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第三章 (2)探测器

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第三章 (2)探测器null3.2 光电导效应3.2 光电导效应光电效应——入射光子与物质中的电子相 互作用并产生载流子的效应。 外光电效应:向物质外部发射光电子 光电发射效应 内光电效应:只在物质内部产生光电子 光电导效应 光伏效应null3.2.1 半导体中的载流子载流子:半导体中参与导电的自由电子和自由空穴;半导体的电学性质与材料的载流子浓度有关载流子浓度:单位体积内的载流子数;本征半导体:ni = pi , ni 大,导电性就高;随T升 ...
第三章 (2)探测器
null3.2 光电导效应3.2 光电导效应光电效应——入射光子与物质中的电子相 互作用并产生载流子的效应。 外光电效应:向物质外部发射光电子 光电发射效应 内光电效应:只在物质内部产生光电子 光电导效应 光伏效应null3.2.1 半导体中的载流子载流子:半导体中参与导电的自由电子和自由空穴;半导体的电学性质与材料的载流子浓度有关载流子浓度:单位体积内的载流子数;本征半导体:ni = pi , ni 大,导电性就高;随T升 高而增大,随Eg增加而减小;N型半导体:nn >> pn , 室温下,nn = ND(施主浓度) P型半导体:np << pp , 室温下,np = NA(受主浓度) null一、 热平衡状态下的载流子浓度热平衡条件下,导带中的电子浓度和空穴浓度分别: n = Nce -(Ec-Ef)/kT p = Nve -(Ef-Ev)/kT Nc 、 Nv分别是导带和价带的有效能态密度。说明:自由电子浓度和自由空穴浓度都是温度的函数,随温度的增加而增大。两式相乘: n p= NcNve -(Ec-Ev)/kT = NcNve -(Eg)/kT说明:半导体中电子、空穴浓度的乘积与费米能级无关;禁带宽度Eg越小,浓度越大,导电性越好。null本征半导体:ni = pi =(NcNv)1/2e -(Eg)/2kT n p = ni 2 —— 半导体的平衡态判据 热平衡状态下,载流子浓度是一稳定值。 即:电子、空穴浓度积与半导体的导电类型及电 子、空穴各自的浓度无关。N型半导体:nn >> pn , nn = ND(施主浓度), pn = ni 2 / ND P型半导体:np << pp , np = NA(受主浓度), np = ni 2 / NA null半导体在外界条件有变化(如受光照、外电场作用、温度变化)时,载流子浓度要随之发生变化,此时系统的状态称为非热平衡态。载流子浓度对于热平衡状态时浓度的增量称为非平衡载流子。二、 非平衡状态下的载流子本征吸收h≥Eg0Max= hc/Egnull杂质吸收0=hc/Ed=1.24/Ed (μm·eV) 半导体对光的吸收主要是本征吸收。半导体吸收光子能量而转换成电能是光电器件工作的基础。null非平衡载流子 在光照过程中,产生光生载流子。自由载流子浓度比热平衡时的浓度大。 当光照停止,光致产生率为零,复合使非平衡载流子浓度逐渐减少,最后系统恢复热平衡状态。 光照时多子的浓度几乎不变,少子的浓度却大大增加,即:半导体光电器件对光的响应都是少子的行为。null载流子的扩散与漂移扩散 载流子因浓度不均匀而发生的从浓度高的点向浓度低的点运动。 光在受照面很薄一层内即被吸收掉。受光部分将产生非平衡载流子,其浓度随离开表面距离x的增大而减小,因此非平衡载流子就要沿x方向从表面向体内扩散,使自己在晶格中重新达到均匀分布。null图为光注入,非平衡载流子扩散示意图null漂移 半导体受到外电场作用时,电子向正电极方向运动,空穴向负电极方向运动。 电流密度: 电导率与迁移率的的关系 导电粒子出现定向运动,必然是受到外加电场的作用,但不同材料中的导电粒子在相同的外加电场下,速率是很不同的,与材料的内部结构有关,迁移率描述内部机制对电子和空穴运动的影响。材料迁移率:描述内部机制对电子和空穴运动的影响,null 电流密度: 对于N型半导体: 材料迁移率: 因此, (N型半导体) (P型半导体) 结论:电导率决定于其载流子密度和迁移率。