光强成对数关系。而短路电流与入射光强成线性关系。,电压、电流随入射光强度变化特性,电压、电流与受光面积A变化特性,当外接负载电阻时，如果负载电阻值比Rd小得多，则输出电流可以近似认为就是短路电流。此时，输出电流与光强仍为线性关系。,光电池在不同负载电阻下的光电特性,负载电阻愈小，线性度愈好，且线性范围愈宽光强愈大，线性范围愈小,（2）输出特性光电池两端连接某一负载RL,其上的电流设为IL，电压降为VL，则光电流在RL上产生的电功率为：PL=VL IL,转换效率：电功率与入射光功率之间的比值。,IL、VL、PL有如图的关系,RM为功率最大值PM对应的负载电阻值，称为最佳负载。,（3

9、）光谱特性用单位辐射通量的不同波长的光分别照射时光电池短路电流大小的相对值表示。,硅光电池：光谱响应范围 0.4 0.9m 峰值波长 0.80.9 m硒光电池：光谱响应范围 0.340.75 m 峰值波长 0.54 m,（4）温度特性,（5）频率特性,3）光电池的应用作为光电检测器件、将太阳能转变为电能作为检测器件，有着光敏面积大，频率响应高，光电流随照度线性变化等特点。用在光电读数、光电开关、光栅测量技术、激光准直、电影还音等装置上。作为太阳能电池，可常用于卫星、微波站、野外灯塔、航标灯，无人气象站等无输电线路地区的电源供给。,2、光电二极管光电二极管其基本结构也是一个PN结。与光电池相比，

10、重要的不同点是结面积小，频率特性特别好。光生电势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为数微安到数十微安。按材料分，光电二极管有硅、砷化镓、锑化铟、铈化铅光电二极管等许多种。国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和2DU两种系列。2CU系列以N-Si为衬底，2DU系列以P-Si为衬底。,1）光电二极管的结构从结构特性来分，有PN结、PIN结、异质结、肖特基势垒及点接触型等。2CU系列光电二极管只有两个引出线，而2DU系列光电二极管有三条引出线，除了前极、后极外，还设了一个环极。,硅光电二极管的封装可采用平面镜和聚焦透镜作入射窗口，有利于提高灵敏度。,聚焦位置与入射光方向有关

11、，能够减小杂散背景光的干扰，但也引起灵敏度随入射光方向而变化。,2）工作原理硅光电二极管通常是用在电压反偏的光电导工作模式。,光电二极管光电转换示意图,3）光电二极管的特性参数（1）结电容光电二极管的重要工作区是势垒区它的厚度对光电二极管的特性有着非常重要的影响。结电容可表示为：,N：掺杂浓度U：外加电压,（2）光谱特性光谱特性主要决定于：表面层(半导体薄层与金属薄层)材料的禁带宽度Eg；表面抗反射涂层的性质与厚度，器件的结构。,2DU和2DUL系列光电二极管的光谱特性,（3）光电特性反向偏压足够大时，光生电流与所加的电压几乎无关，它仅取决于光照强度。,反向偏压为1.5V时扩散PN结光电二极管

12、的光照特性,（4）伏安特性光电二极管的用法只能有两种。一种是不加外电压，直接与负载相接。另一种是加反向电压。,a)不加外电源 b)加反向外电源 c)2DU环极接法,由于多数场合光电二极管都是加反向电压，所以其伏安特性曲线常画成如下图所示。,反偏可以减小载流子的渡越时间和二极管的极间电容，有利于提高器件的响应灵敏度和响应频率。但反向偏置电压也不能太高，以免引起雪崩击穿。,4）几种光电二极管 按材料分：有锗、硅制作的光电二极管，也有III-V族化合物及其它化合物制作的二极管。按结构分：有PN结、PIN结、异质结、肖特基势垒及点接触型等。按对光的响应分：有用于紫外光、可见光及红外光等种类。,（1）点

13、接触光电二极管光电面很小(结面很小)，势垒电容很小，响应很快。,（2）扩散型PN结光电二极管 耗尽层厚度比结的任何一边的扩散长度要小的管子。它的工作区主要是结两边的扩散区。频率特性较差。,（3）耗尽层型光电二极管耗尽区比结的任一边的扩散长度大的管子。它的光电转换区域主要是在耗尽层内，光电流主要是由漂移电流引起的，这种管子有很高的频率响应。（4）PIN光电二极管又称为快速光电二极管。,PIN光电二极管具有以下优点：使PN结的结时间距离拉大，结电容变小。由于内建电场基本上全集中在I层，提高了量子效率。增加了对长波的吸收，提高了长波灵敏度，其响应波长范围0.41.1um。可承受较高的反向偏压，使线性

