光电检测技术-第三章

第三章 半导体光电检测器件及应用,2,光电检测器件：利用物质的光电效应，把光信号转换成电信号的器件。其性能对光电检测系统影响很大。,光子检测器件包括了光电发射器件、固体半导体光电检测器件如光导型，光伏型检测器件。特点：1）响应波长有选择性；2）响应速度快，一般为纳秒到几百毫秒。,热电检测器件：热释电检测器、热敏电阻、热电偶和热电堆。特点是： 1）响应波长无选择性；2）响应速度慢，约为几毫秒。,根据光辐射对光电检测器件的作用方式不同，光电检测器件可以分为：光子检测器件和热电检测器件。,引言,光电检测器件,光子器件,热电器件,真空器件,固体器件,光电管光电倍增管真空摄像管变像管像增强,光敏电阻光电池光电二极管光电三极管光纤传感器电荷耦合器件CCD,热电偶/热电堆热辐射计/热敏电阻热释电探测器,第三章 半导体光电检测器件及应用,光敏电阻 光生伏特器件 真空光电器件 光热辐射检测器件 各种光电检测器件的性能比较,3-1 光敏电阻,6,光敏电阻具有体积小、坚固耐用、价格低廉、光谱响应范围宽等特点，广泛应用于微弱辐射信号的探测领域。,光敏电阻,7,一、光敏电阻的工作原理及结构,入射光在半导体物质中产生的光生载流子参与导电，因此半导体物质的电阻显著减小，电导增加。连接电源和负载电阻，可输出电信号，此时可得出光电导g与光电流I光的表达式为：,g=gL-gdI光=IL-Id,光敏电阻按半导体材料的不同可分为本征型和杂质型两种，本征型半导体光敏电阻常 用于可见光长波段检测，杂质型常用于红外波段至远红外波段光辐射的检测。,光敏电阻,8,光敏电阻设计的基本原则：光敏电阻在弱光辐射下光电导灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距离l的平方成反比 ，在强辐射作用下Sg与l的二分之三次方成反比，因此在设计光敏电阻时，尽可能地缩短光敏电阻两极间距离。,光敏电阻的基本结构,光敏电阻,9,梳状式 玻璃基底上蒸镀梳状金属膜而制成；或在玻璃基底上面蚀刻成互相交叉的梳状槽，在槽内填入黄金或石墨等导电物质，在表面再敷上一层光敏材料。如图所示。,绝缘基底,光电导体膜,光敏电阻,10,刻线式在玻璃基片上镀制一层薄的金属箔，将其刻划成栅状槽，然后在槽内填入光敏电阻材料层后制成。其结构如下图所示。,涂膜式在玻璃基片上直接涂上光敏材料膜后而制成。其结构下图。,光敏电阻,11,二、光敏电阻的特性参数,1、光电特性,对CdS光电导体，弱光照射下=1，强光下=0.5；为什么？,光照增强的同时，载流子浓度不断的增加，同时光敏电阻的温度也在升高，从而导致载流子运动加剧，因此复合几率也增大，光电流呈饱和趋势。（冷却可以改善）,光敏电阻的光电特性是指在一定电压作用下流过光敏电阻的电流与作用到光敏电阻上的光通量（光照度）的关系。,光敏电阻,12,2、伏安特性（输出特性）,在一定的光照下，光电流 I光与所加电压的关系,一定的光照下，光与电压的关系; 相同的电压下，光与光照的关系,光敏电阻,13,说 明：,（1) 光敏电阻为纯电阻，符合欧姆定律，对多数半导体，当 电场强度超过104伏特/厘米 （强光时），不遵守欧姆 定律。硫化镉例外，其伏安特性在100多伏就不成线性了。,（2）光照使光敏电阻发热，使得在额定功耗内工作，其最高使用电压由其耗散功率所决定，而功耗功率又和其面积大小、散热情况有关。,（3）伏安特性曲线和负载线的交点即为光敏电阻的工作点。,光敏电阻,14,光敏电阻为多数载流子导电的光电器件，具有复杂的温度特性。不同材料的光敏电阻温度特性不同。,温度升高可以导致材料光电导率的下降。实际中往往采用控制光敏电阻工作的温度的办法提高工作稳定性。,CdS和CdSe光敏电阻不同照度下的温度特性曲线,3、温度特性,光敏电阻,15,4、前历效应,指光敏电阻的时间特性与工作前“历史”有关的一种现象。即测试前光敏电阻所处状态对光敏电阻特性的影响。,暗态前历效应：指光敏电阻测试或工作前处于暗态，当它突然受到光照后光电流上升的快慢程度。一般地，工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越重，光电流上升越慢。,1-黑暗放置3分钟后 2-黑暗放置60分钟后 3-黑暗放置24小时后,光敏电阻,16,亮态前历效应：光敏电阻测试或工作前已处于亮态，当照度与工作时所要达到的照度不同时，所出现的一种滞后现象。,光敏电阻,17,5、频率特性,光敏电阻的时间常数较大，所以其上限频率f上低，只有PbS光敏电阻的工作频率特性达到几千赫兹。,同时，时间特性与输入光的照度、工作温度有明显的依赖关系。,光敏电阻,18,6、时间响应,光敏电阻的时间常数较大，惯性大，时间响应比其它光电器件差。频率响应低。时间特性与光照度、工作温度有明显的依赖关系。