《光電檢測技術(shù)基礎(chǔ)》PPT課件.ppt

1、2020/7/30,光信息科學與技術(shù)系,1,第二章 光電檢測技術(shù)基礎(chǔ),2020/7/30,光信息科學與技術(shù)系,2,導體、半導體和絕緣體,自然存在的各種物質(zhì)，分為氣體、液體、固體。 固體按導電能力可分為：導體、絕緣體和介于兩者之間的半導體。 電阻率10-6 10-3歐姆厘米范圍內(nèi)導體 電阻率1012歐姆厘米以上絕緣體 電阻率介于導體和絕緣體之間半導體,2020/7/30,光信息科學與技術(shù)系,3,半導體的特性,半導體電阻溫度系數(shù)一般是負的，而且對溫度變化非常敏感。根據(jù)這一特性，可以制作熱電探測器件。 導電性受極微量雜質(zhì)的影響而發(fā)生十分顯著的變化。（純凈Si在室溫下電導率為5*10-6/(歐姆厘米)

2、。摻入硅原子數(shù)百萬分之一的雜質(zhì)時，電導率為2 /(歐姆厘米) 半導體導電能力及性質(zhì)受光、電、磁等作用的影響。,2020/7/30,光信息科學與技術(shù)系,4,本征和雜質(zhì)半導體,本征半導體就是沒有雜質(zhì)和缺陷的半導體。 在絕對零度時，價帶中的全部量子態(tài)都被電子占據(jù)，而導帶中的量子態(tài)全部空著。 在純凈的半導體中摻入一定的雜質(zhì)，可以顯著地控制半導體的導電性質(zhì)。 摻入的雜質(zhì)可以分為施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)。 施主雜質(zhì)電離后成為不可移動的帶正電的施主離子，同時向?qū)峁╇娮?，使半導體成為電子導電的n型半導體。 受主雜質(zhì)電離后成為不可移動的帶負電的受主離子，同時向價帶提供空穴，使半導體成為空穴導電的p型半導體。,20

3、20/7/30,光信息科學與技術(shù)系,5,平衡和非平衡載流子,處于熱平衡狀態(tài)的半導體，在一定溫度下，載流子濃度一定。這種處于熱平衡狀態(tài)下的載流子濃度，稱為平衡載流子濃度。 半導體的熱平衡狀態(tài)是相對的，有條件的。如果對半導體施加外界作用，破壞了熱平衡的條件，這就迫使它處于與熱平衡狀態(tài)相偏離的狀態(tài)，稱為非平衡狀態(tài)。 處于非平衡狀態(tài)的半導體，其載流子濃度也不再是平衡載流子濃度，比它們多出一部分。比平衡狀態(tài)多出來的這部分載流子稱為非平衡載流子。,2020/7/30,光信息科學與技術(shù)系,6,非平衡載流子的產(chǎn)生,光注入：用光照使得半導體內(nèi)部產(chǎn)生非平衡載流子。 當光子的能量大于半導體的禁帶寬度時，光子就能把價

4、帶電子激發(fā)到導帶上去，產(chǎn)生電子空穴對，使導帶比平衡時多出一部分電子，價帶比平衡時多出一部分空穴。 產(chǎn)生的非平衡電子濃度等于價帶非平衡空穴濃度。 光注入產(chǎn)生非平衡載流子，導致半導體電導率增加。 其它方法：電注入、高能粒子輻照等。,2020/7/30,光信息科學與技術(shù)系,7,載流子的輸運過程,擴散 漂移 復合,2020/7/30,光信息科學與技術(shù)系,8,半導體對光的吸收,物體受光照射，一部分光被物體反射，一部分光被物體吸收，其余的光透過物體。 吸收包括：本征吸收、雜質(zhì)吸收、自由載流子吸收、激子吸收、晶體吸收 本征吸收由于光子作用使電子由價帶躍遷到導帶 只有在入射光子能量大于材料的禁帶寬度時，才能發(fā)

