光輻射探測(cè)器課件

第二章光輻射探測(cè)器本章主要內(nèi)容簡(jiǎn)介光電探測(cè)器的噪聲光電探測(cè)器的特征參數(shù)光電子發(fā)射探測(cè)器光電導(dǎo)探測(cè)器光伏型探測(cè)器熱探測(cè)器其他探測(cè)器第一節(jié)簡(jiǎn)介光輻射探測(cè)器的作用不同的輻射頻率具有不同的輻射探測(cè)器光輻射探測(cè)器所探測(cè)的頻段光輻射探測(cè)器的噪聲第二節(jié)光輻射探測(cè)器的噪聲特性散粒噪聲熱噪聲產(chǎn)生-復(fù)合噪聲（g-r噪聲）溫度噪聲低頻噪聲（1/f噪聲、電流噪聲、閃爍噪聲等）一、散粒噪聲

散粒噪聲：由于隨機(jī)起伏是一個(gè)一個(gè)的帶電粒子或電子引起的

光探測(cè)器的散粒噪聲：是由于光探測(cè)器在光輻射作用或熱激發(fā)下，光電子或載流子隨機(jī)產(chǎn)生所造成的散粒噪聲的功率譜密度：散粒噪聲的特點(diǎn)：散粒噪聲的功率譜密度與探測(cè)器工作頻率無(wú)關(guān)，具有白噪聲的頻譜特性。探測(cè)器的散粒噪聲：探測(cè)器暗電流的散粒噪聲：探測(cè)器信號(hào)光的散粒噪聲：探測(cè)器背景光的散粒噪聲：二、熱噪聲熱噪聲是由耗散元件中電荷載流子的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)引起的，一般指純電阻產(chǎn)生的噪聲，也指探測(cè)器的內(nèi)阻產(chǎn)生的噪聲。熱噪聲的特點(diǎn)是白噪聲，噪聲功率譜密度函數(shù)與頻率無(wú)關(guān)，只與溫度和電阻有關(guān)。三、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲產(chǎn)生-復(fù)合噪聲：半導(dǎo)體中由于載流子產(chǎn)生與復(fù)合的隨機(jī)性而引起的平均載流子濃度的起伏所產(chǎn)生的噪聲稱，又稱g-r噪聲G：探測(cè)器的內(nèi)部增益，是載流子的平均壽命與載流子的渡越時(shí)間的比值產(chǎn)生-復(fù)合噪聲的特點(diǎn)：產(chǎn)生-復(fù)合噪聲的功率譜密度與探測(cè)器工作頻率無(wú)關(guān)，具有白噪聲的頻譜特性。產(chǎn)生-復(fù)合噪聲：暗電流的產(chǎn)生-復(fù)合噪聲：信號(hào)光的產(chǎn)生-復(fù)合噪聲：背景光的產(chǎn)生-復(fù)合噪聲：四、溫度噪聲溫度起伏引起的熱探測(cè)器輸出起伏稱為溫度噪聲溫度噪聲的特點(diǎn)是白噪聲，噪聲功率譜密度函數(shù)與頻率無(wú)關(guān)，只與溫度和熱導(dǎo)率有關(guān)。五、低頻噪聲電流噪聲、1/f噪聲、閃爍噪聲、過(guò)剩噪聲電流噪聲的均方值可用經(jīng)驗(yàn)公式表示為

Kf為比例系數(shù)，與探測(cè)器制造工藝、電極接觸情況、半導(dǎo)體表面狀態(tài)及器件尺寸有關(guān)；

a為與器件材料有關(guān)的常數(shù)，通常在0.8～1.3之間，大多數(shù)材料可近似取為1；

b與器件流過(guò)的電流I有關(guān)，通常取值為2；低頻噪聲的特點(diǎn)：電流噪聲主要出現(xiàn)在1kHz以下的低頻區(qū)。工作頻率大于1kHz后，與其它噪聲相比這種噪聲可忽略不計(jì)。在實(shí)際使用中采用較高的調(diào)制頻率可避免或大大減小電流噪聲的影響。第三節(jié)光電探測(cè)器的特征參數(shù)探測(cè)靈敏度量子效率等效噪聲功率探測(cè)率和比探測(cè)率響應(yīng)光譜響應(yīng)時(shí)間其他特征參數(shù)一、響應(yīng)靈敏度（響應(yīng)率）光探測(cè)器的響應(yīng)靈敏度定義為光探測(cè)器的輸出均方根電壓Vs或電流與入射到光探測(cè)器上的平均光功率之比，Rv＝Vs/P（V/W）RI＝Is/P（A/W）單色靈敏度：積分靈敏度為：響應(yīng)靈敏度的測(cè)量要求：由于測(cè)量響應(yīng)率Rv時(shí)是不考慮噪聲大小的，而測(cè)量帶寬與噪聲電壓有關(guān)，因此，對(duì)于響應(yīng)率可不注明測(cè)量帶寬。此外，只要調(diào)制頻率fm滿足

