光电探测重点

1、1.光电效应：光子直接与电子作用（吸收、能量传递），引起电子运动状态改变，从而改变固体电学性质 不是直接作用：热电效应分类（看是否发射电子）：内光电效应（光电导效应、光伏效应、光子牵引效应、光磁电效应） 外光电效应（光电发射效应）简答题2.光电导效应：针对的材料只是半导体。半导体的导电性能与其中的自由载流子浓度有关，某一温度下存在自由载流子（热平衡载流子），受到光照，材料吸收光辐射而产生新的载流子（光生载流子），使半导体的电导率发生变化的现象。（书125面补充）3. 本征半导体：由此知本征光电导效应截止波长为非本征半导体： Ei是杂质能级，一般Ei远小于Eg，因此其截止波长远大于本征半导体3.

2、光伏效应：PN结的介绍：N区多数载流子电子，少数载流子空穴P区多数载流子空穴，少数载流子电子。耗尽层与内建电场的形成，动态平衡光照PN结：P区N区结区本征激发产生电子空穴对，破坏原有的平衡，产生的少数载流子在内建电场的作用下扩散，P区电子-N区-N区获得附加负电荷N区空穴-P区-P区获得附加正电荷，结果P区电势上升，N区电势下降，导致PN结两端形成了光生电动势，此即为光伏效应。因此，光生电流的方向与内建电场的方向即漂移电流的方向相同，与扩散电流的方向相反。由N区指向P区。光生电动势V，使势垒由eVD降为 eV0，形成正向注入电流。4.热敏效应5,热释电效应：光照-温度升高-晶体特定方向上自发极

3、化随温度变化-表面电荷变化简答题 某些晶体受光照射时温度升高，从而在晶体特定的方向上，由于自发极化引起的表面电荷变化叫热释电效应。5. 光电探测器的特性参量：1)响应率R：光电探测器将入射光信号转换成电信号的能力电压响应率：电流响应率2) 量子效率：每秒产生的光电子数/每秒入射波长为的光子P入射光功率Ip探测器输出的平均光电流 实际器件 ，理想器件才有 ， 越大探测器越好3）噪声等效功率（NEP）噪声的存在 导致 能探测到的最小入射光功率受到限制（最小可探测功率）NEP：信号功率/噪声功率为1时，入射到探测器上的信号功率，通常把信噪比等于1作为能探测到光信号的起码条件，实际上信噪比等于1时信号

4、很难直接测量到I：入射光强 Ad：探测器的光敏面积P：入射到探测器上的光功率 Vs：探测器输出的均方根信号电压 Vn：探测器输出的均方根噪声电压必须指明测量条件：例如NEP(500，400，1) 500为测量标准源为黑体，温度为500K400为调制频率为400HZ 1为测量带宽为1HZ4）探测率D，比探测率D*D：探测器探测最小光信号能力的指标，可以比较不同类型探测器性能的优劣D越大，NEP越小，探测器性能越好D与Ad（光敏面积），f（测量带宽）有关 Vn（噪声电压）与Ad-1/2，f-1/2成正比，因此引入D*（比探测率），即为归一化的探测率（归一化到测量带宽为1HZ，探测器面积为1cm2）

5、5）光谱响应：不同波长的光入射，探测器的响应率R比探测率D*随光辐射波长变化而变化峰值响应率 峰值比探测率光电效应探测器的光谱响应曲线为有峰值的曲线光热效应探测器的光谱响应曲线为与横轴平行的直线光电效应探测器的理想光谱响应曲线：曲线开始线性上升的原因：波长越长，每瓦功率的光子数越多，探测器对光子的吸收速率越快，曲线突然下降的原因：存在红限波长6）响应速度（响应时间）描述探测器对入射辐射响应快慢的特性参量通常用响应时间来描述：时间常数频率响应 ：入射波长不变，由于响应时间的存在，探测器的响应随入射辐射的调制频率而变化 ：探测器的上限调制频率7）其他特性参量：响应率比探测率探测器噪声随探测器温度的