5、生本征激發(fā),2020/7/30,光信息科學與技術(shù)系,9,雜質(zhì)吸收和自由載流子吸收,引起雜質(zhì)吸收的光子的最小能量應等于雜質(zhì)的電離能 由于雜質(zhì)電離能比禁帶寬度小，雜質(zhì)吸收的光譜區(qū)位于本征吸收的長波方向. 自由載流子吸收是由同一能帶內(nèi)不同能級之間的躍遷引起的。載流子濃度很大時，導帶中的電子和價帶中的空穴產(chǎn)生帶內(nèi)能級間躍遷而出現(xiàn)的非選擇性吸收,2020/7/30,光信息科學與技術(shù)系,10,激子和晶格吸收,指所吸收輻射的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裨拥恼駝幽芰?，或由庫侖力相互作用形成電子和空穴的能量?這種吸收對光電導沒有貢獻，甚至會降低光電轉(zhuǎn)換效率。,2020/7/30,光信息科學與技術(shù)系,11,光電導效應、光生

6、伏特效應和光熱效應,光電效應：物質(zhì)受光照射后，材料電學性質(zhì)發(fā)生了變化（發(fā)射電子、電導率的改變、產(chǎn)生感生電動勢）現(xiàn)象。 包括： 外光電效應：產(chǎn)生電子發(fā)射 內(nèi)光電效應：內(nèi)部電子能量狀態(tài)發(fā)生變化,2020/7/30,光信息科學與技術(shù)系,12,光電效應解釋,物質(zhì)在光的作用下，不經(jīng)升溫而直接引起物質(zhì) 中電子運動狀態(tài)發(fā)生變化，因而產(chǎn)生物質(zhì)的光電導效應、光生伏特效應和光電子發(fā)射等現(xiàn)象。 在理解上述定義時，必須掌握以下三個要點： 原因：是輻射，而不是升溫； 現(xiàn)象：電子運動狀態(tài)發(fā)生變化； 結(jié)果：電導率變化、光生伏特、光電子發(fā)射。 簡單記為：輻射電子運動狀態(tài)發(fā)生變化光電導效應、光生伏特效應、光電子發(fā)射。,2020

7、/7/30,光信息科學與技術(shù)系,13,光對電子的直接作用是物質(zhì)產(chǎn)生光電效應的起因,光電效應的起因： 在光的作用下，當光敏物質(zhì)中的電子直接吸收光子的能量足以克服原子核的束縛時，電子就會從基態(tài)被激發(fā)到高能態(tài)，脫離原子核的束縛，在外電場作用下參與導電，因而產(chǎn)生了光電效應。 這里需要說明的是，如果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，導致固體電學性質(zhì)的改變，這種情況就不是光電效應，而是熱電效應。,2020/7/30,光信息科學與技術(shù)系,14,光電導效應,光電導效應：光照射的物質(zhì)電導率發(fā)生改變，光照變化引起材料電導率變化。是光電導器件工作的基礎(chǔ)。 物理本質(zhì)：光照到半導

8、體材料時，晶格原子或雜質(zhì)原子的束縛態(tài)電子吸收光子能量并被激發(fā)為傳導態(tài)自由電子，引起材料載流子濃度增加，因而導致材料電導率增大。 屬于內(nèi)光電效應。 包括： 本征和非本征兩種，對應本征和雜質(zhì)半導體材料。,2020/7/30,光信息科學與技術(shù)系,15,本征光電導效應,本征光電導效應：是指本征半導體材料發(fā)生光電導效應。 即：光子能量hv大于材料禁帶寬度Eg的入射光，才能激發(fā)出電子空穴對，使材料產(chǎn)生光電導效應。針對本征半導體材料。即： hvEg 即存在截止波長：0=hc/Eg=1.24/Eg。,基本概念： 1、穩(wěn)態(tài)光電流：穩(wěn)定均勻光照 2、暗電導率和暗電流 3、亮電導率和亮電流 4、光電導和光電流,20

9、20/7/30,光信息科學與技術(shù)系,16,基本公式：,暗電導率Gd=dS/L 暗電流Id= dSU/L 亮電導率Gl= lS/L 亮電流Il= lSU/L 光電導Gp= S/L 光電流Ip= SU/L,光電導效應示意圖,2020/7/30,光信息科學與技術(shù)系,17,雜質(zhì)光電導效應：雜質(zhì)半導體,雜質(zhì)半導體中施主或受主吸收光子能量后電離，產(chǎn)生自由電子或空穴，從而增加材料電導率的現(xiàn)象。雜質(zhì)半導體禁帶寬度比本征小很多，因此更容易電離，響應波長比本征材料要長得多。用EI表示雜質(zhì)半導體的電離能，則截止波長：0=hc/EI。 特點：容易受熱激發(fā)產(chǎn)生的噪聲的影響，常工作在低溫狀態(tài)。,常用光電導材料：硅Si、鍺

