《光电技术》课件.ppt

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1、 把光辐射量转换成另一种便于测量的物把光辐射量转换成另一种便于测量的物理量如电量理量如电量(因方便、准确因方便、准确)，这样的器这样的器件叫光辐射探测器，又叫光电探测器。件叫光辐射探测器，又叫光电探测器。光辐射探测器的物理效应光辐射探测器的物理效应主要是：主要是：光热效应和光子效应。光热效应和光子效应。第二章第二章 光辐射的探测光辐射的探测 指单个光子的性质对产生的光电子起指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。探测器吸收直接作用的一类光电效应。探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光子能量的大小，直接子状态的改变。光子能量

2、的大小，直接影响内部电子状态的改变。影响内部电子状态的改变。特点特点光子效应对光波频率表现出选光子效应对光波频率表现出选择性，响应速度一般比较快。择性，响应速度一般比较快。光子效应：光子效应：探探测测元元件件吸吸收收光光辐辐射射能能量量后后，并并不不直直接接引引起起内内部部电电子子状状态态的的改改变变，而而是是把把吸吸收收的的光光能能变变为为晶晶格格的的热热运运动动能能量量，引引起起探探测测元元件件温温度度上上升升,温温升升的的结结果果又又使使探探测测元元件的电学性质或其他物理性质发生变化。件的电学性质或其他物理性质发生变化。特特点点原原则则上上对对光光波波频频率率没没有有选选择择性性，响应速

3、度一般比较慢。响应速度一般比较慢。光热效应：光热效应：在在红红外外波波段段上上，材材料料吸吸收收率率高高，光光热热效效应应就就更强烈，故广泛用于对红外线辐射的探测。更强烈，故广泛用于对红外线辐射的探测。麻雀精神麻雀精神.ppt勤学勤学.辍学辍学.ppt光电效应是物质吸收光子（光电效应是物质吸收光子（h）的能量，）的能量，直接引起原子或分子的内部电子状态的直接引起原子或分子的内部电子状态的改变改变。2.1 光子效应光子效应由于物质的结构和性能不同，以及光由于物质的结构和性能不同，以及光和物质的作用条件不同，和物质的作用条件不同，光电效应分光电效应分为内光电效应和外光电效应。为内光电效应和外光电效

4、应。内光电效应如光电导效应、光伏效应；内光电效应如光电导效应、光伏效应；外光电效应例如光电发射效应。外光电效应例如光电发射效应。现代许多光电器件都是由半导体材料现代许多光电器件都是由半导体材料制作的，掌握一些半导体的基本知识，制作的，掌握一些半导体的基本知识，对于正确理解光电器件的原理、特征对于正确理解光电器件的原理、特征及其正确选用是十分重要的。及其正确选用是十分重要的。在第一章中，已经介绍了半导体材料在第一章中，已经介绍了半导体材料及其能带理论，下面首先介绍半导体及其能带理论，下面首先介绍半导体中载流子的相关知识。中载流子的相关知识。一、一、半导体中的载流子半导体中的载流子半半导导体体中中

5、，能能参参与与导导电电的的自自由由电电子子和和自自由由空空穴穴统统称称为为载载流流子子。单单位位体体积积内内的的载载流子数称为载流子浓度。流子数称为载流子浓度。在在本本征征半半导导体体中中，自自由由电电子子浓浓度度 ni 等等于于自自由由空空穴穴浓浓度度pi。本本征征半半导导体体的的导导电电性性能能与与载载流流子子浓浓度度 ni 密密切切相相关关，ni 大大，导导电电性性就就高高。ni 随随温温度度的的升升高高而而增增加加，随随禁禁带带宽宽度度的的增增加加而而减减小小。载载流流子子增增多多，导电性增强。导电性增强。在在N型型半半导导体体中中，电电子子浓浓度度nn远远大大于于空空穴穴浓浓度度pn

6、。即即电电子子是是多多数数载载流流子子（简简称称多多子子），空空穴穴是是少少数数载载流流子子（简称少子）。室温下可以认为：（简称少子）。室温下可以认为：（施主浓度）。（施主浓度）。在在P型型半半导导体体中中，电电子子浓浓度度np远远小小于于空空穴穴浓浓度度pp，即即空空穴穴为为多多子子，电电子子为为少少子。全电离时，子。全电离时，（受主浓度）。（受主浓度）。1、热平衡状态下的载流子浓度、热平衡状态下的载流子浓度热平衡条件下，根据费米公式可得出热平衡条件下，根据费米公式可得出导导带中的电子浓度带中的电子浓度和和价带中的空穴浓度价带中的空穴浓度公公式如下：式如下：式中，式中，Nc是导带有效能态密度

7、，是导带有效能态密度，Nv是价带有是价带有效能态密度。效能态密度。上两式说明自由电子浓度和自由空穴浓上两式说明自由电子浓度和自由空穴浓度都是温度的函数。在温度一定时与费度都是温度的函数。在温度一定时与费米能级位置呈指数关系。米能级位置呈指数关系。如果把上两式相乘，可得：如果把上两式相乘，可得：在本征半导体中，自由电子浓度等于自在本征半导体中，自由电子浓度等于自由空穴浓度，故：由空穴浓度，故：此为平衡此为平衡态判据。态判据。掺杂半导体中，多子浓度约为所掺杂质掺杂半导体中，多子浓度约为所掺杂质原子的浓度原子的浓度NA或或ND，故少子浓度为：，故少子浓度为：或或 2、非平衡状态下的载流子、非平衡状态

