光电检测3-1 (2011)(探测器的性能参数.光电子器件)ppt

第二章光辐射探测器光电探测器的分类:•基于光电效应原理的光子探测器⑴光电子发射探测器⑵光伏探测器、⑶光电导探测器特点：探测灵敏度高（探测能力，响应波长范围，响应速度）对波长探测选择敏感；多数工作在低温环境下光电探测器的分类•基于光热－热电效应原理的探测器⑴热电偶探测器⑵热敏电阻探测器⑶热释电探测器特点：探测灵敏度较低（探测能力，响应波长范围，响应速度）对波长探测选择不敏感；多数工作在室温环境下一)探测器的灵敏度特性⑴探测器的量子效率iiPhvePIiPIehv输出光电子数输入光子数2.1探测器的性能参数⑵响应度,,[]srmsVsrmsVWVRP,,[]srmsisrmsAWIRP在入射辐射垂直投射到探测器响应平面时Rbb(Tb,f,Δf)黑体辐射R(λ,f,Δf)单色光辐射3）噪声等效功率,,,,[]srmsnrmssrmsnrmsVWPVNEPVVR,,,,[]srmsnrmssrmsnrmsiWPINEPIIR4）探测度D和归一化探测度D*,,,,1VsrmsnrmssrmsnrmsRVVDNEPPVfANEPfADD1*rmssrmsnrmssPVVfA,,,1)/(1,,min,rmsnrmsssVVSNRPNEP,,min,1srmssnrmsINEPPSNRIA：探测器面积，△f：放大器带宽5)探测器的光谱响应探测器的光谱响应是指探测器灵敏度与波长间的关系，如：R(f,λ)∽λ;D*(λ,f)∽λ等6）探测器的频率响应22212R(0)(14)()fRffcfR(f)0.707Cf21R(0)RV(λ)λ/μmR(0)：无调制时的直流相应7）探测器的响应时间tteVV10当t=τ00110.63tVVVe0ttVVe当t=τ000.37tVVVe二）噪声的统计描述和探测器噪声1）噪声的概念和分类噪声是有用信号以外的无用信号，噪声是一种随机信号，不可预知它的精确大小，但有其统计规律，只能用统计的理论和方法处理。系统外部噪声由系统外部产生系统内部噪声由系统内部元件、电路产生按噪声的波形特征及变化规律分脉冲噪声和连续性噪声，周期性噪声和非周期性噪声，平稳性噪声和非平稳性噪声；按噪声的幅度和频谱分布状况分有高斯噪声和白噪声。二）探测器的噪声（1）散粒噪声（散弹噪声）fieIi22半导体中的产生－复合噪声24ngrIeGif01()0fRfdfR噪声带宽：fR(f)R(0)Δf0.707R(0)探测器或电路的电流的微粒流随机起伏引起的噪声dbsiiii（2）热噪声（过剩噪声）24njVkTRf24/njIkTfR（3）温度噪声（热探测器）（4）闪烁噪声（电流噪声、低频噪声,1/f噪声）2nfKIIffα≈2，β≈0.8~1.5222241()1kTTfG由于导体中电子的无规则热运动，产生的电流随机起伏引起的噪声由于环境或器件温度的随机起伏引起的噪声与光辐射的调制频率有关，与f成反比dPGdT热导3）高斯噪声和白噪声高斯噪声噪声强度具有高斯分布的噪声22/2σm)(x21)(exp白噪声P(x)xσσm噪声功率谱按频率均匀分布在整个频率区间的噪声，其功率谱记为：0()2sNP0()2sNP()sPω1）几何参数视场角和立体角(致冷探测器和具有浸没透镜探测器）200maxcos(,,,)(0,0)ssedxdyRxyddAR定义权重立体角（θ是入射角）：响应元的中心对光阑的张角的余弦标称面积An:厂商提供面积选用面积As:转换能量的实际面积有效面积Ae:整体响应灵敏度与其最大值之比(,)(,)sRxydxdyAeRxymax三）探测器的几何参数和使用参数sPAE2）探测器的电参数阻抗)(/)(tditdVZd偏置工作电压：必须加偏压；无偏压（按工作原理不同）3）使用条件工作温度：为提高灵敏度，减低噪声，室温；低