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光导探测器的相关介绍
光导探测器
光电导探测器的机理是探测器吸收了入射的红外光子,产生由载流子,进 而改变了敏感元件的电导率。可以对光导探测器加一个恒定的偏流,检测电导率 的变化。
从式中可看出,高响应率要求探测器有较高的景子效率,自由载流子寿命长, 迁移率高,厚度应®小。自由载流子寿命収决于复合过程,在一定程度上可由材 料配方和杂质含景来控制。ei由载流子寿命是一个极其重要的参数,除影响响应 率外,还影响探测器的时间常数。
高响应率还要求探测器在无光子辐照时有较低的电导率,即将非光子效应产 生的载流子数降低到最小。对长波响应的探测器材料,必须有小的禁带宽度,但 禁带宽度小,在室温下,无光照就会产生大景热激发载流子,只能通过致冷探测 器来解决。一般来讲,如不致冷的话,大多数光电导探测器的响应波段不会超过 3微米。响应波段在3到8微米的,要求中等致冷(77K)。响应超过8微米的, 要求致冷到绝对温度几度。
当光导探测器面积一定时,高响应率需要高的量子效率,以便进可能利用所 有入射光子,可在敏感元后面设反射器或敏感元表面镀增透膜。
光导器件前放的典型电路如上图。光导探测器的输出阻抗较低,要求亳安级 的恒流偏置,实际做法是用恒压源经一个串联的负载电阻产生所需的偏流。负载 电阻阻值应远大于探测器内阻,电压源要求低纹波,避免引入噪声。探测器输出 迎过电容耦合到前置放大器,由于前放输入迎常为毫伏级的弱信号,前放放大倍 数苡达数千倍,前放应有较低的噪音系数,设计中一般要求前放的等效输入电压 噪声为探测器的1/10,即认为此时可忽略放大器本身噪声的影响。前放输入阻 抗与探测器输出是否匹配对放大器的噪音系数影响很大,是设计中必须考虑的W 素。
3. 2. 1光伏探测器
光伏探测器利用光生一伏打效应。在光伏过程中,半导体内部或半导体表面 存在一个p-n结。入射光子产生电子空穴对,然后被结上的电场分开,在探测器 输出开路情况下可形成光电压。如将探测器输出短路,可产生短路电流。光伏探 测器受到辐照后,其伏安特性(ft!线特忡.将会下移。
使用时可选择合适的工作点。一般说来,光伏探测器工作于短路状态时,即 零偏压状态,能产生最佳信噪比。有时也对光伏探测器加适当的反向偏置。加反 向配置能增加耗尽层的厚度,从而减小时间常数,探测器有较好的高频特性。
探测器开路状态工作时,后接放大器应有较高的输入阻抗,可对光伏器件输 出开路电压V。进行电压放大。如光伏探测器工作于短路状态,输出短路电流ISC, 后接放大器的输入阻抗应很低,可采用如图所示的电流一电压放大电路。
光伏探测器在理论上能达到的S大探测率比光电导探测器大40%。另外,光 伏探测器能零偏置工作,由于是高阻抗器件,即使加反丨4偏置,偏置功耗很低。 与同样为高阻抗的CMOS读出电路也容易匹配。因此,红外焦平面探测器至今均 是光伏型的。
光伏器件即可用于辐射探测,也可用作能景转换。如太阳电池或光电池就是 在不加偏畀电压条件下工作的,其工作点在伏安曲线的第四象限,工作机理也是 光生一伏打效应,只是器件结构更注重能量的转换效率而己。
3. 2. 5光电磁探测器
光电磁探测器由本征半导体材料薄片和稀土永久磁铁组成,入射光子产生的 电子空穴对被外加磁场所分开,它不盂要电偏置。这类探测器不35致冷,可响应 到7微米。主要特点是时间常数很小,可小于Ins。由于光电磁探测器的探测率 比光导和光伏沏的低得多,一般很少使用。
3. 2. 6光发射探测器
光发射探测器迎常指能产生外光电效应的器件,这类探测器在可见、短波红 外有很高的灵敏度,响应波长可达1.5nm。光电倍增管就是一种利用光电发射效 应的探测器,可用于弱光(光照度KT2〜l(Tlx)、微弱光(光照度小于 10 _bLx)的检测,具有高响应速度,高灵敏度等特点。
