李新光-Y2014600102现代检测技术基础Chapter4-6

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1、第四章 光电检测器件4.2 器件的基本特性参数n响应特性n噪声特性n量子效率n线性度n工作温度一、响应特性响应度（或称灵敏度）：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。 响应度是随入射光波长变化而变化的 响应度分电压响应率和电流响应率n电压响应率光电探测器件输出电压与入射光功率之比n电流响应率光电探测器件输出电流与入射光功率之比光谱响应度：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 光功率之比积分响应度：检测器对各种波长光连续 辐射量的反应程度响应时间：响应时间是描述光电探测器对入射光响应快慢的一个参数。 上升时间：入射光照射到光电探

2、测器后，光电探测器输出上升到稳定值所需要的时间。 下降时间：入射光遮断后，光电探测器输出下降到稳定值所需要的时间。n光电探测器响应率与入射调制频率的关系为调制频率为f 时的响应率为调制频率为零时的响应率 为时间常数（等于RC） 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 由于光电探测器信号产生和消失存在着一个滞后过程 ，所以入射光的调制频率对光电探测器的响应会有较 大的影响。：上限截止频率时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽返回二、噪声特性n在一定波长的光照下光电探测器输出的电信号 并不是平直的，而是在平均值上下随机地起伏 ，它实质上就是物理量围绕其平均值的涨落现

3、 象。n用均方噪声来表示噪声值大小n噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的。n由于噪声总是与有用信号混在一起，因而影响 对信号特别是微弱信号的正确探测。n一个光电探测系统的极限探测能力往往受探测 系统的噪声所限制。n所以在精密测量、通信、自动控制等领域，减 小和消除噪声是十分重要的问题。光电探测器常见的噪声n热噪声n散粒噪声n产生-复合噪声n1/f噪声1、热噪声n或称约翰逊噪声，即载流子无规则的热运动造 成的噪声。n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。n热噪声存在于任何电阻中，

4、热噪声与温度成正 比，与频率无关，热噪声又称为白噪声2、散粒噪声n散粒噪声：入射到光探测器表面的光子是随机 的，光电子从光电阴极表面逸出是随机的， PN结中通过结区的载流子数也是随机的。n散粒噪声也是白噪声，与频率无关。n散粒噪声是光电探测器的固有特性，对大多数 光电探测器的研究表明：散粒噪声具有支配地 位。n例如光伏器件的PN结势垒是产生散粒噪声的 主要原因。3、产生-复合噪声n半导体受光照，载流子不断产生-复合。n在平衡状态时，在载流子产生和复合的 平均数是一定的n但在某一瞬间载流子的产生数和复合数 是有起伏的。n载流子浓度的起伏引起半导体电导率的 起伏。4、1/f噪声n或称闪烁噪声或低频

5、噪声。这种噪声是 由于光敏层的微粒不均匀或不必要的微 量杂质的存在引起的。n噪声的功率近似与频率成反比n多数器件的1/f噪声在200300Hz以上已 衰减到可忽略不计。、信噪比n信噪比是判定噪声大小的参数。n是负载电阻上信号功率与噪声功率之比n若用分贝（dB）表示，为、噪声等效功率(NEP)n定义：信号功率与噪声功率比为1（SNR=1）时， 入射到探测器件上的辐射通量(单位为瓦)。n这时，投射到探测器上的辐射功率所产生的输出电 压（或电流）等于探测器本身的噪声电压（或电流 ）n一般一个良好的探测器件的NEP约为10-11W。nNEP越小，噪声越小，器件的性能越好。噪声等效功率是一个可测量的量。

6、设入射辐射的功率为P，测得的输出电压为U0然后除去辐射源，测得探测器的噪声电压为UN则按比例计算，要使U0UN，的辐射功率为、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经过分析，发现NEP与检测元件的面积Ad和放大 器带宽f 乘积的平方根成正比 归一化探测率D*，即D*与探测器的敏感面积、放大器的带宽无关。返回三、量子效率（）n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。n对理想的探测器，入射一个光量子发射一个电子， =1n实际上， A。由于不同材料具有不同的逸出功， 因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频 率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强

