光源與光電探測(cè)器ppt(PPT-118)

1、第四章 光源與光電探測(cè)器4.1 光電信息技術(shù)中常用的光源光電信息技術(shù)中常用的光源4.2 光電探測(cè)器的性能參數(shù)與噪聲光電探測(cè)器的性能參數(shù)與噪聲4.3 光子探測(cè)器光子探測(cè)器4.4 熱探測(cè)器熱探測(cè)器光源在科學(xué)研究和工程技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用，在物質(zhì)的成分分析、材料的結(jié)構(gòu)研究、光電檢測(cè)、照明工程中，都離不開一定形式的光源。在光電信息技術(shù)中，光是信息的攜帶者，光的光譜輻射能量（或強(qiáng)度）、頻率、振幅均可攜帶、傳輸各種信息。而光源在光電信息技術(shù)中往往起著關(guān)鍵的作用，因此，了解常用光源的基本特性和參數(shù)，并按照實(shí)際工作需求選擇合適的光源，往往是光電信息技術(shù)工作中解決具體問(wèn)題成功的關(guān)鍵。光電探測(cè)器是一種能把光輻射信

2、號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件。是光電信息技術(shù)中核心組成部分，在光電信息技術(shù)中的作用是發(fā)現(xiàn)信號(hào)、測(cè)量信號(hào)，并為隨后的某些應(yīng)用提取某些必要的信息。目前已經(jīng)有一系列工作于射線、x射線、紫外、可見(jiàn)光、紅外光波段的各種探測(cè)器。根據(jù)器件對(duì)輻射響應(yīng)的方式不同，光電探測(cè)器可分為兩大類：一類是光子探測(cè)器，另一類是熱探測(cè)器。4.1 光電信息技術(shù)中常用的光源光電信息技術(shù)中常用的光源一切能產(chǎn)生光輻射的輻射源，無(wú)論是天然的，還是人造的，都稱為光源。天然光源是自然界中存在的，如太陽(yáng)、恒星等，在天文學(xué)電探測(cè)中，常常會(huì)遇到這些光輻射的測(cè)量。人造光源是人為將各種形式能量（熱能、電能、化學(xué)能）轉(zhuǎn)化成光輻射能的器件，其中利用電能產(chǎn)生光輻射

3、的器件稱為電光源。在一般光電測(cè)量系統(tǒng)中，電光源是最常見(jiàn)的光源。 4.1.1 光源的基本特性參數(shù)光源的基本特性參數(shù)1. 輻射效率和發(fā)光效率輻射效率和發(fā)光效率 在給定波長(zhǎng)范圍內(nèi)，某一光源發(fā)出的輻射通量與產(chǎn)生這些輻射通量所需的電功率之比，稱為該光源在規(guī)定光譜范圍內(nèi)的輻射效率，于是PdPeee)(21 光源的基本特性參數(shù)光源的基本特性參數(shù)相應(yīng)地，對(duì)于可見(jiàn)光范圍，某一光源的發(fā)光效率v為所發(fā)射的光通量與產(chǎn)生這些光通量所需的電功率之比，就是該光源的光效率，即2. 光譜功率分布光譜功率分布 自然光源和人造光源大都是由單色光組成的復(fù)色光。不同光源在不同光譜上輻射出不同的光譜功率，常用光譜功率分布來(lái)描述。若令其最

4、大值為1，將光譜功率分布進(jìn)行歸一化，那么經(jīng)過(guò)歸一化后的光譜功率分布稱為相對(duì)光譜功率分析。 780380( ) ( )vmevKVdpP 光源的基本特性參數(shù)光源的基本特性參數(shù)表41 常用光源的發(fā)光效率 光源的基本特性參數(shù)光源的基本特性參數(shù)圖41 四種典型的光譜功率分布 光源的基本特性參數(shù)光源的基本特性參數(shù)光源的光譜功率分布通?？煞殖伤姆N情況，如圖41所示。圖中（a）稱為線狀光譜，由若干條明顯分隔的細(xì)線組成，如低壓汞燈。圖（b）稱為帶狀光譜，它由一些分開的譜帶組成，每一譜帶中又包含許多細(xì)譜線。如高壓汞燈、高壓鈉燈就屬于這種分布。圖（c）為連續(xù)光譜，所有熱輻射光源的光譜都是連續(xù)光譜，圖（d）是混合光

5、譜，它由連續(xù)光譜與線、帶譜混合而成，一般熒光燈的光譜就屬于這種分布。在選擇光源時(shí)，它的光譜功率分布應(yīng)由測(cè)量對(duì)象的要求來(lái)決定。在目視光學(xué)系統(tǒng)中，一般采用可見(jiàn)光譜輻射比較豐富的光源。對(duì)于彩色攝影用光源，為了獲得較好的色彩還原，應(yīng)采用類似于日光色的光源，如鹵鎢燈、氙燈等。在紫外分光光度計(jì)中，通常使用氚燈、紫外汞氙燈等紫外輻射較強(qiáng)的光源，在光纖技術(shù)中，通常使用發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器等光源 光源的基本特性參數(shù)光源的基本特性參數(shù)3. 空間光強(qiáng)分布空間光強(qiáng)分布 對(duì)于各向異性光源，其發(fā)光強(qiáng)度在空間各方向上是不相同的，若在空間某一截面上，自原點(diǎn)向各徑向取矢量，矢量的長(zhǎng)度與該方向的發(fā)光強(qiáng)度成正比。將各矢量的端點(diǎn)

6、連起來(lái)，就得到光源在該截面上的發(fā)光強(qiáng)度曲線，即配光曲線。圖42是超高壓球形氙燈的光強(qiáng)分布。在有的情況下，為了提高光的利用率，一般選擇發(fā)光強(qiáng)度高的方向作為照明方向。為了進(jìn)一步利用背面方向的光輻射，還可以在光源的背面安裝反光罩，反光罩的焦點(diǎn)位于光源的發(fā)光中心上。4. 光源的色溫光源的色溫 黑體的溫度決定了它的光輻射特性。對(duì)非黑體輻射，它的某些特性?？捎煤隗w輻射的特性來(lái)近似地表示。對(duì)于一般光源，經(jīng)常用分布溫度、色溫或相關(guān)色溫表示。 光源的基本特性參數(shù)光源的基本特性參數(shù)（1）分布溫度。輻射源在某一波長(zhǎng)范圍內(nèi)輻射的相對(duì)光譜分布，與黑體在某一溫度下輻射的相對(duì)光譜功率分布一致，那么該黑體的溫度就稱為該輻射源

7、的分布溫度。這種輻射體的光譜輻亮度可表示為：（2）色溫。輻射源發(fā)射光的顏色可以由多種光譜分布產(chǎn)生，所以色溫相同的光源，它們的相對(duì)光譜功率分布不一定相同。（3）相關(guān)色溫。對(duì)于一般光源，它的顏色與任何溫度下的黑體輻射的顏色都不相同，這時(shí)的光源用相關(guān)色溫表示，在均勻色度圖中，如果光源的色坐標(biāo)點(diǎn)與某一溫度下的黑體輻射的色坐標(biāo)點(diǎn)最接近，則該黑體的溫度稱為該光源的相關(guān)色溫。11),(/512vTcveecTL 光源的基本特性參數(shù)光源的基本特性參數(shù)圖42 超高壓球形氙燈光強(qiáng)分布 熱輻射源熱輻射源5. 光源的顏色光源的顏色 光源的顏色包含了兩方面的含義，即色表和顯色性。用眼睛直接觀察光源時(shí)所看到的顏色稱為光源

8、的色表。 4.1.2 熱輻射源熱輻射源 任何物體只要其溫度大于絕對(duì)零度，就會(huì)向外界輻射能量，其輻射特性與溫度有關(guān)。 熱輻射光源有三個(gè)特點(diǎn)：（1）它們的發(fā)光特性都可以利用普朗克公式進(jìn)行精確的估算，即可以精確掌握和控制它們的發(fā)光或輻射性質(zhì)；（2）它們發(fā)出的光通量構(gòu)成連續(xù)的光譜，且光譜范圍很寬，因此使用的適應(yīng)性強(qiáng)。但在通常情況下，紫外輻射含量很少，這又限制了這類光源的使用范圍；（3）采用適當(dāng)?shù)姆€(wěn)壓或穩(wěn)流供電，可使這類光源的光獲得很高的穩(wěn)定度。 熱輻射源熱輻射源 1. 太陽(yáng)太陽(yáng) 太陽(yáng)可看成是一個(gè)直徑為1.392 109 m的光球。它到地球的年平均距離是1.491011m因此從地球上觀看太陽(yáng)時(shí)，太陽(yáng)的張

