光辐射探测器精品PPT课件
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光辐射测量原理与技术——光探测器及其特性28页PPT
光辐射测量原理与技术——光探测器 及其特性
6
、
露
凝
无
游
氛
，
天
高
风
景
澈
。
7、翩翩新 来燕，双双入我庐 ，先巢故尚在，相 将还旧居。
8
、
吁
嗟
身
后
名
，
于
我
若
浮
烟
。
9、 陶渊 明（ 约 365年 —427年 ），字 元亮， （又 一说名 潜，字 渊明 ）号五 柳先生 ，私 谥“靖 节”， 东晋 末期南 朝宋初 期诗 人、文 学家、 辞赋 家、散
1
0
、
倚
南
窗
以
寄
傲
，
审
容
膝
之
易
安
。
谢谢你的阅读
❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
文 家 。汉 族 ，东 晋 浔阳 柴桑 人 （今 江西 九江 ） 。曾 做过 几 年小 官， 后辞 官 回家 ，从 此 隐居 ，田 园生 活 是陶 渊明 诗 的主 要题 材， 相 关作 品有 《饮 酒 》 、 《 归 园 田 居 》 、 《 桃花 源 记 》 、 《 五 柳先 生 传 》 、 《 归 去来 兮 辞 》 等 。
6
、
露
凝
无
游
氛
，
天
高
风
景
澈
。
7、翩翩新 来燕，双双入我庐 ，先巢故尚在，相 将还旧居。
8
、
吁
嗟
身
后
名
，
于
我
若
浮
烟
。
9、 陶渊 明（ 约 365年 —427年 ），字 元亮， （又 一说名 潜，字 渊明 ）号五 柳先生 ，私 谥“靖 节”， 东晋 末期南 朝宋初 期诗 人、文 学家、 辞赋 家、散
1
0
、
倚
南
窗
以
寄
傲
，
审
容
膝
之
易
安
。
谢谢你的阅读
❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
文 家 。汉 族 ，东 晋 浔阳 柴桑 人 （今 江西 九江 ） 。曾 做过 几 年小 官， 后辞 官 回家 ，从 此 隐居 ，田 园生 活 是陶 渊明 诗 的主 要题 材， 相 关作 品有 《饮 酒 》 、 《 归 园 田 居 》 、 《 桃花 源 记 》 、 《 五 柳先 生 传 》 、 《 归 去来 兮 辞 》 等 。
最新常用光电探测器PPT课件
V
Pmax Rg
RL Rg
光敏电阻
时间响应特性
光敏电阻受光照后或被遮光后，回路电流并不立即增 大或减小，而是有一响应时间。响应时间常数是由电流上 升时间和衰减时间表示。
光敏电阻的响应时间与入射光的照度，所加电压、负 载电阻及照度变化前电阻所经历的时间（称为前历时间） 等因素有关。
光敏电阻
稳定特性
P3
－ V
+
u2 RL1
u1 o i1
RL2
i2
i
RL1
RL2 RL
i
▪ 第三象限是反偏压状态。这时iD=iS0，是普通二极管中的反向饱和电流，
称为暗电流(对应于光功率P=0)，数值很小，这时的光电流(等于i-iS0)是 流过探测器的主要电流，对应于光导工作模式。通常把光导工作模式的
光伏探测器称为光电二极管，因为它的外回路特性与光电导探测器十分
几种国产硅光电池的特性
硅光电池——太阳电池
硅光电池——太阳电池
硅光电池——太阳电池
硅光电池——太阳电池
硅光电池——太阳电池
硅光电池——太阳电池
硅光电池——太阳电池
短路电流和开路电压
短路电流——RL=0 开路电压——RL=∞
光电池等效电路
Cj：结电容 ish：pn结漏电流，很小 Rsh：等效泄露电阻，很大 Rs：引出电极－管芯接触电阻
HgxCd1-xTe探测器：化合物本征型光电导探测器，由 HgTe和GdTe两种材料混在一起的固溶体，其禁带宽度 随组分x呈线性变化。当x=0.2时响应波长为8~14μm， 工作温度77K，用液氮致冷；内电流增益约为500，低 内阻，广泛用于10.6μm的CO2激光探测。
光敏电阻
《光辐射探测器》PPT课件
而热平衡时，多子浓度约为 1015 cm3 少子浓度约为 104 cm3
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： n
一、热平衡状态下的载流子浓度
由（1.26）式， 可得出：
1 f (E)
1 e(EEf )/ kT
n N e p N e [(Ec Ef ) / kT] c
[(E f Ev ) / kT] v
np
Nc
N e(Ec Ev ) / kT v
Nc NveEg / kT
上式表明：禁带愈小，温度升高，
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
n N n
AL
p N p
AL
Ip
qAU (nn
L