響應(yīng)率與fm無(wú)關(guān)（為光探測(cè)器的時(shí)間常數(shù)），所以調(diào)制頻率也可不予注明。二、量子效率量子效率定義為單位時(shí)間產(chǎn)生的光電子數(shù)與單位時(shí)間入射的光子數(shù)之比。量子效率與波長(zhǎng)有關(guān)P：入射的平均光功率Ip：光探測(cè)器中產(chǎn)生的平均光流P/h：每秒入射到光探測(cè)器表面的光子數(shù)Ip/e：?jiǎn)挝粫r(shí)間被入射光子激勵(lì)的光電子數(shù)其中：e是電子電荷，是入射光波長(zhǎng)，c是光速三、等效噪聲功率光探測(cè)器輸出的信號(hào)電壓均方根值等于光探測(cè)器本身的噪聲電壓均方根值時(shí)，入射到光探測(cè)器上的信號(hào)光功率均方根值就稱為噪聲等效功率，簡(jiǎn)寫(xiě)為NEP（W/Hz1/2）

I：是入射到光探測(cè)器上的光強(qiáng)，Ad：是探測(cè)器的光敏面積，P：是入射到光探測(cè)器上的信號(hào)光功率均方根值，Vs：是光探測(cè)器輸出的信號(hào)電壓均方根值，VN：是光探測(cè)器的噪聲電壓均方根值。四、探測(cè)率和比探測(cè)率探測(cè)率D定義為NEP的倒數(shù)，這是一個(gè)習(xí)慣問(wèn)題實(shí)驗(yàn)測(cè)量和理論分析表明，對(duì)于許多類型的光探測(cè)器來(lái)說(shuō):噪聲電壓與測(cè)量帶寬的平方根成正比噪聲電壓VN與光探測(cè)器光敏面積Ad的平方根成正比比探測(cè)率與探測(cè)器的光敏面積和測(cè)量帶寬無(wú)關(guān)五、響應(yīng)光譜光電探測(cè)器的光譜響應(yīng)是指探測(cè)器的響應(yīng)靈敏度、量子效率、比探測(cè)率等特性參數(shù)與入射光輻射波長(zhǎng)有關(guān)。通常把響應(yīng)量（探測(cè)器的響應(yīng)率、量子效率、比探測(cè)率等隨波長(zhǎng)變化的函數(shù)）下降到50％或半功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，稱為探測(cè)器的截止波長(zhǎng)，分為長(zhǎng)波截止波長(zhǎng)和短波截止波長(zhǎng)。響應(yīng)量最大的峰值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為峰值波長(zhǎng)。六、響應(yīng)時(shí)間（響應(yīng)帶寬、響應(yīng)頻率）

響應(yīng)時(shí)間：描述光探測(cè)器對(duì)入射光輻射響應(yīng)快慢的一個(gè)特征參數(shù)。它是指光探測(cè)器將入射光輻射轉(zhuǎn)換為電輸出的弛豫時(shí)間。

光探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間或時(shí)間常數(shù)：光探測(cè)器受到光照后其電輸出上升到穩(wěn)定值或遮斷光照后其電輸出下降到光照前的值所需要的時(shí)間。

光探測(cè)器的頻率響應(yīng)：光輻射的波長(zhǎng)保持不變、光探測(cè)器的響應(yīng)量隨入射光輻射的調(diào)制頻率而變化的特性。光探測(cè)器的電壓響應(yīng)率可表示為