8、下的载流子在热平衡态下载流子浓度是恒定的，但在热平衡态下载流子浓度是恒定的，但若外界条件发生变化，如光照、外电场若外界条件发生变化，如光照、外电场作用等，载流子浓度就随之发生变化。作用等，载流子浓度就随之发生变化。（1）半导体对光的吸收）半导体对光的吸收 本征吸收本征吸收本征半导体吸收光子能量使价带中的电本征半导体吸收光子能量使价带中的电子激发到导带，这一过程称为本征吸收子激发到导带，这一过程称为本征吸收。此时载流子浓度比热平衡下浓度要大，此时载流子浓度比热平衡下浓度要大，增加的载流子称为光生载流子。增加的载流子称为光生载流子。产生产生本征吸收的条件本征吸收的条件是，是，入射光子的能入射光子的

9、能量至少要等于材料的禁带宽度量至少要等于材料的禁带宽度：或或 h普朗克常数；普朗克常数；c光速；光速；光波长。光波长。最小光子能量为：最小光子能量为：式中波长为式中波长为长波限。由下列公式计算：长波限。由下列公式计算：杂质吸收杂质吸收掺有杂质的半导体在光照下，中性施主掺有杂质的半导体在光照下，中性施主的束缚电子可以吸收光子而跃迁到导带，的束缚电子可以吸收光子而跃迁到导带，同样，中性受主的束缚空穴亦可以吸收同样，中性受主的束缚空穴亦可以吸收光子而跃迁到价带，这种吸收称为杂质光子而跃迁到价带，这种吸收称为杂质吸收。吸收。显然，引起杂质吸收的光子的最小能量显然，引起杂质吸收的光子的最小能量应等于杂质

10、的电离能。和本征吸收一样，应等于杂质的电离能。和本征吸收一样，杂质吸收也存在着波长阈值。不过一般杂质吸收也存在着波长阈值。不过一般杂质电离能都比禁带宽度小得多。杂质电离能都比禁带宽度小得多。杂质吸收的长波限杂质吸收的长波限为：为：式中，式中，Ed为施主电离能；为施主电离能；Ea为受主为受主电离能。电离能。其它吸收还有自由载流子吸收、激子吸其它吸收还有自由载流子吸收、激子吸收、晶格吸收等。这些吸收很大程度上收、晶格吸收等。这些吸收很大程度上是将能量转换成热能，增加热激发载流是将能量转换成热能，增加热激发载流子浓度。子浓度。（2）光致非平衡载流子）光致非平衡载流子半导体受光照，产生光生载流子。这时

11、，半导体受光照，产生光生载流子。这时，自由载流子浓度就比热平衡时的浓度要自由载流子浓度就比热平衡时的浓度要大，即打破了原来的平衡。若停止光照，大，即打破了原来的平衡。若停止光照，光生载流子就不再产生，载流子浓度因光生载流子就不再产生，载流子浓度因电子与空穴复合而逐渐减小，又恢复到电子与空穴复合而逐渐减小，又恢复到热平衡。热平衡。若无光照时载流子的浓度为若无光照时载流子的浓度为p和和n，加光，加光照后载流子浓度的增量为照后载流子浓度的增量为p 和和n，p=n。通常热平衡下多子浓度约为通常热平衡下多子浓度约为1015cm-3，少子浓度约为少子浓度约为104cm-3。光照时，。光照时，p、n约为约为

12、1010cm-3。可见，光照时多子浓度几乎不变，少可见，光照时多子浓度几乎不变，少子浓度却大大增强，故子浓度却大大增强，故一切半导体光电一切半导体光电器件对光的响应是少子的行为器件对光的响应是少子的行为。只要有自由电子和空穴，载流子复合只要有自由电子和空穴，载流子复合过程就存在。过程就存在。光生载流子光生载流子停留在自由状停留在自由状态的时间即态的时间即平均生存时间称为光生载流平均生存时间称为光生载流子的寿命子的寿命。它是一重要参量，表征复合。它是一重要参量，表征复合强弱和决定光电器件的时间特性。强弱和决定光电器件的时间特性。3、载流子的扩散与漂移、载流子的扩散与漂移（1）扩散）扩散载流子因浓

13、度不均匀而发生的定向运动载流子因浓度不均匀而发生的定向运动称为扩散。称为扩散。当材料的局部受到光照时，材料吸收光当材料的局部受到光照时，材料吸收光子产生光生载流子，在这局部位置的载子产生光生载流子，在这局部位置的载流子浓度就比平均浓度要高。这时电子流子浓度就比平均浓度要高。这时电子将从浓度高的点向浓度低的点运动，使将从浓度高的点向浓度低的点运动，使自己在晶体中重新达到均匀分布。自己在晶体中重新达到均匀分布。由于扩散作用，流过单位面积的电流称由于扩散作用，流过单位面积的电流称为扩散电流密度，它们正比于光生载流为扩散电流密度，它们正比于光生载流子在某一方向上的浓度梯度。即子在某一方向上的浓度梯度。

