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光導探測器的相關介紹
光導探測器
光電導探測器的機理是探測器吸收了入射的紅外光子,產生由載流子,進 而改變了敏感元件的電導率。可以對光導探測器加一個恒定的偏流,檢測電導率 的變化。
從式中可看出,高響應率要求探測器有較高的景子效率,自由載流子壽命長, 遷移率高,厚度應®小。自由載流子壽命収決于復合過程,在一定程度上可由材 料配方和雜質含景來控制。ei由載流子壽命是一個極其重要的參數,除影響響應 率外,還影響探測器的時間常數。
高響應率還要求探測器在無光子輻照時有較低的電導率,即將非光子效應產 生的載流子數降低到最小。對長波響應的探測器材料,必須有小的禁帶寬度,但 禁帶寬度小,在室溫下,無光照就會產生大景熱激發載流子,只能通過致冷探測 器來解決。一般來講,如不致冷的話,大多數光電導探測器的響應波段不會超過 3微米。響應波段在3到8微米的,要求中等致冷(77K)。響應超過8微米的, 要求致冷到絕對溫度幾度。
當光導探測器面積一定時,高響應率需要高的量子效率,以便進可能利用所 有入射光子,可在敏感元后面設反射器或敏感元表面鍍增透膜。
光導器件前放的典型電路如上圖。光導探測器的輸出阻抗較低,要求亳安級 的恒流偏置,實際做法是用恒壓源經一個串聯的負載電阻產生所需的偏流。負載 電阻阻值應遠大于探測器內阻,電壓源要求低紋波,避免引入噪聲。探測器輸出 迎過電容耦合到前置放大器,由于前放輸入迎常為毫伏級的弱信號,前放放大倍 數苡達數千倍,前放應有較低的噪音系數,設計中一般要求前放的等效輸入電壓 噪聲為探測器的1/10,即認為此時可忽略放大器本身噪聲的影響。前放輸入阻 抗與探測器輸出是否匹配對放大器的噪音系數影響很大,是設計中必須考慮的W 素。
3. 2. 1光伏探測器
光伏探測器利用光生一伏打效應。在光伏過程中,半導體內部或半導體表面 存在一個p-n結。入射光子產生電子空穴對,然后被結上的電場分開,在探測器 輸出開路情況下可形成光電壓。如將探測器輸出短路,可產生短路電流。光伏探 測器受到輻照后,其伏安特性(ft!線特忡.將會下移。
使用時可選擇合適的工作點。一般說來,光伏探測器工作于短路狀態時,即 零偏壓狀態,能產生最佳信噪比。有時也對光伏探測器加適當的反向偏置。加反 向配置能增加耗盡層的厚度,從而減小時間常數,探測器有較好的高頻特性。
探測器開路狀態工作時,后接放大器應有較高的輸入阻抗,可對光伏器件輸 出開路電壓V。進行電壓放大。如光伏探測器工作于短路狀態,輸出短路電流ISC, 后接放大器的輸入阻抗應很低,可采用如圖所示的電流一電壓放大電路。
光伏探測器在理論上能達到的S大探測率比光電導探測器大40%。另外,光 伏探測器能零偏置工作,由于是高阻抗器件,即使加反丨4偏置,偏置功耗很低。 與同樣為高阻抗的CMOS讀出電路也容易匹配。因此,紅外焦平面探測器至今均 是光伏型的。
光伏器件即可用于輻射探測,也可用作能景轉換。如太陽電池或光電池就是 在不加偏畀電壓條件下工作的,其工作點在伏安曲線的第四象限,工作機理也是 光生一伏打效應,只是器件結構更注重能量的轉換效率而己。
3. 2. 5光電磁探測器
光電磁探測器由本征半導體材料薄片和稀土永久磁鐵組成,入射光子產生的 電子空穴對被外加磁場所分開,它不盂要電偏置。這類探測器不35致冷,可響應 到7微米。主要特點是時間常數很小,可小于Ins。由于光電磁探測器的探測率 比光導和光伏沏的低得多,一般很少使用。
3. 2. 6光發射探測器
光發射探測器迎常指能產生外光電效應的器件,這類探測器在可見、短波紅 外有很高的靈敏度,響應波長可達1.5nm。光電倍增管就是一種利用光電發射效 應的探測器,可用于弱光(光照度KT2〜l(Tlx)、微弱光(光照度小于 10 _bLx)的檢測,具有高響應速度,高靈敏度等特點。
