光辐射探测器

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1、第三章光辐射探测器3.1光辐射探测器的理论基础﹡光热效应﹡光电效应3.2光热探测器3.3光电探测器光电导器件结型光电器件光电发射器件引言一.概念光辐射探测技术：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光探测过程可以形象地称为光频解调。光电探测器：对各种光辐射进行接收和探测的器件光电探测器光辐射量电量热探测器光子探测器光电倍增管二.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

2、:发明CCD探测器件热电探测元件光子探测元件气体光电探测元件三、分类外光电效应内光电效应非放大型放大型光电导探测器光磁电探测器光生伏特探测器真空光电管充气光电管光电倍增管像增强器摄像管变像管本征型光敏电阻掺杂型红外探测器非放大放大型光电池光电二极管光电三极管光电场效应管雪崩型光电二极管3.1光辐射探测器的理论基础光辐射探测器的物理效应主要是光热效应和光电效应。3.1.1光热效应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，并转换为热能，称为光热效应。热能增大，导致吸收体的物理、机械性能变化，如：温度、体积、电阻、热电动势等，通过测量这些变

3、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。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变化把温度变化转换为相应的电信号共性个性光热探测器的最大特点是：1、从紫外到40μm以上宽波段范围，其响应灵敏度与光波波长无关，原则上是对光波长无选择性探测器。2、受热时间常数的制约，响应速度较慢。应用：在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛用于对红外线辐射的探测。探测器遵从的热平衡方程：设入射光的表达式为：代入热平衡方程，得到：解得：器件的平均温升器件随频率ω的交变温升式中，是器件的热时间常数。表明器件温升滞后于辐射功率的

4、变化。因此，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，主要是减少器件的热容量。3.1.2光电效应光电效应是物质在光的作用下释放出电子的物理现象。分为:光电导效应光伏效应光电发射效应3.1.2.1半导体中的载流子载流子:能参与导电的自由电子和自由空穴。载流子浓度:单位体积内的载流子数。I:N:P:室温下（施主浓度）全电离时（受主浓度）一、热平衡状态下的载流子浓度由（1.26）式，可得出：上式表明：禁带愈小，温度升高，np就愈大，导电性愈好。在本征半导体中，平衡态判据则有可得出，少子浓度：二、非平衡状态下的载流子半导体受光照、外电场作用，

5、载流子浓度就要发生变化，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，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光电器件工作的基础。1.半导体对光的吸收本征吸收或为长波限。杂质吸收电离能半导体对光的吸收主要是本征吸收2.光生载流子半导体受光照射而产生的非平衡载流子。约为1010cm-3;多子浓度约为少子浓度约为而热平衡时，可见，一切半导体光电器件对光的响应都是少子的行为。载流子的复合：电子-空穴对消失。只要有自由的电子和空穴，复合过程就存在。直接复合间接复合光生载流子的寿命—光生载流子的平均生存时间复合率：单位时间内载流子浓度减少量：三

6、、载流子的扩散与漂移1.扩散载流子因浓度不均匀而发生的定向运动。2.漂移载流子受电场作用所发生的运动。欧姆定律的微分形式对于电子电流｝同理，对于空穴电流有漂移电流密度矢量3.1.2.2光电导效应半导体材料受光照,吸收光子引起载流子浓度增大，从而材料的电导率增大。、稳态光电导与光电流暗态下亮态下光电导光电流定义光电导增益电子在两极间的渡越时间如果定义则有以上分析，对光敏电阻的设计和选用很有指导意义。二、响应时间光电导张驰过程非平衡载流子的产生与复合都不是立即完成的，需要一定的时间。半导体材料受阶跃光照：受光时t=0时，停光时t=0时,（光照下的稳态值）光电导张驰

7、过程的时间常数就是载流子的寿命τ2.半导体材料受正弦型光照（即正弦调制光）:可得出当上限截止频率带宽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：它表示材料的光电灵敏度与频率带宽是相互制约的。3.1.2.3光伏效应光照射到半导体PN结上，光子在结区激发出电子-空穴对。P区、N区两端产生电位差—光电动势一、热平衡状态下的PN结由第一章已知，在热平衡状态下，由于自建场的作用，PN结能带发生弯曲。由式（3.7）、（3.8）可得出在室温下，得出在一定温度下，PN结两边的掺杂浓度愈高，材料的禁带愈宽，UD愈大。以上两式表明：PN结两边少数载流子与多数载流子之间的

8、关系。热平衡状态下，PN结中漂移运动等