第三章 光电检测.ppt

第三章半导体光电检测器件及应用,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-光电池光电二极管与光电三极管光热辐射检测器件各种光电检测器件的性能比较,3,光电器件的分类,一、按工作波段分紫外光探测器可见光探测器红外光探测器二、按应用分换能器将光信息（光能）转换成电信息（电能）非成像型光信息转换成电信息探测器变像管成像型像增强器摄像管真空摄像管固体成像器件CCD,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管,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,3-1光敏电阻,在光的照射下材料的电阻率发生改变的现象称为内光电效应。,半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对，使其导电性能增强，光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象，也称为光电导效应。,基于这种效应的光电器件有光敏电阻。,6,一、光敏电阻的工作原理及结构,当入射光子使半导体物质中的电子由价带跃升到导带时，导带中的电子和价带中的空穴均参与导电，因此电阻显著减小，电导增加，或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,7,光敏电阻阻值对光照特别敏感，是一种典型的利用光电导效应制成的光电探测器件。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。对于本征型，可用来检测可见光和近红外辐射对于非本征型可以检测波长很长的辐射,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,光敏电阻,10,组成：它由一块涂在绝缘基底上的光电导材料薄膜和两端接有两个引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。电极和光电导体之间呈欧姆接触。,光敏电阻在电路中的符号,光敏电阻的基本结构,光敏电阻,11,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,12,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,13,二、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,14,2、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,15,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/厘米就不成线性了。,（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,16,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,17,4、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,18,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,19,5、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,20,6、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,21,7、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（555nm）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,22,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,23,四、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,24,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,25,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,26,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,27,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,28,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,29,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,3-2光生伏特器件,光生伏特器件:利用半导体PN结光生伏特效应制成的器件，也称结型光电器件。