光電探測器及其校正技術(shù)課件

1第四章

光電探測器及其校正技術(shù)1第四章

光電探測器及其校正技術(shù)2本章主要包括以下內(nèi)容1.光電倍增管2.光電導(dǎo)器件3.光電池和光電二極管4.CCD圖像傳感器5.熱電探測器6.光電探測器的校正2本章主要包括以下內(nèi)容1.光電倍增管34.1概述

光電探測器的工作原理是將光輻射的作用視為所含光子與物質(zhì)內(nèi)部電子的直接作用。也就是物質(zhì)內(nèi)部電子在光子作用下，產(chǎn)生激發(fā)而使物質(zhì)的電學(xué)特性發(fā)生變化。這種變化主要有以下三類：(1)外光電效應(yīng)某些物質(zhì)在光子的作用下．可以從物質(zhì)內(nèi)部逸出電子的現(xiàn)象叫做外光電效應(yīng)。逸出電子的動能可用下式表示：式中，m為電子質(zhì)量；V為電子逸出后所具有的速度；H是普朗克常數(shù)；Po為該物質(zhì)的逸出功34.1概述光電探測器的工作原理是將光輻射的作用視445(2)內(nèi)光電效應(yīng)某些物質(zhì)在光子作用下，使物質(zhì)導(dǎo)電特性發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)。利用內(nèi)光電效應(yīng)材料制成的光電探測器主要是各種類型的光敏電阻。5(2)內(nèi)光電效應(yīng)6(3)障層光電效應(yīng)在不同材料的接觸面上，由于它們電學(xué)特性不同而產(chǎn)生障層。利用障層光電效應(yīng)制成的光電探測器主要有各種類型的光電池和光電二極管、光電三極管等。日本計劃發(fā)射一個千兆瓦的太陽能光電池板到預(yù)定軌道到2030年6(3)障層光電效應(yīng)日本計劃發(fā)射一個千兆瓦的太陽能光電池板74.2光電倍增管

利用外光電效應(yīng)制成的光電器件主要有光電管和光電倍增管。光電管結(jié)構(gòu)簡單，如圖4-1所示；圖4-2所示是真空光電管的伏安持性圖4-1光電管結(jié)構(gòu)示意圖圖4-2真空光電管的伏安特性74.2光電倍增管利用外光電效應(yīng)制成的光電器件主要81.光電倍增管的工作原理光電倍增管是由封裝在真空泡殼中的光陰極、陽極和若干中間二次發(fā)射極所組成。它的結(jié)構(gòu)原理及偏置電路如圖4-3所示。圖4-3光電倍增管及回路示意圖81.光電倍增管的工作原理圖4-3光電倍增管及回路示意9(1)光陰極目前用于光電倍增管的光陰極材料主要有銀氧銫、銻銫、銻鉀鈉銫和Ⅲ——Ⅴ族砷化鎵等。它們的主要特性見表4-1。9(1)光陰極10光陰極材料的光譜特性曲線如圖4-4所示。10光陰極材料的光譜特性曲線如圖4-4所示。11(2)二次發(fā)射極二次發(fā)射極簡稱二次極，有時又叫做打拿極。二次發(fā)射極的主要材料有銻銫(CsSb)、氧化鈹(BeO)、銀鎂(AgMg)合金、磷化鎵(GaP)和磷砷化鎵等。二次發(fā)射體的重要參數(shù)是二次發(fā)射系數(shù)δ:

式中n1、n2分別是輸入二次發(fā)射體的一次電子數(shù)和二次發(fā)射體對應(yīng)發(fā)出的電子數(shù)。二次電子發(fā)射系數(shù)與材料本身特性、一次電子的動能或極間電壓的大小有關(guān)，如圖4-5所示。圖4-5δ—U關(guān)系曲線11(2)二次發(fā)射極圖4-5δ—U關(guān)系曲線12

二次發(fā)射極在光電倍增管中除提供大的電子增益外，另一個重要作用是引導(dǎo)管內(nèi)電子的渡越，使電子從上一級正確地轉(zhuǎn)移到下一級上去，這一作用叫做電子聚焦。如圖4-6中給出了四種結(jié)構(gòu)的示意圖。圖4-6幾種光電倍增管的結(jié)構(gòu)示意12二次發(fā)射極在光電倍增管中除提供大的電子增135.細(xì)網(wǎng)型135.細(xì)網(wǎng)型6.微通道板146.微通道板14151516(3)陽極陽極又稱收集極。光電流經(jīng)過各二次發(fā)射極倍增后．由陽極收集并形成信號電流輸出。陽極是管內(nèi)電壓最高的地方，當(dāng)最后一個二次極發(fā)出的電子飛到陽極上后，陽極也會產(chǎn)生二次電子發(fā)射，這將破壞穩(wěn)定的輸出。

(4)分壓器它的作用是使光電倍增管中從光電陰極到依次各二次極，最后到陽極的電位逐漸升高，使光電子順利完成電子倍增過程、在各種類型的分壓器中，用得最多也最簡單的是電阻分壓器，按照各極間所需電壓的比例采用相應(yīng)的電阻值，使總電壓分配到各極間去。16(3)陽極172.光電倍增管的主要特性(1)光電倍增管的光譜特性光電倍增管的光譜特性主要由光陰極和玻殼材料的特性來確定。影響光電倍增管光譜特性的還有一些其它因素，如溫度、受照點位置和磁場等。圖4-8為銻銫光陰極光譜特性隨溫度的變化曲線。圖4-8銻絕陰極Sλ隨T偏移的曲線172.光電倍增管的主要特性圖4-8銻絕陰極Sλ隨18

圖4-8中縱坐標(biāo)是光譜相對偏移，其定義為式中Sλ20oc為20℃時銻銫陰極的光譜靈敏度；SλT——溫度為T時的光譜靈敏度。圖4-9所示是多堿陰極的光譜特性隨溫度變化的曲線。圖4-9多堿陰極Sλ隨T偏移的曲線18圖4-8中縱坐標(biāo)是光譜相對偏移，其定義為圖4-919(3)線性度在高精度的光電檢測中，要求光電探測器的光特性具有良好的線性度，且線性范圍盡可能寬。光特性是指倍增管輸出信號電流隨輸入光通量變化的曲線，即I＝f(Φ)。一般認(rèn)為產(chǎn)生光特性非線性的原因主要有兩個：一是內(nèi)部的非線性源，它們包括光陰極的電阻率及材料特性、管內(nèi)空間電荷間的互相作用，以及電子聚焦或收集效率的變化等。另一方面是外部非線性源，其中包括負(fù)載電阻的負(fù)反饋作用，以及由于信號電流過大造成極間電位的重新分布等。

(2)靈敏度光電器件靈敏度的定義有許多種，而對光電倍增管常用陽極靈敏度來表征這一特性。定義陽極光譜靈敏度Sa(λ)為式中，單色光通量為Φ(λ)，陽極電流為Ia19(3)線性度20圖4-12給出了隨入射通量Φ增加輸出電流Ia偏離直線的情況圖4一12Ia與f(Φ)曲線20圖4-12給出了隨入射通量Φ增加輸出電流Ia偏離直線的情21(4)最大額定值光電倍增管是極其靈敏的微信號光電探測器,為正確使用應(yīng)了解各參量的最大額定值。

①最大陰極電流Icm,有時給出最大電流密度(μA/cm2)。工作時不應(yīng)超過額定值。有時陰極電流Ic雖小于Icm，但入射光點很小，也會因電流密度過大而引起局部損壞。這時應(yīng)按電流密度的額定值來限制輸入。

②最大陽極電流Iam,該值通常是以不產(chǎn)生嚴(yán)重的和不可逆的損壞為限，通常陽極功率限制在0.5w以下。應(yīng)當(dāng)注意說明書中的Iam不是指使用時的線性限，有的廠家還給出這時的非線性度，如10﹪等。

③最大額定電壓Um,該指標(biāo)是從管子的絕緣性能和工作可靠性出發(fā)給出的。為使噪聲不至太大，一般建議采用的總電壓U＜(60—80)﹪Um。21(4)最大額定值22(5)光電倍增管的不穩(wěn)定性管子工作的不穩(wěn)定性主要表現(xiàn)在以下三個方面:①由于光譜響應(yīng)隨時間緩慢地不可逆地變化②在幾分鐘或幾小時內(nèi),由于可逆的疲勞所構(gòu)成的漂移③滯后作用造成陽極輸出的不穩(wěn)定(6)暗電流在無光輸入時，由陽極輸出的電流叫做暗電流。暗電流的主要來源有熱發(fā)射、漏電流、管內(nèi)電子散射引起泡殼熒光反饋陰極引起的發(fā)射電流、殘余氣體電離和宇宙射線等。熱電流IaoT是由于光陰極或二次極材料在溫度作用下，其中獲得大于材料逸出功所需能量的電子逸出后產(chǎn)生的．其大小與環(huán)境溫度、材料面積和工作電壓等因素有關(guān)。陽極熱電流可表示為式中，Ico為光陰極發(fā)出的熱電流；Iio為第i個二次極發(fā)出的熱電流。22(5)光電倍增管的不穩(wěn)定性(6)暗電流23

