第2章__光電檢測技術基礎

1、cmcm ，單位m 。 cm或cm，計算出電阻為0.01或基本概念：基本概念：1、穩(wěn)態(tài)光電流：、穩(wěn)態(tài)光電流：穩(wěn)定均勻光照 2、暗電導率和暗電流、暗電導率和暗電流3、亮電導率和亮電流、亮電導率和亮電流 4、光電導和光電流、光電導和光電流 基本公式：基本公式：暗電導暗電導Gd=dS/L暗電流暗電流Id= dSU/L亮電導亮電導Gl= lS/L亮電流亮電流Il= lSU/L光電導光電導Gp= S/L光電流光電流Ip= SU/L光電導效應示意圖LS本征半導體樣品本征半導體樣品光光U 光電導效應指固體受光照而改變其電導率。此效應是最早光電導效應指固體受光照而改變其電導率。此效應是最早發(fā)現(xiàn)的光電現(xiàn)象。半導

2、體和絕緣體都有這種效應。發(fā)現(xiàn)的光電現(xiàn)象。半導體和絕緣體都有這種效應。 電導率正比于載流子濃度及其遷移率的乘積。電導率正比于載流子濃度及其遷移率的乘積。 入射光的光子能量等于或大于與該激發(fā)過程相應的能隙入射光的光子能量等于或大于與該激發(fā)過程相應的能隙 E (E (禁帶寬度或雜質能級到某一能帶限的距離禁帶寬度或雜質能級到某一能帶限的距離) )，也就是光電，也就是光電導有一個最大的響應波長，稱為光電導的長波限導有一個最大的響應波長，稱為光電導的長波限C C ， 若若C C 以以m m 計，計，E E 以以eV eV 計，則計，則C C與與EE的關系為的關系為 C C = 1.24 / E = 1.2

3、4 / E 就光電器件而言，重要的參數(shù)有靈敏度，弛豫時間和光譜就光電器件而言，重要的參數(shù)有靈敏度，弛豫時間和光譜分布。下面討論一下光電導體的這三個參數(shù)。分布。下面討論一下光電導體的這三個參數(shù)。 靈敏度通常指的是在一定條件下，單位照度所引起的光電靈敏度通常指的是在一定條件下，單位照度所引起的光電流。由于各種器件使用的范圍及條件不一致，因此靈敏度有各流。由于各種器件使用的范圍及條件不一致，因此靈敏度有各種不同的表示法。光電導體的靈敏度表示在一定光強下光電導種不同的表示法。光電導體的靈敏度表示在一定光強下光電導的強弱。它可以用光電增益的強弱。它可以用光電增益G G來表示：來表示： G = / tG

4、= / tL L ： （1 1） 式中式中為量子產額，即吸收一個光子所產生的電子空穴對數(shù)為量子產額，即吸收一個光子所產生的電子空穴對數(shù)；為光生載流子壽命；為光生載流子壽命；t tL L為載流子在光電導兩極間的渡越時間為載流子在光電導兩極間的渡越時間，一般有，一般有( (為遷移率為遷移率) ) t tL L = l /E = l= l /E = l2 2 /U /U （2 2） 將式（將式（1 1）代入式（）代入式（2 2）可得）可得 G = U/lG = U/l2 2 式中式中l(wèi) l為光電導體兩極間距；為光電導體兩極間距；為遷移率（為遷移率（遷移率是指載流子（電子和空穴）在單位電場作用下的平均

5、漂移速度，即載流子在電場作用下運動速度的快慢的量度，運動得越快，遷移率越大 ）；）；E E為兩極間的電場強度（為兩極間的電場強度（E=U/l ）；）；U U為外加電源電壓?？芍?，光電導體的非平衡載流子壽為外加電源電壓。可知，光電導體的非平衡載流子壽命命越長，遷移率越長，遷移率越大，光電導體的靈敏度（光電流或光電越大，光電導體的靈敏度（光電流或光電增益）就越高。而且，光電導體的靈敏度還與電極間距增益）就越高。而且，光電導體的靈敏度還與電極間距l(xiāng) l的平方的平方成反比。成反比。 如果在光電導體中自由電子與空穴均參與導電，那么，光電如果在光電導體中自由電子與空穴均參與導電，那么，光電增益的表達式為增

6、益的表達式為 G = (G = (n nn n +p pp p )U/l)U/l2 2 式中式中n n和和p p分別為自由電子和空穴的壽命；分別為自由電子和空穴的壽命；n n和和p p分別為自分別為自由電子和空穴的遷移率。由電子和空穴的遷移率。EtOi(%)tO1006337rf矩形光矩形光脈沖脈沖光電導對光強變化反應的惰性引起光電流變化的延遲 半導體的光電導與光照的波長有密切關系。測量光電半導體的光電導與光照的波長有密切關系。測量光電導的這種光譜分布是確定半導體材料光電導特性的一個重導的這種光譜分布是確定半導體材料光電導特性的一個重要方向，它是針對不同實際需要研制材料的一項重要依據(jù)。要方向，