14、即:这里，这里，Dn、Dp分别是电子的扩散系数分别是电子的扩散系数和空穴的扩散系数；和空穴的扩散系数；q是载流子电量。是载流子电量。或或（2）漂移）漂移载流子在电场作用下所发生的运动称为载流子在电场作用下所发生的运动称为漂移。在电场中电子与电场反向漂移，漂移。在电场中电子与电场反向漂移，空穴则与电场同向漂移。空穴则与电场同向漂移。载流子在弱电场中的漂移运动服从欧姆载流子在弱电场中的漂移运动服从欧姆定律，在强电场中的漂移运动因有饱和定律，在强电场中的漂移运动因有饱和或雪崩等现象则不服从欧姆定律。这里或雪崩等现象则不服从欧姆定律。这里只讨论服从欧姆定律的漂移运动。只讨论服从欧姆定律的漂移运动。欧姆

15、定律的微分形式表示为电流密度矢欧姆定律的微分形式表示为电流密度矢量等于电场强度矢量与材料的电导率量等于电场强度矢量与材料的电导率之积。即：之积。即：而而式中式中n为电子浓度、为电子浓度、q为电子电量、为电子电量、v为为电子漂移的速度，电子漂移的速度，n为电子迁移率。为电子迁移率。联立以上式解得：联立以上式解得：同理，对于空穴电流有：同理，对于空穴电流有：二、二、光电导效应光电导效应当半导体材料受光照时，由于对光子的当半导体材料受光照时，由于对光子的吸收引起载流子浓度的增大，因而导致吸收引起载流子浓度的增大，因而导致材料电导率的增大，这种现象称光电导材料电导率的增大，这种现象称光电导效应。效应。

16、光电导现象光电导现象半导体材料的半导体材料的“体体”效效应应潜能潜能.ppt、稳态光电导与光电流、稳态光电导与光电流 半半导导体体两两端端涂涂有有电电极极，设设A为为横横截截面面面面积积，L为为长长度度，沿沿x方方向向加加有有弱弱电电场场，在在y方向有均匀光照。方向有均匀光照。无光照时，材料具有一定的电导，称无光照时，材料具有一定的电导，称为暗电导；有光照时的电导为亮电导。为暗电导；有光照时的电导为亮电导。亮电导和暗电导之差称为光电导。亮电导和暗电导之差称为光电导。若外加电压，则也有若外加电压，则也有暗电流暗电流和亮电流之和亮电流之分。亮电流和暗电流之差称为分。亮电流和暗电流之差称为光电流光电

17、流。以以G表表示示电电导导，表表示示电电导导率率，I表表示示电电流，则光电导和光电流为：流，则光电导和光电流为：而半导体光致电导率变化量为：而半导体光致电导率变化量为：在在光光辐辐射射作作用用下下，假假定定每每单单位位时时间间产产生生N个个电电子子-空空穴穴对对，它它们们的的寿寿命命分分别别为为n和和p，于是：于是：定义光电导增益定义光电导增益M为：光生载流子在电为：光生载流子在电场作用下所形成的外部电流与光生载流场作用下所形成的外部电流与光生载流子形成的内部电流子形成的内部电流(qN)之比。之比。M可表示为：可表示为：Mn为光电导体中电子增益系数；为光电导体中电子增益系数；Mp为空穴为空穴增

18、益系数。增益系数。则由于光辐射激发增加的电子和空穴则由于光辐射激发增加的电子和空穴浓度分别为浓度分别为：则电子、空穴增益系数另表示为：则电子、空穴增益系数另表示为：半导体电子和空穴的寿命是相同的，若半导体电子和空穴的寿命是相同的，若用载流子的平均寿命用载流子的平均寿命来表示它们的寿来表示它们的寿命，则本征型光电导器件增益系数：命，则本征型光电导器件增益系数：因速度为因速度为 光电子在两极间的渡越时光电子在两极间的渡越时间为：间为：如果定义如果定义 故故灵灵敏敏的的光光电电导导器器件件，会会有有大大的的增增益益系系数数，因因此此只只要要载载流流子子的的平平均均寿寿命命大大于于有有效效渡渡越越时时

19、间间，增增益益就就可可大大于于1。显显然然，减减小小电电极极间间的的间间距距，适适当当提提高高工工作作电电压压，对对提提高高M值值有有利利。但但是是，如如果果减减得得太太小小，使使受受光光面面太太小小，也也是是不利的。不利的。为载流子渡越极间距的有效时间。为载流子渡越极间距的有效时间。则则、调制光照调制光照光电导材料从光电导材料从光照开始到获得稳定的光光照开始到获得稳定的光电流需要一定时间电流需要一定时间。同样，当。同样，当光照停止光照停止后光电流也是逐渐消失后光电流也是逐渐消失。这个过程称。这个过程称光光电导驰豫电导驰豫。其原因是非平衡载流子的产。其原因是非平衡载流子的产生与复合都不是立即完

