光辐射探测器

1、光辐射探测器第1页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一引言一. 概念光辐射探测技术：把被调制的光信号转换成电信号并将信息提取出来的技术光探测过程可以形象地称为光频解调。光电探测器：对各种光辐射进行接收和探测的器件第2页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一光电探测器光辐射量电量热 探 测 器光子探测器光电倍增管第3页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一二. 历史:1873年: Smith, May: 发现光电效应 Simens: 光电池1909年：Richtmeyer: 奠定光电管的基础1933年：Zworkyn: 发明光电摄像管1950年：

2、Weimer: 制出光导摄像管1970年： Boyle: 发明CCD第4页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一探测器件热电探测元件光子探测元件气体光电探测元件三、分类外光电效应内光电效应非放大型放 大 型光电导探测器光磁电探测器光生伏特探测器真空光电管充气光电管光电倍增管像增强器摄像管变像管本征型光敏电阻掺杂型红外探测器非放大放大型光电池光电二极管光电三极管光电场效应管雪崩型光电二极管第5页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一3.1 光辐射探测器的 理论基础光辐射探测器的物理效应主要是光热效应和光电效应。3.1.1 光热效应当光照射到理想的黑色吸收体上时，黑

3、体将对所有波长的光能量全部吸收，并转换为热能，称为光热效应 。第6页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一热能增大，导致吸收体的物理、机械性能变化，如：温度、体积、电阻、热电动势等，通过测量这些变化可确定光能量或光功率的大小，这类器件统称为光热探测器。光热探测器对光辐射的响应有两个过程： 器件吸收光能量使自身温度发生变化 把温度变化转换为相应的电信号 共性个性光热探测器的最大特点是：1、从紫外到40m以上宽波段范围，其响应灵敏度与光波波长无关，原则上是对光波长无选择性探测器。2、受热时间常数的制约，响应速度较慢 。第7页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一 应

4、用： 在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛用于对红外线辐射的探测。第8页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一探测器遵从的热平衡方程： 设入射光的表达式为：代入热平衡方程，得到： 解得：器件的平均温升 第9页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一器件随频率的交变温升 式中，是器件的热时间常数。表明器件温升滞后于辐射功率的变化。 因此，光热探测器常用于低频调制辐照场合。设计时应尽力降低器件的热时间常数，主要是减少器件的热容量。第10页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一3.1.2 光电效应光电效应是物质在光的作用下释放出电子的

5、物理现象。 分为: 光电导效应 光伏效应 光电发射效应 3.1.2.1 半导体中的载流子载流子:能参与导电的自由电子和自由空穴。载流子浓度:单位体积内的载流子数。 第11页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一I:N:P:室温下 （施主浓度）全电离时（受主浓度）一、热平衡状态下的载流子浓度由（1.26）式，可得出：第12页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一上式表明：禁带愈小，温度升高， np就愈大，导电性愈好。在本征半导体中， 平衡态判据 则有可得出，少子浓度：第13页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一二、非平衡状态下的载流子 半导体受光

6、照、外电场作用，载流子浓度就要发生变化，这时半导体处于非平衡态。 载流子浓度对于热平衡时浓度的增量，称为非平衡载流子。 半导体材料吸收光子能量而转换成电能是光电器件工作的基础。1.半导体对光的吸收本征吸收 或第14页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一为长波限。 杂质吸收 电离能 半导体对光的吸收主要是本征吸收 第15页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一2.光生载流子半导体受光照射而产生的非平衡载流子。约为1010cm-3 ; 多子浓度约为 少子浓度约为 而热平衡时，可见，一切半导体光电器件对光的响应都是少子的行为。载流子的复合：电子-空穴对消失。只要有自

7、由的电子和空穴，复合过程就存在。 直接复合间接复合 第16页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一光生载流子的寿命 光生载流子的平均生存时间复合率：单位时间内载流子浓度减少量：三、载流子的扩散与漂移1.扩散载流子因浓度不均匀而发生的定向运动。 第17页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一2.漂移载流子受电场作用所发生的运动。 欧姆定律的微分形式 对于电子电流 同理，对于空穴电流有漂移电流密度矢量 第18页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一3.1.2.2 光电导效应半导体材料受光照,吸收光子引起载流子浓度增大，从而材料的电导率增大。、稳态光电

8、导与光电流暗态下 亮态下 第19页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一光电导 光电流 第20页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一定义光电导增益 电子在两极间的渡越时间 第21页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一如果定义 则有以上分析，对光敏电阻的设计和选用很有指导意义。 二、响应时间光电导张驰过程 非平衡载流子的产生与复合都不是立即完成的，需要一定的时间。第22页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一半导体材料受阶跃光照： 受光时t=0时，停光时t=0时,（光照下的稳态值）光电导张驰过程的时间常数就是载流子的寿命第23页

