1、第二章 光谱仪及弱信号检测仪主讲教师：许立新第四节 光电探测器光探测器是指利用光子效应或光热效应把光辐射量转换成另一种便于测量的物理量的器件。从测量技术看，电量到目前为止是最方便、最精确的。所以大多数光探测器都是把光辐射量转换成电量来实现对光辐射的探测。即使直接转换量不是电量，通常也总是把非电量（如温度、体积等）在转换成电量来实施测量第四节 光电探测器光电探测器以光子作为信息载体的器件，应用它来探测、处理光子信息在本质上具有极高的信息容量、极快的处理速度、极强的和无交叉干扰的信号幅度等特点。还具有并行互连处理能力，极大的存储能力和极高灵敏的探测能力等。第四节 光电探测器光电探测器主要有光电子发
2、射探测器与半导体探测器光电子发射探测器主要有光电倍增管和微通道管光电子发射探测器主要有光电倍增管和微通道管探测器探测器半导体探测器有：半导体二极管型光电探测器、红外探测器、固体成像探测器等几种。第四节 光电探测器半导体二极管型光电探测器主要有半导体二极管型光电探测器主要有 PINPIN 和和 APDAPD。红外探测器是指能工作在红外探测器是指能工作在 1 1 m 3m 3 m,3 m,3 m m 5 5 m,8m,8 m 14 m 14 mm 波段的波段的 HgCdTeHgCdTe 和和GaInAsSbGaInAsSb 单元、多元及焦平面阵列。单元、多元及焦平面阵列。固体成像器件可分为可见光、
3、优势互补的混合型固体成像器件可分为可见光、优势互补的混合型微光、红外阵列探测器。由于这类器件所成微光、红外阵列探测器。由于这类器件所成图像不存在图形扭折，易于信息处理，因此图像不存在图形扭折，易于信息处理，因此在实现各种高速图像处理等方面得到广泛应在实现各种高速图像处理等方面得到广泛应用。用。第四节 光电探测器inpRPI光电探测器基本表征参数光电探测器基本表征参数响应度响应度 R高响应度等效于探测器的高灵敏度高响应度等效于探测器的高灵敏度量子效率量子效率RqhhPqinpI入射光子数对入射光产生的电子空穴电容电容与探测器面积和反向偏置电压有关与探测器面积和反向偏置电压有关响应时间响应时间探测
4、器对入射光产生响应并形成外电流所需时间响应时间受暗电流、噪声、线性度、后向反射及边沿效响应时间受暗电流、噪声、线性度、后向反射及边沿效应影响应影响产生光电流主要有两个区域：耗尽区和耗尽区以外的掺杂半产生光电流主要有两个区域：耗尽区和耗尽区以外的掺杂半导体，入射光先进入掺杂半导体，然后再进入耗尽区，导体，入射光先进入掺杂半导体，然后再进入耗尽区，耗尽区产生的光电子通过漂移形成电流为快响应，掺杂耗尽区产生的光电子通过漂移形成电流为快响应，掺杂区域产生的光电子通过扩散形成光电流，扩散的速率比区域产生的光电子通过扩散形成光电流，扩散的速率比漂移要慢，形成边沿效应漂移要慢，形成边沿效应第四节 光电探测器
5、第四节 光电探测器第四节 光电探测器一、光电倍增管一、光电倍增管光电效应与电子倍增发射光电效应与电子倍增发射第四节 光电探测器一、光电倍增管一、光电倍增管光电效应与电子倍增发射光电效应与电子倍增发射第四节 光电探测器第四节 光电探测器第四节 光电探测器第四节 光电探测器半导体探测器半导体探测器PN耗尽层VA p-n diodes deficiencies are related to the fact that the depletion area(active detection area)is small;many electron-hole pairs recombine before
6、they can create a current in the external circuit.光电二极管实际上是一个加了反向偏压的 pn 结n 型p 型耗尽层耗尽层当反向偏压足够大时耗尽区自由载流子被完全耗尽pnpin 光电二极管的结构加反向偏置电压后形成一个很宽的耗尽层高掺杂 p+型高掺杂 n+型i(本征)层：低掺杂 n 型耗尽区P(x)xpin)1()()(0 xsePxP在半导体材料中光功率的吸收呈指数规律：其中 s()为材料对波长的吸收系数，P0是入射光功率，P(x)是光在耗尽区中经过距离 x 后被吸收的功率pin 的光吸收xseP)(0光损耗不同材料吸收系数s()与波长的关系截
7、止波长c由其带隙能量Eg决定：c=hc/Eg(1)入射 截止hv入射不足以激励出电子(2)入射 截止材料对光子开始吸收(3)入射 截止材料吸收强烈(s很大)光的透射力变得很弱第四节 光电探测器In PIN,the depleted region is made as large as possible.A lightly doped intrinsic layer separates the more heavily doped p-types and n-types.第四节 光电探测器The avalanche photodiode(APD)operates as the primary c
8、arriers,the free electrons and holes created by absorbed photons,accelerate,gaining several electron Volts of kinetic energy.A collision of these fast carriers with neutral atoms causes the accelerated carriers to use some of their own energy to help the bound electrons break out of the valence shel
9、l.Free electron-hole pairs,called secondary carriers,appear.Collision ionization is the name for the process that creates these secondary carriers.雪崩二极管(APD)在光生电流尚未遇到后续电路的热噪声时已经在高电场的雪崩区中得到放大，因此有助于提高接收机灵敏度第四节 光电探测器第四节 光电探测器As primary carriers create secondary carriers,the secondary carriers themselve
10、s accelerate and create new carriers.Collectively,this process is known as photomultiplication.Typical multiplication ranges in the tens and hundreds.For example,a multiplication factor of eighty means that,on average,eighty external electrons flow for every photon of light absorbed.第四节 光电探测器APDs re
