光电子技术:第四章-光探测(上)课件.ppt
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1、第四章第四章 光探测光探测本章内容:本章内容:4-14-1 光光电电探测器的物理效应;探测器的物理效应;4-24-2 光电探测器的性能参数光电探测器的性能参数;4-34-3 光电探测器的光电探测器的噪噪声;声;4-4 4-4 常用光电探测器简介常用光电探测器简介 一一、外光电效应探测器外光电效应探测器(光电管、光电倍增管光电管、光电倍增管)二二、内光电效应探测器(光电导、光电池、光电二极管)内光电效应探测器(光电导、光电池、光电二极管)本章要求:本章要求:1 1 了解光电探测器的物理效应和性能参数;了解光电探测器的物理效应和性能参数;2 2 掌掌握握常常用用光光电电探探测测器器(光光电电倍倍增
2、增管管、光光电电导导、光光电电池、光电二极管)的原理与性能特点。池、光电二极管)的原理与性能特点。n光探测器:光探测器:凡是能把凡是能把光辐射量光辐射量转换成另一转换成另一类类便于测量的物理量便于测量的物理量的器件。的器件。n光电探测器:光电探测器:凡是把凡是把光辐射量光辐射量转换为转换为电量电量(电流与电压)的光探测器,(电流与电压)的光探测器,其其物理效应物理效应包括光子效应和光热效应。包括光子效应和光热效应。4-1 光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应 一、光子效应和光热效应一、光子效应和光热效应1.1.光子效应光子效应光电效应光电效应指单个光子的性质指单个光子的性质(能量、频率能量
3、、频率)对产生的光电子起对产生的光电子起直接作用的一类效应直接作用的一类效应。特点:光子效应对光波频率表现出选择性,存在特点:光子效应对光波频率表现出选择性,存在“红限红限”,但响应速度一般比较快。,但响应速度一般比较快。4-1 光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应 探测器吸收光子后,直接引起原子或分子内部电探测器吸收光子后,直接引起原子或分子内部电子状态的改变,光子能量的大小直接影响内部电子状态的改变,光子能量的大小直接影响内部电子状态的改变。子状态的改变。.光热效应光热效应指探测元件吸收光辐射能量后,并不直接引起内部指探测元件吸收光辐射能量后,并不直接引起内部电子状态的改变,而是把吸收
4、的光能变为晶格的热电子状态的改变,而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量,引起探测元件温度上升,温度上升的结运动能量,引起探测元件温度上升,温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。化。特点:原则上对光波频率没有选择性,响应速度一般特点:原则上对光波频率没有选择性,响应速度一般比较慢。比较慢。(在红外波段上,材料吸收率高,光热效应也就更强(在红外波段上,材料吸收率高,光热效应也就更强烈,所以广泛用于对红外辐射的探测。)烈,所以广泛用于对红外辐射的探测。)4-1 光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应 光热效应光热效应与单个光子的性质
5、与单个光子的性质(能量能量)没有直接关系没有直接关系。4-1 光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应 二、光电发射效应二、光电发射效应外光电效应外光电效应(器件:光电管、光电倍增管)(器件:光电管、光电倍增管)指光照下指光照下,物体向表面以外的空间发射电子(即光电物体向表面以外的空间发射电子(即光电子)的现象。子)的现象。能产生光电发射效应的物体能产生光电发射效应的物体-光电光电发射体(光阴极)发射体(光阴极)爱因斯坦方程:爱因斯坦方程:“红限红限”(截止波长截止波长)为光电子的动能,为光电子的动能,为光电发射体的功函数。为光电发射体的功函数。外光电效应条件外光电效应条件:4-1 光电探测器
