《光辐射探测器》PPT课件.ppt
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1、第三章第三章光光辐射探射探测器器3.13.1光光辐射探射探测器的理器的理论基基础 光光热效效应光光电效效应3.23.2光光热探探测器器3.33.3光光电探探测器器光光电导器件器件结型光型光电器件器件光光电发射器件射器件引言一一.概念概念光辐射探测技术光辐射探测技术光辐射探测技术光辐射探测技术:把被调制的光信号转换成电信:把被调制的光信号转换成电信号并将信息提取出来的技术号并将信息提取出来的技术光探测过程可以形象地称为光频解调。光探测过程可以形象地称为光频解调。光电探测器光电探测器光电探测器光电探测器:对对各种光各种光各种光各种光辐辐射射射射进进行接收和探行接收和探行接收和探行接收和探测测的器的
2、器的器的器件件件件光光电探探测器器光光辐射量射量电量量热 探探 测 器器光子探光子探测器器光电倍增管光电倍增管二二.历史历史:1873年:Smith,May:发现光电效应 Simens:光电池1909年:Richtmeyer:奠定光电管的基础1933年:Zworkyn:发明光电摄像管1950年:Weimer:制出光导摄像管1970年:Boyle:发明CCD探探测器件器件热电探探测元件元件光子探光子探测元件元件气体光气体光电探探测元件元件三、分三、分类外光外光电效效应内光内光电效效应非放大型非放大型放放 大大 型型光光电导探探测器器光磁光磁电探探测器器光生伏特探光生伏特探测器器真空光真空光电管管
3、充气光充气光电管管光光电倍增管倍增管像增像增强器器摄像管像管变像管像管本征型本征型光敏光敏电阻阻掺杂型型红外探外探测器器非放大非放大放大型放大型光光电池池光光电二极管二极管光光电三极管三极管光光电场效效应管管雪崩型光雪崩型光电二极管二极管3.13.1光光辐射探射探测器的器的理理论基基础光光辐射探射探测器的物理效器的物理效应主要是主要是光光热效效应和和光光电效效应。3.1.13.1.1光光热效效应当光照射到理想的黑色吸收体上当光照射到理想的黑色吸收体上时,黑体将黑体将对所有波所有波长的光能量全部吸收,的光能量全部吸收,并并转换为热能,称能,称为光光热效效应。热能增大,能增大,导致吸收体的物理、机
4、械性能致吸收体的物理、机械性能变化,如:化,如:温度、体温度、体积、电阻、阻、热电动势等等,通通过测量量这些些变化可确定光能量或光功率的化可确定光能量或光功率的大小,大小,这类器件器件统称称为光光热探探测器。器。光光热探探测器器对光光辐射的响射的响应有两个有两个过程:程:器件吸收光能量使自身温度器件吸收光能量使自身温度发生生变化化 把温度把温度变化化转换为相相应的的电信号信号 共性共性个性个性光光热探探测器的最大特点是:器的最大特点是:1 1、从紫外到、从紫外到40m40m以上以上宽波段范波段范围,其响,其响应灵敏度灵敏度与光波波与光波波长无关,无关,原原则上上是是对光波光波长无无选择性探性探
5、测器。器。2 2、受受热时间常数的制常数的制约,响,响应速度速度较慢慢。应用:应用:在在红外波段上,材红外波段上,材料吸收率高,光料吸收率高,光热效应也就更强热效应也就更强烈,所以广泛用烈,所以广泛用于对红外线辐射于对红外线辐射的探测。的探测。探探测器遵从的器遵从的热平衡方程:平衡方程:设入射光的表达式入射光的表达式为:代入代入热平衡方程,平衡方程,得到:得到:解得:解得:器件的平均温升器件的平均温升 器件随器件随频率率的交的交变温升温升 式中,式中,是器件的是器件的热时间常数。常数。表明器件温升滞后于表明器件温升滞后于辐射功率的射功率的变化。化。因此,因此,光光热探探测器常用于低器常用于低频
