光电检测器件工作原理及特性(精).ppt

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1、光电检测器件工作原理及特性光电检测器件工作原理及特性l l辐射度量与光度量辐射度量与光度量l l半导体物理基础半导体物理基础l l光电检测器件的物理基础光电检测器件的物理基础l l光电检测器件的特性参数光电检测器件的特性参数1.1辐射度量和光度量辐射度量和光度量一、光的基本性质一、光的基本性质波粒二象性波粒二象性17世纪牛顿提出光的微粒说世纪牛顿提出光的微粒说惠更斯、杨氏和费涅尔等提出光的波动说惠更斯、杨氏和费涅尔等提出光的波动说1860年年Maxwell的电磁理论建立，光也是一的电磁理论建立，光也是一种电磁波种电磁波电磁波的范围很电磁波的范围很广，波长从几个广，波长从几个皮米到数千米皮米到数

2、千米光波波长区间约光波波长区间约从几个纳米到从几个纳米到1毫毫米左右米左右可见光：可见光：0.38nm0.78nm电磁理论能很好的解释光的反射、折射、电磁理论能很好的解释光的反射、折射、干涉、衍射、偏振和光在各向异性介质干涉、衍射、偏振和光在各向异性介质中的传播等现象。但是无法解释光的吸中的传播等现象。但是无法解释光的吸收、散射和色散。收、散射和色散。1900年，普朗克提出辐射的量子论年，普朗克提出辐射的量子论1905年，爱因斯坦提出光量子的概念年，爱因斯坦提出光量子的概念波动性波动性光的传播光的传播量子性量子性与物质的相互作用与物质的相互作用二、光辐射度量二、光辐射度量辐射是一种能的形式。辐

3、射是一种能的形式。光源一般指发光的物体。分为天然光源和人光源一般指发光的物体。分为天然光源和人造光源。造光源。辐射能可以转换为其他形式的能量，从而可辐射能可以转换为其他形式的能量，从而可以用辐射能引起的能量或有效物理量来测量。以用辐射能引起的能量或有效物理量来测量。光源的辐射特性可以用以下辐射量来表征：光源的辐射特性可以用以下辐射量来表征：辐射能、辐射能密度、辐射通量、辐射出射辐射能、辐射能密度、辐射通量、辐射出射度、辐射强度、辐射亮度、辐照度。度、辐射强度、辐射亮度、辐照度。1、辐射能、辐射能Qe以辐射的形式发射、传播或接收的能量以辐射的形式发射、传播或接收的能量单位：焦耳单位：焦耳（J）2

4、、辐射能密度、辐射能密度we光源在单位体积内的辐射能光源在单位体积内的辐射能单位：焦耳单位：焦耳/米米3（J/m3）3、反射通量、反射通量 （辐射功率、辐射能流）（辐射功率、辐射能流）在单位时间内通过某一定面积的辐射能在单位时间内通过某一定面积的辐射能单位：瓦（单位：瓦（W）4、辐射强度、辐射强度Ie从一个点光源发出的，在单位时间内单从一个点光源发出的，在单位时间内单位立体角所辐射的能量位立体角所辐射的能量单位：瓦单位：瓦/球面度（球面度（W/Sr)5、辐射出射度、辐射出射度Me（辐射发射度）（辐射发射度）辐射体在单位面积内所辐射的通量或功率辐射体在单位面积内所辐射的通量或功率单位：瓦单位：瓦

5、/米米2（W/m2)6、辐射亮度、辐射亮度 Le由辐射表面定向发射的辐射强度由辐射表面定向发射的辐射强度单位：瓦单位：瓦/（米（米2.球面度（球面度（W/（m2.Sr）7、辐照度、辐照度 Ee单位面积内所接收到的辐射通量单位面积内所接收到的辐射通量单位：瓦单位：瓦/米米2（W/m2）三、光谱辐射度量（辐射量的光谱密度）三、光谱辐射度量（辐射量的光谱密度）1、光谱辐射通量、光谱辐射通量光源发出的光在每单位波长间隔内的辐射通光源发出的光在每单位波长间隔内的辐射通量量总的辐射通量（全色辐射通量）总的辐射通量（全色辐射通量）2、光谱辐射出射度、光谱辐射出射度3、光谱辐射强度、光谱辐射强度4、光谱辐射亮

