光電檢測器件工作原理及特性

1、編輯課件1編輯課件2編輯課件3編輯課件4基本概念：基本概念：1、穩(wěn)態(tài)光電流：、穩(wěn)態(tài)光電流：穩(wěn)定均勻光照 2、暗電導(dǎo)率和暗電流、暗電導(dǎo)率和暗電流3、亮電導(dǎo)率和亮電流、亮電導(dǎo)率和亮電流 4、光電導(dǎo)和光電流、光電導(dǎo)和光電流 編輯課件5基本公式：基本公式：暗電導(dǎo)率暗電導(dǎo)率Gd=dS/L暗電流暗電流Id= dSU/L亮電導(dǎo)率亮電導(dǎo)率Gl= lS/L亮電流亮電流Il= lSU/L光電導(dǎo)光電導(dǎo)Gp= S/L光電流光電流Ip= SU/L光電導(dǎo)效應(yīng)示意圖LS本征半導(dǎo)體樣品本征半導(dǎo)體樣品光光U編輯課件6EtOi(%)tO1006337rf矩形光矩形光脈沖脈沖光電導(dǎo)對光強(qiáng)變化反應(yīng)的惰性引起光電流變化的延遲編輯課件7

2、編輯課件8編輯課件9編輯課件10IpPN_VDV+光照光照PNEcEvEFeVD無光照無光照有光照有光照PNEcEvEFeVD-eV形成過程：形成過程：空穴空穴電子電子光生（正向）電壓產(chǎn)生正向注入光生（正向）電壓產(chǎn)生正向注入電流（由電流（由P指指N）：）： I+=Isexp(qV/kT)-1I+編輯課件11當(dāng)當(dāng)PNPN結(jié)外接回路時(shí)，總電流與光生電流和結(jié)電流之間關(guān)系：結(jié)外接回路時(shí)，總電流與光生電流和結(jié)電流之間關(guān)系： I=II=Ip p-I-I+ +=I=Ip p-I-Is sexp(qV/kT)-1exp(qV/kT)-1負(fù)負(fù)載接入外回路，電流為載接入外回路，電流為I I，則，則PNPN結(jié)兩端電

3、壓為：結(jié)兩端電壓為： V=(V=(kT/q)ln(Ip-I)/Is+1 PNPN結(jié)開路時(shí)，結(jié)開路時(shí)，I=0I=0，求得開路電壓：，求得開路電壓：V Voc oc =(kT/q)ln (Ip/Is+1) 可可見見V Vococ與與I Ip p為非線性關(guān)系。為非線性關(guān)系。P PN N結(jié)短路，結(jié)短路，V=0V=0，求得短路電流即光電流：，求得短路電流即光電流：I Iscsc=I=Ip p=q/h=P=q/h=P沒有光照時(shí)，沒有光照時(shí)，I Ip p=0=0，外加正向電壓為，外加正向電壓為V V時(shí)，有時(shí)，有I I+ +=I=Is sexp(qV/kT)-1exp(qV/kT)-1注意：光注意：光伏效應(yīng)與

4、光照相聯(lián)系的是少數(shù)載流子的行為，少數(shù)載伏效應(yīng)與光照相聯(lián)系的是少數(shù)載流子的行為，少數(shù)載流子的壽命通常很短。所以以光伏效應(yīng)為基礎(chǔ)的檢測器件比以光流子的壽命通常很短。所以以光伏效應(yīng)為基礎(chǔ)的檢測器件比以光電導(dǎo)效應(yīng)為基礎(chǔ)的檢測器件有更快的響應(yīng)速度。電導(dǎo)效應(yīng)為基礎(chǔ)的檢測器件有更快的響應(yīng)速度。編輯課件12與與光電效應(yīng)的區(qū)別：光電效應(yīng)中，光子能量直接變?yōu)楣怆娮拥墓怆娦?yīng)的區(qū)別：光電效應(yīng)中，光子能量直接變?yōu)楣怆娮拥哪芰?，光熱效?yīng)中，光能量與晶格相互作用使其運(yùn)動(dòng)加劇，造能量，光熱效應(yīng)中，光能量與晶格相互作用使其運(yùn)動(dòng)加劇，造成溫度的升高，從而引起物質(zhì)相關(guān)電學(xué)特性變化。成溫度的升高，從而引起物質(zhì)相關(guān)電學(xué)特性變化?？煽?/p>

