紫外光电探测（精选九篇）
紫外光电探测 篇1
紫外通讯由于具有良好的保密性能,较强的抗干扰能力,可根据通讯需求调整通讯距离,并能实现非视距通讯等一系列优点而受到广泛的关注,是目前各国军事研究的重要领域之一。自然界中,太阳是最强的紫外辐射光源,阳光中的紫外辐射在通过地球大气层时会受到臭氧层对其中200~280nm(日盲区)的紫外光的强烈吸收[1],这一波段的紫外光辐射几乎无法到达地面。因此,使用紫外通讯系统不会受到太阳光的干扰;而且由于紫外光在大气中传输时会产生散射,所以可以实现非视距通讯;此外,系统辐射的紫外光通讯信号扩散在大气中被大气吸收,信号的强度会随通信距离按指数规律衰减。这样,就可以根据通讯距离的要求来调整系统的辐射功率,使其在非通讯区域的辐射功率减至最小,从而使敌方很难截获到己方的紫外光通讯信号,也不容易受到常规无线电设备的干扰,从而确保数据通讯的保密性[2]。
在实际应用过程中,光电探测组件是整个紫外通讯系统的一个重要组成部分,其能否真正实现日盲特性对系统来说至关重要。本文分别利用光谱测试系统和分光光度计对自主研发用于紫外通讯的真空型光电探测组件中的探测器光电阴极光谱响应和紫外滤光片的透射谱进行测试,并通过对两项测试数据的综合分析来评价组件的日盲性能。此外,为了能够直观地对比不同组件的日盲性能差异,还设计制作了一套可直观评价组件日盲性能的系统,并指出实现真正日盲紫外探测的理想途径。
1真空型光电探测组件的组成和工作原理
用于紫外通讯的真空型光电探测组件主要由紫外滤光片、紫外光电倍增管、高压电源、分压电路以及后续的处理电路和软件部分组成,见图1所示,基本工作原理是:输入的紫外光信号经过滤光片照射在紫外光电倍增管的光电阴极面上,光电阴极将光子转换为电子,在微通道板内加速倍增被阳极接收,获得放大的电信号。实现了紫外光到电信号的转换,同时起到信号倍增放大的作用。其中,紫外滤光片和光电倍增管是核心部件,它们的性能对组件的日盲性能起决定性作用。
2真空型光电探测组件日盲性能测试和分析
理论上,影响组件日盲性能的因素主要有两个:探测器光电阴极的光谱响应和紫外滤光片的透射谱,这两个参数基本上能够决定整个组件的日盲性能。因此,分别利用光谱测试系统和分光光度计对这两个参数进行测试,以此来综合评价整个组件的日盲性能。
光电探测器光电阴极的光谱响应[3]是指紫外光阴极发射光电子的能力随波长的变化关系,通常用阴极辐射灵敏度随入射波长的变化关系来表示,可用下式表示:
式中:S(λ)为紫外光电阴极在波长λ处的灵敏度;I(λ)为波长λ的紫外辐射入射到阴极时产生的光电流;P(λ)为波长λ的紫外辐射到阴极输入面的辐射功率。
这里,使用美国Gooch&Housego公司的OL750宽光谱测试系统测试。该系统采用标准紫外增强型硅探测器来校准光源的辐照度,以解决光源(尤其是氘灯)随使用时间衰减而影响测试结果准确性的问题。测试框图如下图2所示:
测量时,在光电探测器的光电阴极与微通道板输入极之间施加一定工作电压(200V左右),并将其置于暗箱内测试系统的光路上。光源(氘灯)发出的光经双单色仪分成单色光,经平行光装置照射在光电阴极表面,阴极接受光照产生微弱的光电流,光电流经前置放大器和锁相放大器检测、放大后,由A/D采集卡实现模/数转换并输入计算机。依次改变单色光辐射波长,能得到相应的光电流。然后用上述1式计算阴极光谱灵敏度,就能得到光谱响应曲线。
图3给出了测试的三个光电探测器的光电阴极光谱响应曲线。其中,样管A为常规性能光电倍增管,样管B为灵敏度增强型光电倍增管,A、B均为国产样管,样管C为德国proxivision公司生产的常规像增强管(管种不一样,只是比较阴极的日盲性能)。该公司目前是全球最为领先的紫外光电探测器生产商,产品的灵敏度和日盲性能都处于全球领先水平。这三个样管均采用碲碱阴极(Cs2Te或Rb2Te),它们在254nm处的阴极辐射灵敏度分别为15mA/W,35mA/W,45mA/W。日盲性能方面,样管A虽然日盲性能最好,但阴极辐射灵敏度较低,实际使用中虽然减轻了对滤光片的性能要求,但探测效率会较低。样管B虽然灵敏度有了很大的提高,但其日盲性能明显变差。而样管C的灵敏度比B还要高,但是其日盲性却比样管B明显改善,两者在绿光522nm处相差一个数量级,在黄光625nm处相差4个数量级。在实际使用时,自然环境中的可见光波段的辐射相比紫外波段强度大很多,如果滤光片的日盲紫外通带内外抑制比不够高的话,就会产生严重的可见光响应干扰。
滤光片的性能对整个组件来说也至关重要,通过对滤光片透射谱的测试,能充分了解它的滤光水平。这里采用美国PerkinElmer公司的Lambda950分光光度计来测试滤光片的透射谱。对2个样品对比测试结果如图4所示,其中红色曲线所示为国内某科研机构研制的吸收型紫外滤光片,而蓝色曲线所示为以色列OFIL公司生产的吸收型紫外滤光片,该公司的产品目前处于全球领先水平[4]。这两个样品的透过率峰值均位于260nm左右,峰值透过率也均在12%左右。但在日盲紫外通带外,OFIL公司的产品明显透过率小很多数量级(尤其是可见光波段),也就是说通带内外抑制比好很多。这样在实际使用过程中,可以滤去很多可见光的影响。
3日盲性能直观评价系统的建立
为了直观的对比用于紫外通讯的不同光电探测组件的日盲性能优劣,制作了一套简易的日盲性能直观评价系统。其基本工作原理为:采用与组件中光电倍增管相同的光电阴极制作成像增强管,并进一步通过光锥与CCD耦合制作成ICCD,与待测滤光片和紫外镜头组成探测系统,具体结构如下图5所示。然后将系统输出的模拟视频信号通过采集卡采集,传输到计算机中进行直观显示和编制软件进行亮点计数。其中,亮点计数[5]采用Intel的开源计算机视觉库OpenCV函数,先对采集的灰度图像进行处理,使用阀值分割将处理后的图像转换为二值图像,使用轮廓检测返回图像中目标对象的个数。实际使用时,需尽量确保环境中无人为紫外日盲信号,将探测系统正对太阳,计数值越小(即亮点数越少),表明系统的日盲性能越好。该软件的主界面如下图6所示。
分别用上述光电探测器A和光电探测器B与国内吸收型紫外滤光片组合制作了两个组件用于紫外通讯试验系统。为了对比它们的日盲性能,分别采用与A和B各自相同的阴极做成像增强管组成评价系统,对比结果如下图7所示。从图中可以看出,系统A的日盲性能明显优于系统B,两者正对太阳的计数值分别为101和102数量级。分析认为,主要是因为滤光片对可见光波段的抑制不够,而光电探测器B的可见光波段响应又比光电探测器A大很多,很多亮点信号是对可见光响应产生的干扰。
4结论
光电探测器简介、现状及分析 篇2
摘要
概述了光电探测器的分类和基本原理，并从材料体系的选择和器件的主要应用等方面阐述了光电探测器国内外研究现状，预测了硅基雪崩光电探测器在军事和激光雷达等方向的应用前景
关键词 光电探测器 分类 原理 发展现状
一 光电探测器原理
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。
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
特点：入射光子和材料中的电子发生各种直接相互作用即光电子效应 所用的材料：大多数为半导体。根据效应发生的部位和性质分为
1.外光电效应：发生在物质表面上的光电转化现象，主要包括光阴极直接向外部发射电子的现象。典型的例子是物质表面的光电发射。这种效应多发生于金属和金属物。
2.内光电效应：指发生在物质内部的光电转化现象，特别是半导体内部载流子发生效应，这种效应多发生于半导体内。
二 光电探测器分类
2.1 外光电效应探测器
