光电子学6第六章.ppt

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1、电子科技大学通信与信息工程学院,1,第六章 光电探测技术,电子科技大学通信与信息工程学院,2,光电探测技术就是把被调制的光信号转换成电信号并将信息提取出来的技术。光探测器指就是将光辐射能量转换为一种便于测量的物理量的器件。它是光电探测技术的核心器件。,第六章 光电探测技术,电子科技大学通信与信息工程学院,3,第六章 光电探测技术,1873年，英国的Smith和May发现，当光照射到用作电阻的硒（Se）棒后，其电阻值约改变30。同年Simens将铂金绕在这种硒棒上，制成了第一个光电池。1887年，德国的赫兹在证明电磁波的实验时，发现两个锌质小球之一用紫外线照射，则两个小球之间就非常容易产生电火花

2、。1888年，德国的霍耳瓦克斯证明光照射到金属表面上会引起电子发射；,光探测器的发展简介,电子科技大学通信与信息工程学院,4,第六章 光电探测技术,1909年，Richtmeyer发现，封入真空中的Na光电阴极所发射的电子总数与照射的光子数成正比，奠定了光电管的基础；接着美国的Zworkyn研制出各种光电阴极材料，并制造出了光电倍增管，并于1933年发明了光电摄像管；1950年，美国的Weimer等人研制出光导摄像管；1970年，Boyle等人发明了CCD（电荷耦合器件）。,电子科技大学通信与信息工程学院,5,一.光电探测的物理机理二.光电探测器三.光探测器性能参数四.光电探测方式,第六章 光

3、电探测技术,电子科技大学通信与信息工程学院,6,一.光电探测的物理机理,【主要内容】外光电效应，内光电效应，光热效应,6.1 光电探测的物理机制,第六章 光电探测技术,电子科技大学通信与信息工程学院,7,根据电磁波对材料的影响,光电效应：光子与电子的直接相互作用。分为：内光电效应：发生在物质内部外光电效应：发生于物质表面,第六章 光电探测技术,6.1 光电探测的物理机制,电子科技大学通信与信息工程学院,8,根据电磁波对材料的影响,光电效应：光子与电子的直接相互作用。分为：内光电效应：发生在物质内部外光电效应：发生于物质表面光热效应：物质吸收光，引起温度升高的一种效应。广泛用于红外辐射的测量,第

4、六章 光电探测技术,6.1 光电探测的物理机制,电子科技大学通信与信息工程学院,9,根据电磁波对材料的影响,光电效应：光子与电子的直接相互作用。分为：内光电效应：发生在物质内部外光电效应：发生于物质表面光热效应：物质吸收光，引起温度升高的一种效应。广泛用于红外辐射的测量。波相互作用效应：激光与某些敏感材料相互作用过程中产生的一些参量效应。包括非线性光学效应与超导量子效应等。,第六章 光电探测技术,6.1 光电探测的物理机制,电子科技大学通信与信息工程学院,10,第六章 光电探测技术,6.1 光电探测的物理机制,【预备知识】半导体的光吸收,半导体的光吸收可分为本征吸收与非本征吸收。本征吸收指电子

5、由带与带之间的跃迁所形成的吸收过程。发生本征吸收的条件是入射光子能量必须等于或大于禁带宽度，即,(6-1),图6-1 本征吸收示意图,电子科技大学通信与信息工程学院,11,第六章 光电探测技术,6.1 光电探测的物理机制,【预备知识】半导体的光吸收,式中 是能够引起本征吸收的最低限度光子能量。利用关系式 可得出本征吸收长波限公式,除本征吸收外，半导体中还存在其它的光吸收过程，如激子吸收、自由载流子吸收、杂质吸收等，它们统称为非本征吸收。,(6-2),电子科技大学通信与信息工程学院,12,光照射到物体上使物体发射电子，或电导率发生变化，或产生电动势，这些因光照引起物体电学特性改变的现象，统称为光

6、电效应。根据发生的部位与性质，光电效应分为内光电效应与外光电效应。内光电效应：发生在材料内部，且光子激发的载流子将保留在材料内部。外光电效应：发生在材料表面，且光子激发的电子离开材料表面，外光电效应器件通常有多个阴极，以获得倍增效果。,光电效应,6-1-1.外光电效应-光电发射效应,第六章 光电探测技术,6.1 光电探测的物理机制,电子科技大学通信与信息工程学院,13,6-1-1.外光电效应-光电发射效应,当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子的能量传给光电材料表面的电子，如果入射的光能使表面的电子获得足够的能量，电子就会克服正离子对它的吸引力，脱离金属表面而进入外界空间，这种现象称为

