第二章光電檢測(cè)

1、第二章第二章 光電檢測(cè)器件工作原理及特性光電檢測(cè)器件工作原理及特性第二章第二章 光電檢測(cè)器件工作原理及特性光電檢測(cè)器件工作原理及特性 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ) 光電檢測(cè)器件的特性參數(shù)光電檢測(cè)器件的特性參數(shù)一、半導(dǎo)體的特性一、半導(dǎo)體的特性半導(dǎo)體的半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力導(dǎo)電能力在不同的條件在不同的條件下有下有顯著的差異。顯著的差異。 2-1 2-1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)物質(zhì)按導(dǎo)電能力可分為：物質(zhì)按導(dǎo)電能力可分為：導(dǎo)體，絕緣體，半導(dǎo)體導(dǎo)體，絕緣體，半導(dǎo)體。41、溫度升高，導(dǎo)電能力增強(qiáng)，電阻率下降；溫度升高，導(dǎo)電能力增強(qiáng)，電阻率下降； 如室溫附近的純

2、硅如室溫附近的純硅(Si)，溫度每增加，溫度每增加8，電阻率相應(yīng)地降低，電阻率相應(yīng)地降低50%左右；左右；2 2、微量雜質(zhì)含量，可以顯著改變導(dǎo)電能力；、微量雜質(zhì)含量，可以顯著改變導(dǎo)電能力； 以純硅中每以純硅中每100萬(wàn)個(gè)硅原子摻進(jìn)一個(gè)萬(wàn)個(gè)硅原子摻進(jìn)一個(gè)族雜質(zhì)；電阻率在室溫下卻由大約族雜質(zhì)；電阻率在室溫下卻由大約0.214 Mcm降至降至0.2 cm以下以下 (降低降低6個(gè)數(shù)量級(jí)）；個(gè)數(shù)量級(jí)）；3 3、光照可以改變導(dǎo)電能力；、光照可以改變導(dǎo)電能力； 如在絕緣襯底上制備的硫化鎘如在絕緣襯底上制備的硫化鎘(CdS)薄膜，無(wú)光照時(shí)的暗電阻為幾十薄膜，無(wú)光照時(shí)的暗電阻為幾十M，當(dāng)受光照后電阻值可以下降為

3、幾十當(dāng)受光照后電阻值可以下降為幾十K；4 4、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等影響半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等影響半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。半導(dǎo)體的特性半導(dǎo)體的特性半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)人們就是利用人們就是利用半導(dǎo)體的熱敏半導(dǎo)體的熱敏、光敏特性光敏特性制作成半導(dǎo)體制作成半導(dǎo)體熱敏元件和光熱敏元件和光敏元件敏元件，利用半導(dǎo)體的摻雜特性制造了種類繁多，不同用途的半導(dǎo)，利用半導(dǎo)體的摻雜特性制造了種類繁多，不同用途的半導(dǎo)體器件，如半導(dǎo)體二極管、晶體二極管、場(chǎng)效應(yīng)管等。體器件，如半導(dǎo)體二極管、晶體二極管、場(chǎng)效應(yīng)管等。5常見的半導(dǎo)體材料p 元素半導(dǎo)體: 硅、鍺、硒 p 化合物半導(dǎo)體:砷化鎵(GaAs)、鋁砷化鎵(Ga1-x

4、AlxAs)、銻化銦 (InSb)、硫化鎘(CdS)和硫化鉛(PbS)等，p 固熔體半導(dǎo)體:氧化亞銅p 有機(jī)半導(dǎo)體:砷化鎵磷化鎵p 玻璃半導(dǎo)體p 稀土半導(dǎo)體 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)61.原子中電子的能級(jí)原子是由一個(gè)帶正電的原子核與一些帶負(fù)電的電子所組成。電子環(huán)繞原子核在各自的軌道上不停的運(yùn)動(dòng)。二、能帶理論二、能帶理論根據(jù)量子論，電子運(yùn)動(dòng)有下面三個(gè)重要特點(diǎn)： (1) 電子繞核運(yùn)動(dòng)，具有完全確定的能量，這種穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)陳為量子態(tài)。每一量子態(tài)所取的確定能量稱為能級(jí)。(2) 由于微觀粒子具有粒子與波動(dòng)的兩重性，因此，嚴(yán)格說(shuō)原子中的電子沒有完全確定的軌道。軌道代表電子出現(xiàn)幾率最大的一部分區(qū)域。(

5、3) 在一個(gè)原子或原子組成的系統(tǒng)中，不能有兩個(gè)電子同屬于一個(gè)量子態(tài)，即在每一個(gè)能級(jí)中，最多只能容納兩個(gè)自旋方向相反的電子，這就是泡利不相容原理。電子首先填滿低能級(jí)，而后依次向上填，直到所有電子填完為止。半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)72.晶體中電子的能帶n 電子共有化 結(jié)合成晶體的原子之間的距離很近，這使不同原子間的電子軌道（量子態(tài)）將發(fā)生不同程度的交迭。軌道的交迭使電子可從一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)原子上去，在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng)，成為整個(gè)晶體所共有的現(xiàn)象。n 能帶 N個(gè)原子排列起來(lái)結(jié)合成晶體，原來(lái)分屬于N個(gè)單個(gè)原子的相同能級(jí)對(duì)應(yīng)分裂或?qū)儆谡麄€(gè)晶體的N個(gè)能量稍有差別的能級(jí)。這些能級(jí)互相靠得很近，分布在一定