9、角只有0.5330。大氣層外的太陽(yáng)光譜能量分布相當(dāng)于5900K左右的黑體輻射(圖43)。其平均輻亮度為2.01l07Wm-2sr-1平均亮度為1.95109cdm-2。 射到地球上的太陽(yáng)輻射，要斜穿過(guò)一層厚厚的大氣層，使太陽(yáng)輻射在光譜和空間分布、能量大小、偏振狀態(tài)等都發(fā)生了變化。大氣的吸收光譜比較復(fù)雜，其中氧(O2)、水汽(H2O)、臭氧(O3)，二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)和其它碳?xì)浠衔?如CH4)等，都在不同程度上吸收了大陽(yáng)輻射，而且它們都是光譜選擇性的吸收介質(zhì)在標(biāo)準(zhǔn)海平面上太陽(yáng)的光譜輻射照度曲線，如圖43所示，其中的陰影部分表示大氣的光譜吸收帶 熱輻射源熱輻射源圖43 太陽(yáng)的光

10、譜能量分布曲線 2. 黑體模擬器黑體模擬器 在許多軍用紅外光電信息技術(shù)和光電系統(tǒng)中，往往需要這樣一種輻射源，它的角度特性和光譜特性酷似理想黑體的特性。這種輻射源常稱為黑體模擬器。圖44 黑體模擬器的結(jié)構(gòu) 熱輻射源熱輻射源 熱輻射源熱輻射源3. 白熾燈白熾燈 白熾燈是照明工程和光電測(cè)量中最常用的光源之一。白熾燈發(fā)射的是連續(xù)光譜，在可見(jiàn)光譜段中部和黑體射曲線相差約0.5%，而在整個(gè)光譜段內(nèi)和黑體輻射曲線平均相差2%。此外，白熾燈使用和量值復(fù)現(xiàn)方便，它的發(fā)光特性穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，因而也廣泛用作各種輻射度量和光度量的標(biāo)準(zhǔn)光源。圖45是用于光計(jì)量的幾種標(biāo)準(zhǔn)光源。圖(a)所示為BDQ型發(fā)光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)燈，用來(lái)傳遞

11、和復(fù)現(xiàn)發(fā)光強(qiáng)度單位(cd)的量值。發(fā)光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)燈是通過(guò)精確控制流過(guò)燈絲的直流電流，復(fù)現(xiàn)在規(guī)定的色溫下和在燈絲平面中心的法線方向上的光強(qiáng)度。 圖(b)是BDT型光通量標(biāo)準(zhǔn)燈，用來(lái)傳遞和復(fù)現(xiàn)光通量值光通量標(biāo)準(zhǔn)燈的燈絲是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，這樣使電壓與燈參數(shù)的變化曲線其光分布在各旋轉(zhuǎn)方向盡可能一致。 圖(c)為BW型溫度標(biāo)準(zhǔn)燈，它的發(fā)光體是一條狹長(zhǎng)的鎢帶，當(dāng)通以電流時(shí)，鎢帶熾熱發(fā)光。主要工作在80025000C 范圍內(nèi)，復(fù)現(xiàn)和驗(yàn)定光學(xué)高溫計(jì)及某些以光學(xué)高溫計(jì)作標(biāo)準(zhǔn)的溫度源，也可以代替能量標(biāo)準(zhǔn)燈使用。 熱輻射源熱輻射源圖45 幾種標(biāo)準(zhǔn)燈的外形 氣體放電光源氣體放電光源4.1.3. 氣體放電光源氣體放電光源 利

12、用氣體放電原理制成的光源稱為氣體放電光源。制作時(shí)在燈中充入發(fā)光用的氣體，如氫、氦、氘、氙、氪等，或金屬蒸氣，如汞、鎘、鈉、銦、鉈、鏑等。在電場(chǎng)作用下激勵(lì)出電子和離子，氣體變成導(dǎo)電體。當(dāng)離子向陰極、電子向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)時(shí)，從電場(chǎng)中得到能量，當(dāng)它們與氣體原子或分子碰撞時(shí)會(huì)激勵(lì)出新的電子和離子。由于這一過(guò)程中有些內(nèi)層電子會(huì)躍遷到高能級(jí)，引起原子的激發(fā)，受激原子回到低能級(jí)時(shí)就會(huì)發(fā)射出可見(jiàn)輻射或紫外、紅外輻射。這樣的發(fā)光機(jī)制被稱為氣體放電原理。氣體放電光源具有下列共同的特點(diǎn)：（1）發(fā)光效率高。比同瓦數(shù)的白熾燈發(fā)光效率高210倍，因此具有節(jié)能的特點(diǎn)；（2）結(jié)構(gòu)緊湊。由于不靠燈絲本身發(fā)光，電極可以做得牢固緊湊，耐

13、震、抗沖擊；（3）壽命長(zhǎng)。一般比白熾燈壽命長(zhǎng)210倍；（4）光色適應(yīng)性強(qiáng)，可在很大范圍內(nèi)變化。 氣體放電光源氣體放電光源圖46 幾種氣體放電燈的外形圖表42 常用氣體放電燈的種類、性能和主要應(yīng)用領(lǐng)域 氣體放電光源氣體放電光源1.汞燈汞燈 按玻殼內(nèi)氣壓的高低分，汞燈通常分為低壓汞燈、高壓汞燈和球形超高壓汞燈，分別簡(jiǎn)介如下。(1)低壓汞燈。 氣體放電光源氣體放電光源（2）高壓汞燈。當(dāng)汞燈內(nèi)的蒸氣壓達(dá)到15大氣壓時(shí)，汞燈電弧的輻射光譜就會(huì)產(chǎn)生明顯變化，光譜線加寬，出現(xiàn)弱的連續(xù)光譜，紫外輻射明顯減弱，而可見(jiàn)輻射增加，其光譜分布如圖47(6)所示。（3）球形超高壓汞燈。在球形超高壓汞燈中，如果啟動(dòng)氣體改

14、為高氣壓的氙氣，則此時(shí)稱為球形超高壓汞氙燈。燈一經(jīng)啟動(dòng)就輻射出強(qiáng)烈的連續(xù)光譜，并且遠(yuǎn)紫外區(qū)光譜明顯增加 2. 氙燈氙燈 氙燈是由充有惰性氣體氙的石英泡殼內(nèi)兩個(gè)鎢電極之間的高溫電弧放電，從而發(fā)出強(qiáng)光。高壓氙燈的輻射光譜是連續(xù)的，與日光的光譜能量分布相接近(圖48)，色溫為6000K左右，顯色指數(shù)90以上，因此有“小太陽(yáng)”之稱。氙燈可分為長(zhǎng)弧氙燈、短弧氙燈和脈沖氙燈三種。 氣體放電光源氣體放電光源 圖48 短弧氙燈光譜能量分布 圖49 短弧氙燈的電弧亮度分布 氣體放電光源氣體放電光源3. 空心極燈空心極燈 空心陰極燈屬于冷陰極低氣壓正常輝光放電燈。該燈的外形如圖410所示，其陰極由金屬元素或其它合

15、金制成空心圓柱形，圓環(huán)形陽(yáng)極是用吸氣性能很好的鋯材料制成的。 空心陰極燈也叫做原子光譜燈，陰極材料根據(jù)所需的譜線選擇相應(yīng)的金屬；窗口有石英玻璃和普通玻璃兩種，則根據(jù)輻射的原于光譜波長(zhǎng)而定?？招年帢O燈是原子吸收分光光度計(jì)上必不可少的光源。由于這種燈工作時(shí)陰極的溫度并不高，所輻射出的金屬原子譜線很窄，強(qiáng)度很大，穩(wěn)定性好。因此，空心陰極燈用作對(duì)微量金屬元素吸收光譜定性或定量分析的光源，以及用于光譜儀器波長(zhǎng)定標(biāo)上。4. 氘燈氘燈 氘燈是一種熱陰極弧光放電燈，泡殼內(nèi)充有高純度的氘氣。氘(H12是氫(H11)的同位素，又叫重氫 氣體放電光源氣體放電光源圖410 空心陰極燈外形圖 圖411 氘燈 發(fā)光二極管