20、成的。生与复合都不是立即完成的。半导体材料受半导体材料受矩形脉冲矩形脉冲光照光照时，其光电导驰豫时，其光电导驰豫过程见图：过程见图：阶跃受光时，有阶跃受光时，有:G为光生载流子产生率，为光生载流子产生率，n/为复合率，为复合率，为载流子寿命。为载流子寿命。阶跃停光时，有阶跃停光时，有:以上两式解得以上两式解得:故：故：t=时，上升到稳态值的时，上升到稳态值的0.63，称，称上升时间常数；下降到稳态值的上升时间常数；下降到稳态值的0.37，为下降时间常数。可见，为下降时间常数。可见，光电导驰豫的光电导驰豫的时间常数就是载流子的寿命时间常数就是载流子的寿命。对于对于正弦型光照正弦型光照，有关系式：

21、，有关系式：可得出：可得出：可见，随着可见，随着升高，升高，n的幅值下降。的幅值下降。当当则则:有有:可见，载流子寿命决定了光电导的上限可见，载流子寿命决定了光电导的上限截止频率。截止频率。此结论具有普遍性：表示材料的光电灵此结论具有普遍性：表示材料的光电灵敏度与频率带宽是矛盾的。光电灵敏度敏度与频率带宽是矛盾的。光电灵敏度高的材料，带宽较窄。原因是载流子寿高的材料，带宽较窄。原因是载流子寿命与命与M成正比，又与截止频率成反比。成正比，又与截止频率成反比。叫叫上限截止频率或上限截止频率或3dB带宽带宽(记为记为)由以上推导可以看出光电增益与带宽之由以上推导可以看出光电增益与带宽之积为一常数：积

22、为一常数：三、三、光伏效应光伏效应当当半半导导体体PN结结受受光光照照射射时时，光光子子在在结结区区（耗耗尽尽区区）激激发发电电子子-空空穴穴对对。在在自自建建场场的的作作用用下下，电电子子流流向向N区区，空空穴穴流流向向P区区，从从而而在在势势垒垒两两边边形形成成电电荷荷堆堆积积，使使P区区、N区区两两端端产产生生电电位位差差。P端端为为正正，N端端为为负。这种效应称为光伏效应。负。这种效应称为光伏效应。光伏现象光伏现象半导体材料的半导体材料的“结结”效应。效应。PN结具有整流效应，即单向导电性。结具有整流效应，即单向导电性。在在施施加加外外电电压压时时，若若P区区接接正正端端，N区区接接负

23、负端端，称称为为正正向向偏偏置置。这这时时，通通过过PN结结的的电电流流随随着着电电压压的的增增加加急急剧剧上上升升。若若反反向偏置，电流数值很小，而且趋于饱和向偏置，电流数值很小，而且趋于饱和.对对热热平平衡衡状状态态下下的的PN结，有结，有PN结电流方程结电流方程:I0反向饱和电流。反向饱和电流。光光照照PN结结，产产生生的的电电子子-空空穴穴对对被被自自建建场场分分离离，空空穴穴流流入入P区区，电电子子流流入入N区区，结结果果耗耗尽尽区区宽宽度度变变窄窄，接接触触电电势势差差减减小小。其其减减小小量量即即是是光光生生电电势势差差。这这样样，入入射射的的光光能能就就转转变变成成流流过过PN

24、结结的的光光电电流流，方向与方向与PN结反向饱和电流相同。结反向饱和电流相同。因此因此光照下光照下PN结的电流方程结的电流方程为：为：若入射光的辐通量为若入射光的辐通量为，光电流灵敏度，光电流灵敏度为为S，则光电流为：，则光电流为：在在短路短路()下，下，U=0，得到，得到短路电短路电流流为：为：在在开路开路()下，下，I=0，得，得开路电压开路电压：和和 是光照是光照PN结的两个重要参量。结的两个重要参量。四、四、光电发射效应光电发射效应某些金属或半导体受到光照时，物质中某些金属或半导体受到光照时，物质中的电子由于吸收了光子的能量，致使电的电子由于吸收了光子的能量，致使电子逸出物质表面，这种

25、现象称为光电发子逸出物质表面，这种现象称为光电发射效应，又称外光电效应射效应，又称外光电效应。光电发射效应是真空光电器件光电阴极光电发射效应是真空光电器件光电阴极的物理基础。的物理基础。光电子所具有的最大初动能由爱因斯坦光电子所具有的最大初动能由爱因斯坦定律给出：定律给出：式中，式中，me为光电子的质量，为光电子的质量，v为出射光电子为出射光电子的最大初速度，的最大初速度，W发射体材料的逸出功。发射体材料的逸出功。由式可知，光子的最小能量必须大于由式可知，光子的最小能量必须大于光电材料的逸出功，否则电子就不会逸光电材料的逸出功，否则电子就不会逸出物质表面。出物质表面。这个最小能量对应的波长叫阈

