光电检测技术第三章光电检测器件

光电检测技术光电工程学院长春理工大学第三章：光电检测器件第一节光电检测器件的基本特性参数一、有关响应方面的特性参数二、有关噪声方面的参数三、其它参数第二节真空光电探测器件一、光电发射材料二、光电倍增管第三节半导体光电检测器件一、光敏电阻二、光电池三、光敏二极管四、光敏三极管第四节各种光电检测器件的性能比较和应用选择一、接收光信号的方式二、各种光电检测器件的性能比较三、光电检测器件的应用选择光电检测器件根据光电检测器件对辐射的作用方式的不同(或说工作机理的不同)，可分为光子检测器件和热电检测器件两大类。光电检测器件和热电检测器件比较：1、热电检测器件：①响应波长无选择性。即它对从可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感；②响应慢。即吸收辐射产生信号需要的时间长，一般在几毫秒以上。如：热释电探测器、热敏电阻、热电偶和热电堆等。光电检测器件2、光电检测器件：①响应波长有选择性。因这些器件都存在某一截止波长，超过此波长，器件无响应；②响应快。一般为纳秒到几百微秒。非放大型如：真空光电管外光电效应放大型如：光电倍增管光电导效应如：光敏电阻内光电效应非放大型光二、光电池光生伏特放大型光三、场效应管、雪崩光电二极管光电检测器件光子器件热电器件真空器件固体器件光电管光电倍增管真空摄像管变像管像增强管光敏电阻光电池光电二极管光电三极管光纤传感器电荷耦合器件CCD热电偶/热电堆热辐射计/热敏电阻热释电探测器光电检测器件第一节：光电检测器件的基本特征参数一、有关响应方面的特性参数1．响应度(或称为灵敏度)-光电转换效能光电探测器输出信号（输出电压或输出电流）与输入辐射功率或光通量之比。一定入射光功率下，探测器输出电压或电流，可分为电压响应度或电流响应度。用公式表示如下：ivPVS0iIPIS0入射光功率光电检测器件注：对于一个给定器件，入射光波长不同，灵敏度将不同，因此又有光谱响应度和积分响应度。2、光谱响应度入射到探测器上的单色辐通量(光通量)所对应的光电探测器的输出电压或输出电流。对应的值越大，表明探测器愈灵敏。或)()(0VS)()(0IS光电检测器件3、积分响应度表明探测器对连续辐射通量的反应程度；为器件的短波限；为器件的长波限。积分得连续辐射量产生的电流：0d)()()()(00SIIS1001dSIIS001ddS光电检测器件4、响应时间描述光电探测器对入射辐射响应快慢的一个参数。即驰豫，当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时间称为响应时间。上升时间：从l0％上升到90％峰值处所需的时间。下降时间：从90％下降到10％处所需的时间。如图2—1：光电检测器件5、频率响应光电探测器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性称为频率响应，利用时间常数可得到光电探测器响应度与入射调制频率的关系，且时间常数决定了光电深酗器频率响应的带宽。光电探测器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性。其关系如下：21221fSfSooSfS10.707ff上频率响应曲线RCf2121上上限截止频率光电检测器件二、有关噪声方面的参数（内部噪声）对这些随时间而起伏的噪声电压(流)按时间取平均值，则平均值等于零。但这些值的均方根不等于零，这个均方根电压(流)称探测器的噪声电压(流)。1、光电探测器件的噪声①热噪声或称约翰逊噪声，即载流子无规则的热运动造成的噪声。导体或半导体中每一电子都携带着电子电量作随机运动(相当于微电脉冲)，尽管其平均值为零，但瞬时电流扰动在导体两端会产生一个均方根电压，称为热噪声电压。热噪声存在于任何电阻中；热噪声与温度成正比；与频率无关。是白噪声。光电检测器件②散粒噪声或称散弹噪声，即穿越势垒的载流子的随机涨落(统计起伏)所造成的噪声。