第十二章光電探測器Beta

第十二章光電探測器Beta第1頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月引言光電探測器的性能參數(shù)光電探測器的噪聲半導(dǎo)體光電探測器光電導(dǎo)探測器光伏探測器光電池光電二極管光電三級管半導(dǎo)體器件的選擇CCD探測器第2頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月引言探測器:光電子系統(tǒng)中，因為光波具有容量大、速度快、保密性好和抗干擾能力強等優(yōu)點，常用光波調(diào)制使光載波攜帶信息。對于光輻射的探測也顯得尤為重要。把光輻射的能量變成其它能量形式（如電、熱等）的信息，再通過對這些信息的測量，實現(xiàn)對光輻射的探測。光電探測器:從近代測量技術(shù)來看，電量測量不僅是最方便，而且是最精確的，所以大部分光探測器都是直接或間接把光輻射能量轉(zhuǎn)化為電量，第3頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月引言光電探測的物理效應(yīng)主要分為三類，其中光電效應(yīng)應(yīng)用得最為廣泛光電效應(yīng)：入射光的光子與物質(zhì)中的電子直接作用，改變電子的運動狀態(tài)，產(chǎn)生載流子。光熱效應(yīng)：光子不是直接與電子起作用，而是能量被固體晶格振動吸收，引起固體的溫度升高，導(dǎo)致固體電學(xué)性質(zhì)的改變。波相互作用效應(yīng)：激光與某些敏感材料相互作用過程中產(chǎn)生的一些參量效應(yīng)，包括非線性光學(xué)效應(yīng)和超導(dǎo)量子效應(yīng)。第4頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月引言光電效應(yīng)：根據(jù)效應(yīng)發(fā)生的部位和性質(zhì)，分為：外光電效應(yīng)：指發(fā)生在物質(zhì)表面上的光電轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，主要包括光陰極直接向外部發(fā)射電子的現(xiàn)象。典型的例子是物質(zhì)表面的光電發(fā)射。這種效應(yīng)多發(fā)生于金屬和金屬物。內(nèi)光電效應(yīng)：指發(fā)生在物質(zhì)內(nèi)部的光電轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，特別是半導(dǎo)體內(nèi)部載流子光生效應(yīng)。主要包括光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)、光子牽引效應(yīng)和光磁電效應(yīng)等。這種效應(yīng)多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。第5頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月外光電效應(yīng):光致發(fā)射1)光陰極型:

普通型,

負電子親和型

2)增益型:

氣體雪崩型光電倍增型G—10E6

通道電子倍增型第6頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)光電效應(yīng):光子不逸出表面激發(fā)附加載流子

光電導(dǎo)效應(yīng),光伏效應(yīng),光電磁效應(yīng),登布效應(yīng),光敏晶體管自由載流子擾動

光子牽引,熱電子輻射計,Putley探測器局部擾動紅外量子計數(shù)器,閃爍體,感光膠片第7頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月引言光電效應(yīng)類探測器吸收光子后，直接引起原子或分子的內(nèi)部電子狀態(tài)改變，即光子能量的大小直接影響內(nèi)部電子狀態(tài)改變的大小，因而這類探測器受波長限制，存在“紅限”截至波長

E在外光電效應(yīng)中為表面逸出功，在內(nèi)光電效應(yīng)中為半導(dǎo)體禁帶寬度。光熱效應(yīng)類探測器對光波波長沒有選擇性，但是由于材料在紅外波段的熱效應(yīng)更強，因而廣泛用于對紅外輻射，特別是長波長的紅外線的測量，由于溫度的升高需要熱積累，所以探測器的速度較慢，而且容易受環(huán)境的影響。第8頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月引言光電探測器的性能參數(shù)光電探測器的噪聲半導(dǎo)體光電探測器光電導(dǎo)探測器光伏探測器光電池光電二極管光電三級管半導(dǎo)體器件的選擇CCD探測器第9頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電探測器的性能參數(shù)響應(yīng)度/靈敏度

或

單位入射功率下探測器的輸出信號（電壓或電流）第10頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電探測器的性能參數(shù)光譜響應(yīng)度

或

單位光功率單色光照射下探測器的輸出信號（電壓或電流）光譜響應(yīng)

光譜響應(yīng)度隨波長的變化關(guān)系稱為光譜響應(yīng)光譜響應(yīng)寬度:峰值一半處的波長響應(yīng)范圍.第11頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月信號噪聲比光電探測器的性能參數(shù)噪聲等效功率

NEP

入射光功率通常按某一頻率變化，當探測器輸出信號電壓的有效值等于噪聲均方根電壓值時所對應(yīng)的入射光功率探測度D

探測器探測能力的指標，D越大，噪聲等效功率越小，探測器性能越好第12頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電探測器的性能參數(shù)光電流與入射光功率成正比

量子效率

代表入射到探測器的單個光子所能產(chǎn)生的光電子數(shù)目光電轉(zhuǎn)換因子能量為hv的一個光子在探測器中能產(chǎn)生的具有電量為e的光電子數(shù)量單位時間內(nèi)光子所激勵的光電子數(shù)單位時間內(nèi)入射到探測器表面的光子數(shù)第13頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電探測器的性能參數(shù)時間常數(shù)