7、外光电效应。外光电效应可用两条基本定律来描述：斯托列托夫定律爱因斯坦定律,外光电效应-光电发射效应,第六章 光电探测技术,6.1 光电探测的物理机制,电子科技大学通信与信息工程学院,14,6-1-1.外光电效应-光电发射效应,当入射光的频率或频谱成分不变时，饱和光电流（单位时间内发射的光电子数目）与入射光的强度成正比。,斯托列托夫定律,式中，是光电流，是入射到探测器的光功率，是阴极对入射光线的灵敏度。,(6-3),第六章 光电探测技术,6.1 光电探测的物理机制,电子科技大学通信与信息工程学院,15,6-1-1.外光电效应-光电发射效应,斯托列托夫定律,斯托列托夫定律是光电管、光电倍增管的检测

8、基础。,斯托列托夫定律也可表示为,(6-4),式中，P(t)是时刻t入射到探测器上的光功率，是探测器的量子效率。上式也常称为光电转换定律。,第六章 光电探测技术,6.1 光电探测的物理机制,电子科技大学通信与信息工程学院,16,6-1-1.外光电效应-光电发射效应,爱因斯坦定律,如果发射体内电子吸收的光子能量大于发射体表面逸出功，则电子将以一定的速度从发射体表面发射，光电子离开发射体表面时的初动能随入射光的频率线性增长，与入射光的强度无关。,(6-5),第六章 光电探测技术,6.1 光电探测的物理机制,电子科技大学通信与信息工程学院,17,6-1-1.外光电效应-光电发射效应,爱因斯坦定律,如

9、果发射体内电子吸收的光子能量大于发射体表面逸出功，则电子将以一定的速度从发射体表面发射，光电子离开发射体表面时的初动能随入射光的频率线性增长，与入射光的强度无关。,(6-5),入射光子能量,第六章 光电探测技术,6.1 光电探测的物理机制,电子科技大学通信与信息工程学院,18,6-1-1.外光电效应-光电发射效应,6-5式表明，入射光子必须具有足够的能量，也就是说至少要等于逸出功，才能发生光电发射。为产生光电发射的最低频率，即该频率与材料的属性有关，与入射光强无关。,据6-5式，可导出外光电效应发生的条件为：,截止波长：,(6-6),(6-7),第六章 光电探测技术,6.1 光电探测的物理机制

10、,电子科技大学通信与信息工程学院,19,6-1-1.外光电效应-光电发射效应,入射光波长大于截止波长时，无论光强有多大、照射时间多长，都不会有光电子发射。光电发射大致可分为三个过程：光入射物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基态跃迁到激发态；,第六章 光电探测技术,6.1 光电探测的物理机制,电子科技大学通信与信息工程学院,20,6-1-1.外光电效应-光电发射效应,入射光波长大于截止波长时，无论光强有多大、照射时间多长，都不会有光电子发射。光电发射大致可分为三个过程：光入射物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基态跃迁到激发态；受激电子从受激处出发，向表面运动，其间必然要同其他电子或晶格发生碰

11、撞而失去部分能量；到达表面的电子克服表面势垒对其的束缚，逸出形成光电子。,第六章 光电探测技术,6.1 光电探测的物理机制,电子科技大学通信与信息工程学院,21,6-1-1.外光电效应-光电发射效应,入射光波长大于截止波长时，无论光强有多大、照射时间多长，都不会有光电子发射。光电发射大致可分为三个过程：光入射物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基态跃迁到激发态；受激电子从受激处出发，向表面运动，其间必然要同其他电子或晶格发生碰撞而失去部分能量；到达表面的电子克服表面势垒对其的束缚，逸出形成光电子。,第六章 光电探测技术,6.1 光电探测的物理机制,电子科技大学通信与信息工程学院,22,6-1-

12、1.外光电效应-光电发射效应,由此得到光电发射对阴极材料的要求：对光的吸收大，以便体内有较多的电子受激发射；电子受激发生在表面附近，以使碰撞损失尽量小；材料逸出功小，以使到达表面的电子容易逸出；电导率好，以便能够通过外电源来补充光电发射失去的电子。,第六章 光电探测技术,6.1 光电探测的物理机制,电子科技大学通信与信息工程学院,23,6-1-1.外光电效应-光电发射效应,金属的光电发射,金属反射绝大部分入射的可见光（反射系数大于90%），吸收效率低。进入金属的电子与金属中大量自由电子碰撞，能量损失大，因此仅表面附近（几纳米范围内）的光电子才有可能克服逸出功（大都大于3 eV）。对于能量小于3

