第四章(附) 紅外輻射探測器

第四章

紅外輻射探測器

1教學(xué)目的：對各種輻射源的了解在紅外物理技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐和工程設(shè)計(jì)中起著非常重要的作用。本章討論了作為標(biāo)準(zhǔn)用于校準(zhǔn)的黑體型輻射源。隨后討論了實(shí)驗(yàn)室常用的電熱固體輻射源、氣體放電輻射源、紅外激光器等其他標(biāo)準(zhǔn)輻射源。教學(xué)方法：面授教學(xué)手段：板書學(xué)時(shí)分配：6重點(diǎn)、難點(diǎn)：1.重點(diǎn)掌握黑體輻射源的空腔輻射理論和腔體結(jié)構(gòu)。2.對電熱固體輻射源、氣體放電輻射源、紅外激光器的特性有必要的了解。2熱紅外探測器3熱電傳感器是基于某些物理效應(yīng)將溫度的變化轉(zhuǎn)換為電量變化的一種檢測裝置參數(shù)。常見的熱電傳感器有熱電偶、熱電阻和熱釋電三大類型。4一、熱電偶

1．熱電效應(yīng)

圖

兩種不同材料組成的熱電偶5(1)接觸電勢據(jù)塞貝克效應(yīng)，在接觸面(接點(diǎn))的溫度為T和T0時(shí)，其接觸電勢的表達(dá)式為6在熱電偶回路中，總接觸電勢為

(2)溫差電勢(湯姆遜效應(yīng))溫差電勢是由子熱電極的兩端溫度不同，即存在著溫度梯度而產(chǎn)生的電勢。7電子由溫度高的T端向溫度低的T0端擴(kuò)散，使得T端失去一些電子而帶正電荷，T0得到一些電子而帶負(fù)電荷，兩端便有一定的電位差:8在熱電偶回路中，總的溫差電勢為

(3)熱電偶的總熱電勢9(4)熱電偶熱電勢的幾點(diǎn)結(jié)論

(a)熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢的大小與熱電極的長度和直徑無關(guān)，只與熱電極材料的成分和兩端的溫度有關(guān)。(b)兩個相同成分材料的熱電極，不能構(gòu)成熱電偶。因?yàn)椴牧铣煞窒嗤?，則總電勢也為零。(c)熱電偶兩端(結(jié)點(diǎn))的溫度相同時(shí)，總的熱電勢也為零。(d)熱電偶的兩個電極的材料確定以后，熱電偶的熱電勢與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。10

(e)珀?duì)柼?Peltier)效應(yīng):兩種不同導(dǎo)體A和B組成電路且通有直流電時(shí)，在一個接頭處會釋放出某種熱量，而在另一接頭處則吸收熱量，這種現(xiàn)象是可逆的，改變電流方向時(shí)吸熱和放熱的接頭也隨之改變，這就是熱電制冷的原理。11二、熱敏電阻熱敏電阻——由Mn、Ni、Co、Cu氧化物，或Ge、Si、InSb等半導(dǎo)體材料做成的電阻器，其阻值隨溫度而變化。電阻隨溫度變化的規(guī)律：熱敏電阻的溫度系數(shù)

正溫度系數(shù)——負(fù)溫度系數(shù)——12(1)熱敏電組的特點(diǎn)熱敏電阻是用半導(dǎo)體材料制成的熱敏器件。按物理特性，可分為三類：(a)負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)；(b)正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)；(c)臨界溫度系數(shù)熱敏電阻(CTR)。13熱敏電阻優(yōu)點(diǎn)：(a)電阻溫度系數(shù)較金屬熱電阻大，其絕對值大4—9倍(b)電阻率大，故可制成極小尺寸的感溫元件。適用于快速測量(c)構(gòu)造簡單，可以根據(jù)不同要求制成各種適用的形狀(d)機(jī)械性能好，使用壽命長。熱敏電阻的缺點(diǎn)復(fù)現(xiàn)性和互換性差。與顯示儀表配套成測溫儀表時(shí)幾乎全要單獨(dú)標(biāo)定刻度。目前使用的熱敏電阻其測溫上限還不太高，約在300℃以下。14三、熱釋電紅外傳感器及其應(yīng)用熱釋電紅外傳感器是一種被動式調(diào)制型溫度敏感器件，利用熱釋電效應(yīng)工作，它是通過目標(biāo)與背景的溫差來探測目標(biāo)的。其響應(yīng)速度雖不如光子型，但由于它可在室溫下使用、光譜響應(yīng)寬、工作頻率寬，靈敏度與波長無關(guān)，容易使用。這種探測器，靈敏度高，探測面廣，是一種可靠性很強(qiáng)的探測器。因此廣泛應(yīng)用于各類入侵報(bào)警器，自動開關(guān)、非接觸測溫、火焰報(bào)警器等。15熱釋電效應(yīng)

在晶體中有一種晶體為熱電晶體。這種晶體具有自發(fā)極化的特性。所謂自發(fā)極化就是在自然條件下晶體的某些分子正負(fù)電荷中心不重合，形成一個固有的偶極矩，在垂直極軸的兩個端面上就會造成大小相等、符號相反的面束縛電荷。16在溫度變化時(shí)。晶體中離子間的距離和鏈角發(fā)生變比，從而使偶極矩發(fā)生變化，也就是自發(fā)極化強(qiáng)度和面束縛電荷發(fā)生變化，在垂直于極軸的兩個端面之間出現(xiàn)極小的電壓變化，即產(chǎn)生了熱釋電效應(yīng)。17熱釋電器件的性能①響應(yīng)度。18

②噪聲。器件的噪聲來源于兩部分。一部分是輻射場的起伏引起的器件溫度隨機(jī)起伏而出現(xiàn)的噪聲。屬于白噪聲。另一部分是由等效電路中的電阻所產(chǎn)生的熱噪聲。通常將熱釋電探測器和放大器組裝在一起，所以實(shí)際的輸出噪聲中包含放大器噪聲。

③響應(yīng)時(shí)間和探測度。熱釋電探測器對高速突變的輻射有較快速的響應(yīng)，如對激光脈沖作出響應(yīng)，但是對周期性調(diào)制頻率信號仍不能有足夠高的響應(yīng)。19熱電材料的特性參數(shù)①熱電系數(shù)P熱電系數(shù)是指自發(fā)極化強(qiáng)度隨溫度T的變化率，即②介電常數(shù)ε

熱電晶體的介電常數(shù)是反映介質(zhì)極化行為的一個宏觀物理量。熱電晶體中的介電常數(shù)隨晶軸方向、電場和溫度而變化，對于單晶材料還與極軸有關(guān)，因此介電常數(shù)通常指常溫、弱電場強(qiáng)度情況下極軸方向的介電常數(shù)。介電常數(shù)大，電時(shí)間常數(shù)也大，影響器件的中高頻性能。③居里溫度2021目前生產(chǎn)有單元、雙元、四元、180°等傳感器和帶有PCB控制電路的傳感器。常用的熱釋電探測器如：硫酸三甘鈦（TGS）探測器、鈮酸鍶鋇（SBN）探測器、鉭酸鋰（LiTaO3）探測器、鋯鈦酸鉛（PZT）探測器等。

1.熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)常見的熱釋電紅外傳感器的外形如上圖所示。常見熱釋電紅外傳感器的外形22熱釋電傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)⑴敏感元敏感元用紅外熱釋電材料—鋯鈦酸鉛(PZT)制成，經(jīng)極化處理后，其剩余極化強(qiáng)度隨溫度T升高而下降。制作敏感元件時(shí)，將熱釋電材料制成很小熱釋電紅外傳感器傳感器由敏感元、場效應(yīng)管、高阻電阻等組成，并向殼內(nèi)充入氮?dú)夥庋b起來，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如右圖所示。23的薄片，再在薄片兩面鍍上電極，構(gòu)成兩個串聯(lián)的、有極性的小電容。把兩個極性相反的熱釋電敏感元做在同一晶片上，由于溫度的變化影響整個晶片產(chǎn)生溫度變化時(shí)，兩個敏感元產(chǎn)生的熱釋電信號互相抵消，起到補(bǔ)償作用。