探測器的惰性：

當入射光功率發(fā)生突然變化時（如開始或停止照射），光電探測器的輸出總不能完全跟隨輸入而變化。通常用時間常數(shù)來衡量在階躍輸入光功率條件下，光電探測器輸出電流為

當時，(穩(wěn)態(tài)值)

稱為時間常數(shù)

第14頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月頻率響應(yīng)

——探測器的響應(yīng)度隨入射光調(diào)制頻率的變化特征多數(shù)探測器的響應(yīng)度與調(diào)制頻率的關(guān)系為當時，

光電探測器的性能參數(shù)調(diào)制頻率ｆ＝０時的響應(yīng)度調(diào)制頻率探測器的截止頻率探測器時間常數(shù)決定了頻率響應(yīng)的寬度第15頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電探測器的性能參數(shù)線性度

探測器的輸出光電流（或光電壓）與輸入光功率成線性變化的程度和范圍。

一般來說，弱光強光第16頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月引言光電探測器的性能參數(shù)光電探測器的噪聲半導(dǎo)體光電探測器光電導(dǎo)探測器光伏探測器光電池光電二極管光電三級管半導(dǎo)體器件的選擇CCD探測器第17頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電探測器的噪聲探測器在完成光電轉(zhuǎn)化過程中，不僅給出表征被測對象的電壓、電流信號，同時也伴隨著無用噪聲的電壓、電流信號，這是一種起伏信號，其大小決定了探測器的探測能力計量起伏噪聲（以起伏噪聲電壓為例，噪聲電流類似）

噪聲電壓平均值的瞬間振幅和相位隨時間呈無規(guī)則變化

均方值完全確定，表示單位電阻上所消耗的噪聲平均功率

—計量噪聲電壓大小

—起伏噪聲電壓有效值

記為記為

第18頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電探測器的噪聲總起伏噪聲

產(chǎn)生起伏噪聲的電壓因素很多，且彼此之間相互獨立。

熱噪聲

暗電流噪聲散粒噪聲低頻噪聲等第19頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電探測器的噪聲熱噪聲來源于電阻內(nèi)部自由電子或電荷載流子的不規(guī)則熱運動計算公式：熱噪聲電壓、電流均方值

R—探測器內(nèi)阻或等效電阻T—探測溫度（K）

—波爾茲曼常數(shù)—電子帶寬額定噪聲功率

熱噪聲與T成正比，可通過降低探測器溫度來減少熱噪聲熱噪聲與電子帶寬成正比，而與頻率無關(guān)，頻譜無限寬，噪聲功率密度（4kTR）為常數(shù),為白噪聲熱噪聲與電阻中是否有電流無關(guān)電阻所能輸出的最大噪聲功率與電阻無關(guān)第20頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電探測器的噪聲暗電流噪聲來源：探測器接入電路后由于熱電子發(fā)射、場致發(fā)射或半導(dǎo)體中晶格熱振動所激發(fā)出來的載流子產(chǎn)生的電流，與外來光照射無關(guān)。定義：暗電流噪聲均方值

—暗電流平均值ｅ—電子電荷

R—探測器等效電阻—電子帶寬

暗電流噪聲與暗電流平均值成正比，可通過減少暗電流來減少噪聲暗電流噪聲與電子帶寬成正比，也為白噪聲第21頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電探測器的噪聲散粒噪聲來源：電子或光生載流子的粒子性例如：光電子發(fā)射探測器中，即使入射光平均輻射強度不變，

發(fā)射的光電子數(shù)也總是圍繞一個統(tǒng)計平均值做無規(guī)則伏。內(nèi)光電探測器中，光生載流子的產(chǎn)生和復(fù)合的隨機性，通過PN結(jié)的載流數(shù)總有微小的不規(guī)則起伏。定義：散粒噪聲的均方值

—通過探測器的平均電流Ｇ—探測器的電流內(nèi)增益第22頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電探測器的噪聲低頻噪聲來源：目前尚不清楚。主要表現(xiàn)在大約１千赫以下的低頻區(qū)域，且與調(diào)制頻率成反比，故稱為低頻噪聲。半導(dǎo)體表面有缺陷或不均勻時影響很大，故亦稱表面噪聲。定義Ａ—比例系數(shù)Ｉ—流過探測器的電流

通常近似取1

可以限制低頻端調(diào)制頻率來防止低頻噪聲第23頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月引言光電探測器的性能參數(shù)光電探測器的噪聲半導(dǎo)體光電探測器光電導(dǎo)探測器光伏探測器光電池光電二極管光電三級管半導(dǎo)體器件的選擇CCD探測器第24頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體光電探測器半導(dǎo)體光電探測器是利用半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng)制成的光電轉(zhuǎn)換器件分類

1）根據(jù)器件工作的物理過程

光電導(dǎo)型、光伏型、光子牽引型、光磁電型。

2）根據(jù)器件的構(gòu)造

均質(zhì)型、結(jié)型

第25頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月引言光電探測器的性能參數(shù)光電探測器的噪聲半導(dǎo)體光電探測器光電導(dǎo)探測器光伏探測器光電池光電二極管光電三級管半導(dǎo)體器件的選擇CCD探測器第26頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電導(dǎo)探測器光電導(dǎo)效應(yīng)