13、 eV的可见光（波长413 nm）很难产生光电发射。铯（逸出功2 eV）对可见光灵敏，可用于可见光电极，但其量子效率很低（0.1%），在光电发射前两阶段能量损耗极大。,第六章 光电探测技术,6.1 光电探测的物理机制,电子科技大学通信与信息工程学院,24,6-1-1.外光电效应-光电发射效应,半导体的光电发射,半导体光电发射的光电逸出参量有两个：电子亲和势：导带底上的电子向真空逸出时所需的最低能量，数值上等于真空能级（即真空中静止电子的能量）与导带底能级之差。电子逸出功：描述材料表面对电子束缚强弱的物理量，数值上等于电子逸出表面所需的最低能量，即光电发射的能量阈值。半导体的逸出功定义为T=0

14、K时真空能级与电子发射中心能级之差。半导体中常用亲和势来判别光电发射的难易程度。,第六章 光电探测技术,6.1 光电探测的物理机制,电子科技大学通信与信息工程学院,25,6-1-1.外光电效应-光电发射效应,n型半导体：能带上弯，体内电子亲和势比不弯曲时增加一个势垒高度，逸出功增大，体内光电子发射变得困难。P型半导体：能带下弯，逸出功减小，有利于体内光电子发射。,实用的光电阴极几乎全是用p型半导体材料作衬底，然后在其上涂以带正电的金属或n型半导体材料而制成。,第六章 光电探测技术,6.1 光电探测的物理机制,电子科技大学通信与信息工程学院,26,6-1-2.内光电效应,内光电效应主要分为光电导

15、效应与光伏效应光电导效应：光照引起半导体材料电导变化的现象；光伏效应：光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。,第六章 光电探测技术,6.1 光电探测的物理机制,电子科技大学通信与信息工程学院,27,6-1-2.内光电效应,光电导效应,光电导效应是光照引起半导体材料电导变化的现象。当光照射到半导体材料时，材料吸收光子的能量，使得非传导态电子变为传导态电子，引起载流子浓度增大，从而导致材料电导率增大。这种变化可以通过测量负载电阻两端的电压来观察。该现象是100多年来有关半导体与光作用的各种现象中最早为人们所知的现象。,第六章 光电探测技术,6.1 光电探测的物理机制,

16、电子科技大学通信与信息工程学院,28,6-1-2.内光电效应,对于本征半导体，无光照时，热激发仅使得少数电子从价带跃迁到导带，此时半导体的电导率很低，称为半导体的暗电导，,式中 为电子电荷，和 分别为无光照时导带电子密度和迁移率；和 分别是无光照时价带空穴密度和迁移率。,当有光入射时，入射光子将电子从价带激发到导带，使导电电子、空穴数量发生变化,，从而引起电导率变化,(6-8),(6-9),第六章 光电探测技术,6.1 光电探测的物理机制,电子科技大学通信与信息工程学院,29,6-1-2.内光电效应,图6-2 光电导效应,第六章 光电探测技术,6.1 光电探测的物理机制,电子科技大学通信与信息

17、工程学院,30,6-1-2.内光电效应,P为x=0处的入射光功率。光生电子在外场作用下的漂移电流为：,第六章 光电探测技术,6.1 光电探测的物理机制,(6-10),式中 为x处的光生载流子密度，,为光生载流子在外场E作用下,的漂移速度。,(6-11),电子科技大学通信与信息工程学院,31,6-1-2.内光电效应,(6-12),第六章 光电探测技术,6.1 光电探测的物理机制,则探测器上的光电流平均值为,(6-13),式中，为沿x方向的积分元，将式6-11代入，得光电流的平均值为,(6-14),电子科技大学通信与信息工程学院,32,6-1-2.内光电效应,(6-15),第六章 光电探测技术,6

18、.1 光电探测的物理机制,从而得光电导探测器输出的平均光电流为：,(6-16),(6-17),若入射光功率全被吸收，则探测器体内平均光生载流子浓度为,此时光电流为：,电子科技大学通信与信息工程学院,33,6-1-2.内光电效应,(6-18),第六章 光电探测技术,6.1 光电探测的物理机制,定义量子效率为,(6-19),可求得：,式中，为外场作用下载流子的渡越时间，为光电导的内部增益，表示一个光生载流子对探测器外回路电流的有效贡献，是光电导探测器的一个特有参数。,电子科技大学通信与信息工程学院,34,6-1-2.内光电效应,第六章 光电探测技术,6.1 光电探测的物理机制,根据以上讨论，为提高

19、光电导探测器的性能，应该用平均寿命长，迁移率大的材料来制作探测器，且将探测器电极制作成梳状，以减小极间距离。G的大小随实验条件和器件本身的结构不同而不同，可在10-3到103量级间很宽范围内变化。,电子科技大学通信与信息工程学院,35,6-1-2.内光电效应,第六章 光电探测技术,6.1 光电探测的物理机制,光伏效应指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。产生这种电位差的机理有多种，主要的一种是由于阻挡层的存在引起的势垒型光伏效应。,光伏效应,电子科技大学通信与信息工程学院,36,6-1-2.内光电效应,第六章 光电探测技术,6.1 光电探测的物理机制,图6-3

