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探析光電探測(cè)技術(shù)的空間應(yīng)用論文
摘 要：目前,在空間技術(shù)中廣泛地采用光電探測(cè)技術(shù)獲取各種信息。本文就姿態(tài)敏感、掃描成象、分光技術(shù)和光雷達(dá)等四類(lèi)傳感儀器的應(yīng)用情況,結(jié)合國(guó)內(nèi)外的技術(shù)發(fā)展作綜合介紹。光電成象遙感儀已成為氣象和地球資源衛(wèi)星上的主要傳感儀。它們的圖象數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用,為密切人類(lèi)生活同空間技術(shù)的關(guān)系起著重要作用。本文最后指出發(fā)展光電技術(shù)空間應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：光電探測(cè)技術(shù)論文
0 引言
在光電子系統(tǒng)中，最關(guān)鍵也是最重要的就是作為它的“眼睛”的部件，也就是光電探測(cè)器。它的優(yōu)點(diǎn)是它非常靈敏，同時(shí)也具有人眼所不具有的對(duì)圖像的記憶、儲(chǔ)存、輸出以及顯示記錄的功能，但是同時(shí)其缺點(diǎn)也非常明顯，其一是由于自身原理的問(wèn)題，它的光譜響應(yīng)范圍僅限于400nm到760nm，但是對(duì)于波長(zhǎng)在該范圍之外的紫外光和紅外光一般不能響應(yīng);其二是由于“眼睛”的視覺(jué)暫留現(xiàn)象，對(duì)于高頻信號(hào)不能清楚分辨。
光電探測(cè)器種類(lèi)繁多，從原則上說(shuō)只要在受到光照之后其物理性質(zhì)變化的材料都可以用來(lái)制作光電探測(cè)器。現(xiàn)在最廣泛使用的光電探測(cè)器是利用光電效應(yīng)進(jìn)行工作的，光電效應(yīng)又分為內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)：常見(jiàn)的光電管和光電倍增管是利用外光電效應(yīng)工作的，即是由入射光子打在陰極材料上將其內(nèi)部電子轟擊出來(lái)形成光電流，從而通過(guò)入射光強(qiáng)的改變進(jìn)而檢測(cè)光信號(hào);一些典型的半導(dǎo)體光電器件則是利用內(nèi)光電效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其是通過(guò)將光電材料內(nèi)部的電子從低能態(tài)激發(fā)到高能態(tài)，從而激發(fā)出一個(gè)電子空穴對(duì)，稱(chēng)為光生電子空穴對(duì)，通過(guò)檢測(cè)出它對(duì)半導(dǎo)體光電材料導(dǎo)電性能的改變，就可以檢測(cè)出光信號(hào)的改變[1]。
外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)的產(chǎn)生都是取決于入射光的波長(zhǎng)λ和頻率υ，即光子能量E只與頻率υ有關(guān)，式中h為普朗克常量。要能產(chǎn)生光電效應(yīng)，每個(gè)光子的能量必須高于一定的數(shù)值，波長(zhǎng)越短，即頻率越高，則每個(gè)光子的能量也就越大，越容易產(chǎn)生光電效應(yīng)。
目前廣泛使用的光電探測(cè)器是光電二極管和雪崩光電二極管，它們都是由半導(dǎo)體材料制作而成的。內(nèi)光電效應(yīng)就發(fā)生在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間，價(jià)帶中的電子吸收了入射光子的能量后被激發(fā)到導(dǎo)帶中，會(huì)在導(dǎo)帶中產(chǎn)生一個(gè)能自由運(yùn)動(dòng)的電子并且在價(jià)帶中產(chǎn)生一個(gè)空穴。空穴在價(jià)帶中的能量高于在導(dǎo)帶中的能量，在價(jià)帶中也可以自由運(yùn)動(dòng)，所以當(dāng)入射光子在半導(dǎo)體內(nèi)激發(fā)產(chǎn)生光生電子空穴對(duì)的時(shí)候，就會(huì)改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能[2]。
