光輻射探測(cè)器

光輻射探測(cè)器第一頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日光熱效應(yīng)

PhotothermalEffect光輻射光敏材料吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，溫度變化T材料物理性質(zhì)變化電信號(hào)光熱效應(yīng)的一般機(jī)理：輻射吸收系數(shù)，輻射通量，T溫度變化，Ct材料熱容量，Gt器件與環(huán)境的熱導(dǎo)率被調(diào)制的輻射通量：時(shí)間無(wú)關(guān)項(xiàng)：時(shí)間相關(guān)項(xiàng)：低頻：t=Ct/Gt高頻：第二頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日光熱效應(yīng)

PhotothermalEffect光熱效應(yīng)器件的特點(diǎn)：1、響應(yīng)時(shí)間較慢2、響應(yīng)的波長(zhǎng)范圍寬(紫外到40um)3、響應(yīng)靈敏度與波長(zhǎng)依賴性弱主要器件：測(cè)輻熱電偶、測(cè)幅熱敏電阻、高萊管、熱釋電探測(cè)器第三頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日光電效應(yīng)

PhotoelectricEffect光電效應(yīng)：光波與物質(zhì)相互作用，產(chǎn)生或釋放出電子，從而產(chǎn)生電壓或電流的物理現(xiàn)象光電效應(yīng)主要有以下三類：1、光電導(dǎo)效應(yīng)光敏電阻2、光伏效應(yīng)（PN結(jié)光電效應(yīng)）光電池、光電二三極管、光電場(chǎng)效應(yīng)管3、光電發(fā)射效應(yīng)光電管、光電倍增管光電效應(yīng)特點(diǎn)：1、響應(yīng)較快（ps～s量級(jí)）2、半導(dǎo)體光電器件體積較小3、量子效率較高第四頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日半導(dǎo)體基本概念－能帶

BasicConceptofSemiconductor—EnergyBand能帶的形成固體的導(dǎo)電性第五頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日半導(dǎo)體基本概念－能帶

BasicConceptofSemiconductor—EnergyBand半導(dǎo)體的能帶特征：1、所有電子剛好填滿價(jià)帶，絕對(duì)零度不能導(dǎo)電2、導(dǎo)帶絕對(duì)零度為空帶，即無(wú)電子占據(jù)，可以導(dǎo)電3、禁帶Eg較小，常溫下有一定導(dǎo)電能力第六頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日光子與半導(dǎo)體相互作用

InteractionBetweenPhotonandSemiconductor導(dǎo)帶激發(fā)出電子價(jià)帶激發(fā)出空穴半導(dǎo)體載流子第七頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日常溫下半導(dǎo)體的統(tǒng)計(jì)特性

SemiconductorStatisticsatnormaltemperature態(tài)密度g(E):單位能量單位體積內(nèi)在能帶中的電子狀態(tài)數(shù)(特征波函數(shù)的個(gè)數(shù))，在導(dǎo)帶低和價(jià)帶頂g(E)(E-Ec)1/2和(Ev-E)1/2熱平衡時(shí)，電子滿足費(fèi)米分布，即在某一能態(tài)找到電子的幾率。導(dǎo)帶的電子濃度:價(jià)帶的空穴濃度:第八頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日根據(jù)導(dǎo)帶電子濃度計(jì)算公式，可得常溫下半導(dǎo)體的統(tǒng)計(jì)特性

SemiconductorStatisticsatnormaltemperature當(dāng)E-Ec>>kBT時(shí)，在非簡(jiǎn)并的半導(dǎo)體中，費(fèi)米分布近似為同時(shí)也可以得，價(jià)帶空穴濃度，這里，NC、NV稱分別為導(dǎo)帶和價(jià)帶的有效能態(tài)密度物質(zhì)作用定律：ni為本征濃度結(jié)論：在熱平衡時(shí)，“空穴”和電子濃度乘積與半導(dǎo)體類型、電子空穴濃度無(wú)關(guān)第九頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日N型半導(dǎo)體

N-typeSemicondutor砷有五個(gè)價(jià)電子，形成共價(jià)鍵后，多出一個(gè)自由電子，受砷離子作用，形成類氫原子結(jié)構(gòu)。利用氫原子模型可以算得，這電子須獲得0.05eV的能量才能到達(dá)導(dǎo)帶形成載流子。這種五價(jià)的原子承擔(dān)提供電子的作用，稱為施主雜質(zhì)（DonorImpurity)，kBT~0.025eV電導(dǎo)率：＝ene＋ephNde

e第十頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日P型半導(dǎo)體

P-typeSemicondutor硼B(yǎng)有三個(gè)價(jià)電子，形成共價(jià)鍵后，周圍的硅原子缺一電子形成共價(jià)鍵，形成一“空穴”。當(dāng)外面電子過(guò)來(lái)填補(bǔ)這一空缺后，硼原子變成負(fù)離子，“空穴”將遠(yuǎn)離硼離子，但更外面的電子更難靠近硼離子，因此等效于“空穴”收到硼離子的吸引力。同樣形成類氫原子結(jié)構(gòu)。利用氫原子模型可以算得，這空穴須獲得0.05eV的能量才能到達(dá)價(jià)帶形成載流子。這種三價(jià)原子承擔(dān)接受電子的作用，稱為受主雜質(zhì)（AcceptorImpurity）kBT~0.025eV電導(dǎo)率：＝ene＋ephNae