温不同的探测器阻抗不同，要和放大器匹配光电子发射探测器真空光电二极管光电倍增管电子倍增器和微通道板2.2光电子发射探测器1）金属光电子发射在某热平衡温度下，金属中处在费米能级E=EF上的电子，吸收光子能量hν后，除去散射能量损失ΔE,还克服表面势垒EA的能量，逸出金属表面的现象0AWEE逸出功：2012FAmVEhvEEhvW光电子所具有的最大动能，maxmax012EmhvWv2hWv00光电子发射的辐射极限频率如果EF=0,2）半导体的光电子发射本征半导体的能带结构W0=hν0=Eg+EAE0Eg-EF价带导带W0EAE0EVEC禁带杂质半导体的能带结构N半导体Wn0=EA+ΔEnP半导体Wp0=EA+Eg-ΔEp-EFpWn0EgE0价带导带Wp0EAE0EVEC禁带-EFnΔEpΔEn受主能级施主能级杂质半导体的能带结构-EFpWn0EgE0价带导带Wp0EAE0EVEC禁带-EFnΔEpΔEnEA材料的亲和势负亲合势复合半导体CsGaAsEvEcEFE0Cs2OEcEfEvEFEvEcE0EcEvGaAsCsCs2O体内导带底-EA两种材料未接触前的能带结构两种材料接触后的能带结构形成了负电子亲合势(-EA)价带价带光电阴极的性能参数（1）光照灵敏度阴极输出光电流与输入光通量之比光谱灵敏度inkkFiS,,kkiniSF（2）量子效率kksieShcFhe常用光电发射材料光谱响应编号光电发射阴极材料光电管窗口材料工作方式半透式T反射式R峰值响应波长(nm)光电积分灵敏度(A/Lm)峰值波长光谱灵敏度mA/W峰值波长量子效率η%25℃时暗电流A/cm2S-1S-3S-4S-5S-8S-9S-10S-11S-13S-14S-16S-20S-25Ag-O-CsAg-O-RbCs-SbCs-SbCs-BiCs-SbAg-BiO-CsCs-SbCs-SbGeCdSeSb-K-Na-CsSb-Na-K-Cs石灰玻璃石灰玻璃石灰玻璃9471玻璃石灰玻璃7052玻璃7052玻璃7052玻璃熔融石英石灰玻璃石灰玻璃石灰玻璃石灰玻璃T,RRRRRTTTTRR8004204003403654804504404401500730420420306.54040330407060124001502002.81.840502.320.520564852064.2430.430.5312.418.20.785.35.515.713.5431812.7900×10－150.2×10－150.3×10－150.13×10－150.3×10－1570×10－153×10－154×10－150.3×10－1510－152）真空、充气光电二极管KAKA充气光电二极管真空光电二极管VI(μa)1002000.05lm0.1lm0.15lm51015I(μa)V51015200.05lm0.1lm0.15lm100200EμARLA光电管真空光电管的输出信号和噪声信号电流hvPeIsks散弹噪声均方电流fIIIeIdkbksin)(22热噪声均方电流24/jnIKTfRId：无光照时，光电阴极的热电子发射和电极间漏电流形成的暗电流。Iks+Ikb：信号光和背景光照射饱和发射电流均值光电管负载电阻和放大器输入电阻引起的热噪声，R等效电阻真空光电管的输出信号噪声比2222/2()4/skskskbdLinjnePhvISNReIIIfKTfRII令SNR=1,只考虑信号噪声，则：fhvPs2min,2/2()sksePhvSNReIfhvPeIsks3）光电倍增管（Photomultiplier—PMT)（1）光电倍增管的结构和工作原理K阴极（－1000v~3000V)D聚焦电极A阳极D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,D8倍增电极（－1300～－