光電導(dǎo)效應(yīng)是多數(shù)載流子導(dǎo)電的光電效應(yīng)。

均勻半導(dǎo)體材料吸收入射光輻射中的光子，使材料中產(chǎn)生附加的自由電子和自由空穴，即產(chǎn)生了光生載流子，從而使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生變化。光電導(dǎo)探測器

利用光電導(dǎo)效應(yīng)可以制成各種用途的光電元件，如光敏電阻（光電導(dǎo)探測器）、光電管等。其中光敏電阻具有體積小、堅固耐用、價格低廉、光譜響應(yīng)范圍寬等優(yōu)點，廣泛用于微弱輻射信號的探測領(lǐng)域。第27頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電導(dǎo)探測器光電導(dǎo)效應(yīng)

本征半導(dǎo)體：

光電導(dǎo)增量

分別是電子和空穴的遷移率分別是電子和空穴濃度的增量，即光生載流子濃度

截止波長

入射光子的能量須不低于本征半導(dǎo)體的禁帶寬度，既存在“紅限”第28頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電導(dǎo)探測器光電導(dǎo)效應(yīng)

雜質(zhì)半導(dǎo)體

光電導(dǎo)率增量（N型）電子濃度增量（P型）空穴濃度增量

截止波長為雜質(zhì)電離能，通常雜質(zhì)電離能遠小于禁帶寬度，所以非本征光電導(dǎo)的長波限遠大于本征半導(dǎo)體的長波限。

第29頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電導(dǎo)探測器光電導(dǎo)探測器

在均勻的具有光電導(dǎo)效應(yīng)的半導(dǎo)體材料的兩端加上電極，便構(gòu)成光電導(dǎo)探測器。當光電導(dǎo)探測器的兩端加上適當?shù)钠秒妷汉?，便有電流流過，用檢流計可以檢測到該電流。改變照射到光電導(dǎo)探測器上的光度量（如照度），發(fā)現(xiàn)流過的電流將發(fā)生改變，說明光電導(dǎo)探測器的阻值隨照度變化。光電導(dǎo)探測器簡單模型偏壓負載電阻第30頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電導(dǎo)探測器的性能參數(shù)光電導(dǎo)探測器結(jié)構(gòu)設(shè)計基本原則

光電導(dǎo)探測器的響應(yīng)度與其兩電極間的距離的平方成反比，為提高光電導(dǎo)探測器的響應(yīng)度，要盡可能縮短其兩電極間的距離。光電導(dǎo)探測器基本結(jié)構(gòu)圖示第31頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電導(dǎo)探測器光電導(dǎo)探測器分類根據(jù)半導(dǎo)體材料分類:本征型半導(dǎo)體光電導(dǎo)探測器

雜質(zhì)型半導(dǎo)體光電導(dǎo)探測器。本征型半導(dǎo)體光電導(dǎo)探測器的長波長要短于雜質(zhì)型半導(dǎo)體光電導(dǎo)探測器的長波長，因此，前者常用于可見光波段的探測，后者常用于紅外波段甚至于遠紅外波段的探測。第32頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電導(dǎo)探測器光電導(dǎo)探測器（弱輻射下）

設(shè)模型為N型材料（P型同此分析）若光功率P沿x方向均勻入射，光電導(dǎo)材料的吸收系數(shù)為則入射光功率在材料內(nèi)部沿x方向的變化為（P為x=0處入射功率）

x處光生載流子的濃度設(shè)為n(x)

外加電場下，光電子的漂移電流密度為

光電流平均值為

=穩(wěn)態(tài)條件下光生載流子的產(chǎn)生率和復(fù)合率相等得第33頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電導(dǎo)探測器光電導(dǎo)探測器若入射光功率P全部被吸收探測器內(nèi)平均光生載流子濃度為

光電流值為

量子效率為

光電流平均值為

為載流子在電極間的渡越時間為光電導(dǎo)探測器的內(nèi)增益，等于載流子平均壽命與渡越時間之比，表示一個光電載流子對探測器外回路電流的有效貢獻。

第34頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電導(dǎo)探測器的基本特性光照特性第35頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電導(dǎo)探測器的基本特性光電特性第36頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電導(dǎo)探測器的基本特性伏安特性第37頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電導(dǎo)探測器的基本特性頻率特性第38頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電導(dǎo)探測器的基本特性溫度特性第39頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電導(dǎo)探測器的性能參數(shù)響應(yīng)度

其中光電導(dǎo)增益為響應(yīng)度與偏壓和載流子平均壽命有關(guān)，可通過加大偏壓來提高響應(yīng)度，但是要受器件所能承受的最大功耗的限制，此外響應(yīng)度與光敏面積有關(guān)第40頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電導(dǎo)探測器的性能參數(shù)光譜特性

光電導(dǎo)探測器屬于選擇性探測器。峰值響應(yīng)一般位于中波段，而無論向長波（光子能量不夠，量子效率不高）或短波（光子能量太大，多數(shù)在表面被吸收，而易被復(fù)合，壽命降低）方向，響應(yīng)度都會降低。第41頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電導(dǎo)探測器的性能參數(shù)光譜特性第42頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電導(dǎo)探測器的性能參數(shù)噪聲特性

