光子型探测器

[拼音]：guangzixing tanceqi

[外文]：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。

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。

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）。

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。

三元合金半导体碲镉汞(Hg_1-xCd_xTe)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。

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