傳感器內(nèi)部接線圖24(2)菲涅耳透鏡使用熱釋電傳感器時(shí)，通常要在使用菲涅爾透鏡將外來紅外輻射通過透鏡會聚光于一個傳感元上，它產(chǎn)生的信號不會被抵消。熱釋電傳感器的持點(diǎn)是它只在由于外界的輻射而引起它本身的溫度變化時(shí)，才會給出一個相應(yīng)的電信號，當(dāng)溫度的變化趨于穩(wěn)定后，就再沒有信號輸出，即熱釋電信號與它本身的溫度的變化率成正比。因此，熱釋電傳感器只對運(yùn)動的人體或物體敏感。25紅外濾光片透射曲線⑶濾光片(FT)PZT制成的敏感元件是一種廣譜材料，能探測各種波長輻射。為了使傳感器對人體最敏感，而對太陽、電燈光等有抗干擾性，傳感器采用了濾光片作窗口。濾光片是在Si基片上鍍多層膜制成的。紅外濾光片選取了7.5～14μm波段，能有效地選取人體的紅外輻射。紅外濾光片透射曲線如上圖所示。由圖可見，小于6.5μm的光銳減至0，6.5～15.0μm的輻射，其透射率達(dá)60％以上，因此，F(xiàn)T可以有效地防止、抑制電燈、太陽光的干擾，但對電燈發(fā)熱引起的紅外輻射光有時(shí)也能產(chǎn)生誤動作。熱釋電傳感器常用于防盜報(bào)警、自動門、自動燈等。262.熱釋電紅外傳感器的應(yīng)用⑴人體探測／防盜報(bào)警器①菲涅爾透鏡(FRESNELLENS)

熱釋電傳感器的前面要加菲涅爾透鏡才能增加探測距離。菲涅爾透鏡是一種由塑料制成的特殊設(shè)計(jì)的透鏡組，它上面的每個單元透鏡一般都只有一個不大的視場，而相鄰的兩個單元透鏡的視場既不連續(xù)，也不重疊，都相隔一個盲區(qū)。它的外型如下圖所示。27菲涅爾透鏡的視場的側(cè)視圖和俯視圖如下圖所示。當(dāng)人體在這一監(jiān)視范圍內(nèi)運(yùn)動時(shí)，順次地進(jìn)入某一單元透鏡的視場，又走出這一視場，熱釋電傳感器對運(yùn)動的人體一會兒看到，一會兒看不到，再過一會又看到，之后又看不到，于是人體的紅外輻射不斷地改變熱釋電的溫度，菲涅爾透鏡的視場使它輸出一個又一個相應(yīng)的信號。不加菲涅爾透鏡，探測距離僅為2m左右，加上菲涅爾透鏡后，其探測距離可達(dá)10米，若采用雙重反射型菲涅爾透鏡，其探測距離可達(dá)20m以上。28293031⑵集成紅外探測報(bào)警器

①被動紅外探測控制集成電路TWH9511TWH系列PIR(熱釋電傳感器)控制電路采用大規(guī)模CMOS數(shù)字電路及微型元件固化封裝，具有性能指標(biāo)高，一致性好，外圍電路簡單，安裝方便，無需調(diào)試等特點(diǎn)。該電路按信號輸出表10.1.1方式可分為三種：交流供電繼電器輸出型TWH9511；交流供電可控硅輸出型TWH9512；直流供電集電極輸出型TWH9513。32②電路工作原理：接通電源后，電路處于開機(jī)延時(shí)狀態(tài)，PIR傳感器加電預(yù)熱45秒，延時(shí)結(jié)束，電路進(jìn)入自動檢測狀態(tài)。如果有人進(jìn)入探測區(qū)，人體輻射的紅外線被PIR傳感器探測到，輸出幅度約1mV，頻率在0.3～7Hz(與人體移動速度及透鏡型號有關(guān))的微弱信號，此信號經(jīng)一組高頻濾波和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，饋入控制電路輸入端S，微弱信號由內(nèi)部兩級帶通選頻放大后送至窗口比較器進(jìn)行電壓比較，輸出觸發(fā)電平，此觸發(fā)信號通過一系列內(nèi)部系統(tǒng)計(jì)數(shù)、延時(shí)、控制處理及驅(qū)動電路，最后推動繼電器或可控硅，達(dá)到人體探測防盜報(bào)警的目的或?qū)崿F(xiàn)對自動門、照明燈的控制。33一般情況下，測溫對象是固定不動的，因此輻射溫度計(jì)采用斬光裝置使被測“熱源”以1Hz的頻率入射到熱釋電傳感器，其結(jié)構(gòu)示意圖如上圖所示。將熱釋電傳感器固定在一個開有窗口的盒子內(nèi)，窗口到傳感器間加斬光板，斬光板由慢速電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)，使傳感器按1Hz的頻率接收被測物體的輻射能(紅外線)。此外，盒內(nèi)還放置溫度補(bǔ)償二極管。⑶熱釋電紅外熱輻射溫度計(jì)34光子型紅外探測器35一、光電效應(yīng)是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量，從而產(chǎn)生的電效應(yīng)。光電傳感器的工作原理基于光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類1、外光電效應(yīng)

在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫做光電子?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。光子是具有能量的粒子，每個光子的能量：E=hνh—普朗克常數(shù)，6.626×10-34J·s；ν—光的頻率（s-1）36根據(jù)愛因斯坦假設(shè)，一個電子只能接受一個光子的能量，所以要使一個電子從物體表面逸出，必須使光子的能量大于該物體的表面逸出功，超過部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動能。外光電效應(yīng)多發(fā)生于金屬和金屬氧化物，從光開始照射至金屬釋放電子所需時(shí)間不超過10-9s。根據(jù)能量守恒定理

式中m—電子質(zhì)量；v0—電子逸出速度。該方程稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程。37光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0。不同的物質(zhì)具有不同的逸出功，即每一個物體都有一個對應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻率或波長限。光線頻率低于紅限頻率，光子能量不足以使物體內(nèi)的電子逸出，因而小于紅限頻率的入射光，光強(qiáng)再大也不會產(chǎn)生光電子發(fā)射；反之，入射光頻率高于紅限頻率，即使光線微弱，也會有光電子射出。當(dāng)入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比。即光強(qiáng)愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。光電子逸出物體表面具有初始動能mv02/2

，因此外光電效應(yīng)器件（如光電管）即使沒有加陽極電壓，也會有光電子產(chǎn)生。為了使光電流為零，必須加負(fù)的截止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。38當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率ρ發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類：

（1）光電導(dǎo)效應(yīng)在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。2、內(nèi)光電效應(yīng)39過程：當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，價(jià)帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價(jià)帶越過禁帶躍入導(dǎo)帶，如圖，使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價(jià)帶內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導(dǎo)率變大。導(dǎo)帶價(jià)帶禁帶自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價(jià)電子所占能帶Eg40材料的光導(dǎo)性能決定于禁帶寬度，對于一種光電導(dǎo)材料，總存在一個照射光波長限λ0，只有波長小于λ0的光照射在光電導(dǎo)體上，才能產(chǎn)生電子能級間的躍進(jìn)，從而使光電導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加。式中ν、λ分別為入射光的頻率和波長。為了實(shí)現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度Eg，即41（2）

光生伏特效應(yīng)在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)。

基于該效應(yīng)的光電器件有光電池和光敏二極管、三極管。

①勢壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）。

接觸的半導(dǎo)體和PN結(jié)中，當(dāng)光線照射其接觸區(qū)域時(shí)，便引起光電動勢，這就是結(jié)光電效應(yīng)。以PN結(jié)為例，光線照射PN結(jié)時(shí)，設(shè)光子能量大于禁帶寬度Eg，使價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生電子空穴對，在阻擋層內(nèi)電場的作用下，被光激發(fā)的電子移向N區(qū)外側(cè)，被光激發(fā)的空穴移向P區(qū)外側(cè)，從而使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，形成光電動勢。42②側(cè)向電光效應(yīng)

當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光不均勻時(shí)，有載流子濃度梯度將會產(chǎn)生側(cè)向電光效應(yīng)?；谠撔?yīng)的器件有半導(dǎo)體光電位置敏感探測器（PSD）43利用物質(zhì)在光的照射下發(fā)射電子的外光電效應(yīng)而制成的光電器件，一般都是真空的或充氣的光電器件，如光電管和光電倍增管。一、光電管及其基本特性光電管的結(jié)構(gòu)示意圖光陽極光電陰極光窗1.結(jié)構(gòu)與工作原理光電管有真空光電管和充氣光電管或稱電子光電管和離子光電管兩類。兩者結(jié)構(gòu)相似，如圖。它們由一個陰極和一個陽極構(gòu)成，并且密封在一只真空玻璃管內(nèi)。陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。第二節(jié)外光電效應(yīng)器件44

