光輻射探測器

1、光輻射探測器第1頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一引言一. 概念光輻射探測技術(shù)：把被調(diào)制的光信號轉(zhuǎn)換成電信號并將信息提取出來的技術(shù)光探測過程可以形象地稱為光頻解調(diào)。光電探測器：對各種光輻射進行接收和探測的器件第2頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一光電探測器光輻射量電量熱 探 測 器光子探測器光電倍增管第3頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一二. 歷史:1873年: Smith, May: 發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng) Simens: 光電池1909年：Richtmeyer: 奠定光電管的基礎(chǔ)1933年：Zworkyn: 發(fā)明光電攝像管1950年：

2、Weimer: 制出光導(dǎo)攝像管1970年： Boyle: 發(fā)明CCD第4頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一探測器件熱電探測元件光子探測元件氣體光電探測元件三、分類外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)非放大型放 大 型光電導(dǎo)探測器光磁電探測器光生伏特探測器真空光電管充氣光電管光電倍增管像增強器攝像管變像管本征型光敏電阻摻雜型紅外探測器非放大放大型光電池光電二極管光電三極管光電場效應(yīng)管雪崩型光電二極管第5頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一3.1 光輻射探測器的 理論基礎(chǔ)光輻射探測器的物理效應(yīng)主要是光熱效應(yīng)和光電效應(yīng)。3.1.1 光熱效應(yīng)當(dāng)光照射到理想的黑色吸收體上時，黑

3、體將對所有波長的光能量全部吸收，并轉(zhuǎn)換為熱能，稱為光熱效應(yīng) 。第6頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一熱能增大，導(dǎo)致吸收體的物理、機械性能變化，如：溫度、體積、電阻、熱電動勢等，通過測量這些變化可確定光能量或光功率的大小，這類器件統(tǒng)稱為光熱探測器。光熱探測器對光輻射的響應(yīng)有兩個過程： 器件吸收光能量使自身溫度發(fā)生變化 把溫度變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號 共性個性光熱探測器的最大特點是：1、從紫外到40m以上寬波段范圍，其響應(yīng)靈敏度與光波波長無關(guān)，原則上是對光波長無選擇性探測器。2、受熱時間常數(shù)的制約，響應(yīng)速度較慢 。第7頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一 應(yīng)

4、用： 在紅外波段上，材料吸收率高，光熱效應(yīng)也就更強烈，所以廣泛用于對紅外線輻射的探測。第8頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一探測器遵從的熱平衡方程： 設(shè)入射光的表達(dá)式為：代入熱平衡方程，得到： 解得：器件的平均溫升 第9頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一器件隨頻率的交變溫升 式中，是器件的熱時間常數(shù)。表明器件溫升滯后于輻射功率的變化。 因此，光熱探測器常用于低頻調(diào)制輻照場合。設(shè)計時應(yīng)盡力降低器件的熱時間常數(shù)，主要是減少器件的熱容量。第10頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一3.1.2 光電效應(yīng)光電效應(yīng)是物質(zhì)在光的作用下釋放出電子的

5、物理現(xiàn)象。 分為: 光電導(dǎo)效應(yīng) 光伏效應(yīng) 光電發(fā)射效應(yīng) 3.1.2.1 半導(dǎo)體中的載流子載流子:能參與導(dǎo)電的自由電子和自由空穴。載流子濃度:單位體積內(nèi)的載流子數(shù)。 第11頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一I:N:P:室溫下 （施主濃度）全電離時（受主濃度）一、熱平衡狀態(tài)下的載流子濃度由（1.26）式，可得出：第12頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一上式表明：禁帶愈小，溫度升高， np就愈大，導(dǎo)電性愈好。在本征半導(dǎo)體中， 平衡態(tài)判據(jù) 則有可得出，少子濃度：第13頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一二、非平衡狀態(tài)下的載流子 半導(dǎo)體受光

6、照、外電場作用，載流子濃度就要發(fā)生變化，這時半導(dǎo)體處于非平衡態(tài)。 載流子濃度對于熱平衡時濃度的增量，稱為非平衡載流子。 半導(dǎo)體材料吸收光子能量而轉(zhuǎn)換成電能是光電器件工作的基礎(chǔ)。1.半導(dǎo)體對光的吸收本征吸收 或第14頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一為長波限。 雜質(zhì)吸收 電離能 半導(dǎo)體對光的吸收主要是本征吸收 第15頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一2.光生載流子半導(dǎo)體受光照射而產(chǎn)生的非平衡載流子。約為1010cm-3 ; 多子濃度約為 少子濃度約為 而熱平衡時，可見，一切半導(dǎo)體光電器件對光的響應(yīng)都是少子的行為。載流子的復(fù)合：電子-空穴對消失。只要有自

