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紫外光電探測器的發(fā)展|應(yīng)用
紫外光電探測器不僅在工作時不易受長波電磁干擾，可以在很強(qiáng)的電磁輻射環(huán)境中工作，并且具有很好的隱蔽性，它不是通過主動向外輻射電磁波的形式向目標(biāo)發(fā)射探測信號，而...[查看全部]
光電探測器能把光信號轉(zhuǎn)換為電信號，根據(jù)光電探測器對輻射響應(yīng)的方式不同或者說器件工作的機(jī)理不同，光電探測器可分為兩大類：一類是光子探測器;另一類是熱探測器。
光電探測器的發(fā)展歷史最早用來探測可見光輻射和紅外輻射的光電探測器是熱探測器。其中，熱電偶早在1826年就已發(fā)明出來。1880年又發(fā)明了金屬薄膜測輻射計。1947年制成了金屬氧化物熱敏電阻測輻射熱計。1947年又發(fā)明了氣動探測器。經(jīng)過多年的改進(jìn)和發(fā)展，這些光電探測器日趨完善，性能也有了較大的改進(jìn)和提高。
從20世紀(jì)50年代開始人們對熱釋電探測器進(jìn)行了一系列研究工作，發(fā)現(xiàn)它具有許多獨特的優(yōu)點，一度使這個領(lǐng)域研究很活躍。但是，與光子探測器相比，這些光電探測器的探測率仍較低，時間常數(shù)也較大。
應(yīng)用廣泛的光子探測器，除了發(fā)展最早、技術(shù)上也最成熟、響應(yīng)波長從紫光到近紅外的光電倍增管以外，硅和鍺材料制作的光電二極管、鉛錫、Ⅲ～Ⅴ族化合物、鍺摻雜等光電探測器，目前均已達(dá)到相當(dāng)成熟的階段，主要性能已接近理論極限。
1970年以后又出現(xiàn)了一種利用光子牽引效應(yīng)制成的光子牽引探測器。其主要用于CO2激光的探測。八十年代中期，出現(xiàn)了利用摻雜的GaAs/AlGaAs材料、基于導(dǎo)帶躍遷的新型光探測器——量子阱探測器。這種器件工作于8～12μm波段，工作溫度為77K。
光電探測器的發(fā)展現(xiàn)狀現(xiàn)在，光電探測器的發(fā)展主要集中在紅外，已開始研制第三代紅外探測器，并提出了第三代紅外熱像儀的概念，主要是雙色或三色高性能、高分辨率、制冷型熱像儀和智能焦平面陣列探測器。因此紅外探測技術(shù)較長遠(yuǎn)的發(fā)展趨勢是開發(fā)出第三代。
由于紅外光電探測器技術(shù)的不斷完善，從光電探測器芯片上提升技術(shù)已相當(dāng)困難。為進(jìn)一步提高性能，人們現(xiàn)在把注意力轉(zhuǎn)到紅外光電探測器的信號讀出集成電路(ROIC)上。隨著計算機(jī)技術(shù)和集成電路的發(fā)展，ROIC已有很大的進(jìn)展，中規(guī)模的紅外焦平面陣列和
... 查看全文光電探測器是由輻射引起被照射材料電導(dǎo)率發(fā)生改變，其光電探測器種類繁多，從原則上說只要在受到光照之后其物理性質(zhì)變化的材料都可以用來制作光電探測器。光電探測器在軍事和國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域有廣泛用途。
1、光電子發(fā)射效應(yīng)
根據(jù)光的量子理論，頻率為v的光照射到材料表面時，材料中的電子將吸收hv的光子能量。若電子所增加的能量除了克服與晶格或其它電子碰撞損失的能量外，尚有一定的能量足以克服材料表面的勢壘w，那么該電子將逸出材料表面進(jìn)入空間。
逸出表面的光電子最大動能可有愛因斯坦方程描述：Ek=hv-w式中：Ek=1/2mv2是光電子動能，m是光電子質(zhì)量，v是光電子離開材料表面的速度，w是材料的逸出功。
