改 3光輻射探測(cè)器的理論基礎(chǔ)

1、3.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)半導(dǎo)體基礎(chǔ)l半導(dǎo)體特性半導(dǎo)體特性l能帶結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)li，n和和p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體l熱平衡下的載流子的濃度熱平衡下的載流子的濃度l半導(dǎo)體中的非平衡載流子半導(dǎo)體中的非平衡載流子 l載流子的擴(kuò)散與漂移載流子的擴(kuò)散與漂移 半導(dǎo)體特性半導(dǎo)體特性l電阻溫度系數(shù)是負(fù)的，對(duì)溫度變化敏感電阻溫度系數(shù)是負(fù)的，對(duì)溫度變化敏感l(wèi)溫度升高，電阻下降溫度升高，電阻下降l優(yōu)點(diǎn)：測(cè)溫優(yōu)點(diǎn)：測(cè)溫l缺點(diǎn)：精度受環(huán)境影響，實(shí)現(xiàn)高精度需恒溫缺點(diǎn)：精度受環(huán)境影響，實(shí)現(xiàn)高精度需恒溫l導(dǎo)電性能受微量雜質(zhì)的影響而發(fā)生十分敏感的變化導(dǎo)電性能受微量雜質(zhì)的影響而發(fā)生十分敏感的變化l室溫下純硅室溫下純硅 電導(dǎo)率電導(dǎo)率5*10-6/

2、cml室溫下純度為室溫下純度為99.9999%硅硅 電導(dǎo)率電導(dǎo)率2/cml導(dǎo)電能力和性質(zhì)受光電磁等外界作用發(fā)生重要的變導(dǎo)電能力和性質(zhì)受光電磁等外界作用發(fā)生重要的變化化第一節(jié)第一節(jié) 半導(dǎo)體基礎(chǔ)半導(dǎo)體基礎(chǔ)l半導(dǎo)體特性半導(dǎo)體特性l能帶結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)li，n和和p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體l熱平衡下的載流子的濃度熱平衡下的載流子的濃度l半導(dǎo)體中的非平衡載流子半導(dǎo)體中的非平衡載流子 l載流子的擴(kuò)散與漂移載流子的擴(kuò)散與漂移 2n-1KLM1232n2電子層電子層spdsps112123電子亞層電子亞層能帶結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)l孤立原子中的電子狀態(tài)孤立原子中的電子狀態(tài) l電子按照一定的殼層排列電子按照一定的殼層排列l(wèi)電子在殼層

3、上的分布遵守泡利不相容原理和能電子在殼層上的分布遵守泡利不相容原理和能量最低原則量最低原則 l電子具有確定的分立能量值電子具有確定的分立能量值 l晶體中的電子狀態(tài)晶體中的電子狀態(tài) l多原子的各殼層之間多原子的各殼層之間有不同程度的交疊。有不同程度的交疊。最外面的電子殼層交最外面的電子殼層交疊最多，內(nèi)層交疊較疊最多，內(nèi)層交疊較小小l電子的共有化運(yùn)動(dòng)電子的共有化運(yùn)動(dòng)l電子只能在相鄰原子相似殼層中運(yùn)用電子只能在相鄰原子相似殼層中運(yùn)用l外層電子的共有化運(yùn)動(dòng)顯著，內(nèi)層弱外層電子的共有化運(yùn)動(dòng)顯著，內(nèi)層弱l晶體中的能帶晶體中的能帶l電子在晶體中不僅受本身原子勢(shì)場(chǎng)影響，還受電子在晶體中不僅受本身原子勢(shì)場(chǎng)影響，

4、還受周圍周圍原子勢(shì)場(chǎng)原子勢(shì)場(chǎng)作用，該作用使本來(lái)處于同一能量狀態(tài)的、作用，該作用使本來(lái)處于同一能量狀態(tài)的、不同位置不同位置的電子發(fā)生了能量微小的差異的電子發(fā)生了能量微小的差異l晶體中若有晶體中若有N個(gè)原子，每個(gè)相同個(gè)原子，每個(gè)相同能級(jí)都分裂能級(jí)都分裂為為N個(gè)個(gè)新的能級(jí)，成為能帶。新的能級(jí)，成為能帶。l允帶允帶-電子可占據(jù)的電子可占據(jù)的能帶。能帶。l禁帶禁帶-電子占據(jù)不了電子占據(jù)不了的間隙叫禁帶。的間隙叫禁帶。l滿帶滿帶-被電子占滿的允被電子占滿的允帶稱滿帶帶稱滿帶l價(jià)帶價(jià)帶-晶體最外層電子晶體最外層電子能級(jí)分裂所成的能帶。能級(jí)分裂所成的能帶。l導(dǎo)帶導(dǎo)帶-比價(jià)帶能量更高比價(jià)帶能量更高的允帶稱導(dǎo)帶。

5、的允帶稱導(dǎo)帶。l晶體中電子的能量狀態(tài)，也遵守泡利不相容原理和晶體中電子的能量狀態(tài)，也遵守泡利不相容原理和能量最低原則能量最低原則l自由電子自由電子-從價(jià)帶從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶的電子躍遷到導(dǎo)帶的電子l自由空穴自由空穴-電子從電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶后，價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶后，價(jià)帶中出現(xiàn)電子的價(jià)帶中出現(xiàn)電子的空缺空缺l本征激發(fā)本征激發(fā)-電子直電子直接由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)接由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，特點(diǎn)是產(chǎn)生的帶，特點(diǎn)是產(chǎn)生的電子數(shù)等于空穴數(shù)；電子數(shù)等于空穴數(shù)；l載流子載流子-自由電子自由電子和自由空穴。和自由空穴。絕緣體、半導(dǎo)體、金屬的能帶圖絕緣體、半導(dǎo)體、金屬的能帶圖 SiO SiO2 2 Eg=5.2ev Si Eg=1

6、.1ev Eg=0 Eg=5.2ev Si Eg=1.1ev Eg=0電阻率電阻率10101212cm 10cm 10-3-310101212cm 10cm 10-6-61010- -3 3cmcm半導(dǎo)體具有獨(dú)特光電特性重要應(yīng)用價(jià)值半導(dǎo)體具有獨(dú)特光電特性重要應(yīng)用價(jià)值導(dǎo)電機(jī)理導(dǎo)電機(jī)理-電場(chǎng)作用下，導(dǎo)帶電子，價(jià)帶空穴作定向運(yùn)動(dòng)電場(chǎng)作用下，導(dǎo)帶電子，價(jià)帶空穴作定向運(yùn)動(dòng)第一節(jié)第一節(jié) 半導(dǎo)體基礎(chǔ)半導(dǎo)體基礎(chǔ)l半導(dǎo)體特性半導(dǎo)體特性l能帶結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)li，n和和p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體l熱平衡下的載流子的濃度熱平衡下的載流子的濃度l半導(dǎo)體中的非平衡載流子半導(dǎo)體中的非平衡載流子 l載流子的擴(kuò)散與漂移載流子的擴(kuò)散與漂移

