光电探测器概述PPT格式课件下载.ppt
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按工作转换机理分:
光子(光电)、热探测器,光电探测器件的工作原理是基于光电效应,而热探测器需要经过加热物体的中间过程,因此,前者反应速度快。
光电转换器件主要是利用物质的光电效应,即当物质在一定频率的光的照射下,释放出光电子的现象。
当光照射金属、金属氧化物或半导体材料的表面时,会被这些材料内的电子所吸收,如果光子的能量足够大,吸收光子后的电子可挣脱原子的束缚而逸出材料表面,这种电子称为光电子,这种现象称为光电子发射,又称为外光电效应。
有些物质受到光照射时,其内部原子释放电子,但电子仍留在物体内部,使物体的导电性增加,这种现象称为内光电效应。
半导体的特点:
由于原子间的相互作用而使能级分裂,离散的能级形成能带。
分为价带、导带和禁带。
半导体的能带结构,价带:
晶体中原子的内层电子能级相对应的能带被电子所填满,这种能带称为价带;
导带:
价带以上未被电子填满或者是空的能带称为导带;
禁带:
导带和价带之间的能隙称为禁带。
导带底和价带顶的能级间隙就是禁带宽度Eg。
半导体可分为本征半导体.P型半导体.N型半导体。
本征半导体:
硅和锗都是半导体,而纯硅和锗晶体称本征半导体。
硅和锗为4价元素,其晶体结构稳定。
半导体类型,杂质半导体的形成:
通过扩散工艺,在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素,可得到杂质半导体。
N型半导体:
在纯净的硅晶体中掺入五价元素(如磷),使之取代晶格中硅原子的位置,就形成了N型半导体。
N型半导体,N型半导体:
由于杂质原子的最外层有5个价电子,所以除了与周围硅原子形成共价键外,还多出一个电子。
在常温下,由于热激发,就可使它们成为自由电子,显负电性。
这N是从“Negative(负)”中取的第一个字母。
结论:
N型半导体的导电特性:
是靠自由电子导电,掺入的杂质越多,多子(自由电子)的浓度就越高,导电性能也就越强。
多子:
N型半导体中,自由电子的浓度大于空穴的浓度,称为多数载流子,简称多子。
少子:
空穴为少数载流子,简称少子。
施主原子:
杂质原子可以提供电子,称施子原子。
P型半导体:
在纯净的4价本征半导体(如硅晶体)中混入了3价原子,譬如极小量(一千万之一)的硼合成晶体,使之取代晶格中硅原子的位置,形成P型半导体。
空穴的产生:
由于杂质原子的最外层有3个价电子,当它们与周围的硅原子形成共价键时,就产生了一个“空位”(空位电中性),当硅原子外层电子由于热运动填补此空位时,杂质原子成为不可移动的负离子,同时,在硅原子的共价键中产生一个空穴,由于少一电子,所以带正电。
P型取“Positve(正)”一词的第一个字母。
P型半导体,结论:
1、多子的浓度决定于杂质浓度。
原因:
掺入的杂质使多子的数目大大增加,使多子与少子复合的机会大大增多。
因此,对于杂质半导体,多子的浓度愈高,少子的浓度就愈低。
2、少子的浓度决定于温度。
少子是本征激发形成的,与温度有关。
P型半导体中,多子为空穴。
为电子。
受主原子:
杂质原子中的空位吸收电子,称受主原子。
P型半导体杂质浓度越高,费米能级越低,N型半导体杂质浓度越高,费米能级越高。
PN结的能带结构,价带,导带,能隙,EF,结区,P区,N区,PN结的形成,当型半导体和型半导体结合在一起时,由于交界面处存在载流子浓度的差异,电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。
电子和空穴都是带电的,它们扩散的结果就使区和区中原来的电中性条件破坏了。
