光电探测器PPT课件

，1，4光电探测器，光学光电探测器，2，光电探测器，热电探测器，光子探测器，真空光电器件，半导体光电器件，热电偶和热电，热敏电阻，热导探测器，真空光电，光电管道，膨胀光源，光敏电阻，光伏，光电二极管，光电，3，热电探测器特性：反应波长不可选，对可见光下远红外远红外远红外等各种波长的发射也同样敏感。响应缓慢，吸收辐射生成信号所需的时间一般在几毫秒以上。光电探测器特征：响应波长具有选择性，有某种截止波长0，超过该波长，设备没有响应。响应速度，一般从纳秒到数百微秒。4、光电成像设备、光电成像设备是能够输出图像信息的设备的种类，例如将不可见图像作为可视图像、将光学图像作为电视信号的设备等。5、6，光电探测器部件是利用物质的光电效应将光信号转换为电信号的设备。作为光电系统的关键组成部分，该系统具有查找信号、测量信号、提取后续应用所需信息的作用。第四讲光电探测器，7，1。描述设备的光电转换性能的响应(或灵敏度)光探测器的输出电压或输出电流(或光电度)与入射光功率(或亮度)之比。第1节，基本属性参数，1，反应参数，8，光谱响应度也是光探测器的输出电压或输出电流与进入探测器的单色辐射通量之比，光谱响应度越大，光探测器的灵敏度越高。9，集成响应也称为集成响应图，是光电探测器输出的电流或电压与入射的总光通量比率。积分灵敏度是指探测器对连续辐射通量的反应程度。10，2。响应时间入射辐射传递到光探测器后或入射辐射被阻止后，光探测器的输出下降到稳定值或照射前值所需的时间称为响应时间。上升时间和下降时间，11，3。频率响应光探测器的响应随入射辐射的调制频率变化的特性称为频率响应。12，2，噪声的因子，从反应度的定义来看，只要光的辐射存在，其功率再小也能检测到。但事实并非如此。接收功率低的话，输出只是无序的变化信号，不确定放射性是否进入探测器。这不是因为探测器不好而发生的，而是由它固有的“噪音”引起的。对于这些随时间变化的电压(流)，如果按时间平均，则平均值等于0。但是，这些值的平方根不等于0。这个平方根电压(流)称为探测器的噪声电压(流)。13，热噪声：约翰逊噪声，也称为载波不规则热运动引起的噪音。热噪声存在于任何电阻中。热噪音与温度成正比。热噪声与频率无关。热噪声也称为白噪声，因为白光是由各种波长的光组成的，所以热噪声是由各种频率分量组成的。1，设备噪音，14，散装噪声：也称为挡墙横向载波随机波动(统计波动)引起的噪声。在每个时间间隔内，通过屏障区域的载流量或从阴极到两极的电子数在平均周围上下波动。粒子噪音也是白噪音。生成-复合噪声：载流量生成率和复合率也在一定的时间间隔内在平均值上下波动，这种波动导致载流量浓度波动，产生平均平方噪声电流。不是白噪音。15，1/f噪声(闪烁噪声或低频噪声):由于感光层中存在微粒或不必要的微量杂质，因此电流流过时，粒子间微小火花放电产生的微爆炸脉冲称为1/f噪声。频率越低，此噪波越大，因此也称为低频噪波，属于“红色”噪波。16，2，噪声参数：930；信噪比(s/n):信噪比是确定噪声大小的常用参数。这是负载电阻RL产生的信号功率与噪声功率的比率。以分贝(dB)表示。17，在使用s/n评估两个光电探测器性能时，只能在信号发射功率相同的情况下进行比较。但是，对于单光探测器，s/n的大小与入射信号的发射功率和接收面积相关。入射辐射强的情况下，接收面积大的s/n大，但性能不一定好。因此，使用s/n评估设备存在一些限制。18，等效噪声输入(ENl):将在特定带宽内(1Hz)生成的设备的rms信号电流定义为与rms噪声电流值完全相同的输入通量。其他参数(如频率温度等)是必需的。此参数用于确定用输入通量的瓦特或流明表示的光电探测器部件的检测限制。噪声等效功率(NEP):或最小可检测功率Pmin。当信号功率与噪声功率之比为1(即s/n=1)时，被定义为入射到探测器的辐射通量(瓦特)。也就是说。19，探测率d: NEP无法比较两个不同来源的光探测器的优缺点。为此，引入了两个新的性能参数探测速度D和比率D*。探测速度d定义为噪波同等功率(NEP)的倒数。也就是说，d越大，光电探测器的性能越好。探测速度d提供与NEP相同的特征参数信息。