第4章 光电探测器及其校正技术

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,第四章,光电探测器及其校正技术,2,本章主要包括以下内容,1.,光电倍增管,2.,光电导器件,3.,光电池和光电二极管,4.CCD,图像传感器,5.,热电探测器,6.,光电探测器的校正,3,4.1,概述,光电探测器的工作原理是将光辐射的作用视为所含光子与物质内部电子的直接作用。也就是物质内部电子在光子作用下，产生激发而使物质的电学特性发生变化。这种变化主要有以下,三类,：,(1),外光电效应,某些物质在光子的作用下可以从物质内部逸出电子的现象叫做外光电效应。逸出电子的动能可用下式表示：,式中，,m,为电子质量；,V,为电子逸出后所具有的速度；,H,是普朗克常数；,P,o,为该物质的逸出功,4,5,(2),内光电效应,某些物质在光子作用下，使物质导电特性发生变化，这种现象叫做内光电效应。,利用内光电效应材料制成的光电探测器主要是各种类型的,光敏电阻。,6,(3),障层光电效应,在不同材料的接触面上，由于它们电学特性不同而产生障层。,利用障层光电效应制成的光电探测器主要有各种类型的,光电池和光电二极管、光电三极管,等。,日本计划发射一个,千兆瓦的太阳能光电池板,到预定轨道到,2030,年,7,4.2,光电倍增管,利用外光电效应制成的光电器件主要有光电管和光电倍增管。光电管结构简单，如图,4-1,所示；图,4-2,所示是真空光电管的伏安持性,图,4-1,光电管,结构示意图,图,4-2,真空光电管的伏安特性,8,1,.,光电倍增管的工作原理,光电倍增管是由封装在真空泡壳中的光阴极、阳极和若干中间二次发射极所组成。它的结构原理及偏置电路如图,4-3,所示。,图,4-3,光电倍增管及回路示意图,9,(1),光阴极,目前用于光电倍增管的光阴极材料主要有,银氧铯、锑铯、锑钾钠铯和,族砷化镓,等。它们的主要特性见表,4-1,。,10,光阴极材料的光谱特性曲线如图,4-4,所示。,11,(2),二次发射极,二次发射极简称二次极，有时又叫做,打拿极,。二次发射极的主要材料有锑铯,(CsSb),、氧化铍,(BeO),、银镁,(AgMg),合金、磷化镓,(GaP),和磷砷化镓等。,二次发射体的重要参数是二次发射系数,:,式中,n1,、,n2,分别是输入二次发射体的一次电子数和二次发射体对应发出的电子数。二次电子发射系数与材料本身特性、一次电子的动能或极间电压的大小有关，如图,4-5,所示。,图,4-5 U,关系曲线,12,二次发射极在光电倍增管中除提供大的电子增益外，另一个重要作用是引导管内电子的渡越，使电子从上一级正确地转移到下一级上去，这一作用叫做,电子聚焦,。如图,4-6,中给出了四种结构的示意图。,图,4-6,几种光电倍增管的结构示意,13,5.,细网型,6.,微通道板,14,15,16,(3),阳极,阳极又称收集极。光电流经过各二次发射极倍增后由阳极收集并形成信号电流输出。阳极是管内电压最高的地方，当,最后一个二次极发出的电子飞到阳极上后，阳极也会产生二次电子发射，这将破坏稳定的输出,。,(4),分压器,它的作用是使光电倍增管中从光电阴极到依次各二次极，最后到阳极的电位逐渐升高，使光电子顺利完成电子倍增过程、在各种类型的分压器中，用得最多也最简单的是电阻分压器，,按照各极间所需电压的比例采用相应的电阻值，使总电压分配到各极间去。,17,2.,光电倍增管的主要特性,(1),光电倍增管的光谱特性,光电倍增管的光谱特性主要由光阴极和玻壳材料的特性来确定。影响光电倍增管光谱特性的还有一些其它因素，,如,温度、受照点位置和磁场,等。,图,4-8,为锑铯光阴极光谱特性随温度的变化曲线。,图,4-8,锑绝阴极,S,随,T,偏移的曲线,18,图,4-8,中纵坐标是光谱相对偏移，其定义为,式中,S,20,o,c,为,20,时锑铯阴极的光谱灵敏度；,S,T,温度为,T,时的光谱灵敏度。,图,4-9,所示是,多碱阴极的光谱特性随温度变化的曲线。,图,4-9,多碱阴极,S,随,T,偏移的曲线,19,(3),线性度,在高精度的光电检测中，要求光电探测器的光特性具有良好的线性度，且线性范围尽可能宽。光特性是指倍增管输出信号电流随输入光通量变化的曲线，即,I,f(),。一般认为产生光特性非线性的原因主要有两个：,一是内部的非线性源,，它们包括光阴极的电阻率及材料特性、管内空间电荷间的互相作用，以及电子聚焦或收集效率的变化等。,另一方面是外部非线性,源，其中包括负载电阻的负反馈作用，以及由于信号电流过大造成极间电位的重新分布等。,(2),灵敏度,光电器件灵敏度的定义有许多种，而对光电倍增管常用阳极灵敏度来表征这一特性。,定义阳极光谱灵敏度,S,a,(),为,式中，单色光通量为,(),，阳极电流为,I,a,20,图,4-12,给出了随入射通量,增加输出电流,I,a,偏离直线的情况,图,4,一,12 I,a,与,f(),曲线,21,(4),最大额定值,光电倍增管是极其灵敏的微信号光电探测器,为正确使用应了解各参量的最大额定值。,最大阴极电流,Icm,有时给出最大电流密度,(A/cm,2,),。工作时不应超过额定值。,有时阴极电流,Ic,虽小于,Icm,，但入射光点很小，也会因电流密度过大而引起局部损坏,。这时应按电流密度的额定值来限制输入。,最大阳极电流,Iam,该值通常是以不产生严重的和不可逆的损坏为限，通常,阳极功率限制在,0.5w,以下。