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1、第九章 光辐射探测器Radiation Detector,1、基本原理(a)光热效应(b)光电效应(光电导、光伏、光电发射）(c)探测器噪声(热、散粒、产生/复合、低频、温度）(d)性能参数2、光热探测器(热敏电阻、热释探测器）3、光电探测器(a)光电导器件(b)PN结型光电器 光电池、光电二级管、光电三级管、光电场效应管4、光电发射器件（光电管、光电倍增管）,光热效应Photothermal Effect,光热效应的一般机理：,辐射吸收系数，辐射通量，T温度变化，Ct材料热容量，Gt器件与环境的热导率,被调制的辐射通量：,时间无关项：,时间相关项：,低频：,t=Ct/Gt,高频：,光热效应P
2、hotothermal Effect,光热效应器件的特点：1、响应时间较慢2、响应的波长范围宽(紫外到40um)3、响应灵敏度与波长依赖性弱,主要器件：测辐热电偶、测幅热敏电阻、高莱管、热释电探测器,光电效应Photoelectric Effect,光电效应：光波与物质相互作用，产生或释放出电子，从而产生 电压或电流的物理现象,光电效应主要有以下三类：1、光电导效应 光敏电阻2、光伏效应（PN结光电效应）光电池、光电二三极管、光电场效应管3、光电发射效应 光电管、光电倍增管,光电效应特点：1、响应较快（pss量级）2、半导体光电器件体积较小3、量子效率较高,半导体基本概念能带Basic Con
3、cept of SemiconductorEnergy Band,能带的形成,固体的导电性,半导体基本概念能带Basic Concept of SemiconductorEnergy Band,半导体的能带特征：1、所有电子刚好填满价带，绝对零度不能导电2、导带绝对零度为空带，即无电子占据，可以导电3、禁带Eg较小，常温下有一定导电能力,光子与半导体相互作用Interaction Between Photon and Semiconductor,导带激发出电子价带激发出空穴,半导体载流子,常温下半导体的统计特性Semiconductor Statistics at normal tempera
4、ture,态密度g(E):单位能量单位体积内在能带中的电子状态数(特征波函数的个数)，在导带低和价带顶g(E)(E-Ec)1/2 和(Ev-E)1/2,热平衡时，电子满足费米分布，即在某一能态找到电子的几率。,导带的电子浓度:,价带的空穴浓度:,根据导带电子浓度计算公式，可得,常温下半导体的统计特性Semiconductor Statistics at normal temperature,当E-EckBT时，在非简并的半导体中，费米分布近似为,同时也可以得，价带空穴浓度，,这里，,NC、NV称分别为导带和价带的有效能态密度,物质作用定律：,ni为本征浓度,结论：在热平衡时，“空穴”和电子浓度
5、乘积与半导体类型、电子空穴浓度无关,N型半导体N-type Semicondutor,砷有五个价电子，形成共价键后，多出一个自由电子，受砷离子作用，形成类氢原子结构。利用氢原子模型可以算得，这电子须获得0.05eV的能量才能到达导带形成载流子。这种五价的原子承担提供电子的作用，称为施主杂质（Donor Impurity)，,kBT0.025eV,电导率：ene ephNde e,P型半导体P-type Semicondutor,硼B有三个价电子，形成共价键后，周围的硅原子缺一电子形成共价键，形成一“空穴”。当外面电子过来填补这一空缺后，硼原子变成负离子，“空穴”将远离硼离子，但更外面的电子更难
