1-6光电探测

光电子技术授课人：戴智刚1光电探测器的物理基础tQdVdQW/dtdQ/dtdI/cos/cos/2dAdddAdILdAdE/dAdM/1.1光辐射学与光度学辐射学的物理量辐射能Q:单位J辐射能密度W：单位体积内的辐射能量单位J/M3辐射通量：单位时间内向所有方向发射的能量单位W辐射强度I：一个点辐射源在单位时间单位立体角内所辐射出的能量单位W/Sr辐射出射度M：辐射体在单位面积内所辐射的辐射通量辐射率L：辐射体在某一给定方向上的辐射强度的表面密度，单位W/SrM2辐照度E：物体单位面积所接收的辐射能量光度学的物理量单位光量Q单位lm.s光量密度W单位lm.s/m3光通量单位lm流明发光强度I单位Cd坎德拉光出射度M单位lm/m2发光率L单位lm/m2Sr光照度E单位lx(lm/m2)这些物理量与辐射度的物理量一一对应，只是由于针对的波长不同范围，因此使用的单位不同坎德拉是光度体系的基本单位辐射度单位与光度单位的换算：555nm时，1W=683流明其他波长时，1W=683V（λ）流明V（λ）为视觉函数，由视觉效率曲线读出，分为日间视觉跟夜间视觉两种另补充：空间立体角的计算：ddrrddrrdsdsin))(sin(221.2标准辐射源绝对黑体：任何温度，任何波长的入射辐射能的吸收比都等于1灰体：吸收比近似为一常数1.基尔霍夫定律物体的辐射出射度与物体的吸收比之间有内在联系M为单色辐出度α为单色吸收比可见总是成立nTTMTTMTTMBB),(),(........),(),(),(),(2211),(),(TMBTMe2.普朗克辐射公式黑体的单色辐射出射度C1=3.74*10-16WM2C2=1.439*10-2MK121),(/52/512kThcTCehceCTM3.斯忒藩-波尔兹曼定律普朗克公式在所有波长范围内积分所得得到某一温度下所有波长的黑体辐射出射度以此为基础可以进行一些温度的测量计算423445/52015212)(TChTKehcTMkThc4.维恩定律求辐射功率峰值波长：将普朗克公式对波长求偏导数这对确定使用何种波段的探测器有着理论上的指导意义习题：在大气层外的卫星上，测得太阳光谱的峰值波长为456nm，求出太阳表面的温度。答案：代入有456*10-9T=2898*10-6T=6355KKumT2898maxKumT2898max1.3光电效应与热电效应一光电效应：光子直接与电子作用（吸收、能量传递），引起电子运动状态改变，从而改变固体电学性质不是直接作用：热电效应分类（看是否发射电子）：内光电效应（光电导效应、光伏效应、光子牵引效应、光磁电效应）外光电效应（光电发射效应）1）光电导效应针对的材料只是半导体半导体的导带、价带、禁带，热平衡载流子、光生载流子半导体的导电性能与其中的自由载流子浓度有关，某一温度下存在自由载流子（热平衡载流子），受到光照，材料吸收光辐射而产生新的载流子（光生载流子），使半导体的电导率发生变化的现象。A）本征半导体：本征光电导效应---电子吸收光子从价带跃迁至导带电导率电导率增量要求：或写为由此知本征光电导效应截止波长为pnpne000pnpnegEhgEch)(24.10evEEhcggB）非本征半导体：非本征光电导效应---光子激发杂质能级上的束缚态电子（N型）或空穴（P型），产生光生载流子电导率增量：N型半导体P型半导体截止波长：，Ei是杂质能级，一般Ei远小于Eg，因此其截止波长远大于本征半导体载流子数目变化的弛豫时间：nneppe)(0evEhci2）光伏效应PN结的介绍：N区多数载流子电子，少数载流子空穴P区多数载流子空穴，少数载流子电子耗尽层与内建电场的形成，动态平衡光照PN结：P区N区结区本征激发产生电子空穴对，破坏原有的平衡，产生的少数载流子在内建电场的作用下扩散，P区电子-------N区------------N区获得附加负电荷N区空穴-------P区------------P区获得附加正电荷结果P区电势上升，N区电势下降，导致PN结两端形成了光生电动势，此即为光伏效应。