光電導(dǎo)探測器主要有三種噪聲源（熱噪聲，產(chǎn)生-復(fù)合噪聲，

1/f噪聲）。總的均方噪聲為第43頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電導(dǎo)探測器的性能參數(shù)噪聲特性第44頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電導(dǎo)探測器的性能參數(shù)比探測度D*

紅外光電導(dǎo)探測器中，最常用的性能參數(shù)為比探測度

S為探測器的表面積；為帶寬；NEP為噪聲等效功率單色源黑體輻射

第45頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電導(dǎo)探測器的性能參數(shù)響應(yīng)時間和頻率響應(yīng)

在忽略外電路時間常數(shù)的影響時，

響應(yīng)時間等于光生載流子的平均壽命,

由求出光電導(dǎo)探測器的頻率響應(yīng)截止頻率第46頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月第47頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電導(dǎo)探測器的應(yīng)用實例照明燈的光電控制電路當自然光較暗需要點燈時，Cds的電阻較大，因此繼電器的電流較小不能維持常閉開關(guān)的斷開，常閉觸頭使得照明燈點亮；當自然光增強到一定值時，Cds的電阻降低，繼電器工作，常閉觸頭斷開，照明燈熄滅。第一部分：恒流電源

第二部分：由限流電阻R、Cds光敏電阻、繼電器繞組構(gòu)成的測光和控制電路第三部分：繼電器的常閉觸頭構(gòu)成的執(zhí)行電路第48頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電導(dǎo)探測器的應(yīng)用實例火焰探測報警器右圖為采用Pbs光敏電阻為探測元件的火焰探測報警器電路圖。

Pbs的峰值響應(yīng)波長為2.2um，恰好為火焰的峰值輻射光譜。第49頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月引言光電探測器的性能參數(shù)光電探測器的噪聲半導(dǎo)體光電探測器光電導(dǎo)探測器光伏探測器

光電池光電二極管光電三級管半導(dǎo)體器件的選擇CCD探測器第50頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光伏探測器光生伏特效應(yīng)

光生伏特效應(yīng)是少數(shù)載流子導(dǎo)電的光電效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)是基于半導(dǎo)體PN結(jié)基礎(chǔ)上的一種將光能轉(zhuǎn)換為電能的效應(yīng)。當入射光作用在半導(dǎo)體PN結(jié)上產(chǎn)生本征吸收時，價帶中的光生空穴與導(dǎo)帶中的光生電子在PN結(jié)內(nèi)建電場作用下分開，形成光生伏特電壓或光生電流。光伏探測器

利用光生伏特效應(yīng)制作的光電敏感器件稱為光伏探測器。與光電導(dǎo)探測器相比，具有暗電流小、噪聲低、響應(yīng)速度快、光電特性的線性好、受溫度影響小等優(yōu)點，但是在微弱輻射的探測能力和光譜響應(yīng)范圍上不及光電導(dǎo)探測器。第51頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光伏探測器的工作原理光生伏特效應(yīng)

入射光照射非均勻半導(dǎo)體，若光子能量大于禁帶寬度，則由本征吸收而在結(jié)的兩邊產(chǎn)生電子-空穴對，多數(shù)載流子濃度一般改變很小，而少數(shù)載流子濃度變化很大，因此主要研究少數(shù)載流子的運動。

由此可以看出光伏效應(yīng)是一種少數(shù)載流子過程，而少數(shù)載流子的壽命通常短于多數(shù)載流子的壽命，當少數(shù)載流子復(fù)合掉時，光伏信號終止，光伏探測器的響應(yīng)快。第52頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光生伏特效應(yīng)

內(nèi)建電場、擴散電流、漂移電流：光生電場、光生電流：（只考慮少數(shù)載流子運動）

由于載流子的濃度梯度，導(dǎo)致擴散運動，運動后的N型和P型半導(dǎo)體在接觸面附近產(chǎn)生空間電荷區(qū)，即內(nèi)建電場，產(chǎn)生漂移電流光伏探測器的工作原理N型中電子多而空穴少，P型相反，但是，單獨的N型和P型半導(dǎo)體是電中性的，電離成份和載流子平衡入射光照射下，產(chǎn)生非平衡載流子（少數(shù)載子），在內(nèi)建電場下運動，Ｐ端電勢升高，Ｎ端電勢降低，產(chǎn)生光生電流(從n到p)和光生電場(從p到n)第53頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光伏探測器的工作原理光生伏特效應(yīng)

光照在ｐ－ｎ結(jié)兩端產(chǎn)生光生電動勢，相當于在ｐ－ｎ結(jié)兩端加上正向電壓Ｖ，使得結(jié)勢壘降低為產(chǎn)生正向注入電流（從Ｐ到Ｎ）

光照前光照后ＰＮ結(jié)反向飽和電流第54頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光伏探測器的工作原理光生伏特效應(yīng)

