光电探测器及应用

要正确选择光电探测器，首先要对探测器的原理和参数有所了解。1. 光电探测器光电二极管和普通二极管一样， 也是由 PN 结构成的半导体， 也具有单方向导电性，但是在电路中它不作为整流元件，而是把光信号转变为电信号的光电传感器件。普通二极管在反向电压工作时处于截止状态，只能流过微弱的反向电流，光电二极管在设计和制作时尽量使 PN 结的面积相较大， 以便接收入射光。光电二极管在反向电压工作下的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增加到几十微安，称为光电流。光的强度越大，反向电流也越大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换为电信号，称为光电传感器件。2. 红外探测器光电探测器的应用大多集中在红外波段，关于选择红外波段的原因在这里就不再冗余了，需要特别指出的是60 年代激光的出现极大地影响了红外技术的发展，很多重要的激光器件都在红外波段，其相干性便于移用电子技术中的外差接收技术，使雷达和通信都可以在红外波段实现，并可获得更高的分辨率和更大的信息容量。在此之前， 红外技术仅仅能探测非相干红外辐射，外差接收技术用于红外探测，使探测性能比功率探测高好几个数量级。另外， 由于这类应用的需要，促使出现新的探测器件和新的辐射传输方式，推动红外技术向更先进的方向发展。红外线根据波长可以分为近红外，中红外和远红外。近红外指波长为 0.75 3 微米的光波，中红是指 3 20 微米的光波，远红外是指 20 1000 微米的波段。但是由于大气对红外线的吸收，只留下三个重要的窗口区，即 1 3,3 5 和 8 14 可以让红外辐射通过。因为有这三个窗口，所以可以被应用到很多方面，比如红外夜视，热红外成像等方面。红外探测器的分类：按照工作原理可以分为：红外红外探测器，微波红外探测器，玻璃破碎红外测器，振动红外探测器， 激光红外探测器， 超声波红外探测器， 磁控开关红外探测器， 开关红外探测器，视频运动检测报警器，声音探测器等。按照工作方式可以分为：主动式红外探测器和被动式红外探测器。被动红外探测器是感应人体自身或外界发出的红外线的。 主动式红外探测器一般为对射，红外栅栏等，是探测器本身发射红外线。按照探测范围可以分为：点控红外探测器，线控红外探测器，面控红外探测器，空间防范红外探测器。点源是探测元是一个点。用于测试温度，气体分析和光谱分析等线阵是几个点排成一条线。用于光谱分析等面阵是把很多个点源放在仪器上形成一个面。主要用于成像。四象限是把一个点源分成四个象限。用于定位和跟踪。按照制冷方式可以分为：制冷和非制冷。（后面有详细介绍）3.红外探测器的参数与特性响应率：所谓红外探测器的响应率就是其输出电压与输入的红外辐射功率之比。即：R=Us/P。式中 R 响应率 (V/W) ；Us 输出电压 (V) ； P 红外辐射功率 (W) 。响应率与光源的相对光谱分布、入射光的方向和偏振性、入射光的强度、辐照的均匀度、器件的温度以及测试线路等有关。因此，在标记响应率时，需要注明测试条件。响应波长范围：红外探测器的响应率与入射辐射的波长有一定的关系，如上图所示：曲线 1 表示在测量范围内， 响应率 R 与波长 无关。曲线 2 表示响应率 R 与波长 有一定关系， 在测量范围内 p处出现一个响应率的最大值， 在 p的短波方面， 响应率缓慢下降，而在其长波方面，则响应率快速的下降为零。我们把下降到峰值的一半所在的波长c叫做“截止波长”，或者叫响应的“长波限”。响应时间：当光入射辐射到光电探测器后或入射辐射遮断后， 光电探测器的输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需的时间。噪声等效功率(NEP)若投射到探测器上的红外辐射功率所产生的输出电压正好等于探测器本身的噪声电压均方根，这个辐射功率就叫做噪声等效功率 (Noise Equivalence Power) 。噪声等效功率是一个可测量的量。