第四章-光辐射的探测技术-[兼容模式]

《光电子技术》第四章光辐射的探测技术第四章光辐射的探测技术本章主要讲述光电探测的类型，光电探测器，探测器的性能参数，光电探测方式等第四章光辐射的探测技术《光电子技术》2013/6/13-2-本章内容4.1光电探测器的物理效应4.2光电探测器的性能参数4.3光电探测器的噪声4.4光电导探测器4.5pn结光伏探测器的工作模式4.6硅光电池-太阳能电池4.7光电二极管4.8光热探测器4.9直接探测系统的性能分析4.10外差探测的基本原理第四章光辐射的探测技术《光电子技术》2013/6/13-3-光电子系统中，因为光波具有容量大、速度快、保密性好和抗干扰能力强等优点，常用光波调制使光载波携带信息。对于光辐射的探测也显得尤为重要。本章重点讲解光电探测器的特性探测器把光辐射的能量变成其它能量形式（如电、热等）的信息，再通过对这些信息的测量，实现对光辐射的探测。从近代测量技术来看，电量测量不仅是最方便，而且是最精确的，所以大部分光探测器都是直接或间接把光辐射能量转化为电量，这种探测器称为光电探测器4.1光探测器的物理效应第四章光辐射的探测技术《光电子技术》光探测器凡是能把光辐射量转换成另一种便于测量的物理量的器件。电量是最精确的也是最方便测量的大多数探测器都是直接或间接的把光辐射的能量转化为电量来实现测量物理效应光电效应1光热效应2波相互作用效应34.1.1光子效应和光热效应第四章光辐射的探测技术《光电子技术》光探测器凡是能把光辐射量转换成另一种便于测量的物理量的器件。电量是最精确的也是最方便测量的大多数探测器都是直接或间接的把光辐射的能量转化为电量来实现测量物理现象光电效应1光热效应2波相互作用效应3光子与物质中的电子相互作用并产生载流子的效应物体吸收光引起温度升高的一种效应激光与敏感材料相互作用过程中产生一些参量效应4.1.1光子效应和光热效应第四章光辐射的探测技术《光电子技术》光探测器凡是能把光辐射量转换成另一种便于测量的物理量的器件。电量是最精确的也是最方便测量的大多数探测器都是直接或间接的把光辐射的能量转化为电量来实现测量物理特点光电效应1光热效应2波相互作用效应3光子效应，与光频相关；直接实现光电转换；响应快光能转化热能，与光频无关；响应较慢；呈现非线性特征或其他特征4.1.1光子效应和光热效应第四章光辐射的探测技术《光电子技术》2013/6/13-7-4.1.2光电发射效应光电效应第四章光辐射的探测技术《光电子技术》2013/6/13-8-光电效应外光电效应内光电效应外光电效应：有电子逸出内光电效应：无电子逸出4.1.2光电发射效应第四章光辐射的探测技术《光电子技术》2013/6/13-9-外光电效应-光电发射效应金属受光照时，若入射光能量足够大，它就和物质中的电子相互作用，使电子从材料的表面逸出，这种现象叫做光电发射效应或外光电效应。能产生光电发射效应的物体，称为光电发射体，在光电管中又称为光阴极。能量关系由爱因斯坦方程给出EhvEk上式可以看到只要发射体内电子吸收的光子能量大于，那么电子就可以从发射体表面逸出，并具有相应的动能。E4.1.2光电发射效应第四章光辐射的探测技术《光电子技术》2013/6/13-10-外光电效应的条件：cvhEvceVEEhc)(24.1若不满足上述条件，不管入射光功率有多强，照射时间有多长，都不会产生电子逸出现象。4.1.2光电发射效应第四章光辐射的探测技术《光电子技术》2013/6/13-11-4.1.2光电发射效应光电效应第四章光辐射的探测技术《光电子技术》2013/6/13-12-内光电效应内光电效应型探测器主要包括光电导型和光伏型两种光电导型光导现象——半导体材料的体效应，光照的变化会引起导体材料的电导发生变化，当光照射到半导体材料上时，材料吸收光子的能量，使得非传导电子转化为传导电子，从而使载流子浓度增大，电导率也就增大。