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1、第五章光波的探测与解调 5 1光子探测方法5 1 1光子探测机理的分类 1 光电探测技术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 光探测过程可以形象地称为光频解调 光探测器就是将光辐射能量转换成为一种便于测量的物理量的器件 2 光电探测器 按光 电相互作用分类 2 探测机理及其分类 按响应区域分类 光子直接对电子产生扰动 温升使材料的某些特性发生变化 电磁场对材料的扰动所引起材料某些内特性发生变化 输出信号是敏感区域的平均值 对敏感区域的空间变化所产生的响应 4 光电效应 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 统称为光电效
2、应 内光电效应光子激发的载流子 电子或空穴 将保留在材料内部 外光电效应将电子打离材料表面 外光电效应器件通常有多个阴极 以获得倍增效果 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 单位时间内反射的光子数目 与入射光的强度成正比 斯托列托夫定律是光电管 光电倍增管的检测基础 外光电效应 光电发射效应 爱因斯坦定律如果发射体
3、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 光电效应方程 入射光子能量 电子的动能 逸出功 该式表明 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 0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 逸出功 爱因斯坦定律 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
4、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 爱因斯坦定律 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 内光电效应 光电导效应 光电导效应是光照变化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
5、最早为人们所知的现象 内光电效应 光电导效应 利用此现象制成的光探测器称为光电导探测器 20世纪又先后在氧化亚铜 硫化铊 硫化镉 硫化铅等材料中发现光电导效应 并由此发展了从紫外 可见到红外各个波段的辐射探测器 内光电效应 光电导效应 光子能量红限波长光电流 当光子波长大于 0时 本征型半导体器件将不会出现光电导现象 通常是多子起作用 少子由于其寿命相对短得多 故对光电流的贡献不大 ISO为直流下的短路电流 为量子效率 N 为器件单位时间吸收的波长为 的光子数 G为器件内增益 内光电效应 光电导效应 光电导增益G由自由载流子寿命 和渡越时间T 的比值来决定 渡越时间T 是指多数载流子穿过器件电
6、极的时间 它由下式决定 式中l为电极间的距离 为多数载流子的迁移率 VA为器件所加上的偏压 内光电效应 光电导效应 响应速度 由多数载流子的寿命决定 频率为时 的短路电流 频率为时 的开路电压 由上面两式可知 低频时光电器件的输出基本上与频率无关 高频时则与频率成反比 转折点定义在 为1的频率 直流短路电流 器件开路电压 内光电效应 光电导效应 光子在材料中激发出的载流子必须在外加电压 电场 作用下方能作空间流动 对外电路产生贡献 这种器件必须加上偏压才能正常工作 内光电效应 光伏效应 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
7、要的一种是由于阻挡层的存在引起的势垒型光伏效应 短路光电流 开路光电压 反向饱和电流 暗电流 内光电效应 光伏效应 光伏效应载流子的激发 光子载流子的分离 内建电场光电流 Id暗电流 Is为无光照射时的反向饱和电流 V为施加在器件上的电压 正向为正 反向为负 k为波耳兹曼常数 为近似为1的常数 T为绝对温度 内光电效应 光伏效应 光伏器件的电流电压特性 5 5 对应的工作模式 开路 短路 反偏 光电导工作模式 正偏 内光电效应 光伏效应 光电导效应和光伏效应的区别光电导效应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
8、器件加上反向电压 其反向电流即为光电流 此时可以说器件工作在光电导模式下 光伏效应 光电导效应 光伏器件工作模式 光伏器件 光电池光敏二极管光敏三极管 光敏二极管 1 结构 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 光敏二极管的电路符号 外形见图所示 其封装有金封和塑封两种 即圆柱形和扁方形 有的光敏二极管为了提高其稳定性 还外加了一个屏蔽接地脚 外形似光敏三极管 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所决定 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