6、度、光谱辐射亮度5、光谱辐照度、光谱辐照度它们与总辐射度量值之间的关系：它们与总辐射度量值之间的关系：四、光度量四、光度量光度量是人眼对相应辐射度量的视觉强度值。光度量是人眼对相应辐射度量的视觉强度值。人眼的光谱敏感特性可以由光谱光视效率人眼的光谱敏感特性可以由光谱光视效率（视见函数）来描述。（视见函数）来描述。1、光通量、光通量光辐射通量对人眼所引起的视觉度值光辐射通量对人眼所引起的视觉度值Km：最大光谱光视效能：最大光谱光视效能在波长在波长555nm出，光视函数取出，光视函数取1时，辐射度时，辐射度量与光度量的比值。量与光度量的比值。2、发光强度、发光强度 I光源在给定方向上单位立体角内所

7、发出的光源在给定方向上单位立体角内所发出的光通量光通量单位：砍德拉单位：砍德拉 cd3、光出射度、光出射度 M光源表面给定点处单位面积向半空间内发出光源表面给定点处单位面积向半空间内发出的光通量的光通量单位：流明单位：流明/米米2 lm/m24、光照度、光照度 E被照明物体给定点处单位面积上的入射光被照明物体给定点处单位面积上的入射光通量通量单位：勒克斯单位：勒克斯 lx点光源照明时的照度点光源照明时的照度垂直照明时：垂直照明时：5、光亮度、光亮度光源表面一点处的面元在给定方向上的发光源表面一点处的面元在给定方向上的发光强度与该面元在垂直于给定发向的平面光强度与该面元在垂直于给定发向的平面上的

8、正投影面积之比上的正投影面积之比单位：砍德拉单位：砍德拉/米米2 cd/m26、光量、光量 Q光通量对时间的积分光通量对时间的积分l l辐射度量与光度量辐射度量与光度量l l半导体物理基础半导体物理基础l l光电检测器件的物理基础光电检测器件的物理基础l l光电检测器件的特性参数光电检测器件的特性参数固体材料按其电阻率分为三类：固体材料按其电阻率分为三类：固体固体 电阻率电阻率10-610-3.cm绝缘体绝缘体 电阻率电阻率1012.cm以上以上半导体半导体 电阻率电阻率10-31012.cm常常见半半导体材料：元素半体材料：元素半导体、化合物半体、化合物半导体、氧化物半体、氧化物半导体、固熔

9、体半体、固熔体半导体、有机半体、有机半导体、玻璃半体、玻璃半导体、稀土半体、稀土半导体等。体等。1.2半导体物理基础半导体物理基础一、半导体的特性一、半导体的特性1、半导体的电阻温度系数一般为负，对、半导体的电阻温度系数一般为负，对温度的变化非常敏感。温度的变化非常敏感。2、导电性能可受微量杂质的影响而发生十分、导电性能可受微量杂质的影响而发生十分显著的变化。显著的变化。3、半导体的导电能力及性质会受热、光、电、半导体的导电能力及性质会受热、光、电、磁等外界作用影响而发生非常重要的变化。磁等外界作用影响而发生非常重要的变化。二、能带理论二、能带理论1、原子能级与晶体能级、原子能级与晶体能级1）

10、能级（）能级（Energy Level）在孤立原子中，原子核外的电子按照一定的在孤立原子中，原子核外的电子按照一定的壳层排列，每一壳层容纳一定数量的电子。壳层排列，每一壳层容纳一定数量的电子。每个壳层上的电子具有分立的能量值，也就每个壳层上的电子具有分立的能量值，也就是电子按能级分布。是电子按能级分布。用一条条高低不同的水平线表示电子的能级用一条条高低不同的水平线表示电子的能级 2）能带（）能带（Energy Band）原子核较远的壳层发生交叠，壳层交叠使原子核较远的壳层发生交叠，壳层交叠使电子不再局限于某个原子上，有可能转移到电子不再局限于某个原子上，有可能转移到相邻原子的相似壳层上去，也可

