1、1,光電探測技術,授課教師：吳雙紅,課程介紹,課程特點：,涉及的知識面廣 針對紫外、可見、近紅外、紅外到太赫茲各光譜段的光電探測技術的系統(tǒng)討論，涉及器件物理、工程光學、半導體材料、電路與系統(tǒng)、數字圖像處理等知識。 內容多、涉及的技術發(fā)展較快,基礎課程的理論聯(lián)系實際能力的培養(yǎng)； 學會系統(tǒng)工程的分析設計； 拓寬知識面； 對今后的工作有一定參考價值。,課程目的：,適合受眾：,攻讀碩士與博士研究生的同學； 參加工作的同學。,參考書目：,課程介紹,考核方式:,考核方法：開卷筆試、專題論文； 筆試成績50，專題論文30， 平時成績20；,系統(tǒng)學習光電探測中的敏感材料、敏感機理、器件結構的設計、器件的物理原

2、理、應用及發(fā)展前景進行全面的學習和了解； 掌握器件原理與技術，國內外發(fā)展動態(tài)，從而為相關技術的研究打下理論基礎； 學習各種光電探測元、部件構成系統(tǒng)的光學、電子學和系統(tǒng)成像原理。 了解光電探測技術在軍事上和國民生產經濟中的應用。,教學目的：,課程介紹,提 綱,2,第二章：紫外與可見探測技術,第一章：光電探測技術概述,第三章：近紅外探測原理與技術,4,第四章：紅外探測技術,第五章：太赫茲探測技術,第一節(jié)：光電探測技術基礎 半導體物理基礎 光電探測器特性參數,第二節(jié)：光電探測器用敏感材料 敏感材料基本光學性質 不同波段敏感材料的特點及選擇,第三節(jié)：常見光電探測器的器件結構原理 按結構原理分類光電探測

3、器 不同結構器件的工作原理,第一章：光電探測技術概述,第一節(jié)：光電探測技術基礎,紫外線（100380nm）、可見光（380760nm）、近紅外線（ 0.7630m）、太赫茲30m 3mm及X射線、射線和微波、無線電波一起構成了整個無限連續(xù)的電磁波譜。,光譜波段劃分,不同光譜的特點與應用,第一節(jié)：光電探測技術基礎,光的三原色,“紅、綠、藍”? 紅、綠、藍三種色光無法被分解，故稱“三原色光”,太陽光譜,第一節(jié)：光電探測技術基礎,牛頓與歌德光學之爭,第一節(jié)：光電探測技術基礎,顏色論,光電探測系統(tǒng)工作原理,第一節(jié)：光電探測技術基礎,我們將第IV簇（最外層軌道有四個電子）（Si、Ge、SiGe）、III

4、-V簇（GaAs、GaN等）、以及II-VI簇（ZnO、CdS等）化合物，且摻雜極少雜質的半導體的結晶，稱之為本征半導體（intrinsic semiconductor ),半導體物理基礎,第一節(jié)：光電探測技術基礎,半導體物理基礎,第一節(jié)：光電探測技術基礎,（Extrinsic semiconductor）,半導體物理基礎,第一節(jié)：光電探測技術基礎,15,(donor ),半導體物理基礎,第一節(jié)：光電探測技術基礎,（acceptor）,半導體物理基礎,第一節(jié)：光電探測技術基礎,半導體物理基礎,第一節(jié)：光電探測技術基礎,能帶：一定能量范圍內的許多能級（彼此相隔很近）形成一條帶，稱為能帶 允許帶：

5、允許被電子占據的能帶。允許帶之間的范圍是不允許電子占據的。這一范圍稱為禁帶。 價帶：價電子所占據能帶。價帶可能被填滿，也可能不被填滿。填滿的能帶稱為滿帶 導帶：部分被電子占據的能帶。,能帶（涉及“半導體光電子學”知識）,第一節(jié)：光電探測技術基礎,半導體物理基礎,本征半導體,N型半導體,P型半導體,半導體能帶圖,在半導體中，電子獲取勢能后從價帶躍遷到導帶，導帶中出現自由電子，價帶中出現自由空穴。,半導體物理基礎,第一節(jié)：光電探測技術基礎,半導體物理基礎,載流子的漂移與擴散,第一節(jié)：光電探測技術基礎,半導體物理基礎,PN結的形成,第一節(jié)：光電探測技術基礎,第一節(jié)：光電探測技術基礎,半導體物理基礎,