外光电效应：当光照射某种物质时，若入射的光子能量 足够大，它和物质中的电子相互作用，致使电子逸出物质表面，这就是外光电效应，逸出物质表面的电子叫做光电子
2.11 光电管
光电管（phototube）基于外光电效应的基本光电转换器件。光电管可使光信号转换成电信号。光电管分为真空光电管和充气光电管两种。光电管的典型结构是将球形玻璃壳抽成真空，在内半球面上涂一层光电材料作为阴极，球心放置小球形或小环形金属作为阳极。若球内充低压惰性气体就成为充气光电管。光电子在飞向阳极的过程中与气体分子碰撞而使气体电离，可增加光电管的灵敏度。用作光电阴极的金属有碱金属、汞、金、银等，可适合不同波段的需要。光电管灵敏度低、体积大、易破损，已被固体光电器件所代替。光电管原理是光电效应。一种是半导体材料类型的光电管，它的工作原理光电二极管又叫光敏二极管，是利用半导体的光敏特性制造的光接受器件。当光照强度增加时，PN结两侧的P区和N区因本征激发产生的少数载流子浓度增多，如果二极管反偏，则反向电流增大，因此，光电二极管的反向电流随光照的增加而上升。光电二极管是一种特殊的二极管，它工作在反向偏置状态下。常见的半导体材料有硅、锗等。如我们楼道用的光控开关。还有一种是电子管类型的光电管，它的工作原理用碱金属（如钾、钠、铯等）做成一个曲面作为阴极，另一个极为阳极，两极间加上正向电压，这样当有光照射时，碱金属产生电子，就会形成一束光电子电流，从而使两极间导通，光照消失，光电子流也消失，使两极间断开光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应。金属表面在光辐照作用下发射电子的效应，发射出来的电子叫做光电子。光波长小于某一临界值时方能发射电子，即极限波长，对应的光的频率叫做极限频率。临界值取决于金属材料，而发射电子的能量取决于光的 波长而与光强度无关，这一点无法用光的波动性解释。还有一点与光的波动性相矛盾，即光电效应的瞬时性，按波动性理论，如果入射光较弱，照射的时间要长一些，金属中的电子才能积累住足够的能量，飞出金属表面。可事实是，只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，光子的产生都几乎是瞬时的，不超过十的负九次方秒。正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定的能量单位(即光子或光量子)所组成。这种解释为爱因斯坦所提出。光电效应由德国物理学家赫兹于1887年发现，对发展量子理论起了根本性作用，在光的照射下，使物体中的电子脱出的现象叫做光电效应(Photoelectric effect)。光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏打效应。前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。
光电效应里，电子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金属表面射出，与光照方向无关，光是电磁波，但是光是高频震荡的正交电磁场，振幅很小，不会对电子射出方向产生影响
2.12 光电倍增管
将微弱光信号转换成电信号的真空电子器件。光电倍增管用在光学测量仪器和光谱分析仪器中。它能在低能级光度学和光谱学方面测量波长200~1200纳米的极微弱辐射功率。闪烁计数器的出现，扩大了光电倍增管的应用范围。激光检测仪器的发展与采用光电倍增管作为有效接收器密切有关。电视电影的发射和图象传送也离不开光电倍增管。光电倍增管广泛地应用在冶金、电子、机械、化工、地质、医疗、核工业、天文和宇宙空间研究等领域。（《中国大百科全书·电子学与计算机》）电倍增管是进一步提高光电管灵敏度的光电转换器件。管内除光电阴极和阳极外，两极间还放置多个瓦形倍增电极。使用时相邻两倍增电极间均加有电压用来加速电子。光电阴极受光照后释放出光电子，在电场作用下射向第一倍增电极，引起电子的二次发射，激发出更多的电子，然后在电场作用下飞向下一个倍增电极，又激发出更多的电子。如此电子数不断倍增，阳极最后收集到的电子可增加 104～108倍，这使光电倍增管的灵敏度比普通光电管要高得多，可用来检测微弱光信号。光电倍增管高灵敏度和低噪声的特点使它在光测量方面获得广泛应用 由于光电倍增管增益高和响应时间短，又由于它的输出电流和入射光子数成正比，所以它被广泛使用在天体光度测量和天体分光光度测量中。其优点是：测量精度高，可以量比较暗弱的天体，还可以测量天体光度的快速变化。天文测光中，应用较多的是锑铯光阴极的倍增管,如RCA1P21。这种光电倍增管的极大量子效率在4200埃附近，为20％左右。还有一种双硷光阴极的光电倍增管,如GDB-53。它的信噪比的数值较RCA1P21大一个数量级，暗流很低。为了观测近红外区，常用多硷光阴极和砷化镓阴极的光电倍增管，后者量子效率最大可达50％。普通光电倍增管一次只能测量一个信息，即通道数为1。近来研制成多阳极光电倍增管,它相当于许多很细的倍增管组成的矩阵。由于通道数受阳极末端细金属丝的限制，目前只做到上百个通道。
光电倍增管可分成4个主要部分，分别是：光电阴极、电子光学输入系统、电子倍增系统、阳极。
2.2 内光电效应探测器
是光电效应的一种，主要由于光量子作用，引发物质电化学性质变化。内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。
光电导效应：当入射光子射入到半导体表面时，半导体吸收入射光子产生电子空穴对，使其自生电导增大。光生伏特效应：当一定波长的光照射非均匀半导体（如PN结），在自建场的作用下，半导体内部产生光电压
光生伏特效应：基于半导体PN结基础上的一种将光能转化成电能的效应。当入射辐射作用在半导体PN结上产生本征吸收时，价带中的光生空穴与导带中的光生电子在PN结内建电场的作用下分开，形成光生伏特电压或光生电流的现象。现代很多光电探测器都是基于内光电效应，其中光激载流子保留在材料内部，最重要的内光
电效应时光电导，本征光电导吸收一个光子，就会从价带激发到导带，产生一个自由电子，同时在价带产生一个空穴。对材料施加的电场导致了电子和空穴都通过材料传输，并随之在探测器电路中产生电流。基于内光电效应的探测器有光电导探测器，光伏探测器等等。
2.21 光电导探测器
利用半导体材料的光电导效应制成的一种光探测器件。所谓光电导效应，是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。光电导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。为了避免光生载流子扩散引起图像模糊，连续薄膜靶面都用高阻多晶材料,如PbS-PRO、Sb2S3等。其他材料可采取镶嵌靶面的方法，整个靶面由约10万个单独探测器组成
工作原理和特性：光电导效应是内光电效应的一种。当照射的光子能量hv等于或大于半导体的禁带宽度Eg时，光子能够将价带中的电子激发到导带，从而产生导电的电子、空穴对,这就是本征光电导效应。这里h是普朗克常数，v是光子频率,Eg是材料的禁带宽度（单位为电子伏）。因此，本征光电导体的响应长波限λc为
λc=hoc/Eg=1.24/Eg(μm)
式中 c为光速。本征光电导材料的长波限受禁带宽度的限制.凡禁带宽度或杂质离化能合适的半导体材料都具有光电效应。但是制造实用性器件还要考虑性能、工艺、价格等因素。常用的光电导探测器材料在射线和可见光波段有：CBS、Cd Se、Cd Te、Si、Ge等;在近红外波段有：PbS、Pb Se、In-Sb、Hg0.75Cd0.25Te等;在长于8微米波段有:Hg1-excited、PbxSn1-x、Te、Si掺杂、Ge掺杂等；Cdr、Cd Se、PbS等材料可以由多晶薄膜形式制成光电导探测器。
