光辐射的探测技术解析.pdf

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1、 光辐射的探测技术 教学目的 1、掌握光电探测器的物理效应，各种光电探测器的工作原理，光电探测器的噪声产生的原因和抑制方法。2、了解光电探测器的性能参数、光敏电阻、硅光电池、光电二极管的结构和工作原理。教学重点与难点 重点：光电探测器的物理效应，各种光电探测器的工作原理。难点：光电探测器的性能参数的内涵、各种常见光电探测元件的工作原理。1 光电探测器的物理效应 光电探测器能把光辐射量转换成另一种便于测量的物理量的器件。一、光子效应和光热效应 1.光子效应 指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光子能量的大小，直接影响内

2、部电子状态的改变。特点：光子效应对光波频率表现出选择性，响应速度一般比较快。2.光热效应 探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升,温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。特点：原则上对光波频率没有选择性，响应速度一般比较慢。（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。）二、光电发射效应 在光照下,物体向表面以外的空间发射电子（即光电子）的现象。能产生光电发射效应的物体，称为光电发射体，在光电管中又称 为光阴极。爱因斯坦方程：EhEk 截止波长：)(24.1)(

3、eVEmc 三、光电导效应 光导现象半导体材料的体效应 光辐射照射外加电压的半导体，如果光波长满足如下条件：)()eV(E24.1)m(gc本征)()(24.1杂质eVEi 式中gE是禁带宽度,iE是杂质能带宽度。光子将在其中激发出新的载流子(电子和空穴)。这就使半导体中的载流子浓度在原来平衡值上增加了一个量n和p。这个新增加的部分在半导体物理中叫非平衡载流子,我们现在称之为光生载流子。显然,p和n将使半导体的电导增加一个量G,我们称之为光电导。相应于本征和杂质半导体就分别称为本征和杂质光电导。四、光伏效应 光伏现象半导体材料的“结”效应 光照零偏 pn 结产生开路电压的效应光伏效应光电池 光

4、照反偏光电信号是光电流结型光电探测器的工作原理 光电二极管 五、温差电效应 当两种不同的配偶材料（可以是金属或半导体）两端并联熔接时，如果两个接头的温度不同，并联回路中就产生电动势，称为温差电动势。提高测量灵敏度若干个热电偶串联起来使用热电堆 六、热释电效应 热释电材料电介质一种结晶对称性很差的压电晶体在常态下具有自发电极化(即固有电偶极矩)。热电体的|sP|决定了面电荷密度s的大小，当sP发生变化时，面电荷密度也跟着变化。|sP|值是温度的函数温度升高|sP|减小。升高到 Tc 值时,自发极化突然消失,TC称为居里温度。热释电体表面附近的自由电荷对面电荷的中和作用比较缓慢，一般在 11000

5、 秒量级。热释电探测器是一种交流或瞬时响应的器件。七、光电转换定律 光辐射量转换为光电流量的过程光电转换。dtdnhvdtdEtP光 dtdnedtdQti电 D探测器的光电转换因子 tDPti hveD 式中：dtdndtdn光电探测器的量子效率)()(tPhveti 基本的光电转换定律：(1)光电探测器对入射功率有响应,响应量是光电流。因此,一个光子探测器可视为一个电流源。(2)因为光功率 P 正比于光电场的平方,故常常把光电探测器称为平方律探测器。或者说,光电探测器本质上一个非线性器件。2 光电探测器的性能参数 一、积分灵敏度 R 灵敏度也常称作响应度，它是光电探测器光电转换特性的量度。

6、光电流i（或光电压u）和入射光功率 P 之间的关系)(Pfi 称为探测器的光电特性。灵敏度R定义为这个曲线的斜率：)/()(WAPidPdiRi线性区内)/()(WVPudPduRu线性区内 Ri电流灵敏度（积分电流灵敏度）Ru电压灵敏度（积分电压灵敏度）二、光谱灵敏度 R dPiR 相对光谱灵敏度S：mRRs/光电探测器和入射光功率的光谱匹配非常重要 三、频率灵敏度 Rf（响应频率 fc和响应时间）如果入射光是强度调制的，在其他条件不变下，光电流if 将随调制频率 f 的升高而下降，这时的灵敏度称为频率灵敏度Rf。探测器的响应时间或时间常数，由材料、结构和外电路决定：20)2(1fRRf 四

7、、量子效率 iReh 光谱量子效率：iRehc 五、通量阈Pth和噪声等效功率 NEP 通量阈探测器所能探测的最小光信号功率 噪声等效功率 NEP单位信噪比时的信号光功率 信噪比 SNR 定义为：电压信噪比电流信噪比nsnsuuSNRiiSNR)(六、归一化探测度 D*(读作 D 星)探测度 D：1/1WNEPD 探测器光敏面积 A 和测量带宽f对D值影响大 探测器的噪声功率fN 2/1fin 2/1fD 探测器的噪声功率AN AN 2/1Ain 2/1 AD 定义：WHzcmfADD/2/1归一化探测度 给出 D*值时注明响应波长、光辐射调制频率f及测量带宽f,即D*(,f,f)。七、噪声

