光电检测器.ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,第四章 光电检测器件,光电器件的类型与特点,光电器件的基本特性参数,半导体光电器件,光电导器件,光敏电阻,光伏器件,光电池,光电二极管,/,三极管,真空光电器件,光电管,光电倍增管,热电检测器件,热释电探测器件,4.2,器件的基本特性参数,响应特性,噪声特性,量子效率,线性度,工作温度,一、响应特性,响应度（或称灵敏度）：,是光电探测器输出信号与输入光功率之间关系的度量。描述的是光电探测器件的光电转换效率。,响应度是随入射光波长变化而变化的,响应度分电压响应率和电流响应率,电压响应率,光电探测器件输出电压与入射光功率之比,电流响应率,光电探测器件输出电流与入射光功率之比,光谱响应度,：,探测器在波长为,的单色光照射下，输出电压或电流与入射的单色光功率之比,积分响应度,：检测器对各种波长光连续辐射量的反应程度,响应时间,：响应时间,是描述光电探测器对入射光响应快慢的一个参数。,上升时间：入射光照射到光电探测器后，光电探测器输出上升到稳定值所需要的时间。,下降时间：入射光遮断后，光电探测器输出下降到稳定值所需要的时间。,光电探测器响应率与入射调制频率的关系,为调制频率为,f,时的响应率,为调制频率为零时的响应率,为时间常数（等于,RC,）,频率响应,：光电探测器的响应随入射光的调制频率而变化的特性称为频率响应,由于光电探测器信号产生和消失存在着一个滞后过程，所以入射光的调制频率对光电探测器的响应会有较大的影响。,：上限截止频率,时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽,返回,二、噪声特性,在一定波长的光照下光电探测器输出的电信号并不是平直的，而是在平均值上下随机地起伏，它实质上就是物理量围绕其平均值的涨落现象。,用均方噪声来表示噪声值大小,噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的。,由于噪声总是与有用信号混在一起，因而影响对信号特别是微弱信号的正确探测。,一个光电探测系统的极限探测能力往往受探测系统的噪声所限制。,所以在精密测量、通信、自动控制等领域，减小和消除噪声是十分重要的问题。,光电探测器常见的噪声,热噪声,散粒噪声,产生,-,复合噪声,1/f,噪声,1,、热噪声,或称约翰逊噪声，即载流子无规则的热运动造成的噪声。,导体或半导体中每一电子都携带着电子电量作随机运动,(,相当于微电脉冲,),，尽管其平均值为零，但瞬时电流扰动在导体两端会产生一个均方根电压，称为热噪声电压。,热噪声存在于任何电阻中，热噪声与温度成正比，与频率无关，热噪声又称为白噪声,2,、散粒噪声,散粒噪声：入射到光探测器表面的光子是随机的，光电子从光电阴极表面逸出是随机的，,PN,结中通过结区的载流子数也是随机的。,散粒噪声也是白噪声，与频率无关。,散粒噪声是光电探测器的固有特性，对大多数光电探测器的研究表明：散粒噪声具有支配地位。,例如光伏器件的,PN,结势垒是产生散粒噪声的主要原因。,3,、产生,-,复合噪声,半导体受光照，载流子不断产生,-,复合。,在平衡状态时，在载流子产生和复合的平均数是一定的,但在某一瞬间载流子的产生数和复合数是有起伏的。,载流子浓度的起伏引起半导体电导率的起伏。,4,、,1/f,噪声,或称闪烁噪声或低频噪声。这种噪声是由于光敏层的微粒不均匀或不必要的微量杂质的存在引起的。,噪声的功率近似与频率成反比,多数器件的,1/f,噪声在,200300Hz,以上已衰减到可忽略不计。,、信噪比,信噪比是判定噪声大小的参数。,是负载电阻上信号功率与噪声功率之比,若用分贝（,dB,）表示，为,、噪声等效功率,(NEP),定义：信号功率与噪声功率比为,1,（,SNR=1,）时，入射到探测器件上的辐射通量,(,单位为瓦,),。,这时，投射到探测器上的辐射功率所产生的输出电压（或电流）等于探测器本身的噪声电压（或电流）,一般一个良好的探测器件的,NEP,约为,10,-11,W,。,NEP,越小，噪声越小，器件的性能越好。,噪声等效功率是一个可测量的量。