光子型探测器

光子型探测器( photon detector) 利用外光电效应或内光电效应制成的辐射探测器,也称光电型探测器。探测器中的电子直接吸收光子的能量,使运动状态发生变化而产生电信号,常用于探测红外辐射和可见光。

光子型探测器基本信息

中文名 光子型探测器 外文名 photon detector
概    述 利用外光电效应 原    理 利用外光电效应制成的光

利用内光电效应制成的光子型探测器,是用半导体材料制成的固态电子器件,主要包括光电导探测器和光伏型探测器等。

光伏型探测器通常由半导体PN结构成,其原理是利用PN结的内建电场将光生载流子扫出结区而形成信号。当探测器受到光照(辐照)、体内发生本征光吸收时,产生两种带相反电荷的光生载流子(电子和空穴)。这两种光生载流子一开始仅局限于光照区,随后由于存在浓度梯度,其中一部分扩散到PN结区,在PN结内建电场的作用下,分别聚集到结的两端,形成电压信号。如PN结两端连成一个回路,则形成电流信号。

光子型探测器是有选择性响应波长的探测器件。只有当入射光子能量大于光敏材料中的电子激活能E时,探测器才有响应。对于外光电效应器件,如光电管和光电倍增管,E等于电子逸出光电阴极时所要作的功,此数值一般略大于1电子伏。因此,这类探测器只能用于探测近红外辐射或可见光。对于光伏型探测器和本征光导型探测器,E等于半导体的禁带宽度;对于非本征光导型探测器,E等于杂质电离能。由于禁带宽度和杂质电离能这两个参数都有较大的选择余地,因此,半导体光子型探测器的响应波长可以在较大范围内进行调节。例如,用本征锗做成的光导型探测器,对近红外辐射敏感;而用掺杂质的锗做成的光导型探测器,既能对中红外辐射敏感(如锗掺汞探测器),也能对远红外辐射敏感(如锗掺镓探测器)。

光子型探测器造价信息

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三元合金半导体碲镉汞(Hg1-xCdxTe)是一种有重要应用价值的探测器材料,它的禁带宽度随组成而变化。调节x值,可将探测器的峰值响应波长选择在1~30微米之间任何一个波长上,其中最重要的是x=0.20左右的材料(相应的探测器峰值响应波长在 8~13微米)。碲镉汞材料还具有介电常数小,热膨胀系数小,电子迁移率高等优点,适宜于制作高性能、多用途和新颖结构的光子型探测器。

扫积型光子探测器就是以碲镉汞材料为优选材料做成的新颖结构的光子探测器。这是一种长条状的三端器件,自身含有信号延时积分功能,通常在热像仪串联扫描中用于对像元信号的延时积分,它的功能等同于一个带有延时电路的线列器件。其工作原理见图。器件所接受的光照是一个自左向右扫描的光点。器件两端加以偏置电压。当照射在某一位置上的光点激发出光生载流子后,这些载流子即在偏置电压的驱动下向信号读出区作漂移运动。选择光点扫描速度,使它严格等于光生载流子的迁移速度。这样,当光点从器件一端扫到另一端时所产生的光生载流子可以同步地累积在一起,并进入信号读出区。与光电导探测器相似,形成电信号。扫积型探测器的偏置电压要足够大,使载流子在漂移过程中来不及复合,也来不及扩散。器件不能过长,一般只相当于含10~20单元的线列器件的长度。

利用外光电效应制成的光子型探测器是真空电子器件,如光电管、光电倍增管和红外变像管等。这些器件都包含一个对光子敏感的光电阴极,当光子投射到光电阴极上时,光子可能被光电阴极中的电子吸收,获得足够大能量的电子能逸出光电阴极而成为自由的光电子。在光电管中,光电子在带正电的阳极的作用下运动,构成光电流。光电倍增管与光电管的差别在于,在光电倍增管的光电阴极与阳极之间设置了多个电位逐级上升并能产生二次电子的电极(称为打拿极)。从光电阴极逸出的光电子在打拿极电压的加速下与打拿极碰撞,发生倍增效应,最后形成较大的光电流信号。因此,光电倍增管具有比光电管高得多的灵敏度。红外变像管是一种红外-可见图像转换器,它由光电阴极、阳极和一个简单的电子光学系统组成。光电子在受到阳极加速的同时又受到电子光学系统的聚焦,当它们撞击在与阳极相连的磷光屏上时,便发出绿色的光像信号。

光子型探测器常见问题

半导体光子型探测器的性能在很大程度上取决于制备探测器所用的半导体材料。本征半导体材料比掺杂半导体材料更加有用。本征半导体材料既能用来制作光导型探测器,又能制做光伏型探测器;而掺杂半导体只能做成光导型探测器。截止波长较长的半导体光子型探测器,大多数必须在较低温度下工作,如77K,38K或4.2K。同一探测器在室温下的探测率明显低于低温下的探测率。为了保持半导体光子型探测器的正常工作,常把探测器置于低温容器(杜瓦瓶)中,或用微型致冷器使探测器达到较低的工作温度。