6、变化噪声电压Vn随调制频率的变化 探测器的阻抗及其随温度的变化 探测器的最佳偏置条件1.5 光电探测器噪声A）热噪声：电子的热运动所引起的，通过截面的电子数存在均方偏差，即有电子涨落，因此导致了热噪声；热噪声功率：热噪声电流： 也可以用均方根值来表示，即把两端分别开方热噪声属于白噪声 减少热噪声的手段：1）降温2）尽量缩短工作频带B）散粒噪声：（白噪声）探测器在光辐射作用或者热激发下，光电子或载流子随机产生所造成的C）产生-复合噪声：（与散粒噪声本质是相同的）半导体中由于载流子产生-复合的随机性引起D）温度噪声：温度起伏引起的热探测器输出起伏E）电流噪声（1/f噪声）又叫低频噪声闪烁噪声过剩噪

7、声2.1 光电子发射探测器：利用外光电效应，主要用于可见光，紫外光辐射探测代表器件：光电倍增管1. 半导体的光电子发射金属光电子发射效应的特点： 1）逸出功 E0：真空能级 Ef：费米能级2） 表面反射强，对光辐射的吸收率低3） 内部存在大量自由电子，使光激发的电子因损失能量而不能逸出半导体光电子发射效应的优点：1)对入射光有较小反射系数2）阴极层导电性适中，光电子向表面运动损失能量比金属小3）半导体内存在大量的发射中心4）有较小的逸出功，在光谱响应区内具有较高的量子数半导体光电发射的三个步骤：1）光子的吸收2）光电子向表面运动，损耗部分能量3）光电子克服表面势垒逸出2. 光电阴极光电阴极应具

8、备的三个条件：1）光吸收系数大2）光电子在体内传输过程中能量损耗小（使逸出深度大）3）电子亲和势低（使表面逸出概率高）2.1 常规光电阴极（PEA）电子亲和势是正的代表材料：Ag-O-Cs合金 单碱锑化物：锑铯阴极（CsSb）多碱锑化物：Sb-Na-K-Cs2.2 负电子亲和势阴极（NEA）Ea是负值代表材料：-族元素化合物-族元素化合物如：GaAs（Cs）InGaAs（Cs）材料产生负电子亲和势的原因：半导体表面能带的弯曲；P型半导体体内电子亲和势的减小NEA的特点： 1）量子效率高，有效逸出深度大 2）光谱响应率均匀，且光谱响应延伸到红外 3）热电子发射小 4）光电子的能量集中，对提高光电

9、成像器件的空间分辨力和时间分辨力都有很大意义 缺点： 工艺复杂，成本高，不能做成大面积，耐久性差 光电阴极分透射型与反射型2.3 光电倍增管（PMT）1）工作原理：二次电子发射2）结构介绍光窗：分侧面窗与端面窗。侧窗型PMT：大部分使用不透明光阴极，较低工作电压具有 较高灵敏度，端窗型PMT：价格相对贵，采用半透明阴极光电阴极：光电转换电子光学系统：使电子收集率尽可能高 使渡越时间零散最小倍增系统：二次电子发射系数具有一定能量的电子入射到倍增极后，会激发二次电子，产生的二次电子N2大于入射电子数N1，这种现象叫二次电子发射。倍增极结构：（聚焦型、非聚焦型）1）百叶窗式 4）圆形鼠笼式2）盒网式

10、： 5）细网式3）直列聚焦式：6）微通道板型 7）混合型阳极：作用：收集电子 位置：倒数第二倍增极与倒数第一倍增极之间 结构：栅网状结构3） PMT的主要参量及特性：1. 阴极灵敏度（Sk）（积分灵敏度）单色灵敏度：入射光是单色光2. 阳极灵敏度SA: 8. 其他特性参量：稳定性、滞后效应、时间特性、磁场特性等4. 接地方式 阳极接地：优势：便于跟后面的放大器连接 缺陷：阴极处于负高压，与接地的玻壳支架存 在较高的电势差，增加噪声阴极接地：优势：屏蔽效果好，噪声电平低 缺陷：阳极正高压导致寄生电容增大，匹配复杂，与放大器无法直接连接5） 微通道型PMT电子渡越时间很短，能响应更高的频率，微通道