,设入射辐射的功率为,P,，测得的输出电压为,U,0,然后除去辐射源，测得探测器的噪声电压为,U,N,则按比例计算，要使,U,0,U,N,，的辐射功率为,、探测率与归一化探测率,探测率,D,定义为噪声等效功率的倒数,经过分析，发现,NEP,与检测元件的面积,A,d,和放大,器带宽,f,乘积的平方根成正比,归一化探测率,D,*,，即,D,*,与探测器的敏感面积、放大器的带宽无关。,返回,三、量子效率,（）,量子效率：在某一特定波长上，每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之比。,对理想的探测器，入射一个光量子发射一个电子，,=1,实际上，,A,。由于不同材料具有不同的逸出功，因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射，此频率限称为,“,红限,”,。相应的波长,K,为,(4.3),式中，,c,为光速；,A,为逸出功。,光电管正常工作时，阳极电位高于阴极，如图,4.3.2,所示。在入射光频率大于,“,红限,”,的前提下，从阴极表面逸出的光电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，称为光电流。此时若光强增大，轰击阴极的光子数增多，单位时间内发射的光电子数也就增多，光电流变大。在图,4.3.2,所示的电路中，电流,I,和电阻,R,L,上的电压降,U,0,就和光强成函数关系，从而实现光电转换。,阴极材料不同的光电管，具有不同的红限，因此适用于不同的光谱范围。此外，即使入射光的频率大于红限，并保持其强度不变，但阴极发射的光电子数量还会随入射光频率的变化而改变，即同一种光电管对不同频率的入射光灵敏度并不相同。光电管的这种光谱特性，要求人们应当根据检测对象是紫外光、可见光还是红外光去选择阴极材料不同的光电管，以便获得满意的灵敏度。,图,4.3.3,光电倍增管结构示意图,光电倍增管主要由光阴极,K,、倍增极,D,和阳极,A,组成，并根据要求采用不同性能的玻璃壳进行真空封装。依据分装方法，可分成端窗式和侧窗式两大类。端窗式光电倍增管的阴极通常为透射式阴极，通过管壳的端面接受入射光。侧窗式阴极则是通过管壳的侧面接收入射光，它的阴极通常为反射式阴极。,二、光电倍增管,由于真空光电管的灵敏度低，因此人们研制了具有放大光电流能力的光电倍增管。图,4.3.3,是光电倍增管结构示意图。,光阴极的量子效率是一个重要的参数。波长为,的光辐射入射到光阴极时，一个入射光子产生的光电子数，定义为光阴极的量子效率。光阴极有很多种，常用的有双碱，,S11,及,S20,三种。光阴极通常由脱出功较小的锑铯或钠钾锑铯的薄膜组成，光阴极接负高压，各倍增极的加速电压由直流高压电源经分压电阻分压供给，灵敏检流计或负载电阻接在阳极,A,处，当有光子入射到光阴极,K,上，只要光子的能量大于光阴极材料的脱出功，就会有电子从阴极的表面逸出而成为光电子。,在,K,和,D1,之间的电场作用下，光电子被加速后轰击第一倍增极,D1,，从而使,D1,产生二次电子发射每一个电子的轰击约可产生,3,5,个二次电子，这样就实现了电子数目的放大。,D1,产生的二次电子被,D2,和,D1,之间的电场加速后轰击,D2,，,。这样的过程一直持续到最后一级倍增极,Dn,，每经过一级倍增极，电子数目便被放大一次，倍增极的数目有,8,13,个，最后一级倍增极,Dn,发射的二次电子被阳极,A,收集。若倍增电极有,n,级，各级的倍增率为,，则光电倍增管的倍增率可以认为是,n,，因此，光电倍增管有极高的灵敏度。,在输出电流小于,1mA,的情况下，它的光电特性在很宽的范围内具有良好的线性关系。光电倍增管的这个特点，使它多用于微光测量。若将灵敏检流计串接在阳极回路中，则可直接测量阳极输出电流。若在阳极串接电阻,RL,作为负载，则可测量,RL,两端的电压，此电压正比于阳极电流。,图,4.3.4,光电倍增管的基本电路,图,4.3.5,光敏电阻结构示意图及符号,图,4.3.4,所示为光电倍增管的基本电路。各倍增极的电压是用分压电阻,R1,、,R2,、,Rn,获得的，阳极电流流经负载电阻,RL,得到输出电压,U0,。当用于测量稳定的辐射通量时，图中虚线连接的电容,C1,、,C2,、,、,Cn,和输出隔离电容,Ca,都可以省去。这时电路往往将电源正端接地，并且输出可以直接与放大器输入端连接，从而使它能够响应变化缓慢的入射光通量。