光電探測器原理

光電探測器功能及應(yīng)用表征光電探測器性能參數(shù)主要有：量子效率、響應(yīng)度、頻率響應(yīng)、噪聲和探測度等。其中量子效率和響應(yīng)度表征了光電探測器將入射光轉(zhuǎn)換成光電流本領(lǐng)的大小，頻率響應(yīng)表征了光電探測器工作速度的快慢，噪聲和探測度表征了光電探測器所能探測到最小的入射光能量。一、有關(guān)響應(yīng)方面的性能參數(shù)響應(yīng)率(Responsivity)RV或RI表征探測器將入射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的能力電流的響應(yīng)率RI：探測器將入射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)Ie的能力。電壓響應(yīng)率RV：探測器將入射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)Ve的能力。單色靈敏度RA---波長為l的單色輻射源單色靈敏度：輸出的光電流認(rèn)與波長為入的入射到探測器的單色輻射光通量P^(或照度)之比積分靈敏度---復(fù)色輻射源表示探測器對(duì)連續(xù)入射光輻射的反應(yīng)靈敏程度響應(yīng)時(shí)間描述光電器件對(duì)入射輻射響應(yīng)快慢的參數(shù)頻率響應(yīng)度二、有關(guān)噪聲方面的參數(shù)信噪比信噪比是判定噪聲大小通常使用的參數(shù)。它是在負(fù)載電阻RL上產(chǎn)生的信號(hào)功率與噪聲功率之比，(S――SignalN――Noise)噪聲等效功率(NEP)探測率與比探測率三、其它參數(shù)量子效率描述光電轉(zhuǎn)換器件光電轉(zhuǎn)換能力的一個(gè)重要參數(shù)線性度線性度是描述光電探測器輸出信號(hào)與輸入信號(hào)保持線性關(guān)系的程度。工作參數(shù)為了提高傳輸效率并且無畸變地變換光電信號(hào)，就要使相互連接的各器件都處于最佳的工作狀態(tài)，所以光電探測器要與被測信號(hào)、光學(xué)系統(tǒng)以及后續(xù)的電子線路在特性和工作參數(shù)上相匹配。1、靈敏度（或稱響應(yīng)度）靈敏度RV（或RI）的定義為：探測器輸出電壓VS（或輸出電流IS）與輸入光功率P之比。由于靈敏度與入射光波長關(guān)系密切。入射波長不同，探測器的靈敏度也不同，所以一般還須給出靈敏度的光譜響應(yīng)特性。在光譜響應(yīng)特性曲線中，探測器的光譜響應(yīng)范圍是峰值靈敏度下降一半時(shí)的波長范圍。但對(duì)具體器件的光譜響應(yīng)范圍的定義可能不同，例如對(duì)光電倍增管的定義為下降到峰值靈敏度的1%或0.1%的波長范圍。量子效率是從光的量子特性出發(fā)來定義靈敏度，表示單位時(shí)間內(nèi)流出探測器件的電子流與入射光子流之比。靈敏度也常稱作響應(yīng)度，是光電探測器光電轉(zhuǎn)換特性，光電轉(zhuǎn)換的光譜特性以及頻率特性的量度.光電流A或光電壓M）和入射光功率P之間的關(guān)系i=f（P）,田i光電特性.W為這個(gè)曲線的斜率，即有些教材采用楸安有些教材采用楸安/流明（線性區(qū)內(nèi)）（伏/瓦）Rj和犬"分別稱為積分電流和積分電壓靈敏度，i和H禰為電表測量的電流、電壓有效值"光功率P是指分布在某一光譜范圍內(nèi)的總功率*刁吃頊L2、噪聲等效功率（NEP）NEP定義為：探測信噪比S/N=1時(shí)（信噪比是指信號(hào)的峰峰值和噪聲的有效值之比），入射到探測器上的信號(hào)光功率。它表示探測器的噪聲電平和探測器對(duì)微弱光信號(hào)的探測能力。由于噪聲電平與測量帶寬的根號(hào)成正比，所以NEP規(guī)定在1Hz帶寬條件下的測量結(jié)果。NEP越小，則探測器的探測靈敏度越高。3、探測率D探測率D定義為NEP的倒數(shù)，這樣D越大表明探測器的靈敏度越高。它表示單位入射輻射功率所產(chǎn)生的信噪比，當(dāng)然，D值越大，表示器件的探測性能越好。任何探測器都有噪聲，比噪聲起伏平均值更小的信號(hào)實(shí)際上檢測不出來。