红外辐射光子在半导体材料中激发非平衡载流子电子或空穴、,引起电学性能变化。因为载流子不逸出体外,所以称内光电效应。量子光电效应灵敏度高,响应速度比热探测器快得多,是选择性探测器。为了达到较佳性能,一般都需要在低温下工作。光电探测器可分为:
1、光导型:
又称光敏电阻。入射光子激发均匀半导体中的价带电子越过禁带进入导带并在价带留下空穴,引起电导增加,为本征光电导。从禁带中的杂质能级也可激发光生载流子进入导带或价带,为杂质光电导。截止波长由杂质电离能决定。量子效率低于本征光导,而且要求更低的工作温度。
2、光伏型:
主要是p-n结的光生伏特效应。能量大于禁带宽度的红外光子在结区及其附近激发电子空穴对。存在的结电场使空穴进入p区,电子进入n区,两部分出现电位差。外电路就有电压或电流信号。与光导探测器比较,光伏探测器背影限探测率大于40%;不需要外加偏置电场和负载电阻,不消耗功率,有高的阻抗。这些特性给制备和使用焦平面阵列带来很大好处。
3、光发射-Schottky势垒探测器:
金属和半导体接触,典型的有PtSi/Si结构,形成Schottky势垒,红外光子透过Si层为PtSi吸收,电子获得能量跃上Fermi能级,留下空穴越过势垒进入Si衬底,PtSi层的电子被收集,完成红外探测。充分利用Si集成技术,便于制作,具有成本低、均匀性好等优势,可做成大规模1024×1024甚至更大、焦平面阵列来弥补量子效率低的缺陷。有严格的低温要求。用这类探测器,国内外已生产出具有像质良好的热像仪。PtSi/Si结构FPA是较早制成的IRFPA。
4、量子阱探测器QWIP:
将两种半导体材料A和B用人工方法薄层交替生长形成超晶格,在其界面,能带有突变。电子和空穴被限制在低势能阱A层内,能量量子化,称为量子阱。利用量子阱中能级电子跃迁原理可以做红外探测器。90年代以来发展很快,已有512×512、640×480规模的QWIPGaAs/AlGaAs焦平面制成相应的热像仪诞生。因为入射辐射中只有垂直于超晶格生长面的电极化矢量起作用,光子利用率低;量子阱中基态电子浓度受掺杂限制,量子效率不高;响应光谱区窄;低温要求苛刻。人们正深入研究努力加以改进,可望与碲镉汞探测器一争高低。
光电探测器的原理是由辐射引起被照射材料电导率发生改变。光电探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等;在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。
光电探测器选择时要注意:
1、光电探测器不仅要和被测信号、光学系统相匹配,而且要和后续的电子线路在特性和工作参数上相匹配,使每个相互连接的器件都处于较佳的工作状态。
2、光电探测器必须和辐射信号源及光学系统在光谱特性上相匹配。如果测量波长是紫外波段,则选用光电倍增管或专门的紫外光电半导体器件;如果信号是可见光,则可选用光电倍增管、光敏电阻和Si光电器件;如果是红外信号,则选用光敏电阻,近红外选用Si光电器件或光电倍增管。
3、光电探测器的光电转换特性必须和入射辐射能量相匹配。其中首先要注意器件的感光面要和照射光匹配好,因光源必须照到器件的有效位置,如光照位置发生变化,则光电灵敏度将发生变化。
4、光电探测器必须和光信号的调制形式、信号频率及波形相匹配,以保证得到没有频率失真的输出波形和良好的时间响应。这种情况主要是选择响应时间短或上限频率高的器件,但在电路上也要注意匹配好动态参数。
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