6、调制制辐照照场合。合。设计时应尽力降低器件的尽力降低器件的热时间常数,常数,主要是减少器件的主要是减少器件的热容量。容量。3.1.23.1.2光光电效效应光光电效效应是物是物质在光的作用下在光的作用下释放出放出电子的物理子的物理现象。象。分分为:光光电导效效应光伏效光伏效应光光电发射效射效应 3.1.2.13.1.2.1半半导体中的体中的载流子流子载流子流子:能参与能参与导电的自由的自由电子和自由空穴。子和自由空穴。载流子流子浓度度:单位体位体积内的内的载流子数流子数。I:I:N:N:P:P:室温下室温下(施主(施主浓度)度)全全电离离时(受主(受主浓度)度)一、一、热平衡状平衡状态下的下的载
7、流子流子浓度度由()式,由()式,可得出:可得出:上式表明:上式表明:禁禁带愈小,温度升高,愈小,温度升高,npnp就愈大,就愈大,导电性愈好。性愈好。在本征半在本征半导体中,体中,平衡平衡态判据判据 则有有可得出,少子可得出,少子浓度:度:二、非平衡状二、非平衡状态下的下的载流子流子 半半导体受光照、外体受光照、外电场作用,作用,载流子流子浓度度就要就要发生生变化,化,这时半半导体体处于非平衡于非平衡态。载流子流子浓度度对于于热平衡平衡时浓度的增量,度的增量,称称为非平衡非平衡载流子。流子。半半导体材料吸收光子能量而体材料吸收光子能量而转换成成电能是能是光光电器件工作的基器件工作的基础。1.
8、1.半半导体体对光的吸收光的吸收l本征吸收本征吸收 或或为长波限。波限。l杂质吸收吸收 电离能离能 半半导体体对光的吸收主要是本征吸收光的吸收主要是本征吸收 2.2.光生光生载流子流子半半导体受光照射而体受光照射而产生的非平衡生的非平衡载流子。流子。约为10101010cmcm-3-3;多子多子浓度度约为 少子少子浓度度约为 而而热平衡平衡时,可可见,一切半一切半导体光体光电器件器件对光的响光的响应都是少子的行都是少子的行为。载流子的复合:流子的复合:电子子-空穴空穴对消失。只要有消失。只要有自由的自由的电子和空穴,复合子和空穴,复合过程就存在。程就存在。直接复合直接复合间接复合接复合 光生光
9、生载流子的寿命流子的寿命 光生光生载流子的平均生存流子的平均生存时间复合率:复合率:单位位时间内内载流子流子浓度减少量:度减少量:三、三、载流子的流子的扩散与漂移散与漂移1.1.扩散散载流子因流子因浓度不均匀而度不均匀而发生的定向运生的定向运动。2.2.漂移漂移载流子受流子受电场作用所作用所发生的运生的运动。欧姆定律的微分形式欧姆定律的微分形式 对于于电子子电流流 同理,同理,对于空穴于空穴电流有流有漂移漂移电流密度矢量流密度矢量 3.1.2.23.1.2.2光光电导效效应半半导体材料受光照体材料受光照,吸收光子引起吸收光子引起载流流子子浓度增大,从而材料的度增大,从而材料的电导率增大。率增大
10、。一、稳态光光电导与光与光电流流暗暗态下下 亮亮态下下 光光电导 光光电流流 定定义光光电导增益增益 电子在两极子在两极间的渡越的渡越时间 如果定如果定义 则有有以上分析,以上分析,对光敏光敏电阻的阻的设计和和选用用很有指很有指导意意义。二、响二、响应时间光光电导张驰过程程 非平衡非平衡载流子的流子的产生与复合都不生与复合都不是立即完成的,是立即完成的,需要一定的需要一定的时间。1.半半导体材料受体材料受阶跃光照:光照:受光受光时t=0t=0时,停光停光时t=0t=0时,(光照下的(光照下的稳态值)光光电导张驰过程的程的时间常数就是常数就是载流子的寿命流子的寿命2.2.半半导体材料受正弦型光照
