南理工光電檢測(cè)技術(shù)課程02光電檢測(cè)器件課件

光電檢測(cè)器件是利用物質(zhì)的光電效應(yīng)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件。它是光電系統(tǒng)的核心組成部分，在光電系統(tǒng)中的作用是發(fā)現(xiàn)信號(hào)、測(cè)量信號(hào)，并為隨后的應(yīng)用提取某些必要的信息。第二章、光電檢測(cè)器件

熱電探測(cè)器特點(diǎn)：①響應(yīng)波長(zhǎng)無選擇性，它對(duì)從可見光到遠(yuǎn)紅外的各種波長(zhǎng)的輻射同樣敏感。②響應(yīng)慢，吸收輻射產(chǎn)生信號(hào)需要的時(shí)間長(zhǎng)，一般在幾毫秒以上。

光電探測(cè)器特點(diǎn)：①響應(yīng)波長(zhǎng)有選擇性，存在某一截止波長(zhǎng)λ0，超過此波長(zhǎng)，器件沒有響應(yīng)。②響應(yīng)快，一般在納秒到幾百微秒。⑴光譜響應(yīng)度

光電探測(cè)器的輸出電壓或電流與入射到探測(cè)器上的單色輻射通量之比，光譜響應(yīng)度愈大，表示光電探測(cè)器愈靈敏。

⑵積分響應(yīng)度

光電探測(cè)器輸出的電流或電壓與入射總光通量之比稱為積分響應(yīng)度。積分靈敏度表示探測(cè)器對(duì)連續(xù)輻射通量的反應(yīng)程度。2．響應(yīng)時(shí)間

當(dāng)入射輻射到光電探測(cè)器后或入射輻射遮斷后，光電探測(cè)器的輸出上升到穩(wěn)定值或下降到照射前的值所需時(shí)間稱為響應(yīng)時(shí)間。上升時(shí)間和下降時(shí)間5．信噪比(S／N)

它是在負(fù)載電阻上產(chǎn)生的信號(hào)功率與噪聲功率之比，即若用分貝(dB)表示，則為6．噪聲等效功率(NEP)

或稱最小可探測(cè)功率Pmin。

信噪比為1時(shí)，入射到探測(cè)器上的輻射通量。即一、概念題1、光電探測(cè)器的響應(yīng)度（或靈敏度）2、信噪比3、最小可探測(cè)功率二、簡(jiǎn)答題熱電檢測(cè)器件和光電檢測(cè)器件的特點(diǎn)是什么？

光電陰極通常采用逸出功小的光敏材料。當(dāng)光線照射到光敏材料上便有電子逸出，這些電子被具有正電位的陽(yáng)極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，在外電路就產(chǎn)生電流。若在外電路串入一定阻值的電阻，則在該電阻上的電壓降或電路中的電流大小都與光強(qiáng)成函數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。2、工作原理優(yōu)點(diǎn)：光電陰極面積大，靈敏度較高；暗電流小，最低可達(dá)10-14A；光電發(fā)射弛豫過程極短。3、優(yōu)缺點(diǎn)缺點(diǎn)：真空光電管一般體積都比較大、工作電壓高達(dá)百伏到數(shù)百伏、玻殼容易破碎等。目前已基本被固體光電器件所代替。建立在光電效應(yīng)、二次電子發(fā)射和電子光學(xué)理論基礎(chǔ)上的，把微弱入射光轉(zhuǎn)換成光電子，并獲倍增的器件。

光窗分側(cè)窗式和端窗式兩種，它是入射光的通道。由于光窗對(duì)光的吸收與波長(zhǎng)有關(guān)，波長(zhǎng)越短吸收越多，所以倍增管光譜特性的短波閾值決定于光窗材料。1．光入射窗側(cè)窗式端窗式2．光電陰極

