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光电探测器
阅读:24366时间:2011-04-06 16:05:35

  光电探测器是指把光辐射转换成电量(I或V)的器件。利用将光辐射信号转换成电信号以进行显示或控制的功能,光探测器不仅可以代替人眼,而且由于其光谱响应范围宽,更是人眼的延伸。

应用选择

  光电探测器件的应用选择,实际上是应用时的一些事项或要点。在很多要求不太严格的应用中,可采用任何一种光电探测器件。不过在某些情况下,选用某种器件会更合适些。例如,当需要比较大的光敏面积时,可选用真空光电管,因其光谱响应范围比较宽,故真空光电管普遍应用于分光光度计中。当被测辐射信号微弱、要求响应速度较高时,采用光电倍增管最合适,因为其放大倍数可达to'以上,这样高的增益可使其信号超过输出和放大线路内的噪声分量,使得对探测器的限制只剩下光阴极电流中的统计变化。因此,在天文学、光谱学、激光测距和闪烁计数等方面,光电倍增管得到广泛应用。

  目前,固体光电探测器用途非常广。CdS光敏电阻因其成本低而在光亮度控制(如照相自动曝光)中得到采用;光电池是固体光电器件中具有光敏面积的器件,它除用做探测器件外,还可作太阳能变换器;硅光电二极管体积小、响应快、可靠性高,而且在可见光与近红外波段内有较高的量子效率,困而在各种工业控制中获得应用。硅雪崩管由于增益高、响应快、噪声小,因而在激光测距与光纤通信中普遍采用。

  为了提高传输效率并且无畸变地变换光电信号,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的工作状态。现将光电探测器件的应用选择要点归纳如下:

  ①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。

  ②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。如光敏电阻是一个可变电阻,有光照的部分电阻就降低,必须使光线照在两电极间的全部电阻体上,以便有效地利用全部感光面。光电二极管、光电三极管的感光面只是结附近的一个极小的面积,故一般把透镜作为光的入射窗,要把透镜的焦点与感光的灵敏点对准。一股要使入射通量的变化中心处于检测器件光电特性的线性范围内,以确保获得良好的线性输出。对微弱的光信号,器件必须有合适的灵敏度,以确保一定的信噪比和输出足够强的电信号。

  ③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。

  ④光电探测器必须和输入电路在电特性上良好地匹配,以保证有足够大的转换系数、线性范围、信噪比及快速的动态响应等。

  ⑤为使器件能长期稳定可靠地工作,必须注意选择好器件的规格和使用的环境条件,并且要使器件在额定条件下使用。

性能比较

  在动态特性(即频率响应与时间响应)方面,以光电倍增管和光电二极管(尤其是PIN管与雪崩管)为;在光电特性(即线性)方面,以光电倍增管、光电二极管和光电池为;在灵敏度方面,以光电倍增管、雪崩光电二极管、光敏电阻和光电三极管为。值得指出的是,灵敏度高不一定就是输出电流大,而输出电流大的器件有大面积光电池、光敏电阻、雪崩光电二极管和光电三极管;外加偏置电压的是光电二极管、光电三极管,光电池不需外加偏置;在暗电流方面,光电倍增管和光电二极管最小,光电池不加偏置时无暗电流,加反向偏置后暗电流也比光电倍增管和光电二极管大;长期工作的稳定性方面,以光电二极管、光电池为,其次是光电倍增管与光电三极管;在光谱响应方面,以光电倍增管和CdSe光敏电阻为最宽,但光电倍增管响应偏紫外方向,而光敏电阻响应偏红外方向。

主要特性

  1.光电特性: I(t)[光电流]=F(P)[光通量]

  2.光谱特性: I(t)[光电流]=F(λ)[入射光波长]

  3.频率特性: I(t)[光电流]=F(f)[入射光调制频率]

  4.伏安特性: I(t)[光电流]=F(U)[电压]

参数

  一、有关响应方面的性能参数

  1. 响应率(Responsivity)RV或RI

  表征探测器将入射光信号转换成电信号的能力

  电流的响应率RI:探测器将入射光信号转换成电流信号Ie的能力。

  电压响应率RV:探测器将入射光信号转换成电压信号Ve的能力。

  2.单色灵敏度Rλ --- 波长为l的单色辐射源

  单色灵敏度:输出的光电流iλ与波长为λ的入射到探测器的单色辐射光通量Pλ(或照度)之比

  3.积分灵敏度 --- 复色辐射源

  表示探测器对连续入射光辐射的反应灵敏程度

  4. 响应时间

  描述光电器件对入射辐射响应快慢的参数

  5. 频率响应度

  二、有关噪声方面的参数

  1、 信噪比

  信噪比是判定噪声大小通常使用的参数。它是在负载电阻RL上产生的信号功率与噪声功率之比,(S――Signal   N――Noise)

  2. 噪声等效功率(NEP)

  3. 探测率与比探测率

  三、其它参数

  1. 量子效率

  描述光电转换器件光电转换能力的一个重要参数

  2.线性度

  线性度是描述光电探测器输出信号与输入信号保持线性关系的程度。

应用

  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。光电导体的另一应用是用它做摄像管靶面。

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