31光电信息转换器件

四种光电效应：1．外光电效应。在入射光能量作用下，某些物体内的电子逸出物体表面，向外发射电子。相应器件：光电倍增管等。第三章光电信息转换器件2．光电导效应。光作用下，半导体材料中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子的激发，将由价带越过禁带跃迁到导带，从而使导带中电子浓度加大，材料的电阻率减小。相应器件：光敏电阻等。3．光伏效应。在入射光能量作用下能使物体产生一定方向的电动势。以PN结为例，由于光线照射PN结而产生的电子和空穴，在内电场作用下分别移向N和P区，从而对外形成光生电动势。相应器件：光电池、光敏二极管（PD、PIN、APD）、光敏三极管等。4．光电热效应。光照引起材料温度发生变化而产生电流的现象。相应器件：热电探测器。探测器件热光电探测元件光电探测元件气体光电探测元件外光电效应内光电效应非放大型放大型光电导探测器光磁电效应探测器光生伏特探测器本征型掺杂型非放大放大型真空光电管充气光电管光电倍增管变像管摄像管像增强器光敏电阻红外探测器光电池光电二极管光电三极管光电场效应管雪崩型光电二极管光电器件的分类一、按工作波段分二、按应用分将光信息（光能）转换成电信息（电能）换能器：探测器非成像型：光信息转换成电信息成像型变像管像增强器摄像管固体成像器件CCD、CMOS真空摄像管紫外光探测器、可见光探测器、红外光探测器光电信息转换器件的主要特性和参数如下：1．光电特性——IФ[光电流]＝F（Ф）[光通量]2．光谱特性——IФ[光电流]＝F（λ）[入射光波长]3．伏安特性——IФ[光电流]＝F（Ｕ）[电压]4．频率特性——IФ[光电流]＝F（f）[入射光调制频率]——导致电子瓶颈的主要原因5．暗电流——Ф＝0时光电信息转换器件输出的电流，有时称为IФ=06．灵敏度——对于复色光:S(积分灵敏度)=ΔI/ΔФ对于单色光:S（λ）(光谱灵敏度)＝ΔI（λ）/ΔФ（λ）光通量变化量所致的光电流变化量的大小§3.1光电信息转换器件光电倍增管由光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极等五个主要部分组成，其外形如图3.1.1-1所示。侧窗式端窗式一、结构与原理§3.1.1光电倍增管1D2D3D4DAK倍增极阳极原理图图3.1.1-2多级倍增管的工作原理1．光窗光窗是入射光的通道，是对光吸收较多的部分。常用的光窗材料有钠钙玻璃和熔凝石英等。2．光电阴极它的作用是接收入射光，向外发射光电子。制作光电阴极的材料多是化合物半导体。3．电子光学系统任务：（1）使前一级发射出来的电子尽可能没有散失地落到下一个倍增极上，使下一级的收集率接近于1；（2）使前一级各部分发射出来的电子，落到后一级上时所经历的时间尽可能相同。4．倍增系统0nIi每个倍增极由二次电子倍增材料构成。光电倍增管是利用二次电子发射（高速电子打到金属表面，由于电子的动能被金属吸收，改变了金属原子内电子能量的状态，使有些电子从金属表面逸出）现象制成的。如果每个电子落到某一倍增极上从该倍增极打出σ个二次电子，那么很明显地：式中，I——阳极电流；i0——光阴极发出的光电流；n———光电倍增极的级数。光电倍增管的电流放大系数β可用下式表示：0nIi5.阳极用来收集末级倍增极发射出来的电子。现在普遍采用金属网来作阳极，靠近末级倍增极附近。倍增系统有聚焦型和非聚焦型两类（根据两极间的电子运动轨迹是否平行分类）。盒倍增极结构形式特点聚焦型直瓦片式极间电子渡越时间零散小，但绝缘支架可能积累电荷而影响电子光学系统的稳定性圆瓦片式结构紧凑，体积小，但灵敏度的均匀性差些。非聚焦型百叶窗式工作面积大，与大面积光电阴极配合可制成探测弱光的倍增管，但极间电压高时，有的电子可能越级穿过，收集率较低，渡越时间差异较大。盒栅式收集率较高（可达95%），结构紧凑，但极间电子渡越时间差异较大。二、光电倍增管的特性1．光电特性2．光谱特性3．伏安特性4．