第2章__光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)

1、cmcm ，單位m 。 cm或cm，計(jì)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(dǎo)率和暗電流、暗電導(dǎo)率和暗電流3、亮電導(dǎo)率和亮電流、亮電導(dǎo)率和亮電流 4、光電導(dǎo)和光電流、光電導(dǎo)和光電流 基本公式：基本公式：暗電導(dǎo)暗電導(dǎo)Gd=dS/L暗電流暗電流Id= dSU/L亮電導(dǎo)亮電導(dǎo)Gl= lS/L亮電流亮電流Il= lSU/L光電導(dǎo)光電導(dǎo)Gp= S/L光電流光電流Ip= SU/L光電導(dǎo)效應(yīng)示意圖LS本征半導(dǎo)體樣品本征半導(dǎo)體樣品光光U 光電導(dǎo)效應(yīng)指固體受光照而改變其電導(dǎo)率。此效應(yīng)是最早光電導(dǎo)效應(yīng)指固體受光照而改變其電導(dǎo)率。此效應(yīng)是最早發(fā)現(xiàn)的光電現(xiàn)象。半導(dǎo)

2、體和絕緣體都有這種效應(yīng)。發(fā)現(xiàn)的光電現(xiàn)象。半導(dǎo)體和絕緣體都有這種效應(yīng)。 電導(dǎo)率正比于載流子濃度及其遷移率的乘積。電導(dǎo)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(yīng)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(yīng)的能隙 E (E (禁帶寬度或雜質(zhì)能級(jí)到某一能帶限的距離禁帶寬度或雜質(zhì)能級(jí)到某一能帶限的距離) )，也就是光電，也就是光電導(dǎo)有一個(gè)最大的響應(yīng)波長，稱為光電導(dǎo)的長波限導(dǎo)有一個(gè)最大的響應(yīng)波長，稱為光電導(dǎo)的長波限C C ， 若若C C 以以m m 計(jì)，計(jì)，E E 以以eV eV 計(jì)，則計(jì)，則C C與與EE的關(guān)系為的關(guān)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(shí)間和光譜就光電器件而言，重要的參數(shù)有靈敏度，弛豫時(shí)間和光譜分布。下面討論一下光電導(dǎo)體的這三個(gè)參數(shù)。分布。下面討論一下光電導(dǎo)體的這三個(gè)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(dǎo)體的靈敏度表示在一定光強(qiáng)下光電導(dǎo)種不同的表示法。光電導(dǎo)體的靈敏度表示在一定光強(qiáng)下光電導(dǎo)的強(qiáng)弱。它可以用光電增益的強(qiáng)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(chǎn)額，即吸收一個(gè)光子所產(chǎn)生的電子空穴對(duì)數(shù)為量子產(chǎn)額，即吸收一個(gè)光子所產(chǎn)生的電子空穴對(duì)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(dǎo)兩極間的渡越時(shí)間為載流子在光電導(dǎo)兩極間的渡越時(shí)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(dǎo)體兩極間距；為光電導(dǎo)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(yùn)動(dòng)速度的快慢的量度，運(yùn)動(dòng)得越快，遷移率越大 ）；）；E E為兩極間的電場強(qiáng)度（為兩極間的電場強(qiáng)度（E=U/l ）；）；U U為外加電源電壓。可知，光電導(dǎo)體的非平衡載流子壽為外加電源電壓?？芍?，光電導(dǎo)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(dǎo)體的靈敏度（光電流或光電越大，光電導(dǎo)體的靈敏度（光電流或光電增益）就越高。而且，光電導(dǎo)體的靈敏度還與電極間距增益）就越高。而且，光電導(dǎo)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(dǎo)體中自由電子與空穴均參與導(dǎo)電，那么，光電如果在光電導(dǎo)體中自由電子與空穴均參與導(dǎo)電，那么，光電增益的表達(dá)式為增

6、益的表達(dá)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(dǎo)對(duì)光強(qiáng)變化反應(yīng)的惰性引起光電流變化的延遲 半導(dǎo)體的光電導(dǎo)與光照的波長有密切關(guān)系。測(cè)量光電半導(dǎo)體的光電導(dǎo)與光照的波長有密切關(guān)系。測(cè)量光電導(dǎo)的這種光譜分布是確定半導(dǎo)體材料光電導(dǎo)特性的一個(gè)重導(dǎo)的這種光譜分布是確定半導(dǎo)體材料光電導(dǎo)特性的一個(gè)重要方向，它是針對(duì)不同實(shí)際需要研制材料的一項(xiàng)重要依據(jù)。要方向，