,光生伏特效应是光生伏特效应是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:硅光电池、光电二极管、PIN型光电二极管、雪崩光电二极管、光电三极管,具有光生伏特效应的半导体材料有很多，例如硅(Si)、锗(Ge)、硒(Se)、砷化镓(GaAs)等。其中硅器件具有制造工艺简单、成本低等特点成为目前应用最广泛的光生伏特器件。,31,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,32,一、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)、有外加电压时结内平衡被破坏，这时流过PN结的电流方为：,33,34,3)、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。,此时，流过PN结的电流方程为：,35,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：,36,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,37,二、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：太阳能光电池测量光电池,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。,38,1、硅光电池的基本结构,硅光电池按衬底材料的不同可分为2DR型和2CR型。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。,39,2、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,40,3、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,41,4、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。,42,（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,43,短路电流：指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的。光电池在不同照度下，其内阻也不同，因而应选取适当的外接负载近似地满足“短路”条件。下图表示硒光电池在不同负载电阻时的光照特性。从图中可以看出，负载电阻RL越小，光电流与强度的线性关系越好，且线性范围越宽。,44,光电池的光谱特性决定于材料。硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在540nm附近，适宜测可见光。硅光电池应用的范围400nm1100nm，峰值波长在850nm附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内应用。,（3）光谱特性,45,光电池作为测量、计数、接收元件时常用调制光输入。光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频率变化的关系。由于光电池PN结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。图示为光电池的频率响应曲线。硅光电池具有较高的频率响应;而硒光电池则较差。,（4）频率特性,46,光电池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化的关系。开路电压与短路电流均随温度而变化，它将关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响到测量或控制精度等主要指标，因此，当光电池作为测量元件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补偿措施。,（5）温度特性,47,三、硅光电二极管,光电二极管通常在反偏置条件下工作，即光电导工作模式。优点是可以减小光生载流子渡越时间及结电容，可获得较宽的线性输出和较高的响应频率。,制作光电二极管的材料很多，有硅、锗、砷化镓、碲化铅等，在可见光区应用最多的是硅光电二极管。,48,1、硅光电二极管的工作原理,硅光电二极管工作在光电导工作模式。在无光照时，若给PN结加上一个适当的反向电压，流过PN结的电流称反向饱和电流或暗电流。,当硅光电二极管被光照时，则在结区产生的光生载流子将被内建电场拉开，在外加电场的作用下形成了以少数载流子漂移运动为主的光电流。光照越强，光电流就越大。,49,硅光电二极管可分为以P型硅为衬底的2DU型与以N型硅为衬底的2CU型两种结构形式。