放大特性5．频率特性（可达1MHZ以上）6．疲乏特性7．暗电流Iφ=01．光电特性RLAD4D3D2D1KR5R4R3R2R1+-特点：线性增加，然后偏离直线。2．光谱特性特点：带内响应，带外截止，并有峰值存在(图所示的光电阴极：锑钾铯Sb-K-Cs）。RLAD4D3D2D1KR5R4R3R2R1+-表示阳极电流Ia对于最后一级倍增极和阳极间的电压U的关系。作此曲线时，其余各电极的电压保持恒定。特点：（1）光通量不变，曲线由上升至饱和。（2）电压不变，阳极电流随光通量增加3．伏安特性放大特性是指电流放大系数β或灵敏度随电源电压U增大的关系。4．放大特性5.频率特性（可达1MHZ以上）特点：随着电源电压升高，放大系数或灵敏度增大。i疲劳指在工作过程中灵敏度降低。6．疲劳特性特点：•随阳极电流的增大，灵敏度下降•随使用时间的增长，灵敏度下降RLAD4D3D2D1KR5R4R3R2R1+-1-20分钟；2-40分钟阳极电流对灵敏度的影响示意图暗电流Iφ=0的来源：光电阴极和光电倍增极的热电子发射。温度T越高，热电子发射越多，则暗电流越大。如果需要较小的暗电流，可通过冷却光电倍增管来减小暗电流。暗电流的另一组成部分是光电倍增管的漏电流。7．暗电流三、光电倍增管的供电电路1．电阻链分压型供电电路光电倍增管具有极高的灵敏度和快速响应等特点，使它在光谱探测和极微弱快速光信息的探测等方面成为首选的光电探测器。图3.1.1-6所示为典型光电倍增管的电阻分压式供电电路。电路由11个电阻构成电阻链分压器，分别向10级倍增极提供电压UDD。当入射辐射信号为高速的迅变信号或脉冲时，末3级倍增极电流变化会引起较大UDD的变化，引起光电倍增管增益的起伏，将破坏信息的变换。在末3极并联3个电容C1、C2与C3，通过电容的充放电过程使末3级电压稳定。2．末极的并联电容分压器电流一般应大于阳极电流的20倍。但过分增大分压器电流，假如分压器又靠近管子，则管子受到分压器的加热而增大暗电流和噪声。分压器电阻的功率应为计算功率的2倍，这样可预防由于电阻发热而引起阻值改变。输出大脉冲电流（如100毫安以上），用一般分压器会出现饱和，这时可使后面几级间的分压电阻为前面的几倍至十几倍，饱和电流会大大提高。极间电容计算。设输出脉冲为矩形波，如要求极间电压变化小于1％，则旁路电容值的大小可按下式计算五、分析与计算（课本100页）式中Ia——阳极电流脉冲幅度（安）；Δt——脉冲宽度（秒）；U——阳极与最后一级（末级）倍增极之间的电压（伏）；C——储能电容（法拉）。100aItCU阳极与最后一级倍增级之间的电容值：前几级的电容值根据倍增级电流与阳极电流的比值相应减小。五、光电倍增管的典型应用1．光谱探测领域的应用光电倍增管不但具有极高的光电灵敏度、极快的响应速度、极低的暗电流和噪声，还能够在很大范围内调整内增益。因此，它在微光探测、快速光子计数和微光时域分析等领域得到广泛的应用。（1）发射光谱发射光谱分析仪的基本原理如图3.1.1-7所示。6、光电倍增管（2）吸收光谱吸收光谱仪是光谱分析中的另一种重要的仪器。吸收光谱仪的原理图如图3.1.1-8所示，它与发射光谱仪的主要差别是光源。发射光谱仪的光源为被测光源，而吸收光谱仪的光源为已知光谱分布的光源。吸收光谱仪与发射光谱仪相比，它比发射光谱仪多一个承载被测物的样品池。7、光电倍增管检测气体检测牛奶检测火山灰检测水质检测尾气2．时间分辨荧光免疫分析中的应用荧光标记是一种非放射性标记，已成为现代分析检测中的重要手段。1983年，由Pettersson和Eskola等提出了用时间分辨荧光免疫分析（Time-ResolvedFluoroImmunoAssay,TRFIA）法测定人绒毛膜促性腺激素和胰磷脂酶在临床医学研究中的应用，在20多年中，获得迅速发展。成为最有发展前途的一种全新的非同位素免疫分析技术。（1）时间分辨荧光免疫分析法TRFIA的原理时间分辨荧光免疫分析法是用镧系元素为标记物，标记抗原或抗体，用时间分辨技术测量荧光，同时利用波长和时间两种分辨，极其有效地排除了非特异荧光的干扰，大大地提高了分析灵敏度。