6、的物理效应光电探测器的物理效应 三、光电导效应三、光电导效应内光电效应之一内光电效应之一(器件:光电导管),(器件:光电导管),(光敏电阻)(光敏电阻)0K0K时,本征半导体的载时,本征半导体的载流子浓度为零流子浓度为零 ;0K0K以上时,本征半导体以上时,本征半导体的载流子浓度的载流子浓度np=n=ni i2 2 0 0光电导现象光电导现象一块半导体材料的体效应一块半导体材料的体效应+u4-1 光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应 外电场作用下,载流子外电场作用下,载流子的漂移效果的漂移效果:迁移率、电迁移率、电导率、电导。导率、电导。迁移率迁移率漂移速度与漂移速度与电场之比:电场之比:
7、电导率:电导率:电导:电导:+u4-1 光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应 光照射光照射外加电压的半导体,光子将在其中激发外加电压的半导体,光子将在其中激发出新的载流子出新的载流子(电子和空穴电子和空穴)光生载流子光生载流子,使半使半导体中的载流子浓度增加了一个量导体中的载流子浓度增加了一个量 n n和和 p p。半导体半导体的电导将增加一个量的电导将增加一个量 G G光电导光电导。条件:条件:外来光子能量大于能隙。外来光子能量大于能隙。+u4-1 光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应 四、光伏效应四、光伏效应内光电效应之二内光电效应之二(器件:光电池,(器件:光电池,光电二极管)光
8、电二极管)无光照时无光照时pnpn结的伏安特性:结的伏安特性:Is0为为无光照无光照时时二极管的反向二极管的反向饱饱和和电电流。流。光伏现象光伏现象两块半导体材料之间的两块半导体材料之间的“结结”效效应应ipnupnis04-1 光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应 光照射光照射p p区时区时,产生光生载,产生光生载流子流子.多数载流子(空穴)多数载流子(空穴)都被势垒阻挡而不能穿过都被势垒阻挡而不能穿过结区,少数载流子结区,少数载流子(电子电子)穿过穿过p p区,被拉向区,被拉向n n区,区,在阻挡层两侧形成附加电在阻挡层两侧形成附加电荷堆积,产生与内建电场荷堆积,产生与内建电场反向的反
9、向的光生电场光生电场E(从从P P向向N N)。)。短接外电路短接外电路,光生电流光生电流i i=io从从P极流出极流出,在内部光生电流在内部光生电流方向从方向从N N向向P P。这时这时PN结相当于一个电池。结相当于一个电池。入射光波长入射光波长(Ei为为PN结的势垒高度)结的势垒高度)ipnupni E 4-1 光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应 光照零偏光照零偏pn结产生开路电压结产生开路电压u0=uPN光电池光电池(连接两极,有短路电流:(连接两极,有短路电流:)光照反偏光照反偏pn结产生大于结产生大于Iso的反向光电流的反向光电流i光电二极管光电二极管有光照有光照时时pn 结结
10、的伏安特性:的伏安特性:ipnupni 4-1 光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应 五、光电转换定律五、光电转换定律光光辐辐射量射量转换为转换为光光电电流量的流量的过过程程光光电转换电转换。光功率光功率光电流光电流探测器的探测器的光电转换因子光电转换因子探测器的探测器的量子效率量子效率(激发的光电子数与吸收光子数之比激发的光电子数与吸收光子数之比)4-1 光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应 探测器的光电转换因子探测器的光电转换因子光电转换定律:光电转换定律:表明:表明:(1)(1)光电探测器对入射功率的响应量是光电流。因光电探测器对入射功率的响应量是光电流。因此此,一个光子探测器可
