《光辐射探测器》课件

第九章第九章 光辐射探测器光辐射探测器Radiation Detector1、基本原理、基本原理(a)光热效应光热效应(b)光电效应光电效应(光电导、光伏、光电发射）光电导、光伏、光电发射）(c)探测器噪声探测器噪声(热、散粒、产生热、散粒、产生/复合、低频、温度）复合、低频、温度）(d)性能参数性能参数2、光热探测器、光热探测器(热敏电阻、热释探测器）热敏电阻、热释探测器）3、光电探测器、光电探测器(a)光电导器件光电导器件(b)PN结型光电器结型光电器 光电池、光电二级管、光电三级管、光电场效应管光电池、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）、光电发射器件（光电管、光电倍增管）光热效应光热效应Photothermal EffectTGdtTdCtt)(0TGdtTdCtt)()exp1(0ti光辐射光辐射光敏材料吸收光敏材料吸收转变为热能，转变为热能，温度变化温度变化 T材料物理材料物理性质变化性质变化电信号电信号光热效应的一般机理：光热效应的一般机理：辐射吸收系数，辐射吸收系数，辐射通量，辐射通量，T温度变化，温度变化，Ct材料热容量，材料热容量，Gt器件与环境的热导率器件与环境的热导率被调制的辐射通量：被调制的辐射通量：TGdtTdCtitt)(exp0时间无关项：时间无关项：时间相关项：时间相关项：tGT00exp)1(220tiGTtt低频：低频：tGT0t=Ct/Gt高频：高频：tCT0光热效应光热效应Photothermal Effect光热效应器件的特点：光热效应器件的特点：1、响应时间较慢、响应时间较慢2、响应的波长范围宽、响应的波长范围宽(紫外到紫外到40um)3、响应灵敏度与波长依赖性弱、响应灵敏度与波长依赖性弱主要器件：主要器件：测辐热电偶、测辐热电偶、测幅热敏电阻、测幅热敏电阻、高莱管、高莱管、热释电探测器热释电探测器光电效应光电效应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，从而产生生 电压或电流的物理现象电压或电流的物理现象光电效应主要有以下三类：光电效应主要有以下三类：1、光电导效应、光电导效应 光敏电阻光敏电阻2、光伏效应（、光伏效应（PN结光电效应）结光电效应）光电池、光电二三极管、光电场效应管光电池、光电二三极管、光电场效应管3、光电发射效应、光电发射效应 光电管、光电倍增管光电管、光电倍增管光电效应特点：光电效应特点：1、响应较快（、响应较快（ps s量级）量级）2、半导体光电器件体积较小、半导体光电器件体积较小3、量子效率较高、量子效率较高半导体基本概念能带半导体基本概念能带Basic Concept of SemiconductorEnergy Band能带的形成能带的形成固体的导电性固体的导电性半导体基本概念能带半导体基本概念能带Basic Concept of SemiconductorEnergy Band半导体的能带特征：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、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、导带绝对零度为空带，即无电子占据，可以导电3、禁带、禁带Eg较小，常温下有一定导电能力较小，常温下有一定导电能力光子与半导体相互作用光子与半导体相互作用Interaction Between Photon and Semiconductor导带激发出电子导带激发出电子价带激发出空穴价带激发出空穴半导体载流子半导体载流子常温下半导体的统计特性常温下半导体的统计特性Semiconductor Statistics at normal temperature费米能FBFETkEEEfexp11)(ccEECBdEEfEgn)()(态密度态密度g(E):单位能量单位体积内在单位能量单位体积内在能带中的电子状态数能带中的电子状态数(特征波函数的特征波函数的个数个数)，在导带低和价带顶，在导带低和价带顶g(E)(E-Ec)1/2 和和 (Ev-E)1/2热平衡时，电子满足费米分布，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。即在某一能态找到电子的几率。导带的电子浓度导带的电子浓度:价带的空穴浓度价带的空穴浓度:vvvEEVBdEEfEgn)(1)(根据导带电子浓度计算公式，可得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常温下半导体的统计特性Semiconductor Statistics at normal