光电探测器的工作原理分析

2016-10-17 09:17:13来源: elecfans
 

  光电探测器是一种能够将光辐射转换成电量的一个器件,它利用这个特性可以进行显示及控制的功能。光探测器可以代替人眼,而且由于具有光谱响应范围宽的特点,光探测器亦是人眼的一个延伸。光电探测器利用被照射材料由于辐射的关系电导率发生改变的物理特点,它的用途比较广泛,主要应用在军事及国名经济的各个领域上。光电探测器的应用有哪些?光电探测器在红外波段中的应用主要在红外热成像、导弹制造及红外遥感等一些方面;在可见光或近红外波段中的应用主要在在工业自动控制、光度计量及射线测量和探测等方面。接下来小编将会为您详细的介绍这方面的知识,相信一定会帮助您更好的了解光电探测器。

  光电探测器,从其字面意思来看,相信大家都能猜到,这种探测器能够将光信号转化为电信号。光电探测器的分类有好多种,根据器件工作原理的不同或者根据器件对辐射响应方式的不同,光电探测器一般分为两大类,一种是热探测器,还有一种是光子探测器。

  光电探测器的工作原理

  光电探测器的工作原理是基于光电效应,热探测器基于材料吸收了光辐射能量后温度升高,从而改变了它的电学性能,它区别于光子探测器的最大特点是对光辐射的波长无选择性。

  光电导器件:利用具有光电导效应的半导体材料做成的光电探测器称为光电导器件,通常叫做光敏电阻。在可见光波段和大气透过的几个窗口,即近红外、中红外和远红外波段,都有适用的光敏电阻。光敏电阻被广泛地用于光电自动探测系统、光电跟踪系统、导弹制导、红外光谱系统等。

  光电子发射器件:光电管与光电倍增管是典型的光电子发射型(外光电效应)探测器件。其主要特点是灵敏度高,稳定性好,响应速度快和噪声小,是一种电流放大器件。尤其是光电倍增管具有很高的电流增益,特别适于探测微弱光信号;但它结构复杂,工作电压高,体积较大。光电倍增管一般用于测弱辐射而且响应速度要求较高的场合,如人造卫星的激光测距仪、光雷达等。

  硫化镉CdS和硒化镉CdSe光敏电阻是可见光波段用得最多的两种光敏电阻;硫化铅PbS光敏电阻是工作于大气第一个红外透过窗口的主要光敏电阻,室温工作的PbS光敏电阻响应波长范围1.0~3.5微米,峰值响应波长2.4微米左右;锑化铟InSb光敏电阻主要用于探测大气第二个红外透过窗口,其响应波长3~5μm;碲镉汞器件的光谱响应在8~14微米,其峰值波长为10.6微米,与CO2激光器的激光波长相匹配,用于探测大气第三个窗口(8~14微米)。

  光电探测器的应用

  photoconductivedetector利用半导体材料的光电导效应制成的一种光探测器件。所谓光电导效应,是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。光电导探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等;在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。光电导体的另一应用是用它做摄像管靶面。为了避免光生载流子扩散引起图像模糊,连续薄膜靶面都用高阻多晶材料,如PbS-PbO、Sb2S3等。其他材料可采取镶嵌靶面的方法,整个靶面由约10万个单独探测器组成。

  1873年,英国W•史密斯发现硒的光电导效应,但是这种效应长期处于探索研究阶段,未获实际应用。第二次世界大战以后,随着半导体的发展,各种新的光电导材料不断出现。在可见光波段方面,到50年代中期,性能良好的硫化镉、硒化镉光敏电阻和红外波段的硫化铅光电探测器都已投入使用。

  60年代初,中远红外波段灵敏的Ge、Si掺杂光电导探测器研制成功,典型的例子是工作在3~5微米和8~14微米波段的Ge:Au(锗掺金)和Ge:Hg光电导探测器。60年代末以后,HgCdTe、PbSnTe等可变禁带宽度的三元系材料的研究取得进展。工作原理和特性光电导效应是内光电效应的一种。

  当照射的光子能量hv等于或大于半导体的禁带宽度Eg时,光子能够将价带中的电子激发到导带,从而产生导电的电子、空穴对,这就是本征光电导效应。这里h是普朗克常数,v是光子频率,Eg是材料的禁带宽度(单位为电子伏)。因此,本征光电导体的响应长波限λc为λc=hc/Eg=1.24/Eg(μm)式中c为光速。本征光电导材料的长波限受禁带宽度的限制。