7、多 大，都不会产生光电子发射，此频率限称为“红限”。 相应的波长K为: (4.3) 式中，c为光速；A为逸出功。图4.3.1 光电管结构示意图光电管正常工作时，阳极电位高于阴极， 如图4.3.2所示。在入射光频率大于“红限”的 前提下，从阴极表面逸出的光电子被具有正电 位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流， 称为光电流。此时若光强增大，轰击阴极的光 子数增多，单位时间内发射的光电子数也就增 多，光电流变大。在图4.3.2所示的 电路中，电流I和电阻RL上的电压降U0就和 光强成函数关系，从而实现光电转换。 阴极材料不同的光电管，具有不同的红 限，因此适用于不同的光谱范围。此外， 即使入射光

8、的频率大于红限，并保持其强度 不变，但阴极发射的光电子数量还会随入射 光频率的变化而改变，即同一种光电管对不同频率的入射光灵敏度并 不相同。光电管的这种光谱特性，要求人们应当根据检测对象是紫外 光、可见光还是红外光去选择阴极材料不同的光电管，以便获得满意 的灵敏度。图4.3.2 光电管测量电路图图4.3.3 光电倍增管结构示意图 光电倍增管主要由光阴极K、倍增极D和阳极A组成，并 根据要求采用不同性能的玻璃壳进行真空封装。依据封 装方法，可分成端窗式和侧窗式两大类。端窗式光电倍 增管的阴极通常为透射式阴极，通过管壳的端面接受入 射光。侧窗式阴极则是通过管壳的侧面接收入射光，它 的阴极通常为反射

9、式阴极。 二、光电倍增管由于真空光电管的灵敏度低，因此人们研制了具有放大光 电流能力的光电倍增管。图4.3.3是光电倍增管结构示意图。 光阴极的量子效率是一个重要的参数。波长为的光辐 射入射到光阴极时，一个入射光子产生的光电子数，定 义为光阴极的量子效率。光阴极有很多种，常用的有双 碱，S11及S20三种。光阴极通常由脱出功较小的锑铯或 钠钾锑铯的薄膜组成，光阴极接负高压，各倍增极的加 速电压由直流高压电源经分压电阻分压供给，灵敏检流 计或负载电阻接在阳极A处，当有光子入射到光阴极K 上，只要光子的能量大于光阴极材料的脱出功，就会有电子从阴极的表面逸出而成为光电子。 在K和D1之间的电场作用下

10、，光电子被加速后轰击第一 倍增极D1，从而使D1产生二次电子发射每一个电子 的轰击约可产生35个二次电子，这样就实现了电子数 目的放大。D1产生的二次电子被D2和D1之间的电场加速后轰击D2 ，。这样的过程一直持续到最后一级倍增极Dn，每 经过一级倍增极，电子数目便被放大一次，倍增极的数 目有813个，最后一级倍增极Dn发射的二次电子被阳 极A收集。若倍增电极有n级，各级的倍增率为，则光 电倍增管的倍增率可以认为是n，因此，光电倍增管有 极高的灵敏度。在输出电流小于1mA的情况下，它的光电特性在很宽的 范围内具有良好的线性关系。光电倍增管的这个特点， 使它多用于微光测量。若将灵敏检流计串接在阳

11、极回路 中，则可直接测量阳极输出电流。若在阳极串接电阻 RL作为负载，则可测量RL两端的电压，此电压正比于 阳极电流。 图4.3.4 光电倍增管的基本电路 图4.3.4所示为光电倍增管的基本电路。各倍增极的电压是用分 压电阻R1、R2、Rn获得的，阳极电流流经负载电阻RL得到 输出电压U0。当用于测量稳定的辐射通量时，图中虚线连接的电 容C1、C2、Cn和输出隔离电容Ca都可以省去。这时电路往 往将电源正端接地，并且输出可以直接与放大器输入端连接，从 而使它能够响应变化缓慢的入射光通量。但当入射光通量为脉冲 通量时，则应将电源的负端接地，因为光电倍增管的阴极接地比 阳极接地有更低的噪声，此时输