光電子的動能與光照強(qiáng)度無關(guān)，僅隨入射光的頻率增加而增加，臨界情況下，Ek=0即光電子剛能到達(dá)材料表面。此時的入射光頻率稱為極限頻率v0=v=w/h。當(dāng)光頻v0時，無論光強(qiáng)多大都不能產(chǎn)生光電子。但是當(dāng)材料能產(chǎn)生光電流，則光電流的大小隨光強(qiáng)的增加而增加。
利用光子發(fā)射效應(yīng)的光電探測器有：真空光電管、充氣光電管、光電倍增管。其中，應(yīng)用最廣的是光電倍增管，它的內(nèi)部有電子倍增系統(tǒng)，因而有很高的電流增益，能檢測極微弱的光輻射信號。
2、光電導(dǎo)效應(yīng)
入射光與材料相互作用，使束縛態(tài)的電子變成自由態(tài)，產(chǎn)生自由電子或空穴，這時在外電場作用下，流過材料的電流會增加，相當(dāng)于電導(dǎo)增加。光電導(dǎo)效應(yīng)可分為兩類：本征光電導(dǎo)和雜質(zhì)光電導(dǎo)。
本征光電導(dǎo)：電子吸收光子能量后，由價帶躍遷到導(dǎo)帶，同時價帶中產(chǎn)生空穴，在外電場的作用下，電子——空穴對參與導(dǎo)電，使材料的光電導(dǎo)增加。要產(chǎn)生電子空穴對，光子的能量至少要和禁帶一樣寬。
雜質(zhì)光電導(dǎo)：光子使施主能級中的電子或者受主能級中的空穴躍遷到導(dǎo)帶或價帶，從而使材料的光電導(dǎo)增加。此時，長波限由雜質(zhì)的電離能Ei決定，雜質(zhì)光電導(dǎo)的長波限比本征光電導(dǎo)的長波限要長的多。
利
... 查看全文光電探測器就是把光信號轉(zhuǎn)為電信號的一種器件，在可見光或近紅外波段主要用于射線測量和探測、工業(yè)自動控制、光度計量等;在紅外波段主要用于紅外熱成像、紅外遙感等方面。
光電探測器的特點光電探測器是光電探測系統(tǒng)的核心，根據(jù)需要實現(xiàn)的功能，以及光電探測器的原理，特性參數(shù)，使用環(huán)境，注意事項等，選擇合適的光電探測器至關(guān)重要。
一、外光電效應(yīng)器件
1、真空光電管
特點：①擋光作用小，受光面積大，對聚焦光斑的大小要求不嚴(yán)格;
②光電子路程相同，渡越時間一致，極間電容小，高頻特性好;
③可承受較大電流，線性度好;
④收集光電子效率低，靈敏度低，體積大，易破損;
應(yīng)用：光功率測量，光信號記錄，電影電視，紫外——可見分光光度計。
2、光電倍增管
特點：①光譜響應(yīng)寬，靈敏度高;
②低功耗，低噪聲，高分辨率;
③要求工作電壓非常穩(wěn)定，入射光功率不能太高;
④需要金屬外殼屏蔽干擾，體積較大。
應(yīng)用：光子計數(shù)，極微弱光探測，極低能射線探測，生化分析儀器，掃描電鏡。
二、內(nèi)光電效應(yīng)器件
1、光敏電阻
特點：①價格低，體積小，質(zhì)量輕，機(jī)械強(qiáng)度高，抗過載能力強(qiáng)，壽命長;
②靈敏度高，光譜響應(yīng)范圍寬;工作電流大;
③易飽和，受溫度影響大，頻率特性差。
應(yīng)用：光控開關(guān)，紫外、紅外、可見光探測器。
2、光電二極管
特點：①體積小，頻率特性好性好;
②靈敏度高，工作頻率寬，響應(yīng)速度快;
③定向性探測，光譜響應(yīng)在可見光和紅外;
④PIN輸出電流小;
⑤APD受溫度影響大，穩(wěn)定性差。
應(yīng)用：光纖通信，激光測距，微弱信號探測。
3、光電三極管
特點：①光電流和靈敏度比光電二極管高;
②線性度差，易飽和;
③頻率特性和溫度特性差。
應(yīng)用：光電控制，光電開關(guān)，光電邏輯元件，不適合做光電探測。
三、熱探測器件