6、的能量區(qū)域。能量區(qū)域中這些密集的能級(jí)被稱為能帶，能帶內(nèi)的能級(jí)可看成是連續(xù)的。 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)8N個(gè)原子結(jié)合成晶體前后的能級(jí)狀態(tài)變化半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)93.半導(dǎo)體的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)當(dāng)一塊半導(dǎo)體的兩端加上電壓之后，價(jià)電子在無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的當(dāng)一塊半導(dǎo)體的兩端加上電壓之后，價(jià)電子在無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上疊加了電場(chǎng)引起的定向運(yùn)動(dòng)，形成了電流，并且運(yùn)動(dòng)狀基礎(chǔ)上疊加了電場(chǎng)引起的定向運(yùn)動(dòng)，形成了電流，并且運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生了變化。因而起運(yùn)動(dòng)能量必然與原來(lái)熱運(yùn)動(dòng)時(shí)有所不同。態(tài)發(fā)生了變化。因而起運(yùn)動(dòng)能量必然與原來(lái)熱運(yùn)動(dòng)時(shí)有所不同。在晶體中，根據(jù)泡利不相容原理，每個(gè)能級(jí)上最多能容納兩個(gè)在晶體中

7、，根據(jù)泡利不相容原理，每個(gè)能級(jí)上最多能容納兩個(gè)電子，因此，要改變晶體中電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，必需滿足兩個(gè)條電子，因此，要改變晶體中電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，必需滿足兩個(gè)條件：件：1）具有能向電子提供能量的外部作用；）具有能向電子提供能量的外部作用；2）電子要躍入的那個(gè)能級(jí)是空的）電子要躍入的那個(gè)能級(jí)是空的半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)10半導(dǎo)體導(dǎo)電條件：在有外加電壓條件下，電子能否導(dǎo)電，必須考慮電子填充能帶的情況。滿帶中的電子不導(dǎo)電，不滿的能帶中的電子才可以導(dǎo)電絕對(duì)溫度為零時(shí)，純凈半導(dǎo)體的價(jià)帶被價(jià)電子填滿，導(dǎo)帶是空的 不導(dǎo)電半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)11滿帶滿帶：各個(gè)能級(jí)都被電子填滿的能帶禁帶禁帶：兩個(gè)能帶之

8、間的區(qū)域（其寬度直接決定導(dǎo)電性）空帶空帶：所有能級(jí)都沒有電子填充的能帶 價(jià)帶價(jià)帶：由最外層價(jià)電子能級(jí)分裂后形成的能帶 未被電子占滿的能帶稱為導(dǎo)帶禁帶的寬度稱為帶隙能帶的分類能帶的分類半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)12導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體導(dǎo)體：導(dǎo)體：( (導(dǎo)導(dǎo)) )價(jià)帶電子價(jià)帶電子絕緣體：絕緣體：無(wú)價(jià)帶電子無(wú)價(jià)帶電子禁帶太寬禁帶太寬半導(dǎo)體半導(dǎo)體：價(jià)帶充滿電子價(jià)帶充滿電子禁帶較窄禁帶較窄外界能量激勵(lì)外界能量激勵(lì)滿帶電子激勵(lì)滿帶電子激勵(lì)成為導(dǎo)帶電子成為導(dǎo)帶電子滿帶留下空穴滿帶留下空穴半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)13硅的晶格結(jié)構(gòu)硅的晶格結(jié)構(gòu) ( (平面圖平面圖) )1 1、本征半導(dǎo)體

9、材料、本征半導(dǎo)體材料 SiSi電子和空穴是成對(duì)出現(xiàn)的Si電子受到激勵(lì)躍遷到導(dǎo)帶，電子受到激勵(lì)躍遷到導(dǎo)帶，導(dǎo)致電子和空穴成對(duì)出現(xiàn)導(dǎo)致電子和空穴成對(duì)出現(xiàn)E此時(shí)外加電場(chǎng)，發(fā)生電子此時(shí)外加電場(chǎng)，發(fā)生電子/空穴空穴移動(dòng)導(dǎo)電。移動(dòng)導(dǎo)電。載流子：在電子技術(shù)中把參與在電子技術(shù)中把參與導(dǎo)電的物質(zhì)稱為載流子。導(dǎo)電的物質(zhì)稱為載流子。本征半導(dǎo)體有兩種載流子：本征半導(dǎo)體有兩種載流子：自由電子，空穴。自由電子，空穴。半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)14導(dǎo)帶 EC價(jià)帶 EV電子躍遷帶隙 Eg = 1.1 eV電子態(tài)數(shù)量空穴態(tài)數(shù)量電子濃度分布空穴濃度分布空穴電子本征半導(dǎo)體的能帶圖電子向?qū)кS遷電子向?qū)кS遷空穴向價(jià)帶反向躍遷空穴

10、向價(jià)帶反向躍遷半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)15As+4As+52 2、非本征半導(dǎo)體材料：、非本征半導(dǎo)體材料：n n型型摻入第摻入第V族元素族元素(如磷如磷P, 砷砷As, 銻銻Sb)后，某些電子受到很弱的束后，某些電子受到很弱的束縛，只要很少的能量縛，只要很少的能量D DED (0.040.05eV)就能讓它成為自由電子。就能讓它成為自由電子。這個(gè)電離過(guò)程稱為雜質(zhì)電離。這個(gè)電離過(guò)程稱為雜質(zhì)電離。施主雜質(zhì)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)16施主能級(jí)施主能級(jí)被施主雜質(zhì)束縛住的多余電子所處的能級(jí)稱為被施主雜質(zhì)束縛住的多余電子所處的能級(jí)稱為施主能級(jí)施主能級(jí)施主能級(jí)位于離導(dǎo)帶很近的禁帶施主能級(jí)位于離導(dǎo)帶很近

