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光電探測(cè)器能把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。根據(jù)器件對(duì)輻射響應(yīng)的方式不同或者說器件工作的機(jī)理不同,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。

光電探測(cè)器件的應(yīng)用選擇,實(shí)際上是應(yīng)用時(shí)的一些事項(xiàng)或要點(diǎn)。在很多要求不太嚴(yán)格的應(yīng)用中,可采用任何一種光電探測(cè)器件。不過在某些情況下,選用某種器件會(huì)更合適些。例如,當(dāng)需要比較大的光敏面積時(shí),可選用真空光電管,因其光譜響應(yīng)范圍比較寬,故真空光電管普遍應(yīng)用于分光光度計(jì)中。當(dāng)被測(cè)輻射信號(hào)微弱、要求響應(yīng)速度較高時(shí),采用光電倍增管最合適,因?yàn)槠浞糯蟊稊?shù)可達(dá)10^4~10^8以上,這樣高的增益可使其信號(hào)超過輸出和放大線路內(nèi)的噪聲分量,使得對(duì)探測(cè)器的限制只剩下光陰極電流中的統(tǒng)計(jì)變化。因此,在天文學(xué)、光譜學(xué)、激光測(cè)距和閃爍計(jì)數(shù)等方面,光電倍增管得到廣泛應(yīng)用。

固體光電探測(cè)器用途非常廣。CdS光敏電阻因其成本低而在光亮度控制(如照相自動(dòng)曝光)中得到采用;光電池是固體光電器件中具有最大光敏面積的器件,它除用做探測(cè)器件外,還可作太陽(yáng)能變換器;硅光電二極管體積小、響應(yīng)快、可靠性高,而且在可見光與近紅外波段內(nèi)有較高的量子效率,因而在各種工業(yè)控制中獲得應(yīng)用。硅雪崩管由于增益高、響應(yīng)快、噪聲小,因而在激光測(cè)距與光纖通信中普遍采用。

photoconductive detector 利用半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種光探測(cè)器件。所謂光電導(dǎo)效應(yīng),是指由輻射引起被照射材料電導(dǎo)率改變的一種物理現(xiàn)象。光電導(dǎo)探測(cè)器在軍事和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域有廣泛用途。在可見光或近紅外波段主要用于射線測(cè)量和探測(cè)、工業(yè)自動(dòng)控制、光度計(jì)量等;在紅外波段主要用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、紅外熱成像、紅外遙感等方面。光電導(dǎo)體的另一應(yīng)用是用它做攝像管靶面。為了避免光生載流子擴(kuò)散引起圖像模糊,連續(xù)薄膜靶面都用高阻多晶材料,如PbS-PbO、Sb2S3等。其他材料可采取鑲嵌靶面的方法,整個(gè)靶面由約10萬(wàn)個(gè)單獨(dú)探測(cè)器組成。

1873年,英國(guó)W.史密斯發(fā)現(xiàn)硒的光電導(dǎo)效應(yīng),但是這種效應(yīng)長(zhǎng)期處于探索研究階段,未獲實(shí)際應(yīng)用。第二次世界大戰(zhàn)以后,隨著半導(dǎo)體的發(fā)展,各種新的光電導(dǎo)材料不斷出現(xiàn)。在可見光波段方面,到50年代中期,性能良好的硫化鎘、硒化鎘光敏電阻和紅外波段的硫化鉛光電探測(cè)器都已投入使用。60年代初,中遠(yuǎn)紅外波段靈敏的Ge、Si摻雜光電導(dǎo)探測(cè)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(鍺摻金)和Ge:Hg光電導(dǎo)探測(cè)器。60年代末以后,HgCdTe、PbSnTe等可變禁帶寬度的三元系材料的研究取得進(jìn)展。 工作原理和特性 光電導(dǎo)效應(yīng)是內(nèi)光電效應(yīng)的一種。當(dāng)照射的光子能量hv等于或大于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg時(shí),光子能夠?qū)�價(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶,從而產(chǎn)生導(dǎo)電的電子、空穴對(duì),這就是本征光電導(dǎo)效應(yīng)。這里h是普朗克常數(shù),v是光子頻率,Eg是材料的禁帶寬度(單位為電子伏)。因此,本征光電導(dǎo)體的響應(yīng)長(zhǎng)波限λc為 λc=hc/Eg=1.24/Eg (μm) 式中 c為光速。本征光電導(dǎo)材料的長(zhǎng)波限受禁帶寬度的限制。