NEP=Pmin= Un/R=P/Us/U nP 入射辐射功率U s输出信号电压U n 输出噪声电压均方根R 响应率探测率(D)探测率就是探测器能探测的最小辐射功率（NEP）的倒数。是衡量探测器探测能力的参数。它表示单位入射辐射功率所产生的信噪比，当然，D值越大，表示器件的探测性能越好。D的单位是 W-1 .任何探测器都有噪声，比噪声起伏平均值更小的信号实际上检测不出来。产生如噪声那样大的信号所需的辐射功率，称为探测器能探测的最小辐射功率，或称等效噪声功率。 有时用探测率描述探测器的灵敏度。归一化探测率 (D*)由于 D表示的探测率涉及器件的面积和工作带宽两个因素，这样不便于对不同面积和工作带宽的器件进行比较，为此引入归一化探测率D* ，其值是式中 A 为器件接受面积，f为工作带宽。制冷方式1）、利用相变制冷即利用制冷工作物质相变吸热效应，如使用灌注式杜瓦瓶的液氮、液氢等的制冷；有液态致冷和固态致冷两种。液态循环致冷目前广泛用于试验室测量和民用红外系统。固态致冷系统主要用于航天工业，储存的固态冷却剂根据质量和体积，使用时间可为1 至 3 年或更长。2）、利用焦耳 - 汤姆逊效应制冷即当高压气体的温度低于本身的转换温度并通过一个很小的节流孔时，气体的膨胀会使温度下降。如焦- 汤制冷器，特点是结构简单、可靠性高、质量轻、体积小、无振动、无运动部件、噪声小、成本低、致冷速度快，致冷时间通常只需15 60s（秒）。焦- 汤致冷技术又称节流式致冷技术，是 1950 年代发明的， 绝大多数情况下使用开环式致冷器，但仍有采用高压压缩机的闭式节流制冷器。 早期系统由逆流式热交换机、 节流孔和装有高压气体的贮气瓶组成。 为了控制气体消耗量， 国外对节流制冷器作了些改进， 设计了自调式制冷器。现在国外生产的焦 - 汤系统几乎都配备了这种自调机构。国外多将该技术用于红外制导、手持式热像仪、车载热像仪、反坦克导弹热瞄具等。3）、利用气体的等熵（shang）膨胀制冷即气体在等熵膨胀时，借膨胀机的活塞向外输出机械功，膨胀后气体的内位能要增加，从而要消耗气体本身的内功能来补偿，致使膨胀后温度显著降低。如斯特林闭循环制冷器，其特点是功耗低、尺寸小、质量轻。斯特林致冷技术已经有50 年发展历史，在军事上应用最广泛。首先出现的是整体式结构，即压缩活塞和膨胀活塞用一连杆以机械方式连为一体。整体式结构容易产生热和振动影响制冷部分。 针对系统存在的不足，国外也作了些改进。首先，自 1972 年以来， 有了显著发展，由美国休斯飞机公司研制出分置式斯特林制冷器，将压缩机和膨胀器分开安置，中间用一根软管相连。 这种结构不仅克服了早期整体式制冷器的缺点，还保持了原有系统结构紧凑、效率高、启动快等优点，因此颇受国外用户重视，发展较快。其次，为了克服原有电机/ 曲轴这种动态结构产生的磨损而影响寿命，荷兰飞利浦研究所于1968 年开始研制用线性电机驱动线性谐振压缩机的斯特林机。迄今为止，线性谐振斯特林机的发展已经经历了三代4）、利用帕尔帖效应制冷即用 N型半导体和P 型半导体作用偶对，当有直流电通过时电偶对一端发热，另一端变冷，如热电制冷器， 又称为半导体或温差电制冷器。热电探测器的主要优点是：全固态化器件、结构紧凑、寿命长；无运动部件，不产生噪音；不受环境影响；可靠性高。缺点是制冷器的性能系数（ COP）较低，致冷量小，效率低；目前热电制冷器主要用于手持式热像仪，此外还可用于其它一些观瞄系统。5）、利用物体之间的热辐射交换制冷如在外层空间利用外层宇宙的高真空， 深低温来制冷。 它的显著特点是无运动部件、 长寿命、功耗小、无振动干扰。缺点是对轨道和卫星的构形有要求，对环境要求严格，入轨后需经过一段时间的加热放气后才能工作。6）、脉管致冷技术1963 年由美国低温专家发明，直到 1984 年前苏联米库林教授对基本型脉管做了重大改进后，使其向实用迈进关键性一步。脉管实际上是斯特林的变体，膨胀机内无需运动部件，结构更简单可靠，且易于装配和控制振动。目前其机理仍在探索中，未来将成为斯特林机强有力的竞争对手，特别是在长寿命机型中更是如此。