光輻射的探測(cè)技術(shù)

1、光輻射的探測(cè)技術(shù)教學(xué)目的1、掌握光電探測(cè)器的物理效應(yīng)，各種光電探測(cè)器的工作原理，光電探測(cè)器的噪聲產(chǎn)生的原因和抑制方法。2、了解光電探測(cè)器的性能參數(shù)、光敏電阻、硅光電池、光電二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理。教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)：光電探測(cè)器的物理效應(yīng)，各種光電探測(cè)器的工作原理。難點(diǎn)：光電探測(cè)器的性能參數(shù)的內(nèi)涵、各種常見(jiàn)光電探測(cè)元件的工作原理。1光電探測(cè)器的物理效應(yīng)光電探測(cè)器能把光輻射量轉(zhuǎn)換成另一種便于測(cè)量的物理量的器件。一、光子效應(yīng)和光熱效應(yīng)1.光子效應(yīng)指單個(gè)光子的性質(zhì)對(duì)產(chǎn)生的光電子起直接作用的一類(lèi)光電效應(yīng)。探測(cè)器吸收光子后，直接引起原子或分子的內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。光子能量的大小，直接影響內(nèi)部電子狀態(tài)的改變

2、。特點(diǎn)：光子效應(yīng)對(duì)光波頻率表現(xiàn)出選擇性，響應(yīng)速度一般比較快。2.光熱效應(yīng)探測(cè)元件吸收光輻射能量后，并不直接引起內(nèi)部電子狀態(tài)的改變，而是把吸收的光能變?yōu)榫Ц竦臒徇\(yùn)動(dòng)能量，引起探測(cè)元件溫度上升,溫度上升的結(jié)果又使探測(cè)元件的電學(xué)性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化。特點(diǎn)：原則上對(duì)光波頻率沒(méi)有選擇性，響應(yīng)速度一般比較慢。（在紅外波段上，材料吸收率高，光熱效應(yīng)也就更強(qiáng)烈，所以廣泛用于對(duì)紅外線(xiàn)輻射的探測(cè)。）二、光電發(fā)射效應(yīng)在光照下,物體向表面以外的空間發(fā)射電子（即光電子）的現(xiàn)象。能產(chǎn)生光電發(fā)射效應(yīng)的物體，稱(chēng)為光電發(fā)射體，在光電管中又稱(chēng)為光陰極。愛(ài)因斯坦方程：Ek=hv-氣1.24截止波長(zhǎng)：U呵）=兀脅三、光電導(dǎo)效應(yīng)

3、光導(dǎo)現(xiàn)象半導(dǎo)體材料的體效應(yīng)面積A施囂級(jí)_丄二$二呂丄受主能級(jí)OOOOf-丄Ei/價(jià)帶5367-o空穴雜質(zhì)J導(dǎo)帶/皿/禁帶/Tv價(jià)本征Zrr7rr）光輻射照射外加電壓的半導(dǎo)體，如果光波長(zhǎng)久滿(mǎn)足如下條件：1.24九伽）c二E（ev）（本征）g1.24=Ei（eV）（雜質(zhì)）式中Eg是禁帶寬度，E,是雜質(zhì)能帶寬度。光子將在其中激發(fā)出新的載流子（電子和空穴）。這就使半導(dǎo)體中的載流子濃度在原來(lái)平衡值上增加了一個(gè)量An和Ap。這個(gè)新增加的部分在半導(dǎo)體物理中叫非平衡載流子，我們現(xiàn)在稱(chēng)之為光生載流子。顯然，Ap和An將使半導(dǎo)體的電導(dǎo)增加一個(gè)量AG,我們稱(chēng)之為光電導(dǎo)。相應(yīng)于本征和雜質(zhì)半導(dǎo)體就分別稱(chēng)為本征和雜質(zhì)光電

4、導(dǎo)。四、光伏效應(yīng)光伏現(xiàn)象半導(dǎo)體材料的“結(jié)”效應(yīng)光照零偏pn結(jié)產(chǎn)生開(kāi)路電壓的效應(yīng)光伏效應(yīng)光電池光照反偏光電信號(hào)是光電流結(jié)型光電探測(cè)器的工作原光電二極管五、溫差電效應(yīng)當(dāng)兩種不同的配偶材料（可以是金屬或半導(dǎo)體）兩端并聯(lián)熔接時(shí)，如果兩個(gè)接頭的溫度不同，并聯(lián)回路中就產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，稱(chēng)為溫差電動(dòng)勢(shì)。提高測(cè)量靈敏度若干個(gè)熱電偶串聯(lián)起來(lái)使用熱電堆六、熱釋電效應(yīng)熱釋電材料電介質(zhì)一種結(jié)晶對(duì)稱(chēng)性很差的壓電晶體在常態(tài)下具有自發(fā)電極化（即固有電偶極矩）。熱電體的丨門(mén)決定了面電荷密度s的大小，當(dāng)P發(fā)生變化時(shí)，面sss電荷密度也跟著變化。”|值是溫度的函數(shù)溫度升高1Ps|減小。升高到Tc值時(shí)，自發(fā)極化突然消失稱(chēng)為居里溫度。熱釋