null当扩散和漂移同时存在时,总的电子电流密度和空穴电流密度分别为: 总电流密度为:null一、光电导效应:光照变化引起半导体材料电导变化的现象。 当光照射到半导体材料时,材料吸收光子的能量,使非传导态电子变为传导态电子,引起载流子浓度增大,因而导致材料电导率增大。3.2.2 光电导效应null决定材料的三个微观因素: 导电粒子的数目 导电粒子的荷电量 定向迁移率 说明决定于其载流子密度和迁移率。要增加, 只有提高载流子密度。null稳态光电导 半导体无光照时为暗态,此时材料具有暗电导; 有光照时为亮态,此时具有亮电导。 如果给半导体材料外加电压,通过的电流有暗电流与亮电流之分。亮电导与暗电导之差称为光电导,亮电流与暗电流之差称为光电流。null 当光入射到材料内,入射光子与材料价带中的电子相互作用,若能使电子进入导带,则出现光生载流子对,从而增加了导电粒子的浓度,则光电导(光照后电导率的增量)null暗态下: Gd =σd ·A/L,        Id= GdU=σd ·AU/L 亮态下: Gl =σl ·A/L,           Il = GlU=σl ·AU/L 亮态与暗态之差               Gp= Gl – Gd = (σl -σd)·A/L=Δσ·A/L               Ip=Il – Id = (Gl -Gd)·U=Δσ·AU/L A:半导体材料横截面面积; L:半导体材料长度 I:电流; U:外加电压 G:电导; σ:电导率 Δσ:光致电导率的变化量 下标d代表暗,l代表亮,p代表光。null在光照下,设单位时间内产生N个电子空穴对,则光生电子和空穴浓度:光电流:光电导增益:M表示在长为L的光电导体两端加上电压后,由光照 产生的光生载流子在电场作用下所形成的外部电流与 光生载流子形成的内部电流之比。null因为光电子在两极的渡越时间为:故:对本征型光电导器件,设 :结论:减小L,则tr减小,有利于增大M,但L太 小,将使受光面太小,不利于对光的吸收。二、响应时间二、响应时间光电导的张弛过程:当用一个理想方波脉冲辐射照射光电导器件时,光生电子要有产生的过程,光生电导率Δσ要经过一定的时间才能达到稳定。当停止辐射时,复合光生载流子也需要时间。原因:非平衡载流子的产生与复合都不是立即完成 的。null光电导器件在光照下,光生载流子随时间变化的规律为 当 t =τr时,Δn =0.63Δn0,IΦ=0.63IΦe0; τr定义为光敏电阻的上升时间常数; 停止辐射时,当 t =τf时,Δn =0.37Δn0, 下降时间常数。 null显然,在弱辐射作用下的上升时间常数τr与下降时间常数τf近似相等。 结论:光电导张弛过程的时间常数就是载流子 的寿命。null在正弦型光照下,当 时, ,有上限截止频率或3dB带宽结论:材料的光电灵敏度与频率带宽是相互制约的。增益带宽积null3.2.3 光敏电阻原理:光敏电阻阻值对光照特别敏感,是一种典型的利用光电导效应制成的光电探测器件。当光照射到半导体材料时,材料吸收光子的能量,使非传导态电子变为传导态电子,引起载流子浓度增大,因而导致材料电导率增大。无光照时,光敏电阻的阻值很大,电路中的电流很小; 有光照时,光生载流子迅速增加,阻值急剧减小,在电路中形成电流。一、结构与材料一、结构与材料组成:它由一块涂在绝缘基底上的光电导材料薄膜和两端接有两个引线,封装在带有窗口的金属或塑料外壳内 。电极和光电导体之间呈欧姆接触。常见光敏电阻常见光敏电阻硫化镉(CdS)光敏电阻 可见光波段最灵敏的光电导器件 峰值波长0.52µm,掺铜和氯后向远红外区域延伸 时间常数与入射照度有关(100lx为几十ms) 用于自动控制灯光、自动调光调焦、自动照相机 硫化铅(PbS)光敏电阻 近红外波段灵敏1~3.5μm , 在2μm附近的红外辐射的探测灵敏度很高,因此,常用于火灾的探测等领域。 