光電檢測技術(shù)基礎(chǔ)_第1頁
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光電檢測技術(shù)基礎(chǔ)第一頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/181導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體自然存在的各種物質(zhì),分為氣體、液體、固體。固體按導(dǎo)電能力可分為:導(dǎo)體、絕緣體和介于兩者之間的半導(dǎo)體。電阻率10-6~10-3歐姆?厘米范圍內(nèi)——導(dǎo)體電阻率1012歐姆?厘米以上——絕緣體電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間——半導(dǎo)體第二頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/182半導(dǎo)體的特性半導(dǎo)體電阻溫度系數(shù)一般是負(fù)的,而且對溫度變化非常敏感。根據(jù)這一特性,可以制作熱電探測器件。導(dǎo)電性受極微量雜質(zhì)的影響而發(fā)生十分顯著的變化。(純凈Si在室溫下電導(dǎo)率為5*10-6/(歐姆?厘米)。摻入硅原子數(shù)百萬分之一的雜質(zhì)時,電導(dǎo)率為2/(歐姆?厘米))半導(dǎo)體導(dǎo)電能力及性質(zhì)受光、電、磁等作用的影響。第三頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/183本征和雜質(zhì)半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體就是沒有雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體。在絕對零度時,價帶中的全部量子態(tài)都被電子占據(jù),而導(dǎo)帶中的量子態(tài)全部空著。在純凈的半導(dǎo)體中摻入一定的雜質(zhì),可以顯著地控制半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì)。摻入的雜質(zhì)可以分為施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)。施主雜質(zhì)電離后成為不可移動的帶正電的施主離子,同時向?qū)峁╇娮?,使半?dǎo)體成為電子導(dǎo)電的n型半導(dǎo)體。受主雜質(zhì)電離后成為不可移動的帶負(fù)電的受主離子,同時向價帶提供空穴,使半導(dǎo)體成為空穴導(dǎo)電的p型半導(dǎo)體。第四頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/184平衡和非平衡載流子處于熱平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體,在一定溫度下,載流子濃度一定。這種處于熱平衡狀態(tài)下的載流子濃度,稱為平衡載流子濃度。半導(dǎo)體的熱平衡狀態(tài)是相對的,有條件的。如果對半導(dǎo)體施加外界作用,破壞了熱平衡的條件,這就迫使它處于與熱平衡狀態(tài)相偏離的狀態(tài),稱為非平衡狀態(tài)。處于非平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體,其載流子濃度也不再是平衡載流子濃度,比它們多出一部分。比平衡狀態(tài)多出來的這部分載流子稱為非平衡載流子。

第五頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/185非平衡載流子的產(chǎn)生光注入:用光照使得半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生非平衡載流子。當(dāng)光子的能量大于半導(dǎo)體的禁帶寬度時,光子就能把價帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶上去,產(chǎn)生電子-空穴對,使導(dǎo)帶比平衡時多出一部分電子,價帶比平衡時多出一部分空穴。產(chǎn)生的非平衡電子濃度等于價帶非平衡空穴濃度。光注入產(chǎn)生非平衡載流子,導(dǎo)致半導(dǎo)體電導(dǎo)率增加。其它方法:電注入、高能粒子輻照等。第六頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/186載流子的輸運(yùn)過程擴(kuò)散漂移復(fù)合第七頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/187半導(dǎo)體對光的吸收物體受光照射,一部分光被物體反射,一部分光被物體吸收,其余的光透過物體。吸收包括:本征吸收、雜質(zhì)吸收、自由載流子吸收、激子吸收、晶體吸收本征吸收——由于光子作用使電子由價帶躍遷到導(dǎo)帶只有在入射光子能量大于材料的禁帶寬度時,才能發(fā)生本征激發(fā)第八頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/188雜質(zhì)吸收和自由載流子吸收引起雜質(zhì)吸收的光子的最小能量應(yīng)等于雜質(zhì)的電離能由于雜質(zhì)電離能比禁帶寬度小,雜質(zhì)吸收的光譜區(qū)位于本征吸收的長波方向.自由載流子吸收是由同一能帶內(nèi)不同能級之間的躍遷引起的。載流子濃度很大時,導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴產(chǎn)生帶內(nèi)能級間躍遷而出現(xiàn)的非選擇性吸收第九頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/189激子和晶格吸收指所吸收輻射的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裨拥恼駝幽芰?,或由庫侖力相互作用形成電子和空穴的能量。這種吸收對光電導(dǎo)沒有貢獻(xiàn),甚至?xí)档凸怆娹D(zhuǎn)換效率。第十頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/1810光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)和光熱效應(yīng)光電效應(yīng):物質(zhì)受光照射后,材料電學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化(發(fā)射電子、電導(dǎo)率的改變、產(chǎn)生感生電動勢)現(xiàn)象。