12、出端应接人隔离电容，同时各倍 增极的并联电容亦应接人，以稳定脉冲工作时的各级工作电压， 稳定增益并防止饱和。 与测量有关的两个参数：(1) 暗电流光电倍增管接上工作电压后，在没有光照的情况下阳极仍会有一 个很小的电流输出，此电流即称为暗电流。光电倍增管在工作时 ，其阳极输出电流由暗电流和信号电流两部分组成。当信号电流 比较大时，暗电流的影响可以忽略，但是当光信号非常弱，以至 于阳极信号电流很小甚至和暗电流在同一数量级时，暗电流将严 重影响对光信号测量的准确性。所以暗电流的存在决定了光电倍 增管可测量光信号的最小值。一只好的光电倍增管，要求其暗电 流小并且稳定。(2) 光谱响应特征光电倍增管对不

13、同波长的光入射的响应能力是不相同的，这一特性 可用光谱响应率表示。在给定波长的单位辐射功率照射下所产生 的阳极电流大小称为光电倍增管的绝对光谱响应率，表示为(4.4)式中，P()为入射到光阴极上的单色辐射功率；I()是在该辐射 功率照射下所产生的阳极电流；S()是波长的函数，它与波长 的关系曲线称为光电倍增管的绝对光谱响应曲线。测量S()十分复杂，因此在一般测量中都是测 量它的相对值。为此，可以把S()中的最大值 当作一个单位对所有S()值进行归一化，这时 就得到(4.5)s()称为光电倍增管的相对光谱响应率，它 与波长的关系曲线称为光电倍增管的相对光谱 响应曲线。s()1，是一个无量纲的量，

14、只 表示光电倍增管的光谱响应特征。一、光敏电阻n光敏电阻是光电导型器件。n光敏电阻材料：主要是硅、锗和化合物半导体，例如 ：硫化镉（CdS），锑化铟（InSb）等。n特点： 光谱响应范围宽（特别是对于红光和红外辐射）； 偏置电压低，工作电流大； 动态范围宽，既可测强光，也可测弱光； 光电导增益大，灵敏度高； 无极性，使用方便； 在强光照射下，光电线性度较差 光电驰豫时间较长，频率特性较差。光敏电阻 (LDR) 和它的符号：符号1. 光敏电阻的工作原理n光敏电阻结构：在一块均匀光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内

15、。（如图）n工作机理：当入射光子使半导体中的电子由价带跃迁到导带时，导带中的电子和价带中的空穴均参与导电，其阻值急剧减小，电导增加。入射光返回本征型和杂质型光敏电阻n本征型光敏电阻：当入射光子的 能量等于或大于半导体材料的禁 带宽度Eg时，激发一个电子 空穴对，在外电场的作用下，形 成光电流。n杂质型光敏电阻：对于型半导 体，当入射光子的能量等于或大 于杂质电离能时，将施主能 级上的电子激发到导带而成为导 电电子，在外电场的作用下，形 成光电流。n本征型用于可见光长波段,杂质 型用于红外波段。价带导带电子空穴Eg价带导带电子空穴施主光电导与光电流n光敏电阻两端加电压（直流或交流）无光照 时，阻

16、值（暗电阻）很大，电流（暗电流）很 小；光照时，光生载流子迅速增加，阻值（亮 电阻）急剧减少在外场作用下，光生载流子 沿一定方向运动，形成光电流（亮电流）。n光电流：亮电流和暗电流之差；I光 = IL - Idn光电导：亮电导和暗电导之差；g = gL - gdn光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小 越好，也就是说暗电流要小，亮电流要 大，这样光敏电阻的灵敏度就高。n光电流与光照强度电阻结构的关系。光敏电阻的工作特性n光电特性n伏安特性n时间响应和频率特性n温度特性n光电特性：光电流与入射光照度的关系：(1)弱光时，=1，光电流与照度成线性关系(2)强光时， =0.5，光电流与照度成抛物线光照增强的同时，载流子浓度不断的增加，同时光敏 电阻的温度也在升高，从而导致载流子运动加剧，因 此复合几率也增大，光电流呈饱和趋势。（冷却可以 改善） 光