1、第9章光放射檢測(cè)器Radiation Detector，1 .基本原理(a )光熱效應(yīng)(b )光電效應(yīng)(光導(dǎo)電、光電動(dòng)勢(shì)、光放射) (c )檢測(cè)器噪聲(熱、散粒、發(fā)生/復(fù)合、次低頻、溫度) (d )性能殘奧表2發(fā)光dev老虎鉗(光電管、光電子倍增管)、光熱效應(yīng)photo thermm 光熱效應(yīng)的一般反應(yīng)歷程：輻射吸聲系數(shù)、輻射無(wú)損音頻壓縮編碼、t溫度變化、Ct材料熱容量、Gt德老虎鉗和環(huán)境的導(dǎo)熱率，調(diào)制后的輻射無(wú)損音頻壓縮編碼：時(shí)間關(guān)系項(xiàng)光熱效應(yīng)(Photothermal Effect )、光熱效應(yīng)德老虎鉗的特點(diǎn)： 1、系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間慢2，響應(yīng)的波長(zhǎng)范圍寬(紫外至40um ) 3 ) 3、響應(yīng)靈

2、敏度和波長(zhǎng)依賴性較弱，主要的去老虎鉗：輻射熱電偶、測(cè)量寬度熱敏星空衛(wèi)視、高萊管、熱釋電傳感光電效應(yīng)：光波與物質(zhì)相互作用，產(chǎn)生或發(fā)射電子，產(chǎn)生電壓或電流的物理現(xiàn)象。 光電效應(yīng)主要有： 1、光電導(dǎo)效應(yīng)電阻2、光伏效應(yīng)(PN結(jié)電容光電效應(yīng))光電池、光電三極管、光電效應(yīng)管3、光發(fā)射效應(yīng)光電管、光電子倍增管光電效應(yīng)的特征： 1、響應(yīng)快(pss級(jí)) 2、半導(dǎo)體光伏器件體積小3、量子效率高， 半導(dǎo)體基本概念樂(lè)隊(duì)basicconceptofsemiconductorenergyband，樂(lè)隊(duì)的形成，固體的導(dǎo)電性，半導(dǎo)體的基本概念樂(lè)隊(duì)basicconceptofsemiconductorenergyband，半

3、導(dǎo)體的樂(lè)隊(duì)特征： 1，所有的電子正好滿足價(jià)格帶， 絕對(duì)零點(diǎn)不能導(dǎo)電2，傳導(dǎo)帶的絕對(duì)零點(diǎn)是空帶，即電子不占有，可以導(dǎo)電3，禁帶Eg小，常溫下具有一定的導(dǎo)電能力的光子與半導(dǎo)體的相互作用interactionbetweenphotonandsemiconductor，傳導(dǎo)帶激發(fā)電子價(jià)帶而激發(fā)空穴半導(dǎo)體載流子、常溫下半導(dǎo)體的統(tǒng)一校正特性semiconductorstatisticsatnormaltemperature、狀態(tài)密度g(E) :的每單位能量體積的能量樂(lè)隊(duì)中的電子狀態(tài)數(shù)(特征波函數(shù)的個(gè)數(shù))是傳導(dǎo)帶低價(jià)格帶掌門人g (e ) (e-1 ) 根據(jù)2和(Ev-E)1/2、熱平衡時(shí)、傳導(dǎo)帶的電子濃度

4、：價(jià)帶的空穴濃度：傳導(dǎo)帶電子濃度校正公式，常溫下的半導(dǎo)體的統(tǒng)一校正特性semiconductorstatisticsatnormaltemperature在E-EckBT的情況下NV分別稱為傳導(dǎo)帶和價(jià)帶的有用功密度，物質(zhì)作用規(guī)律：ni固有濃度，結(jié)論：熱平衡時(shí)，“空位”與電子濃度之積與半導(dǎo)體類型、電子空位濃度無(wú)關(guān)，使用n型半導(dǎo)體N- type Semicondutor，砷為5個(gè)的氫原子模型時(shí)，該電子到達(dá)傳導(dǎo)帶而載流子這5價(jià)原子擔(dān)負(fù)著供給電子的作用，施主雜質(zhì)(Donor Impurity )、kBT 0.025eV、電導(dǎo)率： ene ephNde e、p型半導(dǎo)體P- type Semicondut

