北京理工大学光电技术与实验基础 第二章ppt

V 12 =α12' ~T ,
α 12: 塞贝克系数
Tn
AT
V 12 = α 12' ~T ,
α 12 : 塞贝克系数
J 温度不同，费米能级不同
J 温度不同，费米能级不同
T汽
I::. T
• !自耳贴效应:
两种不同的导体或半导体连接在一起，遇有电流时，
接点可逆地吸热或放热 。
J 接触前费米能级不同，有内电场
3
4
工作温度
光敏面尺寸(噪声与光敏面积有关)
5
偏置情况
·对黑体要标明黑体温度。 ·辐射经过调制，要说明调制频率。
10
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电路的通频带和带宽
·因噪声水平眼制了探测器的极限性能: ·而噪声电压或噪声电流均正比于带宽的 平方根: ·而且有些噪声还是频率的函数:
工作温度
·许多探测器的输出信号和噪声都与工作温度
(50年代)
CCD 、
CMOS探测器
00年代) (80年代)
量子阱探测器
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2017/3123
光敏电阻的实物
92-1 光电探测器的发展与分类
一、光电探测器的发展概况
·热探测器 热电偶
1826 1946
50年代
(30年代)
热敏电阻
热释电
·光子探测器
光电管、光电倍增管 光电导、光电二极管
(50年代)
从左到右:直径5mm 、 7mm 、 10mm
(50年代)
Le 费4
·光子探测器 光电管、光电倍增管
光电导、光电二极管
pio
CCD 、
CMOS探测器
(70年代) (80年代)
量子阱探测器
S 2-1
光电探测器的发展与分类
一、光电探测器的发展概况
·热探测器 热电偶
热敏电阻
热释电
·光子探测器
1826 1946
50年代
(30年代)
光电管、光电倍增管 光电导、光电二极管
口光电子发射效应:光电子逸出材料表面
电荷辑合器件CCD 电 敏释 川 川 执川 执 执
偶电电
· 内光电效应
口光电导效应:光生电子、空六改变了半导体的电阻
mmA
口光伏效应:
器
《 回响
光生少子在内电场作用下飘逸过结，开
阻探
探
执川
器
路时形成电压，短路 ( 或反偏)时形成电流 。
4
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半导体基础
1'1
离子的杂质，
能够为晶体提供电子空位(空穴) ，同时自身成为带负电的
一般为三价的砌 (8) 原子
半导体的杂质和掺杂
半导体的杂质和掺杂
2) 受主能级
3) 受主电离和电离能
由于受主杂质掺入而在半导体带隙中新引入的电子能级， 该能级未占据电子，是空的，容易从价带获得电子
受主能级从价带接受电子的过程称为受主的电离，未
0
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一一一一一
Ec
d
- Ev
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Ec
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P62-2
试以光电导探测器为例，说明为什么光子探测器的 工作波长越长，工作温度越低 。
P62-2
试以光电导探测器为例，说明为什么光子探测器的
工作波长越长，工作温度越低 。
答:工作波长长，即长波限长，禁带宽度或杂质电离能
2017/3123
· 温差电效应
· 汤姆逊效应:
· 热敏 电 阻
· 温度升高时，金属的电阻升高 。
单一均质半导体，两端温度不同，通有电流时，可逆
地吸热或放热 。
温度升高，电子的平均自由程缩短，同一电压 ( 电场 )
下，平均定向移动速度降低，因此电流减小 ( I=nesv)
T
T+ ð T
· 温度升高时，半导体的电阻降低 。 温度升高时，热电子激发多，载流子数目增多 。
/
半导体的杂质和掺杂
半导体的杂质和掺杂
2) 施主能级
3) 施主的电离和电离能
由于施主杂质的掺入而在半导体带隙中新引入的电子能级
...........
T - QK
............
γ - OK
电离 z 施主向导带释放电子的过程.未电离前，施主能级 是被电子占据的
..协 :1....... "- .