16、發(fā)光二極管4.1.4 發(fā)光二極管發(fā)光二極管發(fā)光二極管（light emitting diode，LED）是一種注入式電致發(fā)光器件，它由p型和n型半導(dǎo)體組合而成，是少數(shù)載流子在p-n結(jié)區(qū)的注入與復(fù)合而產(chǎn)生發(fā)光的一種半導(dǎo)體光源 工作原理工作原理 實(shí)際上發(fā)光二極管就是一個(gè)由直接帶隙半導(dǎo)體（如GaAs）制成的PN接二極管。半導(dǎo)體內(nèi)電子空穴對(duì)的復(fù)合就產(chǎn)生光子發(fā)射?；窘Y(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 圖413是雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖。PGaAs是產(chǎn)生熒光的復(fù)合區(qū)（有源區(qū)），它和與之相鄰的PAlxGa1xAs層構(gòu)成限制電子和光波的同型異質(zhì)結(jié)PP結(jié)。而和與之相鄰的NAlyGa1yAs層構(gòu)成限制空穴和光波的反型異質(zhì)

17、結(jié)PN結(jié)。 發(fā)光二極管發(fā)光二極管圖412 發(fā)光二極管的能帶圖 發(fā)光二極管發(fā)光二極管圖413 雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖 發(fā)光二極管發(fā)光二極管圖414是短波長(zhǎng)0.80.9m雙異質(zhì)結(jié)GaAs/AlGaAs面發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)圖415為波長(zhǎng)1.3m雙異質(zhì)結(jié)InGaAsP/InP邊發(fā)光型LED結(jié)構(gòu)。它的核心部分是一個(gè)NAlGaAs有源層，及其兩邊的PAlGaAs和NAlGaAs導(dǎo)光層（限制層）。導(dǎo)光層的折射率比有源層低，但比其它周圍材料的折射率高，從而構(gòu)成以有源層為芯層的光波導(dǎo)，有源層產(chǎn)生的光波從其端面射出。 發(fā)光二極管發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路 發(fā)光二極管工作需要加正向偏置電壓，以提供驅(qū)動(dòng)電

18、流。典型的驅(qū)動(dòng)電路如圖416所示，將LED接入到晶體三極管的集電極，通過(guò)調(diào)節(jié)三極管基極偏置電壓，可獲得需求的輻射光功率。在光通信中以LED為光源的場(chǎng)合，需要對(duì)LED進(jìn)行調(diào)制，則調(diào)制信號(hào)通過(guò)一電容耦合到基極，輸出光功率則被電信號(hào)所調(diào)制。 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 4. LED的特性參數(shù)的特性參數(shù) (1)量子效率。發(fā)光二極管一般用量子效率來(lái)表示。表征器件這一性能的參數(shù)就是外量子效率，表示， (2)光譜特性。發(fā)光二極管的發(fā)光光譜直接決定著它的發(fā)光顏色。根據(jù)半導(dǎo)體材料的不同，目前能制造出紅、綠、黃、橙、藍(lán)、紅外等各種顏色的發(fā)光二極管，如表4-3所列。GNrqiGNTqer為產(chǎn)生的光子數(shù)，為注入的電子空穴數(shù)

19、NT為器件射出的光子數(shù) 發(fā)光二極管發(fā)光二極管表43 幾種發(fā)光二極管的特性 發(fā)光二極管發(fā)光二極管光束的空間分布。在垂直于發(fā)光面上，面發(fā)光LED輻射圖呈朗伯分布，即P（）P0cos，半功率點(diǎn)輻射角1200。邊發(fā)光型LED，1200，250350。輸出光功率特性。發(fā)光二極管的輸出光功率特性如圖418所示。驅(qū)動(dòng)電流較小時(shí)，PI曲線的線性較好；電流過(guò)大時(shí)，由于PN結(jié)發(fā)熱產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，使PI曲線的斜率減小。在通常情況下，LED的工作電流為50100mA，輸出光功率為幾nW。響應(yīng)時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間是表示反應(yīng)速度的一個(gè)重要參數(shù)，尤其在脈沖驅(qū)動(dòng)或電調(diào)制時(shí)顯得十分重要。響應(yīng)時(shí)間是指注入電流后啟亮（上升）和熄滅（衰減）

20、的時(shí)間。直接躍遷材料幾個(gè)納秒，而間接躍遷材料約為100納秒 壽命。發(fā)光二極管的壽命一般是很長(zhǎng)的，在電流密度小于1A/cm2的情況下，壽命可達(dá)106小時(shí)。老化快慢與電流密度和時(shí)間常數(shù)有關(guān)，關(guān)系為; 0jtLteL 發(fā)光二極管發(fā)光二極管圖417 LED光譜 圖418 LED的PI曲線 發(fā)光二極管發(fā)光二極管5. LED的應(yīng)用的應(yīng)用 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備的數(shù)字化和集成化，越來(lái)約需要能顯示較大信息量的顯示器和全標(biāo)度圖標(biāo)顯示。隨著半導(dǎo)體材料的制備和工藝的發(fā)展，發(fā)光二極管已在指示和信息顯示中占主導(dǎo)地位。指示燈。LED正在成為指示燈的主要光源。LED的壽命在數(shù)十萬(wàn)小時(shí)以上，為普通白熾燈的100倍以上，

21、而且具有功耗小、發(fā)光響應(yīng)速度快、亮度高、小型、耐振動(dòng)等特點(diǎn)，在各種應(yīng)用中占有明顯優(yōu)勢(shì)。 數(shù)字顯示用顯示器。利用LED進(jìn)行數(shù)字顯示，有點(diǎn)矩陣型和字段型兩種方式。點(diǎn)矩陣型如圖419所示，使用LED發(fā)光元件縱橫按矩陣排列，按需要顯示的數(shù)字只讓相應(yīng)的元件發(fā)光。 發(fā)光二極管發(fā)光二極管圖419 點(diǎn)矩陣型數(shù)字顯示 圖420 字段型數(shù)字顯示 發(fā)光二極管發(fā)光二極管（3）平面顯示器。LED還可以用于平面顯示，其優(yōu)點(diǎn)是，由于LED為固體元件，可靠性強(qiáng)，與采用白熾燈的顯示器相比，功耗??；可以制作對(duì)陰極射線管（CRT）及液晶顯示器（LCD）來(lái)說(shuō)不容易做出的大型顯示器等。 （4）光源。 LED除用作顯示器件外，還可用作各

22、種裝置、系統(tǒng)的光源。如電視機(jī)、空調(diào)等的遙控器的光源。在光電檢測(cè)系統(tǒng)及光通信系統(tǒng)中，也可作為發(fā)射光源來(lái)使用。 (5) 光耦合器件。光耦合器件是將發(fā)光二極管和光電接收元件組合而構(gòu)成的一種器件。它是以光子作為傳輸媒介，將輸入端的電信號(hào)耦合到輸出端 (6) 負(fù)阻發(fā)光器件。負(fù)阻發(fā)光二極管的工作原理如圖421（a）所示，它相當(dāng)于兩個(gè)PN結(jié)發(fā)光二極管串在一起，其J型伏安特性曲線如圖421(b)。 發(fā)光二極管發(fā)光二極管圖421 負(fù)阻發(fā)光二極管的工作原理 發(fā)光二極管發(fā)光二極管圖422 光脈沖反射器 圖423 雙穩(wěn)態(tài)電路 發(fā)光二極管發(fā)光二極管(3) 雙導(dǎo)態(tài)發(fā)光器件。圖424是雙導(dǎo)態(tài)發(fā)光二極管的伏安特性曲線。器件具