应当注意说明书中的,Iam,不是指使用时的线性限，有的厂家还给出这时的非线性度，如,10,等。,最大额定电压,Um,该指标是从管子的绝缘性能和工作可靠性出发给出的。,为使噪声不至太大，一般建议采用,的,总电压,U,(6080)Um,。,22,(5),光电倍增管的不稳定性,管子工作的不稳定性主要表现在以下三个方面,:,由于光谱响应随时间缓慢地不可逆地变化,在几分钟或几小时内,由于可逆的疲劳所构成的漂移,滞后作用造成阳极输出的不稳定,(6),暗电流,在无光输入时，由,阳极输出的电流叫做暗电流,。暗电流的主要来源有热发射、漏电流、管内电子散射引起泡壳荧光反馈阴极引起的,发射电流、残余气体电离和宇宙射线,等。,热电流,I,aoT,是由于光阴极或二次极材料在温度作用下，其中获得大于材料逸出功所需能量的电子逸出后产生的其大小与环境温度、材料面积和工作电压等因素有关。阳极热电流可表示为,式中，,I,co,为光阴极发出的热电流,；,I,io,为第,i,个二次极发出的热电流,。,23,几种光阴极材料的暗电流密度与温度的关系如图,4-13,所示。暗电流、增益与电压间的关系如图,4-14,所示。,图,4,一,13,阴极暗电流密度随温度的变化,图,4,一,14 Iao,、,G,与电压间的关,24,(7),光电倍增管的噪声与信噪比,光电倍增管中的噪声源主要来自,光阴极和二次极的热发射,。入射光辐射本身亦带来噪声。,由光电阴极和,K,个二次发射极组成的光电倍增管中综合在,阳极输出时的噪声电流用均方根值表示为,当,1,2,k=,时，则有,25,如果把暗发射也考虑在内，则阳极输出的信噪比为：,由该式可知,要提高光电倍增管的信噪比可采取以下方法,。,管子致冷可减少,Ic0,值；,当入射光斑较小时，应尽量选用光阴极面小的管子；,选用,较高的材料做二次发射极，并提高工作电压；,减小检测系统频带宽度,f,，以提高信噪比；,26,(8),光电倍增管的时间特性,光电倍增管时间特性用其对脉冲光的响应特性来表示。脉冲光可用激光脉冲来产生，如采用上升时间,50ps,，半宽度,70ps,的激光脉冲。响应特性常用图,4-15,所示的三个量来表示。（,渡越时间、上升时间、半高度持续时间,）,图,4-15,倍增管的时间特性,27,3.,光电倍增管的一般使用准则,为使光电倍增管工作稳定推荐图,4-16,所示的电路。,图,4-16,光电倍增管基本偏置电路,28,(1),阳极电流不超过几微安的数量级。,(2),分压链中的电流应在,1mA,的数量级，应是阳极输出最大电流的,1000,倍，但也应避免电流过大而发热。,(3),高压电源的稳定度应十倍于所要求的检测精度，并采用负高压供电。,(4),光阴极和第一个二次极之间，最后一个二次极与阳极之间的电压可独立于总电压，用稳压管进行单独稳压。,(5),阳极电流输出的信号放大，建议采用“电流一电压变换器”的型式。有利于减小阳极负载，稳定回路的工作。,(6),为减少外界磁场对极间运动电子的作用，其中包括地磁的作用，在高精度检测时必须屏磁。如对端窗式光电倍增管可用圆筒屏磁罩，并要求罩长度超出光阴极面至少半个阴极的直径。,29,(7),光电倍增管应存放在黑暗的环境中。即使未加高压，也只能暴露在极弱光的条件下。工作前应在高压供电条件下，在黑暗中处理数小时。,(8),如要通过致冷以减小暗电流时，致冷温度不必过低。对银氧铯阴极可致冷到一,77,，而其它阴极致冷到一,20,即可。,致冷过深会导致阴极电阻剧增、使噪声增加，信噪比下降。,(9),如果光电倍增管的灵敏度足够高，光阴极前应加性能良好的漫射光器，以使入射光均匀照射全部光阴极面。,(10),光电倍增管不应在氦气环境中使用，如有氦气分子渗入管内，因电离会产生大的附加噪声。,(11),在光电倍增管使用中，如对光谱特性的稳定性要求很高，那么应选用有放数年后的管子。,(12),如需了解使用光电倍增管的光谱特性、必须对该管进行单独测试，样本或说明书所给的资料只是一般性的指导。同厂家同型号的管子也很难有相同的光谱特性。,30,1.,光电导器件的基本参数,(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输出量，如电阻、电压或电流等量与入射辐射之间的关系；,(2),光敏器件的灵敏度,灵敏度又称响应度。它表示器件将光辐射能转换为电能的能力。具体定义为：器件产生的输出电信号与引起该信号的输入光辐射通量之比。输出电信号由器件及偏置电路的特性决定，既可以是电流，也可以是电压，如电流表示的光灵敏度,4.2,光电导器件,31,(3),光谱响应,光敏器件对某个波长光辐射的响应度或灵敏度叫做单色灵敏度或光谱灵敏度。,(4),量子效率,光敏器件的量子效率是指器件吸收辐射后，产生的光生载流子数与入射辐射的光子数之比,式中,n,e,为器件产生的载流子数；,n,0,入射的光子数。,(5),光敏器件的噪声,当器件无光辐射入射时，输出电压或电流的均方值或均方根值叫做噪声。,(6),光敏器件的噪声等效功率,它是指在特定的带宽内，产生与均方根噪声电压或电流相等的信号电压或电流所需要的入射辐射通量或功率。用,NEP,来表示。,32,(7),光敏器件的探测率,D,该特性也是光敏器件探测极限水平的表示形式,它是噪声等效功率的倒数。