光辐射的探测技术
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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：EhEk
截止波长：)(24.1)(eVEmc
三、光电导效应
光导现象——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λ满足如下条件：
)()eV(E24.1)m(gc本征
)()(24.1杂质eVEi
式中gE是禁带宽度, iE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n和p。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——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——光电信号是光电流——结型光电探测器的工作原理 ——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——在常态下具有自发电极化(即固有电偶极矩)。
热电体的|sP|决定了面电荷密度s的大小，当sP发生变化时，面电荷密度也跟着变化。
| sP |值是温度的函数——温度升高——| sP |减小。
升高到Tc值时,自发极化突然消失,TC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。 dtdnhvdtdEtP光
dtdnedtdQti电
D——探测器的光电转换因子
tDPti
hveD
式中：dtdndtdn光电——探测器的量子效率
)()(tPhveti
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)(Pfi称为探测器的光电特性。
灵敏度R定义为这个曲线的斜率：
)/()(WAPidPdiRi线性区内
)/()(WVPudPduRu线性区内
Ri——电流灵敏度（积分电流灵敏度）
Ru——电压灵敏度（积分电压灵敏度）
二、光谱灵敏度Rλ
dPiR
相对光谱灵敏度S：
mRRs/
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Rf（响应频率fc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if 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Rf 。
——探测器的响应时间或时间常数，由材料、结构和外电路决定： 20)2(1fRRf
四、量子效率η
iReh
光谱量子效率：iRehc
五、通量阈Pth和噪声等效功率NEP
通量阈——探测器所能探测的最小光信号功率
噪声等效功率NEP——单位信噪比时的信号光功率
信噪比SNR定义为：
电压信噪比电流信噪比nsnsuuSNRiiSNR)(
六、归一化探测度D*(读作D星)
探测度D：
1/1WNEPD
探测器光敏面积A和测量带宽△f对D值影响大
探测器的噪声功率fN——2/1fin——2/1fD
探测器的噪声功率AN——AN——2/1Ain——2/1AD
定义：
WHzcmfADD/2/1——归一化探测度
给出D*值时注明响应波长λ、光辐射调制频率f及测量带宽△f,即D*(λ, 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）——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
2. 工作特性
（1）光敏响应特性
（2）光照特性和伏安特性
光照特性曲线
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rt和衰减时间ft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℃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℃时的响应时间约为+20℃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1～3.4μm，峰值响应波长为2μm
内阻（暗阻）大约为1MΩ
响应时间约200μs （3）InSb
在77k下,噪声性能大大改善
峰值响应波长为5μm
响应时间短（大约50×10-9s）
（4）HgxCd1-xTe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8～14μm,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——RL=0
开路电压——RL=∞
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/m2。
测量方法：在一定光功率（例如1kW/m2）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1Ω）电流表短接，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125℃。
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