光子型探测器文献

红外光子探测器与热探测器性能分析 红外光子探测器与热探测器性能分析

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根据红外探测器最基本的物理机理和器件模型,对红外光子探测器和热探测器在不同工作温度、不同波长的探测率性能进行了理论计算;并对两类物理机理不同的红外探测器的探测率、工作温度和响应波长进行比较,阐述了各自探测器具有优势的应用领域。

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超导红外单光子探测器 超导红外单光子探测器

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设计并制备了一套基于超导NbN薄膜材料的红外单光子探测器,以及其相应的检测电路和光路系统等,并将该探测系统应用于波长为1550nm的光子探测.通过实验和计算分析了该器件的动态电感、光响应、暗计数、脉冲重复速率和量子效率等参数.分析表明,该探测系统可用于红外单光子计数,具有暗计数低、重复速率快等特点,在众多邻域具有重要的应用前景.

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大多数航天遥感器上采用的可见光光电探测器主要为光子探测器。当光子探测器吸收光子后,由于材料的光电效应,材料的电子状态发生改变,导致其电学性能发生变化,从而获得入射辐射的信息。光子探测器其有响应速度快、灵敏度高等特点。同时光子探测器的响应是波长的函数,各种探测器都有其截止频率,其响应随波长变短而下降。描述探测器性能的主要参数有响应率、光谱响应、时间常数等。用于航天遥感的有单个硅光电二极管的单元器件,也有由几个到数十个分立硅光电二极管规则排列的多元并扫探测器阵列,还有由几百个到数万个光敏元排列的CCD线阵和CCD面阵器件。

光电倍增管、热电探测器、半导体光探测器等。

光电倍增管

由光电阴极和装在真空管内的倍增器组成,有很高的增益和很低的噪声,但尺寸较大且需要较高的偏置电压,不适合光纤通信系统。

热电探测器

包含了从热能到光能的转换,这种探测器的响应在相当宽的光谱范围内都是平坦的,但响应速度很慢也不适合光纤通信系统。

半导体光探测器

在半导体光探测器中光电二极管体积小,灵活度高,响应速度快,在光纤通信系统中得到了广泛的应用,常见的光电二极管有俩种:PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)

红外光子探测器常用光子探测器

硫化铅探测器

硫化铅探测器是1um~3um波段应用很广的器件。硫化铅探测器一般为多晶薄膜结构。是光电导型器件,有单元和多元线列器件,镶嵌结构可多达2000元。硫化铅探测器的阻值适中,响应率高,可以在常温工作,使用方便;在低温工作时,性能有所提高(图1-5)。硫化铅探测器的主要缺点是响应时间常数较大,电阻温度系数大。目前,硫化铅探测器在红外探测、制导、引信、跟踪、预警、测温等领域大量使用。由于硫化铅探测器工作在短波红外(1um~3um),所以适合对高温目标(如导弹和喷气式飞机的喷口尾焰)探测。

硒化铅探测器

硒化铅探测器是薄膜光电导型器件,工作在3um~5um波段,有单元和多元器件,可以在常温工作,其性能随工作温度降低有所提高,可以用半导体制冷器制冷。工作温度在200K左右时,是3um~5um波段的首选器件。

锑化铟探测器

工作在3um~5um波段,有光电导型与光伏型两种。光电导型器件可以在常温工作,但性能稍低,不如低温时高。常用锑化铟探测器工作在77K,以光伏型为主,有单元、多元器件,线列可长达256元以上。锑化铟探测器的灵敏度高、响应速度快,是目前3um~5um波段最成熟、应用最广的探测器,广泛用于热成像、制导、跟踪、探测、告警等。用于制导时可以迎头或全方位攻击空中目标。

锗掺杂探测器

锗掺杂探测器是一种杂质光电导探测器,以锗材料为基体,掺入不同杂质会有不同的响应波长。锗掺杂探测器工艺简单、灵敏度高。在碲镉汞探测器成熟之前(约20世纪60年代末),锗掺汞是工作在8um~14um的主要长波探测器。为了减少热激发的影响,长波锗掺杂器件必须在很低温度下工作,一般在30K以下,由于制冷比较困难,因此限制了硅掺杂探测器的应用。

硅掺杂探测器

硅掺杂探测器也是一种杂质光电导探测器,以硅材料为基体,掺入不同杂质会有不同的响应波长,因为硅掺杂探测器必须工作在很低的温度,应用受到限制。但由于硅掺杂探测器可以和Si信号处理器电路单片集成,受到一定重视。

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