原理如下圖1：
1光電二極管簡(jiǎn)介
1.1 工作原理
光電二極管是一種能將光信號(hào)變成電信號(hào)的半導(dǎo)體器件，核心部分是一個(gè)PN結(jié)。與普通二極管相比，在結(jié)構(gòu)上不同的是，為了便于接受入射光照，其PN結(jié)的面積盡量做的大一些，電極面積盡量小一些，并且PN結(jié)的結(jié)深很淺，一般小于1微米。
光電二極管一般都是在反向電壓作用之下工作的。在沒(méi)有光照時(shí)，反向電流很小，叫做暗電流;當(dāng)有光照時(shí)，攜帶能量的光子在進(jìn)入PN結(jié)之后，會(huì)把自身的能量傳給共價(jià)鍵上的束縛電子，使得部分電子掙脫共價(jià)鍵，從而產(chǎn)生電子空穴對(duì)，被稱(chēng)為光生載流子。
光電二極管、光電三極管是電子電路中廣泛采用的光敏器件。光電二極管和普 通二極管一樣具有一個(gè)PN結(jié)，不同之處是在光電二極管的外殼上有一個(gè)透明的窗口以接收光線照射，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，在電路圖中文字符號(hào)一般為VD。光電三極管 除具有光電轉(zhuǎn)換的功能外，還具有放大功能，在電路圖中文字符號(hào)一般為VT。光電三極管因輸入信號(hào)為光信號(hào)，所以通常只有集電極和發(fā)射極兩個(gè)引腳線。同光電 二極管一樣，光電三極管外殼也有一個(gè)透明窗口，以接收光線照射[3]。
光電二極管工作V-I曲線如圖2：
1.2 主要性能參數(shù)
(1)響應(yīng)率
響應(yīng)特性也可以表達(dá)為量子效率，即光照產(chǎn)生的載流子數(shù)量與突發(fā)光照光子數(shù)的比例。
(2)暗電流
在光電導(dǎo)模式下，當(dāng)不接受光照時(shí)，通過(guò)光電二極管的電流被定義為暗電流。暗電流包括了輻射電流以及半導(dǎo)體結(jié)的飽和電流。
(3)等效噪聲功率
等效噪聲功率(NEP)是指能夠產(chǎn)生光電流所需的最小光功率，與1赫茲時(shí)的噪聲功率均方根值相等。與此相關(guān)的一個(gè)特性被稱(chēng)作是探測(cè)能力，它等于等效噪聲功率的倒數(shù)。等效噪聲功率大約等于光電二極管的最小可探測(cè)輸入功率[4]。
1.3 應(yīng)用
PN結(jié)型光電二極管與其他類(lèi)型的光探測(cè)器一樣，能夠根據(jù)接受光的強(qiáng)度來(lái)輸出相應(yīng)的模擬信號(hào)或者在數(shù)字電路的不同狀態(tài)之間切換比如控制開(kāi)關(guān)和數(shù)字信號(hào)處理。
光電二極管在消費(fèi)電子產(chǎn)品方面，例如CD播放器、煙霧探測(cè)器以及控制電視機(jī)、空調(diào)的紅外線遙控設(shè)備中也有應(yīng)用。對(duì)于許多產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，可以使用光電二極管或者其他光導(dǎo)材料，它們都可以被應(yīng)用于測(cè)量光，通常被用于路燈亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)和手機(jī)的感光設(shè)備等。
在科學(xué)研究和工業(yè)中，光電二極管常常被用來(lái)精確測(cè)量光強(qiáng)，因?yàn)樗绕渌鈱?dǎo)材料具有更良好的線性。