temperatureTkEEEfBF/)(exp)(TkEENnBFCC)(expTkEENpBVFV)(exp当当E-EckBT时，在非简并的半导体中，费米分布近似为时，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，同时也可以得，价带空穴浓度，这里，这里，2/32*/22hTkmNBeC2/32*/22hTkmNBhVNC、NV称分别为导带和价带的有效能态密度称分别为导带和价带的有效能态密度2expiBgVCnTkENNnp物质作用定律：物质作用定律：ni为本征浓度为本征浓度结论：在热平衡时，结论：在热平衡时，“空穴空穴”和电子浓度乘积与半导体类型、电子空穴浓度无关和电子浓度乘积与半导体类型、电子空穴浓度无关N型半导体型半导体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（作用，称为施主杂质（Donor Impurity)，kBT电导率：电导率：en e ep h Nde eP型半导体型半导体P-type Semicondutor硼硼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，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，形成一形成一“空穴空穴”。当外面电子过来填补这一空缺后，硼原子变成负离子，。当外面电子过来填补这一空缺后，硼原子变成负离子，“空穴空穴”将远离硼离子，但更外面的电子更难靠近硼离子，因此等效于将远离硼离子，但更外面的电子更难靠近硼离子，因此等效于“空穴空穴”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，这空穴须获得的能量才能到达价带形成载流子。这种三价原子可以算得，这空穴须获得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，称为受主杂质承担接受电子的作用，称为受主杂质（Acceptor Impurity）kBT电导率：电导率：en e ep h Nae hP型和型和N型半导体型半导体P-and N-type Semicondutor所有情况满足物质作用定律：所有情况满足物质作用定律：2innp 本征半导体：本征半导体：npniP型半导体：型半导体：pn=ni2/p “空穴空穴”为多数载流子，为多数载流子，Majority Carrier，电子为少数载流子，电子为少数载流子，Minority Carrier；p Nan型半导体：型半导体：np=ni2/n 电子为多数载流子，电子为多数载流子，Majority Carrier，电子为少数载流子，电子为少数载流子，Minority Carrier；n Nd半导体的半导体的PN结结PN Junction of Semicondutor浓度差产生浓度差产生扩散电流扩散电流内建电场内建电场E0，漂移电流漂移电流平衡平衡耗尽层耗尽层高阻抗高阻抗半导体的半导体的PN结结PN Junction of SemicondutorndpaWNWN/)(/xdxdEnet)(xVdxdE由电荷守恒：由电荷守恒：高斯定理：高斯定理：电场与电压关系：电场与电压关系：可得内建电场可得内建电场E0和电压和电压V0，分别为，分别为pandWeNWeNE0)(22120000dadaNNWNeNWEV利用玻尔兹曼分布和质量作用定律，利用玻尔兹曼分布和质量作用定律，可得可得20lnidaBnNNeTkV半导体的半导体的PN结结PN Junction of Semicondutorpn结能带图结能带图半导体的半导体的PN结正向偏压结正向偏压Forward Bias1exp0TkeVIIB1exp2TkeVnNLeDNLeDJBiaeedhhdiff正向偏压正向偏压漂移电场减少漂移电场减少扩散运动扩散运动复合过程复合过程形成电流形成电流扩散方程和复合方程：扩散方程和复合方程：I0为常数，为常数，为为pn结的真实修正因子结的真实修正因子可得正向偏压电流可得正向偏压电流12exp2TkeVWWenJBhhepirecom半导体的半导体的PN结反向偏压结反向偏压Reverse Bias反向偏压反向偏压漂移电场增加漂移电场增加漂移电流漂移电流热激发过程热激发过程形成电流形成电流TkEIIBgexp02iaeedhhdiffnNLeDNLeDJ扩散漂移方程和热激发方程：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为常数，反向电流与反向电压几乎没有关系。通常在系。通常在pAnA量级量级常温下扩散漂移为主，可得反向偏压电流常温下扩散漂移为主，可得反向偏压电流girecomWenJ半导体的半导体的PN结反向偏压结反向偏压Reverse Bias1)/exp(0TkeVIIB光电导效应光电导效应Photoconductivity)(hedpnq2)()(LqAULAUUGGIhheedpALNpALNnpe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亮电导和暗电导之差为光电导光电导；亮电流和暗电流之差为；亮电流和暗电流之差为光电流光电流光照的电导率改变量：光照的电导率改变量：光电流：光电流：光激发电子和空穴浓度：光激发电子和空穴浓度：hhheeehepLUMLUMMMqNIM22光电导增益光电导增益M：渡越电极时间：渡越电极时间：t=L/v=L2/U，=e,h增益增益M简化为：简化为：M=/t 结论：光生载流子寿命越长，渡越时间越短，光电导增益越大结论：光生载流子寿命越长，渡越时间越短，光电导增益越大光电导效应响应时间光电导效应响应时间PhotoconductivityRespondnGdtndndtnd/exp/exp1tGntGnPtOI(t)相对值相对值tO0.630.37 1.00受阶跃光作用时，受阶跃光作用时，光阶跃关闭作用时，光阶跃关闭作用时，上两式可得，上两式可得，ntiGdtndexp如果受正弦调制光照射，以第一方程变为如果受正弦调制光照射，以第一方程变为2)(1exp1GntiiGn解得：解得：频率越高，激发的载流子越小，定义截止频率频率越高，激发的载流子越小，定义截止频率fc，n为下降到为下降到 所对应的所对应的频率。