包括:外光電效應(yīng):產(chǎn)生電子發(fā)射內(nèi)光電效應(yīng):內(nèi)部電子能量狀態(tài)發(fā)生變化第十一頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/1811光電效應(yīng)解釋物質(zhì)在光的作用下,不經(jīng)升溫而直接引起物質(zhì)中電子運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生變化,因而產(chǎn)生物質(zhì)的光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)和光電子發(fā)射等現(xiàn)象。在理解上述定義時,必須掌握以下三個要點(diǎn):原因:是輻射,而不是升溫;現(xiàn)象:電子運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生變化;結(jié)果:電導(dǎo)率變化、光生伏特、光電子發(fā)射。簡單記為:輻射→電子運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生變化→光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)、光電子發(fā)射。第十二頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/1812光對電子的直接作用是物質(zhì)產(chǎn)生光電效應(yīng)的起因光電效應(yīng)的起因:在光的作用下,當(dāng)光敏物質(zhì)中的電子直接吸收光子的能量足以克服原子核的束縛時,電子就會從基態(tài)被激發(fā)到高能態(tài),脫離原子核的束縛,在外電場作用下參與導(dǎo)電,因而產(chǎn)生了光電效應(yīng)。這里需要說明的是,如果光子不是直接與電子起作用,而是能量被固體晶格振動吸收,引起固體的溫度升高,導(dǎo)致固體電學(xué)性質(zhì)的改變,這種情況就不是光電效應(yīng),而是熱電效應(yīng)。第十三頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/1813光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng):光照射的物質(zhì)電導(dǎo)率發(fā)生改變,光照變化引起材料電導(dǎo)率變化。是光電導(dǎo)器件工作的基礎(chǔ)。

物理本質(zhì):光照到半導(dǎo)體材料時,晶格原子或雜質(zhì)原子的束縛態(tài)電子吸收光子能量并被激發(fā)為傳導(dǎo)態(tài)自由電子,引起材料載流子濃度增加,因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率增大。屬于內(nèi)光電效應(yīng)。

包括:本征和非本征兩種,對應(yīng)本征和雜質(zhì)半導(dǎo)體材料。第十四頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/1814本征光電導(dǎo)效應(yīng)本征光電導(dǎo)效應(yīng):是指本征半導(dǎo)體材料發(fā)生光電導(dǎo)效應(yīng)。

即:光子能量hv大于材料禁帶寬度Eg的入射光,才能激發(fā)出電子空穴對,使材料產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)。針對本征半導(dǎo)體材料。即:hv>Eg即存在截止波長:λ0=hc/Eg=1.24/Eg?;靖拍睿?、穩(wěn)態(tài)光電流:穩(wěn)定均勻光照

2、暗電導(dǎo)率和暗電流3、亮電導(dǎo)率和亮電流4、光電導(dǎo)和光電流第十五頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/1815基本公式:暗電導(dǎo)率Gd=σdS/L暗電流Id=σdSU/L亮電導(dǎo)率Gl=σlS/L亮電流Il=σlSU/L光電導(dǎo)Gp=ΔσS/L光電流Ip=ΔσSU/L光電導(dǎo)效應(yīng)示意圖LS本征半導(dǎo)體樣品光U第十六頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/1816雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng):雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體中施主或受主吸收光子能量后電離,產(chǎn)生自由電子或空穴,從而增加材料電導(dǎo)率的現(xiàn)象。

雜質(zhì)半導(dǎo)體禁帶寬度比本征小很多,因此更容易電離,響應(yīng)波長比本征材料要長得多。用EI表示雜質(zhì)半導(dǎo)體的電離能,則截止波長:λ0=hc/EI。

特點(diǎn):容易受熱激發(fā)產(chǎn)生的噪聲的影響,常工作在低溫狀態(tài)。

常用光電導(dǎo)材料:硅Si、鍺Ge及摻雜的半導(dǎo)體材料,以及一些有機(jī)物。第十七頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/1817

光電導(dǎo)效應(yīng)指固體受光照而改變其電導(dǎo)率。此效應(yīng)是最早發(fā)現(xiàn)的光電現(xiàn)象。半導(dǎo)體和絕緣體都有這種效應(yīng)。

電導(dǎo)率正比于載流子濃度及其遷移率的乘積。

入射光的光子能量等于或大于與該激發(fā)過程相應(yīng)的能隙ΔE(禁帶寬度或雜質(zhì)能級到某一能帶限的距離),也就是光電導(dǎo)有一個最大的響應(yīng)波長,稱為光電導(dǎo)的長波限λC