幾種光陰極材料的暗電流密度與溫度的關(guān)系如圖4-13所示。暗電流、增益與電壓間的關(guān)系如圖4-14所示。圖4一13陰極暗電流密度隨溫度的變化圖4一14Iao、G與電壓間的關(guān)23幾種光陰極材料的暗電流密度與溫度的關(guān)系如24(7)光電倍增管的噪聲與信噪比光電倍增管中的噪聲源主要來自光陰極和二次極的熱發(fā)射。入射光輻射本身亦帶來噪聲。由光電陰極和K個二次發(fā)射極組成的光電倍增管中．綜合在陽極輸出時的噪聲電流用均方根值表示為當(dāng)δ1＝δ2＝…＝δk=δ時，則有24(7)光電倍增管的噪聲與信噪比25如果把暗發(fā)射也考慮在內(nèi)，則陽極輸出的信噪比為：由該式可知,要提高光電倍增管的信噪比可采取以下方法。①管子致冷可減少Ic0值；②當(dāng)入射光斑較小時，應(yīng)盡量選用光陰極面小的管子；③選用δ較高的材料做二次發(fā)射極，并提高工作電壓；④減小檢測系統(tǒng)頻帶寬度?f，以提高信噪比；25如果把暗發(fā)射也考慮在內(nèi)，則陽極輸出的信噪比為：26(8)光電倍增管的時間特性光電倍增管時間特性用其對脈沖光的響應(yīng)特性來表示。脈沖光可用激光脈沖來產(chǎn)生，如采用上升時間50ps，半寬度70ps的激光脈沖。響應(yīng)特性常用圖4-15所示的三個量來表示。（渡越時間、上升時間、半高度持續(xù)時間）圖4-15倍增管的時間特性26(8)光電倍增管的時間特性圖4-15倍增管的時間特性273.光電倍增管的一般使用準(zhǔn)則為使光電倍增管工作穩(wěn)定．推薦圖4-16所示的電路。圖4-16光電倍增管基本偏置電路273.光電倍增管的一般使用準(zhǔn)則圖4-16光電倍增管基28(1)陽極電流不超過幾微安的數(shù)量級。

(2)分壓鏈中的電流應(yīng)在1mA的數(shù)量級，應(yīng)是陽極輸出最大電流的1000倍，但也應(yīng)避免電流過大而發(fā)熱。

(3)高壓電源的穩(wěn)定度應(yīng)十倍于所要求的檢測精度，并采用負(fù)高壓供電。

(4)光陰極和第一個二次極之間，最后一個二次極與陽極之間的電壓可獨立于總電壓，用穩(wěn)壓管進(jìn)行單獨穩(wěn)壓。

(5)陽極電流輸出的信號放大，建議采用“電流一電壓變換器”的型式。有利于減小陽極負(fù)載，穩(wěn)定回路的工作。

(6)為減少外界磁場對極間運(yùn)動電子的作用，其中包括地磁的作用，在高精度檢測時必須屏磁。如對端窗式光電倍增管可用圓筒屏磁罩，并要求罩長度超出光陰極面至少半個陰極的直徑。28(1)陽極電流不超過幾微安的數(shù)量級。29(7)光電倍增管應(yīng)存放在黑暗的環(huán)境中。即使未加高壓，也只能暴露在極弱光的條件下。工作前應(yīng)在高壓供電條件下，在黑暗中處理數(shù)小時。

(8)如要通過致冷以減小暗電流時，致冷溫度不必過低。對銀氧銫陰極可致冷到一77℃，而其它陰極致冷到一20℃即可。致冷過深會導(dǎo)致陰極電阻劇增、使噪聲增加，信噪比下降。

(9)如果光電倍增管的靈敏度足夠高，光陰極前應(yīng)加性能良好的漫射光器，以使入射光均勻照射全部光陰極面。

(10)光電倍增管不應(yīng)在氦氣環(huán)境中使用，如有氦氣分子滲入管內(nèi)，因電離會產(chǎn)生大的附加噪聲。

(11)在光電倍增管使用中，如對光譜特性的穩(wěn)定性要求很高，那么應(yīng)選用有放數(shù)年后的管子。

(12)如需了解使用光電倍增管的光譜特性、必須對該管進(jìn)行單獨測試，樣本或說明書所給的資料只是一般性的指導(dǎo)。同廠家同型號的管子也很難有相同的光譜特性。29(7)光電倍增管應(yīng)存放在黑暗的環(huán)境中。301.光電導(dǎo)器件的基本參數(shù)(1)光敏器件的光特性光敏器件的光特性是表征光照下光敏器件的輸出量，如電阻、電壓或電流等量與入射輻射之間的關(guān)系；(2)光敏器件的靈敏度靈敏度又稱響應(yīng)度。它表示器件將光輻射能轉(zhuǎn)換為電能的能力。具體定義為：器件產(chǎn)生的輸出電信號與引起該信號的輸入光輻射通量之比。輸出電信號由器件及偏置電路的特性決定，既可以是電流，也可以是電壓，如電流表示的光靈敏度4.2光電導(dǎo)器件301.光電導(dǎo)器件的基本參數(shù)4.2光電導(dǎo)器件31(3)光譜響應(yīng)光敏器件對某個波長光輻射的響應(yīng)度或靈敏度叫做單色靈敏度或光譜靈敏度。(4)量子效率η

光敏器件的量子效率是指器件吸收輻射后，產(chǎn)生的光生載流子數(shù)與入射輻射的光子數(shù)之比式中ne為器件產(chǎn)生的載流子數(shù)；n0入射的光子數(shù)。(5)光敏器件的噪聲當(dāng)器件無光輻射入射時，輸出電壓或電流的均方值或均方根值叫做噪聲。(6)光敏器件的噪聲等效功率它是指在特定的帶寬內(nèi)，產(chǎn)生與均方根噪聲電壓或電流相等的信號電壓或電流所需要的入射輻射通量或功率。用NEP來表示。31(3)光譜響應(yīng)32(7)光敏器件的探測率D

該特性也是光敏器件探測極限水平的表示形式,它是噪聲等效功率的倒數(shù)。(8)光敏器件的歸一化探測率D*

該特性表示單位面積的器件，在放大器帶寬為1Hz條件下的探測率

式中A為器件光敏面的有效面積；?f為所用放大器的帶寬；(9)光敏器件的頻率特性該特性表示器件惰性的大小。常以比探測率下降到1/2時，或信號電壓下降到1/2^0.5時所對應(yīng)的頻率，叫做截止頻率。指導(dǎo)我們選用探測器調(diào)制頻率范圍。32(7)光敏器件的探測率D332.常用光敏電阻及其特性光敏電阻可用多種光電導(dǎo)材料制成。表4-2給出了幾種常用光電導(dǎo)材料的禁帶寬度和大致的光譜響應(yīng)范圍。

332.常用光敏電阻及其特性34(1)硫化鎘、硒化鎘光敏電阻這兩種光敏電阻用于可見光和近紅外區(qū)域中，是使用最廣泛的光電導(dǎo)器件。其結(jié)構(gòu)如圖4-18所示。

圖4-18光敏電阻結(jié)構(gòu)示意34(1)硫化鎘、硒化鎘光敏電阻圖4-18光敏電阻結(jié)35(2)硫化鉛和硒化鉛光敏電阻硫化鉛(PbS)是一種多晶薄膜型光電探測材料．適用的光譜范圍可從可見光到中紅外波段。表4-3給出了不同溫度下硫化鉛的性能。

硒化鉛(PbS)也是多晶薄膜型光電導(dǎo)材料，響應(yīng)時間比硫化鉛快。室溫下可工作在3．3μm—5μm的光譜范圍中。表4-4給出了PbS探測器的性能參數(shù)。圖4-20給出了兩種溫度條件下硒化鉛探測器的光譜待性35(2)硫化鉛和硒化鉛光敏電阻36圖4-20不同溫度下PbSe探測器的光譜特性36圖4-20不同溫度下PbSe探測器的光譜特性37(3)銻化銦和砷化銦光電探測器銻化銦是單晶本征型探測器．表4-5給出了它在不同溫度下的性能；圖4-22給出了PC型InSb探測器響應(yīng)度、噪聲和相對D*與頻帶間的關(guān)系。圖4-22PC型InSb響應(yīng)度、噪聲和相對D*與頻率的關(guān)系37(3)銻化銦和砷化銦光電探測器圖438