5、or、硼b具有3價(jià)電子以外的電子將這個(gè)間隙硼原子變?yōu)檫€原離子，“空穴”遠(yuǎn)離硼絡(luò)離子，但外部的電子難以接近硼絡(luò)離子，因此“空穴”等效于受到硼絡(luò)離子的吸引力。 同樣形成像氫原子那樣的結(jié)構(gòu)。 利用氫原子模型的話，可以說(shuō)這個(gè)空穴為了到達(dá)價(jià)帶形成載流子需要得到0.05eV的能量。該三價(jià)原子承擔(dān)接收電子的作用，是被稱為受主識(shí)別(Acceptor Impurity )、kBT 0.025eV、電導(dǎo)率： ene ephNae h、p型和n型半導(dǎo)體P- and N- type Semicondutor的p型半導(dǎo)體pNa、n型半導(dǎo)體： np=ni2/n電子為多載流子、Majority Carrier、電子為少數(shù)載

6、流子、Minority Carrier； nNd、半導(dǎo)體的PN結(jié)電容PN Junction of Semicondutor、濃度差引起的擴(kuò)散電流、內(nèi)置電場(chǎng)E0、漂移電流、平衡、耗盡層阻抗、半導(dǎo)體的PN Junction of Semicondutor、電荷保存： 利用波爾茲曼分布和質(zhì)量作用定律，半導(dǎo)體的PN結(jié)電容PN Junction of Semicondutor、PN結(jié)電容樂(lè)隊(duì)圖、半導(dǎo)體的PN結(jié)電容正向偏置、擴(kuò)散方程與復(fù)合方程：I0是常數(shù)，是PN結(jié)電容的真正的修正因子，通常能夠得到正向偏置電流。 pAnA級(jí)、常溫下以擴(kuò)散漂移為主，得到反向偏置電流，半導(dǎo)體的PN結(jié)電容反向偏置電壓Revers

7、e Bias、光電效應(yīng)Photoconductivity、光照射到半導(dǎo)體材料上，激發(fā)載流子，改變材料的導(dǎo)電率，稱為光電效應(yīng)， 亮導(dǎo)電和暗導(dǎo)電之差是光導(dǎo)電，亮電流和暗電流之差是光電流，光的導(dǎo)電率變化量：光電流：光激勵(lì)電子和空穴濃度：光導(dǎo)電增益m :晶體管電極時(shí)間： t=L/v=L2/U，=e， h、增益m被簡(jiǎn)化為： m，當(dāng)受到階躍光作用時(shí)，當(dāng)受到光階梯關(guān)閉的作用時(shí)，得到上述2式，當(dāng)受到正弦調(diào)制光的照射時(shí)，在第1式中可知，頻率越高，激勵(lì)載波越小，截止頻率fc，n下降到對(duì)應(yīng)的頻率截止頻率：增益和帶寬的乘積為常數(shù)：光伏效應(yīng)Photovoltage，光照射到PN結(jié)電容的耗盡層上，電子空穴對(duì)被激發(fā)。 由于

8、內(nèi)置電場(chǎng)，電子和空穴分別流入n和p區(qū)，在p、n區(qū)的兩端形成電位差，p為正，n為負(fù)，這稱為光伏效應(yīng)。 照射PN結(jié)電容的電流方程式如下：外部電路短路時(shí)，短路電流：外部電路開路時(shí)，開路電壓：發(fā)光效果Photoemission，超過(guò)一定頻率的光波照射到金屬或半導(dǎo)體時(shí)，電子得到光波的能量，戰(zhàn)勝材料的逸出功，從材料表面離開的現(xiàn)象稱為發(fā)光效果的閾值波長(zhǎng)半導(dǎo)體光檢測(cè)器噪聲檢測(cè)器(Noises of Radiation Detector )，噪聲確定在最小可檢測(cè)到的信號(hào)，這主要是兩種典型的噪聲： (1)白合十禮噪聲：不依賴于頻率的噪聲。 (2)1/f噪聲：功率譜與1/f成比例的噪聲。噪聲主要用平均電流和平均電壓