,(8),光敏器件的归一化探测率,D,*,该特性表示单位面积的器件，在放大器带宽为,1Hz,条件下的探测率,式中,A,为器件光敏面的有效面积；,f,为所用放大器的带宽；,(9),光敏器件的频率特性,该特性表示器件惰性的大小。常以比探测率下降到,1/2,时，或信号电压下降到,1/20.5,时所对应的频率，叫做截止频率。指导我们选用探测器调制频率范围。,33,2.,常用光敏电阻及其特性,光敏电阻可用多种光电导材料制成。表,4-2,给出了几种常用光电导材料的禁带宽度和大致的光谱响应范围。,34,(1),硫化镉、硒化镉光敏电阻,这两种光敏电阻用于,可见光和近红外区域中,，是使用最广泛的光电导器件。其结构如图,4-18,所示。,图,4-18,光敏电阻结构示意,35,(2),硫化铅和硒化铅光敏电阻,硫化铅,(PbS),是一种多晶薄膜型光电探测材料适用的光谱范围可从可见光到中红外波段。表,4-3,给出了不同温度下硫化铅的性能。,硒化铅,(PbS),也是多晶薄膜型光电导材料，响应时间比硫化铅快。室温下可工作在,3,3m5m,的光谱范围中。表,4-4,给出了,PbS,探测器的性能参数。图,4-20,给出了两种温度条件下硒化铅探测器的光谱待性,36,图,4-20,不同温度下,PbSe,探测器的光谱特性,37,(3),锑化铟和砷化铟光电探测器,锑化铟是单晶本征型探测器表,4-5,给出了它在不同温度下的性能；图,4-22,给出了,PC,型,InSb,探测器响应度、噪声和相对,D,*,与频带间的关系。,图,4-22 PC,型,InSb,响应度、噪声和相对,D*,与频率的关系,38,光伏型锑化铟常在接近,直流短路状态下工作,可以得到最佳的探测率和灵敏度。图,4-23,给出了,77K,时,PV,型,InSb,探测器的光谱特性。图,4-24,给出了,PV,型,InSb,探测器信号、噪声、探测度与频率之间的关系。,图,4-23 PV,型,InSb,探测器的光谱特性,图,4- 24 PV,型,InSb,探测器信号、噪声、探测度与频率的关系,39,砷化铟,(1nAs),探测器是单晶本征型光伏器件。,适用于,14m,光谱范围,中工作。图,4-25,给出了不同温度下,InAs,探测器的光谱特性。图,4-26,给出了,InAs,探测器的噪声谱。,图,4-25,不同温度下,InAs,探测器的光谱特性,图,4-26 InAs,探测器的噪声谱,40,(4),碲镉汞和碲锡铅光电探测器,碲镉汞材料,(Hg1-xCdxTe),的禁带宽度,Eg,随组分,x,的改变而变化。其主要特性列于表,4-6,中。,41,图,4-27,给出了三种不同组分的,PC,型碲镉汞探测器在,77K,和,2,视场条件下的光谱特性。图,4-28,为,PV,型碲镉汞三种组分探测器在,77K,、视场为,300,时的光谱特性。,图,4-27,碲镉汞探测器的光谱持性,图,4-28 PV,型碲镉汞探测器的光谱持性,42,图,4-29,给出了不同窗口材料、,77K,、视场为,60,条件下,PV,碲锡铅锡铅探测器的光谱特性。,图,4-29,碲锡铅探测器的光谱特性,43,(5),杂质光电导探测器,锗掺金探测器是,P,型杂质光电导探测器,，图,4-30,所示为,77K,、,2,视场、背景为,295K,条件下锗掺金探测器的光谱特性。图,4-31,所示为锗掺金探测器探测率与频率的关系。,图,4-31,锗掺金探测器探测率与频率的关系,图,4-30,锗掺金探测器的光谱特性,44,表,4-7,列出了主要硅掺杂探测器的特性。,45,图,4-32,所示温度为,27K,时硅掺镓探测器的光谱特性。图,4-33,所示为,50K,时锗硅合金掺金探测器的光谱特性：,图,4-32,硅掺镓探测器的光谱特性,图,4-33,锗硅掺金探测器的光谱特性,46,3.,光敏电阻使用中的有关计算及偏置电路,(1),比探测率,D,*,在使用中的转化,设探测器与特定黑体间光谱匹配系数为 ，而探测器与目标间光谱匹配系数为 ，那么，比探测率,D,*,应修正为 ，即,通常探测器的频率特性曲线如图,4-34,所示,图,4-34 PbS,探测器的频率特性曲线,47,(2),减小噪声提高信噪比的措施,利用信号调制及选频技术可抑制噪声的引入。光电导探测器的噪声谱如图,4-35,所示,而一般放大器的噪声谱如图,4-36,所示。,图,4-35,光敏电阻的噪声频率特性,图,4-36,放大器的噪声频率特性,48,减少光敏电阻噪声的,另一种方法是将器件致冷,，以减小热发射，也可降低产生,复合噪声。常用的液氮杜瓦瓶致冷器原理如图,4-37,所示。,图,4-37,杜瓦瓶致冷器原理图,49,(3),几种典型的偏置电路,恒流偏置电路,在一定光照下，光敏电阻产生的信号和噪声均与通过光敏电阻的电流大小有关，其关系曲线如图,4-38,所示。,图,4-38,信号、噪声、倍噪比与光敏电阻中电流间的关系,50,由图,4-38,中可知，信噪比曲线有一极大值存在，从这一特点出发希望偏置电路使器件偏流稳定，并取值在最佳电流,Iopt,的区域中。按此要求设计的恒流偏置电路如图,4-39,所示。,图,4-39,晶体管恒流偏置电路,51,恒压偏置电路,将恒流偏置电路稍加改变便可形成如图,4-40,所示的恒压偏置电路。,图,4-40,晶体管恒压偏置电路,52,最大输出及继电器工作的偏置电路,这类简单的光敏电阻偏置电路如图,4-41,所示。图,4-42,所示是对应平均照度,E,0,、最大照度,E”,和最小照度,E,的三条伏安特性曲线。