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1、第三章 光电检测器件,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,1.器件的结构和工作原理,2.器件的特性参数,3.器件的应用,本章重点：,3.1 光电检测器件的基本特性参数,3.1.1 响应特性1.响应度:是光电探测器输出信号与输入光功率之间关系 的度量。描述的是光电探测器件的光电转换效率2.光谱响应度：探测器在波长为的单色光照射下，输出电压或电流与入射的单色光功率之比,3.积分响应度：检测器对各种波长光连续辐射量的反 应
2、程度4.响应时间：描述光电探测器对入射光响应快慢的 一个参数5.频率响应：光电探测器的响应随入射光的调制频 率而变化的特性称为频率响应,3.1.2 光电检测器件的噪声1.热噪声:称约翰逊噪声，即载流子无规则的热运动造成的噪声2.散粒噪声：穿越势垒的载流子的随机涨落所造成的噪声3.产生-复合噪声：载流子的产生率和复合率在某个时间间隔会在平均值上下起伏，这种起伏引起的载流子浓度的起伏产生均方噪声电流 4.1/f噪声：闪烁噪声或低频噪声,3.1.3 衡量噪声的参数1.信噪比（S/N）:负载电阻上信号功率与噪声功率之比2.等效噪声功率（NEP）：信号功率与噪声功率比为1（SNR=1）时，入射到探测器件
3、上的辐射通量(单位为瓦)3.探测率与归一化探测率：探测率D定义为噪声等效功率的倒数4.暗电流：光电检测期间仅在加电源时，而没有输入信号和背景 辐射时所流过的电流,3.1.4 其他参数1.量子效率：在某一特定波长上，每秒钟内产生的光电子数与入射光 量子数之比2.线性度：描述光电探测器输出信号与输入信号保持线性关系的程度 非线性误差:max/(I2 I1)max：实际响应曲线与拟合曲线之间的最大偏差 I2 和 I1：分别为线性区中最小和最大响应值3.工作温度：光电探测器最佳工作状态时的温度,3.2 真空光电探测器件,3.2.1 光电发射材料,1)光电发射材料的类型及其应具备的条件 光吸收系数大 光
4、电在在体内传输过程中收到的能量损失小 表面势垒低，表面逸出率大,2)光电发射阴极材料(1)单碱与多碱锑化物光阴极(2)银氧铯与铋银氧铯光阴极(3)紫外光电阴极(4)负电子亲和势,图3-1 集中光电阴极材料的光谱响应,3.2.2 光电倍增管（PMT）,图3-2 光电倍增管工作原理示意图,1)PMT的基本原理,光入射窗、光电阴极、电子光学系统、二次发射倍增系统、阳极,2)光电倍增管结构,(1)PMT的入射窗结构 端面窗 侧面窗(2)光电阴极 半透明型 反射型(3)电子光学系统,(4)倍增级结构 聚集型 非聚集型 常用倍增级材料：锑化铯（CsSb）材料 氧化的银镁合金材料 铜-铍合金（铍的含量为2%
5、）负电子亲和势材料GaPCs(5)阳极结构 栅网状阳极,图3-3 光电倍增管结构图(a)百叶窗倍增级(b)盒栅倍增级(c)瓦片倍增级(d)圆形鼠笼,3)PMT的基本特性参数(1)光谱响应度(2)放大倍数(3)暗电流 光电倍增管的暗电流是指无光照时（加有电源），光电 倍增管的输出电流 a.光电阴极和第一倍增级的热电子发射 b.级间漏电流 c.离子和光的反馈作用 d.场致发射 e.放射性同位素和宇宙射线的影响,主要暗电流源,(4)伏安特性(5)时间特性和频率响应特性；（6）PMT的噪声,图3-4 PMT阳极伏安特性,321,4)PMT的供电电路,图3-5 PMT电阻链分压型供电电路,5）光电倍增管
6、的应用,3.3 半导体光电导型检测器件,3.3.1 光敏电阻的结构与工作原理,1)光敏电阻的结构,图3-6 光敏电阻结构示意图(a)梳状结构(b)蛇形结构(c)刻线式结构 1-光电导材料 2-电极 3-衬底材料,2)光敏电阻的基本工作原理,图3-7 光敏电阻原理及符号,图3-8 本征半导体与杂质半导体,3.3.2 光敏电阻特性参数,1)光电导增益,2)光电导灵敏度,图3-9 光敏电阻的光谱特性,3)光电特性,图3-10 CdS光敏电阻的光照特性,什么是欧姆接触？,4)伏安特性,图3-11 光敏电阻的伏安特性,5)温度特性,图3-12 光敏电阻的温度特性,6)频率响应,1.硒2.硫化镉3.硫化铊
7、4.硫化铅,图3-13 光敏电阻的频率特性曲线,1）照明灯自动控制电路,3.3.3 光敏电阻的应用,2）火焰探测报警,图3-15 火焰探测报警器电路图,作业题：1.设某光敏电阻在100lx的光照下的阻值为2k，且，已知它在90120lx范围内的=0.9，试求该光敏电阻在110lx光照下的阻值？,2.在如图2-13所示的恒流偏置电路中，已知电源电压为12V，Rb为820，Re为3.3k，三极管的放大倍率不小于80，稳压二极管的输出电压为4V，光照度为40lx时输出电压为6V，80 lx时为8V。（设光敏电阻在30到100 lx之间的 值不变）试求：（1）输出电压为7V 的照度为多少 lx（2）该
