光電檢測技術(shù)

光電檢測技術(shù)第一頁，共六十二頁，2022年，8月28日光電檢測器件光子器件熱電器件真空器件固體器件光電管光電倍增管真空攝像管變像管像增強(qiáng)管

光敏電阻光電池光電二極管光電三極管光纖傳感器電荷耦合器件CCD熱電偶/熱電堆熱輻射計(jì)/熱敏電阻熱釋電探測器第二頁，共六十二頁，2022年，8月28日光子器件熱電器件響應(yīng)波長有選擇性，一般有截止波長，超過該波長，器件無響應(yīng)響應(yīng)波長無選擇性，對(duì)可見光到遠(yuǎn)紅外的各種波長的輻射同樣敏感響應(yīng)快，吸收輻射產(chǎn)生信號(hào)需要的時(shí)間短，一般為納秒到幾百微秒響應(yīng)慢，一般為幾毫秒第三頁，共六十二頁，2022年，8月28日

1.器件的結(jié)構(gòu)和工作原理2.器件的特性參數(shù)3.器件的應(yīng)用本章重點(diǎn)：第四頁，共六十二頁，2022年，8月28日3.1光電檢測器件的基本特性參數(shù)3.1.1響應(yīng)特性1.響應(yīng)度:是光電探測器輸出信號(hào)與輸入光功率之間關(guān)系的度量。描述的是光電探測器件的光電轉(zhuǎn)換效率2.光譜響應(yīng)度：探測器在波長為λ的單色光照射下，輸出電壓或電流與入射的單色光功率之比第五頁，共六十二頁，2022年，8月28日3.積分響應(yīng)度：檢測器對(duì)各種波長光連續(xù)輻射量的反應(yīng)程度4.響應(yīng)時(shí)間：描述光電探測器對(duì)入射光響應(yīng)快慢的一個(gè)參數(shù)5.頻率響應(yīng)：光電探測器的響應(yīng)隨入射光的調(diào)制頻率而變化的特性稱為頻率響應(yīng)第六頁，共六十二頁，2022年，8月28日3.1.2光電檢測器件的噪聲1.熱噪聲:稱約翰遜噪聲，即載流子無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)造成的噪聲2.散粒噪聲：穿越勢(shì)壘的載流子的隨機(jī)漲落所造成的噪聲3.產(chǎn)生-復(fù)合噪聲：載流子的產(chǎn)生率和復(fù)合率在某個(gè)時(shí)間間隔會(huì)在平均值上下起伏，這種起伏引起的載流子濃度的起伏產(chǎn)生均方噪聲電流4.1/f噪聲：閃爍噪聲或低頻噪聲第七頁，共六十二頁，2022年，8月28日3.1.3衡量噪聲的參數(shù)1.信噪比（S/N）:負(fù)載電阻上信號(hào)功率與噪聲功率之比2.等效噪聲功率（NEP）：信號(hào)功率與噪聲功率比為1（SNR=1）時(shí)，入射到探測器件上的輻射通量(單位為瓦)

3.探測率與歸一化探測率：探測率D定義為噪聲等效功率的倒數(shù)4.暗電流：光電檢測期間僅在加電源時(shí)，而沒有輸入信號(hào)和背景

輻射時(shí)所流過的電流第八頁，共六十二頁，2022年，8月28日3.1.4其他參數(shù)1.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2.線性度：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

非線性誤差:

δ＝Δmax/(I2–I1)

Δmax：實(shí)際響應(yīng)曲線與擬合曲線之間的最大偏差

I2

和I1：分別為線性區(qū)中最小和最大響應(yīng)值3.工作溫度：光電探測器最佳工作狀態(tài)時(shí)的溫度第九頁，共六十二頁，2022年，8月28日3.2真空光電探測器件3.2.1光電發(fā)射材料1)光電發(fā)射材料的類型及其應(yīng)具備的條件

光吸收系數(shù)大光電在在體內(nèi)傳輸過程中收到的能量損失小表面勢(shì)壘低，表面逸出率大第十頁，共六十二頁，2022年，8月28日2)光電發(fā)射陰極材料(1)單堿與多堿銻化物光陰極(2)銀氧銫與鉍銀氧銫光陰極

(3)紫外光電陰極(4)負(fù)電子親和勢(shì)圖3-1集中光電陰極材料的光譜響應(yīng)第十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日3.2.2光電倍增管（PMT）圖3-2

光電倍增管工作原理示意圖1)PMT的基本原理光入射窗、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、二次發(fā)射倍增系統(tǒng)、陽極第十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日2)光電倍增管結(jié)構(gòu)(1)PMT的入射窗結(jié)構(gòu)

端面窗側(cè)面窗(2)光電陰極

半透明型反射型(3)電子光學(xué)系統(tǒng)第十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日(4)倍增級(jí)結(jié)構(gòu)