11、能从相邻原相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去，这种现象称子运动到更远的原子壳层上去，这种现象称为电子的共有化。为电子的共有化。共有化使能级发生扩展，扩展后的多个相邻共有化使能级发生扩展，扩展后的多个相邻很近的能级统称为能带。很近的能级统称为能带。3）禁带（）禁带（Forbidden Band）允许被电子占据的能带称为允许带。允许被电子占据的能带称为允许带。允许带之间的范围不允许电子占据称为禁带。允许带之间的范围不允许电子占据称为禁带。电子中是先占据原子壳层中的内层允许带，电子中是先占据原子壳层中的内层允许带，然后再向高能量的外面一层允许带填充。然后再向高能量的外面

12、一层允许带填充。被电子占满的允许带称为满带。被电子占满的允许带称为满带。每一个能级上都没有电子的能带称为空带。每一个能级上都没有电子的能带称为空带。4）价带（）价带（Valence Band）原子中最外层的电子称为价电子，与价电原子中最外层的电子称为价电子，与价电子能级相对应的能带称为价带。子能级相对应的能带称为价带。5）导带（）导带（Conduction Band）价带以上能量最低的允许带称为导带。价带以上能量最低的允许带称为导带。导带的底能级导带的底能级 Ec价带的顶能级价带的顶能级 Ev禁带禁带 Eg=Ec-Ev6）载流子）载流子导体或半导体的导电作用是通过带电粒子导体或半导体的导电作用

13、是通过带电粒子的运动（形成电流）来实现的，这种电流的运动（形成电流）来实现的，这种电流的载体称为载流子的载体称为载流子(carrier)。导体中的载流子为自由电子导体中的载流子为自由电子半导体中的载流子为带负电的电子和带正半导体中的载流子为带负电的电子和带正电的空穴。电的空穴。导带中的电子数目和禁带宽度决定了材料导带中的电子数目和禁带宽度决定了材料的导电性能。的导电性能。绝缘体绝缘体 半导体半导体 导体导体2、本征半导体与杂质半导体、本征半导体与杂质半导体 1）本征半导体）本征半导体结构完整、纯净的半导体称为本征半导体。结构完整、纯净的半导体称为本征半导体。自由电子和空穴都是由于共价键破裂而产

14、生自由电子和空穴都是由于共价键破裂而产生的，所以电子浓度的，所以电子浓度n等于空穴浓度等于空穴浓度p，并称之，并称之为本征载流子浓度为本征载流子浓度ni，ni随温度升高而增加，随温度升高而增加，随禁带宽度的增加而减小随禁带宽度的增加而减小。2）杂质半导体）杂质半导体半导体中人为地掺入少量杂质形成掺杂半半导体中人为地掺入少量杂质形成掺杂半导体，杂质对半导体导电性能影响很大。导体，杂质对半导体导电性能影响很大。3）掺杂对半导体导电性能的影响）掺杂对半导体导电性能的影响半导体中不同的掺杂或缺陷都能在禁带中半导体中不同的掺杂或缺陷都能在禁带中产生附加的能级，因此会明显地改变导带产生附加的能级，因此会明

15、显地改变导带中的电子和价带中的空穴数目，从而显著中的电子和价带中的空穴数目，从而显著地影响半导体的电导率。地影响半导体的电导率。N型半导体型半导体P型半导体型半导体N型半导体与型半导体与P型半导体的比较型半导体的比较半导体半导体所掺杂质所掺杂质多数载流子多数载流子（多子）（多子）少数载流子少数载流子（少子）（少子）特性特性N型型施主杂质施主杂质电子电子空穴空穴电子浓度电子浓度nn空穴浓空穴浓度度pnP型型受主杂质受主杂质空穴空穴电子电子电子浓度电子浓度np空穴浓空穴浓度度pp3、热平衡态下的载流子、热平衡态下的载流子 激发：电子获得一定的能量从价带跃迁到激发：电子获得一定的能量从价带跃迁到导带

16、，形成自由电子和自由空穴。导带，形成自由电子和自由空穴。复合：电子从高能量的量子态跃迁到低能量复合：电子从高能量的量子态跃迁到低能量的量子态，向晶格释放能量。的量子态，向晶格释放能量。在一定温度下，若没有其他的外界作用，激在一定温度下，若没有其他的外界作用，激发和复合相平衡，称为热平衡状态发和复合相平衡，称为热平衡状态4、非平衡载流子、非平衡载流子1）激发和复合）激发和复合在外界作用时，激发大于复合，这种增加的在外界作用时，激发大于复合，这种增加的电子和空穴称为非平衡载流子。电子和空穴称为非平衡载流子。浓度用浓度用 表示。表示。在导带和价带中的电子和空穴的浓度分别为在导带和价带中的电子和空穴的