,若λC

以μm計(jì),ΔE以eV計(jì),則λC與ΔE的關(guān)系為

λC=1.24/ΔE

就光電器件而言,最重要的參數(shù)是靈敏度,弛豫時間和光譜分布。下面討論一下光電導(dǎo)體的這三個參數(shù)。第十八頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/1818

一、光電導(dǎo)體的靈敏度

靈敏度通常指的是在一定條件下,單位照度所引起的光電流。由于各種器件使用的范圍及條件不一致,因此靈敏度有各種不同的表示法。光電導(dǎo)體的靈敏度表示在一定光強(qiáng)下光電導(dǎo)的強(qiáng)弱。它可以用光電增益G來表示。根據(jù)恒照即定態(tài)條件下電子與空穴的產(chǎn)生率與復(fù)合率相等可推導(dǎo)出:

G=βτ/tL:(1)

式中β為量子產(chǎn)額,即吸收一個光子所產(chǎn)生的電子空穴對數(shù);τ為光生載流子壽命;tL為載流子在光電導(dǎo)兩極間的渡越時間,一般有

tL=l/μE=l2/μU(2)將式(1)代入式(2)可得

G=βτμU/l2第十九頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/1819式中l(wèi)為光電導(dǎo)體兩極間距;μ為遷移率;E為兩極間的電場強(qiáng)度;U為外加電源電壓。可知,光電導(dǎo)體的非平衡載流子壽命τ越長,遷移率μ越大。光電導(dǎo)體的靈敏度(光電流或光電增益)就越高。而且,光電導(dǎo)體的靈敏度還與電極間距l(xiāng)的平方成反比。如果在光電導(dǎo)體中自由電子與空穴均參與導(dǎo)電,那么,光電增益的表達(dá)式為

G=β(τnμn+τpμp)U/l2

式中τn和τp分別為自由電子和空穴的壽命;μn和μp分別為自由電子和空穴的遷移率。第二十頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/18202、光電導(dǎo)弛豫過程

光電導(dǎo)效應(yīng)是非平衡載流子效應(yīng),因此存在一定的弛豫現(xiàn)象,即光電導(dǎo)材料從光照開始到獲得穩(wěn)定的光電流需要一定的時間。同樣光電流的消失也是逐漸的。弛豫現(xiàn)象說明了光電導(dǎo)體對光強(qiáng)變化的反應(yīng)快慢程度,稱為惰性。EtOi(%)tO1006337τrτf矩形光脈沖光電導(dǎo)對光強(qiáng)變化反應(yīng)的惰性引起光電流變化的延遲

當(dāng)輸入功率按照正弦規(guī)律變化時,輸出光電流與光功率調(diào)制頻率變化關(guān)系是一低通特性。第二十一頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/18213、光電導(dǎo)增益光電導(dǎo)增益是表征光電導(dǎo)器件特性的一個重要參數(shù),表示長度為L的光電導(dǎo)體在兩端加上電壓U后,由光照產(chǎn)生的光生載流子在電場作用下形成的外電流與光生載流子在內(nèi)部形成的光電流之比??杀硎緸?

M=τ/τdr

τ為器件的時間響應(yīng)

τdr為載流子在兩極間的渡越時間光電導(dǎo)器件常做成梳狀電極,光敏面做成蛇形,即保證了較大的受光表面,又可減小電極間距離,從而減小載流子的有效極間渡越時間,也利于提高靈敏度.光電導(dǎo)器件的光電導(dǎo)增益與帶寬積為一常數(shù),即MΔf=常數(shù)。表明,光電導(dǎo)增益越大,光電靈敏度越高,而器件的帶寬越低。反之亦然。這一結(jié)論對光電效應(yīng)現(xiàn)象有普遍性。第二十二頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/18224、光電導(dǎo)的光譜分布

半導(dǎo)體的光電導(dǎo)與光照的波長有密切關(guān)系。測量光電導(dǎo)的這種光譜分布是確定半導(dǎo)體材料光電導(dǎo)特性的一個重要方向,它是針對不同實(shí)際需要研制材料的一項(xiàng)重要依據(jù)。如PbS,PbSe,PbTe可以有效地利用到10μm的紅外光波段,而CdS可以有效地利用可見光到X光的短波范圍。此外,也只有首先確定了光譜分布,才能利用光電導(dǎo)來比較不同波長的光強(qiáng)。

