光电探测器概述PPT格式课件下载.ppt

1、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

2、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

3、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

4、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。

5、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

6、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

7、，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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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