频率。2/G21cf截止频率：截止频率：增益与带宽之积为常数：增益与带宽之积为常数：rrcttfM2121光伏效应光伏效应PhotovoltageSIIITkqUIIB)(/exp00IIsc光照射在光照射在PN结的耗尽层，激发出电子空穴对。在内建电场作用下，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电子和空穴分别流向N和和P区，从而在区，从而在P、N区两端形成电位差，区两端形成电位差，P为为正，正，N为负，这称为光伏效应。为负，这称为光伏效应。光照光照PN结的电流方程为：结的电流方程为：外电路短路时，短路电流：外电路短路时，短路电流：外电路开路时，开路电压：外电路开路时，开路电压：)1ln(0IIqTkIBOC光电发射效应光电发射效应PhotoemissionWhmV221当超过一定频率的光波照射金属或半导体当超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，也称外光电效应效应，也称外光电效应电子逃逸材料的最大速度电子逃逸材料的最大速度V，由爱因斯坦，由爱因斯坦定律给出，定律给出，阈值波长：阈值波长：WWhc24.1max光探测器的噪声光探测器的噪声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：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（白噪声（White Noise）：一种与频率无关的噪声。）：一种与频率无关的噪声。(2)1/f噪声（噪声（Pink Noise）：功率谱与）：功率谱与1/f成正比的噪声。成正比的噪声。噪声主要使用均方电流和均方电压描述，分别表示为噪声主要使用均方电流和均方电压描述，分别表示为22nnui光探测器的噪声光探测器的噪声Noises In Radiation DetectorfqIfqIiphdn222fRTkuRfTkiBnBn4,422光探测器中主要固有噪声：光探测器中主要固有噪声：1、热噪声（存在于一切导体，热运动造成）、热噪声（存在于一切导体，热运动造成）2、散粒噪声或肖特基噪声、散粒噪声或肖特基噪声 (a)电子流传输的随机涨落电子流传输的随机涨落 (b)光子流传输的随机涨落（量子噪声光子流传输的随机涨落（量子噪声)3、产生复合噪声、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。机起伏，引起导电率起伏。2022)2(14fNfIin光探测器的噪声光探测器的噪声Noises In Radiation DetectortttttBnGCfGfTkt/)2(142225.18.0,22ffcIin光探测器中主要固有噪声：光探测器中主要固有噪声：4、1/f噪声噪声（存在于一切探测器，强度近似与（存在于一切探测器，强度近似与1/f成正比）成正比）5、温度噪声、温度噪声 器件吸收和传导等热交换引起温度的起伏器件吸收和传导等热交换引起温度的起伏低频时，具有白噪声性质低频时，具有白噪声性质tBnGfTkt224光探测器的噪声光探测器的噪声Noises In Radiation Detector1/f噪声噪声产生复产生复合噪声合噪声散粒和散粒和热噪声热噪声光探测器的性能参数光探测器的性能参数Features and Performance parameters of Radiation Detector光探测器性能参数主要分为：光探测器性能参数主要分为：1、光电特性和光照特性、光电特性和光照特性2、光谱特性、光谱特性3、等效噪声功率和探测率、等效噪声功率和探测率光电特性：光电流和光通量关系光电特性：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。