20、光伏效应,电子科技大学通信与信息工程学院,37,6-1-2.内光电效应,第六章 光电探测技术,6.1 光电探测的物理机制,p-n结存在内建电场（np），热平衡（无光照）时结区无电流流过。有光照时，由于光激发导致的多数载流子浓度变化一般很小，且它们都被势垒阻挡而不能穿过结区，因此只有本征吸收所激发的少数载流子能引起光伏效应。在内建电场作用下，P区的光生电子和n区的光生空穴扩散到结区附近时，穿过p-n结，分别进入n区与p区，在结区两侧形成电荷堆积，产生与内建电场相反的光生电场，这就是p-n结的光生伏特效应。,以p-n结为例分析光伏效应,电子科技大学通信与信息工程学院,38,第六章 光电探测技术,6

21、-1-2.内光电效应,6.1 光电探测的物理机制,光照产生的载流子各自向相反方向运动(p区光生电子向n区，n区光生空穴向p区)从而在结区内形成自n区向p区的光生电流。,光照在p-n结两端产生的光生电动势，相当于在结两端加正向电压V，它使势垒降低为，同时，产生正向电流。根据p-n结整流方程，在正向偏压作用下，流过结的正向电流为：,(6-20),电子科技大学通信与信息工程学院,39,第六章 光电探测技术,6-1-2.内光电效应,6.1 光电探测的物理机制,图6-4 p-n结能带图:(a)无光照；(b)光照激发,电子科技大学通信与信息工程学院,40,第六章 光电探测技术,6-1-2.内光电效应,6.

22、1 光电探测的物理机制,(6-21),于是，在光伏效应下，流过结的总电流为：,式中，为p-n结反向饱和电流，E为光照度，A为光照面积，T为绝对温度。上式即为光伏效应下，p-n结的伏安特性。其曲线如图6-3右图所示。根据6-21式可得:,(6-22),电子科技大学通信与信息工程学院,41,第六章 光电探测技术,6-1-2.内光电效应,6.1 光电探测的物理机制,(6-23),p-n结开路(R=)时，两端的电压即为开路电压，这时流经R的电流为，因此有，根据6-22式得开路电压,短路电流 定义为光照下p-n结外电路开路(V=0)时，从p端流出，经过外电路流入n端的电流：,(6-24),可见在弱光照射

23、下，它与光照度呈线性关系。,开路电压与短路电流是光伏效应的两个重要参数。,电子科技大学通信与信息工程学院,42,6-1-2.内光电效应,第六章 光电探测技术,6.1 光电探测的物理机制,器件的工作模式：开路、短路、反偏（光电导工作模式）、正偏,图6-6 光伏器件的两种工作模式:(a)开路；(b)反向偏压,电子科技大学通信与信息工程学院,43,第六章 光电探测技术,6-1-2.内光电效应,6.1 光电探测的物理机制,光电导效应和光伏效应的区别前者必须在外加偏压下才能正常工作光伏效应则可以不加偏压，其开路电压就反映了光辐射的信号，但光伏效应器件通常工作在反偏状态，即给器件加上反向电压，其反向电流即

24、为光电流，此时可以说器件工作在光电导模式下。,电子科技大学通信与信息工程学院,44,第六章 光电探测技术,6-1-3.光热效应,6.1 光电探测的物理机制,典型的光热效应温差电效应热释电效应,电子科技大学通信与信息工程学院,45,第六章 光电探测技术,6.1 光电探测的物理机制,温差电效应当两种不同的导体或半导体材料两端并联熔接时，在接点处可产生电动势。如果把这两种材料连接成回路，当两接头温度不同时，回路中即产生电流，这种现象称为温差电效应，又称赛贝克效应。,6-1-3.光热效应,图6-6 塞贝克效应（图中假设电流顺时针流动）,电子科技大学通信与信息工程学院,46,第六章 光电探测技术,6.1

25、 光电探测的物理机制,温差电效应最重要的应用是温差热电偶。如图6-8所示，将图6-7中半导体b分开，并与一个电流表连接，这样就获得了一个温差热电偶，电流表的不同读数就反应了接头A与B的不同温度差。,6-1-3.光热效应,图6-7 温差热电偶原理示意图,电子科技大学通信与信息工程学院,47,第六章 光电探测技术,6.1 光电探测的物理机制,温差热电偶接收辐射的一端称为热端，另一端为冷端。为了提高吸收系数，热端常装有涂黑的金箔。实际中，为提高灵敏度，常将多个热电偶串联起来使用，称为热电堆。制作温差热电偶的材料可以是金属，也可以是半导体；可以是线或条状实体，也可以是薄膜。温差热电偶的主要参数有：灵敏

