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第四章 光电探测.ppt

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第四章 光电探测.ppt
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,光电检测技术,参考书目,《光电检测技术》曾光宇等编著 清华大学出版社 《激光光电检测》吕海宝等编著 国防科技大学出版社 《光电检测技术》雷玉堂等编著 中国计量出版社,教材,《光电检测技术与应用》郭培源 付扬 编著 北京航空航天大学出版社,光电检测是信息时代的关键技术,信息技术: 微电子信息技术(电集成)、光子信息技术(光集成)、光电信息技术(光电集成)。 感测技术、通信技术、人工智能与计算机技术、控制技术。 信息的产生和获取、转换、传输、控制、存储、处理、显示。,4.1 光电检测基础知识,光电信息技术,1、光电源器件(包括激光器)和可控光功能器件及集成 2、光通信和综合信息网络 3、光频微电子 4、光电方法用于瞬态光学观测,以光电子学为基础,以光电子器件为主体,研究和发展光电信息的形成、传输、接收、变换、处理和应用。它涉及到:,5、光电传感、光纤传感和图象传感 6、激光、红外、微光探测,定向和制导 7、光电精密测试,在线检测和控制技术 8、混合光电信息处理、识别和图象分析,光电检测技术,检测与测量 光电传感器: 基于光电效应,将光信号转换为电信号的一种光电器件 将非电量转换为与之有确定对应关系的电量输出。光电检测技术:是利用光电传感器实现各类检测。它将被测量的量转换成光通量,再转换成电量,并综合利用信息传送和处理技术,完成在线和自动测量光电检测系统 光学变换 光电变换 电路处理,定义:,被测信息:,传感器、检测仪器、检测装置、检测系统,全部操作:,检测过程,确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作,检测的基本概念,信号采集、信号处理、信号显示、信号输出,物理量(光、电、力、热、磁、声、…),被测对象:,宇宙万物(固液气体、动物、植物、天体 ……),检测器具,化学量(PH、成份…),生物量(酶、葡萄糖、…),… …,例:空调机测量控制室温,空气,被测对象:,被测信息:,检测器具:,操作过程:,室内空气,温度,温度传感器 --- 热电阻、热电偶, 热敏电阻, 电信号, 处理, 显示,空调机,返回,直接测量:对仪表读数不经任何运算,直接得出被测量的数值。例如: 长度:直尺、游标卡尺、千分尺 电压:万用表 质量:天平 间接测量:测量几个与被测量相关的物理量,通过函数关系式计算出被测量。例如: 电功率:P = I * V(电流/电压) 重力加速度:单摆测量(L:摆的线长,T:摆动的周期),,返回,光电探测器的种类,返回,光电检测系统,光电检测技术以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础,通过对载有被检测物体信号的光辐射(发射、反射、散射、衍射、折射、透射等)进行检测,即通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号。 由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用的信息,再经过A/D变换接口输入微型计算机运算、处理,最后显示或打印输出所需检测物体的几何量或物理量。,光电检测系统,光学变换,电路处理,光电检测系统,光学变换 时域变换:调制振幅、频率、相位、脉宽 空域变换:光学扫描 光学参量调制:光强、波长、相位、偏振 形成能被光电探测器接收,便于后续电学处理的光学信息。 光电变换 光电/热电器件(传感器)、变换电路、前置放大 将信息变为能够驱动电路处理系统的电信息(电信号的放大和处理)。 电路处理 放大、滤波、调制、解调、A/D、D/A、微机与接口、控制。,光电检测系统的功能分类,测量检查型: 几何量:长度、角度、形状、位置、形变、面积、体积、距离。 