7、 i i，n n和和p p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體li型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體：（本征或純凈半：（本征或純凈半導(dǎo)體）導(dǎo)體）l四族四族 C、Si、Ge、Sn、PblT=0K，材料不導(dǎo)電，材料不導(dǎo)電lT=常溫，半導(dǎo)體有導(dǎo)電性常溫，半導(dǎo)體有導(dǎo)電性（熱激發(fā)）（熱激發(fā)）l禁帶寬度大決定其導(dǎo)電能禁帶寬度大決定其導(dǎo)電能力弱力弱 Ge4+ Ge4+ Ge4+ Ge4+ Ge4+ Ge4+ Ge4+ Ge4+ Ge4+ 科科7 7ln型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體l如果在四族原子鍺或硅組成的晶體中摻入五族原子砷如果在四族原子鍺或硅組成的晶體中摻入五族原子砷或磷或磷 ，就形成了，就形成了n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體l施主原子施主原子-As，施主能級(jí)，施

8、主能級(jí)-Edl施主電離：施主能級(jí)上電子躍遷到導(dǎo)帶叫施主電離，施主電離：施主能級(jí)上電子躍遷到導(dǎo)帶叫施主電離，特點(diǎn)是只產(chǎn)生電子特點(diǎn)是只產(chǎn)生電子l施主電離能施主電離能-施主能級(jí)和導(dǎo)帶底間的能量差施主能級(jí)和導(dǎo)帶底間的能量差 lN型半導(dǎo)體中，自由電子濃度將高于自由空穴濃度。型半導(dǎo)體中，自由電子濃度將高于自由空穴濃度。自由電子是多子，空穴是少子自由電子是多子，空穴是少子 lp型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體l如果在四族原子鍺或硅組成的晶體中摻入三族原子如果在四族原子鍺或硅組成的晶體中摻入三族原子硼硼 ，就形成了，就形成了p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體l受主原子受主原子-B，受主能級(jí)，受主能級(jí)-Eal受主電離：受主能級(jí)上空穴躍遷到價(jià)帶

9、叫受主電離，受主電離：受主能級(jí)上空穴躍遷到價(jià)帶叫受主電離，特點(diǎn)是只產(chǎn)生空穴特點(diǎn)是只產(chǎn)生空穴l受主電離能受主電離能-導(dǎo)帶底和受主能級(jí)間的能量差導(dǎo)帶底和受主能級(jí)間的能量差lP型半導(dǎo)體中，自由空穴濃度將高于自由電子濃度。型半導(dǎo)體中，自由空穴濃度將高于自由電子濃度。自由空穴是多子，電子是少子自由空穴是多子，電子是少子 第一節(jié)第一節(jié) 半導(dǎo)體基礎(chǔ)半導(dǎo)體基礎(chǔ)l半導(dǎo)體特性半導(dǎo)體特性l能帶結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)li，n和和p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體l熱平衡下的載流子的濃度熱平衡下的載流子的濃度l半導(dǎo)體中的非平衡載流子半導(dǎo)體中的非平衡載流子 l載流子的擴(kuò)散與漂移載流子的擴(kuò)散與漂移 熱平衡下的載流子的濃度熱平衡下的載流子的濃度l載流

10、子濃度載流子濃度：?jiǎn)挝惑w積的載流子數(shù)。：?jiǎn)挝惑w積的載流子數(shù)。l為什么要研究載流子濃度？為什么要研究載流子濃度？l半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)與材料的載流子濃度有關(guān)半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)與材料的載流子濃度有關(guān)l熱平衡載流子最終形成暗電流和噪聲熱平衡載流子最終形成暗電流和噪聲l熱激發(fā)：熱激發(fā)：一定溫度下，非外界作用，從不斷熱一定溫度下，非外界作用，從不斷熱振動(dòng)的晶體中電子獲得一定的能量，從價(jià)帶躍振動(dòng)的晶體中電子獲得一定的能量，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，形成自由電子。遷到導(dǎo)帶，形成自由電子。l復(fù)合：復(fù)合：電子釋放能量由導(dǎo)帶回落到價(jià)帶。電子釋放能量由導(dǎo)帶回落到價(jià)帶。l熱平衡狀態(tài)熱平衡狀態(tài)l一定溫度時(shí)，熱產(chǎn)生的載流子數(shù)恒定，熱激

11、發(fā)一定溫度時(shí)，熱產(chǎn)生的載流子數(shù)恒定，熱激發(fā)與復(fù)合動(dòng)態(tài)平衡。溫度改變后，熱激發(fā)變化，與復(fù)合動(dòng)態(tài)平衡。溫度改變后，熱激發(fā)變化，隨后復(fù)合跟上，最終新平衡建立隨后復(fù)合跟上，最終新平衡建立l熱平衡時(shí)載流子濃度決定于：熱平衡時(shí)載流子濃度決定于：l能級(jí)密度能級(jí)密度l能級(jí)被電子占據(jù)的概率能級(jí)被電子占據(jù)的概率l能級(jí)密度能級(jí)密度l定義：導(dǎo)帶和價(jià)帶內(nèi)單位體積，單位能量能級(jí)定義：導(dǎo)帶和價(jià)帶內(nèi)單位體積，單位能量能級(jí)數(shù)目。數(shù)目。l導(dǎo)帶能級(jí)密度導(dǎo)帶能級(jí)密度l價(jià)帶能級(jí)密度價(jià)帶能級(jí)密度l當(dāng)離導(dǎo)帶低或價(jià)帶頂越遠(yuǎn)當(dāng)離導(dǎo)帶低或價(jià)帶頂越遠(yuǎn)時(shí)，能級(jí)密度越大時(shí)，能級(jí)密度越大* 3 21 234( )(2)()ecN EmEEh*3 21

12、234( )(2)()pvN EmEEhl費(fèi)米能級(jí)和電子占據(jù)率費(fèi)米能級(jí)和電子占據(jù)率l電子占據(jù)率：電子占據(jù)率：Ef為費(fèi)米能級(jí)為費(fèi)米能級(jí)lT=0，若，若E0，若若E=Ef，fn(E)=0.5 若若EEf，fn(E)0.5 若若E0.5l空穴占據(jù)率：空穴占據(jù)率：fp(E)=1- fn(E)1( )1 exp()nffEEEkTl平衡載流子濃度平衡載流子濃度自由電子濃度自由電子濃度 為導(dǎo)帶有效能級(jí)密度。為導(dǎo)帶有效能級(jí)密度。l自由電子濃度自由電子濃度n與與溫度溫度及及費(fèi)米能級(jí)位置費(fèi)米能級(jí)位置有關(guān)。有關(guān)。( )( )( )expCCEnEcfcnn E dEN EfE dEEENkT*3 2222()ec