光伏探測器在光照下的總電流(從n到p)為

其中，在沒有電流內(nèi)增益時，光生電流

第55頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光伏探測器的工作原理光伏探測器的工作模式

一個PN結(jié)光伏探測器(a)等效為一個普通二極管和一個恒流源(光電流源)的并聯(lián)，如圖(b)所示。它的工作模式則由外偏壓回路決定。在零偏壓時(圖(c))，稱為光伏工作模式。當外回路采用反偏壓V時(圖(d))，即外加P端為負n端為正的電壓時，稱為光導(dǎo)工作模式。VRLRLuiid(a)(b)(c)(d)ip第56頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光伏探測器的工作原理光導(dǎo)模式下，光電二極管加反偏壓，大大提高了器件的頻率特性，并增加了長波段靈敏度及擴展線性區(qū)上限。但是反偏壓產(chǎn)生的暗電流引起較大的散粒噪聲，而且在頻率低于1kHz時還具有低頻噪聲，因而限制了探測能力的下限。此外暗電流受溫度影響較大，這也是不利的。光伏模式下，光電二極管在無偏壓下工作，故暗電流造成的散粒噪聲小，且無低頻噪聲。在無光照下只有熱噪聲電流，因而有高得多的信噪比。只要工作頻率低于截至頻率，有效面積相同的光伏器件要比光導(dǎo)式器件有高的信噪比，特別是頻率低于1kHz時，優(yōu)越性更為突出。但是其截至頻率較低，長波靈敏度略小一點。光伏式主要用于超低噪聲、低頻及儀器方面；光導(dǎo)式主要用于探測高速脈沖和高頻調(diào)制光。第57頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光伏探測器的工作原理光照下理想ＰＮ結(jié)的伏安特性iu第一象限，ＰＮ結(jié)加正偏壓，此時暗電流遠大于光生電流，無法作為光探測器工作；第三象限，ＰＮ結(jié)為反偏壓狀態(tài)，暗電流等于反向飽和電流遠小于光電流，光伏探測器多工作于這一區(qū)域，為光電導(dǎo)工作模式，多做為光電二極管；第四象限，外加偏壓為０，伏安關(guān)系為非線性，為光伏工作模式，多做為光電池

第58頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光伏探測器的工作原理光照下理想ＰＮ結(jié)的伏安特性

光伏器件的輸出電壓為ＰＮ結(jié)開路時（，Ｉ＝０，）

開路電壓為ＰＮ結(jié)短路時（）

短路電流為

第59頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電導(dǎo)探測器和光伏探測器區(qū)別光電導(dǎo)光電伏作用粒子多數(shù)載流子少數(shù)載流子響應(yīng)復(fù)合時間長響應(yīng)快復(fù)合壽命短響應(yīng)慢決定探測閾值因素復(fù)合噪聲和熱噪聲共同決定光電流>熱噪聲電流波長范圍0.3~14um0.4~1.6um第60頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光伏探測器光伏探測器的種類

1）按構(gòu)成的“結(jié)”不同

PN結(jié)型、PIN結(jié)型、金屬-半導(dǎo)體結(jié)型（肖特基勢壘型）

2）按使用要求不同作為能源的光電池作為光信號變換的光伏探測器（Si,Ge光電二極管，PIN光電二極管，雪崩光電二極管、光電三極管）第61頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月引言光電探測器的性能參數(shù)光電探測器的噪聲半導(dǎo)體光電探測器光電導(dǎo)探測器光伏探測器

光電池

光電二極管光電三級管半導(dǎo)體器件的選擇CCD探測器第62頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電池硅光電池第63頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電池光電池

光電池是將光能轉(zhuǎn)換為電能的器件，可作為光電信號的探測。硅光電池:具有高效率、寬光譜響應(yīng)、高穩(wěn)定性和耐高能輻射等優(yōu)點。

硒光電池:在和人視覺有關(guān)的光學(xué)儀器中應(yīng)用的也較多，因為硒光電池的光譜響應(yīng)曲線和人眼的光譜效率曲線很相近。硅光電池結(jié)構(gòu):梳齒狀,減少光生載流子復(fù)合;減反膜減反射第64頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電池硅光電池的伏安特性和負載特性:作探測器時,要線性好,負載電阻小,用左邊;賦能時,要輸出電壓大,負載電阻大,線性差.第65頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電池硅光電池的伏安特性和負載特性

當光電池用作探測器時，要求輸出特性具有線性關(guān)系，這時器件應(yīng)工作于伏安特性轉(zhuǎn)彎處的左端，此時輸出電流與光強成線性關(guān)系。

當光電池作為賦能元件時，對線性要求不高，而要求輸出的功率盡可能大。對于不同光強，伏安特性彎曲點位置各不相同，故要求獲得最大輸出功率所需要的最佳負載也不相同。為了獲得較大的輸出功率，也往往采用多個光電池的串、并聯(lián)組合運用。

第66頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電池硅電池的光譜特性

400-1150nm

峰值850nm

硅電池的靈敏度

相對靈敏度第67頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月第68頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月引言光電探測器的性能參數(shù)光電探測器的噪聲半導(dǎo)體光電探測器光電導(dǎo)探測器光伏探測器光電池