光電陰極由光電發(fā)射材料制作。光電發(fā)射材料大體可分為三類：純金屬材料、表面吸附一層其他元素原子的金屬和半導(dǎo)體材料。⑴光射入物體后，物體中的電子吸收光子能量，從基態(tài)躍遷到能量高于真空能級(jí)（真空中靜止電子能量）的激發(fā)態(tài)。⑵受激電子從受激地點(diǎn)出發(fā)，在向表面運(yùn)動(dòng)過程中免不了要同其它電子或晶格發(fā)生碰撞，而失去一部分能量。⑶達(dá)到表面的電子，如果仍有足夠的能量足以克服表面勢(shì)壘對(duì)電子的束縛（即逸出功）時(shí)，即可從表面逸出。光電發(fā)射大致可分三個(gè)過程：★金屬吸收效率很低；★金屬中光電子逸出深度很淺，只有幾納米；★金屬逸出功大多為大于3eV，對(duì)λ>410nm的可見光來說，很難產(chǎn)生光電發(fā)射，量子效率低；金屬材料是否滿足良好的光電發(fā)射材料的條件？半導(dǎo)體材料是否滿足良好的光電發(fā)射材料的條件？★光吸收系數(shù)比金屬大；★體內(nèi)自由電子少，散射能量變小——故量子效率比金屬大；★光發(fā)射波長(zhǎng)延伸至可見光、近紅外波段?！?0年代后期，發(fā)展了負(fù)電子親和勢(shì)（NEA）光電陰極，長(zhǎng)波可至1.6μm。

(1)使光電陰極發(fā)射的光電子盡可能全部會(huì)聚到第一倍增極上，而將其他部分的雜散電子散射掉，提高信噪比；(2)使陰極面上各處發(fā)射的光電子在電子光學(xué)系統(tǒng)中有盡可能相等的渡越時(shí)間，以保證光電倍增管的快速響應(yīng)。光電陰極聚焦極3．電子光學(xué)系統(tǒng)

陽(yáng)極是采用金屬網(wǎng)作的柵網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，把它置于靠近最末一級(jí)倍增極附近，用來收集最末一級(jí)倍增極發(fā)射出來的電子。光入射窗口光電陰極電子光學(xué)輸入系統(tǒng)二次發(fā)射電子倍增器陽(yáng)極5．陽(yáng)極1、光子透過入射窗入射到光電陰極K上。2、光電陰極的電子受光子激發(fā)，離開表面發(fā)射到真空中。3、光電子通過電場(chǎng)加速和電子光學(xué)系統(tǒng)聚焦入射到第一倍增極D1上，倍增極發(fā)射出比入射電子數(shù)目更多的二次電子。入射電子經(jīng)N級(jí)倍增后，光電子就放大N次。4、經(jīng)過倍增后的二次電子由陽(yáng)極a收集起來，形成陽(yáng)極光電流，在負(fù)載RL上產(chǎn)生信號(hào)電壓。㈡、基本特性參數(shù)1．光譜響應(yīng)度

PMT的光譜響應(yīng)曲線與光電陰極的相同，主要取決于光電陰極材料的性質(zhì)。4.伏安特性

光電倍增管的伏安特性曲線分為陰極伏安特性曲線與陽(yáng)極伏安特性曲線。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，一般使用陽(yáng)極伏安特性曲線來進(jìn)行負(fù)載電阻、輸出電流、輸出電壓的計(jì)算。

5.頻率響應(yīng)

由于PMT是光電發(fā)射型器件，而光電發(fā)射的延遲時(shí)間≤3×10－13S，所以PMT有很高的頻率響應(yīng)。6.噪聲

主要來源是光電陰極、光電發(fā)射的隨機(jī)性和各倍增極二次電子發(fā)射的隨機(jī)性，同時(shí)也與背景光或信號(hào)光中的直流分量有關(guān)。㈢、PMT的供電電路倍增管各電極要求直流供電，從陰極開始至各級(jí)的電壓要依次升高，一般多采用電阻鏈分壓辦法來供電。一般情況下，各級(jí)間電壓均相等，約80～100V，總電壓約1000～1300V。