但当入射光通量为脉冲通量时，则应将电源的负端接地，因为光电倍增管的阴极接地比阳极接地有更低的噪声，此时输出端应接人隔离电容，同时各倍增极的并联电容亦应接人，以稳定脉冲工作时的各级工作电压，稳定增益并防止饱和。,与测量有关的两个参数,：,暗电流,光电倍增管接上工作电压后，在没有光照的情况下阳极仍会有一个很小的电流输出，此电流即称为暗电流。光电倍增管在工作时，其阳极输出电流由暗电流和信号电流两部分组成。当信号电流比较大时，暗电流的影响可以忽略，但是当光信号非常弱，以至于阳极信号电流很小甚至和暗电流在同一数量级时，暗电流将严重影响对光信号测量的准确性。所以暗电流的存在决定了光电倍增管可测量光信号的最小值。一只好的光电倍增管，要求其暗电流小并且稳定。,(2),光谱响应特征,光电倍增管对不同波长的光入射的响应能力是不相同的，这一特性可用光谱响应率表示。在给定波长的单位辐射功率照射下所产生的阳极电流大小称为光电倍增管的绝对光谱响应率，表示为,(4.4),式中，,P(,),为入射到光阴极上的单色辐射功率；,I(,),是在该辐射功率照射下所产生的阳极电流；,S(,),是波长的函数，它与波长的关系曲线称为光电倍增管的绝对光谱响应曲线。,测量,S(),十分复杂，因此在一般测量中都是测量它的相对值。为此，可以把,S(),中的最大值当作一个单位对所有,S(),值进行归一化，这时就得到,(4.5),s(),称为光电倍增管的相对光谱响应率，它与波长的关系曲线称为光电倍增管的相对光谱响应曲线。,s()1,，是一个无量纲的量，只表示光电倍增管的光谱响应特征。,一、光敏电阻,光敏电阻是光电导型器件。,光敏电阻材料：主要是硅、锗和化合物半导体，例如：硫化镉（,CdS,），锑化铟（,InSb,）等。,特点：,光谱响应范围宽（特别是对于红光和红外辐射）；,偏置电压低，工作电流大；,动态范围宽，既可测强光，也可测弱光；,光电导增益大，灵敏度高；,无极性，使用方便；,在强光照射下，光电线性度较差,光电驰豫时间较长，频率特性较差。,光敏,电阻,(LDR)和它的,符号,：,符号,1.,光敏电阻的工作原理,光敏电阻结构,：在一块均匀光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。（,如图,）,工作机理,：当入射光子使半导体中的电子由价带跃迁到导带时，导带中的电子和价带中的空穴均参与导电，其阻值急剧减小，电导增加。,入射光,返回,本征型和杂质型光敏电阻,本征型光敏电阻,：当入射光子的能量等于或大于半导体材料的禁带宽度,Eg,时，激发一个电子空穴对，在外电场的作用下，形成光电流。,杂质型光敏电阻,：对于型半导体，当入射光子的能量等于或大于杂质电离能,时，将施主能级上的电子激发到导带而成为导电电子，在外电场的作用下，形成光电流。,本征型用于可见光长波段,杂质型用于红外波段。,价带,导带,电子,空穴,Eg,价带,导带,电子,空穴,施主,光电导与光电流,光敏电阻两端加电压（直流或交流）无光照时，阻值（,暗电阻,）很大，电流（,暗电流,）很小；光照时，光生载流子迅速增加，阻值（,亮电阻,）急剧减少在外场作用下，光生载流子沿一定方向运动，形成光电流（,亮电流,）。,光电流：亮电流和暗电流之差；,I,光,=,I,L,-I,d,光电导：亮电流和暗电流之差；,g,=,g,L,-g,d,光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是说暗电流要小，亮电流要大，这样光敏电阻的灵敏度就高。,光电流与光照强度电阻结构的关系。,光敏电阻的工作特性,光电特性,伏安特性,时间响应和频率特性,温度特性,光电特性：光电流与入射光照度的关系,：,(1),弱光时，,=1,，光电流与照度成线性关系,(2),强光时，,=0,.5,，光电流与照度成抛物线,光照增强的同时，载流子浓度不断的增加，同时光敏电阻的温度也在升高，从而导致载流子运动加剧，因此复合几率也增大，光电流呈饱和趋势。（冷却可以改善）,光敏电阻的光电特性,在弱光照下，光电流与,E,具有良好的线性关系,在强光照下则为非线性关系,其他光敏电阻也有类似的性质。,光电导灵敏度,:,光电导,g,与照度,E,之比,.,不同波长的光，光敏电阻的灵敏度是不同的。,在选用光电器件时必须充分考虑到这种特性。,光电导增益,光电导增益反比于电极间距的平方。,量子效率：光电流与入射光子流之比。