运动量:速度、加速度、振动 表面形状:光洁度、庇病、伤痕 工作过程:湿度、流量、压力、物位、PH值、浓度等 机械量:重量、压力、应变、压强 电学量:电流、电压、电场、磁场 光学量:吸收、反射、透射、光度、色度、波长、光谱,控制跟踪型 跟踪控制:激光制导,红外制导 数值控制:自动定位,图形加工形成,数值控制 图象分析型 图形检测 图形分析,光电检测技术的特点,高精度:从地球到月球激光测距的精度达到1米。 高速度:光速是最快的。 远距离、大量程:遥控、遥测和遥感。 非接触式检测:不改变被测物体性质的条件下进行测量。 寿命长:光电检测中通常无机械运动部分,故测量装置寿命长,工作可靠、准确度高,对被测物无形状和大小要求。 数字化和智能化:强的信息处理、运算和控制能力。,光电检测方法,直接作用法 差动测量法 补偿测量法 脉冲测量法,光电检测技术发展趋势,纳米、亚纳米高精度的光电测量新技术。 小型、快速的微型光、机、电检测系统。 非接触、快速在线测量。 微空间三维测量技术和大空间三维测量技术。 闭环控制的光电检测系统,实现光电测量与光电控制一体化。 向人们无法触及的领域发展。 光电跟踪与光电扫描测量技术。,一、在工业生产领域的应用,在线检测:零件尺寸、产品缺陷、装配定位…. 现代工程装备中,检测环节的成本约占50~70%,光电检测技术的应用,检测技术在汽车中的应用日新月异,发动机:向发动机的电子控制单元(ECU)提供发动机的工作状况信息, 对发动机工作状况进行精确控制温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等,汽车传感器:汽车电子控制系统的信息源,关键部件,核心技术内容,普通轿车:约安装几十到近百只传感器,豪华轿车:传感器数量可多达二百余只。,底 盘:控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等 车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温,车 身:提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等 温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等,二、检测技术在日常生活中的应用,家用电器:,数码相机、数码摄像机:自动对焦---红外测距传感器,数字体温计:接触式---热敏电阻,非接触式---红外传感器,自动感应灯:亮度检测---光敏电阻,空调、冰箱、电饭煲:温度检测---热敏电阻、热电偶,电话、麦克风:话音转换---驻极电容传感器,遥控接收:红外检测---光敏二极管、光敏三极管,办公商务:,可视对讲、可视电话:图像获取---面阵CCD,扫描仪:文档扫描---线阵CCD,红外传输数据:红外检测---光敏二极管、光敏三极管,医疗卫生:,电子血压计:血压检测 --- 压力传感器,血糖测试仪、胆固醇检测仪 --- 离子传感器,三、检测技术在军事上的应用,美军研制的未来单兵作战武器,夜视瞄准机系统:非冷却红外传感器技术激光测距仪:可精确的定位目标。,,美国国家导弹防御计划---NMD,四、检测技术在国防领域的应用,监测系统: 探测和发现敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道;,拦截器:能识别真假弹头,敌友方,“阿波罗10”:,火箭部分---2077个传感器,飞船部分---1218个传感器,检测参数---加速度、温度、压力、 振动、流量、应变、 声学,神州飞船:,185台(套)仪器装置,五、检测技术在航天领域的应用,光的基本性质 辐射与光度学量 光电效应 光热电效应,4.2 光度量有关定义,辐射度的基本物理量,辐射能Qe :一种以电磁波的形式发射、传播或接受的能量。单位:焦耳[J] 辐射通量Φe:单位时间内通过一定面积发射、传播或接受的能量,又称辐射功率Pe,是辐射能的时间变化率。单位:瓦[W] 辐射强度Ie:点辐射源在给定方向上通过单位立体角内的辐射通量。单位:[W/Sr],辐射度的基本物理量,辐射照度Ee:投射在单位面积上的辐射通量。单位:[W/m2]辐射出射度Me :扩展辐射源单位面积所辐射的通量(也称辐射本领)。单位:[W/m2] 辐射亮度Le :辐射表面定向发射的辐射强度。单位:[W/m2.Sr] 光谱辐射通量Φe(λ):辐射通量的光谱密度,即单位波长间隔内的辐射通量。