最新光-电-探-测-器课件PPT.ppt

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1、光-电-探-测-器光电检测器件光子器件热电器件真空器件固体器件光电管光电倍增管真空摄像管变像管像增强管光敏电阻光电池光电二极管光电三极管光纤传感器电荷耦合器件CCD热电偶/热电堆热辐射计/热敏电阻热释电探测器光电探测器的种类响应度分为电压响应度和电流响应度电压响应度Rv光电探测器件输出电压与入射光功率之比电流响应度RI光电探测器件输出电流与入射光功率之比（2）光谱响应度光谱响应度R(λ)是响应度随波长变化的性能参数。大多数光电探测器具有光谱选择性。定义：探测器在波长为λ的单色光照射下，输出电压或电流与入射光功率之比。（3）频率响应度频率

2、响应度R(f)：响应度随入射光频率而变化的性能参数。其表达式为：式中R(f)为频率为f时的响应度；R0为频率为零时的响应度；为探测器的响应时间或称时间常数,由材料和外电路决定。响应时间：响应时间τ=RC是描述光电探测器对入射光响应快慢的一个参数。决定了光电探测器频率响应的带宽。上升时间：入射光照射到光电探测器后，光电探测器输出上升到稳定值所需要的时间。下降时间：入射光遮断后，光电探测器输出下降到稳定值所需要的时间。2.量子效率量子效率：是指每入射一个光子光电探测器所释放的平均电子数。它与入射光能量有关。其表达式为:式中，I是入射光产生

3、的平均光电流大小，e是电子电荷，P是入射到探测器上的光功率。I/e为单位时间产生的电子数,P/hυ为单位时间入射的光子数。3.噪声等效功率噪声等效功率(NEP)是描述光电探测器探测能力的参数。定义：单位信噪比时的入射光功率。噪声等效功率是一个可测量的量。设入射辐射的功率为P，测得的输出电压为U0，然后除去辐射源测得探测器的噪声电压为UN，则按比例计算，要使U0＝UN的辐射功率为4.探测度D与归一化探测度D*探测度D为噪声等效功率的倒数，即归一化探测度D*由于D与探测器的面积Ad和放大器带宽Δf乘积的平方根成正比，为消除这一影响，定义：D

4、*越大的探测器其探测能力越强。PIN光电二极管(1)结构与工作原理：为改善PN结耗尽层只有几微米，长波长的穿透深度比耗尽层宽度还大，大部分入射光被中性区吸收，使光电转换效率低，响应时间长，响应速度慢的特性，在PN结中设置一层掺杂浓度很低的本征半导体（称为I），这种结构便是PIN光电二极管。P+N+I耗尽层RP+N+PIN光电二极管原理图了光电转换效率，两侧P+层和N+层很薄，吸收入射光的比例很小，I层几乎占据整个耗尽层，因而光生电流中漂移分量占支配地位，从而大大提高了响应速度。还可以通过控制耗尽层的厚度，来改变器件的响应速度。N+P+抗

5、反射膜电极电极Ⅱ(N)EPIN光电二极管结构Ⅱ(N)掺杂浓度很低；P+和N+掺杂浓度很高。且I层很厚，约有5~50μm，吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量的电子-空穴对,因而大幅度提高P0为入射光功率；α(λ)材料的吸收系数，其大小与材料性质有关，且是波长的函数。通常使用的PIN光电二级管半导体材料。不同材料适用于不同的波长范围。当工作波长比材料的带隙波长λC=1.24/Eg(μm)长时，吸收系数急剧减小。为获得最佳的转换效率——量子效率及低的暗电流(它随带隙能量的增加按指数减小)，理想光电二极管材料的带隙能量E

6、g应略小于与最长工作波长相对应的光子能量。在0.85μm短波长区，Si是最优选材料，截止波长1.09μm，吸收系数a(λ)≈600cm-1，穿透深度17μm。在长波长区，Ge和InGaAs合金可选用为光电二极管材料。为使入射光功率有效转换成光电流，它须在耗尽区内被半导体材料有效吸收，故要求耗尽区足够厚、材料对入射光的吸收系数足够大。在厚度W内被材料吸收的光功率可表示为：光检测器吸收光功率后产生的一次光电流可表为e电子电荷；hf光子能量(hf=1.24/λeV,λ光波长μm,h普朗克常数)，W耗尽区宽度，Rf材料界面的菲涅尔反射系数。PI

7、N光电二极管偏置电路及电场光场分布PIN特性1.响应度：2.量子效率：量子效率和响应度取决于材料的特性和器件的结构。假设PIN光电二极管器件表面的反射率为0，且P层和N层对量子效率的贡献忽略情况下，在工作电压下，I层全部耗尽，则PIN光电二极管的量子效率近似表示成：但是W增大时，产生的电子空穴对要花较长的时间才能到达结边被收集，这样又降低了光检测器的响应速度。对于波长的限制：量子效率的光谱特性取决于半导体材料的吸收系数α(λ)0.20.40.60.81.000.70.91.11.31.51.770%50%30%10%InGaAsGeSi

8、PIN响应度、量子效率与波长的关系3.响应时间及频率特性当光电二极管具有单一的时间常数时，其脉冲前沿和脉冲后沿相同，且接近函数和，由此得到脉冲响应时间为具有一定时间常数的光电二极管，对于幅度一定，频率为的正