,光敏电阻,19,7、光谱特性,相对灵敏度与波长的关系,光谱特性曲线覆盖了整个可见光区，峰值波长在515600nm之间。尤其硫化镉（2）的峰值波长与人眼的很敏感的峰值波长（555 nm）是很接近的，因此可用于与人眼有关的仪器,例如照相机、照度计、光度计等。 。,可见光区光敏电阻的光谱特性,光敏电阻,20,红外区光敏电阻的光谱特性,注明：此特性与所用材料的光谱响应、制造工艺、掺杂浓度和使用的环境温度有关。,光敏电阻,21,三、光敏电阻的特点及应用,1、优点,2、不足,强光下光电转换线性差光电导弛豫时间长受温度影响大由伏安特性知，设计负载时，应考虑额定功耗进行动态设计时，应考虑光敏电阻的前历效应,灵敏度高，光电导增益大于1，工作电流大，无极性之分； 光谱响应范围宽，尤其对红外有较高的灵敏度； 所测光强范围宽，可测强光、弱光；,光敏电阻,22,作用与应用：广泛应用于各种自动控制电路（如自动照明灯控制电路、自动报警电路等）、家用电器（如电视机中的亮度自动调节，照相机的自动曝光控制等）及各种测量仪器中。,光敏电阻器种类： 1）按制作材料分类：多晶和单晶光敏电阻器，还可分为硫化镉（CdS）、硒化镉(CdSe) 、硫化铅(PbS)、硒化铅(PbSe)、锑化铟(InSb) 光敏电阻器等。2）按光谱特性分类： 可见光光敏电阻器：主要用于各种光电自动控制系统、电子照相机、光报警等地。 紫外光光敏电阻器：主要用于紫外线探测仪器。 红外光光敏电阻器：主要用于天文、军事等领域的有关自动控制系统。,光敏电阻,23,光敏电阻器的主要参数1）亮电阻（k）：指光敏电阻器受到光照射时的电阻值。2）暗电阻(M)：指光敏电阻器在无光照射（黑暗环境）时的电阻值。3）最高工作电压(V)：指光敏电阻器在额定功率下所允许承受的最高电压4）亮电流：指光敏电阻器在规定的外加电压下受到光照射时所通过的电流。5）暗电流(mA)：指在无光照射时，光敏电阻器在规定的外加电压下通过的电流。6）时间常数（s）：指光敏电阻器从光照跃变开始到稳定亮电流的63时所需的时间。7）电阻温度系数：指光敏电阻器在环境温度改变1时，其电阻值的相对变化。8）灵敏度：指光敏电阻器在有光照射和无光照射时电阻值的相对变化。,光敏电阻,24,光敏电阻使用的注意事项测光的光源光谱特性与光敏电阻的光敏特性相匹配。要防止光敏电阻受杂散光的影响。要防止使光敏电阻的电参数(电压,功耗)超过允许值。根据不同用途，选用不同特性的光敏电阻。,数字信息传输:亮电阻与暗电阻差别大，光照指数大的 光敏电阻。模拟信息传输:则以选用值小、线性特性好的光敏电阻。,光敏电阻,25,如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中A为发光仪器，B为水平传送带，由电动机带动做匀速直线运动。R1为光敏电阻，R2为定值电阻，R1、R2串联在电路中，电源电压保持不变每当传送带上有易拉罐挡住由A射向R1的光线时，R1的电阻值就增大，计数器就计数一次。则：（1）当传送带上有易拉罐挡住由A射向R1的光线时，定值电阻R2两端的电压将_。（填“变大”、“变小”或“不变”）,（2）已知相邻的两个易拉罐中心之间的距离均为20cm，若计数器从易拉罐第一次挡住光线开始计时，到恰好计数101次共用时间40s，则传送带的速度为多少m/s？,光敏电阻,26,答案：（1）由题意可知，当传送带上有易拉罐挡住由A射向R1的光线时，R1的电阻值就增大，由于R1、R2是串联在电路中的，当R1电阻值增大，R1分得的电压就增大，R2两端的电压将变小；（2）由vs/t(101-1)0.2m/40s0.5m/s。,光敏电阻,27,光敏电阻适于作为 ( ),A、光的测量元件B、光电导开关元件C、加热元件D、发光元件,B,光敏电阻的性能好、灵敏度高，是指给定电压下( ),A、暗电阻大B、亮电阻大C、暗电阻与亮电阻差值大D、暗电阻与亮电阻差值小,C,光敏电阻,28,第三章 半导体光电检测器件及应用,光敏电阻 光生伏特器件 真空光电器件 光热辐射检测器件 各种光电检测器件的性能比较,3-2 光生伏特器件,光生伏特器件:利用光生伏特效应制成的光电器件，也称结型光电器件。,光生伏特器件是利用少数载流子导电的光电效应，在性能上与光敏电阻有很大差异。,光生伏特器件特点：暗电流小、噪声低、响应速度快、光电特性的线性好、受温度的影响小等。,光生伏特器件的种类:光电池、光电二极管、光电三极管、PIN型光电二极管、 雪崩光电二极管,30,结型光电器件与光电导器件的区别：,（1）产生光电变换的部位不同；（2）光敏电阻无极性，结型光电器件有确定的正负极；（3）光敏电阻驰豫时间较大，结型器件驰豫时间相应较小，因此响应速度较快；（4）有些结型光电器件灵敏较高，可以通过较大的电流。,光生伏特器件,31,一、光生伏特器件的基本工作原理,1、 PN结电流方程,1)、在热平衡条件下，由于PN结中漂移电流等于扩散电流，净电流为零。