第二章光电探测器2

光热效应
可分为:热释电效应、辐射热计效应及温差电效应
1、 热释电效应
介质温度在光照作用下温度发生变化，介质的极化强度随温度变化而变化，引起表面电荷变化的现象。
物理本质：极化晶体
极化晶体：在外电场和应力为零情况下自身具有自发极化的晶体，原因是内部电偶极矩不为零(正负电荷中心不重合)，表面感应出束缚电荷。
光对电子的直接作用是物质产生光电效应的起因
光电效应的起因： 在光的作用下，当光敏物质中的电子直接吸收光子的能量足以克服原子核的束缚时，电子就会从基态被激发到高能态，脱离原子核的束缚，在外电场作用下参与导电，因而产生了光电效应。 这里需要说明的是，如果光子不是直接与电子起作用，而是能量被固体晶格振动吸收，引起固体的温度升高，导致固体电学性质的改变，这种情况就不是光电效应，而是热电效应。
平衡和非平衡载流子
处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度一定。这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为平衡载流子浓度。 半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。如果对半导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。 处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是平衡载流子浓度，比它们多出一部分。比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。
半导体的特性
半导体电阻温度系数一般是负的（温度升高，电阻下降），而且对温度变化非常敏感。根据这一特性，可以制作热电探测器件。 导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。（纯净Si在室温下电导率为5*10-6/(欧姆•厘米)。掺入硅原子数百万分之一的杂质时，电导率为2 /(欧姆•厘米)) 半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影响。
光电导效应示意图
L
S
本征半导体样品

t 响应速度受三个因素的限制：载流子的扩散时间
t ，耗尽层中漂移时间 diff
dr
和耗尽层电容C与负载电阻R之乘积所决定的RC时间常数。
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8.3光敏二极管
6、光敏二极管的一般特性 c、噪声特性 噪声源：热噪声、散粒噪声 热噪声-主要负载； 散粒噪声-信号光电流，背景光电流，反向饱和电流
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8.2光敏电阻
1 、 光敏电阻简介
特点：
•光谱响应范围宽（特别是对于红光和红外辐射）； •偏置电压低，工作电流大； •动态范围宽，既可测强光，也可测弱光； •光电导增益大，灵敏度高； •无极性，使用方便； •在强光照射下，光电线性度较差 •光电驰豫时间较长，频率特性较差。
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本征半导体的光电导效应。当光子能量E光大于或等于禁带宽度Eg时，光 子把价带中的电子激发到导带，出现自由电子和自由空穴时，从而使材料的
电阻率降低。电导率增加。
E光 =
hc
1240
Eg
1240
Eg
引入长波限λ0，若波长长于λ0， 即无本征吸收
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8.2光敏电阻
3、光敏电阻工作原理
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8.2光敏电阻
4、光敏电阻的参数与特性 b.响应灵敏度 能够产生光致导电的光主要是波长接近光谱响应峰值的光，这种
光能把电子直接由价带激发导导带。但是，实际上，光把光电导体
中的杂质和晶格缺陷所形成的能级中的电子激发到导带的情况是很
多的，而这些能级与导带间的宽度比禁带宽度要窄的多。这就意味
着，光电导体对波长长于峰值波长的光也具有响应灵敏度，而且，

空天光电探测技术
第一章 绪论
1.1 光电探测技术的基本概念
1.2 光电探测的应用
1.3 光电探测技术的分类
第一章 绪论
1.1 光电探测技术的基本概念 光电探测是随传感器、计算机的发展而发展；