26、度，响应时间，噪声等效功率等。,6-1-3.光热效应,电子科技大学通信与信息工程学院,48,第六章 光电探测技术,6.1 光电探测的物理机制,温差热电偶的应用：温差热电偶的响应时间多为毫秒量级，因而带宽较窄，多用于测量恒定辐射或低频辐射，只有少数响应时间小的材料才能测量中高频辐射。实体型温差热电偶多用于测温；薄膜型温差热电堆多用于测量各种辐射，如标定各类光源、测量光功率、用作红外分光计/光谱分析仪的辐射接收元件。,6-1-3.光热效应,电子科技大学通信与信息工程学院,49,第六章 光电探测技术,6.1 光电探测的物理机制,热释电效应热释电效应指的是某些晶体（热电晶体）的自发极化矢量随温度变化而

27、释放表面吸附的部分电荷的现象。热电晶体是一种结晶对称性很差（即具有非中心对称性）的压电晶体，在常态下，某个方向上正负电荷中心不重合，从而在晶体表面存在着一定量的极化电荷，称为自发极化。晶体温度的变化会引起正负电荷中心发生位移，从而引起表面电荷变化。,6-1-3.光热效应,电子科技大学通信与信息工程学院,50,第六章 光电探测技术,6.1 光电探测的物理机制,热释电效应的应用热释电器件相当于一个以热电晶体为电介质的高阻抗，低噪声的平板电容器。入射辐射可引起电容器电容的变化，因此，可利用这一特性来探测变化的辐射。基于热释电效应制成的光电转换器件有红外探测器，热电激光量热计，夜视仪以及各种光谱仪接收

28、器等。,6-1-3.光热效应,电子科技大学通信与信息工程学院,51,5.1 光调制概述,第五章 光调制技术,图6-8 一种热释电探测器的外形及内部结构图,电子科技大学通信与信息工程学院,52,5.1 光调制概述,第五章 光调制技术,6-1-3.光热效应,图6-9 热释电探测器的连接（a）及等效电路图（b）,电子科技大学通信与信息工程学院,53,热释电探测器工作原理,器件吸收入射辐射功率引起温度升高，从而引起材料某种有赖于温度的参量的变化，检测该变化，可以探知辐射的存在和强弱。这一过程比较缓慢，因此一般热释电探测器件的响应时间多为ms量级。对光辐射的转换过程：第一步：按系统的热力学特性来确定入射

29、辐射所引起的温度升高；第二步：探测器件因温升引起器件物理特性的变化而输出各种电信号。,5.1 光调制概述,第五章 光调制技术,6-1-3.光热效应,电子科技大学通信与信息工程学院,54,热释电探测器的优点,优点：光谱响应范围特别宽，从紫外到红外几乎都有相同的响应，光谱特性曲线近似为一条平线。工作时无需制冷。缺点：灵敏度低，响应时间较长。,5.1 光调制概述,第五章 光调制技术,6-1-3.光热效应,热释电材料,发展最早工艺，最成熟的热释电材料是硫酸三甘肽（TGS），另外还有：铌酸锶钡（SBN），钽酸锂（LT），钛酸铅陶瓷（PT），钛酸锆酸铅陶瓷（PZT）,电子科技大学通信与信息工程学院,55,

30、热释电探测器使用时的注意事项,比较理想的热探测器，其机械强度、响应灵敏度、响应速度都很高。只能测量变化的辐射，辐射恒定时无输出。输出是背景与热辐射体的温差，而不是热辐射体的实际温度。测温时，需先用辅助探测器测出背景温度。各种热释电材料都存在一个居里温度，使用范围小于居里温度。,5.1 光调制概述,第五章 光调制技术,6-1-3.光热效应,电子科技大学通信与信息工程学院,56,5.1 光调制概述,第五章 光调制技术,6-1-3.光热效应,【补充】居里温度是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度。低于居里温度时该物质成为铁磁体，此时和材料有关的磁场很难改变。当温度高于居里温度时,该物质成为顺磁体

31、，磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。这时的磁敏感度约为10的负6次方。如铁的居里温度是770,铁硅合金的居里温度是690等,电子科技大学通信与信息工程学院,57,5.1 光调制概述,第五章 光调制技术,6-1-3.光热效应,【居里温度】利用这个特点，人们开发出了很多控制元件。例如，我们使用的电饭锅就利用了磁性材料的居里点的特性。在电饭锅的底部中央装了一块磁铁和一块居里点为105度的磁性材料。当锅里的水分干了以后，食品的温度将从100度上升。当温度到达大约105度时，由于被磁铁吸住的磁性材料的磁性消失，磁铁就对它失去了吸力，这时磁铁和磁性材料之间的弹簧就会把它们分开，同时带动电源开关被断开