10、Ge及摻雜的半導體材料，以及一些有機物。,2020/7/30,光信息科學與技術(shù)系,18,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。 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 (禁帶寬度或雜質(zhì)能級到某一能帶限的距離)，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C ， 若C 以m 計，E 以eV 計，則C與E的關(guān)系為 C = 1.24 / E 就光電器件而言，最重要的參數(shù)是靈敏度，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)。,2020/7/30,光信息科學與技術(shù)系,19,一

11、、光電導體的靈敏度 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G來表示。根據(jù)恒照即定態(tài)條件下電子與空穴的產(chǎn)生率與復合率相等可推導出： G = / tL ： （1） 式中為量子產(chǎn)額，即吸收一個光子所產(chǎn)生的電子空穴對數(shù)；為光生載流子壽命；tL為載流子在光電導兩極間的渡越時間，一般有 tL = l /E = l2 /U （2） 將式（1）代入式（2）可得 G = U/l2,2020/7/30,光信息科學與技術(shù)系,20,式中l(wèi)為光電導體兩極間距；為遷移率；E為兩極

12、間的電場強度；U為外加電源電壓?？芍?，光電導體的非平衡載流子壽命越長，遷移率越大。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l(xiāng)的平方成反比。 如果在光電導體中自由電子與空穴均參與導電，那么，光電增益的表達式為 G = (nn +pp )U/l2 式中n和p分別為自由電子和空穴的壽命；n和p分別為自由電子和空穴的遷移率。,2020/7/30,光信息科學與技術(shù)系,21,2、光電導弛豫過程,光電導效應是非平衡載流子效應，因此存在一定的弛豫現(xiàn)象，即光電導材料從光照開始到獲得穩(wěn)定的光電流需要一定的時間。同樣光電流的消失也是逐漸的。弛豫現(xiàn)象說明了光電導體對光強變化的反應

13、快慢程度，稱為惰性。,光電導對光強變化反應的惰性引起光電流變化的延遲,當輸入功率按照正弦規(guī)律變化時,輸出光電流與光功率調(diào)制頻率變化關(guān)系是一低通特性。,2020/7/30,光信息科學與技術(shù)系,22,3、光電導增益,光電導增益是表征光電導器件特性的一個重要參數(shù)，表示長度為L的光電導體在兩端加上電壓U后，由光照產(chǎn)生的光生載流子在電場作用下形成的外電流與光生載流子在內(nèi)部形成的光電流之比?？杀硎緸? M=/dr 為器件的時間響應 dr為載流子在兩極間的渡越時間,光電導器件常做成梳狀電極，光敏面做成蛇形，即保證了較大的受光表面，又可減小電極間距離，從而減小載流子的有效極間渡越時間，也利于提高靈敏度.,光電

14、導器件的光電導增益與帶寬積為一常數(shù)，即Mf=常數(shù)。表明，光電導增益越大，光電靈敏度越高，而器件的帶寬越低。反之亦然。這一結(jié)論對光電效應現(xiàn)象有普遍性。,2020/7/30,光信息科學與技術(shù)系,23,4、光電導的光譜分布 半導體的光電導與光照的波長有密切關(guān)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)。如PbS，PbSe，PbTe可以有效地利用到10m的紅外光波段，而CdS可以有效地利用可見光到X光的短波范圍。此外，也只有首先確定了光譜分布，才能利用光電導來比較不同波長的光強。(1)本征光電導的光譜分布,2020/7/30,光信息科