17、浓度分别为有恒定光照时，有恒定光照时，n和和 p增大，复合率上升，直到增大，复合率上升，直到达到新的平衡。达到新的平衡。光照停止时，光照停止时，n和和 p减小，复合率下降，再次达减小，复合率下降，再次达到平衡。到平衡。2）复合与非平衡载流子寿命）复合与非平衡载流子寿命三种复合机制：直接复合三种复合机制：直接复合通过复合中心复合通过复合中心复合表面复合表面复合直接复合直接复合导带中电子直接跳回到价带，与价带中的空穴导带中电子直接跳回到价带，与价带中的空穴复合。复合。通过复合中心复合通过复合中心复合复合中心指禁带中杂质及缺陷。通过复合复合中心指禁带中杂质及缺陷。通过复合中心间接复合包括四种情况：中

18、心间接复合包括四种情况：1.电子从导带落入到复合中心称电子俘获；电子从导带落入到复合中心称电子俘获；2.电子从复合中心落入价带称空穴俘获；电子从复合中心落入价带称空穴俘获；3.电子从复合中心被激发到导带称电子发射；电子从复合中心被激发到导带称电子发射；4.电子从价带被激发到复合中心称空穴发射。电子从价带被激发到复合中心称空穴发射。非平衡载流子寿命非平衡载流子寿命 非平衡载流子从产生到复合之前的平均存非平衡载流子从产生到复合之前的平均存在时间。在时间。表征复合的强弱，表征复合的强弱，小表示复合快，小表示复合快，大表示大表示复合慢。它决定了光电器件的时间特性，采复合慢。它决定了光电器件的时间特性，

19、采用光激发方式的光生载流子寿命与光电转换用光激发方式的光生载流子寿命与光电转换的效果有直接关系。的效果有直接关系。的大小与材料的微观的大小与材料的微观复合结构、掺杂、缺陷有关。复合结构、掺杂、缺陷有关。5、半导体对光的吸收、半导体对光的吸收 半导体材料吸收光子能量转换成电能是光半导体材料吸收光子能量转换成电能是光电器件的工作基础。电器件的工作基础。光垂直入射到半导体表面时，进入到半导体光垂直入射到半导体表面时，进入到半导体内的光强遵照吸收定律：内的光强遵照吸收定律：1）本征吸收）本征吸收半导体吸收光子的能量使价带中的电子激半导体吸收光子的能量使价带中的电子激发到导带，在价带中留下空穴，产生等量

20、的发到导带，在价带中留下空穴，产生等量的电子与空穴，这种吸收过程叫本征吸收。电子与空穴，这种吸收过程叫本征吸收。本征吸收的条件：入射光子的能量（本征吸收的条件：入射光子的能量（hv）至）至少要等于材料的禁带宽度少要等于材料的禁带宽度Eg。即。即 从而有从而有材料的频率阈值材料的频率阈值材料的波长阈值材料的波长阈值几种重要半导体材料的波长阈值几种重要半导体材料的波长阈值材料材料温度温度/KEg/eV/m材料材料温度温度/KEg/eV/mSe3001.80.69InSb3000.186.9Ge3000.811.5GaAs3001.350.92Si2901.091.1GaP3002.240.55Pb

21、S2950.432.92）非本征吸收）非本征吸收主要有四种：主要有四种：杂质吸收杂质吸收自由载流子吸收自由载流子吸收激子吸收激子吸收晶格吸收晶格吸收（1）杂质吸收）杂质吸收杂质能级上的电子（或空穴）吸收光子能量杂质能级上的电子（或空穴）吸收光子能量从杂质能级跃迁到导带（空穴跃迁到价带），从杂质能级跃迁到导带（空穴跃迁到价带），这种吸收称为杂质吸收。杂质吸收的波长阈这种吸收称为杂质吸收。杂质吸收的波长阈值多在红外区或远红外区。值多在红外区或远红外区。（2）自由载流子吸收）自由载流子吸收 导带内的电子或价带内的空穴也能吸收导带内的电子或价带内的空穴也能吸收光子能量，使它在本能带内由低能级迁光子能量