光電二極管

光電三級管半導(dǎo)體器件的選擇CCD探測器第69頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電二極管產(chǎn)品圖示第70頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電二極管光電二極管同樣基于ＰＮ結(jié)的光伏效應(yīng)，與光電池相比，主要特點是結(jié)區(qū)面積小，通常工作與反偏置狀態(tài)。其內(nèi)建電場很強，結(jié)區(qū)較寬，結(jié)電容小，所以頻率特性比光電池好，但光電流比光電池的小，一般多在微安級。這類器件可用硅，鍺，砷化銦，碲鎘汞等材料制作，目前應(yīng)用最多的是硅光電二極管。種類

1）PN結(jié)光電二極管２）PIN結(jié)光電二極管

3）雪崩光電二極管（APD）第71頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電二極管PN結(jié)光電二極管

按光敏面和襯底材料所用的材料不同，分為2CU和2DU兩種系列。

2DU系列光敏面為N型硅，襯底為P型硅，2CU系列相反。

2DU系列有三條引出線，除了前極、后極外，還設(shè)了一個環(huán)極（減少暗電流和噪聲，提高探測能力）。2CU系列兩個引出線。硅光電二極管結(jié)構(gòu)示意圖

第72頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月幾種國產(chǎn)2CU型PN結(jié)光電二極管特性參數(shù)第73頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月幾種國產(chǎn)2DU型PN結(jié)光電二極管特性參數(shù)第74頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電二極管PIN型光電二極管

PN結(jié)型光電二極管響應(yīng)時間只能達到，滿足不了光纖系統(tǒng)的響應(yīng)時間要求（），PIN結(jié)型光電二極管就是為滿足這一要求而研制。

PIN光電二極管（快速光電二極管），與PN結(jié)光電二極管相比，具有更快的響應(yīng)時間，并使光譜響應(yīng)范圍向長波方向移動，其峰值波長可移至1.04~1.06

，與YAG激光器的發(fā)射波長相對應(yīng)。結(jié)構(gòu)示意圖第75頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電二極管PIN結(jié)光電二極管特點（1）I層較厚，PN結(jié)內(nèi)電場基本上集中于I層上，強場對少數(shù)載流子起加速作用，其渡越時間相對變短了，因此響應(yīng)速度提高。（2）隨著反向偏壓增加，光生載流子加速，結(jié)電容更小，從而提高了PIN頻率響應(yīng)。（3）耗盡層寬度即I層寬度，因此耗盡層變寬，擴寬了光電轉(zhuǎn)換的有效工作范圍；即增加了吸收層厚度，增加對長波的吸收，同時也提高了量子效率。

PIN管的上述優(yōu)點，使它在光通信、光雷達以及其他要求快速光電控制系統(tǒng)中得到非常廣泛的應(yīng)用。第76頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電二極管雪崩二極管(APD)

由于普通光電二極管產(chǎn)生的電流微弱，進行放大和處理時會引入放大器噪聲，雪崩光電二極管就是為解決這一問題而產(chǎn)生。

雪崩光電二極管（APD）:利用光生載流子在高電場區(qū)內(nèi)的雪崩效應(yīng)而獲得光電增益，產(chǎn)生較大的輸出電流，具有靈敏高，響應(yīng)快等優(yōu)點。在光纖通信、激光測距及光纖傳感等系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

APD的性能與入射光功率有關(guān)，在實際探測系統(tǒng)中，入射光功率較小:多采用APD，此時雪崩增益引起的噪聲貢獻大入射光功率較大:雪崩增益引起的噪聲貢獻占主要優(yōu)勢，并可能帶來光電流失真，采用PIN管更為恰當。第77頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電二極管雪崩倍增過程

當光電二極管的PN結(jié)加上相當大的反向偏壓時，在耗盡層內(nèi)將產(chǎn)生一個很強的電場，足以使強電場區(qū)漂移的光生載流子獲得充分的動能，并于晶格原子碰撞產(chǎn)生新的載流子，如此反復(fù)，形成雪崩式的載流子倍增。內(nèi)增益通常用光電倍增系數(shù)表示為倍增光電流為不發(fā)生倍增效應(yīng)時的光電流

V為反向擊穿電壓為外加反向電壓

n為調(diào)整參數(shù)第78頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電二極管的性能伏安特性光電二極管一般在反向偏壓下工作。在低反偏壓下，光電流隨電壓變化非常敏感，曲線有彎曲。這是因為反偏壓增加使耗盡層加寬，結(jié)電場增強，這對于結(jié)區(qū)光的吸收率及光生載流子的收集效率影響很大。

當反偏壓進一步增加，光生載流子的收集已達到極限，光電流趨于飽和，特性曲線近似于平直。這部分主要利用于線性測量。第79頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電二極管的性能暗電流光電二極管的暗電流為反向飽和電流、復(fù)合電流、表面漏電流和熱電流之和。暗電流小的管子性能穩(wěn)定、噪聲低、檢測弱信號能力強。通常，PN結(jié)型光電二級管在50Ｖ反向偏壓下，暗電流小于100nA；PIN型和雪崩型光電二極管在15V反向偏壓下，暗電流小于10nA。光電流光電流主要受光照度影響，基本上是線形增加關(guān)系。一般來說，光電二極管的光電流越大越好，商品化硅光電二極管的光電流為二十幾微安。

