第四章光电子技术与应用.ppt

第四章 光辐射的探测技术 主要内容 4 1光电探测的物理效应4 2光探测器性能参数和噪声4 3光电探测器4 4光电探测方式 Laser 4 1光电探测的物理效应 4 1光电探测的物理效应 光电探测器 对各种光辐射进行接收和探测的器件 光辐射量 光电探测器 电量 4 1光电探测的物理效应 光电探测的物理效应可以分为三大类 光电效应光热效应波扰动效应 光子直接对电子产生扰动 温升使材料的某些特性发生变化 电磁场对材料的扰动所引起材料某些内特性发生变化 4 1光电探测的物理效应 光电效应光照射到物体上使物体发射电子 或电导率发生变化 或产生电动势 这些因光照引起物体电学特性改变的现象 统称为光电效应 内光电效应光子激发的载流子 电子或空穴 将保留在材料内部 主要包括光电导效应和光伏效应 外光电效应主要指发生在物质表面上的光电转化效应 4 1光电探测的物理效应 光热效应器件吸收入射辐射功率产生温升 温升引起材料某种有赖于温度的参量的变化 检测该变化 可以探知辐射的存在和强弱 这一过程比较缓慢 对光辐射的转换过程 第一步按系统的热力学特性来确定入射辐射所引起的温度升高 第二步探测器件因温升引起器件物理特性的变化而输出各种电信号 探测器件 热电探测元件 光子探测元件 气体光电探测元件 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 本征型 掺杂型 非放大 放大型 真空光电管 充气光电管 光电倍增管 变像管 摄像管 像增强器 光敏电阻 红外探测器 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 4 1 1外光电效应 光电发射效应 当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时 光子的能量传给光电材料表面的电子 如果入射的光能使表面的电子获得足够的能量 电子就会克服正离子对它的吸引力 脱离金属表面而进入外界空间 这种现象称为外光电效应 能产生光电发射效应的物体称为光电发射体 4 1 1外光电效应 光电发射效应 爱因斯坦定律如果发射体内电子吸收的光子能量大于发射体表面逸出功 则电子将以一定的速度从发射体表面发射 光电子离开发射体表面时的初动能随入射光的频率线性增长 与入射光的强度无关 光电效应方程 4 1 1外光电效应 光电发射效应 该式表明 入射光子必须具有足够的能量 也就是说至少要等于逸出功 才能发生光电发射 0为产生光电发射的最低频率 即该频率与材料的属性有关 与入射光强无关 4 1 1外光电效应 光电发射效应 入射光波长大于截止波长时 无论光强有多大 照射时间多长 都不会有光电子发射 光电发射大致可分为三个过程 光入射物体后 物体中的电子吸收光子能量 从基态跃迁到激发态 受激电子从受激处出发 向表面运动 其间必然要同其他电子或晶格发生碰撞而失去部分能量 到达表面的电子克服表面势垒对其的束缚 逸出形成光电子 4 1 1外光电效应 光电发射效应 光电倍增管光电倍增管利用外光电效应原理制成 今天我们使用的光电器件中 光电倍增管 PMT 是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件 典型的光电倍增管如图所示 在真空管中 包括光电发射阴极 光阴极 和聚焦电极 电子倍增极和电子收集极 阳极 的器件 4 1 1外光电效应 光电发射效应 当光照射光阴极 光阴极向真空中激发出光电子 这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统 通过进一步的二次发射得到倍增放大 