2.22 光伏探测器
用半导体PN结光伏效应制成的器件称为光伏器件，也称结型光电器件。这类器件品种很多，其中包括：
光电池、光电二极管、光电晶体管、光电场效应管、PIN管、雪崩光电二极管、光可控硅、阵列式光电器件、象限式光电器件、位置敏感探测器（PSD）、光电耦合器件等
光伏探测器是在紫外、可见光、近红外、中波红和远红外这些光学波段上展开的。首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电探测器变成电信号输出，虽然点测量方法灵活多样，看测参数众多，但广电探测器的工作原理均是其余物质的光电效应。
三 国内外发展现状
3.1 英特尔高性能硅基雪崩光电探测器
2008年12月7日，英特尔公司宣布其研究团队在硅光电子学领域取得了又一项重大的技术突破，成功使用基于硅的雪崩光电探测器（Silicon-based Avalanche Photodector）实现了创世界纪录的高性能，这款雪崩光电探测器使用硅和CMOS工艺实现了有史以来最高的340GHz“增益-带宽积”，这为降低40Gbps或更高数据传输速度的光学链路的成本开启了大门，同时也第一次证明了硅光电子元器件的性能可以超过现有的使用磷化铟（lnP）等更昂贵传统材料制造的光电子元器件的性能。作为一项新兴技术，硅光电子学（Silicon Photonics）利用标准硅实现计算机和其它电子设备之间的光信息发送和接收。此项技术也可以应用于对带宽需求高度远程医疗和3D虚拟世界等未来数据密集型计算领域。3.2日本研制成高性能256×256长波量子点红外光电探测器
量子点红外光电探测器（QDIP）由于可以用成熟的常规GaAs工艺制备，近年来已受到人们的广泛关注。它不仅能够探测正入射光，而且还能在较高的温度下工作。这些都是量子阱红外光电探测器（QWIP）所难以比拟的。
日本国防部技术研究与发展研究所电子系统研究中心通过与富氏实验室有限公司等单位合作，用以分子束外延方法生长的自组装量子点多层膜研制出了一种256×256像素长波红外QDIP焦平面阵列该红外焦平面阵列的像元间隔为40μm，读出电路采用直接注入式输入结构，积分时间为8ms，帧速为120Hz，F数为2.5，工作温度为80K，为了评价该红外焦平面阵列的性能，研究人员将其装在一个集成探测器制冷机组件内，在80K温度下对其输出进行了测量。结果显示，该阵列的峰值响应波长为10.3μm，噪声等效温差为87mK。
3.3一种新型谐振腔增强型光电探测器的性能分析
随着光波分复用通信技术的发展，具有波长选择特性和高响应速度的光探测器已经在光通信中显示出了它的巨大优势。一种新型的光电探测器——谐振腔增强型光电探测器（Resonant Cavity Enhanced Photodetector,RCEP）
【4】，该RCEP的基本结构是将吸收层插入到谐振腔当中。由于谐振腔的增强效应使其在较薄的吸收层情况下即可获得较高的量子效率，同时减少了光生载流子在吸收层的渡越时间，提高了器件的响应速度，因而能够解决传统探测器量子效率和响应速度之
间的相互制约矛盾。此外，由于谐振腔的作用使该器件本身具有波长选择特性，无需外加滤波器，因而有可能成为波分复用光钎通信系统中的新一代光探测器。
这种谐振腔增强型光探测器将光学滤波器和光电探测器通过F-P微腔巧妙地集成在一起，其独特结构解决了普通光探测器量子效率与载流子渡越时间相互制约的问题，使其在量子效率和响应速度方面获得很大改进。其具有的波长选择特性，使这种新型器件可广泛应用于光探测器、光调制器、发光二极管等多种光电器件。
四 总结
在节能环保被日益关注的今天，如果有更为灵敏光电探测器件，就可以显著降低激光的功率，从而达到大幅降低能耗的目的。
除此之外，我们还可以将这种器件与一些高精尖的前沿领域联系在一起：例如量子密码领域，需要探测单个光子的存在，这种硅基雪崩光电探测器的性能如果进一步提高，检测到单个光子的可能性是存在的。
我们还会联想到CCD——一种用于相机等成像设备的核心部件。凭借硅基雪崩光电探测器超高的灵敏度，我们可以造出高性能的二维光探测矩阵，可以在红外成像、遥感等领域发挥很大的作用，在卫星、军事和激光雷达等领域都将会有广阔的应用空间
主要参考文献
【1】 赵维.一种新型谐振腔增强型光电探测器的性能分析.电子设计工程.2010.5
【2】 易可佳等.一种下一代激光雷达的设计与实现.2011.10
光电探测器的原理及其应用 篇3
关键词：光敏探测器；光电二极管；雪崩二极管
0 引言
在光电子系统中，最关键也是最重要的就是作为它的“眼睛”的部件，也就是光电探测器。它的优点是它非常灵敏，同时也具有人眼所不具有的对图像的记忆、储存、输出以及显示记录的功能，但是同时其缺点也非常明显，其一是由于自身原理的问题，它的光谱响应范围仅限于400nm到760nm，但是对于波长在该范围之外的紫外光和红外光一般不能响应；其二是由于“眼睛”的视觉暂留现象，对于高频信号不能清楚分辨。
光电探测器种类繁多，从原则上说只要在受到光照之后其物理性质变化的材料都可以用来制作光电探测器。现在最广泛使用的光电探测器是利用光电效应进行工作的，光电效应又分为内光电效应和外光电效应：常见的光电管和光电倍增管是利用外光电效应工作的，即是由入射光子打在阴极材料上将其内部电子轰击出来形成光电流，从而通过入射光强的改变进而检测光信号；一些典型的半导体光电器件则是利用内光电效应来实现的，其是通过将光电材料内部的电子从低能态激发到高能态，从而激发出一个电子空穴对，称为光生电子空穴对，通过检测出它对半导体光电材料导电性能的改变，就可以检测出光信号的改变[1]。
外光电效应和内光电效应的产生都是取决于入射光的波长λ和频率υ，即光子能量E只与频率υ有关，
式中h为普朗克常量。要能产生光电效应，每个光子的能量必须高于一定的数值，波长越短，即频率越高，则每个光子的能量也就越大，越容易产生光电效应。
目前广泛使用的光电探测器是光电二极管和雪崩光电二极管，它们都是由半导体材料制作而成的。内光电效应就发生在导带和价带之间，价带中的电子吸收了入射光子的能量后被激发到导带中，会在导带中产生一个能自由运动的电子并且在价带中产生一个空穴。空穴在价带中的能量高于在导带中的能量，在价带中也可以自由运动，所以当入射光子在半导体内激发产生光生电子空穴对的时候，就会改变半导体的导电性能[2]。
原理如下图1：
1光电二极管简介
1.1 工作原理
光电二极管是一种能将光信号变成电信号的半导体器件，核心部分是一个PN结。与普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光照，其PN结的面积尽量做的大一些，电极面积尽量小一些，并且PN结的结深很浅，一般小于1微米。
光电二极管一般都是在反向电压作用之下工作的。在没有光照时，反向电流很小，叫做暗电流；当有光照时，携带能量的光子在进入PN结之后，会把自身的能量传给共价键上的束缚电子，使得部分电子挣脱共价键，从而产生电子空穴对，被称为光生载流子。
光电二极管、光电三极管是电子电路中广泛采用的光敏器件。光电二极管和普 通二极管一样具有一个PN结，不同之处是在光电二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，实现光电转换，在电路图中文字符号一般为VD。光电三极管 除具有光电转换的功能外，还具有放大功能，在电路图中文字符号一般为VT。光电三极管因输入信号为光信号，所以通常只有集电极和发射极两个引脚线。同光电 二极管一样，光电三极管外壳也有一个透明窗口，以接收光线照射[3]。