p p )
qNU L2
( nn
pp)
定义光电导增益
M
Ip qN
U L2
( nn
pp)
M
U L2
nn
U L2
pp
Mn
Mp
电子在两极间的渡越时 间
Mn
n
tn
第四章 光辐射探测.ppt
4.2 光电探测器的性能参数
光电探测器和其它器件一样，有一 套根据实际需要而制定的特性参数，用 于评价探测器的性能优劣。
光电探测器的性能参数主要的有：积 分度效灵功Rf敏率，N度量ER子P，，效光归率谱一η灵，化敏通探度量测R阈度λ PD，t*h频和等率噪。灵声敏等
共27页 1
UP
DOWN BACK
信号的能力越强。
共27页 8
UP
DOWN BACK
六、归一化探测度D*(读作D星)
探测度D： D 1/ NEP W 1
探测器光敏面积A和测量带宽△f对D值影响大。 探测器的噪声功率 N f —— in f 1/ 2 ——
D f 1/ 2
探测器的噪声功率—— N —A — in A1/ 2 —— D A 1/ 2
共27页 11
UP
DOWN BACK
4.3 光电探测器的噪声
共27页 12
UP
DOWN BACK
一、噪声的概念
主要分为:有形噪声和无规噪声 前者一般可以预知，因而总可以设法减少和消除。 后者来自物理系统内部，表现为一种无规则起伏。 例如，电阻中自由电子的热运动，真空臂中电子的随机发射， 半导体中载流子随机的产生和复合等，这些随机因素把一种 无规则起伏施加给有用信号。 起伏噪声对有用信号的影响。 假定入射光是正弦强度调制的，放大器是一个可以任意改变 放大量的理想放大器。
长时间看，噪声电压从零向上涨和向下落的机会是相等的，其 时间平均值一定为零。所以用时间平均值无法描述噪声大小。
共27页 16
UP
DOWN BACK
但是，如果我们先取噪声电压的平方，然后求这些平方值对时 间的平均值，再开方，就得到所谓方均根噪声电压un，即
光电探测器和其它器件一样，有一 套根据实际需要而制定的特性参数，用 于评价探测器的性能优劣。
光电探测器的性能参数主要的有：积 分度效灵功Rf敏率，N度量ER子P，，效光归率谱一η灵，化敏通探度量测R阈度λ PD，t*h频和等率噪。灵声敏等
共27页 1
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DOWN BACK
信号的能力越强。
共27页 8
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DOWN BACK
六、归一化探测度D*(读作D星)
探测度D： D 1/ NEP W 1
探测器光敏面积A和测量带宽△f对D值影响大。 探测器的噪声功率 N f —— in f 1/ 2 ——
D f 1/ 2
探测器的噪声功率—— N —A — in A1/ 2 —— D A 1/ 2
共27页 11
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4.3 光电探测器的噪声
共27页 12
UP
DOWN BACK
一、噪声的概念
主要分为:有形噪声和无规噪声 前者一般可以预知，因而总可以设法减少和消除。 后者来自物理系统内部，表现为一种无规则起伏。 例如，电阻中自由电子的热运动，真空臂中电子的随机发射， 半导体中载流子随机的产生和复合等，这些随机因素把一种 无规则起伏施加给有用信号。 起伏噪声对有用信号的影响。 假定入射光是正弦强度调制的，放大器是一个可以任意改变 放大量的理想放大器。
长时间看，噪声电压从零向上涨和向下落的机会是相等的，其 时间平均值一定为零。所以用时间平均值无法描述噪声大小。
共27页 16
UP
DOWN BACK
但是，如果我们先取噪声电压的平方，然后求这些平方值对时 间的平均值，再开方，就得到所谓方均根噪声电压un，即
光电探测器概述ppt课件
Ｐ区一侧呈现负电荷，Ｎ区一侧呈现正电荷，因此空间电荷 区出现了方向由Ｎ区指向Ｐ区的电场，由于这个电场是载流子扩 散运动形成的，而不是外加电压形成的，故称为内电场。它对多 数载流子的扩散运动起阻挡作用，所以空间电荷区又称为阻挡层。
内电场是由多子的扩散运动引起的，伴随着它的建立将带 来两种影响：一是内电场将阻碍多子的扩散，二是P区和N区的 少数载流子（P区的自由电子和N区的空穴）一旦靠近PN结，便 在内电场的作用下漂移到对方，这种少数载流子在内电场作用 下有规则的运动称为漂移运动，结果使空间电荷区变窄。