9、來(lái)表述，分別表示為半導(dǎo)體光檢測(cè)器的噪聲在徑向檢測(cè)器，半導(dǎo)體光檢測(cè)器主要固有的噪聲：1、熱噪聲(存在于所有導(dǎo)體中，并由熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生)，2、散粒噪聲或散粒牛鼻子噪聲(a )半導(dǎo)體光檢測(cè)器噪聲定向檢測(cè)器，半導(dǎo)體光檢測(cè)器中的主要固有噪聲：4，1/f噪聲(存在于所有檢測(cè)器中，強(qiáng)度大致與1/f成正比)，5，溫度噪聲去老虎鉗的吸收和傳導(dǎo)等熱交換引起溫度起伏， 次低頻時(shí)半導(dǎo)體光檢測(cè)器的噪音檢測(cè)器、1/f噪音、發(fā)生復(fù)合噪音、散粒和熱噪音、半導(dǎo)體光檢測(cè)器的性能殘奧儀表featuresandperformanceparametersofradiationdetector。 2 .分光特性，3 .等效噪聲功率和檢出率、

10、光電特性：光電流和光束的關(guān)系I=F ()照明特性：光電流和照度的關(guān)系I=F(L )線性：光束或照度與光電流成比例的程度線性范圍：某動(dòng)作范圍、光電流與光束或照度成比例的I=Fi ()、U=Fu ()， 由投射到探針響應(yīng)面的光束產(chǎn)生的信號(hào)電流I (電壓)與無(wú)入射時(shí)的探針的平均噪聲電流(電壓)相等，此時(shí)的入射光束是作為最小可檢測(cè)功率的等效噪聲功率nep(noiseequivive ) 作為半導(dǎo)體光檢測(cè)器的性能殘奧儀表featuresandperformanceparametersofradiationdetector，4，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間和頻率，通常使用矩形脈沖信號(hào)，進(jìn)行系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間和松弛時(shí)間，截止頻率

11、： 能夠得到光熱檢測(cè)器熱敏電阻Photothermal Detector的光熱檢測(cè)器主要是熱敏電阻和熱電檢測(cè)器、1、熱敏電阻(Photoresistor )、溫度變化電阻值R=TRT、熱敏電阻的溫度系數(shù)T R/(RT )、常用材料： (a)Mn、Ni、Co、 光熱傳感器熱釋電傳感器， 2、熱釋電傳感器、溫度變化t、原理：壓電晶體固有偶極子距離變化p、材料表面的束縛電荷量變化q、熱釋電系數(shù)等問(wèn)題解決：周期調(diào)制輸入光比q壽命小，1103s，限制電荷q的周期變化， 光熱傳感器熱電探測(cè)器Photothermal Detector、熱電零配件等效電路、常用熱電結(jié)晶材料：硫酸擴(kuò)散甘肽(TGS )、鉭酸鋰(

12、LiTaO3)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515600nm之間。 (c )頻率特性的光電阻抗響應(yīng)慢，ms量級(jí)。 光電導(dǎo)體老虎鉗Photoconductive Device，(d )伏安圖特性光電電阻的兩端電壓和流過(guò)的電流是伏安圖特性，圖右所示的(e )溫度特性溫度的變化引起光譜響應(yīng)、峰值等殘奧儀表變化。 (f )氟里昂日歷表效果暗狀態(tài)氟里昂日歷表效果：的光接收電阻處于暗狀態(tài)的時(shí)間越長(zhǎng)，則光照射之后的光電流的增加越慢。 當(dāng)發(fā)光狀態(tài)前日歷表效果：的光接收電阻處于點(diǎn)亮狀態(tài)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)光電電流被延遲的現(xiàn)象。 光導(dǎo)電去老虎鉗Photoconductive Device，(g )噪聲特性光阻抗噪聲主要產(chǎn)生：熱噪聲、復(fù)合噪聲、1/f噪聲，光阻抗特性： (1)光譜響應(yīng)寬度：紫外到紅外(2)生物電流大，偏置電路的哦接合型光電脫老虎鉗PNType Optoelectronic Device，PN結(jié)電容光電脫老虎鉗的特征： 1，PN區(qū)域產(chǎn)生光電效應(yīng)2，具有極性3，利用部分載流子的移動(dòng)運(yùn)動(dòng)，響應(yīng)快4，內(nèi)帶增益，靈敏度高，接合型光電主要包括1，光電單元2的光電特性u(píng)oc=(kt/q ) I0 1 (b )光譜特性響應(yīng)是對(duì)波長(zhǎng)的選擇性響應(yīng)，CdS在4001100nm之間是峰值850nm。 (c )頻率特性PN結(jié)