23、有兩種不同的狀態(tài)，每種都具有它自己的整流特性。圖424 雙導(dǎo)態(tài)發(fā)光器件伏安特性 發(fā)光二極管發(fā)光二極管總之，隨著半導(dǎo)體材料的制備和p-n結(jié)制造技術(shù)的發(fā)展，發(fā)光二極管日益得到廣泛的重視和應(yīng)用。歸納起來(lái)它具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)屬于低電壓(1-2V)、小電流(每個(gè)發(fā)光單元只需10mA)器件，在室溫下即可得到足夠的亮度(一般3000cd.m-2以上)；(2)發(fā)光響應(yīng)速度快(10-7 10-s)；(3)由于器件在正向偏置下使用因此性能穩(wěn)定；(4)易于和集成電路匹配，且驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單；(5)與普通光源相比，單色性好，其發(fā)光的半寬度一般為幾十納米；(6)小型、耐沖擊。當(dāng)然它也存在一些缺點(diǎn)，主要是功率較小，只有pw、m

24、W級(jí)；光色有限，較難獲得短波發(fā)光(如紫外、藍(lán)色)，且發(fā)光效率低 激光器激光器圖426 激光器諧振腔及激光輸出 激光器激光器4.1.5 激光器激光器1. 激光器的工作原理激光器的工作原理 激光器一般是由工作物質(zhì)、諧振腔和泵浦源組成，如圖425所示。圖425 激光器工作原理 激光器激光器2. 激光器的類型激光器的類型 目前已研制成功的激光器光器達(dá)數(shù)百種，輸出波長(zhǎng)范圍從近紫外直到遠(yuǎn)紅外，輻射功率從幾毫瓦至上萬(wàn)瓦，一般按工作物質(zhì)分類，激光器可分為氣體激光器、固體激光器、染料激光器和半導(dǎo)體激光器等。(1)氣體激光器。氣體激光器采用的工作物質(zhì)很多，激勵(lì)方式多樣，發(fā)射波長(zhǎng)也最廣。這里主要介紹氦氖激光器、氬離

25、子激光器和二氧化碳激光器。氦氖激光器氦氖激光器 氦氖激光器工作物質(zhì)由氦氣和氖氣組成，是一種原子氣體激光器。 氬離子激光器氬離子激光器 氬離子激光器的工作物質(zhì)是氬氣，在低氣壓大電流下工作，因此激光管的結(jié)構(gòu)及材料都與氦氖激光器不同。二氧化碳激光器二氧化碳激光器 二氧化碳激光器的工作物質(zhì)主要是二氧化碳，摻入少量和He等氣體，是典型的分子氣體激光器。 激光器激光器圖427 氦-氖激光器示意圖 激光器激光器（2）固體激光器。固體激光器所使用的工作物質(zhì)是具有特殊能力的高質(zhì)量的光學(xué)玻璃或光學(xué)晶體，里面摻如具有發(fā)射激光能力的金屬離子。（3）染料激光器。染料激光器（圖429）以染料為工作物質(zhì)。染料溶解于某種有機(jī)

26、溶液中，在特定波長(zhǎng)光的激發(fā)下，能發(fā)射一定帶寬的熒光。 （4）半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體激光器的工作物質(zhì)是半導(dǎo)體材料。它的原理與前面討論過(guò)的發(fā)光二極管沒(méi)有太多差異，pn結(jié)就是激活介質(zhì)，如圖430為砷化鎵同質(zhì)結(jié)二極管激光器的結(jié)構(gòu)，兩個(gè)與結(jié)平面垂直的晶體解理面構(gòu)成了諧振腔。 半導(dǎo)體激光器光輸出電流特性如圖431所示，其中受激發(fā)射曲線與電流軸的交點(diǎn)就是該激光器的閾值電流，它表示半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光輸出所需的最小注入電流。 激光器激光器 圖428 紅寶石激光器原理圖 激光器激光器圖429 染料激光器原理圖 激光器激光器圖430 GaAs半導(dǎo)體激光器 圖431 半導(dǎo)體激光器光輸出電流特性圖430 GaAs半導(dǎo)體

27、激光器 激光器激光器3激光的特性：激光的特性：（1）單色性。普通光源發(fā)射的光，即使是單色光也有一定的波長(zhǎng)范圍。這個(gè)波長(zhǎng)范圍即譜線寬度，譜線寬度越窄，單色性越好。 （2）方向性。普通光源的光是均勻射向四面八方，因此照射的距離和效果都很有限，即使是定向性比較好的探照燈，它的照射距離也只有幾公里。直徑一米左右的光束，不出十公里就擴(kuò)大為直徑幾十米的光斑了。 （3）亮度。激光器由于發(fā)光面小，發(fā)散角小，因此可獲得高的光譜亮度。 （4）相干性。由于激光器的發(fā)光過(guò)程是受激輻射，單色性好，發(fā)射角小，因此有很好的空間和時(shí)間相干性。 表44 半導(dǎo)體激光器的材料及波長(zhǎng)4.2 光電探測(cè)器的性能參數(shù)與噪聲光電探測(cè)器的性能

28、參數(shù)與噪聲光電探測(cè)器是一種輻射能轉(zhuǎn)換器件，是利用物質(zhì)的光電效應(yīng)把光輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件。是光電信息技術(shù)中最重要的器件。 4.2.1 光電探測(cè)器的性能參數(shù)光電探測(cè)器的性能參數(shù)響應(yīng)度 （或稱靈敏度），響應(yīng)度是光電探測(cè)器輸出信號(hào)與輸入輻射功率之間關(guān)系的度量。描述的是光電探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換效能。 ,(/)SVV WPVR,(/)SIA WPIR光譜響應(yīng)度光譜響應(yīng)度 光譜響應(yīng)度又叫單色響應(yīng)度，它表示不同波長(zhǎng)的單位輻射功率，輻射入射到一個(gè)探測(cè)器的敏感元上，探測(cè)器輸出強(qiáng)弱的不同。 3.積分響應(yīng)度積分響應(yīng)度 積分響應(yīng)度表示探測(cè)器對(duì)連續(xù)輻射通量的反應(yīng)程度。對(duì)包含有各種波長(zhǎng)的輻射光源，總光通量為, (/)SV

29、VWVR ,(/)SIA WIRd)(0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。由于光電探測(cè)器輸出的光電流是由不同波長(zhǎng)的光輻射引起的，所以輸出光電流為可得積分響應(yīng)度為4響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間 響應(yīng)時(shí)間是描述光電探測(cè)器對(duì)入射輻射響應(yīng)快慢的一個(gè)參數(shù)。即當(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。 dRdIsIs)()(0101ddRR)()(001圖432 上升時(shí)間和下降時(shí)間5頻率響應(yīng)頻率響應(yīng) 由于光電探測(cè)器信號(hào)的產(chǎn)生和消失存在著一個(gè)滯后過(guò)程，所以入射光輻射的頻率對(duì)光電探測(cè)器的響應(yīng)將會(huì)有較大的影響。光電探測(cè)器的響應(yīng)隨入

30、射輻射的調(diào)制頻率而變化的特性稱為頻率響應(yīng)。利用時(shí)間常數(shù)可得到光電探測(cè)器響應(yīng)度與入射輻射調(diào)制頻率的關(guān)系，其表達(dá)式為放大器的上限截止頻率（見(jiàn)圖433） 2/120)2(1)(fRfRRCf2121上顯然，時(shí)間常數(shù)決定了光電探測(cè)器頻率響應(yīng)的帶寬。圖4-33 光電探測(cè)器的頻率響應(yīng)曲線6信噪比（信噪比（S/N） 信噪比是判定噪聲大小通常使用的參數(shù)。它是在負(fù)載電阻RL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7等效噪聲輸入（等效噪聲輸入（ENI） 它定義為器件在特定帶寬內(nèi)（1Hz）產(chǎn)生的均方根信號(hào)電流恰好等于均方根噪聲電流值時(shí)的輸入通量，此時(shí)，其他參數(shù)，如頻率、溫度等應(yīng)加以規(guī)定。這個(gè)參數(shù)

31、是在確定光電探測(cè)器件的探測(cè)極限（以輸入能量為瓦或流明表示）時(shí)使用。2222NSLNLSNSIIRIRIPPNSNSNSdBIIgIIgNS201101228噪聲等效功率（噪聲等效功率（NEP） 或稱最小可探測(cè)功率Pmin。它定義為探測(cè)器輸出的信號(hào)功率與噪聲功率之比為1時(shí)所需的入射到探測(cè)器上的輻射通量（單位為瓦）。即9探測(cè)率探測(cè)率D與比探測(cè)率與比探測(cè)率D* 只用NEP無(wú)法比較兩個(gè)不同來(lái)源的光探器的優(yōu)劣。為此，引入兩個(gè)新的性參數(shù)探測(cè)率D和比探測(cè)率D*。NSNEPe/1SNVVDNEPP一個(gè)良好的探測(cè)器NEP約為1011W，NEP越小，噪聲越小，器件的性能越好。D也叫探測(cè)度，所描述的特性是：光電探測(cè)

