光电倍增光敏电阻.ppt

《光电倍增光敏电阻.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光电倍增光敏电阻.ppt（57页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、与光电管相比。阴极 K、阳极A以及管壳外，多了若干中间电极，倍增极或打拿极。,每相邻两个电极称为一级。Vi为各级电压，总电压约为千伏量级，从阴极K经打拿极Di，到阳极A，形成逐级递增的加速电场。,光电发射探测器光电倍增管,让光探测变得容易，即使是非常微弱的信号，也将成为可能。,逐级倍增使电子数目大量增加，被阳极收集形成阳极电流。当光信号变化时，阴极发射的光电子数目发生相应变化由于各倍增极的倍增因子基本上是常数阳极电流随光信号而变化,阴极在光照下发射光电子，光电子被极间电场加速聚焦，轰击倍增极，倍增极在高速电子轰击下产生更多的电子，电子数目增大若干倍。,光电倍增管的性能主要由光阴极和倍增极以及极

2、间电压决定。负电子亲合势材料是目前最好的光阴极材料：二次电子发射特性用二次发射系数来描述，即,可对微弱光线进行放大，可使光电流放大105108 倍，灵敏度高，用在工程、天文、科研、军事等方面。,如果倍增极的总级数为n，且各级性能相同，考虑到电子的传输损失，则光电倍增管的电流增益为M M=IA/Ik=f（g）n,良好的电子光学设计可使f、g值在09以上。,式中n为倍增极级数，N为发射的电子数，n表示第n级倍增极每一个入射电子所能产生的二次电子的倍数，即该级的电流增益。,式中IA为阳极电流，Ik为阴极电流。f为第一倍增极对阴极发射电子的收集效率，g为各倍增极之间的电子传递效率。,例如，锑化铯材料，

3、02V0.7，银镁合金的V40，V(伏特)若取n10，则前面的电流增益为M10(02)l0V7，后者的 M(V40)10。,理论和实验表明，倍增极的电流增益值主要取决于倍增极材料和极间电压，,可见，材料一定，总电流增益与极间电压的关系十分密切，工作电压微小变化将使M值有明显的波动，这将使光电倍增管的工作不稳定。,但过多的倍增级数将使光电倍增管的管长加长，体积加大，同时还将使电子渡越效应变得严重，影响光电倍增管的频率特性和噪声性能。,M=IA/Ik=f（g）n,从上述讨论可知，n和愈大，M值就愈高。,通常值为3-6，n取9-14级，M为105-107。负电子亲合势打拿极的值可高达20-25，这可

4、使级数n大为减少又可得到良好的频率特性。,综合上述诸因素，一般选用较大的值和较少的级数。实验发现，随着工作电压增大，趋于一最大饱和值，过此值后电压V再增大时反而变小。,因为倍增作用，最后三级倍增极的电流较大。在脉冲信号情况下，将突然使这几级极间电压下降，造成空间电荷堆积，反而使阳极电流下降。所以在脉冲光信号的情况下，必须采用稳压电容C1，C2，C3来防止这几级极间电压的突变。,它适用于高速光脉冲或强度调制的激光信号的探测，若光信号为平稳的连续光波则图中的电容C1，C2，C3可以不用。,它们分别取值为C3100iA/Vn+1 C2 C3/n C1 C2/n-1,由于阴极到第一打拿极之间，电子的聚

5、焦、收集的好坏对阳极电流的影响最大，故其极间电压V比其它倍增极的极间电压要取得高些，即分压电阻要取得大些，,中间各倍增极一般均匀分压。末级极间电压Vn+1般取得低些，即Rn+1，值取得小些。(Rn的量级为100500千欧姆)。,iA为阳极电流是脉冲信号的脉宽，vn+l为末级电压，n和n1分别为第n级和nl级打拿极的二次电子发射系数,正高压负高压,供电方式,负高压供电方式是指电源正极接地，使阳极输出直接接入放大器输入端而无需隔直流电容。优点是便于用直流法测量阳极输出电流，能响应变化非常缓慢的光信号。缺点是地处于高电位，易受外界电磁干扰，噪声大。,正高压供电方式是指电源负极接地。这时阳极输出必须经

6、过一耐高压低噪声的隔直流电容接入放大器输入端。由于阴极电位与地电位接近，因而暗电流小，噪声低，适用于低噪声要求严格的光脉冲信号探测。,光电倍增管的光电特性曲线在相当宽的范围内为直线。如图(a)所示。,当光功率接近20微瓦时，特性曲线开始偏离直线，出现饱和效应。,原因是最后几级打拿极的疲劳和电荷积累效应，使增益系数大大降低。,倍增管的显著特点是适于微弱光信号的探测。在使用时要切忌过度光照。由于光电子从阴极到阳极要渡越较长的距离，所以在使用时对光电倍增管进行良好的电磁屏蔽也是十分重要的.光电倍增管的伏安特性曲线与真空光电管的伏安特性十分相似。,在一些弱光直流测量中，信号电流小到与暗电流可以比拟的程

