光电探测器基本原理2.ppt

光电探测器概述 14级硕研16班任天昕 常见的光电探测器 光电管 光敏电阻 光电池 光电二极管 四像限光电探测器 热释电探测器 光电二极管 光电探测器是指能把光辐射能量转换为一种便于测量的物理量的器件 常见的光电探测器有 光电管 光敏电阻 光电二极管 光电倍增管 光电池 四像限探测器 热电偶 热敏电阻 热释电探测器等 物理效应不同 光电效应 外光电效应和内光电效应 光热效应 光电效应分类 二 外光电效应 在光线的作用下物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象为外光电效应 多发生于金属 金属氧化物等材料 基于外光电效应的光电器件有 光电管 光电倍增管 一 光电效应定义及分类 光电效应定义 光电探测器件工作的物理基础是光电效应 光电效应是 物体吸收光能后转化为物体中某些电子的能量 从而产生电的效应 爱因斯坦光电效应理论 光子是具有能量的粒子 每个光子的能量 h为普朗克常量 v为光的频率 一个电子只能接收一个光子的能量 要使电子从物体表面溢出 光子能量必须大于该物体表面的溢出功 超过部分的能量表现为溢出电子的动能 光电发射大致可分三个过程 1 光射入物体后 物体中的电子吸收光子能量 从基态跃迁到能量高于真空能级的激发态 2 受激电子从受激地点出发 在向表面运动过程中免不了要同其它电子或晶格发生碰撞 而失去一部分能量 3 达到表面的电子 如果仍有足够的能量足以克服表面势垒对电子的束缚 即逸出功 时 即可从表面逸出 光电管原理 光电倍增管 三 内光电效应器件 当光照射在物体上 使物体电阻率发生变化或产生光生电动势的现象称为内光电效应 它多发生于半导体内 内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应 光电导效应 在光线照射下 电子吸收光子能量 从键合状态过度到自由状态 从而引起材料电导率的变化 这种现象被称为光电导效应 基于光电导效应的光电器件是光敏电阻 光敏电阻 工作原理 光敏电阻的结构 在一块均匀光电导体两端加上电极 贴在硬质玻璃 云母 高频瓷或其他绝缘材料基板上 两端接有电极引线 封装在带有窗口的金属或塑料外壳内 光敏电阻常做成梳状电极 光敏面做成蛇形这样既可以保证有较大的受光面 也可以减小电极之间的距离 从而既可以减小载流子的有效级间的渡越时间 也有利于提高灵敏度 本征型光敏电阻一般在室温下工作适用于可见光和近红外辐射探测非本征型光敏电阻通常在低温条件下工作常用于中 远红外波长较长的辐射探测 典型光敏电阻 CdS光敏电阻CdS光敏电阻是最常见的光敏电阻 它的光谱响应特性最接近人眼光谱光视效率 它在可见光波段范围内的灵敏度最高 因此 被广泛地应用于灯光的自动控制 照相机的自动测光等 CdS光敏电阻的峰值响应波长为0 52 m CdSe光敏电阻为0 72 m 一般调整S和Se的比例 可使Cd S Se 光敏电阻的峰值响应波长大致控制在0 52 0 72 m范围内 PbS光敏电阻PbS光敏电阻是近红外波段最灵敏的光电导器件 因此 常用于火灾的探测等领域 PbS光敏电阻的光谱响应和比探测率等特性与工作温度有关 随着工作温度的降低其峰值响应波长和长波限将向长波方向延伸 且比探测率D 增加 InSb光敏电阻InSb光敏电阻是3 5 m光谱范围内的主要探测器件之一 InSb材料不仅适用于制造单元探测器件 也适宜制造阵列红外探测器件 InSb光敏电阻在室温下的长波长可达7 5 m 峰值波长在6 m附近 当温度降低到77K 液氮 时 其长波长由7 5 m缩短到5 5 m 峰值波长也将移至5 m 恰为大气的窗口范围 HgCdTe系列光电导探测器件HgCdTe系列光电导探测器件是目前所有红外探测器中性能最优良最有前途的探测器件 尤其是对于4 8 m大气窗口波段辐射的探测更为重要 HgCdTe系列光电导体是由HgTe和CdTe两种材料的晶体混合制造的 在制造混合晶体时选用不同Cd的组分 可以得到不同的禁带宽度Eg 便可以制造出不同波长响应范围的探测器件 光敏电阻的主要特性参数 光电特性和光照指数光谱特性频率特性伏安特性前历效应噪声 光敏电阻的使用 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 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 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 光敏电阻的温度特性很复杂 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 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 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 进行动态设计时 应意识到光敏电阻的前历效应 光敏电阻的特点 优点 光敏电阻具有光谱特性好 允许的光电流大 灵敏度高 使用寿命长 体积小无极性使用方便等优点 所以应用广泛 此外许多光敏电阻对红外线敏感 适宜于红外线光谱区工作 缺点 响应时间长 频率特性差 强光线性差 受温度影响大 型号相同的光敏电阻参数参差不齐 并且由于光照特性的非线性 不适宜于测量要求线性的场合 常用作开关式光电信号的传感元件 主要应用 光生伏特效应 在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫光生伏特效应 光生伏特效应可分为 结光电效应和横向光电效应 基于光生伏特效应的光电器件有 光电池 光敏二极管 光敏晶体管等 结光电效应原理 横向光电效应原理 当半导体器件受到光照不均匀时 光照部分吸收入射光