光电二极管工作V-I曲线如图2：
1.2 主要性能参数
（1）响应率
响应特性也可以表达为量子效率，即光照产生的载流子数量与突发光照光子数的比例。
（2）暗电流
在光电导模式下，当不接受光照时，通过光电二极管的电流被定义为暗电流。暗电流包括了辐射电流以及半导体结的饱和电流。
（3）等效噪声功率
等效噪声功率（NEP）是指能够产生光电流所需的最小光功率，与1赫兹时的噪声功率均方根值相等。与此相关的一个特性被称作是探测能力，它等于等效噪声功率的倒数。等效噪声功率大约等于光电二极管的最小可探测输入功率[4]。
1.3 应用
PN结型光电二极管与其他类型的光探测器一样，能够根据接受光的强度来输出相应的模拟信号或者在数字电路的不同状态之间切换比如控制开关和数字信号处理。
光电二极管在消费电子产品方面，例如CD播放器、烟雾探测器以及控制电视机、空调的红外线遥控设备中也有应用。对于许多产品来说，可以使用光电二极管或者其他光导材料，它们都可以被应用于测量光，通常被用于路灯亮度自动调节和手机的感光设备等。
在科学研究和工业中，光电二极管常常被用来精确测量光强，因为它比其他光导材料具有更良好的线性。
在医疗应用设备中，光电二极管也有着广泛的应用，比如脉搏探测器以及X射线计算机断层成像（CT）等。
2 雪崩二极管简介
2.1 工作原理
在材料掺杂浓度较低的PN结中，当PN结的反向电压增加时，空间电荷区中的电场也会随之增强，这样一来通过空间电荷区的电子和空穴就会在电场作用下使其自身能量增大。而在晶体中运动的电子和空穴将不断的与晶体原子发生碰撞，当电子和空穴的能量足够大时，通过这样的碰撞的可使共价键中的电子激发形成自由的电子空穴对。新产生的电子和空穴也会朝着相反的方向运动继而重新获得能量，又可以通过碰撞再产生电子空穴对。这就是载流子的倍增效应。当反向电压增大到某一数值后，载流子的倍增情况就像雪崩一样，载流子增加得多且快。反向电流剧增，PN结就发生雪崩击穿，利用该特点可制作高反压二极管。
雪崩击穿的示意图如图3：
2.2 应用
PN结加合适的高反向偏压，使耗尽层中光生载流子受到强电场的加速作用从而获得足够高的动能，它们与晶格碰撞又会电离产生新的电子空穴对，这些载流子又不断引起新的电离，造成载流子的雪崩倍增，得到电流增益。
其优化结构如图4：
光的吸收层用铟镓砷，即InGaAs材料，它对1.3μm和1.55μn的光具有高的吸收系数。为了避免InGaAs同质结隧道击穿先于雪崩击穿，把雪崩区与吸收区分开，即PN结要放在InP窗口层内[5]。由于InP材料中空穴离化系数大于电子离化系数，雪崩区选用n型 InP，n-InP与n-InGaAs异质界面存在较大价带势垒，易造成光生空穴的陷落，在其间夹入带隙渐变的铟镓砷磷过渡区，分别形成吸收、分级和倍增结构。
3 总结与展望
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，器件的选择极大程度上决定了效果的好坏。
在动态特性方面，以光电倍增管和光电二极管，尤其是PIN二极管与雪崩二极管为最好。在光电特性方面，以光电倍增管、和光电池为最好；在灵敏度方面，以光电倍增管、雪崩二极管、光敏电阻和光电三极管为最好。在各种光敏探测器中，灵敏度高不一定就是输出电流大，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。外加的偏置电压最低的是光电二极管和光电三极管，光电池不需外加偏置。
近年来光电探测器在理论研究方面的发展并不多，但是在实际应用上依然很广泛。相信在不久的将来，随着其他一些传感器或者探测器领域的发展，光电探测器还会在更多更广泛的领域得到更多的应用。
参考文献：
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紫外火警探测的研究与应用 篇4
近年来, 紫外探测技术发展迅速, 尤其以中波紫外波段探测发展最为迅猛、应用也最为成功。太阳辐射通过地球大气层时,240nm~280nm的中波紫外辐射会受到臭氧层的强烈吸收, 形成该波段的截止区, 因此该波段也被称为日盲紫外区, 也就是说地面不存在太阳光的日盲紫外干扰, 正是由于这种独有的特点, 使得日盲紫外波段探测技术显示了无与伦比的优越性, 在民用和军事方面得到了大量的应用[1,2]。例如坦克及其它装甲车辆的三防系统、飞机发动机及机舱的紫外监控、舰船火灾告警系统和消防火焰监测系统等。
本文采用紫外探测技术, 以PIC30F5011 为主控芯片, 实现了飞机动力舱火警系统的研发, 同时详细阐述了RS422 通信模块的设计, 实现了单片机和上位机的通信。
2 紫外探测器的选择及原理
2.1 紫外光电管选择
19 世纪30、40 年代的飞机发动机舱主要采用点状火警探测器[3], 如热电偶式和双金属式探测器, 当需要探测的范围较大时, 要求安装数量更多的点状火警探测器和更多的连接线缆, 带来很多不便和安全隐患。19 世纪50 年代开始, 飞机发动机舱普遍采用线状火警探测器, 探测范围大, 减少了连接线缆, 降低了重量。但对火警的反应相对于光电探测器要慢。更重要的是飞机动力舱空间狭小, 结构复杂, 线式温度传感器的安装布局对于飞机动力舱的检修维护相当不便, 因此并非飞机动力舱防火系统的最佳选择。光电探测器探测范围大, 反应速度快, 通过比较动力舱各火警探测器的优劣, 面对动力舱的恶劣、复杂的环境, 选择光学探测器的探测形式,充分发挥其优势,能完成火警快速、准确、可靠探测,极大地减少了漏报、误报。
光学探测器大体分为紫外探测器、红外探测器、紫红外复合探测器。由于红外探测是利于红外辐射与物质相互作用的电学效应探测的, 国内及国外的红外探测器一般工作在较低的温度下, 在高温下几乎不产生热电效应变化。因此它无法在高温下的动力舱内工作。紫外探测是指利用“太阳光谱盲区”的紫外波段来进行探测,避开了最强大的自然光源即太阳造成的背景干扰, 可靠性较高, 加之它是光子检测手段, 信噪比高, 具有极微弱信号检测能力, 而且还能适应适应高低温环境[4]。
综合考虑性能、使用条件等诸多因素, 飞机动力舱选择单紫外探测器进行火焰检测是一种较优的方式。
2.2 紫外光电管原理
紫外光电管的基本结构如图1 所示。
当紫外线透过管壳入射到阴极表面时, 如果其能量大于阴极表面的功函数, 就可产生光电效应而逸出光电子, 光电子在外电场加速下向阳极运动[5]。光电子具有能量:
其中h为普朗克常数;c为光速;λ 为入射光波长;φ 为阴极表面的功函数。
当外加直流电压时, 由于初始放电电压比放电维持电压高, 管子一旦外信号触发, 就会产生持续放电。此时管子需依靠外电路熄灭。图2 为紫外管的简单工作电路原理图。
充放电常数称为熄灭时间,表达式为:
工作时, 电路的熄灭时间应远大于电离时间, 一般取4~10ms, 这样, 电阻R1 的取值范围5~50M, 而电容C1 的取值范围为50~500pf[3]。
3 系统结构
系统结构如图3 所示, 飞机左发动机舱和右发动机舱分别布置两只紫外探测器,APU舱布置一只紫外探测器, 紫外光电管采集5路数据信号传输到PIC单片机,通过单片机的分析判断, 得出火警、正常、短路、短路状态, 将判断后的信号通过RS422 通信传送给上位机。如有火警信号, 由上位机发送灭火电磁阀打开指令给单片机, 进而控制电磁阀的关断。
4 通信模块
4.1 RS422 介绍
RS422 是一种在工程中广泛使用的接口标准, 其采用差分传输方式, 也称为“平衡传输”, 标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”。RS422 是串行全双工通信, 原理图如图4 所示:
通信的双方均含有一个发送和接受收发器。其中接受驱动器的两个平衡线连接端点定义为A和B, 发送驱动器的两个平衡线连接端点定义为Y和Z。通常发送驱动器断Y、Z之间的正电平在2~6V, 代表正逻辑, 负电平在-6~-2V, 代表负逻辑。在接收端, 当A、B之间有大于+200mv的电平时, 输出正逻辑电平, 小于-200mv时, 输出负逻辑电平[6]。
由于采用了双线传输和差分接收器、差分驱动器,其抗共模干扰能力增强了, 在距离约12m内, 数字传输速率可高达10MBPS, 距离增加到1000 米时, 其传输速率仍达到100k BPS[7]。
4.2 硬件设计
RS422 通信设计图如图5 和图6 所示。
4.3 软件设计
1) 通信协议的定义
本文设计中, 在底层协议以Byte为单位通信, 采用UART字的格式, 上层协议中采用数据块为单位进行通信。
每个UART字由11位二进制代码构成,如图7所示,第1 位: 起始位( 逻辑“0”状态为有效); 第2 ~ 9 位:信息位; 第10 位: 奇偶校验位( 统一约定为偶校验); 第11 位…停止位, 表示UART字的结束( 逻辑“1”状态为有效)。UART字采用由低位到高位的顺序串行传送[6]。
MCU向机电管理计算机传送的数据块格式:
2) 程序的编写
整个项目采用模块化的程序编写, 模块化能使程序更清晰, 方便程序的组织, 而且每个模块都可以独立设计, 方便实现大程序, 也有利于多人合作进行程序开发。本文介绍通信模块的程序:
Tongxin.c程序如下所示:
5 结束语
本文利用紫外线探测技术, 利用日盲紫外区, 设计了飞机动力舱防火系统, 提高了系统的稳定性, 实现了火警控制盒与上位机的稳定通信。如图9 所示, 分别模拟了正常和发生火警两种情况下, 上位机接受的数据。正常时为AA、55、02、10、00、00、00、6F, 火警时为AA、55、02、10、01、00、00、6E。
在本文系统设计中, 还可以考虑软件与硬件的双看门狗设计, 双电源设计和双芯片设计, 从而进一步提高系统的稳定性。
摘要：传统飞机发动机舱火警报警系统呈现误报率高、漏报率高的特点,本文提出了基于PIC单片机的紫外火警探测方法 ,以提高系统的稳定性和可靠性。本文介绍了紫外光电管的工作原理,阐述了系统的结构和工作原理,同时设计了RS422通信模块。实验结果表明,该系统能够实时可靠的进行火警监控,并完成单片机与上位机的稳定通信。
关键词：紫外火警探测,PIC单片机,RS422
参考文献
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用于生化探测的高效小型紫外激光器 篇5
需求方已向业界寻求设计方案, 以开发结构紧凑、高效低成本、可灵活部署的深紫外 (deep UV) 激光生化战剂探测新技术。这种新技术可以节省空间、降低质量和功率需求, 比当前的同类装置要敏感很多。其目标是:新紫外激光器的体积不超过目前激光器的1/300, 同时效率提高10倍。
目前的探测系统体积和质量太大, 需要用卡车运送, 而LUSTER项目的目标是开发出具有突破性的化学与生物战剂探测系统, 可以单兵携带, 并且效率大幅提高。同时, 还希望新系统的价格也能在目前探测系统价格基础上“抹去几个零”。
光电探测器噪声特性分析 篇6
光电器件是一种基于材料的光电效应原理工作的一类电力电子器件。在脉冲功率技术、电力电子装置、精同步控制和高灵敏检测器等方面有着广泛的应用[1,2,3,4]。作为探测器件的光电器件具有高灵敏度、高实用性等优点一直倍受人们关注。例如:光电倍增管(PMT)是一种具有高灵敏特性的光电探测器件,能够在单个光电子脉冲下工作,也可以用于对光子撞击光电阴极速率的测量。光电探测器输出信号的真实性和稳定性是衡量其工作性能的重要指标[5]。分析光电探测器输出信号噪声对提高器件工作性能具有重要意义。
1 光电探测器的噪声
光电探测器的噪声源大致可以分为两类。第一类是光电探测器接收信号光的基本过程中发生的噪声,包括信号光和背景光激发光电子的散粒噪声;对于多电极器件(例如PMT),还包括多极电子倍增过程引起的噪声;第二类是光电探测器自身构造特点和使用条件所引起的噪声,例如:光电子发射器件光阴极的热离子发射(暗电流),管子里残留气体电离,内部的光反馈,外界磁场作用影响,以及由管子内部材料的自发发射所引起的随机离子发射。因而,需要针对光电探测器不同的噪声来源分析其噪声特征。
1.1 散粒噪声
光电探测器工作物质与辐射场发生相互作用时,载流子产生和发射的随机性造成了穿越势垒的载流子统计数目有一定的随机涨落。单位时间内达到光敏表面的光子数和由它激励形成的光电子数是随机离散的,穿越势垒区的载流子数、从阴极到阳极的电子数在一个平均值上下波动。载流子数量的变化引起器件输出信号的散布,形成电路的散粒噪声。散粒噪声是由照射在光电探测器上的光子起伏及光生载流子流动的不连续性和随机性而形成载流子起伏变化引起的,统计过程服从泊松分布。散粒噪声一般包括以下三类:
①信号光的光子噪声
光信号在照射光电探测器时,光子本身服从统计规律。每一时刻到达探测器的光子数是随机的,由光激发的载流子也是随机的,因而光激发的载流子也是随机的,将产生起伏噪声,即光子散粒噪声。信号光伴随的光子噪声与平均光子达到速率、光阴极响应时间以及光功率大小有关。
②背景光的光子噪声
受工作环境的限制,信号光常伴随有一定的背景光信号。背景光信号会导致探测结果发生偏差,同时对输出带来光子噪声扰动。光电探测器具有高增益和高灵敏性,因而背景光的光子噪声也不应忽视。
③暗电流散粒噪声
材料的热激发作用将引起光电探测器光阴极随机产生的电子(热离子)发射起伏,起伏的单元是电子电荷量。在没有任何光照的情况下,热激发载流子将形成光电探测器的暗电流,它包括体暗电流和表面暗电流。体暗电流来自探测器工作物质内部热产生的载流子。表面暗电流是由表面缺陷、清洁程度、偏置电压大小和表面积大小等因素决定的。引起暗电流的因素大致有[6]:光电阴极的热电子发射,这是光电探测器的主要暗电流;极间漏电流;离子和光的反馈作用;场致发射;放射性同位素和宇宙射线的影响。这种由光电探测器暗电流引起的输出信号起伏称为暗电流散粒噪声,它是基于外光电效应器件的主要噪声。
总之,散粒噪声是光电探测器噪声的主要来源,主要由信号光、背景光和暗电流的散粒噪声组成。信号光和背景光在光电阴极的光电流大小与光功率、光频率和电极对光的吸收效率有关;光阴极热电子激发产生的暗电流的大小由理查森(Richardson)公式决定[7]:
其中,a光阴极材料决定的比例系数,A为光阴极的面积,T为温度,Φ为材料的逸出功,k为波耳兹曼常数。
考虑到信号光、背景光和暗电流的共同作用,光电探测器输出端的总散粒噪声可表示为:
式中,Δν为测量带宽。
1.2 多电极倍增噪声
为了提高探测能力,获得高输出增益,一些器件设计成多电极结构。例如光电倍增管,其包括多个电子倍增极。光电倍增管中倍增极噪声与电子的二次发射有关。一个电子撞击到光电倍增管的一个正电极(如阳极、倍增极)上,可能释放出一个或多个低能量的二次电子。每个一次电子所释放出的二次电子数并非相同,某些电子可能不释放二次电子。因此,对于某一给定的一次电子电流,二次电子电流将随时间在平均值上下起伏。撞击电极的一次电子可分为三类:反射的一次电子、不产生二次发射的一次电子和释放真正二次电子的一次电子。受激活的电极(倍增极)的电子以一定的速率进入真空管作为二次电子。