光電器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光譜特性、響應(yīng)時(shí)間、峰值探測率和溫度特性來描述。（1）

光電管的伏安特性2.主要性能在一定的光照射下，對光電器件的陰極所加電壓與陽極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性。光電管的伏安特性如圖所示。它是應(yīng)用光電傳感器參數(shù)的主要依據(jù)。光電管的伏安特性5020μlm40μlm60μlm80μlm100μlm120μlm100150200024681012陽極與末級倍增極間的電壓/VIA/μA45（2）

光電管的光照特性通常指當(dāng)光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時(shí)，光通量與光電流之間的關(guān)系為光電管的光照特性。其特性曲線如圖所示。曲線1表示氧銫陰極光電管的光照特性，光電流I與光通量成線性關(guān)系。曲線2為銻銫陰極的光電管光照特性，它成非線性關(guān)系。光照特性曲線的斜率（光電流與入射光光通量之間比）稱為光電管的靈敏度。光電管的光照特性255075100200.51.52.0Φ/1mIA/μA1.02.5146（3）光電管光譜特性

由于光陰極對光譜有選擇性，因此光電管對光譜也有選擇性。保持光通量和陰極電壓不變，陽極電流與光波長之間的關(guān)系叫光電管的光譜特性。一般對于光電陰極材料不同的光電管，它們有不同的紅限頻率υ0，因此它們可用于不同的光譜范圍。除此之外，即使照射在陰極上的入射光的頻率高于紅限頻率υ0，并且強(qiáng)度相同，隨著入射光頻率的不同，陰極發(fā)射的光電子的數(shù)量還會不同，即同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性。所以，對各種不同波長區(qū)域的光，應(yīng)選用不同材料的光電陰極。47二、光電倍增管及其基本特性

當(dāng)入射光很微弱時(shí)，普通光電管產(chǎn)生的光電流很小，只有零點(diǎn)幾μA，很不容易探測。這時(shí)常用光電倍增管對電流進(jìn)行放大，下圖為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。1.結(jié)構(gòu)和工作原理由光陰極、次陰極(倍增電極)以及陽極三部分組成。光陰極是由半導(dǎo)體光電材料銻銫做成；次陰極是在鎳或銅-鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料而形成的，次陰極多的可達(dá)30級；陽極是最后用來收集電子的，收集到的電子數(shù)是陰極發(fā)射電子數(shù)的105~106倍。即光電倍增管的放大倍數(shù)可達(dá)幾萬倍到幾百萬倍。光電倍增管的靈敏度就比普通光電管高幾萬倍到幾百萬倍。因此在很微弱的光照時(shí)，它就能產(chǎn)生很大的光電流。48光電倍增管1個光電子可產(chǎn)生106～107個電子49高壓極性：可以使陰極處于地電位，便于屏蔽，暗電流小，噪聲低。但陽極處于正高壓，寄生電容大，匹配電纜連接復(fù)雜。若后接直流放大器，整個電路處于高壓不安全，若接交流放大器，需耐壓很高的隔直電容器，體積大且成本高。多數(shù)高壓倍增管，將陽極接地而陰極工作在負(fù)高壓，負(fù)高壓容易和處在地電位的磁屏蔽之間發(fā)生放電而引起噪音。可在兩者之間增設(shè)一層和陰極同電位的電極層，將放電排除在真空管以外。50（1）倍增系數(shù)M

倍增系數(shù)M等于n個倍增電極的二次電子發(fā)射系數(shù)δ的乘積。如果n個倍增電極的δ都相同，則M=因此，陽極電流I為

I=·

ii—光電陰極的光電流光電倍增管的電流放大倍數(shù)β為

β=I/i=M與所加電壓有關(guān)，M在105~108之間，穩(wěn)定性為1％左右，加速電壓穩(wěn)定性要在0.1％以內(nèi)。如果有波動，倍增系數(shù)也要波動，因此M具有一定的統(tǒng)計(jì)漲落。一般陽極和陰極之間的電壓為1000~2500V，兩個相鄰的倍增電極的電位差為50~100V。對所加電壓越穩(wěn)越好，這樣可以減小統(tǒng)計(jì)漲落，從而減小測量誤差。2.主要參數(shù)51103104105106255075100125極間電壓/V放大倍數(shù)光電倍增管的特性曲線52（2）光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度一個光子在陰極上能夠打出的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的陰極靈敏度。而一個光子在陽極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的總靈敏度。光電倍增管的最大靈敏度可達(dá)10A/lm，極間電壓越高，靈敏度越高；但極間電壓也不能太高，太高反而會使陽極電流不穩(wěn)。另外，由于光電倍增管的靈敏度很高，所以不能受強(qiáng)光照射，否則將會損壞。53（3）暗電流和本底脈沖一般在使用光電倍增管時(shí)，必須把管子放在暗室里避光使用，使其只對入射光起作用；但是由于環(huán)境溫度、熱輻射和其它因素的影響，即使沒有光信號輸入，加上電壓后陽極仍有電流，這種電流稱為暗電流，這是熱發(fā)射所致或場致發(fā)射造成的，這種暗電流通?？梢杂醚a(bǔ)償電路消除。如果光電倍增管與閃爍體放在一處，在完全蔽光情況下，出現(xiàn)的電流稱為本底電流，其值大于暗電流。增加的部分是宇宙射線對閃爍體的照射而使其激發(fā)，被激發(fā)的閃爍體照射在光電倍增管上而造成的，本底電流具有脈沖形式。54光電倍增管的光照特性與直線最大偏離是3%10－1310－1010－910－710－510－310－1在45mA處飽和10－1410－1010－610－2光通量/1m陽極電流/A（4）光電倍增管的光譜特性

光譜特性反應(yīng)了光電倍增管的陽極輸出電流與照射在光電陰極上的光通量之間的函數(shù)關(guān)系。對于較好的管子，在很寬的光通量范圍之內(nèi)，這個關(guān)系是線性的，即入射光通量小于10-4lm時(shí)，有較好的線性關(guān)系。光通量大，開始出現(xiàn)非線性，如圖所示。55利用物質(zhì)在光的照射下電導(dǎo)性能改變或產(chǎn)生電動勢的光電器件稱內(nèi)光電效應(yīng)器件，常見的有光敏電阻光電池和光敏晶體管等。一、光敏電阻光敏電阻又稱光導(dǎo)管，為純電阻元件，其工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小。優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，光譜響應(yīng)范圍寬，體積小、重量輕、機(jī)械強(qiáng)度高，耐沖擊、耐振動、抗過載能力強(qiáng)和壽命長等。不足：需要外部電源，有電流時(shí)會發(fā)熱。

第三節(jié)內(nèi)光電效應(yīng)器件561.光敏電阻的工作原理和結(jié)構(gòu)

當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時(shí)，若光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料，而且光輻射能量又足夠強(qiáng)，光導(dǎo)材料價(jià)帶上的電子將激發(fā)到導(dǎo)帶上去，從而使導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴增加，致使光導(dǎo)體的電導(dǎo)率變大。為實(shí)現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg，即

hν==≥Eg(eV)

式中ν和λ—入射光的頻率和波長。一種光電導(dǎo)體，存在一個照射光的波長限λC，只有波長小于λC的光照射在光電導(dǎo)體上，才能產(chǎn)生電子在能級間的躍遷，從而使光電導(dǎo)體電導(dǎo)率增加。57光敏電阻的結(jié)構(gòu)如圖所示。管芯是一塊安裝在絕緣襯底上帶有兩個歐姆接觸電極的光電導(dǎo)體。光導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生的光電效應(yīng)，只限于光照的表面薄層，雖然產(chǎn)生的載流子也有少數(shù)擴(kuò)散到內(nèi)部去，但擴(kuò)散深度有A金屬封裝的硫化鎘光敏電阻結(jié)構(gòu)圖光導(dǎo)電材料絕緣襯低引線電極引線光電導(dǎo)體限，因此光電導(dǎo)體一般都做成薄層。為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極一般采用梳狀圖案，結(jié)構(gòu)見下圖。581--光導(dǎo)層;2--玻璃窗口;3--金屬外殼;4--電極;5--陶瓷基座;6--黑色絕緣玻璃;7--電阻引線。RG1234567(a)結(jié)構(gòu)