区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子,区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子。
这些不能移动的带电粒子通常称为空间电荷,它们集中在区和区交界面附近形成了一个很薄的空间电荷区,即PN的结。
这个区域内多数载流子已扩散到对方并复合掉了,或者说消耗殆尽了,因此,空间电荷区又称为耗尽层。
区一侧呈现负电荷,区一侧呈现正电荷,因此空间电荷区出现了方向由区指向区的电场,由于这个电场是载流子扩散运动形成的,而不是外加电压形成的,故称为内电场。
它对多数载流子的扩散运动起阻挡作用,所以空间电荷区又称为阻挡层。
内电场是由多子的扩散运动引起的,伴随着它的建立将带来两种影响:
一是内电场将阻碍多子的扩散,二是P区和N区的少数载流子(P区的自由电子和N区的空穴)一旦靠近PN结,便在内电场的作用下漂移到对方,这种少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动,结果使空间电荷区变窄。
因此,扩散运动使空间电荷区加宽,内电场增强,有利于少子的漂移而不利于多子的扩散;
而漂移运动使空间电荷区变窄,内电场减弱,有利于多子的扩散而不利于少子的漂移。
在一定条件下(例如温度一定),多数载流子的扩散运动逐渐减弱,而少数载流子的漂移运动则逐渐增强,最后扩散运动和漂移运动达到动态平衡,交界面形成稳定的空间电荷区,即PN结处于动态平衡。
结的单向导电性,
(1)外加正向电压(正偏),PN结上加正向电压,外电场与内电场方向相反,扩散与漂移运动平衡被破坏。
外电场驱使P区空穴进入空间电荷区抵消一部分负电荷,同时N区自由电子进入空间电荷区抵消一部分正电荷,则空间电荷区变窄,内电场被削弱,多子的扩散运动增强,形成较大的扩散电流(由P区流向N区的正向电流)。
在一定范围内,外电场愈强,正向电流愈大,这时PN结呈现的电阻很低,即PN结处于导通状态。
发光二极管,
(2)外加反向电压(反偏),在PN结上加反向电压,外电场与内电场的方向一致,扩散与漂移运动的平衡同样被破坏。
外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走,于是空间电荷区变宽,内电场增强,使多数载流子的扩散运动难于进行,同时加强了少数载流子的漂移运动,形成由N区流向P区的反向电流。
由于少数载流子数量很少,因此反向电流不大,PN结的反向电阻很高,即PN结处于截止状态。
光电二极管,外加反偏电压于结内电场方向一致,没有光照时,反向电流很小(一般小于0.1微安),称为暗电流。
当有光照时,携带能量的光子进入PN结后,把能量传给共价键上的束缚电子,使部分电子挣脱共价键,从而产生电子-空穴对,称为光生载流子。
它们在反向电压作用下参加漂移运动,电子被拉向n区,空穴被拉向p区而形成光电流,使反向电流明显变大。
同时势垒区一侧一个扩散长度内的光生载流子先向势垒区扩散,然后在势垒区电场的作用下也参与导电。
光的强度越大,反向电流也越大。
光电二极管在一般照度的光线照射下,所产生的电流叫光电流。
如果在外电路上接上负载,负载上就获得了电信号,而且这个电信号随着光的变化而相应变化。
光电探测器
(1),光电子发射探测器(光电子发射效应或外光电效应),金属氧化物或半导体表面,自由电子,光辐射,光电导探测器(光电导效应或内光电效应),半导体材料,自由电子空穴,光辐射,电导率变化,光电探测器