7、它是針對不同實際需要研制材料的一項重要依據(jù)。如如PbSPbS（硫 化鉛），），PbSePbSe（硒化鉛），），PbTePbTe（碲化鉛）可以有）可以有效地利用到效地利用到10m10m的紅外光波段，而的紅外光波段，而CdSCdS（硫 化鎘 ）可以有）可以有效地利用到效地利用到X X光的短波范圍。光的短波范圍。IpPN_VD光照光照形成過程：形成過程：空穴空穴電子電子注意：注意：光伏效應與光照相光伏效應與光照相聯(lián)系的是少數(shù)載流聯(lián)系的是少數(shù)載流子的行為，少數(shù)載子的行為，少數(shù)載流子的壽命通常很流子的壽命通常很短。所以以光伏效短。所以以光伏效應為基礎的檢測器應為基礎的檢測器件比以光電導效應件比以光電導效

8、應為基礎的檢測器件為基礎的檢測器件有更快的響應速度。有更快的響應速度。PN結擴散形成勢壘結擴散形成勢壘eVd與與光電效應的區(qū)別：光電效應中，光子能量直接變?yōu)楣怆娮庸怆娦膮^(qū)別：光電效應中，光子能量直接變?yōu)楣怆娮拥哪芰浚鉄嵝?，光能量與晶格相互作用使其運動加劇，的能量，光熱效應中，光能量與晶格相互作用使其運動加劇，造成溫度的升高，從而引起物質相關電學特性變化。造成溫度的升高，從而引起物質相關電學特性變化。可可分為分為:熱釋電效應、輻射熱計效應及溫差電效應熱釋電效應、輻射熱計效應及溫差電效應 介介質溫度在光照作用下溫度發(fā)生變化，介質的極化強質溫度在光照作用下溫度發(fā)生變化，介質的極化強度隨溫度

9、變化而變化，引起表面電荷變化的現(xiàn)象。度隨溫度變化而變化，引起表面電荷變化的現(xiàn)象。 物理本質：極化晶體極化晶體：在外電場和應力為零情況下自身具有自發(fā)極化的晶體，原因是內部電偶極矩不為零(正負電荷中心不重合)，表面感應出束縛電荷。+-+-+-+-+-+-_P(T1)P(T2)+-+-+-+-+-+-_j工作溫度T1（左）和工作溫度T2T1（右）極化晶體表面束縛電荷，被周圍自由電荷不斷中和，表面無電荷。光照時，晶體溫度升高，電偶極子熱運動加劇，極化強度減弱，表面感應電荷數(shù)減小，但中和過程（達數(shù)秒）要遠大于極化強度的響應過程（10-12s），相當于釋放了一些電荷，對外表現(xiàn)為電流?？梢栽谶@些電荷被中和之

10、前測量到。熱釋電現(xiàn)象中：溫度對自發(fā)極化強度的影響。TcPTOTcPTO極化晶體的極化強度與溫度T的關系：一級相變（左）和二極相變（右）隨著溫度的升高，自發(fā)極化強度越來越弱，當達到一定溫度時，自發(fā)極化強度為零，極化晶體發(fā)生相變?yōu)榉菢O化晶體。入射光照射材料由于受而造成電阻率變化的現(xiàn)象稱為輻射熱計效應。由溫度引起電阻率變化。阻值與溫度變化關系：R=TRTT為電阻溫度系數(shù)R為元件電阻當溫度變化足夠小時， T=1/R*dR/dT對金屬材料，R=BT（溫度越高，電阻越大），則T=1/T，呈反比關系。對半導體材料，R與T具有指數(shù)關系，T=-B/T2。說明溫度越高，電阻溫度系數(shù)越小。B為常數(shù)，典型值3000K

11、。 由兩種不同材料制成的結點由于受到某種因素作用而出現(xiàn)了溫差，就有可能在兩結點間產生電動勢，回路中產生電流，這就是溫差電效應。當有光照其中一個結點1，使其與另一個結點2產生溫差，就會產生溫差電現(xiàn)象。溫差電動勢來源于結點處不同材料電子擴散形成的電動勢和導體兩端溫度不同形成的電動勢。xyT1T212導體a導體b 光電檢測器件利用物質的光電效應把光信號轉換成電信號的器件，它的性能對光電檢測系統(tǒng)影響很大。根據(jù)工作機理的不同，可分為光子檢測器件和熱電檢測器件。熱電檢測器件熱釋電檢測器（熱釋電效應）熱敏電阻（輻射熱計效應）熱電偶和熱電堆（溫差電效應）分類光子檢測器件電真空或光電發(fā)射型檢測器件固體或半導體光