22、，使它在本能带内由低能级迁移到高能级，这种吸收称为自由载流子移到高能级，这种吸收称为自由载流子吸收，表现为红外吸收。吸收，表现为红外吸收。（3）激子吸收）激子吸收 能产生激子的光吸收称为激子吸收能产生激子的光吸收称为激子吸收吸收光谱密集于本征吸收波长阈值的红吸收光谱密集于本征吸收波长阈值的红外一侧。外一侧。（4）晶格吸收）晶格吸收 半导体原子能吸收能量较低的光子，并半导体原子能吸收能量较低的光子，并将其能量直接变为晶格的振动能，从而将其能量直接变为晶格的振动能，从而在远红外区形成一个连续的吸收带，这在远红外区形成一个连续的吸收带，这种吸收称为晶格吸收。种吸收称为晶格吸收。半导体对光的吸收主要是

23、本征吸收。半导体对光的吸收主要是本征吸收。6、载流子的输运、载流子的输运热平衡时平均定向速度为零。热平衡时平均定向速度为零。非平衡时载流子的运动形式主要有：非平衡时载流子的运动形式主要有：扩散运动扩散运动漂移运动漂移运动1）扩散运动）扩散运动载流子因浓度不均匀而发生的从浓度高的点载流子因浓度不均匀而发生的从浓度高的点向浓度低的点运动。向浓度低的点运动。扩散电流扩散电流扩散运动主要是少数载流子扩散运动主要是少数载流子扩散运动示意图扩散运动示意图2）漂移运动）漂移运动载流子在外电场作用下，电子向正电极方载流子在外电场作用下，电子向正电极方向运动，空穴向负电极方向运动称为漂移。向运动，空穴向负电极方

24、向运动称为漂移。漂移电流漂移电流漂移运动主要是多数载流子漂移运动主要是多数载流子l l辐射度量与光度量辐射度量与光度量l l半导体物理基础半导体物理基础l l光电检测器件的物理基础光电检测器件的物理基础l l光电检测器件的特性参数光电检测器件的特性参数光与物质作用光与物质作用2.3光电检测器件的物理基础光电检测器件的物理基础光电效应光电效应光热效应光热效应外光电效应外光电效应内光电效应内光电效应热释电效应热释电效应温差电效应温差电效应辐射热计效应辐射热计效应1、光电发射效应、光电发射效应外光电效应主要是光电发射效应。指当光外光电效应主要是光电发射效应。指当光照射到物体上使物体向真空中发射电子照

25、射到物体上使物体向真空中发射电子。它是真空光电器件光电阴极的物理基础。它是真空光电器件光电阴极的物理基础。1）外光电效应基本定律）外光电效应基本定律（1）光电发射第一定律）光电发射第一定律斯托列夫定律斯托列夫定律当照射到光阴极上的入射光频率或频谱成分当照射到光阴极上的入射光频率或频谱成分不变时，饱和光电流（即单位时间内发射的不变时，饱和光电流（即单位时间内发射的光电子数目）与入射光强度成正比：光电子数目）与入射光强度成正比：Ik：光电流光电流Sk：光强光强F0：该阴极对入射光线的灵敏度该阴极对入射光线的灵敏度（2）光电发射第二定律）光电发射第二定律爱因斯坦定律爱因斯坦定律 光电子的最大动能与入

26、射光的频率成正比，光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与入射光强度无关：而与入射光强度无关：Emax：光电子的最大初动能。光电子的最大初动能。h：普朗克常数。普朗克常数。v0：产生光电发射的极限频率，频率阈值。产生光电发射的极限频率，频率阈值。A：金属电子的逸出功，也称功函数，单位金属电子的逸出功，也称功函数，单位eV。波长阈值波长阈值光电发射效应具有瞬时性。光电发射效应具有瞬时性。延迟时间不超过延迟时间不超过3x10-13s，具有很高的频率响，具有很高的频率响应。应。2）光电发射的过程（三步）光电发射的过程（三步）电子吸收光子能量，从基态跃迁到能电子吸收光子能量，从基态跃迁到能量高于真空