26、值波长这个最小能量对应的波长叫阈值波长（或称长波限）。计算式为：（或称长波限）。计算式为：爱因斯坦爱因斯坦.ppt良好的光电发射体，需具备三个基本条良好的光电发射体，需具备三个基本条件：光吸收系数大；光电子在体内传输件：光吸收系数大；光电子在体内传输过程中受到的能量损失小，使逸出深度过程中受到的能量损失小，使逸出深度大；表面势垒低，使表面逸出几率大。大；表面势垒低，使表面逸出几率大。金属材料的电子逸出功是从费米能级算金属材料的电子逸出功是从费米能级算起至真空能级之间的能量差。起至真空能级之间的能量差。金属光电发射材料金属光电发射材料，光电发射过程：金，光电发射过程：金属中的电子吸收光子后获得动

27、能，在向属中的电子吸收光子后获得动能，在向表面运动过程中，因碰撞而损失部分能表面运动过程中，因碰撞而损失部分能量，到达表面的电子克服势垒而逸出。量，到达表面的电子克服势垒而逸出。由于金属对光吸收少、反射强，体内大由于金属对光吸收少、反射强，体内大量的电子易散射而损失能量，逸出深度量的电子易散射而损失能量，逸出深度小，并且逸出功也较大，因此金属光电小，并且逸出功也较大，因此金属光电发射的量子效率都很低。发射的量子效率都很低。同时大多数金属的光谱响应都在紫外或同时大多数金属的光谱响应都在紫外或远紫外区，因此只能适用于要求对紫外远紫外区，因此只能适用于要求对紫外敏感的光电器件。敏感的光电器件。随着光

28、电器件的发展，特别是微光夜视随着光电器件的发展，特别是微光夜视器件的发展，要求在可见光、近红外和器件的发展，要求在可见光、近红外和红外范围都要有量子效率高的光电发射红外范围都要有量子效率高的光电发射材料，故半导体光电发射材料得到应用材料，故半导体光电发射材料得到应用对于对于半导体光电发射材料半导体光电发射材料，电子逸出功电子逸出功由两部分组成：一部分是电子从发射中由两部分组成：一部分是电子从发射中心激发到导带所需要的最低能量心激发到导带所需要的最低能量Eg，另，另一部分是从导带底逸出表面所需的最低一部分是从导带底逸出表面所需的最低能量，一般称为材料的亲和势能量，一般称为材料的亲和势EA。半导体

29、光电发射的量子效率远高于金属。半导体光电发射的量子效率远高于金属。半导体的电子逸出功与半导体的电子逸出功与电子亲和势电子亲和势密切密切相关。相关。表面真空能级位于导带之上的光电材料表面真空能级位于导带之上的光电材料属正电子亲和势（属正电子亲和势（PEA）。PEA阈值波长：阈值波长：但若给半导体的表面作特殊处理，使表但若给半导体的表面作特殊处理，使表面区域能带弯曲，面区域能带弯曲，真空能级降到导带之真空能级降到导带之下下，从而使电子亲和势为负值，经这种，从而使电子亲和势为负值，经这种特殊处理的材料称作特殊处理的材料称作负电子亲和势材料负电子亲和势材料(NEA)。NEA材料的电子逸出功大大降低，从

30、而材料的电子逸出功大大降低，从而使光谱响应可扩展到红外区。使光谱响应可扩展到红外区。NEA的的阈值波长：阈值波长：下面以下面以Si-Cs2O材料为例介绍负电子亲材料为例介绍负电子亲和势的形成。和势的形成。Si-Cs2O是在是在P型型Si的基质材料上涂一的基质材料上涂一层极薄的金属层极薄的金属Cs，经特殊处理而形成，经特殊处理而形成N型型Cs2O。形成。形成PN结。结。本本来来P型型Si的的发发射射阈阈值值 ，电电子子受受光光激激发发进进入入导导带带后后需克服亲和势需克服亲和势才能逸出表面。才能逸出表面。对对于于P型型Si的的光光电电子子需需克克服服的的有有效效亲亲和势为：和势为：现现因因表表面

31、面存存在在N型型薄薄层层，使使耗耗尽尽区区电电位位下下降降，电电位位降降低低 。光光电电子子在在表表面面附附近近受受到到自自建建电电场场的的作作用用，从从Si的的导导带带底部漂移到表面底部漂移到表面Cs2O的导带底部。的导带底部。由于能级弯曲，使由于能级弯曲，使 ，这样就形，这样就形成了负电子亲和势。成了负电子亲和势。当光辐射照射到光吸收体上，材料将对当光辐射照射到光吸收体上，材料将对所有波长的光能量全部吸收，并转换为所有波长的光能量全部吸收，并转换为晶格热运动能量，称为晶格热运动能量，称为光热效应光热效应.由于热能增大，导致吸收体的物理、机由于热能增大，导致吸收体的物理、机械性能变化，如温度