光伏型銻化銦常在接近直流短路狀態(tài)下工作,可以得到最佳的探測率和靈敏度。圖4-23給出了77K時PV型InSb探測器的光譜特性。圖4-24給出了PV型InSb探測器信號、噪聲、探測度與頻率之間的關(guān)系。圖4-23PV型InSb探測器的光譜特性圖4-24PV型InSb探測器信號、噪聲、探測度與頻率的關(guān)系38光伏型銻化銦常在接近直流短路狀態(tài)下工作,39

砷化銦(1nAs)探測器是單晶本征型光伏器件。適用于1—4μm光譜范圍中工作。圖4-25給出了不同溫度下InAs探測器的光譜特性。圖4-26給出了InAs探測器的噪聲譜。圖4-25不同溫度下InAs探測器的光譜特性圖4-26InAs探測器的噪聲譜39砷化銦(1nAs)探測器是單晶本征型光伏40(4)碲鎘汞和碲錫鉛光電探測器碲鎘汞材料(Hg1-xCdxTe)的禁帶寬度Eg隨組分x的改變而變化。其主要特性列于表4-6中。40(4)碲鎘汞和碲錫鉛光電探測器41

圖4-27給出了三種不同組分的PC型碲鎘汞探測器在77K和2π視場條件下的光譜特性。圖4-28為PV型碲鎘汞三種組分探測器在77K、視場為300時的光譜特性。圖4-27碲鎘汞探測器的光譜持性圖4-28PV型碲鎘汞探測器的光譜持性41圖4-27給出了三種不同組分的PC型碲鎘42

圖4-29給出了不同窗口材料、77K、視場為60°條件下PV碲錫鉛錫鉛探測器的光譜特性。圖4-29碲錫鉛探測器的光譜特性42圖4-29給出了不同窗口材料、77K、視43(5)雜質(zhì)光電導(dǎo)探測器鍺摻金探測器是P型雜質(zhì)光電導(dǎo)探測器，圖4-30所示為77K、2π視場、背景為295K條件下鍺摻金探測器的光譜特性。圖4-31所示為鍺摻金探測器探測率與頻率的關(guān)系。圖4-31鍺摻金探測器探測率與頻率的關(guān)系圖4-30鍺摻金探測器的光譜特性43(5)雜質(zhì)光電導(dǎo)探測器圖4-31鍺摻金探測器探測44表4-7列出了主要硅摻雜探測器的特性。44表4-7列出了主要硅摻雜探測器的特性。45

圖4-32所示溫度為27K時硅摻鎵探測器的光譜特性。圖4-33所示為50K時鍺硅合金摻金探測器的光譜特性：圖4-32硅摻鎵探測器的光譜特性圖4-33鍺硅摻金探測器的光譜特性45圖4-32所示溫度為27K時硅摻鎵探測器的463.光敏電阻使用中的有關(guān)計算及偏置電路(1)比探測率D*在使用中的轉(zhuǎn)化設(shè)探測器與特定黑體間光譜匹配系數(shù)為，而探測器與目標(biāo)間光譜匹配系數(shù)為，那么，比探測率D*應(yīng)修正為，即通常探測器的頻率特性曲線如圖4-34所示圖4-34PbS探測器的頻率特性曲線463.光敏電阻使用中的有關(guān)計算及偏置電路圖4-34Pb47(2)減小噪聲提高信噪比的措施利用信號調(diào)制及選頻技術(shù)可抑制噪聲的引入。光電導(dǎo)探測器的噪聲譜如圖4-35所示,而一般放大器的噪聲譜如圖4-36所示。圖4-35光敏電阻的噪聲頻率特性圖4-36放大器的噪聲頻率特性47(2)減小噪聲提高信噪比的措施圖4-35光敏電阻的48

減少光敏電阻噪聲的另一種方法是將器件致冷，以減小熱發(fā)射，也可降低產(chǎn)生—復(fù)合噪聲。常用的液氮杜瓦瓶致冷器原理如圖4-37所示。圖4-37杜瓦瓶致冷器原理圖48減少光敏電阻噪聲的另一種方法是將器件致冷49(3)幾種典型的偏置電路①恒流偏置電路在一定光照下，光敏電阻產(chǎn)生的信號和噪聲均與通過光敏電阻的電流大小有關(guān)，其關(guān)系曲線如圖4-38所示。圖4-38信號、噪聲、倍噪比與光敏電阻中電流間的關(guān)系49(3)幾種典型的偏置電路圖4-38信號、噪聲、倍噪50

由圖4-38中可知，信噪比曲線有一極大值存在，從這一特點出發(fā)希望偏置電路使器件偏流穩(wěn)定，并取值在最佳電流Iopt的區(qū)域中。按此要求設(shè)計的恒流偏置電路如圖4-39所示。圖4-39晶體管恒流偏置電路50由圖4-38中可知，信噪比曲線有一極大值51②恒壓偏置電路將恒流偏置電路稍加改變便可形成如圖4-40所示的恒壓偏置電路。圖4-40晶體管恒壓偏置電路51②恒壓偏置電路圖4-40晶體管恒壓偏置電路52③最大輸出及繼電器工作的偏置電路這類簡單的光敏電阻偏置電路如圖4-41所示。圖4-42所示是對應(yīng)平均照度E0、最大照度E”和最小照度E’的三條伏安特性曲線。圖4-41光敏電阻偏置電路圖4-42不同照度下光敏電阻的伏安特性52③最大輸出及繼電器工作的偏置電路圖4-41光敏電阻偏置53a.檢測光量時負(fù)載電阻的確定

RL的選擇原則是在一定RG、ΔRG和E的條件下，使信號電壓u的輸出最大。通過取極值，則有于是有,

b.在繼電器型式工作時的確定c.電源電壓的選擇從以上各式都可以看到、選用較大的電源電壓對產(chǎn)生信號十分有利、但又必須以保持長期正常工作，不損壞光敏電阻為原則。有時在器件的說明書中給出。53a.檢測光量時負(fù)載電阻的確定544.4光電池和光電二極管

1.PN結(jié)與光伏效應(yīng)的產(chǎn)生當(dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體直接接觸時，P區(qū)中的多數(shù)載流子—空穴向空穴密度低的N區(qū)擴(kuò)散，同時N區(qū)中的多數(shù)載流子—電子向P區(qū)擴(kuò)散。這一擴(kuò)散運(yùn)動在P區(qū)界面附近積累了負(fù)電荷，而在N區(qū)界面附近積累了正電荷，正負(fù)電荷在兩界面間形成內(nèi)電場。在該電場逐步形成和增加的同時，在它的作用下產(chǎn)生載流子的漂移運(yùn)動。隨著擴(kuò)散運(yùn)動的進(jìn)行和界面間內(nèi)電場的增高，促使漂移運(yùn)動加強(qiáng)。這一伴生的對立運(yùn)動在一定溫度條件下—定時間后達(dá)到動態(tài)平衡。如圖4-43所示。圖4-43P-N結(jié)的形成544.4光電池和光電二極管1.PN結(jié)與光伏效應(yīng)的產(chǎn)生55

當(dāng)有外界光輻射照射在結(jié)區(qū)及其附近時．只要入射光子的能量ε=hυ大于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg，就可能產(chǎn)生本征激發(fā)，激發(fā)產(chǎn)生電子—空穴對。P區(qū)中的光生空穴和N區(qū)中的光生電子，因受P-N結(jié)的阻擋作用而不能通過結(jié)區(qū)，結(jié)區(qū)中產(chǎn)生的電子—空穴對在內(nèi)電場作用下，電于驅(qū)向N區(qū)，空穴驅(qū)向P區(qū)。而結(jié)區(qū)附近P區(qū)中的光生電子和N區(qū)中的空穴如能擴(kuò)散到結(jié)區(qū)，并在內(nèi)電場作用下通過結(jié)區(qū)，這樣在P區(qū)中積累了過量的空穴．在N區(qū)中積累了過量的電子，從而形成一個附加的電場，方向與內(nèi)電場相反，如圖4-44(a)所示。該附加電場對外電路來說將產(chǎn)生由P到N方向的電動勢。當(dāng)聯(lián)接外電路時，將有光生電流通過，這就是光伏效應(yīng)。

當(dāng)P-N結(jié)端部受光照時．光子入射的深度有限，不會得到好的效果。實際使用的光伏效應(yīng)器件，都制成薄P型或薄N型，如圖4-44(b)所示。入射光垂直P-N結(jié)面入射，以提高光伏效應(yīng)的效率。55當(dāng)有外界光輻射照射在結(jié)區(qū)及其附近時．只要入射光子的56