1、熱釋電器件
特點：①頻率響應(yīng)寬，時間常數(shù)小
... 查看全文光電探測器的應(yīng)用選擇，實際上是應(yīng)用時的一些事項或要點。在很多要求不太嚴(yán)格的應(yīng)用中，可采用任何一種光電探測器件。不過在某些情況下，器件的選擇極大程度上決定了效果的好壞。
光電探測器的性能比較①光電探測器動態(tài)特性(即頻率響應(yīng)與時間響應(yīng))方面，以光電倍增管和光電二極管(尤其是PIN管與雪崩管)為最好;
②光電探測器光電特性(即線性)方面，以光電倍增管、光電二極管和光電池為最好;
③光電探測器靈敏度方面，以光電倍增管、雪崩光電二極管、光敏電阻和光電三極管為最好。值得指出的是，靈敏度高不一定就是輸出電流大，而輸出電流大的器件有大面積光電池、光敏電阻、雪崩光電二極管和光電三極管;
④光電探測器外加偏置電壓最低的是光電二極管、光電三極管，光電池不需外加偏置;
⑤光電探測器暗電流方面，光電倍增管和光電二極管最小，光電池不加偏置時無暗電流，加反向偏置后暗電流也比光電倍增管和光電二極管大;
⑥光電探測器長期工作的穩(wěn)定性方面，以光電二極管、光電池為最好，其次是光電倍增管與光電三極管;
⑦光電探測器光譜響應(yīng)方面，以光電倍增管和CdSe光敏電阻為最寬，但光電倍增管響應(yīng)偏紫外方向，而光敏電阻響應(yīng)偏紅外方向。
光電探測器的應(yīng)用選擇光電探測器的應(yīng)用選擇，實際上是應(yīng)用時的一些事項或要點。在很多要求不太嚴(yán)格的應(yīng)用中，可采用任何一種光電探測器件。不過在某些情況下，選用某種器件會更合適些。例如，當(dāng)需要比較大的光敏面積時，可選用真空光電管，因其光譜響應(yīng)范圍比較寬，故真空光電管普遍應(yīng)用于分光光度計中。當(dāng)被測輻射信號微弱、要求響應(yīng)速度較高時，采用光電倍增管最合適，因為其放大倍數(shù)可達(dá)10^7以上，這樣高的增益可使其信號超過輸出和放大線路內(nèi)的噪聲分量，使得對光電探測器的限制只剩下光陰極電流中的統(tǒng)計變化。因此，在天文學(xué)、光譜學(xué)、激光測距和閃爍計數(shù)等方面，光電倍增管得到廣泛應(yīng)用。
目前，固體光電探測器用途
... 查看全文紅外光電探測器是將入射的紅外輻射信號轉(zhuǎn)變成電信號輸出的器件?，F(xiàn)代紅外光電探測器所利用的主要是紅外熱效應(yīng)和光電效應(yīng)。這些效應(yīng)的輸出大都是電量，或者可用適當(dāng)?shù)姆椒ㄞD(zhuǎn)變成電量。
紅外光電探測器的發(fā)展20世紀(jì)，紅外光電探測器首先受到軍事部門的關(guān)注，它實現(xiàn)了黑暗中的目標(biāo)探測、保密通訊等。
最初的紅外光電探測器采用點源探測技術(shù)，該方法將目標(biāo)看作一個熱點源，以此來探測、鎖定并追蹤目標(biāo)。由于獲得的特征信息量十分有限，且非常容易受到各類紅外、激光等干擾，因此單元探測基本不具備目標(biāo)識別的能力。隨著計算機(jī)技術(shù)、光電子技術(shù)等發(fā)展，光電對抗越來越強(qiáng)烈，簡單的點源式探測技術(shù)面臨重大挑戰(zhàn)，逐漸發(fā)展為多元探測技術(shù)，可以獲取較豐富的目標(biāo)信息。
20世紀(jì)80年代研發(fā)的多元紅外光電探測器面陣凝視成像系統(tǒng)探測元數(shù)量達(dá)到103～106量級，可以直接置于紅外物鏡的焦平面上，實現(xiàn)所謂的大角度“凝視”，電子脈沖代替了光學(xué)機(jī)械掃描體制。系統(tǒng)靈敏度可提高兩個量級且可同時處理多個目標(biāo)，體積縮小、重量減輕、響應(yīng)更快、可靠性提高，在軍事上有更突出的適用性。