但是，解释了光探测器在噪声水平上产生可观察电信号的功能，即光探测器能反应的入射光功率越少，检测率越高。20，规范化检测率D*:使用规范化检测率(检测率)D*比较在不同带宽内测量的不同感光区域的光检测器。暗电流Id:没有输入信号或背景辐射时光探测器流动的电流(添加电源时)。通常测量DC值或平均值。21，1，量子效率 ():每秒在特定波长产生的光电子数与入射光量子数之比。一般 ()反映入射辐射与初始感光面的相互作用。 ()=1(理论上)时，可以发射光的量子，发射电子，也可以形成一对电子孔。实际上， () 410 nm的可见光下很难产生光电子发射，量子效率很低。金属材料符合良好的光电发射材料条件吗？33，半导体材料满足良好的光电发射材料条件吗？光吸收系数大于金属。体内的自由电子较少，散射能量小，因此量子效率大于金属。光发射波长扩展到可见光，近红外波段。70年代后期，开发了可能的负电子亲和力(NEA)光电池，一直到1.6m。34，(1)尽可能将光电池发射的光电聚合到第一乘法器极，分布其他部分的杂散电子，以增加信噪比；(2)使光电池表面各处发射的光电在电子光学系统中尽可能具有相同的通过时间，从而确保光电倍增管的快速响应。3 .电子光学系统，35，乘数系统是由许多乘数组成的复合体，每个乘数由二次电子乘数材料组成，具有使一次电子加倍的能力。因此，倍增系统是决定整体管灵敏度的最重要的部分。4 .二次发射乘数系统，36，阳极是用金属网格制作的栅格网格，位于最近一次乘数附近，用于收集从最近一次乘数发射的电子。5 .阳极，37，1，光子通过入射窗口进入光电池k。2，光电池中的电子受到光子的启发，离开表面，以真空发射。3，通过光电电场加速和电子光学系统聚焦入射1倍极D1，倍极比入射电子发射更多的二次电子。入射电子变成n级倍时，光电放大n次。4，2倍的二次电子由阳极a收集，形成阳极光电流，在负载RL中产生信号电压。工作原理，38、ii、基本属性参数、1。光谱响应也是PMT的光谱响应曲线，主要取决于光电池材料的特性，与光电池材料相同。，39，2。放大(电流增益)在特定工作电压下，光电倍增管的正负极电流与阴极电流的比率称为管的放大m或电流增益g。3 .暗电流是限制可测量直流光通量最小值并产生噪声的重要因素，是确认管质量的重要参数。必须选择暗电流少的管道。40，4。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和阳极伏安特性曲线。在电路设计中，阳极伏安特性曲线通常用于计算负载电阻、输出电流和输出电压。41，5。频率响应PMT是光电发射元件，由于光电发射延迟时间 310-13s，PMT具有高频率响应。6 .噪声的主要原因是光电池、光电子发射的随机性和各次电子发射的随机性，也与白光或信号光的直流分量有关。42，iii，PMT的供电电路，多极的每个电极需要直流电源，从阴极开始，依次提高每个级别的电压，通常通过电阻链电压分割供电。一般而言，所有级别的电压约为80V至100V，总电压约为1kv至1.3 kv。43、使用前必须了解设备的特性。真空光电设备的共同特点是灵敏度高、惰性小、电源电压高、使用玻璃外壳、耐冲击性差。使用时不能使用强光。如果光线太强，光电池线性会恶化，容易发生光电池疲劳(轻微疲劳可以恢复一段时间，严重疲劳不能恢复)，缩短寿命。工作电流不能太大。工作电流越多，燃烧阴极面或降低二次电子发射系数，从而减少增益，光电池线性恶化，缩短寿命。负载电阻与管道的等效电容一起构成电路的时间常数，因此，如果用于交流测量，负载电阻应该不大，因为时间常数变大，频带变窄。6)使用注意事项，44，1，1，光敏电阻，第3节，半导体光电检测装置，1。结构，45，固有半导体光敏电阻，掺杂半导体光敏电阻，2 .分类，46，入射光子将电子从原材料提升为导向时，导向带的电子和原子都参与了传导，因此电阻大幅降低，电导增加。连接电源和负载电阻可以输出电信号。3 .工作原理，47，优点：灵敏度高，工作电流大(达数毫安)，光谱响应范围大，测量光范围大，无极点。缺点：响应时间长，频率特性差，强光线性差异受温度影响很大。主要用于红外弱光检测和开关控制。