聚集型非聚集型

常用倍增級(jí)材料：

銻化銫（CsSb）材料氧化的銀鎂合金材料銅-鈹合金（鈹?shù)暮繛?%）負(fù)電子親和勢(shì)材料GaP[Cs](5)陽極結(jié)構(gòu)

柵網(wǎng)狀陽極圖3-3光電倍增管結(jié)構(gòu)圖(a)百葉窗倍增級(jí)(b)盒柵倍增級(jí)(c)瓦片倍增級(jí)(d)圓形鼠籠第十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日3)PMT的基本特性參數(shù)

(1)光譜響應(yīng)度

(2)放大倍數(shù)

(3)暗電流光電倍增管的暗電流是指無光照時(shí)（加有電源），光電倍增管的輸出電流

a.光電陰極和第一倍增級(jí)的熱電子發(fā)射

b.級(jí)間漏電流

c.離子和光的反饋?zhàn)饔?/p>

d.場致發(fā)射

e.放射性同位素和宇宙射線的影響

主要暗電流源第十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日(4)伏安特性

(5)時(shí)間特性和頻率響應(yīng)特性；（6）PMT的噪聲圖3-4PMT陽極伏安特性Φ3>Φ2>Φ1第十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日4)PMT的供電電路圖3-5PMT電阻鏈分壓型供電電路第十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日5）光電倍增管的應(yīng)用第十八頁，共六十二頁，2022年，8月28日第十九頁，共六十二頁，2022年，8月28日第二十頁，共六十二頁，2022年，8月28日第二十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日第二十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日3.3半導(dǎo)體光電導(dǎo)型檢測器件3.3.1光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理1)光敏電阻的結(jié)構(gòu)圖3-6光敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖(a)梳狀結(jié)構(gòu)(b)蛇形結(jié)構(gòu)(c)刻線式結(jié)構(gòu)

1-光電導(dǎo)材料2-電極3-襯底材料第二十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日2)光敏電阻的基本工作原理圖3-7光敏電阻原理及符號(hào)價(jià)帶導(dǎo)帶電子空穴Eg價(jià)帶導(dǎo)帶電子空穴ΔＥ施主圖3-8本征半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體第二十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日3.3.2光敏電阻特性參數(shù)1)光電導(dǎo)增益

2)光電導(dǎo)靈敏度圖3-9

光敏電阻的光譜特性第二十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日3)光電特性圖3-10CdS光敏電阻的光照特性什么是歐姆接觸？第二十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日4)伏安特性圖3-11

光敏電阻的伏安特性第二十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日5)溫度特性圖3-12

光敏電阻的溫度特性第二十八頁，共六十二頁，2022年，8月28日6)頻率響應(yīng)1.硒2.硫化鎘3.硫化鉈4.硫化鉛圖3-13

光敏電阻的頻率特性曲線第二十九頁，共六十二頁，2022年，8月28日1）照明燈自動(dòng)控制電路3.3.3光敏電阻的應(yīng)用圖3-14

照明燈自動(dòng)控制電路K220V燈常閉CdS第三十頁，共六十二頁，2022年，8月28日2）火焰探測報(bào)警圖3-15

火焰探測報(bào)警器電路圖第三十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日作業(yè)題：1.設(shè)某光敏電阻在100lx的光照下的阻值為2kΩ，且，已知它在90~120lx范圍內(nèi)的γ=0.9，試求該光敏電阻在110lx光照下的阻值？第三十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日2.

在如圖2-13所示的恒流偏置電路中，已知電源電壓為12V，Rb為820Ω，Re為3.3kΩ，三極管的放大倍率不小于80，穩(wěn)壓二極管的輸出電壓為4V，光照度為40lx時(shí)輸出電壓為6V，80lx時(shí)為8V。（設(shè)光敏電阻在30到100lx之間的值不變）試求：（1）輸出電壓為7V的照度為多少lx（2）該電路的電壓靈敏度（V/lx）第三十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日3.4半導(dǎo)體光伏型檢測器件3.4.1光電池1）光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理圖3-16

硅光電池結(jié)構(gòu)、外型與電路符號(hào)(a)結(jié)構(gòu)(b)外型(c)符號(hào)第三十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日?qǐng)D3-17硅光電池工作原理第三十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日2）光電池的特性參數(shù)(1)輸出特性/伏安特性曲線圖3-18

光電池伏安特性曲線第三十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日?qǐng)D3-19

光電池等效電路結(jié)電容第三十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日(2)光譜特性圖3-20