13、m kTNh自由空穴濃度自由空穴濃度 為價(jià)帶有效能級(jí)密度。為價(jià)帶有效能級(jí)密度。l自由空穴濃度自由空穴濃度p與與溫度及費(fèi)米能級(jí)位置溫度及費(fèi)米能級(jí)位置有關(guān)有關(guān)( )( )( )expEvEvpfvvpp E dEN EfE dEEENkT*3 2222()pvm kTNh推論推論l熱平衡下，任何半導(dǎo)體中，熱平衡下，任何半導(dǎo)體中， n與與p的乘積與費(fèi)的乘積與費(fèi)米能級(jí)無(wú)關(guān)；米能級(jí)無(wú)關(guān)；l熱平衡下，任何半導(dǎo)體中，熱平衡下，任何半導(dǎo)體中，n與與p的乘積與的乘積與Eg成反比；成反比；l熱平衡下，任何半導(dǎo)體中，熱平衡下，任何半導(dǎo)體中，n與與p的乘積與溫的乘積與溫度成正比度成正比 expexpgcvcvcvEE

14、EnpN NN NkTkTexpexpcfcfvvEENkTEENkT*113()lnln224pvficviicemNEEEkTEkTENm1 2()exp2giicvEnpN NkT本征半導(dǎo)體中載流子濃度本征半導(dǎo)體中載流子濃度EcEvEfi(Ei)室溫下硅、鍺、砷化鎵的本征載流子濃度室溫下硅、鍺、砷化鎵的本征載流子濃度 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室溫下金屬載流子濃度室溫下金屬載流子濃度1022/cm3

15、 ln型半導(dǎo)體載流子濃度型半導(dǎo)體載流子濃度22;()lnidididdfniinnNpNpn pnNNEEkTnEcEvEiEfnEdlp型半導(dǎo)體載流子濃度型半導(dǎo)體載流子濃度22;()lniaaidafniinpNnNnn pnNNEEkTnEcEvEiEfpEa 用費(fèi)米能級(jí)描述載流子分布用費(fèi)米能級(jí)描述載流子分布 “標(biāo)尺標(biāo)尺”練習(xí)：畫(huà)出輕摻雜練習(xí)：畫(huà)出輕摻雜N N型和重?fù)诫s型和重?fù)诫sN N型費(fèi)米能級(jí)示意圖型費(fèi)米能級(jí)示意圖第一節(jié)第一節(jié) 半導(dǎo)體基礎(chǔ)半導(dǎo)體基礎(chǔ)l半導(dǎo)體特性半導(dǎo)體特性l能帶結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)li，n和和p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體l熱平衡下的載流子的濃度熱平衡下的載流子的濃度l半導(dǎo)體中的非平衡載流子半

16、導(dǎo)體中的非平衡載流子 l載流子的擴(kuò)散與漂移載流子的擴(kuò)散與漂移 半導(dǎo)體中的非平衡載流子半導(dǎo)體中的非平衡載流子 l定義：定義：外部注入的或光激發(fā)的、超出熱平衡時(shí)外部注入的或光激發(fā)的、超出熱平衡時(shí)濃度的載流子濃度的載流子l這部分載流子攜帶有外部信息這部分載流子攜帶有外部信息l材料的光吸收效應(yīng)材料的光吸收效應(yīng) l本征吸收本征吸收l(shuí)雜質(zhì)吸收雜質(zhì)吸收l(shuí)其它吸收其它吸收l(shuí)本征吸收本征吸收l(shuí)定義：使價(jià)帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶的光吸收定義：使價(jià)帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶的光吸收l(shuí)條件：條件： 為本征吸收長(zhǎng)波限。為本征吸收長(zhǎng)波限。ghvE1.24()gghcmEEEg01.24()gmEl雜質(zhì)吸收雜質(zhì)吸收l(shuí)定義：使電子（空穴）從雜

17、質(zhì)能級(jí)激發(fā)到導(dǎo)帶定義：使電子（空穴）從雜質(zhì)能級(jí)激發(fā)到導(dǎo)帶（價(jià)帶）的光吸收。（價(jià)帶）的光吸收。l長(zhǎng)波限：長(zhǎng)波限： l雜質(zhì)吸收多在紅外區(qū)和遠(yuǎn)紅外區(qū)。雜質(zhì)吸收多在紅外區(qū)和遠(yuǎn)紅外區(qū)。001.241.24(),()ddaahchcmmEEEEEdEal其它吸收其它吸收l(shuí)激子吸收激子吸收l(shuí)定義：吸收了小于禁帶寬度能量的電子，離開(kāi)了定義：吸收了小于禁帶寬度能量的電子，離開(kāi)了價(jià)帶卻上不了導(dǎo)帶，與形成的空穴間保有庫(kù)侖力價(jià)帶卻上不了導(dǎo)帶，與形成的空穴間保有庫(kù)侖力作用，從而形成的一個(gè)電中性系統(tǒng)。作用，從而形成的一個(gè)電中性系統(tǒng)。l自由載流子吸收自由載流子吸收l(shuí)定義：使自由載流子在同一能帶內(nèi)不同能級(jí)間躍定義：使自由載流

18、子在同一能帶內(nèi)不同能級(jí)間躍遷的光吸收。遷的光吸收。l晶格吸收晶格吸收l(shuí)定義：被轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裾駝?dòng)能量的吸收。定義：被轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裾駝?dòng)能量的吸收。l非平衡載流子濃度非平衡載流子濃度l在這一節(jié)我們并在這一節(jié)我們并不關(guān)不關(guān)心光子產(chǎn)生非平衡載心光子產(chǎn)生非平衡載流子的效率流子的效率，這個(gè)概，這個(gè)概念我們以后再講念我們以后再講l這一節(jié)我們這一節(jié)我們關(guān)心非平關(guān)心非平衡載流子產(chǎn)生及復(fù)合衡載流子產(chǎn)生及復(fù)合的過(guò)程的過(guò)程，因?yàn)檫@個(gè)過(guò)，因?yàn)檫@個(gè)過(guò)程存在時(shí)間上的沿滯，程存在時(shí)間上的沿滯，研究這個(gè)過(guò)程是理解研究這個(gè)過(guò)程是理解探測(cè)器的探測(cè)器的頻率特性頻率特性的的基礎(chǔ)基礎(chǔ)l突然光照突然光照，由于產(chǎn)生，由于產(chǎn)生復(fù)復(fù)合，光生載流子濃度