32、、体积、电阻、热械性能变化，如温度、体积、电阻、热电动势等。通过测量这些变化可确定光电动势等。通过测量这些变化可确定光能量或光功率的大小，能量或光功率的大小，由光热效应制成由光热效应制成的光探测器统称为光热探测器。的光探测器统称为光热探测器。2.2 光热效应光热效应光热探测器对光辐射的响应有两个过程：光热探测器对光辐射的响应有两个过程：首先，首先，器件吸收光辐射能量而使自身温器件吸收光辐射能量而使自身温度发生变化度发生变化，然后器件再依赖某种温度，然后器件再依赖某种温度敏感特性敏感特性把辐射能引起的温度变化转换把辐射能引起的温度变化转换为相应的电信号为相应的电信号，从而达到光辐射探测，从而达到

33、光辐射探测的目的。的目的。常见的光热探测器有：测辐射热电偶、常见的光热探测器有：测辐射热电偶、测辐射热敏电阻、高莱管、热释电探测测辐射热敏电阻、高莱管、热释电探测器。器。说捷径说捷径.ppt青蛙实验青蛙实验.ppt光光热热探探测测器器的的最最大大特特点点：响响应应灵灵敏敏度度与与光光波波波波长长无无关关，响响应应波波长长范范围围从从紫紫外外到到40um以以上上，属属对对光光波波长长无无选选择择性性探探测测器器。但但受受热热时时间间常常数数的的制制约约，响响应应速速度度较慢。较慢。下面讨论光热器件共同原理，即光辐射下面讨论光热器件共同原理，即光辐射引起温升的过程。引起温升的过程。设设为入射于探测

34、器的辐射通量，为入射于探测器的辐射通量，若探测器光敏面对光辐射的吸收系若探测器光敏面对光辐射的吸收系数为数为，则探测器实际吸收的辐射通量为则探测器实际吸收的辐射通量为 。这些被吸收的光辐射能量，将有一这些被吸收的光辐射能量，将有一部分转化为探测器的内能，表现为部分转化为探测器的内能，表现为探测器自身温度的升高，探测器自身温度的升高，另一部分则通过探测器与外界环境的另一部分则通过探测器与外界环境的热交换而使能量流失。热交换而使能量流失。如果把器件的温度看做是均匀的，则如果把器件的温度看做是均匀的，则探测器所遵从的热平衡方程为：探测器所遵从的热平衡方程为：式式中中 是是探探测测器器的的热热容容量量

35、，定定义义为为探探测测器器单单位位温温度度变变化化所所需需要要的的热热量量；是是器器件件与与环环境境间间的的热热导导，是是单单位位时时间间内内器器件件散散失失的的总总热热量量与与下下降降的的温温度度之之比比。热热导导的的倒倒数数称称热热阻阻 ，它它跟跟器器件件周周围围的的环环境境、安安装装、封封装装、电电极极引引线线等等诸诸多多因素有关。因素有关。设入射辐射具有形式设入射辐射具有形式由于由于包含有与时间无关和有关的两部包含有与时间无关和有关的两部分，所以公式的解也包含与时间无关分，所以公式的解也包含与时间无关的平均温升的平均温升 和与时间有关的温度和与时间有关的温度变化变化 ，将它们分别代入热

36、平衡方，将它们分别代入热平衡方程并解，得到器件的平均温升和器件程并解，得到器件的平均温升和器件随频率的交变温升为：随频率的交变温升为：可见，交变温升的幅值随着调制频率可见，交变温升的幅值随着调制频率的升高而减小。的升高而减小。其其中中，是是器器件件的的热热时时间间常常数数；是是温温升升与与辐辐照照之之间间的的相相角角，它它说说明明器器件温升滞后调制辐射功率瞬变的程度。件温升滞后调制辐射功率瞬变的程度。因此，光热探测器常用于接受低频调因此，光热探测器常用于接受低频调制辐照场合。同时，设计者总是尽力制辐照场合。同时，设计者总是尽力降低器件的热时间常数，以利于减少降低器件的热时间常数，以利于减少器件

37、的热容量。器件的热容量。当低频当低频 时，时，与调制频率无关，并且温升几乎与调与调制频率无关，并且温升几乎与调制辐射功率同步；制辐射功率同步；当当 时，时，即，即交变温升幅值将与交变温升幅值将与和和Ct成反比，随着成反比，随着的增大急剧下降。的增大急剧下降。热电偶和热电堆测辐射是基于热电偶和热电堆测辐射是基于温差电效温差电效应应：两种不同材料（金属或半导体）两两种不同材料（金属或半导体）两端并联熔接，若两接头温度不同，并联端并联熔接，若两接头温度不同，并联回路中就产生电势差。回路中就产生电势差。若把冷端分开，光照若把冷端分开，光照使电偶接头升温，电使电偶接头升温，电流表有电流通过，数流表有电流

38、通过，数值与光照能量对应。值与光照能量对应。一、温差电效应一、温差电效应温温差差电电势势率率,Rt热热结结热热阻阻,Rd热热电电偶偶电电阻阻,Rm电电表表内内阻阻,辐辐射射通通量量，转转换换效效率率，回回路路电电流流流流过过热热端端带带走走部部分分热热量量（珀珀耳耳帖帖效效应应），对对应应一一动动态态电电阻阻：R=2RtT。为提高探测灵敏度，将若干为提高探测灵敏度，将若干个热电偶串联就成热电堆。个热电偶串联就成热电堆。二、二、热释电效应热释电效应热热电电晶晶体体（如如硫硫酸酸三三甘甘肽肽TGS、钽钽酸酸锂锂LiTaO3等）特性等）特性:常常态态下下晶晶体体分分子子能能自自发发电电极极化化，但但