图3.1.1-10所示为载荷配位体β-NTA的螯合物荧光时间特性。图中，激发光刚刚结束的时刻为初始时刻t=0，在最初的很短时间内，短寿命荧光很快结束，长寿命荧光在400ns时间内也会消失或降低到很低的程度，而有用的荧光出现在400ns~800ns时间段内（图中斜线所标注的时间段）。在800ns~1000ns时间内有用的荧光将衰减到零。1000ns后开始新的循环。前沿：光电探测器——微通道板（MicrochannelPlate，MCP）MCP是近些年发展起来的新一代光电成象器件，可将微弱电子图像或信号均匀放大到104倍以上。它是由数百万个内壁镀有半导体层的内径约为10μm的微管规则排列熔压而形成的二维阵列，厚度约为1mm，两端抛光并附有一块光阴极板，当光阴极受到一幅图象光的照射时，各点上根据图象的明暗发射强弱不同的光子流，通入到相应毛细管微通道中而获得电子的倍增，在MCP的另一面上敷有一层荧光层，在受到微通道管中出射的电子轰击时发光，最后得到一个增强的光学图象。目前微通道板的应用已从微光夜视仪拓展到高速示波器、高速摄影、高速开关、高速光电倍增管、各种带能粒子探测器等领域，特别是在空间技术、高能核物理、激光武器等方面获得了越来越广泛的应用。MCP使用中的注意点：1．保持端面的清洁，不能用手触摸。2．避免碰撞，挤压造成机械破损。3．避免真空不高的情况下加高压，以免引起通道内孔放电。4．防止两端面间高压击穿造成绝缘破坏。5．防止MCP一次性直接暴露在强粒子束中。一、结构与原理§3.1.2光敏电阻利用光电导效应制成。当入射光子使电子由价带跃升到导带时，导带中的电阻和价带中的空穴二者均参与导电，因此电阻显著减小，称为光敏电阻。光敏电阻结构：在一块匀质的光电导体两端加上电极。光敏电阻有以下优点：1．光谱响应相当宽。2．所测的光强范围宽，既可对强光响应，也可对弱光响应。3．无极性之分，使用方便，成本低，寿命长，结构简单，廉价。4．灵敏度高（但远低于光电倍增管），工作电流大，可达数毫安。光敏电阻的不足：强光照射下线性较差，频率特性也较差。光电导体光照电极二、特性2．光谱特性（工作波段）1．光照特性（工作效率）有以下关系式：式中：I——通过光敏电阻的电流；U——加于光敏电阻的电压；L——光敏电阻上的照度；K——比例系数；a——电压指数，一般近于1；b——照度指数。baLKUI光谱特性与所用的材料和工艺（随薄层的减薄光谱峰值移向短波方向）过程有关。3．伏安特性（工作品质）因伏安特性成线性，光敏电阻除用积分灵敏度外，用比灵敏度也很方便。Sb（比灵敏度）＝ΔI/（UΦ）（比灵敏度乘以电压为积分灵敏度）式中△I——光敏电阻被照射时和黑暗时的电流差；U——光敏电阻上所加的电压；Φ——照射于光敏电阻上的光通量。在一定光照下，光电流与所加电压的关系为伏安特性。图为照度为0和某值时的伏安特性。4．频率特性光敏电阻的频率特性较差，这是因为光敏电阻的导电性与被俘获的载流子有关，由于光强的变化，俘获和释放载流子都需要时间。5．疲乏特性初制时不稳定，经人为光照老化后，性能可达到稳定。光敏电阻的使用寿命，在密封良好，使用合理的情况下，几乎是无限长的。6．温度特性光敏电阻与其它半导体器件一样，性质受温度的影响较大。随着温度的升高灵敏度要下降。7．暗电阻和暗电流暗阻与亮阻相差越大，灵敏度越高，随着温度的升高，暗电阻下降三、电路在入射光通量变化范围一定的情况下，为了使输出电压Vo变化范围最大，一般取RL=RG当入射光通量Φ连续变化时，RG为光敏电阻变化的中间值，即2minmaxGGGRRR当入射光通量Φ跳跃变化时，minmaxGGGRRR当入射光通量变化时，会引起I和U的同时变化，使系统线性变坏，噪声增加。为了降低噪声，提高信息转换精度，一般采用偏置电路。典型偏置电路入射光通量的变化仅引起输出电压的变化入射光通量的变化仅引起Ic的变化四．应用举例图为路灯自动电熄装置，分两部分组