11、的禁帶施主能級(jí)上的電子吸收少量的能量施主能級(jí)上的電子吸收少量的能量D DED后可以躍遷到導(dǎo)帶后可以躍遷到導(dǎo)帶施主能級(jí)電子能量電子濃度分布空穴濃度分布施主雜質(zhì)電離使導(dǎo)帶 電子濃度增加 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)173 3、非本征半導(dǎo)體材料：、非本征半導(dǎo)體材料：p p型型摻入第摻入第III族元素族元素(如銦如銦In,鎵鎵Ga,鋁鋁Al)，晶體只需要很少的能量，晶體只需要很少的能量D DEA Eg 就可以產(chǎn)生自由空穴就可以產(chǎn)生自由空穴B受主雜質(zhì)18受主能級(jí)受主能級(jí)被受主雜質(zhì)束縛的空穴所處的能級(jí)稱為被受主雜質(zhì)束縛的空穴所處的能級(jí)稱為受主能級(jí)受主能級(jí)受主能級(jí)位于靠近價(jià)帶受主能級(jí)位于靠近價(jià)帶EV的禁帶中

12、的禁帶中空穴獲得較小的能量空穴獲得較小的能量D DEA后就能反向躍遷到價(jià)帶成為導(dǎo)電空穴后就能反向躍遷到價(jià)帶成為導(dǎo)電空穴電子濃度分布電子濃度分布空穴濃度分布空穴濃度分布受主能級(jí)電離使導(dǎo)帶受主能級(jí)電離使導(dǎo)帶 空穴濃度增加空穴濃度增加 電子能量電子能量19平衡和非平衡載流子平衡和非平衡載流子處于熱平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，在一定溫度下，載流子濃度處于熱平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，在一定溫度下，載流子濃度一定。這種處于熱平衡狀態(tài)下的載流子濃度，稱為一定。這種處于熱平衡狀態(tài)下的載流子濃度，稱為平衡載平衡載流子流子濃度。濃度。處于非平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，其載流子濃度也不再是平衡處于非平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，其載流子濃度也不再是平衡載

13、流子濃度，比它們多出一部分。比平衡狀態(tài)多出來(lái)的這載流子濃度，比它們多出一部分。比平衡狀態(tài)多出來(lái)的這部分載流子稱為部分載流子稱為非平衡載流子非平衡載流子。 載流子：載流子：在電子技術(shù)中把參與導(dǎo)電的物質(zhì)稱為載流子在電子技術(shù)中把參與導(dǎo)電的物質(zhì)稱為載流子。因?yàn)楸菊靼雽?dǎo)體內(nèi)部參與導(dǎo)電的物質(zhì)有自由電子和空穴，因?yàn)楸菊靼雽?dǎo)體內(nèi)部參與導(dǎo)電的物質(zhì)有自由電子和空穴，所以本征半導(dǎo)體中有兩種載流子，一種是帶負(fù)電的自由電所以本征半導(dǎo)體中有兩種載流子，一種是帶負(fù)電的自由電子，另一種是帶正電的空穴。子，另一種是帶正電的空穴。半導(dǎo)體對(duì)光的吸收半導(dǎo)體對(duì)光的吸收20非平衡載流子的產(chǎn)生非平衡載流子的產(chǎn)生 光注入光注入：用光照使得半

14、導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生非平衡載流子。用光照使得半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生非平衡載流子。當(dāng)光子的能量大于半導(dǎo)體的禁帶寬度時(shí)，光子就能把價(jià)當(dāng)光子的能量大于半導(dǎo)體的禁帶寬度時(shí)，光子就能把價(jià)帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶上去，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，使導(dǎo)帶比帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶上去，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，使導(dǎo)帶比平衡時(shí)多出一部分電子，價(jià)帶比平衡時(shí)多出一部分空穴。平衡時(shí)多出一部分電子，價(jià)帶比平衡時(shí)多出一部分空穴。產(chǎn)生的非平衡電子濃度等于價(jià)帶非平衡空穴濃度。光注產(chǎn)生的非平衡電子濃度等于價(jià)帶非平衡空穴濃度。光注入產(chǎn)生非平衡載流子，導(dǎo)致半導(dǎo)體電導(dǎo)率增加。入產(chǎn)生非平衡載流子，導(dǎo)致半導(dǎo)體電導(dǎo)率增加。 其它方法其它方法：電注入、高能粒子輻照等。電注入、高能粒子輻照等。

15、半導(dǎo)體對(duì)光的吸收半導(dǎo)體對(duì)光的吸收21四、載流子的運(yùn)動(dòng)四、載流子的運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：把載流子由熱運(yùn)動(dòng)造成的從高濃：把載流子由熱運(yùn)動(dòng)造成的從高濃度處向低濃度處的前一運(yùn)動(dòng)成為擴(kuò)散。度處向低濃度處的前一運(yùn)動(dòng)成為擴(kuò)散。漂移運(yùn)動(dòng)：漂移運(yùn)動(dòng)：載流子在電場(chǎng)的加速作用下，除載流子在電場(chǎng)的加速作用下，除熱運(yùn)動(dòng)之外獲得的附加運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。熱運(yùn)動(dòng)之外獲得的附加運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。載流子的載流子的運(yùn)動(dòng)形式運(yùn)動(dòng)形式平衡載流子平衡載流子:處于熱平衡狀態(tài)下的載流子。處于熱平衡狀態(tài)下的載流子。 非平衡載流子非平衡載流子:半導(dǎo)體處于非平衡狀態(tài)時(shí)，比平衡狀態(tài)多出來(lái)的載流子。半導(dǎo)體處于非平衡狀態(tài)時(shí)，比平衡狀態(tài)多出來(lái)的載流子?？?/p>

16、慮擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)考慮擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：1）、對(duì)于雜質(zhì)分布不均勻的半導(dǎo)體；）、對(duì)于雜質(zhì)分布不均勻的半導(dǎo)體； 2）、處于非平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，需要考慮擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。）、處于非平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，需要考慮擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。不考慮擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)不考慮擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：對(duì)于處于平衡狀態(tài)的雜質(zhì)均勻分布的半導(dǎo)體；：對(duì)于處于平衡狀態(tài)的雜質(zhì)均勻分布的半導(dǎo)體；22n 非平衡載流子非平衡載流子例：例：n型半導(dǎo)體硅，摻雜濃度型半導(dǎo)體硅，摻雜濃度注：注：（1）在光照等小注入的情況下，非平衡少數(shù)載流子濃）在光照等小注入的情況下，非平衡少數(shù)載流子濃度度可以比平衡少數(shù)載流子濃度大得多可以比平衡少數(shù)載流子濃度大得多（2）非平衡少數(shù)載流子起重要作用非平衡少數(shù)載流子起重要作