對(duì)電源電壓穩(wěn)定性要求較高。如果電源電壓不穩(wěn)，會(huì)引起許多參量的變化，特別是電流增益變化，從而直接影響輸出特性。目前已有光電倍增管專用的電源穩(wěn)壓塊。1)電源電壓穩(wěn)定性的要求

電源電壓的變化和放大倍數(shù)變化的關(guān)系為：

因倍增管中的電流與電阻鏈中的電流是并聯(lián)關(guān)系，要保證各級(jí)電壓穩(wěn)定，要求流過電阻鏈的電流IR至少要比陽(yáng)極電流Ia大20倍以上。一般說，IR越大，對(duì)穩(wěn)定極間電壓UD越有利。但I(xiàn)R也不能太大，因?yàn)镮R太大會(huì)增大電阻的功耗，加重電源負(fù)擔(dān)。當(dāng)UD給定后，分壓電阻R的最大值應(yīng)取決于陽(yáng)極的最大平均電流，R最小值應(yīng)取決于高壓電源輸出的功率。一般常用分壓器的阻值選擇范圍為20～500KΩ2)電阻鏈分壓電阻的確定

倍增管的輸出電流主要是來自于最后幾級(jí)，探測(cè)脈沖光時(shí)，為了不使陽(yáng)極脈動(dòng)電流引起極間電壓發(fā)生大的變化，常在最后幾級(jí)的分壓電阻上并聯(lián)電容器。3)并聯(lián)電容的確定

倍增管供電電路與其后續(xù)信號(hào)處理電路必須要有一個(gè)共用的參考電位，即接地點(diǎn)。倍增管的接地方式有兩種，即陰極接地或陽(yáng)極接地。

4)接地方式陰極接地陽(yáng)極接地優(yōu)點(diǎn)：便于屏蔽，光、磁、電的屏蔽罩可以跟陰極靠得近些，屏蔽效果好；暗電流小，噪聲低。

缺點(diǎn)：但這時(shí)陽(yáng)極要處于正高壓，會(huì)導(dǎo)致寄生電容大，匹配電纜連接復(fù)雜，特別是后面若接直流放大器，整個(gè)放大器都處于高電壓，不利于安全操作；如果后面接交流放大器，則必須接一個(gè)耐壓很高的隔直電容器，而一般耐壓很高的電容器體積大而且價(jià)格高。

陰極接地的特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：便于跟后面的放大器相接，操作安全，后面不僅可以通過一個(gè)低壓耦合電容與交流放大器相接，也可以直接與直流放大器相接。缺點(diǎn)：但這時(shí)陰極要處于負(fù)高壓，屏蔽罩不能跟陰極靠得很近，至少要間隔1～2cm，因此屏蔽效果差一些，暗電流和噪聲都比陰極接地時(shí)大，而且整個(gè)倍增管裝置的體積也要大些。陽(yáng)極接地的特點(diǎn)

使用前應(yīng)了解器件的特性。真空光電器件的共同特點(diǎn)是靈敏度高、惰性小、供電電壓高、采用玻璃外殼、抗震性差。

使用時(shí)不宜用強(qiáng)光照。光照過強(qiáng)時(shí)，光電線性會(huì)變差而且容易使光電陰極疲勞（輕度疲勞經(jīng)一段時(shí)間可恢復(fù)，重度疲勞不能恢復(fù)），縮短壽命。