本征型：能量足够大的光子使电子离开价带跃入导带，价带中的电子离开而产生空穴，在外电场的作用下参与导电。杂质型：能量足够大的光子使施主能级中的电子或受主能级的空穴跃迁到导带或价带，从而使电导增加。4.1.3光电导效应第四章光辐射的探测技术《光电子技术》2013/6/13-13-光辐射照射外加电压的半导体，能产生光电导效应的条件：)()eV(E24.1)m(gc本征)()(24.1杂质eVEigEiE：禁带宽度：杂质电离能杂质型光电导的截止波长要比本征型的长的多giEE对应光敏器件：光敏电阻内光电效应内光电效应型探测器主要包括光电导型和光伏型两种4.1.3光电导效应第四章光辐射的探测技术《光电子技术》2013/6/13-14-内光电效应内光电效应型探测器主要包括光电导型和光伏型两种光伏型光伏现象——半导体材料的“结”效应。实现光伏效应需要有内部的电势垒，当入射光激发电子空穴对时，势垒两端将形成电荷积累，形成光生伏特效应。在无光照的时候，PN型的半导体会自发形成一个PN结，即由于载流子的扩散运动以及漂移运动，便会形成一个内建电场，内建电场最后D达到一个动态的平衡状态。4.1.4光伏效应第四章光辐射的探测技术《光电子技术》2013/6/13-15-内光电效应内光电效应型探测器主要包括光电导型和光伏型两种过程：波长条件电子浓度的影响P区的厚度与扩散长度电子进入结区外电路开路（零偏），PN结获得一个光生电动势PN结外接有回路（反偏），就有光电流的产生这种电信号是以光照为基础的，因此一旦光照消失，电信号也就不复存在4.1.4光伏效应第四章光辐射的探测技术《光电子技术》2013/6/13-16-内光电效应内光电效应型探测器主要包括光电导型和光伏型两种根据选用材料的不同，可以分为半导体PN结、PIN结、肖特基结等多种结构的光伏效应。由光伏效应制成的探测器叫做光伏探测器根据探测器外加偏制与否，有可以分类：光照零偏：pn结产生开路电压的效应——光电池光照反偏：光电信号是光电流——光电二极管特点：对光波频率表现出选择性，响应速度比较快4.1.4光伏效应第四章光辐射的探测技术《光电子技术》2013/6/13-17-探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升,温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。1、与单光子能量的大小没有直接关系，对光的频率没有选择性2、光热效应可分为温差电效应、热释电效应等。温差电效应1热释电效应2由于回路中两端温度不同而导致的电信号产生晶体常态下电极化矢量随温度变化而产生电信号4.1.5温差电效应第四章光辐射的探测技术《光电子技术》2013/6/13-18-温差电效应1显然，针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的指南针发生偏转，如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小。4.1.5温差电效应第四章光辐射的探测技术《光电子技术》2013/6/13-19-温差电效应1原因：两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生热电势自由电子＋ABeAB（T）T4.1.5温差电效应第四章光辐射的探测技术《光电子技术》2013/6/13-20-温差电效应1特点：1、它属于自发电型传感器：测量时可以不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表；2、测温范围广：下限可达-270C，上限可达1800C以上；3、为提高测量灵敏度，将若干个热电偶串联起来使用，形成热电堆，可应用在激光能量计中。