在醫(yī)療應(yīng)用設(shè)備中，光電二極管也有著廣泛的應(yīng)用，比如脈搏探測(cè)器以及X射線計(jì)算機(jī)斷層成像(CT)等。
2 雪崩二極管簡(jiǎn)介
2.1 工作原理
在材料摻雜濃度較低的PN結(jié)中，當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加時(shí)，空間電荷區(qū)中的電場(chǎng)也會(huì)隨之增強(qiáng)，這樣一來(lái)通過(guò)空間電荷區(qū)的電子和空穴就會(huì)在電場(chǎng)作用下使其自身能量增大。而在晶體中運(yùn)動(dòng)的電子和空穴將不斷的與晶體原子發(fā)生碰撞，當(dāng)電子和空穴的能量足夠大時(shí)，通過(guò)這樣的碰撞的可使共價(jià)鍵中的電子激發(fā)形成自由的電子空穴對(duì)。新產(chǎn)生的電子和空穴也會(huì)朝著相反的方向運(yùn)動(dòng)繼而重新獲得能量，又可以通過(guò)碰撞再產(chǎn)生電子空穴對(duì)。這就是載流子的倍增效應(yīng)。當(dāng)反向電壓增大到某一數(shù)值后，載流子的倍增情況就像雪崩一樣，載流子增加得多且快。反向電流劇增，PN結(jié)就發(fā)生雪崩擊穿，利用該特點(diǎn)可制作高反壓二極管。
雪崩擊穿的示意圖如圖3：
2.2 應(yīng)用
PN結(jié)加合適的高反向偏壓，使耗盡層中光生載流子受到強(qiáng)電場(chǎng)的加速作用從而獲得足夠高的動(dòng)能，它們與晶格碰撞又會(huì)電離產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)，這些載流子又不斷引起新的電離，造成載流子的雪崩倍增，得到電流增益。
其優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖4：
光的吸收層用銦鎵砷，即InGaAs材料，它對(duì)1.3μm和1.55μn的光具有高的吸收系數(shù)。為了避免InGaAs同質(zhì)結(jié)隧道擊穿先于雪崩擊穿，把雪崩區(qū)與吸收區(qū)分開(kāi)，即PN結(jié)要放在InP窗口層內(nèi)[5]。由于InP材料中空穴離化系數(shù)大于電子離化系數(shù)，雪崩區(qū)選用n型 InP，n-InP與n-InGaAs異質(zhì)界面存在較大價(jià)帶勢(shì)壘，易造成光生空穴的陷落，在其間夾入帶隙漸變的銦鎵砷磷過(guò)渡區(qū)，分別形成吸收、分級(jí)和倍增結(jié)構(gòu)。
3 總結(jié)與展望
光電探測(cè)器件的應(yīng)用選擇，實(shí)際上是應(yīng)用時(shí)的一些事項(xiàng)或要點(diǎn)。在很多要求不太嚴(yán)格的應(yīng)用中，可采用任何一種光電探測(cè)器件。不過(guò)在某些情況下，器件的選擇極大程度上決定了效果的好壞。
在動(dòng)態(tài)特性方面，以光電倍增管和光電二極管，尤其是PIN二極管與雪崩二極管為最好。在光電特性方面，以光電倍增管、和光電池為最好;在靈敏度方面，以光電倍增管、雪崩二極管、光敏電阻和光電三極管為最好。在各種光敏探測(cè)器中，靈敏度高不一定就是輸出電流大，輸出電流大的器件有大面積光電池、光敏電阻、雪崩光電二極管和光電三極管。外加的偏置電壓最低的是光電二極管和光電三極管，光電池不需外加偏置。
近年來(lái)光電探測(cè)器在理論研究方面的發(fā)展并不多，但是在實(shí)際應(yīng)用上依然很廣泛。相信在不久的將來(lái)，隨著其他一些傳感器或者探測(cè)器領(lǐng)域的發(fā)展，光電探測(cè)器還會(huì)在更多更廣泛的領(lǐng)域得到更多的應(yīng)用。
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