14、输出范围变宽。不足的是，I层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。,（5）雪崩光电二极管与光电倍增管相对应的半导体器件，具有十分高的响应率、高的增益带宽乘积和极快的时问响应持性。,为了实现均匀倍增，衬底材料的掺杂浓度要均匀，缺陷要少；同时在结构上采用保护环。带保护环的雪崩光电二极管称为保护环雪崩光电二极管，记作GAPD。,一般雪崩光电二极管具有以下特性：灵敏度很高；响应速度快；噪声等效功率很小，约10-15W；反偏压高，可达200V，接近于反向击穿电压。缺点：噪声大。工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无法使用。,4、阵列式或象限式结型光电器件

15、将2个至几百个光电二极管或光电池排成一行，集成在一块集成电路片子上，即成为阵列式的一维光电器件。也可以使光电二极管或光电池制成象限式的二维光电器件。特点：光敏元密集度大，总尺寸小，容易作到各单元多数一致，便于信号处理,5、光电位置敏感器件（PSD）PSD是利用离子注入技术制成的一种可确定光的能量中心位置的结型光电器件，有一维的和二维的两种。当入射光是一个小光斑，照射到光敏面时，其输出则与光的能量中心位置有关。其特点是，它对光斑的形状无严格要求，光敏面上无象限分隔线，对光斑位置可连续测量。,1）、一维光电位置敏感器,光斑能量中心对于器件中心的位置,2）二维光电位置敏感器两种形式：单面型、双面型。

16、,单面型,双面型,6、光电耦合器件1）发光器件按激发方法可分光致发光、化学发光、摩擦发光、阴极射线致发光、电致发光等。按光谱宽度可分为相干光与非相干光。主要的相干光源是激光。光电源分为3种：热辐射光源（白炽灯、卤钨灯等）、气体放电光源（汞灯、脉冲氙灯等）、固体发光光源（发光二极管等）。,激光光源按激光工作物质的分为：气体激光器、固体激光器、半导体激光器以及染料激光器等；按工作方式分为：连续工作激光器和脉冲工作激光器；按工作波长范围分为：紫外光激光器、可见光激光器和红外光激光器等。（1）发光二极管（LED）发光二极管是少数载流子在PN结区的注入与复合而产生发光的一种半导体光源。把电能直接转换成光

17、能的半导体器件。,LED有5种类型：表面发光二极管（SLED）、侧面发光二极管（ELED）、平面LED、圆顶型LED和超发光LED。发光二极管的基本结构是PN结施加正向电压LED发出的光是荧光,a）发光二极管工作原理,发光二极管的材料直接带(直接跃迁)材料：GaAs和GaN间接带(间接跃迁)材料：GaP 混合晶体材料：GaAs1-xPx,b)光谱特性指发光的相对强度(或能量)随波长(或频率)变化的分布曲线。发射光谱的形成是由材料的种类、性质以及发光中心的结构决定。描述光谱分布的两个主要参量是它的峰值波长和半强度宽度(称为半宽度)。,峰值光子的能量还与温度有关，它随温度的增加而减少。在结温上升时

18、，谱带波长以0.20.3nm的比例向长波方向移动。,c)伏安特性,UT,UT为开启电压，UUT时导通发光；UUT时截止不发光。一般为1.5伏。反向击穿电压 一般在-5V以上。正向电流与电压的关系为：,m为复合因子，标志器件发光特性的好坏。,d)寿命发光二极管的寿命定义为亮度降低到原有亮度一半时所经历的时间。老化的快慢与工作电流密度有关。随着电流密度的加大，老化变快，寿命变短。f)响应时间响应时间是指注入电流后发光二极管启亮（上升）或熄灭（衰减）的时间。发光二极管的上升时间随着电流的增大近似地成指数减小。,（2）发光二极管的应用a)数字、文字及图像显示,七段式数码,14划字码管,二极管作矩阵排列