光电探测是光学测量和电学处理的有机结合。
可见光 红外辐射 紫外辐射
光 学 系 统
光 电 探 测 器
电 信 号 处 理
2. 3 光学系统中的光束限制
1. 光阑及其作用 渐晕光阑：这种光阑以减小轴外像差为目的，使物空间 轴外点发出的、本来能通过上述两种光孔的成像光束只能 部分通过，称渐晕光阑。渐晕光阑一般是透镜框。
消杂光光阑：这种光阑不限制通过光学系统的成像光束，
只限制那些从视场外射入系统的光，这些光通过光学系统 的各折射面和仪器内壁进行反射和散射，到达像面，我们
第一章 绪论
1.1 光电探测技术的基本概念
光谱的概念
第一章 绪论
1.2 光电探测的应用
弹道照相机
光电经纬仪 跟踪望远镜 激光雷达、激光测距 红外制导 电视制导 紫外告警系统
第一章 绪论
1.3 光电探测技术的分类
按 探 测 方 式 分 类
按 照 明 方 式 分 类
窗口
分划板
半透半反镜
2.1 几何光学基础
7. 反射棱镜
反射棱镜在发生全反射时几乎没有能量损失；
不易变形和便于装调； 反射面尺寸不大时常用反射棱镜来代替平面反射镜。
2.1 几何光学基础
7. 反射棱镜
单反相机取
景器采用五 棱镜，以保 证看到的景 物与拍到的 照片一致。
2.1 几何光学基础
自物方焦平面上轴外点发出的 入射光线，经光学系统后，其 出射光线应为一束与光轴有一 定倾斜角的平行光束。

电极 引线 光电导材料
引线
Mf 常数
绝缘衬底
图2-3
4 杂质光电导效应
杂质光电导效应是指杂质半导体中的施主或 者受主吸收光子能量后电离，产生自由电子或 空穴，从而增加材料电导率的现象。 由于杂质光电导器件中施主或受主的电离 能级比同材料的本征半导体的禁带宽度要小很 多，因此响应波长也要比本征半导体材料的工 作波长要长很多。 因杂质的电离能很小，为了避免热激发的 载流子产生的噪声超过光激发的信号载流子， 多数杂质半导体光电导器件都必须工作在低温 状态。
减少的现象
1 本征光电导效应
本征光电导是指只有光子能量hv大于材料禁带宽 度Eg的入射光，才能发出电子空穴对，使材料产 生光电导效应的现象。用公式表示为 （2-1） hv E
g
因此，本征光电导材料的截止波长为 hc （2-2） 0 Eg
亦即只有波长小于 0 的入射辐射才能产生本征 光电导。把普朗克常数 h 4.131015 eV s 1 14 1 代入式（2-2）有 c 3 10 m s 及光速 1.24 0 （2-3） Eg
本征半导体的光电效应如图2-1所示 当在垂直于电场方向有均匀光照入射 到样品表面，且入射光通量恒定时， 样品中流出的光电流称为稳态光电流。 无光照时，半导体材料在常温下 具有一定的热激发载流子浓度,此 时材料处于暗态，具有一定的暗 电导率。暗态下样品的电导可以 表示为 S
本征半导体样品 L
光
Gd d
Vo S ( ) ( )
Io S ( ) ( )
3．积分响应度：检测器对各种波长的辐射 光连续辐射通量的反应程度．
S d S d
1
0

0

弧光灯适用的填充气体范围从氢气到氙气，包括汞－氩气和钠－氩 气，大部分输出在紫外波段（特别接近254nm）。氢和氘灯在紫外波
段能产生强连续光谱，短波输出主要受限于窗口的光源透过能力。
低压放电灯
高压弧光灯 脉冲弧光
第一节：概述 1.2 人工辐射源
2.发光二极管
紫外辐射源
第一节：概述 1.2 人工辐射源
第三节：典型紫外与可见探测器件
第三节：典型紫外与可见探测器件
光电二极管 无光照时，PN结硅光电二极管的正、反 向特性与普通PN结二极管的特性一样。 其电流方程为：
qU I D I 0 e kT 1
光电三极管 光电三极管的工作原理分为两部分： 一是光电转换；二是光电流放大。
2.发光二极管
组分与能带关系
紫外辐射源
第一节：概述 1.2 人工辐射源
2.发光二极管
紫外辐射源
光的吸收与发射原理差异
第一节：概述 1.2 人工辐射源
2.发光二极管
紫外辐射源
简单的LED驱动电路
第一节：概述 1.2 人工辐射源
3.紫外激光器
紫外辐射源
半导体紫外激光器：具有更高的峰值功率，较低能耗，脉宽窄，无 温度和光学补偿，中紫外波段（AlGaN）紫外辐射激发效率最高。 发展方向：小体积，功耗（mW量级）。
像敏单元阵列由光电二极管阵列 构成。如图中所示的像敏单元阵列按X
紫外辐射源
第一节：概述 1.2 人工辐射源
4.导弹
紫外辐射源
飞行发动机羽烟是探测、识别和跟踪来袭 导弹的最佳辐射源
第一节：概述 1.2 人工辐射源
4.导弹（典型战术导弹）
5.飞机
紫外辐射源
第一节：概述 1.3 典型的紫外探测应用