32、器在它的電平之上產(chǎn)生一個(gè)可觀測(cè)的電信號(hào)的本領(lǐng)。歸一化的探測(cè)率一般稱為比探測(cè)率可以證明，D*與響應(yīng)率RV可通過(guò)下式聯(lián)系起來(lái)10噪聲等效帶寬噪聲等效帶寬 噪聲等效帶寬fN是在噪聲計(jì)算中所討論的帶寬。反映系統(tǒng)對(duì)噪聲的選擇性。噪聲等效帶寬定義為一個(gè)矩形噪聲功率增益曲線的頻率間隔。 fAPVVNEPfADdNSd/*NdVVfARD2/1)(*圖434 噪聲等效帶寬 矩形噪聲功率增益曲線與頻率坐標(biāo)圖圍成的面積等于實(shí)際噪聲功率增益曲線與頻率坐標(biāo)間的面積。此矩形的高為實(shí)際最大功率增益。噪聲帶寬可表示為： 11.暗電流暗電流Id 即光電探測(cè)器在沒(méi)有輸入信號(hào)和背景輻射時(shí)所流過(guò)的電流（加電源時(shí)）。一般測(cè)量其直流值

33、或平均值。12量子效率量子效率 量子效率是評(píng)價(jià)光電器件性能的一個(gè)重要參數(shù)，它是在某一特定波長(zhǎng)上在單位時(shí)間內(nèi)光電探測(cè)器輸出的光電子數(shù)與這一特定波長(zhǎng)入射光子數(shù)之比。 量子流速率N為0200011vNGfdff dfvfAGAhcdhvdNee量子流速率N即為每秒入射的光量子數(shù)。而每秒產(chǎn)生的光電子數(shù)為式中，IS為信號(hào)電流，q為電子電荷。因此量子效率為13線性度線性度 線性度是描述探測(cè)器的光電特性或光照特性曲線輸出信號(hào)與輸入信號(hào)保持線性關(guān)系的程度。線性度是輻射功率的復(fù)雜函數(shù)，是指器件中的實(shí)際響應(yīng)曲線接近擬合直線的程度，通常用非線性誤差來(lái)度量qdRqIeSqhcRNqIS/)(12maxIImax為實(shí)際

34、響應(yīng)曲線與擬合直線之間的最大偏差，I1和I2分別為線性區(qū)中最小和最大響應(yīng)值。 4.2.2 光電探測(cè)器的噪聲光電探測(cè)器的噪聲 任何一個(gè)光電探測(cè)器在它的輸出端總是存在著一些毫無(wú)規(guī)律、事先無(wú)法預(yù)知的電壓起伏，即噪聲。依據(jù)噪聲產(chǎn)生的物理原因，光電探測(cè)器的噪聲分為散粒噪聲、產(chǎn)生復(fù)合噪聲、光子噪聲、熱噪聲和低頻噪聲等。散粒噪聲散粒噪聲 由于熱激發(fā)作用，隨機(jī)地產(chǎn)生電子所引起的起伏，稱為散粒噪聲。 它是穿越勢(shì)壘的載流子的隨機(jī)漲落所造成的。這種噪聲存在于所有光電探測(cè)器中。理論計(jì)算結(jié)果給出熱激發(fā)散粒噪聲的功率譜為：散粒噪聲的電流為：2gfqiM2nqifIi是流過(guò)探測(cè)器的平均暗電流，M是探測(cè)器的內(nèi)增益，q是電子電

35、荷電量。f是測(cè)量帶寬相應(yīng)的噪聲電壓為按照式中平均電流i產(chǎn)生的具體物理過(guò)程，有它們服從下式的轉(zhuǎn)換關(guān)系如果用背景光功率Pb和信號(hào)光功率Ps顯式表示，則有22nq ifVRdbsiiiiqitPth122nbsdqqS qfiIPPMhhId是熱激發(fā)暗電流，ib和is分別為背景和信號(hào)電流S2是光電發(fā)射和光伏過(guò)程，S4是光電導(dǎo)、產(chǎn)生復(fù)合過(guò)程，M1是光伏過(guò)程，M1是光電倍增管、雪崩過(guò)程 2.產(chǎn)生復(fù)合噪聲產(chǎn)生復(fù)合噪聲 半導(dǎo)體中由于載流子的產(chǎn)生與復(fù)合的隨機(jī)性而引起的載流子平均濃度的起伏所產(chǎn)生的噪聲稱為產(chǎn)生復(fù)合噪聲。如果頻率很低，且滿足2f1時(shí)，此時(shí)3.光子噪聲光子噪聲 當(dāng)用光功率恒定的光照射探測(cè)器時(shí)，由于它

36、實(shí)際上是光子數(shù)的統(tǒng)計(jì)平均值，每一瞬時(shí)到達(dá)探測(cè)器的光子數(shù)是隨機(jī)的。不管是信號(hào)光還是背景光，都有光子噪聲伴隨。 2412g rq itfIf4grqitfI222,2nbnsbsqfqfiiIMIMi是流過(guò)器件的平均電流，為載流子平均壽命，t為載流子在器件兩極間平均漂移時(shí)間，f為頻率。這種情況為白噪聲4.熱噪聲熱噪聲 或稱Johnson噪聲，即載流子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)造成的噪聲。當(dāng)溫度高于絕對(duì)零度時(shí)，導(dǎo)體或半導(dǎo)體中每一電子都作隨機(jī)運(yùn)動(dòng)（相當(dāng)于微電脈沖，盡管其平均值為零，但瞬時(shí)電流擾動(dòng)會(huì)在探測(cè)器輸出端產(chǎn)生均方電流或均方電壓，其均方值為5.1/f噪聲噪聲(低頻噪聲低頻噪聲) 也叫閃爍噪聲。幾乎所有探測(cè)器都

37、存在這種噪聲。這種噪聲是由于光敏層的微粒不均勻或不必要的微量雜質(zhì)的存在，當(dāng)電流存在時(shí)在微粒間發(fā)生微火花放電而引起的微電爆脈沖。它主要出現(xiàn)在大約1kHz以下的低頻頻閾，而且與光輻射的調(diào)制頻率f成反比，故稱為低頻噪聲或1/f噪聲。其經(jīng)驗(yàn)公式為4/,4nTnTkTfRkTfRVI,ffnfnfffiiKKRVIffR是輸出阻抗的實(shí)部Kf與元件制作工藝、材料尺寸、表面狀態(tài)等有關(guān)的比例系數(shù)；與流過(guò)元件的電流有關(guān)，通常2；與元件材料性質(zhì)有關(guān)，大部分材料1，與元件阻值有關(guān)1.41.7之間。4.3 光子探測(cè)器光子探測(cè)器光電探測(cè)器通常分為2類: (1)光子探測(cè)器（利用各種光子效應(yīng)）；（2）熱探測(cè)器（利用溫度變化

38、效應(yīng)）。光子效應(yīng)：光電子發(fā)射、光電導(dǎo)、光生伏特、光電磁等。光熱效應(yīng)：溫差電、電阻率變化、自發(fā)極化強(qiáng)度變化、氣體體積和壓強(qiáng)變化等?；诠怆娮影l(fā)射效應(yīng)的器件在吸收了大于紅外波長(zhǎng)的光子能量以后，器件材料中的電子能逸出材料表面，這各種器件稱為外光電效應(yīng)器件?；诠怆妼?dǎo)、光伏特和光電磁效應(yīng)的器件，在吸收了大于紅外波長(zhǎng)的光子能量以后，器件材料中出現(xiàn)光生自由電子和空穴，這種器件稱為內(nèi)光電效應(yīng)器件。4.3.1 光電子發(fā)射探測(cè)器光電子發(fā)射探測(cè)器應(yīng)用光電子發(fā)射效應(yīng)制成的光電探測(cè)器稱為光電子發(fā)射探測(cè)器。 在光電子發(fā)射探測(cè)器中，入射輻射的作用是使電子從光電陰極表面發(fā)射到周圍的空間中，即產(chǎn)生光電子發(fā)射。產(chǎn)生光電子發(fā)射所

