簡單介紹光電探測器的應(yīng)用及其工作原理

光電探測器是一種能夠?qū)⒐廨椛滢D(zhuǎn)換成電量的一個(gè)器件，它利用這個(gè)特性可以進(jìn)行顯示及控制的功能。光探測器可以代替人眼，而且由于具有光譜響應(yīng)范圍寬的特點(diǎn)，光探測器亦是人眼的一個(gè)延伸。光電探測器利用被照射材料由于輻射的關(guān)系電導(dǎo)率發(fā)生改變的物理特點(diǎn)，它的用途比較廣泛，主要應(yīng)用在軍事及國名經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域上。光電探測器的應(yīng)用有哪些？光電探測器在紅外波段中的應(yīng)用主要在紅外熱成像、導(dǎo)彈制造及紅外遙感等一些方面;在可見光或近紅外波段中的應(yīng)用主要在在工業(yè)自動(dòng)控制、光度計(jì)量及射線測量和探測等方面。那么究竟光電探測器的應(yīng)用有哪些？接下來小編將會(huì)為您詳細(xì)的介紹這方面的知識(shí)，相信一定會(huì)幫助您更好的了解相關(guān)知識(shí)。

光電探測器，從其字面意思來看，相信大家都能猜到，這種探測器能夠?qū)⒐庑盘栟D(zhuǎn)化為電信號。光電探測器的分類有好多種，根據(jù)器件工作原理的不同或者根據(jù)器件對輻射響應(yīng)方式的不同，光電探測器一般分為兩大類，一種是熱探測器，還有一種是光子探測器。

光電探測器的工作原理

光電探測器的工作原理是基于光電效應(yīng)，熱探測器基于材料吸收了光輻射能量后溫度升高，從而改變了它的電學(xué)性能，它區(qū)別于光子探測器的最大特點(diǎn)是對光輻射的波長無選擇性。

光電導(dǎo)器件：利用具有光電導(dǎo)效應(yīng)的半導(dǎo)體材料做成的光電探測器稱為光電導(dǎo)器件，通常叫做光敏電阻。在可見光波段和大氣透過的幾個(gè)窗口，即近紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅外波段，都有適用的光敏電阻。光敏電阻被廣泛地用于光電自動(dòng)探測系統(tǒng)、光電跟蹤系統(tǒng)、導(dǎo)彈制導(dǎo)、紅外光譜系統(tǒng)等。

光電子發(fā)射器件：光電管與光電倍增管是典型的光電子發(fā)射型(外光電效應(yīng))探測器件。其主要特點(diǎn)是靈敏度高，穩(wěn)定性好，響應(yīng)速度快和噪聲小，是一種電流放大器件。尤其是光電倍增管具有很高的電流增益，特別適于探測微弱光信號;但它結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作電壓高，體積較大。光電倍增管一般用于測弱輻射而且響應(yīng)速度要求較高的場合，如人造衛(wèi)星的激光測距儀、光雷達(dá)等。

硫化鎘CdS和硒化鎘CdSe光敏電阻是可見光波段用得最多的兩種光敏電阻;硫化鉛PbS光敏電阻是工作于大氣第一個(gè)紅外透過窗口的主要光敏電阻，室溫工作的PbS光敏電阻響應(yīng)波長范圍1。0～3。5微米，峰值響應(yīng)波長2。4微米左右;銻化銦InSb光敏電阻主要用于探測大氣第二個(gè)紅外透過窗口，其響應(yīng)波長3～5μm;碲鎘汞器件的光譜響應(yīng)在8～14微米，其峰值波長為10。6微米，與CO2激光器的激光波長相匹配，用于探測大氣第三個(gè)窗口(8～14微米)°

光電探測器的應(yīng)用

photoconductivedetector利用半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種光探測器件。所謂光電導(dǎo)效應(yīng)，是指由輻射引起被照射材料電導(dǎo)率改變的一種物理現(xiàn)象。光電導(dǎo)探測器在軍事和國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域有廣泛用途。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(dòng)控制、光度計(jì)量等;在紅外波段主要用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、紅外熱成像、紅外遙感等方面。光電導(dǎo)體的另一應(yīng)用是用它做攝像管靶面。為了避免光生載流子擴(kuò)散引起圖像模糊，連續(xù)薄膜靶面都用高阻多晶材料，如PbS-PbO、Sb2S3等。其他材料可采取鑲嵌靶面的方法，整個(gè)靶面由約10萬個(gè)單獨(dú)探測器組成。

1873年，英國W。史密斯發(fā)現(xiàn)硒的光電導(dǎo)效應(yīng)，但是這種效應(yīng)長期處于探索研究階段，未獲實(shí)際應(yīng)用。第二次世界大戰(zhàn)以后，隨著半導(dǎo)體的發(fā)展，各種新的光電導(dǎo)材料不斷出現(xiàn)。在可見光波段方面，到50年代中期，性能良好的硫化鎘、硒化鎘光敏電阻和紅外波段的硫化鉛光電探測器都已投入使用。

60年代初，中遠(yuǎn)紅外波段靈敏的Ge、Si摻雜光電導(dǎo)探測器研制成功，典型的例子是工作在3～5微米和8～14微米波段的Ge：Au(鍺摻金)和Ge：Hg光電導(dǎo)探測器。60年代末以后，HgCdTe、PbSnTe等可變禁帶寬度的三元系材料的研究取得進(jìn)展。工作原理和特性光電導(dǎo)效應(yīng)是內(nèi)光電效應(yīng)的一種。

