光電檢測(cè)3-1 (2011)(探測(cè)器性能參數(shù).光電子器件)ppt

1、第二章 光輻射探測(cè)器,光電探測(cè)器的分類:,基于光電效應(yīng)原理的光子探測(cè)器,⑴ 光電子發(fā)射探測(cè)器⑵ 光伏探測(cè)器、⑶ 光電導(dǎo)探測(cè)器,特點(diǎn)：探測(cè)靈敏度高（探測(cè)能力，響應(yīng)波長(zhǎng)范圍，響應(yīng)速度） 對(duì)波長(zhǎng)探測(cè)選擇敏感； 多數(shù)工作在低溫環(huán)境下,,光電探測(cè)器的分類,基于光熱－熱電效應(yīng)原理的探測(cè)器,⑴ 熱電偶探測(cè)器⑵ 熱敏電阻探測(cè)器⑶ 熱釋電探測(cè)器,特點(diǎn)：探測(cè)靈敏度較低（探測(cè)能力，響應(yīng)波長(zhǎng)范圍，響應(yīng)速度）

2、 對(duì)波長(zhǎng)探測(cè)選擇不敏感； 多數(shù)工作在室溫環(huán)境下,,一)探測(cè)器的靈敏度特性,⑴ 探測(cè)器的量子效率,2.1 探測(cè)器的性能參數(shù),⑵響應(yīng)度,在入射輻射垂直投射到探測(cè)器響應(yīng)平面時(shí),,Rbb( Tb,f,Δf ) 黑體輻射,R( λ,f,Δf ) 單色光輻射,3）噪聲等效功率,4）探測(cè)度D和歸一化探測(cè)度D*,A：探測(cè)器面積， △ f：放大器帶寬,5)探測(cè)器的光譜響應(yīng),探測(cè)器的光譜響應(yīng)是指探測(cè)器靈敏度與

3、波長(zhǎng)間的關(guān)系，如：R(f,λ)∽λ;D*(λ,f )∽λ等,6）探測(cè)器的頻率響應(yīng),,R(0)：無(wú)調(diào)制時(shí)的直流相應(yīng),7）探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間,當(dāng)t=τ,當(dāng)t=τ,,,二） 噪聲的統(tǒng)計(jì)描述和探測(cè)器噪聲,1）噪聲的概念和分類,噪聲是有用信號(hào)以外的無(wú)用信號(hào)，噪聲是一種隨機(jī)信號(hào)，不可預(yù)知它的精確大小，但有其統(tǒng)計(jì)規(guī)律，只能用統(tǒng)計(jì)的理論和方法處理。,系統(tǒng)外部噪聲 由系統(tǒng)外部產(chǎn)生系統(tǒng)內(nèi)部噪聲 由系統(tǒng)內(nèi)部元件、電路產(chǎn)生,按噪聲的波形特征及變化規(guī)

4、律分脈沖噪聲和連續(xù)性噪聲，周期性噪聲和非周期性噪聲，平穩(wěn)性噪聲和非平穩(wěn)性噪聲； 按噪聲的幅度和頻譜分布狀況分有高斯噪聲和白噪聲。,二）探測(cè)器的噪聲,（1）散粒噪聲（散彈噪聲）,半導(dǎo)體中的產(chǎn)生－復(fù)合噪聲,噪聲帶寬：,,,0.707R (0),,,探測(cè)器或電路的電流的微粒流隨機(jī)起伏引起的噪聲,（2）熱噪聲（過(guò)剩噪聲）,（3）溫度噪聲（熱探測(cè)器）,（4）閃爍噪聲（電流噪聲、低頻噪聲,1/f噪聲）,α≈2， β ≈0.8~1.5,由于