,50,2、硅光电二极管的电流方程,在无光照时，PN结硅光电二极管的伏安特性曲线与普通PN结二极管的特性一样，其电流方程为,反向偏置时，ID和U均为负值且时的电流，称为反向电流或暗电流。,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。,52,3、光电二极管的特性参数,电流随光辐射的变化是线性的。,波长的光辐射作用于光电二极管时，定义其电流灵敏度为入射到光敏面上辐射量的变化（例如通量变化d）引起电流变化dI与辐射量变化之比,（1）光电二极管的灵敏度,53,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。,54,（3）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,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。,（4）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。,影响PN结硅光电二极管时间响应的主要因素是PN结区外载流子的扩散时间p。扩展PN结区增高反向偏置电压改进结构：PINAPD,4、PIN型光电二极管PIN管,为了提高PN结硅光电二极管的时间响应，消除在PN结外光生载流子的扩散运动时间，常采用在P区与N区之间生成I型层，构成如图（a）所示的PIN结构光电二极管，PIN结构的光电二极管与PN结型的光电二极管在外形上没有什么区别，如图（b）。,结电容小渡越时间短灵敏度高,特点：,10GHz10-10s,58,结构与工作原理,1.本征半导体近似于介质，这就相当于增大了pn结结电容两个电极之间的距离，使结电容变得很小。2.p型半导体和n型半导体中耗尽层的宽度是随反向电压增加而加宽的，随着反偏压的增大，结电容也要变得很小。3.由于i层的存在，而p区一般做得很簿，入射光子只能在i层内被吸收，而反向偏压主要集中在i区，形成高电场区，i区的光生载波子在强电场作用下加速运动，所以载流子渡越时间非常短，即使i层较厚，对渡越时间影响也不大，这样使电路时间常量减小，从而改善了光电二极管的频率响应。4.i层的引入加大了耗尽区，展宽了光电转换的有效工作区域，从而使灵敏度得以提高。,59,60,PIN管时间特性,由于耗尽层宽度小，度越时间小但量子效率将变低，决定了频率特性（带宽）与响应度之间的矛盾关系。耗尽层宽度的选取，在保证响应度的情况下，Si和Ge材料，一般为20-50m，渡越时间大于200ps；InGaAs材料，一般为3-5m，渡越时间30-50ps。,61,几种常见的PIN比较,62,PIN管应用及常用器件介绍,PIN及组件由于工作电压较低、性价比好，在数据通信、电信业务以及一般的应用如工业控制等领域有着广泛的应用。国内外著名的光通信公司，如Mitel公司、AMP公司、Prilli公司、飞通光电有限公司和武汉电信器件公司等都有相应的产品。,63,5、雪崩光电二极管APD管,PIN光电二极管：提高了时间响应，器件的光电灵敏度仍然较低。雪崩光电二极管：提高光电二极管的灵敏度。,65,雪崩倍增过程,当光电二极管的pn结加相当大的反向偏压时，在耗尽层内将产生一个很高的电场，它足以使在强电场区漂移的光生载流子于获得充分的动能，通过与晶格原子碰撞将产生新的电子空穴对。,新的电子空穴对在强电场作用下。分别向相反的方向运动，在运动过程中又可能与原子碰撞再一次产生新的电子空穴对。如此反复，形成雪崩式的载流子倍增。这个过程就是APD的工作基础。,APD管工作原理,雪崩光电二极管为具有内增益的一种光生伏特器件。它利用光生载流子在强电场内的定向运动，产生的雪崩效应获得光电流的增益。,电离产生的载流子数远大于光激发产生的光生载流子数，这时雪崩光电二极管的输出电流迅速增加，其电流倍增系数M定义为：,式中，I为倍增输出的电流，I0为倍增前输出的电流。,67,APD管偏压设置,APD一般在略低于反向击穿电压值的反偏压下工作。在无光照时，pn结不会发生雪崩倍增效应。有光照射，激发出的光生载流于就被临界强电场加速而导致雪崩倍增。若反向偏压大于反向击穿电压时，光电流的增益可达106，即发生“自持雪崩倍增”。由于这时出现的散粒噪声可增大到放大器的噪声水平，以致使器件无法使用。,实验发现，在略低于击穿电压时，发生雪崩倍增现象，M随反向偏压U的变化可用经验公式近似表示：,APD管噪声,由于雪崩光电二极管中载流子的碰撞电离是不规则的，碰撞后的运动方向更是随机的，所以它的噪声比一般光电二极管要大些。雪崩光电二极管的噪声可近似由下式计算：,式中指数n与雪崩光电二极管的材料有关。对于锗管，n=3；对于硅管为2.3n2.5。,70,APD管线性区,当入射光功率在1nw到几个w时，倍增电流与入射光具有较好的线性。当入射光功率过大时，倍增系数凡反而会降低，从而引起光电流的畸变。当入射光功率较小时，多采用APD。在入射光功率较大时，采用PIN管更为恰当。,71,APD管应用,雪崩光电二极管在光纤通信、激光测距及光纤传感等光电变换系统中得到了广泛应用。由于具有内增益，大大降低了对前置放大器的要求。但APD管需要上百伏的工作电压影响了它的推广使用。