(b)電極

(c)符號它是在一定的掩模下向光電導(dǎo)薄膜上蒸鍍金或銦等金屬形成的。這種梳狀電極，由于在間距很近的電極之間有可能采用大的靈敏面積，所以提高了光敏電阻的靈敏度。圖（c）是光敏電阻的代表符號。CdS光敏電阻的結(jié)構(gòu)和符號59光敏電阻的靈敏度易受濕度的影響，因此要將導(dǎo)光電導(dǎo)體嚴(yán)密封裝在玻璃殼體中。如果把光敏電阻連接到外電路中，在外加電壓的作用下，用光照射就能改變電路中電流的大小，其連線電路如圖所示。光敏電阻具有很高的靈敏度，很好的光譜特性，光譜響應(yīng)可從紫外區(qū)到紅外區(qū)范圍內(nèi)。而且體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、價(jià)格便宜，因此應(yīng)用比較廣泛。

RGRLEI602.光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性（1）暗電阻、亮電阻、光電流暗電流：光敏電阻在室溫條件下，全暗（無光照射）后經(jīng)過一定時(shí)間測量的電阻值，稱為暗電阻。此時(shí)在給定電壓下流過的電流。亮電流：光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻。此時(shí)流過的電流。光電流：亮電流與暗電流之差。光敏電阻的暗電阻越大，而亮電阻越小則性能越好。也就是說，暗電流越小，光電流越大，這樣的光敏電阻的靈敏度越高。實(shí)用的光敏電阻的暗電阻往往超過1MΩ,甚至高達(dá)100MΩ，而亮電阻則在幾kΩ以下，暗電阻與亮電阻之比在102～106之間，可見光敏電阻的靈敏度很高。61（2）光照特性下圖表示CdS光敏電阻的光照特性。在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流和光通量之間的關(guān)系。不同類型光敏電阻光照特性不同，但光照特性曲線均呈非線性。因此它不宜作定量檢測元件，這是光敏電阻的不足之處。一般在自動控制系統(tǒng)中用作光電開關(guān)。012345I/mAL/lx1000200062（3）光譜特性光譜特性與光敏電阻的材料有關(guān)。從圖中可知，硫化鉛光敏電阻在較寬的光譜范圍內(nèi)均有較高的靈敏度，峰值在紅外區(qū)域；硫化鎘、硒化鎘的峰值在可見光區(qū)域。因此，在選用光敏電阻時(shí)，應(yīng)把光敏電阻的材料和光源的種類結(jié)合起來考慮，才能獲得滿意的效果。204060801004008001200160020002400λ/nm312相對靈敏度1——硫化鎘2——硒化鎘3——硫化鉛63（4）伏安特性在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關(guān)系稱為伏安特性。圖中曲線1、2分別表示照度為零及照度為某值時(shí)的伏安特性。由曲線可知，在給定偏壓下,光照度較大，光電流也越大。在一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流越大，而且無飽和現(xiàn)象。但是電壓不能5010015020012U/V02040無限地增大，因?yàn)槿魏喂饷綦娮瓒际茴~定功率、最高工作電壓和額定電流的限制。超過最高工作電壓和最大額定電流，可能導(dǎo)致光敏電阻永久性損壞。I/μA64（5）頻率特性當(dāng)光敏電阻受到脈沖光照射時(shí)，光電流要經(jīng)過一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定值，而在停止光照后，光電流也不立刻為零，這就是光敏電阻的時(shí)延特性。由于不同材料的光敏，20406080100I/%f/Hz010102103104電阻時(shí)延特性不同，所以它們的頻率特性也不同，如圖。硫化鉛的使用頻率比硫化鎘高得多，但多數(shù)光敏電阻的時(shí)延都比較大，所以，它不能用在要求快速響應(yīng)的場合。硫化鉛硫化鎘65（6）穩(wěn)定性

圖中曲線1、2分別表示兩種型號CdS光敏電阻的穩(wěn)定性。初制成的光敏電阻，由于體內(nèi)機(jī)構(gòu)工作不穩(wěn)定，以及電阻體與其介質(zhì)的作用還沒有達(dá)到平衡，所以性能是不夠穩(wěn)定的。但在人為地加溫、光照及加負(fù)載情況下，經(jīng)一至二周的老化，性能可達(dá)穩(wěn)定。光敏電阻在開始一段時(shí)間的老化過程中，有些樣品阻值上I/%408012016021T/h040080012001600升，有些樣品阻值下降，但最后達(dá)到一個穩(wěn)定值后就不再變了。這就是光敏電阻的主要優(yōu)點(diǎn)。光敏電阻的使用壽命在密封良好、使用合理的情況下，幾乎是無限長的。66（7）溫度特性其性能(靈敏度、暗電阻)受溫度的影響較大。隨著溫度的升高，其暗電阻和靈敏度下降，光譜特性曲線的峰值向波長短的方向移動。硫化鎘的光電流I和溫度T的關(guān)系如圖所示。有時(shí)為了提高靈敏度，或?yàn)榱四軌蚪邮蛰^長波段的輻射，將元件降溫使用。例如，可利用制冷器使光敏電阻的溫度降低。I/μA100150200-50-10305010-30T/oC2040608010001.02.03.04.0λ/μmI/mA+20oC-20oC67二、光電池

光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件。由于它可把太陽能直接變電能，因此又稱為太陽能電池。它是基于光生伏特效應(yīng)制成的，是發(fā)電式有源元件。它有較大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí)，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動勢。命名方式：把光電池的半導(dǎo)體材料的名稱冠于光電池(或太陽能電池)之前。如，硒光電池、砷化鎵光電池、硅光電池等。目前,應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池。硅光電池價(jià)格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長，適于接受紅外光。硒光電池光電轉(zhuǎn)換效率低(0.02％)、壽命短，適于接收可見光(響應(yīng)峰值波長0.56μm)，最適宜制造照度計(jì)。砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高，光譜響應(yīng)特性則與太陽光譜最吻合。且工作溫度最高，更耐受宇宙射線的輻射。因此，它在宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測器等電源方面的應(yīng)用是有發(fā)展前途的。68光電池的示意圖硅光電池的結(jié)構(gòu)如圖所示。它是在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的辦法摻入一些P型雜質(zhì)(如硼)形成PN結(jié)。當(dāng)光照到PN結(jié)區(qū)時(shí)，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對，在N區(qū)聚積負(fù)電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差。若將PN結(jié)兩端用導(dǎo)線連起來，電路中有電流流過，電流的方向由P區(qū)流經(jīng)外電路至N區(qū)。若將外電路斷開，就可測出光生電動勢。1.光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理+光PN－SiO2RL(a)光電池的結(jié)構(gòu)圖I光(b)光電池的工作原理示意圖PN69光電池的表示符號、基本電路及等效電路如圖所示。IUIdUIRLIΦ(a)(b)(c)圖4.3-17光電池符號和基本工作電路70L/klx

L/klx

5432100.10.20.30.40.5246810開路電壓Uoc

/V0.10.20.30.4

0.50.30.1012345Uoc/VIsc

/mAIsc/mA(a)硅光電池(b)硒光電池（1）光照特性開路電壓曲線：光生電動勢與照度之間的特性曲線，當(dāng)照度為2000lx時(shí)趨向飽和。短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線2.基本特性開路電壓短路電流短路電流71短路電流，指外接負(fù)載相對于光電池內(nèi)阻而言是很小的。光電池在不同照度下，其內(nèi)阻也不同，因而應(yīng)選取適當(dāng)?shù)耐饨迂?fù)載近似地滿足“短路”條件。下圖表示硒光電池在不同負(fù)載電阻時(shí)的光照特性。從圖中可以看出，負(fù)載電阻RL越小，光電流與強(qiáng)度的線性關(guān)系越好，且線性范圍越寬。02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx

50Ω100Ω1000Ω5000ΩRL=072204060801000.40.60.81.01.20.2I/%12λ/μm(2)光譜特性光電池的光譜特性決定于材料。從曲線可看出，硒光電池在可見光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長在540nm附近，適宜測可見光。硅光電池應(yīng)用的范圍400nm—1100nm，峰值波長在850nm附近，因此硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。1——硒光電池2——硅光電池73(3)頻率特性