1．光窗 光窗是入射光的通道，是对光吸收较多的部分。常用的光窗材料有钠 钙玻璃、硼硅玻璃、紫外玻璃、熔凝石英和氟镁玻璃等。 2．光电阴极 它的作用是接收入射光，向外发射光电子。制作光电阴极的材料多是 化合物半导体。 3．电子光学系统 任务：（1）通过对电极结构的适当设计，使前一级发射出来的电子尽 可能没有散失地落到下一个倍增极上，使下一级的收集率接近于1； （2）使前一级各部分发射出来的电子，落到后一级上时所经历的时 间尽可能相同，使渡越时间零散最小。
主要参数
(1)倍增系数 倍增系数等于各倍增电极的二次电子发射系数δ 的乘积。 如果n个倍增电极的δ 都一样，则
M
n i
因此，阳极电流I为
I i
n i
式中 i——光电阴极的光电流。 M与所加电压有关，一般M在105 ~108之间，如果电压有波动， 倍增系数也要波动。因此M具有一定的统计涨落。一般阳极和 阴极之间的电压为1000~2500V，两个相邻的倍增电极的电位 差为50~100V,对所加电压越稳越好，这样可以减小统计涨落， 从而减小测量误差。 I n （2）光电倍增管的电流放大倍数为
第三节光纤传感器的光探测器
在光纤传感器中，光探测器性能好坏既 影响被测物理量的变换准确度，又关系到 光探测接收系统的质量。它的线性度、灵 敏度、带宽等参数直接关系到传感器的总 体性能。 常用的光探测器有光敏二极管、光敏三 极管、光电倍增管、ＣＣＤ等。
定 义
光电式传感器是能将光能转换为电能的一种 器件，简称光电器件。它的物理基础是光电效应。 由于光电元件响应快，结构简单．而且有较高的 可靠性等优点，在现代测量与控制系统中，应用 非常广泛。 • 大多数光电探测器都是把光辐射转换为电量来 实现探测，即便直接转换量是非电量（温度、体 积等）时，通常也总是把非电量再转换为电量来 测量。 • 光电探测器的物理效应通常分为两类：光子效应 和光热效应。

KI I 4kT i f 4eGI p f 2 R f
2 nf

3、响应率
光敏电阻的光谱响应率为： I P ( ) ( ) e S ( ) M ( ) ht dr ( ) hc 可见，增大增益系数可得到很高的光谱 响应率。实际上常用的光敏电阻的光谱响应 率小于1A/W，原因是产生高增益系数的光敏 电阻电极间距离很小，致使光敏电阻集光面 积很小而不实用。若延长载流子寿命也可提 高增益系数，但会减慢响应速度。因此，在 光敏电阻中，增益与响应速度是互相矛盾的。
V 0 A lAV n0 M n P0 p Id L L
在光辐射下，如单位时间产生N个载流 子对，其寿命分别为 n 和 p ，则由于光辐射 而增加的电子与空穴浓度为：
N n n AL
N p p AL
所以，光电导 n enn p p ，对应 的光电流为：
5、光电特性与