39、自自发发极极化化矢矢量量Ps的的排排列列混混乱乱。若若对对热热电电体体施施加加直直流流电电场场，Ps趋趋于于一一致致排排列列(单单畴畴极极化化)且且极极化化强强度度加加大大，当当去去掉掉电电场场，总总Ps保持下来。保持下来。是是基于热电晶体的热释电效应基于热电晶体的热释电效应来探测辐来探测辐射能量的器件。射能量的器件。热释电器件的基本结构，是热释电器件的基本结构，是一个以热电晶体为电介质的一个以热电晶体为电介质的平板电容器，如图。平板电容器，如图。热热电电体体与与温温度度关关系系如如图图。温温度度升升高高到到Tc，自自发发极极化化突突然然消消失失，Tc叫叫居居里里温温度度。故故热释电效应发生在

40、热释电效应发生在Tc以下。以下。故热释电探测器是一种交流或瞬时响应故热释电探测器是一种交流或瞬时响应的器件的器件,只能探测调制和脉冲辐射。只能探测调制和脉冲辐射。强度变化的光照射，使晶体的温度变强度变化的光照射，使晶体的温度变化，导致表面极化电荷的变化化，导致表面极化电荷的变化，设电，设电容器的极板面积容器的极板面积A，热释电系数为热释电系数为。则。则短路电流短路电流：光探测器在一定功率的光照下输出一定光探测器在一定功率的光照下输出一定的电流或电压。的电流或电压。光电探测器在进行光电光电探测器在进行光电转换过程中，噪声使探测器输出的电流转换过程中，噪声使探测器输出的电流或电压信号在平均值附近随

41、机地、瞬间或电压信号在平均值附近随机地、瞬间幅度不能预知地起伏幅度不能预知地起伏。2.3 光探测器的噪声光探测器的噪声虽然无法预先用确知的时间函数来描述虽然无法预先用确知的时间函数来描述噪声，但噪声本身是统计独立的，能用噪声，但噪声本身是统计独立的，能用统计的方法来描述。一般用统计的方法来描述。一般用均方噪声电均方噪声电流流 或电压或电压 表示噪声值的大小表示噪声值的大小。通常把噪声这个随机的时间函数进行通常把噪声这个随机的时间函数进行付里叶频谱分析，得到付里叶频谱分析，得到噪声功率随频噪声功率随频率的变化关系，即噪声功率谱率的变化关系，即噪声功率谱。常见有两种典型情况：常见有两种典型情况：一

42、种是功率谱大小与一种是功率谱大小与频率无关的噪声，称频率无关的噪声，称白噪声；另一种是功白噪声；另一种是功率谱与率谱与 成反比，称成反比，称 噪声。噪声。一、热噪声一、热噪声由于载流子的热运动而引起电流或电压由于载流子的热运动而引起电流或电压的随机起伏。热噪声为：的随机起伏。热噪声为：或或热噪声属白噪声。降低温度和通带，可热噪声属白噪声。降低温度和通带，可减少噪声功率。减少噪声功率。光探测器中的噪声主要有：热噪声、散光探测器中的噪声主要有：热噪声、散粒噪声、产生粒噪声、产生-复合噪声、复合噪声、噪声、噪声、温度噪声。温度噪声。R是器件电阻值是器件电阻值,f为所取的通带宽度。为所取的通带宽度。k

43、玻尔兹曼常数，玻尔兹曼常数，T是温度是温度,二、散粒噪声二、散粒噪声光光子子发发射射、电电子子发发射射、电电子子流流，犹犹如如射射出出的的散散粒粒,无无规规则则地地落落在在靶靶上上，每每一一瞬瞬间间是是完完全全独独立立随随机机的的事事件件。这这种种随随机机起起伏称为散粒噪声。伏称为散粒噪声。散粒噪声为：散粒噪声为：式式中中q为为电电子子电电荷荷，I为为器器件件输输出出平平均均电电流，流，f为所取的带宽。为所取的带宽。散粒噪声也属白噪声。散粒噪声也属白噪声。三、产生三、产生-复合噪声复合噪声在在半半导导体体器器件件中中，载载流流子子不不断断地地产产生生-复复合合,使使载载流流子子浓浓度度随随机机

44、起起伏伏,引引起起器器件件电电导导率率起起伏伏。外外加加电电压压下下，电电导导率率的的起起伏伏使使输输出出电电流流起起伏伏,即即为为产产生生-复复合合噪声。其噪声为噪声。其噪声为:I为为总总的的平平均均电电流流,N0自自由由载载流流子子数数,载载流子寿命流子寿命,f测量噪声的频率。测量噪声的频率。低频噪声低频噪声，其噪声的功率谱近似与频率，其噪声的功率谱近似与频率成反比变化。几乎所有探测器中都存在成反比变化。几乎所有探测器中都存在,但频率在但频率在200300Hz以上已衰减为很低以上已衰减为很低的水平。实验发现，探测器表面的工艺的水平。实验发现，探测器表面的工艺状态（缺陷或不均匀）对这种噪声的