,72,常用的APD特性,73,通信用PIN与APD比较,74,四、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,75,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。光电转换部分是在集-基结区内进行，而集电极、基极、发射极构成了一个有放大作用的晶体管。,76,2、光电三极管的基本特性,（1）伏安特性,在相同照度下，硅光电三极管的光电流比二极管的大得多，一般硅光电三极管的光电流在毫安量级，硅光电二极管的光电流在微安量级；,在零偏压时硅光电二极管仍然有光电流输出，而硅光电三极管没有光电流输出；,当工作电压较低时输出的光电流为非线性，即光电流与偏压有关，但硅光电三极管的非线性较严重；,在一定偏压下，硅光电三极管的伏安特性曲线在低照度时较均匀，在高照度时曲线向上倾斜，虽然光电二极管也有，但硅光电三极管严重得多。,77,光电三极管的伏安特性,在一定偏压下，硅光电三极管的伏安特性曲线在低照度时较均匀，在高照度时曲线向上倾斜，虽然光电二极管也有，但硅光电三极管严重得多。,当工作电压较低时输出的光电流为非线性，即光电流与偏压有关，但硅光电三极管的非线性较严重；,在零偏压时硅光电二极管仍然有光电流输出，而硅光电三极管没有光电流输出；,在相同照度下，硅光电三极管的光电流比二极管的大得多；,（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。,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。比光电二极管的时间响应长。,79,（3）温度特性,硅光电二极管和硅光电三极管的暗电流和光电流均随温度而变化，但硅光电三极管具有电流放大作用，所以硅光电三极管受温度的影响要大得多。由于暗电流的增加，使输出信噪比变差，不利于弱光信号的探测。,（4）光谱响应,光电二极管与光电三极管具有相同的光谱响应。,它的响应范围为0.41.1m，峰值波长为0.85m。,81,光电三极管与光电二极管的不同,在相同照度下，由于光电三极管的放大作用，使三极管的输出电流要比二极管大得多。在零偏置下，光电三级管没有电流输出，而二极管有电流输出。是在照度低时比较均匀，而随照度增加，曲线变密。这主要是光照特性的反映，这种现象二极管也有，但不如三极管严重，这是因为三极管的电流增益是信号电流的函数。工作电压低时，光电三极管的集电极电流与照度有非线性关系。这是由于电流增益与工作电压有关所造成的。为了避免输出的非线性，三极管的工作电压应尽可能地高些。,82,小结,1.光伏探测器根据内建电场形成的结势垒不同，有pn结PIN结等不同结构。根据工作条件不同，可有光电导和光伏两种工作模式。2.APD管具有内增益，它可以大大提高探测器的灵敏度和响应频率，以适合于微弱光信号探测。3.光伏探测器的噪声主要包括器件中光生电流的散粒噪声、暗电流噪声和器件热噪声。器件的总噪声与所加的工作偏压有关。在反偏压工作时，热噪声可忽略不计。,83,4.光伏探测器可以工作于零偏与反偏两种状态。零偏工作时，不会引入偏置电路噪声，还可简化前级电子电路。反偏工作时，可以降低器件的热噪声及散粒噪声，并可减小器件电容，此外可得到较高的探测率和响应频率。5.光伏探测器的响应速度比光电导探测器快，它主要取决于负载电阻和结电容所构成的时间常量。6.与光电导探测器一样，光伏探测器的灵敏度与频带宽度之积为一常量，在使用时要综合考虑。同时，器件的各种参量基本上都与温度有关。降低探测器工作温度会减小暗电流和噪声，提高电路的稳定性。,产生光电变换的部位不同；结型器件有确定的正负极，而光电导器件没有；光敏电阻依赖于非平衡载流子的产生与复合运动，频率响应差;而结型器件主要依靠结区非平衡载流子的漂移运动响，应速度快；部分结型器件有内增益，目此灵敏度更高。光伏器应用最广泛。,84,光伏探测器和光电导探探器的区别:,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。,86,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。,87,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。,88,二、光电倍增管（PMT，PhotoMultipleTube）,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。,89,1、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。,控制电子运动轨迹及动能（SIMION）,90,91,2、光电倍增管的结构,（1）入射窗结构,光电倍增管按进光的方式分通常有侧窗和端窗两种形式。,侧窗型光电倍增管是通过管壳的侧面接收入射光，侧窗式光电倍增管一般使用反射式光电阴极，而且大多数采用鼠笼式倍增极结构。,侧窗式光电倍增管,92,端窗式光电倍增管通常使用半透明光电阴极，光电阴极材料沉积在入射窗的内侧面。