產(chǎn)生如噪聲那樣大的信號(hào)所需的輻射功率，稱為探測器能探測的最小輻射功率，或稱等效噪聲功率。有時(shí)用探測率描述探測器的靈敏度。除此之外，還有一些重要的指標(biāo)，如反映探測器噪聲電平的暗電流Id，探測器的接收截面Ad（會(huì)影響靈敏度和時(shí)間響應(yīng)），探測器隨溫度的變化特性，半導(dǎo)體光電探測器的結(jié)電容（決定了時(shí)間響應(yīng)），以及最大反偏電壓、光照功率允許范圍等，在使用時(shí)都必須注意的。主要應(yīng)用：單光子探測技術(shù)。通過記錄逐個(gè)單光子產(chǎn)生的脈沖數(shù)目來檢測及其微弱的光信號(hào)。正電子發(fā)射掃描儀。光電倍增管與閃爍體組合七射線，確定患者體內(nèi)碎滅電子的位置，而得到CT像。光電導(dǎo)探測：利用了光電導(dǎo)效應(yīng)，即由輻射引起被照射材料電導(dǎo)率改變的一種物理現(xiàn)象（是內(nèi)光電效應(yīng)的一種）。光伏探測器：利用半導(dǎo)體PN結(jié)光伏效應(yīng)制成的器件。

pn結(jié)中電子向P區(qū)，空穴向n區(qū)擴(kuò)散，使p區(qū)帶負(fù)電，n區(qū)帶正電，形成由不能移動(dòng)離子組成的空間電荷區(qū)（耗盡區(qū)），同時(shí)出現(xiàn)由耗盡層引起的內(nèi)建電場，使少子漂移，并阻止電子和空穴繼續(xù)擴(kuò)散，達(dá)到平衡。在熱平衡下，由于pn結(jié)中漂移電流等于擴(kuò)散電流，凈電流為零。如果有外加電壓時(shí)結(jié)內(nèi)平衡被破壞，這時(shí)流過pn結(jié)的電流方程為：板流過pn結(jié)的電流。Jc：PK結(jié)的反向飽和電流（暗電流）。V：加在PN結(jié)上的正典型產(chǎn)品與應(yīng)用。光電探測器是一種能夠?qū)⒐廨椛滢D(zhuǎn)換成電量的一個(gè)器件，它利用這個(gè)特性可以進(jìn)行顯示及控制的功能。光電探測器種類繁多，不勝枚舉。原則上講，只要受到光照射后其物理性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化的任何材料都可以用來制作光電探測器?，F(xiàn)在廣泛使用的光電探測器是利用光電效應(yīng)工作的，光電效應(yīng)分為兩類：內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)。它的用途比較廣泛，主要應(yīng)用在軍事及國名經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域上。1，軍事方面：由于現(xiàn)代軍事對(duì)精確作戰(zhàn)情報(bào)的需要，光電探測器在此發(fā)揮了它極大的優(yōu)勢，期中有：激光雷達(dá)：是激光技術(shù)與現(xiàn)代光電探測技術(shù)相結(jié)合的一種探測方式。在軍事方面廣泛應(yīng)用。由發(fā)射器、天線、接收器、跟蹤架、信息處理等構(gòu)成。其中發(fā)射器是激光器，如半導(dǎo)體激光器等。天線是望遠(yuǎn)鏡。接收器則是光電探測器，如雪崩光電二極管等。如美國的彈道導(dǎo)彈防御激光雷達(dá)，經(jīng)研究表明，當(dāng)被動(dòng)紅外系統(tǒng)、激光雷達(dá)相結(jié)合時(shí)，根據(jù)連續(xù)的紅外方位和俯仰測量結(jié)果與激光雷達(dá)的精確距離測量數(shù)據(jù)，可使目標(biāo)彈道估算迅速收斂，使彈道估算誤差成數(shù)量級(jí)地下降。障礙回避激光雷達(dá)。激光雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是可以精確目標(biāo)的位置、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、形狀等特征，進(jìn)而進(jìn)行探測、識(shí)別、跟蹤。此外，該項(xiàng)技術(shù)反應(yīng)時(shí)間短，能部分穿過水體等特點(diǎn)，為它在各領(lǐng)域的應(yīng)用，開闊了路徑。