圖4-44障層光電效應(yīng)原理56圖4-44障層光電效應(yīng)原理57

2.光伏效應(yīng)器件的伏安特性光伏效應(yīng)器件工作的等效電路如圖4-45所示。這類器件的伏安特性圖4-46所示。圖4-45光伏效應(yīng)器件的等效電路圖4-46光伏器件的伏安特性曲線572.光伏效應(yīng)器件的伏安特性圖4-45光伏效應(yīng)器件58

3.光伏效應(yīng)光電池分析圖4-46第Ⅳ象限中曲線的情況可知，外加電壓為正，而外電路中的電流卻與外加電壓方向相反為負(fù)。即外電路中電流與等效電路中規(guī)定的電流相反，而與光電流方向一致。這一現(xiàn)象意味著該器件在光照下能發(fā)出功率，以對抗外加電壓而產(chǎn)生電流，該狀態(tài)下的器件被稱為光電池。曲線族與電壓軸的交點．即I＝0，表示光電池外電路開路的情況。輸出電壓Uoc

可求：583.光伏效應(yīng)光電池59

圖4-47所示為上述兩種光電池的相對光譜特性，圖4-48給出了硅光電池的光特性曲線。圖4-47硅、硒光電池的相對光譜特性曲線圖4-48硅光電池的光特性曲線59圖4-47所示為上述兩種光電池的相對光60

圖4-49給出了硒光電池的光特性曲線，圖4-50給出了不同負(fù)載下的光特性曲線。圖4-49分硒光電池的光特性曲線圖4-50不同負(fù)載下光電池的光特性曲線60圖4-49給出了硒光電池的光特性曲線，61

下面分析光電池幾種不同輸出要求的偏置電路。(1)光電池作為電流輸出的電路將圖4-46第Ⅳ象限的曲線經(jīng)翻轉(zhuǎn)，處理后獲得如圖4-51所示的光電池伏安特性。圖4-51光電池的伏安特性曲線應(yīng)選擇負(fù)載小好，具有良好的線性關(guān)系61下面分析光電池幾種不同輸出要求的偏置電路。圖4-5162

在光電檢測中希望線性輸出時，為此應(yīng)采用低輸入阻抗的電路來完成放大工作。圖4-52所示電路就是典型的原理圖。圖4-52光電池低輸入阻抗放大電路62在光電檢測中希望線性輸出時，為此應(yīng)采用63

有時對輸出信號與入射光量間的線件關(guān)系要求不高，又希望能有比較簡單的電路型式，如圖4-53所示。圖4-53利用鍺管的放大電路63有時對輸出信號與入射光量間的線件關(guān)系要64

圖4-54所示是采用RW提供可調(diào)電壓，圖4-55所示是用鍺二極管D提供一定電壓。圖4-54利用RW提供可調(diào)電位圖4-55利用鍺二極管VD提供電位好處：VD與VD之間有一定的補(bǔ)償作用64圖4-54所示是采用RW提供可調(diào)電壓，圖4-55所65

(2)光電池作為開路輸出的電路有時為獲得較大的電壓輸出而不要求線性關(guān)系時，可采用高輸入阻抗的前放，這時光電池相當(dāng)開路工作。圖4-56所示為高輸入阻抗低噪聲放大器的原理圖。圖4-56光電池高輸入阻抗放大器65(2)光電池作為開路輸出的電路圖4-56光電池高66

(3)光電池作功率輸出的電路采用光電池做為將光能轉(zhuǎn)換為電能的太陽能電池時，要求有大的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率，可用多個光電池串、并聯(lián)構(gòu)成大的受光面積。如圖4-57所示是光電池給負(fù)載RL供電的電路圖。最佳負(fù)載與入射照度間的關(guān)系如圖4-58所示。圖4-57光電池作功率輸出電路圖4-58最佳負(fù)載曲線66(3)光電池作功率輸出的電路圖4-57光電池作功率67

4.光電二極管(1)光電二極管的構(gòu)造原理目前常使用的光電二極管是用鍺或硅制成,通常把N型硅做基底，上面通過擴(kuò)散法摻入硼，形成P區(qū)，這就形成了P+N結(jié)構(gòu)的光電二極管，其型號為2CU，如圖4-60所示。圖4-602CU結(jié)構(gòu)示意圖674.光電二極管圖4-602CU結(jié)構(gòu)示意圖2DU－用P型硅作基底，上面通過擴(kuò)散法摻入磷，形成N區(qū)（1～2um）68

圖4-61帶環(huán)極2DU結(jié)構(gòu)示意保護(hù)環(huán)，減少暗電流和噪聲前極后極環(huán)極有三個管腳的二極管！2DU－用P型硅作基底，上面通過擴(kuò)散法摻入磷，形成N區(qū)（1～69

圖4-62中給出了2CU和2DU的偏置電路；圖4-63給出了它們的等效電路和在第Ⅰ象限表示的伏安特性。圖4-62光電二極管偏置電路圖4-63光電二極管的等效電路和在第Ⅰ象限表示的伏安特性69圖4-62中給出了2CU和2DU的偏置70

(2)光電二極管的主要特性①光特性描述光電流I隨入射光照度或通量變化的關(guān)系、即I＝f(E)或I＝g(Φ)。硅光電池二極管的光特性如圖4-64所示。圖4-64硅光電二極管的光特性線性度很好，適用于光度量，應(yīng)用廣！70(2)光電二極管的主要特性圖4-64硅光電二極71

②光電二極管的光譜特性該特性通常是由材料來決定，圖4-65給出了鍺和硅兩種光電二極管的光譜特性。圖4-65光電二極管的光譜特性71②光電二極管的光譜特性圖4-65光電二極管的光譜72

③光電二極管的伏安特性。該曲線如圖4-63(b)所示，實際與理想情況略有出入，曲線略向上偏。④光電二極管的頻率特性器件中影響頻率響應(yīng)速度的主要因素是：結(jié)電容和雜散電容的影響；在P—N結(jié)外產(chǎn)生的光生載流子需經(jīng)一段時間的擴(kuò)散才能入結(jié)，與P—N結(jié)內(nèi)的光生載流子形成時間差的影響；

⑤光電二極管的溫度特性在外加電壓為50V，入射照度不變的條件下，光電流隨工作溫度T的變化曲線I=f(T)如圖4-66所示。圖4-66光電二極管的溫度特性72③光電二極管的伏安特性。⑤光電二極管的溫度特性圖4-73

⑥光電二極管的暗電流當(dāng)無入射光照射時，硅、鍺兩光電二極管的暗電流IΦ=0隨溫度變化的關(guān)系如圖4-67所示。圖4-67光電二極管的暗電流曲線73⑥光電二極管的暗電流圖4-67光電二極管的暗電流74

(3)硅光電二極管的性能硅光電二極管可分為四種類型：I型為高靈敏度硅光電二極管；Ⅱ型為快速響應(yīng)，靈敏度稍低的光電二極管；Ⅲ型為大面積硅光二極管；Ⅳ型為高速響應(yīng)，光譜擴(kuò)展到紅外的硅光電二極管。①I型硅光電二極管的主要特性:

探測率：=1012cm·Hz1/2·W-1；量子效率：η＞90％(加增透膜)；工作溫度：環(huán)境溫度；光敏面積：線度為0.05～2.5mm；電容：與光敏面積成正比，隨溫升稍有增加②Ⅱ型硅光電二極管的主要特性：

探測率：

＝6×1011cm·Hz1/2·W-1；響應(yīng)時間：t≈3ns；光敏面積：1mm2

74(3)硅光電二極管的性能75

③Ⅲ型硅光電二極管的主要特性：探測宰：D*(0.9μμm,270)＝4×1012cm·Hz1/2W-1；響應(yīng)時間：≈10ns(UR＝10V，RL＝50Ω)，光敏面積：2×2mm2、5×5mm2、10×10mm2④Ⅳ型硅光電二極管的主要特性：

探測率：

(UR＝0，RL＝40MΩ)＝5×1012cm·Hz1/2W-1；

D*(UR＝60V，RL＝50Ω)＝1012cm·Hz1/2W-1；響應(yīng)時間：≈2ns(UR＝60V，RL＝50Ω)；工作溫度：環(huán)境溫度；光敏面積：5×5mm2。75③Ⅲ型硅光電二極管的主要特性：76

它們的光譜特性曲線如圖4-68所示。圖4-68各類硅光電二極管的光譜特性76它們的光譜特性曲線如圖4-68所示。圖4-68各類77

(4)光電二極管偏置電路的計算利用光電二極管的伏安特性，按圖4-62所示的光電二極管的偏置電路進(jìn)行分析和計算。假設(shè)入射光照度E＝100+100Sinωt(lx)，為使負(fù)載RL上輸出有10V的電壓變化，求RL相E0值的大小，并畫出輸出電流和電壓的變化曲線。分析計算的步驟如下：①按入射照度變化范圍可知，最小輸入照度為零，最大輸入照度為200lx；②畫出所用光電二極管的伏安特曲線；

