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1、第三章第三章 光辐射探测器光辐射探测器3.1 3.1 光辐射探测器的理论基础光辐射探测器的理论基础 光热效应光热效应 光电效应光电效应3.2 3.2 光热探测器光热探测器3.3 3.3 光电探测器光电探测器光电导器件光电导器件结型光电器件结型光电器件光电发射器件光电发射器件引言一一. 概念概念光辐射探测技术光辐射探测技术光辐射探测技术光辐射探测技术：把被调制的光信号转换成电信：把被调制的光信号转换成电信号并将信息提取出来的技术号并将信息提取出来的技术光探测过程可以形象地称为光频解调。光探测过程可以形象地称为光频解调。光电探测器光电探测器光电探测器光电探测器：对各种光辐射进行接收和探测的器：对各
2、种光辐射进行接收和探测的器：对各种光辐射进行接收和探测的器：对各种光辐射进行接收和探测的器件件件件光电探测器光电探测器光辐射量光辐射量电量电量热热 探探 测测 器器光子探测器光子探测器光电倍增管光电倍增管二二. 历史历史:1873年: Smith, May: 发现光电效应 Simens: 光电池1909年：Richtmeyer: 奠定光电管的基础1933年：Zworkyn: 发明光电摄像管1950年：Weimer: 制出光导摄像管1970年： Boyle: 发明CCD探测器件探测器件热电探测元件热电探测元件光子探测元件光子探测元件气体光电探测元件气体光电探测元件三、分类三、分类外光电效应外光电
3、效应内光电效应内光电效应非放大型非放大型放放 大大 型型光电导探测器光电导探测器光磁电探测器光磁电探测器光生伏特探测器光生伏特探测器真空光电管真空光电管充气光电管充气光电管光电倍增管光电倍增管像增强器像增强器摄像管摄像管变像管变像管本征型本征型光敏电阻光敏电阻掺杂型掺杂型红外探测器红外探测器非放大非放大放大型放大型光电池光电池光电二极管光电二极管光电三极管光电三极管光电场效应管光电场效应管雪崩型光电二极管雪崩型光电二极管3.1 3.1 光辐射探测器的光辐射探测器的 理论基础理论基础光辐射探测器的物理效应主要是光辐射探测器的物理效应主要是光热效应光热效应和和光电效应光电效应。3.1.1 3.1.
4、1 光热效应光热效应当光照射到理想的黑色吸收体上时，当光照射到理想的黑色吸收体上时，黑体将对所有波长的光能量全部吸收，黑体将对所有波长的光能量全部吸收，并转换为热能，称为并转换为热能，称为光热效应光热效应 。热能增大，导致吸收体的物理、机械性能变热能增大，导致吸收体的物理、机械性能变化，如：化，如：温度、体积、电阻、热电动势等温度、体积、电阻、热电动势等，通过测量这些变化可确定光能量或光功率的通过测量这些变化可确定光能量或光功率的大小，这类器件统称为光热探测器。大小，这类器件统称为光热探测器。光热探测器对光辐射的响应有两个过程：光热探测器对光辐射的响应有两个过程： 器件吸收光能量使自身温度发生
5、变化器件吸收光能量使自身温度发生变化 把温度变化转换为相应的电信号把温度变化转换为相应的电信号 共性共性个性个性光热探测器的最大特点是：光热探测器的最大特点是：1 1、从紫外到、从紫外到40m40m以上宽波段范围，其响应灵敏度以上宽波段范围，其响应灵敏度与光波波长无关，与光波波长无关，原则上原则上是对光波长无选择性探测是对光波长无选择性探测器。器。2 2、受热时间常数的制约受热时间常数的制约，响应速度较慢，响应速度较慢 。 应用：应用： 在在红外波段上，材红外波段上，材料吸收率高，光料吸收率高，光热效应也就更强热效应也就更强烈，所以广泛用烈，所以广泛用于对红外线辐射于对红外线辐射的探测。的探测