Rv(0)是調(diào)制頻率為零時(shí)光探測(cè)器的電壓響應(yīng)率是響應(yīng)時(shí)間。當(dāng)光探測(cè)器的響應(yīng)降到零頻初始值的0.707時(shí)，光探測(cè)器的頻響帶寬為光探測(cè)器的響應(yīng)率、比探測(cè)率及噪聲隨溫度而變化的特性。光探測(cè)器的噪聲電壓VN隨調(diào)制頻率而變化的特性。光探測(cè)器的阻抗隨溫度變化而變化的特性。光電探測(cè)器的工作溫度范圍。光探測(cè)器的最佳偏置條件。七、其他特征參數(shù)第四節(jié)光電子發(fā)射器件（外光電效應(yīng)）一、原理光電子發(fā)射效應(yīng)或外光電效應(yīng)：在頻率為的光輻射作用下，處于真空或其它介質(zhì)中的物質(zhì)吸收光子能量h后，其電子動(dòng)能增加，在向表面運(yùn)動(dòng)的電子中有一部分電子能量較大，除在途中由于與晶格或其它電子碰撞而損失部分能量外，尚有足夠的能量足以克服物質(zhì)表面的逸出功W

。穿出表面進(jìn)入真空或其它介質(zhì)中。二、光電子發(fā)射器件的噪聲特性光電子發(fā)射器件的噪聲主要是散粒噪聲，包括陰極電流產(chǎn)生的散粒噪聲和各級(jí)倍增極產(chǎn)生的散粒噪聲。三、光電子發(fā)射器件的特征參數(shù)響應(yīng)波長(zhǎng)：紫外——近紅外響應(yīng)時(shí)間：速度快，ns量級(jí)量子效率：高，接近1響應(yīng)靈敏度：高比探測(cè)率：高四、光電子發(fā)射實(shí)用器件光電管（強(qiáng)流管）充氣光電管光電倍增管微通道板光電倍增管的特點(diǎn)：真空光電管的伏安特性充氣光電管的伏安特性光電管結(jié)構(gòu)光電陰極——光電倍增極——陽(yáng)極 倍增極上涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料，并且電位逐級(jí)升高 陰極發(fā)射的光電子以高速射到倍增極上，引起二次電子發(fā)射 二次電子發(fā)射系數(shù)σ=二次發(fā)射電子樹(shù)／入射電子數(shù) 若倍增極有n，則倍增率為σn光電倍增管結(jié)構(gòu)微通道板的特點(diǎn)：微通道板的核心是一塊由許多外徑僅100m左右的細(xì)空心玻璃纖維縱向緊密排列而成的薄片微通道管的材料一般選用含鉛、鉍等重金屬材料的硅酸鹽玻璃管具有半導(dǎo)體的電阻率（109-1011/cm）和較高的二次發(fā)射系數(shù)板的兩個(gè)端面（即微通道管的兩端環(huán)面），用電鍍的方法涂覆一層金屬作為電極，加高壓，可獲得高達(dá)107～108的增益微通道管內(nèi)徑很?。ㄒ话銥?0-40m），管壁半導(dǎo)體厚度約為0.1~1nm，典型相對(duì)口徑值為40~50，微通道板的厚度一般為1~3mm五、光電子發(fā)射實(shí)用檢測(cè)電路第五節(jié)光電導(dǎo)探測(cè)器一、原理半導(dǎo)體材料吸收光輻射而產(chǎn)生光生載流子從而使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。二、噪聲特性散粒噪聲，產(chǎn)生——復(fù)合噪聲，熱噪聲三、性能參數(shù)響應(yīng)波長(zhǎng)：可見(jiàn)——紅外響應(yīng)時(shí)間：速度慢，us量級(jí)，多數(shù)載流子過(guò)程量子效率：一般響應(yīng)靈敏度：高比探測(cè)率：高當(dāng)無(wú)光照時(shí)，光敏電阻值(暗電阻)很大，電路中電流很小當(dāng)有光照時(shí)，光敏電阻值(亮電阻)急劇減少，電流迅速增加光敏電阻結(jié)構(gòu)原理圖

（1）暗電阻光敏電阻在室溫條件下，在全暗后經(jīng)過(guò)一定時(shí)間測(cè)量的電阻值，稱為暗電阻。（2）亮電阻光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻，此時(shí)流過(guò)的電流稱為亮電流。光敏電阻的主要參數(shù)光敏電阻的伏安特性光敏電阻的光譜特性光敏電阻的時(shí)間特性光敏電阻的頻率特性光敏電阻的溫度特性硫化鎘光敏電阻的溫度特性硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性光敏電阻響應(yīng)光譜的溫度特性四、實(shí)用光電導(dǎo)探測(cè)器光電導(dǎo)器件常用材料舉例

