第三章探测器.ppt

光电效应——入射光子与物质中的电子相 互作用并产生载流子的效应。 外光电效应：向物质外部发射光电子 光电发射效应 内光电效应：只在物质内部产生光电子 光电导效应 光伏效应;3.2.1 半导体中的载流子;一、 热平衡状态下的载流子浓度;本征半导体：ni = pi =（NcNv）1/2e -(Eg)/2kT n p = ni 2 —— 半导体的平衡态判据 热平衡状态下，载流子浓度是一稳定值。 即：电子、空穴浓度积与半导体的导电类型及电 子、空穴各自的浓度无关。;二、 非平衡状态下的载流子;杂质吸收;非平衡载流子 在光照过程中，产生光生载流子。自由载流子浓度比热平衡时的浓度大。 当光照停止，光致产生率为零，复合使非平衡载流子浓度逐渐减少，最后系统恢复热平衡状态。 ;载流子的扩散与漂移;图为光注入，非平衡载流子扩散示意图;漂移 半导体受到外电场作用时,电子向正电极方向运动,空穴向负电极方向运动。 电流密度： ; 电流密度： 对于N型半导体： 材料迁移率： 因此， （N型半导体） （P型半导体） 结论：电导率决定于其载流子密度和迁移率。;当扩散和漂移同时存在时，总的电子电流密度和空穴电流密度分别为： 总电流密度为：;一、光电导效应：光照变化引起半导体材料电导变化的现象。 当光照射到半导体材料时，材料吸收光子的能量，使非传导态电子变为传导态电子，引起载流子浓度增大，因而导致材料电导率增大。;决定材料?的三个微观因素: 导电粒子的数目 导电粒子的荷电量 定向迁移率;稳态光电导 ; 当光入射到材料内，入射光子与材料价带中的电子相互作用，若能使电子进入导带，则出现光生载流子对，从而增加了导电粒子的浓度，则光电导（光照后电导率的增量）;暗态下: Gd =σd ·A/L, ?????? Id= GdU=σd ·AU/L 亮态下: Gl =σl ·A/L, ????????? Il = GlU=σl ·AU/L 亮态与暗态之差 ????????????? Gp= Gl – Gd = (σl -σd）·A/L=Δσ·A/L ????????????? Ip=Il – Id = (Gl -Gd）·U=Δσ·AU/L A：半导体材料横截面面积； L：半导体材料长度 I：电流； U：外加电压 G：电导； σ：电导率 Δσ：光致电导率的变化量 下标d代表暗，l代表亮，p代表光。;在光照下,设单位时间内产生N个电子空穴对，则光生电子和空穴浓度：;因为光电子在两极的渡越时间为：;二、响应时间;光电导器件在光照下，光生载流子随时间变化的规律为 ;显然，在弱辐射作用下的上升时间常数τr与下降时间常数τf近似相等。 ;在正弦型光照下，;3.2.3 光敏电阻;一、结构与材料;常见光敏电阻;锑化铟（InSb）光敏电阻 液氮温度（77K）时峰值波长（5μm)，刚好在大气窗口3～5μm范围内 响应时间为1μs 室温下长波极限可达7.5μm 碲镉汞（HgCdTe）光敏电阻 是目前所有探测器中性能最优良、最有前途的探测器 对8~14 ?m大气窗口波段的探测更为重要，峰值波长为10.6 ?m，可与CO2激光器的激光波长相匹配 是由HgTe和CdTe两种材料的晶体混合制造的，由于配制Cd组分（x量，一般为1.8~0.4）的不同，可得到不同的禁带宽度，从而制造出波长响应范围不同的Hg1-xCdxTe探测器，1~3 ?m 、3~5 ?m 、 8~14 ?m 是近红外、中红外探测器中性能最优良的探测器;碲锡铅（PbSnTe）光敏电阻 由于配制Sn的组分含量不同，禁带宽度也不同，峰值波长及长波限也随之改变，但它的禁带宽度变化范围不大 目前只能工作在8~10μm波段，由于探测率较低，应用不广泛 Pb0.83Sn0.17Te探测器，77K时，峰值波长与CO2激光器的10.6 ?m激光波长相吻合，长波限为11 ?m 锗掺杂探测器 其特点是响应时间较短（10-6~10-8S），要求工作温度低 工作在绝对温度2K时，其探测波长可达130 ?m，这是其它探测器所不能达到的;二、光敏电阻的基本特性 ; 在恒定电压的作用下，流过光敏电阻的光电流Ip为