(1)本征光電導(dǎo)的光譜分布第二十三頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/1823一些典型的半導(dǎo)體本征光電導(dǎo)光譜分布曲線第二十四頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/1824由圖可以看出,在短波方向,當(dāng)波長增加時,光電導(dǎo)隨之緩慢增加,經(jīng)過一個最大值后,又陡峭地下降。由于光電導(dǎo)不存在一個明顯的長波限,T.S.莫斯提出把光電導(dǎo)的數(shù)值降到最大值一半時所處的波長定為長波限。在最大值的長波方面,光電導(dǎo)的下降是較好理解的。因?yàn)樵陂L波部分,光子能量低,不足以引起本征光吸收,所以光電導(dǎo)迅速下降。在短波方面,如果光滑曲線是等能量曲線,由照射的光子數(shù)目少,自然引起光電導(dǎo)下降;如果光譜曲線是等量子曲線,則光電導(dǎo)下降的物理機(jī)理比較復(fù)雜??梢钥隙ǎㄩL短,樣品對光的吸收系數(shù)大,光生載流子就愈集中于光照表面。這時受表面影響大,諸如表面能級、表面復(fù)合與電極等可能降低量子產(chǎn)額,減少載流子遷移率與壽命,都將引起光電導(dǎo)下降。第二十五頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/1825(2)、雜質(zhì)光電導(dǎo)的光譜分布

半導(dǎo)體雜質(zhì)吸收光子將雜質(zhì)能級上的電子或空穴激發(fā)成為自由的光生載流子,這就要求光子能量必須大于等于雜質(zhì)的電離能。由于雜質(zhì)的電離能小于禁帶寬度,因此雜質(zhì)光電導(dǎo)的光譜響應(yīng)波長比本征光電導(dǎo)的長。同時由于雜質(zhì)原子數(shù)目少,所以雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)相對本征光電導(dǎo)來說也微弱得多。第二十六頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/1826摻有不同量砷施主雜質(zhì)的摻金鍺雜質(zhì)光電導(dǎo)光譜分布曲線第二十七頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/1827

由圖可以看出,光電導(dǎo)在光子能量0.7eV附近陡起明顯,表示本征光電導(dǎo)開始。在本征光電導(dǎo)長波限左邊,光子能量小于鍺禁帶寬度(0.68eV),這時光電導(dǎo)顯然是雜質(zhì)光電導(dǎo)光譜曲線繼續(xù)向左邊延伸時,可以看到,在某一波長處曲線迅速下降,這就是雜質(zhì)光電導(dǎo)的長波限。此處光子的能量等于雜質(zhì)的電離能。能量再低的光子就不可能激發(fā)雜質(zhì)上的電子或空穴。

圖中三條曲線各表示摻有不同量的砷施主雜質(zhì)。金元素在鍺中存在多重能級,在不加砷施主雜質(zhì)時,金是受主,鍺是p型半導(dǎo)體(p型Ge:Au),從曲線中看到,長波限在0.05eV處。當(dāng)加入少量砷施主雜質(zhì),此時鍺晶體仍是p型(p型Ge:Au:As),長波限相應(yīng)于0.15eV。當(dāng)加入足夠多的砷施主雜質(zhì)時,致使鍺晶體從p型轉(zhuǎn)變?yōu)閚型(n型Ge:Au:As),從曲線中可看到長波限相應(yīng)于0.2eV。第二十八頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/1828光生伏特效應(yīng)達(dá)到內(nèi)部動態(tài)平衡的半導(dǎo)體PN結(jié),在光照的作用下,在PN結(jié)的兩端產(chǎn)生電動勢,稱為光生電動勢。這就是光生伏特效應(yīng)。也稱光伏效應(yīng)。物理本質(zhì):PN結(jié)內(nèi)建電場使得載流子(電子和空穴)的擴(kuò)散和漂移運(yùn)動達(dá)到了動態(tài)的平衡,在光子能量大于禁帶寬度的光照作用下,激發(fā)出的電子空穴對打破原有平衡,靠近結(jié)區(qū)電子和空穴分別向N區(qū)和P區(qū)移動,形成光電流,同時形成載流子的積累,內(nèi)建電場減小,相當(dāng)于在PN加了一個正向電壓。即光生電動勢。第二十九頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/1829IpPN____VDV+光照PNEcEvEFeVD無光照有光照PNEcEvEFeVD-eV形成過程:空穴電子光生(正向)電壓產(chǎn)生正向注入電流(由P指N):

I+=Is[exp(qV/kT)-1]I+第三十頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/1830當(dāng)PN結(jié)外接回路時,總電流與光生電流和結(jié)電流之間關(guān)系:I=Ip-I+=Ip-Is[exp(qV/kT)-1]負(fù)載接入外回路,電流為I,則PN結(jié)兩端電壓為:V=(kT/q)ln[(Ip-I)/Is+1]