值
光敏电阻的光电流与入射光通量之间的 关系称为光电特性，光电流可表示为
( ) I p ( ) q h t dr I t 在弱光照时， 、dr不变， p ( ) 与 ( ) 成正
比，保持线性关系。在强光照下， 与光电子 t 浓度有关， dr 也会随电子浓度变大和温度升 高而变化，这时 I p () 与 ( ) 偏离线性，一般 采用以下关系式： r r I p () SgV I p () S gV
由光电导效应可知，光敏电阻在受到光照或停 止光照时，光生载流子的产生或消失都要经过一段 时间，这就是光敏电阻的响应时间或驰豫时间。它 t 反映了光敏电阻的惰性。 p (t ) p0 exp( ) 此处 是光敏电阻的下降时间。在突然加光照时，
4、时间常数

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2. 启动测试程序，记录光电探测器的响应速度、信噪比 、光谱响应等参数。
在此添加您的文本16字
3. 根据需要，可调整光源的波长和强度，重复上述测试 步骤，以获得不同条件下的性能参数。
在此添加您的文本பைடு நூலகம்6字
4. 在测试过程中，需保持测试环境的稳定，避免外界干 扰对测试结果的影响。
详细描述
光电探测器是一种能够将光信号转换为电信号的器件，其工作原理基于光子与 物质的相互作用。根据工作原理和应用需求，光电探测器可分为结型光电探测 器、光电二极管、光电晶体管、光电倍增管等类型。
光电探测器的工作原理
总结词
光电探测器利用光子与物质相互作用产生电子-空穴对，通过 收集这些电子-空穴对并转换为电信号实现光信号的探测。
光电探测器的制造工艺
薄膜沉积技术
通过物理或化学方法在衬底上 沉积光电材料薄膜。
光刻技术
利用光敏材料和化学反应将掩 膜上的图形转移到衬底上。
刻蚀技术
通过物理或化学方法将衬底表 面不需要的部分去除。
掺杂技术
通过化学或物理方法将杂质引 入到材料中，以改变材料的电
学性质。
光电探测器的封装技术
芯片级封装
将单个或多个光电探测器芯片封装在一个小 型封装内，以便于集成和使用。
响应速度
光电探测器对光信号的反应速度，通 常以ns或μs为单位表示。
噪声等效功率（NEP）
噪声等效功率
表示光电探测器输出端信噪比为1时 所需的入射光功率，通常以W为单位 表示。
噪声来源
主要包括暗电流、热噪声和散粒噪声 等。
探测率与比探测率
探测率
表示光电探测器在单位时间内对单位光功率的光信号产生响应的概率。

基本概念： 1、稳态光电流：稳定均匀光照 3、亮电导率和亮电流
30.03.2019 光信息科学与技术系
2、暗电导率和暗电流 4、光电导和光电流
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基本公式：
光
暗电导率Gd=σdS/L
暗电流Id= σdSU/L 亮电导率Gl= σlS/L 亮电流Il= σlSU/L 光电导Gp= ΔσS/L 光电流Ip= ΔσSU/L
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杂质吸收和自由载流子吸收
引起杂质吸收的光子的最小能量应等于杂质的 电离能 由于杂质电离能比禁带宽度小，杂质吸收的光 谱区位于本征吸收的长波方向. 自由载流子吸收是由同一能带内不同能级之间 的跃迁引起的。载流子浓度很大时，导带中的 电子和价带中的空穴产生带内能级间跃迁而出 现的非选择性吸收
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光对电子的直接作用是物质产生光 电效应的起因
光电效应的起因： 在光的作用下，当光敏物质中的 电子直接吸收光子的能量足以克服原子核的束缚时， 电子就会从基态被激发到高能态，脱离原子核的束 缚，在外电场作用下参与导电，因而产生了光电效 应。
这里需要说明的是，如果光子不是直接与电子起作 用，而是能量被固体晶格振动吸收，引起固体的温 度升高，导致固体电学性质的改变，这种情况就不 是光电效应，而是热电效应。
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(2)、杂质光电导的光谱分布
半导体杂质吸收光子将杂质能级上的电子或空穴激
发成为自由的光生载流子，这就要求光子能量必须大于 等于杂质的电离能。由于杂质的电离能小于禁带宽度，
因此杂质光电导的光谱响应波长比本征光电导的长。同
时由于杂质原子数目少，所以杂质光电导效应相对本征 光电导来说也微弱得多。