放大后的电子被阳极收集作为信号输出 4 1 1外光电效应 光电发射效应 4 1 2内光电效应 光电导效应光电导效应是光照变化引起半导体材料电导变化的现象 当光照射到半导体材料时 材料吸收光子的能量 使得非传导态电子变为传导态电子 引起载流子浓度增大 从而导致材料电导率增大 这种变化可以通过测量负载电阻两端的电压来观察 该现象是100多年来有关半导体与光作用的各种现象中最早为人们所知的现象 4 1 2内光电效应 利用此现象制成的光探测器称为光电导探测器 20世纪又先后在氧化亚铜 硫化铊 硫化镉 硫化铅等材料中发现光电导效应 并由此发展了从紫外 可见到红外各个波段的辐射探测器 4 1 2内光电效应 光子能量红限波长光电流 4 1 2内光电效应 4 1 2内光电效应 光子将在其中激发出新的载流子 电子和空穴 这就使半导体中的载流子浓度在原来平衡值上增加了变化量这个新增加的部分在半导体物理中叫非平衡载流子 光生载流子 显然 这两个变化量将使半导体的电导增加一个量 G 我们称之为光电导 相应和杂质半导体就分别称为本征光电导和杂质光电导 4 1 2内光电效应 光敏电阻 4 1 2内光电效应 光电导摄像管 4 1 2内光电效应 光电导摄像管的结构如图所示 它主要由光敏靶和电子枪两部分组成 光敏靶是由光敏半导体材料制成的 景物通过光学系统在摄像管光敏靶上成像 由于光像各部分的亮度不同 靶上各相应部分的电导率发生了相应变化 与亮像素对应的靶单元的电导较大 与暗像素对应的靶单元电导较小 于是将景物各像素亮度不同变成了靶面上各单元的电导不同 光像变成了 电像 4 1 2内光电效应 电子枪电子枪的任务是发射电子束 它由灯丝J 阴极K 栅极G及加速聚焦阳极A1 A2等组成 电子束在聚焦线圈和偏转线圈产生的磁场的联合作用下 以聚焦状态按一定规律 即从左到右 从上到下一行一行 扫描靶上各点 当电子束接触到靶面某点时 使电子枪阴极与信号板 负载RL和电源E构成一个回路 在负载RL中就有电流流过 电流大小取决于光敏靶该点电导率的大小 因此 当电子束按一定规律在靶面上扫描时 便在负载上依次得到与景物各点亮度相对应的电信号 完成了将图像分解为像素以及把各像素按顺序转变为相应电信号的光电转换过程 4 1 2内光电效应 光伏效应光伏效应指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象 产生这种电位差的机理有多种 主要的一种是由于阻挡层的存在引起的势垒型光伏效应 4 1 2内光电效应 光生伏特效应过程当光照射pn结时 只要光子能量大于禁带宽度 无论p区 n区或结区都会产生少数载流子 那些在结附近n区中产生的少数载流子离pn结的距离小于它的扩散长度 总有一定概率扩散到结界面处 它们一旦到达pn结界面处 就会在结电场作用下被拉向p区 同样 如果在结附近p区中产生的少数载流子扩散到结界面处 也会被结电场迅速拉向n区 结内产生的电子 空穴对在结电场作用下分别被移向n区和p区 如果电路处于开路状态 光生电子和空穴积累在pn结附近 使p区获得附加正电荷 n区获得附加负电荷 使pn结获得光生电动势 4 1 2内光电效应 光电导效应和光伏效应的区别 前者必须在外加偏压下才能正常工作光伏效应则可以不加偏压 其开路电压就反映了光辐射的信号 但光伏效应器件通常工作在反偏状态 即给器件加上反向电压 其反向电流即为光电流 此时可以说器件工作在光电导模式下 4 1 2内光电效应 光电池光敏二极管光敏三极管 4 1 2内光电效应 光电池 4 1 2内光电效应 光敏二极管 光敏二极管工作于反向偏压 其光谱响应特性主要由半导体材料中所掺的杂质浓度所决定 4 1 3光热效应 某些物质受到光照后 