7、由的電子和空穴，復(fù)合過程就存在。 直接復(fù)合間接復(fù)合 第16頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一光生載流子的壽命 光生載流子的平均生存時間復(fù)合率：單位時間內(nèi)載流子濃度減少量：三、載流子的擴散與漂移1.擴散載流子因濃度不均勻而發(fā)生的定向運動。 第17頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一2.漂移載流子受電場作用所發(fā)生的運動。 歐姆定律的微分形式 對于電子電流 同理，對于空穴電流有漂移電流密度矢量 第18頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一3.1.2.2 光電導(dǎo)效應(yīng)半導(dǎo)體材料受光照,吸收光子引起載流子濃度增大，從而材料的電導(dǎo)率增大。、穩(wěn)態(tài)光電

8、導(dǎo)與光電流暗態(tài)下 亮態(tài)下 第19頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一光電導(dǎo) 光電流 第20頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一定義光電導(dǎo)增益 電子在兩極間的渡越時間 第21頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一如果定義 則有以上分析，對光敏電阻的設(shè)計和選用很有指導(dǎo)意義。 二、響應(yīng)時間光電導(dǎo)張馳過程 非平衡載流子的產(chǎn)生與復(fù)合都不是立即完成的，需要一定的時間。第22頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一半導(dǎo)體材料受階躍光照： 受光時t=0時，停光時t=0時,（光照下的穩(wěn)態(tài)值）光電導(dǎo)張馳過程的時間常數(shù)就是載流子的壽命第23頁

9、，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一2.半導(dǎo)體材料受正弦型光照（即正弦調(diào)制光）:可得出當(dāng) 上限截止頻率帶寬第24頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一光電導(dǎo)增益與帶寬之積為一常數(shù)： 這一結(jié)論有一定的普遍性： 它表示材料的光電靈敏度與頻率帶寬是相互制約的。3.1.2.3 光伏效應(yīng)光照射到半導(dǎo)體PN結(jié)上，光子在結(jié)區(qū)激發(fā)出電子-空穴對。 P區(qū)、N區(qū)兩端產(chǎn)生電位差光電動勢 第25頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一一、熱平衡狀態(tài)下的PN結(jié)由第一章已知，在熱平衡狀態(tài)下，由于自建場的作用，PN結(jié)能帶發(fā)生彎曲。由式（3.7）、（3.8）可得出第26頁，

10、共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一 在室溫下， 得出在一定溫度下，PN結(jié)兩邊的摻雜濃度愈高，材料的禁帶愈寬，UD愈大。第27頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一以上兩式表明：PN結(jié)兩邊少數(shù)載流子與多數(shù)載流子之間的關(guān)系。熱平衡狀態(tài)下，PN結(jié)中漂移運動等于擴散運動，凈電流為零。當(dāng)在PN結(jié)兩端外加電壓U，使勢壘高度由qUD變?yōu)閝(UDU)，引起多數(shù)載流子擴散時，少數(shù)載流子產(chǎn)生增量np、pn，有關(guān)系式：第28頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一擴散電流密度 第29頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一則流過PN結(jié)的電流密度為第

11、30頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一PN結(jié)電流方程為PN結(jié)導(dǎo)電特性： 正向偏置，電流隨著電壓的增加急劇上升。 反向偏置，電流為反向飽和電流。熱平衡狀態(tài) ，I=0二、光照下的PN結(jié)產(chǎn)生電子-空穴對。 第31頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一在自建電場作用下， 光電流I的方向與I0相同。光照下PN結(jié)的電流方程為短路(RL0)情況,U=0 短路電流為光照下PN結(jié)的兩個重要參量: 開路(RL)情況,I=0開路電壓為第32頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一3.1.2.4 光電發(fā)射效應(yīng)光照到某些金屬或半導(dǎo)體材料上，若入射的光子能量足夠大，