一般半透明光电阴极的灵敏度、均匀性比反射式阴极好，而且阴极面可以做成各种大小。,端窗式光电倍增管,1）硼硅玻璃：透射光谱范围从300nm到红外，不适合作紫外辐射窗口材料，能较好地应用于闪烁计数；2）透紫外玻璃：紫外波段的截止波长约185nm；3）熔融石英：透紫外波长可达160nm，只能做管子的头；4）蓝宝石；5）氟化镁。,常用窗口材料,93,（2）电子光学系统,电子光学系统是指光电阴极至第一倍增极之间的区域。电子光学系统在结构上主要由聚焦电极和偏转电极组成。,电子光学系统的作用：（1）使光电阴极发射的光电子尽可能多的会聚到第一倍增极上，而将其他部分的杂散热电子散射掉，提高信噪比；（2）光电阴极各部分发射的光电子到达第一倍增极所经历的时间尽可能一致，保证光电倍增管的快速响应。,94,电子收集率0达到85%以上；渡越时间的离散性t是指阴极面上各点所发射的光电子达到第一倍增极上各处时产生的时间差，约为10ns。,光电阴极,金属导电层,带孔膜片,第一倍增极,95,（3）电子倍增极,二次电子发射：具有足够动能的电子轰击某些材料时，材料表面将发射新的电子，这种现象称为二次电子发射。,倍增极材料,通常把二次发射的电子数N2与入射的一次电子数N1的比值定义为倍增极材料的发射系数,96,二次电子发射步骤：材料吸收一次电子的能量，激发体内电子到高能态，这些被激发电子称为内二次电子；内二次电子中初速度指向表面的那一部分向表面运动，在运动过程中因散射而损失能量；如果达到界面的内二次电子仍有足以克服表面势垒的能量，即逸出表面成为二次电子。,二次电子发射与光电发射的区别：二次发射电子的过程由高能电子的激发材料产生电子发射，而不是光子激发所致。一般光电发射性能好的材料也具有二次电子发射功能。,97,常用的倍增极材料有：锑化铯：在较低的电压下产生较高的发射系数；氧化银镁合金（AgMgOCs）：可在较强的电流和较高的温度（150度）下工作,光电倍增管中倍增极一般由几级到十五级组成，根据电子轨迹的形式可分为两类：聚焦型和非聚焦型。,凡是由前一倍增极来的电子被加速和会聚在下一倍增极上，在两个倍增极之间可能发生电子束交叉的结构称为聚焦型；非聚焦型形成的电场只能使电子加速，电子轨迹是平行的。,98,电子倍增极结构根据电子倍增极的结构形式，目前光电倍增管的倍增极分为六种形式：鼠笼式、瓦片静电聚焦型、盒栅式、百叶窗式、近贴栅式和微通道板式。,鼠笼式,聚焦型的瓦片电子倍增系统,非聚焦型的盒-网电子倍增系统,百叶窗式,99,电子倍增级阳极,作用是接收从末级倍增极发射出的二次电子，通过引线向外输出电流。对于阳极的结构要求具有较高的电子收集率，能承受较大的电流密度，阳极的输出电容要小，目前阳极广泛采用栅网状结构。,100,1、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,在某波长范围内的辐射作用于光电阴极时，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。,白光灵敏度或光照灵敏度,101,(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,若入射辐射为某一波段范围，则定义为阳极积分灵敏度,阳极光照灵敏度,102,2、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。,光电倍增管倍增极的二次电子发射系数与一次电子的加速电压UDD有关，当电压在几十至几百伏时，可表示为,C是常数，k值与倍增极的材料和结构有关。,103,例如，对于锑化铯倍增极,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,对于氧化银镁合金倍增极,为电子光学系统的收集率；和分别是1，2n级倍增极的二次电子发射系数和电子收集率。,104,3、暗电流,光电倍增管在无辐射作用下的阳极输出电流称为暗电流，记为ID。光电倍增管的暗电流值在正常应用的情况下是所有光电探测器件中暗电流最低的器件。,(1)热电子发射,由于光电阴极材料的光电发射阈值较低，容易产生热电子发射，即使在室温下也会有一定的热电子发射，并被电子倍增系统倍增。降低光电倍增管的温度是减小热发射暗电流的有效方法。,105,(2)欧姆漏电,欧姆漏电主要指光电倍增管的电极之间玻璃漏电、管座漏电和灰尘漏电等。欧姆漏电通常比较稳定，对噪声的贡献小。在低电压工作时，欧姆漏电成为暗电流的主要部分。,光电倍增管中高速运动的电子会使管中的残余气体电离，产生正离子和光子，它们也将被倍增，形成暗电流。这种效应在工作电压高时特别严重，使倍增管工作不稳定。降低工作电压会减小残余气体放电产生的暗电流。,(3)残余气体放电,106,(4)场致发射,光电倍增管的工作电压高时还会引起管内电极尖端或棱角的场强太高产生的场致发射暗电流。显然降低工作电压场致发射暗电流也将下降。,当部分电子偏离正常轨迹打到管壁上时会出现玻璃壳放电或玻璃荧光现象，引起暗电流脉冲。为了消除这种形式的暗电流脉冲，可使管子工作在高阳极电压和阴极接地的供电方式，在玻壳外涂敷一层导电层和阴极相连。