8、依据噪声产生的物理原因,光电探测器的噪声可大致分为散粒噪声、热噪声和低频噪声三类。3 常用光电探测器简介 一、光敏电阻 光电导效应原理（半导体材料的体效应）光电导探测器 光照下改变自身的电阻率（光照愈强,器件自身的电阻愈小）光敏电阻（光导管）本征型光敏电阻 一般在室温下工作 适用于可见光和近红外辐射探测 非本征型光敏电阻 通常在低温条件下工作 常用于中、远红外辐射探测 1.光敏电阻的结构和偏置电路 以 CdS 光敏电阻为例 2.工作特性（1）光敏响应特性 （2）光照特性和伏安特性 光照特性曲线 线性伏安特性 （3）时间响应特性 光敏电阻的响应时间常数是由电流上升时间rt和衰减时间ft表示的。光

9、敏电阻的响应时间与入射光的照度，所加电压、负载电阻及照度变化前电阻所经历的时间（称为前历时间）等因素有关。（4）稳定特性 光敏电阻的阻值随温度变化而变化的变化率,在弱光照和强光照时都较大,而中等光照时,则较小。例：CdS 光敏电阻的温度系数在 10lx 照度时约为 0；照度高于10lx 时，温度系数为正；小于 10lx 时，温度系数反而为负；照度偏离 10lx 愈多，温度系数也愈大。另外，当环境温度在 0+60的范围内时，光敏电阻的响应速度几乎不变；而在低温环境下，光敏电阻的响应速度变慢。例如，-30时的响应时间约为+20时的两倍。光敏电阻的允许功耗,随着环境温度的升高而降低。（5）噪声特性

10、3.几种典型的光敏电阻（1）CdS 和 CdSe 低造价、可见光辐射探测器 光电导增益比较高(103104)响应时间比较长(大约 50ms)（2）PbS 近红外辐射探测器 波长响应范围在 13.4m，峰值响应波长为 2m 内阻（暗阻）大约为 1M 响应时间约 200s （3）InSb 在 77k 下,噪声性能大大改善 峰值响应波长为 5m 响应时间短（大约 5010-9s）（4）HgxCd1-xTe 探测器 化合物本征型光电导探测器,它是由 HgTe 和 GdTe 两种材料混在一起的固溶体,其禁带宽度随组分 x 呈线性变化。当 x=0.2 时响应波长为 814m,工作温度 77k，用液氮致冷。

11、4.使用注意事项（1）用于测光的光源光谱特性必须与光敏电阻的光敏特性匹配;（2）要防止光敏电阻受杂散光的影响;（3）要防止使光敏电阻的电参数(电压、功耗)超过允许值；（4）根据不同用途,选用不同特性的光敏电阻。二、硅光电池太阳电池 零偏压 pn 结光伏探测器光伏工作模式光电池 硅光电池的用途：光电探测器件，电源 1.短路电流和开路电压 光电池等效电路 短路电流RL=0 开路电压RL=单片硅光电池的开路电压约为 0.450.6V，短路电流密度约为150300A/m2。测量方法：在一定光功率（例如 1kW/m2）照射下，使光电池两端开路，用一高内阻直流毫伏表或电位差计接在光电池两端，测量出开 路电

12、压；在同样条件下，将光电池两端用一低内阻（小于 1）电流表短接，电流表的示值即为短路电流。2.光谱、频率响应及温度特性 光电池的频率特性不太好。在强光照射或聚光照射情况下，必须考虑光电池的工作温度及散热措施。通常 Si 光电池使用的温度不允许超过 125。三、光电二极管 反偏电压 pn 结光伏探测器光导工作模式光电二极管 1.Si 光电二极管（1）结构原理 （2）光谱响应特性和光电灵敏度 （4）伏安特性 （4）频率响应特性 频率特性好,适宜于快速变化的光信号探测。光电二极管的频率特性响应主要由三个因素决定：(a)光生载流子在耗尽层附近的扩散时间；(b)光生载流子在耗尽层内的漂移时间；(c)与负

13、载电阻 RL并联的结电容 Ci所决定的电路时间常数。2.PIN 硅光电二极管 3.雪崩光电二极管（APD）4.光电三极管 四、光热探测器 1.热敏电阻 热敏电阻由 Mn、Ni、Co、Cu 氧化物，或 Ge、Si、InSb 等半导体材料做成的电阻器，其阻值随温度而变化。电阻随温度变化的规律：RTRT 式中：)/(TRRT 称为热敏电阻的温度系数,0T称为正温度系数,0T称为负温度系数。2.热释电探测器 利用热释电效应制成的探测器称为热释电探测器。常用热释电材料：硫酸三月 甘 肽（TGS）、铌酸锶钡（SBN）、钽酸锂（LT）、钛酸铅陶瓷（PT）、钛酸锆酸铅陶瓷（PZT）等。SBN 在大气中性能稳定，热电系数大，响应速度快（1ns）。在光通信，雷达技术中有使用前途。