经典课件：光电检测热电探测器

详细描述
光电导探测器在光通信领域中用于光信号的接收和检测，在光谱分析中用于光 谱仪的光电转换，在环境监测中用于气体和液体的成分分析和浓度测量，在生 物医学中用于医疗诊断和生物分子检测等。
02
CHAPTER
光电导探测器的基本结构
半导体材料
光电导探测器的核心是半导体材料，它们能够吸收光子并产生电子-空穴对。常见的 半导体材料包括硅、锗、硫化铅等。
这些半导体材料具有直接带隙结构，使得它们能够有效地吸收特定波长的光子，产 生光生载流子。
半导体材料的性能决定了光电导探测器的响应速度、光谱响应范围和暗电流等关键 参数。
光敏元件
光敏元件是光电导探测器的核心部分 ，它负责吸收光子并转换为电信号。
光敏元件的形状和尺寸对探测器的性 能有重要影响，例如响应速度、光谱 响应范围和探测率等。
未来发展方向与挑战
交叉学科融合
光电导探测器的发展需要与物理、化学、生物等 多学科交叉融合，开拓新的应用领域。
环境适应性
提高光电导探测器的环境适应性，使其能够在恶 劣环境下稳定工作。
降低成本
通过优化工艺和材料，降低光电导探测器的制造 成本，促进其在民用领域的应用。
THANKS
谢谢
光谱响应
描述光电导探测器在不同波长光下的 响应特性，是决定探测器应用范围的 重要参数。
响应时间与恢复时间
响应时间
光电导探测器从接收到光信号到产生可观测电信号的时间间隔，反映了探测器的反应速 度。
恢复时间
探测器在持续光照下，从最大响应状态回到初始状态所需的时间，影响连续测量时的性 能。
温度稳定性与可靠性
03
CHAPTER
光电导探测器的性能参数
响应度与探测率

8
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1 光电效应
光生伏特效应：材料受光照后，光生载流子(电子-空穴对) 在空间分开而产生电位差的现象。
1. 光敏二极管：一个PN结，单向导电
光照
无光照时光敏二极管的反向
电阻很大，反向电流很小，
IP
此时的电流称为暗电流。有光照
PN
射时PN结附近产生光生电
RL
E
子-空穴对，并在反向电压作用
2.2 噪声特性
• 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象。
I i 1
T
i(t )dt
T0
用均方噪声来表示噪声值大小
i(t)2 1 T [i(t) i(t)]2 dt T0
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2.2 噪声特性
折射率分布 光源 纤芯 包层 折射率分布
阶跃型
渐变型
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3 光纤传感器
3. 光纤的传光原理（全反射现象）
纤芯n1 包层n2
空气n0
0
1
1
n1 n0 n1 n2
全反射条件： 1 c arcsinn2 / n1
0
0c
1 ar c si n
n0
n1 2
n22
1 arcsin
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1 光电效应
入
K
射
光
D1
D2
-E R1
R2
Dn-1
……
Dn Rn-1
A
IA
Uo
RL
Rn
入K
射
光
D1

智能化
随着人工智能和机器学习技术的发 展，热辐射探测器将具备自我学习 和自我调整的能力，能够根据环境 变化自动优化探测性能。
热辐射探测器面临的挑战
环境适应性
热辐射探测器在复杂环境中工作 时，需要克服温度、湿度、压力 等多种因素的影响，保证探测的
稳定性。
可靠性
热辐射探测器在长时间工作过程 中，需要保持稳定的性能，防止
灵敏度与选择性
热辐射探测器应具有高灵敏度和良好的 选择性，能够准确探测和区分不同波长
的热辐射。
响应速度
热辐射探测器的响应速度应足够快， 能够实时跟踪和响应热辐射的变化。
稳定性与可靠性
热辐射探测器应能在各种环境条件下 保持稳定性能，并具有较高的可靠性 ，能够长期稳定运行。
尺寸与重量
热辐射探测器的尺寸和重量应尽可能 小，以便于携带和应用。
光纤温度传感器具有抗电磁干扰、耐腐蚀、测量范围广等 优点，常用于石油、化工等领域。
热辐射探测器的性能指标
测量范围
指探测器能够测量的温度范围。
响应时间
指探测器从接收到信号到输出稳定所需的时 间。
精度
指探测器的测量误差。
稳定性
指探测器在长时间使用中的性能稳定性。
03
热辐射探测器的设计与制 造
热辐射探测器的设计原则
气象观测
热辐射探测器用于测量大气温度、湿度和压力等气象参数，为气象预报和气候变化研究提供数据支持 。
环保监测
热辐射探测器可以检测工业废气和排放物的温度，帮助环保部门监控污染源和，热辐射探测器用于火灾预警和监测，通过实时监测建筑物的温度变 化，及时发现火灾隐患并发出警报。
热辐射探测器的种类
光电导型
利用光电导材料吸收光子能量后电导率发生变化 ，从而检测光辐射能量。

