光电检测技术

——复习教材《光电检测技术与应用》第二版郭培源、付扬编著，北京航空航天大学出版社参考书目《光电检测技术与系统》刘铁根主编，机械工业出版社《近代光学测试技术》杨国光主编，浙江大学出版社《光电技术与实验》江月松主编，北京理工大学出版社课程主要内容第一章绪论——光电检测技术概述第二章光电检测器件工作原理及特性第三章半导体光电检测器件及应用第四章光电信号检测电路第五章光电直接检测系统第六章光外差检测系统第九章光电检测技术的典型应用本章内容：1.1信息技术及光电检测技术1.2光电检测与光电传感器概念1.3光电检测系统的组成及特点1.4光电检测方法及应用发展趋势光电检测系统光发射机光学通道光接收机光发射机：分为主动式和被动式主动式：光源（或加调制器）被动式：无自身光源，来自被测物体的光热辐射发射光学通道：大气、空间、水下和光纤等光接收机：收集入射的光信号并加以处理，恢复信息接收到的光场接收透镜系统光电检测器后继检测处理器接收透镜系统：对光信号进行滤波、聚焦，入射到光检测器上光电检测器：完成光电信号的转换检测处理电路：完成电信号的放大、调理及滤波，恢复信号。•光接收机的分类功率检测接收机—直接检测或非相干检测外差检测接收机—相干检测（空间相干）透镜光电检测器接收到的光场空间滤波器频率滤波器直接检测接收机外差检测接收机合束镜光电检测器接收到的光场本地激光器本地光场聚焦光场透镜课程主要内容第一章绪论——光电检测技术概述第二章光电检测器件工作原理及特性第三章半导体光电检测器件及应用第四章光电信号检测电路第五章光电直接检测系统第六章光外差检测系统第九章光电检测技术的典型应用本章内容：2.1光电检测器件的物理基础2.2光电检测器件的特性参数辐射光入射到某些半导体，光子（电磁波）与物质微粒相互作用，引起光电效应和光热效应。2.1光电检测器件的物理基础光电效应光电导效应光生伏特效应本征光电导效应杂质光电导效应光热效应物理基础热释电效应辐射热计效应温差电效应物质受光照射后，材料电学性质发生了变化（发射电子、电导率的改变、产生感生电动势）现象。外光电效应：产生电子发射内光电效应：内部电子能量状态发生变化——光电导效应、光生伏特效应光照射的物质电导率发生改变，光照变化引起材料电导率变化，是光电导器件工作的基础。物理本质：光照到半导体材料时，晶格原子或杂质原子的束缚态电子吸收光子能量并被激发为传导态自由电子，引起材料载流子浓度增加，因而导致材料电导率增大。包括本征和非本征两种，对应本征和杂质半导体材料。本征光电导效应：是指本征半导体材料发生光电导效应。入射光子能量hν大于材料禁带宽度Eg的入射光，才能激光出电子空穴对，使材料产生光电导效应。针对本征半导体材料。即：hνEg即存在截止波长：λ0=hc/Eg=1.24/Eg。基本概念：1、稳态光电流：稳定均匀光照2、暗电导和暗电流3、亮电导和亮电流4、光电导和光电流基本公式：暗电导Gd=σdS/L暗电流Id=σdSU/L亮电导Gl=σlS/L亮电流Il=σlSU/L光电导Gp=ΔσS/L光电流Ip=ΔσSU/L光电导效应示意图LS本征半导体样品光U杂质半导体中施主或受主吸收光子能量后电离中，产生自由电子或空穴，从而增加材料电导率的现象。杂质半导体禁带宽度比本征小很多，因此更容易电离，响应波长比本征材料要长得多。用EI表示杂质半导体的禁带宽度，则截止波长：λ0=hc/EI。特点：容易受热激发产生的噪声的影响，常工作在低温状态。常用光电导材料：硅Si、锗Ge及掺杂的半导体材料，以及一些有机物。杂质光电导效应达到内部动态平衡的半导体PN结，在光照的作用下，在PN结的两端产生电动势，称为光生电动势。这就是光生伏特效应，简称光伏效应。物理本质：PN结内建电场使得载流子（电子和空穴）的扩散和漂移运动达到了动态的平衡，在光子能量大于禁带宽度的光照的作用下，激发出的电子空穴对打破原有平衡，靠近结区电子和空穴分别向N区和P区移动，形成光电流，同时形成载流子的积累，内建电场减小，相当于在PN加了一个正向电压，即光生电动势。