,图,4-41,光敏电阻偏置电路,图,4-42,不同照度下光敏电阻的伏安特性,53,a.,检测光量时负载电阻 的确定,R,L,的选择原则是在一定,R,G,、,RG,和,E,的条件下，使信号电压,u,的输出最大。通过取极值 ，则有,于是有,b.,在继电器型式工作时 的确定,c.,电源电压的选择,从以上各式都可以看到、,选用较大的电源电压对产生信号十分有利、但又必须以保持长期正常工作，不损坏光敏电阻为原则。有时在器件的说明书中给出。,54,4.4,光电池和光电二极管,1. PN,结与光伏效应的产生,当,P,型半导体和,N,型半导体直接接触时，,P,区中的多数载流子,空穴向空穴密度低的,N,区扩散，同时,N,区中的多数载流子,电子向,P,区扩散。这一扩散运动在,P,区界面附近积累了负电荷，而在,N,区界面附近积累了正电荷，正负电荷在两界面间形成内电场。在该电场逐步形成和增加的同时，在它的作用下产生载流子的漂移运动。随着扩散运动的进行和界面间内电场的增高，促使漂移运动加强。这一伴生的对立运动在一定温度条件下,定时间后达到动态平衡。如图,4-43,所示。,图,4-43 P-N,结的形成,55,当有外界光辐射照射在结区及其附近时只要入射光子的能量,=h,大于半导体的禁带宽度,Eg,，就可能产生本征激发，激发产生电子,空穴对。,P,区中的光生空穴和,N,区中的光生电子，因受,P-N,结的阻挡作用而不能通过结区，结区中产生的电子,空穴对在内电场作用下，电于驱向,N,区，空穴驱向,P,区。而结区附近,P,区中的光生电子和,N,区中的空穴如能扩散到结区，并在内电场作用下通过结区，这样在,P,区中积累了过量的空穴在,N,区中积累了过量的电子，从而形成一个附加的电场，,方向与内电场相反,，如图,4-44(a),所示。该附加电场对外电路来说将产生由,P,到,N,方向的电动势。当联接外电路时，将有光生电流通过，这就是光伏效应。,当,P-N,结端部受光照时光子入射的深度有限，不会得到好的效果。实际使用的光伏效应器件，都制成薄,P,型或薄,N,型，如图,4-44(b),所示。入射光垂直,P-N,结面入射，以提高光伏效应的效率。,56,图,4-44,障层光电效应原理,57,2.,光伏效应器件的伏安特性,光伏效应器件工作的等效电路如图,4-45,所示。这类器件的伏安特性图,4-46,所示。,图,4-45,光伏效应器件的等效电路,图,4-46,光伏器件的伏安特性曲线,58,3.,光伏效应光电池,分析图,4-46,第,象限中曲线的情况可知，外加电压为正，而外电路中的电流却与外加电压方向相反为负。即外电路中电流与等效电路中规定的电流相反，而与光电流方向一致。这一现象意味着该器件在光照下能发出功率，以对抗外加电压而产生电流，该状态下的器件被称为光电池。,曲线族与电压轴的交点即,I,0,，,表示光电池外电路开路的情况。输出电压,U,oc,可求：,59,图,4-47,所示为上述两种光电池的相对光谱特性，图,4-48,给出了硅光电池的光特性曲线。,图,4-47,硅、硒光电池的相对光谱特性曲线,图,4-48,硅光电池的光特性曲线,60,图,4-49,给出了硒光电池的光特性曲线，图,4-50,给出了不同负载下的光特性曲线。,图,4-49,分硒光电池的光特性曲线,图,4-50,不同负载下光电池的光特性曲线,61,下面分析光电池几种不同输出要求的偏置电路,。,(1),光电池作为电流输出的电路,将图,4-46,第,象限的曲线经翻转，处理后获得如图,4-51,所示的光电池伏安特性。,图,4-51,光电池的伏安特性曲线,应选择负载小好，具有良好的线性关系,62,在光电检测中希望线性输出时，为此应采用低输入阻抗的电路来完成放大工作。图,4-52,所示电路就是典型的原理图。,图,4-52,光电池低输入阻抗放大电路,63,有时对输出信号与,入射光量间的线件关系要求不高，,又希望能有比较简单的电路型式，如图,4-53,所示。,图,4-53,利用锗管的放大电路,64,图,4-54,所示是采用,RW,提供可调电压，图,4-55,所示是用锗二极管,D,提供一定电压。,图,4-54,利用,R,W,提供可调电位,图,4-55,利用锗二极管,VD,提供电位,好处：,VD,与,VD,之间有一定的补偿作用,65,(2),光电池作为开路输出的电路,有时为获得较大的电压输出而不要求线性关系时，可采用高输入阻抗的前放，这时光电池相当开路工作。图,4-56,所示为高输入阻抗低噪声放大器的原理图。,图,4-56,光电池高输入阻抗放大器,66,(3),光电池作功率输出的电路,采用光电池做为将光能转换为电能的太阳能电池时，要求有大的输出功率和转换效率，可用多个光电池串、并联构成大的受光面积。如图,4-57,所示是光电池给负载,RL,供电的电路图。最佳负载与入射照度间的关系如图,4-58,所示。,图,4-57,光电池作功率输出电路,图,4-58,最佳负载曲线,67,4.,光电二极管,(1),光电二极管的构造原理,目前常使用的光电二极管是用锗或硅制成,通常把,N,型硅做基底，上面通过扩散法掺入硼，形成,P,区，这就形成了,P+N,结构的光电二极管，其型号为,2CU,，如图,4-60,所示。,图,4-60 2CU,结构示意图,2DU,用,P,型硅作基底，上面通过扩散法掺入磷，形成,N,区（,1,2um,）,68,图,4-61,带环极,2DU,结构示意,保护环，减少暗电流和噪声,前极,后极,环极,有三个管脚的二极管！