由于温度变化而造成材料性质发生变化的的现象称为光热效应 在光热效应中 光能量与晶格相互作用 使其振动加剧 造成温度的升高 光热效应与单光子能量无关 原则上对光波频率没有选择性 光热效应分为 温差电效应和热释电效应 4 1 3光热效应 1 温差电效应 地磁场的起源 当两种不同的配偶材料 可以是金属或半导体 两端并联熔接时 如果两个接头的温度不同 并联回路中就产生电动势 称为温差电动势 4 1 3光热效应 热释电效应热释电效应指的是某些晶体的电极化强度随温度变化而释放表面吸附的部分电荷 基于该效应制成的光电转换器件有红外探测器 热电激光量热计 夜视仪以及各种光谱仪接收器等 4 1 3光热效应 器件吸收入射辐射功率产生温升 温升引起材料某种有赖于温度的参量的变化 检测该变化 可以探知辐射的存在和强弱 这一过程比较缓慢 因此一般热电探测器件的响应时间多为ms量级 热释电器件相当于一个以热电晶体为电介质的平板电容器 入射辐射可引起电容器电容的变化 因此 可利用这一特性来探测变化的辐射 对光辐射的转换过程 第一步按系统的热力学特性来确定入射辐射所引起的温度升高 第二步探测器件因温升引起器件物理特性的变化而输出各种电信号 4 1 3光热效应 光电检测器件的特点 光电检测器件的特点 4 1 3光热效应 热释电摄像管热释电也可制成探测器阵列 已有320 240像敏元的热释电热成象系统上市 主要用于红外摄像机 碲镉汞 CMT 器件可以单元使用 也可以线阵或面阵使用 具有极高的灵敏度 已成功的应用在我国风云一号和风云二号卫星上 但碲镉汞 CMT 器件使用时一定要制冷 一般采用半导体制冷 4 1 4光电转换定律 光辐射量转换为光电流量的过程 光电转换 D 探测器的光电转换因子 入射光功率 光电流 4 1 4光电转换定律 探测器的量子效率 光电转换定律 光电探测器对入射功率响应 光电流 一个光子探测器可视为一个电流源 4 2光探测器性能参数和噪声 4 2 1光探测器的性能参数 一 灵敏度灵敏度也常称作响应度 是光电探测器光电转换特性 光电转换的光谱特性以及频率特性的量度 Ri和Ru分别称为电流和电压灵敏度 Is和Vs为电表测量的电流 电压有效值 P为输入光功率 由于光功率P是指分布在某一光谱范围内的总功率 Ri和Ru分别称为积分电流和积分电压灵敏度 4 2 1光探测器的性能参数 二 光谱灵敏度由于入射辐射的波长不同 光探测器的灵敏度也不同 灵敏度随波长而变化 这一特性称为光辐射探测器的光谱灵敏度 R 是常数时 相应探测器称为无选择性探测器 如光热探测器 光子探测器则是选择性探测器 4 2 1光探测器的性能参数 通常给出的是相对光谱灵敏度S 定义为R m是指R 的最大值 S 为无量纲 随 变化的曲线称为光谱灵敏度曲线 4 2 1光探测器的性能参数 三 频率响应和响应时间若入射光是强度调制 在其它条件不变下 光电流if将随调频f的升高而下降 这时的灵敏度称为频率灵敏度Rf if是光电流时变函数的付里叶变换 通常 称为探测器的响应时间或时间常数 由材料 结构和外电路决定 4 2 1光探测器的性能参数 频率灵敏度这就是探测器的频率特性 Rf随f升高而下降的速度与 值大小关系很大 一般规定 Rf下降到频率fc为探测器的截止响应频率和响应频率 从上式可见 4 2 1光探测器的性能参数 光探测器的响应时间是表示光辐射照到探测器上所以引起的响应快慢 在测量工作中 被测的光辐射如果是一个稳定的量或变化很慢的量 那么探测器的响应时间并不影响测量结果的正确性 可不考虑响应速度 反之 探测器的响应时间必须短于光辐射变化的时间 4 2 1光探测器的性能参数 四 量子效率量子效率 在某一特定波长上 