光辐射探测器

光辐射探测器第一页，共三十八页，2022年，8月28日光热效应

PhotothermalEffect光辐射光敏材料吸收转变为热能，温度变化T材料物理性质变化电信号光热效应的一般机理：辐射吸收系数，辐射通量，T温度变化，Ct材料热容量，Gt器件与环境的热导率被调制的辐射通量：时间无关项：时间相关项：低频：t=Ct/Gt高频：第二页，共三十八页，2022年，8月28日光热效应

PhotothermalEffect光热效应器件的特点：1、响应时间较慢2、响应的波长范围宽(紫外到40um)3、响应灵敏度与波长依赖性弱主要器件：测辐热电偶、测幅热敏电阻、高莱管、热释电探测器第三页，共三十八页，2022年，8月28日光电效应

PhotoelectricEffect光电效应：光波与物质相互作用，产生或释放出电子，从而产生电压或电流的物理现象光电效应主要有以下三类：1、光电导效应光敏电阻2、光伏效应（PN结光电效应）光电池、光电二三极管、光电场效应管3、光电发射效应光电管、光电倍增管光电效应特点：1、响应较快（ps～s量级）2、半导体光电器件体积较小3、量子效率较高第四页，共三十八页，2022年，8月28日半导体基本概念－能带

BasicConceptofSemiconductor—EnergyBand能带的形成固体的导电性第五页，共三十八页，2022年，8月28日半导体基本概念－能带

BasicConceptofSemiconductor—EnergyBand半导体的能带特征：1、所有电子刚好填满价带，绝对零度不能导电2、导带绝对零度为空带，即无电子占据，可以导电3、禁带Eg较小，常温下有一定导电能力第六页，共三十八页，2022年，8月28日光子与半导体相互作用

InteractionBetweenPhotonandSemiconductor导带激发出电子价带激发出空穴半导体载流子第七页，共三十八页，2022年，8月28日常温下半导体的统计特性

SemiconductorStatisticsatnormaltemperature态密度g(E):单位能量单位体积内在能带中的电子状态数(特征波函数的个数)，在导带低和价带顶g(E)(E-Ec)1/2和(Ev-E)1/2热平衡时，电子满足费米分布，即在某一能态找到电子的几率。导带的电子浓度:价带的空穴浓度:第八页，共三十八页，2022年，8月28日根据导带电子浓度计算公式，可得常温下半导体的统计特性

SemiconductorStatisticsatnormaltemperature当E-Ec>>kBT时，在非简并的半导体中，费米分布近似为同时也可以得，价带空穴浓度，这里，NC、NV称分别为导带和价带的有效能态密度物质作用定律：ni为本征浓度结论：在热平衡时，“空穴”和电子浓度乘积与半导体类型、电子空穴浓度无关第九页，共三十八页，2022年，8月28日N型半导体

N-typeSemicondutor砷有五个价电子，形成共价键后，多出一个自由电子，受砷离子作用，形成类氢原子结构。利用氢原子模型可以算得，这电子须获得0.05eV的能量才能到达导带形成载流子。这种五价的原子承担提供电子的作用，称为施主杂质（DonorImpurity)，kBT~0.025eV电导率：＝ene＋ephNde

e第十页，共三十八页，2022年，8月28日P型半导体

P-typeSemicondutor硼B有三个价电子，形成共价键后，周围的硅原子缺一电子形成共价键，形成一“空穴”。当外面电子过来填补这一空缺后，硼原子变成负离子，“空穴”将远离硼离子，但更外面的电子更难靠近硼离子，因此等效于“空穴”收到硼离子的吸引力。同样形成类氢原子结构。利用氢原子模型可以算得，这空穴须获得0.05eV的能量才能到达价带形成载流子。这种三价原子承担接受电子的作用，称为受主杂质（AcceptorImpurity）kBT~0.025eV电导率：＝ene＋ephNae

h第十一页，共三十八页，2022年，8月28日P型和N型半导体

P-andN-typeSemicondutor所有情况满足物质作用定律：本征半导体：n＝p＝niP型半导体：p>n=ni2/p“空穴”为多数载流子，MajorityCarrier，电子为少数载流子，MinorityCarrier；pNan型半导体：n>p=ni2/n电子为多数载流子，MajorityCarrier，电子为少数载流子，MinorityCarrier；nNd第十二页，共三十八页，2022年，8月28日半导体的PN结