光电子发射探测器光电子发射效应或外光电效应金属氧化物或半导体表面光子能量大于逸出功材料内束缚能级的电子逸出表面自由电子光辐射光电导探测器光电导效应或内光电效应半导体材料光子能量大于禁带宽度材料内不导电束缚状态的电子空穴自由电子空穴光辐射电导率变化光伏探测器光生伏特效应或内光电效应光伏探测器光生伏特效应或内光电效应金属氧化物或半导体表面光子能量足够大材料内束缚能级的电子逸出表面电子空穴对光辐射光电磁探测器光电磁效应或内光电效应光电磁探测器光电磁效应或内光电效应垂直磁场中的半导体材料光子能量足够大本征吸收产生电子空穴对载流子浓度梯度光辐射光磁电动势光电池光电二极管雪崩光电二极管pin管及光电晶体管光生电动势选择性探测器即光子波长有长波限
♥ 选择性探测器，即光子波长有长波限。波长长
于长波限的入射辐射不能产生所需的光子 效应，因此无法被探测。
♥ 波长短于长波限的入射辐射，功率一定时，波
长越短，光子数越少，因此光子探测器的理论 响应率应正比于波长。
热探测器（光热效应）
光辐射
材料产生温升
热探测器
物理性质变化
温差电动 （温差电效应）
热电偶
因此，扩散运动使空间电荷区加宽，内电场增强，有利于少 子的漂移而不利于多子的扩散；而漂移运动使空间电荷区变窄， 内电场减弱，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移。
光辐射检测器件PPT课件
硒光电池：光谱响应范围 0.34~0.75 μm 峰值波第长30页/共01.5054页μm
• （4）温度特性
（5）频率特性
第31页/共105页
• 3）光电池的应用 • 作为光电检测器件、将太阳能转变为电能 • 作为检测器件，有着光敏面积大，频率响应高，光电流随照度线性变化等
特点。用在光电读数、光电开关、光栅测量技术、激光准直、电影还音等 装置上。 • 作为太阳能电池，可常用于卫星、微波站、野外灯塔、航标灯，无人气象 站等无输电线路地区的电源供给。
聚焦位置与入射光方向有关，能够减小杂散背景光的干扰，但也引起灵敏度 随入射光方向而变化。
第36页/共105页
• 2）工作原理 • 硅光电二极管通常是用在电压反偏的光电导工作模式。
光电二极管光电转换示意图
第37页/共105页
• 3）光电二极管的特性参数 • （1）结电容 • 光电二极管的重要工作区是势垒区．它的厚度对光电二极管的特性有着非常重要
的影响。 • 结电容可表示为：
N Cj U
N：掺杂浓度 U：外加电压
第38页/共105页
•
（2）光谱特性
•
光谱特性主要决定于：
•
①表面层(半导体薄层与金属薄层)
•
②材料的禁带宽度Eg；
•
②表面抗反射涂层的性质与厚度，
•
④器件的结构。
2DU和2DUL系列光电二极管的光谱特性
第39页/共105页
• （3）光电特性 • 反向偏压足够大时，光生电流与所加的电压几乎无关，它仅取决于光照
第20页/共105页
• 1）光电池的基本结构 • 光电池的基本结构就是一个PN结。因衬底材料导电类型不同而分成2CR
系列和2DR系列两种。
• （4）温度特性
（5）频率特性
第31页/共105页
• 3）光电池的应用 • 作为光电检测器件、将太阳能转变为电能 • 作为检测器件，有着光敏面积大，频率响应高，光电流随照度线性变化等
特点。用在光电读数、光电开关、光栅测量技术、激光准直、电影还音等 装置上。 • 作为太阳能电池，可常用于卫星、微波站、野外灯塔、航标灯，无人气象 站等无输电线路地区的电源供给。
聚焦位置与入射光方向有关，能够减小杂散背景光的干扰，但也引起灵敏度 随入射光方向而变化。
第36页/共105页
• 2）工作原理 • 硅光电二极管通常是用在电压反偏的光电导工作模式。
光电二极管光电转换示意图
第37页/共105页
• 3）光电二极管的特性参数 • （1）结电容 • 光电二极管的重要工作区是势垒区．它的厚度对光电二极管的特性有着非常重要
的影响。 • 结电容可表示为：
N Cj U
N：掺杂浓度 U：外加电压
第38页/共105页
•
（2）光谱特性
•
光谱特性主要决定于：
•
①表面层(半导体薄层与金属薄层)
•
②材料的禁带宽度Eg；
•
②表面抗反射涂层的性质与厚度，
•
④器件的结构。
2DU和2DUL系列光电二极管的光谱特性
第39页/共105页
• （3）光电特性 • 反向偏压足够大时，光生电流与所加的电压几乎无关，它仅取决于光照
第20页/共105页
• 1）光电池的基本结构 • 光电池的基本结构就是一个PN结。因衬底材料导电类型不同而分成2CR
系列和2DR系列两种。
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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。
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
探测器遵从的热平衡方程：
Ct
d (T ) dt
Gt T