PN結(jié)開路時,I=0,求得開路電壓:Voc=(kT/q)ln(Ip/Is+1)

可見Voc與Ip為非線性關(guān)系。PN結(jié)短路,V=0,求得短路電流即光電流:Isc=Ip=qη/hν=P沒有光照時,Ip=0,外加正向電壓為V時,有I+=Is[exp(qV/kT)-1]注意:光伏效應(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)的檢測器件比以光電導(dǎo)效應(yīng)為基礎(chǔ)的檢測器件有更快的響應(yīng)速度。第三十一頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/1831與光電效應(yīng)的區(qū)別:光電效應(yīng)中,光子能量直接變?yōu)楣怆娮拥哪芰?,光熱效?yīng)中,光能量與晶格相互作用使其運(yùn)動加劇,造成溫度的升高,從而引起物質(zhì)相關(guān)電學(xué)特性變化。光熱效應(yīng)可分為:熱釋電效應(yīng)、輻射熱計(jì)效應(yīng)及溫差電效應(yīng)1、熱釋電效應(yīng)

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)度隨溫度變化而變化,引起表面電荷變化的現(xiàn)象。第三十二頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/1832

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T2>T1(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,晶體溫度升高,電偶極子熱運(yùn)動加劇,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。第三十三頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/1833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,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。第三十四頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/18342、輻射熱計(jì)效應(yīng)入射光照射材料由于受熱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:ΔR=αTRΔTαT為電阻溫度系數(shù)R為元件電阻當(dāng)溫度變化足夠小時,αT=1/R*dR/dT對金屬材料,R=BT,則αT=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αT=-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。第三十五頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/18353、溫差電效應(yīng)

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)生溫度變化就會產(chǎn)生溫差電現(xiàn)象。另外,如果在圖中x,y處接一電動勢,導(dǎo)體中產(chǎn)生電流,兩個接點(diǎn)1和2處就會出現(xiàn)一個吸熱一個放熱的現(xiàn)象。吸(放)熱速率:dθp/dt=πI,π稱為帖耳帖系數(shù)xyT1T212導(dǎo)體a導(dǎo)體b第三十六頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/1836光電檢測器件的特性參數(shù)

光電檢測器件利用物質(zhì)的光電效應(yīng)把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件,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))分類第三十七頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/1837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:第三十八頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/1838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)生信號所需時間長,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秒第三十九頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/1839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Φ表示)。2、光譜響應(yīng)度S(λ)光譜響應(yīng)度:S(λ)=Vo/Φ(λ)

(V/W)S(λ)=Io/Φ(λ)

(A/W)Φ(λ)為入射的單色輻射通量或光通量。第四十頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/18403、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:Φ=?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λ0和λ1分別為光電檢測器的長波限和短波限。第四十一頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/18414、響應(yīng)時間τ:

響應(yīng)時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間。當(dāng)一個輻射脈沖照射光電檢測器時,如果這個脈沖上升和下降時間很短,則光電檢測器由于惰性而有延遲。上升時間τr和下降時間τf矩形光脈沖入射光tOτrτfI光tO10.10.9第四十二頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/18425、頻率響應(yīng)S(f):

由于光電檢測器信號的產(chǎn)生和消失存在著一個滯后過程,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)。利用時間常數(shù)可得到頻率響應(yīng)關(guān)系:S(f)=S0/[1+(2πfτ)2]1/2

S0為頻率是零時的響應(yīng)度;τ為時間常數(shù)。

可求得放大器的上限截止頻率:f上=1/2πτ=1/2πRC

可見:光電檢測器電路時間常數(shù)決定了頻率響應(yīng)帶寬第四十三頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/18436、熱噪聲:

當(dāng)入射輻射功率很低時,輸出只是些雜亂無章的變化信號,無法肯定是否為入射輻射信號,這是檢測器固有的噪聲引起的。其時間平均值為零,但均方根不等于零,即存在瞬時電流擾動。這個均方根電壓(或電流)即為噪聲電壓(流)。熱噪聲是由載流子無規(guī)則運(yùn)動造成的。熱噪聲電壓和電流均方值為:U=4kTRΔfI=4kT(Δf/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,Δf為測量系統(tǒng)的噪聲帶寬。熱噪聲存在于任何電阻中,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。第四十四頁,共四十九頁,2022年,8月28日2023/1/18447、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,在每個時間段內(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)都在一個平均值上下起伏。這種起伏引起的均方噪聲電流為:I=2qIDCΔf其中IDC為流

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