適用頻段材料結(jié)晶狀態(tài)禁帶寬度（300K，eV）器件峰值響應(yīng)波長(zhǎng)（m）紫外及可見(jiàn)頻段ZnS多晶、薄膜、單晶～3.60.34CdS多晶薄膜～2.40.51CdSe多晶薄膜～1.80.72Ce單晶～0.671.6Si單晶～1.120.9ZnS-CdS2.4～3.60.34～0.51CdS-CdSe1.8～2.40.51～0.75紅外頻段PdS多晶薄膜0.37～0.21InSb單晶0.186.5InAs單晶0.353.6Hg1-xCdxTe單晶～0.02～1.530.8～4.0Ce:Zn單晶30（4.2K）Ge:Cd單晶10（＜25K）Ge:Cu單晶20（＜20K）Ge:Au單晶5.0（77K）HgCdTe探測(cè)器的能級(jí)間隙（Hg1-xCdxTe）3~5m

的Pc-HgCdTe探測(cè)器性能

工作溫度參數(shù)名稱395K240K（二級(jí)溫差電致冷）195K（四級(jí)溫差電致冷）x值0.26～0.3時(shí)間常數(shù)(s)0.4～4～3探測(cè)率D*(500K，20kHz)(cm·Hz1/2·W-1)（0.5～1）×109＞2×109（0.5～1.4）×1010暗組()＞10＞100～500響應(yīng)率（V·W-1）301500多元器件可以做到幾十元到上百元HgCdTe探測(cè)器的響應(yīng)波長(zhǎng)（液氮溫度）HgCdTe探測(cè)器的響應(yīng)波長(zhǎng)（TEC制冷溫度）

InSb是一種直接帶隙半導(dǎo)體，其帶隙Eg很小，在室溫300K時(shí)，Eg為0.17eV，相應(yīng)的長(zhǎng)波限和峰值響應(yīng)波長(zhǎng)分別為7.5m和6m，比探測(cè)率為2×109cm·Hz1/2/W

當(dāng)用液氮冷卻至77K時(shí)，帶隙增加到0.23eV，相應(yīng)的長(zhǎng)波限為5.4m，比探測(cè)率為6.5×1010cm·Hz1/2/W

InSb光電導(dǎo)探測(cè)器不是靠改變合金組分而是通過(guò)改變器件工作溫度來(lái)改變其光譜響應(yīng)特性的。

InSb材料廣泛用來(lái)制造性能良好的近紅外探測(cè)器，不僅因?yàn)槠鋷遁^小，采用常規(guī)半導(dǎo)體工藝即可得到InSb單晶。但需指出的是這種器件雖可工作于室溫，但噪聲較大，故一般多在低溫下工作。銻化銦光電導(dǎo)探測(cè)器銻化銦光電導(dǎo)探測(cè)器響應(yīng)波長(zhǎng)

器件類型參數(shù)名稱光電導(dǎo)型光伏型光磁電型室

溫低

溫工作溫度（K）2957777298時(shí)間常數(shù)(us)＜11011光譜范圍（um）1～7.51～5.51～5.51～7峰值波長(zhǎng)（um）6～5.655探測(cè)率D*(cm·Hz1/2·W-1)（1～8.5）×108（3～5）×1010（5～20）×1010～103～3.35.5～5～3響應(yīng)率（V·W-2）1104105200阻抗()30～13025×103103～1085～10線性度（W·cm-2）10-3～10-810-3～10-8短路電流密度（uA/mm2）5開(kāi)路電壓（mV）20～150InSb光電導(dǎo)探器典型性能硫化鉛光電導(dǎo)探測(cè)器硫化鉛（PbS）、硒化鉛（PbSe）等是多晶薄膜型光電導(dǎo)探測(cè)器，其統(tǒng)稱為鉛鹽薄膜光電導(dǎo)探測(cè)器。工作溫度：室溫（273~300K）、中溫（143~273K）及低溫（77K）下工作。在室溫下器件的工作波長(zhǎng)在1~5m，PbS探測(cè)器探測(cè)率和響應(yīng)率都很高，價(jià)格低廉、又具有很好的性能，至今仍被廣泛應(yīng)用，并發(fā)展成陣列器件及與硅耦合器件集成在一起的紅外焦平面器件。在室溫條件下，比探測(cè)率可達(dá)1.5×1011cm·Hz1/2/W，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為2.4μm

在195K下，比探測(cè)率可達(dá)1.5×1012cm·Hz1/2/W，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為3μm