h第十一頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日P型和N型半導(dǎo)體

P-andN-typeSemicondutor所有情況滿足物質(zhì)作用定律：本征半導(dǎo)體：n＝p＝niP型半導(dǎo)體：p>n=ni2/p“空穴”為多數(shù)載流子，MajorityCarrier，電子為少數(shù)載流子，MinorityCarrier；pNan型半導(dǎo)體：n>p=ni2/n電子為多數(shù)載流子，MajorityCarrier，電子為少數(shù)載流子，MinorityCarrier；nNd第十二頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日半導(dǎo)體的PN結(jié)

PNJunctionofSemicondutor濃度差產(chǎn)生擴(kuò)散電流內(nèi)建電場(chǎng)E0，漂移電流平衡耗盡層高阻抗第十三頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日半導(dǎo)體的PN結(jié)

PNJunctionofSemicondutor由電荷守恒：高斯定理：電場(chǎng)與電壓關(guān)系：可得內(nèi)建電場(chǎng)E0和電壓V0，分別為利用玻爾茲曼分布和質(zhì)量作用定律，可得第十四頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日半導(dǎo)體的PN結(jié)

PNJunctionofSemicondutorpn結(jié)能帶圖第十五頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日半導(dǎo)體的PN結(jié)－正向偏壓

ForwardBias正向偏壓漂移電場(chǎng)減少擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)復(fù)合過(guò)程形成電流擴(kuò)散方程和復(fù)合方程：I0為常數(shù)，為pn結(jié)的真實(shí)修正因子可得正向偏壓電流第十六頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日半導(dǎo)體的PN結(jié)－反向偏壓

ReverseBias反向偏壓漂移電場(chǎng)增加漂移電流熱激發(fā)過(guò)程形成電流擴(kuò)散漂移方程和熱激發(fā)方程：I0為常數(shù)，反向電流與反向電壓幾乎沒(méi)有關(guān)系。通常在pA～nA量級(jí)常溫下擴(kuò)散漂移為主，可得反向偏壓電流第十七頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日半導(dǎo)體的PN結(jié)－反向偏壓

ReverseBias第十八頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日光電導(dǎo)效應(yīng)

Photoconductivity光照射半導(dǎo)體材料，激發(fā)出載流子，改變材料的電導(dǎo)率，稱為光電導(dǎo)效應(yīng)亮電導(dǎo)和暗電導(dǎo)之差為光電導(dǎo)；亮電流和暗電流之差為光電流光照的電導(dǎo)率改變量：光電流：光激發(fā)電子和空穴濃度：光電導(dǎo)增益M：渡越電極時(shí)間：t=L/v=L2/U，=e,h增益M簡(jiǎn)化為：M=/t結(jié)論：光生載流子壽命越長(zhǎng)，渡越時(shí)間越短，光電導(dǎo)增益越大第十九頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日光電導(dǎo)效應(yīng)－響應(yīng)時(shí)間

Photoconductivity－RespondPtOI(t)相對(duì)值tO0.630.371.00受階躍光作用時(shí)，光階躍關(guān)閉作用時(shí)，上兩式可得，如果受正弦調(diào)制光照射，以第一方程變?yōu)榻獾茫侯l率越高，激發(fā)的載流子越小，定義截止頻率fc，n為下降到所對(duì)應(yīng)的頻率。截止頻率：增益與帶寬之積為常數(shù)：第二十頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日光伏效應(yīng)

Photovoltage光照射在PN結(jié)的耗盡層，激發(fā)出電子－空穴對(duì)。在內(nèi)建電場(chǎng)作用下，電子和空穴分別流向N和P區(qū)，從而在P、N區(qū)兩端形成電位差，P為正，N為負(fù)，這稱為光伏效應(yīng)。＋－光照PN結(jié)的電流方程為：外電路短路時(shí)，短路電流：外電路開(kāi)路時(shí)，開(kāi)路電壓：第二十一頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日光電發(fā)射效應(yīng)

Photoemission當(dāng)超過(guò)一定頻率的光波照射金屬或半導(dǎo)體時(shí)，電子獲得光波的能量，克服材料的逸出功離開(kāi)材料表面，這現(xiàn)象稱為光電發(fā)射效應(yīng)，也稱外光電效應(yīng)電子逃逸材料的最大速度V，由愛(ài)因斯坦定律給出，閾值波長(zhǎng)：第二十二頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日光探測(cè)器的噪聲

NoisesofRadiationDetector噪聲決定了最小可探測(cè)的信號(hào)，噪聲主要兩種典型噪聲：(1)白噪聲（WhiteNoise）：一種與頻率無(wú)關(guān)的噪聲。(2)1/f噪聲（PinkNoise）：功率譜與1/f成正比的噪聲。噪聲主要使用均方電流和均方電壓描述，分別表示為第二十三頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日光探測(cè)器的噪聲