19、合，光生載流子濃度n(t)(p(t)處于上升期處于上升期l產(chǎn)生產(chǎn)生=復(fù)合，光生載流子復(fù)合，光生載流子濃度達(dá)到飽和濃度達(dá)到飽和l光照突然消失光照突然消失，由于產(chǎn)，由于產(chǎn)生生復(fù)合復(fù)合,光生載流子濃光生載流子濃度度n(t)(p(t)處于下降處于下降期期l通常，光生載流子的產(chǎn)通常，光生載流子的產(chǎn)生和復(fù)合具有相同的時(shí)生和復(fù)合具有相同的時(shí)間特性間特性l電路時(shí)間常數(shù)電路時(shí)間常數(shù)表征電路瞬態(tài)過(guò)程中響應(yīng)變化的表征電路瞬態(tài)過(guò)程中響應(yīng)變化的快慢，如快慢，如RC電路的時(shí)間常數(shù)為電路的時(shí)間常數(shù)為R*C，它表征，它表征電容充放電的快慢：電容充放電的快慢：l電路閉合后，電容的端電壓達(dá)到最大值的電路閉合后，電容的端電壓達(dá)到最

20、大值的1-1/e，即約即約0.63倍所需要的時(shí)間倍所需要的時(shí)間l電路斷開(kāi)時(shí)，電容的端電壓達(dá)到最大值的電路斷開(kāi)時(shí)，電容的端電壓達(dá)到最大值的1/e，即約即約0.37倍時(shí)所需要的時(shí)間。倍時(shí)所需要的時(shí)間?？瓶? 8l在這里，沿用時(shí)間常數(shù)在這里，沿用時(shí)間常數(shù)這一概念描述光電探測(cè)器這一概念描述光電探測(cè)器對(duì)光照響應(yīng)的快慢（光生載流子產(chǎn)生和復(fù)合的快對(duì)光照響應(yīng)的快慢（光生載流子產(chǎn)生和復(fù)合的快慢）慢）l光生載流子的產(chǎn)生和復(fù)合具有相同的時(shí)間特性，這里光生載流子的產(chǎn)生和復(fù)合具有相同的時(shí)間特性，這里只研究載流子的復(fù)合過(guò)程只研究載流子的復(fù)合過(guò)程l由復(fù)合率與載流子濃度成正比推得下降期光生載流子由復(fù)合率與載流子濃度成正比推得

21、下降期光生載流子濃度的變化規(guī)律為濃度的變化規(guī)律為01/( )(0)(0)ttBnn tnene l的意義：的意義：l載流子濃度下降的衰減常數(shù)載流子濃度下降的衰減常數(shù)l載流子濃度下降到初始值載流子濃度下降到初始值1/e所需的時(shí)間所需的時(shí)間l載流子的平均壽命（也稱載流子壽命）載流子的平均壽命（也稱載流子壽命）l復(fù)合率復(fù)合率l同理可得上升期光生載流子濃度的變化規(guī)律為同理可得上升期光生載流子濃度的變化規(guī)律為( )n t01/( )(0)(0)ttBnn tnene ( )(0)(1)tn tne 第一節(jié)第一節(jié) 半導(dǎo)體基礎(chǔ)半導(dǎo)體基礎(chǔ)l半導(dǎo)體特性半導(dǎo)體特性l能帶結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)li，n和和p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體l

22、熱平衡下的載流子的濃度熱平衡下的載流子的濃度l半導(dǎo)體中的非平衡載流子半導(dǎo)體中的非平衡載流子 l載流子的擴(kuò)散與漂移載流子的擴(kuò)散與漂移 載流子的擴(kuò)散與漂移載流子的擴(kuò)散與漂移l攜帶有信息的非平衡載流子通過(guò)形成定向移動(dòng)攜帶有信息的非平衡載流子通過(guò)形成定向移動(dòng)的電流被檢測(cè)到，所以需要研究非平衡載流子的電流被檢測(cè)到，所以需要研究非平衡載流子運(yùn)動(dòng)的形式運(yùn)動(dòng)的形式l擴(kuò)散擴(kuò)散l漂移漂移擴(kuò)散擴(kuò)散l定義：由于載流子濃度的不均勻產(chǎn)生的載流子定義：由于載流子濃度的不均勻產(chǎn)生的載流子從高濃度處往低濃度處的遷移運(yùn)動(dòng)。從高濃度處往低濃度處的遷移運(yùn)動(dòng)。l產(chǎn)生條件：摻雜不均勻或局部因光照產(chǎn)生非平產(chǎn)生條件：摻雜不均勻或局部因光照產(chǎn)

23、生非平衡載流子。衡載流子。l擴(kuò)散電流密度（單位面積單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的載擴(kuò)散電流密度（單位面積單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的載流子電量）與濃度梯度成正比流子電量）與濃度梯度成正比 Dp和和Dn分別為電子和空穴的擴(kuò)散系數(shù)。分別為電子和空穴的擴(kuò)散系數(shù)。,nDnpDpdndpJqDJqDdxdx 漂移漂移l定義：載流子在電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng)定義：載流子在電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng)l在電場(chǎng)作用下，電子向正極漂移，空穴向負(fù)極漂移。在電場(chǎng)作用下，電子向正極漂移，空穴向負(fù)極漂移。l電場(chǎng)過(guò)強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)偏離歐姆定律（飽和或雪崩擊電場(chǎng)過(guò)強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)偏離歐姆定律（飽和或雪崩擊穿），弱電場(chǎng)下，漂移運(yùn)動(dòng)符合歐姆定律。穿），弱電場(chǎng)下，漂移運(yùn)動(dòng)符

24、合歐姆定律。l由歐姆定律的微分形式由歐姆定律的微分形式 （1）lJ為電流密度，為電流密度，為材料電導(dǎo)率，為材料電導(dǎo)率，E為電場(chǎng)強(qiáng)度為電場(chǎng)強(qiáng)度l由電流密度的定義由電流密度的定義J=nqv（2）l由（由（1）（）（2）得）得 稱為遷移率稱為遷移率JEEEnqv)/(nq3.2 3.2 半導(dǎo)體的光電效應(yīng)半導(dǎo)體的光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)光電子發(fā)射效應(yīng)光電子發(fā)射效應(yīng)光電轉(zhuǎn)換的兩個(gè)概光電轉(zhuǎn)換的兩個(gè)概念念光電導(dǎo)探測(cè)器光電導(dǎo)探測(cè)器光伏探測(cè)器光伏探測(cè)器光電子發(fā)射探測(cè)光電子發(fā)射探測(cè)器器 利用光電效應(yīng)制成的光電探測(cè)器稱為利用光電效應(yīng)制成的光電探測(cè)器稱為光子探測(cè)器光子探測(cè)器光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)當(dāng)半