PbS薄膜光電導(dǎo)探測(cè)器主要缺點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，一般為100~300μs，低溫下甚至可長(zhǎng)達(dá)幾十毫秒。其截止頻率f3dB只在1kHz量級(jí)，阻抗為0.5~25M。對(duì)于單晶PbS光電導(dǎo)探測(cè)器，在工作溫度為77K時(shí)，其可達(dá)到5×1010cm·Hz1/2/W，響應(yīng)時(shí)間也僅只有幾十微秒，這種器件響應(yīng)率高，響應(yīng)慢，并易于做成大面積器件，是一種較好的近紅外探測(cè)器件。

PbS光電導(dǎo)探測(cè)器是目前1~3μm波段應(yīng)用最廣泛的器件。由于其制備工藝簡(jiǎn)單，成熟，器件響應(yīng)率高，阻抗適中，易于配接前置放大電路，并可在室溫下工作，其可達(dá)到1011cm·Hz1/2/W。此外，該器件價(jià)格低廉，使用方便，所以，PbS光電導(dǎo)探測(cè)器在紅外測(cè)溫、紅外跟蹤、紅外制導(dǎo)、紅外預(yù)警、紅外天文觀測(cè)等領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用。硫化鉛光電導(dǎo)探測(cè)器的響應(yīng)波長(zhǎng)硒化鉛光電導(dǎo)探測(cè)器

PbSe光電導(dǎo)探測(cè)器，其響應(yīng)波段是1~5m

在1~3m范圍，其響應(yīng)速度超過(guò)PbS，但其響應(yīng)率比PbS低，阻抗為0.1~35M。器件的比探測(cè)率，響應(yīng)率，阻值和截止波長(zhǎng)隨工作溫度的降低而增加，是一種很有實(shí)用價(jià)值的光導(dǎo)探測(cè)器。器件工作頻率可達(dá)幾kHz。硒化鉛光電導(dǎo)探測(cè)器的響應(yīng)波長(zhǎng)硫化鎘及硒化鎘光電探測(cè)器用于探測(cè)紅外輻射的典型光電導(dǎo)探測(cè)器，常用的還有對(duì)可見(jiàn)光敏感的硫化鎘（CdS）、硒化鎘（CdSe）等光電導(dǎo)探測(cè)器，通常又稱為光敏電阻。

CdS光敏電阻也有單晶和多晶兩種類型。單晶CdS光敏電阻不僅可工作于可見(jiàn)光范圍，具有較高的靈敏度，而且對(duì)X射線，α、β、γ射線均有響應(yīng)。

CdS光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間，為幾個(gè)毫秒左右，響應(yīng)波長(zhǎng)在0.3~0.52μm之間。CdS器件的光譜響應(yīng)與人眼的光譜響應(yīng)非常接近。多晶CdS光敏電阻的光譜響應(yīng)比單晶CdS光敏電阻的寬，但響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，在光調(diào)制頻率高于1kHz時(shí)就難于使用。

CdSe光敏電阻與CdS相似，光譜響應(yīng)的峰值在0.67μm，響應(yīng)時(shí)間比CdS快。

CdS、CdSe光敏電阻主要的特點(diǎn)是價(jià)格低，可靠性高，壽命長(zhǎng)，使用方便，因而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化及攝影機(jī)的測(cè)光裝置和可見(jiàn)光的探測(cè)。五、光電導(dǎo)探測(cè)器實(shí)用檢測(cè)電路直接耦合輸出測(cè)量電容耦合輸出測(cè)量第六節(jié)光伏型探測(cè)器一、原理利用半導(dǎo)體p-n結(jié)光伏效應(yīng)制作的光探測(cè)器稱為光伏探測(cè)器，或簡(jiǎn)稱PV（Photovoltaic）探測(cè)器。