,基本辐射度量的名称、符号和定义方程,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,光度量的最基本单位,发光强度Iv:发出波长为555nm的单色辐射,在给定方向上的发光强度规定为1cd。单位:坎德拉(Candela)[cd],它是国际单位制中七个基本单位之一。 光通量Φv:光强度为1cd的均匀点光源在1sr内发出的光通量。单位:流明[lm]。 光照度Ev:单位面积所接受的入射光的量 ,单位:勒克斯[lx],相当于 1平方米面积上接受到1个流明的光通量。,光度的基本物理量,光度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对应的。辐射度量下标为e,例如Qe,Φe,Ie,Me,Ee,光度量下标为v,Qv,Φv,Iv,Lv,Mv,Ev。 光度量只在可见光区(380 - 780nm)才有意义。 辐射度量和光度量都是波长的函数。,晴天阳光直射地面照度约为100000lx 晴天背阴处照度约为10000lx 晴天室内北窗附近照度约为2000lx 晴天室内中央照度约为200lx 晴天室内角落照度约为20lx 阴天室外50—500lx 阴天室内5—50lx 月光(满月)2500lx 日光灯5000lx 电视机荧光屏100lx 阅读书刊时所需的照度50~60lx 在40W白炽灯下1m远处的照度约为30lx 晴朗月夜照度约为0.2lx 黑夜0.001lx,光电效应,光照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光电动势等,这种因光照而引起物体电学特性发生改变统称为光电效应 光电效应包括外光电效应和内光电效应,,外光电效应:物体受光照后向外发射电子——多发生于金属和金属氧化物 内光电效应:物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出物体外部——多发生在半导体 内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应 光电导效应:半导体受光照后,内部产生光生载流子,使半导体中载流子数显著增加而电阻减少的现象,,光生伏特效应:光照在半导体PN结或金属—半导体接触上时,会在PN结或金属—半导体接触的两侧产生光生电动势。PN结的光生伏特效应:当用适当波长的光照射PN结时,由于内建场的作用(不加外电场),光生电子拉向n区,光生空穴拉向p区,相当于PN结上加一个正电压。 半导体内部产生电动势(光生电压);如将PN结短路,则会出现电流(光生电流)。,光热效应,光热效应:材料受光照射后,光子能量与晶格相互作用,振动加剧,温度升高,材料的性质发生变化. 热释电效应:介质的极化强度随温度变化而变化,引起电荷表面电荷变化的现象. 辐射热计效应:入射光的照射使材料由于受热而造成电阻率变化的现象. 温差电效应:由两种材料制成的结点出现稳差而在两结点间产生电动势,回路中产生电流.,光电器件的类型与特点 光电器件的基本特性参数 半导体光电器件 光电导器件—光敏电阻 光伏器件 光电池 光电二极管/三极管 真空光电器件 光电管 光电倍增管 热电检测器件 热敏电阻 热电偶和热电堆 热释电探测器件,,光电器件的类型与特点,光电效应:光照射到物体表面上使物体的电学特性发生变化. 光电子发射:物体受光照后向外发射电子——多发生于金属和金属氧化物. 光电导效应:半导体受光照后,内部产生光生载流子,使半导体中载流子数显著增加而电阻减少. 光生伏特效应:光照在半导体PN结或金属—半导体接触上时,会在PN结或金属—半导体接触的两侧产生光生电动势。,光电检测器件的类型,光电检测器件是利用物质的光电效应把光信号转换成电信号的器件. 光电检测器件分为两大类: 光子(光电子)检测器件 热电检测器件,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,,,,,,,,,,,,光电检测器件的特点,4.3 器件的基本特性参数,响应特性 噪声特性 量子效率 线性度 工作温度,一、响应特性,1.响应度(或称灵敏度):是光电探测器输出信号与输入光功率之间关系的度量。描述的是光电探测器件的光电转换效率。 响应度是随入射光波长变化而变化的 响应度分电压响应率和电流响应率,,电压响应率光电探测器件输出电压与入射光功率之比电流响应率光电探测器件输出电流与入射光功率之比,2.