7、它是針對(duì)不同實(shí)際需要研制材料的一項(xiàng)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(yīng)與光照相光伏效應(yīng)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(yīng)為基礎(chǔ)的檢測(cè)器應(yīng)為基礎(chǔ)的檢測(cè)器件比以光電導(dǎo)效應(yīng)件比以光電導(dǎo)效

8、應(yīng)為基礎(chǔ)的檢測(cè)器件為基礎(chǔ)的檢測(cè)器件有更快的響應(yīng)速度。有更快的響應(yīng)速度。PN結(jié)擴(kuò)散形成勢(shì)壘結(jié)擴(kuò)散形成勢(shì)壘eVd與與光電效應(yīng)的區(qū)別：光電效應(yīng)中，光子能量直接變?yōu)楣怆娮庸怆娦?yīng)的區(qū)別：光電效應(yīng)中，光子能量直接變?yōu)楣怆娮拥哪芰?，光熱效?yīng)中，光能量與晶格相互作用使其運(yùn)動(dòng)加劇，的能量，光熱效應(yīng)中，光能量與晶格相互作用使其運(yùn)動(dòng)加劇，造成溫度的升高，從而引起物質(zhì)相關(guān)電學(xué)特性變化。造成溫度的升高，從而引起物質(zhì)相關(guān)電學(xué)特性變化?？煽煞譃榉譃?熱釋電效應(yīng)、輻射熱計(jì)效應(yīng)及溫差電效應(yīng)熱釋電效應(yīng)、輻射熱計(jì)效應(yīng)及溫差電效應(yīng) 介介質(zhì)溫度在光照作用下溫度發(fā)生變化，介質(zhì)的極化強(qiáng)質(zhì)溫度在光照作用下溫度發(fā)生變化，介質(zhì)的極化強(qiáng)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(zhì)：極化晶體極化晶體：在外電場和應(yīng)力為零情況下自身具有自發(fā)極化的晶體，原因是內(nèi)部電偶極矩不為零(正負(fù)電荷中心不重合)，表面感應(yīng)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(shí)，晶體溫度升高，電偶極子熱運(yùn)動(dòng)加劇，極化強(qiáng)度減弱，表面感應(yīng)電荷數(shù)減小，但中和過程（達(dá)數(shù)秒）要遠(yuǎn)大于極化強(qiáng)度的響應(yīng)過程（10-12s），相當(dāng)于釋放了一些電荷，對(duì)外表現(xiàn)為電流?？梢栽谶@些電荷被中和之

10、前測(cè)量到。熱釋電現(xiàn)象中：溫度對(duì)自發(fā)極化強(qiáng)度的影響。TcPTOTcPTO極化晶體的極化強(qiáng)度與溫度T的關(guān)系：一級(jí)相變（左）和二極相變（右）隨著溫度的升高，自發(fā)極化強(qiáng)度越來越弱，當(dāng)達(dá)到一定溫度時(shí)，自發(fā)極化強(qiáng)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(jì)效應(yīng)。由溫度引起電阻率變化。阻值與溫度變化關(guān)系：R=TRTT為電阻溫度系數(shù)R為元件電阻當(dāng)溫度變化足夠小時(shí)， T=1/R*dR/dT對(duì)金屬材料，R=BT（溫度越高，電阻越大），則T=1/T，呈反比關(guān)系。對(duì)半導(dǎo)體材料，R與T具有指數(shù)關(guān)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(jié)點(diǎn)由于受到某種因素作用而出現(xiàn)了溫差，就有可能在兩結(jié)點(diǎn)間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，回路中產(chǎn)生電流，這就是溫差電效應(yīng)。當(dāng)有光照其中一個(gè)結(jié)點(diǎn)1，使其與另一個(gè)結(jié)點(diǎn)2產(chǎn)生溫差，就會(huì)產(chǎn)生溫差電現(xiàn)象。溫差電動(dòng)勢(shì)來源于結(jié)點(diǎn)處不同材料電子擴(kuò)散形成的電動(dòng)勢(shì)和導(dǎo)體兩端溫度不同形成的電動(dòng)勢(shì)。xyT1T212導(dǎo)體a導(dǎo)體b 光電檢測(cè)器件利用物質(zhì)的光電效應(yīng)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件，它的性能對(duì)光電檢測(cè)系統(tǒng)影響很大。根據(jù)工作機(jī)理的不同，可分為光子檢測(cè)器件和熱電檢測(cè)器件。熱電檢測(cè)器件熱釋電檢測(cè)器（熱釋電效應(yīng)）熱敏電阻（輻射熱計(jì)效應(yīng)）熱電偶和熱電堆（溫差電效應(yīng)）分類光子檢測(cè)器件電真空或光電發(fā)射型檢測(cè)器件固體或半導(dǎo)體光