目前实验室常用的是热电制冷和液氮制冷，而外场比较常用的是热电制冷和斯特林制冷，其余制冷方式由于种种原因没有得到广泛使用。4红外探测器的主要应用（一）在测温方面的应用一、工作原理一切温度高于绝对零度（ - 273） 的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。物体发射率对辐射测温的影响：自然界中存在的实际物体，几乎都不是黑体。所有实际物体的辐射量除依赖于辐射波长及物体的温度之外，还与构成物体的材料种类、制备方法、热过程以及表面状态和环境条件等因素有关。因此，为使黑体辐射定律适用于所有实际物体，必须引入一个与材料性质及表面状态有关的比例系数，即发射率。 该系数表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度，其值在零和小于1 的数值之间。 根据辐射定律， 只要知道了材料的发射率，就知道了任何物体的红外辐射特性。影响发射率的主要因素在：材料种类、表面粗糙度、理化结构和材料厚度等。当用红外辐射测温仪测量目标的温度时首先要测量出目标在其波段范围内的红外辐射量，然后由测温仪计算出被测目标的温度。单色测温仪与波段内的辐射量成比例；双色测温仪与两个波段的辐射量之比成比例。红外测温仪由以下四个部分组成，即光学系统、 光电探测器、 信号放大器及信号处理和显示输出。 光学系统收集目标的辐射能，并将它聚焦在探测器上（探测器置于光学系统的象平面上），视场的大小由测温仪的光学零件以及位置决定。红外能量聚焦在光电探测仪上并转变为相应的电信号。 该信号经过放大器和信号处理电路按照仪器内部的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。红外测温仪方块图探测器类型的选择与测温仪的工作波段有关。 选择工作波段的原则是： 在所选工作波段内目标辐射功率大、 发射率较高、大气吸收小、有合适的高灵敏度的探测器等。一般用于高温测量（ 800以上）时，选择波长短、光谱带宽很窄的波段范围，这就是亮度测温仪，低于 800的目标，则选波长较长，光谱带宽很宽的工作波段，通常称宽波段的测温仪为部分辐射测温仪。 亮度测温仪可选择光电探测器； 部分辐射测温仪和全辐射测温仪可采用热电探测器或光电探测器。二、确定红外测温仪波长范围目标材料的发射率和表面特性决定红外测温仪的光谱相应波长对于高反射率合金材料，有低的或变化的发射率。 在高温区，测量金属材料的最佳波长是近红外，可选用 0.8 1.0 m。其他温区可选用 1.6 m,2.2 m 和 3.9 m。由于有些材料在一定波长上是透明的，红外能量会穿透这些材料，对这种材料应选择特殊的波长。如测量玻璃内部温度选用1.0 m，2.2 m和 3.9 m（被测玻璃要很厚，否则会透过）波长；测玻璃表面温度选用5.0 m；测低温区选用 814m 为宜。如测量聚乙烯塑料薄膜选用3.43 m，聚酯类选用4.3 m 或7.9 m，厚度超过 0.4mm 的选用 8- 14m。如测火焰中的 CO用窄带4.64 m，测火焰中的NO2用 4.47 m。玻璃行业专用：温度段：150 -1800；波段： 5um薄膜塑料行业：温度段：10-800 ；波段：7.9um其他行业：温度段：600 -3000；波段：1um温度段： 200 -1800波段：1.6um（二）在气体分析方面的应用一、常见大气污染气体的红外吸收带气 体 类红外吸收带中心波长/ 单位：微米型CO21.41.62.02.74.264.85.29.410.415O34.78.99.614N2O3.94.054.57.78.617.1CO2.34.65CH41.653.356.57.65SO24.007.348.68NO5.35NO23.446.18二、工作原理红外线气体分析仪, 是利用红外线进行气体分析 它基于待分析组分的浓度不同, 吸收的辐射能不同 , 剩下的辐射能使得检测器里的温度升高不同, 动片薄膜两边所受的压力不同, 从而产生一个电容检测器的电信号 这样 , 就可间接测量出待分析组分的浓度一种气体分析仪的工作示意图根据红外辐射在气体中的吸收带的不同， 可以对气体成分进行分析。 