光電倍增管由光電陰極、陽極和8〜19級倍增級組成。入射光子為光電陰極 材料表面所吸收后,有0由電子從表面逸出。發射的電子加速打到另一個電極上, 在電極上每一個電子會產生許多二次電子。這些電子乂依次加速打到第三電極, 并多次重復這一過程,得到很高的內部放大增益。
硅化鈿(PtSi)探測器也是一種光發射探測器,與光電倍增管不同,金屈鉑吸 收光子后,將載流子發射到半導體材料中。
3. 2. 7景子阱探測器
量子阱紅外光子探測器(QWIP)是由非常薄的GaAs和AUGa^As晶體層交荇 而成的,在內部形成多個量子阱。采用分子束外延技術可將GaAs、AlxGa, ,AS晶 體層的厚度控制到兒分之一的分子層的精度。GaAs材料的帶隙為1. 35電子伏 特,迎常不能制造波長大于0.92微米的探測器。但景子阱內電子可處于基態或 初激發態,即處于兩種子能帶,子能帶之間的帶隙較小。在光子激發下,電子由 叢態躍遷到初激發態。器件的結構參數可保證受激載流子能從勢阱頂部逸出。并 在電場的作用下,被收集為光電流。
QWIP響應的峰值波長是由景子阱的基態和激發態的能級差決定的,它的光譜 響應與本征紅外探測器;QWIP的光譜響應峰較窄,較陸。但它的峰值波長、 截止波長可以靈活、連續地剪裁,在問一塊芯片上制造出雙色、多色的成像面陣。
與Jt•它光子探測器相比,QWIP獨特之處苜先在于它的響應特性可通過制造理 想的束縛能級的方法來修正。改變晶體層的厚度可改變量子阱的寬度,改變 AlGaAs合金中A1的分子比,可改變勢阱商度,從而在較大范圍內調整子能帶之 間的帶隙,探測器就可以響應3至20微米的輻射。其次,它獲得真正的“無噪 聲”同態光電倍增效應。
由于QWTP采用了 GaAs生長和處理的成熟技術,可以制作成大規模的成像面 陣。“度身定制”的景子阱陣列完全可以做到:每個探測器具有要求的峰值響應, 并且陣列中的每一個探測器可以和一個獨立的光電倍增管相連。這樣的陣列就好 像是一個大數目的光電倍增管,不M的是它有高的景子效率,可以工作在較長波 長,并有較小的結構尺寸和較低的功耗。
是子阱探測器的缺點是光譜響應峰較窄,因此,研制寬波段的紅外大規模面 陣是發展趨勢,如8〜14微米、100萬象素的最子阱成像面陣。可以預見,屆時 紅外相機和可見光CMOS相機的差距將大大縮小。
3. 3熱探測器 3. 3. 1熱電效應
熱探測器也通稱為能罱探測器,其原理是利用輻射的熱效應,通過熱電變換 來探測輻射。入射到探測器光敏面的輻射被吸收后,引起響應元的溫度升高,響 應元材料的某-•物理罱隨之而發生變化。利用不問物理效應可設計出不間類型的 熱探測器,其中最常用的有電阻溫度效應(熱敏電阻)、溫差電效應(熱電偶, 熱電堆)和熱釋電效應。
由于各種熱探測器都是先將輻射轉化為熱并產生溫升,而這一過程迎常很 慢,熱探測器的時間常數要比光F探測器大得多。熱探測器性能也+象光/•探測 器那樣有呰己接近背景極限。即使在低頻下,它的探測率要比室溫背景極限值低 一個數量級,高頻下的差別就更大了。因此,熱探測器不適合用于快速、S靈敏 度的探測。熱探測器的最大優點是光譜響應范圍較寬且較平識。
3. 3. 2熱敏電阻
嚴格地說,利用輻射熱效應而引起電阻變化的熱探測器應稱之為測熱輻射計
當用橋式測罱電路時,兩個熱敏電阻具有相問的溫度特性,分別用于測貴和 補償。當環境溫度變化時,不會破壞電橋的平衡。用較為簡單的測量電路時,只 有熱敏電阻電壓的變化最才能迎過耦合電容傳給信號放大電路。
當照射到熱敏電阻的輻射發生變化時,引起溫度變化有一個時間延遲,此延 遲取決于熱敏電阻內部的熱學結構。用熱平衡方程可表達為:
公式的物理意義是:入射的輻射功率一部分迎過傳導和輻射方式耗散,具 體取決于探測元的熱導。另一部分以蓄熱方式儲存起來,該部分収決于探測元的 熱容。如入射輻射按正弦變化
此公式與RC低通濾波電路的表達形式很相似,只是RC電路的時間常數為電 容和電阻乘積,即電容與電導之比。
