光辐射的探测技术

光辐射的探测技术
[ 教学目的]
1、掌握光电探测器的物理效应，各种光电探测器的工作原
理，光电探测器的噪声产生的原因和抑制方法。

2、了解光电探测器的性能参数、光敏电阻、硅光电池、光电
二极管的结构和工作原理。

[ 教学重点与难点]
重点：光电探测器的物理效应，各种光电探测器的工作原理难点：光电探测器的性能参数的内涵、各种常见光电探测元件的工作原理。

§1 光电探测器的物理效应
光电探测器——能把光辐射量转换成另一种便于测量的物理量的器件。

一、光子效应和光热效应
1. 光子效应
指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。

探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。

光子能量的大小，直接影响内部电子状态的改变。

特点：光子效应对光波频率表现出选择性，响应速度一般比较快。

2. 光热效应
探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升, 温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。

特点：原则上对光波频率没有选择性，响应速度一般比较慢。

（在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛用于对红外线辐射的探测。

）
二、光电发射效应
在光照下, 物体向表面以外的空间发射电子（即光电子）的现象。

能产生光电发射效应的物体，称为光电发射体，在光电管中又称
为光阴极
爱因斯坦方程：E
k ，一E 「 三、光电导效应
光导现象一一半导体材料的体效应
光辐射照射外加电压的半导体，如果光波长 入满足如下条件:
1 24
(A m)< c (本征) E g (eV)
式中E g
是禁带宽度，E i 是杂质能带宽度。

光子将在其中激发出新的载流子（电子和空穴）。

这就使半导体中 的载流子浓度在原来平衡值上增加了一个量 衍和邙。

这个新增加的部 分在半导体物理中叫非平衡载流子，我们现在称之为光生载流子。

显 然，p 和n 将使半导体的电导增加一个量■ G ,我们称之为光电导。

相 应于本征和杂质半导体就分别称为本征和杂质光电导。

四、光伏效应
光伏现象一一半导体材料的“结”效应
光照零偏pn 结产生开路电压的效应 ----- 光伏效应 ---- 光电池 光照反偏一一光电信号是光电流一一结型光电探测器的工作原
――光电二极管
五、温差电效应
当两种不同的配偶材料（可以是金属或半导体）两端并联熔接时, 如果两截止波长:
■cUm) 1.24 E.(eV) 1.24
E i (eV) （杂质）
导带
禁带
价带 6
本征
导带 施主能级
光照
个接头的温度不同，并联回路中就产生电动势，称为温差电动势。

提高测量灵敏度——若干个热电偶串联起来使用——热电堆
六、热释电效应
热释电材料——电介质——一种结晶对称性很差的压电晶体一—在常态下具有自发电极化（即固有电偶极矩）。

热电体的| P s|决定了面电荷密度6的大小，当R发生变化时，面电荷密度也跟着变化。

|尺|值是温度的函数一一温度升高一一| p S |减小。

升高到Tc值时，自发极化突然消失,T C称为居里温度。

热释电体表面附近的自由电荷对面电荷的中和作用比较缓慢，一般在1〜1000秒量级。

热释电探测器是一种交流或瞬时响应的器件。

七、光电转换定律
光辐射量转换为光电流量的过程光电转换
dQ dt
D ――探测器的光电转换因子
it 」pt
D -
hv 门 dn 电/dn 光
式中：=dt dt ――探测器的量子效率
i （t ）半 P （t ） hv
基本的光电转换定律：
（1） 光电探测器对入射功率有响应，响应量是光电流。

因此，一个 光子探测器可视为一个电流源。

（2） 因为光功率P 正比于光电场的平方，故常常把光电探测器称 为平方律探测器。

或者说，光电探测器本质上一个非线性器件。

§ 2光电探测器的性能参数
一、 积分灵敏度R
灵敏度也常称作响应度，它是光电探测器光电转换特性的量度。

光电流i （或光电压U ）和入射光功率P 之间的关系i=f
（P ）称为探 测器的光电特性。

灵敏度R 定义为这个曲线的斜率：
R -=丄（线性区内） （A/W ） dP P
R u 二理 U （线性区内） （V /W ）
dP P
R ----- 电流灵敏度（积分电流灵敏度）
R U ——电压灵敏度（积分电压灵敏度）
二、 光谱灵敏度R.
R - dP.
相对光谱灵敏度S ':
S R ，/ R ，m
光电探测器和入射光功率的光谱匹配非常重要
三、 频率灵敏度R （响应频率f c 和响应时间）
如果入射光是强度调制的，在其他条件不变下，光电流
i f 将随 调制频率f 的升高而下降，这时的灵敏度称为频率灵敏度 R 。

——探测器的响应时间或时间常数，由材料、结构和外电路决
定:Pt 二 dE dT
二
dn 电
R f
』+（2时3
四、量子效率n
—Ri
e
_ hc R
光谱量子效率：'"e i'
五、通量阈P th和噪声等效功率NEP
通量阈一一探测器所能探测的最小光信号功率
噪声等效功率NE 单位信噪比时的信号光功率
信噪比SNF定义为：
SNR =匕（电流信噪比）
i n
u s
SNR s电压信噪比
U n
六、归一化探测度D*（读作D星）
探测度D:
D =1 / NEP W，
探测器光敏面积A和测量带宽△f对D值影响大
1/2 . 1/2
探测器的噪声功率N尤■■-f——i^ f ——D尤f
1/2 _J /2 探测器的噪声功率N H A ------------ NocA ---------- in犬（A） ---- D犬（A）
定义：
M =D TAT （cm —Hz1/2/W ———归一化探测度给出D值时注明响应波长入、光辐射调制频率f及测量带宽△ f, 即D（入，f, △f）。