光譜特性曲線第三十八頁，共六十二頁，2022年，8月28日(3)溫度特性圖3-21

光電池的溫度特性曲線第三十九頁，共六十二頁，2022年，8月28日(4)頻率特性圖3-22

光電池的頻率特性第四十頁，共六十二頁，2022年，8月28日(5)光照特性圖3-24

硅光電池的光照特性圖3-23

光電池連接方式第四十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日3）光電池的應(yīng)用(1)光電檢測器件(2)光電能量器件第四十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日1)結(jié)面積比光電池小，因而輸出電流比光電池??；2)電阻率比光電池高(1000Ω/cm)，光電池的為(0.1~0.01Ω/cm)；3)制作襯底材料的參雜濃度比光電池低（1012~1013/cm3）,光電池為(1016~1019/cm3）4)全在反向偏置電壓下工作，而光電池多工作在零偏3.4.2光敏二極管與光電池的性能比較：第四十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日1）光敏二極管的結(jié)構(gòu)與工作原理

圖3-25硅光電二極管(a)結(jié)構(gòu)原理；(b)工作原理；(c)電路符號(hào)；(d)光敏二極管接法(d)第四十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日2）光敏二極管的特性參數(shù)(1)輸出特性圖3-26

光敏二極管輸出特性曲線(a)伏安特性；(b)光照特性(a)(b)第四十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日(2)光譜響應(yīng)圖3-27

典型光敏二極管的光譜響應(yīng)(3)頻率響應(yīng)：漂移時(shí)間、擴(kuò)散時(shí)間和延遲時(shí)間(4)溫度特性：暗電流對(duì)溫度變化非常敏感(5)噪聲：主要是散粒噪聲第四十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日3.4.3PIN光敏二極管結(jié)構(gòu)和原理圖3-28

PIN光電二極管結(jié)構(gòu)和外形圖

(a)結(jié)構(gòu)；(b)外形圖第四十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日3.4.4雪崩光敏二極管圖3-29

幾種雪崩光敏二極管結(jié)構(gòu)原理(a)P型N結(jié)構(gòu)(b)N型P結(jié)構(gòu)(c)PIN結(jié)構(gòu)圖3-29(a)所示為在P型硅基片上擴(kuò)散雜質(zhì)濃度大的N+層，制成P型N結(jié)構(gòu)圖3-29(b)所示為在N型硅基片上擴(kuò)散雜質(zhì)濃度大的P+層，制成N型P結(jié)構(gòu)的雪崩光電二極管圖3-29(c)所示為PIN型雪崩光電二極管

1）結(jié)構(gòu)和原理第四十八頁，共六十二頁，2022年，8月28日(1)雪崩增益電流倍增系數(shù)

經(jīng)驗(yàn)公式(2)伏安特性2）特性參數(shù)圖3-30雪崩光電二極管暗電流和光電流與偏置電壓的關(guān)系倍增前輸出電流倍增后輸出電流第四十九頁，共六十二頁，2022年，8月28日(3)光譜響應(yīng)：可延伸至4μm(4)響應(yīng)時(shí)間：硅管約為0.5~1ns(5)噪聲：

噪聲電流第五十頁，共六十二頁，2022年，8月28日3）雪崩光電二極管與光電倍增管比較體積小結(jié)構(gòu)緊湊工作電壓低使用方便但其暗電流比光電倍增管的暗電流大，相應(yīng)的噪聲也較大故光電倍增管更適宜于弱光探測第五十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日3.4.5光敏二極管的應(yīng)用1）光敏二極管陣列

2）象限探測器圖3-31

光電二極管陣列檢測元件第五十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日1）光敏三極管的結(jié)構(gòu)和原理3.4.6光敏三極管圖3-32

光敏三極管的原理和結(jié)構(gòu)發(fā)射結(jié)集電結(jié)BECNNP基極發(fā)射極集電極第五十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日2）光敏三極管的特性參數(shù)(1)伏安特性圖3-33

光敏三極管伏安特性曲線第五十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日(2)頻率特性圖3-34光電三極管頻率特性第五十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日(3)溫度特性圖3-35

光敏二極管、光敏三極管的溫度特性(a)暗電流Id的溫度特性(b)亮電流IL的溫度特性第五十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日3.4.7光伏器件與光電導(dǎo)器件的區(qū)別及使用要點(diǎn)光伏器件光電導(dǎo)性器件光電變換部位PN結(jié)或結(jié)區(qū)附近少數(shù)載流子任何區(qū)域多數(shù)載流子器件連接有正負(fù)極性無極性頻率特性弛豫時(shí)間短，響應(yīng)速度快時(shí)間常數(shù)大，頻率響應(yīng)較差工作電流與靈敏度光電三極管、雪崩二極管靈敏度高，可通過較大電流靈敏度高，工作電流大光譜響應(yīng)與光電線性線性好光譜響應(yīng)寬，光電特性非線性第五十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日3.5幾種特殊的半導(dǎo)體光電檢測器件光電位置傳感器圖3-36PSD器件結(jié)構(gòu)示意圖圖3-37