39、需光電能量取決于光電陰極的逸出功。光電子發(fā)射的能量轉(zhuǎn)換公式為為使價(jià)帶中的電子能躍遷到導(dǎo)帶上，必須使入射光子的能量大于禁帶寬度Eg，即使材料具有光電發(fā)射的截止波長(zhǎng)c2012hmV1.24,gcgghchcmEEE即1.24()chcm1.光電倍增管的工作原理光電倍增管的工作原理 圖是光電倍增管的工作原理圖。圖中K為光電發(fā)射陰極，D為聚焦板，D1D10為倍增極（或打拿極），A為收集電子的陽(yáng)極。倍增極間的電壓逐級(jí)增加，極間電壓約為80150V。2光電倍增管的性能光電倍增管的性能 光電倍增管的性能主要由陰極和倍增極以及極間電壓決定。負(fù)電子親和勢(shì)材料是目前最好的光電陰極材料。倍增極二次電子發(fā)射特性用二次

40、系數(shù)描述，即如果倍增極的總數(shù)為n，且各級(jí)性能相同，考慮到電子的傳輸損失，則光電倍增管的電流增益M為1nnnNNnAKMfigif為第一倍增極對(duì)陰極發(fā)射電子的收集率；g為各倍增極之間的電子傳遞效率，良好的電子光學(xué)設(shè)計(jì)可始f、g值在0.9以上。n和值愈大，M值就愈高，但過(guò)多的倍增極不僅使倍增管加長(zhǎng)，而且使電子渡越效應(yīng)變得嚴(yán)重，從而嚴(yán)重影響倍增管的頻率特性和噪聲特性。值主要取決于倍增極材料和極間電壓4.3.2光電導(dǎo)探測(cè)器光電導(dǎo)探測(cè)器圖436 光敏電阻（以非本征n型半導(dǎo)體為例）分析模型1.光電轉(zhuǎn)換規(guī)律光電轉(zhuǎn)換規(guī)律 圖中V表示外加偏置電壓，l、b和d分別表示n型半導(dǎo)體得三維尺寸，光功率P在x方向均勻入射

41、，假定光電導(dǎo)材料的吸收系數(shù)為，表面反射率為R，則光功率在材料內(nèi)部沿x方向的變化規(guī)律為相應(yīng)的光生面電流密度j（x）為式中e為電子電荷，v為電子在外電場(chǎng)方向的漂移速度，n（x）為在x處的電子密度。流過(guò)電極的總電流為 1xP xPRe j xevn x 00ddij x bdxevbn x dx穩(wěn)態(tài)下，電子得復(fù)合率為n(x)/，而電子的產(chǎn)生率等于單位面積、單位時(shí)間吸收的光子數(shù)乘以量子效率，產(chǎn)生率復(fù)合率得： 1xRPn xh bleeiM Ph01dxRdxe2nVMl為電子的平均壽命，為量子效率應(yīng)用上面兩式得：有效量子效率M為電荷放大系數(shù)M為電荷放大系數(shù)，un是電子遷移率，V為外加偏壓，l為結(jié)構(gòu)尺寸

42、。 2.光電導(dǎo)探測(cè)電路光電導(dǎo)探測(cè)電路 典型的光電探測(cè)器在電路中的連接如圖437所示。 電路中的參數(shù)Vb和RL均會(huì)影響輸出信號(hào)的電壓值，那么，如何選擇Vb和RL？從圖可見(jiàn)，負(fù)載電阻RL兩端的直流壓降為當(dāng)光輻射照到探測(cè)器上時(shí)，探測(cè)器電阻Rd就發(fā)生變化，負(fù)載電阻RL兩端壓降也就發(fā)生變化，這個(gè)電壓的變化量就是信號(hào)電壓VsLLbLdRRVVRR2LLddsbdRLdVRVVRRRRR212dsbLLdLLdVVRRRRRRR 當(dāng)上式等于0時(shí)，有RLRd，信號(hào)電壓為極大值。從圖437可見(jiàn)，在偏壓Vb作用下，通過(guò)探測(cè)器電流I為在探測(cè)器上消耗的功率P為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)探測(cè)器的功耗不應(yīng)超過(guò)0.1W/cm2，若探測(cè)器的面

43、積為Ad，則消耗功率不應(yīng)超過(guò)0.1Ad，與最大允許電壓關(guān)系為：bLdIVRR2dPIR2max20.1bddLdVARRR12max20.1bLdddRRVARVb,max并不是最佳偏壓。圖438 信號(hào)、噪聲電壓隨偏流變化圖3.幾種典型的光電導(dǎo)探測(cè)器簡(jiǎn)介幾種典型的光電導(dǎo)探測(cè)器簡(jiǎn)介 光電導(dǎo)探測(cè)器按晶體結(jié)構(gòu)可分為多晶和單晶兩類。多晶類多是薄膜型器件，如PbS、PbSe、PbTe等，單晶類中常見(jiàn)的有銻化銦（InSb）、碲鎘汞（HgCdTe）、碲錫鉛和摻雜型幾種。CdS和CdSe。這是兩種造價(jià)低的可見(jiàn)光輻射探測(cè)器（CdS：0.30.8m，CdSe：0.30.9m）。它們的主要特點(diǎn)是高可靠性和長(zhǎng)壽命，因

44、而廣泛用于自動(dòng)化技術(shù)中。PbS。這是一種性能優(yōu)良的近紅外輻射探測(cè)器，是在室溫條件下探測(cè)靈敏度最高的一種紅外探測(cè)器，室溫下的禁帶寬度為0.37eV，相應(yīng)的長(zhǎng)波限為3m。PbTe。在常溫下對(duì)4m以內(nèi)的紅外光靈敏，冷卻到90K，可在5m范圍內(nèi)使用。響應(yīng)時(shí)間約為104105s。InSb。這也是一種良好的近紅外（峰值波長(zhǎng)約為6m）輻射探測(cè)器。HgCdTe探測(cè)器。HgCdTe是由半導(dǎo)體CdTe和半金屬HgTe采用半導(dǎo)體合金法混合而成的合金系統(tǒng)。圖439 不同工作溫度下InSb光電導(dǎo)探測(cè)器的光譜特性為了提高信噪比，英國(guó)首先研制成 掃積型HgCdTe探測(cè)器，如圖。它是由若干小的方形單元探測(cè)器排列成的線陣探測(cè)器

45、，當(dāng)目標(biāo)的紅外像點(diǎn)沿長(zhǎng)條方向掃過(guò)時(shí)，外加電場(chǎng)驅(qū)使光生載流子也沿光點(diǎn)掃描方向遷移，并使遷移速度與像點(diǎn)掃描速度同步，這樣可使信號(hào)積累（積分輸出）。若此掃積探測(cè)器由n個(gè)單元組成，信號(hào)將是單元探測(cè)器輸出的n倍，但由于噪聲的非相關(guān)性，噪聲只會(huì)增加根號(hào)n倍，因此信噪比可提高n1/2倍。（6）摻雜型光電導(dǎo)探測(cè)器。主要是以鍺（Ge）為主體材料摻有其它雜質(zhì)的雜質(zhì)半導(dǎo)體。它們主要用于814m長(zhǎng)波段內(nèi)。圖441 摻雜型光電導(dǎo)探測(cè)器的光譜特性表45 幾種光電導(dǎo)探測(cè)器的典型特性4.3.3 光伏探測(cè)器光伏探測(cè)器利用PN結(jié)的光伏效應(yīng)而制作的光電探測(cè)器稱為光伏探測(cè)器。與光電導(dǎo)探測(cè)器不同，光伏探測(cè)器的工作特性要復(fù)雜些，PN結(jié)受