,69,图,4-62,中给出了,2CU,和,2DU,的偏置电路；图,4-63,给出了它们的等效电路和在第,象限表示的伏安特性。,图,4-62,光电二极管偏置电路,图,4-63,光电二极管的等效电路和在第,象限表示的伏安特性,70,(2),光电二极管的主要特性,光特性,描述光电流,I,随入射光照度或通量变化的关系、即,I,f(E),或,I,g(),。硅光电池二极管的光特性如图,4-64,所示。,图,4-64,硅光电二极管的光特性,线性度很好，适用于光度量，应用广！,71,光电二极管的光谱特性,该特性通常是由材料来决定，图,4-65,给出了锗和硅两种光电二极管的光谱特性。,图,4-65,光电二极管的光谱特性,72,光电二极管的伏安特性。,该曲线如图,4-63(b),所示，实际与理想情况略有出入，曲线略向上偏。,光电二极管的频率特性,器件中影响频率响应速度的主要因素是：结电容和杂散电容的影响；在,PN,结外产生的光生载流子需经一段时间的扩散才能入结，与,PN,结内的光生载流子形成时间差的影响；,光电二极管的温度特性,在外加电压为,50V,，入射照度不变的条件下，光电流随工作温度,T,的变化曲线,I=f(T),如图,4-66,所示。,图,4-66,光电二极管的温度特性,73,光电二极管的暗电流,当无入射光照射时，硅、锗两光电二极管的暗电流,I,=0,随温度变化的关系如图,4-67,所示。,图,4-67,光电二极管的暗电流曲线,74,(3),硅光电二极管的性能,硅光电二极管可分为四种类型：,I,型为高灵敏度硅光电二极管；,型为快速响应，灵敏度稍低的光电二极管；,型为大面积硅光二极管；,型为高速响应，光谱扩展到红外的硅光电二极管。,I,型硅光电二极管的主要特性,:,探测率：,=10,12,cmHz,1/2,W,-1,；,量子效率：,90,(,加增透膜,),；,工作温度：环境温度；,光敏面积：线度为,0.05,2.5mm,；,电容：与光敏面积成正比，随温升稍有增加,型硅光电二极管的主要特性：,探测率：,610,11,cmHz,1/2,W,-1,；,响应时间：,t3ns,；,光敏面积：,1mm,2,75,型硅光电二极管的主要特性：,探测宰：,D,*,(0.9m,270),410,12,cmHz,1/2,W,-1,；,响应时间：,10ns(U,R,10V,，,R,L,50),，,光敏面积：,22mm,2,、,55mm,2,、,1010mm,2,型硅光电二极管的主要特性：,探测率：,(U,R,0,，,R,L,40M),510,12,cmHz,1/2,W,-1,；,D* (U,R,60V,，,R,L,50),10,12,cmHz,1/2,W,-1,；,响应时间： ,2ns (U,R,60V,，,R,L,50),；,工作温度：环境温度；,光敏面积：,55mm,2,。,76,它们的光谱特性曲线如图,4-68,所示。,图,4-68,各类硅光电二极管的光谱特性,77,(4),光电二极管偏置电路的计算,利用光电二极管的伏安特性，按图,4-62,所示的光电二极管的偏置电路进行分析和计算。假设入射光照度,E,100+100Sint(lx),，为使负载,R,L,上输出有,10V,的电压变化，求,R,L,相,E,0,值的大小，并画出输出电流和电压的变化曲线。分析计算的步骤如下：,按入射照度变化范围可知，最小输入照度为零，最大输入照度为,200lx,；,画出所用光电二极管的伏安特曲线；,计算负载电阻,R,L,；,在曲线族上画出照度的正弦变化曲线，并在相应处画出,i,和,u,随时间变化的曲线。,在,PN,结之间形成一个没有杂质的本征层,(i,层,),，这种器件称为,PIN,光电二极管,本征层的引入提高了灵敏度；,减小了结电容,C,d,，使时间常数,C,C,d,R,L,减小，改善了器件的频率响应。,PIN,光电二极管,79,5.,雪崩光电二极管和光电三极管,(1),雪崩光电二极管,它的工作原理是在,PN,结上施加,高反向偏压,，使其接近击穿电压。这时由光子产生的电子,空穴对在高反压形成的强电场作用下，做定向运动并加速，使其动能迅速增加，并与晶体分子碰撞，激发出新的电子和空穴。如此多次重复这一过程，形成类似雪崩的状态，使光生载流子得到倍增，光电流增大。可见这是一种内部电流增益的器件。,光电流增益的大小常用光电流增益因子,G,表示,G,与反向偏压,U,之间的关系可用下述经验公式表示,击穿电压,80,G,与反向偏压,U,之间的关系也可由曲线表示，如图,4-73,图,4-74,给出了硅、锗雪崩光电二极管的探测率与增益因子间的关系,图,4-73,雪崩光电二极管 曲线,图,4-74,硅、锗雪崩光电二极管的探测率,D,*,与增益,G,的关系,81,表,4-8,是常用硅雪崩光电二极管的主要特性,在雪崩光电二极管的使用中还应注意以下两个问题：,雪崩过程伴有,定噪声；,局部击穿问题,基于以上两个问题，工作偏压选择必须适当。偏压太小，雪崩增强作用不明显，增益不大；而偏压过高，则噪声增大，甚至击穿烧毁。,82,(2),光电三极管,目前最常用的光电三极管为,NPN,型，其结构如图,4-75,所示,图,4-75,光电三极管结构,83,入射光束落在相当晶体三极管的基极,(b),和集电极,(c),之间的结上。它的接线方法与晶体三极管不同，只接两个极而空出,个极，因此可供接线的方法有以卜三种，如图,4-76,所示。,图,4- 76,光电三极管回路的三种接法,实际选哪种？