8、电路的电压灵敏度（V/lx）,3.4 半导体光伏型检测器件,3.4.1 光电池,1）光电池的结构和工作原理,图3-16 硅光电池结构、外型与电路符号(a)结构(b)外型(c)符号,图3-17 硅光电池工作原理,2）光电池的特性参数(1)输出特性/伏安特性曲线,图3-18 光电池伏安特性曲线,图3-19 光电池等效电路,结电容,(2)光谱特性,图3-20 光谱特性曲线,(3)温度特性,图3-21 光电池的温度特性曲线,(4)频率特性,图3-22 光电池的频率特性,(5)光照特性,图3-24 硅光电池的光照特性,图3-23 光电池连接方式,3）光电池的应用(1)光电检测器件(2)光电能量器件,1)
9、结面积比光电池小，因而输出电流比光电池小；2)电阻率比光电池高(1000/cm)，光电池的为(0.10.01/cm)；3)制作衬底材料的参杂浓度比光电池低（10121013/cm3）,光电池 为(10161019/cm3）4)全在反向偏置电压下工作，而光电池多工作在零偏,3.4.2 光敏二极管,与光电池的性能比较：,1）光敏二极管的结构与工作原理,图3-25 硅光电二极管(a)结构原理；(b)工作原理；(c)电路符号；(d)光敏二极管接法,(d),2）光敏二极管的特性参数(1)输出特性,图3-26 光敏二极管输出特性曲线(a)伏安特性；(b)光照特性,(a),(b),(2)光谱响应,图3-27
10、 典型光敏二极管的光谱响应,(3)频率响应：漂移时间、扩散时间和延迟时间(4)温度特性：暗电流对温度 变化非常敏感(5)噪声：主要是散粒噪声,3.4.3 PIN光敏二极管,结构和原理,图3-28 PIN光电二极管结构和外形图(a)结构；(b)外形图,3.4.4 雪崩光敏二极管,图3-29 几种雪崩光敏二极管结构原理(a)P型N结构(b)N型P结构(c)PIN结构,图3-29(a)所示为在P型硅基片上扩散杂质浓度大的N+层，制成P型N结构图3-29(b)所示为在N型硅基片上扩散杂质浓度大的P+层，制成N型P结构的雪崩光电二极管图3-29(c)所示为PIN型雪崩光电二极管,1）结构和原理,(1)雪
11、崩增益 电流倍增系数 经验公式(2)伏安特性,2）特性参数,图3-30 雪崩光电二极管暗电流和光电流与偏置电压的关系,倍增前输出电流,倍增后输出电流,(3)光谱响应：可延伸至4m(4)响应时间：硅管约为0.51ns(5)噪声：噪声电流,3）雪崩光电二极管与光电倍增管比较,体积小结构紧凑工作电压低使用方便但其暗电流比光电倍增管的暗电流大，相应的噪声也较大故光电倍增管更适宜于弱光探测,3.4.5 光敏二极管的应用,1）光敏二极管阵列,2）象限探测器,图3-31 光电二极管阵列检测元件,1）光敏三极管的结构和原理,3.4.6 光敏三极管,图3-32 光敏三极管的原理和结构,2）光敏三极管的特性参数(
12、1)伏安特性,图3-33 光敏三极管伏安特性曲线,(2)频率特性,图3-34 光电三极管频率特性,(3)温度特性,图3-35 光敏二极管、光敏三极管的温度特性(a)暗电流Id的温度特性(b)亮电流IL的温度特性,3.4.7 光伏器件与光电导器件的区别及使用要点,3.5 几种特殊的半导体光电检测器件,光电位置传感器,图3-36 PSD器件结构示意图,图3-37 一维PSD器件(a)原理结构(b)等效电路,图3-38 一维PSD位置检测电路,1）判断光信号的有无2）按一定频率变化的光信号3）检测光信号的幅度大小4）检测光信号的色度差异,3.6 各种光电检测器件的性能比较和应用选择,3.6.1 接收
13、光信号的方式,1.动态特性：频率响应和时间响应2.光电特性：线性3.动态范围：线性和非线性动态范围4.灵敏度：光敏二极管最低5.光谱特性：与使用材料有关6.暗电流与噪声：光电倍增管和光敏二极管暗电流最小；复合光敏三极管噪声最大7.供电电源和应用灵活性：光电池应用灵活8.长期工作的稳定可靠性：光敏二极管、光电池稳定可靠,3.6.2 各种光电检测器件的性能比较,1.光电检测器件必须和辐射信号源及光学系统在光谱特性上匹配2.光电检测器件的光敏面必须和入射辐射能量相对准3.光电检测器件的光电转换特性必须和入射辐射相匹配4.光电检测器件必须和光信号的调制形式、信号频率及波形相匹配5.光电检测器件的最小可探测功率必须和入射辐射相匹配6.光电检测器件必须和后续电路在电特性上有良好的匹配7.注意选好器件的规格和使用条件，以确保器件工作的长期稳定可靠,3.6.3 光电检测器件的应用选择,