PNJunctionofSemicondutor浓度差产生扩散电流内建电场E0，漂移电流平衡耗尽层高阻抗第十三页，共三十八页，2022年，8月28日半导体的PN结

PNJunctionofSemicondutor由电荷守恒：高斯定理：电场与电压关系：可得内建电场E0和电压V0，分别为利用玻尔兹曼分布和质量作用定律，可得第十四页，共三十八页，2022年，8月28日半导体的PN结

PNJunctionofSemicondutorpn结能带图第十五页，共三十八页，2022年，8月28日半导体的PN结－正向偏压

ForwardBias正向偏压漂移电场减少扩散运动复合过程形成电流扩散方程和复合方程：I0为常数，为pn结的真实修正因子可得正向偏压电流第十六页，共三十八页，2022年，8月28日半导体的PN结－反向偏压

ReverseBias反向偏压漂移电场增加漂移电流热激发过程形成电流扩散漂移方程和热激发方程：I0为常数，反向电流与反向电压几乎没有关系。通常在pA～nA量级常温下扩散漂移为主，可得反向偏压电流第十七页，共三十八页，2022年，8月28日半导体的PN结－反向偏压

ReverseBias第十八页，共三十八页，2022年，8月28日光电导效应

Photoconductivity光照射半导体材料，激发出载流子，改变材料的电导率，称为光电导效应亮电导和暗电导之差为光电导；亮电流和暗电流之差为光电流光照的电导率改变量：光电流：光激发电子和空穴浓度：光电导增益M：渡越电极时间：t=L/v=L2/U，=e,h增益M简化为：M=/t结论：光生载流子寿命越长，渡越时间越短，光电导增益越大第十九页，共三十八页，2022年，8月28日光电导效应－响应时间

Photoconductivity－RespondPtOI(t)相对值tO0.630.371.00受阶跃光作用时，光阶跃关闭作用时，上两式可得，如果受正弦调制光照射，以第一方程变为解得：频率越高，激发的载流子越小，定义截止频率fc，n为下降到所对应的频率。截止频率：增益与带宽之积为常数：第二十页，共三十八页，2022年，8月28日光伏效应

Photovoltage光照射在PN结的耗尽层，激发出电子－空穴对。在内建电场作用下，电子和空穴分别流向N和P区，从而在P、N区两端形成电位差，P为正，N为负，这称为光伏效应。＋－光照PN结的电流方程为：外电路短路时，短路电流：外电路开路时，开路电压：第二十一页，共三十八页，2022年，8月28日光电发射效应

Photoemission当超过一定频率的光波照射金属或半导体时，电子获得光波的能量，克服材料的逸出功离开材料表面，这现象称为光电发射效应，也称外光电效应电子逃逸材料的最大速度V，由爱因斯坦定律给出，阈值波长：第二十二页，共三十八页，2022年，8月28日光探测器的噪声

NoisesofRadiationDetector噪声决定了最小可探测的信号，噪声主要两种典型噪声：(1)白噪声（WhiteNoise）：一种与频率无关的噪声。(2)1/f噪声（PinkNoise）：功率谱与1/f成正比的噪声。噪声主要使用均方电流和均方电压描述，分别表示为第二十三页，共三十八页，2022年，8月28日光探测器的噪声