9、，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一2.半导体材料受正弦型光照（即正弦调制光）:可得出当 上限截止频率带宽第24页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一光电导增益与带宽之积为一常数： 这一结论有一定的普遍性： 它表示材料的光电灵敏度与频率带宽是相互制约的。3.1.2.3 光伏效应光照射到半导体PN结上，光子在结区激发出电子-空穴对。 P区、N区两端产生电位差光电动势 第25页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一一、热平衡状态下的PN结由第一章已知，在热平衡状态下，由于自建场的作用，PN结能带发生弯曲。由式（3.7）、（3.8）可得出第26页，

10、共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一 在室温下， 得出在一定温度下，PN结两边的掺杂浓度愈高，材料的禁带愈宽，UD愈大。第27页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一以上两式表明：PN结两边少数载流子与多数载流子之间的关系。热平衡状态下，PN结中漂移运动等于扩散运动，净电流为零。当在PN结两端外加电压U，使势垒高度由qUD变为q(UDU)，引起多数载流子扩散时，少数载流子产生增量np、pn，有关系式：第28页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一扩散电流密度 第29页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一则流过PN结的电流密度为第

11、30页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一PN结电流方程为PN结导电特性： 正向偏置，电流随着电压的增加急剧上升。 反向偏置，电流为反向饱和电流。热平衡状态 ，I=0二、光照下的PN结产生电子-空穴对。 第31页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一在自建电场作用下， 光电流I的方向与I0相同。光照下PN结的电流方程为短路(RL0)情况,U=0 短路电流为光照下PN结的两个重要参量: 开路(RL)情况,I=0开路电压为第32页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一3.1.2.4 光电发射效应光照到某些金属或半导体材料上，若入射的光子能量足够大，

12、致使电子从材料中逸出，称为光电发射效应，又称外光电效应。 爱因斯坦定律 当hW，对应的光波长为阈值波长或长波限。 第33页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一金属材料的电子逸出功 W 从费米能级至真空能级的能量差。 半导体材料的电子逸出功 良好的光电发射体，应该具备的基本条件： 光吸收系数大；光电子逸出深度大 ；表面势垒低 。第34页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一金属光电发射的量子效率都很低,且大多数金属的光谱响应都在紫外或远紫外区。半导体光电发射的量子效率远高于金属：光电发射的过程是体积效应，表面能带弯曲降低了电子逸出功，特别是负电子亲和势材料(NE

13、A)。 第35页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一P型Si的光电子需克服的有效亲和势为由于能级弯曲，使这样就形成了负电子亲和势。正电子亲和势材料的阈值波长 负电子亲和势材料的阈值波长 从而光谱响应可扩展到可见、红外区。 第36页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一3.1.3 光探测器的噪声光探测器在光照下输出的电流或电压信号是在平均值上下随机起伏，即含有噪声。 用均方噪声表示噪声值的大小。 噪声的功率谱表示噪声功率随频率的变化关系。 光探测器中固有噪声主要有：热噪声、散粒噪声、产生-复合噪声、1/f噪声、温度噪声。第37页，共68页，2022年，5月20日

14、，5点14分，星期一、热噪声热噪声存在于任何导体与半导体中，是由于载流子的热运动而引起的随机起伏。 热噪声属于白噪声，降低温度和通带，可减少噪声功率。 二、散粒噪声在光子发射、电子发射、电子流中存在的随机起伏 。散粒噪声也属于白噪声。第38页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一三、产生-复合噪声在半导体器件中，载流子不断地产生-复合，使得载流子浓度存在随机起伏。四、1/f噪声是一种低频噪声，几乎所有探测器中都存在。 多数器件的1/f噪声在200300Hz以上已衰减为很低水平。第39页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一五、温度噪声在光热探测器中，由于器件本身

15、吸收和传导等热交换引起的温度起伏。低频时 也具有白噪声性质。光电探测器噪声功率谱综合示意图第40页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一3.1.4 光探测器的性能参数一、光电特性和光照特性光电流I,大小为微安级或毫安级。 光电特性 光照特性 线性度很重要。 二、光谱特性第41页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一光谱特性决定于光电器件的材料。 光谱特性对选择光电器件和光源有重要意义，应尽量使二者的光谱特性匹配。光电器件的灵敏度（响应率）光谱灵敏度积分灵敏度 积分灵敏度不但与探测器有关，而且与采用的光源有关。 第42页，共68页，2022年，5月20日，5点14