,2) 、有外加电压无光照时结内平衡被破坏，这时流过PN结的电流方为：,光生伏特器件,32,光生伏特器件,有外加电压无光照,33,3)、在光照条件下，形成的光生电流Ip ,它与光照有关，其方向与PN结反向饱和电流相同。,光照条件下，流过PN结的电流方程为：,光生伏特器件,34,这时PN结光电器件的短路电流ISC 与照度或光通量成正比，从而得到最大线性区，这在线性测量中被广泛应用。,当负载电阻短路，RL=0， U=0 ，流过器件的电流叫短路电流，用ISC表示。,当负载电阻断开（IL=0）时，P端对N端的电压称为开路电压，用UOC表示,光照条件下，流过PN结的电流方程：,光生伏特器件,35,如果工作在零偏置的开路状态，PN结光电器件产生光生伏特效应，这种工作原理称光伏工作模式。,2、PN结两种工作模式,如果工作在反偏置状态，无光照时电阻很大，电流很小；有光照时，电阻变小，电流就变大，而且流过它的光电流随照度变化而变化，这种工作原理称光电导工作模式。,光电池,光电二极管,普通二极管,光生伏特器件,36,二、硅光电池,光电池是一种不需加偏压就能把光能直接转换成电能的PN结光电器件。,按光电池的用途可分为两类： 太阳能光电池：要求转换效率高、成本低。 测量光电池: 要求灵敏度高，光照特性线性度好。,光电池的基本结构就是一个PN结，根据制作PN结的材料不同，目前有硒光电池、硅光电池、砷化镓光电池、锗光电池。,光生伏特器件,2CR型（PN）、2DR型（NP）。,硅光电池性能稳定、换能效率高，既可用于探测又可用作能源，应用广泛。有,37,1、硅光电池的基本结构,2DR型硅光电池是以p型硅为衬底(即在本征型硅材料中掺入三价元素硼或镓等)，然后在衬底上扩散磷而形成n型层并将其作为受光面。构成p-n结后，再经过各种工艺处理，分别在衬底和光敏面上制作输出电极，涂上二氧化硅做保护膜，即成光电池。,光生伏特器件,38,2、硅光电池的工作原理,硅光电池的工作原理是光照中PN结开路状态时的物理过程，它的主要功能是在不加偏置电压情况下将光信号转换成电信号。,硅光电池的电流方程为,光生伏特器件,39,3、硅光电池的输出功率,负载获得的功率为,功率与负载电阻的阻值有关，当 （电路为短路）时，输出功率 ；当 （电路为开路）时， ，输出功率 ； 时，输出功率 。,当负载电阻为最佳负载电阻时，输出电压,此时，输出电流,得到硅光电池的最佳负载电阻为,负载电阻所获得的最大功率为,光生伏特器件,40,4、硅光电池的特性参数,（1）伏安特性,硅光电池的伏安特性，表示输出电流和电压随负载电阻变化的曲线。伏安特性曲线是在某一光照下，取不同的负载电阻所测得的输出电流和电压画成的曲线。,光生伏特器件,用光电流方向为电流的正方向负载线方程：每条照度曲线有各自的拐点,通过拐点的负载线是光照特性是否线性的分界线,41,（2）光照特性,开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线；短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线,光生伏特器件,短路电流Isc与照度成线性关系, 受光照结面积越大，Isc亦越大。,硅光电池,硒光电池,42,光电池在不同照度下内阻不同:,光照度越大，RD 越小， 要求RL 要更小。,RL越小，光电流和照度的线性关系越好，而且线性范围也较宽。,光电池作测量时，应利用Isc，电路应满足条件为：负载电阻RL 时的电流，称为反向电流或暗电流。,光生伏特器件,51,当有光照射光电二极管时，光生电流为 ，其方向为反向。,光电二极管的全电流方程为,式中为光电材料的光电转换效率，为材料对光的吸收系数。,光生伏特器件,52,3、光电二极管的特性参数,（1）光电二极管的灵敏度,光生伏特器件,定义光电二极管的电流灵敏度为入射到光敏面上辐射量的变化的引起电流变化dI与辐射量的变化之比。,53,当某波长的辐射作用于光电二极管时，其电流灵敏度为与材料有关的常数，表征光电二极管的光电转换特性是线性关系：,电流灵敏度与入射辐射波长的关系是复杂的，定义光电二极管的电流灵敏度时通常定义其峰值响应波长的电流灵敏度为光电二极管的电流灵敏度。,中，表面上看它与波长成正比，但是，材料的吸收系数还隐含着与入射辐射波长的关系。因此，常把光电二极管的电流灵敏度与波长的关系曲线称为光谱响应。,光生伏特器件,54,用不同波长的光照射光电二极管时，电流灵敏度与波长的关系曲线称为光谱响应。,（2）光谱响应,典型硅光电二极管光谱响应长波限为1.1m左右，短波限0.4m，峰值响应波长为0.9m左右。,光生伏特器件,55,光电二极管的时间响应（频率响应）主要由载流子的渡越时间和RC时间常数决定。