25、導(dǎo)體材料受光照時(shí)，由于對(duì)光子的吸收當(dāng)半導(dǎo)體材料受光照時(shí)，由于對(duì)光子的吸收引起載流子濃度的變化，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)引起載流子濃度的變化，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率變化，這種現(xiàn)象稱為率變化，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)。 非本征光電導(dǎo)效應(yīng)非本征光電導(dǎo)效應(yīng) 本征光電導(dǎo)效應(yīng)本征光電導(dǎo)效應(yīng)( (雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)) ) 雜質(zhì)吸收雜質(zhì)吸收 本征吸收本征吸收 本征光電導(dǎo)本征光電導(dǎo) d0n0p()q np0n0pq nnppdnpqnp 暗電導(dǎo)率：暗電導(dǎo)率： 亮電導(dǎo)率：亮電導(dǎo)率： 光電導(dǎo)率：光電導(dǎo)率： 非本征光電導(dǎo)非本征光電導(dǎo) 光電導(dǎo)率：光電導(dǎo)率： ndnpdpqNqPnp型型第二節(jié)第二節(jié) 半導(dǎo)體的光電效

26、應(yīng)半導(dǎo)體的光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)光電子發(fā)射效應(yīng)光電子發(fā)射效應(yīng)光電轉(zhuǎn)換的兩個(gè)概光電轉(zhuǎn)換的兩個(gè)概念念光伏效應(yīng)光伏效應(yīng) N N P PPNPN結(jié)結(jié)光光 一塊半導(dǎo)體，一塊半導(dǎo)體， P P區(qū)與區(qū)與N N區(qū)的交界面稱為區(qū)的交界面稱為PNPN結(jié)。結(jié)。PNPN結(jié)結(jié)受到光照時(shí)，可在受到光照時(shí)，可在PNPN結(jié)的兩端產(chǎn)生電勢(shì)差，這種現(xiàn)結(jié)的兩端產(chǎn)生電勢(shì)差，這種現(xiàn)象則稱為光伏效應(yīng)。象則稱為光伏效應(yīng)。 1)PN1)PN結(jié)的形成結(jié)的形成 擴(kuò)擴(kuò) 散散 形成：耗盡區(qū)形成：耗盡區(qū) 空間電荷區(qū)空間電荷區(qū) 內(nèi)建電場(chǎng)內(nèi)建電場(chǎng)濃度差異濃度差異E E 漂漂 移移擴(kuò)散與漂移方向相反擴(kuò)散與漂移方向相反擴(kuò)散擴(kuò)散=漂移漂移

27、平衡平衡 PNPN結(jié)形成結(jié)形成擴(kuò)散擴(kuò)散-增強(qiáng)內(nèi)建電場(chǎng)增強(qiáng)內(nèi)建電場(chǎng)-阻止擴(kuò)散阻止擴(kuò)散漂移漂移-減弱內(nèi)建電場(chǎng)減弱內(nèi)建電場(chǎng)-阻止漂移阻止漂移PNPN結(jié)的形成結(jié)的形成 摘自教育部新世紀(jì)摘自教育部新世紀(jì)網(wǎng)絡(luò)課程網(wǎng)絡(luò)課程電子技電子技術(shù)術(shù)大連海事大大連海事大學(xué)制作學(xué)制作2)PN2)PN結(jié)能帶與勢(shì)壘結(jié)能帶與勢(shì)壘 結(jié)合前結(jié)合前結(jié)合后結(jié)合后一個(gè)平衡系統(tǒng)只能有一個(gè)費(fèi)米能級(jí)一個(gè)平衡系統(tǒng)只能有一個(gè)費(fèi)米能級(jí) E E電場(chǎng)力電場(chǎng)力類比類比: : 小球滾上山坡小球滾上山坡速度方向速度方向重力分力重力分力mghmgh坡：內(nèi)建電場(chǎng)坡：內(nèi)建電場(chǎng)擴(kuò)散：電子爬坡擴(kuò)散：電子爬坡漂移：電子下坡漂移：電子下坡正向偏壓正向偏壓: :外加電場(chǎng)外加

28、電場(chǎng)耗盡區(qū)寬耗盡區(qū)寬度變小度變小3)PN3)PN結(jié)電流方程、耗盡區(qū)寬度與結(jié)電容結(jié)電流方程、耗盡區(qū)寬度與結(jié)電容T/0011U UeU kTIIeIe（） （）電流方程：電流方程：擴(kuò)散流擴(kuò)散流反向偏壓反向偏壓: :外加電場(chǎng)外加電場(chǎng)耗盡區(qū)寬耗盡區(qū)寬度變大度變大漂移流漂移流4)PN4)PN結(jié)光電效應(yīng)結(jié)光電效應(yīng) 電子電子空穴對(duì)分離空穴對(duì)分離電子電子空穴對(duì)空穴對(duì)光光 照照光生電勢(shì)差光生電勢(shì)差 光生電動(dòng)勢(shì)與光電流光生電動(dòng)勢(shì)與光電流 光電流方向光電流方向光生電動(dòng)勢(shì)方向光生電動(dòng)勢(shì)方向擴(kuò)散流方向擴(kuò)散流方向光生電動(dòng)勢(shì)光生電動(dòng)勢(shì)擴(kuò)散流擴(kuò)散流光電流為維持光生電動(dòng)勢(shì)一直持續(xù)光電流為維持光生電動(dòng)勢(shì)一直持續(xù) 光生電動(dòng)勢(shì)方向光

29、生電動(dòng)勢(shì)方向e/0p1UkTIIeI（）光照下光照下PNPN結(jié)的電流方程：結(jié)的電流方程： 光電流方向光電流方向擴(kuò)散流方向擴(kuò)散流方向擴(kuò)散流擴(kuò)散流光電流光電流科科9 9 N PPN結(jié)結(jié)光光電池不能短接，電池不能短接，光照下的光照下的PNPN節(jié)能短接嗎？節(jié)能短接嗎？ 光生電動(dòng)勢(shì)光生電動(dòng)勢(shì)=0=0e/0p1UkTIIeI（）擴(kuò)散流擴(kuò)散流=0=0短路光電流短路光電流短接短接 開(kāi)路光電壓方向開(kāi)路光電壓方向e/0p1UkTIIeI開(kāi)（）擴(kuò)散流擴(kuò)散流光電流光電流開(kāi)路開(kāi)路 光電壓方向光電壓方向e/0p1UkTIIeI（）擴(kuò)散流擴(kuò)散流光電流光電流接負(fù)載接負(fù)載R R第二節(jié)第二節(jié) 半導(dǎo)體的光電效應(yīng)半導(dǎo)體的光電效應(yīng)光電

30、導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)光電子發(fā)射效應(yīng)光電子發(fā)射效應(yīng)光電轉(zhuǎn)換的兩個(gè)概光電轉(zhuǎn)換的兩個(gè)概念念3.3.光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射效應(yīng)金屬或半導(dǎo)體受到光照時(shí)，電子從材料表面金屬或半導(dǎo)體受到光照時(shí)，電子從材料表面逸出這一現(xiàn)象稱為光電發(fā)射效應(yīng)。逸出這一現(xiàn)象稱為光電發(fā)射效應(yīng)。 又稱外光電效應(yīng)。逸出物質(zhì)表面的電子又稱外光電效應(yīng)。逸出物質(zhì)表面的電子叫做光電子。叫做光電子。 光電發(fā)射第二定律（愛(ài)因斯坦定律）：光電發(fā)射第二定律（愛(ài)因斯坦定律）：發(fā)射的光電子的最大動(dòng)能隨入射光子頻率的發(fā)射的光電子的最大動(dòng)能隨入射光子頻率的增加而線性地增加，而與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)增加而線性地增加，而與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān) 光電發(fā)射第一定律：