(2),光伏探测器(光生伏特效应或内光电效应),金属氧化物或半导体表面,电子空穴对,光辐射,光电磁探测器(光电磁效应或内光电效应),垂直磁场中的半导体材料,载流子浓度梯度,光辐射,光磁电动势,光电池、光电二极管、雪崩光电二极管、PIN管及光电晶体管,光生电动势,光电探测器特点,选择性探测器,即光子波长有长波限。
波长长于长波限的入射辐射不能产生所需的光子效应,因此无法被探测。
波长短于长波限的入射辐射,功率一定时,波长越短,光子数越少,因此光子探测器的理论响应率应正比于波长。
热探测器(光热效应),热探测器,物理性质变化,温差电动(温差电效应),电阻率变化(测辐射热计效应),自发极化强度变化(热释电效应),气体体积和压强变化,热探测器特点,非选择性探测器,光热效应与入射光子的性质无关,即光电信号取决于入射辐射功率与入射辐射的光谱成份无关。
不需制冷可在室温下工作比光子探测器有更宽的光谱响应范围,可在X射线和毫米波段使用。
但响应时间比光子探测器长。
且取决于热探测器热容量的大小和散热的快慢。
2-2光电探测器的响应性能参数,光电探测器的定义,定义:
光子探测器是指入射在光探测器上的光辐射能,它以光子的形式与光子探测器材料内受束缚的电子相互作用(光电子效应),从而逸出表面或释放出自由电子和自由空穴来参与导电的器件。
光电磁效应,光电子发射效应,光电导效应,光生伏特效应,2.2.1光电探测器的工作条件,1.辐射源的光谱分布(如单色、黑体、调制)2.电路的通频带和带宽(噪声的影响)3.工作温度:
295K、195K、77K、20.4K、4.2K4.光敏面尺寸:
1cm25.偏置情况,光电探测器和其它器件一样,有一套根据实际需要而制定的特性参数。
它是在不断总结各种光电探测器的共同基础上而给以科学定义的,所以这一套性能参数科学地反映了各种探测器的共同因素。
依据这套参数,可以评价探测器性能的优劣,比较不同探测器之间的差异,从而达到根据需要合理选择和正确使用光电探测器的目的。
显然,了解各种性能参数的物理意义十分重要。
2.2.2响应性能参数,响应率(度)RV、RI单位入射光功率作用下探测器的输出电压(流),即灵敏度。
器件对全色入射辐射的响应能力,定义为器件的输出信号与输入辐射功率之比,用R来表示。
输出信号用电压表示:
输出信号用电流表示:
2.单色灵敏度(光谱响应度),光电探测器在单位单色辐射通量(光通量)照射下得到输出电压(流);
即探测器的输出电压(流)与入射到探测器上单色辐射通量(光通量)之比。
器件对单色入射辐射的响应能力。
实用表示法,用光谱量子效率来表示光谱响应率,定义:
NP:
入射辐射量子数,NS:
由NP产生的信号量子数,由于光谱量子效率和光谱响应率R表示的是同一事件,所以它们之间必有联系:
e:
电子电量,c:
真空光速,h:
普朗克常数,注意:
光谱响应率和光谱量子效率仅由器件的响应特性所决定,而与光源无关。
由上式可绘出R曲线,称为等量子效率曲线。
R关系曲线即光谱响应随波长的变化关系,因此,R曲线也称为光谱响应特性曲线。
由上式可得,3.积分响应度R,探测器对连续辐射通量(光通量)的响应程度;
即探测器的输出电压(流)与入射到探测器上总辐射通量(光通量)之比。
4.时间响应特性,探测器对变化信号响应快慢的能力。
理想器件的响应脉冲与辐射脉冲是一致的。
实际器件的响应都具有滞后现象(惰性):
描述时间响应特性的参数:
弛豫时间和幅频特性。
弛豫时间:
响应落后于作用信号的现象称为弛豫。
弛豫时间也称为时间常数。
弛豫时间的定义1:
(1)起始弛豫(上升时间常数)器件的响应从零上升至稳定值的90%时所需的时间t1;
(2)衰减弛豫(下降时间常数)当信号撤去后,器件的响应从稳定值下降至稳定值的10%时所需的时间t2。
(1)起始弛豫定义为响应值上升至稳定值的时所需的时间,约为63%;
(2)衰减弛豫定义为响应值下降至