E為光照度，第80頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電二極管的性能光譜響應(yīng)特性光譜響應(yīng)存在長波限（只有能量大于半導(dǎo)體材料禁帶寬度的光子才能激發(fā)出光生載流子）和短波限（短波長的吸收系數(shù)很大，光輻射產(chǎn)生的載流子在表面就被復(fù)合，因此光電流很?。┕怆婌`敏度

在給定波長的入射光照射下，輸入單位功率時，光電二極管輸出的光電流值稱為光電靈敏度。第81頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電二極管的性能噪聲特性

PN結(jié)型和PIN結(jié)型光電二極管的主要噪聲是暗電流引起的散粒噪聲，一般PIN結(jié)型硅光電二極管的暗電流比PN結(jié)型光電二極管的暗電流低1~2個數(shù)量級。APD的主要噪聲源是光電流引起的散粒噪聲，它的噪聲一般比較大。

表征光電二極管噪聲水平的主要參數(shù)是信噪比（S/N）和噪聲等效功率（NEP）。第82頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月引言光電探測器的性能參數(shù)光電探測器的噪聲半導(dǎo)體光電探測器光電導(dǎo)探測器光伏探測器光電池光電二極管

光電三級管半導(dǎo)體器件的選擇CCD探測器第83頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電三極管產(chǎn)品圖示第84頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電三級管的工作原理利用一般晶體管電流放大原理，可得到具有電流內(nèi)增益的光伏探測器光電三級管。以硅光電三級管為例，有3DU(NPN結(jié)構(gòu))和3CU(PNP結(jié)構(gòu))。多用于線形轉(zhuǎn)換器件，開關(guān)器件。結(jié)構(gòu)和原理（以3DU為例）原理：光敏二極管（bc結(jié)）+三極管入射光照下，承受反偏壓的集電極產(chǎn)生光電流，相當于外界向基極注入一個控制電流。發(fā)射結(jié)為正偏置，發(fā)射極有大量電子經(jīng)基極流向集電極?？傠娏鳛?/p>

為電流增益系數(shù)第85頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月光電三級管的特性特性光照特性---靈敏度高于光敏二極管，線性好光譜特性---單峰性動態(tài)特性---響應(yīng)速度低于光敏二極管光譜特性動態(tài)特性第86頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月幾種國產(chǎn)3DU型光電三極管的特性第87頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月引言光電探測器的性能參數(shù)光電探測器的噪聲半導(dǎo)體光電探測器光電導(dǎo)探測器光伏探測器光電池光電二極管

光電三級管半導(dǎo)體器件的選擇CCD探測器第88頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體光電器件的選擇選擇標準半導(dǎo)體光電器件的種類很多，功能各異。掌握各種半導(dǎo)體光電器件的特性及其參數(shù)是實際應(yīng)用中正確地選用半導(dǎo)體光電器件的關(guān)鍵。在實際應(yīng)用中，也不是對所有的特性都有嚴格的要求，常常是對光電器件的某些特性有要求而對另外的特性要求不嚴。例如，用光電器件進行火災(zāi)探測與報警時，對器件的光譜響應(yīng)(2.2um)和靈敏度要求很嚴，必須在發(fā)“火”點又很強的響應(yīng)，而對響應(yīng)速度則要求很低。第89頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體光電器件的選擇特性參數(shù)比較光電變換的線性光電二極管(包括PIN與雪崩管)的線性最好，其次依次為零伏反向偏置狀態(tài)的光電池、光電三級管等。光敏電阻的線性最差。動態(tài)范圍

動態(tài)范圍分為線性和非線性動態(tài)范圍。線性動態(tài)范圍上，反向偏置狀態(tài)的光電二極管動態(tài)范圍最好，光電池、光電三極管較好，光敏電阻最差。光敏電阻的非線性動態(tài)范圍要比其他光電器件寬靈敏度光敏電阻的靈敏度最高，其他依次為雪崩光電二極管、光電三極管，光電二極管的靈敏度最低。第90頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體光電器件的選擇特性參數(shù)的比較時間響應(yīng)

PIN與雪崩光電二極管的時間響應(yīng)最快，其他依次為光電三極管和光電池，最慢的是光敏電阻。光譜響應(yīng)光譜響應(yīng)主要與器件的具體材料有關(guān)，一般來說光敏電阻族的光譜響應(yīng)要比光生伏特器件的光譜響應(yīng)范圍寬。尤其在紅外波段光敏電阻的光譜響應(yīng)更為突出第91頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體光電器件的選擇特性參數(shù)的比較暗電流與噪聲光電二極管的暗電流最低，光敏電阻、光電三極管和光電池的暗電流較大，尤其是放大倍率大的多極復(fù)合光電三極管及大面積的光電池的暗電流更大。供電電源與應(yīng)用的靈活性光敏電阻沒有極性，可用于交、直流電源。光電池不須外加電源就能進行光電變換，但線性很差，而其他的光生伏特器件必須在直流偏置電源下工作。因此，光電池的應(yīng)用靈活性較高，光敏電阻與其他光生伏特器件的應(yīng)用靈活性較差，但它們都適用于低壓下工作。第92頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體光電器件的選擇選擇原則１）光電器件必須和輻射信號源及光學(xué)系統(tǒng)在光譜特性上實現(xiàn)匹配。２）光電器件的光電轉(zhuǎn)換特性或動態(tài)范圍必須與光信號的入射輻射能量相匹配。３）光電器件的時間響應(yīng)特性必須與光信號的調(diào)制形式、信號頻率及波形相匹配，以確保變換后的信號不產(chǎn)生頻率失真引起的輸出波形失真。４）光電器件與變換電路必須與后面的應(yīng)用電路的輸入阻抗良好地匹配，以保證具有足夠的變換系數(shù)、線性范圍、信噪比及快速的動態(tài)響應(yīng)等。５）為保證期間長期工作時的可靠性，必須注意選擇器件的參數(shù)和使用環(huán)境。第93頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月引言光電探測器的性能參數(shù)光電探測器的噪聲半導(dǎo)體光電探測器光電導(dǎo)探測器光伏探測器光電池光電二極管光電三級管半導(dǎo)體器件的選擇CCD探測器第94頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月CCD探測器陣列產(chǎn)品圖示第95頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月CCD陣列探測器CCD(ChargeCoupledDevice)—電荷耦合器件

