改 3光辐射探测器的理论基础

1、3.1 半导体基础半导体基础l半导体特性半导体特性l能带结构能带结构li，n和和p型半导体型半导体l热平衡下的载流子的浓度热平衡下的载流子的浓度l半导体中的非平衡载流子半导体中的非平衡载流子 l载流子的扩散与漂移载流子的扩散与漂移 半导体特性半导体特性l电阻温度系数是负的，对温度变化敏感电阻温度系数是负的，对温度变化敏感l温度升高，电阻下降温度升高，电阻下降l优点：测温优点：测温l缺点：精度受环境影响，实现高精度需恒温缺点：精度受环境影响，实现高精度需恒温l导电性能受微量杂质的影响而发生十分敏感的变化导电性能受微量杂质的影响而发生十分敏感的变化l室温下纯硅室温下纯硅 电导率电导率5*10-6/

2、cml室温下纯度为室温下纯度为99.9999%硅硅 电导率电导率2/cml导电能力和性质受光电磁等外界作用发生重要的变导电能力和性质受光电磁等外界作用发生重要的变化化第一节第一节 半导体基础半导体基础l半导体特性半导体特性l能带结构能带结构li，n和和p型半导体型半导体l热平衡下的载流子的浓度热平衡下的载流子的浓度l半导体中的非平衡载流子半导体中的非平衡载流子 l载流子的扩散与漂移载流子的扩散与漂移 2n-1KLM1232n2电子层电子层spdsps112123电子亚层电子亚层能带结构能带结构l孤立原子中的电子状态孤立原子中的电子状态 l电子按照一定的壳层排列电子按照一定的壳层排列l电子在壳层

3、上的分布遵守泡利不相容原理和能电子在壳层上的分布遵守泡利不相容原理和能量最低原则量最低原则 l电子具有确定的分立能量值电子具有确定的分立能量值 l晶体中的电子状态晶体中的电子状态 l多原子的各壳层之间多原子的各壳层之间有不同程度的交叠。有不同程度的交叠。最外面的电子壳层交最外面的电子壳层交叠最多，内层交叠较叠最多，内层交叠较小小l电子的共有化运动电子的共有化运动l电子只能在相邻原子相似壳层中运用电子只能在相邻原子相似壳层中运用l外层电子的共有化运动显著，内层弱外层电子的共有化运动显著，内层弱l晶体中的能带晶体中的能带l电子在晶体中不仅受本身原子势场影响，还受电子在晶体中不仅受本身原子势场影响，

4、还受周围周围原子势场原子势场作用，该作用使本来处于同一能量状态的、作用，该作用使本来处于同一能量状态的、不同位置不同位置的电子发生了能量微小的差异的电子发生了能量微小的差异l晶体中若有晶体中若有N个原子，每个相同个原子，每个相同能级都分裂能级都分裂为为N个个新的能级，成为能带。新的能级，成为能带。l允带允带-电子可占据的电子可占据的能带。能带。l禁带禁带-电子占据不了电子占据不了的间隙叫禁带。的间隙叫禁带。l满带满带-被电子占满的允被电子占满的允带称满带带称满带l价带价带-晶体最外层电子晶体最外层电子能级分裂所成的能带。能级分裂所成的能带。l导带导带-比价带能量更高比价带能量更高的允带称导带。

5、的允带称导带。l晶体中电子的能量状态，也遵守泡利不相容原理和晶体中电子的能量状态，也遵守泡利不相容原理和能量最低原则能量最低原则l自由电子自由电子-从价带从价带跃迁到导带的电子跃迁到导带的电子l自由空穴自由空穴-电子从电子从价带跃迁到导带后，价带跃迁到导带后，价带中出现电子的价带中出现电子的空缺空缺l本征激发本征激发-电子直电子直接由价带跃迁到导接由价带跃迁到导带，特点是产生的带，特点是产生的电子数等于空穴数；电子数等于空穴数；l载流子载流子-自由电子自由电子和自由空穴。和自由空穴。绝缘体、半导体、金属的能带图绝缘体、半导体、金属的能带图 SiO SiO2 2 Eg=5.2ev Si Eg=1

6、.1ev Eg=0 Eg=5.2ev Si Eg=1.1ev Eg=0电阻率电阻率10101212cm 10cm 10-3-310101212cm 10cm 10-6-61010- -3 3cmcm半导体具有独特光电特性重要应用价值半导体具有独特光电特性重要应用价值导电机理导电机理-电场作用下，导带电子，价带空穴作定向运动电场作用下，导带电子，价带空穴作定向运动第一节第一节 半导体基础半导体基础l半导体特性半导体特性l能带结构能带结构li，n和和p型半导体型半导体l热平衡下的载流子的浓度热平衡下的载流子的浓度l半导体中的非平衡载流子半导体中的非平衡载流子 l载流子的扩散与漂移载流子的扩散与漂移