,伏安特性,在一定的光照下，光敏电阻的光电流与所加的电压关系,光敏电阻是一个纯电阻，因此符合欧姆定律，其伏安特性曲线为直线。,不同光照度对应不同直线,受耗散功率的限制，在使用时，光敏电阻两端的电压不能,超过最高工作电压，,图中虚线为允许功耗曲线,由此可确定光敏电阻正常工作电压。,光敏电阻时间常数比较大，其上限截止频率低。只有,PbS,光敏电阻的频率特性稍好些，可工作到几千赫。,频率特性,光敏电阻的时间响应特性较差,材料受光照到稳定状态，光生载流子浓度的变化规律：,停止光照，光生载流子浓度的变化为,响应时间,光敏电阻是多数载流子导电，温度特性复杂。随着温度的升高，光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降，温度的变化也会影响光谱特性曲线。,例如：硫化铅光敏电阻，随着温度的升高光谱响应的峰值将向短波方向移动。,尤其是红外探测器要采取制冷措施,温度特性,光敏电阻参数,使用材料,：硫化镉（,CdS,），硫化铅（,PbS,），锑化铟（,InSb,），碲镉汞（,HgCdTe,），碲锡铅（,PbSnTe,）,.,光敏面,：,1-3 mm,工作温度,：,-40,80,o,C,温度系数,：,1,极限电压,：,10,300V,耗散功率,：,R,0,，,则负载功率,P,0,为：,另一方面，由式,(7-12),计算光电二极管直接与负载电阻相连时负载上的功率 比较两种情况可见，,采用阻抗变换器可以使功率输出提高,(R,f,/R,L,),2,倍。例如，,当,R,L,=1M,，,R,f,=10M,时，功率提高,100,倍。这种电路的时间特性较差，但用在信号带宽没有特殊要求的缓变光信号检测中，可以得到很高的功率放大倍数。此外，用场效应管代替双极性晶体管作前置级，其偏置电流很小，因此适用于光功率很小的场合。,4.3.4,常见光电传感器及应用,4.3.4.1,各种光电检测器件的性能比较,参看,75,页表,2-6,典型光电探测器件工作特性的比较,.,动态性能,(,即频率响应,):,光电倍增管和光电二极管最好,;,光电特性,(,线性,):,光电倍增管,、,光电二极管和光电池,;,灵敏度,:,光电倍增管,、,雪崩光电二极管,、,光敏电阻和光电三极管,;,长期稳定性,:,光电二极管和光电池最好,其次是光电倍增管,.,4.3.4.2,光电检测器件的应用选择要点,光电检测器件必须和辐射信号源及光学系统在,光谱特性,上匹配,;,光电检测器的光电转换特性必须和,入射辐射能量,相匹配,(,器件的感光面要和照射光匹配好,);,光电检测器必须和光信号的调制形式,、,信号频率及波形,相匹配,以保证得到没有频率失真的输出波形和良好的时间响应,;,光电检测器件必须和,输入电路在电特性,上良好地匹配,以保证有有足够的线性范围、信噪比及快速的动态响应,;,为使器件具有长期工作的可靠性,必须注意选好器件的规格和使用的环境条件,.,4.3.4.3,透射式光电传感器及在烟尘浊度监测上的应用,透射式光电传感器是将发光管和光敏三极管等，以相对的方向装在中间带槽的支架上。,当槽内无物体时，发光管发出的光直接照在光敏三极管的窗口上，从而产生一定大的电流输出，当有物体经过槽内时则挡住光线，光敏管无输出，以此可识别物体的有无。适用于光电控制、光电计量等电路中，可检测物体的有无、运动方向、转速等方面。,防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。,图,4.3.7,透射型,BYD3M.TDT,光电传感器使用示意图,图,4.3.8,吸收式烟尘浊度监测系统组成框图,DST9702,激光反射式烟尘浓度仪,技术特点,采用激光背散射原理,不怕烟道的机械振动及烟气温度不均造成的折射率不均造成的光束摆动；,单端安装,无需光路对中，且安装简单方便；,采用标准,4-20mA,工业标准电流输出,连接方便；,仪器整体功耗非常小,大约,5w,左右；,一般标准设置参数可适用于烟道璧厚小于,400,，烟道直径大于仪器名牌标示（,D.GT.2000,）,在特殊的要求条件下测量区大小可以订制,.,用户也可以在经维护人员的认可及指导下调整,.,烟道里的烟尘浊度是通过光在烟道在传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器的光减少。