,（3）时间响应,（a）载流子的渡越时间,漂移时间：在p-n结区内光生载流子渡越结区的时间,扩散时间：在p-n结外产生的光生载流子扩散到结区内所需要的时间 。,光生伏特器件,56,影响光电二极管时间响应的主要因素是扩散时间，为了减少扩散时间，如何扩展p-n结的结区？,（1）增大反向偏压，使RC时间常数增大；,（2）从p-n结的结构设计方面考虑，在不使偏压增大的情况下，使耗尽层扩展到整个p-n结器件。,光生伏特器件,57,（4）噪声,光电二极管的噪声包含低频噪声Inf、散粒噪声Ins和热噪声InT等3种噪声。其中，散粒噪声是光电二极管的主要噪声，低频噪声和热噪声为其次要因素。,光电二极管的电流应包括暗电流Id、信号电流Is和背景辐射引起的背景光电流Ib，因此散粒噪声应为,光生伏特器件,58,注意：光敏二极管与光电池虽然都是结型光电器件，但二者工作条件不同；在制造产品时，它们的结构、工艺及受光面积均不同；两者的性能指标不一样，不能相互通用。,59,光电二极管与光电池不同之处：,光电池掺杂浓度较高，约为10161019原子数/cm3， 而硅光电二极管约为10121013原子数/cm3；,光电池的电阻率低，约为0.10.01/cm，而硅光电二极管则为1000/cm；,光电池通常在零偏置下工作，而硅光电二极管通常在反向偏置下工作；,光电池的受光面积比硅光电二极管大得多，因此，硅光电二极管的光电流小得多，通常在微安级。,60,四、硅光电三极管（光电晶体管）,硅光电三极管与普通晶体三极管相似具有电流放大作用，只是它的集电极电流不只受基极电流控制，还受光的控制。所以硅光电三极管的外型有光窗。管型分为pnp型和npn型两种，npn型称3DU型硅光电三极管，pnp型称为3CU型硅光电三极管。,1、光电三极管的结构和工作原理,光生伏特器件,61,光电三极管与普通半导体三极管一样有两种基本结构，NPN结构与PNP结构。用N型硅材料为衬底制作的 NPN结构，称为 3DU型；用P型硅材料为衬底制作的称为PNP结构，称为3CU型。下图所示为3DU型光电三极管的工作原理及其符号。,图 (a)所示为NPN型光电三极管的原理结构图； 图(b)所示为光电三极管的电路符号。,四、硅光电三极管（光电晶体管）,光生伏特器件,62,1.工作原理,光电三极管的工作原理分为两个过程：一是光电转换；二是光电流放大。,集电极输出的电流为,电三极管的电流灵敏度是光电二极管的倍。相当于将光电二极管与三极管接成下所示的电路形式，光电二极管的电流Ip被三极管放大倍。,为提高光电三极管的增益，减小体积，常将光电二极管或光电三极管及三极管制作到一个硅片上构成集成光电器件。,光生伏特器件,63,集成光电器件：(a)所示为光电二极管与三极管集成而构成的集成光电器件，它比(c)所示的光电三极管具有更大的动态范围，因为光电二极管的反向偏置电压不受三极管集电结电压的控制。(b)所示的电路为(c)所示的光电三极管与三极管集成构成的集成光电器件，它具有更高的电流增益（灵敏度更高）。,光生伏特器件,64,2. 光电三极管特性,1）伏安特性,光电三极管在偏置电压为零时，无论光照度有多强，集电极电流都为零。偏置电压要保证光电三极管的发射结处于正向偏置，而集电结处于反向偏置。随着偏置电压的增高伏安特性曲线趋于平坦。,光电三极管的伏安特性曲线向上偏斜，间距增大。这是因为光电三极管除具有光电灵敏度外，还具有电流增益，并且，值随光电流的增大而增大。,光生伏特器件,65,2）时间响应（频率特性）,光电三极管的时间响应常与PN结的结构及偏置电路等参数有关。,分析等效电路图，不难看出，由电流源Ip、基-射结电阻rbe、电容Cbe和基-集结电容Cbc构成的部分等效电路为光电二极管的等效电路。,光生伏特器件,66,光电三极管的等效电路是在光电二极管的等效电路基础上增加了电流源Ic和基射结电阻Rce、电容Cce、输出负载电阻RL。,光电三极管的时间响应由以下四部分组成： 光生载流子对发射结电容Cbe和集电结电容Cbc的充放电时间； 光生载流子渡越基区所需要的时间； 光生载流子被收集到集电极的时间； 输出电路的等效负载电阻RL与等效电容Cce所构成的RC时间； 总时间常数为上述四项和。因此，光电三极管的响应时间比光电二极管的响应时间要长得多。,要改善光电三极管的频率响应，由等效电路知应尽可能减小rbeCbe和RLCce的时间常数。 在工艺上设法减小结电容；选择合理的负载电阻。,光生伏特器件,67,3）温度特性,硅光电二极管和硅光电三极管的暗电流Id和光电流IL均随温度而变化，由于硅光电三极管具有电流放大功能，所以硅光电三极管的暗电流Id和光电流IL受温度的影响要比硅光电二极管大得多。,随着温度的升高暗电流增长很快； 光电三极管亮电流IL随温度的变化比光电二极管亮电流IL随温度的变化快。,光生伏特器件,68,4）光谱响应,硅光电二极管与硅光电三极管具有相同的光谱响应。