12、電檢測器件光電管光電倍增管光導型：光敏電阻光伏型：光電池光電二、三極管光子檢測器件（即通常意義上的光電檢測器件）分類：熱敏檢測器件的特點： 1、響應波長無選擇性。對各種波長具有相同的敏感性。 2、響應慢。即吸收輻射后產生信號所需時間長，在毫秒量級光子檢測器件的特點： 1、響應波長有選擇性。存在截止波長。 2、響應快。一般為納秒到幾百微秒特性參數(shù)1、響應度（或稱靈敏度）S電壓響應度：SV=Vo/Pi電流響應度：SI=Io/Pi 其中：Vo和Io分別為光電檢測器輸出電壓和輸出電流。P為入射光功率（或用通量表示）。2、光譜響應度S()光譜響應度：S()=Vo/() (V/W)S()=Io/() (A

13、/W)()為入射的單色輻射通量或光通量。3、積分響應度S 表示檢測器對各種波長的輻射光連續(xù)輻射通量的反應程度，光電檢測器件輸出的電流或電壓與入射光通量之比。先計算各種輻射波長的總光通量再計算光電檢測器的長波限（工作區(qū)最長波長）和短波限光輻射引起的總輸出光電流I0 則積分響應度S=總輸出光電流I0/總光通量 4、響應時間： 響應時間是描述光電檢測器對入射輻射響應快慢的參數(shù)。即入射光輻射到檢測器后或入射光被遮斷后，光電檢測器件輸出上升到穩(wěn)定值或下降到照射前的值所需要的時間。 當一個輻射脈沖照射光電檢測器時，如果這個脈沖上升和下降時間很短，則光電檢測器由于惰性而有延遲。上升時間r和下降時間f矩形光矩

14、形光脈沖脈沖入入射射光光tOrfI光光tO10.10.95、頻率響應S(f)： 由于光電檢測器信號的產生和消失存在著一個滯后過程，所以入射光輻射的頻率對光電檢測器的響應將有很大的影響，把光電檢測器的響應隨入射輻射的調制頻率而變化的特性稱為頻率響應。 頻率響應關系： S(f)=S0/1+(2f)21/2 S0為頻率是零時的響應度；為時間常數(shù)。 可求得檢測器的上限截止頻率：f上=1/（2）可見： 光電檢測器電路時間常數(shù)決定了頻率響應帶寬6、熱噪聲： 當入射輻射功率很低時，輸出只是些雜亂無章的變化信號，無法肯定是否為入射輻射信號，這是檢測器固有的噪聲引起的。其時間平均值為零，但均方根不等于零，即存在

15、瞬時電流擾動。這個均方根電壓（或電流）即為噪聲電壓（流）。熱噪聲是由載流子無規(guī)則運動造成的。 熱噪聲電壓和電流均方值為：U=4kTRf I=4kT(f/R) 其中R為導體電阻，k為玻耳茲曼常數(shù)，T為導體的熱力學溫度，f為測量系統(tǒng)的噪聲帶寬。熱噪聲存在于任何電阻中，與溫度成正比，包含各種頻率，說明熱噪聲是由各種頻率分量組成，可稱為白噪聲。白噪聲圖像：電視無臺的雪花白噪聲聲音：對講機監(jiān)聽模式7、散粒噪聲：即穿越勢壘的載流子的隨機漲落（統(tǒng)計起伏）所造成的噪聲。理論表明，在每個時間段內，穿越勢壘區(qū)的載流子數(shù)或從陰極到陽極的電子數(shù)都在一個平均值上下起伏。這種起伏引起的均方噪聲電流為： I=2qIDCf

16、其中IDC為流過器件電流的直流分量（平均值）,q為電子電荷， 散粒噪聲也屬于白噪聲。8、信噪比（S/N）： 信噪比是判斷噪聲大小通常使用的參數(shù)。它是在負載電阻RL上產生的信號功率與噪聲功率比。 S/N=PS/PN=IS2RL/IN2RL=IS2/IN2用分貝（dB）表示： （S/N)dB=10lg(IS2/IN2)=20lg(IS/IN) S/N的大小與入射信號輻射功率及接收面積有關，入射輻射強，接收面積大，則S/N就大。如感光芯片CCD或CMOS，尺寸越大，圖像質量越好，單反相機的感光芯片為3624mm，蘋果iphone4s的感光芯片4*3mm。單反圖像質量好。9、線性度（用非線性誤差表示，誤差小，線性度高）： 線性度是描述光電檢測器輸出