光谱响应度:探测器在波长为λ的单色光照射下,输出电压或电流与入射的单色光功率之比.3.积分响应度:检测器对各种波长光连续辐射量的反应程度.,4.响应时间:响应时间τ是描述光电探测器对入射光响应快慢的一个参数(如图)。 上升时间:入射光照射到光电探测器后,光电探测器输出上升到稳定值所需要的时间。 下降时间:入射光遮断后,光电探测器输出下降到稳定值所需要的时间。,光电探测器响应率与入射调制频率的关系为调制频率为f 时的响应率为调制频率为零时的响应率 为时间常数(等于RC),5.频率响应:光电探测器的响应随入射光的调制频率而变化的特性称为频率响应. 由于光电探测器信号产生和消失存在着一个滞后过程,所以入射光的调制频率对光电探测器的响应会有较大的影响。,:上限截止频率时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽,返回,二、噪声特性,在一定波长的光照下光电探测器输出的电信号并不是平直的,而是在平均值上下随机地起伏,它实质上就是物理量围绕其平均值的涨落现象。,用均方噪声来表示噪声值大小,噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的。 由于噪声总是与有用信号混在一起,因而影响对信号特别是微弱信号的正确探测。 一个光电探测系统的极限探测能力往往受探测系统的噪声所限制。 所以在精密测量、通信、自动控制等领域,减小和消除噪声是十分重要的问题。,光电探测器常见的噪声,热噪声 散粒噪声 产生-复合噪声 1/f噪声,1、热噪声,或称约翰逊噪声,即载流子无规则的热运动造成的噪声。 导体或半导体中每一电子都携带着电子电量作随机运动(相当于微电脉冲),尽管其平均值为零,但瞬时电流扰动在导体两端会产生一个均方根电压,称为热噪声电压。 热噪声存在于任何电阻中,热噪声与温度成正比,与频率无关,热噪声又称为白噪声,2、散粒噪声,散粒噪声:入射到光探测器表面的光子是随机的,光电子从光电阴极表面逸出是随机的,PN结中通过结区的载流子数也是随机的。 散粒噪声也是白噪声,与频率无关。 散粒噪声是光电探测器的固有特性,对大多数光电探测器的研究表明:散粒噪声具有支配地位。 例如光伏器件的PN结势垒是产生散粒噪声的主要原因。,3、产生-复合噪声,半导体受光照,载流子不断产生-复合。 在平衡状态时,在载流子产生和复合的平均数是一定的 但在某一瞬间载流子的产生数和复合数是有起伏的。 载流子浓度的起伏引起半导体电导率的起伏。,4、1/f噪声,或称闪烁噪声或低频噪声。 噪声的功率近似与频率成反比 多数器件的1/f噪声在200~300Hz以上已衰减到可忽略不计。,5、信噪比,信噪比是判定噪声大小的参数。 是负载电阻上信号功率与噪声功率之比若用分贝(dB)表示,为,6、噪声等效功率(NEP),定义:信号功率与噪声功率比为1(SNR=1)时,入射到探测器件上的辐射通量(单位为瓦)。 这时,投射到探测器上的辐射功率所产生的输出电压(或电流)等于探测器本身的噪声电压(或电流)一般一个良好的探测器件的NEP约为10-11W。 NEP越小,噪声越小,器件的性能越好。,噪声等效功率是一个可测量的量。 设入射辐射的功率为P,测得的输出电压为U0 然后除去辐射源,测得探测器的噪声电压为UN 则按比例计算,要使U0=UN,的辐射功率为,7、探测率与归一化探测率,探测率D定义为噪声等效功率的倒数经过分析,发现NEP与检测元件的面积Ad和放大 器带宽Δf 乘积的平方根成正比 归一化探测率D*,即D*与探测器的敏感面积、放大器的带宽无关。,返回,三、量子效率(),量子效率:在某一特定波长上,每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之比。 对理想的探测器,入射一个光量子发射一个电子, =1 实际上, 1 量子效率是一个微观参数,量子效率愈高愈好。,量子效率与响应度的关系,I/q : 每秒产生的光子数 P/hυ:每秒入射的光子数,四、线性度,线性度是描述光电探测器输出信号与输入信号保持线性关系的程度。 在某一范围内探测器的响应度是常数,称这个范围为线性区。 非线性误差:δ = Δmax / ( I2 – I1)Δmax:实际响应曲线与拟合曲线之间的最大偏差; I2 和 I1:分别为线性区中最小和最大响应值。