第二章光电检测器件1(川大)
合集下载
第二章 光电检测技术基础共50页
▪ 半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。如果对 半导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，这就 迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平 衡状态。
▪ 处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是 平衡载流子浓度，比它们多出一部分。比平衡状态 多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。
31.03.2020
▪ 本征吸收——由于光子作用使电子由价带 跃迁到导带
▪ 只有在入射光子能量大于材料的禁带宽度 时，才能发生本征激发
31.03.2020
光信息科学与技术系
7
杂质吸收和自由载流子吸收
▪ 引起杂质吸收的光子的最小能量应等于杂质的 电离能
▪ 由于杂质电离能比禁带宽度小，杂质吸收的光 谱区位于本征吸收的长波方向.
▪ 自由载流子吸收是由同一能带内不同能级之间 的跃迁引起的。载流子浓度很大时，导带中的 电子和价带中的空穴产生带内能级间跃迁而出 现的非选择性吸收
31.03.2020
光信息科学与技术系
8
激子和晶格吸收
▪ 指所吸收辐射的能量转变为晶格原子的振动 能量，或由库仑力相互作用形成电子和空穴 的能量。 这种吸收对光电导没有贡献，甚至 会降低光电转换效率。
时向导带提供电子，使半导体成为电子导电的n型半导体。 ▪ 受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同
时向价带提供空穴，使半导体成为空穴导电的p型半导体。
31.03.2020
光信息科学与技术系
3
平衡和非平衡载流子
▪ 处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子 浓度一定。这种处于热平衡状态下的载流子浓度， 称为平衡载流子浓度。
1
半导体的特性
▪ 半导体电阻温度系数一般是负的，而且对温度变化非常敏 感。根据这一特性，可以制作热电探测器件。
▪ 处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是 平衡载流子浓度，比它们多出一部分。比平衡状态 多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。
31.03.2020
▪ 本征吸收——由于光子作用使电子由价带 跃迁到导带
▪ 只有在入射光子能量大于材料的禁带宽度 时，才能发生本征激发
31.03.2020
光信息科学与技术系
7
杂质吸收和自由载流子吸收
▪ 引起杂质吸收的光子的最小能量应等于杂质的 电离能
▪ 由于杂质电离能比禁带宽度小，杂质吸收的光 谱区位于本征吸收的长波方向.
▪ 自由载流子吸收是由同一能带内不同能级之间 的跃迁引起的。载流子浓度很大时，导带中的 电子和价带中的空穴产生带内能级间跃迁而出 现的非选择性吸收
31.03.2020
光信息科学与技术系
8
激子和晶格吸收
▪ 指所吸收辐射的能量转变为晶格原子的振动 能量，或由库仑力相互作用形成电子和空穴 的能量。 这种吸收对光电导没有贡献，甚至 会降低光电转换效率。
时向导带提供电子，使半导体成为电子导电的n型半导体。 ▪ 受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同
时向价带提供空穴，使半导体成为空穴导电的p型半导体。
31.03.2020
光信息科学与技术系
3
平衡和非平衡载流子
▪ 处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子 浓度一定。这种处于热平衡状态下的载流子浓度， 称为平衡载流子浓度。
1
半导体的特性
▪ 半导体电阻温度系数一般是负的，而且对温度变化非常敏 感。根据这一特性，可以制作热电探测器件。
光电检测器件光电检测器件概要57页PPT
谢谢
11、越是没有本领的就越加自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利
光电检测器件光电检测器件概要
11、获得的成功越大，就越令人高兴 。野心 是使人 勤奋的 原因， 节制使 人枯萎 。 12、不问收获，只问耕耘。如同种树 ，先有 根茎， 再有枝 叶，尔 后花实 ，好好 劳动， 不要想 太多， 那样只 会使人 胆孝懒 惰，因 为不实 践，甚 至不接 触社会 ，难道 你是野 人。(名 言网) 13、不怕，不悔(虽然只有四个字，但 常看常 新。 14、我在心里默默地为每一个人祝福 。我爱 自己， 我用清 洁与节 制来珍 惜我的 身体， 我用智 慧和知 识充实 我的头 脑。 15、世上的一切都借希望而完成。 农夫不 会播下 一粒玉 米，如 果他不 曾希望 它长成 种籽； 单身汉 不会娶 妻，如 果他不 曾希望 有小孩 ；商人 或手艺 人不会 工作， 如果他 不曾希 望因此 而有收 益。-- 马钉路 德。