对于具有多倍增极的光电探测器,可以引进噪声系数的概念,其定义为多倍增电极输入端信噪比与输出端信噪比的比值。若第一级的增益很高且服从泊松分布,则其噪声主要贡献同第一倍增极增益系数δ1有关。设δ为其余倍增极的增益系数,倍增过程对噪声的贡献系数F为[8]:
1.3 产生—复合噪声
光电探测器工作时,材料中光激发和热激发的载流子的产生和复合具有一定的随机性,载流子的寿命在不同时刻存在一定差异,载流子产生率与复合率在某个时间间隔内会在平均值上下起伏,导致载流子浓度的起伏,从而引起探测器输出信号的起伏,即器件的产生—复合噪声(或称为g-r噪声)。光电导探测器响应信号主要取决于感光材料内部载流子浓度的变化引起的电阻率变化。产生—复合噪声是光电导探测器主要噪声之一。使用搀杂半导体的探测器件,产生—复合噪声由偏置电流和杂质中心的热电离产生,其中偏置电流产生的占主要地位。在本征器件中,热激发载流子中的电子占优势。光电子发射的探测器的光电流主要取决于光电阴极的光电子发射数目,电极内部载流子的产生复合对探测器的响应信号影响不大,一般不考虑光电子发射探测器的产生—复合噪声。
产生—复合噪声与载流子的产生随机性、复合时间和载流子寿命有关。噪声电流方均值为[9]:
在频率不太高的情况下,2πντ<<1时:
式中,e为电子电量,I为平均光电流,τ为载流子寿命,t为两极间载流子的平均飘移时间,ν为频率,Δν为测量带宽。
1.4 等效负载阻抗的热噪声
热噪声(又称约翰逊噪声),它代表热对电荷载流子的激励而产生的噪声。
热噪声对探测能力影响最大。热噪声存在于任何导体和半导体中,它来自于电阻的内部自由电子或电荷载流子的不规则热运动。没有外场时,导体中的电子做无规则热运动,无定向地迁移,因而没有电流,但由于涨落,向两个相反方向运动的电子数并不完全相等,导致在导体和半导体中产生涨落电势(噪声电压),并引起涨落电流。噪声电压均方值取决于材料的温度。热噪声的频谱可看作是平直的,为白噪声。在纯电阻的简单情况下,R与频率无关,热噪声的输出取决于材料的绝对温度和探测器检测电路的实际通频带。
内阻热噪声是由导体内载流子无规则热运动而产生的噪声。热噪声是带电粒子在导电媒介中的布朗运动引起的,包括发生于有沾器件内部载流子或电子发射的随机性而形成散粒效应起伏的散粒噪声和引起电路中电流或电路两点间电位差起伏的电阻热噪声。这种噪声可以看成是无数独立的微小电流脉冲的叠加,根据概率论极限中心定理,它们是服从于高斯正态分布的高斯过程,其功率谱密度在整个频率范围内都是均匀分布的。类比白光是各种频率光的合成,所以常把热噪声称为高斯噪声(Gaussian noise)或白噪声(white noise)。白噪声的功率谱密度为常数。光电探测器等效负载阻抗的热噪声具有以下特点:①热噪声与温度T成正比;②热噪声与测量仪器的电子带宽成正比,而与频率无关,噪声功率谱密度是常数;③一个电阻所能输出的热噪声最大噪声功率(亦称额定噪声功率)与电阻无关;④热噪声与电阻中是否有电流流过无关。
分析光电探测器的探测能力大小时应根据热噪声的特性进行。例如光电子发射型探测器的热噪声来自于输出电阻(或等效输出电阻)RL的热噪声,噪声电流方均值为[10]:
kT>>hν时:
1.5 其他噪声
光电探测器工作过程中还存在其他的噪声源,例如:1/f噪声,光电探测器里放射性引起的噪声源,根源不清的暗脉冲。
①1/f噪声
1/f噪声又称为闪烁噪声。这种噪声是由于元件内部的光敏层微粒的不均匀性或不必要的杂质存在,电流流过时,在微粒间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲;也可能是由光子发射成二次发射过程所引起的可能起伏成分。几乎所有的光电元件中都存在1/f噪声。1/f噪声大致出现在103Hz的低频领域,对于工作在中高频段的光电探测器可以不考虑;而且由光子发射成二次发射过程所引起的可能的1/f噪声成分与探测器的散粒噪声相比是非常小的,可忽略不计。
②其他影响噪声
其他影响噪声还包括:漏电流噪声源;光电探测器里放射性噪声源;气体离化和光反馈噪声源;其他不明根源噪声等。
2 结束语
从噪声源着手,对光电探测器的常见输出噪声进行了细致的分析。光电探测器的主要噪声可以分为散粒噪声、产生—复合噪声、等效负载阻抗的热噪声和包括闪烁噪声在内的其他噪声;产生—复合噪声在光电导探测器工作中较为显著,而闪烁噪声大致出现在103Hz的低频领域,具有多倍增极的光电探测器,必须考虑倍增过程对噪声的贡献。对光电探测器噪声的具体分析为建立光电子发射的探测器的噪声模型和进一步研究光电探测器的噪声特征打下了一定的基础,对提高器件工作性能具有指导意义。
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ZnO基紫外探测器及其研究进展 篇7
ZnO是一种直接带隙宽禁带半导体材料,可作为紫外探测器的材料,室温下其禁带宽度约为3.37eV,激子复合能高达60meV[1]。不仅如此,ZnO还具有生长温度低、较低的电子诱生缺陷、阈值电压低等优点,并且原料易得、价廉、无污染[2]。多种方法可用于制备ZnO薄膜,如化学气相沉积法(CVD)、脉冲激光沉积法(PLD)、溶胶-凝胶法(SOL-GEL)、水热法等。本文介绍了不同的制备方法得到的ZnO薄膜及制成的ZnO基紫外探测器件的结构和光电特性,最后扼要分析了今后的发展趋势。
1化学气相沉积法(CVD)
2004年,杨晓天等[3]报道了采用新型的等离子体辅助金属有机化学气相沉积(P-MOCVD)系统在蓝宝石、硅等衬底上生长出具有单一c轴取向、高阻的ZnO薄膜,制备的ZnO基紫外探测器属光电导型器件,器件采用MSM结构,规格为80×100μm,电极为叉指式电极,其结构如图1所示。探测器对紫外波段有响应,响应峰值在375nm附近。
2006年,Ying Li等人[4]用MOCVD方法制成的ZnO基探测器的截止波长为368nm,且器件对蓝紫光也有响应。在制得的ZnO薄膜上溅射沉积SiO2或Si3N4涂层后的电流比沉积前大30倍,且沉积SiO2涂层提高了探测器的光响应度但延长了响应时间,沉积Si3N4涂层后降低了响应时间也降低了光响应度。
2脉冲激光沉积法(PLD)
浙江大学叶志镇小组[5]利用PLD法在Si(111)衬底上制得c轴高度择优取向的ZnO薄膜,并利用剥离技术制备了ZnO光电导型紫外探测器。Al叉指式电极和ZnO形成了很好的欧姆接触。探测器的电阻值在100kΩ左右,5V偏压下的光响应度为0.5A/W。图2为其制得的Al/ZnO/Al光导型探测器的光响应曲线。
2003年,Otha等[6]用PLD法和固相外延技术在YSZ(111)衬底上制作出ZnO/NiO/ITO三层氧化物薄膜,其中p-NiO/n-ZnO形成pn异质结,异质结的表面尺寸为300×300μm2,其结构如图3所示。尽管在零偏压下其光响应很弱,但在-6V的反向偏压下在360nm光照时其光响应度增大到约0.3A/W。
2007年,ZHUANG和WONG[7]报道了用PLD法在MgO(111) 衬底上外延生长出高质量的p型Li0.15Ni0.85O(LNO)和n型ZnO异质结。室温下在整个红外和可见区,异质结的光输出率平均为50%～60%,在5μW紫外光照下其在350nm波长处光响应度达最大值3.4×103V/W,如图4所示。在紫外区出现光响应峰及具有较大的光响应度为在多种电子器件中制作低成本的ZnO基紫外探测器件提供了可能。
3溶胶-凝胶法(SOL-GEL)
2003年,Basak等人[8]首次利用化学方法合成ZnO薄膜。实验过程中先用旋涂法在蓝宝石衬底上制备出了300nm厚的ZnO薄膜,又通过蒸发Au作为欧姆接触电极,制成ZnO基紫外探测器。两邻近Au电极间的ZnO薄膜的电阻值约为700kΩ,探测器在激发光源的波长为350nm时出现最大光响应电流,最大光响应度值为0.040A/W,量子效率为14%。