光电探测器的应用领域
总结词
光电探测器广泛应用于各种领域，如科学研究、工业 生产、安全监控等。其应用范围涵盖了光谱分析、辐 射监测、激光雷达、光纤通信等众多领域。
详细描述
光电探测器作为一种重要的光电器件，具有广泛的应用 领域。在科学研究领域，光电探测器可用于光谱分析、 辐射监测等实验中，帮助科学家深入了解物质的性质和 行为。在工业生产领域，光电探测器可用于各种自动化 生产线和设备的控制与监测，提高生产效率和产品质量 。此外，在安全监控、激光雷达、光纤通信等领域，光 电探测器也发挥着重要的作用。通过不断的技术创新和 应用拓展，光电探测器的应用前景将更加广阔。
02
薄膜沉积
在衬底上沉积光电探测器的关键薄膜 材料，如半导体材料、金属材料等。
01
封装与测试
将制造完成的光电探测器进行封装和 性能测试，确保其正常工作。
05
03
光刻与刻蚀
通过光刻技术将薄膜材料加工成所需 的结构和图形，然后进行刻蚀以形成 光电探测器的各个部分。
04
掺杂与欧姆接触
对光电探测器的半导体材料进行掺杂 ，并形成欧姆接触，以实现电流的收 集和传输。
光电探测器输出电压与输入光 功率之比，用于衡量光电探测
器的光转换效率。
带宽
光电探测器的响应速度的量度 ，通常以Hz或MHz为单位。
噪声等效功率
在一定的信噪比下，探测器可 检测到的最小光功率。
线性范围
光电探测器输入光功率与输出 电压呈线性关系的范围。
03
光电探测器的制造工艺
制造工艺流程
衬底准备
选择合适的衬底材料，并进行清洗和 加工，为后续制造过程做准备。
光电探测器的发展趋势
高响应速度

光电探测技术是现代光电领域的重要分支，其中光电探测器的的重要指标之一。在设计光机扫描型系统时，必须精心选择探测器的时间常数，确保其短于探测器在瞬时视场上的驻留时间，以保障探测器的响应速度能跟上扫描速度。此外，针对不同的辐射信号检测需求，探测器的响应速度选择也至关重要。例如，在检测连续波激光时，可以使用响应较慢的热电堆作为探头探测器；而在检测脉冲激光时，则必须选用响应速度更快的热释电探测器；若激光脉宽非常窄，甚至需要使用光子探测器进行检测。这些选择策略旨在确保探测器能在各种应用场景中准确、高效地捕捉和分析入射信号，从而充分发挥光电探测技术的优势。

生物医学
光电检测技术在生物医学领域的 应用包括光谱分析、荧光成像、 激光共聚焦显微镜等，有助于疾 病的诊断和治疗。
工业生产
光电检测技术在工业生产中的应 用包括产品质量检测、生产线自 动化控制等，可以提高生产效率 和产品质量。
光电检测技术的发展趋势
智能化
随着人工智能技术的发展，光电检测技术 将逐渐实现智能化，能够自动识别和分类
目标，提高检测精度和效率。
微型化
随着微纳加工技术的发展，光电检测器件 将逐渐微型化，能够应用于更广泛的领域
，如生物医疗、环境监测等。
高光谱成像
高光谱成像技术能够获取目标的多光谱信 息，有助于更准确地分析物质成分和状态 ，是光电检测技术的重要发展方向。
多模态融合
将多种光电检测技术进行融合，实现多模 态信息获取和分析，能够提高检测的准确 性和可靠性。
利用光电检测技术快速读取条形码的设备
详细描述
光电式条形码阅读器通过发射光源和接收装置，快速扫描条形码并将光信号转 换成电信号，实现快速、准确地读取条形码信息。广泛应用于超市、图书馆、 物流等领域，提高信息录入效率和准确性。
光电式指纹识别系统
总结词
利用光电检测技术进行指纹识别的系统
详细描述
光电式指纹识别系统通过发射光源和图像传感器，获取指纹的反射光信号，再转换成电信号进行处理。系统能够 实现高精度、高速度的指纹识别，广泛应用于身份认证、门禁控制等领域，提高安全到探测器表面时，光子与材料中的电子相 互作用，使电子从束缚状态跃迁到导带，形成光生电压或电流，从而实现对光 信号的探测。
03
常见的光伏探测器有硅、锗等。
光子探测器
光子探测器是利用光子效应制成的探测器，主要应用于紫外、可见和近红外波段的探测。