9、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 光敏二极管 图 的曲线 分别是光敏二极管 的光谱响应特性曲线 由图可看出 它们的光电流的最大值分别在可见光区和红外线区 其中二极管 的光谱响应值最大 由于光敏二极管的基本结构也是一个 结 故其检测方法也与普通二极管相同 其测得的正 反向电阻也类似于普通二极管 但在测反向电阻遇光照时 阻值会明显减小 否则说明管子已损坏 PIN光敏二极管 特点1 最大的特点是频带宽 在P型半导体和N型半导体之间夹着一层 相对 很厚的本征半导体 I层 这样 P N结的内电场就基本上全集中于I层中 从而使P N结空
10、间电荷层的间距加宽 因此结电容变小 响应时间变短 频带变宽 2 管子的线性输出范围很宽 因为I层 相对 很厚 在反偏压下运用可承受较高的反向电压 不足 I层电阻很大 管子的输出电流小 一般为零点几 A至数 A PIN光敏二极管的光电转换原理 雪崩光敏二极管 APD 雪崩光敏二极管是利用P N结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种光伏器件 它具有响应度高 响应速度快的特点 通常工作在很高的反偏状态100 200V 接近于反向击穿电压 当电压等于反向击穿电压时 电流增益可达106 即产生所谓的自持雪崩 频率响应很高 带宽可达100GHz 是目前响应最快的一种光敏二极管 适用于光纤通信 激光测距
11、及其他微弱光的探测等 原理 根据光电效应 当光入射到PN结时 光子被吸收而产生电子 空穴对 如果电压增加到使电场达到200kV cm以上 初始电子 一次电子 在高电场区获得足够能量而加速运动 高速运动的电子和晶格原子相碰撞 使晶格原子电离 产生新的电子 空穴对 新产生的二次电子再次和原子碰撞 如此多次碰撞 产生连锁反应 致使载流子雪崩式倍增 见图 APD的雪崩倍增效应 雪崩光敏二极管 APD 雪崩光敏二极管频率响应很高 带宽可达100GHz 是目前响应最快的一种光敏二极管 适用于光纤通信 激光测距及其他微弱光的探测等 光敏二极管阵列将光敏二极管以线列或面阵形式集合在一起 用来同时探测被测物体各
12、部位提供的不同光信息 并将这些信息转换为电信号的器件 光敏二极管的特点 体积小 稳定性好 灵敏度高 响应速度快 易于获得定向性 光谱响应在可见和红外区 光敏三极管 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 复习 外光电效应 光电发射效应相应器件 光电倍增管 内光电效应 光电导效应相应器件 光敏电阻 光电导摄像管 内光电效应 光伏效应相应器件 光电池 光敏二极管 光敏三极管 5 热释电效应 热释电效应指的是某些晶
13、体的电极化强度随温度变化而释放表面吸附的部分电荷 基于该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器等 热释电探测器 结构 热释电探测器工作原理 器件吸收入射辐射功率产生温升 温升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 因此一般热电探测器件的响应时间多为ms量级 热释电器件相当于一个以热电晶体为电介质的平板电容器 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 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
14、电信号 热释电探测器的优缺点 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 热释电探测器使用注意 1 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 2 只能测量变化的辐射 辐射恒定时无输出 3 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 4 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 居里温度 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
15、为顺磁体 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 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 停止加热 居里温度 热释电探测器 光谱范围 一般热释电在0 2 20 m 用途 主要用于防盗报警和安
16、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 5 1光子探测方法5 1 2光电探测器中的噪声 5 1光子探测方法5 1 2光电探测器中的噪声 依据噪声产生的物理原因 光电探测器的噪声可大致分为散粒噪声 产生 复合噪声 热噪声和低频噪声 上述噪声是光电转换物理过程中固有的 是一种不可能人为消除的输出信号的起伏 是与器件密切相关的一个参量 因为在光电转换过程中 半导体中的电子从价带跃迁到导带 或者电子逸出材料表面等过程 都是一系列独立事件 是一种随机的过程 每一瞬间出现多少载流子是不确定的 所以随机的起伏将不可避免地与信号同时出现 尤其在信号较弱时 光电探测器的噪声会显著地影响信号探测的准确性 无光照下 由于热激发作用 而随机地产生电子所造成的起伏 以光电子发射为例 由于起伏单元是电子电荷量e 故称为散粒噪声 这种噪声存在于所有光电探测器中 热激发散粒均方噪声电流为其有效值为相应的噪声电压为如果探测器具有内增益M 则