目前，紅外光電探測器正朝著中波紅外、長波紅外雙波段甚至多波段方向發(fā)展。紅外光電探測器將具備像素更高、幀速率更快、熱分辨率更強(qiáng)、多色化和智能化等特征。
紅外光電探測器的原理紅外對于我們來說其實并不陌生，經(jīng)科學(xué)研究顯示凡是溫度超過絕對零度的物體都能產(chǎn)生熱輻射，當(dāng)物體溫度低于1725℃物體產(chǎn)生的熱輻射光譜都會集中在紅外光區(qū)域，因此自然界的所有物體都能向外輻射紅外光波。自然界的物體由于本身的物理、化學(xué)性質(zhì)、本身溫度的不同所產(chǎn)生的紅外輻射的波長和距離也不盡相同。
通常我們將這些紅外波分為以下三個波段：
1、近紅外：波長范圍0.75～3μm
2、中紅外：波長范圍3～25μm
3、遠(yuǎn)紅外：波長范圍25～1000μm
人體輻射的紅外光波長3～50μm，其中8～14μm占
... 查看全文紫外光電探測器不僅在工作時不易受長波電磁干擾，可以在很強(qiáng)的電磁輻射環(huán)境中工作，并且具有很好的隱蔽性，它不是通過主動向外輻射電磁波的形式向目標(biāo)發(fā)射探測信號，而是通過被動接收紫外線輻射來辨認(rèn)目標(biāo)的，大大地避免了其本身位置的暴露。紫外光電探測器技術(shù)在軍事和民用的多個領(lǐng)域內(nèi)都有著非常廣泛的應(yīng)用。
紫外光電探測器的發(fā)展為了滿足人們的需求，高性能、高穩(wěn)定性、高可靠性的紫外光電探測器，尤其是能在極端和惡劣條件下工作的探測器的研發(fā)顯得尤為重要。紫外光電探測器作為紫外探測系統(tǒng)的核心部件，其性能指標(biāo)對紫外探測系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性有著至關(guān)重要的影響。
紫外光電探測器的發(fā)展主要分為3個階段。
第一階段以紫外光電倍增管為代表，具有穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快、暗電流低、電流增益高等優(yōu)點。雖然光電倍增管能實現(xiàn)高響應(yīng)的紫外探測，但是光電倍增管需要大功率電源和陰極制冷，因此體積大、功耗大、價格高，并且還需要在低溫高電壓下才能工作。另外，探測器必須使用光學(xué)窗口材料和濾光片，因此很不利于實際應(yīng)用。
第二階段Si基紫外光電探測器應(yīng)運而生。但是Si材料的禁帶寬度較小，光譜響應(yīng)在紅外區(qū)，而且Si基紫外光電探測器對紫外全波段葉沒有較高的響應(yīng)，所以可見光抑制比較低，可靠性不高。此外Si基紫外光電探測器必須要加裝非常昂貴的濾波器才能減小或消除可見光或者紅外線對探測結(jié)果的影響，有選擇性地實現(xiàn)在紫外波段工作。再加上紫外光在Si材料表面受到強(qiáng)烈的吸收，入射深度較淺，故Si基紫外光電探測器的量子效率略低，并且Si材料抗輻照能力差，受濾波器較大體重的影響，這些探測器在航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制。
隨著科技的進(jìn)步，紫外光電探測器在新的領(lǐng)域取得了突破，這就是日益發(fā)展起來的第3代寬禁帶半導(dǎo)體材料。采用寬禁帶半導(dǎo)體(如ZnO基、GaN基、SiC及金剛石等)的紫外光電探測器為高性能紫外光電探測器的研究和應(yīng)用開發(fā)注入了新的活力。
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