17、用，非平衡載流子都，非平衡載流子都指非平衡少數(shù)載流子指非平衡少數(shù)載流子假定假定 24物體受光照射，一部分光被物體反射，一部分光被物體吸收，物體受光照射，一部分光被物體反射，一部分光被物體吸收，其余的光透過(guò)物體。其余的光透過(guò)物體。半導(dǎo)體對(duì)半導(dǎo)體對(duì)光的吸收光的吸收本征吸收本征吸收非本征吸收非本征吸收半導(dǎo)體對(duì)光的吸收半導(dǎo)體對(duì)光的吸收四、半導(dǎo)體對(duì)光的吸收四、半導(dǎo)體對(duì)光的吸收25本征吸收本征吸收：光子能量足夠大，價(jià)帶中的電子能激發(fā)到導(dǎo)帶。光子能量足夠大，價(jià)帶中的電子能激發(fā)到導(dǎo)帶。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：產(chǎn)生電子空穴對(duì)產(chǎn)生電子空穴對(duì)條件：條件：ghvE本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體和和雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體內(nèi)部，都有可能發(fā)生內(nèi)

18、部，都有可能發(fā)生本征吸收本征吸收！半導(dǎo)體對(duì)光的吸收半導(dǎo)體對(duì)光的吸收26非本征吸收非本征吸收：光子能量不足以使價(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶：光子能量不足以使價(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶 ，包括雜質(zhì)吸收、自由載流子吸收、激子吸收、晶格包括雜質(zhì)吸收、自由載流子吸收、激子吸收、晶格.雜質(zhì)吸收雜質(zhì)吸收：N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體施主束縛電子施主束縛電子導(dǎo)帶導(dǎo)帶P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體受主束縛空穴受主束縛空穴價(jià)帶價(jià)帶 自由載流子吸收自由載流子吸收：由同一能帶內(nèi)不同能級(jí)之間的躍遷引起由同一能帶內(nèi)不同能級(jí)之間的躍遷引起的。載流子濃度很大時(shí)，導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴的。載流子濃度很大時(shí)，導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴產(chǎn)生帶內(nèi)能級(jí)間

19、躍遷而出現(xiàn)的非選擇性吸收產(chǎn)生帶內(nèi)能級(jí)間躍遷而出現(xiàn)的非選擇性吸收.激子吸收激子吸收：價(jià)帶中的電子吸收小于禁帶寬度的光子能量也能離開價(jià)帶，價(jià)帶中的電子吸收小于禁帶寬度的光子能量也能離開價(jià)帶，但因能量不夠還不能躍遷到導(dǎo)帶成為自由電子。這時(shí)，電子實(shí)際還與空穴保但因能量不夠還不能躍遷到導(dǎo)帶成為自由電子。這時(shí)，電子實(shí)際還與空穴保持著庫(kù)侖力的相互作用，形成一個(gè)電中性系統(tǒng)。持著庫(kù)侖力的相互作用，形成一個(gè)電中性系統(tǒng)。晶格吸收晶格吸收： 所吸收輻射的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裨拥恼駝?dòng)能量所吸收輻射的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裨拥恼駝?dòng)能量.這兩種吸收對(duì)光電導(dǎo)沒有貢獻(xiàn)，甚至?xí)@兩種吸收對(duì)光電導(dǎo)沒有貢獻(xiàn)，甚至?xí)档凸怆娹D(zhuǎn)換效率降低光電轉(zhuǎn)換

20、效率本征吸收和雜質(zhì)吸收能夠產(chǎn)生本征吸收和雜質(zhì)吸收能夠產(chǎn)生非平衡載流子。非平衡載流子。半導(dǎo)體對(duì)光的吸收半導(dǎo)體對(duì)光的吸收27五、五、PN結(jié)結(jié)將將P P型和型和N N型半導(dǎo)體采用特型半導(dǎo)體采用特殊工藝制造成半導(dǎo)體。半殊工藝制造成半導(dǎo)體。半導(dǎo)體內(nèi)有一物理界面，界導(dǎo)體內(nèi)有一物理界面，界面附近形成一個(gè)極薄的特面附近形成一個(gè)極薄的特殊區(qū)域，稱為殊區(qū)域，稱為PNPN結(jié)結(jié)。半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)1、PN結(jié)的形成結(jié)的形成28U電勢(shì)2)、內(nèi)建電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致載內(nèi)建電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致載流子做反向漂移運(yùn)動(dòng)流子做反向漂移運(yùn)動(dòng)n型p型耗盡層1)、濃度的差別導(dǎo)致載流子、濃度的差別導(dǎo)致載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)2、動(dòng)態(tài)平衡下的

21、、動(dòng)態(tài)平衡下的PN結(jié)結(jié)N區(qū)電子擴(kuò)散進(jìn)入?yún)^(qū)電子擴(kuò)散進(jìn)入P區(qū)，區(qū)， P區(qū)電子漂移進(jìn)入?yún)^(qū)電子漂移進(jìn)入N區(qū)，最終達(dá)到平衡；區(qū)，最終達(dá)到平衡；P區(qū)空穴擴(kuò)散進(jìn)入?yún)^(qū)空穴擴(kuò)散進(jìn)入N區(qū)，區(qū)， N 區(qū)空穴漂移進(jìn)入?yún)^(qū)空穴漂移進(jìn)入P區(qū)，最終達(dá)到平衡；區(qū)，最終達(dá)到平衡；29 如果外加電壓使PN結(jié)中：P區(qū)的電位高于 N 區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡(jiǎn)稱正偏； PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，若外加電壓使電流?P 區(qū)流到 N 區(qū)，PN結(jié)呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。 P 區(qū)的電位低于 N 區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡(jiǎn)稱反偏。 3、PN結(jié)的單向?qū)щ娊Y(jié)的單向?qū)щ姲雽?dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)30 (1) PN結(jié)加正向電壓時(shí)的