4 .性质，48，5。典型连接电路，49，是，分析路灯自动闪烁原理图图中所示的工作方式。用光生成螺栓效果制成的设备，用于将光能转换为电能。这是一种将光能直接转换为电能P-N结光电器件，没有偏置。按用途可分为太阳能电池和光电检测光电池。2，光电池，51，P(N)硅为基底，然后将N(P)型半导体扩散到基板上的光面。配置P-N接头，在基板和感光面上分别制作输出电极，将二氧化硅涂上保护膜(即光电池)等经过多种工艺。1 .结构，52，当PN结表面有足够的光时，光子能量在PN结附近的电子-孔对，在PN结内的电场作用下，n区中的光生成孔被拉向p区，p区中的光生成电子被拉向n区，结果n区中的电子，p区中的空孔聚集在n区和p区之间产生电位。2 .工作原理，53，光电检测光电池感光面积大，频率高，光电流随照度线性变化。太阳能电池具有辐射强、转换效率高、成本低、体积小、结构简单、重量轻、可靠性高、寿命长、空间直接将太阳能转化为电能的特点。，3 .特征，54，符号连接电路等效电路，4。符号和一般连接电路，55，3，光敏二极管，1。结构，56，共同点：PN连接，单向导电的区别：1 表面具有防反射SiO2保护层。加负偏置；与普通二极管相比，57，共同点：均采用PN结，使用光原始伏效应，SiO2保护膜；不同点：结面积比光电管小，频率特性好。光生成电位与光电池相同，但电流比光电池小。可以在零偏压下工作，更经常地在逆偏压下工作。与光电池进行比较：58，没有光的情况下，只有热效应引起的暗电流通过PN结流；照明，产生额外的光载波，使流过PN结的电流急剧增加；反向电压增加了耗尽层的宽度和接合电场，使更多的光载波(光载波)通过PN接合。2 .工作方式，59，a)没有外部电源b)反向外部电源c)2DU环极连接方式，环极连接方式：对SiO2保护膜中杂质阳离子静电检测产生的抑制。消除表面泄漏电流，减少暗电流和噪音。3 .光电二极管的一般连接电路，60，光谱响应，4。特性参数，61，照明特性，入射光功率越强，在相同的反向电压下光电流也增加。入射光功率不变时，反向电压加到电压后，光电电流几乎不随反向电压的变化而变化。62，频率响应，薄层光载波扩散时间和PN结中的漂移时间(载波通过时间)；接合电容和杂散电容(RC时间常数)；作为半导体光电设备中频率响应最好的设备之一，频率响应具有一定的缓解时间，无论光生载流子扩散到接合区域还是在接合电场中载流子的漂移，该缓解时间都会影响感光设备的频率响应。扩散二极管的主要缓解时间是光载波方向结区域扩散时间。贫化层二极管的主要缓解时间是光电子少数子在接合区漂移的时间。装置对波长不同的光也有不同的频率响应。波长越长，光从更深的地方吸收，使其远离结果少数载波PN连接，从而需要更长的扩散时间。短波长的光在曲面附近被吸收，结果产生的小数载体(载体)接近PN连接，扩散时间短。因此，贫化层优于扩散光电二极管。载波通过时间，64，由于温度特性，对反向饱和电流的温度有很强的依赖性，光敏二极管的暗电流对温度变化非常敏感。65，针管其结构特征是p型半导体和n型半导体之间夹有一层(相对)厚度的固有半导体。这样，PN接头的内部电场基本上在I层具有全集，从而扩大了PN接头双层的间距，减小了接头电容。几种特殊光敏二极管，66，这种管道的最大特征是频率带宽能达到10GHz。另一个特征是宽线性输出范围。不足之处是I层电阻大，管的输出电流小。一般从0.0几微到数微内。将翅片管和前运算放大器集成到同一个硅片中，封装在一个壳体内的商品正在销售。67，雪崩光电二极管雪崩光电二极管是利用PN接头在高反向电压下产生的雪崩效应工作的二极管。68，特征：工作电压很高，约为100V至200V，接近反向击穿电压。有数百个内部利益。响应速度特别快，带宽高达100GHz，是当前响应速度最快的照片二极管。缺点：噪音大。69，4，光敏晶体管，结构，符号，70，工作原理，71，特征：光电晶体管的灵敏度高于光电二极管，输出电流也大于光电二极管，差异为毫安。缺点：光电特性不如光电二极管好，在强光下，光电流与照度不线性。因此，光敏晶体管(photometric tube)常用作光电开关元件或光电逻辑元件。，72，5，阵列或象限耦合光