7、 i i，n n和和p p型半导体型半导体li型半导体型半导体：（本征或纯净半：（本征或纯净半导体）导体）l四族四族 C、Si、Ge、Sn、PblT=0K，材料不导电，材料不导电lT=常温，半导体有导电性常温，半导体有导电性（热激发）（热激发）l禁带宽度大决定其导电能禁带宽度大决定其导电能力弱力弱 Ge4+ Ge4+ Ge4+ Ge4+ Ge4+ Ge4+ Ge4+ Ge4+ Ge4+ 科科7 7ln型半导体型半导体l如果在四族原子锗或硅组成的晶体中掺入五族原子砷如果在四族原子锗或硅组成的晶体中掺入五族原子砷或磷或磷 ，就形成了，就形成了n型半导体型半导体l施主原子施主原子-As，施主能级，施

8、主能级-Edl施主电离：施主能级上电子跃迁到导带叫施主电离，施主电离：施主能级上电子跃迁到导带叫施主电离，特点是只产生电子特点是只产生电子l施主电离能施主电离能-施主能级和导带底间的能量差施主能级和导带底间的能量差 lN型半导体中，自由电子浓度将高于自由空穴浓度。型半导体中，自由电子浓度将高于自由空穴浓度。自由电子是多子，空穴是少子自由电子是多子，空穴是少子 lp型半导体型半导体l如果在四族原子锗或硅组成的晶体中掺入三族原子如果在四族原子锗或硅组成的晶体中掺入三族原子硼硼 ，就形成了，就形成了p型半导体型半导体l受主原子受主原子-B，受主能级，受主能级-Eal受主电离：受主能级上空穴跃迁到价带

9、叫受主电离，受主电离：受主能级上空穴跃迁到价带叫受主电离，特点是只产生空穴特点是只产生空穴l受主电离能受主电离能-导带底和受主能级间的能量差导带底和受主能级间的能量差lP型半导体中，自由空穴浓度将高于自由电子浓度。型半导体中，自由空穴浓度将高于自由电子浓度。自由空穴是多子，电子是少子自由空穴是多子，电子是少子 第一节第一节 半导体基础半导体基础l半导体特性半导体特性l能带结构能带结构li，n和和p型半导体型半导体l热平衡下的载流子的浓度热平衡下的载流子的浓度l半导体中的非平衡载流子半导体中的非平衡载流子 l载流子的扩散与漂移载流子的扩散与漂移 热平衡下的载流子的浓度热平衡下的载流子的浓度l载流

10、子浓度载流子浓度：单位体积的载流子数。：单位体积的载流子数。l为什么要研究载流子浓度？为什么要研究载流子浓度？l半导体的电学性质与材料的载流子浓度有关半导体的电学性质与材料的载流子浓度有关l热平衡载流子最终形成暗电流和噪声热平衡载流子最终形成暗电流和噪声l热激发：热激发：一定温度下，非外界作用，从不断热一定温度下，非外界作用，从不断热振动的晶体中电子获得一定的能量，从价带跃振动的晶体中电子获得一定的能量，从价带跃迁到导带，形成自由电子。迁到导带，形成自由电子。l复合：复合：电子释放能量由导带回落到价带。电子释放能量由导带回落到价带。l热平衡状态热平衡状态l一定温度时，热产生的载流子数恒定，热激

11、发一定温度时，热产生的载流子数恒定，热激发与复合动态平衡。温度改变后，热激发变化，与复合动态平衡。温度改变后，热激发变化，随后复合跟上，最终新平衡建立随后复合跟上，最终新平衡建立l热平衡时载流子浓度决定于：热平衡时载流子浓度决定于：l能级密度能级密度l能级被电子占据的概率能级被电子占据的概率l能级密度能级密度l定义：导带和价带内单位体积，单位能量能级定义：导带和价带内单位体积，单位能量能级数目。数目。l导带能级密度导带能级密度l价带能级密度价带能级密度l当离导带低或价带顶越远当离导带低或价带顶越远时，能级密度越大时，能级密度越大* 3 21 234( )(2)()ecN EmEEh*3 21

12、234( )(2)()pvN EmEEhl费米能级和电子占据率费米能级和电子占据率l电子占据率：电子占据率：Ef为费米能级为费米能级lT=0，若，若E0，若若E=Ef，fn(E)=0.5 若若EEf，fn(E)0.5 若若E0.5l空穴占据率：空穴占据率：fp(E)=1- fn(E)1( )1 exp()nffEEEkTl平衡载流子浓度平衡载流子浓度自由电子浓度自由电子浓度 为导带有效能级密度。为导带有效能级密度。l自由电子浓度自由电子浓度n与与温度温度及及费米能级位置费米能级位置有关。有关。( )( )( )expCCEnEcfcnn E dEN EfE dEEENkT*3 2222()ec

