光輻射探測器

光輻射探測器第一頁，共三十八頁，2022年，8月28日光熱效應(yīng)

PhotothermalEffect光輻射光敏材料吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑴囟茸兓疶材料物理性質(zhì)變化電信號光熱效應(yīng)的一般機(jī)理：輻射吸收系數(shù)，輻射通量，T溫度變化，Ct材料熱容量，Gt器件與環(huán)境的熱導(dǎo)率被調(diào)制的輻射通量：時間無關(guān)項：時間相關(guān)項：低頻：t=Ct/Gt高頻：第二頁，共三十八頁，2022年，8月28日光熱效應(yīng)

PhotothermalEffect光熱效應(yīng)器件的特點：1、響應(yīng)時間較慢2、響應(yīng)的波長范圍寬(紫外到40um)3、響應(yīng)靈敏度與波長依賴性弱主要器件：測輻熱電偶、測幅熱敏電阻、高萊管、熱釋電探測器第三頁，共三十八頁，2022年，8月28日光電效應(yīng)

PhotoelectricEffect光電效應(yīng)：光波與物質(zhì)相互作用，產(chǎn)生或釋放出電子，從而產(chǎn)生電壓或電流的物理現(xiàn)象光電效應(yīng)主要有以下三類：1、光電導(dǎo)效應(yīng)光敏電阻2、光伏效應(yīng)（PN結(jié)光電效應(yīng)）光電池、光電二三極管、光電場效應(yīng)管3、光電發(fā)射效應(yīng)光電管、光電倍增管光電效應(yīng)特點：1、響應(yīng)較快（ps～s量級）2、半導(dǎo)體光電器件體積較小3、量子效率較高第四頁，共三十八頁，2022年，8月28日半導(dǎo)體基本概念－能帶

BasicConceptofSemiconductor—EnergyBand能帶的形成固體的導(dǎo)電性第五頁，共三十八頁，2022年，8月28日半導(dǎo)體基本概念－能帶

BasicConceptofSemiconductor—EnergyBand半導(dǎo)體的能帶特征：1、所有電子剛好填滿價帶，絕對零度不能導(dǎo)電2、導(dǎo)帶絕對零度為空帶，即無電子占據(jù)，可以導(dǎo)電3、禁帶Eg較小，常溫下有一定導(dǎo)電能力第六頁，共三十八頁，2022年，8月28日光子與半導(dǎo)體相互作用

InteractionBetweenPhotonandSemiconductor導(dǎo)帶激發(fā)出電子價帶激發(fā)出空穴半導(dǎo)體載流子第七頁，共三十八頁，2022年，8月28日常溫下半導(dǎo)體的統(tǒng)計特性

SemiconductorStatisticsatnormaltemperature態(tài)密度g(E):單位能量單位體積內(nèi)在能帶中的電子狀態(tài)數(shù)(特征波函數(shù)的個數(shù))，在導(dǎo)帶低和價帶頂g(E)(E-Ec)1/2和(Ev-E)1/2熱平衡時，電子滿足費米分布，即在某一能態(tài)找到電子的幾率。導(dǎo)帶的電子濃度:價帶的空穴濃度:第八頁，共三十八頁，2022年，8月28日根據(jù)導(dǎo)帶電子濃度計算公式，可得常溫下半導(dǎo)體的統(tǒng)計特性

SemiconductorStatisticsatnormaltemperature當(dāng)E-Ec>>kBT時，在非簡并的半導(dǎo)體中，費米分布近似為同時也可以得，價帶空穴濃度，這里，NC、NV稱分別為導(dǎo)帶和價帶的有效能態(tài)密度物質(zhì)作用定律：ni為本征濃度結(jié)論：在熱平衡時，“空穴”和電子濃度乘積與半導(dǎo)體類型、電子空穴濃度無關(guān)第九頁，共三十八頁，2022年，8月28日N型半導(dǎo)體

N-typeSemicondutor砷有五個價電子，形成共價鍵后，多出一個自由電子，受砷離子作用，形成類氫原子結(jié)構(gòu)。利用氫原子模型可以算得，這電子須獲得0.05eV的能量才能到達(dá)導(dǎo)帶形成載流子。這種五價的原子承擔(dān)提供電子的作用，稱為施主雜質(zhì)（DonorImpurity)，kBT~0.025eV電導(dǎo)率：＝ene＋ephNde

e第十頁，共三十八頁，2022年，8月28日P型半導(dǎo)體

P-typeSemicondutor硼B(yǎng)有三個價電子，形成共價鍵后，周圍的硅原子缺一電子形成共價鍵，形成一“空穴”。當(dāng)外面電子過來填補這一空缺后，硼原子變成負(fù)離子，“空穴”將遠(yuǎn)離硼離子，但更外面的電子更難靠近硼離子，因此等效于“空穴”收到硼離子的吸引力。同樣形成類氫原子結(jié)構(gòu)。利用氫原子模型可以算得，這空穴須獲得0.05eV的能量才能到達(dá)價帶形成載流子。這種三價原子承擔(dān)接受電子的作用，稱為受主雜質(zhì)（AcceptorImpurity）kBT~0.025eV電導(dǎo)率：＝ene＋ephNae

