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光电探测器就是把光信号转为电信号的一种器件,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红外热成像、红外遥感等方面。
光电探测器是光电探测系统的核心,根据需要实现的功能,以及光电探测器的原理,特性参数,使用环境,注意事项等,选择合适的光电探测器至关重要。
一、外光电效应器件
1、真空光电管
特点:①挡光作用小,受光面积大,对聚焦光斑的大小要求不严格;
②光电子路程相同,渡越时间一致,极间电容小,高频特性好;
③可承受较大电流,线性度好;
④收集光电子效率低,灵敏度低,体积大,易破损;
应用:光功率测量,光信号记录,电影电视,紫外——可见分光光度计。
2、光电倍增管
特点:①光谱响应宽,灵敏度高;
②低功耗,低噪声,高分辨率;
③要求工作电压非常稳定,入射光功率不能太高;
④需要金属外壳屏蔽干扰,体积较大。
应用:光子计数,极微弱光探测,极低能射线探测,生化分析仪器,扫描电镜。
二、内光电效应器件
1、光敏电阻
特点:①价格低,体积小,质量轻,机械强度高,抗过载能力强,寿命长;
②灵敏度高,光谱响应范围宽;工作电流大;
③易饱和,受温度影响大,频率特性差。
应用:光控开关,紫外、红外、可见光探测器。
2、光电二极管
特点:①体积小,频率特性好性好;
②灵敏度高,工作频率宽,响应速度快;
③定向性探测,光谱响应在可见光和红外;
④PIN输出电流小;
⑤APD受温度影响大,稳定性差。
应用:光纤通信,激光测距,微弱信号探测。
3、光电三极管
特点:①光电流和灵敏度比光电二极管高;
②线性度差,易饱和;
③频率特性和温度特性差。
应用:光电控制,光电开关,光电逻辑元件,不适合做光电探测。
三、热探测器件
1、热释电器件
特点:①频率响应宽,时间常数小,探测率高;
②大面积均匀敏感面,受环境温度影响小;
③极间电容大,不适合高速探测。
应用:红外探测。
2、热敏电阻
特点:①价格便宜,体积小,结构简单,可测点温度;
②温度系数大,灵敏度高;
③使用方便,寿命长;
④互换性差,非线性严重;
应用:测量,控制。
光电探测器总的选择匹配原则是:
①光电探测器和辐射信号源及光学系统在光谱特性上相匹配;
②光电探测器的光电转换特性和入射辐射能量相匹配;
③光电探测器和光信号的调制形式、信号频率及波形相匹配;
④光电探测器和输入电路的电气特性相匹配。
常用的光电探测器材料在射线和可见光波段有:CdS、CdSe、CdTe、Si、Ge等;在近红外波段有:PbS、PbSe、InSb、Hg0。75Cd0。25Te等;在长于8微米波段有:Hg1-xCdxTe、PbxSn1-x、Te、Si掺杂、Ge掺杂等;CdS、CdSe、PbS等材料可以由多晶薄膜形式制成光电导探测器。
可见光波段光电探测器:
可见光波段的光电探测器CdS、CdSe、CdTe的响应波段都在可见光或近红外区域,通常称为光敏电阻。它们具有很宽的禁带宽度(远大于1电子伏),可以在室温下工作,因此器件结构比较简单,一般采用半密封式的胶木外壳,前面加一透光窗口,后面引出两根管脚作为电极。高温、高湿环境应用的光电导探测器可采用金属全密封型结构,玻璃窗口与可伐金属外壳熔封。
器件灵敏度用一定偏压下每流明辐照所产生的光电流的大小来表示。例如一种CdS光敏电阻,当偏压为70伏时,暗电流为10-6~10-8安,光照灵敏度为3~10安/流明。CdSe光敏电阻的灵敏度一般比CdS高。
光敏电阻另一个重要参数是时间常数τ,它表示器件对光照反应速度的大小。光照突然去除以后,光电流下降到Zda值的1/e(约为37%)所需的时间为时间常数τ。也有按光电流下降到Zda值的10%计算τ的;各种光敏电阻的时间常数差别很大。CdS的时间常数比较大(毫秒量级)。
红外波段光电探测器:
红外波段的光电探测器PbS、Hg1-xCdxTe的常用响应波段在1~3微米、3~5微米、8~14微米三个大气透过窗口。由于它们的禁带宽度很窄,因此在室温下,热激发足以使导带中有大量的自由载流子,这就大大降低了对辐射的灵敏度。
响应波长越长的光,电导体这种情况越显著,其中1~3微米波段的光电探测器可以在室温工作(灵敏度略有下降)。3~5微米波段的光电探测器分三种情况:
在室温下工作,但灵敏度大大下降,探测度一般只有1~7×108厘米·瓦-1·赫;热电致冷温度下工作(约-60℃),探测度约为109厘米·瓦-1·赫;77K或更低温度下工作,探测度可达1010厘米·瓦-1·赫以上。8~14微米波段的探测器必须在低温下工作,因此光电导体要保持在真空杜瓦瓶中,冷却方式有灌注液氮和用微型制冷器两种。
红外光电探测器的时间常数比光敏电阻小得多,PbS光电探测器的时间常数一般为50~500微秒,HgCdTe光电探测器的时间常数在10-6~10-8秒量级。红外光电探测器有时要探测非常微弱的辐射信号,例如10-14瓦;输出的电信号也非常小,因此要有专门的前置放大器。
光电探测器的应用选择也有一些讲究,在那些要求不是很严格的应用中,一般可以使用任何一种探测器。但是,在某些特定的情况下,就需要慎重选择光电探测器。
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