第二章第3节 光电探测器
1．光窗 光窗是入射光的通道，是对光吸收较多的部分。常用的光窗材料有钠 钙玻璃、硼硅玻璃、紫外玻璃、熔凝石英和氟镁玻璃等。 2．光电阴极 它的作用是接收入射光，向外发射光电子。制作光电阴极的材料多是 化合物半导体。 3．电子光学系统 任务：（1）通过对电极结构的适当设计，使前一级发射出来的电子尽 可能没有散失地落到下一个倍增极上，使下一级的收集率接近于1； （2）使前一级各部分发射出来的电子，落到后一级上时所经历的时 间尽可能相同，使渡越时间零散最小。
主要参数
(1)倍增系数 倍增系数等于各倍增电极的二次电子发射系数δ 的乘积。 如果n个倍增电极的δ 都一样，则
M
n i
因此，阳极电流I为
I i
n i
式中 i——光电阴极的光电流。 M与所加电压有关，一般M在105 ~108之间，如果电压有波动， 倍增系数也要波动。因此M具有一定的统计涨落。一般阳极和 阴极之间的电压为1000~2500V，两个相邻的倍增电极的电位 差为50~100V,对所加电压越稳越好，这样可以减小统计涨落， 从而减小测量误差。 I n （2）光电倍增管的电流放大倍数为
第三节光纤传感器的光探测器
在光纤传感器中，光探测器性能好坏既 影响被测物理量的变换准确度，又关系到 光探测接收系统的质量。它的线性度、灵 敏度、带宽等参数直接关系到传感器的总 体性能。 常用的光探测器有光敏二极管、光敏三 极管、光电倍增管、ＣＣＤ等。
定 义
光电式传感器是能将光能转换为电能的一种 器件，简称光电器件。它的物理基础是光电效应。 由于光电元件响应快，结构简单．而且有较高的 可靠性等优点，在现代测量与控制系统中，应用 非常广泛。 • 大多数光电探测器都是把光辐射转换为电量来 实现探测，即便直接转换量是非电量（温度、体 积等）时，通常也总是把非电量再转换为电量来 测量。 • 光电探测器的物理效应通常分为两类：光子效应 和光热效应。
第二章光电导器件
在实际使用时，常常将光敏电阻的光电特性曲线改用 如图2-4所示的特性曲线。图2-4所示为两种坐标框架的 特性曲线，其中(a)为线性直角坐标系中光敏电阻的阻值R 与入射照度EV的关系曲线，而(b)为对数直角坐标系下的 阻值R与入射照度EV的关系曲线。
如图2-4(b)所示的对数坐标系中光敏电阻的阻值R在
u V iRL
Rg为有光照时的亮电阻，当光 照变化时，Rg 变为 Rg Rg，
电流 i 变为 i i ，
i V RL Rg
i i
V
RL Rg Rg
上述两式相减，则有：
i
VRg (RL Rg )2( RLRgRg
RL
Rg )
式中负号表示光照增大，亮阻减小，电流增大。同时，电 流变化，引起光敏电阻两端电压的变化：
光敏电阻的基本原理
光电导效应原理（半导体材料的体效应）——光电 导探测器
——光照下改变自身的电阻率（光照愈强,器件 自身的电阻愈小）
——光敏电阻（光导管）
本征型光敏电阻 —— 一般在室温下工作，适用于 可见光和近红外辐射探测 非本征型光敏电阻—— 通常在低温条件下工作， 常用于中、远红外辐射探测
为何？
6)频率特性
由于不同材料的光敏电阻时延特性不同，所以它们的频 率特性也不相同。附图1给出相对灵敏度，与光强变化频 率f之间的关系曲线，可以看出硫化铅的使用频率比硫化
『补充』前历效应
指光敏电阻的时间特性与工作前“历史”有关的一种 现象。即测试前光敏电阻所处状态对光敏电阻特性的 影响。 暗态前历效应：指光敏电阻测试或工作前处于暗态， 当它突然受到光照后光电流上升的缓慢程度。一般， 工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越重。
根据光敏电 阻的设计原则可 以设计出如图22所示的3种基本 结构，图2-2（a） 所示光敏面为梳 形的结构。
光电传感与检测第二章
R
(B) 扩散电容CD
当外加正向电 压不同时，PN结 两侧堆积的少子 的数量及浓度梯 度也不同，这就 相当电容的充放 电过程。
P区 耗尽层 N区
+
－
P 区中电子 浓度分布
N 区中空穴 浓度分布
极间电容（结电容）
Ln
x
Lp
电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来
4 半导体二极管
结构
二极管 = PN结 + 管壳 + 引线
－ 受主离子
+4
+4
+4
多数载流子—— 空穴 少数载流子——自由电子
杂质半导体的示意图
多子—空穴
P型半导体
多子—电子