例如，二氧化碳对于波长为 2.7 m、 4.33 m和 14.5 m 红外光吸收相当强烈， 并且吸收谱相当的宽， 即存在吸收带。 根据实验分析， 只有 4.33 m吸收带不受大气中其他成分影响， 因此可以利用这个吸收带来判别大气中的 CO2的含量。二氧化碳红外气体分析仪由气体( 含 CO2)的样品室、参比室( 无 CO2)、斩光调制器、反射镜系统、滤光片、红外检测器和选频放大器等组成。测量时，使待测气体连续流过样品室，参比室里充满不含CO2的气体（或CO2含量已知的气体）。红外光源发射的红外光分成两束光经反射镜反射到样品室和参比室，经反射镜系统，这两束光可以通过中心波长为4.33 m的红外光滤色片投射到红外敏感元件上。由于斩光调制器的作用，敏感元件交替地接收通过样品室和参比室的辐射。若样品室和参比室均无CO2气体，只要两束辐射完全相等，那么敏感元件所接收到的是一个通量恒定不变的辐射，因此，敏感元件只有直流响应，交流选频放大器输出为零。若进入样品室的气体中含有CO2气体，对4.33 m的辐射就有吸收，那么两束辐射的通量不等，则敏感元件所接收到的就是交变辐射，这时选频放大器输出不为零。经过标定后，就可以从输出信号的大小来推测CO2的含量。三、典型产品PbS、 PbSe、 InGaAs5.红外探测器的选择首先，要选择正确的红外探测器需要选择合适的波段，波段一旦选定， 可以说材料基本上就选定了。目前常用的材料有HgCdTe、 Ge、 InSb 、 PbS、 PbSe、 InAs 、 InGaAs 等Ge 探测器 0.5-1.8umInGaAs 探测器 0.7-2.6umInAs 探测器 1.0-3.8umPbS 探测器 1.0-3.5umPbSe 探测器 2.0-6.0umInSb 探测器 1.0-5.5umHgCdTe 探测器 1.0-26um材料选定后 ,我们就要根据需要我们红外光的一些参数来选择相应的探测器了（一般选购的时候，探测器的销售工程师会问你的应用，根据应用向你推荐合适的的材料），其次是选择合适的光敏面，一般情况下在激光光斑测试的时候对于光敏面的尺寸要求比较严格，光敏面的大小至少要大于激光光斑的直径。同时光敏面的大小也影响了探测器的一些参数，比如并联电阻，节电容，暗电流等。在微弱光探测中，需要权衡这些参数来选择， 一般锗探测器的光敏面直径有从1 毫米到 13 毫米可供选择。 铟镓砷探测器的从0.1 毫米到 5 毫米可供选择， 其余材料光敏面请大家查看附件中的参数。同时对光敏面要求不是很严格，而对探测器的价格和货期比较注重的时候，最好能根据供应商的推荐来选择合适的光敏面，显然，生产商用库存的半导体材料来生产比起重新让半导体材料来生长切割更快，成本也会更低。选择了合适的光敏面，就要来选择其余的参数了，如下图所示：上图是某厂家普通铟镓砷材料以及扩展型铟镓砷材料的参数表（去掉了产品型号），第一项是光敏面，其余参数的一目了然，在这里请注意一下最后两个参数，归一化探测率和 NEP（噪声等效功率） 值，一般使用者选择探测器的时候最注重的就是两个参数了。请选择的时候根据实际的需要来选择。其实在购买探测器的时候除了把握好最后两个参数后，其余供应商都会给你推荐的。下面只将各个材料的用途做个分类，以便大家参考。Ge 探测器光学仪表光纤测量激光二极管控制光学通信温度传感器InGaAs 探测器气体分析NIR-FTIR拉曼光谱学IR 萤光血液分析光学分类辐射线测定化学探测光学通信光学目标跟踪激光二极管控制激光烙印InAs 探测器激光预警接收器程序控制监控器温度传感器脉冲激光监控器红外光谱学功率仪器PbS 探测器 NDIR光谱学光学测温光谱学湿气分析PbSe探测器环境气体分析医学气体分析光谱学光学测温 NDIR光谱学防御应用InSb 探测器热成象搜寻热目标辐射计光谱鉴定 FTIRHgCdTe探测器热成象 CO2激光探测制导 FTIR 光谱学夜视激光预警接收激光外差探测