4.1.5温差电效应第四章光辐射的探测技术《光电子技术》2013/6/13-21-热释电效应2在某些电解质晶体中，不加外电场就存在电极化现象，且具有一定的极化强度，这种极化强度称为自发极化强度。具有自发极化的晶体，由于在晶体发生温度变化时，就会产生热释电效应，因而称为热释电晶体。4.1.6热释电效应热电晶体在温度变化时所显示的热电效应示意图a)恒温下b)温度变化时c)温度变化时的等效表现第四章光辐射的探测技术《光电子技术》2013/6/13-22-在常态下，晶体的表面存在着一定量的极化电荷，称为自发极化，当光照使晶体的温度改变时，会引起正负电荷的中心发生偏移，从而引起表面的极化电荷的变化。热电体的自极化矢量温度面电荷密度TC4.1.6热释电效应热释电效应2第四章光辐射的探测技术《光电子技术》2013/6/13-23-辐射引起的表面极化电荷的变化记为：热释电效应2TATTPAPAQsA为接收面的面积，为辐射引起的晶体温度变化，为热释电系数。TTPsdtdTAdtdQi光照恒定不变时，热释电流为0。热释电探测器是一种交流或瞬时相应的器件4.1.6热释电效应第四章光辐射的探测技术《光电子技术》2013/6/13-24-热释电效应2特点：原则上对光波频率没有选择性，响应速度一般比较慢特点：在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛用于对红外线辐射的探测。4.1.6热释电效应第四章光辐射的探测技术《光电子技术》2013/6/13-25-4.1.7光电转换定律探讨光辐射探测时光电转换的基本规律如果入射光辐射的单色光功率P(t)，频率为v，即单光子的能量为hv，光电流是光生电荷Q的变量，即为：dtdnhvdtdEtP光dtdnedtdQti电n分别表示光子数和电子数，E表示入射光能量。根据探测器的基本性质可知，电流与光功率应该是正比关系：)()(tDPti第四章光辐射的探测技术《光电子技术》2013/6/13-26-)()(tDPtidtdnhvdtdEtP光dtdnedtdQti电hveDdtdndtdn光电)()(tPhveti基本的光电转换定律：(1)光电探测器对入射功率有响应,响应量是光电流。一个光探测器可视为一个电流源。(2)因为光功率P正比于光电场的平方,故常常把光电探测器称为平方律探测器。或者说,光电探测器本质上一个非线性器件。4.1.7光电转换定律第四章光辐射的探测技术《光电子技术》2013/6/13-27-4.2光电探测器的性能参数性能参数通过这些参数评价探测器性能的优劣比较不同探测器之间的差异根据需要合理选择和正确使用光探测器灵敏度（光强、光谱、频率），量子效率、噪声等效功率、噪声等第四章光辐射的探测技术《光电子技术》2013/6/13-28-4.2.1积分灵敏度R1、积分灵敏度R表述光电流与输入光功率的关系探测器的光电特性)(Pfi灵敏度R定义为这个曲线的斜率)/()(WAPidPdiRi线性区内)/()(WVPudPduRu线性区内光功率P一般是指分布在某一光谱范围内的总功率，R也称为积分灵敏度。第四章光辐射的探测技术《光电子技术》2013/6/13-29-2、光谱灵敏度Rλ表述光电流与输入光波长之间的关系定义dPiR若R为常数，则相应的探测器为无选择性探测器（如光热探测器），光敏探测器则是选择性探测器通常给出的是相对光谱灵敏度mRRs/相对光谱灵敏度是没有量纲的百分数，其实就是归一化后的响应度。4.2.2光谱灵敏度Rλ第四章光辐射的探测技术《光电子技术》2013/6/13-30-2、光谱灵敏度S一般相应曲线图长波：光电效应条件短波：光电效应条件；短波吸收原因4.2.2光谱灵敏度Rλ第四章光辐射的探测技术《光电子技术》2013/6/13-31-3、频率灵敏度Rf又称响应频率fc和响应时间，表征电信号与光强的变化频率的关系入射光是强度调制的，在其他条件不变下，光电流if将随调制频率f的升高而下降，这时的灵敏度称为频率灵敏度Rf。20)2(1