6、。探测器遵从的热平衡方程：探测器遵从的热平衡方程： 设入射光的表达式为：设入射光的表达式为：代入热平衡方程，代入热平衡方程，得到：得到： 解得：解得：器件的平均温升器件的平均温升 器件随频率器件随频率的交变温升的交变温升 式中，式中，是器件的热时间常数。是器件的热时间常数。表明器件温升滞后于表明器件温升滞后于辐射功率的变化。辐射功率的变化。 因此，因此，光热探测器常用于低频调制辐照场合。光热探测器常用于低频调制辐照场合。设计时应尽力降低器件的热时间常数，设计时应尽力降低器件的热时间常数，主要是减少器件的热容量。主要是减少器件的热容量。3.1.2 3.1.2 光电效应光电效应光电效应是物质在光的
7、作用下释放出光电效应是物质在光的作用下释放出电子的物理现象。电子的物理现象。 分为分为: : 光电导效应光电导效应 光伏效应光伏效应 光电发射效应光电发射效应 3.1.2.1 3.1.2.1 半导体中的载流子半导体中的载流子载流子载流子: :能参与导电的自由电子和自由空穴。能参与导电的自由电子和自由空穴。载流子浓度载流子浓度: :单位体积内的载流子数单位体积内的载流子数。 I:I:N:N:P:P:室温下室温下 （施主浓度）（施主浓度）全电离时全电离时（受主浓度）（受主浓度）一、热平衡状态下的载流子浓度一、热平衡状态下的载流子浓度由（由（1.261.26）式，）式，可得出：可得出：上式表明：上式
8、表明：禁带愈小，温度升高，禁带愈小，温度升高， np np就愈大，导电性愈好。就愈大，导电性愈好。在本征半导体中，在本征半导体中， 平衡态判据平衡态判据 则有则有可得出，少子浓度：可得出，少子浓度：二、非平衡状态下的载流子二、非平衡状态下的载流子 半导体受光照、外电场作用，载流子浓度半导体受光照、外电场作用，载流子浓度就要发生变化，这时半导体处于非平衡态。就要发生变化，这时半导体处于非平衡态。 载流子浓度对于热平衡时浓度的增量，载流子浓度对于热平衡时浓度的增量，称为非平衡载流子。称为非平衡载流子。 半导体材料吸收光子能量而转换成电能是半导体材料吸收光子能量而转换成电能是光电器件工作的基础。光电
9、器件工作的基础。1.1.半导体对光的吸收半导体对光的吸收l本征吸收本征吸收 或或为长波限。为长波限。 l杂质吸收杂质吸收 电离能电离能 半导体对光的吸收主要是本征吸收半导体对光的吸收主要是本征吸收 2.2.光生载流子光生载流子半导体受光照射而产生的非平衡载流子。半导体受光照射而产生的非平衡载流子。约为约为10101010cmcm-3-3 ; ; 多子浓度约为多子浓度约为 少子浓度约为少子浓度约为 而热平衡时，而热平衡时，可见，可见，一切半导体光电器件对光的响应一切半导体光电器件对光的响应都是少子的行为。都是少子的行为。载流子的复合：载流子的复合：电子电子- -空穴对消失。只要有空穴对消失。只要
10、有自由的电子和空穴，复合过程就存在。自由的电子和空穴，复合过程就存在。 直接复合直接复合间接复合间接复合 光生载流子的寿命光生载流子的寿命 光生载流子的平均生存时间光生载流子的平均生存时间复合率：复合率：单位时间内单位时间内载流子浓度减少量：载流子浓度减少量：三、载流子的扩散与漂移三、载流子的扩散与漂移1.1.扩散扩散载流子因浓度不均匀而发生的定向运动。载流子因浓度不均匀而发生的定向运动。 2.2.漂移漂移载流子受电场作用所发生的运动。载流子受电场作用所发生的运动。 欧姆定律的微分形式欧姆定律的微分形式 对于电子电流对于电子电流 同理，对于空穴电流有同理，对于空穴电流有漂移电流密度矢量漂移电流
11、密度矢量 3.1.2.2 3.1.2.2 光电导效应光电导效应半导体材料受光照半导体材料受光照, ,吸收光子引起载流吸收光子引起载流子浓度增大，从而材料的电导率增大。子浓度增大，从而材料的电导率增大。一、稳态光电导与光电流、稳态光电导与光电流暗态下暗态下 亮态下亮态下 光电导光电导 光电流光电流 定义定义光电导增益光电导增益 电子在两极间电子在两极间的渡越时间的渡越时间 如果定义如果定义 则有则有以上分析，对光敏电阻的设计和选用以上分析，对光敏电阻的设计和选用很有指导意义。很有指导意义。 二、响应时间二、响应时间光电导张驰过程光电导张驰过程 非平衡载流子的非平衡载流子的产生与复合都不产生与复合