13、m kTNh自由空穴浓度自由空穴浓度 为价带有效能级密度。为价带有效能级密度。l自由空穴浓度自由空穴浓度p与与温度及费米能级位置温度及费米能级位置有关有关( )( )( )expEvEvpfvvpp E dEN EfE dEEENkT*3 2222()pvm kTNh推论推论l热平衡下，任何半导体中，热平衡下，任何半导体中， n与与p的乘积与费的乘积与费米能级无关；米能级无关；l热平衡下，任何半导体中，热平衡下，任何半导体中，n与与p的乘积与的乘积与Eg成反比；成反比；l热平衡下，任何半导体中，热平衡下，任何半导体中，n与与p的乘积与温的乘积与温度成正比度成正比 expexpgcvcvcvEE

14、EnpN NN NkTkTexpexpcfcfvvEENkTEENkT*113()lnln224pvficviicemNEEEkTEkTENm1 2()exp2giicvEnpN NkT本征半导体中载流子浓度本征半导体中载流子浓度EcEvEfi(Ei)室温下硅、锗、砷化镓的本征载流子浓度室温下硅、锗、砷化镓的本征载流子浓度 GeSiGaAsEg(eV)0.671.121.35Me*0.56m1.08m0.068mMp*0.37m0.59m0.50mNi(1/cm3)2.1*10131.3*10101.1*107m=9.11*10-31kg室温下金属载流子浓度室温下金属载流子浓度1022/cm3

15、 ln型半导体载流子浓度型半导体载流子浓度22;()lnidididdfniinnNpNpn pnNNEEkTnEcEvEiEfnEdlp型半导体载流子浓度型半导体载流子浓度22;()lniaaidafniinpNnNnn pnNNEEkTnEcEvEiEfpEa 用费米能级描述载流子分布用费米能级描述载流子分布 “标尺标尺”练习：画出轻掺杂练习：画出轻掺杂N N型和重掺杂型和重掺杂N N型费米能级示意图型费米能级示意图第一节第一节 半导体基础半导体基础l半导体特性半导体特性l能带结构能带结构li，n和和p型半导体型半导体l热平衡下的载流子的浓度热平衡下的载流子的浓度l半导体中的非平衡载流子半

16、导体中的非平衡载流子 l载流子的扩散与漂移载流子的扩散与漂移 半导体中的非平衡载流子半导体中的非平衡载流子 l定义：定义：外部注入的或光激发的、超出热平衡时外部注入的或光激发的、超出热平衡时浓度的载流子浓度的载流子l这部分载流子携带有外部信息这部分载流子携带有外部信息l材料的光吸收效应材料的光吸收效应 l本征吸收本征吸收l杂质吸收杂质吸收l其它吸收其它吸收l本征吸收本征吸收l定义：使价带电子激发到导带的光吸收定义：使价带电子激发到导带的光吸收l条件：条件： 为本征吸收长波限。为本征吸收长波限。ghvE1.24()gghcmEEEg01.24()gmEl杂质吸收杂质吸收l定义：使电子（空穴）从杂

17、质能级激发到导带定义：使电子（空穴）从杂质能级激发到导带（价带）的光吸收。（价带）的光吸收。l长波限：长波限： l杂质吸收多在红外区和远红外区。杂质吸收多在红外区和远红外区。001.241.24(),()ddaahchcmmEEEEEdEal其它吸收其它吸收l激子吸收激子吸收l定义：吸收了小于禁带宽度能量的电子，离开了定义：吸收了小于禁带宽度能量的电子，离开了价带却上不了导带，与形成的空穴间保有库仑力价带却上不了导带，与形成的空穴间保有库仑力作用，从而形成的一个电中性系统。作用，从而形成的一个电中性系统。l自由载流子吸收自由载流子吸收l定义：使自由载流子在同一能带内不同能级间跃定义：使自由载流

18、子在同一能带内不同能级间跃迁的光吸收。迁的光吸收。l晶格吸收晶格吸收l定义：被转变为晶格振动能量的吸收。定义：被转变为晶格振动能量的吸收。l非平衡载流子浓度非平衡载流子浓度l在这一节我们并在这一节我们并不关不关心光子产生非平衡载心光子产生非平衡载流子的效率流子的效率，这个概，这个概念我们以后再讲念我们以后再讲l这一节我们这一节我们关心非平关心非平衡载流子产生及复合衡载流子产生及复合的过程的过程，因为这个过，因为这个过程存在时间上的沿滞，程存在时间上的沿滞，研究这个过程是理解研究这个过程是理解探测器的探测器的频率特性频率特性的的基础基础l突然光照突然光照，由于产生，由于产生复复合，光生载流子浓度