12、電檢測(cè)器件光電管光電倍增管光導(dǎo)型：光敏電阻光伏型：光電池光電二、三極管光子檢測(cè)器件（即通常意義上的光電檢測(cè)器件）分類：熱敏檢測(cè)器件的特點(diǎn)： 1、響應(yīng)波長無選擇性。對(duì)各種波長具有相同的敏感性。 2、響應(yīng)慢。即吸收輻射后產(chǎn)生信號(hào)所需時(shí)間長，在毫秒量級(jí)光子檢測(cè)器件的特點(diǎn)： 1、響應(yīng)波長有選擇性。存在截止波長。 2、響應(yīng)快。一般為納秒到幾百微秒特性參數(shù)1、響應(yīng)度（或稱靈敏度）S電壓響應(yīng)度：SV=Vo/Pi電流響應(yīng)度：SI=Io/Pi 其中：Vo和Io分別為光電檢測(cè)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(yīng)度S()光譜響應(yīng)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(yīng)度S 表示檢測(cè)器對(duì)各種波長的輻射光連續(xù)輻射通量的反應(yīng)程度，光電檢測(cè)器件輸出的電流或電壓與入射光通量之比。先計(jì)算各種輻射波長的總光通量再計(jì)算光電檢測(cè)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(yīng)度S=總輸出光電流I0/總光通量 4、響應(yīng)時(shí)間： 響應(yīng)時(shí)間是描述光電檢測(cè)器對(duì)入射輻射響應(yīng)快慢的參數(shù)。即入射光輻射到檢測(cè)器后或入射光被遮斷后，光電檢測(cè)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(shí)間。 當(dāng)一個(gè)輻射脈沖照射光電檢測(cè)器時(shí)，如果這個(gè)脈沖上升和下降時(shí)間很短，則光電檢測(cè)器由于惰性而有延遲。上升時(shí)間r和下降時(shí)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(yīng)S(f)： 由于光電檢測(cè)器信號(hào)的產(chǎn)生和消失存在著一個(gè)滯后過程，所以入射光輻射的頻率對(duì)光電檢測(cè)器的響應(yīng)將有很大的影響，把光電檢測(cè)器的響應(yīng)隨入射輻射的調(diào)制頻率而變化的特性稱為頻率響應(yīng)。 頻率響應(yīng)關(guān)系： S(f)=S0/1+(2f)21/2 S0為頻率是零時(shí)的響應(yīng)度；為時(shí)間常數(shù)。 可求得檢測(cè)器的上限截止頻率：f上=1/（2）可見： 光電檢測(cè)器電路時(shí)間常數(shù)決定了頻率響應(yīng)帶寬6、熱噪聲： 當(dāng)入射輻射功率很低時(shí)，輸出只是些雜亂無章的變化信號(hào)，無法肯定是否為入射輻射信號(hào)，這是檢測(cè)器固有的噪聲引起的。其時(shí)間平均值為零，但均方根不等于零，即存在

15、瞬時(shí)電流擾動(dòng)。這個(gè)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(yùn)動(dòng)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(dǎo)體電阻，k為玻耳茲曼常數(shù)，T為導(dǎo)體的熱力學(xué)溫度，f為測(cè)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(tái)的雪花白噪聲聲音：對(duì)講機(jī)監(jiān)聽模式7、散粒噪聲：即穿越勢(shì)壘的載流子的隨機(jī)漲落（統(tǒng)計(jì)起伏）所造成的噪聲。理論表明，在每個(gè)時(shí)間段內(nèi)，穿越勢(shì)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(gè)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(fù)載電阻RL上產(chǎn)生的信號(hào)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(hào)輻射功率及接收面積有關(guān)，入射輻射強(qiáng)，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(zhì)量越好，單反相機(jī)的感光芯片為3624mm，蘋果iphone4s的感光芯片4*3mm。單反圖像質(zhì)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(cè)器輸出