光电检测技术教学课件作者胡涛第4章节课件

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1、第四章光子探测器件4.1光电探测器件的特性参数1光电器件的探测灵敏度光电器件的探测灵敏度又称为响应度，它定量描述光电器件输出的电信号和输入的光信号之间的关系。电压灵敏度电流灵敏度单色灵敏度(光谱灵敏度)积分灵敏度光谱灵敏度S(λ)两种光敏二极管的归一化响应谱4.1光电探测器件的特性参数2响应时间和频率响应对于响应时间来说，最直观的描述方法就是器件对时域脉冲的响应。(a)探测器输入光脉冲(b)探测器输出电信号光电器件对方形脉冲信号的时间响应特性另外一种描述器件时间特性的方法是利用频域特性来对光电器件进行表征。光电器件的频率响应

2、上限截止频率4.1光电探测器件的特性参数3噪声等效功率噪声等效功率就是一个和噪声相关的特性参数，又被称为最小可测功率Us/Un:器件的输出信噪比；Φs:入射光功率；Sv:光电器件的电压灵敏度。NEP值越小，器件性能更加优越。一个比较好的光电探测器的噪声等效功率约为10-11W的量级。4探测度D与比探测度D*归一化噪声等效功率比探测度D*考虑到器件的光谱响应特性，一般在D*给出响应波长λ、光辐射调制频率f和测量带宽Δf，即D*(λ，f，Δf)4.1光电探测器件的特性参数5量子效率对于特定的波长λ来说，单个光子的能量为hν=hc

3、/λ1一般来说，光电子的产生过程是电子通过吸收一个光子实现从低能态到高能态的跃迁形成的。此时，一个光子至多只能产生一个光电子，所以量子效率的值通常小于1。2对于有增益的光电器件来说(如光电倍增管)，光电子产生以后与输出电极之间具有增益机制，可以将光电流放大。此时，利用公式计算出来的量子效率就有可能大于1，但是这种情况不能表现出器件的微观特征4.2光敏电阻光电导效应光敏电阻是基于光电导效应原理，在光照条件下，通过改变自身的电阻率来实现测量任务的一种光电探测器。光电导效应示意图本征光电导电子跃迁过程杂质光电导电子跃迁过程本征光电

4、导本征吸收：需要入射光的光子能量大于材料的禁带宽度，即hν>Eg杂质光电导杂质吸收：需要入射光的光子能量大于材料的禁带宽度，即hν>Eg4.2光敏电阻常用的光电导探测器材料在可见光波段有：CdS、CdSe、CdTe、Si、Ge等;在近红外波段有：PbS、PbSe、InSb、Hg0.75Cd0.25Te等；在长于8微米波段有:Hg1-xCdxTe、PbxSn1-x、Te、Si掺杂、Ge掺杂等；CdS、CdSe、PbS等材料可以由多晶薄膜形式制成光电导探测器。光敏电阻的结构对于杂质光电导材料来说，由于材料中施主或受主的电离能比该

5、种材料的禁带宽度小很多，因此，响应波长也要比本征半导体材料的工作波长要长很多4.2光敏电阻常用的本征光电导材料的禁带宽度4.2光敏电阻光敏电阻特性参数光敏电阻主要特性是：光谱范围宽，灵敏度高，偏置电压低，器件无极性之分。光电导增益τ为器件响应时间；τdr为载流子在两级之间的渡越时间重要结论：光电器件的光电增益与带宽的乘积是一个常数，即AΔf=常数光电特性光敏电阻的光电导灵敏度：Sg=Gp/EGp:光敏电阻的光电导，单位为西门子(S，Ω-1)；E:照度，单位是勒克斯(lx)；在弱光照条件下有γ=1，在强光照下γ=1/2;欧姆接

6、触时，α=1；非欧姆接触时，α=1.1~1.2硫化镉光敏电阻的光电特性曲线光谱特性可见光波段灵敏的几种光敏电阻的光谱特性曲线1-硫化镉单晶2-硫化镉多晶3-硒化镉多晶4-硫化镉与硒化镉混合多晶。红线为视见函数曲线。在红外区灵敏的几种光敏电阻的光谱特性曲线4.2光敏电阻光敏电阻用与人眼有关的仪器，例如照相机、照度计、光度计等，必须加滤光片进行修正，使其特性曲线与V(λ)曲线完全吻合时间和频率特性光敏电阻器件的响应需要经历非平衡载流子的产生以及载流子之间的渡越过程。响应特性测定电路及其波形常见光敏电阻的频率特性曲线CdS光敏电阻

7、的响应时间约为几十毫秒到几秒；CdSc光敏电阻的响应时间约为10-2~10-3s；PbS的响应时间约为10-4s。4.2光敏电阻伏安特性不同光照下光敏电阻两端的电压U与流过它的电流I的关系曲线，并称为光敏电阻的伏安特性曲线。典型硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线注意：允许功耗线4.2光敏电阻不能使静态工作点居于虚线以外的区域，按照这一要求，在设计负载电阻时，应不使负载线与图中的虚线相交。光敏电阻的本质是电阻，符合欧姆定律。温度特性温度系数不同材料的电阻温度系数有正有负4.2光敏电阻硫化铅光敏电阻的光谱温度特性硫化镉和硒化镉光敏电阻

8、的温度特性曲线前历效应前历效应是指光敏电阻的时间特性与工作前“历史”有关的一种现象。前历效应有暗态前历和亮态前历之分。注意：亮电阻由高照度状态变为低照度状态达到稳定值时所需要的时间，要比由低照度状态变为高照度状态需要的时间短。硫化镉光敏电阻的暗态前历效应曲线硫化镉光敏电阻的亮态前历效应曲线