七、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、热噪声和低频噪声三类。

§ 3常用光电探测器简介
一、光敏电阻
光电导效应原理（半导体材料的体效应）一一光电导探测器
——光照下改变自身的电阻率（光照愈强，器件自身的电阻愈
小）――光敏电阻（光导管）
本征型光敏电阻一一一般在室温下工作
适用于可见光和近红外辐射探测非本征型光敏电阻——通常在低温条件下工作
常用于中、远红外辐射探测
1.光敏电阻的结构和偏置电路
以CdS光敏电阻为例
电极
CdS
2.工作特性
(1)光敏响应特性
0. 4
0. 2
1—CdS
2—CdSe
3-PbS
0«—
0, 4 0-8
(2)光照特性和伏安特性
光照特性曲线
L22+0 2. 4线性伏安特性
（3）时间响应特性
光敏电阻的响应时间常数是由电流上升时间t r和衰减时间t f表示的。

光敏电阻的响应时间与入射光的照度，所加电压、负载电阻及照
度变化前电阻所经历的时间（称为前历时间）等因素有关。

（4）稳定特性
光敏电阻的阻值随温度变化而变化的变化率，在弱光照和强光照时都较大,而中等光照时，则较小。

例：CdS光敏电阻的温度系数在10lx照度时约为0;照度高于10lx 时，温度系数为正；小于10lx时，温度系数反而为负；照度偏离10lx愈多，温度系数也愈大。

另外，当环境温度在0~ +60 C的范围内时，光敏电阻的响应速度几乎不变；而在低温环境下，光敏电阻的响应速度变慢。

例如，-30 °C 时的响应时间约为+20C时的两倍。

光敏电阻的允许功耗，随着环境温度的升高而降低。

（5）噪声特性
3.几种典型的光敏电阻
（1）CdS和CdSe
低造价、可见光辐射探测器
光电导增益比较高（103〜104）
响应时间比较长（大约50ms）
（2）PbS
近红外辐射探测器
波长响应范围在1〜3.4卩m峰值响应波长为2卩m
内阻（暗阻）大约为1MQ
响应时间约200卩s
(3)InSb
在77k下，噪声性能大大改善
峰值响应波长为5卩m 响应时间短(大约50x 10-9s)
(4)HgCd-x Te 探测器
化合物本征型光电导探测器，它是由HgTe和GdTe两种材料混在一起的固溶体，其禁带宽度随组分x呈线性变化。

当x=0.2时响应波长为8〜14卩m,工作温度77k，用液氮致冷。

4.使用注意事项
(1)用于测光的光源光谱特性必须与光敏电阻的光敏特性匹配
(2)要防止光敏电阻受杂散光的影响；
(3)要防止使光敏电阻的电参数(电压、功耗)超过允许值;
(4)根据不同用途，选用不同特性的光敏电阻。

二、硅光电池——太阳电池
零偏压pn结光伏探测器----- 光伏工作模式------ 光电池
硅光电池的用途：光电探测器件，电源
1.短路电流和开路电压光电池等效电路
短路电流
开路电压--- R=x
单片硅光电池的开路电压约为0.45〜0.6V，短路电流密度约为150 〜300A/mk
测量方法：在一定光功率(例如1kW/m)照射下，使光电池两端开路，用一高内阻直流毫伏表或电位差计接在光电池两端，测量出开
路电压；在同样条件下，将光电池两端用一低内阻(小于 表短接，电流表的示值即为短路电流。

2. 光谱、频率响应及温度特性
光电池的频率特性不太好。

在强光照射或聚光照射情况下，必须考虑光电池的工作温度及散 热措施。

通常Si 光电池使用的温度不允许超过125C 。

三、光电二极管
反偏电压pn 结光伏探测器 ----- 光导工作模式 ----- 光电二极管
1. Si 光电二极管
(1)结构原理 1Q)电流
10 0 10
(2)光谱响应特性和光电灵敏度
(4)频率响应特性
频率特性好，适宜于快速变化的光信号探测。

光电二极管的频率特性响应主要由三个因素决定： (a)光生载流
子在耗尽层附近的扩散时间；(b)光生载流子在耗尽层内的漂移时间； (c)与负载电阻R 并联的结电容C
所决定的电路时间常数。

(4)
2. PIN 硅光电二极管
3.雪崩光电二极管（APD
n ~G« NN N ” / _ / ” 电极
廉护环•
Ec
E v
4.光电三极管
SiOj^
捉护环 ilOOnm 辭口口
pm
电极 光 n
P ff
电圾
⑹(c) E
四、光热探测器
1.热敏电阻
热敏电阻——由Mn Ni、Co Cu氧化物，或Ge Si、InSb等半导体材料做成的电阻器，其阻值随温度而变化。

电阻随温度变化的规律：
L R-.T L T R
式中：'- T= R/（R T）
称为热敏电阻的温度系数，“ 0称为正温度系数，“ ：：：o称为负温度系数。

2.热释电探测器
利用热释电效应制成的探测器称为热释电探测器。

常用热释电材料：硫酸三月甘肽（TGS、铌酸锶钡（SBN、钽酸锂（LT）、钛酸铅陶瓷（PT、、钛酸锆酸铅陶瓷（PZT、等。

SBN在大气中性能稳定，热电系数大，响应速度快（T <1 ns）。

在光通信，雷达技术中有使用前途。