11、视为一个电流源一个光子探测器可视为一个电流源。(2)(2)因为光功率因为光功率P P正比于光电场的平方正比于光电场的平方,故常常把光电故常常把光电探测器称为探测器称为平方律探测器平方律探测器(非线性器件非线性器件)。4-1 光电探测器的物理效应光电探测器的物理效应 一套科学反映探测器性能的共同指标,用于评价一套科学反映探测器性能的共同指标,用于评价探测的优劣探测的优劣,比较不同探测器之间的差异比较不同探测器之间的差异,从而根据不从而根据不同的需要选择和正确使用光电探测器同的需要选择和正确使用光电探测器.一、积分灵敏度(响应度)一、积分灵敏度(响应度)R R光电流光电流i i(或光电压(或光电压
12、u u)和入射光功率)和入射光功率P P之间的关系之间的关系i=i(P)i=i(P)称为探测器的称为探测器的光电特性光电特性。灵敏度。灵敏度R R定义为光电定义为光电特性曲线的斜率:特性曲线的斜率:电流灵敏度电流灵敏度电压灵敏度电压灵敏度4-2 光光电电探探测测器的性能参数器的性能参数 电流灵敏度电流灵敏度电压灵敏度电压灵敏度注:注:1.1.在线性区内,在线性区内,R R定义为探测器输出信号与入射光定义为探测器输出信号与入射光功率功率P P之比之比.联系联系(4-27),(4-27),2.2.入射光功率入射光功率P P是指分布在是指分布在某一光谱范围某一光谱范围的总功率,的总功率,所以所以R
13、R称为称为积分灵敏度积分灵敏度。电流灵敏度电流灵敏度Ri等于转换因子等于转换因子D,正比于量子效率正比于量子效率.(光电转换因子)(光电转换因子)可得可得:4-2 光光电电探探测测器的性能参数器的性能参数 二、光谱灵敏度二、光谱灵敏度R R 光电流光电流i i 与入射光波长之间的关系与入射光波长之间的关系i i=i(=i()称为称为探测器的探测器的光谱特性光谱特性。光谱灵敏度光谱灵敏度R R定义为定义为:波长为波长为的的单位入射光功率所产生的光电流:单位入射光功率所产生的光电流:相相对对光光谱谱灵敏度灵敏度:基于光电效应而工作的探测器,存在一个最低频基于光电效应而工作的探测器,存在一个最低频率
14、率 0 0,因而存在探测最大波长,因而存在探测最大波长 c c。光电探测器和入射光的光谱匹配非常重要。光电探测器和入射光的光谱匹配非常重要。cS()热探测器热探测器光电探测器光电探测器光谱响应曲线光谱响应曲线4-2 光光电电探探测测器的性能参数器的性能参数 三、频率灵敏度三、频率灵敏度R Rf f(响应时间(响应时间 和响应频率和响应频率f fc c)若入射光是强度调制的,在入射光波长不变时,光若入射光是强度调制的,在入射光波长不变时,光电流将随调制频率电流将随调制频率f f的升高而下降,的升高而下降,频率灵敏度频率灵敏度R Rf f是光探是光探测器对加在光载波上的调制信号的响应能力的反映。测
15、器对加在光载波上的调制信号的响应能力的反映。4-2 光光电电探探测测器的性能参数器的性能参数 频率灵敏度频率灵敏度R Rf f定义为调制频率定义为调制频率f f下单位入射光功率所产下单位入射光功率所产生的光电流:生的光电流:为探测器的为探测器的响应时间响应时间或或时间常数,由材料、结构和时间常数,由材料、结构和外电路决定。外电路决定。4-2 光光电电探探测测器的性能参数器的性能参数 当当R Rf f下降到下降到 0.707R0 时的频率时的频率称为探测器的称为探测器的截止响应频率截止响应频率,与探测器响应速度有关与探测器响应速度有关.4-2 光光电电探探测测器的性能参数器的性能参数 小小结结:
16、探探测测器器输输出出的的光光电电流流可可表表示示为为探探测测器器的的电电压压u、光光 功功 率率 P、光光 波波 长长 、光光 强强 调调 制制 频频 率率 f的的 函函 数数:,则:,则:伏安特性伏安特性曲线;斜率为电导曲线;斜率为电导G 光光电电特特性性曲曲线线(光光照照特特性性);斜斜率率为为 积分灵敏度积分灵敏度Ri 光光谱谱特特性性曲曲线线;光光谱谱灵灵敏敏度度R=i/P,(R-曲线为光谱响应曲线)曲线为光谱响应曲线)频频率率特特性性曲曲线线;频频率率灵灵敏敏度度Rf=if/P,(Rf-f 曲线为频率响应曲线)曲线为频率响应曲线)4-2 光光电电探探测测器的性能参数器的性能参数 四、
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