N型半导体
－
－ －
－
－ － 少子—电子
－ － －
－ － －
+
+ +
+
+ +
+ + +
+ + +
少子—空穴
少子浓度——由本征激发产生，与温度有关 多子浓度——与所掺杂质浓度有关，与温度无关
第二章
2.1 2.2
光电检测器件的工作原理及特性
半导体器件基础知识 光电效应
外光电效应 光电导效应 光生伏特效应 光热效应（1）热释电效应
（２）辐射热计效应 （３）温差电效应
2.3
光电检测器件的特性参数
光电检测器件的类型 光电器件的基本特性参数
§2.1 半导体器件的基础知识
2.1 半导体器件基础知识
+4
电子空穴对
+4
+4
常温300K时： 1.4 1010 3 硅： cm 电子空穴对的浓度
光电检测技术—第二章
第二章 光电检测用光源
光电检测技术—第二章
光学变换
光电变换
光电检测技术—第二章
电路处理
第二章 光电检测用光源
掌握内容 发光二极管和激光光源的产生机理及基本特性，
为正确使用打下一定基础。 理解内容 光产生的基本原理及方法 了解内容 气体光源和部分固体光源的机理和基本特性。
光电检测技术—第二章
– X射线、紫外辐射、可见光、红外辐射。
狭义上——可见光
– 对人眼能产生目视刺激而形成“光亮”感的 电磁辐射。
– 380~780nm。
光电检测技术—第二章
2.1.1 光的本质及产生
光是从实物中发射出来的，是以电磁波传播的物 质
粒子在不断地运动：原子内有若干电子围绕原子 核不断运动
运动有多种可能状态 不同运动状态的电子具有不同能量 当它们的运动受到骚扰时就可能发射出电磁波。
– 光通量在可见光范围内对时间的积分。 – 流明秒：lm.s
光电检测技术—第二章
2.2 光源的基本特性参数
辐射通量Φe ：
– 在单位时间内，以辐射形式发射、传播或接收的辐 射能。
– 瓦：W
光通量Φv ：
– 对可见光，光源表面在无穷小时间段内发射、传播 或接收的所有可见光谱，其光能被无穷短时间间隔 dt来除，其商定义为光通量。
2.1.1 光的本质及产生
实际上，物质受激而发光是很复杂的，有些同 属几种受激过程。
平衡和非平衡辐射：
– 热辐射是一种能达到平衡状态的辐射，也称温度辐 射，是热平衡状态的辐射。
– 激发发光是一种非平衡辐射，即以一种外加能量转 换成光能的过程。其光谱包括线光谱、带光谱。
光电检测技术—第二章
2.1.2 光源分类
光电检测技术—第二章
光学变换
光电变换
光电检测技术—第二章
电路处理
第二章 光电检测用光源
掌握内容 发光二极管和激光光源的产生机理及基本特性，
为正确使用打下一定基础。 理解内容 光产生的基本原理及方法 了解内容 气体光源和部分固体光源的机理和基本特性。
光电检测技术—第二章
– X射线、紫外辐射、可见光、红外辐射。
狭义上——可见光
– 对人眼能产生目视刺激而形成“光亮”感的 电磁辐射。
– 380~780nm。
光电检测技术—第二章
2.1.1 光的本质及产生
光是从实物中发射出来的，是以电磁波传播的物 质
粒子在不断地运动：原子内有若干电子围绕原子 核不断运动
运动有多种可能状态 不同运动状态的电子具有不同能量 当它们的运动受到骚扰时就可能发射出电磁波。
– 光通量在可见光范围内对时间的积分。 – 流明秒：lm.s
光电检测技术—第二章
2.2 光源的基本特性参数
辐射通量Φe ：
– 在单位时间内，以辐射形式发射、传播或接收的辐 射能。
– 瓦：W
光通量Φv ：
– 对可见光，光源表面在无穷小时间段内发射、传播 或接收的所有可见光谱，其光能被无穷短时间间隔 dt来除，其商定义为光通量。
2.1.1 光的本质及产生
实际上，物质受激而发光是很复杂的，有些同 属几种受激过程。
平衡和非平衡辐射：
– 热辐射是一种能达到平衡状态的辐射，也称温度辐 射，是热平衡状态的辐射。
– 激发发光是一种非平衡辐射，即以一种外加能量转 换成光能的过程。其光谱包括线光谱、带光谱。
光电检测技术—第二章
2.1.2 光源分类
光电检测技术第二章光电检测技术基础
平衡载流子浓度随温度变化而变化
光电检测技术第二章光电检测技术 基础
本征半导体
本征半导体载
流子浓度强烈依赖 温度
随着温度增高，
载流子浓度显著增 加
光电检测技术第二章光电检测技术 基础
平衡和非平衡载流子
• 半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。 如果对半导体施加外界作用，破坏了热平 衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状态 相偏离的状态，称为非平衡状态。
光电检测技术第二章光电检测技术 基础
(二）扩散 电 流（diffusion current）
载 流 子 注 入 非 平 衡 载 流 子 → 载 流 子 浓 度 梯 度 → 扩 散 运 动 → 扩 散 电 流
光 照 的 作 用
