第二章-光谱仪及弱信号检测仪(三).ppt

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第二章光谱仪及弱信号检测仪主讲教师：

许立新第四节光电探测器光探测器是指利用光子效应或光热效应把光辐射量转换成另一种便于测量的物理量的器件。

从测量技术看，电量到目前为止是最方便、最精确的。

所以大多数光探测器都是把光辐射量转换成电量来实现对光辐射的探测。

即使直接转换量不是电量，通常也总是把非电量（如温度、体积等）在转换成电量来实施测量第四节光电探测器光电探测器以光子作为信息载体的器件，应用它来探测、处理光子信息在本质上具有极高的信息容量、极快的处理速度、极强的和无交叉干扰的信号幅度等特点。

还具有并行互连处理能力，极大的存储能力和极高灵敏的探测能力等。

第四节光电探测器光电探测器主要有光电子发射探测器与半导体探测器光电子发射探测器主要有光电倍增管和微通道管光电子发射探测器主要有光电倍增管和微通道管探测器探测器半导体探测器有：

半导体二极管型光电探测器、红外探测器、固体成像探测器等几种。

第四节光电探测器半导体二极管型光电探测器主要有半导体二极管型光电探测器主要有PINPIN和和APDAPD。

红外探测器是指能工作在红外探测器是指能工作在11m3m3m,3m,3mm55m,8m,8m14m14mm波段的波段的HgCdTeHgCdTe和和GaInAsSbGaInAsSb单元、多元及焦平面阵列。

单元、多元及焦平面阵列。

固体成像器件可分为可见光、优势互补的混合型固体成像器件可分为可见光、优势互补的混合型微光、红外阵列探测器。

由于这类器件所成微光、红外阵列探测器。

由于这类器件所成图像不存在图形扭折，易于信息处理，因此图像不存在图形扭折，易于信息处理，因此在实现各种高速图像处理等方面得到广泛应在实现各种高速图像处理等方面得到广泛应用。

用。

第四节光电探测器inpRPI光电探测器基本表征参数光电探测器基本表征参数响应度响应度R高响应度等效于探测器的高灵敏度高响应度等效于探测器的高灵敏度量子效率量子效率RqhhPqinpI入射光子数对入射光产生的电子空穴电容电容与探测器面积和反向偏置电压有关与探测器面积和反向偏置电压有关响应时间响应时间探测器对入射光产生响应并形成外电流所需时间响应时间受暗电流、噪声、线性度、后向反射及边沿效响应时间受暗电流、噪声、线性度、后向反射及边沿效应影响应影响产生光电流主要有两个区域：

耗尽区和耗尽区以外的掺杂半产生光电流主要有两个区域：

耗尽区和耗尽区以外的掺杂半导体，入射光先进入掺杂半导体，然后再进入耗尽区，导体，入射光先进入掺杂半导体，然后再进入耗尽区，耗尽区产生的光电子通过漂移形成电流为快响应，掺杂耗尽区产生的光电子通过漂移形成电流为快响应，掺杂区域产生的光电子通过扩散形成光电流，扩散的速率比区域产生的光电子通过扩散形成光电流，扩散的速率比漂移要慢，形成边沿效应漂移要慢，形成边沿效应第四节光电探测器第四节光电探测器第四节光电探测器一、光电倍增管一、光电倍增管光电效应与电子倍增发射光电效应与电子倍增发射第四节光电探测器一、光电倍增管一、光电倍增管光电效应与电子倍增发射光电效应与电子倍增发射第四节光电探测器第四节光电探测器第四节光电探测器第四节光电探测器半导体探测器半导体探测器PN耗尽层VAp-ndiodesdeficienciesarerelatedtothefactthatthedepletionarea（activedetectionarea）issmall;manyelectron-holepairsrecombinebeforetheycancreateacurrentintheexternalcircuit.光电二极管实际上是一个加了反向偏压的pn结n型p型耗尽层耗尽层当反向偏压足够大时耗尽区自由载流子被完全耗尽pnpin光电二极管的结构加反向偏置电压后形成一个很宽的耗尽层高掺杂p+型高掺杂n+型i（本征）层：

低掺杂n型耗尽区P（x）xpin）1（）（）（0xsePxP在半导体材料中光功率的吸收呈指数规律：

其中s（）为材料对波长的吸收系数，P0是入射光功率，P（x）是光在耗尽区中经过距离x后被吸收的功率pin的光吸收xseP）（0光损耗不同材料吸收系数s（）与波长的关系截止波长c由其带隙能量Eg决定：