光電池作為測量、計(jì)數(shù)、接收元件時(shí)常用調(diào)制光輸入。光電池的頻率響應(yīng)就是指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。由于光電池PN結(jié)面積較大，極間電容大，故頻率特性較差。圖示為光電池的頻率響應(yīng)曲線。由圖可知，硅光電池具有較高的頻率響應(yīng)，如曲線2，而硒光電池則較差，如曲線1。204060801000I/%1234512f/kHz1——硒光電池2——硅光電池74（4）溫度特性

光電池的溫度特性是指開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。由圖可見，開路電壓與短路電流均隨溫度而變化，它將關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移，影響到測量或控制精度等主要指標(biāo)，因此，當(dāng)光電池作為測量元件時(shí)，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補(bǔ)償措施。2004060904060UOC/mVT/oCISCUOCISC

/μA600400200UOC——開路電壓ISC——短路電流硅光電池在1000lx照度下的溫度特性曲線75三、光敏二極管和光敏三極管光電二極管和光電池一樣，其基本結(jié)構(gòu)也是一個PN結(jié)。它和光電池相比，重要的不同點(diǎn)是結(jié)面積小，因此它的頻率特性特別好。光生電勢與光電池相同，但輸出電流普遍比光電池小，一般為幾μA到幾十μA。按材料分，光電二極管有硅、砷化鎵、銻化銦光電二極管等許多種。按結(jié)構(gòu)分，有同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)之分。其中最典型的是同質(zhì)結(jié)硅光電二極管。國產(chǎn)硅光電二極管按襯底材料的導(dǎo)電類型不同，分為2CU和2DU兩種系列。2CU系列以N-Si為襯底，2DU系列以P-Si為襯底。2CU系列的光電二極管只有兩條引線，而2DU系列光電二極管有三條引線。761.光敏二極管光敏二極管符號如圖。鍺光敏二極管有A，B，C，D四類；硅光敏二極管有2CU1A～D系列、2DU1～4系列。光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似、它裝在透明玻璃外殼中，其PN結(jié)裝在管頂，可直接受到光照射。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)，如圖所示。PN光光敏二極管符號RL

光PN光敏二極管接線

77

光敏二極管在沒有光照射時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小。反向電流也叫做暗電流．當(dāng)光照射時(shí)，光敏二極管的工作原理與光電池的工作原理很相似。當(dāng)光不照射時(shí)，光敏二極管處于載止?fàn)顟B(tài)，這時(shí)只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層形成微小的反向電流即暗電流；受光照射時(shí)，PN結(jié)附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子-空穴對，從而使P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，因此在外加反向偏壓和內(nèi)電場的作用下，P區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入N區(qū)，N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入P區(qū)，從而使通過PN結(jié)的反向電流大為增加，這就形成了光電流。光敏二極管的光電流I與照度之間呈線性關(guān)系。光敏二極管的光照特性是線性的，所以適合檢測等方面的應(yīng)用。78（1）PIN管結(jié)光電二極管

PIN管是光電二極管中的一種。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層（相對）很厚的本征半導(dǎo)體。這樣，PN結(jié)的內(nèi)電場就基本上全集中于I層中，從而使PN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小。由式τ=

CjRL與f=1/2πτ知，Cj小，τ則小，頻帶將變寬。P-SiN-SiI-SiPIN管結(jié)構(gòu)示意圖79最大特點(diǎn)：頻帶寬，可達(dá)10GHz。另一個特點(diǎn)是，因?yàn)镮層很厚，在反偏壓下運(yùn)用可承受較高的反向電壓，線性輸出范圍寬。由耗盡層寬度與外加電壓的關(guān)系可知，增加反向偏壓會使耗盡層寬度增加，從而結(jié)電容要進(jìn)一步減小，使頻帶寬度變寬。不足：I層電阻很大，管子的輸出電流小，一般多為零點(diǎn)幾微安至數(shù)微安。目前有將PIN管與前置運(yùn)算放大器集成在同一硅片上并封裝于一個管殼內(nèi)的商品出售。

80（2）雪崩光電二極管(APD)

雪崩光電二極管是利用PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來工作的一種二極管。這種管子工作電壓很高，約100～200V，接近于反向擊穿電壓。結(jié)區(qū)內(nèi)電場極強(qiáng)，光生電子在這種強(qiáng)電場中可得到極大的加速，同時(shí)與晶格碰撞而產(chǎn)生電離雪崩反應(yīng)。因此，這種管子有很高的內(nèi)增益，可達(dá)到幾百。當(dāng)電壓等于反向擊穿電壓時(shí)，電流增益可達(dá)106，即產(chǎn)生所謂的雪崩。這種管子響應(yīng)速度特別快，帶寬可達(dá)100GHz，是目前響應(yīng)速度最快的一種光電二極管。噪聲大是這種管子目前的一個主要缺點(diǎn)。由于雪崩反應(yīng)是隨機(jī)的，所以它的噪聲較大，特別是工作電壓接近或等于反向擊穿電壓時(shí)，噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以至無法使用。但由于APD的響應(yīng)時(shí)間極短，靈敏度很高，它在光通信中應(yīng)用前景廣闊。812.光敏三極管光敏三極管有PNP型和NPN型兩種，如圖。其結(jié)構(gòu)與一般三極管很相似，具有電流增益,只是它的發(fā)射極一邊做的很大,以擴(kuò)大光的照射面積,且其基極不接引線。當(dāng)集電極加上正電壓,基極開路時(shí),集電極處于反向偏置狀態(tài)。當(dāng)光線照射在集電結(jié)的基區(qū)時(shí),會產(chǎn)生電子-空穴對,在內(nèi)電場的作用下,光生電子被拉到集電極,基區(qū)留下空穴,使基極與發(fā)射極間的電壓升高,這樣便有大量的電子流向集電極,形成輸出電流,且集電極電流為光電流的β倍。

PPNNNPebbcRLEec82光敏三極管存在一個最佳靈敏度的峰值波長。當(dāng)入射光的波長增加時(shí)，相對靈敏度要下降。因?yàn)楣庾幽芰刻?，不足以激發(fā)電子空穴對。當(dāng)入射光的波長縮短時(shí)，相對靈敏度也下降，這是由于光子在半導(dǎo)體表面附近就被吸收，并且在表面激發(fā)的電子空穴對不能到達(dá)PN結(jié)，因而使相對靈敏度下降。（1）光譜特性相對靈敏度/%硅鍺入射光λ/?400080001200016000100806040200硅的峰值波長為9000?，鍺的峰值波長為15000?。由于鍺管的暗電流比硅管大，因此鍺管的性能較差。故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時(shí)，一般選用硅管；但對紅外線進(jìn)行探測時(shí),則采用鍺管較合適。830500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA24620406080光敏晶體管的伏安特性（2）伏安特性光敏三極管的伏安特性曲線如圖所示。光敏三極管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶體管在不同的基極電流時(shí)的輸出特性一樣。因此，只要將入射光照在發(fā)射極e與基極b之間的PN結(jié)附近，所產(chǎn)生的光電流看作基極電流，就可將光敏三極管看作一般的晶體管。光敏三極管能把光信號變成電信號，而且輸出的電信號較大。U/V84光敏晶體管的光照特性I/μAL/lx200400600800100001.02.03.0（3）光照特性光敏三極管的光照特性如圖所示。它給出了光敏三極管的輸出電流I和照度之間的關(guān)系。它們之間呈現(xiàn)了近似線性關(guān)系。當(dāng)光照足夠大(幾klx)時(shí)，會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，從而使光敏三極管既可作線性轉(zhuǎn)換元件，也可作開關(guān)元件。85暗電流/mA光電流/mA10203040506070T/oC25050100

02003004001020304050607080T/oC光敏晶體管的溫度特性（4）溫度特性

光敏三極管的溫度特性曲線反映的是光敏三極管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。從特性曲線可以看出，溫度變化對光電流的影響很小，而對暗電流的影響很大．所以電子線路中應(yīng)該對暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償，否則將會導(dǎo)致輸出誤差。86（5）光敏三極管的頻率特性光敏三極管的頻率特性曲線如圖所示。光敏三極管的頻率特性受負(fù)載電阻的影響，減小負(fù)載電阻可以提高頻率響應(yīng)。一般來說，光敏三極管的頻率響應(yīng)比光敏二極管差。對于鍺管，入射光的調(diào)制頻率要求在5kHz以下。硅管的頻率響應(yīng)要比鍺管好。0100100050050001000020406010080RL=1kΩRL=10kΩRL=100kΩ入射光調(diào)制頻率/HZ相對靈敏度/%光敏晶體管的頻率特性87