对于光电二极管，减薄PN结的厚度可以使短波段波长的光谱响应得到提高，因为PN结的厚度减薄后，长波段的辐射光谱很容易穿透PN结，而没有被吸收。,短波段的光谱容易被减薄的PN结吸收。因此，可以制造出具有不同光谱响应的光伏器件，例如蓝敏器件和色敏器件等。蓝敏器件是在牺牲长波段光谱响应为代价获得的（减薄PN结厚度，减少了长波段光子的吸收）。,响应范围为0.41.0m，峰值波长为0.85m。,光生伏特器件,第三章 半导体光电检测器件及应用,光敏电阻 光生伏特器件 真空光电器件 光热辐射检测器件 各种光电检测器件的性能比较,3-3 真空光电器件,光电发射器件（真空光电器件）是基于外光电效应的器件。,外光电效应（光电发射效应）：当物质中的电子吸收足够高的光子能量，电子将逸出物质表面成为真空中的自由电子，这种现象称为光电发射效应或外光电效应。,光电发射效应中光电能量转换的基本关系为：,光电发射器件包括光电管和光电倍增管两类。真空光电器件具有极高的灵敏度、快速响应等特点，在探测微弱光信号及快速脉冲光信号方面应用很多。,71,真空光电管主要由光电阴极和阳极两部分组成，因管内常被抽成真空而称为真空光电管。,一、真空光电管,有时为了使某种性能提高，在管壳内也充入某些低气压惰性气体形成充气型的光电管。,真空型和充气型均属于光电发射型器件，称为真空光电管或简称为光电管。,真空光电器件,72,当入射光透过真空型光电管的入射窗照射到光电阴极面上时，光电子就从阴极发射出去，在阴极和阳极之间形成的电场作用下，光电子在极间作加速运动，被高电位的阳极收集，其光电流的大小主要由阴极灵敏度和入射辐射的强度决定。,1、真空光电管的工作原理,2、充气型光电管的工作原理,光照产生的光电子在电场的作用下运动，途中与惰性气体原子碰撞而电离，电离又产生新的电子，它与光电子一起都被阳极收集，形成数倍于真空型光电管的光电流 。,真空光电器件,73,二、光电倍增管（PMT，Photo Multiple Tube）,光电倍增管是一种建立在光电效应、二次电子发射和电子光学理论基础上的，把微弱入射光转换成光电子，并获得倍增效应的真空光电发射器件。,真空光电器件,74,1、光电倍增管的工作原理,光电倍增管主要由光入射窗、光电阴极、电子光学系统、倍增极和阳极等部分组成。,真空光电器件,75,2、光电倍增管的结构,（1）入射窗结构,真空光电器件,入射窗分为侧窗式：光线从侧面入射到光电倍增管；端窗式：使用时入射光线从端面进入光电倍增管。,光窗是入射光的通道，同时也是对光吸收较多的部分。因为玻璃对光的吸收与波长有关，波长越短吸收的越多，所以倍增管光谱特性的短波阈值决定于光窗材料。光电倍增管一般常用的光窗材料有钠钙玻璃、硼硅玻璃、紫外玻璃、熔凝石英和氟镁玻璃等。,76,（2）光电阴极,电阴极的作用是光电变换，接收入射光，向外发射电子。制作光电阴极的材料多是化合物半导体。所以倍增管光谱特性的长波阈值决定于光电阴极材料，同时对整管灵敏度也起着决定性作用。,（3）电子光学系统,电子光学系统的任务有两个：一是通过对电极结构的适当设计，使前一级发射出来的电子尽可能没有散失地落到下一个倍增极上，使下一级的收集率接近于1二是使前一级各部分发射出来的电子，落到后一级上时所经历的时间尽可能相同，使渡越时间差异最小。,77,倍增系统是由许多倍增极组成的综合体，每个倍增极都是由二次电子倍增材料构成的，具有使一次电子倍增的能力。因此倍增系统是决定整管灵敏度最关键的部分。,（4）倍增系统,光电倍增管是利用二次电子发射现象制成的。,78,1、灵敏度,三、光电倍增管的基本特性,(1)阴极灵敏度,光电倍增管阴极电流Ik与入射光谱辐射通量之比,称为阴极的光谱灵敏度，记为,白光作用于光电阴极时，光电阴极输出电流Ik与入射辐射通量e之比为阴极的积分灵敏度Se。,真空光电器件,79,(2)阳极灵敏度,定义光电倍增管阳极输出电流Ia与入射光谱辐射通量之比为阳极的光谱灵敏度，并记为,若入射辐射为白光，则定义为阳极积分灵敏度,真空光电器件,80,2、电流放大倍数（增益）,光电倍增管阳极电流与阴极电流的比值，称为光电倍增管的电流放大倍数或称增益。,真空光电器件,光电倍增管增益与倍增材料的二次电子发射系数有关，而且与光电倍增管的级数N有关。如果光电倍增管有n级倍增极，那么光电阴极发射的光电流经过各级倍增极倍增后，从阳极输出的电流为,81,假定各倍增极的二次电子电子反射系数和电子收集率相等，则电流放大倍数为：,真空光电器件,倍增极的二次电子发射系数可以用经验公式进行计算：,82,阳极伏安特性曲线,3.伏安特性,光电倍增管的伏安特性曲线分为阴极伏安特性曲线（阴极电流与阴极电压之间的关系）与阳极伏安特性曲线（阳极电流与阳极和最末一级倍增极之间电压的关系）。在电路设计时，一般使用阳极伏安特性曲线来进行负载电阻、输出电流、输出电压的计算。