16、分，星期一三、等效噪声功率和探测率等效噪声功率 探测器的最小可探测功率 （噪声功率水平） 等效噪声功率越小，说明探测器本身的噪声水平低，探测器的性能越好。 用探测率D作为探测器探测能力的指标: 第43页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一探测率D表明探测器探测单位入射辐射功率时的信噪比，其值越大越好。归一化等效噪声功率为归一化探测率为在给出时，常要标记出它们的测量条件 如D*(500K,800,50)。 第44页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一四、响应时间与频率特性如同光电导驰豫，光探测器对信号光的响应表现出惰性。对于矩形光脉冲信号，其响应出现上升沿和下

17、降沿，响应时间。对于正弦型调制光，响应率随频率升高而降低 。响应时间越小，频率特性越好。第45页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一3.2 光热探测器3.2.1 热敏电阻 由Mn、Ni、Co、Cu氧化物或Ge、Si、InSb等半导体做成的电阻器，其阻值随温度而变化，称为热敏电阻。 当它们吸收了光辐射，温度发生变化，从而引起电阻的阻值相应改变，将引起回路电流或电压的变化，这样就可以探测入射光通量。第46页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一正温度系数 负温度系数3.2.2 热释电探测器热释电探测器探测率高，是光热探测器中性能最好的。一、工作原理基于热电晶体的热

18、释电效应。 热电晶体是压电晶体中的一种，它具有自发极化的特性。存在宏观的电偶极矩，面束缚电荷密度等于自发极化矢量Ps。 第47页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一 当用斩波器调制入射光，使矩形光脉冲（周期小于Q的平均寿命）作用到热电晶体表面的黑吸收层上，交变的T使得晶体表面始终存在正比于入射光强的极化电荷。这种现象称为热释电效应。 热释电探测器只能探测调制和脉冲辐射。 热释电器件的基本结构:是一个以热电晶体为电介质的平板电容器，Ps 的方向垂直于电容器的极板平面。 为热释电系数 第48页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一二、基本电路如果把辐射通量为的光照

19、射到热释电器件光敏面上，则其温升为 由它引起热释电电量变化第49页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一从而产生的电流为输出电压为电压响应率为第50页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一，也等于零，即不能响应恒定辐射 。高频时，响应很差。热释电探测器 适于接收低频调制光，约20HZ左右。三、热释电器件的主要材料常用的热电晶体材料有：硫酸三甘肽（TGS）钽酸锂（LiTaO3）等。还有一些陶瓷材料如钛锆酸铅（PZT）等。 不论哪种材料，都有一个特定温度，称居里温度。只有低于居里温度，材料才有自发极化性质。 第51页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星

20、期一应使器件工作于离居里温度稍远一点，热释电系数变化较平稳的区段。热释电敏感元件都作成薄片,以降低热容量。薄片的两个面分别有正负电极，受光面有黑化吸收层。 为提高响应率：第52页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一3.3 光电探测器3.3.1 光电导器件典型的光电导器件是光敏电阻。 第53页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一、光敏电阻材料与电阻结构 现在使用的光电导材料有-、-族化合物、硅、锗等，以及一些有机物。目前大都使用N型半导体光敏电阻。本征半导体： 掺杂半导体： 掺杂半导体光敏电阻的长波限大于本征半导体光敏电阻，因而它对红外波段较为敏感。第54页，

21、共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一光敏面作成蛇形， 电极作成梳状， 有利于提高灵敏度。 二、光敏电阻的主要特性1.光电特性约为1； 在0.51之间 电阻结构第55页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一在弱光照下，如L100lx时，GPL则为非线性关系。 为方便表达，仍可用关系式：但Sg不是常数：流过光敏电阻的亮电流第56页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一2.光谱特性1硫化镉单晶2硫化镉多晶3硒化镉单晶4硫化镉与硒化镉 混合多晶 对红外光灵敏的 光敏电阻 对可见光灵敏的光敏电阻 第57页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期

22、一3.频率特性光敏电阻在一定的光照下阻值稳定。 它因高度的稳定性 而广泛地应用在 自动化技术中。光敏电阻的频率特性差，不适于接收高频光信号。4.伏安特性1硒； 2硫化镉3硫化铊；4硫化铅第58页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一5.温度特性光敏电阻的特性参数受温度的影响较大，而且这种变化没有规律。在要求高的装置中，必须采用冷却装置。 第59页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一6.前历效应暗态前历效应 亮态前历效应 第60页，共68页，2022年，5月20日，5点14分，星期一7.噪声在红外探测中，采用光调制技术，8001000HZ时可以消除1/f噪声和产生-复合噪声。 光敏电阻优点： 光谱响