光生伏特效应PNeVD无光照有光照PNeVD-eVIpPN____VDV+光照形成过程：空穴电子I+V为光生电动势，或者叫做光生电压物质受光照后，由于温度变化造成材料性质发生变化的现象。与光电效应的区别：光电效应中，光子能量直接变为光电子的能量，光热效应中，光能量与晶格相互作用使其运动加剧，造成温度的升高，从而引起物质相关电学特性变化。可分为:热释电效应、辐射热计效应及温差电效应光热效应极化晶体：晶体中的正负电荷的中心不重合，表面束缚电荷。+-+-+-+-+-+-______P(T1)P(T2)+-+-+-+-+-+-___j工作温度T1（左）和工作温度T2T1（右）光辐射强度变化介质温度在光照作用下温度发生变化，介质的极化强度随温度变化而变化，引起表面电荷变化的现象。热释电效应温度变化极化强度用于描述束缚电荷的能力。极化强度变化入射光照射材料由于受热而造成电阻率变化的现象。阻值与温度变化关系：ΔR=αTRΔTαT为电阻温度系数R为元件电阻对金属材料，温度越高，电阻越大。对半导体材料，R与T具有指数关系。辐射热计效应由两种不同材料制成的结点由于受到某种因素作用而出现了温差，就有可能在两结点间产生电动势，回路中产生电流，这就是温差电效应。xyT1T212导体a导体b温差电效应光照本章内容：2.1光电检测器件的物理基础2.2光电检测器件的特性参数热噪声热噪声是由载流子无规则热运动造成的。热噪声电压和电流均方值分别为：UNT²=4kTRΔfINT²=4kTΔf/R其中R为导体电阻，k为玻耳兹曼常数，T为导体的热力学温度，Δf为测量系统的噪声带宽。热噪声与温度成正比，与频率无关，热噪声是一种白噪声。散粒噪声散粒噪声也称散弹噪声，是由穿越势垒的载流子的随机涨落（统计起伏）所造成的噪声。理论表明，在每个时间段内，穿越势垒区的载流子数或从阴极到阳极的电子数都在一个平均值上下起伏。这种起伏引起的均方噪声电流为：INSh²=2qIDCΔfIDC为流过器件电流的直流分量（平均值），q为电子电荷散粒噪声也属于白噪声课程主要内容第一章绪论——光电检测技术概述第二章光电检测器件工作原理及特性第三章半导体光电检测器件及应用第四章光电信号检测电路第五章光电直接检测系统第六章光外差检测系统第九章光电检测技术的典型应用3.1光敏电阻3.2光生伏特器件3.2.1光电池3.2.2光电二极管与光电三极管3.3发光器件3.4光电耦合器件3.5光电位置敏感器件3.6光热辐射检测器件第三章半导体光电检测器件及应用UIp电极入射光当入射光子使半导体物质中的电子由价带跃升到导带时，导带中的电子和价带中的空穴均参与导电，因此电阻显著减小，电导增加。光电导g与光电流Ip的表达式为：光敏电阻的工作原理g=gL-gdIp=IL-Id光敏电阻的伏安特性在一定弱光照射下，光敏电阻的光电流与所加电压关系即为伏安特性。光敏电阻为一纯电阻，符合欧姆定律，伏安特性曲线为直线。光敏电阻使用时的实际功耗不应超过额定值。O10电压V/VI光/mA510050100lx10lx3.1光敏电阻3.2光生伏特器件3.2.1光电池3.2.2光电二极管与光电三极管3.3发光器件3.4光电耦合器件3.5光电位置敏感器件3.6光热辐射检测器件第三章半导体光电检测器件及应用按用途太阳能光电池：用作电源（效率高，成本低）测量用光电池：探测器件（线性、灵敏度高等）按材料硅光电池硒光电池砷化镓光电池锗光电池3.2光生伏特器件3.2.1光电池光电池是一种利用光生伏特效应制成的不需加偏压就能将光能转化成电能的光电器件。光电池的伏安特性某一光照度下，输出电流和电压的特性。无光照时，伏安特性曲线与普通二极管相同。有光照时，伏安特性曲线发生平移，平移量与光照度成正比。曲线与电压轴的交点称为开路电压Voc曲线与电流轴的交点称为短路电流Isc1dqVIRkTLsIIIe光电池的等效电路光电池的伏安特性曲线伏安特性曲线方程其中IL=S·E，Is为等效二极管的反向饱和电流，q为电子电荷量，k为玻尔兹曼常数，T为热力学温度。