22、導(dǎo)電情況結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況外加的正向電壓有一部分降外加的正向電壓有一部分降落在落在 PN 結(jié)區(qū)，方向與結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相反，削弱了內(nèi)內(nèi)電場(chǎng)方向相反，削弱了內(nèi)電場(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)電場(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加動(dòng)的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響流，可忽略漂移電流的影響, , PN 結(jié)呈現(xiàn)低阻性結(jié)呈現(xiàn)低阻性。PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)31 外加的反向電壓有一部分降落在外加的反向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相同，

23、加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相同，加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙增強(qiáng)，擴(kuò)散電流大大減小。此時(shí)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙增強(qiáng)，擴(kuò)散電流大大減小。此時(shí)PN結(jié)結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場(chǎng)的作用區(qū)的少子在內(nèi)電場(chǎng)的作用下形成的漂移電流大于擴(kuò)下形成的漂移電流大于擴(kuò)散電流，可忽略擴(kuò)散電流散電流，可忽略擴(kuò)散電流，由于漂移電流本身就很，由于漂移電流本身就很小，小，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。結(jié)呈現(xiàn)高阻性。 在一定溫度條件下，在一定溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大本上與所加反向電壓的大小無(wú)關(guān)小

24、無(wú)關(guān)，這個(gè)電流也稱為這個(gè)電流也稱為反向飽和電流反向飽和電流。 (2) 、PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況PN 結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)32 PN結(jié)外加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。半?dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)正偏反偏333、PN結(jié)的伏安特性曲線結(jié)的伏安特性曲線對(duì)應(yīng)表:第二章第二章 光電檢測(cè)器件工作原理及特性光電檢測(cè)器件工作原理及特性 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ) 光

25、電檢測(cè)器件的特性參數(shù)光電檢測(cè)器件的特性參數(shù) 2-2 2-2 光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)光電檢測(cè)系統(tǒng)組成框圖光電檢測(cè)系統(tǒng)組成框圖光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換：通過(guò)光電檢測(cè)器件來(lái)完成的，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換，把光信號(hào)轉(zhuǎn)通過(guò)光電檢測(cè)器件來(lái)完成的，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換，把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，繼而利用十分成熟的電子技術(shù)對(duì)電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和處理，換成電信號(hào)，繼而利用十分成熟的電子技術(shù)對(duì)電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和處理，從而完成對(duì)光輻射的檢測(cè)。從而完成對(duì)光輻射的檢測(cè)。對(duì)光輻射探測(cè)方法比較多，根據(jù)在探測(cè)器上所產(chǎn)生的物理效應(yīng)，分成對(duì)光輻射探測(cè)方法比較多，根據(jù)在探測(cè)器上所產(chǎn)生的物理效應(yīng)，分成:光電效應(yīng)光電效應(yīng)、光熱效應(yīng)光熱效應(yīng)和和光壓效

26、應(yīng)光壓效應(yīng)。36因光照而引起物體電學(xué)特性的改變統(tǒng)稱為光電效應(yīng)光電效應(yīng)。在理解上述定義時(shí)，必須掌握以下在理解上述定義時(shí)，必須掌握以下三個(gè)要點(diǎn)三個(gè)要點(diǎn)： 原因原因：是輻射，而不是升溫；：是輻射，而不是升溫； 現(xiàn)象現(xiàn)象：電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化；：電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化； 結(jié)果結(jié)果：電導(dǎo)：電導(dǎo)率變化率變化、光生伏特、光電子發(fā)射。、光生伏特、光電子發(fā)射。 2.2 光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)一、光電效應(yīng)一、光電效應(yīng)特點(diǎn)：特點(diǎn)： 1）、光電效應(yīng)對(duì)光波頻率表現(xiàn)出選擇性：）、光電效應(yīng)對(duì)光波頻率表現(xiàn)出選擇性： 2）、光子直接與電子作用，響應(yīng)速度比較快；）、光子直接與電子作用，響應(yīng)速度比較快； 3）、

27、根據(jù)是否發(fā)射電子，分為）、根據(jù)是否發(fā)射電子，分為外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)和和內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)。371、外光電效應(yīng)、外光電效應(yīng)金屬或半導(dǎo)體受光照時(shí)，如果入射的光子能量h足夠大，它和物質(zhì)中的電子相互作用，使電子從材料表面逸出的現(xiàn)象，稱為外光電效應(yīng)。它是真空光電器件光電陰極的物理基礎(chǔ)。外光電效應(yīng)的兩個(gè)基本定律：外光電效應(yīng)的兩個(gè)基本定律：1)光電發(fā)射第一定律-斯托列托夫定律： 當(dāng)照射到光陰極上的入射光頻率或頻譜成分不變時(shí)， 飽和光電流（即單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)目）與入射光強(qiáng)度成正比 2). 光電發(fā)射第二定律-愛因斯坦定律光電子的最大動(dòng)能與入射光的頻率成正比，而與入射光強(qiáng) 度無(wú)關(guān)： Emax=(1/2

28、)m2max=h- h0=h- W2.2 光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)382、內(nèi)光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)：物質(zhì)受到光照后所產(chǎn)生的光電子只在物質(zhì)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，：物質(zhì)受到光照后所產(chǎn)生的光電子只在物質(zhì)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，而不會(huì)逸出物質(zhì)外部的現(xiàn)象，這種效應(yīng)多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。而不會(huì)逸出物質(zhì)外部的現(xiàn)象，這種效應(yīng)多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。1) 1) 光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)2) 2) 光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)3) 3) 光磁效應(yīng)光磁效應(yīng)4) 4) 光子牽引效應(yīng)。光子牽引效應(yīng)。內(nèi)內(nèi)光光電電效效應(yīng)應(yīng)2.2 光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)391）、光電導(dǎo)效應(yīng)）、光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng):