31、光電發(fā)射第一定律：當(dāng)入射輻射的光譜公布不變時(shí)，飽和光電流當(dāng)入射輻射的光譜公布不變時(shí)，飽和光電流與入射的輻通量與入射的輻通量 成正比成正比 1)1)光電發(fā)射定律光電發(fā)射定律 愛(ài)因斯坦定律愛(ài)因斯坦定律 Whvme2max21Whch0Whc0m24. 10WW W- -逸出功逸出功 截止波長(zhǎng)截止波長(zhǎng)（長(zhǎng)波限）（長(zhǎng)波限） m24.10W光電發(fā)射光電發(fā)射本征吸收本征吸收m24.1gg0EEhc雜質(zhì)吸收雜質(zhì)吸收m24. 1m24. 1aa0dd0EEhcEEhc 或或結(jié)論：結(jié)論：截止波長(zhǎng)對(duì)比截止波長(zhǎng)對(duì)比波長(zhǎng)增大波長(zhǎng)增大光電發(fā)射光電發(fā)射雜質(zhì)吸收雜質(zhì)吸收本征吸收本征吸收2)2)金屬逸出功和半導(dǎo)體的發(fā)射閾值金

32、屬逸出功和半導(dǎo)體的發(fā)射閾值 金屬逸出功金屬逸出功: : f0EEW半導(dǎo)體發(fā)射閾值半導(dǎo)體發(fā)射閾值: :AgWEE能夠有效吸收光子的電能夠有效吸收光子的電子大多處在價(jià)帶頂附近子大多處在價(jià)帶頂附近 基本概念：基本概念：真空能級(jí)真空能級(jí)E E0 0 電磁真空中靜止電子能量（體外自由電子最小能量）電磁真空中靜止電子能量（體外自由電子最小能量）電子親和勢(shì)電子親和勢(shì)E EA A 真空能級(jí)與導(dǎo)帶底能級(jí)之差稱為電子親和勢(shì)真空能級(jí)與導(dǎo)帶底能級(jí)之差稱為電子親和勢(shì) 第二節(jié)第二節(jié) 半導(dǎo)體的光電效應(yīng)半導(dǎo)體的光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)光電子發(fā)射效應(yīng)光電子發(fā)射效應(yīng)光電轉(zhuǎn)換的光電轉(zhuǎn)換的兩個(gè)概兩個(gè)概念念4.4.

33、光電轉(zhuǎn)換的光電轉(zhuǎn)換的兩個(gè)概念兩個(gè)概念 的光子數(shù)每秒入射波長(zhǎng)為數(shù)每秒產(chǎn)生的平均光電子探測(cè)器類型探測(cè)器類型（）（）光電導(dǎo)探測(cè)器（本征）光電導(dǎo)探測(cè)器（本征）60光電導(dǎo)探測(cè)器（非本征）光電導(dǎo)探測(cè)器（非本征）30光伏探測(cè)器光伏探測(cè)器60光電子發(fā)射探測(cè)器光電子發(fā)射探測(cè)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， 吸收系數(shù)吸收系數(shù)大，大，吸收厚長(zhǎng)度吸收厚長(zhǎng)度l lx x要大要大例如，在探測(cè)器入射面鍍上高透射率的抗反射層；例如，在探測(cè)器入射面鍍上高透射率的抗反射層；利用微型諧振腔的光場(chǎng)諧振以增強(qiáng)吸收等。利用微型諧振腔的光場(chǎng)諧振以增強(qiáng)吸收等。100原因：反射、

34、透射、散射等原因：反射、透射、散射等 光電增益光電增益 PPMIIqNqhv外部光電流單位時(shí)間外電路產(chǎn)生的電荷數(shù)內(nèi)部光電流單位時(shí)間探測(cè)器產(chǎn)生的的電荷數(shù)光電導(dǎo)探測(cè)器：光電導(dǎo)探測(cè)器：M M可以大于可以大于1 1光電三極管：光電三極管： M M10102 2雪崩光電二極管：雪崩光電二極管：M M10103 3光電倍增管：光電倍增管：M M1063.3 3.3 光電探測(cè)器的噪聲光電探測(cè)器的噪聲噪聲的表示方法噪聲的表示方法噪聲分類噪聲分類探測(cè)器噪聲探測(cè)器噪聲噪聲等效電路噪聲等效電路(b)(b)(c)(c)探探測(cè)測(cè)器器放放大大器器示波器示波器(a)(a)光光入射光功率較大時(shí)：入射光功率較大時(shí)：正弦信號(hào)正弦

35、信號(hào)降低入射光功率，增大放大率：降低入射光功率，增大放大率：帶毛刺的正弦信號(hào)帶毛刺的正弦信號(hào)入射光功率再降低時(shí)：入射光功率再降低時(shí)：正弦波幅度被噪聲完全埋沒(méi)正弦波幅度被噪聲完全埋沒(méi)對(duì)入射光功對(duì)入射光功率正弦調(diào)制率正弦調(diào)制隨機(jī)的，瞬間的幅度不能預(yù)知的起伏，其長(zhǎng)時(shí)間的隨機(jī)的，瞬間的幅度不能預(yù)知的起伏，其長(zhǎng)時(shí)間的平均值為零。平均值為零。所以不能用其平均值表示噪聲所以不能用其平均值表示噪聲噪聲的基本概念噪聲的基本概念噪聲的表示方法噪聲的表示方法均方噪聲均方噪聲 均方根噪聲均方根噪聲 時(shí)域時(shí)域 頻域頻域 功率譜功率譜 均方噪聲均方噪聲 多個(gè)噪聲源多個(gè)噪聲源（互不相關(guān)）（互不相關(guān)） 222212nknnn

36、iiii 總220221 ( ) ( )( )Tnnii tidtTi tiit 平平均均平平均均代表代表電阻上產(chǎn)生的功率電阻上產(chǎn)生的功率201 ( )TPi tiRdtT 平平均均只有均方噪聲具有疊加特性只有均方噪聲具有疊加特性均方根噪聲均方根噪聲 1222( )nniit 這正是我們用電流表所這正是我們用電流表所測(cè)量到的那種有效電流測(cè)量到的那種有效電流22n022n02n01( )1( )1( )TTTPRiRi tdtTii tdtTii tdtT 有有效效有有效效有有效效功率譜功率譜S(f)S(f)噪聲自相關(guān)函噪聲自相關(guān)函數(shù)的傅立葉變換數(shù)的傅立葉變換 22( )nniit 代表頻率為代