扩 散 电 流 是 半 导 体 中 载 流 子 的 一 种 特 殊 运 动 形 式 ， 是 由 于 载 流 子 的 浓 度 差 而 引 起 的 ， 扩 散 运 动 总 是 从 浓 度 高 的 区 域 向 浓 度 小 的 区 域 进 行 ，
• 掺入的杂质可以分为施主杂质和受主杂质。 • 施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主
离子，同时向导带提供电子，使半导体成为电 子导电的n型半导体。 • 受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主 离子，同时向价带提供空穴，使半导体成为空 穴导电的p型半导体。
光电检测技术第二章光电检测技术 基础
N型半导体
可在金属中自由运动，导电性好，电阻率10-6—10-3Ω·cm。
光电检测技术第二章光电检测技术 基础
本征半导体
• 本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体。 • 在绝对零度时，价带中的全部量子态都被电子
占据，而导带中的量子态全部空着。
导带全空
价带全满
光电检测技术第二章光电检测技术 基础
本征半导体
本征半导体载
流子浓度强烈依赖 温度
随着温度增高，
载流子浓度显著增 加
光电检测技术第二章光电检测技术 基础
平衡和非平衡载流子
• 半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。 如果对半导体施加外界作用，破坏了热平 衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状态 相偏离的状态，称为非平衡状态。
光电检测技术第二章光电检测技术 基础
(二）扩散 电 流（diffusion current）
载 流 子 注 入 非 平 衡 载 流 子 → 载 流 子 浓 度 梯 度 → 扩 散 运 动 → 扩 散 电 流
光 照 的 作 用
扩 散 电 流 是 半 导 体 中 载 流 子 的 一 种 特 殊 运 动 形 式 ， 是 由 于 载 流 子 的 浓 度 差 而 引 起 的 ， 扩 散 运 动 总 是 从 浓 度 高 的 区 域 向 浓 度 小 的 区 域 进 行 ，
• 掺入的杂质可以分为施主杂质和受主杂质。 • 施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主
离子，同时向导带提供电子，使半导体成为电 子导电的n型半导体。 • 受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主 离子，同时向价带提供空穴，使半导体成为空 穴导电的p型半导体。
光电检测技术第二章光电检测技术 基础
N型半导体
可在金属中自由运动，导电性好，电阻率10-6—10-3Ω·cm。
光电检测技术第二章光电检测技术 基础
本征半导体
• 本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体。 • 在绝对零度时，价带中的全部量子态都被电子
占据，而导带中的量子态全部空着。
导带全空
价带全满
第二章_光电导器件讲解
§2.2 光敏电阻的基本特性
一、光敏电阻的光电特性
I p g pU CEe U US E , g e , 1 此时,光电流为 当照度范围为 小于10-1 lx 时，
思考： 亮电阻， 暗电阻 大好还 是小好？
I p USg Ee, g pU
若考虑暗电导产生的电流，则流过光敏电阻的电流为
当用一个理想方波脉冲辐射照射光敏电阻时，光生电子要有产
生的过程，光生电导率Δσ要经过一定的时间才能达到稳定。当 停止辐射时，复合光生载流子也需要时间，表现出光敏电阻具 有较大的惯性。 光敏电阻的惯性与入射辐射信号的强弱有关，下面分别讨 论。
(1). 弱辐射作用情况下的时间响应பைடு நூலகம்
0 0
§2.1 光敏电阻的原理与结构
（3）InSb光敏电阻 InSb光敏电阻是3~5μm光谱范围内的主要探测器件之一。 InSb光敏电阻在室温下的长波长可达7.5μm，峰值波长在 6μm附近，比探测率D*约为1×1011cm· Hz· W-1。当温度降低到77K （液氮）时，其长波长由7.5μm缩短到5.5μm，峰值波长也将移 至5μm，恰为大气的窗口范围，峰值比探测率D*升高到 2×1011cm· Hz· W-1。
t=0
t≥0
t=0 t≥0
27
0 0
光敏电阻电导率的变化规律为
0 tan h t
t
其光电流的变化规律为
I I 0 tanh
停止辐射时光电导率和光 电流的变化规律可表示为
1 0 1 t /
1 I I0 1 t /
28
§2.2 光敏电阻的基本特性
i
2 ngr
3、低频噪声（电流噪声） 总噪声