各種光電探測器的性能比較和功能提升帶1、各種光電探測器的性能比較在動(dòng)態(tài)特性（即頻率響應(yīng)與時(shí)間響應(yīng)）方面，以光電倍增管和光電二極管（尤其是PIN管與雪崩管）為最好；在光電特性（即線性）方面，以光電倍增管、光電二極管和光電池為最好；在靈敏度方面，以光電倍增管、雪崩光電二極管、光敏電阻和光電三極管為最好。值得指出的是，靈敏度高不一定就是輸出電流大，而輸出電流大的器件有大面積光電池、光敏電阻、雪崩光電二極管和光電三極管；外加偏置電壓最低的是光電二極管、光電三極管，光電池不需外加偏置；在暗電流方面，光電倍增管和光電二極管最小，光電池不加偏置時(shí)無暗電流，加反向偏置后暗電流也比光電倍增管和光電二極管大；長期工作的穩(wěn)定性方面，以光電二極管、光電池為最好，其次是光電倍增管與光電三極管；在光譜響應(yīng)方面，以光電倍增管和CdSe光敏電阻為最寬，但光電倍增管響應(yīng)偏紫外方向，而光敏電阻響應(yīng)偏紅外方向。2、光電探測器功能上的提升現(xiàn)下的金屬探測器除了基本的探測警報(bào)功能外，一般都會(huì)提供許多各廠商精心研發(fā)的特殊功能，如：地表平衡的功能：以利機(jī)器正確比對(duì)是否發(fā)現(xiàn)金屬物而非干擾；選取功能：利用不同金屬物體對(duì)磁場反應(yīng)差異特性來遴選或排除不同類別之金屬物件且警報(bào)提示深度的標(biāo)示，可以告知所探測到的金屬物體被埋藏的可能深度；面積的標(biāo)示：可以顯示探測到的金屬物體大小，提供操作人員研判是否符合開挖的需求；語音的提示：可以立刻以語音提醒操作人員，比如燈光的照明-提供燈光以利于夜間運(yùn)作。3、各種金屬探測器的實(shí)際用途按功能市場分析：全金屬探測器：能檢測到所有不同材質(zhì)的金屬雜質(zhì)，所以這款產(chǎn)品目前在全球市場來說，占有率是最高的，也比較受到各種用戶的喜愛。而且這款產(chǎn)品用途很廣，主要用于專門用于肉類、菌類、糖果、飲料、糧食、果蔬、乳制品、水產(chǎn)品、保健品、添加劑和調(diào)味品等食品中的鐵金屬以及非鐵金屬雜質(zhì)的檢測；用于化工原料、橡膠、塑膠、紡織品、皮革、化纖、玩具中的金屬雜質(zhì)檢測用于醫(yī)藥、保健品、生物制品、化妝品、禮品、包裝、紙品中的金屬雜質(zhì)；鐵金屬探測器，又叫“檢針機(jī)”“驗(yàn)針機(jī)”“過針機(jī)”這類產(chǎn)品只能用于檢測鐵金屬雜質(zhì)，主要用于服裝，紡織等縫制品行業(yè)，用于檢測縫制品生產(chǎn)過程中遺留中產(chǎn)品中的斷針。特別提醒：檢針機(jī)不能應(yīng)用于食品行業(yè)，因?yàn)闄z針機(jī)主要靠物理磁場和電磁場磁力檢測，（檢針機(jī)的探測頭里面是磁鐵），檢針機(jī)的靈敏度會(huì)隨著磁鐵的磁性減弱而降低，所以這款設(shè)備使用壽命較短，再加上檢針機(jī)只能檢測鐵金屬，現(xiàn)在市場上面臨淘汰的局面；鋁箔金屬探測器：主要用于檢測鋁膜或者鋁伯包裝的產(chǎn)品。工來生產(chǎn)中的很多藥品，食品都用鋁膜或者鋁伯包裝，只能用這類設(shè)備來檢測。目前這款產(chǎn)品技術(shù)水平比較高，價(jià)格比較昂貴。一般價(jià)格在三十萬以上。按用途來劃分：手持金屬探測器：最早應(yīng)用于機(jī)場，車間，碼頭，傳揚(yáng)，場館的公共安檢；工業(yè)上主要用于防止企業(yè)含量有金屬萬分的產(chǎn)品流失；最近幾年在中國市場也應(yīng)用在各種考試當(dāng)要，防止考生作弊。比如高考，研究生考試，公務(wù)員考試等。地下金屬探測器：最早應(yīng)用在軍事中的掃雷；考古中探測文物，探險(xiǎn)中的探寶；現(xiàn)在地下金屬探測器主要用于金屬材料的探測，目前全國擁有一支使用地下金屬探測器探測，挖掘廢舊金屬的探測大軍。輸送式金屬探測器：主要用于檢測體積比較小的產(chǎn)品，以及小型袋裝，箱裝工業(yè)產(chǎn)品，可以連接生產(chǎn)線，并實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。是目前國內(nèi)應(yīng)用最多的一類產(chǎn)品。4）下落式金屬探測器：主要用于檢測粉狀，小顆粒顆粒狀產(chǎn)品。主要用于塑料，橡膠行業(yè)。管道