12、都不是立即完成的，是立即完成的，需要一定的时间。需要一定的时间。1.半导体材料受阶跃光照：半导体材料受阶跃光照： 受光时受光时t=0t=0时，时，停光时停光时t=0t=0时时, ,（光照下的稳态值）（光照下的稳态值）光电导张驰过程的时间常数就是载流子的寿命光电导张驰过程的时间常数就是载流子的寿命2.2.半导体材料受正弦型光照半导体材料受正弦型光照（即正弦调制光）（即正弦调制光）: :可得出可得出当当 上限截止频率上限截止频率带宽带宽光电导增益与带宽之积为一常数：光电导增益与带宽之积为一常数： 这一结论有一定的普遍性：这一结论有一定的普遍性： 它表示材料的光电灵敏度它表示材料的光电灵敏度与频率带
13、宽是相互制约的。与频率带宽是相互制约的。3.1.2.3 3.1.2.3 光伏效应光伏效应光照射到半导体光照射到半导体PNPN结结上，光子在结区激发上，光子在结区激发出电子出电子- -空穴对。空穴对。 P P区、区、N N区两端产生电位差区两端产生电位差光电动势光电动势 一、热平衡状态下的一、热平衡状态下的PNPN结结由第一章已知，在热平衡状态下，由于由第一章已知，在热平衡状态下，由于自建场的作用，自建场的作用，PNPN结能带发生弯曲。结能带发生弯曲。由式（由式（3.73.7）、（）、（3.83.8）可得出可得出 在室温下，在室温下， 得出得出在一定温度下，在一定温度下，PNPN结两边的掺杂浓度
14、愈高，结两边的掺杂浓度愈高，材料的禁带愈宽，材料的禁带愈宽，U UD D愈大。愈大。以上两式表明：以上两式表明：PNPN结两边少数载流子结两边少数载流子与多数载流子之间的关系。与多数载流子之间的关系。热平衡状态下，热平衡状态下，PNPN结中漂移运动等于结中漂移运动等于扩散运动，净电流为零。扩散运动，净电流为零。当在当在PNPN结两端外加电压结两端外加电压U U，使势垒高度由，使势垒高度由qUqUD D变变为为q(Uq(UD DU)U)，引起多数载流子扩散时，少数载引起多数载流子扩散时，少数载流子产生增量流子产生增量n np p、p pn n，有关系式：有关系式：扩散电流扩散电流密度密度 则流过
15、则流过PNPN结的电流密度为结的电流密度为PNPN结电流方程为结电流方程为PNPN结导电特性：结导电特性： 正向偏置，电流随着电压正向偏置，电流随着电压的增加急剧上升。的增加急剧上升。 反向偏置，电流为反向偏置，电流为反向饱和电流反向饱和电流。热平衡状态热平衡状态 ，I=0I=0二、光照下的二、光照下的PNPN结结产生电子产生电子- -空穴对。空穴对。 在自建电场作用下，在自建电场作用下， 光电流光电流I I的方向与的方向与I I0 0相同。相同。光照下光照下PNPN结的电流方程为结的电流方程为短路短路(R(RL L0)0)情况情况,U=0,U=0 短路电流为短路电流为光照下光照下PNPN结的
16、两个重要参量结的两个重要参量: : 开路开路(R(RL L) )情况情况,I=0I=0开开路电压为路电压为3.1.2.4 3.1.2.4 光电发射效应光电发射效应光照到某些金属或半导体材料上，光照到某些金属或半导体材料上，若若入射的光子能量足够大，致使电子从入射的光子能量足够大，致使电子从材料中逸出，材料中逸出，称为称为光电发射效应光电发射效应，又，又称称外光电效应外光电效应。 爱因斯坦定律爱因斯坦定律 当当hhW，对应的光波长为阈值波长或长波限。，对应的光波长为阈值波长或长波限。 金属材料的电子逸出功金属材料的电子逸出功 W 从费米能级至真空能级的能量差。从费米能级至真空能级的能量差。 半导体材料的电子逸出功半导体材料的电子逸出功 良好的光电发射体，应该具备的基本条件：良好的光电发射体，应该具备的基本条件： 光吸收系数大；光吸收系数大；光电子逸出深度大光电子逸出深度大 ；表面势垒低表面势垒低 。金属光电发射的量子效率都很低金属光电发射的量子效率都很低, ,且大多数金属且大多数金属的光谱响应都在紫外或远紫外区。的光谱响应都在紫外或远紫外区。半导体光电发射的量子效率远高于金属：半导体光电