在60年代初以前還沒有研制出適用的窄禁帶寬度的半導(dǎo)體材料,因而人們利用非本征光電導(dǎo)效應(yīng)。Ge、Si等材料的禁帶中存在各種深度的雜質(zhì)能級(jí),照射的光子能量只要等于或大于雜質(zhì)能級(jí)的離化能,就能夠產(chǎn)生光生自由電子或自由空穴。非本征光電導(dǎo)體的響應(yīng)長(zhǎng)波限λ由下式求得 λc=1.24/Ei 式中Ei代表雜質(zhì)能級(jí)的離化能。到60年代中后期,Hg1-xCdxTe、PbxSn1-xTe、PbxSn1-xSe等三元系半導(dǎo)體材料研制成功,并進(jìn)入實(shí)用階段。它們的禁帶寬度隨組分x值而改變,例如x=0.2的HG0.8Cd0.2Te材料,可以制成響應(yīng)波長(zhǎng)為 8~14微米大氣窗口的紅外探測(cè)器。它與工作在同樣波段的Ge:Hg探測(cè)器相比有如下優(yōu)點(diǎn):

工作溫度高(高于77K),使用方便,而Ge:Hg工作溫度為38K;本征吸收系數(shù)大,樣品尺寸小;易于制造多元器件。表1和表2分別列出部分半導(dǎo)體材料的Eg、Ei和λc值。

通常,凡禁帶寬度或雜質(zhì)離化能合適的半導(dǎo)體材料都具有光電效應(yīng)。但是制造實(shí)用性器件還要考慮性能、工藝、價(jià)格等因素。常用的光電導(dǎo)探測(cè)器材料在射線和可見光波段有:CdS、CdSe、CdTe、Si、Ge等;在近紅外波段有:PbS、InGaAs、PbSe、InSb、Hg0.75Cd0.25Te等;在長(zhǎng)于8微米波段有:Hg1-xCdxTe、PbxSn1-x、Te、Si摻雜、Ge摻雜等;CdS、CdSe、PbS等材料可以由多晶薄膜形式制成光電導(dǎo)探測(cè)器。 可見光波段的光電導(dǎo)探測(cè)器 CdS、CdSe、CdTe 的響應(yīng)波段都在可見光或近紅外區(qū)域,通常稱為光敏電阻。它們具有很寬的禁帶寬度(遠(yuǎn)大于1電子伏),可以在室溫下工作,因此器件結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,一般采用半密封式的膠木外殼,前面加一透光窗口,后面引出兩根管腳作為電極。高溫、高濕環(huán)境應(yīng)用的光電導(dǎo)探測(cè)器可采用金屬全密封型結(jié)構(gòu),玻璃窗口與可伐金屬外殼熔封。

器件靈敏度用一定偏壓下每流明輻照所產(chǎn)生的光電流的大小來(lái)表示。例如一種CdS光敏電阻,當(dāng)偏壓為70伏時(shí),暗電流為10-6~10-8安,光照靈敏度為3~10安/流明。CdSe光敏電阻的靈敏度一般比 CdS高。光敏電阻另一個(gè)重要參數(shù)是時(shí)間常數(shù) τ,它表示器件對(duì)光照反應(yīng)速度的大小。光照突然去除以后,光電流下降到最大值的 1/e(約為37%)所需的時(shí)間為時(shí)間常數(shù) τ。也有按光電流下降到最大值的10%計(jì)算τ的;各種光敏電阻的時(shí)間常數(shù)差別很大。CdS的時(shí)間常數(shù)比較大(毫秒量級(jí))。 紅外波段的光電導(dǎo)探測(cè)器 PbS、Hg1-xCdxTe 的常用響應(yīng)波段在 1~3微米、3~5微米、8~14微米三個(gè)大氣透過窗口。由于它們的禁帶寬度很窄,因此在室溫下,熱激發(fā)足以使導(dǎo)帶中有大量的自由載流子,這就大大降低了對(duì)輻射的靈敏度。