15、學與技術(shù)系,24,一些典型的半導體本征光電導光譜分布曲線,2020/7/30,光信息科學與技術(shù)系,25,由圖可以看出，在短波方向，當波長增加時，光電導隨之緩慢增加，經(jīng)過一個最大值后，又陡峭地下降。由于光電導不存在一個明顯的長波限，T.S.莫斯提出把光電導的數(shù)值降到最大值一半時所處的波長定為長波限。在最大值的長波方面，光電導的下降是較好理解的。因為在長波部分，光子能量低，不足以引起本征光吸收，所以光電導迅速下降。在短波方面，如果光滑曲線是等能量曲線，由照射的光子數(shù)目少，自然引起光電導下降；如果光譜曲線是等量子曲線，則光電導下降的物理機理比較復雜?？梢钥隙?，波長短，樣品對光的吸收系數(shù)大，光生載流子

16、就愈集中于光照表面。這時受表面影響大，諸如表面能級、表面復合與電極等可能降低量子產(chǎn)額，減少載流子遷移率與壽命，都將引起光電導下降。,2020/7/30,光信息科學與技術(shù)系,26,(2)、雜質(zhì)光電導的光譜分布 半導體雜質(zhì)吸收光子將雜質(zhì)能級上的電子或空穴激發(fā)成為自由的光生載流子，這就要求光子能量必須大于等于雜質(zhì)的電離能。由于雜質(zhì)的電離能小于禁帶寬度，因此雜質(zhì)光電導的光譜響應波長比本征光電導的長。同時由于雜質(zhì)原子數(shù)目少，所以雜質(zhì)光電導效應相對本征光電導來說也微弱得多。,2020/7/30,光信息科學與技術(shù)系,27,摻有不同量砷施主雜質(zhì)的摻金鍺雜質(zhì)光電導光譜分布曲線,2020/7/30,光信息科學與技

17、術(shù)系,28,由圖可以看出，光電導在光子能量0.7eV附近陡起明顯，表示本征光電導開始。在本征光電導長波限左邊，光子能量小于鍺禁帶寬度（0.68eV），這時光電導顯然是雜質(zhì)光電導光譜曲線繼續(xù)向左邊延伸時，可以看到，在某一波長處曲線迅速下降，這就是雜質(zhì)光電導的長波限。此處光子的能量等于雜質(zhì)的電離能。能量再低的光子就不可能激發(fā)雜質(zhì)上的電子或空穴。 圖中三條曲線各表示摻有不同量的砷施主雜質(zhì)。金元素在鍺中存在多重能級，在不加砷施主雜質(zhì)時，金是受主，鍺是p型半導體（p型Ge：Au），從曲線中看到，長波限在0.05eV處。當加入少量砷施主雜質(zhì)，此時鍺晶體仍是p型（p型Ge：Au：As），長波限相應于0.15

18、eV。當加入足夠多的砷施主雜質(zhì)時，致使鍺晶體從p型轉(zhuǎn)變?yōu)閚型（n型Ge：Au：As），從曲線中可看到長波限相應于0.2eV。,2020/7/30,光信息科學與技術(shù)系,29,光生伏特效應,達到內(nèi)部動態(tài)平衡的半導體PN結(jié)，在光照的作用下，在PN結(jié)的兩端產(chǎn)生電動勢，稱為光生電動勢。這就是光生伏特效應。也稱光伏效應。,物理本質(zhì)：PN結(jié)內(nèi)建電場使得載流子（電子和空穴）的擴散和漂移運動達到了動態(tài)的平衡，在光子能量大于禁帶寬度的光照作用下，激發(fā)出的電子空穴對打破原有平衡，靠近結(jié)區(qū)電子和空穴分別向N區(qū)和P區(qū)移動，形成光電流，同時形成載流子的積累，內(nèi)建電場減小，相當于在PN加了一個正向電壓。即光生電動勢。,20

19、20/7/30,光信息科學與技術(shù)系,30,形成過程：,光生（正向）電壓產(chǎn)生正向注入電流（由P指N）： I+=Isexp(qV/kT)-1,2020/7/30,光信息科學與技術(shù)系,31,當PN結(jié)外接回路時，總電流與光生電流和結(jié)電流之間關(guān)系： I=Ip-I+=Ip-Isexp(qV/kT)-1 負載接入外回路，電流為I，則PN結(jié)兩端電壓為： V=(kT/q)ln(Ip-I)/Is+1 PN結(jié)開路時，I=0，求得開路電壓：Voc =(kT/q)ln (Ip/Is+1) 可見Voc與Ip為非線性關(guān)系。 PN結(jié)短路，V=0，求得短路電流即光電流：Isc=Ip=q/h=P 沒有光照時，Ip=0，外加正向電

