第3章光电检测技术.ppt

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1、第三章 光电检测器件,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,1.器件的结构和工作原理,2.器件的特性参数,3.器件的应用,本章重点：,3.1 光电检测器件的基本特性参数,3.1.1 响应特性 1.响应度: 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 2.光谱响应度：探测器在波长为的单色光照射下，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

2、连续辐射量的反 应程度 4.响应时间： 描述光电探测器对入射光响应快慢的 一个参数 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,3.1.2 光电检测器件的噪声 1.热噪声:称约翰逊噪声，即载流子无规则的热运动造成的噪声 2.散粒噪声：穿越势垒的载流子的随机涨落所造成的噪声 3.产生-复合噪声：载流子的产生率和复合率在某个时间间隔会在平均值上下起伏，这种起伏引起的载流子浓度的起伏产生均方噪声电流 4. 1/f噪声： 闪烁噪声或低频噪声,3.1.3 衡量噪声的参数 1.信噪比（S/N）:负载电阻上信号功率与噪声功率之比 2.等效噪声功率（NEP）：信号功率与噪声功

3、率比为1（SNR=1）时，入射到探测器件上的辐射通量(单位为瓦) 3.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 4.暗电流：光电检测期间仅在加电源时，而没有输入信号和背景 辐射时所流过的电流,3.1.4 其他参数 1.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 2.线性度：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 非线性误差: max / ( I2 I1) max：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 3.工作温度：光电探测器最佳工作状态时的温度,3.2 真空光电探测器件,3.2.1 光电发射材

4、料,1)光电发射材料的类型及其应具备的条件 光吸收系数大 光电在在体内传输过程中收到的能量损失小 表面势垒低，表面逸出率大,2)光电发射阴极材料 (1)单碱与多碱锑化物光阴极 (2)银氧铯与铋银氧铯光阴极 (3)紫外光电阴极 (4)负电子亲和势,图3-1 集中光电阴极材料的光谱响应,3.2.2 光电倍增管（PMT）,图3-2 光电倍增管工作原理示意图,1) PMT的基本原理,光入射窗、光电阴极、电子光学系统、二次发射倍增系统、阳极,2)光电倍增管结构,(1)PMT的入射窗结构 端面窗 侧面窗 (2)光电阴极 半透明型 反射型 (3)电子光学系统,(4)倍增级结构 聚集型 非聚集型 常用倍增级材

5、料： 锑化铯（CsSb）材料 氧化的银镁合金材料 铜-铍合金（铍的含量为2%） 负电子亲和势材料GaPCs (5)阳极结构 栅网状阳极,图3-3 光电倍增管结构图 (a)百叶窗倍增级 (b)盒栅倍增级 (c)瓦片倍增级 (d)圆形鼠笼,3)PMT的基本特性参数 (1)光谱响应度 (2)放大倍数 (3)暗电流 光电倍增管的暗电流是指无光照时（加有电源），光电 倍增管的输出电流 a.光电阴极和第一倍增级的热电子发射 b.级间漏电流 c.离子和光的反馈作用 d.场致发射 e.放射性同位素和宇宙射线的影响,主要暗电流源,(4)伏安特性 (5)时间特性和频率响应特性；（6）PMT的噪声,图3-4 PMT

6、阳极伏安特性,321,4)PMT的供电电路,图3-5 PMT电阻链分压型供电电路,5）光电倍增管的应用,3.3 半导体光电导型检测器件,3.3.1 光敏电阻的结构与工作原理,1)光敏电阻的结构,图3-6 光敏电阻结构示意图 (a)梳状结构(b)蛇形结构(c)刻线式结构 1-光电导材料 2-电极 3-衬底材料,2)光敏电阻的基本工作原理,图3-7 光敏电阻原理及符号,图3-8 本征半导体与杂质半导体,3.3.2 光敏电阻特性参数,1)光电导增益,2)光电导灵敏度,图3-9 光敏电阻的光谱特性,3)光电特性,图3-10 CdS光敏电阻的光照特性,什么是欧姆接触？,4)伏安特性,图3-11 光敏电阻

7、的伏安特性,5)温度特性,图3-12 光敏电阻的温度特性,6)频率响应,1.硒 2.硫化镉 3.硫化铊 4.硫化铅,图3-13 光敏电阻的频率特性曲线,1）照明灯自动控制电路,3.3.3 光敏电阻的应用,2）火焰探测报警,图3-15 火焰探测报警器电路图,作业题： 1.设某光敏电阻在100lx的光照下的阻值为2k，且，已知它在90120lx范围内的=0.9，试求该光敏电阻在110lx光照下的阻值？,2. 在如图2-13所示的恒流偏置电路中，已知电源电压为12V，Rb为820，Re为3.3k，三极管的放大倍率不小于80，稳压二极管的输出电压为4V，光照度为40lx时输出电压为6V，80 lx时为