32、，停止加热。,电子科技大学通信与信息工程学院,58,5.1 光调制概述,第五章 光调制技术,6-1-3.光热效应,电子科技大学通信与信息工程学院,59,5.1 光调制概述,第五章 光调制技术,6-1-3.光热效应,光谱范围：一般在0.220 m；用途：主要用于防盗报警和安全报警装置、自动门、自动照明装置、火灾报警等一些自动控制系统中。特点：光谱响应范围宽，对于从紫外到毫米量级的电磁辐射几乎都有相同的响应。（与测辐射计、温差热电堆等比较）频率特性好，室温下工作，无需致冷，体积小，重量轻，坚固。,热释电探测器的性能特点,电子科技大学通信与信息工程学院,60,5.1 光调制概述,第五章 光调制技术,

33、6-1-3.光热效应,被动式热释电红外探头的工作原理及特性：在自然界，任何高于绝对温度（-273 K）时物体都将产生红外光谱，不同温度的物体，其释放的红外能量的波长是不一样的，因此红外波长与温度的高低是相关的。,电子科技大学通信与信息工程学院,61,5.1 光调制概述,第五章 光调制技术,6-1-3.光热效应,在被动红外探测器中有两个关键性的元件，一个是热释电红外传感器(PIR)，它能将波长为812um之间的红外信号变化转变为电信号，并能对自然界中的白光信号具有抑制作用，因此在被动红外探测器的警戒区内，当无人体移动时，热释电红外感应器感应到的只是背景温度，当人体进人警戒区，通过菲涅尔透镜，热释

34、电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异信号，因此，红外探测器的红外探测的基本概念就是感应移动物体与背景物体的温度的差异。,电子科技大学通信与信息工程学院,62,5.1 光调制概述,第五章 光调制技术,6-1-3.光热效应,另外一个器件就是菲涅尔透镜，菲涅尔透镜有两种形式，即折射式和反射式。菲涅尔透镜作用有两个:一是聚焦作用，即将红外信号折射（反射）在PIR上，第二个作用是将警戒区内分为若干个明区和暗区，使进入警戒区的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号，这样PIR就能产生变化的电信号。,电子科技大学通信与信息工程学院,63,5.1 光调制概述,第五章 光调制技术,6

35、-1-3.光热效应,人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10微米左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10微米左右的红外线而进行工作的。人体发射的10微米左右的红外线通过菲涅尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。,电子科技大学通信与信息工程学院,64,5.1 光调制概述,第五章 光调制技术,6-1-3.光热效应,1)这种探头是以探测人体辐射为目标的。所以热释电元件对波长为10微米左右的红外辐射必须非常敏感。2)为了仅仅对人体的红外辐

36、射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲涅尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。3)被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元件。而且制成的两个电极方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生热释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。,电子科技大学通信与信息工程学院,65,5.1 光调制概述,第五章 光调制技术,6-1-3.光热效应,4)人一旦侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而报警。5)菲涅尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同

37、的监控视场，视场越多，控制越严密。,电子科技大学通信与信息工程学院,66,5.1 光调制概述,第五章 光调制技术,6-1-3.光热效应,图6-10 被动式红外热释电探测器,电子科技大学通信与信息工程学院,67,5.1 光调制概述,第五章 光调制技术,6-1-3.光热效应,热释电摄像管热释电也可制成探测器阵列，已有320240像敏元的热释电热成像系统上市，主要用于红外摄像机。碲镉汞（CMT）器件 可以单元使用，也可以线阵或面阵使用，具有极高的灵敏度，已成功的应用在我国风云一号和风云二号卫星上。但碲镉汞（CMT）器件使用时一定要制冷，一般采用半导体制冷。,其它热释电器件,电子科技大学通信与信息工程

38、学院,68,二.光电探测器,【主要内容】光电探测器分类、外光电效应探测器、内光电效应探测器、几种典型光电探测器介绍,第六章 光电探测技术,电子科技大学通信与信息工程学院,69,6.2 光电探测器,第六章 光电探测技术,6-2-1.光电探测器类型,光电探测器分类,电子科技大学通信与信息工程学院,70,6.2 光电探测器,第六章 光电探测技术,6-2-1.光电探测器类型,表6-1 基于光电效应的光电探测器,电子科技大学通信与信息工程学院,71,6.2 光电探测器,第六章 光电探测技术,6-2-1.光电探测器类型,图6-11 基于光电效应的光电探测器分类,内光电效应探测器,光电导型,光伏型,体电导元