公式淸楚地農明:要減小熱吋間常數,響應元應有較小的熱容和較大的熱導 (或較小的熱阻)。但是,熱導大即熱阻小,意味沿同樣的入射輻射功率產生較 小的溫升,就會影響響應率。因此,熱敏電阻響應元通常具有薄片狀結構,以增 大接收面積和減小熱容量。用熱特性不同的基片,熱敏電阻的時間常數可為1 毫秒至50毫秒。熱敏電阻迎常由高溫度系數的金屈氧化物燒結而成,由于材料 本訝吸收不是很好,制作時必須黑化。
熱敏電阻噪聲主要是1/f噪聲和熱噪聲。對于有®佳信噪比的大偏置電流 的怡況,主要是1/f噪聲。偏置電流足夠小時,熱噪聲起主要作用。此時,熱敏 電阻的噪聲譜是平的,僅依賴于響應元的電阻和溫度。
3. 3. 3熱電偶和熱電堆
當加熱兩種不同材料的接點處時,將在開路的兩端產生以電壓,這就是熱伏 效應。這個接點就稱為熱電偶,由一個以上熱電偶組成的響應單元叫熱電堆。
熱電偶材料組合有鉍一銀、銅一康銅等,兩種不同的金屬絲連接成熱接點Jl,
岡定在黑化的接收器上,接收器即響應元。冷接點J2保持叢準溫度r,。
當響應元溫度從乃上升到7;時,熱接點J1也上升到同樣溫度,建立
的開路熱電電動勢為:
Vo = P(lbAT({ = Poh^> £
其中為兩種材料的熱電率,^為接收器的比輻射率,£為熱接點和響應元 熱阻之和。
開路情況下,對恒定的入射輻射的響應率為 V
R = ^- = cP,h£.
0) ab
為達到高響應率,響應元應有高吸收率,熱電偶材枓應有高熱電率,并選用 高熱阻材料。
式中r = 為時間常數,要減少響應時間必須減小熱容或減小熱阻,熱阻過 小溫升也小,響應率會降低。所有熱探測器響應率和響應速度都受到熱結構的限 制,其時間常數有時就直接稱為熱時間常數。熱電堆的時間常數一般在幾十毫秒。
除雙金屈結點處會產生熱伏效應外,如果用兩塊K沏和P沏的半導體作電偶 對也會產生十分敁著的溫差效應,稱為Peltier效應。Peltier效應有可逆蝕,: 如來把兩種導體連結成電偶對,當有H流電通過電偶對時,將在電偶對的兩端產 生溫差。改變電流的方向,可產生加熱效應或是致冷響應。反之,則會產生熱伏 效應。一般導體的Peltier效應是不敁著的,用兩塊K型和P型的半導體制作 電偶對的效應就比較M著。用半導體熱電堆測量輻射功率的儀器稱為卡路里計, 其原理是將吸收的熱流轉換為可測最的電流。
3. 3. 1熱釋電探測器
凡是有0發極化的晶體,其表面會出現面束縛電荷。而這些面束縛電荷平時 被晶體內部和外部來的自由電荷所中和,因此在常態下呈中蝕。如果交變的輻射 照射在光敏元上,則光敏元的溫度、晶片的自發極化強度以及由此引起的面束縛 電荷的密度均以同樣頻率發生Ml期性變化。如果面束縛電荷變化較快,0由電荷 來不及中和,在_直于自發極化欠罱的兩個端面間會出現交變的端電壓。
與所有熱探測器一樣,熱釋電探測器的工作原理可以用三個過程來描述: 射一熱為吸收過程,熱一溫度為加熱過程,溫度一電則為測溫過程。加熱過程與 熱敏電阻、熱電偶是類似的。根據熱平衡方程,對周期變化的紅外輻射響應元溫 升為:
熱釋電材料有單晶、陶瓷、搏膜等種類。單晶熱釋電晶體的熱釋電系數高, 介質損耗小,至今性能a好的熱釋電探測器大多選用單晶制作。如TGS、LATGS,
LiTaO:1等。陶瓷熱釋電晶體成本較低,響應較慢。如入侵報菩用PH陶瓷探測器 工作頻率為0.2〜i5Hz。溥膜熱釋電材料可以用濺射法、液相外延等方法制備。 有些薄膜的0發極化取向率己接近單晶水平。由于薄膜一般可以做得很薄,因而 對于制作高性能的熱釋電探測器十分有利。
熱釋電探測器光譜響應范圍很寬,可以非致冷工作,己廣泛用于輻射測量。 由于探測器性能均勻,功耗低,成像沏的熱釋電面陣有很好的應用前景。
 
 

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