③計算負(fù)載電阻RL

；④在曲線族上畫出照度的正弦變化曲線，并在相應(yīng)處畫出i和u隨時間變化的曲線。77(4)光電二極管偏置電路的計算在PN結(jié)之間形成一個沒有雜質(zhì)的本征層(i層)，這種器件稱為PIN光電二極管本征層的引入提高了靈敏度；減小了結(jié)電容Cd，使時間常數(shù)τC＝CdRL減小，改善了器件的頻率響應(yīng)。

PIN光電二極管在PN結(jié)之間形成一個沒有雜質(zhì)的本征層(i層)，這種器件稱為P79

5.雪崩光電二極管和光電三極管(1)雪崩光電二極管它的工作原理是在PN結(jié)上施加高反向偏壓，使其接近擊穿電壓。這時由光子產(chǎn)生的電子—空穴對在高反壓形成的強(qiáng)電場作用下，做定向運(yùn)動并加速，使其動能迅速增加，并與晶體分子碰撞，激發(fā)出新的電子和空穴。如此多次重復(fù)這一過程，形成類似雪崩的狀態(tài)，使光生載流子得到倍增，光電流增大?？梢姡@是一種內(nèi)部電流增益的器件。光電流增益的大小常用光電流增益因子G表示G與反向偏壓U之間的關(guān)系可用下述經(jīng)驗公式表示擊穿電壓795.雪崩光電二極管和光電三極管光電流增益的大小常用光80

G與反向偏壓U之間的關(guān)系也可由曲線表示，如圖4-73,圖4-74給出了硅、鍺雪崩光電二極管的探測率與增益因子間的關(guān)系圖4-73雪崩光電二極管曲線圖4-74硅、鍺雪崩光電二極管的探測率D*與增益G的關(guān)系80G與反向偏壓U之間的關(guān)系也可由曲線表示81

表4-8是常用硅雪崩光電二極管的主要特性在雪崩光電二極管的使用中還應(yīng)注意以下兩個問題：①雪崩過程伴有—定噪聲；②局部擊穿問題基于以上兩個問題，工作偏壓選擇必須適當(dāng)。偏壓太小，雪崩增強(qiáng)作用不明顯，增益不大；而偏壓過高，則噪聲增大，甚至擊穿燒毀。81表4-8是常用硅雪崩光電二極管的主要特性82

(2)光電三極管目前最常用的光電三極管為NPN型，其結(jié)構(gòu)如圖4-75所示

圖4-75光電三極管結(jié)構(gòu)82(2)光電三極管圖4-75光電三極管結(jié)構(gòu)83

入射光束落在相當(dāng)晶體三極管的基極(b)和集電極(c)之間的結(jié)上。它的接線方法與晶體三極管不同，只接兩個極而空出—個極，因此可供接線的方法有以卜三種，如圖4-76所示。

圖4-76光電三極管回路的三種接法

實際選哪種？

83入射光束落在相當(dāng)晶體三極管的基極(b)84

當(dāng)光照在集電結(jié)的基極區(qū)時產(chǎn)生電子—空穴對，由于集電結(jié)反向偏置，而使內(nèi)電場增加。這樣當(dāng)電子擴(kuò)散到結(jié)區(qū)時，很容易漂移到集電極中去。在基極留下的空穴，促使基極對發(fā)射極的電位升高，更有利于發(fā)射極中的電子大量經(jīng)過基極而流向集電極，從而形成光電流。這一原理與晶體三極管的工作方式一致。隨著光照增加，光電流也隨之增加。這里集電極實際上起到了兩個作用，可用圖4-77加以說明。圖4-77光電三極管工作原理分析

(1)光電轉(zhuǎn)換(2)光電流放大優(yōu)點：比光電二極管靈敏度高。缺點：比光電二極管暗電流、溫度特性、線性度差。84圖4-77光電三極管工作原理分析(1)光電轉(zhuǎn)換優(yōu)85

(3)光敏場效應(yīng)晶體管它是利用結(jié)型場效應(yīng)晶體管的柵溝道，在光輻射作用下，引起漏極電流變化。它比光電三極管有更高的靈敏度，且可在1~106范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)。它的低溫性能好，但高溫性能和光電特性的線性較差。(4)光敏晶間管它是利用光輻射控制晶閘管導(dǎo)通狀態(tài)的光敏器件。光敏晶閘管是良好的電流開關(guān)，關(guān)閉狀態(tài)時電阻可以達(dá)10MΩ，而在導(dǎo)通狀態(tài)時電阻可低于10Ω。85(3)光敏場效應(yīng)晶體管86

6.其它光電探測器(1)異質(zhì)結(jié)光電探測器（探測紅外）異質(zhì)結(jié)是由兩種不同基質(zhì)的半導(dǎo)體材料形成的P—N結(jié)，它與同質(zhì)結(jié)不同，結(jié)兩邊不同基質(zhì)的禁帶寬度不同，常以禁帶寬度大的材料作為光照面，設(shè)此面的禁帶寬度為Egm，當(dāng)光垂直結(jié)面入射，能量hν≥Egm的光子被光照面寬禁帶材料吸收產(chǎn)生電子一空穴對．如果寬禁帶材料的厚度大于載流子的擴(kuò)散長度，則上述載流子因達(dá)不到結(jié)區(qū)，而對光電信號沒有貢獻(xiàn)。然而能量較小的長波光子能順利到達(dá)結(jié)區(qū)，并被窄禁帶材料吸收，產(chǎn)生光生載流子形成光電信號。（1）異質(zhì)結(jié)是由兩種不同基質(zhì)的半導(dǎo)體材料形成的P—N結(jié)（2）起光譜濾波作用，將小于一定波長的光濾掉。866.其它光電探測器（1）異質(zhì)結(jié)是由兩種不同基質(zhì)的半87

(2)肖特基勢壘光電探測器肖待基勢壘是障層的一種，產(chǎn)生在金屬和半導(dǎo)體材料的接觸面附近。在接觸時，由于載流子所處的能級不同，它們將由高能級向低能級方向轉(zhuǎn)移。內(nèi)電場作相應(yīng)疊加到能帶各處，形成如圖4-78所示的能常圖，圖中界面形成的接觸勢ES，叫作肖特基勢壘，通常ES＜Eg。圖4-78金屬與半導(dǎo)體界面間的能帶圖肖待基勢壘是障層的一種，產(chǎn)生在金屬和半導(dǎo)體材料的接觸面附近。特點：響應(yīng)時間短（微秒，普通光電二極管ns）87(2)肖特基勢壘光電探測器圖4-78金屬與半導(dǎo)88

(3)光磁電效應(yīng)光電探側(cè)器將半導(dǎo)體光敏材料置于如圖4-79所示的強(qiáng)磁場中，半導(dǎo)體表面受光照則產(chǎn)生電子—空穴對，由于表面載流子濃度大，便要向體內(nèi)擴(kuò)散，運(yùn)動電荷在磁場作用下要發(fā)生偏轉(zhuǎn)．電子向左．空穴向右，使半導(dǎo)體兩側(cè)面分別積累了正、負(fù)電荷．形成由右至左的內(nèi)電場。該內(nèi)電場引起的載流子漂移運(yùn)動將逐步與偏轉(zhuǎn)運(yùn)動達(dá)到動態(tài)平衡，宏觀上形成固定電場，該電場對外短路電路產(chǎn)生短路電流輸出，對外開路電路產(chǎn)生開路電壓。這種現(xiàn)象叫作光磁電效應(yīng)，利用該現(xiàn)象制成的器件叫作光磁電探測器(PME)。圖4-79光磁電效應(yīng)原理圖88(3)光磁電效應(yīng)光電探側(cè)器圖4-79光磁電效應(yīng)89

(4)四象限探測器在光電檢測中為了準(zhǔn)直和跟蹤的需要，設(shè)計了四象限探測器、它由四個性能完全相同的光電二極管按直角坐標(biāo)要求排列成四個象限，按四個象限電壓來取誤差信號，以判別光斑位置或光束方向，如圖4-80所示。把光斑照射四探測器上面積Sd1、Sd2、Sd3和Sd4、所對應(yīng)的電壓U1、U2、U3和U4按一定規(guī)則組合，解出光斑的位置信息。電壓組合規(guī)則如下：將Ux、Uy作為誤差信號經(jīng)過電子伺服系統(tǒng)再去控制光束方向或光電二極管的方位，即可完成光束的準(zhǔn)直和跟蹤的功能。89(4)四象限探測器90