Iso是反向飽和電流，V是偏置電壓，k是玻耳茲曼常，T是絕對(duì)溫度。在入射光輻射作用下流過(guò)p-n結(jié)的總電流為把光輻射照射無(wú)偏置的p-n結(jié)而產(chǎn)生光生電壓的現(xiàn)象稱為光生伏特（光伏）效應(yīng)。二、噪聲特性散粒噪聲，產(chǎn)生——復(fù)合噪聲，熱噪聲三、性能參數(shù)響應(yīng)波長(zhǎng)：可見(jiàn)——紅外響應(yīng)時(shí)間：速度快，ns量級(jí)，少數(shù)載流子過(guò)程量子效率：較高響應(yīng)靈敏度：高比探測(cè)率：高四、實(shí)用光伏型探測(cè)器光敏二極管：光敏三極管：快速光電二極管PIN：雪崩光電二極管APD：結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，裝在透明玻璃外殼中在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)的光敏二極管光敏晶體管與一般晶體管很相似，具有兩個(gè)pn結(jié)。把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)同時(shí)，又將信號(hào)電流加以放大。（1）光譜特性（2）伏安特性（3）光照特性（4）溫度特性（5）頻率響應(yīng)光敏二極管與光敏三極管基本特性（1）光譜特性入射光的波長(zhǎng)增加時(shí)，相對(duì)靈敏度要下降硅和鍺光敏二極（晶體）管的光譜特性（2）伏安特性硅光敏管的伏安特性硅光敏管的光照特性光敏二極管的光照特性曲線的線性較好（3）光照特性（4）溫度特性其暗電流及光電流與溫度的關(guān)系溫度變化對(duì)光電流影響很小，而對(duì)暗電流影響很大。（5）頻率響應(yīng)具有一定頻率的調(diào)制光照射時(shí)，光敏管輸出的光電流(或負(fù)載上的電壓)隨頻率的變化關(guān)系硅光敏晶體管的頻率響應(yīng)光電池利用半導(dǎo)體的光伏效應(yīng)，直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件，是一個(gè)大面積的pn結(jié)。當(dāng)光照射到pn結(jié)上時(shí)，便在pn結(jié)的兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)(p區(qū)為正，n區(qū)為負(fù))。用導(dǎo)線將pn結(jié)兩端用導(dǎo)線連接起來(lái)，就有電流流過(guò)，電流的方向由P區(qū)流經(jīng)外電路至n區(qū)。若將電路斷開(kāi)，就可以測(cè)出光生電動(dòng)勢(shì)。光電池的基本特性(1)光譜特性(2)光照特性(3)頻率響應(yīng)(4)溫度特性(5)穩(wěn)定性（1）光譜特性光電池對(duì)不同波長(zhǎng)的光，靈敏度是不同的(2)光照特性不同光照度下，光電流和光生電動(dòng)勢(shì)是不同的。短路電流與光照度成線性關(guān)系；開(kāi)路電壓與光照度是非線性的光電池作為測(cè)量元件使用時(shí)，應(yīng)把它當(dāng)作電流源的形式來(lái)使用光電池的短路電流外接負(fù)載電阻相對(duì)于它的內(nèi)阻來(lái)說(shuō)很小情況下的電流值。負(fù)載越小，光電流與照度之間的線性關(guān)系越好，而且線性范圍越寬(3)頻率響應(yīng)指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系硅光電池具有較高的頻率響應(yīng),用于高速計(jì)數(shù)的光電轉(zhuǎn)換

(4)溫度特性開(kāi)路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器的溫度漂移，影響到測(cè)量精度或控制精度等重要指標(biāo)硅光電池的溫度特性(照度1000lx)

(5)穩(wěn)定性當(dāng)光電池密封良好、電極引線可靠、應(yīng)用合理時(shí)，光電池的性能是相當(dāng)穩(wěn)定的硅光電池的性能比硒光電池更穩(wěn)定影響性能和壽命因素：光電池的材料及制造工藝使用環(huán)境條件在PN結(jié)間插入一層非摻雜或輕摻雜半導(dǎo)體材料，以增大耗盡區(qū)寬度w，達(dá)到減小擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的影響，提高響應(yīng)度的要求。由于PN結(jié)中間插入的半導(dǎo)體材料近似為本征半導(dǎo)體(Intrinsic)，因此這種結(jié)構(gòu)稱為PIN光電二極管。I區(qū)高阻抗,電壓基本都落在I區(qū)PIN光電二極管及反偏時(shí)各層的場(chǎng)分布PIN光電二極管InGaAsPIN光電二極管的結(jié)構(gòu)雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)：N區(qū)和P區(qū)：InP，對(duì)>920nm的光透明；I區(qū):InGaAs；