響應(yīng)波長(zhǎng)越長(zhǎng)的光,電導(dǎo)體這種情況越顯著,其中1~3微米波段的探測(cè)器可以在室溫工作(靈敏度略有下降)。3~5微米波段的探測(cè)器分三種情況:

在室溫下工作,但靈敏度大大下降,探測(cè)度一般只有1~7×108厘米·瓦-1·赫;熱電致冷溫度下工作(約-60℃),探測(cè)度約為109厘米·瓦-1·赫;77K或更低溫度下工作,探測(cè)度可達(dá)1010厘米·瓦-1·赫以上。8~14微米波段的探測(cè)器必須在低溫下工作,因此光電導(dǎo)體要保持在真空杜瓦瓶中,冷卻方式有灌注液氮和用微型制冷器兩種。

紅外探測(cè)器的時(shí)間常數(shù)比光敏電阻小得多,PbS探測(cè)器的時(shí)間常數(shù)一般為50~500微秒,HgCdTe探測(cè)器的時(shí)間常數(shù)在10-6~10-8秒量級(jí)。紅外探測(cè)器有時(shí)要探測(cè)非常微弱的輻射信號(hào),例如10-14 瓦;輸出的電信號(hào)也非常小,因此要有專門的前置放大器。

在動(dòng)態(tài)特性(即頻率響應(yīng)與時(shí)間響應(yīng))方面,以光電倍增管和光電二極管(尤其是PIN管與雪崩管)為最好;在光電特性(即線性)方面,以光電倍增管、光電二極管和光電池為最好;在靈敏度方面,以光電倍增管、雪崩光電二極管、光敏電阻和光電三極管為最好。值得指出的是,靈敏度高不一定就是輸出電流大,而輸出電流大的器件有大面積光電池、光敏電阻、雪崩光電二極管和光電三極管;外加偏置電壓最低的是光電二極管、光電三極管,光電池不需外加偏置;在暗電流方面,光電倍增管和光電二極管最小,光電池不加偏置時(shí)無(wú)暗電流,加反向偏置后暗電流也比光電倍增管和光電二極管大;長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性方面,以光電二極管、光電池為最好,其次是光電倍增管與光電三極管;在光譜響應(yīng)方面,以光電倍增管和CdSe光敏電阻為最寬,但光電倍增管響應(yīng)偏紫外方向,而光敏電阻響應(yīng)偏紅外方向。

光電探測(cè)器的工作原理是基于光電效應(yīng),熱探測(cè)器基于材料吸收了光輻射能量后溫度升高,從而改變了它的電學(xué)性能,它區(qū)別于光子探測(cè)器的最大特點(diǎn)是對(duì)光輻射的波長(zhǎng)無(wú)選擇性。

光電子發(fā)射器件:光電管與光電倍增管是典型的光電子發(fā)射型(外光電效應(yīng))探測(cè)器件。其主要特點(diǎn)是靈敏度高,穩(wěn)定性好,響應(yīng)速度快和噪聲小,是一種電流放大器件。尤其是光電倍增管具有很高的電流增益,特別適于探測(cè)微弱光信號(hào);但它結(jié)構(gòu)復(fù)雜,工作電壓高,體積較大。