NoisesInRadiationDetector光探測(cè)器中主要固有噪聲：1、熱噪聲（存在于一切導(dǎo)體，熱運(yùn)動(dòng)造成）2、散粒噪聲或肖特基噪聲(a)電子流傳輸?shù)碾S機(jī)漲落(b)光子流傳輸?shù)碾S機(jī)漲落（量子噪聲)3、產(chǎn)生－復(fù)合噪聲半導(dǎo)體中載流子隨機(jī)的產(chǎn)生－復(fù)合，造成載流子的隨機(jī)起伏，引起導(dǎo)電率起伏。第二十四頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日光探測(cè)器的噪聲

NoisesInRadiationDetector光探測(cè)器中主要固有噪聲：4、1/f噪聲（存在于一切探測(cè)器，強(qiáng)度近似與1/f成正比）5、溫度噪聲器件吸收和傳導(dǎo)等熱交換引起溫度的起伏低頻時(shí)，具有白噪聲性質(zhì)第二十五頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日光探測(cè)器的噪聲

NoisesInRadiationDetector1/f噪聲產(chǎn)生復(fù)合噪聲散粒和熱噪聲第二十六頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日光探測(cè)器的性能參數(shù)

FeaturesandPerformanceparametersofRadiationDetector光探測(cè)器性能參數(shù)主要分為：1、光電特性和光照特性2、光譜特性3、等效噪聲功率和探測(cè)率光電特性：光電流和光通量關(guān)系I=F()光照特性：光電流和光照度關(guān)系I=F(L)線性度：光通量或光照度與光電流成比例程度線性范圍：某個(gè)工作范圍，光電流與光通量或光照度成比例光電器件對(duì)功率相同而波長(zhǎng)不同的入射光響應(yīng)不同。I=Fi()U=Fu()投射到探測(cè)器響應(yīng)平面上光通量產(chǎn)生的信號(hào)電流I(電壓)等于無(wú)入射時(shí)探測(cè)器的均方噪聲電流（電壓）,這時(shí)的入射光通量為最小可探測(cè)功率，即等效噪聲功率NEP（NoiseEquivalentPower）第二十七頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日光探測(cè)器的性能參數(shù)

FeaturesandPerformanceparametersofRadiationDetector4、響應(yīng)時(shí)間與頻率通常利用矩形脈沖信號(hào)，可以得到響應(yīng)時(shí)間和弛豫時(shí)間PtOI(t)相對(duì)值tO0.630.371.00截止頻率：第二十八頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日光熱探測(cè)器－熱敏電阻

PhotothermalDetector光熱探測(cè)器主要有熱敏電阻和熱釋電探測(cè)器1、熱敏電阻(Photoresistor)溫度改變電阻值

R=TRT熱敏電阻的溫度系數(shù)T＝R/(RT)常用材料：(a)Mn、Ni、Co、Cu氧化物(T~-4*10-2K-1)(b)Ge、Si、InSb半導(dǎo)體第二十九頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日光熱探測(cè)器－熱釋電探測(cè)器

PhotothermalDetector2、熱釋電探測(cè)器（PyroelectricEffect）溫度改變T原理：壓電晶體固有偶極距改變P材料表面的束縛電荷量改變Q為熱釋電系數(shù)Q壽命問(wèn)題：材料表面的束縛電荷量改變Q外部自由電荷中和束縛電荷Q消逝問(wèn)題解決：周期調(diào)制入射光小于Q壽命1～103s束縛電荷Q周期變化第三十頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日光熱探測(cè)器－熱釋電探測(cè)器

PhotothermalDetector熱釋電器件等效電路常用熱電晶體材料：硫酸散甘肽(TGS)、鉭酸鋰(LiTaO3)和壓電陶瓷材料RS＝1010第三十一頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日光電導(dǎo)器件

PhotoconductiveDevice1、光敏電阻光電特性Ip=SgUL1

弱光：＝1；強(qiáng)光：＝0.5

(b)光譜特性響應(yīng)對(duì)波長(zhǎng)具有選擇性，CdS在515～600nm之間。(c)頻率特性光敏電阻響應(yīng)較慢，ms量級(jí)。第三十二頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日光電導(dǎo)器件

PhotoconductiveDevice(d)伏安特性光敏電阻兩端電壓和流過(guò)的電流為伏安特性，如圖右所示(e)溫度特性溫度的變化引起光譜響應(yīng)、峰值等參數(shù)改變。(f)前歷效應(yīng)暗態(tài)前歷效應(yīng):光敏電阻處于暗態(tài)時(shí)間越長(zhǎng)，光照后光電流上升越慢。亮態(tài)前歷效應(yīng):光敏電阻已處于照亮狀態(tài)當(dāng)亮度變化時(shí)，光電流出現(xiàn)滯后的現(xiàn)象。第三十三頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日光電導(dǎo)器件

PhotoconductiveDevice(g)噪聲特性光敏電阻噪聲主要有:熱噪聲、產(chǎn)生－復(fù)合噪聲、1/f噪聲光敏電阻特點(diǎn)：(1)光譜響應(yīng)寬：紫外到紅外(2)工作電流大,幾個(gè)mA量級(jí)(3)所