2007年,R.Ghosh和D.Basak[9]用溶胶-凝胶法在玻璃衬底上生长出具有与ZnO相似的六方纤锌矿结构的MgxZn1-xO(0.0≤x≤0.12) 薄膜,x分别为0.0,0.03,0.05,0.08,0.1和0.12。薄膜的灵敏度随着x值的增加而向短波移动,且在增至x=0.08以后时灵敏度值几乎不再变化。x=0.05时薄膜的下降时间达到最短,光生电流下降90%的时间为4s,且不同Mg组分的薄膜的光生电流下降90%的平均时间要快于相应的上升时间。随Mg组分的增加,光生电流值从比暗电流值大三个数量级下降到大一个数量级。
4水热法
2005年,电子科技大学的高晖等[10]以p-Si(111) 为衬底,用水热法首次制得六棱微管ZnO,制备了Ag/n-ZnO肖特基势垒结紫外探测器。Ag和ZnO六棱管形成的有效肖特基势垒高度为0.35eV。无光照时暗电流很小,当用λ=365nm的光照射Ag/n-ZnO结时,在5V和9V偏压下的光生电流分别为25.6μA和57.9μA。Ag/n-ZnO紫外探测器有明显的光响应特性和较高的量子效率,在366nm波长处,光响应度为0.161A/W、量子效率为54.7%。但响应对比度不高,要提高ZnO对紫外光的响应,须改进器件结构,提高微管结晶质量,改善Ag/ZnO表面态。
2007年,Haruyuki Endo等人[11]采用水热法生长(0001)ZnO单晶制成了一个肖特基紫外光电二极管。此器件以Pt膜为肖特基电极,以Al膜为欧姆电极,在365nm波长光照下Zn表面的肖特基电极的光响应度为0.185A/W,而氧表面的光响应度为0.09A/W。器件在波长大于380nm的区域的响应度比紫外区的响应度小三个数量级,具有很高的响应对比度,可作为可见光盲区的紫外探测器。
5结束语
本文综述了不同工艺制备的ZnO基紫外探测器件的结构、光电特性和最新研究进展。军用、民用对紫外探测技术的需求的不断增长和ZnO基紫外探测器的诸多优点决定了它将有很好的发展前景。但由于目前用各种方法制备的ZnO薄膜的光响应度和量子效率等性能不很高,可以预期,今后ZnO基紫外探测器的发展将主要集中在以下方面:改进器件结构,提高薄膜质量以提高器件的光响应速度和量子效率;通过搀杂Mg、Al等,按需求把探测器的吸收截止边控制在特定的波长范围;通过对ZnO薄膜特性的研究实现探测器的集成化,提高探测性能,从而使之从实验室走向商品化。
摘要：介绍了ZnO基紫外探测材料的主要制备方法、特性以及器件的最新研究进展,并简要分析了今后的发展方向。
关键词：ZnO,紫外探测器,光响应度
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MSM型氮化镓紫外探测器研究 篇8
随着红外探测技术的相对成熟, 紫外探测技术越来越被重视。作为一种军民两用技术, 紫外探测器广泛应用在导弹预警、火灾监控、生物医学等领域。传统的Si探测器在紫外波段工作必须配备虑光器, 使灵敏度下降。而以GaN基宽禁带Ⅲ-Ⅴ族化合物材料制备的紫外探测器, 可以在红外和可见光背景下实现可见盲和日盲探测, 具有高的紫外/可见抑制比, 响应波长在200～365 nm之间连续可调, 被认为是最具潜力的材料[1]。GaN基紫外探测器种类繁多, 从原理上划分主要有光导型和光伏型探测器[2]。总的来说, 光导型探测器结构简单、内部增益大、响应度高, 但响应速度慢、暗电流大, 而光伏型探测器则大体上具有相反的特点。金属-半导体-金属 (MSM) 探测器具有与FET工艺兼容、响应速度快、可形成探测阵列的优点, 本工作针对GaN材料的MSM型探测器进行研究。
1 实 验
本实验中在 (0001) 面的蓝宝石衬底上采用金属有机化学气相沉积 (MOCVD) 设备进行非故意掺杂GaN材料的外延生长, 其中低温缓冲层 (Buffer) 为GaN。为形成良好的肖特基接触, 金属电极采用Ni/Au, 厚度为30 nm/100 nm。叉指电极指宽5 μm、指长400 μm、指间距10 μm, 共34对。器件结构图如图1所示。光谱响应测试系统的光源为氙灯, 光线经过斩波器调制后直接进入单色仪, 然后照射到样品上。通过取样电阻将探测器样品出来的电流信号经锁相放大器转换成电压信号, 最后用计算机从锁相放大器读数, 并经过标准硅探测器定标做图来获得响应光谱。测试过程中偏压为1.5 V。肖特基接触电极的电学性质以Keithley 4200电流电压源进行测量[3]。
2 结果与讨论
器件经紫外光照射后测得的光响应谱如图2所示。图中显示出器件具有明显的GaN材料的光电特征, 峰值处于362 nm处, 对应着GaN材料的禁带宽度。通过与标准的Si探测器对比, 可得到器件的响应度为0.71 A/W, 紫外/可见抑制比接近103。
通常, 器件的响应度与量子效率存在下式的关系[4]:
这里R为响应度, η为量子效率, 波长λ的单位是μm。
由 (1) 式可以发现, 在入射光波长为362 nm处, 即使量子效率为1, 响应度的最大值也不应该超过0.29 A/W, 这显然与我们的结果存在一定矛盾。对此, 我们猜测可能存在以下原因:1.肖特基接触电极制作的不理想, 使暗电流过大;2.器件存在光电导增益现象。下面分别进行验证。
实际上, MSM探测器相当于两个背靠背串联的肖特基二极管。为表征肖特基电极的质量, 我们对叉指电极的一侧进行高压击穿, 之后对另一侧的电极进行测量, 结果如图3所示。从图3中的I-V特性可以看出, 单边金属电极表现出典型的肖特基结性质, 其导通电压为0.4 V, 反向饱和电流IS=9×10-9A, 均较为理想, 故可以排除第一个可能性。
另一方面, 在理想情况下, 为使器件的光生载流子获得最大的漂移速度, 需要保证电极指间区域被完全耗尽, 既器件要工作在平带电压VFB与击穿电压VB之间。当不考虑器件表面对光线的反射, 并且器件为对称结构时, VFB的表达式为[5,6]:
式中q为电子电量, ND为施主杂质浓度, εS为半导体介电常数, L为电极的指间距。
通常非故意掺杂的GaN材料背景载流子浓度为 (1016～1017) /cm3, 由 (2) 式可以发现, 为形成10 μm的耗尽区, 大约需要104 V的外加偏压。如此高的偏压是无法实现的, 因此当外加偏压为1.5 V时耗尽区只有0.3～0.8 μm, 载流子浓度分布的模拟结果如图4所示。整个器件几乎处于光电导模式下工作, 即存在光电导增益, (1) 式的等号右侧要加入增益系数g[3,4]。通常g≫1, 因此导致响应度大于0.29 A/W。由于工作在光电导模式下, 光生载流子的平均寿命均较长, 因此器件将难以获得快速的响应速度, 这与实际需求相违背。
从以上分析可以看出, 光电导增益现象是导致器件响应度较大的原因, 说明器件未工作于理想的MSM方式。若要器件工作在有效状态必须对材料和电极结构进行合理的设计, 如降低掺杂浓度, 减小叉指电极指间距, 否则会导致过高的、无法实现的工作电压。又或者可以对器件的材料结构进行新的设计, 如结合PIN二极管的概念, 将两电极间区域的材料以本征半导体代替, 也可以有效的降低工作电压, 但是将使制备工艺变得复杂一些。这部分研究将在今后的工作中进行。
3 结 论
本文以GaN材料制备了MSM结构的紫外光电探测器。在波长为362 nm处观察到陡峭的截止边, 抑制比接近103, 峰值响应度为0.71A/W, 说明器件具有良好的可见盲特性。通过对肖特基电极进行测量和分析计算, 发现器件工作于光伏探测和光电导探测的混合模式下, 虽然获得了较高的响应度, 但无法做到快速响应。预计可以通过降低材料的掺杂浓度和减小电极的指间距, 以优化器件的性能。
