光輻射探測器課件

第三章光輻射探測器3.1光輻射探測器的理論基礎

﹡光熱效應﹡光電效應3.2光熱探測器3.3光電探測器光電導器件結型光電器件光電發(fā)射器件第三章光輻射探測器3.1光輻射探測器的理論基礎3.21引言一.概念光輻射探測技術：把被調制的光信號轉換成電信號并將信息提取出來的技術光探測過程可以形象地稱為光頻解調。光電探測器：對各種光輻射進行接收和探測的器件引言一.概念2光電探測器光輻射量電量熱探測器光子探測器光電倍增管光電探測器光輻射量電量熱探測器光電倍增管3二.歷史:1873年:Smith,May:發(fā)現(xiàn)光電效應Simens:光電池1909年：Richtmeyer:奠定光電管的基礎1933年：Zworkyn:發(fā)明光電攝像管1950年：Weimer:制出光導攝像管1970年：Boyle:發(fā)明CCD二.歷史:4探測器件熱電探測元件光子探測元件氣體光電探測元件三、分類外光電效應內光電效應非放大型放大型光電導探測器光磁電探測器光生伏特探測器真空光電管充氣光電管光電倍增管像增強器攝像管變像管本征型光敏電阻摻雜型紅外探測器非放大放大型光電池光電二極管光電三極管光電場效應管雪崩型光電二極管探測器件熱電探測元件光子探測元件氣體光電探測元件三、分類外光53.1光輻射探測器的

理論基礎光輻射探測器的物理效應主要是光熱效應和光電效應。3.1.1光熱效應當光照射到理想的黑色吸收體上時，黑體將對所有波長的光能量全部吸收，并轉換為熱能，稱為光熱效應

。3.1光輻射探測器的

理論基礎光輻射探測器的物理效6熱能增大，導致吸收體的物理、機械性能變化，如：溫度、體積、電阻、熱電動勢等，通過測量這些變化可確定光能量或光功率的大小，這類器件統(tǒng)稱為光熱探測器。光熱探測器對光輻射的響應有兩個過程：

器件吸收光能量使自身溫度發(fā)生變化

把溫度變化轉換為相應的電信號

共性個性光熱探測器的最大特點是：1、從紫外到40μm以上寬波段范圍，其響應靈敏度與光波波長無關，原則上是對光波長無選擇性探測器。2、受熱時間常數(shù)的制約，響應速度較慢。熱能增大，導致吸收體的物理、機械性能變化，如：溫度、體積、電7

應用：

在紅外波段上，材料吸收率高，光熱效應也就更強烈，所以廣泛用于對紅外線輻射的探測。應用：在紅外波段上，材料吸收率高，光熱效應也8探測器遵從的熱平衡方程：

設入射光的表達式為：代入熱平衡方程，得到：

解得：器件的平均溫升

探測器遵從的熱平衡方程：設入射光的表達式為：代入熱平衡方程9器件隨頻率ω的交變溫升

式中，是器件的熱時間常數(shù)。表明器件溫升滯后于輻射功率的變化。

因此，光熱探測器常用于低頻調制輻照場合。設計時應盡力降低器件的熱時間常數(shù)，主要是減少器件的熱容量。器件隨頻率ω的交變溫升式中，是器件的熱時間常數(shù)。表明器件溫103.1.2光電效應光電效應是物質在光的作用下釋放出電子的物理現(xiàn)象。分為:光電導效應光伏效應光電發(fā)射效應

3.1.2.1半導體中的載流子載流子:能參與導電的自由電子和自由空穴。載流子濃度:單位體積內的載流子數(shù)。

3.1.2光電效應光電效應是物質在光的作用下釋放出電子的物11I:N:P:室溫下

（施主濃度）全電離時（受主濃度）一、熱平衡狀態(tài)下的載流子濃度由（1.26）式，可得出：I:N:P:室溫下（施主濃度）全電離時（受主濃度）一、熱平12上式表明：禁帶愈小，溫度升高，np就愈大，導電性愈好。在本征半導體中，