11、二次发射机理，MCP的工形或人形原理：通道中残存离子的原因3 光电导探测器：应用：可见光近红外波段主要用于射线探测和测量，工业自动控制等 红外波段主要用于导弹制导红外热成像红外遥感等光电材料的发展交流等效电路：通常等效为一个有源二端网络 Ip：光电流Rd：探测器等效电阻（亮电阻）Cd：探测器等效电容Ri：放大器等效输入电阻Ci：放大器等效输入电容直流等效电路：RL：输入回路的等效负载电阻（探测器后续信号处理电路或前置放大器的等效输入电阻） 1）短路电流Isc： RL远小于Rd时，相当于外回路短路，此时 2）开路电压Voc： RL远大于Rd时，相当于外回路开路，此时3)负载匹配时探测器输出电压的

12、计算： 匹配工作状态 RL=Rd此时探测器输出的电功率最大，光电变换效率最高但入射光功率变化会导致光电导Rd变化，使得保持匹配的工作状态很困难3 伏安特性：探测器两端电压与其亮电流之间的关系2 光谱特性 光谱响应曲线：波长与响应率（灵敏度）之间的关系 长波段Ri下降：光子能量不足，且存在截止频率 短波段下Ri降：光子能量太大，多数在表面被吸收，且表面载流子复合率高，寿命短，因此响应率降低3 探测率D：光电导探测器的主要噪声：热噪声产生-复合噪声 1/f噪声工作频率不同，噪声的主要来源也不相同 工作频率1MHz时，主要是热噪声 工作频率在1K1MHz范围时，主要为产生-复合噪声4 温度特性：T上

13、升，热噪声随之上升，光生载流子寿命下降，器件灵敏度下降 光谱响应峰值向短波移动 因此大多数器件保证高灵敏度都需要制冷5 光电导探测器的特点： 1）不管哪部分受光，其电导率就增大 2）无极性，工作时可任意外加电压3） 主要依赖多数载流子的产生-复合运动，时间常数大，频率响应较差【光伏探测器】：利用半导体PN结光伏效应制成的器件称为光伏器件，也称结型光电器件。 应用：光开关图像识别自动控制光测量等等 包括的器件： 光电池光电二极管光电三极管光电场效应管PIN管雪崩光电二 极管光可控硅阵列式光电器件象限式光电器件位置敏感探测器（PSD） 光电 耦合器件等光伏探测器的工作 一个PN结光伏探测器就等效为

14、一个普通二极管和一个恒流源(光电流源)的并联光电池特性1）伏安特性曲线（对应第四象限） 横轴表示RL趋于无穷大，对应开路，截距为开路电压Voc 纵轴表示RL等于零，对应短路，截距为短路电流Isc2）光谱特性 2CR型，光谱响应范围0.41.1m ，峰值波长0.8 0.9m 蓝光硅电池，结深比较浅，减少了短波透过材料的吸收损耗，峰值波长在0.6 m附近，更吻合可见光区GaAs，光谱响应在紫外可见光区，适用于光度学仪器 Ge，长波响应比较宽，适用于近红外探测器3）频率特性 一般响应频率不高原因：根据光电池一般光敏面大，导致Cd大，电路时间常数大 当光电池内阻不可忽略时（光照功率小，内阻增大），此时

15、频率特性也变差RL增大，响应时间也增大，虽然输出电压较大4） 温度特性 开路电压Uoc短路电流Isc随温度的变化情况 Uoc具有负温度系数，约23mv/ Isc具有正温度系数，约10-510-3mA/【光电二极管】光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。它和光电池相比，重要的不同点是结面积小，因此它的频率特性特别好，衬底掺杂浓度相对低。光生电势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为数微安到数十微安。按材料分，光电二极管有硅、砷化稼、锑化锢、铈化铅光电二极管等许多种。按结构分，也有同质结与异质结之分。其中最典型的还是同质结硅光电二极管1）硅光电二极管2CU系列以N-Si为衬底，