光電倍增管一般用于測(cè)弱輻射而且響應(yīng)速度要求較高的場(chǎng)合,如人造衛(wèi)星的激光測(cè)距儀、光雷達(dá)等。

光電導(dǎo)器件:利用具有光電導(dǎo)效應(yīng)的半導(dǎo)體材料做成的光電探測(cè)器稱為光電導(dǎo)器件,通常叫做光敏電阻。在可見光波段和大氣透過的幾個(gè)窗口,即近紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅外波段,都有適用的光敏電阻。光敏電阻被廣泛地用于光電自動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)、光電跟蹤系統(tǒng)、導(dǎo)彈制導(dǎo)、紅外光譜系統(tǒng)等。

硫化鎘CdS和硒化鎘CdSe光敏電阻是可見光波段用得最多的兩種光敏電阻;硫化鉛PbS光敏電阻是工作于大氣第一個(gè)紅外透過窗口的主要光敏電阻,室溫工作的PbS光敏電阻響應(yīng)波長(zhǎng)范圍1.0~3.5微米,峰值響應(yīng)波長(zhǎng)2.4 微米左右;銻化銦InSb光敏電阻主要用于探測(cè)大氣第二個(gè)紅外透過窗口,其響應(yīng)波長(zhǎng)3~5μm;碲鎘汞器件的光譜響應(yīng)在8~14 微米,其峰值波長(zhǎng)為10.6微米,與CO2激光器的激光波長(zhǎng)相匹配,用于探測(cè)大氣第三個(gè)窗口(8~14微米)°

為了提高傳輸效率并且無(wú)畸變地變換光電信號(hào),光電探測(cè)器不僅要和被測(cè)信號(hào)、光學(xué)系統(tǒng)相匹配,而且要和后續(xù)的電子線路在特性和工作參數(shù)上相匹配,使每個(gè)相互連接的器件都處于最佳的工作狀態(tài)�，F(xiàn)將光電探測(cè)器件的應(yīng)用選擇要點(diǎn)歸納如下:

光電探測(cè)器必須和輻射信號(hào)源及光學(xué)系統(tǒng)在光譜特性上相匹配。如果測(cè)量波長(zhǎng)是紫外波段,則選用光電倍增管或?qū)ｉT的紫外光電半導(dǎo)體器件;如果信號(hào)是可見光,則可選用光電倍增管、光敏電阻和Si光電器件;如果是紅外信號(hào),則選用光敏電阻,近紅外選用Si光電器件或光電倍增管;

光電探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換特性必須和入射輻射能量相匹配。其中首先要注意器件的感光面要和照射光匹配好,因光源必須照到器件的有效位置,如光照位置發(fā)生變化,則光電靈敏度將發(fā)生變化。如光敏電阻是一個(gè)可變電阻,有光照的部分電阻就降低,必須使光線照在兩電極間的全部電阻體上,以便有效地利用全部感光面。光電二極管、光電三極管的感光面只是結(jié)附近的一個(gè)極小的面積,故一般把透鏡作為光的入射窗,要把透鏡的焦點(diǎn)與感光的靈敏點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)。一定要使入射通量的變化中心處于檢測(cè)器件光電特性的線性范圍內(nèi),以確保獲得良好的線性輸出。對(duì)微弱的光信號(hào),器件必須有合適的靈敏度,以確保一定的信噪比和輸出足夠強(qiáng)的電信號(hào);

光電探測(cè)器必須和光信號(hào)的調(diào)制形式、信號(hào)頻率及波形相匹配,以保證得到?jīng)]有頻率失真的輸出波形和良好的時(shí)間響應(yīng)。這種情況主要是選擇響應(yīng)時(shí)間短或上限頻率高的器件,但在電路上也要注意匹配好動(dòng)態(tài)參數(shù);

光電探測(cè)器必須和輸入電路在電特性上良好地匹配,以保證有足夠大的轉(zhuǎn)換系數(shù)、線性范圍、信噪比及快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)等;

為使器件能長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠地工作,必須注意選擇好器件的規(guī)格和使用的環(huán)境條件,并且要使器件在額定條件下使用;