5、分為分為:熱釋電效應(yīng)、輻射熱計(jì)效應(yīng)及溫差電效應(yīng)熱釋電效應(yīng)、輻射熱計(jì)效應(yīng)及溫差電效應(yīng) 介介質(zhì)溫度在光照作用下溫度發(fā)生變化，介質(zhì)的極化強(qiáng)度質(zhì)溫度在光照作用下溫度發(fā)生變化，介質(zhì)的極化強(qiáng)度隨溫度變化而變化，引起表面電荷變化的現(xiàn)象。隨溫度變化而變化，引起表面電荷變化的現(xiàn)象。編輯課件13 物理本質(zhì)：極化晶體極化晶體：在外電場和應(yīng)力為零情況下自身具有自發(fā)極化的晶體，原因是內(nèi)部電偶極矩不為零，表面感應(yīng)束縛電荷。+-+-+-+-+-+-_P(T1)P(T2)+-+-+-+-+-+-_j工作溫度T1（左）和工作溫度T2T1（右）極化晶體表面束縛電荷，被周圍自由電荷不斷中和，表面無電荷。光照時(shí)，晶體溫度升高，電偶極

6、子熱運(yùn)動(dòng)加劇，極化強(qiáng)度減弱，表面感應(yīng)電荷數(shù)減小，但中和過程（達(dá)數(shù)秒）要遠(yuǎn)大于極化強(qiáng)度的響應(yīng)過程（10-12s），相當(dāng)于釋放了一些電荷，對外表面為電流?？梢栽谶@些電荷被中和之間測量到。編輯課件14熱釋電現(xiàn)象中：溫度對自發(fā)極化強(qiáng)度的影響。TcPTOTcPTO極化晶體的極化強(qiáng)度與溫度T的關(guān)系：一級相變（左）和二極相變（右）隨著溫度的升高，自發(fā)極化強(qiáng)度越來越弱，當(dāng)達(dá)到一定溫度時(shí)，自發(fā)極化強(qiáng)度為零，極化晶體發(fā)生相變?yōu)榉菢O化晶體。編輯課件15入射光照射材料由于受而造成電阻率變化的現(xiàn)象稱為輻射熱計(jì)效應(yīng)。由溫度引起電阻率變化。阻值與溫度變化關(guān)系：R=TRTT為電阻溫度系數(shù)R為元件電阻當(dāng)溫度變化足夠小時(shí)， T=

7、1/R*dR/dT對金屬材料，R=BT，則T=1/T，呈反比關(guān)系。對半導(dǎo)體材料，R與T具有指數(shù)關(guān)系，則T=-B/T2。說明溫度越高，電阻溫度系數(shù)越小。B為常數(shù)，典型值3000K。編輯課件16 由兩種不同材料制成的結(jié)點(diǎn)由于受到某種因素作用而出現(xiàn)了溫差，就有可能在兩結(jié)點(diǎn)間產(chǎn)生電動(dòng)勢，回路中產(chǎn)生電流，這就是溫差電效應(yīng)。當(dāng)有光照結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生溫度變化就會(huì)產(chǎn)生溫差電現(xiàn)象。另外，如果在圖中x，y處接一電動(dòng)勢，導(dǎo)體中產(chǎn)生電流，兩個(gè)接點(diǎn)1和2處就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)吸熱一個(gè)放熱的現(xiàn)象。吸（放）熱速率：dp/dt=I，稱為帖耳帖系數(shù)xyT1T212導(dǎo)體a導(dǎo)體b編輯課件17 光電檢測器件利用特質(zhì)的光電效應(yīng)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器

8、件，它的性能對光電檢測系統(tǒng)影響很大。根據(jù)工作機(jī)理的不同，可分為光子檢測器件和熱電檢測器件。熱電檢測器件熱釋電檢測器（熱釋電效應(yīng)）熱敏電阻（輻射熱計(jì)效應(yīng)）熱電偶和熱電堆（溫差電效應(yīng)）一、分類編輯課件18光子檢測器件電真空或光電發(fā)射型檢測器件固體或半導(dǎo)體光電檢測器件光電管光電倍增管光導(dǎo)型：光敏電阻光伏型：光電池光電二、三極管光子檢測器件（即通常意義上的光電檢測器件）分類：編輯課件19熱敏檢測器件的特點(diǎn)： 1、響應(yīng)波長無選擇性。對各種波長具有相同的敏感性。 2、響應(yīng)慢。即吸收輻射后產(chǎn)生信號(hào)所需時(shí)間長，在毫秒量級光子檢測器件的特點(diǎn)： 1、響應(yīng)波長有選擇性。存在截止波長。 2、響應(yīng)快。一般為納秒到幾百微

9、秒編輯課件20二、特性參數(shù)1、響應(yīng)度（或稱靈敏度）S電壓響應(yīng)度：SV=Vo/Pi電流響應(yīng)度：SI=Io/Pi 其中：Vo和Io分別為光電檢測器輸出電壓和輸出電流。P為入射光功率（或用通量表示）。2、光譜響應(yīng)度S()光譜響應(yīng)度：S()=Vo/() (V/W)S()=Io/() (A/W)()為入射的單色輻射通量或光通量。編輯課件213、積分響應(yīng)度S： 表示檢測器對各種波長的輻射光連續(xù)輻射通量的反應(yīng)程度，光電檢測器件輸出的電流或電壓與入射光通量之比。各種輻射波長的總光通量為：=?不同波長光輻射引導(dǎo)的總輸出光電流Io=? 則積分響應(yīng)度S=？ 式中0和1分別為光電檢測器的長波限和短波限。編輯課件224