h第十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日P型和N型半導(dǎo)體

P-andN-typeSemicondutor所有情況滿足物質(zhì)作用定律：本征半導(dǎo)體：n＝p＝niP型半導(dǎo)體：p>n=ni2/p“空穴”為多數(shù)載流子，MajorityCarrier，電子為少數(shù)載流子，MinorityCarrier；pNan型半導(dǎo)體：n>p=ni2/n電子為多數(shù)載流子，MajorityCarrier，電子為少數(shù)載流子，MinorityCarrier；nNd第十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日半導(dǎo)體的PN結(jié)

PNJunctionofSemicondutor濃度差產(chǎn)生擴(kuò)散電流內(nèi)建電場E0，漂移電流平衡耗盡層高阻抗第十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日半導(dǎo)體的PN結(jié)

PNJunctionofSemicondutor由電荷守恒：高斯定理：電場與電壓關(guān)系：可得內(nèi)建電場E0和電壓V0，分別為利用玻爾茲曼分布和質(zhì)量作用定律，可得第十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日半導(dǎo)體的PN結(jié)

PNJunctionofSemicondutorpn結(jié)能帶圖第十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日半導(dǎo)體的PN結(jié)－正向偏壓

ForwardBias正向偏壓漂移電場減少擴(kuò)散運動復(fù)合過程形成電流擴(kuò)散方程和復(fù)合方程：I0為常數(shù)，為pn結(jié)的真實修正因子可得正向偏壓電流第十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日半導(dǎo)體的PN結(jié)－反向偏壓

ReverseBias反向偏壓漂移電場增加漂移電流熱激發(fā)過程形成電流擴(kuò)散漂移方程和熱激發(fā)方程：I0為常數(shù)，反向電流與反向電壓幾乎沒有關(guān)系。通常在pA～nA量級常溫下擴(kuò)散漂移為主，可得反向偏壓電流第十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日半導(dǎo)體的PN結(jié)－反向偏壓

ReverseBias第十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日光電導(dǎo)效應(yīng)

Photoconductivity光照射半導(dǎo)體材料，激發(fā)出載流子，改變材料的電導(dǎo)率，稱為光電導(dǎo)效應(yīng)亮電導(dǎo)和暗電導(dǎo)之差為光電導(dǎo)；亮電流和暗電流之差為光電流光照的電導(dǎo)率改變量：光電流：光激發(fā)電子和空穴濃度：光電導(dǎo)增益M：渡越電極時間：t=L/v=L2/U，=e,h增益M簡化為：M=/t結(jié)論：光生載流子壽命越長，渡越時間越短，光電導(dǎo)增益越大第十九頁，共三十八頁，2022年，8月28日光電導(dǎo)效應(yīng)－響應(yīng)時間

Photoconductivity－RespondPtOI(t)相對值tO0.630.371.00受階躍光作用時，光階躍關(guān)閉作用時，上兩式可得，如果受正弦調(diào)制光照射，以第一方程變?yōu)榻獾茫侯l率越高，激發(fā)的載流子越小，定義截止頻率fc，n為下降到所對應(yīng)的頻率。截止頻率：增益與帶寬之積為常數(shù)：第二十頁，共三十八頁，2022年，8月28日光伏效應(yīng)

Photovoltage光照射在PN結(jié)的耗盡層，激發(fā)出電子－空穴對。在內(nèi)建電場作用下，電子和空穴分別流向N和P區(qū)，從而在P、N區(qū)兩端形成電位差，P為正，N為負(fù)，這稱為光伏效應(yīng)。＋－光照PN結(jié)的電流方程為：外電路短路時，短路電流：外電路開路時，開路電壓：第二十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日光電發(fā)射效應(yīng)

Photoemission當(dāng)超過一定頻率的光波照射金屬或半導(dǎo)體時，電子獲得光波的能量，克服材料的逸出功離開材料表面，這現(xiàn)象稱為光電發(fā)射效應(yīng)，也稱外光電效應(yīng)電子逃逸材料的最大速度V，由愛因斯坦定律給出，閾值波長：第二十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日光探測器的噪聲

NoisesofRadiationDetector噪聲決定了最小可探測的信號，噪聲主要兩種典型噪聲：(1)白噪聲（WhiteNoise）：一種與頻率無關(guān)的噪聲。(2)1/f噪聲（PinkNoise）：功率譜與1/f成正比的噪聲。噪聲主要使用均方電流和均方電壓描述，分別表示為第二十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日光探測器的噪聲