,五、工作温度,工作温度就是指光电探测器最佳工作状态时的温度。 光电探测器在不同温度下,性能有变化。例如,半导体光电器件的长波限和峰值波长会随温度而变化;热电器件的响应度和热噪声会随温度而变化。,4.4 光子发射型光电探测器,光电探测器分类: (1)光子探测器(利用各种光子效应);(2)热探测器(利用温度变化效应)。 光子效应:光电子发射、光电导、光生伏特、光电磁等。 光热效应:温差电、电阻率变化、自发极化强度变化、气体体积和压强变化等。 基于光电子发射效应的器件在吸收了大于红外波长的光子能量以后,器件材料中的电子能逸出材料表面,这种器件称为外光电效应器件。 基于光电导、光伏特和光电磁效应的器件,在吸收了大于红外波长的光子能量以后,器件材料中出现光生自由电子和空穴,这种器件称为内光电效应器件。,应用光电子发射效应制成的光电探测器称为光电子发射探测器。 光电管、光电倍增管,光电管 phototube :是一种光敏元件,当它受到辐射后,并从阴极释放出电子的电子管。可分为真空光电管和充气光电管。,1. 光电倍增管,光电倍增管photomultiplier :可将微弱光信号通过光电效应转变成电信号并利用二次发射电极转为电子倍增的电真空器件。 把光子入射到光阴极上产生光电子,光电子通过输入电子光学系统进入倍增系统,再经过二次发射多次倍增后由阳极收集起来,形成输出电流或电压。,特点: 极高的灵敏度和极低的噪声; 响应快速、成本低、阴极面积大等优点。,光电倍增管的工作原理 K为光电发射阴极,D为聚焦板,D1~D10为倍增极(或打拿极),A为收集电子的阳极。倍增极间的电压逐级增加,极间电压约为80~150V。,,1.1 光电阴极,光电倍增管的性能主要由阴极和倍增极以及极间电压决定。 是光电倍增管的发射部件 主要参数一:灵敏度 光谱灵敏度不易检测,常用白光灵敏度和光照灵敏度表示。 光照灵敏度:在色温为2856K的标准钨丝灯照射下,对应1lm的光所产生的光电流。 负电子亲和势材料是目前最好的光电阴极材料。,另一参数:热电子发射 产生原因: 在一定温度下,随无光照射,阴极中某些电子的热运动能量可达到或超过其功函数,因而产生热电子发射。 影响因素 温度 光阴极材料(决定探测器响应波长的关键因素),依据响应波长由短到长,阴极材料有 铯的化合物 Cs-I 响应波长:115-200nm 通常直接镀在第一倍增极的无窗光电倍增管 Cs-Te 响应波长:300nm 碱金属的锑化物 单碱锑化合物:锑与一种碱金属的化合物。CsCb响应波长:紫外到700nm,双碱化合物:锑与两种碱金属的化合物。Sb-K-Cs, Sb-Na-Cs, Sb-Rb- Cs,响应波长:与单锑类似,但灵敏度较高。 多碱锑化合物:Sb-Na-K-Cs,响应波长:从紫外到红外(930nm) Ag-O-Cs 反射型的响应范围:300-1100nm 透射型的响应范围:300-1200nm 可见区灵敏度低,近红外高。,1.2 电子倍增极,决定探测器灵敏度的关键部件 工作原理:二次电子发射 当动能足够大的电子打到电子倍增极上时,其表面将发射新的电子。 入射电子为一次电子;发射电子为二次电子 评价电子倍增极的主要参数是二次发射系数σ,光电倍增极的材料及结构 材料: 碱的锑化物(CsSb), 氧化物(MgO, BeO), 负电子亲和势材料,结构: 环形聚焦型 直线聚焦型 盒栅型 细网型 百叶型 微通道板MCP型 金属通道型 混合型,1.3 阳极,作用:收集从末级倍增极发射出的二次电子 常见结构:栅格型 性能:光照灵敏度(Sk) 定义:光电倍增管收到色温为2856K、光通量为Φ的辐射照射时,阳极输出信号电流Ip与Φ之比。,2. 光电倍增管的主要性能,1. 响应特性 光谱响应:取决于光电阴极材料和入射窗材料性质。 长波限决定于光电阴极材料,短波限决定于光窗材料。 辐射灵敏度:由阴极灵敏度和阳极灵敏度决定 时间响应:包括渡越时间、上升时间和下降时间。 渡越时间:光照射阴极到阳极出现信号 上升时间:输出脉冲高度从峰值的10%到90% 下降时间:输出脉冲高度从峰值的90% 到10%,,2.电流增益M 定义:阳极电流与阴极电流之比,即,影响因素:光电倍增极结构、级数、材料等,3. 噪声与信噪比 器件本身的散粒噪声→暗电流决定。 入射信号产生的噪声→信号电流引起的散粒噪声,包括阴极电流产生的散粒噪声和各级倍增极产生的散粒噪声。 