19、,横向(行)输入信号纵向(列)转换开关,纵向输入信号横向转换开关,b)指示、照明 c)光源d)光电开关、报警、遥控、耦合,(3)激光器激光器是一种新型的发光器件，具有方向性强、单色性好、相干性好、亮度高等突出优点。a)激光器的工作原理激光器一般是由工作物质、谐振腔和泵浦源组成。受激辐射原子的两个能级之间产生跃迁的吸收、自发发射和受激辐射的三个基本过程。,吸收：能量刚好等于h12的光子碰击系统时，处于能态E1上的原子会吸收光子而进入激发态E2。自发辐射：原子在激发态是不稳定的，在没有任何外界刺激的条件下，有自发返回基态的趋势，并放出能量为h12的光子,受激辐射：当能量为h12的入射光子激励已处于

20、激发态的原子后，原子因受激而跃回基态，并发射出频率、位相和方向都与入射光子相同的能量为h12的光子。粒子数反转分布反转是使受激辐射从次要地位转化为主导地位的必要条件。由泵浦源完成。光泵浦、电泵浦。,谐振腔谐振腔对共振频率有选择增益作用。产生稳定振荡的条件是共振腔的长度L恰好等了辐射光半波长的整数倍，即,共振腔是产生激光的又一必要条件。,b)激光器类型按工作物质分：气体激光器、固体激光器、染料激光器和半导体激光器等。气体激光器以气体为工作物质的激光器。多数采用高压放电方式泵浦。最常见的有氦-氖激光器、氩离子激光器、二氧化碳激光器、氦-镉激光器和铜蒸气激光器等。,氦-氖激光器1961年由佳万博士及

21、其同事们发明。激光器的结构有内腔式、半内腔式和外腔式,固体激光器使用的工作物质是具有特殊功能的高质量的光学玻璃或光学晶体，里面掺入具有发射激光能力的金属离子。固体激光器有红宝石、钕玻璃和钆铝石榴石等激光器。,红宝石激光器,半导体激光器半导体激光器的工作物质是半导体材料，它的原理与前面讨论过的发光二极管没有太多差异，PN结就是激活介质。,GaAs半导体激光器,半导体激光器输出-电流特性,影响阈值电流的因素很多温度越高，阈值电流越大。腔长越长，阈值电流越小。还与材料，结区表面透过损耗等因素有关。,染料激光器染料激光器是以染料为工作物质。,c)激光器的特性 单色性方向性高亮度相干性2）光电耦合器件将

22、发光器件（LED)和光敏器件(光电二、三极管等)密封装在一起形成的一个电光电器件。,光耦合器件分为两类：光电隔离器：是在电路之间传送信息，以便实现电路间的电气隔离和消除噪声影响。光传感器：是一种固体传感器，主要用于检测物体的位置或检测物体有无的状态。光耦合器件具有体积小、寿命长、无触点、抗干扰能力强、输出和输入之间绝缘、可单向传输模拟或数字信号等特点。,光电耦合器件的发光件常采用LED发光二极管、LD半导体激光器和微形钨丝灯等。光电接收器件常采用光电二极管、光电三极管、光电池及光敏电阻等。,（1）光电隔离器把发光器件和光电接收器件组装在同一管壳内，且两者的管心相对、相互靠近，除光路部分外，其他

23、部分完全遮光就构成光电隔离器。,（2）光传感器透过型和反射型两种。透过型光传感器是将保持一定距离的发光器件和光接收器件相对组装而成。当物体从两器件之间通过时将引起透射光的通和断，从而判断物体的数量和有无。,反射型光传感器是把发光器件和光接收器件以某一交叉角度安放在同一方向。通过测量物体经过时反射光量的变化，可检测物体的数目、长度。,3）光电耦合器的特点具有电隔离的功能。信号传输是单向性的，不论脉冲、直流都可以使用，适用于模拟信号和数字信号。具有抗干扰和噪声的能力。响应速度快。使用方便。,4）光电耦合器件的特性参数光电耦合器件的主要特性为传输特性与隔离特性。（1）电流传输比,IC:光电耦合器件的

24、集电极电流IF:发光二极管的注入电流,交流电流传输比:,的大小与IF有关,随外界温度也有关,随外界温度的变化。在0以下时，值随温度T的升高而上升；在0以上时，值随T的增加而下降。,（2）最高工作频率fm光电耦合器件的频率特性分别取决于发光器件与光电接收器件的频率特性。,光电耦合器频率特性,频率特性测量电路,最高工作频率fm与负载电阻的关系：,（3）脉冲上升时间tr和下降时间tf,5)光电耦合器件的抗干扰特性光电耦合器件的重要优点之一就是能强有力地抑止尖脉冲及各种噪音等的干扰。6)光电耦合器件的应用(1)电平转换,(2)逻辑门电路,(3)隔离方面的应用,(4)可控硅控制电路种的应用,典型光耦合可