探測器之間的間隔稱為“死區(qū)”，一般很窄，應(yīng)以不產(chǎn)生信號間串?dāng)_為限，太寬將會使小光斑落在其中而無法判別。目前己有硅光電二極管構(gòu)成的四象限探測器，可用于可見光和近紅外波段，中、遠(yuǎn)紅外的器件尚不太成熟。圖4-80四象限光電二極管結(jié)構(gòu)示意90探測器之間的間隔稱為“死區(qū)”，一般很窄位置靈敏探測器（PSD）位置靈敏探測器（PositionSensitiveDetectors）是一種對入射到光敏面上的光點位置敏感的光電探測器件，其輸出信號與光點在光敏面上的位置有關(guān)。

PSD結(jié)構(gòu)示意圖PSD在一個平面硅基片上制作了一個PIN三層結(jié)構(gòu)，上面為p層，下面為n層，中間為I層，p層是有均勻電阻率的光敏層。光照射到PSD的光敏層上，入射位置上產(chǎn)生電荷，通過電阻層形成光電流.由于p層的電阻是均勻的，電極①②輸出的電流與入射位置和電極之間的距離成反比。設(shè)電極①和電極②間的距離為2L，電極①和②輸出的光電流分別為I1和I2，兩者之和為I0，I0=I1+I2位置靈敏探測器（PSD）位置靈敏探測器（PositionS一維PSD①和③為信號電極，②為公共電極。受光面大多呈細(xì)長矩形條。圖（b）為一維PSD等效電路，其中為并聯(lián)電阻，為電流源，D為理想二極管，RD為定位電阻，結(jié)電容Cj是決定器件響應(yīng)速度的主要因素。

一維PSD①和③為信號電極，②為公共電極。受光面大多呈細(xì)長矩二維PSD和等效電路

二維PSD可用來測定光點在平面上的二維（x,y）坐標(biāo)，它的受光面是方形的，比一維PSD多一對電極，按其結(jié)構(gòu)可分為兩種形式。（1）雙側(cè)雙電極型PSD（2）單側(cè)四電極型PSD（3）枕形PSD二維PSD和等效電路二維PSD可用來測定光點在平面上的二維PSD的位置計算PSD的位置計算位置檢測誤差

一維PSD（S1544）位置檢測誤差曲線，從曲線可知，越接近邊緣，其位置檢測誤差越大。

位置檢測誤差一維PSD（S1544）位置檢測誤差曲線，從曲964.5CCD像傳感器的工作原理

1.MOS光敏元的工作原理

MOS光敏元的結(jié)構(gòu)是以硅Si半導(dǎo)體作為襯底，在其上部生長一層二氧化硅，然后再蒸涂具有一定形狀的金屬層作為電極。由此可見，它是由金屬(M)、氧化物(O))和半導(dǎo)體(S)三層組成，如圖4-81所示。圖4-81MOS光敏元結(jié)構(gòu)加壓時：具有吸引電子的趨勢，形成電子“勢阱”。964.5CCD像傳感器的工作原理1.MOS光敏元的工電荷耦合原理

三相電壓使電荷“轉(zhuǎn)移”（a)第一相勢阱深，電荷集中在第一相（b)第二相也變深，電荷集中在此兩相。（c)第一相變淺，電荷流進(jìn)第二相依次轉(zhuǎn)移過程為電荷耦合轉(zhuǎn)移過程，故名電荷耦合器件。電荷耦合原理三相電壓使電荷“轉(zhuǎn)移”98

MOS結(jié)構(gòu)的移位寄存器的工作原理如圖4-82所示圖4-82MOS結(jié)構(gòu)的移位寄存器工作原理98MOS結(jié)構(gòu)的移位寄存器的工作原理如圖4-82所示圖4-99

2.CCD線陣像傳感器欲完成攝像和傳輸兩項功能的器件，應(yīng)由接收并轉(zhuǎn)換光信號為電信號的光敏區(qū)和移位寄存器按一定方式聯(lián)合組成。CCD線陣傳感器的工作原理如圖4-84所示。圖4-84CCD線陣像傳感器992.CCD線陣像傳感器圖4-84CCD線陣像傳感100

光敏區(qū)在光信號作用下產(chǎn)生光電子，由轉(zhuǎn)移門電極z控制轉(zhuǎn)移到a1，a2，…an相應(yīng)的勢阱中去，這是個平行轉(zhuǎn)移的過程，在?a、Uz和Ua間施加脈沖電壓的時序關(guān)系如圖4-85所示。圖4-85時序脈沖關(guān)系100光敏區(qū)在光信號作用下產(chǎn)生光電子，由轉(zhuǎn)101

2.CCD線陣像傳感器實用中也常采用圖4-86所示的結(jié)構(gòu)和工作方式。圖4-86實用線陣CCD1012.CCD線陣像傳感器圖4-86實用線陣CCD102

目前先進(jìn)的光敏CCD探測面陣的主要參數(shù)如表4-9。102目前先進(jìn)的光敏CCD探測面陣的主要參數(shù)如103

器件幀掃描結(jié)構(gòu)原理如圖4-91和圖4-92。圖4-91512×512光敏CCD幀掃描原理圖4-921024×1024光敏CCD幀掃描原理103器件幀掃描結(jié)構(gòu)原理如圖4-91和圖4-92。圖4-9104

5.紅外CCD

在紅外CCD(IRCCD)中，紅外探測器陣列完成對目標(biāo)紅外輻射的探測，并將光生電荷注入到CCD寄存器中去，由CCD完成延時、積分、傳輸?shù)刃盘柼幚砉ぷ?。IRCCD具有自掃描功能，它是人們在紅外探測器中應(yīng)用大規(guī)模集成電路技術(shù)，實現(xiàn)紅外焦平面列陣探測的主要方向之一。(1)實現(xiàn)紅外探測的特殊問題紅外輻射探測器將受到很強(qiáng)的背景輻射的影響;在紅外波段中，目標(biāo)與背景的對比度極小;1045.紅外CCD105

(2)單片式IRCCD

在單片式IRCCD中，紅外探測器的光敏列陣和CCD都是用相同的半導(dǎo)體材料制作在同一塊片子上。其中紅外探測器可利用本征激發(fā)或雜質(zhì)激發(fā)來實現(xiàn)。CCD既可以利用少數(shù)載流子來傳輸信息．也可以利用多數(shù)載流子來傳輸信息。目前單片式IRCCD主要有以下三種類型。①窄禁帶半導(dǎo)體材料IRCCD②非本征硅IRCCD③肖特基勢壘IRCCD105(2)單片式IRCCD106

④單片式IRCCD攝像頭的性能指標(biāo)利用鉑硅制成的640×480IRCCD攝像機(jī)掃描頭的主要參量：分辨力：640(H)×480(V)；單元面積：24×24μm2；致冷：斯特林式；噪聲等效溫差：NETD＜0.06K(F數(shù)為1的物鏡，背景溫差300K)；動態(tài)范園：72dB；飽和信號水平：1.5×106個電子；噪聲水平：300個電子；最小可探測溫差：MRTD＜0.15K(耐魁斯特頻率時)

一種320×244鉑硅IRCCD的參數(shù)為：噪聲等效很差：NETD＜0.04K(F數(shù)1.4)；積分時間：1／30s；光譜范圍：1.0—5.5μm；動態(tài)范圍：80dB；溫度響應(yīng)率：30mV／℃；探測元面積：23×32μm2。106④單片式IRCCD攝像頭的性能指標(biāo)一種320107

(3)混合式IRCCD

混合式IRCCD是用不同的材料分別制作紅外探測器陣列和CCD移位寄存器，用陣列連結(jié)工藝使之組裝在一起。由于當(dāng)今本征CCD工藝和技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得相當(dāng)成熟，因此幾乎都用硅CCD作為混合式IRCCD的寄存器。而隨著各種紅外敏感的探測器制造技術(shù)的日趨完善，所以十分注重混合式IRCCD的研制工作。目前高密度鑲嵌的紅外探測器的集成技術(shù)獲得了相當(dāng)滿意的成功，使之形成了一個紅外焦平面技術(shù)的新領(lǐng)域。制造混合式IRCCD的紅外探測陣列材料目前主要是可工作在3—5μm波段內(nèi)的銻化銦(InSb)，8—14μm的碲錫鉛(PbSnTe)、碲鎘汞(HgCdTe)和熱釋電材料等。107(3)混合式IRCCD108