1/KTeVseII因此，光生电流的方向与内建电场的方向即漂移电流的方向相同，与扩散电流的方向相反。由N区指向P区。光生电动势V，使势垒由eVD降为ｅＶＤ－eV0，形成正向注入电流光伏效应是少数载流子过程，载流子寿命相对短，因此，相同材料制作的光伏探测器比光电导探测器响应更快。３）光电发射效应光电发射第一定律：光频率不变，ＩＰ正比于入射辐通量光电发射第二定律：增大，Ｖｍ随之增大，Ｖ与入射光强无关三：存在长波限（半导体材料的阈值波长），即红限频率或者光电子发射的三个过程：１吸收光子，激发高能电子２向界面运动损失能量３电子越过表面势垒逸出逸出功，因为一般半导体能有效吸收光子的电子大多处于价带顶附近。WhVmme221hW0Whc0AgEEW４）光子牵引效应当入射光频率不高，不产生光生载流子，而使半导体的自由载流子吸收光子，从低能态跃迁到高能态（同一能带内），相当于光子的动量传递给了自由载流子，推动载流子运动，从而在半导体内部建立一个电场。５）热敏效应定义：电学量的变化与光谱成分无关，只与光功率有关ａ）电阻温度效应温度变化导致电阻率变化为电阻温度系数金属：线性度好，测量范围广，多进行温度测量，正温度系数半导体：测量范围窄，线性度差，多用于探测，负温度系数RdTdRTTｂ）温差电效应赛贝克效应，Ｍ１２为赛贝克系数应用：温差电流电流温差，用来制冷TM1212ｃ）热释电效应极性晶体：具有自极化特性与自极化强度垂直的两个晶面上出现面束缚电荷不变化的温度下，束缚电荷被自由电荷所补偿一定频率的变化温度时，自由电荷来不及中和面束缚电荷，晶体表面呈现出相应于温度变化的面电荷变化热释电效应原理示意图自极化晶体中和电荷面束缚电荷1.4光电探测器的特性参量实际参量：可通过实际测量得到参考参量：通过折合到标准条件的参量值必须指明测量条件1)响应率R：光电探测器将入射光信号转换成电信号的能力电压响应率：：探测器开路输出的基频电压均方根值：入射辐射功率的基频功率均方根值电流响应率：：等效短路输出的基频电流均方根值1wVvvsssvs1wAiisssi黑体响应率：以调制的黑体为辐射源在可见光段响应率叫做灵敏度单色灵敏度：单位：A.lm-1：波长为的光入射到探测器时其输出的光电流：波长为的入射光通量积分灵敏度：光源包括各种波长的辐射：探测器的长波限，短波限fTbb,ISI001001ddSddIIS10,2)量子效率：每秒产生的光电子数/每秒入射波长为的光子数P：入射光功率Ip：探测器输出的平均光电流实际器件，理想器件才有，越大探测器越好3）噪声等效功率（NEP）噪声的存在导致能探测到的最小入射光功率受到限制（最小可探测功率）NEP：信号功率/噪声功率为1时，入射到探测器上的信号功率通常把信噪比等于1作为能探测到光信号的起码条件，实际上信噪比等于1时信号很难直接测量到PehcIPehIhPeIppp//11I：入射光强Ad：探测器的光敏面积P：入射到探测器上的光功率Vs：探测器输出的均方根信号电压Vn：探测器输出的均方根噪声电压必须指明测量条件：例如NEP(500，400，1)500为测量标准源为黑体，温度为500K400为调制频率为400HZ1为测量带宽为1HZNEP还与探测器的使用温度，所加偏压，光敏面积等有关WVVVPVVIANEPsvnnSnSd//4）探测率D，比探测率D*D：探测器