平衡態(tài)判據(jù)

則有可得出，少子濃度：上式表明：禁帶愈小，溫度升高，在本征半導體中，平衡態(tài)判據(jù)13二、非平衡狀態(tài)下的載流子

半導體受光照、外電場作用，載流子濃度就要發(fā)生變化，這時半導體處于非平衡態(tài)。

載流子濃度對于熱平衡時濃度的增量，稱為非平衡載流子。

半導體材料吸收光子能量而轉換成電能是光電器件工作的基礎。1.半導體對光的吸收本征吸收

或二、非平衡狀態(tài)下的載流子半導體受光照、外電場作用，載流子濃14為長波限。

雜質吸收

電離能

半導體對光的吸收主要是本征吸收為長波限。雜質吸收電離能半導體對光的吸收主要是本征吸收152.光生載流子半導體受光照射而產生的非平衡載流子。約為1010cm-3

;

多子濃度約為

少子濃度約為

而熱平衡時，可見，一切半導體光電器件對光的響應都是少子的行為。載流子的復合：電子-空穴對消失。只要有自由的電子和空穴，復合過程就存在。

直接復合間接復合2.光生載流子半導體受光照射而產生的非平衡載流子。約為10116光生載流子的壽命

—光生載流子的平均生存時間復合率：單位時間內載流子濃度減少量：三、載流子的擴散與漂移1.擴散載流子因濃度不均勻而發(fā)生的定向運動。

光生載流子的壽命—光生載流子的平均生存時間復合率：單位時間172.漂移載流子受電場作用所發(fā)生的運動。

歐姆定律的微分形式

對于電子電流

｝同理，對于空穴電流有漂移電流密度矢量

2.漂移載流子受電場作用所發(fā)生的運動。歐姆定律的微分形式183.1.2.2光電導效應半導體材料受光照,吸收光子引起載流子濃度增大，從而材料的電導率增大。、穩(wěn)態(tài)光電導與光電流暗態(tài)下

亮態(tài)下

3.1.2.2光電導效應半導體材料受光照,吸收光子引起載流19光電導

光電流

光電導光電流20定義光電導增益

電子在兩極間的渡越時間

定義光電導增益電子在兩極間的渡越時間21如果定義

則有以上分析，對光敏電阻的設計和選用很有指導意義。二、響應時間光電導張馳過程

非平衡載流子的產生與復合都不是立即完成的，需要一定的時間。如果定義則有以上分析，對光敏電阻的設計和選用很有指導意義。22半導體材料受階躍光照：

受光時t=0時，停光時t=0時,（光照下的穩(wěn)態(tài)值）光電導張馳過程的時間常數(shù)就是載流子的壽命τ半導體材料受階躍光照：受光時t=0時，停光時t=0時,（232.半導體材料受正弦型光照（即正弦調制光）:可得出當

上限截止頻率帶寬2.半導體材料受正弦型光照（即正弦調制光）:可得出當上限截24光電導增益與帶寬之積為一常數(shù)：

這一結論有一定的普遍性：

它表示材料的光電靈敏度與頻率帶寬是相互制約的。3.1.2.3光伏效應光照射到半導體PN結上，光子在結區(qū)激發(fā)出電子-空穴對。

P區(qū)、N區(qū)兩端產生電位差—光電動勢

光電導增益與帶寬之積為一常數(shù)：這一結論有一定的普遍性：它25一、熱平衡狀態(tài)下的PN結由第一章已知，在熱平衡狀態(tài)下，由于自建場的作用，PN結能帶發(fā)生彎曲。由式（3.7）、（3.8）可得出一、熱平衡狀態(tài)下的PN結由第一章已知，在熱平衡狀態(tài)下，由于自26