11、quire high-voltage power supplies for their operation.The voltage can range from 30 or 70 Volts for InGaAs APDs to over 300 Volts for Si APDs.APDs are very temperature sensitive,Add complicating circuit requirements.第四节 光电探测器In general,APDs are only useful for digital systems because they possess ve
12、ry poor linearity.Because of the added circuit complexity and the high voltages that the parts are subjected to,APDs are always less reliable than PIN detectors.This,added to the fact that at lower data rates,PIN detector-based receivers can almost match the performance of APD-based receivers,makes
13、PIN detectors the first choice for most deployed low-speedsystems.At multigigabit data rates,however,APDs rule supreme.第四节 光电探测器ParameterPIN PhotodiodesAPDsConstruction MaterialsSi,Ge,InGaAsSi,Ge,InGaAsBandwidthDC to 40+GHzDC to 40+GHzWavelength0.6 to 1.8 m0.6 to 1.8 mConversion Efficiency0.5 to 1.0
14、 Amps/Watt0.5 to 100 Amps/WattSupport Circuitry RequiredNoneHigh Voltage,Temperature StabilizationCost(Fiber Ready)$1 to$500$100 to$2,000 红外探测器的发展史红外探测器的发展史第四节 光电探测器Wavelength Range 950-1650 nm 3-dB Bandwidth 25 GHz Rise Time 17 ps Maximum Conversion Gain 15 V/W Typical Maximum Responsivity 0.6 A/W
15、Output Impedance 50 cw Saturation Power 2 mW Maximum Pulse Power 100 mW Detector Material/Type InGaAs/Schottky Detector Diameter 25 m 第四节 光电探测器第四节 光电探测器第四节 光电探测器第四节 光电探测器电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD）第四节 光电探测器电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD）第四节 光电探测器电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD）第四节 光电探测器电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD）第四节 光电探测器电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD）第四节
16、光电探测器电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD）第四节 光电探测器电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD）第四节 光电探测器CCD 光学多道分析器工作原理 光学多道分析器工作原理 现在对光谱的采集与分析已广泛应用现在对光谱的采集与分析已广泛应用 CCD 光学多道分析光学多道分析器。它主要由摄谱仪、器。它主要由摄谱仪、CCD 探测器（包括相关电路）和计算机组探测器（包括相关电路）和计算机组成。成。CCD 探测器是一种具有多个光敏元的列阵光电探测器件，它探测器是一种具有多个光敏元的列阵光电探测器件，它兼有光电转换、信号存贮以及信号传输（即自扫描）的功能。在结兼有光电转换、信号存贮以及信号传输（即自扫描）
17、的功能。在结构上，构上，CCD 器件是由一系列排列很紧密的器件是由一系列排列很紧密的 MOS 电容器列阵组成。电容器列阵组成。在光的照射下，能量大于半导体禁带宽度的那些光子将在在光的照射下，能量大于半导体禁带宽度的那些光子将在 MOS 电电容中产生电子空对，且产生的电子数正比于光强，因而可用容中产生电子空对，且产生的电子数正比于光强，因而可用 CCD进行空间光强分布的探测。使用一维进行空间光强分布的探测。使用一维 CCD 器件（或称线阵）作光器件（或称线阵）作光探测器时，若将探测器时，若将 CCD 列阵置于摄谱仪焦平面上，则不同波长的光列阵置于摄谱仪焦平面上，则不同波长的光将在将在 CCD 的
18、不同的不同 MOS 电容（光敏元）上产生光电电荷包，各电电容（光敏元）上产生光电电荷包，各电荷包中电荷多少与入射到该光敏元上的光强成线性关系。荷包中电荷多少与入射到该光敏元上的光强成线性关系。CCD 列阵被置于摄谱仪焦平面上，在专用驱动电源产生的驱列阵被置于摄谱仪焦平面上，在专用驱动电源产生的驱动脉冲作用下，动脉冲作用下，CCD 中光电信号被移出该器件，经放大和采样保中光电信号被移出该器件，经放大和采样保存后，光谱信号被送入模数变换器（存后，光谱信号被送入模数变换器（A/D），计算机用于采集），计算机用于采集A/D 变换器输出电信号，并对光谱数据进行处理，给出所要数据。变换器输出电信号，并对光
19、谱数据进行处理，给出所要数据。风云二号风云二号A 星星 红外通道:10.5-12.5 6.2-7.6分辨率:5 公里探测器:HgCdTe红外探测器对人类的影响红外探测器对人类的影响 红外探测器打破了人眼只可以看红外探测器打破了人眼只可以看到可见光的局限性，拓宽了人们的视野和观到可见光的局限性，拓宽了人们的视野和观察事物的方法，同时也给人们带来了具大的察事物的方法，同时也给人们带来了具大的经济效益。但在军事方面的应用却拉大了发经济效益。但在军事方面的应用却拉大了发展中国家和发达国家的军事差距。谁掌握了展中国家和发达国家的军事差距。谁掌握了先进的科技，谁就掌握了战争的主动权。先进的科技，谁就掌握了战争的主动权。