=1300~1600nm

強(qiáng)烈吸收PIN:1個(gè)光子最多產(chǎn)生一對(duì)電子-空穴對(duì),無(wú)增益APD:利用電離碰撞,1個(gè)光子產(chǎn)生多對(duì)電子-空穴對(duì),有增益工作過(guò)程：入射光-------一對(duì)電子-空穴對(duì)(一次光生電流)--------------與晶格碰撞電離---------多對(duì)電子-空穴對(duì)(二次光生電流）吸收外電場(chǎng)加速增加了一個(gè)附加層，倍增區(qū)或增益區(qū)，以實(shí)現(xiàn)碰撞電離產(chǎn)生二次電子－空穴對(duì)。耗盡層仍為I層，起產(chǎn)生一次電子－空穴對(duì)的作用。雪崩光電二極管APD雪崩光電二極管放大倍數(shù)：

VBR：擊穿電壓，n是與p-n結(jié)的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，對(duì)于硅器件，n=1.5~4，對(duì)于鍺器件n=2.5~8過(guò)剩噪聲因子F

在APD中，每個(gè)光生載流子不會(huì)經(jīng)歷相同的倍增過(guò)程，具有隨機(jī)性，這將導(dǎo)致倍增增益的波動(dòng)，這種波動(dòng)是額外的倍增噪聲的主要根源。通常用過(guò)剩噪聲因子F來(lái)表征這種倍增噪聲。F又可近似表為：F＝Mxx被稱為過(guò)剩噪聲指數(shù)。雪崩光電二極管APD的放大倍數(shù)及噪聲參數(shù)符號(hào)單位SiGeInGaAs波長(zhǎng)范圍nm400~1100800~16501100~2600響應(yīng)度RA/W0.4~0.60.4~0.50.75~0.95暗電流IDnA1~1050~5000.5~2.0上升時(shí)間rns0.5~1.00.1~0.50.05~0.5帶寬BGHz0.3~0.70.5~3.01.0~2.0偏置電壓VBV55~105Si、Ge、InGaAs

pin光電二極管的通用工作特性參數(shù)參數(shù)符號(hào)單位SiGeInGaAs波長(zhǎng)范圍nm400~1100800~16501100~2600雪崩增益M——20~40050~20010~40暗電流IDnA0.1~150~50010~50@M=10上升時(shí)間rns0.1~20.5~0.80.1~0.5增益帶寬積M?BGHz100~4002~1020~250偏置電壓VBV150~40020~4020~30Si、Ge、InGaAs

雪崩光電二極管的通用工作特性參數(shù)Ge探測(cè)器的響應(yīng)波長(zhǎng)Ge探測(cè)器的響應(yīng)波長(zhǎng)44所生產(chǎn)的Ge探測(cè)器的響應(yīng)波長(zhǎng)碲鎘汞（HgCdTe），碲錫鉛（PbSnTe）紅外光伏探測(cè)器Hg1-xCdxTe、Pb1-xSnxTe通過(guò)改變x的值，改變響應(yīng)的峰值波長(zhǎng)目前制作的PV-HgCdTe可分別工作于室溫（300K）和液氮溫度（77K），響應(yīng)波長(zhǎng)可以覆蓋1～12um，工作于77K的PV-HgCdTe，其工作波段為8～14um，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為10.6um，是目前探測(cè)CO2激光靈敏度最高、響應(yīng)最快的較理想的光子探測(cè)器。量子效率達(dá)到：0.3~0.4比探測(cè)率達(dá)到：量子效率達(dá)到：0.3~0.4響應(yīng)頻率為：700MHz~1GHz比探測(cè)率達(dá)到：對(duì)于響應(yīng)1～3um，的PV-HgCdTe通常在室溫下工作，其量子效率可達(dá)0.4～0.6，響應(yīng)率為103V/W。

PV-HgCdTe光伏探測(cè)器與普通光電二極管一樣，響應(yīng)時(shí)間主要取決于少數(shù)光生載流子的擴(kuò)散時(shí)間及電路時(shí)間常數(shù)。普通結(jié)構(gòu)的PV-HgCdTe，其響應(yīng)時(shí)間主要取決于電路時(shí)間常數(shù)RLCd。對(duì)于高頻器件，當(dāng)RL＝50時(shí)，響應(yīng)時(shí)間約為5～10ns。碲鎘汞（HgCdTe）光伏探測(cè)器響應(yīng)波長(zhǎng)峰值工作波長(zhǎng)在2.8um碲鎘汞（HgCdTe）光伏探測(cè)器響應(yīng)波長(zhǎng)峰值工作波長(zhǎng)在5um波蘭VIGO公司開(kāi)發(fā)（非制冷）碲鎘汞（HgCdTe）光伏探測(cè)器響應(yīng)特性波蘭VIGO公司開(kāi)發(fā)（TEC2級(jí)制冷）碲鎘汞（HgCdTe）光伏探測(cè)器響應(yīng)特性波蘭VIGO公司開(kāi)發(fā)（帶入射聚光，TEC2級(jí)制冷）碲鎘汞（HgCdTe）光伏探測(cè)器響應(yīng)特性銻化銦（InSb）紅外光伏探測(cè)器