在室溫下，

得出在一定溫度下，PN結兩邊的摻雜濃度愈高，材料的禁帶愈寬，UD愈大。在室溫下，得出在一定溫度下，PN結兩邊的摻雜濃度愈高，材27以上兩式表明：PN結兩邊少數(shù)載流子與多數(shù)載流子之間的關系。熱平衡狀態(tài)下，PN結中漂移運動等于擴散運動，凈電流為零。當在PN結兩端外加電壓U，使勢壘高度由qUD變?yōu)閝(UD–U)，引起多數(shù)載流子擴散時，少數(shù)載流子產生增量Δnp、Δpn，有關系式：以上兩式表明：PN結兩邊少數(shù)載流子與多數(shù)載流子之間的關系。熱28擴散電流密度擴散電流密度29則流過PN結的電流密度為則流過PN結的電流密度為30PN結電流方程為PN結導電特性：

正向偏置，電流隨著電壓的增加急劇上升。

反向偏置，電流為反向飽和電流。熱平衡狀態(tài)

，I=0二、光照下的PN結產生電子-空穴對。

PN結電流方程為PN結導電特性：正向偏置，電流隨著電壓的增31在自建電場作用下，

光電流Iφ的方向與I0相同。光照下PN結的電流方程為短路(RL→0)情況,U=0

短路電流為光照下PN結的兩個重要參量:

開路(RL→∞)情況,I=0開路電壓為在自建電場作用下，光照下PN結的電流方程為短路(RL→0)情323.1.2.4光電發(fā)射效應光照到某些金屬或半導體材料上，若入射的光子能量足夠大，致使電子從材料中逸出，稱為光電發(fā)射效應，又稱外光電效應。

愛因斯坦定律當hν＝W，對應的光波長為閾值波長或長波限。3.1.2.4光電發(fā)射效應光照到某些金屬或半導體材料上，若33金屬材料的電子逸出功

W

—從費米能級至真空能級的能量差。

半導體材料的電子逸出功

良好的光電發(fā)射體，應該具備的基本條件：

光吸收系數(shù)大；光電子逸出深度大；表面勢壘低

。金屬材料的電子逸出功W半導體材料的電子逸出功良好的光電發(fā)34金屬光電發(fā)射的量子效率都很低,且大多數(shù)金屬的光譜響應都在紫外或遠紫外區(qū)。半導體光電發(fā)射的量子效率遠高于金屬：光電發(fā)射的過程是體積效應，表面能帶彎曲降低了電子逸出功，特別是負電子親和勢材料(NEA)。金屬光電發(fā)射的量子效率都很低,且大多數(shù)金屬的光譜響應都在紫外35P型Si的光電子需克服的有效親和勢為由于能級彎曲，使這樣就形成了負電子親和勢。正電子親和勢材料的閾值波長

負電子親和勢材料的閾值波長

從而光譜響應可擴展到可見、紅外區(qū)。

P型Si的光電子需克服的有效親和勢為由于能級彎曲，使這樣就形363.1.3光探測器的噪聲光探測器在光照下輸出的電流或電壓信號是在平均值上下隨機起伏，即含有噪聲。

用均方噪聲表示噪聲值的大小。

噪聲的功率譜表示噪聲功率隨頻率的變化關系。

光探測器中固有噪聲主要有：熱噪聲、散粒噪聲、產生-復合噪聲、1/f噪聲、溫度噪聲。3.1.3光探測器的噪聲光探測器在光照下輸出的電流或電壓信37、熱噪聲熱噪聲存在于任何導體與半導體中，是由于載流子的熱運動而引起的隨機起伏。

熱噪聲屬于白噪聲，降低溫度和通帶，可減少噪聲功率。

二、散粒噪聲在光子發(fā)射、電子發(fā)射、電子流中存在的隨機起伏

。散粒噪聲也屬于白噪聲。、熱噪聲熱噪聲存在于任何導體與半導體中，是由于載流子的熱運動38三、產生-復合噪聲在半導體器件中，載流子不斷地產生-復合，使得載流子濃度存在隨機起伏。四、1/f噪聲是一種低頻噪聲，幾乎所有探測器中都存在。