100v)D1D2D3D4D5D6D7D8D9AKD-1100v-1000v-800v-900v-700v-500v-300v-100v-200v-400v-600vRL输出光光电子D1D2D3D4D5D6D7D8D9AKD-1100v-1000v-800v-900v-700v-500v-300v-100v-200v-400v-600vRL输出D1D2D3D4D5D6D7D8D9AKD-1100v-1000v-800v-900v-700v-500v-300v-100v-200v-400v-600vRL输出光光电子(2)倍增电极总增益具有二次电子发射性能材料做成的电极，通常用二次发射系数δ表示这种性能。常用材料有：①锑化铯400v,δ＝10②银－镁合金[AgMgO(Cs)]400v,δ＝6③负亲合势材料GaP[Cs]1000v,δ＝5012IInG百叶窗式倍增电极倍增电极面积小，电流密度逐级递增，极间电场均匀，对电压变化不敏感，受磁场影响小(3)光电倍增管的典型结构瓦片式（聚焦型）：放大倍率高，电子渡越时间小，适于快速管。盒栅式倍增电极结构紧凑，均匀性、稳定性好，级数变化灵活，对电源要求不严格。(4)光电倍增管的工作电路G=CVβdG/G=βdV0/V0,要求电压稳定度不低于0.01~0.05%，波纹系数不高于0.001％Io=V0/ΣRnIo(20~25)IaIo=V0/ΣRnKRLR1R2R3Rn-1Rn+1RnC1C2C3AIoIkδIk－Vo+Ik输出KRLR1R2R3Rn-1Rn+1RnC1C2C3AIoIkδIk－Vo+Ik输出脉冲工作的光电倍增管，为使极间电压保持稳定，分压器后几级电阻上要并联稳压电容。C1,C2,C3约为0.05μF~0.1μF。光电倍增管的接地方式①阳极接地方式特点：这种接法杂散电容小，直接接输出级。但阴极对地、对屏蔽罩有负高压，暗电流大，噪声大。KAD1D2DnGND-1500VRL屏蔽罩GND②阴极接地（正高压）方式特点：这种接法对地、对屏蔽罩无负高压，暗电流小，噪声小。但阳极呈高压，需经电容隔离，不能直接接输出级，高频性能不好。KAD1D2DnGND+1500VRLC屏蔽罩关于负载电阻的考虑①频响要求高的场合，越小越好，②光电倍增管的负载阻抗应小于放大器输入阻抗（5）光电倍增管的噪声与探测灵敏限光电倍增管的散弹噪声2202inIeIfG5.1~1δ是倍增电极的倍增系数，倍增级数为nG2=δ2n是功率增益。探测器输出信噪比22222[/]2()4/ssdnsbLIePhvSNRhvIfIeGPPKTfRehvG对于强信号，忽略信号外其它噪声，Γ=1，则：fhvPs2min,Γ是噪声因子G=δn是电流增益。（6）光电倍增管的性能指标①光谱响应范围和最大响应波长光电倍增管响应波长决定于光电阴极材料，一般在可见光到近红外波段范围，即0.2∽1.2μm②阴极积分灵敏度单位入射光功率所产生的饱和光电流，就是阴极电流响应度：Sk＝Rik=ik/PsSk=20∽200μA/Lm③阳极积分灵敏度SA=SkGSA=20∽3×104A/Lm④电流增益G=105∽108⑤暗电流Id≈δn＝10-8A⑥响应时间一般在10ns∽10μs光电倍增管及电源（7）电子倍增器和微通道板通道型电子倍增器(ChannelElectronMultiplier，CEM)是一种由内壁既是电阻体又是二次发射体的微细玻璃管构成。采用重金属铅、铋硅酸盐玻璃，直径10～100μm,电阻率109～1011Ω/cm3000v弯曲板单通道电子倍增器,既能提高器件的空间和时间分辨率,又能降低暗噪声。能有效的抑制由反馈正离子产生的背景噪声和对光阴极的有害轰击，器件的工作寿命得以提高。输出电子通道电极玻璃构架注入电子、或光子输出电子通道电极玻璃构架输出电子通道电极玻璃构架注入电子、或光子输出电子通道电极玻璃