7、度，这时在阳极输出电路中，可采用暗电流补偿的方法。图(a)是一种最简单的补偿电路。在检流计上并联可变电阻且与电池串联的支路，调节可变电阻，产生一个反方向的电流。正好抵消暗电流，即所谓调零。经补偿之后，测出的就是信号电流。由于暗电流经常变化，所以使用时要随时调零。,光电倍增管的响应频率为上式，可见，为获得足够宽的频率响应，必须降低负载电阻RL，并相应地提高管子增益，保证有足够的信号输出幅度。,对于交流信号和脉冲信号，阳极对地电容不可忽略，它已是输出电路的组成部分。输出电路及其等效电路，如图(b)所示。其中Ca正是阳极对其他所有电极的电容、引线寄生电容、后继电子线路输入电容三者之和。输出电路的时间

8、常数 cRLCa。,光电倍增管的噪声特性。因为是一个非常灵敏的微弱信号探测器，它的噪声特性很重要。,对电磁屏蔽良好的光电倍增管来说，其噪声主要来源是暗电流、光信号电流、背景光电流以及负载电阻的热噪声。如果光信号变化缓慢，还应考虑1/f 噪声。,光阴极的热电子发射所产生的暗电流iT的大小由理查逊（Richardson）方程决定，即,式中 为光阴级量子效率，Ps和Pb为信号和背景光功率。,决定的散粒噪声为,光电流ik为,对纯金属，其值为1.2106安/（米2开2），A、T、E分别为光阴极的面积、温度和功函数（eV），K为玻尔兹曼常数。,所以总电流iA为,式中表示倍增过程的噪声贡献，式中 是第一打拿

9、极的增益系数，为其余极的增益系数，通常F=1.2 左右。,所以光电倍增管的总噪声为,另外，负载电阻RL有热噪声,在光照下会改变自身的电阻率，光照愈强，器件电阻愈小光敏电阻。,光电导探测器,本征型光敏电阻:可见光和近红外辐射探测非本征型光敏电阻：必须在低温下工作中、远 红外辐射探测。,由于光敏电阻没有极性，可把它当作阻值随光照强度变化而变化的可变电阻来对待。,光电导探测器的光谱响应，主要由材料和工艺过程决定。,CdS、CdSe和PbS三种光敏电阻的光谱响应特性曲线,光电导材料的响应截止波长和工作温度,利用半导体材料的掺杂以及用两种半导体材料按一定比例混合并烧结形成固溶体的技术，可使光敏电阻的光谱

10、响应范围、峰值响应波长获得一定程度的改善。在一定的偏压条件下，光敏电阻的光照特性呈非线性关系，回路电流有,式中u是光敏电阻两端的电压，见图所示，、k均为常数。K与器件的材料、尺寸、形状以及载流子寿命有关，值一般在1.01.2之间，值约在0.51.0之间.在低偏压（几伏到几十伏）、弱光照（101103勒克斯）条件下，通常取=1，=1。于是上式变为,这样无论是光照特性（I-P关系）还是伏安特性（iu关系）都认为是线性特性。CdS的光照特性如图所示，可见有明显的非线性。,光敏电阻的暗电阻在10兆欧以上，光照后电阻值显著降低，亮阻和暗阻之比在102-l06。这一比值越小光敏电阻的灵敏度越高，光敏电阻是

11、具有电流内增益的探测器内增益M为,式中可见，为了得到较大的电流增益M，总是设法减小极间距离L。,M=nV/L2,n为电子的迁移率。V为外加偏压，为电子的平均寿命。L是半导体在外加电压方向的长度。,光电导探测器的实际结构，如图所示。掺杂半导体薄膜淀积在绝缘基底上，然后在薄膜面上蒸镀金或铜等金属，形成梳状电极结构。这种结构使得间距很近(即L小，M大)的电极之间，具有较大的光敏面积，从而获得高的灵敏度。,为防止潮湿对灵敏度的影响，整个管子采用密封结构。由图可知，光敏电阻两端电压u为 u=ViRL=iRg,由负载电阻RL决定的负载线为图上的NT直线。Rg为PO光照时的亮电阻，当光照发生变化时，Rg变为

