华科光探复习总结

1、入射光辐射直接与光电材料中的电子相互作用，改变电子的能量状态，从而引起各种电学参量的变化，称为光电效应。（光谱响应有选择性）分为内光电效应和外光电效应。2、内光电效应：被光激发所产生的的载流子（自由电子或空穴）仍在物质内部运动，使物质的电学性质发生改变的现象。3、外光电效应：被光激发产生的电子逸出物质表面，形成真空中的电子的现象4、光电效应包括光电导效应、光伏效应、光电子发射效应（外光电效应）、光子牵引效应和光电磁效应。5、光电导效应：当半导体材料受光照时，对光子的吸收引起载流子浓度的变化，导致材料电导率变化。分为本征光电导效应和非本征光电导效应。6、本征光电导效应：7、非本征（杂质）光电导效应：8、光伏效应：PN结受到光照时，PN结的两端产生电势差。9、外光电效应：光电子发射效应：金属或金属半导体受到光照时，电子从材料表面逸出。10、热电效应：入射光和材料的晶格相互作用，晶格吸收光能而增加振动能量，引起材料的温度上升，从而使材料的电学参量发生变化。特点是频谱范围宽，无选择性。11、热电效应包括电阻温度效应（物体吸收光辐射后温度升高导致电阻发生改变）和温差电效应（第一效应：塞贝克效应：两种不同的导体或半导体组成闭合回路，两节点的温度不同，产生了温差电动势，闭合回路中产生连续电流）和热释电效应（热电晶体材料受光照射温度升高，在晶体的特定方向上由于自发极化随温度变化而引起表面电荷的变化）。1、光谱效率函数，光谱光视效能km2、普朗克定律（普朗克辐射公式）。描述黑体光谱辐射出度与波长、绝对温度之间的关系：3、求黑体的总辐射出度，即斯蒂芬-波尔滋蔓定律：4、韦恩位移定律：黑体最大光谱辐射出度的峰值波长与绝对温度之间的关系：μm1、光电探测器的性能参数（普遍而言）2、有关响应方面的性能参数（又叫灵敏度）：3、灵敏度分为光谱灵敏度和积分灵敏度4、光谱灵敏度：探测器在波长尼姆达的单色光照射下，输出的电压或光电流与入射的单色辐射通量之比。（又叫单色响应率）电压响应率：、电流响应率。5、积分灵敏度（积分响应率）：探测器的输出电压U或光电流I与入射的辐射通量（或辐射照度E）之比。6、频率响应率。7、响应时间和上限频率：光电探测器产生电信号达到稳定值需要一定的时间，光照停止后，信号完全消失也需要一定时间，信号产生和消失的这种滞后称为探测器的惰性，用响应时间来表示这个惰性的大小。当灵敏度下降到零频是的0.707倍时，fhc=1除以（2pie响应时间），8、量子效率：表征光电转换规律，某一特定波长下单位时间内产生的平均光电子数与入射光子数之比。9、有关噪声方面的参数：热噪声、散粒噪声、产生-复合噪声、1/f噪声、温度噪声10、信噪比：11、噪声等效功率NEP：12、探测率D和比探测率D*、1、光电子发射探测器（利用外光电效应）2、光电倍增管的组成：光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增极。工作原理：入射光透过光窗照射到光电阴极，光电阴极发射出光电子，光电子经电子光学系统加速，聚焦到倍增极上，倍增极将发射出比入射电子更多的二次电子，电子经n级倍增极倍增，形成放大的阳极电流，在负载R上产生放大的信号电压输出。（电流增益可达10^5~10^7）3、光电倍增管外部电路的设计及使用（分为高压供电电路和信号输出电路）高压供电电路的设计应合理选择电阻链和高压电源，以达到极间电压的稳定性要求。信号输出电路采用运算放大器完成电流电压变换，可获得好的信噪比和线性度。4、光电发射器件的特点：使用波段、有着更高的内增益（与电子光学系统的收集率、各级倍增极的电子收集率和二次电子发射系数有关），电流增益最高可达10^7、灵敏度高（用阴极灵敏度SK和阳极灵敏度SA表示，还细分光谱灵敏度和积分灵敏度）、低噪声（主要是散粒噪声）、高响应速度、工作电压高（正负电压使用特点）、体积大，使用中受一定限制、它的暗电流比APD一两个数量级，所以更适合弱光探测。5、与apd相比：1、更高的内增益和比探测率，电流增益最高可达10七次方。