46、光照射時(shí)，即使沒(méi)有外加偏壓，PN結(jié)自身也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)開路電壓，這時(shí)如果將PN結(jié)兩端短接，便有短路電流通過(guò)回路。因此利用利用光生伏特效應(yīng)制成的結(jié)型器件有光電池和光電二極管之分，而光電二極管又有兩種工作模式，光電導(dǎo)和光伏式，它們由外偏壓電路決定。1.兩種工作模式兩種工作模式 一個(gè)PN結(jié)光伏探測(cè)器用圖442（a）中的符號(hào)表示，它等效為一個(gè)普通二極管和一個(gè)恒流源（光電流源）的并聯(lián)，如圖442（b）所示。在零偏壓時(shí)（圖442（c），稱為光伏工作模式。當(dāng)外回路采用反偏壓V時(shí)（圖442（d），即外加p端為負(fù)，n端為正的電壓時(shí)，稱為光導(dǎo)工作模式。圖442 光伏探測(cè)器及其工作模式示意圖普通二極管的伏安特性為式中，

47、iS為反向飽和電流，u是探測(cè)器兩端電壓，e是電子電荷，因而光伏探測(cè)器的總電流i為式中i為光電流。光伏探測(cè)器的伏安特性如圖443所示。由圖可見(jiàn)第一象限是正偏壓狀態(tài)，iD本來(lái)很大，所以光電流i不起重要作用，因此在這一區(qū)域工作沒(méi)有意義。第三象限是反偏壓狀態(tài)，這時(shí)iD-iS，它對(duì)應(yīng)于光功率P=0時(shí)二極管的反向飽和電流，稱為暗電流，其數(shù)值很小，光電流ii-is。由于這種情況的外回路特性與光電導(dǎo)探測(cè)器十分相似，所以反偏壓下的工作方式稱為光導(dǎo)模式。第四象限中，外偏壓為零，當(dāng)負(fù)載電阻比較小時(shí)，RL3的負(fù)載線接近于理想的垂直負(fù)載線，這是，輸出光電流正比于入射功率，這種狀態(tài)工作模式叫光伏模式。/1euK TDsi

48、ie1eu KTDsii i i ei 圖443 光伏探測(cè)器的伏安特性2兩種工作模式的比較兩種工作模式的比較 光導(dǎo)模式工作時(shí)，光電二極管加反偏壓，可以大大提高器件的頻率特性。此外反偏壓可增加長(zhǎng)波端靈敏度及擴(kuò)展線性區(qū)上限。但反偏產(chǎn)生的暗電流引起較大的散粒噪聲，且頻率低于1KHz時(shí)還有1/f噪聲，這又限制了探測(cè)能力的下限。 因光伏式二極管無(wú)偏壓工作，故暗電流造成的散粒噪聲小，且無(wú)1/f噪聲，有高得多的信噪比。光伏式二極管主要應(yīng)用于超低噪聲、低頻及儀器方面。光導(dǎo)式二級(jí)管則主要用來(lái)探測(cè)高速光脈沖和高頻調(diào)制光。3.光譜響應(yīng)和頻率特性光譜響應(yīng)和頻率特性 光電二極管都有一定的光譜響應(yīng)范圍，圖444給出了Si

49、光電二極管的光譜響應(yīng)曲線。高頻計(jì)算的簡(jiǎn)化等效電路如圖4-45（b）所示，其截止頻率fc為通常又定義電路的時(shí)間常數(shù)c為12cLjfCR2.20.35 /LcjcfCR圖444 Si光電二極管光譜響應(yīng)曲線12cLjfR C2.2LcjCR圖445 光電二極管的高頻等效短路截至頻率：電路的時(shí)間常數(shù)：c2.2RLCj12cLjfR C 4常用的光伏探測(cè)器簡(jiǎn)介常用的光伏探測(cè)器簡(jiǎn)介(1) 硅光電池。也稱太陽(yáng)電池或光伏電池。工作在圖443所示的第四象限。價(jià)格便宜，光電轉(zhuǎn)換效率高，光譜響應(yīng)寬，頻率特性好，壽命長(zhǎng)，穩(wěn)定性好，耐高能輻射，適合近紅外探測(cè)。 （2）PIN 硅光電二極管。從前面光電二極管的討論中可知，

50、載流子的擴(kuò)散時(shí)間和電路時(shí)間常數(shù)大約同數(shù)量級(jí)，是決定光電二極管響應(yīng)速度的主要因素。為了改善頻率特性，就得設(shè)法減小載流子擴(kuò)散時(shí)間和結(jié)電容，于是人們提出加一層中間本征層。 （3）異質(zhì)結(jié)光電二極管。異質(zhì)結(jié)是由兩種不同的半導(dǎo)材料形成的P一N結(jié)。P一N結(jié)兩邊是由不同的基質(zhì)材料形成的，兩邊的禁帶寬度不同。通常以禁帶寬度大的一邊作為光照面，能量大于寬禁帶的光子被寬禁帶材料吸收，產(chǎn)生電子空穴對(duì)。如果光照面材料的厚度大于載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度，則光生載流子達(dá)不到結(jié)區(qū)，對(duì)光電信號(hào)無(wú)貢獻(xiàn)。而能量小于寬禁帶的長(zhǎng)波載流子卻能順利到達(dá)結(jié)區(qū)，被窄禁帶材料吸收，產(chǎn)生光電信號(hào)。 （4）雪崩光電極管（APD）。以上討論的光電二極管都是沒(méi)

51、有內(nèi)部增益的，即增益。這里討論的雪崩二極管是有內(nèi)部增益的，增益可達(dá)102104。它是利用雪崩管在高的反向偏壓下發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)而制成的光電探測(cè)器。 光電流增益的大小用倍增因子M表示。實(shí)驗(yàn)表明，M隨反向偏壓V的變化可用加下的經(jīng)驗(yàn)公式近似表示APD的噪聲主要是散粒噪聲預(yù)熱噪聲，噪聲電流有效值可寫為11nBVMV1 2242nsbDeqKTfIeM FfRiii21111MFMrM r是電子和空穴電離概率VB為擊穿電壓，n為與材料有關(guān)的常數(shù)（5）Schottky勢(shì)壘光電二極管。這是一種由金屬和半導(dǎo)體接觸所制成的光電二極管，所以這種光電二極管也稱為金屬半導(dǎo)體光電二極管。 要求反偏壓工作，光從金屬一側(cè)入

52、射。為使透光性好，金屬是用真空鍍膜技術(shù)制成的金屬膜，厚度只有幾十埃。(6) 光電三極管。光電三極管具有內(nèi)增益，但獲得內(nèi)增益的途徑不是雪崩效應(yīng)，而是利用一般晶體管的電流放大原理。 工作原理：基區(qū)和集電區(qū)處于反向偏壓狀態(tài)，內(nèi)建電場(chǎng)從集電區(qū)指向基區(qū)。光照基區(qū)，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，光生電子在內(nèi)電場(chǎng)作用下漂移到集電區(qū)，空穴留在基區(qū)，使基區(qū)電位升高，這相當(dāng)于EB結(jié)上加了個(gè)正偏壓，基極電位升高，發(fā)射極便有大量電子經(jīng)基極流向集電極，最后形成光電流。光電流隨光照強(qiáng)弱而變化。(7) InSb光伏探測(cè)器。InSb材料既可作光電導(dǎo)探測(cè)器，也可制成PN結(jié)光伏探測(cè)器。常以P型層表面作光照面，產(chǎn)生的少數(shù)載流子是電子，具有較大的

53、遷移率和擴(kuò)散長(zhǎng)度，這樣可以使大多數(shù)的光生少數(shù)載流子擴(kuò)散到PN結(jié)而形成光生電動(dòng)勢(shì)，因而可使靈敏度較高。是在35um波段內(nèi)常用的高性能紅外探測(cè)器。（8）HGCdTe光伏探測(cè)器。近20年來(lái)在紅外探測(cè)器方面最卓越約成績(jī)是HgCdTe探測(cè)器的研制成功及投入使用。和光電導(dǎo)型HgCdTe一樣，可采用半導(dǎo)體合金法將化合物CdTe和HgTe合成Hg1xCdxTe合金。若在P型HgCdTe中將Hg擴(kuò)散進(jìn)去，表面將形成N型層，從而構(gòu)成PN結(jié)，改變組份x就可以改變HgCdTe探測(cè)器的工作波段。（9）長(zhǎng)波長(zhǎng)紅外焦平面陣列。隨著軍事和遙感遙測(cè)科學(xué)的發(fā)展，對(duì)由大量單元紅外探測(cè)器構(gòu)成的高密度焦平面陣列的要求日益迫切，尤其使8