光电倍增管由光电阴极、阳极和8〜19级倍增级组成。入射光子为光电阴极 材料表面所吸收后,有0由电子从表面逸出。发射的电子加速打到另一个电极上, 在电极上每一个电子会产生许多二次电子。这些电子乂依次加速打到第三电极, 并多次重复这一过程,得到很高的内部放大增益。
硅化钿(PtSi)探测器也是一种光发射探测器,与光电倍增管不同,金屈铂吸 收光子后,将载流子发射到半导体材料中。
3. 2. 7景子阱探测器
量子阱红外光子探测器(QWIP)是由非常薄的GaAs和AUGa^As晶体层交荇 而成的,在内部形成多个量子阱。采用分子束外延技术可将GaAs、AlxGa, ,AS晶 体层的厚度控制到儿分之一的分子层的精度。GaAs材料的带隙为1. 35电子伏 特,迎常不能制造波长大于0.92微米的探测器。但景子阱内电子可处于基态或 初激发态,即处于两种子能带,子能带之间的带隙较小。在光子激发下,电子由 丛态跃迁到初激发态。器件的结构参数可保证受激载流子能从势阱顶部逸出。并 在电场的作用下,被收集为光电流。
QWIP响应的峰值波长是由景子阱的基态和激发态的能级差决定的,它的光谱 响应与本征红外探测器;QWIP的光谱响应峰较窄,较陆。但它的峰值波长、 截止波长可以灵活、连续地剪裁,在问一块芯片上制造出双色、多色的成像面阵。
与Jt•它光子探测器相比,QWIP独特之处苜先在于它的响应特性可通过制造理 想的束缚能级的方法來修正。改变晶体层的厚度可改变量子阱的宽度,改变 AlGaAs合金中A1的分子比,可改变势阱商度,从而在较大范围内调整子能带之 间的带隙,探测器就可以响应3至20微米的辐射。其次,它获得真正的“无噪 声”同态光电倍增效应。
由于QWTP采用了 GaAs生长和处理的成熟技术,可以制作成大规模的成像面 阵。“度身定制”的景子阱阵列完全可以做到:每个探测器具有要求的峰值响应, 并且阵列中的每一个探测器可以和一个独立的光电倍增管相连。这样的阵列就好 像是一个大数目的光电倍增管,不M的是它有高的景子效率,可以工作在较长波 长,并有较小的结构尺寸和较低的功耗。
是子阱探测器的缺点是光谱响应峰较窄,因此,研制宽波段的红外大规模面 阵是发展趋势,如8〜14微米、100万象素的最子阱成像面阵。可以预见,届时 红外相机和可见光CMOS相机的差距将大大缩小。
3. 3热探测器 3. 3. 1热电效应
热探测器也通称为能罱探测器,其原理是利用辐射的热效应,通过热电变换 來探测辐射。入射到探测器光敏面的辐射被吸收后,引起响应元的温度升高,响 应元材料的某-•物理罱随之而发生变化。利用不问物理效应可设计出不间类型的 热探测器,其中最常用的有电阻温度效应(热敏电阻)、温差电效应(热电偶, 热电堆)和热释电效应。
由于各种热探测器都是先将辐射转化为热并产生温升,而这一过程迎常很 慢,热探测器的时间常数要比光F探测器大得多。热探测器性能也+象光/•探测 器那样有呰己接近背景极限。即使在低频下,它的探测率要比室温背景极限值低 一个数量级,高频下的差别就更大了。因此,热探测器不适合用于快速、S灵敏 度的探测。热探测器的最大优点是光谱响应范围较宽且较平识。
3. 3. 2热敏电阻
严格地说,利用辐射热效应而引起电阻变化的热探测器应称之为测热辐射计
当用桥式测罱电路时,两个热敏电阻具有相问的温度特性,分别用于测贵和 补偿。当环境温度变化时,不会破坏电桥的平衡。用较为简单的测量电路时,只 有热敏电阻电压的变化最才能迎过耦合电容传给信号放大电路。
当照射到热敏电阻的辐射发生变化时,引起温度变化有一个时间延迟,此延 迟取决于热敏电阻内部的热学结构。用热平衡方程可表达为:
公式的物理意义是:入射的辐射功率一部分迎过传导和辐射方式耗散,具 体取决于探测元的热导。另一部分以蓄热方式储存起来,该部分収决于探测元的 热容。如入射辐射按正弦变化
此公式与RC低通滤波电路的表达形式很相似,只是RC电路的时间常数为电 容和电阻乘积,即电容与电导之比。