设入射光的表达式为： 0 (1 e jt )
代入热平衡方程，得到：
Ct
d (T0 ) dt
Gt T0
0
Ct
d (T dt
)
Gt
T
0e jt
解得： 器件的平均温升
T0
0
Gt
器件随频率ω的交变温升
T
0
Gt
(1
2
2 t
)1
/
2
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
h Eg
或
h
c
Eg
h c
h c
c
Eg
c 为长波限。
杂质吸收 h 电离能 Eg
半导体对光的吸收主要是本征吸收 < c
2.光生载流子 半导体受光照射而产生的非平衡载流子。
n p 约为1010cm-3 ;
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
n N n
AL
p N p
AL
Ip
qAU (nn
L
p p )
qNU L2
( nn
pp)
定义光电导增益
M
Ip qN
U L2
( nn
pp)
M
U L2
n
n
U L2
p
p
Mn
Mp
电子在两极间 的渡越时间
Mn
n
tn
tn
L
n
L2
nU
Mp
p
tp
n p
M
Mn
Mp
tn
tp
(1
tn
1 tp
)
如果定义 1 1 1 tr tn tp
在本征半导体中， ni pi (N c N v )1/ 2 eEg / 2kT
则有 np ni2 平衡态判据
可得出，少子浓度：
np
ni2 NA
pn
ni2 ND
二、非平衡状态下的载流子
半导体受光照、外电场作用，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。
➢ 1970年： Boyle: 发明CCD
➢三、分类
热电探测元件
探测器件
光子探测元件
气体光电探测元件
外光电效应
内光电效应
非放大型 真空光电管 充气光电管
放大型 光电倍增管
光电导探测器
光磁电探测器
像增强器 摄像管 变像管
本征型 光敏电阻
掺杂型
非放大
红外探测器 光电池
光电二极管
光生伏特探测器
放大型 光电三极管 光电场效应管 雪崩型光电二极管
e j(t )
式中，
t
Ct Gt
Ct Rt
arctg( t )
是器件的热时间常数。
表明器件温升滞后于 辐射功率的变化。
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。
三、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。
J nD
qDn
dn dx
J pD
qD p
dp dx
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 J E
对于电子电流
J υ
nqυ
nE
｝
nqn
同理，对于空穴电流有
pq p
漂移电流密度矢量 J n nqnE
J p pq pE
则有 M
tr
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。
1.半导体材料受阶跃光照：
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: ni pi
N: nn > pn P: np < pp
室温下 nn N（D 施主浓度）
全电离时 p p N（A 受主浓度）
一、热平衡状态下的载流子浓度
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 共性
•把温度变化转换为相应的电信号
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。
而热平衡时，多子浓度约为 1015 cm3 少子浓度约为 104 cm3
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： n
由（1.26）式，
f
(E)
1 1 e(EEf
) / kT
可得出：
n N e p N e [(Ec E f ) / kT ] c
[( E f Ev ) / kT ] v
np
N N e (Ec Ev ) / kT cv
N c N v e Eg / kT
上式表明：禁带愈小，温度升高，
np就愈大，导电性愈好。
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。
一、稳态光电导与光电流
暗态下
Gd
d
A L
Id
GdU
d
AU L
亮态下
G A
L
光电导 光电流
I GU AU
L
Gp
G Gd
(
d )
A L
A L
Ip
I
Id
(G Gd )U
AU L
d q(nn p p )