電荷耦合器件（ChargeCoupleDevice,縮寫為CCD）是一種大規(guī)模金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）集成電路光電器件。它以電荷為信號，具有光電信號轉(zhuǎn)換、存儲、轉(zhuǎn)移并讀出信號電荷的功能。CCD自1970年問世以來，由于其獨(dú)特的性能而發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用于航天、遙感、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、天文及通訊等軍用及民用領(lǐng)域信息存儲及信息處理等方面，尤其適用以上領(lǐng)域中的圖像識別技術(shù)。第三節(jié)電荷耦合器件881.CCD的結(jié)構(gòu)及工作原理（1）結(jié)構(gòu)CCD是由若干個電荷耦合單元組成的。其基本單元是MOS（金屬-氧化物-半導(dǎo)體）電容器，它以P型（或N型）半導(dǎo)體為襯底，上面覆蓋一層厚度約120nm的SiO2，再在SiO2表面依次沉積一層金屬電極而構(gòu)成MOS電容轉(zhuǎn)移器件。這樣一個MOS結(jié)構(gòu)稱為一個光敏元或一個像素。將MOS陣列加上輸入、輸出結(jié)構(gòu)就構(gòu)成了CCD器件。89MOS電容器（a）MOS電容截面；（b）勢阱圖90(2)工作原理構(gòu)成CCD的基本單元是MOS電容器。與其它電容器一樣，MOS電容器能夠存儲電荷。如果MOS電容器中的半導(dǎo)體是P型硅，當(dāng)在金屬電極上施加一個正電壓Ug時(shí)，P型硅中的多數(shù)載流子（空穴）受到排斥，半導(dǎo)體內(nèi)的少數(shù)載流子（電子）吸引到P-Si界面處來，從而在界面附近形成一個帶負(fù)電荷的耗盡區(qū)，也稱表面勢阱，如下圖所示。對帶負(fù)電的電子來說，耗盡區(qū)是個勢能很低的區(qū)域。如果有光照射在硅片上，在光子作用下，半導(dǎo)體硅產(chǎn)生了電子-空穴對，由此產(chǎn)生的光生電子就被附近的勢阱所吸收，勢阱內(nèi)所吸收的光生電子數(shù)量與入射到該勢阱附近的光強(qiáng)成正比，存儲了電荷的勢阱被稱為電荷包，而同時(shí)產(chǎn)生的空穴被排斥出耗盡區(qū)。并且在一定的條件下，所加正電壓Ug越大，耗盡層就越深，Si表面吸收少數(shù)載流子表面勢(半導(dǎo)體表面對于襯底的電勢差)也越大，這時(shí)勢阱所能容納的少數(shù)載流子電荷的量就越大。91電荷注入方法（a）背面光注入；（b）電注入92

CCD最基本的結(jié)構(gòu)是一系列彼此非?？拷腗OS電容器，這些電容器用同一半導(dǎo)體襯底制成，襯底上面涂覆一層氧化層，并在其上制作許多互相絕緣的金屬電極，相鄰電極之間僅隔極小的距離，保證相鄰勢阱耦合及電荷轉(zhuǎn)移。對于可移動的電荷信號都將力圖向表面勢大的位置移動。為保證信號電荷按確定方向和路線轉(zhuǎn)移，在各電極上所加的電壓嚴(yán)格滿足相位要求，下面以三相（也有二相和四相）時(shí)鐘脈沖控制方式為例說明電荷定向轉(zhuǎn)移的過程。把MOS光敏元電極分成三組，在其上面分別施加三個相位不同的控制電壓Φ1、Φ2、Φ3，見下圖所示。93三相CCD時(shí)鐘電壓與電荷轉(zhuǎn)移的關(guān)系(a)三相時(shí)鐘脈沖波形；(b)電荷轉(zhuǎn)移過程94三相CCD時(shí)鐘電壓與電荷轉(zhuǎn)移的關(guān)系(a)三相時(shí)鐘脈沖波形；(b)電荷轉(zhuǎn)移過程95當(dāng)t=t1時(shí)，Φ1相處于高電平，Φ2、Φ3相處于低電平，在電極1、4下面出現(xiàn)勢阱，存儲了電荷。在t=t2時(shí)，Φ2相也處于高電平，電極2、5下面出現(xiàn)勢阱。由于相鄰電極之間的間隙很小，電極1、2及4、5下面的勢阱互相耦合，使電極1、4下的電荷向電極2、5下面勢阱轉(zhuǎn)移。隨著Φ1電壓下降，電極1、4下的勢阱相應(yīng)變淺。在t=t3時(shí)，有更多的電荷轉(zhuǎn)移到電極2、5下勢阱內(nèi)。在t=t4時(shí)，只有Φ2處于高電平，信號電荷全部轉(zhuǎn)移到電極2、5下面的勢阱內(nèi)。隨著控制脈沖的變化，信號電荷便從CCD的一端轉(zhuǎn)移到終端，

實(shí)現(xiàn)了電荷的耦合與轉(zhuǎn)移。

96下圖是CCD輸出端結(jié)構(gòu)示意圖。它實(shí)際上是在CCD陣列的末端襯底上制作一個輸出二極管，當(dāng)輸出二極管加上反向偏壓時(shí)，轉(zhuǎn)移到終端的電荷在時(shí)鐘脈沖作用下移向輸出二極管，被二極管的PN結(jié)所收集，在負(fù)載RL上就形成脈沖電流Io。輸出電流的大小與信號電荷大小成正比，并通過負(fù)載電阻RL變?yōu)樾盘栯妷篣o輸出。CCD輸出端結(jié)構(gòu)97各種光子探測器件的性能比較和應(yīng)用選擇一、接收光信號的方式在光電系統(tǒng)中，光電器件接收光信號的方式可歸結(jié)為以下幾種：判斷光信號的有無系統(tǒng)中的光信號按一定調(diào)制頻率交替變化檢測光信號的幅度大小檢測光信號的色度差異如光電開關(guān)、光電報(bào)警等。檢測被測對象投射到光電器件的光信號的通過或截?cái)?。這時(shí)不關(guān)心光電器件的線性，而是關(guān)注其靈敏度。光信號被調(diào)制在某一頻段或頻率內(nèi)，要求光電器件的截止頻率大于光信號頻率。檢測源信號的強(qiáng)度變化，需選用靈敏度好，線性好、響應(yīng)快，動態(tài)范圍適合的器件。如檢測色溫變化時(shí)，需選擇光譜性能合適的器件。98二、各種光子探測器的性能比較典型光電探測器件工作特性的比較99三、應(yīng)用選擇為了提高傳輸效率，無畸變的變換光電信號，光電器件不僅要和被測光電信號和光學(xué)系統(tǒng)，而且還要與后續(xù)電路在特性和工作參數(shù)上相互匹配，使系統(tǒng)中各元器件的工作狀態(tài)均滿足要求。選擇要點(diǎn)如下：光電器件必須和輻射信號源以及光學(xué)系統(tǒng)在光譜特性上相匹配；光電器件要與入射輻射能量在空間上對準(zhǔn)；光電器件的光電特性要與入射輻射相匹配；對于入射光信號，器件能夠輸出足夠強(qiáng)的電信號并保證一定的信躁比；器件的響應(yīng)特性要與光信號的頻率、調(diào)制形式和波形相匹配，保證小的頻率失真和好的時(shí)間響應(yīng)；器件應(yīng)和后續(xù)電路匹配，保證最大的轉(zhuǎn)換系數(shù)、線性范圍、信躁比等；選擇好的工作環(huán)境條件。100紅外探測器的特性參數(shù)101一、積分靈敏度R

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i(或光電壓u)和入射光功率P之間的關(guān)系i＝f(P)，稱為探測器的光電特性。靈敏度R定義為這個曲線的斜率，即(線性區(qū)內(nèi))(安/瓦)(線性區(qū)內(nèi))(伏/瓦)