c=hc/Eg

（1）入射截止hv入射不足以激励出电子

（2）入射截止材料对光子开始吸收（3）入射截止材料吸收强烈（s很大）光的透射力变得很弱第四节光电探测器InPIN,thedepletedregionismadeaslargeaspossible.Alightlydopedintrinsiclayerseparatesthemoreheavilydopedp-typesandn-types.第四节光电探测器Theavalanchephotodiode（APD）operatesastheprimarycarriers,thefreeelectronsandholescreatedbyabsorbedphotons,accelerate,gainingseveralelectronVoltsofkineticenergy.Acollisionofthesefastcarrierswithneutralatomscausestheacceleratedcarrierstousesomeoftheirownenergytohelptheboundelectronsbreakoutofthevalenceshell.Freeelectron-holepairs,calledsecondarycarriers,appear.Collisionionizationisthenamefortheprocessthatcreatesthesesecondarycarriers.雪崩二极管（APD）在光生电流尚未遇到后续电路的热噪声时已经在高电场的雪崩区中得到放大，因此有助于提高接收机灵敏度第四节光电探测器第四节光电探测器Asprimarycarrierscreatesecondarycarriers,thesecondarycarriersthemselvesaccelerateandcreatenewcarriers.Collectively,thisprocessisknownasphotomultiplication.Typicalmultiplicationrangesinthetensandhundreds.Forexample,amultiplicationfactorofeightymeansthat,onaverage,eightyexternalelectronsflowforeveryphotonoflightabsorbed.第四节光电探测器APDsrequirehigh-voltagepowersuppliesfortheiroperation.Thevoltagecanrangefrom30or70VoltsforInGaAsAPDstoover300VoltsforSiAPDs.APDsareverytemperaturesensitive,Addcomplicatingcircuitrequirements.第四节光电探测器Ingeneral,APDsareonlyusefulfordigitalsystemsbecausetheypossessverypoorlinearity.Becauseoftheaddedcircuitcomplexityandthehighvoltagesthatthepartsaresubjectedto,APDsarealwayslessreliablethanPINdetectors.This,addedtothefactthatatlowerdatarates,PINdetector-basedreceiverscanalmostmatchtheperformanceofAPD-basedreceivers,makesPINdetectorsthefirstchoiceformostdeployedlow-speedsystems.Atmultigigabitdatarates,however,APDsrulesupreme.第四节光电探测器ParameterPINPhotodiodesAPDsConstructionMaterialsSi,Ge,InGaAsSi,Ge,InGaAsBandwidthDCto40+GHzDCto40+GHzWavelength0.6to1.8m0.6to1.8mConversionEfficiency0.5to1.0Amps/Watt0.5to100Amps/WattSupportCircuitryRequiredNoneHighVoltage,TemperatureStabilizationCost（FiberReady）$1to$500$100to$2,000红外探测器的发展史红外探测器的发展史第四节光电探测器WavelengthRange950-1650nm3-dBBandwidth25GHzRiseTime17psMaximumConversionGain15V/WTypicalMaximumResponsivity0.6A/WOutputImpedance50cwSaturationPower2mWMaximumPulsePower100mWDetectorMaterial/TypeInGaAs/SchottkyDetectorDiameter25m第四节光电探测器第四节光电探测器第四节光电探测器第四节光电探测器电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD）第四节光电探测器电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD）第四节光电探测器电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD）第四节光电探测器电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD）第四节光电探测器电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD）第四节光电探测器电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD）第四节光电探测器电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD）第四节光电探测器CCD光学多道分析器工作原理光学多道分析器工作原理现在对光谱的采集与分析已广泛应用现在对光谱的采集与分析已广泛应用CCD光学多道分析光学多道分析器。

它主要由摄谱仪、器。

它主要由摄谱仪、CCD探测器（包括相关电路）和计算机组探测器（包括相关电路）和计算机组成。

成。

CCD探测器是一种具有多个光敏元的列阵光电探测器件，它探测器是一种具有多个光敏元的列阵光电探测器件，它兼有光电转换、信号存贮以及信号传输（即自扫描）的功能。

在结兼有光电转换、信号存贮以及信号传输（即自扫描）的功能。

在结构上，构上，CCD器件是由一系列排列很紧密的器件是由一系列排列很紧密的MOS电容器列阵组成。

电容器列阵组成。

在光的照射下，能量大于半导体禁带宽度的那些光子将在在光的照射下，能量大于半导体禁带宽度的那些光子将在MOS电电容中产生电子空对，且产生的电子数正比于光强，因而可用容中产生电子空对，且产生的电子数正比于光强，因而可用CCD进行空间光强分布的探测。

使用一维进行空间光强分布的探测。

使用一维CCD器件（或称线阵）作光器件（或称线阵）作光探测器时，若将探测器时，若将CCD列阵置于摄谱仪焦平面上，则不同波长的光列阵置于摄谱仪焦平面上，则不同波长的光将在将在CCD的不同的不同MOS电容（光敏元）上产生光电电荷包，各电电容（光敏元）上产生光电电荷包，各电荷包中电荷多少与入射到该光敏元上的光强成线性关系。

荷包中电荷多少与入射到该光敏元上的光强成线性关系。

CCD列阵被置于摄谱仪焦平面上，在专用驱动电源产生的驱列阵被置于摄谱仪焦平面上，在专用驱动电源产生的驱动脉冲作用下，动脉冲作用下，CCD中光电信号被移出该器件，经放大和采样保中光电信号被移出该器件，经放大和采样保存后，光谱信号被送入模数变换器（存后，光谱信号被送入模数变换器（A/D），计算机用于采集），计算机用于采集A/D变换器输出电信号，并对光谱数据进行处理，给出所要数据。

变换器输出电信号，并对光谱数据进行处理，给出所要数据。

风云二号风云二号A星星红外通道:

10.5-12.56.2-7.6分辨率:

5公里探测器:

HgCdTe红外探测器对人类的影响红外探测器对人类的影响红外探测器打破了人眼只可以看红外探测器打破了人眼只可以看到可见光的局限性，拓宽了人们的视野和观到可见光的局限性，拓宽了人们的视野和观察事物的方法，同时也给人们带来了具大的察事物的方法，同时也给人们带来了具大的经济效益。

但在军事方面的应用却拉大了发经济效益。

但在军事方面的应用却拉大了发展中国家和发达国家的军事差距。

谁掌握了展中国家和发达国家的军事差距。

谁掌握了先进的科技，谁就掌握了战争的主动权。

先进的科技，谁就掌握了战争的主动权。