27、能级的激发态。量高于真空能级的激发态。受激电子向表面运动，与电子、晶格受激电子向表面运动，与电子、晶格碰撞，损失部分能量。碰撞，损失部分能量。达到表面的电子，若有足够的能量足达到表面的电子，若有足够的能量足以克服表面势垒对电子的束缚（即逸以克服表面势垒对电子的束缚（即逸出功）时，即可从表面逸出。出功）时，即可从表面逸出。3）金属的光电发射）金属的光电发射逸出深度很浅逸出深度很浅几个几个nm逸出功逸出功 3eV可见光（可见光（410nm）能量小于）能量小于3eV，难以产生，难以产生光电发射。光电发射。铯（铯（2eV的逸出功）对可见光灵敏，但量子效的逸出功）对可见光灵敏，但量子效率很低（率很低（E

28、g时时,可产生本征光电导。可产生本征光电导。稳态光电导稳态光电导暗态：半导体无光照时暗态：半导体无光照时 亮态亮态：有光照时：有光照时 暗电导、亮电导、暗电暗电导、亮电导、暗电流、亮电流流、亮电流光电导：亮电导与暗电导之差光电导：亮电导与暗电导之差 光电流：亮电流与暗电流之差光电流：亮电流与暗电流之差 暗态下：暗态下：亮态下：亮态下：亮态与暗态之差：亮态与暗态之差：光致电导率的变化量：光致电导率的变化量2）光电导的弛豫过程）光电导的弛豫过程光电导材料从光照开始到获得稳定的光电光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流是要经过一定时间的。同样光照停止后流是要经过一定时间的。同样光照停止后光电流也是逐

29、渐消失的。这些现象称为弛光电流也是逐渐消失的。这些现象称为弛豫过程或惰性豫过程或惰性 矩形光照脉冲时：矩形光照脉冲时：上升时间常数上升时间常数r：光生载流子浓度从零光生载流子浓度从零增长到稳态值增长到稳态值63%时所需的时间时所需的时间。下降时间常数下降时间常数f：从停光前稳态值衰减到从停光前稳态值衰减到37%时所需的时间。时所需的时间。正弦光照时：正弦光照时：光生载流子浓度光生载流子浓度n0：中频时非平衡载流子浓度。：中频时非平衡载流子浓度。：圆频率，：圆频率，=2f。：非平衡载流子平均寿命，在这里称时间常：非平衡载流子平均寿命，在这里称时间常数。数。n 随随的增加而减小的增加而减小3）光电

30、导增益）光电导增益长度为长度为L的光电导体在两端加上电压的光电导体在两端加上电压U后，后，由光照产生的光生载流子在电场作用下形成由光照产生的光生载流子在电场作用下形成的外电流与光生载流子在内部形成的光电流的外电流与光生载流子在内部形成的光电流之比。之比。为为器件的器件的时间时间响响应应；tdr载流子在两极间渡载流子在两极间渡越时间。越时间。减小电极之间的距离，从而既可减小载流减小电极之间的距离，从而既可减小载流子的有效极间渡越时间，也有利于提高灵子的有效极间渡越时间，也有利于提高灵敏度。敏度。l光电导增益与带宽之积为一常数光电导增益与带宽之积为一常数 光电导增益与带宽成反比关系。光电导增益与带

31、宽成反比关系。4）杂质光电导效应）杂质光电导效应为杂质的电离能很小。为了避免热激发的载流为杂质的电离能很小。为了避免热激发的载流子产生的噪声超过光激发的信号载流子，多数子产生的噪声超过光激发的信号载流子，多数杂质半导体光电导器件都必须工作在低温状态，杂质半导体光电导器件都必须工作在低温状态，因此在使用中常将光电器件放在装有制冷剂的因此在使用中常将光电器件放在装有制冷剂的容器中。容器中。3、光生伏特效应、光生伏特效应光照使不均匀半导体或半导体与金属组合光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象称为光生的不同部位之间产生电位差的现象称为光生伏特效应，简称光伏效应。伏特效应，

32、简称光伏效应。1）热平衡下的）热平衡下的PN结结热平衡下，单纯的热平衡下，单纯的N型和型和P型半导体模型及能型半导体模型及能带图：带图：PN结模型及能带图：结模型及能带图：结区内形成一个由结区内形成一个由N指向指向P的电场，称为内的电场，称为内建电场。该电场形成势垒，使能级发生弯曲。建电场。该电场形成势垒，使能级发生弯曲。2）光照下的）光照下的PN结结当当P-N结受光照时，样品对光子的本征吸结受光照时，样品对光子的本征吸收和非本征吸收都将产生光生载流子。但收和非本征吸收都将产生光生载流子。但能引起光伏效应的只能是本征吸收所激发能引起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子。的少数载流子。N区