暗电流比apd小一两个数量级，通常更适于弱光检测。他在0.8-1.1μm的近红外光谱区，其量子效率低于apd，所以在这段光谱内，apd有更好的响应速度。他的体积大，工作电压高，使用受一定的限制。1.光电导探测器（PC）2.（1）器件工作原理：光电导效应：半导体材料受光照，对光子的吸收引起载流子浓度的变化，导致电导率的变化。本征半导体的响应与光生载流子成正比，当光照到探测器上，光生载流子数增加，载流子浓度增加，产生复合的载流子数也增多，一段时间后，产生和复合达到动态平衡，载流子浓度达到稳定值。同样，光照消失后光生载流子消失也需要一段时间。光电导的响应时间等于载流子寿命且为常数，弱光照条件下的光电导称为线性光电导。在均匀的光电导提两端加上电极后就构成光电导探测器，两电极加上一定电压，当光照照射光电导体时，光生载流子在外加电场的作用下沿一定方向运动，在电路中产生电流。光电导增益M与器件的材料、结构尺寸、外加偏压有关。光电导增益等于载流子平均寿命与载流子渡越时间之比，表示一个光生载流子对探测器外贿赂电流的有效贡献。3.光照特性：定义Gp为光电导，单位是S。按灵敏度的定义——响应量与输入量之比，有：Sg称为光电导灵敏度。4.偏置电路：为了器件正常工作，提供合适的电流或者电压，意义是提高探测灵敏度、降低噪声和提高频率响应。5.（3）工作条件（偏压、无极性）6.（4）工作波段：覆盖从紫外、可见光、近红外、中红外延伸至极远红外波段的光谱响应范围，本征光电导探测器适用于可见光和近红外辐射探测，杂质光电导探测器常用于中、远红外辐射探测。响应频率较低7.光电导探测器的特点：光谱响应范围相当宽，覆盖从紫外、可见光、近红外、中红外延伸至极远红外波段的光谱响应范围，尤其对红光和红外辐射有较高的响应度，工作电流大，可达数毫安，所测得光强范围宽，测强光测弱光，灵敏度高，光电导增益可大于1，偏置电压低，无极性之分，使用方便。不足：光电弛豫时间较长，响应频率较低，强光照射下光电转换线性较差。1、光伏探测器（PV）利用半导体光伏效应制作的器件，都有PN结，常用的有光电池、PD、PINPD、APD和光电三极管。其中PIN光电二极管和雪崩光电二极管是高响应速度的光伏探测器，光电三极管和雪崩光电二极管是具有内增益的光伏探测器。2、（1）结合pn结工作原理，掌握PV器件的伏安工作曲线及对应的工作状态（零偏、反偏）由上图可知，无光照时伏安特性曲线和一般二极管的伏安特性曲线相同，受光照后曲线将沿着电流轴下移，平移的幅度与光照的变化成正比，即△Ip=S△E。光伏探测器可以工作在零偏和反偏两种状态。即对应光伏和光电导两种工作模式，光电二极管大多工作在光电导模式（PN结加反压，暗电流苏反压增大而有所增大，最后等于反向饱和电流，其值远小于光电流，而光电流几乎与反向电压的高低无关，所以总电流等于暗电流—光电流），光电池大多工作在光伏模式。3、（2）PN、PIN、APD管的工作原理、结构和特点，掌握其在增益和频率响应方面的比较。PIN型光电二极管，在PN二极管的P区与N区之间生成I型层，吸收光辐射而产生光电流的一种光检测器。PN结中间掺入一层浓度很低的N型半导体，增大耗尽区的宽度，达到减小扩散运动的影响，提高响应速度的目的。由于这一掺入层的掺杂浓度低，近乎本征半导体，故称I层。绝大部分的入射光在I层内被吸收并产生大量的电子-空穴对。在I层两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体，P层和N层很薄，吸收入射光的比例很小。因而光产生电流中漂移分量占了主导地位，这就大大加快了响应速度。性能特点：时间响应特性好，渡越时间短，频带宽、结电容小、反压高，线性输出范围宽、灵敏度高、噪声低等优点。不足是：提高了时间响应，未能显著提高器件的灵敏度，I层高电阻，输出电流小，一般0.几微安到几微安，提高I层厚度，漂移时间变长，时间响应特性变差。APD：PN结上加上反向偏压后，入射光被PN结吸收后会形成光电流。