6、靠近硼离子，因此等效于“空穴”收到硼离子的吸引力。同样形成类氢原子结构。利用氢原子模型可以算得，这空穴须获得0.05eV的能量才能到达价带形成载流子。这种三价原子承担接受电子的作用，称为受主杂质（Acceptor Impurity）,kBT0.025eV,电导率：ene ephNae h,P型和N型半导体P-and N-type Semicondutor,所有情况满足物质作用定律：,本征半导体：npni,P型半导体：pn=ni2/p“空穴”为多数载流子，Majority Carrier，电子为少数载流子，Minority Carrier；pNa,n型半导体：np=ni2/n 电子为多数载流子，
7、Majority Carrier，电子为少数载流子，Minority Carrier；nNd,半导体的PN结PN Junction of Semicondutor,浓度差产生扩散电流,内建电场E0，漂移电流,平衡,耗尽层高阻抗,半导体的PN结PN Junction of Semicondutor,由电荷守恒：,高斯定理：,电场与电压关系：,可得内建电场E0和电压V0，分别为,利用玻尔兹曼分布和质量作用定律，可得,半导体的PN结PN Junction of Semicondutor,pn结能带图,半导体的PN结正向偏压Forward Bias,扩散方程和复合方程：,I0为常数，为pn结的真实修正
8、因子,可得正向偏压电流,半导体的PN结反向偏压Reverse Bias,扩散漂移方程和热激发方程：,I0为常数，反向电流与反向电压几乎没有关系。通常在pAnA量级,常温下扩散漂移为主，可得反向偏压电流,半导体的PN结反向偏压Reverse Bias,光电导效应Photoconductivity,光照射半导体材料，激发出载流子，改变材料的电导率，称为光电导效应,亮电导和暗电导之差为光电导；亮电流和暗电流之差为光电流,光照的电导率改变量：,光电流：,光激发电子和空穴浓度：,光电导增益M：,渡越电极时间：t=L/v=L2/U，=e,h,增益M简化为：M=/t,结论：光生载流子寿命越长，渡越时间越短，
9、光电导增益越大,光电导效应响应时间PhotoconductivityRespond,受阶跃光作用时，,光阶跃关闭作用时，,上两式可得，,如果受正弦调制光照射，以第一方程变为,解得：,频率越高，激发的载流子越小，定义截止频率fc，n为下降到 所对应的频率。,截止频率：,增益与带宽之积为常数：,光伏效应Photovoltage,光照射在PN结的耗尽层，激发出电子空穴对。在内建电场作用下，电子和空穴分别流向N和P区，从而在P、N区两端形成电位差，P为正，N为负，这称为光伏效应。,光照PN结的电流方程为：,外电路短路时，短路电流：,外电路开路时，开路电压：,光电发射效应Photoemission,当超
10、过一定频率的光波照射金属或半导体时，电子获得光波的能量，克服材料的逸出功离开材料表面，这现象称为光电发射效应，也称外光电效应,电子逃逸材料的最大速度V，由爱因斯坦定律给出，,阈值波长：,光探测器的噪声Noises of Radiation Detector,噪声决定了最小可探测的信号，噪声主要两种典型噪声：(1)白噪声（White Noise）：一种与频率无关的噪声。(2)1/f噪声（Pink Noise）：功率谱与1/f成正比的噪声。,噪声主要使用均方电流和均方电压描述，分别表示为,光探测器的噪声Noises In Radiation Detector,光探测器中主要固有噪声：,1、热噪声（
11、存在于一切导体，热运动造成）,2、散粒噪声或肖特基噪声(a)电子流传输的随机涨落(b)光子流传输的随机涨落（量子噪声),3、产生复合噪声半导体中载流子随机的产生复合，造成载流子的随机起伏，引起导电率起伏。,光探测器的噪声Noises In Radiation Detector,光探测器中主要固有噪声：,4、1/f噪声（存在于一切探测器，强度近似与1/f成正比）,5、温度噪声 器件吸收和传导等热交换引起温度的起伏,低频时，具有白噪声性质,光探测器的噪声Noises In Radiation Detector,1/f噪声,产生复合噪声,散粒和热噪声,光探测器的性能参数Features and Pe