39、件p-n-p结光电二极管，CCDp-i-n光电二极管肖特基势垒光电二极管p-n-p，n-p-n结光敏晶体管p+-p-n+雪崩光电二极管光电管，光电倍增管，摄像管,硅光电池单晶p-n结太阳能电池非晶半导体太阳能电池,电子科技大学通信与信息工程学院,72,6.2 光电探测器,第六章 光电探测技术,6-2-1.光电探测器类型,图6-12 基于热电效应的光电探测器分类,热电型光探测器中最重要的是热电偶及红外热释电探测器，上一节中已经对它们进行了介绍，本节主要介绍基于光电效应的光探测器。,电子科技大学通信与信息工程学院,73,6.2 光电探测器,第六章 光电探测技术,6-2-1.光电探测器类型,表6-2

40、 光电器件与热电器件对比,电子科技大学通信与信息工程学院,74,6.2 光电探测器,第六章 光电探测技术,6-2-1.光电探测器类型,基于外光电效应的光探测器,外光电效应原理：光物体表面光电子发射特点：速度快-光照到释放电子时间不超过10-9秒。需足够光能-光子能量 表面溢出功应用：足够的光强，高速-光电开关主要器件：光电管光电倍增管像增强管,电子科技大学通信与信息工程学院,75,6.2 光电探测器,第六章 光电探测技术,6-2-1.光电探测器类型,光电管,原理：光 阴极 光电子 阳极 空间电子流外接电阻 压降U=f(I)特点：简单，灵敏度低,图6-13 光电管基本结构,电子科技大学通信与信息

41、工程学院,76,6.2 光电探测器,第六章 光电探测技术,6-2-1.光电探测器类型,光电倍增管,图6-14 光电倍增管的基本结构,原理:光阴极光电倍增极阳极 电流特点:光电流大，灵敏度高。倍增率=n，-单极倍增率 n-倍增极数,电子科技大学通信与信息工程学院,77,6.2 光电探测器,第六章 光电探测技术,6-2-1.光电探测器类型,像增强管（微光管）,图6-15 静电聚焦倒像式像增强管,电子科技大学通信与信息工程学院,78,6.2 光电探测器,第六章 光电探测技术,6-2-1.光电探测器类型,像增强管原理:红外光阴极-(光电效应)光电流电子像增强的电子像-(电子光学系统)可见光图像特点:图

42、像转变效率高，无需红外光源，可将可见与不可见光图像转变为可见光图像。应用：科学研究：生物光学研究医学应用：X射线拍照、国防军工、安全保卫：各种夜视仪,电子科技大学通信与信息工程学院,79,6.2 光电探测器,第六章 光电探测技术,6-2-1.光电探测器类型,基于内光电效应的光探测器,内光电效应原理：光 半导体电子吸收能量 跃迁 电子-空穴对分类：光电导效应：光电子-空穴对导电性 电阻器件：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管光伏效应：光PN结(无偏置)电子 N,空穴P电动势器件：光电池,电子科技大学通信与信息工程学院,80,6.2 光电探测器,第六章 光电探测技术,6-2-1.光电探测器类型,光电

43、导型器件,利用光电导效应工作的光电探测器称为光电导型探测器，这类探测器在光照下会改变自身的电阻率，且光照越强，器件电阻越小，因此常称为光导管或光敏电阻。它们一般都为体结构，阻抗呈阻性，没有极性，灵敏度较高，具有内电流增益。光电导型器件主要有：光敏电阻、光敏（电）二极管、光敏（电）三极管，高速光电二极管,电子科技大学通信与信息工程学院,81,6.2 光电探测器,第六章 光电探测技术,6-2-1.光电探测器类型,光敏电阻,图6-16一种光敏电阻的结构,电子科技大学通信与信息工程学院,82,6.2 光电探测器,第六章 光电探测技术,6-2-1.光电探测器类型,图6-17 某种光敏电阻内部结构,电子科

44、技大学通信与信息工程学院,83,6.2 光电探测器,第六章 光电探测技术,6-2-1.光电探测器类型,光敏电阻的原理电阻器件，加直流偏压，无极性无光照:电子-空穴对很少-电阻大(暗电阻)有光照:电子-空穴对增多-导电性增强光敏电阻的封装结构结构：金属封装-防潮光敏电阻的应用应用：工业自动化-开关元件，快速响应家电-(感应式节能灯：判断照度),电子科技大学通信与信息工程学院,84,6.2 光电探测器,第六章 光电探测技术,6-2-1.光电探测器类型,光敏电阻的优点光谱响应相当宽;光敏电阻的灵敏区域可在紫外光区，可见光区，也可在红外区和远红外区。所测的光强范围宽;使用方便，成本低，稳定性高，寿命长