37、表頻率為f f的噪聲在的噪聲在電阻上產(chǎn)生的功率電阻上產(chǎn)生的功率均方噪聲均方噪聲 代表各種頻率噪聲的集合代表各種頻率噪聲的集合在在電阻上產(chǎn)生的功率電阻上產(chǎn)生的功率2( )niS f df2niSf均方噪聲與功率譜聯(lián)系均方噪聲與功率譜聯(lián)系 功率譜為常數(shù)：功率譜為常數(shù)： 功率譜不為常數(shù)：功率譜不為常數(shù)： ff為頻帶寬度為頻帶寬度 用等效帶寬用等效帶寬ff表述表述 2( )niS ff 01mfS f dfS 噪聲分類：噪聲分類： 噪聲影響信號(hào)（特別是弱信號(hào)）的測(cè)量和處理噪聲影響信號(hào)（特別是弱信號(hào)）的測(cè)量和處理探測(cè)器的噪聲探測(cè)器的噪聲1熱噪聲熱噪聲2. 散粒噪聲散粒噪聲3產(chǎn)生復(fù)合噪聲產(chǎn)生復(fù)合噪聲 41

38、/f 噪聲噪聲 5溫度噪聲溫度噪聲 1 1熱噪聲熱噪聲(Johnson(Johnson噪聲噪聲) )熱噪聲是由于載流子的瞬時(shí)熱運(yùn)動(dòng)而引起電流或熱噪聲是由于載流子的瞬時(shí)熱運(yùn)動(dòng)而引起電流或電壓的瞬時(shí)擾動(dòng)。電壓的瞬時(shí)擾動(dòng)。 22nrnr44kTiSff ,ukTRfRff為測(cè)量的頻帶等效寬度，為測(cè)量的頻帶等效寬度，R R為器件輸入電阻實(shí)部為器件輸入電阻實(shí)部 熱噪聲：熱噪聲： 白噪聲白噪聲2. 2. 散粒噪聲（散粒噪聲（ShotShot噪聲）噪聲）它猶如射出的散粒無(wú)規(guī)則地落在靶上所呈現(xiàn)的起它猶如射出的散粒無(wú)規(guī)則地落在靶上所呈現(xiàn)的起伏。這種隨機(jī)起伏所形成的噪聲稱為散粒噪聲。伏。這種隨機(jī)起伏所形成的噪聲稱

39、為散粒噪聲。光電管中的光電子從陰極表面逸出的隨機(jī)性；光電管中的光電子從陰極表面逸出的隨機(jī)性；PNPN結(jié)中載流子通過(guò)結(jié)區(qū)的隨機(jī)性；結(jié)中載流子通過(guò)結(jié)區(qū)的隨機(jī)性；入射到探測(cè)器上的光子的隨機(jī)性入射到探測(cè)器上的光子的隨機(jī)性2ns2eiSfIfI I為器件輸出平均電流為器件輸出平均電流 散粒噪聲：白噪聲散粒噪聲：白噪聲 3 3產(chǎn)生復(fù)合噪聲產(chǎn)生復(fù)合噪聲在半導(dǎo)體器件中，在一定溫度和光照下，瞬間在半導(dǎo)體器件中，在一定溫度和光照下，瞬間載流子的產(chǎn)生數(shù)和復(fù)合數(shù)是有起伏的，于是載載流子的產(chǎn)生數(shù)和復(fù)合數(shù)是有起伏的，于是載流子濃度的起伏引起電導(dǎo)率的起伏，由此造成流子濃度的起伏引起電導(dǎo)率的起伏，由此造成器件輸出電流的噪聲叫

40、做復(fù)合噪聲器件輸出電流的噪聲叫做復(fù)合噪聲 產(chǎn)生復(fù)合噪聲不再是產(chǎn)生復(fù)合噪聲不再是“白白”噪聲？噪聲？ 222041 (2) nIiS fffNf I I總平均電流，總平均電流，N N0 0總的自由載流子數(shù)，總的自由載流子數(shù)，載流子壽命，載流子壽命，f f測(cè)量噪聲的頻率測(cè)量噪聲的頻率 4 41/1/f f 噪聲噪聲1/1/f f 噪聲通常又稱為電流噪聲噪聲通常又稱為電流噪聲 也稱為閃爍噪聲或過(guò)剩噪聲也稱為閃爍噪聲或過(guò)剩噪聲 2nfcIiS ffff低頻區(qū)：低頻區(qū)： 300Hz300Hz以下以下機(jī)理目前機(jī)理目前尚不清楚尚不清楚a a、由實(shí)驗(yàn)測(cè)量、由實(shí)驗(yàn)測(cè)量 5 5溫度噪聲（熱探測(cè)器獨(dú)有）溫度噪聲（熱

41、探測(cè)器獨(dú)有）熱探測(cè)器中由于器件本身吸收和傳導(dǎo)等的熱交換熱探測(cè)器中由于器件本身吸收和傳導(dǎo)等的熱交換引起的溫度起伏引起的溫度起伏 G Gt t為器件的熱導(dǎo)，為器件的熱導(dǎo)，t t=C=Ct t/G/Gt t為器件的熱時(shí)間常數(shù)為器件的熱時(shí)間常數(shù)222412nttkTtfGf221tf224ntkTftG低頻低頻低頻溫度噪聲也有白噪聲性質(zhì)低頻溫度噪聲也有白噪聲性質(zhì)光電倍增管：散粒噪聲、光電倍增管：散粒噪聲、1/f1/f噪聲噪聲光敏電阻：熱噪聲、產(chǎn)生光敏電阻：熱噪聲、產(chǎn)生復(fù)合噪聲、復(fù)合噪聲、1/f1/f噪聲噪聲光伏器件：光電流、暗電流的散粒噪聲、光伏器件：光電流、暗電流的散粒噪聲、PNPN結(jié)漏結(jié)漏電阻電阻

42、RshRsh的熱噪聲的熱噪聲熱探測(cè)器：溫度噪聲、熱噪聲熱探測(cè)器：溫度噪聲、熱噪聲噪聲等效電路噪聲等效電路光電探測(cè)器光電探測(cè)器放大電路放大電路放大電路放大電路VsVsR R放大電路放大電路IsIsR RIsIs放大電路放大電路R R2ni放大電路放大電路IsIsR R 多個(gè)噪聲源多個(gè)噪聲源（互不相關(guān)）（互不相關(guān)） 222212nknnniiii 總一個(gè)噪聲源一個(gè)噪聲源兩個(gè)噪聲源兩個(gè)噪聲源IsIs放大電路放大電路R R21ni22ni放大電路放大電路R R21ni22ni那那個(gè)個(gè)等等效效正正確確科科10103.43.4、探測(cè)器的主要特性參數(shù)、探測(cè)器的主要特性參數(shù)l量子效率 l響應(yīng)率（或積分靈敏度）