12、 Rg+Rg，电流变化,式中负号表示光照增大时，Rg减小(0，增大。,电流的变化，将引起电压u的变化，即有,由上式可见，输出电压u并不随负载电阻线性变化，要使u最大的条件为 RL=Rg,Rg是工作点Q处的亮电阻。这种状态称匹配工作状态。显然，当入射光功率在较大的动态范围内变化时，要始终保持匹配状态工作是困难的。这是光敏电阻的不利因素之一。,图中省略了极间电容，这在入射光功率变化频率较高时，是不能忽略的。为得到较大的电流增益M，总设法减小极间距离，这使极间电容增大，导致器件的响应频率减小。是光敏电阻的不利因素。,每一光敏电阻都有额定的最大耗散功率Pmax，工作时如果超过这一值，光敏电阻会很快损坏

13、。因此。可得出偏置电压必须满足条件,式中Pmax由图所示的功率线示出。,为光电导探测器的温度系数，式中R1和R2分别为在某光照下，温度为T1和T2时的亮阻值，显然TC值越小越好。不同材料制作的光电导探测器有不同的温度系数，而且有正的也有负的。,定义,光敏电阻的噪声来源主要有三个，即产生一复合噪声、热噪声和1f噪声。,光电导探测器的光学和电学性能受温度的影响较大，而且较为复杂。,主要光敏电阻的分类、用途及特点,按光谱特性和最佳工作波长范围，光敏电阻分三大类；1对紫外光(0.30.41m)敏感 ZnO、ZnS、Sn02、CdS、CdSe材料制成。CdS对x射线、射线也很敏感。可制作探测上述各种射线

14、强度的剂量计或计数管。,2对(0.40.76m)敏感的光敏电阻,CdS、CdSe等半导体化合物材料。主要用于制造自动控制元件，如产品计数器、路灯控制、照相曝光控制、电影拾音及激光测距等。,CdS光敏电阻分为单晶型和多晶型两种。可用来探测穿透深度较大的x、射线，做成上述的高能射线探测器。,(1)CdS光敏电阻,在可见光范围内，CdS的光谱灵敏区在0.30.5m之间，,不同照度下有不同的伏安特性都是直线。说明光敏电阻的阻值取决于光照度大小,照度大，阻值小；照度小，阻值大。中等照度下，光敏电阻功耗最大。,CdS光敏电阻的伏安特性(光电流电压曲线)如图所示。,注：照度表示被照明物体的单位面积所接受的总

15、光通量，照度的单位是勒克斯。一勒克斯为一平方米面积上接受一流明的光通量，单位是Lmm2,CdS光敏电阻的响应时间曲线如图所示。它的光电流上升与下降时间与光照度有关，照度越大，响应时间越短。在500勒克斯照度下，典型的响应时间为01秒。,多晶型CdS光敏电阻由于感光面积大，可以得到较大的光电流。在 10伏工作电压和50勒克斯的照度下，可得到710mA的光电流。,不同照度下有不同的曲线，但是随工作温度降低，平衡载流子浓度下降，引起暗电导率下降，使相对光电导率上升。,CdS光敏电阻的光电导率一温度曲线如图所示。,光谱响应峰值在0.67m左右,对红光也很灵敏.如果引进适当杂质，它的光谱响应峰值还可以向

16、长波长移动,达到0.8m左右。,（2）CdSe光敏电阻,CdSe比CdS更快的响应速度。CdSe比CdS光敏电阻的衰减速度快10倍左右。,CdSe光敏电阻在高照度下的灵敏度大致与CdS相同，但是低照度下，CdSe光敏电阻的灵敏度低于CdS。这是因为CdSe中空穴电离能(068eV)比CdS的10eV)低，在CdSe中被陷阱俘获的空穴可较快放出，使其电荷倍增效应较差。,CdSe光敏电阻的主要缺点是其灵敏度随工作温度变化较大(见图)，低照度下灵敏度低。,三类材料红外光敏电阻第1类 窄带隙材料，PbS、PbTe、PbSe、InSb。第2类 带隙可随组份调变的三元材料，如HgCdTe、PbSnTe等。

17、第3类 分别掺有Au、Ni、Cu、Zn、Ga、P、B等杂质 的Ge、Si、GaAs的杂质光电导材料。使用时注意，在中红外以上波段(4um以上应用时，光敏电阻需降低工作温度到77K或42K，以减小热激发，增大光电导增益，提高探测率。,3对红外光(07715m近红外区，1560m中红外区，640m远红外区，40100m极远红外区)灵敏的光敏电阻,本征光电导材料。,(2)薄膜型PbSe光敏电阻 中红外光探测器。室温下峰值响应在38m，77K时为 51m。室温下峰值探测率，响应时间2us。温度77K，响应时间延长到40us左右。,红外光敏电阻(1)薄膜型PbS光敏电阻(适用小于3m)探测器。在室温(2