應(yīng)用于信號處理、數(shù)字存貯、圖像傳感等領(lǐng)域的濾波、存貯器、成像系統(tǒng)的光敏器件。其中圖像傳感是其應(yīng)用較為成功的應(yīng)用領(lǐng)域，這取決于它與傳統(tǒng)的真空成像器件相比具有光譜響應(yīng)寬（從x射線到紅外線）、靈敏度高、線性好、動態(tài)范圍大、體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點。按照其光敏單元的排列方式不同可分為線陣列和面陣列兩類。第96頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月CCD結(jié)構(gòu)CCD的基本單元是MOS電容器。圖4.3.1MOS電容的結(jié)構(gòu)1．金屬2．絕緣層SiO2第97頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月CCD結(jié)構(gòu)CCD基本結(jié)構(gòu)包括

轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移溝道結(jié)構(gòu)信號輸入結(jié)構(gòu)信號輸出結(jié)構(gòu)信號檢測結(jié)構(gòu)第98頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月CCD結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)

CCD的轉(zhuǎn)移電極相數(shù)有二相、三相和四相等。二相CCD驅(qū)動脈沖比較簡單，信號電荷轉(zhuǎn)移時間比較短，芯片面積也較小，但容納的信號電荷量小。三相CCD較適用于單層金屬化電極結(jié)構(gòu)，以保證電荷的定向轉(zhuǎn)移。四相CCD驅(qū)動電路較為復(fù)雜，一般適合于時鐘頻率很高的場合。第99頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月CCD結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移溝道轉(zhuǎn)移溝道分為表面溝道和體內(nèi)溝道。表面溝道的優(yōu)點是信號電荷離界面較近，在相同柵壓下勢阱能容納的電荷較多；但由于信號電荷只能貼近界面的極薄襯底層內(nèi)運動，而界面處存在陷阱，從而降低了轉(zhuǎn)移速度和轉(zhuǎn)移效率。體內(nèi)溝道形式可以克服這一缺點，但其制造困難，成品率低，造價高，目前還較少應(yīng)用。第100頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月CCD結(jié)構(gòu)信號輸入結(jié)構(gòu)

CCD電荷注入的方式有電注入和光注入兩種。電注入

CCD在用作信號處理或存儲器件時，信號電荷輸入采用電注入。CCD通過輸入結(jié)構(gòu)對信號電壓或電流進行采樣，將信號電壓或電流轉(zhuǎn)換為信號電荷。光注入

CCD在用作圖像傳感時，信號電荷輸入采用光注入。電極下收集的電荷大小取決于照射光的強度和照射時間。第101頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月CCD結(jié)構(gòu)信號輸出系統(tǒng)

CCD輸出結(jié)構(gòu)是將CCD傳輸和處理的信號電荷變換為電流或電壓信號輸出。第102頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月CCD結(jié)構(gòu)信號檢測結(jié)構(gòu)信號檢測結(jié)構(gòu)分為電流輸出、選通電荷積分器、相關(guān)雙取樣和浮置柵放大器等幾種。電流輸出方法的最大缺點是前置放大器在芯片外面，因而有較大的寄生電容。選通電荷積分器將前置放大器集成在CCD芯片上，克服了寄生電容，但復(fù)位噪聲較大。相關(guān)雙取樣方法利用相鄰兩次復(fù)位脈沖在輸出端引起的噪聲相關(guān)原理設(shè)計具體電路，減低了復(fù)位噪聲。浮置柵放大器適用于電荷轉(zhuǎn)移過程中需要多次檢測的系統(tǒng)，在實用CCD中，常采用這種檢測方法。第103頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月CCD工作原理電荷耦合器件的突出特點是以電荷作為信號，而不同于其他大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號。ＣＣＤ的基本功能是電荷的存儲和電荷的轉(zhuǎn)移。電荷產(chǎn)生原理電荷存貯原理電荷轉(zhuǎn)移原理電荷輸出原理第104頁，課件共117頁，創(chuàng)作于2023年2月CCD工作原理電荷產(chǎn)生原理

在光纖系統(tǒng)中，CCD采用的是光注