·费米能级不相等时，载流子未达到平衡状态，两端有电
压差 。
Fn (E)
能级为 E的一个能级被电子占据的概率
• Fn (Ef ) =0. 5
•
T=O时
Fn (E) =1 ，
当 E< Ef
Fn (E) =0 ， 当 E > E f
·半导体的费米能级
本征半导体
N 型半导体
• PN结中的费米能级与光伏效应
P 型半导体
一一一-一一 Ec
Ef
一一一-E y
一一一一一-E c Ef
一一一-E y
一一一-一-Ec
一L一一
------- L
一一-E y
v 一一-一~一一-一一 E 乌
无光照时
----
P
N Ec
一一一----一一一 、 E，
- ------ . Ev
--------------------一
有光照时
E曰
·内电势与扩散势平衡 ·费米能级相同
E二二二二=
J 非热平衡态，费米能级不同，电子平均能量 不同
· 热电偶与热电堆
· 热释 电效应
· 原理 : 温度变化时，自发极化强度变化 ( 原因:晶格 结构发生微变 ) ，在垂直于极化方向的两个外表面出 现电压 。
·热探测 器
器件吸收辐射温度升高， iE升使器件特性发生变化 。
· 热 电效应
口 温差电效应:塞贝克效应、 E自耳贴效应、汤姆逊效应 口热敏电阻效应 : 温度变化改变电阻
代)
量子阱探测器
二、光电探测器的分类
光电子发射探测器
光电异探测器
· 光子探测器
· 光电子效应:器件中的电子吸收光子，跃迁到高 能级，使器件特性发生变化 。 (半导体、金属)
光子探测器气光伏探测器
光电磁探测器 光电探测器
』 fll J I IE 气
· 外光电效应
•
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S 2-1
第一立 一-写主
光电探测器的发展与分类
光电探测器概述
发展简况与分类 光电探测器的性能参数
一、光电探测器的发展概况
·热探测器
热电偶
热敏电阻 热释电
9 2-1 9 2-2 9 2-3 9 2-4
1826 1946
50年代 (30年代) (50年代)
噪声的统计特性
光电探测器的噪声
·光子探 测器
光电管、光电倍增管 光电导、光电二极管 CCD 、 CMOS探测器 量子阱探测器
(70年代)
(80年代)
·温差电效应
·塞贝克效应: 两种不同的导体或半导体连接在一起，连接点与两端
点温度不同时，两端点处有电压 。
· 塞贝克效应:
两种不同的导体或半导体连接在一起，连接点与两端
点温度不同时，两端点处有电压 。
·许多光电探测器的响应都是波长的函数: ·这种特性决定了探测器探测特定目标时的 有效程度:
·在说明探测器的性能时，常常给出辐射源 的光谱分布: ·对于单色辐射，给出辐射波长:
性能参数时，应注明工作条件 。 工作条件主要有:
1 2
辐射源的光谱分布(若用黑体，应指明温度)
电路的通频带和带宽(噪声与带宽有关)
电离前，未被电子占据
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B原子多出的电子安位很容易接受价带电子，形成 | 较强的共价键 ， 因此较导带更接近价带 |
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小，容易产生热激发，需降低温度，以减少热激发概率
，降低暗电流和噪声 。
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2017/3/23
·费米分布 Fn (E) 与费米能级 Ef
E
·费米能级
·费米能级等于化学势(使粒子运动的势) ，载流子总是从
叮 . E
0 .5
Fn (E)
费米能级高的地方向费米能级低的地方流动，直到费米
能级处处相等，即达到热平衡状态 。
单色光入射时的灵敏度
所\
0.4 1.0 1.7
硅和锚的相对光谱响应
..
帽-'..回蛐唰唰酣... . . .
E … 1 余德麟 M山鬼，.:- 戳"惆刻黛 e航局
·能带:价带 、导带
半导体的杂质和掺杂
·本征半导体 、杂质半导体 ·施主能级、受主能级
本征半导体 N型半导体 P型半导体
1)施主杂质
施主掺杂又称 为N型掺杂
十
导带底 Ec 价带顶 Ev
今
Ec Ed Ev
o{-o
Ec Ev
~a
phosphoJ'U S
能够向晶体提供电子同时自身成为带正电的离子的杂质， 一般为五价的磷〈的或碑 (As) 原子
-I N !曰 +
·无光照时，有内电场，无外电压:
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2017/3123
·光电磁效应
人射蝠嗣
92-2 光电探测器的性能参数
/8 /
黯 2-6 光 电 磁放庭
·空六在电场及磁场中的运动等效应于正电荷的运动， 而非电子的填补运动 。