12、致使電子從材料中逸出，稱為光電發(fā)射效應(yīng)，又稱外光電效應(yīng)。 愛因斯坦定律 當(dāng)hW，對應(yīng)的光波長為閾值波長或長波限。 第33頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一金屬材料的電子逸出功 W 從費米能級至真空能級的能量差。 半導(dǎo)體材料的電子逸出功 良好的光電發(fā)射體，應(yīng)該具備的基本條件： 光吸收系數(shù)大；光電子逸出深度大 ；表面勢壘低 。第34頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一金屬光電發(fā)射的量子效率都很低,且大多數(shù)金屬的光譜響應(yīng)都在紫外或遠(yuǎn)紫外區(qū)。半導(dǎo)體光電發(fā)射的量子效率遠(yuǎn)高于金屬：光電發(fā)射的過程是體積效應(yīng)，表面能帶彎曲降低了電子逸出功，特別是負(fù)電子親和勢材料(NE

13、A)。 第35頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一P型Si的光電子需克服的有效親和勢為由于能級彎曲，使這樣就形成了負(fù)電子親和勢。正電子親和勢材料的閾值波長 負(fù)電子親和勢材料的閾值波長 從而光譜響應(yīng)可擴展到可見、紅外區(qū)。 第36頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一3.1.3 光探測器的噪聲光探測器在光照下輸出的電流或電壓信號是在平均值上下隨機起伏，即含有噪聲。 用均方噪聲表示噪聲值的大小。 噪聲的功率譜表示噪聲功率隨頻率的變化關(guān)系。 光探測器中固有噪聲主要有：熱噪聲、散粒噪聲、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲、1/f噪聲、溫度噪聲。第37頁，共68頁，2022年，5月20日

14、，5點14分，星期一、熱噪聲熱噪聲存在于任何導(dǎo)體與半導(dǎo)體中，是由于載流子的熱運動而引起的隨機起伏。 熱噪聲屬于白噪聲，降低溫度和通帶，可減少噪聲功率。 二、散粒噪聲在光子發(fā)射、電子發(fā)射、電子流中存在的隨機起伏 。散粒噪聲也屬于白噪聲。第38頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一三、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲在半導(dǎo)體器件中，載流子不斷地產(chǎn)生-復(fù)合，使得載流子濃度存在隨機起伏。四、1/f噪聲是一種低頻噪聲，幾乎所有探測器中都存在。 多數(shù)器件的1/f噪聲在200300Hz以上已衰減為很低水平。第39頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一五、溫度噪聲在光熱探測器中，由于器件本身

15、吸收和傳導(dǎo)等熱交換引起的溫度起伏。低頻時 也具有白噪聲性質(zhì)。光電探測器噪聲功率譜綜合示意圖第40頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一3.1.4 光探測器的性能參數(shù)一、光電特性和光照特性光電流I,大小為微安級或毫安級。 光電特性 光照特性 線性度很重要。 二、光譜特性第41頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一光譜特性決定于光電器件的材料。 光譜特性對選擇光電器件和光源有重要意義，應(yīng)盡量使二者的光譜特性匹配。光電器件的靈敏度（響應(yīng)率）光譜靈敏度積分靈敏度 積分靈敏度不但與探測器有關(guān)，而且與采用的光源有關(guān)。 第42頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14

16、分，星期一三、等效噪聲功率和探測率等效噪聲功率 探測器的最小可探測功率 （噪聲功率水平） 等效噪聲功率越小，說明探測器本身的噪聲水平低，探測器的性能越好。 用探測率D作為探測器探測能力的指標(biāo): 第43頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一探測率D表明探測器探測單位入射輻射功率時的信噪比，其值越大越好。歸一化等效噪聲功率為歸一化探測率為在給出時，常要標(biāo)記出它們的測量條件 如D*(500K,800,50)。 第44頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一四、響應(yīng)時間與頻率特性如同光電導(dǎo)馳豫，光探測器對信號光的響應(yīng)表現(xiàn)出惰性。對于矩形光脈沖信號，其響應(yīng)出現(xiàn)上升沿和下

17、降沿，響應(yīng)時間。對于正弦型調(diào)制光，響應(yīng)率隨頻率升高而降低 。響應(yīng)時間越小，頻率特性越好。第45頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一3.2 光熱探測器3.2.1 熱敏電阻 由Mn、Ni、Co、Cu氧化物或Ge、Si、InSb等半導(dǎo)體做成的電阻器，其阻值隨溫度而變化，稱為熱敏電阻。 當(dāng)它們吸收了光輻射，溫度發(fā)生變化，從而引起電阻的阻值相應(yīng)改變，將引起回路電流或電壓的變化，這樣就可以探測入射光通量。第46頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一正溫度系數(shù) 負(fù)溫度系數(shù)3.2.2 熱釋電探測器熱釋電探測器探測率高，是光熱探測器中性能最好的。一、工作原理基于熱電晶體的熱