,(5)玻璃壳放电和玻璃荧光,107,光电倍增管噪声主要由散粒噪声和负载电阻的热噪声组成。,(1)负载电阻的热噪声:主要来自负载电阻或运算放大器的反馈电阻和运算放大器的输入阻抗。,108,(2)散粒噪声:由阴极暗电流Id，背景辐射电流Ib以及信号电流Is的散粒效应所引起的。,散粒噪声电流将被逐级放大，并在每一级都产生自身的散粒噪声。如第1级输出的散粒噪声电流为,109,第2级输出的散粒噪声电流为,第n级倍增极输出的散粒噪声电流为,设各倍增极的发射系数都等于，则倍增管末倍增极输出的散粒噪声电流为,110,散粒噪声:,通常在36之间，接近于1，则光电倍增管输出的散粒噪声电流简化为,总噪声电流为,111,在设计光电倍增管电路时，总是力图使负载电阻的热噪声远小于散粒噪声,设光电倍增管的增益G=104，阴极暗电流Idk=10-14A，在室温300K情况下，只要阳极负载电阻Ra满足下式，计算电路的噪声时就可以只考虑散粒噪声。,112,5、伏安特性,(1)阴极伏安特性,当入射光电倍增管阴极面上的光通量一定时，阴极电流Ik与阴极和第一倍增极之间电压(简称为阴极电压Uk)的关系曲线称为阴极伏安特性.,当阴极电压较小时阴极电流Ik随Uk的增大而增加，直到Uk大于一定值(几十伏特)后，阴极电流Ik才趋向饱和，且与入射光通量成线性关系。,113,(2)阳极伏安特性,当入射到光电倍增管上的光通量一定时，阳极电流Ia与阳极和末级倍增极之间电压(简称为阳极电压Ua)的关系曲线称为阳极伏安特性。,当阳极电压增大到一定程度后，被增大的电子流已经能够完全被阳极所收集，阳极电流Ia与入射到阴极面上的光通量成线性关系而与阳极电压的变化无关。,114,6、线性,(1)内因，即空间电荷、光电阴极的电阻率、聚焦或收集效率等的变化，(2)外因，光电倍增管输出信号电流在负载电阻上的压降对末级倍增极电压产生负反馈和电压的再分配都可能破坏输出信号的线性。,光电倍增管的线性一般由它的阳极伏安特性表示，它是光电测量系统中的一个重要指标。线性不仅与光电倍增管的内部结构有关，还与供电电路及信号输出电路等因素有关。,115,1、电阻分压式供电电路,四、光电倍增管的供电和信号输出电路,（1)供电电压的极性,116,（2)线性供电方式,分压器中流过每级电阻的电流并不相等，但当流过分压电阻的电流IR远远大于Ia时，流过各分压电阻Ri的电流近似相等。工程上常设计IR大于等于10倍的Ia电流。IR10Ia,117,选定电流后，可以计算出电阻链分压器的总阻值R,R=Ubb/IR,各分压电阻Ri为,而R1应为,R1=1.5Ri,118,（3)供电电压,极间供电电压UDD直接影响着二次电子发射系数，或管子的增益G。因此，根据增益G的要求可以设计出极间供电电压UDD与电源电压Ubb。,由,可以计算出UDD与Ubb。,119,（4)末级并联电容,电容C1、C2与C3的计算公式为,式中N为倍增极数，Iam为阳极峰值电流，为脉冲的持续时间，UDD为极间电压，L为增益稳定度的百分数。,120,（5)供电电压的稳定度,光电倍增管的电流增益稳定度与极间电压稳定度的关系,对锑化铯倍增极,对银镁合金倍增极,由于光电倍增管的输出信号Uo=GSkvRL，因此，输出信号的稳定度与增益的稳定度有关,121,五、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,122,2、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。,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。,124,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。,125,一、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。,126,（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.,127,（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。,128,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.,129,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,131,132,133,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,134,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。,135,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。,136,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。,。,137,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