  在60年代初以前还没有研制出适用的窄禁带宽度的半导体材料,因而人们利用非本征光电导效应。Ge、Si等材料的禁带中存在各种深度的杂质能级,照射的光子能量只要等于或大于杂质能级的离化能,就能够产生光生自由电子或自由空穴。非本征光电导体的响应长波限λ由下式求得λc=1.24/Ei式中Ei代表杂质能级的离化能。

  到60年代中后期,Hg1-xCdxTe、PbxSn1-xTe、PbxSn1-xSe等三元系半导体材料研制成功,并进入实用阶段。它们的禁带宽度随组分x值而改变,例如x=0。2的HG0。8Cd0。2Te材料,可以制成响应波长为8~14微米大气窗口的红外探测器。它与工作在同样波段的Ge:Hg探测器相比有如下优点:

  工作温度高(高于77K),使用方便,而Ge:Hg工作温度为38K;本征吸收系数大,样品尺寸小;易于制造多元器件。表1和表2分别列出部分半导体材料的Eg、Ei和λc值。

  通常,凡禁带宽度或杂质离化能合适的半导体材料都具有光电效应。但是制造实用性器件还要考虑性能、工艺、价格等因素。常用的光电导探测器材料在射线和可见光波段有:CdS、CdSe、CdTe、Si、Ge等;在近红外波段有:PbS、PbSe、InSb、Hg0。75Cd0。25Te等;在长于8微米波段有:Hg1-xCdxTe、PbxSn1-x、Te、Si掺杂、Ge掺杂等;CdS、CdSe、PbS等材料可以由多晶薄膜形式制成光电导探测器。

  可见光波段的光电导探测器CdS、CdSe、CdTe的响应波段都在可见光或近红外区域,通常称为光敏电阻。它们具有很宽的禁带宽度(远大于1电子伏),可以在室温下工作,因此器件结构比较简单,一般采用半密封式的胶木外壳,前面加一透光窗口,后面引出两根管脚作为电极。高温、高湿环境应用的光电导探测器可采用金属全密封型结构,玻璃窗口与可伐金属外壳熔封。

  器件灵敏度用一定偏压下每流明辐照所产生的光电流的大小来表示。例如一种CdS光敏电阻,当偏压为70伏时,暗电流为10-6~10-8安,光照灵敏度为3~10安/流明。CdSe光敏电阻的灵敏度一般比CdS高。

  光敏电阻另一个重要参数是时间常数τ,它表示器件对光照反应速度的大小。光照突然去除以后,光电流下降到最大值的1/e(约为37%)所需的时间为时间常数τ。也有按光电流下降到最大值的10%计算τ的;各种光敏电阻的时间常数差别很大。CdS的时间常数比较大(毫秒量级)。

  红外波段的光电导探测器PbS、Hg1-xCdxTe的常用响应波段在1~3微米、3~5微米、8~14微米三个大气透过窗口。由于它们的禁带宽度很窄,因此在室温下,热激发足以使导带中有大量的自由载流子,这就大大降低了对辐射的灵敏度。

  响应波长越长的光,电导体这种情况越显著,其中1~3微米波段的探测器可以在室温工作(灵敏度略有下降)。3~5微米波段的探测器分三种情况:

  在室温下工作,但灵敏度大大下降,探测度一般只有1~7×108厘米•瓦-1•赫;热电致冷温度下工作(约-60℃),探测度约为109厘米•瓦-1•赫;77K或更低温度下工作,探测度可达1010厘米•瓦-1•赫以上。8~14微米波段的探测器必须在低温下工作,因此光电导体要保持在真空杜瓦瓶中,冷却方式有灌注液氮和用微型制冷器两种。

  红外探测器的时间常数比光敏电阻小得多,PbS探测器的时间常数一般为50~500微秒,HgCdTe探测器的时间常数在10-6~10-8秒量级。红外探测器有时要探测非常微弱的辐射信号,例如10-14瓦;输出的电信号也非常小,因此要有专门的前置放大器。

  光电探测器的应用有哪些呢?以上就是小编在这方面为您做的一些介绍,通过上述文章的介绍,相信您对光电探测器已经有了比较深入的了解了吧。除此之外,光电探测器的应用选择也有一些讲究,在那些要求不是很严格的应用中,一般可以使用任何一种探测器。但是,在某些特定的情况下,就需要慎重选择光电探测器。


关键字:光电探测器  工作原理

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/article_2016101717753.html
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