Ri和Ru分別稱為積分電流和積分電壓靈敏度，i和u稱為電表測量的電流、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。102光功率譜密度Pλ由于光電探測器的光譜選擇性，在其它條件下不變的情況下，光電流將是光波長的函數(shù)，記為iλ，于是光譜靈敏度Rλ定義為

Rλ是常數(shù)時(shí)，相應(yīng)探測器稱為無選擇性探測器(如光熱探測器)，光子探測器則是選擇性探測器。通常給出的是相對光譜靈敏度Sλ定義為

Rλm是指Rλ的最大值，Sλ為無量綱，隨λ變化的曲線稱為光譜靈敏度曲線。二、光譜靈敏度Rλ103三、頻率靈敏度Rf(響應(yīng)頻率fc和響應(yīng)時(shí)間t)若入射光是強(qiáng)度調(diào)制，在其它條件不變下，光電流if將隨調(diào)頻f的升高而下降，這時(shí)的靈敏度稱為頻率靈敏度Rf，定義為if通常

τ稱為探測器的響應(yīng)時(shí)間或時(shí)間常數(shù)，由材料、結(jié)構(gòu)和外電路決定。104頻率靈敏度這就是探測器的頻率特性，Rf隨f升高而下降的速度與τ值大小關(guān)系很大。一般規(guī)定，Rf下降到如果是脈沖形式的入射光，則更常用響應(yīng)時(shí)間來描述。頻率fc為探測器的截止響應(yīng)頻率和響應(yīng)頻率。105探測器對突然光照的輸出電流，要經(jīng)過一定時(shí)間才能上升到與這一輻射功率相應(yīng)的穩(wěn)定值i。當(dāng)輻射突然降去后，輸出電流也需要經(jīng)過一定時(shí)間才能下降到零。一般而論，上升和下降時(shí)間相等，時(shí)間常數(shù)近似地由決定。106以u，P，λ為參變量，i＝F（f）的關(guān)系稱為光電頻率特性，相應(yīng)的曲線稱為頻率特性曲線。同樣，i=F(P)及曲線稱為光電特性曲線。i＝F(λ)及其曲線稱為光譜特性曲線。而i＝F(u)及其曲線稱為伏安特性曲線。當(dāng)這些曲線給出時(shí)，靈敏度R的值就可以從曲線中求出，而且還可以利用這些曲線，尤其是伏安特性曲線來設(shè)計(jì)探測器的使用電路。107量子效率：在某一特定波長上，每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光量子數(shù)之比。四、量子效率η對理想的探測器，入射一個光量子發(fā)射一個電子，=1，實(shí)際上，

<1量子效率是一個微觀參數(shù)，量子效率愈高愈好。108如果說靈敏度R是從宏觀角度描述了光電探測器的光電、光譜以及頻率特性，那么量子效率η則是對同一個問題的微觀—宏觀描述。109五、噪聲等效功率NEP

從靈敏度R的定義式可見，如果P＝0，應(yīng)有i=0實(shí)際情況是，當(dāng)P＝0時(shí)，光電探測器的輸出電流并不為零。這個電流稱為暗電流或噪聲電流，記為它是瞬時(shí)噪聲電流的有效值。顯然，這時(shí)靈敏度R巳失去意義，我們必須定義一個新參量來描述光電探測器的這種特性。110光功率Ps和Pb分別為信號和背景光功率。即使Ps和Pb都為零，也會有噪聲輸出。噪聲的存在，限制了探測微弱信號的能力。通常認(rèn)為，如果信號光功率產(chǎn)生的信號光電流is等于噪聲電流in，那么就認(rèn)為剛剛能探測到光信號存在。111(電壓信噪比)噪聲等效功率NEP（NoiseEquivalentPower）

。它定義為單位信噪比時(shí)的信號光功率。信噪比SNR定義為

(電流信噪比)于是有：

NEP越小，表明探測微弱信號的能力越強(qiáng)。所以NEP是描述光電探測器探測能力的參數(shù)。112

NEP越小，探測器探測能力越高，不符合人們“越大越好”的習(xí)慣，于是取NEP的倒數(shù)并定義為探測度D，即六、歸一化探測度D*這樣，D值大的探測器就表明其探測力高。常需要在同類型的不同探測器之間進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)“D值大的探測器其探測能力一定好”的結(jié)論并不充分。主要是探測器光敏面積A和測量帶寬Δf對D值影響甚大。113因?yàn)槎x稱為歸一化探測度。這時(shí)就可以說：D*大的探測器其探測能力一定好?？紤]到光譜的響應(yīng)特性，一般給出D*值時(shí)注明響應(yīng)波長λ、光輻射調(diào)制頻率f及測量帶寬Δf，即D*(λ,f,Δf)。114七、其它參數(shù)光電探測器還有其它一些特性參數(shù)，在使用時(shí)必須注意到，例如光照面積，探測器電阻，電容等。特別是極限工作條件，正常使用時(shí)都不允許超過這些指標(biāo)，否則會影響探測器的正常工作，甚至使探測器損壞。通常規(guī)定了工作電壓、電流、溫度以及光照功率允許范圍，使用時(shí)要特別加以注意。光敏電阻光電二極管

光電池115參數(shù)物理描述表達(dá)式單位積分靈敏度光電轉(zhuǎn)換特性的量度安/瓦伏/瓦光譜靈敏度對某一波長光電轉(zhuǎn)換的量度安/瓦頻率靈敏度電流隨調(diào)制頻率變化的量度安/瓦量子效率吸收的光子數(shù)和激光的電子數(shù)之比噪聲等效功率單位信噪比時(shí)的信號光功率瓦歸一化探測度與噪聲等效功率成倒數(shù)、光敏面積和噪聲功率有關(guān)厘米.赫茲1/2/瓦116紅外探測器的噪聲117主要分為:有形噪聲和無規(guī)噪聲

前者一般可以預(yù)知，因而總可以設(shè)法減少和消除。后者來自物理系統(tǒng)內(nèi)部，表現(xiàn)為一種無規(guī)則起伏。例如，電阻中自由電子的熱運(yùn)動，真空臂中電子的隨機(jī)發(fā)射，半導(dǎo)體中載流子隨機(jī)的產(chǎn)生和復(fù)合等，這些隨機(jī)因素把一種無規(guī)則起伏施加給有用信號。起伏噪聲對有用信號的影響。假定入射光是正弦強(qiáng)度調(diào)制的，放大器是一個可以任意改變放大量的理想放大器。一、噪聲的概念118當(dāng)入射光強(qiáng)度較大時(shí)，在示波器上可以看到正弦變化的信號電壓波形。降低入射光功率時(shí)，增大放大率，發(fā)現(xiàn)正弦電壓信號上出現(xiàn)許多無規(guī)起伏，使正弦信號變得模糊不清(圖(b))。再降低入射光功率時(shí)，正弦波幅度越來越小，而雜亂無章的變化愈來愈大。最后只剩下了無規(guī)則的起伏，完全看不出什么正弦變化，這叫做噪聲完全埋沒了信號。當(dāng)然這時(shí)探測器也失去了探測弱光信號的能力。探測器放大器示波器(a)(b)(c)光119從上面討論中，我們應(yīng)該建立這樣的觀念：上述現(xiàn)象并不是探測器不好所致。它是探測器所固有的不可避免的現(xiàn)象。任何一個探測器，都一定有噪聲。也就是說，在它輸出端總存在著一些毫無規(guī)律，事先無法預(yù)知的電壓起伏。這種無規(guī)起伏，在統(tǒng)計(jì)學(xué)中稱為隨機(jī)起伏，它是微觀世界服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律的反映。從這個意義上說，實(shí)現(xiàn)微弱光信號的探測，就是從噪聲中如何提取信號的問題，這是當(dāng)今信息探測理論研究的中心課題之一。120二、噪聲的描述噪聲電壓隨時(shí)間無規(guī)則起伏情況。顯然，無法用預(yù)先確知的時(shí)間函數(shù)來描述它。然而，噪聲本身是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，所以能用統(tǒng)計(jì)的方法來描述。長時(shí)間看，噪聲電壓從零向上漲和向下落的機(jī)會是相等的，其時(shí)間平均值一定為零。所以用時(shí)間平均值無法描述噪聲大小。)(tun)0(g)(tgtt00(a)(b)121但是，如果我們先取噪聲電壓的平方，然后求這些平方值對時(shí)間的平均值，再開方，就得到所謂方均根噪聲電壓un，即這正是我們用電壓表所測量到的那種有效電壓。雖然噪聲電壓的起伏是毫無規(guī)則，無法預(yù)知的，但其方均根電壓卻具有確定值。這就是噪聲電壓(噪聲電流也一樣)服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律的反映。由于產(chǎn)生探測器起伏噪聲的因素往往很多，且這些因素又彼此獨(dú)立，所以總的噪聲功率等于各種獨(dú)立的噪聲功率之和，即122為此，把探測器輸出的方均根噪聲電壓(電流)稱為探測器的噪聲電壓(電流)。顯然，探測噪聲的存在，就使得探測器對光信號的探測本領(lǐng)受到一個限制。所以定量估計(jì)探測器的噪聲大小就顯得很重要了。123三、光電探測器的噪聲源依據(jù)噪聲產(chǎn)生的物理原因，光電探測器的噪聲可大致分為散粒噪聲、產(chǎn)生—復(fù)合噪聲、熱噪聲和低頻噪聲等。是光電轉(zhuǎn)換物理過程中固有的，是一種不可能人為消除的輸出信號的起伏，是與器件密切相關(guān)的一個參量。因?yàn)樵诠怆娹D(zhuǎn)換過程中，半導(dǎo)體中的電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，或者電子逸出材料表面等過程，都是一系列獨(dú)立事件，是一種隨機(jī)的過程。每一瞬間出現(xiàn)多少載流子是不確定的，所以隨機(jī)的起伏將不可避免地與信號同時(shí)出現(xiàn)。尤其在信號較弱時(shí)，光電探測器的噪聲會顯著地影響信號探測的準(zhǔn)確性。124

