《光电子技术基础》第6章光电探测技术基础.pptx

第6章 光电探测技术基础;主要内容 ;光电探测技术基础;光电探测的发展历史;光电探测的发展历史;6.1 光探测器性能参数 ;;;(5) 噪声等效功率：定义为相应于单位信噪比的入射光功率，用来表征探测器探测能力，定义式为： ;;;;6.2 光电探测方式 ;;直接探测系统 ;(2)当 时，跃迁几率中除两入射光功率数量和 这一常数项外，还包含一项以 振荡、相位 的分量。因而能反映入射相干光载波的频率及相位变化，它对应于外差探测方式，也叫相干探测，其结构框图见图。 ;6.3 光电探测的物理效应 ;光电效应类探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态改变，因而光子能量的大小直接影响内部电子状态改变的大小，因而这类探测器受波长限制，存在“红限”——截止波长 ，截止波长表达式：;光热效应是物体吸收光，引起温度升高的一种效应。 探测器件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升，并进一步使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化的现象。探测体常用Pt、Ni、Au等金属和热敏电阻、热释电器件、超导体等。 材料在红外波段的热效应更强。 由于温升是热积累的作用，所以光热效应的速度一般比较慢，而且易受环境温度变化的影响。 ;6.3.1 外光电效应—光电发射效应 ;;;1.金属的光电发射 ;半导体光电发射的光电逸出参量有两个，分别是电子亲和势和电子逸出功。;半导体中自由电子较少，且有禁带，费米能级一般都在禁带当中，且随掺杂和内外场变化，所以真空能级与费米能级之差不是材料参量。半导体的逸出功定义为T=0K时真空能级与电子发射中心能级之差，而电子发射中心的能级有的是价带顶，有的是导带底，情况复杂，因而半导体中很少用逸出功而常用亲和势来判别光电子发射的难易，许多资料中光电发射的能量阈值常用亲和势加禁带宽度来计算。 ;6.3.2 内光电效应 ;对于本征半导体，在无光照时，由于热激发只有少数电子从价带跃迁至导带，此时半导体的电导率很低，称为半导体的暗电导，用 表示，??;;;根据量子效率的定义;6.3.2 内光电效应;n区中空穴在其寿命?p时间内扩散距离为Lp，p区中电子在?e时间内扩散距离为Le，一般情况下L=Lp+Le远大于p-n结宽度，因而，结附近平均扩散距离L内所产生的光生载流子对光电流有贡献，此外的电子-空穴对在扩散过程中将复合掉，对p-n结光伏效应无贡献。;;6.3.3 光热效应 ;;温差热电偶的灵敏度定义式为：;;热电晶体是一种结晶对称性很差(即具有非中心对称性)的压电晶体，在常态下，某个方向上正负电荷中心不重合，从而晶体表面存在着一定量的极化电荷，称为自发极化。晶体温度变化会引起正负电荷中心发生位移，从而引起表面极化电荷变化。 ; 如果把热释电体放进一个电容器极板之间，并将一个电流表与电容器极板连接，电流表中就会有电流流过，该电流称为短路热释电流： ;6.4 光电探测器 ;;表6-2是将光电导模式工作的反偏结型光探测器与光电三极管归入结型光电导类探测器所得常见光电探测器的分类情况表。;2. 光电导型探测器 ;图6-9 光敏电阻的结构和偏置电路 ;;CdS、CdTe具有高可靠性、长寿命、低造价、可见光响应等特点，探测器，光电导增益为103-104，响应时间约50 ms，在工业中应用最广。;3. 光伏型探测器;3. 光伏型探测器;;光电池和太阳能电池不再需要外加电源，在响应速度要求不高的场合，因其使用简便，常用于光电子学信息处理和光耦合器件的光接收部件上，目前使用的有: ;4. 热电型探测器 ;4. 热电型探测器 ;1.光电倍增管 ;1.光电倍增管 ;光照下，光电阴极发射出来的电子聚焦后射到第一倍增极D1，引起D1表面二次电子发射，使初始电流成倍增加之后，再射向D2、D3，……。设每一级平均二次发射放大倍数为g，倍增电极共N个，则阴阳极间总电流倍增数G为：;1.光电倍增管 ;;;为改善普通Si光电二极管的频率响应特性，在p区和n区间加一个本征层，制作了PIN型Si光电二极管，其外形图和灵敏度随角度变化关系如图6-12所示。 ;调制光照到光电二极管的接收区(p区)后，在p-n结及其附近产生光生载流子(少子)，它们在外加电压作用下运动，使回路电流增加，从而形成可探测电流。光生电流大小与入射光的强度变化量关系即决定了光电二极管的探测原理。 ;;雪崩光电二极管典型结构如图所示;雪崩光电二极管除了增益特性和噪声特性外，其他特性与光电二极管基本相似。雪崩过程的增益特性可用倍增因子G来表示，近似写为