19、合，光生载流子浓度n(t)(p(t)处于上升期处于上升期l产生产生=复合，光生载流子复合，光生载流子浓度达到饱和浓度达到饱和l光照突然消失光照突然消失，由于产，由于产生生复合复合,光生载流子浓光生载流子浓度度n(t)(p(t)处于下降处于下降期期l通常，光生载流子的产通常，光生载流子的产生和复合具有相同的时生和复合具有相同的时间特性间特性l电路时间常数电路时间常数表征电路瞬态过程中响应变化的表征电路瞬态过程中响应变化的快慢，如快慢，如RC电路的时间常数为电路的时间常数为R*C，它表征，它表征电容充放电的快慢：电容充放电的快慢：l电路闭合后，电容的端电压达到最大值的电路闭合后，电容的端电压达到最

20、大值的1-1/e，即约即约0.63倍所需要的时间倍所需要的时间l电路断开时，电容的端电压达到最大值的电路断开时，电容的端电压达到最大值的1/e，即约即约0.37倍时所需要的时间。倍时所需要的时间。科科8 8l在这里，沿用时间常数在这里，沿用时间常数这一概念描述光电探测器这一概念描述光电探测器对光照响应的快慢（光生载流子产生和复合的快对光照响应的快慢（光生载流子产生和复合的快慢）慢）l光生载流子的产生和复合具有相同的时间特性，这里光生载流子的产生和复合具有相同的时间特性，这里只研究载流子的复合过程只研究载流子的复合过程l由复合率与载流子浓度成正比推得下降期光生载流子由复合率与载流子浓度成正比推得

21、下降期光生载流子浓度的变化规律为浓度的变化规律为01/( )(0)(0)ttBnn tnene l的意义：的意义：l载流子浓度下降的衰减常数载流子浓度下降的衰减常数l载流子浓度下降到初始值载流子浓度下降到初始值1/e所需的时间所需的时间l载流子的平均寿命（也称载流子寿命）载流子的平均寿命（也称载流子寿命）l复合率复合率l同理可得上升期光生载流子浓度的变化规律为同理可得上升期光生载流子浓度的变化规律为( )n t01/( )(0)(0)ttBnn tnene ( )(0)(1)tn tne 第一节第一节 半导体基础半导体基础l半导体特性半导体特性l能带结构能带结构li，n和和p型半导体型半导体l

22、热平衡下的载流子的浓度热平衡下的载流子的浓度l半导体中的非平衡载流子半导体中的非平衡载流子 l载流子的扩散与漂移载流子的扩散与漂移 载流子的扩散与漂移载流子的扩散与漂移l携带有信息的非平衡载流子通过形成定向移动携带有信息的非平衡载流子通过形成定向移动的电流被检测到，所以需要研究非平衡载流子的电流被检测到，所以需要研究非平衡载流子运动的形式运动的形式l扩散扩散l漂移漂移扩散扩散l定义：由于载流子浓度的不均匀产生的载流子定义：由于载流子浓度的不均匀产生的载流子从高浓度处往低浓度处的迁移运动。从高浓度处往低浓度处的迁移运动。l产生条件：掺杂不均匀或局部因光照产生非平产生条件：掺杂不均匀或局部因光照产

23、生非平衡载流子。衡载流子。l扩散电流密度（单位面积单位时间内通过的载扩散电流密度（单位面积单位时间内通过的载流子电量）与浓度梯度成正比流子电量）与浓度梯度成正比 Dp和和Dn分别为电子和空穴的扩散系数。分别为电子和空穴的扩散系数。,nDnpDpdndpJqDJqDdxdx 漂移漂移l定义：载流子在电场作用下的定向运动定义：载流子在电场作用下的定向运动l在电场作用下，电子向正极漂移，空穴向负极漂移。在电场作用下，电子向正极漂移，空穴向负极漂移。l电场过强，漂移运动偏离欧姆定律（饱和或雪崩击电场过强，漂移运动偏离欧姆定律（饱和或雪崩击穿），弱电场下，漂移运动符合欧姆定律。穿），弱电场下，漂移运动符

24、合欧姆定律。l由欧姆定律的微分形式由欧姆定律的微分形式 （1）lJ为电流密度，为电流密度，为材料电导率，为材料电导率，E为电场强度为电场强度l由电流密度的定义由电流密度的定义J=nqv（2）l由（由（1）（）（2）得）得 称为迁移率称为迁移率JEEEnqv)/(nq3.2 3.2 半导体的光电效应半导体的光电效应光电导效应光电导效应光伏效应光伏效应光电子发射效应光电子发射效应光电转换的两个概光电转换的两个概念念光电导探测器光电导探测器光伏探测器光伏探测器光电子发射探测光电子发射探测器器 利用光电效应制成的光电探测器称为利用光电效应制成的光电探测器称为光子探测器光子探测器光电导效应光电导效应当半

