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第四章光探测技术;;;§4.1 光电探测器(Detector)的物理效应 ;§4.1 光电探测器(Detector)的物理效应 ;;光子效应和光热效应;光热效应(photothermal effect );光电发射效应;;截止频率;光电导效应;;;光辐射照射外加电压的半导体,如果光波长λ满足如下条件: ;;;光伏效应;;;;;;;光照零偏pn结产生开路电压的效应;温差电效应;;;;热释电效应; 升高到Tc值时,自发极化突然消失,TC称为居里温度;光电转换定律;——探测器的量子效率;光电探测器件的特点;;§ 4.2 光电探测器的性能参数 ; 灵敏度也常称作响应度,是光电探测器光电转换特性,光电转换的光谱特性以及频率特性的量度。; 光功率谱密度Pλ由于光电探测器的光谱选择性,在其它条件下不变的情况下,光电流将是光波长的函数,记为iλ,于是光谱灵敏度Rλ定义为;;式中; 若入射光是强度调制,在其它条件不变下,光电流if将随调频f的升高而下降,这时的灵敏度称为频率灵敏度Rf,;; 例如:?德国Advanced Laser Diode Systems公司提供带宽可达35GHz、响应频率范围覆盖400nm到1.6 μm 的高速光电二极管。该光电二极管采用MSM(金属-半导体-金属)的结构,具有非常低的电容、电阻,因而具有极高的响应速度。其冲击响应振荡极小,常适于高速光源时间或频率特性探测。;;; 量子效率:在某一特定波长上,每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之比。; 如果说灵敏度R是从宏观角度描述了光电探测器的光电、光谱以及频率特性,那么量子效率η则是对同一个问题的微观—宏观描述。;从灵敏度R的定义式;;;;;把两种因素一并考虑,; 光电探测器还有其它一些特性参数,在使用时必须注意到,例如光敏面积,探测器电阻,电容等。
特别是极限工作条件,正常使用时都不允许超过这些指标,否则会影响探测器的正常工作,甚至使探测器损坏。
通常规定了工作电压、电流、温度以及光照功率允许范围,使用时要特别加以注意。 ;;;;光电检测器件的性能参数;;2、光电探测器的特性的微观量-宏观量描述是什么?;3、光电信息转换器件的主要特性:;4、计算:PIN光电二极管,受波长为
的 个的光子照射,其量子效率为0.33。计??产生的光电子数量和响应度(电子电荷e取 库仑);§ 4.3 光电探测器的噪声; 因为在光电转换过程中,半导体中的电子从价带跃迁到导带,或者电子逸出材料表面等过程,都是一系列独立事件,是一种随机的过程。每一瞬间出现多少载流子是不确定的,所以随机的起伏将不可避免地与信号同时出现。尤其在信号较弱时,光电探测器的噪声会显著地影响信号探测的准确性。 ; 1/f 噪声又称为闪烁或低频噪声。
这种噪声是由于光敏层的微粒不均匀或不必要的微量杂质的存在,当电流流过时在微粒间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲。
几乎在所有探测器中都存在这种噪声。它主要出现在大约1KHz以下的低频频域,而且与光辐射的调制频率f成反比,故称为低频噪声或1/f 噪声。
实验发现,探测器表面的工艺状态(缺陷或不均匀等)对这种噪声的影响很大,所以有时也称为表面噪声或过剩噪声。 ;;§ 4.4光敏电阻;;;1、原理;组成:它由一块涂在绝缘基底上的光电导材料薄膜和两端接有两个引线,封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。电极和光电导体之间呈欧姆接触。;三种结构形式;三种结构形式;蛇形结构
如图,光电导材料制成蛇形,光电导两侧为金属导电材料,并在其上设置电极。
;刻线结构
在玻璃基片上镀制一层薄的金属箔,将其刻划成栅状槽,然后在槽内填入光敏电阻材料层后制成。其结构如图所示。
;;3.特性参数及工作特性; 增益可理解为:样品中每产生一个光生载流子所构成的流入外电路的载流子数。 ;由上式可知:;;注意:灵敏度与光电增益的区别;;;;;;(9)前历效应;亮态前历效应:
光敏电阻测试或工作前已处于亮态,当照度与工作时所要达到的照度不同时,所出现的一种滞后现象。;(10)噪声特性:;;4、光敏电阻的特点;(2)不足:;;;6、光敏电阻器的主要参数
1)亮电阻(kΩ):指光敏电阻器受到光照射时的电阻值。
2)暗电阻(MΩ):指光敏电阻器在无光照射(黑暗环境)时的电阻值。
3)最高工作电压(V):指光敏电阻器在额定功率下所允许承受的最高电压
4)亮电流:指光敏电阻器在规定的外加电压下受到光照射时所通过的电流。
5)暗电流(mA):指在无光照射时,光敏
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