NoisesInRadiationDetector光探測器中主要固有噪聲：1、熱噪聲（存在于一切導(dǎo)體，熱運動造成）2、散粒噪聲或肖特基噪聲(a)電子流傳輸?shù)碾S機(jī)漲落(b)光子流傳輸?shù)碾S機(jī)漲落（量子噪聲)3、產(chǎn)生－復(fù)合噪聲半導(dǎo)體中載流子隨機(jī)的產(chǎn)生－復(fù)合，造成載流子的隨機(jī)起伏，引起導(dǎo)電率起伏。第二十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日光探測器的噪聲

NoisesInRadiationDetector光探測器中主要固有噪聲：4、1/f噪聲（存在于一切探測器，強(qiáng)度近似與1/f成正比）5、溫度噪聲器件吸收和傳導(dǎo)等熱交換引起溫度的起伏低頻時，具有白噪聲性質(zhì)第二十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日光探測器的噪聲

NoisesInRadiationDetector1/f噪聲產(chǎn)生復(fù)合噪聲散粒和熱噪聲第二十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日光探測器的性能參數(shù)

FeaturesandPerformanceparametersofRadiationDetector光探測器性能參數(shù)主要分為：1、光電特性和光照特性2、光譜特性3、等效噪聲功率和探測率光電特性：光電流和光通量關(guān)系I=F()光照特性：光電流和光照度關(guān)系I=F(L)線性度：光通量或光照度與光電流成比例程度線性范圍：某個工作范圍，光電流與光通量或光照度成比例光電器件對功率相同而波長不同的入射光響應(yīng)不同。I=Fi()U=Fu()投射到探測器響應(yīng)平面上光通量產(chǎn)生的信號電流I(電壓)等于無入射時探測器的均方噪聲電流（電壓）,這時的入射光通量為最小可探測功率，即等效噪聲功率NEP（NoiseEquivalentPower）第二十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日光探測器的性能參數(shù)

FeaturesandPerformanceparametersofRadiationDetector4、響應(yīng)時間與頻率通常利用矩形脈沖信號，可以得到響應(yīng)時間和弛豫時間PtOI(t)相對值tO0.630.371.00截止頻率：第二十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日光熱探測器－熱敏電阻

PhotothermalDetector光熱探測器主要有熱敏電阻和熱釋電探測器1、熱敏電阻(Photoresistor)溫度改變電阻值

R=TRT熱敏電阻的溫度系數(shù)T＝R/(RT)常用材料：(a)Mn、Ni、Co、Cu氧化物(T~-4*10-2K-1)(b)Ge、Si、InSb半導(dǎo)體第二十九頁，共三十八頁，2022年，8月28日光熱探測器－熱釋電探測器

PhotothermalDetector2、熱釋電探測器（PyroelectricEffect）溫度改變T原理：壓電晶體固有偶極距改變P材料表面的束縛電荷量改變Q為熱釋電系數(shù)Q壽命問題：材料表面的束縛電荷量改變Q外部自由電荷中和束縛電荷Q消逝問題解決：周期調(diào)制入射光小于Q壽命1～103s束縛電荷Q周期變化第三十頁，共三十八頁，2022年，8月28日光熱探測器－熱釋電探測器

PhotothermalDetector熱釋電器件等效電路常用熱電晶體材料：硫酸散甘肽(TGS)、鉭酸鋰(LiTaO3)和壓電陶瓷材料RS＝1010第三十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日光電導(dǎo)器件

PhotoconductiveDevice1、光敏電阻光電特性Ip=SgUL1

弱光：＝1；強(qiáng)光：＝0.5

(b)光譜特性響應(yīng)對波長具有選擇性，CdS在515～600nm之間。(c)頻率特性光敏電阻響應(yīng)較慢，ms量級。第三十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日光電導(dǎo)器件

PhotoconductiveDevice(d)伏安特性光敏電阻兩端電壓和流過的電流為伏安特性，如圖右所示(e)溫度特性溫度的變化引起光譜響應(yīng)、峰值等參數(shù)改變。(f)前歷效應(yīng)暗態(tài)前歷效應(yīng):光敏電阻處于暗態(tài)時間越長，光照后光電流上升越慢。亮態(tài)前歷效應(yīng):光敏電阻已處于照亮狀態(tài)當(dāng)亮度變化時，光電流出現(xiàn)滯后的現(xiàn)象。第三十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日光電導(dǎo)器件

PhotoconductiveDevice(g)噪聲特性光敏電阻噪聲主要有:熱噪聲、產(chǎn)生－復(fù)合噪聲、1/f噪聲光敏電阻特點：(1)光譜響應(yīng)寬：紫外到紅外(2)工作電流大,幾個mA量級(3)所