特性与工作温度有关 响应时间太长(室温下为100~300µs)null锑化铟(InSb)光敏电阻 液氮温度(77K)时峰值波长(5µm),刚好在大气窗口3~5µm范围内 响应时间为1µs 室温下长波极限可达7.5µm 碲镉汞(HgCdTe)光敏电阻 是目前所有探测器中性能最优良、最有前途的探测器 对8~14 m大气窗口波段的探测更为重要,峰值波长为10.6 m,可与CO2激光器的激光波长相匹配 是由HgTe和CdTe两种材料的晶体混合制造的,由于配制Cd组分(x量,一般为1.8~0.4)的不同,可得到不同的禁带宽度,从而制造出波长响应范围不同的Hg1-xCdxTe探测器,1~3 m 、3~5 m 、 8~14 m 是近红外、中红外探测器中性能最优良的探测器null碲锡铅(PbSnTe)光敏电阻 由于配制Sn的组分含量不同,禁带宽度也不同,峰值波长及长波限也随之改变,但它的禁带宽度变化范围不大 目前只能工作在8~10µm波段,由于探测率较低,应用不广泛 Pb0.83Sn0.17Te探测器,77K时,峰值波长与CO2激光器的10.6 m激光波长相吻合,长波限为11 m 锗掺杂探测器 其特点是响应时间较短(10-6~10-8S),要求工作温度低 工作在绝对温度2K时,其探测波长可达130 m,这是其它探测器所不能达到的二、光敏电阻的基本特性 二、光敏电阻的基本特性 1. 光电特性 光敏电阻为多数电子导电的光电敏感器件。光敏电阻的基本特性参数包含光电导特性、时间响应、光谱响应、伏安特性与噪声特性等。 光敏电阻在黑暗的室温条件下,由于热激发产生的载流子使它具有一定的电导,该电导称为暗电导 。 当有光照射在光敏电阻上时,它的电导将变大,这时的电导称为光电导。 光电流与照度的关系称为光电特性。电导随光照量变化越大的光敏电阻就越灵敏。null 如图所示的特性曲线反应了流过光敏电阻的电流Ip与入射光照度E间的变化关系,可见它是由直线性渐变到非线性的。 在恒定电压的作用下,流过光敏电阻的光电流Ip为 式中Sg为光电导灵敏度,单位为S/lx,决定于材料特性;电压指数=1;照度指数为0.5(强光)-1(弱光);E为光敏电阻的照度。显然,当照度很低时,曲线近似为线性;随照度的增高,线性关系变坏,当照度变得很高时,曲线近似为抛物线形。null光敏电阻的光谱响应主要由光敏材料禁带宽度、杂质电离能、材料掺杂比与掺杂浓度等因素有关。 2. 光谱特性 光谱特性曲线反映了光谱灵敏范围、峰值波长及波长与灵敏度的关系。null光敏电阻的频率特性差,不适于接收高频信号。 3. 频率特性 4. 伏安特性 不同光照下加在光敏电阻两端的电压U与流过它的电流Ip的关系曲线,并称其为光敏电阻的伏安特性。 光敏电阻的伏安特性曲线很好,在一定光照下阻值稳定 。null5. 温度特性 如图所示为典型CdS与CdSe光敏电阻在不同照度下的温度特性曲线。以室温(25℃)的相对光电导率为100%,观测光敏电阻的相对光电导率随温度的变化关系,可以看出光敏电阻的相对光电导率随温度的升高而下降,光电响应特性随着温度的变化较大。 null6. 前历效应 光敏电阻的时间特性与工作前“历史”有关的现象。 暗态前历:光电流上升慢 亮态前历:时间短7. 噪声特性 光敏电阻的主要噪声有热噪声、产生复合噪声和低频噪声(或称1/f噪声)。 null优点: 灵敏度高,光电导增益大于1,工作电流大,无极性之分 光谱响应范围宽,尤其对红外有较高的灵敏度 所测光强范围宽,可测强光、弱光 不足: 强光下光电转换线性差 光电导弛豫时间长 受温度影响大 由伏安特性知,负载时,应考虑额定功耗 进行动态设计时,应考虑光敏电阻的前历效应 三、 光敏电阻的偏置电路三、 光敏电阻的偏置电路1. 基本偏置电路 设在某照度Ev下,光敏电阻的阻值为R,电导为g,流过偏置电阻RL的电流为IL 光照变化时, 而,dR=d(1/g)=(-1/g )dg dg=S dE 因此 22gvnull设iL=dIL,ev=dEv,则 加在光敏电阻上的电压为R与RL对电压Ubb的分压,即UR=R/(R+RL) Ubb,因此,光电流的微变量为 所以得 光敏电阻的应用光敏电阻随温度变化大,线性差,故不适于作精密测量。 但因其小巧、结构紧凑、价格低廉、能通过较大的电流,广泛用于控制装置中。 光控继电器 路灯自动熄亮装置 白炽灯调光软开关 光、感双控自动开关 光控防盗报警器 测光文具盒 光敏电阻的应用七.电子鞭炮 八.光控变阻器 九.光电变位检测器 十. 外测曝光表 十一.内测曝光表与电子快门 十二.浓度计 十三.追光机器人
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