,真空光电器件,83,阳极光电流与入射于光电阴极的光通量之间的函数关系，称为倍增管的光电特性。对于模拟量测量，必须选取能保证光电流与光照在大范围内保持线性关系的那些型号的光电倍增管（工程上一般取特性偏离于直线3%作为线性区的界限）。,光电特性图,当光通量很大时，特性曲线开始明显偏离直线。因此，在工作时阴极不能有强光照射，否则易损坏管子。因它的灵敏度高，光电倍增管允许测量非常小的光通量，或所需放大器的级数可以较少。,4.光电特性,真空光电器件,84,在各电极都加上正常工作电压并且阴极无光照情况下阳极的输出电流。它限制了可测直流光通量的最小值，同时也是产生噪声的重要因素，是鉴别管子质量的重要参量。应选取暗电流较小的管子。,光电倍增管中产生暗电流的因素较多，其中较为重要的是光电阴极和光电倍增极的热电子发射。温度T越高，热电子发射越多，则暗电流越大，如图所示。如果需要较小的暗电流，可通过冷却光电倍增管来减小暗电流。暗电流的另一组成部分是光电倍增管的漏电流。,5、暗电流,真空光电器件,85,光电倍增管噪声主要是指由倍增管本身引起的输出偏离于平均值的起伏，主要来源是光电阴极、光电发射的随机性和各倍增极二次电子发射的随机性，同时也与背景光或信号光中的直流分量有关。,6、噪声与噪声等效功率,噪声等效功率（NEP）表述倍增管阳极信号与噪声有效值之比等于1时，入射于倍增管光电阴极的光功率（通量）的有效值。即IA/InA=1时，NEP=InA/SA 它是倍增管可能探测到的信号光功率（通量）的最小值。,真空光电器件,86,光电倍增管的光谱响应，在较长的波长取决于所用光电发射材料的性能，而较短的波长则主要取决于窗材料的透射特性。图中示出了锑钾铯（Sb-K-Cs）光电阴极的光谱特性，最灵敏的光谱波长约在4000埃处。,7、光谱响应,真空光电器件,87,8、疲劳与衰老,光电倍增管在正常使用的情况下，随着工作时间的积累，灵敏度也会逐渐下降，且不能恢复，这中现象称为衰老。,在较强辐射作用下倍增管灵敏度下降的现象称为疲劳。这是暂时的现象，待管子避光存放一段时间后，灵敏度将会部分或全部恢复过来。,真空光电器件,88,四、光电倍增管的典型应用,1、发射光谱,发射光谱分析仪的基本原理如图所示,真空光电器件,用于测量辐射光谱在狭窄波长范围内的辐射功率。用于分析仪器中，如光谱辐射仪。,89,2、吸收光谱,发射光谱仪的光源为被测光源，而吸收光谱仪的光源为已知光谱分布的光源。吸收光谱仪与发射光谱仪相比，它比发射光谱仪多一个承载被测物的样品池。,真空光电器件,90,3、光电倍增管优缺点,放大倍数很高，用于探测微弱信号；光电特性的线性关系好 ；工作频率高 ；性能稳定，使用方便 ；供电电压高；玻璃外壳，抗震性差；价格昂贵，体积大；,真空光电器件,91,1) 使用前应了解器件的特性。真空光电器件的共同特点是灵敏度高、惰性小、供电电压高、采用玻璃外壳、抗震性差。 2) 使用时不宜用强光照。光照过强时，光电线性会变差而且容易使光电阴极疲劳（轻度疲劳经一段时间可恢复，重度疲劳不能恢复），缩短寿命。 3) 工作电流不宜过大。工作电流大时会烧毁阴极面，或使倍增级二次电子发射系数下降，增益降低，光电线性变差，缩短寿命。 4) 用来测量交变光时，负载电阻不宜很大，因为负载电阻和管子的等效电容一起构成电路的时间常数，若负载电阻较大，时间常数就变大，频带将变窄。,4.使用注意事项,真空光电器件,第三章 半导体光电检测器件及应用,光敏电阻 光生伏特器件 真空光电器件 光热辐射检测器件 各种光电检测器件的性能比较,3-4 光热辐射检测器件,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。热效应：器件吸收入射辐射产生温升引起材料物理性质的变化，输出电信号。热电传感器件：是将入射到器件上的辐射能转换成热能，然后将热能转换成电能的器件。,94,热探测器特点：,分类：,热敏电阻热电偶检测器热释电器件,响应率与波长无关，属于无选择性探测器； 受热时间常数(热惯性)的制约,响应速度比较慢； 热探测器的探测率比光子探测器的峰值探测率低； 可在室温下工作。,光热辐射检测器件,95,一、热敏电阻,定义：凡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，并给出电信号的器件。,热敏电阻有金属和半导体两种。金属热敏电阻，电阻温度系数多为正，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，所以多用于温度的模拟测量。半导体热敏电阻，电阻温度系数多为负的，绝对值比金属大十多倍，它的电阻与温度的关系是非线性的，耐高温能力差，所以多用于辐射探测，如防盗报警、防火系统、热辐射体搜索和跟踪等。,光热辐射检测器件,96,（1）金属材料-正温度系数热敏电阻(PTR),适宜材料有铂、铜、镍、铁等。