25、控硅,典型光耦合双向可控硅,真空光电器件光电导检测器件光生伏特检测器件热电检测器件,热电检测器件工作原理是基于光辐射与物质相互作用的热效应而制成的器件。工作的物理过程是：器件吸收入射辐射功率产生温升，温升引起材料各种有赖于温度的参量的变化，监测其中一种性能的变化，来探知辐射的存在和强弱。,3.4 热电检测器件,热电探测器件的时间常数定义为=CH/GCH：热容G：热导的数量级约为几毫秒至几秒，比光电器件的时间常数大得多。为使探测器的热容小，应尽量使探测器的结构小、重量轻。热电检测器件大致分为热敏电阻型、热电偶型、气动型(高莱元件)和热释电型四类。,、热敏电阻热敏电阻是由电阻温度系数大的导体材料制

26、成的电阻元件，也称它为测辐射热计。在吸收入射辐射后引起温升而使电阻改变，导致负载电阻两端电压的变化。,热敏电阻有金属的和半导体的两种。金属的热敏电阻，电阻温度系数多为正的，绝对值比半导体的小，它的电阻与温度的关系基本上是线性的，耐高温能力较强。半导体的热敏电阻，电阻温度系数多为负的，绝对值比金属的大十多倍，它的电阻与温度的关系是非线性的，耐高温能力较差。,热敏电阻具备如下特点：热敏电阻的温度系数大，灵敏度高。结构简单，体积小，可以测量近似几何点的温度。电阻率高，热惯性小，适宜做动态测量。阻值与温度的变化关系呈非线性。不足之处是稳定性和互换性较差。,结构热敏电阻的灵敏面是一层由金属或半导体热敏材

27、料制成的厚约0.01mm的薄片。表面都要进行黑化。,带补偿元件的热敏电阻,限制热敏电阻最小可探测功率的主要因素是与元件电阻有关的约翰逊噪声和与辐射吸收、发射有关的温度噪声。在室温下噪声等效功率：10-610-9WHz-1/23K时噪声等效功率：10-1310-14WHz-1/2除了热敏电阻的测辐射热计外，还有超导测辐射热计、碳测辐射热计和锗测辐射热计等。,2、热电偶检测器热电偶也叫温差电偶，其工作原理是温差电效应。1）热电偶的工作原理,热电偶接收辐射一端称为热瑞，另一端称为冷端。,半导体材料构成的热电偶，多数载流子要从热端向冷端扩散，使P型材料热端带负电，冷端带正电；而N型材料情况正好相反。开

28、路电压为：Uoc=MTM为比例系数，称塞贝克常数，也称温差电势率，单位为V/；T为温度增量。热电偶的响应时间约为几毫秒到几十毫秒左右，带宽较窄。,热电探测器件最小可探测功率的主要限制因素是温度噪声和约翰逊噪声。2）热电堆检测器热电堆（温差电堆）是把若干个热电偶串接而成，目的是显著地提高其响应率和灵敏度。,3)高莱元件（高莱管）利用小容量的气体受热膨胀使柔镜变形的原理探测辐射的器件。,吸热升温气体膨胀柔镜弯曲光栅像移位光通量变化,4)热释电器件热释电器件是一个以热电晶体为电介质的平板电容器。(1)结构原理,热电晶体在温度变化时所显示的热电效应示意图a)恒温下 b)温度变化时 c)温度变化时的等效表现,探测的辐射必须是变化的,探测的辐射必须是变化的!平均作用时间为/，式中，为晶体的介电系数，为晶体的电导率,当温度高于居里温度时，自发极化矢量为零,(2)热释电器件的特点具有较宽的频率响应，工作频率接近兆赫兹，远远超过其它热探测器的工作频率。热释电器件的探测率高；热释电器件可以有大面积均匀的敏感面，而且工作时可以不外加接偏置电压；,3.5各种光电检测器件的性能比较1.接收光信号的方式光信号的有无光信号按一定频率交替变化光信号的幅度大小光信号的色度差异2.各种光电检测器件的性能比较3、光电检测器件的应用选择,