工作電流不宜過大。工作電流大時(shí)會(huì)燒毀陰極面，或使倍增級(jí)二次電子發(fā)射系數(shù)下降，增益降低，光電線性變差，縮短壽命。

用來測(cè)量交變光時(shí)，負(fù)載電阻不宜很大，因?yàn)樨?fù)載電阻和管子的等效電容一起構(gòu)成電路的時(shí)間常數(shù)，若負(fù)載電阻較大，時(shí)間常數(shù)就變大，頻帶將變窄。6）使用注意事項(xiàng)一、簡(jiǎn)答題1、光電倍增管的基本結(jié)構(gòu)與工作原理是什么？2、光電倍增管的供電電路注意哪些問題？二、文獻(xiàn)檢索（電子作業(yè)發(fā)至wlty21@）什么是負(fù)電子親和勢(shì)（NEA）光電陰極？原理？一、光敏電阻第三節(jié)、半導(dǎo)體光電檢測(cè)器件

本征型半導(dǎo)體光敏電阻、摻雜型半導(dǎo)體光敏電阻當(dāng)入射光子使電子由價(jià)帶越升到導(dǎo)帶時(shí)，導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴均參與導(dǎo)電，因此電阻顯著減小，電導(dǎo)增加。若連接電源和負(fù)載電阻，即可輸出電信號(hào)。

優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，工作電流大（達(dá)數(shù)毫安），光譜響應(yīng)范圍寬，所測(cè)光強(qiáng)范圍寬，，無極性之分。

缺點(diǎn)：響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，頻率特性差，強(qiáng)光線性差，受溫度影響大。主要用于紅外的弱光探測(cè)與開關(guān)控制。

路燈自動(dòng)點(diǎn)熄原理圖如圖所示，分析它的工作原理。

★它是利用光生伏特效應(yīng)制成的將光能轉(zhuǎn)換成電能的器件。它是一種不需加偏壓就能把光能直接轉(zhuǎn)換成電能P-N結(jié)光電器件。

★按用途可分成太陽(yáng)能光電池和光電檢測(cè)光電池。二、光電池在P（N）型硅作基底，然后在基底上擴(kuò)散N（P）型半導(dǎo)體作為受光面。構(gòu)成P-N結(jié)后，再經(jīng)過各種工藝處理，分別在基底和光敏面上制作輸出電極，涂上二氧化硅作保護(hù)膜，即成光電池。當(dāng)光照到PN結(jié)表面時(shí)，如果光子能量足夠大，就將在PN結(jié)附近激發(fā)電子－空穴對(duì)，在PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)作用下，N區(qū)的光生空穴拉向P區(qū)，P區(qū)的光生電子拉向N區(qū)，結(jié)果在N區(qū)聚集了電子，P區(qū)聚集了空穴，這樣在N區(qū)和P區(qū)之間產(chǎn)生了電勢(shì)差。光電檢測(cè)光電池具有光敏面積大，頻率響應(yīng)高，光電流隨照度線性變化。太陽(yáng)能光電池耐輻射，轉(zhuǎn)換效率高，成本低，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、可靠性高、壽命長(zhǎng)，在空間能直接利用太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能的特點(diǎn)。符號(hào)連接電路等效電路三、光敏二極管共同點(diǎn)：一個(gè)PN結(jié)，單向?qū)щ娦圆煌c(diǎn)：⑴受光面大，PN結(jié)面積更大，PN結(jié)深度較淺；⑵表面有防反射的SiO2保護(hù)層；⑶外加負(fù)偏壓；與普通二極管相比:共同點(diǎn)：均為一個(gè)PN結(jié)，利用光生伏特效應(yīng)，SiO2保護(hù)膜；不同點(diǎn)：⑴結(jié)面積比光電池的小，頻率特性好；⑵光生電勢(shì)與光電池相同，但電流比光電池?。虎强稍诹闫珘合鹿ぷ?，更常在反偏壓下工作；與光電池相比：⑴無光照時(shí)，只有熱效應(yīng)引起的暗電流流過PN結(jié)；⑵光照時(shí)，產(chǎn)生附加的光生載流子，使流過PN結(jié)的電流驟增；反向電壓增加了耗盡層的寬度和結(jié)電場(chǎng)，使更多的光生載流子流過PN結(jié)。

a)不加外電源

b)加反向外電源

c)2DU環(huán)極接法環(huán)極接法的作用：克制由于SiO2保護(hù)膜中的雜質(zhì)正離子靜電感應(yīng)。⑴光譜響應(yīng)⑵光照特性