11、体材料受正弦型光照(即正弦(即正弦调制光)制光):可得出可得出当当 上限截止上限截止频率率带宽光光电导增益与增益与带宽之之积为一常数:一常数:这一一结论有一定的普遍性:有一定的普遍性:它表示材料的光它表示材料的光电灵敏度灵敏度与与频率率带宽是相互制是相互制约的。的。3.1.2.33.1.2.3光伏效光伏效应光照射到半光照射到半导体体PNPN结上,光子在上,光子在结区激区激发出出电子子-空穴空穴对。P P区、区、N N区两端区两端产生生电位差位差光光电动势 一、一、热平衡状平衡状态下的下的PNPN结由第一章已知,在由第一章已知,在热平衡状平衡状态下,由于下,由于自建自建场的作用,的作用,PNPN
12、结能能带发生弯曲。生弯曲。由式()、()可得出由式()、()可得出 在室温下,在室温下,得出得出在一定温度下,在一定温度下,PNPN结两两边的的掺杂浓度愈高,度愈高,材料的禁材料的禁带愈愈宽,U UD D愈大。愈大。以上两式表明:以上两式表明:PNPN结两两边少数少数载流子流子与多数与多数载流子之流子之间的关系。的关系。热平衡状平衡状态下,下,PNPN结中漂移运中漂移运动等于等于扩散运散运动,净电流流为零。零。当在当在PNPN结两端外加两端外加电压U U,使,使势垒高度由高度由qUqUD D变为q(Uq(UD DU)U),引起多数引起多数载流子流子扩散散时,少数,少数载流子流子产生增量生增量n
13、 np p、p pn n,有关系式:有关系式:扩散散电流流密度密度 则流流过PNPN结的的电流密度流密度为PNPN结电流方程流方程为PNPN结导电特性:特性:正向偏置,正向偏置,电流随着流随着电压的增加急的增加急剧上升。上升。反向偏置,反向偏置,电流流为反向反向饱和和电流流。热平衡状平衡状态,I=0I=0二、光照下的二、光照下的PNPN结产生生电子子-空穴空穴对。在自建在自建电场作用下,作用下,光光电流流I I的方向与的方向与I I0 0相同。相同。光照下光照下PNPN结的的电流方程流方程为短路短路(R(RL L0)0)情况情况,U=0,U=0 短路短路电流流为光照下光照下PNPN结的两个重要
14、参量的两个重要参量:开路开路(R(RL L)情况情况,I=0I=0开开路路电压为3.1.2.43.1.2.4光光电发射效射效应光照到某些金属或半光照到某些金属或半导体材料上,体材料上,若若入射的光子能量足入射的光子能量足够大,致使大,致使电子从子从材料中逸出,材料中逸出,称称为光光电发射效射效应,又,又称称外光外光电效效应。爱因斯坦定律因斯坦定律 当当hhW,对应的光波的光波长为阈值波波长或或长波限。波限。金属材料的金属材料的电子逸出功子逸出功 W 从从费米能米能级至真空能至真空能级的能量差。的能量差。半半导体材料的体材料的电子逸出功子逸出功 良好的光良好的光电发射体,射体,应该具具备的基本条
15、件:的基本条件:光吸收系数大;光吸收系数大;光光电子逸出深度大子逸出深度大;表面表面势垒低低。金属光金属光电发射的量子效率都很低射的量子效率都很低,且大多数金属且大多数金属的光的光谱响响应都在紫外或都在紫外或远紫外区。紫外区。半半导体光体光电发射的量子效率射的量子效率远高于金属:高于金属:光光电发射的射的过程是体程是体积效效应,表面能,表面能带弯曲降低了弯曲降低了电子子逸出功,逸出功,特特别是是负电子子亲和和势材料材料(NEA)(NEA)。P P型型SiSi的光的光电子需克服的有效子需克服的有效亲和和势为由于能由于能级弯曲,使弯曲,使这样就形成了就形成了负电子子亲和和势。正正电子子亲和和势材料
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