29、指物體受光照射后，其內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，使物體中載流指物體受光照射后，其內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，使物體中載流子數(shù)顯著增加而電阻減小的現(xiàn)象。子數(shù)顯著增加而電阻減小的現(xiàn)象。光電導(dǎo)效應(yīng)可分為光電導(dǎo)效應(yīng)可分為本征型本征型和和雜質(zhì)雜質(zhì)別兩類別兩類 利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成的光電器件主要是利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成的光電器件主要是光敏電阻光敏電阻。0/ghc E0/ihc E光電導(dǎo)效應(yīng)是半導(dǎo)體材料的體效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)是半導(dǎo)體材料的體效應(yīng)2.2 光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)402）、光生伏特效應(yīng)）、光生伏特效應(yīng)在無(wú)光照時(shí)，在無(wú)光照時(shí)，PN結(jié)內(nèi)存在內(nèi)部自建電場(chǎng)結(jié)內(nèi)存在內(nèi)部自建電場(chǎng)E，當(dāng)光照射在當(dāng)光照射在PN結(jié)及其

30、附近時(shí)，這些載流結(jié)及其附近時(shí)，這些載流子在能量足夠大的光子作用下，在結(jié)區(qū)及其子在能量足夠大的光子作用下，在結(jié)區(qū)及其附近就產(chǎn)生少數(shù)載流子附近就產(chǎn)生少數(shù)載流子(電子空穴對(duì)）。載流電子空穴對(duì)）。載流子在結(jié)區(qū)外時(shí)，靠擴(kuò)散進(jìn)入結(jié)區(qū)；在結(jié)區(qū)中子在結(jié)區(qū)外時(shí)，靠擴(kuò)散進(jìn)入結(jié)區(qū)；在結(jié)區(qū)中時(shí)，則因電場(chǎng)時(shí)，則因電場(chǎng)E的作用，電子漂移到的作用，電子漂移到N區(qū)，空區(qū)，空穴漂移到穴漂移到P區(qū)，結(jié)果使區(qū)，結(jié)果使N區(qū)帶負(fù)電荷，區(qū)帶負(fù)電荷，P區(qū)帶區(qū)帶正電荷，產(chǎn)生附加電動(dòng)勢(shì)。此電動(dòng)勢(shì)稱為正電荷，產(chǎn)生附加電動(dòng)勢(shì)。此電動(dòng)勢(shì)稱為光光生電動(dòng)勢(shì)生電動(dòng)勢(shì)，此現(xiàn)象稱為，此現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)。利用光生伏特效應(yīng)制成的光電接收器件主要有

31、光敏二極管、光敏晶體管和光電池。利用光生伏特效應(yīng)制成的光電接收器件主要有光敏二極管、光敏晶體管和光電池。光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體材料的光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體材料的“結(jié)結(jié)”效應(yīng)效應(yīng)41半導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中用激光輻射線垂直照射其表面，當(dāng)光子能量足夠半導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中用激光輻射線垂直照射其表面，當(dāng)光子能量足夠大時(shí)，在表面層內(nèi)激發(fā)出光生載流子，在表面層和體內(nèi)形成載流子的大時(shí)，在表面層內(nèi)激發(fā)出光生載流子，在表面層和體內(nèi)形成載流子的濃度梯度。于是光生載流子就向體內(nèi)擴(kuò)散，在擴(kuò)散的過(guò)程中，由于磁濃度梯度。于是光生載流子就向體內(nèi)擴(kuò)散，在擴(kuò)散的過(guò)程中，由于磁場(chǎng)產(chǎn)生的洛倫茲力的作用，電子空穴對(duì)（載流子）偏向兩端，產(chǎn)生電場(chǎng)產(chǎn)生的

32、洛倫茲力的作用，電子空穴對(duì)（載流子）偏向兩端，產(chǎn)生電荷積累，形成電位差，這就是光磁電效應(yīng)。荷積累，形成電位差，這就是光磁電效應(yīng)。3）、光磁效應(yīng)）、光磁效應(yīng)光磁電效應(yīng)示意圖光磁電效應(yīng)示意圖2.2 光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)424）、光子牽引效應(yīng)）、光子牽引效應(yīng)當(dāng)光子與半導(dǎo)體中的自由載流子作用時(shí)，光子把動(dòng)量傳遞給自由載流子，自由載流子將順著光線的傳播方向做相對(duì)于晶格的運(yùn)動(dòng)。結(jié)果，在開路的情況下，半導(dǎo)體樣品將產(chǎn)生電場(chǎng)，它阻止載流子的運(yùn)動(dòng)。這個(gè)現(xiàn)象被稱為光子牽引效應(yīng)。利用光子牽引效應(yīng)已經(jīng)成功檢測(cè)了低頻大功率CO2激光器的輸出功率。CO2激光器輸出的波長(zhǎng)（10.6 m）遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了激光器

33、鍺窗材料的本征吸收波長(zhǎng)限，不可能產(chǎn)生光電子發(fā)射，但是，激光器鍺窗的兩端會(huì)產(chǎn)生伏特電壓，迎光面帶正電，出光面帶負(fù)電。2.2 光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)43光熱效應(yīng)光熱效應(yīng)：材料受光照射后，光子能量與晶格相互作：材料受光照射后，光子能量與晶格相互作用，振動(dòng)加劇，溫度升高，材料的性質(zhì)發(fā)生變化用，振動(dòng)加劇，溫度升高，材料的性質(zhì)發(fā)生變化2.2 光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)二、光熱效應(yīng)二、光熱效應(yīng)熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng)：介質(zhì)的極化強(qiáng)度隨溫度變化而變化，引起電荷：介質(zhì)的極化強(qiáng)度隨溫度變化而變化，引起電荷表面電荷變化的現(xiàn)象表面電荷變化的現(xiàn)象輻射熱計(jì)效應(yīng)輻射熱計(jì)效應(yīng)：入射光的照射