因此光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。本应用中应用奥托尼克斯,(Autonics),公司的,BYD3M-TDT,透射式小型光电传感器，其光源,(,发光器,),与接收器不在同一个机壳内，见图,4.3.7,使用示意图：先将发射器和接收器对准并固定好后才可以通电,(12.24)VDC,；接着在,ON,状态设定好发射器的中心位置，然后左右上下方向调节接收器和发射器的位置；最后检测目标稳定后固定好发射器和接收器。,图,4.3.8,是吸收式烟尘浊度监测系统的组成框图：为了检测出烟尘中对人体危害性最大的亚微米颗粒的浊度和避免水蒸气对光源衰减的影响，选取可见光作光源,(400-700nm,波长的白炽光,),。光检测器光谱响应范围为,400-600nm,的光电管，获取随浊度变化的相应电信号。为了提高检测灵敏度，采用具有高增益、高输入阻抗、低零漂、高共模抑制比的运算放大器，对信号进行放大。刻度校正被用来进行调零与调满刻度，以保证测试准确性。显示器可显示浊度瞬时值。报警电路由多谐振荡器组成，当运算放大器输出浊度信号超过规定时，多谐振荡器工作，输出信号经放大后推动喇叭发出报警信号。,4.4,光电传感器的应用,光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，体积小。近年来，随着光电技术的发展，光电传感器已成为系列产品，其品种及产量日益增加，用户可根据需要选用各种规格产品，在各种轻工自动机上获得广泛的应用。,4.4.1,光电式带材跑偏检测器,带材跑偏检测器用来检测带型材料在加工中偏离正确位置的大小及方向,从而为纠偏控制电路提供纠偏信号,主要用于印染、送纸、胶片、磁带生产过程中。光电式带材跑偏检测器原理如图,4.4.1,所示。光源发出的光线经过透镜,1,会聚为平行光束,投向透镜,2,随后被会聚到光敏电阻上。在平行光束到达透镜,2,的途中,有部分光线受到被测带材的遮挡,使传到光敏电阻的光通量减少。,图,4.4.1,带材跑偏检测器工作原理,图,4.4.2,测量电路,图,4.4.2,为测量电路简图。,1,、,2,是同型号的光敏电阻。,1,作为测量元件装在带材下方，,2,用遮光罩罩住,起温度补偿作用。当带材处于正确位置,(,中间位,),时，由,1,、,2,、,3,、,4,组成的电桥平衡，使放大器输出电压,为,0,。当带材左偏时，遮光面积减少，光敏电阻,1,阻值减少，电桥失去平衡。差动放大器将这一不平衡电压加以放大，输出电压为负值，它反映了带材跑偏的方向及大小。反之，当带材右偏时，,为正值。输出信号,一方面由显示器显示出来，另一方面被送到执行机构，为纠偏控制系统提供纠偏信号。,4.4.2,包装充填物高度检测,用容积法计量包装的成品，除了对重量有一定误差范围要求外，一般还对充填高度有一定的要求，以保证商品的外观质量，不符合充填高度的成品将不许出厂。图,4.4.3,所示为借助光电检测技术控制充填高度的原理。当充填高度偏差太大时，光电接头没有电信号，即由执行机构将包装物品推出进行处理。,图,4.4.3,利用光电检测技术控制充填高度,利用光电开关还可以进行产品流水线上的产量统计、对装配件是否到位及装配质量进行检测，例如灌装时瓶盖是否压上、商标是否漏贴，以及送料机构是否断料等。,激光器在光电检测中的应用,激光测距，测长，测平面度等,激光大气污染检测,激光检测,激光海洋探测,激光制导,激光雷达,激光干涉测量（探伤）,激光全息测量,激光式气体分析仪在转炉煤气回收中的应用,测量原理是基于朗伯,-,比尔定律,(1),“,单线光谱,”,测量技术,该技术利用激光的光谱比较窄、远小于被测气体的吸收谱线的特性，选择某一位于特定波长的吸收光谱线，使得在所选吸收谱线波长附近无测量环境中其他气体组分的吸收谱线，从而避免了这些背景气体组分对该被测气体的交叉吸收干涉。,单线光束测量原理图,(2),激光频率扫描技术,激光气体分析仪通过调制激光频率使之周期性地扫描过被测气体吸收谱线，激光频率的扫描范围被设置成大于被测气体吸收谱线的宽度。,(3),谱线展宽自动修正技术,在气体温度和压力发生变化时被测气体谱线的展宽及高度会发生相应的变化从而影响测量的准确性。通过输入,4,20 mA,方式的温度和压力信号，激光气体分析仪能自动修正温度和压力变化对气体浓度测量的影响。从而保证了测量数据的精确,