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紫外光电探测 篇9
紫外探测技术是继红外和激光探测技术后发展起来的又一军民两用光电探测技术[1]。但无论是军用的紫外告警、紫外通信,还是民用的紫外电晕检测、火灾报警等领域,紫外探测都非常注重是否能实现真正日盲。紫外辐射可分为近紫外(0.3～0.4 μm)、中紫外(0.2～0.3 μm)、远紫外(0.1～0.2 μm)、极远紫外(0.01～0.1 μm)四个波段。自然界中,太阳是最强烈的紫外辐射光源,但由于大气平流层中的臭氧对中紫外的紫外辐射有强烈的吸收作用,因而太阳在中紫外波段的紫外辐射在近地大气中几乎不存在,所以,这一区域被称为日盲区或日盲波段。日盲区具有背景干扰小、目标信号容易探测、不易产生虚警的优点,这也是紫外探测相对红外和激光探测技术的优势所在[2]。
目前,国内比较成熟且广泛应用的紫外探测器是采用碲铷(Rb2Te)、碲铯(Cs2Te)光电阴极的真空型紫外探测器,但这两种阴极材料一般只能实现“可见盲”,在实际使用中,需要配合高性能的紫外滤光片才能实现真正日盲。而如果采用传统的高熔点金属材料,如钨(W)、钼(Mo)、钛(Ti)等来制备洁净均匀的阴极薄膜,虽然阴极灵敏度较低,但上述几种高熔点金属材料的逸出功较现有光电阴极材料高,理论上其阈值波长性能较好,能实现真正日盲。
本文利用光谱测试系统对制作的金属钼(Mo)阴极真空型紫外探测器的相对光谱响应进行了测试。并将测试结果与常见的碲铷阴极紫外探测器的阴极光谱响应曲线进行对比,通过分析比较两者的阈值波长情况,对比它们的日盲特性,并指出金属阴极真空型紫外探测器的潜在应用场合。
1 金属阴极真空型紫外探测器的结构和工作原理
我们制作的金属阴极真空型紫外探测器是一种以微通道板为电子倍增系统的电真空光电探测器件,能够将微弱的紫外光信号转换为电信号。它主要由金属钼阴极、“V”型级联微通道板倍增组件、阳极三部分组成,以近贴聚集的方式组合,整管采用金属陶瓷封接。它的基本工作原理如图1所示。
入射的紫外光通过输入光窗到达金属阴极表面,由于光电效应产生光电子,在近贴聚集电场的作用下,进入微通道板,电子在微通道板内不断碰撞内壁的二次电子发射材料从而产生倍增,并于微通道板另一端输出,在近贴电场的作用下又被阳极接收形成电流信号输出真空管外,供研究分析。
逸出功满足近地表面日盲特性的金属材料有钨、钼、钛等。通过对比材料特性和实际制备工艺等,最终选用金属钼(Mo)作为阴极材料。钼的逸出功为4.24 eV,对应的光电发射阈值波长在292 nm左右[3]。熔点是2 890 K,因此采用传统蒸发方式制备钼薄膜有较大难度,笔者采用磁控溅射的方法来制备钼薄膜阴极。
2 金属阴极真空型紫外探测器光谱响应测试
金属阴极真空型紫外探测器光谱响应指紫外光阴极发射光电子的能力随波长的变化关系,通常用光谱灵敏度随入射波长的变化关系来表示,可用下式表示:
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式中:S(λ)为金属阴极在波长λ处的灵敏度;I(λ)为波长λ的紫外辐射入射到金属阴极时产生的光电流;P(λ)为波长λ的紫外辐射到金属阴极输入面的辐射功率。
探测器制作完成后,使用美国Gooch&Housego公司的OL750宽光谱测试系统测试其光谱响应。该光谱测试系统的工作原理如下图2所示。
测量时,将样管接成二极管形式,在光电阴极与微通道板输入电极之间施加一定工作电压(100 V-500 V),并将样品置于暗箱内测试系统的光路上。光源(氘灯)发出的光经双单色仪分成单色光,经准直仪照射在光电阴极表面,阴极接受光照产生微弱的光电流,光电流经微电流放大器检测、放大后,由A/D采集卡实现模/数转换并输入计算机。依次改变单色光辐射波长,能得到相应的光电流。然后用上述2式计算阴极光谱灵敏度并经归一化处理,就能得到相对光谱响应曲线。
该测试系统相比一般的光谱测试系统在测试结果的准确性方面主要由以下几个方面保证:
1)系统中单色仪的波长准确度和精确性分别能达到±0.05%和±0.01%,并且配有高性能滤色片保证其杂散光≤10-8;
2)系统配备高性能的放大器,所能测试的探测器下限信号极低。例如,将用于系统校准的标准硅探测器与该放大器连接,能测量数量级为10-15 A的信号。当然这一点也确保我们能够直接测量灵敏度较低的金属阴极的光谱响应;
3)针对氘灯随使用时间其辐照度会有所衰减而影响测试准确性的问题,该系统采用标准紫外增强型硅探测器校准光源辐照度的方法。也就是说,每次测试前都要用标准硅探测器校准得到即时的氘灯辐照度,当然,系统也需要定期对标准硅探测器进行校准。该校准数据可溯源至NIST(美国国家标准技术学会)。
利用上述光谱测试系统最终测得的金属阴极真空型紫外探测器相对光谱响应曲线(峰值归一化为1)如下图3所示,由于测试系统的短波下限为200 nm,所以曲线中短波截止值为200 nm,而实际探测器的短波响应是由其光窗材料决定的,该探测器采用的石英玻璃的紫外透过波长最短到160 nm。根据爱因斯坦定律,波长小于红阈波长的光都能产生外光电效应,因此其短波截止波长应为160 nm。结合测得的光谱响应曲线短波处趋势,我们分析其峰值应位于160 nm左右。当然我们最关心的还是阈值波长,若根据紫外波段的光阴极的光谱响应范围适宜在相对光谱为峰值的1%内,结合测试数据可算出其阈值波长大约在300 nm左右。
3 金属阴极与碲铷阴极真空型紫外探测器光谱响应对比分析
目前,国内常见的紫外阴极主要还是传统的碲铷、碲铯阴极,它们具有一样的禁带宽度(3.3 eV),但碲铷的电子亲和势约为0.4 eV,碲铯的电子亲和势约为0.2 eV[5]。因此,碲铷的光电发射阈值能量更高,对应的光谱响应阈值波长更短,日盲特性也更好。根据光电阴极光谱响应范围阈值波长的计算公式[6]:
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式中:λ为阈值波长,E为带隙能。
可知:碲铷光电阴极的光谱响应阈值波长为335 nm左右。
下表1列出了钨、钼、钛金属阴极与碲铷、碲铯阴极电子逸出功和对应的阈值波长的比较:
因此,理论上,金属阴极的日盲特性优于常见的碲铷、碲铯阴极。
我们利用OL750光谱测试系统同样测试了碲铷阴极真空型紫外探测器的阴极光谱响应,并与金属钼阴极的光谱响应曲线进行了对比。如下图4所示。当然,因为金属钼阴极的灵敏度较低,与碲铷阴极灵敏度不在一个数量级,所以将两者的峰值进行了归一化。
从上图中可以看出,碲铷阴极的阈值波长位于335 nm左右,而金属钼阴极则在300 nm左右,日盲特性远比碲铷阴极好。但该结果相比钼阴极的理论阈值波长,略微向长波方向延伸。我们分析,主要是因为整管中各种残余气体分子或其他污染物会影响钼金属阴极表面的洁净度,降低其逸出功,从而造成阈值波长的改变。
4 结 论
虽然金属阴极真空型紫外探测器灵敏度较低,但是其日盲特性相对传统的碲铷、碲铯阴极要好,这样就能够降低或免去高性能紫外滤光片的制作难度或适用性选择。可尝试应用于距离较近、紫外信号相对较强的特殊场合,如电晕检测、火灾监控等。当然,对于目前制作的金属阴极真空型紫外探测器来说,要想获得实用,必须改进其日盲特性,最好阈值波长能达到理论值。根据上述对阈值波长改变原因的分析,需要改进的工作主要集中在如何通过工艺手段进一步改善金属阴极表面洁净度和提高器件内部极限真空度。
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