★隨著入射光功率的變強(qiáng)，則同一反向電壓下的光電流也變大?！锶肷涔夤β什蛔儠r(shí)，反向電壓加到某一電壓后，光電流幾乎不隨反向電壓的變化而變化。⑶頻率響應(yīng)①光生載流子在薄層中的擴(kuò)散時(shí)間及PN結(jié)中的漂移時(shí)間（載流子的渡越時(shí)間）；②結(jié)電容和雜散電容（RC時(shí)間常數(shù)）；它是半導(dǎo)體光電器件中頻率響應(yīng)最好的器件之一，頻率響應(yīng)與下列因素有關(guān)：★無論是光生載流子向結(jié)區(qū)擴(kuò)散，還是結(jié)電場(chǎng)中載流子的漂移，它們都有一定的馳豫時(shí)間，這個(gè)馳豫時(shí)間影響光敏器件的頻率響應(yīng)。對(duì)于擴(kuò)散型二極管主要馳豫時(shí)間為光生載流子向結(jié)區(qū)擴(kuò)散時(shí)間。對(duì)于耗盡層型二極管主要馳豫時(shí)間為光生少子在結(jié)區(qū)的漂移時(shí)間。

★對(duì)于不同波長(zhǎng)的光，器件也有不同的頻率響應(yīng)。波長(zhǎng)越長(zhǎng)的光在較深處被吸收，產(chǎn)生的少數(shù)載流子遠(yuǎn)離PN結(jié)，需較長(zhǎng)的擴(kuò)散時(shí)間。而較短波長(zhǎng)的光在靠近表面處被吸收，產(chǎn)生的少數(shù)載流子離PN結(jié)很近，擴(kuò)散時(shí)間短。所以耗盡層型優(yōu)于擴(kuò)散型光敏二極管。載流子的渡越時(shí)間⑷溫度特性★由于反向飽和電流對(duì)溫度的強(qiáng)烈依賴性，光敏二極管的暗電流對(duì)溫度的變化非常敏感。按材料硅光敏二極管、鍺光敏二極管、化合物光敏二極管；按結(jié)特性：

PN結(jié)（擴(kuò)散層、耗盡層）、PIN結(jié)、異質(zhì)結(jié)、肖特基勢(shì)壘型及點(diǎn)接觸型；按對(duì)光的響應(yīng)：

紫外、可見光、紅外⑴肖特基結(jié)光敏二極管：光敏面小，勢(shì)壘電容小，響應(yīng)快，但工藝?yán)щy。⑵擴(kuò)散層PN結(jié)光敏二極管：耗盡層厚度小于結(jié)的任一邊的擴(kuò)散長(zhǎng)度，工作區(qū)是結(jié)兩邊的擴(kuò)散區(qū)，光電流主要由擴(kuò)散流引起。⑶耗盡層型PN結(jié)光敏二極管：耗盡層厚度大于結(jié)的任一邊的擴(kuò)散長(zhǎng)度，光電轉(zhuǎn)換主要在耗盡層內(nèi)，光電流主要由漂移電流引起的，有很高的頻率響應(yīng)。幾種常見的光敏二極管⑷PIN管

它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層（相對(duì)）很厚的本征半導(dǎo)體。這樣，PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)就基本上全集中于I層中，從而使PN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小。①這種管子最大的特點(diǎn)是頻帶寬，可達(dá)10GHz。②另一個(gè)特點(diǎn)是，線性輸出范圍寬。③所不足的是，I層電阻很大，管子的輸出電流小，一般多為零點(diǎn)幾微安至數(shù)微安。目前有將PIN管與前置運(yùn)算放大器集成在同一硅片上并封裝于一個(gè)管殼內(nèi)的商品出售。⑸雪崩光電二極管