公式淸楚地农明:要减小热吋间常数,响应元应有较小的热容和较大的热导 (或较小的热阻)。但是,热导大即热阻小,意味沿同样的入射辐射功率产生较 小的温升,就会影响响应率。因此,热敏电阻响应元通常具有薄片状结构,以增 大接收面积和减小热容量。用热特性不同的基片,热敏电阻的时间常数可为1 毫秒至50毫秒。热敏电阻迎常由高温度系数的金屈氧化物烧结而成,由于材料 本讶吸收不是很好,制作时必须黑化。
热敏电阻噪声主要是1/f噪声和热噪声。对于有®佳信噪比的大偏置电流 的怡况,主要是1/f噪声。偏置电流足够小时,热噪声起主要作用。此时,热敏 电阻的噪声谱是平的,仅依赖于响应元的电阻和温度。
3. 3. 3热电偶和热电堆
当加热两种不同材料的接点处时,将在开路的两端产生以电压,这就是热伏 效应。这个接点就称为热电偶,由一个以上热电偶组成的响应单元叫热电堆。
热电偶材料组合有铋一银、铜一康铜等,两种不同的金属丝连接成热接点Jl,
岡定在黑化的接收器上,接收器即响应元。冷接点J2保持丛准温度r,。
当响应元温度从乃上升到7;时,热接点J1也上升到同样温度,建立
的开路热电电动势为:
Vo = P(lbAT({ = Poh^> £
其中为两种材料的热电率,^为接收器的比辐射率,£为热接点和响应元 热阻之和。
开路情况下,对恒定的入射辐射的响应率为 V
R = ^- = cP,h£.
0) ab
为达到高响应率,响应元应有高吸收率,热电偶材枓应有高热电率,并选用 高热阻材料。
式中r = 为时间常数,要减少响应时间必须减小热容或减小热阻,热阻过 小温升也小,响应率会降低。所有热探测器响应率和响应速度都受到热结构的限 制,其时间常数有时就直接称为热时间常数。热电堆的时间常数一般在几十毫秒。
除双金屈结点处会产生热伏效应外,如果用两块K沏和P沏的半导体作电偶 对也会产生十分敁著的温差效应,称为Peltier效应。Peltier效应有可逆蚀,: 如來把两种导体连结成电偶对,当有H流电通过电偶对时,将在电偶对的两端产 生温差。改变电流的方向,可产生加热效应或是致冷响应。反之,则会产生热伏 效应。一般导体的Peltier效应是不敁著的,用两块K型和P型的半导体制作 电偶对的效应就比较M著。用半导体热电堆测量辐射功率的仪器称为卡路里计, 其原理是将吸收的热流转换为可测最的电流。
3. 3. 1热释电探测器
凡是有0发极化的晶体,其表面会出现面束缚电荷。而这些面束缚电荷平时 被晶体内部和外部来的自由电荷所中和,因此在常态下呈中蚀。如果交变的辐射 照射在光敏元上,则光敏元的温度、晶片的自发极化强度以及由此引起的面束缚 电荷的密度均以同样频率发生Ml期性变化。如果面束缚电荷变化较快,0由电荷 来不及中和,在_直于自发极化欠罱的两个端面间会出现交变的端电压。
与所有热探测器一样,热释电探测器的工作原理可以用三个过程來描述: 射一热为吸收过程,热一温度为加热过程,温度一电则为测温过程。加热过程与 热敏电阻、热电偶是类似的。根据热平衡方程,对周期变化的红外辐射响应元温 升为:
热释电材料有单晶、陶瓷、搏膜等种类。单晶热释电晶体的热释电系数高, 介质损耗小,至今性能a好的热释电探测器大多选用单晶制作。如TGS、LATGS,
LiTaO:1等。陶瓷热释电晶体成本较低,响应较慢。如入侵报菩用PH陶瓷探测器 工作频率为0.2〜i5Hz。溥膜热释电材料可以用溅射法、液相外延等方法制备。 有些薄膜的0发极化取向率己接近单晶水平。由于薄膜一般可以做得很薄,因而 对于制作高性能的热释电探测器十分有利。
热释电探测器光谱响应范围很宽,可以非致冷工作,己广泛用于辐射测量。 由于探测器性能均匀,功耗低,成像沏的热释电面阵有很好的应用前景。
 
 

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