,84,当光照在,集电结的基极区时产生电子,空穴对,，由于集电结反向偏置，而使内电场增加。这样当电子扩散到结区时，很容易漂移到集电极中去。在基极留下的空穴，,促使基极对发射极的电位升高，更有利于发射极中的电子大量经过基极而流向集电极，从而形成光电流,。这一原理与晶体三极管的工作方式一致。随着光照增加，光电流也随之增加。这里集电极实际上起到了两个作用，可用图,4-77,加以说明。,图,4-77,光电三极管工作原理分析,(1),光电转换,(2),光电流放大,优点：比光电二极管灵敏度高。,缺点：比光电二极管暗电流、温度特性、线性度差。,85,(3),光敏场效应晶体管,它是利用结型场效应晶体管的栅沟道，在光辐射作用下，引起漏极电流变化。它比光电三极管有更高的灵敏度，且可在,110,6,范围内任意调节。它的低温性能好，但高温性能和光电特性的线性较差。,(4),光敏晶间管,它是利用光辐射控制晶闸管导通状态的光敏器件。光敏晶闸管是良好的电流开关，关闭状态时电阻可以达,10M,，而在导通状态时电阻可低于,10,。,86,6.,其它光电探测器,(1),异质结光电探测器 （探测红外）,异质结是由两种不同基质的半导体材料形成的,PN,结，它与同质结不同，结两边不同基质的禁带宽度不同，常以禁带宽度大的材料作为光照面，设此面的禁带宽度为,Egm,，当光垂直结面入射，能量,hEgm,的光子被光照面宽禁带材料吸收产生电子一空穴对如果宽禁带材料的厚度大于载流子的扩散长度，则上述载流子因达不到结区，而对光电信号没有贡献。然而能量较小的长波光子能顺利到达结区，并被窄禁带材料吸收，产生光生载流子形成光电信号。,（,1,）异质结是由两种不同基质的半导体材料形成的,PN,结,（,2,）起光谱滤波作用，将小于一定波长的光滤掉。,87,(2),肖特基势垒光电探测器,肖待基势垒是障层的一种，产生在金属和半导体材料的接触面附近。在接触时，由于载流子所处的能级不同，它们将由高能级向低能级方向转移。,内电场作相应叠加到能带各处，形成如图,4-78,所示的能常图，图中界面形成的接触势,E,S,，叫作肖特基势垒，通常,E,S,E,g,。,图,4-78,金属与半导体界面间的能带图,肖待基势垒是障层的一种，产生在金属和半导体材料的接触面附近。,特点：响应时间短（微秒，普通光电二极管,ns,）,88,(3),光磁电效应光电探侧器,将半导体光敏材料置于如图,4-79,所示的强磁场中，半导体表面受光照则产生电子,空穴对，由于表面载流子浓度大，便要向体内扩散，运动电荷在磁场作用下要发生偏转电子向左空穴向右，使半导体两侧面分别积累了正、负电荷形成由右至左的内电场。该内电场引起的载流子漂移运动将逐步与偏转运动达到动态平衡，宏观上形成固定电场，该电场对外短路电路产生短路电流输出，对外开路电路产生开路电压。这种现象叫作光磁电效应，利用该现象制成的器件叫作光磁电探测器,(PME),。,图,4-79,光磁电效应原理图,89,(4),四象限探测器,在光电检测中为了准直和跟踪的需要，设计了四象限探测器、它由四个性能完全相同的光电二极管按直角坐标要求排列成四个象限，按四个象限电压来取误差信号，以判别光斑位置或光束方向，如图,4-80,所示。把光斑照射四探测器上面积,S,d1,、,S,d2,、,S,d3,和,S,d4,、所对应的电压,U,1,、,U,2,、,U,3,和,U,4,按一定规则组合，解出光斑的位置信息。电压组合规则如下：,将,U,x,、,U,y,作为误差信号经过电子伺服系统再去控制光束方向或光电二极管的方位，即可完成光束的准直和跟踪的功能。,90,探测器之间的间隔称为“死区”，一般很窄，应以不产生信号间串扰为限，太宽将会使小光斑落在其中而无法判别。,目前己有硅光电二极管构成的四象限探测器，可用于可见光和近红外波段，中、远红外的器件尚不太成熟。,图,4-80,四象限光电二极管结构示意,位置灵敏探测器（,PSD,）,位置灵敏探测器（,Position Sensitive Detectors,）是一种对入射到光敏面上的光点位置敏感的光电探测器件，其输出信号与光点在光敏面上的位置有关。,PSD,结构示意图,PSD,在一个平面硅基片上制作了一个,PIN,三层结构，上面为,p,层，下面为,n,层，中间为,I,层，,p,层是有均匀电阻率的光敏层。,光照射到,PSD,的光敏层上，入射位置上产生电荷，通过电阻层形成光电流,.,由于,p,层的电阻是均匀的，电极输出的电流与入射位置和电极之间的距离成反比。,设电极和电极间的距离为,2L,，电极和,输出的光电流分别为,I1,和,I2,，两者之和为,I0,，,I0=I1+I2,一维,PSD,和为信号电极，为公共电极。受光面大多呈细长矩形条。图（,b,）为一维,PSD,等效电路，其中为并联电阻，为电流源，,D,为理想二极管，,R,D,为定位电阻，结电容,C,j,是决定器件响应速度的主要因素。,二维,PSD,和等效电路,二维,PSD,可用来测定光点在平面上的二维（,x, y,）坐标，它的受光面是方形的，比一维,PSD,多一对电极，按其结构可分为两种形式。,（,1,）双侧双电极型,PSD,（,2,）单侧四电极型,PSD,（,3,）枕形,PSD,PSD,的位置计算,位置检测误差,一维,PSD,（,S1544,）位置检测误差曲线，从曲线可知，越接近边缘，其位置检测误差越大。