33、边界积累光生电子区边界积累光生电子P区边界积累光生空穴区边界积累光生空穴产生光生电场产生光生电场 PN势垒降低势垒降低结电流结电流 PN；光电流；光电流 NP3）PN结电流方程结电流方程I：总电流：总电流Ip：光生电流：光生电流Is：PN结反向饱和电流结反向饱和电流V：PN结两端电压（包括外加电压，光生电结两端电压（包括外加电压，光生电压）压）开路电压：开路电压：I=0负载时的电压：负载时的电压：光电流（短路电流）：光电流（短路电流）：V=0 光伏器件的响应速度比光电导器件快。光伏器件的响应速度比光电导器件快。4、光热效应、光热效应某些物质在受到光照射后，由于温度变化某些物质在受到光照射后，由

34、于温度变化而造成材料性质发生变化的现象。而造成材料性质发生变化的现象。热释电效应热释电效应辐射热计效应辐射热计效应温差电效应温差电效应 1）热释电效应）热释电效应 光辐射强度变化光辐射强度变化物质温度变化物质温度变化自发辐自发辐射极化强度变化射极化强度变化表面的电荷面密度表面的电荷面密度温度温度 极化强度极化强度 电荷面密度电荷面密度响应速度快，弛豫时间约响应速度快，弛豫时间约10-12s2）辐射热计效应）辐射热计效应入射光的照射使材料由于受热而造成电入射光的照射使材料由于受热而造成电阻率变化的现象称为测辐射热计效应阻率变化的现象称为测辐射热计效应。为电为电阻温度系数阻温度系数 金属：金属：半

35、半导导体：体：3）温差效应）温差效应两种不同材料制成的结点由于受到某种因两种不同材料制成的结点由于受到某种因素作用而出现了温差，就有可能在两结点素作用而出现了温差，就有可能在两结点间产生电动势间产生电动势，称为温差电效应，称为温差电效应。l l辐射度量与光度量辐射度量与光度量l l半导体物理基础半导体物理基础l l光电检测器件的物理基础光电检测器件的物理基础l l光电检测器件的特性参数光电检测器件的特性参数光电检测器件的特点光电检测器件的特点:响应波长有选择响应波长有选择响应快响应快1、有关响应方面的特性参数、有关响应方面的特性参数响应度、光谱响应度、积分响应度、响应时响应度、光谱响应度、积分

36、响应度、响应时间、频率响应间、频率响应2.4光电检测器件的特性参数光电检测器件的特性参数1）响应度（或称灵敏度）响应度（或称灵敏度）定义为光电检测器输出电压定义为光电检测器输出电压 V0或输出电流或输出电流 I0与入射光功率与入射光功率P（或通量（或通量）之比。）之比。2）光谱响应度）光谱响应度 光电检测器的输出电压或输出电流与入射到光电检测器的输出电压或输出电流与入射到检测器上的单色辐通量（光通量）之比。检测器上的单色辐通量（光通量）之比。电压响应度：电压响应度：电流响应度电流响应度：光谱响应度是表述入射的单色通量或光通量光谱响应度是表述入射的单色通量或光通量所产生的检测器的输出电压（或电流

37、）。它所产生的检测器的输出电压（或电流）。它的值愈大意味着检测器愈灵敏。的值愈大意味着检测器愈灵敏。3）积分响应度）积分响应度积分响应度表示检测器对各种波长的辐射光积分响应度表示检测器对各种波长的辐射光连续辐射通量的反应程度。连续辐射通量的反应程度。总通量：总通量：光电流：光电流：积分响应度：积分响应度：不同的辐射源，或不同色温的同一辐射源所不同的辐射源，或不同色温的同一辐射源所发生的光谱量分布也不同，因此提供数据时发生的光谱量分布也不同，因此提供数据时应指明采用的辐射源及其色温。应指明采用的辐射源及其色温。4）响应时间）响应时间当入射辐射到光电检测器后或入射辐射遮断当入射辐射到光电检测器后或