(4)背景抑制前面提到IRCCD有著“背景輻射強(qiáng)”的特點。由于CCD勢阱容量被背景輻射產(chǎn)生的電子填充，這就減少了光生載流子的填充空間，因此需要采用一些特殊的處理方法。在實際應(yīng)用中，熱成像所要探測的常是相鄰兩個像元之間的溫差，而且常常僅探測移動的目標(biāo)，因此變化較快。而背景通常是固定的或是緩慢變化的。這就可在互連電路中采取交流耦合、背景適應(yīng)或差動互連等方法，也可在CCD的輸入存儲勢阱中對注入的電荷采取“按比例劃分電荷”和“填充和溢出的方式”等背景撤除方法，對背景加以抑制。這樣就可使CCD工作在線性區(qū)，達(dá)到增大動態(tài)范圍，提高信噪比的目的。108(4)背景抑制109

圖4-94給出了一種抑制背景的交流耦合電路，RL是負(fù)載。從探測器上得到的信號通過直流隔離電容C藕合到G1柵上，以控制流入G2柵下勢阱中的電荷。圖4-94抑制背景的交流耦合電路109圖4-94給出了一種抑制背景的交流耦合電路，RL1104.6熱電探測器

1.熱敏電阻半導(dǎo)體具有較大的負(fù)電阻溫度系數(shù)，其電阻率隨溫度升高而呈指數(shù)減小，熱敏電阻就利用了這一特性。其典型結(jié)構(gòu)如圖4-95所示。熱敏電阻的靜態(tài)伏安特性曲線如圖4-96所示。圖4-95熱敏電阻的典型結(jié)構(gòu)圖4-96熱敏電阻的伏安持性曲線1104.6熱電探測器1.熱敏電阻圖4-95熱111

使用時通常將兩個性能相同的熱敏電阻封裝在一個殼內(nèi)，其中一個外加光屏蔽用作溫度補(bǔ)償，叫作補(bǔ)償熱敏電阻，另一個接收光輻射，叫作受照熱敏電阻。常采用橋式電路如圖4-97所示。圖4-97熱敏電阻的偏置電路111使用時通常將兩個性能相同的112

2.熱電偶

(1)熱電偶的基本工作原理①塞貝克效應(yīng)當(dāng)兩種不同金屬或半導(dǎo)體材料的細(xì)絲，按圖4-98所示方式聯(lián)成閉合回路，并使兩結(jié)點溫度不同，如T＞T0，則在該閉合回路中有電流流過，該電流叫作溫差電流。與溫差電流對應(yīng)的電動勢叫作溫差電動勢ε12該值的正負(fù)由兩種材料和冷熱結(jié)點位置不同而定，并有ε21=－ε12，該電動勢的大小隨溫差的變化關(guān)系，可用其微分系數(shù)表示,式中，為塞貝克系數(shù)圖4-98塞貝克效應(yīng)1122.熱電偶圖4-98塞貝克效應(yīng)113

②珀爾帖效應(yīng)將兩種不同金屬或半導(dǎo)體材料的細(xì)絲連接，當(dāng)有電流I12從材料1通過結(jié)點流向2時，這時結(jié)點變冷(或變熱)，如圖4-99所示。單位時間吸收的熱量，即熱功率與電流I12成正比，π12為珀爾帖系數(shù)或珀爾帖電壓：P珀＝π12I12(W)圖4-99珀爾帖效應(yīng)113②珀爾帖效應(yīng)P珀＝π12I12(W)圖4-9114

(2)測輻射熱電偶的響應(yīng)特性設(shè)由材料1和2構(gòu)成的熱電偶，如圖4-100所示。按照有關(guān)定理可推導(dǎo)出熱電偶靈敏度表達(dá)式。設(shè)兩材料臂長l，截面積分別為S1和S2，電阻率分別為ρl和ρ2。整個熱電偶的電阻為兩臂熱導(dǎo)率為k1和k2，熱電偶熱結(jié)和冷結(jié)之間的熱導(dǎo)應(yīng)是兩臂熱導(dǎo)之和，用下式表示，圖4-100熱電偶簡圖114(2)測輻射熱電偶的響應(yīng)特性圖4-100熱電偶115

固定冷結(jié)溫度為T0，而熱結(jié)做成鍍“黑”的面積為A的響應(yīng)平面。當(dāng)A吸收輻射功率P吸＝αPi，式中α是鍍黑面的吸收系數(shù)，Pi是入射功率，這時A面產(chǎn)生升溫至T，T＞T0，產(chǎn)生的信號電壓為Us。由此可推出熱電偶靈敏度y(f)的表達(dá)式：為熱電偶的時間常數(shù)；R為負(fù)載電阻，熱電偶中包括接收面A在內(nèi)的結(jié)熱容。115116

3.測輻射熱電堆為了增加上述熱電偶的靈敏度，可用若干個這樣的器件組合成實際中常用的熱電堆。為了說明這一作用的效果，從單個熱電偶參量間關(guān)系的討論入手。設(shè)負(fù)載電阻R與熱電偶r間的關(guān)系為R/r＝m，這時可導(dǎo)出y(f)與τ的表達(dá)式：由以上關(guān)系可知：(1)電路開路時，m＝R／r→∞和直流f＝0時的結(jié)果相同，；(2)由式中可知，塞貝克系數(shù)越大，靈敏度越高。(3)減小響應(yīng)接收面的熱容，雖然會使τ減小，但還可以使靈敏度上升。盡管能依靠縮小響應(yīng)元的面積來減小熱容，然而這會影響輻射的接收量。為此，可把一個響應(yīng)平面分割成若干塊，使每一塊接成一個熱電偶，并把它們串聯(lián)起來，這樣就構(gòu)成了熱電堆。1163.測輻射熱電堆117

圖4-l01是熱電堆的結(jié)構(gòu)示意，設(shè)由N個熱電偶組成每個電阻為r，熱導(dǎo)率和熱容，外負(fù)載阻抗為z，則有：圖4-l01熱電堆結(jié)構(gòu)示意117圖4-l01是熱電堆的結(jié)構(gòu)示意，設(shè)由N個118

測輻射熱電堆按其結(jié)構(gòu)可分為兩大類。一類是用金屬絲或條形材料如銀和鉍、錳和銅鎳合金、銅和銅鎳合金等制成的熱堆；另一類是用真空沉積和光刻技術(shù)制成的薄膜型溫差熱電堆，這類器件的工作特性較好，如表4-10所示。118測輻射熱電堆按其結(jié)構(gòu)可分為兩大類。一119

3.熱釋電探測器熱釋電效應(yīng)的原理可簡述如下：在非中心對稱結(jié)構(gòu)的極性晶體中，即使在無外電場和應(yīng)力的條件下，本身也會產(chǎn)生自發(fā)電極化。而自發(fā)電極化強(qiáng)度PS是溫度T的函數(shù)。隨著溫度的升高，極化強(qiáng)度將相應(yīng)下降。當(dāng)溫度高于某一溫度T0時，PS＝0，自發(fā)電極化效應(yīng)消失。通常把溫度T0叫作居里溫度。不同工作材料有不同的居里溫度，而熱釋電器件只能工作在居里溫度以下。1193.熱釋電探測器1204.7光電探測器的校正

1.光電探測器的選用原則在設(shè)計光電檢測系統(tǒng)時，首先根據(jù)測量要求反復(fù)比較各種探測器的主要特性參數(shù)，然后選定最佳的器件。其中，最關(guān)心的問題有以下5個方面。(1)根據(jù)待測光信號的大小，確定探測器能輸出多大的電信號，即探測器的動態(tài)范圍。(2)探測器的光譜相應(yīng)范圍是否同待測光信號的相對光譜功率分布一致，即探測器和光源的光譜匹配。(3)對某種探測器，它能探測的極限功率或最小分辨率是多少——需要知道探測器的等效噪聲功率，需要知道所產(chǎn)生電信號的信噪比。(4)當(dāng)測量調(diào)制或脈沖光信號是，需要考慮探測器的響應(yīng)時間或頻率相應(yīng)范圍。(5)當(dāng)測量的光信號幅值變化時，探測器輸出的信號的線性程度。除上述幾個問題外，還要考慮探測器的穩(wěn)定性、測量精度、測量方式等因素1204.7光電探測器的校正1.光電探測器的選用原則121

2.光量或輻射量與探測器之間的相關(guān)屬性實際應(yīng)用中的光電探測器，由于本身的靈敏度、光譜特性、光特性、均勻性等方面的不同，以及它們所接收光束在強(qiáng)度、方向、光譜和偏振等特性上的差異，所以討論兩者間如何合理有效地匹配是一項重要的技術(shù)內(nèi)容。光量或輻射量與探測器之間主要有以下兒方面的相關(guān)屬性:

(1)時間屬性;(2)光譜特性;(3)強(qiáng)度特性;(4)空間分布特性。1212.光量或輻射量與探測器之間的相關(guān)屬性122

1.變光度的必要性4.7.1變光度的實現(xiàn)