在每个时间间隔内，穿过势垒区的载流子数或从阴极到阳极的电子数都围绕一平均值上下起伏。同样是白噪声。③产生复合噪声载流子的产生率与复合率在某个时间间隔也会在平均值上下起伏。这种起伏导致载流子浓度的起伏，从而也产生均方噪声电流。频率越低，电流较大时，该噪声就越大。光电检测器件④1/f噪声-或称闪烁噪声或低频噪声这种噪声是由于光敏层的微粒不均匀或不必要的微量杂质的存在，当电流流过时在微粒问发生微火花放电而引起的微电爆脉冲。频率越低，噪声越大。2、衡量噪声的参数①信噪比(S／N)判断噪声大小的参数，常用分贝表示（dB）。在负载上产生的信号功率与噪声功率之比。若用分贝（dB）表示，为:2222SSLSNNLNPIRISNPIRI2210lg20lgSSNNIISNII光电检测器件注：利用S／N评价两种光电器件性能时，必须在信号辐射功率相同的情况下才能比较。但对单个光电器件，其S／N的大小与入射信号辐射功率及接收面积有关。如果入射辐射强，接收而积大，S／N就大，但性能不一定就好。因此用此参数评价器件有一定的局限性。②等效噪声输入(ENl)-器件在特定带宽内(1Hz)产生的均方根信号电流恰好等于均方根噪声电流值时的输入通量。在确定光电器件的探测极限时使用，出厂前标定好了的，设计电路时或选择器件时直接使用。光电检测器件③噪声等效功率(NEP)-最小可探测功率信号功率=噪声功率，即S/N=1时，入射到探测器件上的辐射通量(单位为瓦)。NEP越小，噪声越小，器件的性能越好。NSNEPe/光电检测器件④探测率D与归一化探测率D*D越高，器件性能越好。为了在不同带宽内对测得的不同的光敏面积的探测器件进行比较，使用了归一化探测率(比探测率)D*这—参数。⑤暗电流即光电检测器件在没有输入信号和背景辐射时所流过的电流(加电源时)。一般测量其直流值或平均值。NEPD1fADD*光敏面积测量带宽光电检测器件三、其他参数1、量子效率某一特定波长上每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之比。，一个光量子对应一个电子或产生一个电子-空穴对。实际上，对于有增益的光电器件（如光电倍增管），则，此时改用增益或放大倍数这个参数。)(1)(1)(1)(光电检测器件2、线性度描述探测器的光电特性或光照特性曲线输出信号与输入信号保持线性关系的程度。即在规定的范围内，探测器的输出电量精确地正比于输入光量的性能。在这规定的范围内探测器的响应度是常数。这一规定的范围称为线性区。光电探测器线性区的大小与探测器后的电子线路有很大关系。因此要获得所要的线性区，必须设计有相应的电子线路。光电检测器件线性区的下限一般由器件的暗电流和噪声因素决定；上限由饱和效应或过载决定。光电探测器的线性区还随偏置、辐射调制及调制频率等条件的变化而变化。3、工作温度光电探测器最佳工作状态时的温度，它是光电探捌器的重要性能参数之一。光电检测器件第二节：真空光电探测器件一、光电发射材料材料种类：纯金属材料、半导体材料，表面吸附其他元素的金属。良好的光电发射材料的具备条件：①光吸收系数大；②光电子在体内传输过程中受到的能量损失小，使其逸出深度大；③表而势垒低，使表面逸出几率大。光电检测器件金属材料的特点：①反射系数大(约为99％)，吸收系数小；②自由电子多，由碰撞引起的能量散射损失大、逸出深度小，逸出功大。因此量子效率较低；③光谱响应都在紫外或远紫外区，只能适应对紫外灵敏的光电器件。光电检测器件半导体材料的特点：半导体光发射材料的光吸收系数比金属要大得多；体内自由电子少，散射能量损失小，所以它的量子效率比金属大得多；光发射波长延伸至可见光和近红外区。绝大多数光源是可见光或近红外。