加大反向偏压会产生“雪崩”（即光电流猛然激增）的现象，因此这种二极管被称为“雪崩光电二极管”。利用高反向偏压下发生雪崩倍增效应而提高灵敏度（具有内部增益100-10^3），而且响应速度特别快，频率可达100GHz，是目前响应速度最快的光电二极管。可大大提高探测器的灵敏度和响应频率，适合微弱光信号的探测。其中利用了载流子的雪崩倍增效应来放大光电信号以提高检测的灵敏度。工作时加较大的反向偏压，使得其达到雪崩倍增状态；（3）光电池的工作原理、与普通光电二极管的比较光电池是无需外加偏压就能将光能转化成电能的光伏探测器，主要介绍硅光电池，基本结构是一个大面积的pn结光电池的短路电流与入射光照度成正比，而开路电压与光照度的对数成正比，负载电阻越小，光电流和照度的线性关系越好，而且线性范围也越宽，此外，在一定负载电阻的条件下，光照越弱，其线性关系越好。光电二极管的工作原理和光电池一样，都是基于pn结的光伏效应，但是他比起光电池有不同：掺杂浓度较低，电阻率较高，结区面积小，通常工作在反偏置状态，因此光电二极管的内建电场很强，结区较厚，结电容小，频率特性比光电池好，但光电流比光电池小得多。4、（4）光电三极管的工作原理，与光电二极管的比较光电三极管是在光电二极管的基础上发展起来的光电器件，它本身具有放大功能。目前的光电三极管一般是硅光电三极管。硅光电三极管是用N型硅单晶做成NPN结构。基区面积做得较大，发射区面积却做得较小，入射光线主要被基区吸收。与光电二极管一样，入射光在基区中激发出电子与空穴。在基区漂移场的作用下，电子被拉向集电区，而空穴被积聚在靠近发射区的一边。由于空穴的积累而引起发射区势垒的降低，其结果相当于在发射区两端加上一个正向电压，从而引起了倍率为β+1(相当于三极管共发射极电路中的电流增益)的电子注入，这就是硅光电三极管的工作原理。总结异同：光电二极管的光照特性线性好，噪声低，频率特性好，但光电流小（微安量级）、灵敏度较低。光电三极管的光照特性呈现一定的非线性，频率特性较差，在光照下有偏压才有输出，由于光电三极管有电流放大作用，所以灵敏度比光电二极管高，输出电流也比光电二极管大，多为毫安级亮、暗电流比光电二极管、光电池和光电探测器都要大，适合做光电开关。5、（5）PV器件相比PC器件的特点（电路工作条件、灵敏度、频率响应等方面）Pv不具有内增益（APD和光电三极管除外），响应率和外加电压无关，光伏效应响应时间主要由载流子到结区的扩散时间决定，其扩散时间通常短于载流子寿命，所以它比用同样材料制成的光电导探测器响应更快，其响应频率可达几百兆赫，甚至上GHz，而光电导探测器只能达到几兆赫的量级，光伏效应对光的吸收是本征吸收，而光电导效应是本征吸收也可以是非本征吸收，所以光伏探测器光谱响应的长波限一般为中远红外区，而杂质光电导探测器可以延伸到远红外区。1、热探测器2、热探测器是基于光辐射与物质相互作用的光热效应而制成的器件，具有以下特性：光谱响应范围宽，而且响应率和波长无关，有从紫外到红外波段的几乎平坦的光谱响应特性。工作时无需制冷，也无需偏压电源。热响应时间一般为毫秒到秒量级，响应速度慢。探测率较低，D*值为10八次方到10九次方3、（1）掌握三种热电效应所代表的器件工作原理、结构热电偶：利用温差电效应来测量光辐射的一种热探测器，温差电效应：将两种不同的材料链接成具有一对节点的闭合回路，其中一个节点接收光辐射，而产生温升，另一个没有受光照射的节点之间产生温度差，导致两个节点的接触电动势不同，从而在闭合回路中产生电流。4、（2）掌握器件特点5、热电偶：开路电压和温度的关系、频率特性6、测辐射热计：金属和半导体；波长特性、频率特性7、热释电器件：是个电容器，电容值很小，输出阻抗极高，等效电路可以用恒流源表示，光辐射引起晶体温升，引起极化强度的变化，而中户电荷由于材料的电阻率高跟不上这一变化，其结果是薄片的两表面之间出现瞬态电压。。掌握只能测交变信号的原因1、成像器件2、（1）CCD3、注入、存储、转移、输出的原理。Ccd能存储电荷包，存储能力