18、0)时，峰值响应在21m，195K时 28m,用于35um波段。采用高频氧反应溅射PbTe薄膜工艺，制成高质量的光敏电阻。,(3)薄膜型PbTe光敏电阻,使用温度下降时，长波限朝长波长方向移动，响应时间也随温度下降而变长。目前的PbSe和PbTe光敏电阻都已由InSb光敏电阻代替了。,在35m波段上 室温下，它的截止波长75m。77K下峰值波长约5m，截止波长为55m，恰好位于大气窗口 光导型的InSb光敏电阻，响应时间6s。,(4)InSb探测器,锗掺金光敏电阻的峰值波长在5m左右锗掺汞的在105m，锗掺镉的在16m，锗掺铜的在23m，锗掺锌的在36m，锗掺镓、硼的截止波长可达150m。深低

19、温下工作有较高的探测率和较快的响应速度，限制了实际的使用,(5)锗掺杂光敏电阻,非本征红外光探测器。探测波长在100400m的极远红外区。采用这种光敏电阻有很高的探测率。必须在深低温42K下才能工作。,(6)砷化镓掺杂光敏电阻,Hg1xCdxTe是二元化合物CdTe和 HgTe的连续固溶体。CdTe是宽带隙(约16eV)的半导体，而HgTe是禁带宽度约为03eV(能带交迭)的半金属。调节该材料中镉的组份，可以改变其禁带宽度，可改变其响应波长。,(7)HgCdTe探测器,目前已能设计响应在0840m波长范围内不同工作波段的各种HgCdTe探测器。,电子有效质量小，本征载流子浓度低，故制成pn结的

20、反向饱和电流小，探测器噪声低，探测率高。电子迁移率高，故渡越时间短、响应频带宽。光伏型探测器的=1ns，光导型=1s。,HgCdTe材料具有许多可贵性质，适于制备高速高性能的探测器。,本征跃迁，故吸收系数大，量子效率高在814m这个常用的大气窗口内，HgCdTe探测器只须冷却到77K就可工作。,目前已研制成高性能、77K下工作、814m大气窗口的光伏型和光导型的探测器，也制成了探测器的阵列。,HgCdTe探测器的另一个发展方向是制备室温、快速、高性能的13和35m两个大气窗口的探测器，目前已达到了很高的水平。光伏探测器响应时间可小于1ns，适用于激光通讯和测距系统。,由于PbSnTe的折射率高

21、，反射损失将达50，所以可通过蒸发减反射膜，减小反射损失，提高量子效率。和HgCdTe探测器一起，成为77K下使用的两种重要的814m波段的探测器。,PbSnTe的组份和电学性质较HgCdTe容易控制。,Pb1xSnxTe组份x变化1，其带隙变化0005eV，而Hg1x Cd xTe却变化00leV。,PbSnTe,利用p-n结的光伏效应而制成的光电探测器称为光伏探测器。和光电导探测器不同，光伏探测器的内电流增益等于1。,光电二极管,光伏探测器有光电池和光电二极管之分，相应于两种工作模式。,一、两种工作模式p-n结光伏探测器用图（a）中的符号表示，它等效为一个普通二级管和一个恒流源（光电流源）

22、并联，如图（b）所示。,有两种不同的工作方式，由外偏压回路决定在零偏压时，如图（c）称为光伏工作模式当外电路采用反偏压时，即外加p端为负n端为正的电压时，如图（d）所示，称为光导工作模式。,因此，光伏探测器的总电流为,式中e是电子电荷，u是探测器两端电压，K是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，,我们知道，普通二极管的伏安特性为,第一象限是正偏压状态，iD本来就很大，所以光电流不起主要作用，在这一区域工作没有意义。第三象限是反偏压状态，这时，它是普通二极管中的反向饱和电流，现在称为暗电流（对应于光功率P=0），数值很小，这时的光电流（等于iis）是通过探测器的主要电流。,光伏探测器的伏安特性曲线即iu 曲线如图所示。,由于这种情况外回路特性与光电导探测器十分相似，所以反偏压下的工作方式称为光导模式，相应的探测器称为光电二极管。,在第四象限中，外偏压为零时，流过探测器的电流仍为光电流，这时探测器的输出是通过负载电阻RL上的电压或流过RL上的电流来体现的，因此称为光伏工作模式。相应的探测器称为光电池。,作业,1.光电探测器的噪声有那些?产生的原因是什么?2.光电探测器有那些主要的特性参数?意义是什么?3.光电倍增管光敏电阻的工作原理.4.光电倍增管的负高压供电方式噪声特性?,