《光辐射探测器》课件.ppt
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1、第九章第九章 光辐射探测器光辐射探测器Radiation Detector1、基本原理、基本原理(a)光热效应光热效应(b)光电效应光电效应(光电导、光伏、光电发射)光电导、光伏、光电发射)(c)探测器噪声探测器噪声(热、散粒、产生热、散粒、产生/复合、低频、温度)复合、低频、温度)(d)性能参数性能参数2、光热探测器、光热探测器(热敏电阻、热释探测器)热敏电阻、热释探测器)3、光电探测器、光电探测器(a)光电导器件光电导器件(b)PN结型光电器结型光电器 光电池、光电二级管、光电三级管、光电场效应管光电池、光电二级管、光电三级管、光电场效应管4、光电发射器件(光电管、光电倍增管)、光电发射器
2、件(光电管、光电倍增管)光热效应光热效应Photothermal Effect光辐射光辐射光敏材料吸收光敏材料吸收转变为热能,转变为热能,温度变化温度变化 T材料物理材料物理性质变化性质变化电信号电信号光热效应的一般机理:光热效应的一般机理:辐射吸收系数,辐射吸收系数,辐射通量,辐射通量,T温度变化,温度变化,Ct材料热容量,材料热容量,Gt器件与环境的热导率器件与环境的热导率被调制的辐射通量:被调制的辐射通量:时间无关项:时间无关项:时间相关项:时间相关项:低频:低频:t=Ct/Gt高频:高频:光热效应光热效应Photothermal Effect光热效应器件的特点:光热效应器件的特点:1、
3、响应时间较慢、响应时间较慢2、响应的波长范围宽、响应的波长范围宽(紫外到紫外到40um)3、响应灵敏度与波长依赖性弱、响应灵敏度与波长依赖性弱主要器件:主要器件:测辐热电偶、测辐热电偶、测幅热敏电阻、测幅热敏电阻、高莱管、高莱管、热释电探测器热释电探测器光电效应光电效应Photoelectric Effect光电效应:光波与物质相互作用,产生或释放出电子,从而产生光电效应:光波与物质相互作用,产生或释放出电子,从而产生 电压或电流的物理现象电压或电流的物理现象光电效应主要有以下三类:光电效应主要有以下三类:1、光电导效应、光电导效应 光敏电阻光敏电阻2、光伏效应(、光伏效应(PN结光电效应)结
4、光电效应)光电池、光电二三极管、光电场效应管光电池、光电二三极管、光电场效应管3、光电发射效应、光电发射效应 光电管、光电倍增管光电管、光电倍增管光电效应特点:光电效应特点:1、响应较快(、响应较快(ps s量级)量级)2、半导体光电器件体积较小、半导体光电器件体积较小3、量子效率较高、量子效率较高半导体基本概念能带半导体基本概念能带Basic Concept of SemiconductorEnergy Band能带的形成能带的形成固体的导电性固体的导电性半导体基本概念能带半导体基本概念能带Basic Concept of SemiconductorEnergy Band半导体的能带特征:半
5、导体的能带特征:1、所有电子刚好填满价带,绝对零度不能导电、所有电子刚好填满价带,绝对零度不能导电2、导带绝对零度为空带,即无电子占据,可以导电、导带绝对零度为空带,即无电子占据,可以导电3、禁带、禁带Eg较小,常温下有一定导电能力较小,常温下有一定导电能力光子与半导体相互作用光子与半导体相互作用Interaction Between Photon and Semiconductor导带激发出电子导带激发出电子价带激发出空穴价带激发出空穴半导体载流子半导体载流子常温下半导体的统计特性常温下半导体的统计特性Semiconductor Statistics at normal temperatur
6、e态密度态密度g(E):单位能量单位体积内在单位能量单位体积内在能带中的电子状态数能带中的电子状态数(特征波函数的特征波函数的个数个数),在导带低和价带顶,在导带低和价带顶g(E)(E-Ec)1/2 和和 (Ev-E)1/2热平衡时,电子满足费米分布,热平衡时,电子满足费米分布,即在某一能态找到电子的几率。即在某一能态找到电子的几率。导带的电子浓度导带的电子浓度:价带的空穴浓度价带的空穴浓度:根据导带电子浓度计算公式,可得根据导带电子浓度计算公式,可得常温下半导体的统计特性常温下半导体的统计特性Semiconductor Statistics at normal temperature当当E-