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投射到探测器响应平面上光通量产生的信号电流I(电电压压)等于无入射时探测器的均方噪声电流（电压）等于无入射时探测器的均方噪声电流（电压）,这这时的入射光通量为最小可探测功率，即等效噪声功时的入射光通量为最小可探测功率，即等效噪声功率率NEP（Noise Equivalent Power）光探测器的性能参数光探测器的性能参数Features and Performance parameters of Radiation Detector22u/U,/nnNEPiINEP或，4、响应时间与频率、响应时间与频率通常利用矩形脉冲信号，可以得到响应时通常利用矩形脉冲信号，可以得到响应时间和弛豫时间间和弛豫时间 PtOI(t)相对值相对值tO0.630.37 1.0021cf截止频率：截止频率：光热探测器光热探测器热敏电阻热敏电阻 Photothermal Detector 光热探测器主要有光热探测器主要有热敏电阻热敏电阻和和热释电探测器热释电探测器1、热敏电阻、热敏电阻(Photoresistor)温度改变电阻值温度改变电阻值 R=TR T热敏电阻的温度系数热敏电阻的温度系数 T R/(R T)常用材料：常用材料：(a)Mn、Ni、Co、Cu氧化物氧化物(T-4*10-2K-1)(b)Ge、Si、InSb半导体半导体光热探测器热释电探测器光热探测器热释电探测器Photothermal Detector2、热释电探测器（、热释电探测器（Pyroelectric Effect）温度改变温度改变 T原理：原理：压电晶体压电晶体固有偶极固有偶极距改变距改变 P材料表面材料表面的束缚电的束缚电荷量改变荷量改变 QTATTPAPAQSS 为热释电系数为热释电系数 Q寿命寿命问题：问题：材料表面的束缚材料表面的束缚电荷量改变电荷量改变 Q外部自由外部自由电荷中和电荷中和束缚电荷束缚电荷 Q消逝消逝问题解决：问题解决：周期调制入射光周期调制入射光小于小于 Q寿命寿命1103s束缚电荷束缚电荷 Q周期变化周期变化光热探测器热释电探测器光热探测器热释电探测器Photothermal Detector热释电器件等效电路热释电器件等效电路常用热电晶体材料：硫酸散甘肽常用热电晶体材料：硫酸散甘肽(TGS)、钽酸锂、钽酸锂(LiTaO3)和压电陶瓷材料和压电陶瓷材料RS1010 光电导器件光电导器件Photoconductive Device1、光敏电阻、光敏电阻光电特性光电特性 Ip=SgU L 1 弱光：弱光：1；强光：；强光：(b)光谱特性光谱特性 响应对波长具有选择性，响应对波长具有选择性，CdS在在515600nm之间。之间。(c)频率特性频率特性 光敏电阻响应较慢，光敏电阻响应较慢，ms量级。量级。光电导器件光电导器件Photoconductive Device(d)伏安特性伏安特性 光敏电阻两端电压和流过的电流为伏光敏电阻两端电压和流过的电流为伏安特性，如图右所示安特性，如图右所示(e)温度特性温度特性 温度的变化引起光谱响应、峰值等参温度的变化引起光谱响应、峰值等参数改变。数改变。(f)前历效应前历效应暗态前历效应暗态前历效应:光敏电阻处于暗态时间越光敏电阻处于暗态时间越长，光照后光电流上升越慢。长，光照后光电流上升越慢。亮态前历效应亮态前历效应:光敏电阻已处于照亮状态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当亮度变化时，光电流出现滞后的现象。象。光电导器件光电导器件Photoconductive Device(g)噪声特性噪声特性 光敏电阻噪声主要有光敏电阻噪声主要有:热噪声、产生热噪声、产生复合噪声、复合噪声、1/f噪声噪声光敏电阻特点：光敏电阻特点：(1)光谱响应宽：紫外到红外光谱响应宽：紫外到红外(2)工作电流大工作电流大,几个几个mA量级量级(3)所测光强范围比较大所测光强范围比较大(4)灵敏度高灵敏度高(5)偏置电压低，无极性偏置电压低，无极性缺点：光电张弛过程较长，频率特性差。缺点：光电张弛过程较长，频率特性差。偏置电路一般采用：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。基本偏置、恒流偏置、恒压偏置、恒功率偏置。结型光电器件结型光电器件PNType Optoelectronic DevicePN结光电器件特点：结光电器件特点：1、PN区产生光电效应区产生光电效应2、具有极性、具有极性3、利用部分载流子的漂移运、利用部分载流子的漂移运动，响应快动，响应快4、内带增益，灵敏度高、内带增益，灵敏度高结型光电主要包括：结型光电主要包括：1、光电池、光电池2、光电二极管、光电二极管3、光电三极管、光电三极管光电池光电池 （Solar Cell）光电特性光电特性 UOC=(kT/q)ln(I/I0+1(b)光谱特性光谱特性 响应对波长具有选择性，响应对波长具有选择性，CdS在在4001100nm之间之间,峰值峰值850nm。(c)频率特性频率特性 PN结面积大，极间电容也较结面积大，极间电容也较大，大，us量级。量级。光电池光电池 （Solar Cell）(d)伏安特性伏安特性 光电池两端电压和输出的电流为伏安光电池两端电压和输出的电流为伏安特性，如图右所示特性，如图右所示(e)温度特性温度特性 温度的变化引起光谱响应、峰值等参温度的变化引起光谱响应、峰值等参数改变。数改变。(f)前历效应前历效应暗态前历效应暗态前历效应:光敏电阻处于暗态时间越光敏电阻处于暗态时间越长，光照后光电流上升越慢。长，光照后光电流上升越慢。亮态前历效应亮态前历效应:光敏电阻已处于照亮状态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当亮度变化时，光电流出现滞后的现象。象。