所謂變光度就是使某輻射光束在強(qiáng)弱上發(fā)生變化。具體地說是將光源或目標(biāo)發(fā)出的光束利用衰減的手段，使光量滿足探測接收的需要。1221.變光度的必要性4.7.1變光度的實現(xiàn)所1232.對減光手段的基本要求

(1)要求減光器無選擇性，光束經(jīng)衰減后不改變本身的光譜成份比，即光束各光譜成份按相同比例衰減。這對許多測量，特別是光度印色度的測量將十分重要。

(2)要求減光器能精確地控制衰減量，光照下許多物理、化學(xué)過程的研究結(jié)果是要求找出一系列光照條件下的反應(yīng)特性。于是施加的光照值必須準(zhǔn)確給出，因此分段或連續(xù)減光器的衰減量就需精確控制。

(3)要求減光器輸出光束的幾何形狀，這對某些場合十分必要。如要求均勻減弱某照射面上的照度，而企圖用可變光闌減光，雖然總光量得到衰減，但這只改變了光束的截面，卻達(dá)不到均勻減光的目的。

(4)對減光器偏振性的要求，當(dāng)光束偏振性變化時，會使光電探測器的靈敏度發(fā)生變化。因此，在一般情況下，不應(yīng)采用使偏振性發(fā)生變化的減光裝置。

(5)對減光器的其它要求，這些要求如可變光度的范圍、連續(xù)性、準(zhǔn)直和漫射性等。1232.對減光手段的基本要求124

3.一般變光度的方法(1)吸收濾光片它用有一定吸收的玻璃、塑料或明膠片制成，是依靠吸收部分入射輻射達(dá)到減光的目的。有時也采用液槽內(nèi)幾種材料配比的溶液進(jìn)行吸收來減光。此外，照相底片的黑化乳膠等也屬這類減光器。平板式減光器對光束特性有一定影響，在會聚光路中，垂直光軸插入平板時，會引起成像點的縱向位移，如圖4-102所示。位移量D的大小為圖4-102光束幾何位置的變化1243.一般變光度的方法圖4-102光束幾何位置的變125

當(dāng)插入光路的平板與光軸不垂直時，還要引起像點的橫向位移，如圖4-103所示。橫向位移量L為圖4-103光束的橫向位移125當(dāng)插入光路的平板與光軸不垂直時，還126

(2)薄膜濾光片相射線分離器這類減光器是在玻璃或與其類似的襯底上．形成多層介質(zhì)膜或金屬薄膜，通過膜層的增反干涉或反射使透射輻射得到衰減。這類減光器可以制成整片均勻衰減的形式，也可制成透射比隨位置不同而連續(xù)變化衰減的形式。但后者工藝復(fù)雜、精度較差，且只能用于細(xì)光束的條件下。這類減光器透射比的精度與玻璃濾光器類似。為獲得大的衰減系數(shù)，可采用多片堆積，并通過標(biāo)定來確定其衰減系數(shù)。126(2)薄膜濾光片相射線分離器127

(3)篩網(wǎng)或多孔板篩網(wǎng)用細(xì)絲編織而成，并進(jìn)行黑化處理。如用不銹鋼絲織成的300目的篩網(wǎng)、其方形開口邊長約為40μm。還可使篩網(wǎng)相對于光軸產(chǎn)生不同傾斜來調(diào)整其透射比。也可在金屬板上用腐蝕法制成多孔板型式的減光器。(4)膜片光闌或狹縫是用固定的或可變的圓孔光闌或狹縫組成，通過改變射束的橫截面積實現(xiàn)減光。127(3)篩網(wǎng)或多孔板(4)膜片光闌或狹縫128

(5)偏振減光器這類減光器可用兩偏振器構(gòu)成，如圖4-3(a)所示。第一個偏振器不動，第二個偏振器繞光軸轉(zhuǎn)動，按馬呂斯定理輸出光通量Φ,圖4-104偏振減光器

為適應(yīng)多種場合的應(yīng)用，可采用圖4-3(b)所示的三偏振器系統(tǒng)，P1和p3偏振器主方向不變且平行，轉(zhuǎn)動第二個偏振器，輸出光通量為128(5)偏振減光器圖4-104偏振減光器129

(6)鏡面反射器利用玻璃或石英的拋光表面．通過鏡面反射可實現(xiàn)減光或變化反射光量。其反射比可用費(fèi)涅耳公式精確計算，對于垂直入射面振動的光束反射比ρs為對于平行入射面振動的光束反射比ρp為

當(dāng)入射為自然光時，反射比ρ為當(dāng)光束垂直于界面入射時，反射比可由簡化的費(fèi)涅耳公式給出

129(6)鏡面反射器當(dāng)入射為自然光時，反射比ρ為130

(7)漫反射減光器利用漫射表面對光束的漫反射，而獲得對入射輻射的衰減。圖4-105所示為利用朗伯漫射面P對入射光通量Φ1，衰減為出射光通量Φ2的過程。圖4-105漫反射減光器130(7)漫反射減光器圖4-105漫反射減光器131

4.精確連續(xù)變照度的方法(1)光軌法變照度的原理及特點光軌法是計量部門作為光度傳遞的基本方法。利用點光源在接收面處產(chǎn)生照度的距離平方反比定律，通過改變距離達(dá)到改變接收面照度的目的。其裝置原理如圖4-106所示。圖4-106光軌示意圖

光源在接收面處形成的照度E為

1314.精確連續(xù)變照度的方法圖4-106光軌示意圖132

(2)虛像法變照度的研究虛像法連續(xù)變照度的原理如圖4-107所示。圖4-107虛像法變照度系統(tǒng)光路由此可以得到以下結(jié)論：①在上述安排的光學(xué)系統(tǒng)中，不論物在何處，像高與物高之比始終不變，且等于兩透鏡焦距之比;②當(dāng)物沿光軸移動時，像距與物距之比也不變，且等于兩焦距平方之比;③按應(yīng)用光學(xué)推導(dǎo)的物像能量關(guān)系可知，不論所成像是虛像還是實像，物的亮度L0和像的亮度Li之間的關(guān)系為132(2)虛像法變照度的研究圖4-107虛像法變照133

1.漫射體及漫射光源廣義的講，能夠?qū)⑷肷涔馐D(zhuǎn)變?yōu)槁漭敵龅奈矬w統(tǒng)稱漫射體，但是為了計算及使用方便，希望漫射體的發(fā)光盡可能符合朗伯體的輻射規(guī)律。即在任何方向上發(fā)光亮度相等，由此可知它在空間某方向上的發(fā)光強(qiáng)度Iα為式中，I0垂直于發(fā)光面方向上的發(fā)光強(qiáng)度，Iα某方向與發(fā)光面法線間的夾角。實用中的漫射體主要有內(nèi)度式漫射體、透射式漫射體和反射式漫射體等三類。4.7.2漫射體及其在光電檢測中的應(yīng)用1331.漫射體及漫射光源4.7.2漫射體及其在光電檢測134

圖4-108是輸出光可監(jiān)控的漫射光源，主要由三部分組成：光源和減光系統(tǒng)構(gòu)成的變光度系統(tǒng)；照度接收器等組成的光度監(jiān)測系統(tǒng)；以及積分球。輸出漫射光量的大小，由監(jiān)測系統(tǒng)讀出。圖4-109所示為物鏡系統(tǒng)雜光測試儀的原理圖。它也利用積分球作為漫射光源。圖4-108可控輸出光量的漫射光源圖4-109物鏡系統(tǒng)雜光檢測儀原理134圖4-108是輸出光可監(jiān)控的漫射光源，主要由三部分組135

2.漫射體在實現(xiàn)探測器均勻響應(yīng)度方面的應(yīng)用(1)積分球提供的均勻測量如圖4-110所示為一種利用積分球使探測器對入射輻射均勻測量的裝置原理。探測器接收到的光通量φd與入射通量φi之比為圖4-9積分球均勻測光器1352.漫射體在實現(xiàn)探測器均勻響應(yīng)度方面的應(yīng)用圖4-9136

(1)積分球提供的均勻測量圖4-111所示為利用激光測定介質(zhì)材料透射比的裝置。

圖4-111介質(zhì)透射比檢測裝置136(1)積分球提供的均勻測量圖4-111介質(zhì)透137

(2)筒型內(nèi)腔提供的均勻測量筒型內(nèi)腔式漫射器是由高反射的圓筒和兩端兩塊漫射片組成。圖4-112所示為配在光電倍增管前的內(nèi)腔漫射器結(jié)構(gòu)原理。為適用于可見和近紅外光譜區(qū)，圓柱可用鋁陶土，兩端可用2mm厚的乳白玻璃片組成，其傳光效率可達(dá)15％左右。該裝置也可與其它光電探測器配用。為消除因光束入射角不同，而使第一玻片反射不同所帶