雪崩光電二極管是利用PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來工作的一種二極管。特點(diǎn)：工作電壓很高，約100～200V，接近于反向擊穿電壓。有很高的內(nèi)增益，可達(dá)到幾百。

響應(yīng)速度特別快，帶寬可達(dá)100GHz，是目前響應(yīng)速度最快的一種光電二極管。

缺點(diǎn)：噪聲大。四、光敏三極管特點(diǎn)：光電晶體管的靈敏度比光電二極管高，輸出電流也比光電二極管大，多為毫安級(jí)。缺點(diǎn)：它的光電特性不如光電二極管好，在較強(qiáng)的光照下，光電流與照度不成線性關(guān)系。所以光敏三極管多用來作光電開關(guān)元件或光電邏輯元件。五、陣列式或象限式結(jié)型光電器件利用集成電路技術(shù)使兩個(gè)至幾百個(gè)光電二極管或光電池排成一行，集成在一塊集成電路片子上，即成為陣列式的一維光電器件，也可以使光電二極管或光電池制成象限式的二維光電器件。這兩種器件中，襯底是共用的，而各光敏元都是獨(dú)立的，分別有各自的前極引出線。就目前的應(yīng)用看，兩個(gè)并列的光電二極管或光電池，可用來辨別光點(diǎn)移動(dòng)的方向。2～4個(gè)并列的光敏元，可用來收集光點(diǎn)移動(dòng)的相位信息。幾十個(gè)至幾百個(gè)或更多并列的光敏元，可用來攝取光學(xué)圖象或用作空間頻譜分析。象限式光電器件可用來確定光點(diǎn)在二維平面上的位置坐標(biāo)。多用于準(zhǔn)直、定位、跟蹤或頻譜分析等方面。這種器件的特點(diǎn)是，光敏元件密集度大，總尺寸小，容易作到各單元多數(shù)一致，便于信號(hào)處理。六、光電位置探測(cè)器（PSD）PSD是利用離子注入技術(shù)制成的一種可確定光的能量中心位置的結(jié)型光電器件，有一維的和二維的兩種。當(dāng)入射光是一個(gè)小光斑，照射到光敏面時(shí)，其輸出則與光的能量中心位置有關(guān)。這種器件和象限光電器件比較，其特點(diǎn)是，它對(duì)光斑的形狀無嚴(yán)格要求，光敏面上無象限分隔線，對(duì)光斑位置可連續(xù)測(cè)量。七、光電開關(guān)與光電耦合器光電開關(guān)和光電耦合器都是由發(fā)光端和受光端組成的組合件。光電開關(guān)不封閉，發(fā)光端與受光端之間可以插入調(diào)制板。光電耦合器則是把發(fā)光元件與受光元件都封閉在一個(gè)不透光的管殼內(nèi)。光電開關(guān)光電耦合器光電開關(guān)的發(fā)光端與受光端彼此獨(dú)立，完全沒有電的聯(lián)系，兩端之間的電阻一般都在1011Ω以上。光電開關(guān)多用于光電計(jì)數(shù)、報(bào)警、安全保護(hù)、無接觸開關(guān)，及各種光電控制等方面。光電耦合器多用于電位隔離、電平匹配、抗干擾電路、邏輯電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、長(zhǎng)線傳輸、過流保護(hù)，及高壓控制等方面。一、接受光信號(hào)的方式⑴光信號(hào)的有無：被測(cè)對(duì)象造成投射到光電器件上的光信號(hào)截?cái)嗷蛲ㄟ^。如光電開關(guān)、光電報(bào)警等。這時(shí)光電器件不考慮線性，而要考慮靈敏度。第四節(jié)、各種光電檢測(cè)器件的性能比較和應(yīng)用選擇⑷光信號(hào)的色度差異：當(dāng)被測(cè)對(duì)象本身光輻射的色溫存在差異或表面顏色變化時(shí)，必須選擇合