20、壓為V時，有I+=Isexp(qV/kT)-1 注意：光伏效應與光照相聯(lián)系的是少數(shù)載流子的行為，少數(shù)載流子的壽命通常很短。所以以光伏效應為基礎(chǔ)的檢測器件比以光電導效應為基礎(chǔ)的檢測器件有更快的響應速度。,2020/7/30,光信息科學與技術(shù)系,32,與光電效應的區(qū)別：光電效應中，光子能量直接變?yōu)楣怆娮拥哪芰?，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(zhì)相關(guān)電學特性變化。,光熱效應,可分為:熱釋電效應、輻射熱計效應及溫差電效應,1、 熱釋電效應,介質(zhì)溫度在光照作用下溫度發(fā)生變化，介質(zhì)的極化強度隨溫度變化而變化，引起表面電荷變化的現(xiàn)象。,2020/7/30,光信息科學與

21、技術(shù)系,33,物理本質(zhì)：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(nèi)部電偶極矩不為零，表面感應束縛電荷。,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，對外表面為電流?？梢栽谶@些電荷被中和之間測量到。,2020/7/30,光信息科學與技術(shù)系,34,熱釋電現(xiàn)象中：溫度對自發(fā)極化強度的影響。,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。

22、,2020/7/30,光信息科學與技術(shù)系,35,2、 輻射熱計效應,入射光照射材料由于受熱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(guān)系：,當溫度變化足夠小時， T=1/R*dR/dT,對金屬材料，R=BT，則T=1/T，呈反比關(guān)系。,對半導體材料，R與T具有指數(shù)關(guān)系，則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。,2020/7/30,光信息科學與技術(shù)系,36,3、 溫差電效應,由兩種不同材料制成的結(jié)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(jié)點間產(chǎn)生電動勢，回路中產(chǎn)生電流，這就是溫差電效應。,當有光照結(jié)點產(chǎn)生溫度變化就

23、會產(chǎn)生溫差電現(xiàn)象。,另外，如果在圖中x，y處接一電動勢，導體中產(chǎn)生電流，兩個接點1和2處就會出現(xiàn)一個吸熱一個放熱的現(xiàn)象。,吸（放）熱速率：dp/dt=I，稱為帖耳帖系數(shù),2020/7/30,光信息科學與技術(shù)系,37,光電檢測器件的特性參數(shù),光電檢測器件利用物質(zhì)的光電效應把光信號轉(zhuǎn)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。,分類,2020/7/30,光信息科學與技術(shù)系,38,光子檢測器件（即通常意義上的光電檢測器件）分類：,2020/7/30,光信息科學與技術(shù)系,39,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

24、感性。 2、響應慢。即吸收輻射后產(chǎn)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,2020/7/30,光信息科學與技術(shù)系,40,特性參數(shù),1、響應度（或稱靈敏度）S,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(),()為入射的單色輻射通量或光通量。,2020/7/30,光信息科學與技術(shù)系,41,3、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。,各種輻射波長的總光通量為：=?,不同波長光輻射引導

25、的總輸出光電流Io=?,則積分響應度S=？ 式中0和1分別為光電檢測器的長波限和短波限。,2020/7/30,光信息科學與技術(shù)系,42,4、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,2020/7/30,光信息科學與技術(shù)系,43,5、頻率響應S(f)： 由于光電檢測器信號的產(chǎn)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

26、光電檢測器的響應隨入射輻射的調(diào)制頻率而變化的特性稱為頻率響應。,利用時間常數(shù)可得到頻率響應關(guān)系：,可求得放大器的上限截止頻率：f上=1/2=1/2RC,可見： 光電檢測器電路時間常數(shù)決定了頻率響應帶寬,2020/7/30,光信息科學與技術(shù)系,44,6、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，與頻率無關(guān)，說明熱噪聲是由各種頻率分量組成，可稱為白噪聲。,2020/7/30,光信息科學與技術(shù)系,45,7、散粒噪聲： 或稱散彈噪聲，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(nèi)，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=2qID