第三章、热电检测器件
★工作的物理过程是，器件吸收入射辐射功率产生温 升，温升引起材料各种有赖于温度的参量的变化，监测其 中一种性能的变化，来探知辐射的存在和强弱。这一过程 比较慢，一般的响应时间多为毫秒级。
★热电探测器件是利用热敏材料吸收入射辐射的总功率产 生温升来工作的，而不是利用某一部分光子的能量，所以各种 波长的辐射对于响应都有贡献。因此，热电探测器件的突出特 点是，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。
为了减小热电偶的响应时间，常把辐射接受面分为若干 块，每块接上一个热电偶，并把这些热电偶串接或并接起来， 这样就成了热电堆。
⑴由半导体材料制成的温差电堆，一般都很脆弱，容易破碎，使用时应避 免振动。 ⑵额定功率小，入射辐射不能很强，它允许的最大辐射通量为几十微瓦， 所以通常都用来测量微瓦以下的辐射通量。 ⑶应避免通过较大的电流，流过热电偶的电流一般在1微安以下，决不能超 过100微安，因而千万不能用万用表来检测热电偶的好坏，否则会烧坏金箔， 损坏热电偶。 ⑷保存时不要使输出端短路，以防因电火花等电磁干扰产生的感应电流烧 毁元件。 ⑸工作时环境温度不宜超过60℃。
热敏电阻按其电阻-温度特性可分为正温度系数热敏电阻 器(PTCR)及负温度系数热敏电阻器(NTCR)。
正温度系数热敏电阻器又细分两类：一类为陶瓷PTC热敏 电阻器（CPTC），在BaTiO3、V2O5、BN等材料中掺入半导化元 素后都可发现PTC效应。目前得到广泛应用的是BaTiO3系PTC热 敏电阻器；第二类是有机高分子PTC热敏电阻器（PPTC），在 聚乙烯高分子材料中掺入碳黑形成PTC效应。
因GQ与材料性质和环境有 关，所以为了使G较小，提高 灵敏度，并使工作稳定，常把 温差电偶或温差电堆放在真空 的外壳里。

精选ppt
4
§2 测辐射热计
利用材料吸收红外辐射后电阻发生变化而制成的红外探测 器叫测辐射热计。
分类：热敏电阻测辐射热计、金属测辐射热计、低温测辐 射热计、超导测辐射热计、复合测辐射热计。
2.1 热敏电阻测辐射热计
1）热敏电阻 热敏电阻的阻值随自身温度的变化而变化。
电阻温度系数：热敏电阻阻值随温度的相对变化率。
aa负温度系数热敏电阻负温度系数热敏电阻ntcntc如金属氧化物半导体如金属氧化物半导体材料温度升高时电阻降低材料温度升高时电阻降低温度特性其中bb正温度系数热敏电阻ptc如钛酸钡结构的化合物金刚石结构的半导体材料温度升高时电阻降低玻封热敏电阻ntc图b片式ntc热敏电阻图c珠状引线ntc热敏电阻22热敏电阻测辐射热计热敏电阻测辐射热计aa结构及工作原理结构及工作原理热敏电阻测辐射热计所采用的热敏材料通常是由热敏电阻测辐射热计所采用的热敏材料通常是由负温度系负温度系数的氧化物半导体数的氧化物半导体做成的晶片结构一般是锰钴和镍氧化物做成的晶片结构一般是锰钴和镍氧化物熔结而成
（1）
热敏电阻吸收红外辐射，引起温升，阻值发生变化，R1上的 焦耳热的改变量为：
PJ
dPJ dR1
dR1 T dT
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（2）
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根据式（1）及
T
1 R
dR dT
,可得
2
P J R L 1 V 0R 1 R 1R R L L 1 1 R R 1 1 T T P JR R L L 1 1 R R 1 1 T T
2.4 测辐射热计焦平面阵列
优点：带宽小，能在一个帧时间内完成积分；成本低。
精选ppt
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熔结而成）。
结构：
窗口