5、導(dǎo)體中電子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的電流隨機(jī)起伏引起的噪聲,由于環(huán)境或器件溫度的隨機(jī)起伏引起的噪聲,與光輻射的調(diào)制頻率有關(guān)，與f成反比,熱導(dǎo),3）高斯噪聲和白噪聲,高斯噪聲 噪聲強(qiáng)度具有高斯分布的噪聲,白噪聲,噪聲功率譜按頻率均勻分布在整個(gè)頻率區(qū)間的噪聲，其功率譜記為：,,1）幾何參數(shù),視場(chǎng)角和立體角(致冷探測(cè)器和具有浸沒(méi)透鏡探測(cè)器）,定義權(quán)重立體角（θ是入射角）：響應(yīng)元的中心對(duì)光闌的張角的余弦,標(biāo)稱面積 An:廠商提供面積選用面積

6、 As:轉(zhuǎn)換能量的實(shí)際面積有效面積 Ae:整體響應(yīng)靈敏度與其最大值之比,三）探測(cè)器的幾何參數(shù)和使用參數(shù),2）探測(cè)器的電參數(shù),阻抗,偏置工作電壓：必須加偏壓；無(wú)偏壓（按工作原理不同）,3） 使用條件,工作溫度：為提高靈敏度，減低噪聲， 室溫；低溫,不同的探測(cè)器阻抗不同，要和放大器匹配,光電子發(fā)射探測(cè)器,真空光電二極管,光電倍增管,電子倍增器和微通道板,2.2 光電子發(fā)射探測(cè)器,1）金屬光電子發(fā)射

7、,,在某熱平衡溫度下，金屬中處在費(fèi)米能級(jí)E=EF上的電子，吸收光子能量hν后， 除去散射能量損失ΔE, 還克服表面勢(shì)壘EA 的能量，逸出金屬表面的現(xiàn)象,光電子所具有的最大動(dòng)能 ，,光電子發(fā)射的輻射極限頻率,如果 EF = 0,,2）半導(dǎo)體的光電子發(fā)射,本征半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu),W0=hν0=Eg+EA,雜質(zhì)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu),N半導(dǎo)體 Wn0 = EA+ΔEnP半導(dǎo)體 Wp0 = EA+Eg-ΔEp,,受主能級(jí),施主能級(jí),雜質(zhì)半導(dǎo)體的能帶

8、結(jié)構(gòu),EA 材料的親和勢(shì),負(fù)親合勢(shì)復(fù)合半導(dǎo)體,兩種材料未接觸前的能帶結(jié)構(gòu),兩種材料接觸后的能帶結(jié)構(gòu)形成了負(fù)電子親合勢(shì)(- EA),價(jià)帶,價(jià)帶,光電陰極的性能參數(shù),（1）光照靈敏度,陰極輸出光電流與輸入光通量之比,光譜靈敏度,（2）量子效率,常用光電發(fā)射材料,,,,,,,,,2）真空、充氣光電二極管,充氣光電二極管,真空光電二極管,光電管,真空光電管的輸出信號(hào)和噪聲,信號(hào)電流,散彈噪聲均方電流,熱噪聲均方電流,Id：無(wú)光照時(shí)，光電

9、陰極的熱電子發(fā)射和電極間漏電流形成的暗電流。Iks+Ikb：信號(hào)光和背景光照射飽和發(fā)射電流均值,光電管負(fù)載電阻和放大器輸入電阻引起的熱噪聲，R 等效電阻,真空光電管的輸出信號(hào)噪聲比,令SNR=1,只考慮信號(hào)噪聲，則：,3）光電倍增管（Photomultiplier—PMT),（1）光電倍增管的結(jié)構(gòu)和工作原理,K 陰極（－1000v~3000V),D 聚焦電極,A 陽(yáng)極,D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,D8倍增電極（

10、－1300～－100v),(2) 倍增電極,總增益,具有二次電子發(fā)射性能材料做成的電極，通常用二次發(fā)射系數(shù) δ 表示這種性能。,常用材料有： ① 銻化銫 400v, δ＝10 ② 銀－鎂合金[AgMgO(Cs)] 400v, δ＝6 ③ 負(fù)親合勢(shì)材料GaP[Cs] 1000v, δ＝50,百葉窗式倍增電極,倍增電極面積小，電流密度逐級(jí)遞增，極間電場(chǎng)