54、14m的長(zhǎng)波長(zhǎng)紅外波段的探測(cè)器對(duì)接近景物的目標(biāo)最為敏感，因此一直是紅外焦平面陣列研究的主要方向之一。 期望能利用成熟的工藝制作、波長(zhǎng)可調(diào)，并可將探測(cè)器與信號(hào)處理及讀出電路集成在同一芯片上的大面積長(zhǎng)波紅外焦平面陣列。此概念20世紀(jì)70年代提出，80年代分子束外延和金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積等工藝的發(fā)展，才成功地生長(zhǎng)出能制作長(zhǎng)波紅外探測(cè)器所必須的異質(zhì)結(jié)GexSi1-x/Si等偽合金及GexSi1-x-GexSi1-x/Si異質(zhì)結(jié)內(nèi)光發(fā)射的長(zhǎng)波紅外探測(cè)器陣列。 4.3.4 其它光子探測(cè)器簡(jiǎn)介其它光子探測(cè)器簡(jiǎn)介光子牽引探測(cè)器光子牽引探測(cè)器 光子牽引探測(cè)器是一種非勢(shì)壘光伏效應(yīng)探測(cè)器。它和HgCdTe光電二極管

55、一樣適用于10.6m的激光波長(zhǎng)探測(cè)。但是HgCdTe光電二極管只能在微弱光信號(hào)下使用，而光子牽引探測(cè)器則適用于強(qiáng)光探測(cè)。因此它廣泛用于CO2脈沖激光器輸出的探測(cè)。P型鍺的光子牽引探測(cè)器示意圖這種探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)快，可在損傷閾值高及室溫下工作，不需要電源。缺點(diǎn)是靈敏度低，典型器件的單位帶寬等效噪聲功率為103W，只有在強(qiáng)光下才能使用。光電磁探測(cè)器光電磁探測(cè)器 如圖448所示，將半導(dǎo)體置于強(qiáng)磁場(chǎng)中，當(dāng)半導(dǎo)體表面受到光輻射照射時(shí)，在表面產(chǎn)生電子空穴對(duì)，并且濃度逐漸增大，電子和空穴便向體內(nèi)擴(kuò)散，在擴(kuò)散過(guò)程中，受到強(qiáng)磁場(chǎng)的洛倫茲力的作用，使空穴和電子的偏轉(zhuǎn)方向相反，從而在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，阻礙著電

56、子和空穴的繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，如果這時(shí)將半導(dǎo)體兩端短路，則產(chǎn)生短路電流；開路時(shí)，則有開路電壓。這種現(xiàn)象叫做光電磁效應(yīng)。利用這種效應(yīng)制成的光電探測(cè)器叫做光電磁探測(cè)器（PME器件）。圖448 光電磁效應(yīng)圖449 PbPbOPb隧道結(jié)的伏安特性曲線3.Josephson結(jié)探測(cè)器結(jié)探測(cè)器 在兩超導(dǎo)薄膜之間被一層（厚約10）電介質(zhì)隔開，這種結(jié)構(gòu)稱為Jesephson結(jié)，或超導(dǎo)隧道結(jié)。若通過(guò)隧道結(jié)的電流小于某一臨界值，在結(jié)上沒(méi)有電位降，則在隧道結(jié)的伏安特性曲線中存在一個(gè)零電壓的電流。若通過(guò)隧道結(jié)的電流超過(guò)這個(gè)臨界值，在結(jié)上將產(chǎn)生電位降，這時(shí)在伏安特性曲線中，將沿著測(cè)量負(fù)載線跳到正常電子隧道的曲線上，如圖449所示。

57、這種在隧道結(jié)中有隧道電流通過(guò)而不產(chǎn)生電位降的現(xiàn)象，稱之為直流Josephson效應(yīng)。若在隧道結(jié)上維持一個(gè)有限的電位降V，在隧道結(jié)兩超導(dǎo)體之間將有一個(gè)頻率為f的交流電流通過(guò)，頻率f和電壓V之間有下述關(guān)系 若隧道結(jié)受到光輻射照射時(shí)，在一系列分立的電壓值上可以感應(yīng)出額外的直流電流，則在隧道結(jié)的直流伏安特性曲線上，出現(xiàn)常電壓電流階梯現(xiàn)象。階梯處的電壓Vn和外加輻照信號(hào)頻率f的關(guān)系為2 /fe h V2/nnfehVn為階梯級(jí)數(shù)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，由于隧道結(jié)受到輻射照射時(shí)，在結(jié)上可以感應(yīng)出交流電壓，而這交流電壓反過(guò)來(lái)對(duì)結(jié)上的Josephson電流進(jìn)行調(diào)制，從而產(chǎn)生許多使電流增大的邊帶。利用Josep

58、hson結(jié)效應(yīng)可以研制出從射頻到遠(yuǎn)紅外的寬廣頻率范圍內(nèi)、靈敏度為皮瓦的探測(cè)器。在射電天文、毫米波通信等方面有實(shí)際應(yīng)用。E為電子電荷，h為普朗克常數(shù)4.4 熱探測(cè)器熱探測(cè)器 熱探測(cè)器對(duì)輻射的響應(yīng)和光子探測(cè)器不同。它基于材料吸收了光輻射能量以后溫度升高的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象稱為光熱效應(yīng)，光熱效應(yīng)的特點(diǎn)是入射光輻射與物質(zhì)中的晶格相互作用，晶格因吸收光能而增加振動(dòng)能量，這與光子將能量直接轉(zhuǎn)移給電子的光電效應(yīng)有本質(zhì)的不同。光熱效應(yīng)與入射的光子的性質(zhì)沒(méi)有關(guān)系，取決于入射輻射功率而與入射輻射的光譜成分無(wú)關(guān)，即對(duì)入射輻射的響應(yīng)無(wú)波長(zhǎng)選擇性。 光熱效應(yīng)可以產(chǎn)生溫差電效應(yīng)、電阻率變化效應(yīng)、自發(fā)極化強(qiáng)度的變化效應(yīng)、氣體體

59、積和壓強(qiáng)的變化效應(yīng)等等，利用這些效應(yīng)可制作各種熱探測(cè)器。1.溫差熱電偶和熱電堆溫差熱電偶和熱電堆 在用不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成的具有溫度梯度的電路中，會(huì)有電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，這就是溫差電勢(shì)。 （1）塞貝克（Seebeck）效應(yīng)。當(dāng)由兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成閉合回路的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)置于不同溫度（兩結(jié)點(diǎn)間的溫差為時(shí)），在兩點(diǎn)之間就產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)V12，這個(gè)電動(dòng)勢(shì)在閉合回路中引起連續(xù)電流，這種現(xiàn)象稱為塞貝克效應(yīng)。定義溫差電動(dòng)勢(shì)率為 （2）珀耳帖（Peltier）效應(yīng)。珀耳帖應(yīng)被認(rèn)為是塞貝克效應(yīng)的逆效應(yīng)。當(dāng)電流流過(guò)兩個(gè)不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成的回路的時(shí)，除產(chǎn)生不可逆的焦耳熱外，在不同的節(jié)點(diǎn)處分別出現(xiàn)吸熱、放熱現(xiàn)象

60、。這一效應(yīng)是熱力學(xué)可逆的。熱交換速率與通過(guò)的電流成正比，這種現(xiàn)象稱為珀耳帖效應(yīng)。在每一接頭上熱量流出率或流入率與通過(guò)的電流I間的關(guān)系可表示為TVaT12012limdTaVTT12120IdtdQ1212為比例系數(shù)Peltier系數(shù) （3）湯姆遜（Tomson）效應(yīng)。在單一均質(zhì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體中存在著與珀耳帖效應(yīng)相同的現(xiàn)象。如果通有電流的材料有溫差存在，也就是說(shuō)，當(dāng)電流通過(guò)具有一定溫度梯度的均質(zhì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體時(shí)，就會(huì)可逆地吸收熱或放出熱，這一現(xiàn)象稱為湯姆遜效應(yīng)。單位時(shí)間單位體積吸收或放出的熱量為IdxdTdtdQ1212為Tomson系數(shù)光輻射入射到導(dǎo)體或半導(dǎo)體上便產(chǎn)生溫度梯度，從而產(chǎn)生溫差電勢(shì)，由