16、 2DU系列以P-Si为衬底2CU系列光电二极管只有两个引出线，而2DU系列光电二极管有三条引出线，除了前极、后极外，还设了一个环极。2DU管加环极的目的是为了减少暗电流和噪声。曲线分析：a）低偏压时，光电流随光电压变化非常敏感 反偏压增大，耗尽层加宽，结电场增强，结区光的吸收率增加，光生载流子收集率增加 b）反偏压进一步增加时，光电流趋于饱和，光生载流子收集已达极限 PIN光电二极管（2DUL）：快速光电二极管 结构特点：在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。增加了电极间距， PN结的内电场基本上全集中于I层中，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小。1）I层很厚，

17、在反偏压下运用可承受较高的反向电压，线性输出范围宽。2）增加反向偏压会使耗尽层宽度增加，从而结电容要进一步减小，使频带宽度变宽。3）反向偏压主要集中在I区，I区内形成高电场区，载流子渡越时间非常短，响应速度得以提升 4）引入I层加大了光电转换的有效工作区域，灵敏度得以提升5）增加了对长波的吸收，提高了长波灵敏度不足：I层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅片上并封装于一个管壳内 ，此组件的优点为噪声小，供电电压低，工作稳定简答题：雪崩光电二极管APD：当光电二极管P-N结加相当大的反向电压时，在耗尽层将产生一个很高的电场，区内电场极强，

18、光生电子在这种强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞产生新的电子-空穴对，并反向运动又可发生碰撞，如此反复，形成雪崩式的载流子倍增。因此，有很高的内增益，噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。APD应用的特点： 1）具有内增益，降低了对前置放大器的要求 2）工作电压比较高，影响了使用范围 3）APD性能与光功率有关 入射光功率低时（1纳瓦几微瓦），倍增电流与入射光有较好的线性 入射光功率过大时，倍增系数反而会降低广泛用于光纤通信，弱信号检测，激光测距等光电三极管3DU的工作原理：正常运用时，集电极加正电压。因此，集电结为反偏置，发射结为正偏置，集电结为光电结。当光照到集电结上时，集电结即产生光

19、电流Ip向基区注入，同时在集电极电路即产生了一个被放大的电流Ic（1）Ip，为电流增益系数。因此，光电晶体管的电流放大作用与普通晶体管在上偏流电路中接一个光电二极管的作用是完全相同的。 可看作由光电二极管与普通晶体管的组合件。【光电位置传感器（PSD）Position Sensitive Detectors 】 具有PIN结构，P层既是光敏面，还是一个均匀的电阻层PSD是利用离子注入技术制成的一种可确定光的能量中心位置的结型光电器件，有一维的和二维的两种。当入射光是一个小光斑，照射到光敏面时，其输出则与光的能量中心位置有关。这种器件和象限光电器件比较，其特点是：它对光斑的形状无严格要求，光敏面

20、上无象限分隔线，对光斑位置可连续测量。PSD的特点及用途 1 对光斑的形状无严格要求，只与光的能量中心有关 2 光敏面无死区，可连续测量光斑位置，分辨率高 3 可同时检测光斑位置与光强 应用：激光束的监控（对准位移振动）平面度检测一维长度检测二维位置检测系统等【光电开关与光电耦合器】：光电开关和光电耦合器都是由发光端和受光端组成的组合件。光电开关不封闭，发光端与受光端之间可以插入调制板。光电耦合器则是把发光元件与受光元件都封闭在一个不透光的管壳内。发光端与受光端彼此独立，完全没有电的联系，两端之间的电阻一般都在1011以上。重点：光电开关多用于光电计数、报警、安全保护、无接触开关，及各种光电控