InSb半導(dǎo)體材料在1~5um波段是常用的高靈敏器件。

InSb光電二極管通常工作于77K，比探測(cè)率可達(dá)1011cm·Hz1/2/W（15°視場(chǎng)），比同一溫度下的光電導(dǎo)InSb高一倍。極間電容可到10pF。在3～5um波段內(nèi)InSb是優(yōu)先選用的器件，其響應(yīng)率高，探測(cè)率接近背景極限，性能穩(wěn)定，被廣泛應(yīng)用于紅外跟蹤、制導(dǎo)、測(cè)距、天文觀察、氣體分析和紅外成像等領(lǐng)域。

銻化銦（InSb）紅外光伏探測(cè)器響應(yīng)波長(zhǎng)

InAs半導(dǎo)體材料在1~3.8um波段是常用的高靈敏器件。

InAs光電二極管通常工作于TEC制冷，內(nèi)阻較低，一般為5～800k，最小極間電容可以做到50pF。比探測(cè)率可達(dá)1011cm·Hz1/2/W（15°視場(chǎng)）。其響應(yīng)時(shí)間為1us，比相應(yīng)的光電導(dǎo)器件要好幾倍。砷化銦（InAs）紅外光伏探測(cè)器砷化銦（InAs）紅外光伏探測(cè)器響應(yīng)波長(zhǎng)砷鎵銦（InGaAs）紅外光伏探測(cè)器

InGaAs半導(dǎo)體材料在1.1~2.8um波段是幾年來(lái)發(fā)展較快，且常用的高靈敏器件。尤其是近年來(lái)1.5um光纖通信及2um波段探測(cè)器。

InGaAs光電二極管通常工作于常溫和半導(dǎo)體制冷溫度下。其暗電流小，比探測(cè)率可達(dá)1011cm·Hz1/2/W，響應(yīng)速度快，可達(dá)到1ns以內(nèi)。砷鎵銦（InGaAs）紅外光伏探測(cè)器波長(zhǎng)響應(yīng)砷鎵銦（InGaAs）紅外光伏探測(cè)器波長(zhǎng)響應(yīng)四象限探測(cè)器多色探測(cè)器又稱為多波段探測(cè)器，它是將兩個(gè)以上光譜響應(yīng)不同的探測(cè)器構(gòu)成疊層結(jié)構(gòu)或并列結(jié)構(gòu)。在疊層結(jié)構(gòu)中通常將短波元件放在長(zhǎng)波元件的上面，中間用透明的環(huán)氧樹(shù)脂粘合，或采用同質(zhì)結(jié)/異質(zhì)結(jié)的雙層結(jié)構(gòu)。多色探測(cè)器五、光伏型探測(cè)器實(shí)用檢測(cè)電路一般光敏晶體管測(cè)量電路一般光電池測(cè)量電路光電池連接運(yùn)放測(cè)量電路光電池連接運(yùn)放測(cè)量電路第七節(jié)熱探測(cè)器基于光輻射與物質(zhì)相互作用的熱效應(yīng)制成的器件一、熱釋電探測(cè)器熱釋電效應(yīng)：某些物質(zhì)（例如硫酸三甘肽、鈮酸鋰、鈮酸鍶鋇等晶體）吸收光輻射后將其轉(zhuǎn)換成熱能，這個(gè)熱能使晶體的溫度升高，溫度的變化又改變了晶體晶格的間距，這就引起在居里溫度以下存在的自發(fā)極化強(qiáng)度的變化，從而在晶體的特定方向上引起表面電荷的變化。熱釋電探測(cè)器的特點(diǎn)：具有較大的頻響帶寬，其工作頻率已達(dá)數(shù)十兆赫。熱釋電探測(cè)器的有效時(shí)間常數(shù)低達(dá)10-4～3×10-5；探測(cè)率高，可以有大面積均勻的光敏面，不需偏壓；受環(huán)境溫度變化的影響較?。恢圃烊菀?，強(qiáng)度和可靠性