,96,4.5 CCD,像传感器的工作原理,1. MOS,光敏元的工作原理,MOS,光敏元的结构是以硅,Si,半导体作为衬底，在其上部生长一层二氧化硅，然后再蒸涂具有一定形状的金属层作为电极。由此可见，它是由金属,(M),、氧化物,(O),和半导体,(S),三层组成，如图,4-81,所示。,图,4-81 MOS,光敏元结构,加压时：,具有吸引电子的趋势，,形成电子“势阱” 。,电荷耦合原理,三相电压使电荷,“,转移,”,（,a),第一相势阱深，电荷集中在第一相,（,b),第二相也变深，电荷集中在此两相。,（,c),第一相变浅，电荷流进第二相,依次转移,过程为电荷耦合转移过程，故名电荷耦合器件,。,98,MOS结构的移位寄存器的工作原理如图4-82所示,图,4-82 MOS,结构的移位寄存器工作原理,99,2. CCD,线阵像传感器,欲完成摄像和传输两项功能的器件，应由接收并转换光信号为电信号的光敏区和移位寄存器按一定方式联合组成。,CCD,线阵传感器的工作原理如图,4-84,所示。,图,4-84 CCD,线阵像传感器,100,光敏区在光信号作用下产生光电子，由转移门电极,z,控制转移到,a1,，,a2,，,an,相应的势阱中去，这是个平行转移的过程，在,a,、,Uz,和,Ua,间施加脉冲电压的时序关系如图,4-85,所示。,图,4-85,时序脉冲关系,101,2. CCD,线阵像传感器,实用中也常采用图,4-86,所示的结构和工作方式。,图,4-86,实用线阵,CCD,102,目前先进的光敏,CCD,探测面阵的主要参数如表,4-9,。,103,器件帧扫描结构原理如图,4-91,和图,4-92,。,图,4-91 512512,光敏,CCD,帧扫描原理,图,4-92 10241024,光敏,CCD,帧扫描原理,104,5.,红外CCD,在红外,CCD(IRCCD),中，红外探测器阵列完成对目标红外辐射的探测，并将光生电荷注入到,CCD,寄存器中去，由,CCD,完成延时、积分、传输等信号处理工作。,IRCCD,具有自扫描功能，它是人们在红外探测器中应用大规模集成电路技术，实现红外焦平面列阵探测的主要方向之一。,(1),实现红外探测的特殊问题,红外辐射探测器将受到很强的背景辐射的影响,;,在红外波段中，目标与背景的对比度极小,;,105,(2),单片式,IRCCD,在单片式,IRCCD,中，红外探测器的光敏列阵和,CCD,都是用相同的半导体材料制作在同一块片子上。其中红外探测器可利用本征激发或杂质激发来实现。,CCD,既可以利用少数载流子来传输信息也可以利用多数载流子来传输信息。目前单片式,IRCCD,主要有以下三种类型。,窄禁带半导体材料,IRCCD,非本征硅,IRCCD,肖特基势垒,IRCCD,106,单片式,IRCCD,摄像头的性能指标,利用铂硅,制成,的,640480IRCCD,摄像机扫描头的主要参量：,分辨力：,640(H)480(V),；,单元面积：,2424m2,；,致冷：斯特林式；,噪声等效温差：,NETD,0.06K(F,数为,1,的物镜，背景温差,300K),；,动态范园：,72dB,；,饱和信号水平：,1.5106,个电子；,噪声水平：,300,个电子；,最小可探测温差：,MRTD,0.15K(,耐魁斯特频率时,),一种,320244,铂硅,IRCCD,的参数为：,噪声等效很差：,NETD,0.04K(F,数,1.4),；,积分时间：,1,30s,；,光谱范围：,1.05.5m,；,动态范围：,80dB,；,温度响应率：,30mV,；,探测元面积：,2332m,2,。,107,(3),混合式IRCCD,混合式,IRCCD,是用不同的材料分别制作红外探测器阵列和,CCD,移位寄存器，用阵列连结工艺使之组装在一起。由于当今本征,CCD,工艺和技术已经发展得相当成熟，因此几乎都用硅,CCD,作为混合式,IRCCD,的寄存器。而随着各种红外敏感的探测器制造技术的日趋完善，所以十分注重混合式,IRCCD,的研制工作。目前高密度镶嵌的红外探测器的集成技术获得了相当满意的成功，使之形成了一个红外焦平面技术的新领域。,制造混合式,IRCCD,的红外探测阵列材料目前主要是可工作在,35m,波段内的锑化铟,(InSb),，,814m,的碲锡铅,(PbSnTe),、碲镉汞,(HgCdTe),和热释电材料等。,108,(4),背景抑制,前面提到,IRCCD,有着“背景辐射强”的特点。由于,CCD,势阱容量被背景辐射产生的电子填充，这就减少了光生载流子的填充空间，因此需要采用一些特殊的处理方法。在实际应用中，热成像所要探测的常是相邻两个像元之间的温差，而且常常仅探测移动的目标，因此变化较快。而背景通常是固定的或是缓慢变化的。这就可在互连电路中采取交流耦合、背景适应或差动互连等方法，也可在,CCD,的输入存储势阱中对注入的电荷采取“按比例划分电荷”和“填充和溢出的方式”等背景撤除方法，对背景加以抑制。这样就可使,CCD,工作在线性区，达到增大动态范围，提高信噪比的目的。,109,图,4-94,给出了一种抑制背景的交流耦合电路，,R,L,是负载。从探测器上得到的信号通过直流隔离电容,C,藕合到,G1,栅上，以控制流入,G2,栅下势阱中的电荷。,图,4-94,抑制背景的交流耦合电路,110,4.6,热电探测器,1.,热敏电阻,半导体具有较大的负电阻温度系数，其电阻率随温度升高而呈指数减小，热敏电阻就利用了这一特性。其典型结构如图,4-95,所示。热敏电阻的静态伏安特性曲线如图,4-96,所示。