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深圳pcb抄板公司提供光电探测器的种类及其性能的比较分析

[日期:2012-06-25] [来源:http://www.sbing.net/] [作者电路板克隆] [点击:]

    根据器件对辐射响应的方式不同或者说器件工作的机理不同(光电探测器工作原理),光电探测器可分为以下两类:
    (1)光子型探测器
    光子型探测器( photon detector) 利用外光电效应或内光电效应制成的辐射探测器,也称光电型探测器。探测器中的电子直接吸收光子的能量,使运动状态发生变化而产生电信号,常用于探测红外辐射和可见光。
    光子型探测器是有选择性响应波长的探测器件。只有当入射光子能量大于光敏材料中的电子激活能E时,探测器才有响应。对于外光电效应器件,如光电管和光电倍增管,E等于电子逸出光电阴极时所要作的功,此数值一般略大于1电子伏。因此,这类探测器只能用于探测近红外辐射或可见光。
    利用内光电效应制成的光子型探测器,是用半导体材料制成的固态电子器件,主要包括光电导探测器和光伏型探测器等。
    光伏型探测器通常由半导体PN结构成,其原理是利用PN结的内建电场将光生载流子扫出结区而形成信号。当探测器受到光照(辐照)、体内发生本征光吸收时,产生两种带相反电荷的光生载流子(电子和空穴)。这两种光生载流子一开始仅局限于光照区,随后由于存在浓度梯度,其中一部分扩散到PN结区,在PN结内建电场的作用下,分别聚集到结的两端,形成电压信号。如PN结两端连成一个回路,则形成电流信号。
    对于光伏型探测器和本征光导型探测器,E等于半导体的禁带宽度;对于非本征光导型探测器,E等于杂质电离能。由于禁带宽度和杂质电离能这两个参数都有较大的选择余地,因此,半导体光子型探测器的响应波长可以在较大范围内进行调节。
    利用外光电效应制成的光子型探测器是真空电子器件,如光电管、光电倍增管和红外变像管等。这些器件都包含一个对光子敏感的光电阴极,当光子投射到光电阴极上时,光子可能被光电阴极中的电子吸收,获得足够大能量的电子能逸出光电阴极而成为自由的光电子。
    在光电管中,光电子在带正电的阳极的作用下运动,构成光电流。光电倍增管与光电管的差别在于,在光电倍增管的光电阴极与阳极之间设置了多个电位逐级上升并能产生二次电子的电极(称为打拿极)。从光电阴极逸出的光电子在打拿极电压的加速下与打拿极碰撞,发生倍增效应,最后形成较大的光电流信号。
    因此,光电倍增管具有比光电管高得多的灵敏度。红外变像管是一种红外-可见图像转换器,它由光电阴极、阳极和一个简单的电子光学系统组成。光电子在受到阳极加速的同时又受到电子光学系统的聚焦,当它们撞击在与阳极相连的磷光屏上时,便发出绿色的光像信号。
    (2)热探测器
    热探测器是用探测元件吸收入射辐射而产生热、造成温升,并借助各种物理效应把温升转换成电量的原理而制成的器件。最常用的有温差电偶、测辐射热计、高莱管、热电探测器。
    一般来说,热探测器的接收元由于表面涂黑它的光谱响应是无选择性的,它只受透光窗口光谱透射特性的限制,因此主要应用于红外区和紫外区,但它的响应率较低、响应速度慢、机械强度低。
    热电探测器是利用居里点以下的热电晶体的自发极化强度与温度有关的原理制成的器件(见热电性)。当热(释)电晶体薄片吸收辐射产生温升时,在薄片极化方向产生电荷变化为
    ΔQ=pTAΔT,
    式中ΔQ为电荷变化量,pT为温度T 时的热释电系数, A为吸收辐射的表面的面积,ΔT为晶体的温升值。不过这一点宝宝也不是格外介意当用调制的辐射照射时晶体的温度不断变化, 电荷也随之变化,从而产生电流,它的数值与调制的辐射量有关。
    在恒温下,晶体内部的电荷分布被自由电子和表面电荷中和,在两极间测不出电压。当温度迅速变化时,晶体内偶极矩会产生变化,产生瞬态电压,所以热(释)电探测器只能探测调制的辐射或辐射脉冲,它的响应时间快,可达纳(10-9)秒数量级,并能在常温下工作。
    此外它仅由晶体片镀以电极构成探测元,因此机械强度很高,克服了红外探测器容易损坏的缺点,响应的谱段从γ射线到亚毫米波,是目前发展最快的热探测器。
    热电探测器所用的材料主要有钛酸钡、硫酸三甘肽(TGS)、掺镧的锆钛酸铅(PLZT)、铌酸锂和铌酸锶钡。近年来也采用多晶、陶瓷和塑料,可按需要制成各种形状的探测器。
    各种光电探测器的性能比较
    在动态特性(即频率响应与时间响应)方面,以光电倍增管和光电二极管(尤其是PIN管与雪崩管)为最好;
    在光电特性(即线性)方面,以光电倍增管、光电二极管和光电池为最好;
    在灵敏度方面,以光电倍增管、雪崩光电二极管、光敏电阻和光电三极管为最好。
    值得指出的是,灵敏度高不一定就是输出电流大,而输出电流大的器件有大面积光电池、光敏电阻、雪崩光电二极管和光电三极管;外加偏置电压最低的是光电二极管、光电三极管,光电池不需外加偏置;
    在暗电流方面,光电倍增管和光电二极管最小,光电池不加偏置时无暗电流,加反向偏置后暗电流也比光电倍增管和光电二极管大;长期工作的稳定性方面,以光电二极管、光电池为最好,其次是光电倍增管与光电三极管;在光谱响应方面,以光电倍增管和CdSe光敏电阻为最宽,但光电倍增管响应偏紫外方向,而光敏电阻响应偏红外方向。

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