多數(shù)器件的1/f噪聲在200～300Hz以上已衰減為很低水平。三、產生-復合噪聲在半導體器件中，載流子不斷地產生-復合，使39五、溫度噪聲在光熱探測器中，由于器件本身吸收和傳導等熱交換引起的溫度起伏。低頻時

也具有白噪聲性質。光電探測器噪聲功率譜綜合示意圖五、溫度噪聲在光熱探測器中，由于器件本身吸收和傳導等熱交換引403.1.4光探測器的性能參數(shù)一、光電特性和光照特性光電流I,大小為微安級或毫安級。

光電特性

光照特性

線性度很重要。

二、光譜特性3.1.4光探測器的性能參數(shù)一、光電特性和光照特性光電流I41光譜特性決定于光電器件的材料。

光譜特性對選擇光電器件和光源有重要意義，應盡量使二者的光譜特性匹配。光電器件的靈敏度（響應率）光譜靈敏度積分靈敏度

積分靈敏度不但與探測器有關，而且與采用的光源有關。

光譜特性決定于光電器件的材料。光譜特性對選擇光電器件和光源42三、等效噪聲功率和探測率等效噪聲功率

探測器的最小可探測功率

（噪聲功率水平）

等效噪聲功率越小，說明探測器本身的噪聲水平低，探測器的性能越好。用探測率D作為探測器探測能力的指標:

三、等效噪聲功率和探測率等效噪聲功率探測器的最小可探測功率43探測率D表明探測器探測單位入射輻射功率時的信噪比，其值越大越好。歸一化等效噪聲功率為歸一化探測率為在給出時，常要標記出它們的測量條件

如D*(500K,800,50)。探測率D表明探測器探測單位入射輻射功率時的信噪比，其值越大越44四、響應時間與頻率特性如同光電導馳豫，光探測器對信號光的響應表現(xiàn)出惰性。對于矩形光脈沖信號，其響應出現(xiàn)上升沿和下降沿，響應時間τ。對于正弦型調制光，響應率隨頻率升高而降低

。響應時間τ越小，頻率特性越好。四、響應時間與頻率特性如同光電導馳豫，光探測器對信號光的響應453.2光熱探測器3.2.1熱敏電阻由Mn、Ni、Co、Cu氧化物或Ge、Si、InSb等半導體做成的電阻器，其阻值隨溫度而變化，稱為熱敏電阻。

當它們吸收了光輻射，溫度發(fā)生變化，從而引起電阻的阻值相應改變，將引起回路電流或電壓的變化，這樣就可以探測入射光通量。3.2光熱探測器3.2.1熱敏電阻由Mn、Ni、Co46正溫度系數(shù)

負溫度系數(shù)3.2.2熱釋電探測器熱釋電探測器探測率高，是光熱探測器中性能最好的。一、工作原理基于熱電晶體的熱釋電效應。

熱電晶體是壓電晶體中的一種，它具有自發(fā)極化的特性。存在宏觀的電偶極矩，面束縛電荷密度等于自發(fā)極化矢量Ps。

正溫度系數(shù)負溫度系數(shù)3.2.2熱釋電探測器熱釋電探測器探47

當用斬波器調制入射光，使矩形光脈沖（周期小于ΔQ的平均壽命）作用到熱電晶體表面的黑吸收層上，交變的ΔT使得晶體表面始終存在正比于入射光強的極化電荷。這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應。

熱釋電探測器只能探測調制和脈沖輻射。熱釋電器件的基本結構:是一個以熱電晶體為電介質的平板電容器，Ps的方向垂直于電容器的極板平面。

為熱釋電系數(shù)