,由金属材料构成的测辐射热计：一般金属的能带结构外层无禁带，自由电子密度很大，以致外界光作用引起的自由电子密度相对变化较半导体而言可忽略不计。吸收辐射产生温升后，自由电子浓度的增加是微不足道的。相反，因晶格振动的加剧妨碍了自由电子作定向运动，从而电阻温度系数是正的.,光热辐射检测器件,97,（2） 半导体电阻材料-负温度系数热敏电阻(NTR),半导体类的多为金属氧化物，例如氧化锰、氧化镍、氧化钴等。,由半导体材料制成的测辐射热计：半导体材料对光的吸收除了直接产生光生载流子的本征吸收和杂质吸收外，还有不直接产生载流子的晶格吸收和自由电子吸收等，并且不同程度地转变为热能，引起晶格振动的加剧，器件温度的上升，即器件的电阻值发生变化。其中部分电子能够从价带跃迁到导带成为自由电子，使电阻减小，电阻温度系数是负的。又因为各种波长的辐射都能被材料吸收，只是吸收不同波长的辐射，晶格振动加剧的程度不同而已,对温升都有贡献，所以它的光谱响应特性基本上与波长无关。,光热辐射检测器件,98,图示分别为半导体和金属（白金）的温度特性曲线。白金的电阻温度系数为正值，大约为0.37%左右；半导体材料热敏电阻的温度系数为负值，大约为-3%-6%，约为白金的10倍以上。所以热敏电阻探测器常用半导体材料制作而很少采用贵重的金属.,光热辐射检测器件,99,光热辐射检测器件,由热敏材料制成的厚度为0.01mm左右的薄片电阻粘合在导热能力高的绝缘衬底上，电阻体两端蒸发金属电极以便与外电路连接；再把衬底同一个热容很大、导热性能良好的金属相连构成热敏电阻。（使用热特性不同的衬底，可使探测器的时间常量由大约1ms变为50ms）红外辐射通过探测窗口投射到热敏元件上，引起元件的电阻变化。为了提高热敏元件接收辐射的能力（提高吸收系数），常将热敏元件的表面进行黑化处理。,半导体热敏电阻结构,光热辐射检测器件,101,102,103,热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，热电偶工作原理是基于赛贝克(seeback)效应,即两种不同成分的导体两端连接成回路，如两连接端温度不同，则在回路内产生热电流的物理现象。热电偶的优点： 测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。 测量范围广。常用的热电偶从-50+1600均可测量，某些特殊热电偶最低可测到-269（如金铁镍铬），最高可达+2800（如钨-铼）。 构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和接头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。,二、热电偶检测器,光热辐射检测器件,104,热电偶的工作原理,两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度。,光热辐射检测器件,105,基于温差热电效应，多用于测温，,采用金属材料制成，用于探测入射辐射，温升小，对材料的要求高，结构严格且复杂，成本高。,P型半导体冷端带正电，N型半导体冷端带负电，最小可检测功率一般为10-11W。,光热辐射检测器件,106,热电堆,在实际应用中，往往将几个热电偶串联起来提高响应率，组成 热电堆来检测红外辐射的强弱。,。,光热辐射检测器件,107,热电堆工作原理,热电堆提高了热电偶的响应时间和灵敏度。其结构是多个热电偶串联。热电堆的灵敏度为每个热电偶灵敏度的和。,总结：热电偶型红外辐射探测器的时间常数较大，响应时间长，动态特性差，被测辐射变化频率一般应在10Hz以下。,光热辐射检测器件,108,应用范围,目前，热电堆探测器在耳式体温计、放射体温计、电烤炉、食品温度检测等领域获得了广泛的应用。半导体热电堆发电技术也为我们开辟了利用低温的热源发电（如工业余热、地热、太阳能发电等）的一个崭新的分支；半导体热电发电技术以体积小、重量轻、无运动部件、运行寿命长、可靠性高及无污染等诸多优点。,光热辐射检测器件,109,三、热释电器件,热释电器件是一种利用热释电效应制成的热检测器件。,光热辐射检测器件,110,热释电器件是一种利用热释电效应制成的热探测器件。与其它热探测器相比，热释电器件具有以下优点：具有较宽的频率响应，工作频率接近MHz，远超其它热探测器的工作频率。一般热探测器的时间常数典型值在10.01s范围内，热释电器件的有效时间常数低达10-4310-5 s；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； 与热敏电阻相比，它受环境温度变化的影响更小； 热释电器件的强度和可靠性比其它多数热探测器都要好，易于制作。