7、EckBT时,在非简并的半导体中,费米分布近似为时,在非简并的半导体中,费米分布近似为同时也可以得,价带空穴浓度,同时也可以得,价带空穴浓度,这里,这里,NC、NV称分别为导带和价带的有效能态密度称分别为导带和价带的有效能态密度物质作用定律:物质作用定律:ni为本征浓度为本征浓度结论:在热平衡时,结论:在热平衡时,“空穴空穴”和电子浓度乘积与半导体类型、电子空穴浓度无关和电子浓度乘积与半导体类型、电子空穴浓度无关N型半导体型半导体N-type Semicondutor 砷有五个价电子,形成共价键后,多出一个自由电子,受砷离子作砷有五个价电子,形成共价键后,多出一个自由电子,受砷离子作用,形成类
8、氢原子结构。利用氢原子模型可以算得,这电子须获得用,形成类氢原子结构。利用氢原子模型可以算得,这电子须获得的能量才能到达导带形成载流子。这种五价的原子承担提供电子的的能量才能到达导带形成载流子。这种五价的原子承担提供电子的作用,称为施主杂质(作用,称为施主杂质(Donor Impurity),kBT电导率:电导率:en e ep h Nde eP型半导体型半导体P-type Semicondutor硼硼B有三个价电子,形成共价键后,周围的硅原子缺一电子形成共价键,有三个价电子,形成共价键后,周围的硅原子缺一电子形成共价键,形成一形成一“空穴空穴”。当外面电子过来填补这一空缺后,硼原子变成负离子
9、,。当外面电子过来填补这一空缺后,硼原子变成负离子,“空穴空穴”将远离硼离子,但更外面的电子更难靠近硼离子,因此等效于将远离硼离子,但更外面的电子更难靠近硼离子,因此等效于“空穴空穴”收到硼离子的吸引力。同样形成类氢原子结构。利用氢原子模型可收到硼离子的吸引力。同样形成类氢原子结构。利用氢原子模型可以算得,这空穴须获得的能量才能到达价带形成载流子。这种三价原子承以算得,这空穴须获得的能量才能到达价带形成载流子。这种三价原子承担接受电子的作用,称为受主杂质担接受电子的作用,称为受主杂质(Acceptor Impurity)kBT电导率:电导率:en e ep h Nae hP型和型和N型半导体型
10、半导体P-and N-type Semicondutor所有情况满足物质作用定律:所有情况满足物质作用定律:本征半导体:本征半导体:npniP型半导体:型半导体:pn=ni2/p “空穴空穴”为多数载流子,为多数载流子,Majority Carrier,电子为少数载流子,电子为少数载流子,Minority Carrier;p Nan型半导体:型半导体:np=ni2/n 电子为多数载流子,电子为多数载流子,Majority Carrier,电子为少数载流子,电子为少数载流子,Minority Carrier;n Nd半导体的半导体的PN结结PN Junction of Semicondutor浓
11、度差产生浓度差产生扩散电流扩散电流内建电场内建电场E0,漂移电流漂移电流平衡平衡耗尽层耗尽层高阻抗高阻抗半导体的半导体的PN结结PN Junction of Semicondutor由电荷守恒:由电荷守恒:高斯定理:高斯定理:电场与电压关系:电场与电压关系:可得内建电场可得内建电场E0和电压和电压V0,分别为,分别为利用玻尔兹曼分布和质量作用定律,利用玻尔兹曼分布和质量作用定律,可得可得半导体的半导体的PN结结PN Junction of Semicondutorpn结能带图结能带图半导体的半导体的PN结正向偏压结正向偏压Forward Bias正向偏压正向偏压漂移电场减少漂移电场减少扩散运动
12、扩散运动复合过程复合过程形成电流形成电流扩散方程和复合方程:扩散方程和复合方程:I0为常数,为常数,为为pn结的真实修正因子结的真实修正因子可得正向偏压电流可得正向偏压电流半导体的半导体的PN结反向偏压结反向偏压Reverse Bias反向偏压反向偏压漂移电场增加漂移电场增加漂移电流漂移电流热激发过程热激发过程形成电流形成电流扩散漂移方程和热激发方程:扩散漂移方程和热激发方程:I0为常数,反向电流与反向电压几乎没有关为常数,反向电流与反向电压几乎没有关系。通常在系。通常在pAnA量级量级常温下扩散漂移为主,可得反向偏压电流常温下扩散漂移为主,可得反向偏压电流半导体的半导体的PN结反向偏压结反向
13、偏压Reverse Bias光电导效应光电导效应Photoconductivity 光照射半导体材料,激发出载流子,改变材料的电导率,称为光电导效应光照射半导体材料,激发出载流子,改变材料的电导率,称为光电导效应亮电导和暗电导之差为亮电导和暗电导之差为光电导光电导;亮电流和暗电流之差为;亮电流和暗电流之差为光电流光电流光照的电导率改变量:光照的电导率改变量:光电流:光电流:光激发电子和空穴浓度:光激发电子和空穴浓度:光电导增益光电导增益M:渡越电极时间:渡越电极时间:t=L/v=L2/U,=e,h增益增益M简化为:简化为:M=/t 结论:光生载流子寿命越长,渡越时间越短,光电导增益越大结论:光
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