25、导体材料受光照时，由于对光子的吸收当半导体材料受光照时，由于对光子的吸收引起载流子浓度的变化，因而导致材料电导引起载流子浓度的变化，因而导致材料电导率变化，这种现象称为率变化，这种现象称为光电导效应光电导效应。 非本征光电导效应非本征光电导效应 本征光电导效应本征光电导效应( (杂质光电导效应杂质光电导效应) ) 杂质吸收杂质吸收 本征吸收本征吸收 本征光电导本征光电导 d0n0p()q np0n0pq nnppdnpqnp 暗电导率：暗电导率： 亮电导率：亮电导率： 光电导率：光电导率： 非本征光电导非本征光电导 光电导率：光电导率： ndnpdpqNqPnp型型第二节第二节 半导体的光电效

26、应半导体的光电效应光电导效应光电导效应光伏效应光伏效应光电子发射效应光电子发射效应光电转换的两个概光电转换的两个概念念光伏效应光伏效应 N N P PPNPN结结光光 一块半导体，一块半导体， P P区与区与N N区的交界面称为区的交界面称为PNPN结。结。PNPN结结受到光照时，可在受到光照时，可在PNPN结的两端产生电势差，这种现结的两端产生电势差，这种现象则称为光伏效应。象则称为光伏效应。 1)PN1)PN结的形成结的形成 扩扩 散散 形成：耗尽区形成：耗尽区 空间电荷区空间电荷区 内建电场内建电场浓度差异浓度差异E E 漂漂 移移扩散与漂移方向相反扩散与漂移方向相反扩散扩散=漂移漂移

27、平衡平衡 PNPN结形成结形成扩散扩散-增强内建电场增强内建电场-阻止扩散阻止扩散漂移漂移-减弱内建电场减弱内建电场-阻止漂移阻止漂移PNPN结的形成结的形成 摘自教育部新世纪摘自教育部新世纪网络课程网络课程电子技电子技术术大连海事大大连海事大学制作学制作2)PN2)PN结能带与势垒结能带与势垒 结合前结合前结合后结合后一个平衡系统只能有一个费米能级一个平衡系统只能有一个费米能级 E E电场力电场力类比类比: : 小球滚上山坡小球滚上山坡速度方向速度方向重力分力重力分力mghmgh坡：内建电场坡：内建电场扩散：电子爬坡扩散：电子爬坡漂移：电子下坡漂移：电子下坡正向偏压正向偏压: :外加电场外加

28、电场耗尽区宽耗尽区宽度变小度变小3)PN3)PN结电流方程、耗尽区宽度与结电容结电流方程、耗尽区宽度与结电容T/0011U UeU kTIIeIe（） （）电流方程：电流方程：扩散流扩散流反向偏压反向偏压: :外加电场外加电场耗尽区宽耗尽区宽度变大度变大漂移流漂移流4)PN4)PN结光电效应结光电效应 电子电子空穴对分离空穴对分离电子电子空穴对空穴对光光 照照光生电势差光生电势差 光生电动势与光电流光生电动势与光电流 光电流方向光电流方向光生电动势方向光生电动势方向扩散流方向扩散流方向光生电动势光生电动势扩散流扩散流光电流为维持光生电动势一直持续光电流为维持光生电动势一直持续 光生电动势方向光

29、生电动势方向e/0p1UkTIIeI（）光照下光照下PNPN结的电流方程：结的电流方程： 光电流方向光电流方向扩散流方向扩散流方向扩散流扩散流光电流光电流科科9 9 N PPN结结光光电池不能短接，电池不能短接，光照下的光照下的PNPN节能短接吗？节能短接吗？ 光生电动势光生电动势=0=0e/0p1UkTIIeI（）扩散流扩散流=0=0短路光电流短路光电流短接短接 开路光电压方向开路光电压方向e/0p1UkTIIeI开（）扩散流扩散流光电流光电流开路开路 光电压方向光电压方向e/0p1UkTIIeI（）扩散流扩散流光电流光电流接负载接负载R R第二节第二节 半导体的光电效应半导体的光电效应光电

30、导效应光电导效应光伏效应光伏效应光电子发射效应光电子发射效应光电转换的两个概光电转换的两个概念念3.3.光电发射效应光电发射效应金属或半导体受到光照时，电子从材料表面金属或半导体受到光照时，电子从材料表面逸出这一现象称为光电发射效应。逸出这一现象称为光电发射效应。 又称外光电效应。逸出物质表面的电子又称外光电效应。逸出物质表面的电子叫做光电子。叫做光电子。 光电发射第二定律（爱因斯坦定律）：光电发射第二定律（爱因斯坦定律）：发射的光电子的最大动能随入射光子频率的发射的光电子的最大动能随入射光子频率的增加而线性地增加，而与入射光的强度无关增加而线性地增加，而与入射光的强度无关 光电发射第一定律：