43、l光譜響應(yīng)率 l頻率響應(yīng) l等效噪聲功率和探測(cè)率 量子效率量子效率l一定波長(zhǎng)的光子入射到光電探測(cè)器件上時(shí)，所產(chǎn)生的光電子或光生載流子的數(shù)量與入射的光子數(shù)之比值叫做量子效率。heIpeesNN)()()()()(響應(yīng)率（或積分靈敏度）響應(yīng)率（或積分靈敏度）l探測(cè)器的輸出電壓Vs或電流Is與入射的輻射通量e之比。電壓響應(yīng)率：，單位：v/w。 電流響應(yīng)率：，單位：A/w esVVSeSIIs光譜響應(yīng)率光譜響應(yīng)率l在波長(zhǎng)為的單色光照射下，或 。l光譜響應(yīng)率與量子效率是同一物理量的兩種表示方法：)()(esVVS)()(eSIIs1024)()()()()(IIeSSehcSheI頻率響應(yīng)頻率響應(yīng) l對(duì)

44、脈沖光信號(hào)：響應(yīng)時(shí)間表示探測(cè)器的惰性l上升弦：l下降弦：l通常情況：10( )(1)tsI tIe20( )tsI tI e21 時(shí)，時(shí)，相應(yīng)的功率為相應(yīng)的功率為1/21/2。稱稱為探測(cè)器的上限頻率為探測(cè)器的上限頻率l用一定振幅的正弦調(diào)制光照射探測(cè)器時(shí) f=0時(shí)的響應(yīng)率0122( )1 (2) IISSff 0IS210f00.707IISS等效噪聲功率和探測(cè)率等效噪聲功率和探測(cè)率 l當(dāng)探測(cè)器輸出信號(hào)電流Is（或電壓Vs）等于噪聲的均方根電流 （或電壓 ）時(shí)，所對(duì)應(yīng)的入射輻射通量 ，稱為等效噪聲功率 。 2ni2nVe22nIsnieSIiNEPseIIS探測(cè)器接收面積，探測(cè)器接收面積， 帶寬

45、帶寬l探測(cè)率21nIiSNEPD12*()dNEPNEPAf12*1()dDD AfNEPfANEPddAf歸一化參數(shù)歸一化參數(shù)因?yàn)橐驗(yàn)閘歸一化探測(cè)率參數(shù)通常附有測(cè)量條件：l指定光源（探測(cè)器光譜響應(yīng)與光源的光譜匹配的越好，探測(cè)率就越高）l指定信號(hào)頻率（探測(cè)器噪聲與頻率有關(guān)）l指定測(cè)量帶寬l例：D*（500k，900，1）l光源為500k的黑體l調(diào)制頻率為900Hzl測(cè)量帶寬為1Hz線性線性 l線性是指探測(cè)器的輸出電流（或電壓）與輸入光的輻通量成正比例的程度和范圍 l線性l不易失真l易標(biāo)定3.5 探測(cè)器的主要參數(shù)測(cè)試探測(cè)器的主要參數(shù)測(cè)試l探測(cè)器說(shuō)明書(shū)有主要參數(shù)，為何還要測(cè)試？探測(cè)器說(shuō)明書(shū)有主要參

46、數(shù)，為何還要測(cè)試？l說(shuō)明書(shū)中的參數(shù)是典型值，由于制造工藝的離說(shuō)明書(shū)中的參數(shù)是典型值，由于制造工藝的離散性，實(shí)際參數(shù)往往偏離典型值散性，實(shí)際參數(shù)往往偏離典型值l光譜響應(yīng)率函數(shù)的測(cè)試光譜響應(yīng)率函數(shù)的測(cè)試l響應(yīng)率的測(cè)試響應(yīng)率的測(cè)試l線性的測(cè)試線性的測(cè)試光譜響應(yīng)率函數(shù)的測(cè)試光譜響應(yīng)率函數(shù)的測(cè)試l標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器法標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器法l光譜響應(yīng)率函數(shù)已知光譜響應(yīng)率函數(shù)已知l光譜功率分布標(biāo)準(zhǔn)燈法光譜功率分布標(biāo)準(zhǔn)燈法l光譜功率分布已知光譜功率分布已知標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器法標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器法111( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )rrrstsiTSiTS 1( )( )( )( )( )( )rrrstsSiSi

47、 步驟步驟1 1：測(cè)參：測(cè)參考及標(biāo)準(zhǔn)探考及標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器電流測(cè)器電流-(1)分束器分束器顯示顯示顯示顯示聚光鏡聚光鏡單色儀單色儀參考探測(cè)器參考探測(cè)器放大放大放大放大標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)1( )( )T( )r( )t 222( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )rrrtttiTSiTS 2( )( )( )( )( )( )rstttrSiSi 步驟步驟2 2：測(cè)參：測(cè)參考及被測(cè)探考及被測(cè)探測(cè)器電流測(cè)器電流-(2)分束器分束器顯示顯示顯示顯示聚光鏡聚光鏡單色儀單色儀參考探測(cè)器參考探測(cè)器放大放大放大放大被測(cè)被測(cè)2( )( )T( )r( )t 1( )( )( )( )( )( )rrrs

48、tsSiSi -(1)-(2)2( )( )( )( )( )( )rstttrSiSi 12( )( )( )( )( )( )trtsrsiiSSii( )( )rt 1( )( )( )( )( )( )rrrstsSiSi -(1)如果如果 已知，在步驟已知，在步驟1 1直接用被測(cè)探測(cè)器代替直接用被測(cè)探測(cè)器代替參考探測(cè)器，即可得到參考探測(cè)器，即可得到 ，為什么還要第，為什么還要第2 2步？步？( )tS( )( )rt 答：由于分束器的反射和透射對(duì)波長(zhǎng)的敏感性答：由于分束器的反射和透射對(duì)波長(zhǎng)的敏感性, ,分分束器的束器的 也是待標(biāo)定量也是待標(biāo)定量l標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器通常采用光譜響應(yīng)平坦的熱電偶和標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器通常采用光譜響應(yīng)平坦的熱電偶和熱釋電探測(cè)器熱釋電探測(cè)器l幾種分束器結(jié)構(gòu)幾種分束器結(jié)構(gòu)MDrDt/DsDsDtMDrDt/DsDrDs積分球積分球測(cè)量固體物質(zhì)的漫反射譜測(cè)量固體物質(zhì)的漫反射譜 工作原理：工作原理：輸入孔入射輸入孔入射球內(nèi)表面無(wú)數(shù)次均勻漫射球內(nèi)表面無(wú)數(shù)次均勻漫射球面球面上均勻的光強(qiáng)分布上均勻的光強(qiáng)分布