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第二章 光电检测器件工作原理及特性;2.1光电检测器件的物理基础 ----光电效应和光热效应 光电导效应、光生伏特效应和光热效应;2.1.1 光电导效应;1、本征光电导效应;基本公式:;2、光电导弛豫过程;3、光电导增益;2.1.2 杂质光电导效应:杂质半导体;2.1.3 光生伏特效应;;当PN结外接回路时,总电流与光生电流和结电流之间关系:
I=Ip-I+=Ip-Is[exp(qV/kT)-1]
负载接入外回路,电流为I,则PN结两端电压为:
V=(kT/q)ln[(Ip-I)/Is+1]
PN结开路时,I=0,求得开路电压:Voc =(kT/q)ln (Ip/Is+1)
可见Voc与Ip为非线性关系。
PN结短路,V=0,求得短路电流即光电流:Isc=Ip=qη/hν=P
没有光照时,Ip=0,外加正向电压为V时,有I+=Is[exp(qV/kT)-1]
注意:光伏效应与光照相联系的是少数载流子的行为,少数载流子的寿命通常很短。所以以光伏效应为基础的检测器件比以光电导效应为基础的检测器件有更快的响应速度。;与光电效应的区别:光电效应中,光子能量直接变为光电子的能量,光热效应中,光能量与晶格相互作用使其运动加剧,造成温度的升高,从而引起物质相关电学特性变化。; 物理本质:极化晶体;热释电现象中:温度对自发极化强度的影响。;2、 辐射热计效应;3、 温差电效应;2.2 光电检测器件的特性参数;光子检测器件;热敏检测器件的特点:
1、响应波长无选择性。对各种波长具有相同的敏感性。
2、响应慢。即吸收辐射后产生信号所需时间长,在毫秒量级;二、特性参数;3、积分响应度S:
表示检测器对各种波长的辐射光连续辐射通量的反应程度,光电检测器件输出的电流或电压与入射光通量之比。;4、响应时间τ:
响应时间是描述光电检测器对入射辐射响应快慢的参数。即入射光辐射到检测器后或入射光被遮断后,光电检测器件输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需要的时间。 ;5、频率响应S(f):
由于光电检测器信号的产生和消失存在着一个滞后过程,所以入射光辐射的频率对光电检测器的响应将有很大的影响,把光电检测器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性称为频率响应。 ;6、热噪声:
当入射辐射功率很低时,输出只是些杂乱无章的变化信号,无法肯定是否为入射辐射信号,这是检测器固有的噪声引起的。其时间平均值为零,但均方根不等于零,即存在瞬时电流扰动。这个均方根电压(或电流)即为噪声电压(流)。热噪声是由载流子无规则运动造成的。 ;7、散粒噪声:
或称散弹噪声,即穿越势垒的载流子的随机涨落(统计起伏)所造成的噪声。;8、信噪比(S/N):
信噪比是判断噪声大小通常使用的参数。它是在负载电阻RL上产生的信号功率与噪声功率比。;9、线性度(非线性误差δ):
线性度是描述光电检测器输出信号与输入信号保持线性关系的,即在规定范围内,光电检测器的输出电量正比于输入光量的性能。光电检测器件的响应度是常数的范围称为线性区。;10、工作温度:
光电检测器的工作温度是最佳工作状态时的温度,是光电检测器重要的性能参数之一。
光电检测器工作温度不同,工作性能将会有所变化。
例如HgCdTe(汞镉碲)检测器在液氮温度时,有较高的信噪比,而锗掺铜光电导器件在4K左右时,有较高的信噪比;如果温度升高,它们的性能会逐渐变差,以致无法使用。
又如InSb(锑化铟)器件,工作温度在300K,长波限为7.5um,峰值波长在6um,工作温度为77K时,长波限为5.5um,峰值波长为5um,变化明显。
对于热电检测器,环境检测工作温度变化会使响应度和热噪声发生变化,;作业思考题
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