12、rformance parameters of Radiation Detector,光探测器性能参数主要分为：,1、光电特性和光照特性,2、光谱特性,3、等效噪声功率和探测率,光电特性：光电流和光通量关系I=F()光照特性：光电流和光照度关系I=F(L)线性度：光通量或光照度与光电流成比例程度线性范围：某个工作范围，光电流与光通量或光照度成比例,光电器件对功率相同而波长不同的入射光响应不同。,I=Fi(),U=Fu(),投射到探测器响应平面上光通量产生的信号电流I(电压)等于无入射时探测器的均方噪声电流（电压）,这时的入射光通量为最小可探测功率，即等效噪声功率NEP（Noise Equiva
13、lent Power）,光探测器的性能参数Features and Performance parameters of Radiation Detector,4、响应时间与频率,通常利用矩形脉冲信号，可以得到响应时间和弛豫时间,截止频率：,光热探测器热敏电阻 Photothermal Detector,光热探测器主要有热敏电阻和热释电探测器,1、热敏电阻(Photoresistor),温度改变电阻值 R=TRT,热敏电阻的温度系数 T R/(RT),常用材料：(a)Mn、Ni、Co、Cu氧化物(T-4*10-2K-1)(b)Ge、Si、InSb半导体,光热探测器热释电探测器Phototherm
14、al Detector,2、热释电探测器（Pyroelectric Effect）,温度改变T,原理：,压电晶体固有偶极距改变P,材料表面的束缚电荷量改变Q,为热释电系数,Q寿命问题：,材料表面的束缚电荷量改变Q,外部自由电荷中和,束缚电荷Q消逝,问题解决：,周期调制入射光小于Q寿命,1103s,束缚电荷Q周期变化,光热探测器热释电探测器Photothermal Detector,热释电器件等效电路,常用热电晶体材料：硫酸散甘肽(TGS)、钽酸锂(LiTaO3)和压电陶瓷材料,RS1010,光电导器件Photoconductive Device,1、光敏电阻,光电特性 Ip=SgUL 1 弱光
15、：1；强光：0.5(b)光谱特性 响应对波长具有选择性，CdS在515600nm之间。(c)频率特性 光敏电阻响应较慢，ms量级。,光电导器件Photoconductive Device,(d)伏安特性 光敏电阻两端电压和流过的电流为伏安特性，如图右所示(e)温度特性 温度的变化引起光谱响应、峰值等参数改变。(f)前历效应暗态前历效应:光敏电阻处于暗态时间越长，光照后光电流上升越慢。亮态前历效应:光敏电阻已处于照亮状态当亮度变化时，光电流出现滞后的现象。,光电导器件Photoconductive Device,(g)噪声特性 光敏电阻噪声主要有:热噪声、产生复合噪声、1/f噪声,光敏电阻特点：
16、(1)光谱响应宽：紫外到红外(2)工作电流大,几个mA量级(3)所测光强范围比较大(4)灵敏度高(5)偏置电压低，无极性缺点：光电张弛过程较长，频率特性差。,偏置电路一般采用：基本偏置、恒流偏置、恒压偏置、恒功率偏置。,结型光电器件PNType Optoelectronic Device,PN结光电器件特点：1、PN区产生光电效应2、具有极性3、利用部分载流子的漂移运动，响应快4、内带增益，灵敏度高,结型光电主要包括：1、光电池2、光电二极管3、光电三极管,光电池（Solar Cell）,光电特性 UOC=(kT/q)ln(I/I0+1(b)光谱特性 响应对波长具有选择性，CdS在4001100nm之间,峰值850nm。(c)频率特性 PN结面积大，极间电容也较大，us量级。,光电池（Solar Cell）,(d)伏安特性 光电池两端电压和输出的电流为伏安特性，如图右所示(e)温度特性 温度的变化引起光谱响应、峰值等参数改变。(f)前历效应暗态前历效应:光敏电阻处于暗态时间越长，光照后光电流上升越慢。亮态前历效应:光敏电阻已处于照亮状态当亮度变化时，光电流出现滞后的现象。,