34、使材料由于受熱而造成電阻率：入射光的照射使材料由于受熱而造成電阻率變化的現(xiàn)象變化的現(xiàn)象差電效應(yīng)差電效應(yīng)：由兩種材料制成的結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)穩(wěn)差而在兩結(jié)點(diǎn)間產(chǎn)：由兩種材料制成的結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)穩(wěn)差而在兩結(jié)點(diǎn)間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，回路中產(chǎn)生電流生電動(dòng)勢(shì)，回路中產(chǎn)生電流44452.2 光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)462.2 光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)47482.2 光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)49光電檢測(cè)器件的分類光電檢測(cè)器件的分類根據(jù)光輻射對(duì)光電檢測(cè)器件的作用形式不同，可以分為：1、熱電檢測(cè)器件：熱釋電檢測(cè)器，熱敏電阻，熱電偶和熱電堆等。特點(diǎn)為：p響應(yīng)波長(zhǎng)無(wú)選擇性p響應(yīng)慢毫

35、秒以上2、光子檢測(cè)器件：光電管，光敏電阻，光電池等。特點(diǎn)為p響應(yīng)波長(zhǎng)有選擇性p響應(yīng)快，一般為幾納秒到幾百微秒2.2 光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)第二章第二章 光電檢測(cè)器件工作原理及特性光電檢測(cè)器件工作原理及特性 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ)光電檢測(cè)器件的物理基礎(chǔ) 光電檢測(cè)器件的特性參數(shù)光電檢測(cè)器件的特性參數(shù) 2-3 2-3 光電檢測(cè)器件的特性參數(shù)光電檢測(cè)器件的特性參數(shù)p 響應(yīng)特性響應(yīng)特性p 噪聲特性噪聲特性p 量子效率量子效率p 線性度線性度p 工作溫度工作溫度 52一、響應(yīng)特性一、響應(yīng)特性響應(yīng)度（或稱靈敏度） 是光電探測(cè)器輸出信號(hào)與輸入光功率之間關(guān)系的

36、度量。描述的是光電探測(cè)器件的光電轉(zhuǎn)換效率。p 響應(yīng)度隨入射光波長(zhǎng)變化而變化；p 響應(yīng)度分為： 電壓響應(yīng)度和電流響應(yīng)度2.3 光電檢測(cè)器件的特性參數(shù)光電檢測(cè)器件的特性參數(shù)53p 電壓響應(yīng)度 光電探測(cè)器件輸出電壓與入射光功率之比p 電流響應(yīng)度 光電探測(cè)器件輸出電流與入射光功率之比(VoViVdVSdPP線 性 區(qū) 域 內(nèi) ） （/W)(OIiId ISd PP線 性 區(qū) 域 內(nèi) ） （ A / W )2.3 光電檢測(cè)器件的特性參數(shù)光電檢測(cè)器件的特性參數(shù)54光譜響應(yīng)度：探測(cè)器在波長(zhǎng)為的單色光照射下，輸出電壓或電流與入射的單色光功率之比()()()oViVSP()()()oIiISP0d 對(duì)于包含各種

37、波長(zhǎng)的輻射光源，總光通量光電檢測(cè)器輸出的電流由不同波長(zhǎng)的光輻射引起的，輸出光電流為：01OISd積分響應(yīng)度：檢測(cè)器對(duì)各種波長(zhǎng)光連續(xù)輻射量的反應(yīng)程度因此可以得到積分響應(yīng)度：010SdSd2.3 光電檢測(cè)器件的特性參數(shù)光電檢測(cè)器件的特性參數(shù)55響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間是描述光電探測(cè)器對(duì)入射光響應(yīng)快慢的一個(gè)參數(shù)。p 上升時(shí)間：入射光照射到光電探測(cè)器后，光電探測(cè)器輸出上升到穩(wěn)定值所需要的時(shí)間。p 下降時(shí)間：入射光遮斷后，光電探測(cè)器輸出下降到穩(wěn)定值所需要的時(shí)間。2.3 光電檢測(cè)器件的特性參數(shù)光電檢測(cè)器件的特性參數(shù)56 為調(diào)制頻率為 f 時(shí)的響應(yīng)率； 為調(diào)制頻率為零時(shí)的響應(yīng)率為時(shí)間常數(shù)（等于RC） 0S2/12

38、0)2(1 )(fSfS)( fS頻率響應(yīng)：光電探測(cè)器的響應(yīng)隨入射光的調(diào)制頻率而變化的特性稱為頻率響應(yīng)。 由于光電探測(cè)器信號(hào)產(chǎn)生和消失存在著一個(gè)滯后過(guò)程，所以入射光的調(diào)制頻率對(duì)光電探測(cè)器的響應(yīng)會(huì)有較大的影響。2.3 光電檢測(cè)器件的特性參數(shù)光電檢測(cè)器件的特性參數(shù)光電探測(cè)器響應(yīng)率與入射調(diào)制頻率的關(guān)系570002 1/21122()0.7071(1) 2fRCSSS fSc：上限截止頻率時(shí)間常數(shù)決定了光電探測(cè)器頻率響應(yīng)的帶寬fc2.3 光電檢測(cè)器件的特性參數(shù)光電檢測(cè)器件的特性參數(shù)58二、噪聲特性二、噪聲特性光電器件作為光電器件作為微弱輻射信號(hào)微弱輻射信號(hào)的探測(cè)器使用時(shí)，響應(yīng)度并不能的探測(cè)器使用時(shí)，響