光电二极管与光电池的比较①属于光生伏特器件，基本结构相同，核心是一个PN结。②光电二极管的光敏面小，结面积小，频率特性好，虽然光生电动势相同，但光电流普遍比光电池小，为数微安。③掺杂浓度：光电池约为1016~1019/cm3，光电二极管约为1012~1013/cm3。④光电池零偏压下工作，光电二极管反偏压下工作。3.2.2光电二极管与光电三极管1、光电二极管光电二极管的工作原理NP光+_外加反向偏压符号光电二极管的伏安特性IUOE2E1E0E0E1E2在反向偏压U较小时，光电流I随反向偏压的变化较为明显在反向偏压U较大时，光电流I趋于饱和，取决于入射光功率E2、光电三极管光电三级管由光窗、集电极引出线、发射极引出线和基极引出线组成。光电三级管的作用和普通三级管类似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路的电流控制，也可以受光的控制。光电三极管与光电二极管的比较光电三级管的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。光电特性不如光电二极管好，在较强的光照下，光电流与照度不成线性关系，所以多用来作光电开关元件或光电逻辑元件。发射极集电极基极发射极集电极光电三极管的工作原理cbeIcIpIbVo工作过程：一、光电转换，二、光电流放大。正常运用时，集电极加正电压，集电结为反偏置，发射结为正偏置。当光照到集电结上时，集电结即产生光电流，向基区注入，同时在集电极电路即产生了一个被放大的电流。光电三极管等效于一个光电二极管与普通三极管集电极-基极的并联。伏安特性光电三极管在不同的照度下的伏安特性，就像一般三级管在不同的基极电流时的输出特性一样。只要将入射光照在集电极与基极之间的PN结附近，所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看作一般的晶体管。光电三极管的主要特性3.1光敏电阻3.2光生伏特器件3.2.1光电池3.2.2光电二极管与光电三极管3.3发光器件3.4光电耦合器件3.5光电位置敏感器件3.6光热辐射检测器件第三章半导体光电检测器件及应用发光二极管（LED）发光二极管是少数载流子在PN结区的注入和复合而产生发光的一种半导体光源，也称注入式场致发光光源。表面发光二极管发光二极管侧面发光二极管平面发光二极管圆顶形发光二极管超发光二极管——介于激光和荧光之间通信显示、报警、计算发光二极管的工作原理基本结构：PN结工作偏压：正向偏压发光二极管的光谱特性光谱特性决定了发光颜色半导体材料不同，光谱特性不同3.1光敏电阻3.2光生伏特器件3.2.1光电池3.2.2光电二极管与光电三极管3.3发光器件3.4光电耦合器件3.5光电位置敏感器件3.6光热辐射检测器件第三章半导体光电检测器件及应用3.4光电耦合器件光电耦合器件把发光器件和光接收器件组合的一种器件，它是以光作为媒质把输入端的电信号耦合到输出端，因此也称为光耦合器。光电耦合器件由发光器件和受光器件封装在一个组件内构成；当发光二极管流过电流IF时发出红外光，光敏三极管受光激发后导通，并在外电路作用下产生电流IC。3.1光敏电阻3.2光生伏特器件3.2.1光电池3.2.2光电二极管与光电三极管3.3发光器件3.4光电耦合器件3.5光电位置敏感器件3.6光热辐射检测器件第三章半导体光电检测器件及应用P层i层0AxA②①③I1I2I0N层LL入射光1、一维光电位置敏感器件（PSD）的工作原理LIIIIxLxLIILxLIIIIIAAA1212020121022依图中所示，电流I0、I1、I2、入射光位置xA和电极间距2L之间有如下关系：一维PSD器件可用来测量光斑在一维方向上的位置和位置移动量。3.5光电位置敏感器件（PSD）2、二维光电位置敏感器件（PSD）的工作原理测量光束