18、釋電效應(yīng)。 熱電晶體是壓電晶體中的一種，它具有自發(fā)極化的特性。存在宏觀的電偶極矩，面束縛電荷密度等于自發(fā)極化矢量Ps。 第47頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一 當(dāng)用斬波器調(diào)制入射光，使矩形光脈沖（周期小于Q的平均壽命）作用到熱電晶體表面的黑吸收層上，交變的T使得晶體表面始終存在正比于入射光強的極化電荷。這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。 熱釋電探測器只能探測調(diào)制和脈沖輻射。 熱釋電器件的基本結(jié)構(gòu):是一個以熱電晶體為電介質(zhì)的平板電容器，Ps 的方向垂直于電容器的極板平面。 為熱釋電系數(shù) 第48頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一二、基本電路如果把輻射通量為的光照

19、射到熱釋電器件光敏面上，則其溫升為 由它引起熱釋電電量變化第49頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一從而產(chǎn)生的電流為輸出電壓為電壓響應(yīng)率為第50頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一，也等于零，即不能響應(yīng)恒定輻射 。高頻時，響應(yīng)很差。熱釋電探測器 適于接收低頻調(diào)制光，約20HZ左右。三、熱釋電器件的主要材料常用的熱電晶體材料有：硫酸三甘肽（TGS）鉭酸鋰（LiTaO3）等。還有一些陶瓷材料如鈦鋯酸鉛（PZT）等。 不論哪種材料，都有一個特定溫度，稱居里溫度。只有低于居里溫度，材料才有自發(fā)極化性質(zhì)。 第51頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星

20、期一應(yīng)使器件工作于離居里溫度稍遠(yuǎn)一點，熱釋電系數(shù)變化較平穩(wěn)的區(qū)段。熱釋電敏感元件都作成薄片,以降低熱容量。薄片的兩個面分別有正負(fù)電極，受光面有黑化吸收層。 為提高響應(yīng)率：第52頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一3.3 光電探測器3.3.1 光電導(dǎo)器件典型的光電導(dǎo)器件是光敏電阻。 第53頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一、光敏電阻材料與電阻結(jié)構(gòu) 現(xiàn)在使用的光電導(dǎo)材料有-、-族化合物、硅、鍺等，以及一些有機物。目前大都使用N型半導(dǎo)體光敏電阻。本征半導(dǎo)體： 摻雜半導(dǎo)體： 摻雜半導(dǎo)體光敏電阻的長波限大于本征半導(dǎo)體光敏電阻，因而它對紅外波段較為敏感。第54頁，

21、共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一光敏面作成蛇形， 電極作成梳狀， 有利于提高靈敏度。 二、光敏電阻的主要特性1.光電特性約為1； 在0.51之間 電阻結(jié)構(gòu)第55頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一在弱光照下，如L100lx時，GPL則為非線性關(guān)系。 為方便表達(dá)，仍可用關(guān)系式：但Sg不是常數(shù)：流過光敏電阻的亮電流第56頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一2.光譜特性1硫化鎘單晶2硫化鎘多晶3硒化鎘單晶4硫化鎘與硒化鎘 混合多晶 對紅外光靈敏的 光敏電阻 對可見光靈敏的光敏電阻 第57頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期

22、一3.頻率特性光敏電阻在一定的光照下阻值穩(wěn)定。 它因高度的穩(wěn)定性 而廣泛地應(yīng)用在 自動化技術(shù)中。光敏電阻的頻率特性差，不適于接收高頻光信號。4.伏安特性1硒； 2硫化鎘3硫化鉈；4硫化鉛第58頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一5.溫度特性光敏電阻的特性參數(shù)受溫度的影響較大，而且這種變化沒有規(guī)律。在要求高的裝置中，必須采用冷卻裝置。 第59頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一6.前歷效應(yīng)暗態(tài)前歷效應(yīng) 亮態(tài)前歷效應(yīng) 第60頁，共68頁，2022年，5月20日，5點14分，星期一7.噪聲在紅外探測中，采用光調(diào)制技術(shù)，8001000HZ時可以消除1/f噪聲和產(chǎn)生-復(fù)合噪聲。 光敏電阻優(yōu)點： 光譜響