1、常用的经典光电发射材料①银氧铯阴极（Ag-O-Cs）响应度波长1.2图1Ag-O-Cs光电阴极光谱响应曲线红外段唯一可用材料，但量子效率低，暗电流大0.350.8②锑铯阴极（CsSb）响应度波长图2Cs-Sb光电阴极光谱响应曲线蓝光区量子效率高达30%，比AgOCs效率高30倍，长波限在0.7微米左右，积分响应度可达70～150微安每流明，但光谱响应范围较窄对红光＆红外不灵敏③多碱光电阴极A、锑钾钠光电阴极：响应度可达50－100μA/lm，在0.4μm处量子效率达25％，能耐高温；B、锑钾钠铯光电阴极：峰值响应度波长在0.42微米附近，峰值响应度可达230μA/lm，量子效率高；响应范围较宽。④碲化铯（紫外）光电阴极：对太阳＆地表面辐射不敏感，响应范围100－280nm；长波限在290～320微米。2、负电子亲和势（NEA）材料1963年由Simom提出的负电子亲和势理论，并于Scheer等人研制的第一个GaAs-Cs负电子亲和势光电阴极。①NEA与光电阴极发射的区别：参与发射的电子是导带的“冷”或“热化”电子；NEA阴极重导带的电子逸入真空不需做功；NEA是指半导体内的有效值。②特点：高吸收，低反射性质；高量子效率，可达50％～60％，长波限可达9％；光谱响应可达1μm以上；“冷”电子发射光谱能量分布较集中，接近高斯分布；光谱响应较为平坦；暗电流小，从室温冷却到－20摄氏度时，暗电流下降3个数量级；在可见、红外区，能获得高响应度（2微安每流明），紫外区不突出；工艺复杂，造价昂贵。采用特殊工艺，例如在重掺杂P型硅表面涂一薄层CsO2，可形成NEA材料。负电子亲和势是指体内的有效电子亲和势，而不是指表面电子亲和势。NEA发射体和常规光电发射体的表面，电子状态是类似的，导带底上的电子能量都低于真空能级，其差值为Ea。但是，两者体内电子能量则不同。NEA发射体导带底的电子能量高于真空能级，而常规发射体电子亲和势仍是正的。NEA阴极的量子效率高于正电子亲和势阴极，可从其光电发射过程进行分析。价带中的电子吸收光子能量，跃迁到导带底以上，成为热电子（受激电子能量超过导带底的电子）。在向表面运动的过程中，由于碰撞散射而发生能量损失，故很快就落到导带底而变成冷电子（能量恰好等于导带底的电子）。热电子的平均寿命非常短，约10e-14～10e-12s。如果在这么短的时间内能够运动到真空界面，自然能逸出。但是热电子的逸出深度只有几十纳米，绝大部分电子来不及到达真空界面，就已经落到导带底变成冷电子了。冷电子的平均寿命比较长，约10e-9～10e-8s，其逸出深度可达1000纳米。因为体内冷电子能量仍高于真空能级，所以它们运动到真空界面时，可以很容易地逸出。因此NEA量子效率比常规发射体高得多。光电检测器件二、光电倍增管（Photo-MultipleTube）1、光电管（真空光电管）①真空型②充气型真空光电管已基本被半导体光电器件取代，不再作详细介绍。光电检测器件光电倍增管(R928)光电倍增管BB49-CR162光电检测器件2、光电倍增管①工作原理基于外光电效应和二次电子发射效应的电子真空器件。它利用二次电子发射使逸出的光电子倍增，获得远高于光电管的灵敏度，能测量微弱的光信号。光电倍增管包括阴极室和由若干打拿极组成的二次发射倍增系统两部分（见图）。光电检测器件阴极室的结构与光阴极K的尺寸和形状有关,它的作用是把阴极在光照下由外光电效应（见光电式传感器）产生的电子聚焦在面积比光阴极小的第一打拿极D1的表面上。二次发射倍增系统是最复杂的部分。打拿极主要选择那些能在较小入射电子能量下有较高的灵敏度和二次发射系数的材料制成。常用的打拿极材料有锑化铯、氧化的银镁合金和氧化的铜铍合金等。打拿极的形状应有利于将前一级发射的电子收集到下一极。光电检测器件在各打拿极D1、D2、D3…和阳极A上依次加有逐渐增高的正电压,而且相邻两极之间的电压差应使二次发射系数大于1。这样,光阴极发射的电子在D1电场的作用下以高速射向打拿极D1,产生更多的二次发射电子,于是这些电子又在D2电场的作用下向D2飞去。如此继续下去，每个光电子将激发成倍增加的二次发射电子，最后被阳极收集。光电检测器件②主要组成部分PMT由光电阴极、电子光学输入系统(光电阴极到第一个倍增极之间的系统)、二