45、;灵敏度高，工作电流大，可达数毫安。光敏电阻的不足在强光照射下线性较差，频率特性也较差。,电子科技大学通信与信息工程学院,85,6.2 光电探测器,第六章 光电探测技术,6-2-1.光电探测器类型,图6-18 某种光敏电阻,光敏电阻常用II-VI族，III-V族化合物半导体及IV族半导体材料制作。,电子科技大学通信与信息工程学院,86,6.2 光电探测器,第六章 光电探测技术,6-2-1.光电探测器类型,光敏二极管,光敏二极管是利用硅结受光照后产生光电流的一种光电器件。光敏二极管工作于反向偏压，其光谱响应特性主要由半导体材料中所掺的杂质浓度决定。同一型号的光敏二极管在一定的反偏电压、相同强度和

46、不同波长的入射光照射下，产生的光电流并不相同，但有一最大值。不同型号的光敏二极管在同一反偏电压、同一强度的入射光照射下，所产生的光电流最大值也不相同，且光电流最大值所对应的入射光的波长也不相同。,电子科技大学通信与信息工程学院,87,6.2 光电探测器,第六章 光电探测技术,6-2-1.光电探测器类型,图6-19 光敏二极管工作原理及其表示,电子科技大学通信与信息工程学院,88,6.2 光电探测器,第六章 光电探测技术,6-2-1.光电探测器类型,光敏二极管,原理：半导体PN结加上反偏压后，结区内存在高电场，无光照高阻特性 微弱的暗电流(A)有光照结区光生载流子高场作用电子N，空穴P 光电流；

47、(响应快)有光照半导体内部（P区与N区）光生载流子高场作用P区光生电子结区N，N区光生空穴结区P 光电流；(响应慢),电子科技大学通信与信息工程学院,89,6.2 光电探测器,第六章 光电探测技术,6-2-1.光电探测器类型,光敏二极管,光照愈强-光电流愈大为提高响应速度应尽量使光生载流子产生于空间电荷层内。特性：光照特性-灵敏度和线性好，光谱特性-单峰性应用：线性转换元件，开关元件,电子科技大学通信与信息工程学院,90,6.2 光电探测器,第六章 光电探测技术,6-2-1.光电探测器类型,光敏三极管,光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，

48、同时也受光辐射的控制。通常基极不引出，但一些光敏三极管的基极有引出，用于温度补偿和附加控制等作用。,电子科技大学通信与信息工程学院,91,6.2 光电探测器,第六章 光电探测技术,6-2-1.光电探测器类型,光敏（电）三极管,图6-20 光敏（电）三极管,电子科技大学通信与信息工程学院,92,6.2 光电探测器,第六章 光电探测技术,6-2-1.光电探测器类型,光敏（电）三极管,原理：具有光敏特性的PN结受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于倍的信号电流。性能：灵敏度比光敏二极管高，是光敏二极管的数十倍，故输出电流要比光敏二极管大得

49、多，一般为毫安级。但其它特性不如光敏二极管好，在较强的光照下，光电流与照度不成线性关系。频率特性和温度特性也变差，故光敏三极管多用作光电开关或光电逻辑元件。,电子科技大学通信与信息工程学院,93,6.2 光电探测器,第六章 光电探测技术,6-2-1.光电探测器类型,高速光电二极管,普通的PN结光敏二极管的缺点受光照时，P区的光生电子和N区的光生空穴要经过一段扩散长度，并在结区高场作用下迁移过整过空间电荷层才能对外电流有贡献，因而响应速度较慢；当光照停止后，在载流子平均寿命时间内仍然存在光生载流子，这些光生载流子同样可以渡越电极引起外电路电流，因此光照停止后，仍有一延迟光电流产生。,电子科技大学

50、通信与信息工程学院,94,6.2 光电探测器,第六章 光电探测技术,6-2-1.光电探测器类型,高速光电二极管-具体的讨论见后,为克服普通光敏二极管的缺点，人们研究出了两种主要的高速光敏二极管结构，为与普通光敏二极管区分，通常称其为光电二极管。PIN光电二极管APD（雪崩）光电二极管应用：光通讯，光测量,电子科技大学通信与信息工程学院,95,6.2 光电探测器,第六章 光电探测技术,6-2-1.光电探测器类型,光电池,图6-21 光电池工作原理,电子科技大学通信与信息工程学院,96,第六章 光电探测技术,6.1 光电探测的物理机制,原理：光PN结电子N,空穴P电动势 光谱特性硅电池：0.51.