當用斬波器調制入射光，使矩形光脈沖（周期小于ΔQ的平均48二、基本電路如果把輻射通量為的光照射到熱釋電器件光敏面上，則其溫升為

由它引起熱釋電電量變化二、基本電路如果把輻射通量為的光照射到熱釋電器件光敏面上，則49從而產生的電流為輸出電壓為電壓響應率為從而產生的電流為輸出電壓為電壓響應率為50，也等于零，即不能響應恒定輻射

。ω高頻時，，響應很差。熱釋電探測器適于接收低頻調制光，約20HZ左右。三、熱釋電器件的主要材料常用的熱電晶體材料有：硫酸三甘肽（TGS）鉭酸鋰（LiTaO3）等。還有一些陶瓷材料如鈦鋯酸鉛（PZT）等。不論哪種材料，都有一個特定溫度，稱居里溫度。只有低于居里溫度，材料才有自發(fā)極化性質。

，也等于零，即不能響應恒定輻射。ω高頻時，，響應很差。熱釋51應使器件工作于離居里溫度稍遠一點，熱釋電系數(shù)變化較平穩(wěn)的區(qū)段。熱釋電敏感元件都作成薄片,以降低熱容量。薄片的兩個面分別有正負電極，受光面有黑化吸收層。為提高響應率：應使器件工作于離居里溫度稍遠一點，熱釋電系數(shù)變化較平穩(wěn)的區(qū)段523.3光電探測器3.3.1光電導器件典型的光電導器件是光敏電阻。

3.3光電探測器3.3.1光電導器件典型的光電導器件是光53、光敏電阻材料與電阻結構

現(xiàn)在使用的光電導材料有Ⅲ-Ⅳ、Ⅲ-Ⅴ族化合物、硅、鍺等，以及一些有機物。目前大都使用N型半導體光敏電阻。本征半導體：

摻雜半導體：

摻雜半導體光敏電阻的長波限大于本征半導體光敏電阻，因而它對紅外波段較為敏感。、光敏電阻材料與電阻結構現(xiàn)在使用的光電導材料有Ⅲ-Ⅳ、Ⅲ54光敏面作成蛇形，

電極作成梳狀，

有利于提高靈敏度。

二、光敏電阻的主要特性1.光電特性α約為1；γ在0.5～1之間

電阻結構光敏面作成蛇形，電極作成梳狀，有利于提高靈敏度。二、光55在弱光照下，如L<100lx,γ＝1GP～L具有良好的線性關系,

Sg為常數(shù)：一般，L>100lx時，GP～L則為非線性關系。

為方便表達，仍可用關系式：但Sg不是常數(shù)：流過光敏電阻的亮電流在弱光照下，如L<100lx,γ＝1GP～L具有良好的線性關562.光譜特性1－硫化鎘單晶2－硫化鎘多晶3－硒化鎘單晶4－硫化鎘與硒化鎘混合多晶

對紅外光靈敏的光敏電阻

對可見光靈敏的光敏電阻

2.光譜特性1－硫化鎘單晶對紅外光靈敏的光敏電阻對可見光573.頻率特性光敏電阻在一定的光照下阻值穩(wěn)定。它因高度的穩(wěn)定性而廣泛地應用在自動化技術中。光敏電阻的頻率特性差，不適于接收高頻光信號。4.伏安特性1－硒；2－硫化鎘3－硫化鉈；4－硫化鉛3.頻率特性光敏電阻在一定的光照下阻值穩(wěn)定。它因高度的穩(wěn)定585.溫度特性光敏電阻的特性參數(shù)受溫度的影響較大，而且這種變化沒有規(guī)律。在要求高的裝置中，必須采用冷卻裝置。

5.溫度特性光敏電阻的特性參數(shù)受溫度的影響較大，而且這種變化596.前歷效應暗態(tài)前歷效應

亮態(tài)前歷效應

6.前歷效應暗態(tài)前歷效應亮態(tài)前歷效應607.噪聲在紅外探測中，采用光調制技術，800～1000HZ時可以消除1/f噪聲和產生-復合噪聲。光敏電阻