當(dāng)照射的光子能量hv等于或大于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg時(shí)，光子能夠?qū)r(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生導(dǎo)電的電子、空穴對，這就是本征光電導(dǎo)效應(yīng)。這里h是普朗克常數(shù)，v是光子頻率，Eg是材料的禁帶寬度(單位為電子伏)。因此，本征光電導(dǎo)體的響應(yīng)長波限λc為λc=hc/Eg=1。24/Eg(μm)式中c為光速。本征光電導(dǎo)材料的長波限受禁帶寬度的限制。

在60年代初以前還沒有研制出適用的窄禁帶寬度的半導(dǎo)體材料，因而人們利用非本征光電導(dǎo)效應(yīng)。Ge、Si等材料的禁帶中存在各種深度的雜質(zhì)能級，照射的光子能量只要等于或大于雜質(zhì)能級的離化能，就能夠產(chǎn)生光生自由電子或自由空穴。非本征光電導(dǎo)體的響應(yīng)長波限λ由下式求得λc=1。24/Ei式中Ei代表雜質(zhì)能級的離化能。

到60年代中后期，Hg1-xCdxTe、PbxSn1-xTe、PbxSn1-xSe等三元系半導(dǎo)體材料研制成功，并進(jìn)入實(shí)用階段。它們的禁帶寬度隨組分x值而改變，例如x=0。2的HG0。8Cd0。2Te材料，可以制成響應(yīng)波長為8～14微米大氣窗口的紅外探測器。它與工作在同樣波段的Ge：Hg探測器相比有如下優(yōu)點(diǎn)：

工作溫度高(高于77K)，使用方便，而Ge：Hg工作溫度為38K;本征吸收系數(shù)大，樣品尺寸小;易于制造多元器件。表1和表2分別列出部分半導(dǎo)體材料的Eg、Ei和λc值。

通常，凡禁帶寬度或雜質(zhì)離化能合適的半導(dǎo)體材料都具有光電效應(yīng)。但是制造實(shí)用性器件還要考慮性能、工藝、價(jià)格等因素。常用的光電導(dǎo)探測器材料在射線和可見光波段有：CdS、CdSe、CdTe、Si、Ge等;在近紅外波段有：PbS、PbSe、InSb、Hg0。75Cd0。25Te等;在長于8微米波段有：Hg1-xCdxTe、PbxSn1-x、Te、Si摻雜、Ge摻雜等;CdS、CdSe、PbS等材料可以由多晶薄膜形式制成光電導(dǎo)探測器。

可見光波段的光電導(dǎo)探測器CdS、CdSe、CdTe的響應(yīng)波段都在可見光或近紅外區(qū)域，通常稱為光敏電阻。它們具有很寬的禁帶寬度(遠(yuǎn)大于1電子伏)，可以在室溫下工作，因此器件結(jié)構(gòu)比較簡單，一般采用半密封式的膠木外殼，前面加一透光窗口，后面引出兩根管腳作為電極。高溫、高濕環(huán)境應(yīng)用的光電導(dǎo)探測器可采用金屬全密封型結(jié)構(gòu)，玻璃窗口與可伐金屬外殼熔封。

器件靈敏度用一定偏壓下每流明輻照所產(chǎn)生的光電流的大小來表示。例如一種CdS光敏電阻，當(dāng)偏壓為70伏時(shí)，暗電流為10-6～10-8安，光照靈敏度為3～10安/流明。CdSe光敏電阻的靈敏度一般比CdS高。

光敏電阻另一個(gè)重要參數(shù)是時(shí)間常數(shù)τ，它表示器件對光照反應(yīng)速度的大小。光照突然去除以后，光電流下降到最大值的1/e(約為37%)所需的時(shí)間為時(shí)間常數(shù)τ。也有按光電流下降到最大值的10%計(jì)算τ的;各種光敏電阻的時(shí)間常數(shù)差別很大。CdS的時(shí)間常數(shù)比較大(毫秒量級)。

紅外波段的光電導(dǎo)探測器PbS、Hg1-xCdxTe的常用響應(yīng)波段在1～3微米、3～5微米、8～14微米三個(gè)大氣透過窗口。由于它們的禁帶寬度很窄，因此在室溫下，熱激發(fā)足以使導(dǎo)帶中有大量的自由載流子，這就大大降低了對輻射的靈敏度。

響應(yīng)波長越長的光，電導(dǎo)體這種情況越顯著，其中1～3微米波段的探測器可以在室溫工作(靈敏度略有下降)。3～5微米波段的探測器分三種情況：

在室溫下工作，但靈敏度大大下降，探測度一般只有1～7×108厘米·瓦-1·赫;熱電致冷溫度下工作(約-60℃)，探測度約為109厘米·瓦-1·赫;77K或更低溫度下工作，探測度可達(dá)1010厘米·瓦-1·赫以上。8～14微米波段的探測器必須在低溫下工作，因此光電導(dǎo)體要保持在真空杜瓦瓶中，冷卻方式有灌注液氮和用微型制冷器兩種。

紅外探測器的時(shí)間常數(shù)比光敏電阻小得多，PbS探測器的時(shí)間常數(shù)一般為50～500微秒，HgCdTe探測器的時(shí)間常數(shù)在10-6～10-8秒量級。紅外探測器有時(shí)要探測非常微弱的輻射信號，例如10-14瓦;輸出的電信號也非常小，因此要有專門的前置放大器。

光電探測器的應(yīng)用有哪些呢？以上就是小編在這方面為您做的一些介紹，通過上述文章的介紹，相信您對光電探測器已經(jīng)有了比較深入的了解了吧。除此之外，光電探測器的應(yīng)用選擇也有一些講究，在那些要求不是很嚴(yán)格的應(yīng)用中，一般可以使用任何一種探測器。但是，在某些特定的情況下，就需要慎重選擇光電探測器。