.
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3．电子光学系统
电子光学系统是适当设计的电极结构，使前一级发射出来
的电子尽可能没有散失地落到下一个倍增极上，也就是使下一 级的收集率接近于1；并使前一级各部分发射出来的电子，落 到后一级上所经历的时间尽可能相同，即渡越时间零散最小。
.
7
4．倍增系统
倍增系统是由许多倍增极组成的综合体，每个倍增极都是
倍增极材料大致可分以下四类：
1）含碱复杂面主要是银氧铯和锑铯两种，它们既是灵敏的光 电发射体，也是良好的二次电子发射体。
2）氧化物型，主要是氧化镁。 3）合金型，主要是银镁、铝镁、铜镁、镍镁、铜铍等合金。 4）负电子亲合工作电压不致于过高；热发射小，以便整管的暗电流和噪声小
测试阴极灵敏度时，以阴极为一极，其它倍增极和阳极都 连到一起为另一极，相对于阴极加100～300V直流电压，照射 到光电阴极上的光通量约为10-2～10-5lm。
测试阳极灵敏度时，各倍增极和阳极都加上适当电压，因 为阳极灵敏度是整管参量，与整管所加电压有关，所以必须注 明整管所加电压。
积分灵敏度与测试光源的色温有关，一般用色温为2856K 的白炽钨丝灯（A光源）。(色温：辐射源发射光的颜色与黑体 在某一温度下辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐 射源的色温。)色温不同时即使测试光源的波长范围相同，各单 色光在光谱分布中的组分不同时. ，所得的积分灵敏度也不同。14
侧窗式
端窗式
.
4
1．光窗
光窗分侧窗式和端窗式两种，它是入射光的通道。一般常 用的光窗材料有钠钙玻璃、硼硅玻璃、紫外玻璃、熔凝石英和 氟镁玻璃等。由于光窗对光的吸收与波长有关，波长越短吸收 越多，所以倍增管光谱特性的短波阈值决定于光窗材料。
.

由于热探测器与周围环境之间的热交换存在热流起伏，引 起热探测器的温度在T0附近呈现小的起伏，入射辐射能的起 伏也引起温度的起伏，这种温度起伏构成了的热电探测器的 主要噪声源，称为温度噪声，温度噪声对探测弱辐射信号影 响很大。
光电检测热电探测器
第二节、热电偶与热电堆
测量温度的称为测温热电偶。 测量辐射能的称为辐射热电偶。
光电检测热电探测器
温差电动势的大小和正负与材料的性质有关，用作热电极 的材料应具备如下几方面的条件：
(1)温度测量范围广：温度与热电动势的关系是单值函数，最好 是呈线性关系。 (2)性能稳定：要求在规定的温度测量范围内使用时热电性能稳 定，均匀性和复现性好。 (3)物理化学性能好：要求在规定的温度测量范围内使用时不产 生蒸发现象。有良好的化学稳定性、抗氧化性或抗还原性能。
光电检测热电探测器
★利用热敏材料吸收入射辐射的总功率产生温升 来工作的，所以各种波长的辐射对于响应都有贡献。 因此，热电探测器件的突出特点是，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。
光电检测热电探测器
输出信号的形成有两个阶段：
第一步:按系统的热力学特性来确定入射辐射所 引起的温升，这种分析对各种热电探测器件都适用， 这是共性；
光电检测热电探测器
温差电势形成的物理过程
当冷端开路时，开路电压为:
Voc=M12ΔT
式中，M12为比例系数，称塞贝克常数，也称温差电势率， 单位为V/℃；ΔT为温度增量。
光电检测热电探测器
在负载RL上的压降为：
V LR iR L R LM 1 2TR M i1 R R 2L LG Q1 W 02T 2
第二步:根据温升来确定具体探测器件输出信号 的性能，这是个性。