每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之比 对理想的探测器 入射一个光量子发射一个电子 1 实际上 1 量子效率是一个微观参数 量子效率愈高愈好 4 2 1光探测器的性能参数 如果说灵敏度R是从宏观角度描述了光电探测器的光电 光谱以及频率特性 那么量子效率 则是对同一个问题的微观 宏观描述 对某一波长来说 其光谱量子效率 c是材料中的光速 量子效率正比于灵敏度而反比于波长 4 2 1光探测器的性能参数 五 噪声等效功率NEP从灵敏度R的定义式可见 如果P 0 应有i 0实际情况是 当P 0时 光电探测器的输出电流并不为零 这个电流称为暗电流或噪声电流 它随探测器本身的材料 结构 周围环境温度等因素而变化 4 2 1光探测器的性能参数 由于噪声的存在 探测器的最小可探测功率受到了限制 为此引入等效噪声功率NEP来表征探测器的最小可探测功率 它定义为单位信噪比时的信号光功率 信噪比SNR定义为 4 2 1光探测器的性能参数 于是有 NEP越小 表明探测微弱信号的能力越强 所以NEP是描述光电探测器探测能力的参数 4 2 1光探测器的性能参数 六 归一化探测度NEP越小 探测器探测能力越高 不符合人们 越大越好 的习惯 于是取NEP的倒数并定义为探测度D 即这样 D值大的探测器就表明其探测力高 探测器光敏面积A对D值影响甚大 NEP与探测器接受面积的平方根成正比 因此定义一个与面积无关的参量D 称为归一化探测度 4 2 2光探测器的噪声 按噪声产生的原因 可分为以下几类 4 2 2光探测器的噪声 假定入射光是正弦强度调制的 放大器是一个可以任意改变放大量的理想放大器 当入射光强度较大时 在示波器上可以看到正弦变化的信号电压波形 降低入射光功率时 增大放大率 发现正弦电压信号上出现许多无规起伏 使正弦信号变得模糊不清 图 b 再降低入射光功率时 正弦波幅度越来越小 而杂乱无章的变化愈来愈大 最后只剩下了无规则的起伏 完全看不出什么正弦变化 这叫做噪声完全埋没了信号 当然这时探测器也失去了探测弱光信号的能力 4 2 2光探测器的噪声 4 2 2光探测器的噪声 从上面讨论中 我们应该建立这样的观念 上述现象并不是探测器不好所致 它是探测器所固有的不可避免的现象 任何一个探测器 都一定有噪声 也就是说 在它输出端总存在着一些毫无规律 事先无法预知的电压起伏 这种无规起伏 在统计学中称为随机起伏 它是微观世界服从统计规律的反映 4 2 2光探测器的噪声 依据噪声产生的物理原因 光电探测器的噪声可大致分为散粒噪声 产生 复合噪声 光子噪声 热噪声和低频噪声 是光电转换物理过程中固有的 是一种不可能人为消除的输出信号的起伏 是与器件密切相关的一个参量 因为在光电转换过程中 半导体中的电子从价带跃迁到导带 或者电子逸出材料表面等过程 都是一系列独立事件 是一种随机的过程 每一瞬间出现多少载流子是不确定的 所以随机的起伏将不可避免地与信号同时出现 尤其在信号较弱时 光电探测器的噪声会显著地影响信号探测的准确性 4 2 2光探测器的噪声 1 散粒噪声 无光照下 由于热激发作用 而随机地产生电子所造成的起伏 以光电子发射为例 由于起伏单元是电子电荷量e 故称为散粒噪声 这种噪声存在于所有光电探测器中 2 产生 复合噪声对光电导探测器 载流子热激发是电子 空穴对 电子和空穴在运动中 与光伏器件重要的不同点在于存在严重的复合过程 而复合过程本身也是随机的 因此 不仅有载流子产生的起伏 而且还有载流子复合的起伏 这样就使起伏加倍 虽然本质也是散粒噪声 但为强调产生和复合两个因素 取名为产生 复合散粒噪声 简称为产生 复合噪声 4 2 2光探测器的噪声 3 光子噪声以上是热激发作用产生的散粒噪声 假定忽略热