1)暗电流 由光电阴极和前几级倍增极的热电子发射引起的 可分为阴极暗电流与阳极暗电流。一般使用比较多的是阳极暗电流。,产生原因:在一定温度下,一些电子的热运动能量可能超过其功函数而从材料表面逸出,即热电子发射,in∝T5/4exp[-(eψ)/(kT)],减少暗电流的方法: 选好光电倍增管的极间电压。 在阳极回路中加上与暗电流相反的直流成份来补偿。 在倍增输出电路中加一选频或锁相放大滤掉暗电流。 利用冷却法减小热电子发射等。,2)散射噪声 由辐射的量子本性决定。 组成辐射的量子到达光电阴极的时间是随机的,吸收光量子产生光电子的时间间隔也是随机的,表现为电流噪声。,3)信噪比(SNR) 含噪声信号的平均值与含噪声信号的交流成分之比表示。,信号的交流成分,4.5 光电导型探测器,,工作原理:在光电导探测器两极加上一定电压,当光照射光电导体时,光生载流子在外加电场作用下沿一定方向运动,在电路中产生电流,实现光电转换。,,,。,,光敏电阻结构示意图,一、光敏电阻,光敏电阻是光电导型器件。 光敏电阻材料:主要是硅、锗和化合物半导体,例如:硫化镉(CdS),锑化铟(InSb)等。特点: 光谱响应范围宽(特别是对于红光和红外辐射); 偏置电压低,工作电流大; 动态范围宽,既可测强光,也可测弱光; 光电导增益大,灵敏度高; 无极性,使用方便; 在强光照射下,光电线性度较差 光电驰豫时间较长,频率特性较差。,几种典型的光电导探测器简介 按晶体结构分:多晶、单晶; 多晶类多是薄膜型器件,如PbS、PbSe、PbTe等, 单晶类:锑化铟(InSb)、碲镉汞(HgCdTe)、碲锡铅和掺杂型几种。 CdS和CdSe:两种造价低的可见光辐射探测器(CdS:0.3~0.8μm,CdSe:0.3~0.9μm);可见波段最灵敏,主要特点是高可靠性和长寿命,广泛用于自动化技术中。 PbS:这是一种性能优良的近红外辐射探测器,是在室温条件下探测灵敏度最高的一种红外探测器,室温下的禁带宽度为0.37eV,响应长波为1 ~ 3μm。,InSb:也是一种性能良好的近红外(5~7.5μm)辐射探测器,响应速度快。 PbTe:常温下对4μm内的红外光灵敏,冷却到90K,可在5μm范围内使用。响应时间10-4~10-5s。 Hg1-xCdxTe探测器: Hg1-xCdxTe是由半导体CdTe和半金属HgTe采用半导体合金法混合而成的合金系统。 是目前性能最优良的光电探测器 器件的响应波长与x有关,范围:1~15μm X=0.19时,响应波长为10.5μm,可与二氧化碳激光器的输出波长良好匹配。,2. Hg1-xCdxTe光电探测器的性能,1. 响应波长 Hg1-xCdxTe的响应波长由其禁带宽度Eg决定,且截止波长λco与Eg的关系为:,2. 光电导△G 对N型Hg1-xCdxTe探测器,k1,因而,3. 噪声 1)热噪声,2)产生-复合噪声,3)1/f噪声 主要决定系统在低频区的性能 可借助转折频率f0来描述 在该频率点, 1/f噪声功率等于相同频率点的g-r噪声功率。,4.6 光伏型探测器,,1.光伏型探测器概述,利用半导体PN结光伏效应制成的光电探测器。 品种多: 各种光电池、 光电二极管、 光电晶体管、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。 和光电导探测器不同,光伏探测器的工作特性要复杂一些。通常有光电池和光电二极管之分,即有两种工作模式。 两种工作模式,光电导和光伏式,它们由外偏压电路决定。,光电转换原理,短路光电流:PN结受光照射时,即使没有外加偏压,PN结自身也会产生一个开路电压,这时如果将PN结两端短接,便有短路电流通过回路。,,PN结光伏探测器的典型结构,光伏探测器的工作模式,一个PN结光伏探测器等效为一个普通二极管和一个恒流源(光电流源)的并联,图 (a, b) 。它的工作模式则由外偏压回路决定。在零偏压时(图 c),称为光伏工作模式。当外回路采用反偏压V时(图d),即外加P端为负n端为正的电压时,称为光导工作模式。,两种工作模式的比较 光导模式工作时,光电二极管加反偏压,可以大大提高器件的频率特性。此外反偏压可增加长波端灵敏度及扩展线性区上限。但反偏产生的暗电流引起较大的散粒噪声,且频率低于1KHz时还有1/f噪声,这又限制了探测能力的下限。 因光伏式二极管无偏压工作,故暗电流造成的散粒噪声小,且无1/f噪声,有高得多的信噪比。 