第二章光电探测器1课件.ppt

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1、第二章光电探测器光电探测器件光子器件热电器件真空器件固体器件光电管光电倍增管真空摄像管变像管像增强管光敏电阻光电池光电二极管光电三极管雪崩光电管电荷耦合器件CCD热电偶/热电堆热辐射计/热敏电阻热释电探测器2.1光电探测器的物理基础2.2光电探测器的特性参数2.3光电探测器的噪声2.4光电探测器2.5光电探测器的偏置与放大§2.1光电探测器的物理基础定义：当光辐射入射到光电材料上时，材料发射电子，或其电导率发生变化，或产生光电动势等。发射电子：外光电效应电导率发生变化、产生光电动势：内光电效应。一、光电效应内光电效应：光电材料受到光照

2、后所产生的光电子只在材料内部而不会逸出材料外部—多发生在半导体材料。内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减少的现象称为光电导效应。内光电效应光电导效应：本征光电导效应非本征光电导效应光电导效应：本征光电导效应非本征光电导效应N型半导体，光子激发施主能级中的电子跃迁到导带中去，电子为主要载流子P型半导体，光子激发价带中的电子跃迁到受主能级，与受主能级中的空穴复合，而在价带中留有空穴，作为主要载流子参加导电半导体可分为本征半导体、P型半导体、N型半导体。本

3、征半导体：硅和锗都是半导体，而纯硅和锗晶体称本征半导体。硅和锗为4价元素，其晶体结构稳定。半导体类型杂质半导体的形成：通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素，可得到杂质半导体。N型半导体：在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。N型半导体N型半导体：由于杂质原子的最外层有5个价电子，所以除了与周围硅原子形成共价键外，还多出一个电子。在常温下，由于热激发，就可使它们成为自由电子，显负电性。这N是从“Negative（负）”中取的第一个字母。结论：N型半导体的导电特性：是靠自由电子

4、导电，掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电性能也就越强。多子：N型半导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓度，称为多数载流子，简称多子。少子：空穴为少数载流子，简称少子。施主原子：杂质原子可以提供电子，称施子原子。P型半导体：在纯净的4价本征半导体（如硅晶体）中混入了3价原子，譬如极小量（一千万之一）的硼合成晶体，使之取代晶格中硅原子的位置，形成P型半导体。空穴的产生：由于杂质原子的最外层有3个价电子，当它们与周围的硅原子形成共价键时，就产生了一个“空位”（空位电中性），当硅原子外层电子由于热运动填补此空位时，杂质原子成为不

5、可移动的负离子，同时，在硅原子的共价键中产生一个空穴，由于少一电子，所以带正电。P型取“Positve（正）”一词的第一个字母。P型半导体结论：1、多子的浓度决定于杂质浓度。原因：掺入的杂质使多子的数目大大增加，使多子与少子复合的机会大大增多。因此，对于杂质半导体，多子的浓度愈高，少子的浓度就愈低。2、少子的浓度决定于温度。原因：少子是本征激发形成的，与温度有关。多子：P型半导体中，多子为空穴。少子：为电子。受主原子：杂质原子中的空位吸收电子，称受主原子。光生伏特效应：光照在半导体P-N结、P-i-N结、金属-半导体接触上时，会在PN

6、结、P-i-N结、金属-半导体接触的两侧产生光生电动势。PN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射PN结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向N区，光生空穴拉向P区，相当于PN结上加一个正电压。半导体内部产生电动势（光生电压）；如将PN结短路，则会出现电流（光生电流）。光生伏特效应光生伏特效应光照零偏PN结产生开路电压的效应—光电池。光照反偏—光电信号是光电流—结型光电探测器的工作原理—光电二极管。光电池光电池：是指利用光生伏特效应直接把光能转化成电能的器件，也叫太阳能电池外光电效应—光电发射效应：爱因斯坦方程：光电发射效应

7、：在光照下，物体向表面以外空间发射电子(即光电子)的现象——多发生于金属和金属氧化物，光电管中的光阴极。截止波长光电发射效应发生波长表示：光电发射体的功函数物理意义：如果发射体内的电子所吸收的光子能量大于发射体的功函数的值，那么电子就能以相应的速度从发射体表面逸出。光电子发射探测器真空光电管:真空光电管由光电阴极和阳极构成，用于响应要求极快的场合光电倍增管：应用最广，内部有电子倍增系统，因而有很高的电流增益，能检测极微弱的光辐射信号。光电子发射探测器主要是可见光探测器，因为对红外辐射响应的光电阴极只有银一氧一铯光电阴极和新发展的负电子

8、亲和势光电阴极，它们的响应波长也只扩展到1．25μm，只适用于近红外的探测，因此在红外系统中应用不多。二、光热效应光热效应：材料受光照射，光子能量与晶格相互作用，振动加剧，温度升高，材料性质发生变化。热释电效应：介质受光