11、均勻，對(duì)電壓變化不敏感，受磁場(chǎng)影響小,(3)光電倍增管的典型結(jié)構(gòu),瓦片式（聚焦型）：放大倍率高，電子渡越時(shí)間小， 適于快速管。,盒柵式倍增電極,結(jié)構(gòu)緊湊，均勻性、穩(wěn)定性好，級(jí)數(shù)變化靈活，對(duì)電源要求不嚴(yán)格。,(4)光電倍增管的工作電路,G=CVβ dG/G=βdV0/V0, 要求電壓穩(wěn)定度不低于0.01~0.05%，波紋系數(shù)不

12、高于0.001％ Io=V0/ΣRn Io>(20~25)Ia,Io=V0/ΣRn,脈沖工作的光電倍增管，為使極間電壓保持穩(wěn)定，分壓器后幾級(jí)電阻上要并聯(lián)穩(wěn)壓電容。C1,C2,C3 約為0.05μF~0.1μF。,光電倍增管的接地方式,①陽(yáng)極接地方式 特點(diǎn)： 這種接法雜散電容小，直接接輸出級(jí)。 但陰極對(duì)地、對(duì)屏蔽罩有負(fù)高壓，暗電流大，噪聲大。,,,,,,,,,K,A,,,,,,,,,,,,,,,D1

13、 D 2 D n,,GND,-1500V,,RL,,,,,,,,,屏蔽罩,,GND,② 陰極接地（正高壓）方式 特點(diǎn)：這種接法對(duì)地、對(duì)屏蔽罩無(wú)負(fù)高壓，暗電流小，噪聲小。但陽(yáng)極呈高壓，需經(jīng)電容隔離，不能直接接輸出級(jí)，高頻性能不好。,關(guān)于負(fù)載電阻的考慮①頻響要求高的場(chǎng)合，越小越好，②光電倍增管的負(fù)載阻抗應(yīng)小于放大器輸入阻抗,（5）光電倍增管的噪聲與探測(cè)靈敏限,光電倍增管的散彈噪聲,δ是倍增電極的倍增系數(shù)，倍增級(jí)數(shù)為n

14、,G2=δ2n是功率增益。,探測(cè)器輸出信噪比,對(duì)于強(qiáng)信號(hào)，忽略信號(hào)外其它噪聲， Γ=1，則：,Γ是噪聲因子,G=δn是電流增益。,（6）光電倍增管的性能指標(biāo),① 光譜響應(yīng)范圍和最大響應(yīng)波長(zhǎng) 光電倍增管響應(yīng)波長(zhǎng)決定于光電陰極材料，一般在可見(jiàn)光到近紅外波段范圍，即 0 .2∽1.2μm② 陰極積分靈敏度 單位入射光功率所產(chǎn)生的飽和光電流，就是陰極電流響應(yīng)度： Sk ＝ Rik = ik/Ps Sk = 20 ∽

15、200μA/Lm③ 陽(yáng)極積分靈敏度 SA=Sk G SA= 20 ∽3 ×104 A/Lm④ 電流增益 G = 105 ∽ 108⑤ 暗電流 Id≈ δn ＝10-8 A⑥ 響應(yīng)時(shí)間 一般在 10 ns ∽ 10μs,光電倍增管及電源,（7）電子倍增器和微通道板,通道型電子倍增器(Channel Electron Multiplier，CEM)是一種由內(nèi)壁既是電阻體又是二次發(fā)射體的微細(xì)玻璃管構(gòu)成。,采用重金屬鉛

16、、鉍硅酸鹽玻璃，直徑10～100μm,電阻率109～1011Ω/cm,3000v,彎曲板單通道電子倍增器,既能提高器件的空間和時(shí)間分辨率,又能降低暗噪聲。能有效的抑制由反饋正離子產(chǎn)生的背景噪聲和對(duì)光陰極的有害轟擊， 器件的工作壽命得以提高。,微通道板(Microchannel Plate,MCP),微通道板一般由1萬(wàn)～1000萬(wàn)個(gè)相互平行的通道電子倍增器密集成二維陣列結(jié)構(gòu)組成，通道直徑10～100μm,長(zhǎng)度通常是直徑的40～100倍，前