NoisesInRadiationDetector光探测器中主要固有噪声：1、热噪声（存在于一切导体，热运动造成）2、散粒噪声或肖特基噪声(a)电子流传输的随机涨落(b)光子流传输的随机涨落（量子噪声)3、产生－复合噪声半导体中载流子随机的产生－复合，造成载流子的随机起伏，引起导电率起伏。第二十四页，共三十八页，2022年，8月28日光探测器的噪声

NoisesInRadiationDetector光探测器中主要固有噪声：4、1/f噪声（存在于一切探测器，强度近似与1/f成正比）5、温度噪声器件吸收和传导等热交换引起温度的起伏低频时，具有白噪声性质第二十五页，共三十八页，2022年，8月28日光探测器的噪声

NoisesInRadiationDetector1/f噪声产生复合噪声散粒和热噪声第二十六页，共三十八页，2022年，8月28日光探测器的性能参数

FeaturesandPerformanceparametersofRadiationDetector光探测器性能参数主要分为：1、光电特性和光照特性2、光谱特性3、等效噪声功率和探测率光电特性：光电流和光通量关系I=F()光照特性：光电流和光照度关系I=F(L)线性度：光通量或光照度与光电流成比例程度线性范围：某个工作范围，光电流与光通量或光照度成比例光电器件对功率相同而波长不同的入射光响应不同。I=Fi()U=Fu()投射到探测器响应平面上光通量产生的信号电流I(电压)等于无入射时探测器的均方噪声电流（电压）,这时的入射光通量为最小可探测功率，即等效噪声功率NEP（NoiseEquivalentPower）第二十七页，共三十八页，2022年，8月28日光探测器的性能参数

FeaturesandPerformanceparametersofRadiationDetector4、响应时间与频率通常利用矩形脉冲信号，可以得到响应时间和弛豫时间PtOI(t)相对值tO0.630.371.00截止频率：第二十八页，共三十八页，2022年，8月28日光热探测器－热敏电阻

PhotothermalDetector光热探测器主要有热敏电阻和热释电探测器1、热敏电阻(Photoresistor)温度改变电阻值

R=TRT热敏电阻的温度系数T＝R/(RT)常用材料：(a)Mn、Ni、Co、Cu氧化物(T~-4*10-2K-1)(b)Ge、Si、InSb半导体第二十九页，共三十八页，2022年，8月28日光热探测器－热释电探测器

PhotothermalDetector2、热释电探测器（PyroelectricEffect）温度改变T原理：压电晶体固有偶极距改变P材料表面的束缚电荷量改变Q为热释电系数Q寿命问题：材料表面的束缚电荷量改变Q外部自由电荷中和束缚电荷Q消逝问题解决：周期调制入射光小于Q寿命1～103s束缚电荷Q周期变化第三十页，共三十八页，2022年，8月28日光热探测器－热释电探测器

PhotothermalDetector热释电器件等效电路常用热电晶体材料：硫酸散甘肽(TGS)、钽酸锂(LiTaO3)和压电陶瓷材料RS＝1010第三十一页，共三十八页，2022年，8月28日光电导器件

PhotoconductiveDevice1、光敏电阻光电特性Ip=SgUL1

弱光：＝1；强光：＝0.5

(b)光谱特性响应对波长具有选择性，CdS在515～600nm之间。(c)频率特性光敏电阻响应较慢，ms量级。第三十二页，共三十八页，2022年，8月28日光电导器件

PhotoconductiveDevice(d)伏安特性光敏电阻两端电压和流过的电流为伏安特性，如图右所示(e)温度特性温度的变化引起光谱响应、峰值等参数改变。(f)前历效应暗态前历效应:光敏电阻处于暗态时间越长，光照后光电流上升越慢。亮态前历效应:光敏电阻已处于照亮状态当亮度变化时，光电流出现滞后的现象。第三十三页，共三十八页，2022年，8月28日光电导器件

PhotoconductiveDevice(g)噪声特性光敏电阻噪声主要有:热噪声、产生－复合噪声、1/f噪声光敏电阻特点：(1)光谱响应宽：紫外到红外(2)工作电流大,几个mA量级(3)所