31、光电发射第一定律：当入射辐射的光谱公布不变时，饱和光电流当入射辐射的光谱公布不变时，饱和光电流与入射的辐通量与入射的辐通量 成正比成正比 1)1)光电发射定律光电发射定律 爱因斯坦定律爱因斯坦定律 Whvme2max21Whch0Whc0m24. 10WW W- -逸出功逸出功 截止波长截止波长（长波限）（长波限） m24.10W光电发射光电发射本征吸收本征吸收m24.1gg0EEhc杂质吸收杂质吸收m24. 1m24. 1aa0dd0EEhcEEhc 或或结论：结论：截止波长对比截止波长对比波长增大波长增大光电发射光电发射杂质吸收杂质吸收本征吸收本征吸收2)2)金属逸出功和半导体的发射阈值金

32、属逸出功和半导体的发射阈值 金属逸出功金属逸出功: : f0EEW半导体发射阈值半导体发射阈值: :AgWEE能够有效吸收光子的电能够有效吸收光子的电子大多处在价带顶附近子大多处在价带顶附近 基本概念：基本概念：真空能级真空能级E E0 0 电磁真空中静止电子能量（体外自由电子最小能量）电磁真空中静止电子能量（体外自由电子最小能量）电子亲和势电子亲和势E EA A 真空能级与导带底能级之差称为电子亲和势真空能级与导带底能级之差称为电子亲和势 第二节第二节 半导体的光电效应半导体的光电效应光电导效应光电导效应光伏效应光伏效应光电子发射效应光电子发射效应光电转换的光电转换的两个概两个概念念4.4.

33、光电转换的光电转换的两个概念两个概念 的光子数每秒入射波长为数每秒产生的平均光电子探测器类型探测器类型（）（）光电导探测器（本征）光电导探测器（本征）60光电导探测器（非本征）光电导探测器（非本征）30光伏探测器光伏探测器60光电子发射探测器光电子发射探测器10量子效率量子效率(1)(1)xlre提高量子效率：提高量子效率：反射率反射率r r低，低， 吸收系数吸收系数大，大，吸收厚长度吸收厚长度l lx x要大要大例如，在探测器入射面镀上高透射率的抗反射层；例如，在探测器入射面镀上高透射率的抗反射层；利用微型谐振腔的光场谐振以增强吸收等。利用微型谐振腔的光场谐振以增强吸收等。100原因：反射、

34、透射、散射等原因：反射、透射、散射等 光电增益光电增益 PPMIIqNqhv外部光电流单位时间外电路产生的电荷数内部光电流单位时间探测器产生的的电荷数光电导探测器：光电导探测器：M M可以大于可以大于1 1光电三极管：光电三极管： M M10102 2雪崩光电二极管：雪崩光电二极管：M M10103 3光电倍增管：光电倍增管：M M1063.3 3.3 光电探测器的噪声光电探测器的噪声噪声的表示方法噪声的表示方法噪声分类噪声分类探测器噪声探测器噪声噪声等效电路噪声等效电路(b)(b)(c)(c)探探测测器器放放大大器器示波器示波器(a)(a)光光入射光功率较大时：入射光功率较大时：正弦信号正弦

35、信号降低入射光功率，增大放大率：降低入射光功率，增大放大率：带毛刺的正弦信号带毛刺的正弦信号入射光功率再降低时：入射光功率再降低时：正弦波幅度被噪声完全埋没正弦波幅度被噪声完全埋没对入射光功对入射光功率正弦调制率正弦调制随机的，瞬间的幅度不能预知的起伏，其长时间的随机的，瞬间的幅度不能预知的起伏，其长时间的平均值为零。平均值为零。所以不能用其平均值表示噪声所以不能用其平均值表示噪声噪声的基本概念噪声的基本概念噪声的表示方法噪声的表示方法均方噪声均方噪声 均方根噪声均方根噪声 时域时域 频域频域 功率谱功率谱 均方噪声均方噪声 多个噪声源多个噪声源（互不相关）（互不相关） 222212nknnn

36、iiii 总220221 ( ) ( )( )Tnnii tidtTi tiit 平平均均平平均均代表代表电阻上产生的功率电阻上产生的功率201 ( )TPi tiRdtT 平平均均只有均方噪声具有叠加特性只有均方噪声具有叠加特性均方根噪声均方根噪声 1222( )nniit 这正是我们用电流表所这正是我们用电流表所测量到的那种有效电流测量到的那种有效电流22n022n02n01( )1( )1( )TTTPRiRi tdtTii tdtTii tdtT 有有效效有有效效有有效效功率谱功率谱S(f)S(f)噪声自相关函噪声自相关函数的傅立叶变换数的傅立叶变换 22( )nniit 代表频率为代