,光热辐射检测器件,111,“自发极化的电介质，其自发极化强度Ps（单位面积上的电荷量）与温度存在着如下关系：当温度升高时，极化强度减低，当温度升高一定值时，自发极化消失，这个温度称为”居里点“。,在居里点以下，Ps是温度t的函数，利用这一关系制造出热释电器件，温度的升高，电极化强度减小，相当于热”释放了“部分电荷，可由放大器转变成电压输出。,热释电器件不同于其它光电器件的特点：在恒定辐射作用情况下输出信号电压为零。只有在交变辐射作用下才会有信号输出。,热释电探测器的工作原理,光热辐射检测器件,112,面电极结构：电极置于热释电晶体的前后表面上, 其中一个电极位于光敏面内。 这种电极结构的电极面积较大，极间距离较少，因而极间电容较大，故其不适于高速应用。此外，由于辐射要通过电极层才能到达晶体，所以电极对于待测的辐射波段必须透明。,边电极结构：电极所在的平面与光敏面互相垂直，电极间距较大，电极面积较小，因此极间电容较小。由于热释电器件的响应速度受极间电容的限制，因此，在高速运用时以极间电容小的边电极为宜。,2.热释电探测器的基本结构,光热辐射检测器件,113,热释电红外线传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成的探测元件。电源开关控制、防盗防火报警、自动览测。 适合交变的信号测量。,光热辐射检测器件,114,四、热电器件使用要点,热电器件的共同特点是，光谱响应范围宽，从紫外到毫米量级的电磁辐射几乎都有相同的响应。而且响应率都很高，但响应速度都较低，速度与响应率之积为一常量的结论对热探测器也成立。不同类型器件的响应率、机械强度、响应速度和使用条件等则不同。因此，具体选用器件时，要扬长避短，综合考虑。1）由半导体材料制成的温差电堆，响应率很高，但机械强度较差，使用时必须十分当心。它的功耗很小，测量辐射时，应对所测的辐射强度范围有所估计，不要因电流过大烧毁热端的黑化金箔。保存时，输出端不能短路，要防止电磁感应。 2）测辐射热计，响应率也很高，对灵敏面采取致冷措施后，响应率会进一步提高。但它的机械强度也较差，容易破碎，所以使用时要当心。它要求踉它相接的放大器要有很高的输入阻抗。流过它的偏置电流不能大，免得电流产生的焦耳热影响灵敏面的温度。,115,3）热释电器件是一种比较理想的热探测器，机械强度、响应率、响应速度都很高。但根据它的工作原理，它只能测量变化的辐射，入射辐肘的脉冲宽度必须小于自发极化矢量的平均作用时间。辐射恒定时无输出。利用它来测量辐射体温度时，它的直接输出，是背景与热辐射体的温差，而不是热辐射体的实际温度。所以，要确定热辐射体实际温度时，必须另设一个辅助探测器，先测出背景温度，然后再将背景温度与热辐射体的温差相加，即得被测物的实际温度。另外，因各种热释电材料都存在一个居里温度，所以它只能在低于居里温度的范围内使用。,第三章 半导体光电检测器件及应用,光敏电阻 光生伏特器件 真空光电器件 光热辐射检测器件 各种光电检测器件的性能比较,3-5 各种光电检测器件的性能比较,一、光电器件性能的比较与选择,1、接收光信号的方式 在应用光电检测器件的测量仪器和系统中，光电器件接收光信号的方式有以下几种。 1）、光信号的有无 即被测对象造成投射到光电器件上的光信号截断或通过。如光电开关、光电报警等。这时的光电器件不考虑线性，但要考虑灵敏度。 2）、光信号按一定频率交替变化 这种光信号的输入是有一定频率的，必须使所选器件的上限截止频率(最好是最佳工作频率)大于输入信号的频率才能测出输入信号的变化。,118,3）、光信号的幅度大小 当被测对象因对光的反射率、透过率变化或是被测对象本身光辐射的强度变化，此时的光信号幅度大小亦改变。为准确测出幅度大小的变化，必须选用线性好、响应快的器件。如PMT或光电二极管等。 4）、光信号的色度差异 当被测对象本身光辐射的色温存在差异或表面颜色变化时，必须选择合适的光谱特性的光电器件。,各种光电检测器件的性能比较,119,2、各种光电检测器件的性能比较,120,1)光电变换的线性光电倍增管、光电二极管、光电池最好。光敏电阻的光电变换的线性最差。2)动态范围 动态范围分为线性动态范围与非线性动态范围。在线性动态范围方面，光电倍增管和光电二极管动态范围最好，光电池、光电三极管、复合光电三极管较好，光敏电阻最差。光敏电阻的非线性动态范围要比其他光电器件宽。,各种光电检测器件的性能比较,121,3)灵敏度 光敏电阻的灵敏度最高，其他依次为雪崩光电二极管、复合光电三极管和光电三极管，光电二极管的灵敏度最低。4)时间响应 光电倍增管、PIN与雪崩光电二极管的时间响应最快，其他依次为光电三极管、复合光电三极管和光电池，时间响应最慢的是光敏电阻，它不但惯性大，而且还具有很强的前历效应。5)光谱响应 光谱响应主要与光电器件的材料有关，要视具体情况。一般来讲光电倍增管和光敏电阻的光谱响应要比光生伏