45、影状态（缺陷或不均匀）对这种噪声的影响很大。响很大。其噪声近似为其噪声近似为:四、四、噪声噪声式中，式中，接近于接近于2，在在0.81.5之间，之间，c是比例常数。是比例常数。综合上述各种噪声源，其功率谱分布可综合上述各种噪声源，其功率谱分布可用图表示。用图表示。实际中实际中,探测器的结构与机理不同探测器的结构与机理不同,上述上述各种噪声的作用大小亦不同。各种噪声的作用大小亦不同。在在频频率率低低时时，噪噪声声起起主主导导作作用用;中中间间频频率率，产产生生-复复合合噪噪声声较较显显著著;频频率率较较高高时，白噪声占主导地位时，白噪声占主导地位.轻重缓急轻重缓急.ppt探探测测器器的的性性能能

46、参参数数,描描述述了了探探测测器器在在规规定定使使用用条条件件下下的的性性能能指指标标。正正确确使使用用探探测测器器、并并使使光光电电系系统统达达到到预预计计性性能能指指标标，必须了解各种探测器的主要特性参数。必须了解各种探测器的主要特性参数。2.4 光探测器的性能参数光探测器的性能参数一、光电特性和光照特性一、光电特性和光照特性 光光电电器器件件的的两两端端加加电电压压，光光电电器器件件因因受受光光照照而而产产生生或或增增加加的的电电流流称称为为光光电电流流。光电流的大小为微安级或毫安级。光电流的大小为微安级或毫安级。当当光光电电器器件件上上的的电电压压一一定定时时，光光电电流流与与入入射射

47、的的光光通通量量的的关关系系 I=F()称称为为光光电电特特性性；光光电电流流与与光光电电器器件件上上光光照照度度的的关关系系 I=F(L)称为光照特性称为光照特性。光光电电特特性性或或光光照照特特性性的的线线性性度度是是一一重重要要参参数数。线线性性度度是是指指探探测测器器的的输输出出光光电电流流与与输输入入光光的的辐辐通通量量成成比比例例的的程程度度和和范范围围。线线性性下下限限往往往往由由暗暗电电流流和和噪噪声声等等因因素素决决定定，而而上上限限通通常常由由饱饱和和效效应应或或过过载载决决定定。线线性性范范围围与与其其工工作作状状态态如如偏偏压压、调调制制频频率、输出电路等有关。率、输出

48、电路等有关。二、光谱特性二、光谱特性光光电电器器件件对对功功率率相相同同而而波波长长不不同同的的入入射射光光的的响响应应不不同同，即即产产生生的的光光电电流流不不同同。光光电电流流或或输输出出电电压压与与入入射射光光波波长长的关系称为光谱特性的关系称为光谱特性。光光谱谱特特性性决决定定于于光光电电器器件件的的材材料料。图图为为硅硅材料的光谱特性曲线材料的光谱特性曲线:响响应应范范围围0.41.1m，峰峰值值波波长长在在0.86m左右。左右。光谱特性对选择光电器件和光源有重要光谱特性对选择光电器件和光源有重要意义。应尽量使所选的光电器件的光谱意义。应尽量使所选的光电器件的光谱特性与光源的光谱分布

49、较接近。特性与光源的光谱分布较接近。由光电器件的光谱特性可决定光电器件由光电器件的光谱特性可决定光电器件的灵敏度（响应率）的灵敏度（响应率）光谱灵敏度和光谱灵敏度和积分灵敏度。积分灵敏度。探测器在波长为探测器在波长为的单色光照射下的单色光照射下,输输出的电压出的电压U()或光电流或光电流I()与入射的单与入射的单色辐通量色辐通量()之比叫光谱灵敏度。之比叫光谱灵敏度。即：即：或或 式中式中积分灵敏度不但与探测器有关，且与采积分灵敏度不但与探测器有关，且与采用的光源有关。不同的辐射源，其发射用的光源有关。不同的辐射源，其发射的光谱功率分布也不相同，测得的响应的光谱功率分布也不相同，测得的响应往往

50、不同。往往不同。探测器的积分灵敏度是探测器的输出电探测器的积分灵敏度是探测器的输出电压压U或光电流或光电流I与入射的辐通量与入射的辐通量之比。之比。即：即：或或三、等效噪声功率和探测率三、等效噪声功率和探测率 探测器的探测能力除决定于灵敏度外，探测器的探测能力除决定于灵敏度外，还决定于探测器本身的噪声水平。还决定于探测器本身的噪声水平。投射到探测器响应平面上光辐射通量投射到探测器响应平面上光辐射通量所产生的信号电流所产生的信号电流I（或电压（或电压U）等于探）等于探测器无入射辐射时探测器本身的均方根测器无入射辐射时探测器本身的均方根噪声电流（或电压）时的光辐射通量，噪声电流（或电压）时的光辐射