按噪聲產(chǎn)生的原因，可分為以下幾類噪聲外部原因內(nèi)部原因人為噪聲自然噪聲散粒噪聲產(chǎn)生－復(fù)合噪聲光子噪聲熱噪聲低頻噪聲溫度噪聲放大器噪聲1251.散粒噪聲：無光照下，由于熱激發(fā)作用，而隨機(jī)地產(chǎn)生電子所造成的起伏（以光電子發(fā)射為例）。由于起伏單元是電子電荷量e，故稱為散粒噪聲，這種噪聲存在于所有光電探測器中。熱激發(fā)散粒方均噪聲電流為其有效值為相應(yīng)的噪聲電壓為如果探測器具有內(nèi)增益M，則上式還應(yīng)乘以M。光電探測器是依靠內(nèi)場把電子—空穴對分開，空穴對電流貢獻(xiàn)不大，主要是電子貢獻(xiàn)。上兩式也適用于光伏探測器1262.產(chǎn)生－復(fù)合噪聲對光電導(dǎo)探測器，載流子熱激發(fā)是電子—空穴對。電子和空穴在運(yùn)動中，與光伏器件重要的不同點(diǎn)在于存在嚴(yán)重的復(fù)合過程，而復(fù)合過程本身也是隨機(jī)的。因此，不僅有載流子產(chǎn)生的起伏，而且還有載流子復(fù)合的起伏，這樣就使起伏加倍，雖然本質(zhì)也是散粒噪聲，但為強(qiáng)調(diào)產(chǎn)生和復(fù)合兩個因素，取名為產(chǎn)生—復(fù)合散粒噪聲，簡稱為產(chǎn)生—復(fù)合噪聲，記為Ig-r和Vg-r即M是光電導(dǎo)的內(nèi)增益。1273.光子噪聲

以上是熱激發(fā)作用產(chǎn)生的散粒噪聲。假定忽略熱激發(fā)作用，即認(rèn)為熱激發(fā)直流電流Id為零。由于光子本身也服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律。我們平常說的恒定光功率，實(shí)際上是光子數(shù)的統(tǒng)計(jì)平均值，而每一瞬時(shí)到達(dá)探測器的光子數(shù)是隨機(jī)的。因此，光激發(fā)的載流子一定也是隨機(jī)的，也要產(chǎn)生起伏噪聲，即散粒噪聲。因?yàn)檫@里強(qiáng)調(diào)光子起伏，故稱為光子噪聲。它是探測器的極限噪聲，不管是信號光還是背景光，都要伴隨著光子噪聲，而且光功率愈大，光子噪聲也愈大。1284.熱噪聲電阻材料，即使在恒定的溫度下，其內(nèi)部的自由載流子數(shù)目及運(yùn)動狀態(tài)也是隨機(jī)的，由此而構(gòu)成無偏壓下的起伏電動勢。這種由載流子的熱運(yùn)動引起的起伏就是電阻材料的熱噪聲，或稱為約翰遜（Johnson）噪聲。熱噪聲是由導(dǎo)體或半導(dǎo)體中載流子隨機(jī)熱激發(fā)的波動而引起的。其大小與電阻的阻值、溫度及工作帶寬有關(guān)。129電阻R的熱噪聲電流為相應(yīng)的熱噪聲電壓為有效噪聲電壓和電流分別為一個電阻R在其噪聲等效電路中，可以等效為電阻R與一個電壓源Un的串聯(lián)，也可以等效為電阻R與一個電流源In相并聯(lián)，如圖所示。VnRInR1305.1/f

噪聲

1/f噪聲又稱為閃爍或低頻噪聲。這種噪聲是由于光敏層的微粒不均勻或不必要的微量雜質(zhì)的存在，當(dāng)電流流過時(shí)在微粒間發(fā)生微火花放電而引起的微電爆脈沖。幾乎在所有探測器中都存在這種噪聲。它主要出現(xiàn)在大約1KHz以下的低頻頻域，而且與光輻射的調(diào)制頻率f成反比，故稱為低頻噪聲或1/f噪聲。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，探測器表面的工藝狀態(tài)(缺陷或不均勻等)對這種噪聲的影響很大，所以有時(shí)也稱為表面噪聲或過剩噪聲。131６.溫度噪聲它是由于材料的溫度起伏而產(chǎn)生的噪聲。在熱探測器件中必須考慮溫度噪聲的影響。當(dāng)材料的溫度發(fā)生變化時(shí)，由于有溫差ΔT的存在，因而引起材料有熱流量的變化Δφ，這種熱流量的變化導(dǎo)致產(chǎn)生物體的溫度噪聲。溫度為T的物體的熱流量噪聲方均值為A為傳熱面積；h為傳熱系數(shù)，其單位為[W/(m2K)]；k為玻耳茲曼常數(shù)；T為材料溫度；Δf為通帶寬度。132溫度噪聲與熱噪聲在產(chǎn)生原因、表示形式上有一定的差別，主要區(qū)別在于：

對于熱噪聲，材料的溫度T一定，引起粒子隨機(jī)性波動，從而產(chǎn)生了隨機(jī)性電流；對于溫度噪聲，材料溫度有變化ΔT，從而導(dǎo)致熱流量的變化Δφ，此變化就表示了溫度噪聲的大小。133紅外探測器偏置與放大電路134

在光電檢測系統(tǒng)中，光探測器接收到的光信號通常十分微弱，往往被淹沒于噪聲之中，不具備直接處理的條件，必須作預(yù)處理。預(yù)處理的目的為：（1）在光探測器與后續(xù)處理器間實(shí)現(xiàn)阻抗匹配；（2）將光探測器的輸出信號放大到后續(xù)處理器要求的電平幅度；（3）濾除部分噪聲，提高信噪比；（4）對光電信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換（時(shí)域---頻域、模擬---數(shù)字等）本小節(jié)討論探測器的偏置和前置放大器的噪聲特性及其設(shè)計(jì)。135對于熱電偶、熱電堆、熱釋電、光磁電探測器，不需要加偏置電源，在紅外光的照射下，可以自生光信號電流或電壓。

光電導(dǎo)、光電子、熱敏電阻需在外加電場的作用下才能形成光信號電流或電壓，需加偏執(zhí)電源。

光伏型探測器是PN結(jié)型探測器，可以不加偏置電壓，也可以加小的反向偏壓以獲得好的信噪比。偏置電路主要為恒流和恒壓兩種。紅外偏置電路136一.恒流偏置電路由于穩(wěn)壓管DZ的影響，晶體管基極電位固定，于是集電極電流IC為恒定，其值為設(shè)光功率dΦ照射器件Rd所引起的阻值變化為△Rd，則輸出信號電壓為引入光電導(dǎo)靈敏度