39、應(yīng)度并不能表達(dá)光電器件探測(cè)微弱輻射的能力。因?yàn)?，?dāng)探測(cè)器與電子表達(dá)光電器件探測(cè)微弱輻射的能力。因?yàn)?，?dāng)探測(cè)器與電子線路組合時(shí)，只要放大倍率足夠高，即使沒有輻射信號(hào)輸入，線路組合時(shí)，只要放大倍率足夠高，即使沒有輻射信號(hào)輸入，也可觀察到一些毫無(wú)規(guī)律和無(wú)法預(yù)測(cè)的電輸出（電壓或電也可觀察到一些毫無(wú)規(guī)律和無(wú)法預(yù)測(cè)的電輸出（電壓或電流），稱為流），稱為噪聲電壓（或電流）噪聲電壓（或電流）。光電探測(cè)器中的主要噪聲有以下幾種：光電探測(cè)器中的主要噪聲有以下幾種：n 熱噪聲熱噪聲n 散粒噪聲散粒噪聲n 產(chǎn)生復(fù)合噪聲產(chǎn)生復(fù)合噪聲n 1/f噪聲噪聲2.3 光電檢測(cè)器件的特性參數(shù)光電檢測(cè)器件的特性參數(shù)59n AB兩極間

40、的電阻為R，在絕對(duì)溫度T的平衡態(tài)下，內(nèi)部的電子處于不斷的熱運(yùn)動(dòng)中，無(wú)序的電子運(yùn)動(dòng)。n 如果從一個(gè)想象的截面S去看，任何一瞬間有些電子從左向右穿越S面，有些電子從右向左穿越S面。n 從時(shí)間平均來(lái)看，這兩種方向的電子數(shù)一定相等，因?yàn)锳B之間沒有外電壓，不會(huì)有電流通過(guò)AB。n 但是考慮流過(guò)S面的電子數(shù)的均方偏差，則不為零。這樣在AB兩端就應(yīng)出現(xiàn)一電壓漲落。1、熱噪聲、熱噪聲60用熱噪聲電流表示為：熱噪聲與溫度成正比，并與頻率無(wú)關(guān)，說(shuō)明噪聲是由各種頻率分量組成，就象白光是由各種波長(zhǎng)的光組成一樣，所以熱噪聲又稱之為白噪聲。24NTUkTRfD24(/)NTIkTfRD2.3 光電檢測(cè)器件的特性參數(shù)光電檢

41、測(cè)器件的特性參數(shù)n 但是考慮流過(guò)S面的電子數(shù)的均方偏差，則不為零。這樣在AB兩端就應(yīng)出現(xiàn)一電壓漲落。n 瞬時(shí)電流擾動(dòng)在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生噪聲電壓，稱為熱噪聲電壓。其均方值為：61所有的探測(cè)器都有熱噪聲，如何減小熱噪聲的影響是光電探測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)重要問題。p降低探測(cè)器的工作溫度T在低溫工作的探測(cè)器其熱噪聲將大大減小，特別是一些響應(yīng)于遠(yuǎn)紅外波段的探測(cè)器，為了降低熱噪聲，將探測(cè)器置于液氦(4K)、液氮(77K)的深冷狀態(tài)。p在信號(hào)不失真的條件下，壓縮工作頻帶。622、散粒噪聲、散粒噪聲光子隨機(jī)到達(dá)光電探測(cè)器所引起的光電流的隨機(jī)起伏稱為散粒噪聲。散粒噪聲電流的表達(dá)式為散粒噪聲也是白噪聲，與頻率無(wú)關(guān)，22NSh

42、DCIqIfD2.3 光電檢測(cè)器件的特性參數(shù)光電檢測(cè)器件的特性參數(shù)與熱噪聲的區(qū)別： 熱噪聲起源于熱平衡條件下電子的粒子性，即電荷的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，依賴于kT，而散粒噪聲直接起源于光的粒子性。熱噪聲屬電路中電阻的一項(xiàng)特性，設(shè)計(jì)者可對(duì)其進(jìn)行某些控制，而散粒噪聲是光電探測(cè)器的固有特性，因此散粒噪聲不可能被消除。對(duì)大多數(shù)光電探測(cè)器來(lái)說(shuō)，散粒噪聲具有支配地位。633、產(chǎn)生、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲復(fù)合噪聲光電器件因光激或熱激載流子和壽命的隨機(jī)性所引起的電流起伏叫產(chǎn)生復(fù)合噪聲。這種噪聲與載流子產(chǎn)生的隨機(jī)性有關(guān)，還與載流子的復(fù)合時(shí)間即載流子壽命的隨機(jī)性有關(guān)。產(chǎn)生復(fù)合噪聲電流的均方值為I為流過(guò)光電接收器件的平均電流； 為載流

43、子平均壽命； 為載流子在光電探測(cè)器件兩電極間的平均漂移時(shí)間；f為頻率；f為帶寬。上式表明，產(chǎn)生-復(fù)合噪聲與頻率有關(guān)，不是白噪聲。如果頻率低，滿足條件時(shí)，上式可簡(jiǎn)化為：c此時(shí)，產(chǎn)生-復(fù)合噪聲是白噪聲。2.3 光電檢測(cè)器件的特性參數(shù)光電檢測(cè)器件的特性參數(shù)644、 1/f 噪聲噪聲因光敏層的微粒不均勻性或不必要的微量雜質(zhì)存在，當(dāng)電流流過(guò)時(shí)在微粒間發(fā)生微火花放電而引起的微電脈沖就是1/f噪聲的起源。其經(jīng)驗(yàn)公式為式中，K為比例系數(shù)，與元件制造工藝、電極接觸情況、表面狀態(tài)及尺寸有關(guān)；I為流過(guò)光電探測(cè)器的電流直流分量；與流過(guò)元件的電流有關(guān)，通常 2；與元件材料的性質(zhì)有關(guān)，其值在之間，大部分材料的值為1。由于這種噪聲與頻率f有近似倒數(shù)的關(guān)系，故稱為