5、電體表面附近的自由電荷對(duì)面電荷的中和作用比較緩慢，一般在11000秒量級(jí)。熱釋電探測(cè)器是一種交流或瞬時(shí)響應(yīng)的器件。光6T電極七、光電轉(zhuǎn)換定律光輻射量轉(zhuǎn)換為光電流量的過(guò)程光電轉(zhuǎn)換。pCL些dtdti（t）=dQ=e電dtdtD探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換因子i（t）=DP（t）D=耳hvdn亠/dn,式中：d光探測(cè)器的量子效率i（t）=學(xué)P（t）hv基本的光電轉(zhuǎn)換定律：（1）光電探測(cè)器對(duì)入射功率有響應(yīng),響應(yīng)量是光電流。因此,一個(gè)光子探測(cè)器可視為一個(gè)電流源。（2）因?yàn)楣夤β蔖正比于光電場(chǎng)的平方,故常常把光電探測(cè)器稱(chēng)為平方律探測(cè)器?；蛘哒f(shuō),光電探測(cè)器本質(zhì)上一個(gè)非線(xiàn)性器件。2光電探測(cè)器的性能參數(shù)一、積分靈敏度R靈

6、敏度也常稱(chēng)作響應(yīng)度，它是光電探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換特性的量度。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(chēng)為探測(cè)器的光電特性。靈敏度R定義為這個(gè)曲線(xiàn)的斜率：diiR=（線(xiàn)性區(qū)內(nèi)）（A/W）idPPR=dU=-（線(xiàn)性區(qū)內(nèi)）（V/W）udPPRi電流靈敏度（積分電流靈敏度）R電壓靈敏度（積分電壓靈敏度）u二、光譜靈敏度RAR=厶九dP幾相對(duì)光譜靈敏度S九：s.=R./R.光電探測(cè)器和入射光功率的光譜匹配非常重要三、頻率靈敏度R（響應(yīng)頻率f和響應(yīng)時(shí)間T）fc如果入射光是強(qiáng)度調(diào)制的，在其他條件不變下，光電流i將隨f調(diào)制頻率f的升高而下降，這時(shí)的靈敏度稱(chēng)為頻率靈敏度R。fT探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間或時(shí)間

7、常數(shù)，由材料、結(jié)構(gòu)和外電路決定：四、量子效率n廿空Reihc廠光譜量子效率：耳廠云R五、通量閾P(yáng)和噪聲等效功率NEPth通量閾探測(cè)器所能探測(cè)的最小光信號(hào)功率噪聲等效功率NEP單位信噪比時(shí)的信號(hào)光功率信噪比SNR定義為：SNR=J（電流信噪比）inSNR=件電壓信噪比）六、u歸一化探測(cè)度D*（讀作D星）探測(cè)度D：（、D=1/NEPW-1丿探測(cè)器光敏面積A和測(cè)量帶寬Af對(duì)D值影響大探測(cè)器的噪聲功率NxAfix（V/2D）1/2n探測(cè)器的噪聲功率NxANxAix（A/2Dx（A）_1/2n定義：D*=Dv;AAf（m-Hz1/2/W歸一化探測(cè)度給出D*值時(shí)注明響應(yīng)波長(zhǎng)入、光輻射調(diào)制頻率f及測(cè)量帶寬A

8、f,即D*（2,f,Af）。七、噪聲依據(jù)噪聲產(chǎn)生的物理原因,光電探測(cè)器的噪聲可大致分為散粒噪聲、熱噪聲和低頻噪聲三類(lèi)。3常用光電探測(cè)器簡(jiǎn)介一、光敏電阻光電導(dǎo)效應(yīng)原理（半導(dǎo)體材料的體效應(yīng)）光電導(dǎo)探測(cè)器光照下改變自身的電阻率（光照愈強(qiáng),器件自身的電阻愈?。┕饷綦娮瑁ü鈱?dǎo)管）本征型光敏電阻一般在室溫下工作適用于可見(jiàn)光和近紅外輻射探測(cè)非本征型光敏電阻通常在低溫條件下工作常用于中、遠(yuǎn)紅外輻射探測(cè)光敏電阻的結(jié)構(gòu)和偏置電路以CdS光敏電阻為例光敏面工作特性光敏響應(yīng)特性S0.80.60.40.21CdSCdSePbS0iiJ-0.40.81.2光照特性和伏安特性1.62.0光照特性曲線(xiàn)線(xiàn)性伏安特性（3）時(shí)間響