探测最小光信号能力的指标，可以比较不同类型探测器性能的优劣D越大，NEP越小，探测器性能越好D与Ad（光敏面积），△f（测量带宽）有关Vn（噪声电压）与Ad-1/2，△f-1/2成正比，因此引入D*（比探测率），即为归一化的探测率（归一化到测量带宽为1HZ，探测器面积为1cm2）：单位也称为琼斯记法为：黑体D*（T，f，1）黑体作为标准源单色Dλ*（λ，f，1）单色光作为标准源1一般可省略还引入了D**，将D折算到π球面度立体角的D*，消除视场函数的影响11/WPVVNEPDns12/1/*WHzcmfAPVVNEPfADdnsd2/1/***dDD5）光谱响应：不同波长的光入射，探测器的响应率R﹑比探测率D*随光辐射波长变化而变化峰值响应率﹑峰值比探测率光电效应探测器的光谱响应曲线为有峰值的曲线光热效应探测器的光谱响应曲线为与横轴平行的直线光电效应探测器的理想光谱响应曲线：p*pDλ曲线开始线性上升的原因：波长越长，每瓦功率的光子数越多，探测器对光子的吸收速率越快曲线突然下降的原因：存在红限波长6）响应速度（响应时间）描述探测器对入射辐射响应快慢的特性参量通常用响应时间来描述：时间常数τ频率响应：入射波长不变，由于响应时间的存在，探测器的响应随入射辐射的调制频率而变化：探测器的上限调制频率7）其他特性参量响应率﹑比探测率﹑探测器噪声随探测器温度的变化噪声电压Vn随调制频率的变化探测器的阻抗及其随温度的变化探测器的最佳偏置条件fcf21cf1.5光电探测器的噪声1）噪声的概念：任何叠加在信号上不希望的随机扰动或干扰，均称为噪声噪声的来源：A)来自系统外部；采取适当措施可减小或消除，多具有规律性B）来自系统内部的材料，器件固有物理过程的自然扰动；一般是随机的无规律，只是遵循统计规律研究噪声一般采用长周期测定其均方值（即噪声功率）的办法；22tuUnn22tiinn2）噪声功率谱密度为单位频谱的噪声功率，为频率（f，f+△f）之间噪声频谱分量的平均功率；噪声功率则有，即表示单位频带的噪声电流消耗在1Ω电阻上的平均功率为因此有一个光电探测器的测量带宽是有限的，因此fffifSnfn,20limfSnffin,2dffSinn22fifSnnfin2finfSndffiinn22212122ffnffnndffSdffii若或不是频率的函数，则按此将噪声分为：白噪声------噪声功率与频率f无光1/f噪声----噪声功率与频率f成反比蓝噪声-------噪声功率与频率f的平方成正比3）噪声相关性两个噪声源完全不相关，则总噪声功率为：噪声源相关时，存在一个相关系数r大多数情况下，探测器系统的各噪声源是独立不相关的finfSnffSffiinnn2222221nnniii1.5光电探测器噪声A）热噪声：电子的热运动所引起的，通过截面的电子数存在均方偏差，即有电子涨落，因此导致了热噪声；热噪声功率：热噪声电流：也可以用均方根值来表示热噪声属于白噪声减少热噪声的手段：1）降温2）尽量缩短工作频带fRkTUnj42RfkTinj/42B）散粒噪声：（白噪声）探测器在光辐射作用或者热激发下，光电子或载流子随机产生所造成的散粒噪声功率：暗电流噪声功率：光辐射散粒噪声功率：fIein22feIidnd22feIipnp22C）产生--复合噪声：（与散粒噪声本质是相同的）半导体中由于载流子产生--复合的随机性引起M：光电导探测器的内增益τ0：载流子平均寿命τd：载流子渡越时间fMIeirng42dM0D）温度噪声：温度起伏引起的热探测器输出起伏G：热探测器的热导E）电流噪声（1/f噪声）又叫低频噪声﹑闪烁噪声﹑过剩噪声K1：比例系数，由实验测得a：0.8～1.3之间，与材料有关的