38、入射辐射遮断后，光电检测器的输出上升到稳定值或下降后，光电检测器的输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需时间称为响应时间。到照射前的值所需时间称为响应时间。上升时间上升时间：10%90%tr下降时间：下降时间：90%10%tf5）频率响应）频率响应光光电检测电检测器的响器的响应应随入射随入射辐辐射的射的调调制制频频率而率而变变化的特性称化的特性称为频为频率响率响应应 S(f):频频率率为为f时时的响的响应应度；度；S0:为频为频率是零率是零时时的响的响应应度；度；:为时间为时间常数（等于常数（等于RC）上限截止上限截止频频率：率：2、有关噪声方面的参数、有关噪声方面的参数1）光电检测器件的噪声

39、）光电检测器件的噪声热噪声、散粒噪声、产生热噪声、散粒噪声、产生-复合噪声、闪复合噪声、闪烁噪声等。烁噪声等。（1）热噪声（约翰逊噪声）热噪声（约翰逊噪声）热噪声即载流子无规则的热运动造成的噪热噪声即载流子无规则的热运动造成的噪声。声。热噪声电压：热噪声电压：热噪声电流：热噪声电流：散粒噪声也是白噪声。散粒噪声也是白噪声。（3）产生）产生-复合噪声复合噪声载流子的产生率和复合率在某个时间间隔也载流子的产生率和复合率在某个时间间隔也会在平均值上下起伏，从而导致载流子浓度会在平均值上下起伏，从而导致载流子浓度的起伏，产生均方噪声电流。的起伏，产生均方噪声电流。（2）散粒噪声（散弹噪声）散粒噪声（散

40、弹噪声）穿越势垒的载流子的随机涨落（统计起伏）穿越势垒的载流子的随机涨落（统计起伏）所造成的噪声。所造成的噪声。当当2f1时时，此时为白噪声。此时为白噪声。（4）闪烁噪声（）闪烁噪声（1/f噪声，低频噪声）噪声，低频噪声）光敏层的微粒不均匀或有不必要的微量杂质光敏层的微粒不均匀或有不必要的微量杂质存在，当电流流过上时在微粒间发生微火花存在，当电流流过上时在微粒间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲。放电而引起的微电爆脉冲。闪烁噪声：闪烁噪声：2）衡量噪声的参数）衡量噪声的参数信噪比、等效噪声输入、噪声等效功率、信噪比、等效噪声输入、噪声等效功率、暗电流等。暗电流等。（1）信噪比（）信噪比（S/N）

41、在负载电阻上产生的信号功率与噪声功率之在负载电阻上产生的信号功率与噪声功率之比比。分贝（即分贝（即dB）表示）表示（2）等效噪声输入（）等效噪声输入（NEI）器件在特定带宽内（器件在特定带宽内（1Hz）产生的均方根）产生的均方根信号电流恰好等于均方根噪声电流时的输入通信号电流恰好等于均方根噪声电流时的输入通量。量。输入通量以瓦或流明表示。输入通量以瓦或流明表示。（3）噪声等效功率（）噪声等效功率（NEP，最小可探测功率，最小可探测功率Pmin)S/N=1时，入射到探测器件上的辐射通量（瓦）时，入射到探测器件上的辐射通量（瓦）NEP越小，噪声越小，器件性能越好。越小，噪声越小，器件性能越好。（4

42、）暗电流）暗电流Is光电检测器件在没有输入信号和背景辐射光电检测器件在没有输入信号和背景辐射时所流过的电流（加电源时）时所流过的电流（加电源时）一般用直流值或平均值表示。一般用直流值或平均值表示。3、其他参数、其他参数量子效率、线性度、工作温度量子效率、线性度、工作温度（1）量子效率）量子效率在某一特定波长上每秒钟内产生的光电子数在某一特定波长上每秒钟内产生的光电子数目与入射光量子数之比。目与入射光量子数之比。量子流速率：量子流速率：每秒产生的光电子数：每秒产生的光电子数：量子效率：量子效率：2）线性度）线性度光电器件中的实际响应曲线接近拟合直线光电器件中的实际响应曲线接近拟合直线的程度的程度。用非线性误差来度量用非线性误差来度量：3）工作温度）工作温度温度对器件的信噪比、工作波长、响应度都温度对器件的信噪比、工作波长、响应度都会有影响。会有影响。