,图,4-95,热敏电阻的典型结构,图,4-96,热敏电阻的伏安持性曲线,111,使用时通常将两个性能相同的热敏电阻封装在一个壳内，其中一个外加光屏蔽用作温度补偿，叫作补偿热敏电阻，另一个接收光辐射，叫作受照热敏电阻。常采用桥式电路如图,4-97,所示。,图,4-97,热敏电阻的偏置电路,112,2.,热电偶,(1),热电偶的基本工作原理,塞贝克效应,当两种不同金属或半导体材料的细丝，按图,4-98,所示方式联成闭合回路，并使两结点温度不同，如,T,T,0,，则在该闭合回路中有电流流过，该电流叫作温差电流。与温差电流对应的电动势叫作温差电动势,12,该值的正负由两种材料和冷热结点位置不同而定，并有,21,=,12,，该电动势的大小随温差的变化关系，可用其微分系数表示,式中， 为塞贝克系数,图,4-98,塞贝克效应,113,珀尔帖效应,将两种不同金属或半导体材料的细丝连接，当有电流,I12,从材料,1,通过结点流向,2,时，这时结点变冷,(,或变热,),，如图,4-99,所示。单位时间吸收的热量，即热功率与电流,I,12,成正比，,12,为,珀尔帖系数或珀尔帖电压,：,P,珀,12,I,12,(W),图,4-99,珀尔帖效应,114,(2),测辐射热电偶的响应特性,设由材料,1,和,2,构成的热电偶，如图,4-100,所示。按照有关定理可推导出热电偶灵敏度表达式。设两材料臂长,l,，截面积分别为,S,1,和,S,2,，电阻率分别为,l,和,2,。整个热电偶的电阻为,两臂热导率为,k,1,和,k,2,，热电偶热结和冷结之间的热导应是两臂热导之和，用下式表示，,图,4-100,热电偶简图,115,固定冷结温度为,T,0,，而热结做成镀“黑”的面积为,A,的响应平面。当,A,吸收辐射功率,P,吸,P,i,，式中,是镀黑面的吸收系数，,P,i,是入射功率，这时,A,面产生升温至,T,，,T,T,0,，产生的信号电压为,Us,。由此可推出热电偶灵敏度,y(f),的表达式：,为热电偶的时间常数；,R,为负载电阻， 热,电偶中包括接收面,A,在内的结热容。,116,3.,测辐射热电堆,为了增加上述热电偶的灵敏度，可用若干个这样的器件组合成实际中常用的热电堆。为了说明这一作用的效果，从单个热电偶参量间关系的讨论入手。,设负载电阻,R,与热电偶,r,间的关系为,R/r,m,，这时可导出,y(f),与,的表达式：,由以上关系可知：,(1),电路开路时，,m,R,r,和直流,f,0,时的结果相同，；,(2),由式中可知，塞贝克系数越大，灵敏度越高。,(3),减小响应接收面的热容，虽然会使,减小，但还可以使灵敏度上升。尽管能依靠缩小响应元的面积来减小热容，然而这会影响辐射的接收量。为此，可把一个响应平面分割成若干块，使每一块接成一个热电偶，并把它们串联起来，这样就构成了热电堆。,117,图,4-l01,是热电堆的结构示意，设由,N,个热电偶组成每个电阻为,r,，热导率 和热容 ，外负载阻抗为,z,，则有：,图,4-l01,热电堆结构示意,118,测辐射热电堆按其结构可分为两大类。,一类是用金属丝或条形材料如银和铋、锰和铜镍合金、铜和铜镍合金等制成的热堆；另一类是用真空沉积和光刻技术制成的薄膜型温差热电堆,，这类器件的工作特性较好，如表,4-10,所示。,119,3.,热释电探测器,热释电效应的原理可简述如下：在非中心对称结构的极性晶体中，即使在无外电场和应力的条件下，本身也会产生自发电极化。而自发电极化强度,P,S,是温度,T,的函数。随着温度的升高，极化强度将相应下降。当温度高于某一温度,T,0,时，,P,S,0,，自发电极化效应消失。通常把温度,T,0,叫作居里温度。不同工作材料有不同的居里温度，而热释电器件只能工作在居里温度以下。,120,4.7,光电探测器的校正,1.,光电探测器的选用原则,在设计光电检测系统时，首先根据测量要求反复比较各种探测器的主要特性参数，然后选定最佳的器件。其中，最关心的问题有以下,5,个方面。,(1),根据待测光信号的大小，确定探测器能输出多大的电信号，即探测器的动态范围。,(2),探测器的光谱相应范围是否同待测光信号的相对光谱功率分布一致，即探测器和光源的光谱匹配。,(3),对某种探测器，它能探测的极限功率或最小分辨率是多少,需要知道探测器的等效噪声功率，需要知道所产生电信号的信噪比。,(4),当测量调制或脉冲光信号是，需要考虑探测器的响应时间或频率相应范围。,(5),当测量的光信号幅值变化时，探测器输出的信号的线性程度,。,除上述几个问题外，还要考虑探测器的稳定性、测量精度、测量方式等因素,121,2.,光量或辐射量与探测器之间的相关属性,实际应用中的光电探测器，由于本身的灵敏度、光谱特性、光特性、均匀性等方面的不同，以及它们所接收光束在强度、方向、光谱和偏振等特性上的差异，所以讨论两者间如何合理有效地匹配是一项重要的技术内容。,光量或辐射量与探测器之间主要有以下儿方面的相关属性,:,(1),时间属性,;(2),光谱特性,; (3),强度特性,;(4),空间分布特性。,122,1.,变光度的必要性,4.7.1,变光度的实现,所谓变光度就是使某辐射光束在强弱上发生变化。具体地说是将光源或目标发出的光束利用衰减的手段，使光量满足探测接收的需要。,123,2.,对减光手段的基本要求,(1),要求减光器无选择性，光束经衰减后不改变本身的光谱成份比，即光束各光谱成份按相同比