9、應(yīng)特性光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間常數(shù)是由電流上升時(shí)間tr和衰減時(shí)間tf表示的。光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間與入射光的照度，所加電壓、負(fù)載電阻及照度變化前電阻所經(jīng)歷的時(shí)間（稱(chēng)為前歷時(shí)間）等因素有關(guān)。（4）穩(wěn)定特性光敏電阻的阻值隨溫度變化而變化的變化率,在弱光照和強(qiáng)光照時(shí)都較大,而中等光照時(shí),則較小。例：CdS光敏電阻的溫度系數(shù)在10lx照度時(shí)約為0；照度高于10lx時(shí)，溫度系數(shù)為正；小于10lx時(shí)，溫度系數(shù)反而為負(fù)；照度偏離10lx愈多，溫度系數(shù)也愈大。另外，當(dāng)環(huán)境溫度在0+60C的范圍內(nèi)時(shí)，光敏電阻的響應(yīng)速度幾乎不變;而在低溫環(huán)境下，光敏電阻的響應(yīng)速度變慢。例如，-30C時(shí)的響應(yīng)時(shí)間約為+20C時(shí)的兩倍。光敏電

10、阻的允許功耗,隨著環(huán)境溫度的升高而降低。（5）噪聲特性幾種典型的光敏電阻（1）CdS和CdSe低造價(jià)、可見(jiàn)光輻射探測(cè)器光電導(dǎo)增益比較高（103104）響應(yīng)時(shí)間比較長(zhǎng)（大約50ms）（2）PbS近紅外輻射探測(cè)器波長(zhǎng)響應(yīng)范圍在13.4pm,峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為2pm內(nèi)阻（暗阻）大約為1MQ響應(yīng)時(shí)間約200ps3)InSb在77k下,噪聲性能大大改善峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為5pm響應(yīng)時(shí)間短（大約50X10-9S）（4）HgCdTe探測(cè)器化合物本征型光電導(dǎo)探測(cè)器,它是由HgTe和GdTe兩種材料混在一起的固溶體，其禁帶寬度隨組分x呈線(xiàn)性變化。當(dāng)x=0.2時(shí)響應(yīng)波長(zhǎng)為814pm,工作溫度77k，用液氮致冷。使用注意事項(xiàng)

11、（1）用于測(cè)光的光源光譜特性必須與光敏電阻的光敏特性匹配;（2）要防止光敏電阻受雜散光的影響;（3）要防止使光敏電阻的電參數(shù)（電壓、功耗）超過(guò)允許值；（4）根據(jù)不同用途,選用不同特性的光敏電阻。二、硅光電池太陽(yáng)電池零偏壓pn結(jié)光伏探測(cè)器光伏工作模式光電池硅光電池的用途：光電探測(cè)器件，電源光電池等效電路短路電流R=0L開(kāi)路電壓R=8單片硅光電池的開(kāi)路電壓約為0.450.6V，短路電流密度約為150300A/m2。測(cè)量方法：在一定光功率（例如lkW/m2）照射下，使光電池兩端開(kāi)路，用一高內(nèi)阻直流毫伏表或電位差計(jì)接在光電池兩端，測(cè)量出開(kāi)路電壓；在同樣條件下，將光電池兩端用一低內(nèi)阻（小于1Q）電流表短

12、接，電流表的示值即為短路電流。2.光譜、頻率響應(yīng)及溫度特性光電池的頻率特性不太好。在強(qiáng)光照射或聚光照射情況下，必須考慮光電池的工作溫度及散熱措施。通常Si光電池使用的溫度不允許超過(guò)125C。三、光電二極管反偏電壓pn結(jié)光伏探測(cè)器光導(dǎo)工作模式光電二極管1.Si光電二極管（1）結(jié)構(gòu)原理電6L2）光譜響應(yīng)特性和光電靈敏度4）伏安特性-WF=35(pW)V/Rt20-（4）頻率響應(yīng)特性頻率特性好,適宜于快速變化的光信號(hào)探測(cè)。光電二極管的頻率特性響應(yīng)主要由三個(gè)因素決定：（a）光生載流子在耗盡層附近的擴(kuò)散時(shí)間；（b）光生載流子在耗盡層內(nèi)的漂移時(shí)間;（c）與負(fù)載電阻R并聯(lián)的結(jié)電容C所決定的電路時(shí)間常數(shù)。Li2.PIN硅光電二極管APD)3.雪崩光電二極管SiOz膜保護(hù)環(huán)有源區(qū)0300pm(c)4.光電三極管四、光熱探測(cè)器1.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