10、、響應(yīng)時(shí)間： 響應(yīng)時(shí)間是描述光電檢測器對入射輻射響應(yīng)快慢的參數(shù)。即入射光輻射到檢測器后或入射光被遮斷后，光電檢測器件輸出上升到穩(wěn)定值或下降到照射前的值所需要的時(shí)間。 當(dāng)一個(gè)輻射脈沖照射光電檢測器時(shí)，如果這個(gè)脈沖上升和下降時(shí)間很短，則光電檢測器由于惰性而有延遲。上升時(shí)間r和下降時(shí)間f矩形光矩形光脈沖脈沖入入射射光光tOrfI光光tO10.10.9編輯課件235、頻率響應(yīng)S(f)： 由于光電檢測器信號(hào)的產(chǎn)生和消失存在著一個(gè)滯后過程，所以入射光輻射的頻率對光電檢測器的響應(yīng)將有很大的影響，把光電檢測器的響應(yīng)隨入射輻射的調(diào)制頻率而變化的特性稱為頻率響應(yīng)。 利用時(shí)間常數(shù)可得到頻率響應(yīng)關(guān)系： S(f)=S0

11、/1+(2f)21/2 S0為頻率是零時(shí)的響應(yīng)度；為時(shí)間常數(shù)。 可求得放大器的上限截止頻率：f上=1/2=1/2RC 可見： 光電檢測器電路時(shí)間常數(shù)決定了頻率響應(yīng)帶寬編輯課件246、熱噪聲： 當(dāng)入射輻射功率很低時(shí)，輸出只是些雜亂無章的變化信號(hào)，無法肯定是否為入射輻射信號(hào)，這是檢測器固有的噪聲引起的。其時(shí)間平均值為零，但均方根不等于零，即存在瞬時(shí)電流擾動(dòng)。這個(gè)均方根電壓（或電流）即為噪聲電壓（流）。熱噪聲是由載流子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)造成的。 熱噪聲電壓和電流均方值為：？=4kTRf ？=4kT(f/R) 其中R為導(dǎo)體電阻，k為玻耳茲曼常數(shù)，T為導(dǎo)體的熱力學(xué)溫度，f為測量系統(tǒng)的噪聲帶寬。熱噪聲存在于任何電

12、阻中，與溫度成正比，與頻率無關(guān)，說明熱噪聲是由各種頻率分量組成，可稱為白噪聲。編輯課件257、散粒噪聲： 或稱散彈噪聲，即穿越勢壘的載流子的隨機(jī)漲落（統(tǒng)計(jì)起伏）所造成的噪聲。理論表明，在每個(gè)時(shí)間段內(nèi)，穿越勢壘區(qū)的載流子數(shù)或從陰極到陽極的電子數(shù)都在一個(gè)平均值上下起伏。這種起伏引起的均方噪聲電流為： ？=2qIDCf 其中IDC為流過器件電流的直流分量（平均值）,q為電子電荷， 散粒噪聲也屬于白噪聲。編輯課件268、信噪比（S/N）： 信噪比是判斷噪聲大小通常使用的參數(shù)。它是在負(fù)載電阻RL上產(chǎn)生的信號(hào)功率與噪聲功率比。 S/N=PS/PN=IS2RL/IN2RL=IS2/IN2用分貝（dB）表示：

13、 （S/N)dB=10lg(IS2/IN2)=20lg(IS/IN) S/N的大小與入射信號(hào)輻射功率及接收面積有關(guān)，入射輻射強(qiáng)，接收面積大，則S/N就大。但性能不一定就好，對兩種光電器件只有在相同信號(hào)輻射功率相同情況下才能比較。編輯課件279、線性度（非線性誤差）： 線性度是描述光電檢測器輸出信號(hào)與輸入信號(hào)保持線性關(guān)系的，即在規(guī)定范圍內(nèi)，光電檢測器的輸出電量正比于輸入光量的性能。光電檢測器件的響應(yīng)度是常數(shù)的范圍稱為線性區(qū)。=max/I2-I1實(shí)線為實(shí)際響應(yīng)曲線虛線為擬合直線IOI2I1光電檢測器線性區(qū)的大小與檢測器后電子線路有很大關(guān)系：線性區(qū)的下限一般由光電器件的暗電流和噪聲因素決定，上限由飽和效應(yīng)或過載決定。還隨偏置、輻射調(diào)制及調(diào)制頻率等條件的變化而變化。編輯課件2810、工作溫度： 光電檢測器的工作溫度是最佳工作狀態(tài)時(shí)的溫度，是光電檢測器重要的性能參數(shù)之一。 光電檢測器工作溫度不同