37、表频率为f f的噪声在的噪声在电阻上产生的功率电阻上产生的功率均方噪声均方噪声 代表各种频率噪声的集合代表各种频率噪声的集合在在电阻上产生的功率电阻上产生的功率2( )niS f df2niSf均方噪声与功率谱联系均方噪声与功率谱联系 功率谱为常数：功率谱为常数： 功率谱不为常数：功率谱不为常数： ff为频带宽度为频带宽度 用等效带宽用等效带宽ff表述表述 2( )niS ff 01mfS f dfS 噪声分类：噪声分类： 噪声影响信号（特别是弱信号）的测量和处理噪声影响信号（特别是弱信号）的测量和处理探测器的噪声探测器的噪声1热噪声热噪声2. 散粒噪声散粒噪声3产生复合噪声产生复合噪声 41

38、/f 噪声噪声 5温度噪声温度噪声 1 1热噪声热噪声(Johnson(Johnson噪声噪声) )热噪声是由于载流子的瞬时热运动而引起电流或热噪声是由于载流子的瞬时热运动而引起电流或电压的瞬时扰动。电压的瞬时扰动。 22nrnr44kTiSff ,ukTRfRff为测量的频带等效宽度，为测量的频带等效宽度，R R为器件输入电阻实部为器件输入电阻实部 热噪声：热噪声： 白噪声白噪声2. 2. 散粒噪声（散粒噪声（ShotShot噪声）噪声）它犹如射出的散粒无规则地落在靶上所呈现的起它犹如射出的散粒无规则地落在靶上所呈现的起伏。这种随机起伏所形成的噪声称为散粒噪声。伏。这种随机起伏所形成的噪声称

39、为散粒噪声。光电管中的光电子从阴极表面逸出的随机性；光电管中的光电子从阴极表面逸出的随机性；PNPN结中载流子通过结区的随机性；结中载流子通过结区的随机性；入射到探测器上的光子的随机性入射到探测器上的光子的随机性2ns2eiSfIfI I为器件输出平均电流为器件输出平均电流 散粒噪声：白噪声散粒噪声：白噪声 3 3产生复合噪声产生复合噪声在半导体器件中，在一定温度和光照下，瞬间在半导体器件中，在一定温度和光照下，瞬间载流子的产生数和复合数是有起伏的，于是载载流子的产生数和复合数是有起伏的，于是载流子浓度的起伏引起电导率的起伏，由此造成流子浓度的起伏引起电导率的起伏，由此造成器件输出电流的噪声叫

40、做复合噪声器件输出电流的噪声叫做复合噪声 产生复合噪声不再是产生复合噪声不再是“白白”噪声？噪声？ 222041 (2) nIiS fffNf I I总平均电流，总平均电流，N N0 0总的自由载流子数，总的自由载流子数，载流子寿命，载流子寿命，f f测量噪声的频率测量噪声的频率 4 41/1/f f 噪声噪声1/1/f f 噪声通常又称为电流噪声噪声通常又称为电流噪声 也称为闪烁噪声或过剩噪声也称为闪烁噪声或过剩噪声 2nfcIiS ffff低频区：低频区： 300Hz300Hz以下以下机理目前机理目前尚不清楚尚不清楚a a、由实验测量、由实验测量 5 5温度噪声（热探测器独有）温度噪声（热

41、探测器独有）热探测器中由于器件本身吸收和传导等的热交换热探测器中由于器件本身吸收和传导等的热交换引起的温度起伏引起的温度起伏 G Gt t为器件的热导，为器件的热导，t t=C=Ct t/G/Gt t为器件的热时间常数为器件的热时间常数222412nttkTtfGf221tf224ntkTftG低频低频低频温度噪声也有白噪声性质低频温度噪声也有白噪声性质光电倍增管：散粒噪声、光电倍增管：散粒噪声、1/f1/f噪声噪声光敏电阻：热噪声、产生光敏电阻：热噪声、产生复合噪声、复合噪声、1/f1/f噪声噪声光伏器件：光电流、暗电流的散粒噪声、光伏器件：光电流、暗电流的散粒噪声、PNPN结漏结漏电阻电阻

42、RshRsh的热噪声的热噪声热探测器：温度噪声、热噪声热探测器：温度噪声、热噪声噪声等效电路噪声等效电路光电探测器光电探测器放大电路放大电路放大电路放大电路VsVsR R放大电路放大电路IsIsR RIsIs放大电路放大电路R R2ni放大电路放大电路IsIsR R 多个噪声源多个噪声源（互不相关）（互不相关） 222212nknnniiii 总一个噪声源一个噪声源两个噪声源两个噪声源IsIs放大电路放大电路R R21ni22ni放大电路放大电路R R21ni22ni那那个个等等效效正正确确科科10103.43.4、探测器的主要特性参数、探测器的主要特性参数l量子效率 l响应率（或积分灵敏度）