21、制等方面。光电耦合器多用于电位隔离、电平匹配、抗干扰电路、逻辑电路、模/数转换、长线传输、过流保护，及高压控制等方面【热电探测器】 1.红外辐射（IR） 波长范围0.761000m 近红外区0.7 3m 中红外区3 6m 远红外区6 15m 极远红外区15m 红外辐射的本质是热辐射基本原理 探测器元件吸收入射的红外辐射能量引起温升，在此基础上借助各种物理效应把温升转变成电量 特性： 1）响应率与波长无关，属于无选择性探测器 2）时间常数较大，响应速度慢 3）比光子探测器峰值探测率低4）可在室温下工作，在很宽的光谱波段有平坦的响应热回路方程 热电探测器吸收的热能等于单位时间内系统内能的增量和外界

22、热交换时所损耗的功率之和 ：探测器的吸收系数H：探测器热容G：热导 T：入射辐射引起的温升【热电偶热电堆】温差电效应 电动势大小取决于导体材料的性质 电动势方向取决于两接点处的温度半导体热电偶的电压产生机理(多数载流子的温度扩散)光电开关多用于光电计数、报警、安全保护、无接触开关，及各种光电控制等方面。光电耦合器多用于电位隔离、电平匹配、抗干扰电路、逻辑电路、模/数转换、长线传输、过流保护，及高压控制等方面【测辐射热计】热敏效应 温升引起材料电阻变化的机理：简答题：半导体测辐射热计定性解释，吸收辐射后材料中电子的动能与晶格振动能都增加，因此部分电子能够从价带跃迁到导带成为自由电子，从而使电阻减

23、小温度系数为负。对于金属材料，因其内部有大量自由电子，无禁带，吸收辐射产生升温后，自由电子浓度增加微不足道，反而晶格振动加剧，妨碍自由电子运动，因此温度系数为正。【热释电探测器】：热释电晶体吸收了变频率为w的入辐射后，其温度和自发极化强度也随频率w变化，从而导致晶体表面电荷密度变化。热释电探测器的结构包括：敏感材料场效应管高阻电阻滤波片等 。探测器是一种几乎纯电容器件，阻抗很高，阻抗匹配要求负载阻抗很高，因此通常采用真空密封器件，结型场效应晶体管输入阻抗高，噪声小，因此作为前置放大器。热释电信息转换器件用途广泛，主要用于防盗报警和安全报警装置（防止人们误入危险区）、自动门、自动照明装置、火灾报

24、警等一些自动控制系统中。 另一类热电探测器是碲镉汞（CMT）器件，这也是一种热成象器件，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。【光频外差探测的基本原理】 利用两束光波在探测器光敏面上的相干效应，测量混频波中的差频分量fIF=（fs-fL），由于本机振荡光波的频率fL是已知的，因此fs也就能求出。而fs是经过被测量量调制的光波，这样调制信号就计算出来了。 如果入射的两束相干光的电场分别为：由平方律，输出光电流为零拍探测：保证本征光束频率和相位的稳定是非常重要的当 时实现光频外差

25、探测的基本特性1、高的转换效率 2、良好的滤波性能 3、良好的空间和偏振鉴别能力 4、小的信噪比损失 5、高质量的本征光能起到降低探测器内部噪声的作用。【成像器件】光电成像器件的类型1、 扫描型真空电子束扫描型光电型：光电导式和光电发射式 热电型：热释电摄像管固体自扫描型：电荷耦合摄像器件扫描型光电成像器件又称为摄像器件。这种器件通过电子束扫描或自扫描方式将被设景物将光学系统成像在器件光敏面上的二维图像转变为一维时序电信号输出出来。这种运载图像信息的一维时序信号称为视频信号【真空摄像管】三个基本功能（过程）：光电变换光电信号存储扫描输出结构：光电导靶电子枪信号输出1. 硫化锑视像管（Sb2S3

26、）2.硅靶视像管3.氧化铅视像管光电发射型摄像管:与光电导摄像管相比,多了一个移像区，光电变换光信息存储分开由两部分（光电阴极靶材）完成【CCD固体摄像器件】特点：体积小、重量轻、灵敏度高、寿命长、功耗低、动态范围大。主要应用领域：摄像、信号处理、存储、方位测量、遥感遥测、图像制导、图像识别、传真、扫描仪、自动精密测量（高分辨率、高可靠性、高准确度）P沟道型CCD原理：金属-氧化物-半导体结构（MOS)在外加电场作用下，半导体中空穴被推离界面，形成表面势井；光照产生的电子填充势井，使势井变浅。势井变化率与光生载流子成正比。势井中的电子在交替变化的电位作用下耦合到下一个势井中，顺序移出。CCD分