光伏式二极管主要应用于超低噪声、低频及仪器方面。光导式二级管则主要用来探测高速光脉冲和高频调制光。,2. PN结光电二极管电流特性简介,2.1 扩散电流,是PN结光电二极管的基本电流 假定材料由厚P薄N组成,P、N之间是空间电荷区。,PN结光生电流,波长短于λco的红外辐射,光电二极管吸收,,电子-空穴对,,发生在空间电荷区两侧P型区或N型区的一个长度为Le的范围内,发生在空间电荷区,,电子-空穴对被强电场分开,在外电路中产生电流,,,,,,电子-空穴对中只有那些通过扩散进入空间电荷区的才会在那里被电场分开而对外电路贡献光电流,3.响应率与探测率,响应率:描述探测器灵敏度的参量,表征输入信号和输出信号关系的参量。 探测率:表示探测器的探测能力,是等效噪声功率的倒数。,4.噪声,1. 约翰逊噪声 在无偏压及外来光照射的热平衡条件下,光电二极管均方噪声电流即为零偏压电阻R0的约翰逊-奈奎斯特噪声为,2.散粒噪声,3. 1/f噪声 与光电流及扩散电流基本无关 与表面漏电流Is大致呈正比,4.常用的光伏探测器简介 (1) 硅光电池:也称太阳电池或光伏电池,价格便宜,光电转换效率高,光谱响应宽,频率特性好,寿命长,稳定性好,耐高能辐射,适合近红外探测。,(2)PIN 硅光电二极管:载流子的扩散时间和电路时间常数大约同数量级,是决定光电二极管响应速度的主要因素。为了改善频率特性,就得设法减小载流子扩散时间和结电容,于是人们提出加一层中间本征层。,(3)异质结光电二极管:异质结是由两种不同的半导材料形成的P-N结,P-N结两边是由不同的基质材料形成的,,(4)雪崩光电二极管(APD)。以上光电二极管都没有内部增益,即增益≤1。雪崩二极管有内部增益,增益可达102~104。它是利用雪崩管在高的反向偏压下发生雪崩倍增效应而制成的光电探测器。,(5)Schottky势垒光电二极管。这是一种由金属和半导体接触所制成的光电二极管,所以这种光电二极管也称为金属半导体光电二极管。 要求反偏压工作,光从金属一侧入射。为使透光性好,金属是用真空镀膜技术制成的金属膜,厚度只有几十埃。,(6) 光电三极管:具有内增益,但获得内增益的途径不是雪崩效应,而是利用一般晶体管的电流放大原理。,(7) InSb光伏探测器:InSb材料既可作光电导探测器,也可制成P-N结光伏探测器。是在3~5um波段内常用的高性能红外探测器。 (8)Hg1-xCdxTe光伏探测器:近20年来在红外探测器方面最卓越约成绩是HgCdTe探测器的研制成功及投入使用。改变组份x就可以改变HgCdTe探测器的工作波段。,4.7 直接探测技术,,定义:探测器将入射功率直接转换成光电流并进行测量的过程称为直接探测。 将信号光直接入射到光电探测器的光敏面上,光电探测器只响应入射光辐射的强度(或辐射通量)。无论光载波是相干光还是非相干光,其系统只能解调出由光强度调制所形成的信息,不涉及光辐射的相干性质,因而又称为非相干探测。 红外波段微弱信号的探测,,直接探测的基本物理过程 光电探测器将信号光的光强变化转化为电压或电流的变化,再经后续电路处理(如滤波、放大或其他各种电学信号变换等),从而获得有用的信号。,1. 环境辐射,讨论,黑体辐射对红外波段微弱信号的探测会产生严重影响,这种影响主要表现为两类不同形式的噪声 背景的发射率或温度(是时间和空间的函数)→1/f噪声; 光子噪声:在其他噪声均得到抑制的情况下,此类噪声决定了直接探测中可探测最小信号的极限。 产生原因:辐射体玻色-爱因斯坦系统的起伏现象。,2. 直接探测中的噪声,噪声源包括:信号、背景、探测器产生的光子流 1)信号噪声,2)背景噪声,3)探测器噪声,3. 归一化探测率,4.7 光相干探测技术,问题:直接探测受背景噪声的干扰十分严重 解决:相干探测(外差探测) 应用:无线电领域, 原因:无线电波的相干性好 特性:灵敏度极高,1. 光相干探测原理,滤波片,光相干探测原理示意图,作业,光电倍增管的工作基础、结构和工作原理。 比较光子探测器和光热探测器在作用机理、性能及应用特点等方面的差异。 总结选用光电探测器的一般原则。,
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本文标题:第四章 光电探测.ppt
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