43、l光谱响应率 l频率响应 l等效噪声功率和探测率 量子效率量子效率l一定波长的光子入射到光电探测器件上时，所产生的光电子或光生载流子的数量与入射的光子数之比值叫做量子效率。heIpeesNN)()()()()(响应率（或积分灵敏度）响应率（或积分灵敏度）l探测器的输出电压Vs或电流Is与入射的辐射通量e之比。电压响应率：，单位：v/w。 电流响应率：，单位：A/w esVVSeSIIs光谱响应率光谱响应率l在波长为的单色光照射下，或 。l光谱响应率与量子效率是同一物理量的两种表示方法：)()(esVVS)()(eSIIs1024)()()()()(IIeSSehcSheI频率响应频率响应 l对

44、脉冲光信号：响应时间表示探测器的惰性l上升弦：l下降弦：l通常情况：10( )(1)tsI tIe20( )tsI tI e21 时，时，相应的功率为相应的功率为1/21/2。称称为探测器的上限频率为探测器的上限频率l用一定振幅的正弦调制光照射探测器时 f=0时的响应率0122( )1 (2) IISSff 0IS210f00.707IISS等效噪声功率和探测率等效噪声功率和探测率 l当探测器输出信号电流Is（或电压Vs）等于噪声的均方根电流 （或电压 ）时，所对应的入射辐射通量 ，称为等效噪声功率 。 2ni2nVe22nIsnieSIiNEPseIIS探测器接收面积，探测器接收面积， 带宽

45、带宽l探测率21nIiSNEPD12*()dNEPNEPAf12*1()dDD AfNEPfANEPddAf归一化参数归一化参数因为因为l归一化探测率参数通常附有测量条件：l指定光源（探测器光谱响应与光源的光谱匹配的越好，探测率就越高）l指定信号频率（探测器噪声与频率有关）l指定测量带宽l例：D*（500k，900，1）l光源为500k的黑体l调制频率为900Hzl测量带宽为1Hz线性线性 l线性是指探测器的输出电流（或电压）与输入光的辐通量成正比例的程度和范围 l线性l不易失真l易标定3.5 探测器的主要参数测试探测器的主要参数测试l探测器说明书有主要参数，为何还要测试？探测器说明书有主要参

46、数，为何还要测试？l说明书中的参数是典型值，由于制造工艺的离说明书中的参数是典型值，由于制造工艺的离散性，实际参数往往偏离典型值散性，实际参数往往偏离典型值l光谱响应率函数的测试光谱响应率函数的测试l响应率的测试响应率的测试l线性的测试线性的测试光谱响应率函数的测试光谱响应率函数的测试l标准探测器法标准探测器法l光谱响应率函数已知光谱响应率函数已知l光谱功率分布标准灯法光谱功率分布标准灯法l光谱功率分布已知光谱功率分布已知标准探测器法标准探测器法111( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )rrrstsiTSiTS 1( )( )( )( )( )( )rrrstsSiSi

47、 步骤步骤1 1：测参：测参考及标准探考及标准探测器电流测器电流-(1)分束器分束器显示显示显示显示聚光镜聚光镜单色仪单色仪参考探测器参考探测器放大放大放大放大标准标准1( )( )T( )r( )t 222( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )rrrtttiTSiTS 2( )( )( )( )( )( )rstttrSiSi 步骤步骤2 2：测参：测参考及被测探考及被测探测器电流测器电流-(2)分束器分束器显示显示显示显示聚光镜聚光镜单色仪单色仪参考探测器参考探测器放大放大放大放大被测被测2( )( )T( )r( )t 1( )( )( )( )( )( )rrrs

48、tsSiSi -(1)-(2)2( )( )( )( )( )( )rstttrSiSi 12( )( )( )( )( )( )trtsrsiiSSii( )( )rt 1( )( )( )( )( )( )rrrstsSiSi -(1)如果如果 已知，在步骤已知，在步骤1 1直接用被测探测器代替直接用被测探测器代替参考探测器，即可得到参考探测器，即可得到 ，为什么还要第，为什么还要第2 2步？步？( )tS( )( )rt 答：由于分束器的反射和透射对波长的敏感性答：由于分束器的反射和透射对波长的敏感性, ,分分束器的束器的 也是待标定量也是待标定量l标准探测器通常采用光谱响应平坦的热电偶和标准探测器通常采用光谱响应平坦的热电偶和热释电探测器热释电探测器l几种分束器结构几种分束器结构MDrDt/DsDsDtMDrDt/DsDrDs积分球积分球测量固体物质的漫反射谱测量固体物质的漫反射谱 工作原理：工作原理：输入孔入射输入孔入射球内表面无数次均匀漫射球内表面无数次均匀漫射球面球面上均匀的光强分布上均匀的光强分布