27、类:表面N型沟道CCD表面P型沟道CCD（SCCD）体沟道（埋沟道）CCD（BCCD）信号的注入和输出：注入： 光注入-光照产生光生电子空穴对 电注入-一个输入二极管和一个或N个输入栅极构成输出：浮置扩散放大器输出 浮置栅极放大器输出电荷包转移不完全的原因：表面态对电子的俘获，时钟频率过高减少损耗，采用偏置电荷技术（“胖零”技术）注入一定数量的背景电荷使界面态经常处于被填满的状态，从而减少界面态对信号电荷的俘获作用 BCCD避免表面态俘获3）光谱特性 受光方式：正面受光：由于电极多次反射散射，响应率降低，其干涉效应使光谱响应曲线出现起伏，峰值的锐利度下降 背面受光：光谱响应曲线与光电二极管类似

28、4） 光电特性：CCD最小照度受噪声限制，最大照度受电荷处理容量的限制。低照度下，输出与照度有良好的线性关系，照度增大，输出逐渐趋于饱和5）暗电流和噪声： 1 散粒噪声 光注入电注入热产生的信号电荷包电子数总有起伏 2 转移噪声 由转移损失及界面态俘获所引起，具有两个特点： a）积累性：噪声在转移过程中逐次积累起来 b）相关性：相邻电荷包的转移噪声是相关的 3 热噪声 信号电荷注入输出时引起的噪声，相当于电阻热噪声和电容的总宽带噪声之和6） 分辨率和调制传递函数: 分辨率：电视线表示方式TVL/H，用1/像元间距表示 MTF：分为三个部分：器件结构（像元宽度 间距）所决定的几何MTF1 载流子

29、横向扩散衰减决定的MTFD 转移效率决定的MTFT 总MTF是三者的乘积CMOS固体成像器件1）CCD的不足之处 a 驱动电路与信号电路难与成像单元集成，系统为多芯片系统 b 为获得信号完整性，需要像元间近似完美的转移 c 时钟脉冲复杂，需要相对高的工作电压，不能与VLSI技术兼容 d 图像信息不能随机读取2）CMOS与CCD的优缺点对比早期CMOS：采用被动像元（PPS），成像质量差，像敏单元尺寸小，填充率低，响应速度慢.现期CMOS：1989年后，采用主动像元（APS），提高了光电灵敏度，减小了噪声，扩大了动态范围。一些性能与CCD相接近。功能功耗尺寸价格方面优于CCD结构上的区别：最大区

30、别- -ADC的位置和数量不同CCD：曝光之后，进行像素转移处理，像素中的电荷信号依序传入“缓冲器”中，由底端线路引导输出至CCD旁的放大器进行放大，再串联ADC输出CMOS：每个像素旁就直接连接着ADC（放大兼类比数字信号转换器），讯号直接放大并转换成数字信号性能上的主要差异: 1）ISO感光度差异2）成本差异 3）解析度差异4）噪点差异5） 耗电量差异CMOS成像器件的结构原理1 CMOS成像器件的组成：主要组成部分：像敏单元阵列 MOS场效应管集成电路器件原理结构： 与CMOS基本结构大致相同，只是在移位寄存器与像敏单元阵列之间，添加了 Y复位移位寄存器：（对各像敏单元进行复位，清除帧与帧之间信号影响，还可用于曝光控制） 复位读出的行地址指示器（地址指针）：准确控制行的位置，避免出现错位空行光敏阵列上部附贴RGB色滤光片，成为彩色CMOS图像传感器CMOS摄像机的应用1.可视手机：利用CMOS功耗小，小型化特点 2.视频通信：对图像质量要求不高的场合3.监控领域：利用其小型化特点 4.数码相机 5.互动游戏 6.汽车安全系统7.生物特征识别 8.医学领域图像