光子型探測器

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更新時間: 2013-09-05

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光子型探測器,也稱光電型探測器。是利用外光電效應或內光電效應製成的輻射探測器。

光子型探測器 -光子型探測器

 

光子型探測器 -正文
  利用外光電效應或內光電效應製成的輻射探測器,也稱光電型探測器。探測器中的電子直接吸收光子的能量,使運動狀態發生變化而產生電信號,常用於探測紅外輻射和可見光。
  利用外光電效應製成的光子型探測器是真空電子器件,如光電管、光電倍增管和紅外變像管等。這些器件都包含一個對光子敏感的光電陰極,當光子投射到光電陰極上時,光子可能被光電陰極中的電子吸收,獲得足夠大能量的電子能逸出光電陰極而成為自由的光電子。在光電管中,光電子在帶正電的陽極的作用下運動,構成光電流。光電倍增管與光電管的差別在於,在光電倍增管的光電陰極與陽極之間設置了多個電位逐級上升並能產生二次電子的電極(稱為打拿極)。從光電陰極逸出的光電子在打拿極電壓的加速下與打拿極碰撞,發生倍增效應,最後形成較大的光電流信號。因此,光電倍增管具有比光電管高得多的靈敏度。紅外變像管是一種紅外-可見圖像轉換器,它由光電陰極、陽極和一個簡單的電子光學系統組成。光電子在受到陽極加速的同時又受到電子光學系統的聚焦,當它們撞擊在與陽極相連的磷光屏上時,便發出綠色的光像信號。
  利用內光電效應製成的光子型探測器,是用半導體材料製成的固態電子器件,主要包括光電導探測器和光伏型探測器等。
  光伏型探測器通常由半導體PN結構成,其原理是利用PN結的內建電場將光生載流子掃出結區而形成信號。當探測器受到光照(輻照)、體內發生本徵光吸收時,產生兩種帶相反電荷的光生載流子(電子和空穴)。這兩種光生載流子一開始僅局限於光照區,隨後由於存在濃度梯度,其中一部分擴散到PN結區,在PN結內建電場的作用下,分別聚集到結的兩端,形成電壓信號。如PN結兩端連成一個迴路,則形成電流信號。
  光子型探測器是有選擇性響應波長的探測器件。只有當入射光子能量大於光敏材料中的電子激活能E時,探測器才有響應。對於外光電效應器件,如光電管和光電倍增管,E等於電子逸出光電陰極時所要作的功,此數值一般略大於1電子伏。因此,這類探測器只能用於探測近紅外輻射或可見光。對於光伏型探測器和本徵光導型探測器,E等於半導體的禁帶寬度;對於非本徵光導型探測器,E等於雜質電離能。由於禁帶寬度和雜質電離能這兩個參數都有較大的選擇餘地,因此,半導體光子型探測器的響應波長可以在較大範圍內進行調節。例如,用本徵鍺做成的光導型探測器,對近紅外輻射敏感;而用摻雜質的鍺做成的光導型探測器,既能對中紅外輻射敏感(如鍺摻汞探測器),也能對遠紅外輻射敏感(如鍺摻鎵探測器)。
  半導體光子型探測器的性能在很大程度上取決於製備探測器所用的半導體材料。本徵半導體材料比摻雜半導體材料更加有用。本徵半導體材料既能用來製作光導型探測器,又能製做光伏型探測器;而摻雜半導體只能做成光導型探測器。截止波長較長的半導體光子型探測器,大多數必須在較低溫度下工作,如77K,38K或4.2K。同一探測器在室溫下的探測率明顯低於低溫下的探測率。為了保持半導體光子型探測器的正常工作,常把探測器置於低溫容器(杜瓦瓶)中,或用微型致冷器使探測器達到較低的工作溫度。
  三元合金半導體碲鎘汞(Hg1-xCdxTe)是一種有重要應用價值的探測器材料,它的禁帶寬度隨組成而變化。調節x值,可將探測器的峰值響應波長選擇在1~30微米之間任何一個波長上,其中最重要的是x=0.20左右的材料(相應的探測器峰值響應波長在 8~13微米)。碲鎘汞材料還具有介電常數小,熱膨脹係數小,電子遷移率高等優點,適宜於製作高性能、多用途和新穎結構的光子型探測器。

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光子型探測器光子型探測器

  掃積型光子探測器就是以碲鎘汞材料為優選材料做成的新穎結構的光子探測器。這是一種長條狀的三端器件,自身含有信號延時積分功能,通常在熱像儀串聯掃描中用於對像元信號的延時積分,它的功能等同於一個帶有延時電路的線列器件。其工作原理見圖。器件所接受的光照是一個自左向右掃描的光點。器件兩端加以偏置電壓。當照射在某一位置上的光點激發出光生載流子后,這些載流子即在偏置電壓的驅動下向信號讀出區作漂移運動。選擇光點掃描速度,使它嚴格等於光生載流子的遷移速度。這樣,當光點從器件一端掃到另一端時所產生的光生載流子可以同步地累積在一起,並進入信號讀出區。與光電導探測器相似,形成電信號。掃積型探測器的偏置電壓要足夠大,使載流子在漂移過程中來不及複合,也來不及擴散。器件不能過長,一般只相當於含10~20單元的線列器件的長度。

 

光子型探測器 -配圖

 

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