8、8V。（设光敏电阻在30到100 lx之间的 值不变） 试求：（1）输出电压为7V 的照度为多少 lx （2）该电路的电压灵敏度（V/ lx）,3.4 半导体光伏型检测器件,3.4.1 光电池,1）光电池的结构和工作原理,图3-16 硅光电池结构、外型与电路符号 (a)结构 (b)外型 (c)符号,图3-17 硅光电池工作原理,2）光电池的特性参数 (1)输出特性/伏安特性曲线,图3-18 光电池伏安特性曲线,图3-19 光电池等效电路,结电容,(2)光谱特性,图3-20 光谱特性曲线,(3)温度特性,图3-21 光电池的温度特性曲线,(4)频率特性,图3-22 光电池的频率特性,(5)光照特

9、性,图3-24 硅光电池的光照特性,图3-23 光电池连接方式,3）光电池的应用 (1)光电检测器件 (2)光电能量器件,1) 结面积比光电池小，因而输出电流比光电池小； 2) 电阻率比光电池高(1000/cm)，光电池的为( 0.10.01/cm)； 3) 制作衬底材料的参杂浓度比光电池低（10121013/cm3）, 光电池 为(10161019/cm3） 4)全在反向偏置电压下工作，而光电池多工作在零偏,3.4.2 光敏二极管,与光电池的性能比较：,1）光敏二极管的结构与工作原理,图3-25 硅光电二极管 (a)结构原理；(b)工作原理；(c)电路符号；(d)光敏二极管接法,(d),2）

10、光敏二极管的特性参数 (1)输出特性,图3-26 光敏二极管输出特性曲线 (a)伏安特性；(b)光照特性,(a),(b),(2)光谱响应,图3-27 典型光敏二极管的光谱响应,(3)频率响应：漂移时间、扩散时间和延迟时间 (4)温度特性：暗电流对温度 变化非常敏感 (5)噪声：主要是散粒噪声,3.4.3 PIN光敏二极管,结构和原理,图3-28 PIN光电二极管结构和外形图 (a)结构；(b)外形图,3.4.4 雪崩光敏二极管,图3-29 几种雪崩光敏二极管结构原理 (a)P型N结构 (b)N型P结构 (c)PIN结构,图3-29(a)所示为在P型硅基片上扩散杂质浓度大的N+层， 制成P型N结

11、构 图3-29(b)所示为在N型硅基片上扩散杂质浓度大的P+层， 制成N型P结构的雪崩光电二极管 图3-29(c)所示为PIN型雪崩光电二极管,1）结构和原理,(1)雪崩增益 电流倍增系数 经验公式 (2)伏安特性,2）特性参数,图3-30 雪崩光电二极管暗电流和光电流与偏置电压的关系,倍增前输出电流,倍增后输出电流,(3)光谱响应：可延伸至4m (4)响应时间：硅管约为0.51ns (5)噪声： 噪声电流,3）雪崩光电二极管与光电倍增管比较,体积小 结构紧凑 工作电压低 使用方便 但其暗电流比光电倍增管的暗电流大，相应的噪声也较大 故光电倍增管更适宜于弱光探测,3.4.5 光敏二极管的应用,

12、1）光敏二极管阵列,2）象限探测器,图3-31 光电二极管阵列检测元件,1）光敏三极管的结构和原理,3.4.6 光敏三极管,图3-32 光敏三极管的原理和结构,2）光敏三极管的特性参数 (1)伏安特性,图3-33 光敏三极管伏安特性曲线,(2)频率特性,图3-34 光电三极管频率特性,(3)温度特性,图3-35 光敏二极管、光敏三极管的温度特性 (a)暗电流Id的温度特性 (b)亮电流IL的温度特性,3.4.7 光伏器件与光电导器件的区别及使用要点,3.5 几种特殊的半导体光电检测器件,光电位置传感器,图3-36 PSD器件结构示意图,图3-37 一维PSD器件 (a)原理结构 (b)等效电路

13、,图3-38 一维PSD位置检测电路,1）判断光信号的有无 2）按一定频率变化的光信号 3）检测光信号的幅度大小 4）检测光信号的色度差异,3.6 各种光电检测器件的性能比较和应用选择,3.6.1 接收光信号的方式,1.动态特性：频率响应和时间响应 2.光电特性：线性 3.动态范围：线性和非线性动态范围 4.灵敏度：光敏二极管最低 5.光谱特性：与使用材料有关 6.暗电流与噪声：光电倍增管和光敏二极管暗电流最小；复合光敏三极管噪声最大 7.供电电源和应用灵活性：光电池应用灵活 8.长期工作的稳定可靠性：光敏二极管、光电池稳定可靠,3.6.2 各种光电检测器件的性能比较,1.光电检测器件必须和辐射信号源及光学系统在光谱特性上匹配 2.光电检测器件的光敏面必须和入射辐射能量相对准 3.光电检测器件的光电转换特性必须和入射辐射相匹配 4.光电检测器件必须和光信号的调制形式、信号频率及波形相匹配 5.光电检测器件的最小可探测功率必须和入射辐射相匹配 6.光电检测器件必须和后续电路在电特性上有良好的匹配 7.注意选好器件的规格和使用条件，以确保器件工作的长期稳定可靠,3.6.3 光电检测器件的应用选择,