6、PN結的能帶結構,結的單向導電性,（1） 外加正向電壓 （正偏）,PN結上加正向電壓，外電場與內電場方向相反，擴散與漂移運動平衡被破壞。外電場驅使P區(qū)空穴進入空間電荷區(qū)抵消一部分負電荷，同時N區(qū)自由電子進入空間電荷區(qū)抵消一部分正電荷，則空間電荷區(qū)變窄，內電場被削弱，多子的擴散運動增強，形成較大的擴散電流（由P區(qū)流向N區(qū)的正向電流）。在一定范圍內，外電場愈強，正向電流愈大，這時PN結呈現的電阻很低，即PN結處于導通狀態(tài)。,發(fā)光二極管,半導體物理基礎,第一節(jié)：光電探測技術基礎,發(fā)光二極管,第一節(jié)：光電探測技術基礎,半導體物理基礎,（2） 外加反向電壓 （反偏）,在PN結上加反向電壓，外電場與內電場

7、的方向一致，擴散與漂移運動的平衡同樣被破壞。外電場驅使空間電荷區(qū)兩側的空穴和自由電子移走，于是空間電荷區(qū)變寬，內電場增強，使多數載流子的擴散運動難于進行，同時加強了少數載流子的漂移運動，形成由N區(qū)流向P區(qū)的反向電流。由于少數載流子數量很少，因此反向電流不大，PN結的反向電阻很高，即PN結處于截止狀態(tài)。,光電二極管,半導體物理基礎,第一節(jié)：光電探測技術基礎,外加反偏電壓于結內電場方向一致，沒有光照時，反向電流很?。ㄒ话阈∮?.1微安），稱為暗電流。當有光照時，攜帶能量的光子進入PN結后，把能量傳給共價鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價鍵，從而產生電子-空穴對，稱為光生載流子。它們在反向電壓作用下

8、參加漂移運動，電子被拉向n區(qū)，空穴被拉向p區(qū)而形成光電流，使反向電流明顯變大。同時勢壘區(qū)一側一個擴散長度內的光生載流子先向勢壘區(qū)擴散，然后在勢壘區(qū)電場的作用下也參與導電。光的強度越大，反向電流也越大。光電二極管在一般照度的光線照射下，所產生的電流叫光電流。如果在外電路上接上負載，負載上就獲得了電信號，而且這個電信號隨著光的變化而相應變化。,半導體物理基礎,第一節(jié)：光電探測技術基礎,（3） 零偏（光照下）,第一節(jié)：光電探測技術基礎,半導體物理基礎,TN-LCD,什么是光電效應,某些固體受到光的作用后，其中的電子直接吸收光子能量而發(fā)生運動狀態(tài)的改變，從而導致該固體的某種電學參量的改變，這種電學性質

9、的改變統(tǒng)稱固體的光電效應。,第一節(jié)：光電探測技術基礎,當光照射金屬、金屬氧化物或半導體材料的表面時，會被這些材料內的電子所吸收，如果光子的能量足夠大，吸收光子后的電子可掙脫原子的束縛而逸出材料表面，這種電子稱為光電子，這種現象稱為光電子發(fā)射，又稱為外光電效應。,外光電效應：,外光電效應,第一節(jié)：光電探測技術基礎,外光電效應,光子能量 = 移出一個電子所需的能量 + 被發(fā)射的電子的動能。,當敏感材料表面在特定的光作用下，敏感材料會吸收光子并發(fā)射電子。光的波長需小于某一臨界值（相等于光的頻率高于某一臨界值）時方能發(fā)射電子，其臨界值即極限頻率和極限波長。臨界值取決于材料，而發(fā)射電子的能量取決于光的波

10、長而非光的強度，這一點無法用光的波動性解釋。,第一節(jié)：光電探測技術基礎,內光電效應是由于光量子作用，引發(fā)物質電化學性質變化（比如電阻率改變，這是與外光電效應的區(qū)別，外光電效應則是逸出電子）。內光電效應又可分為光電導效應和光生伏特效應。,內光電效應：,第一節(jié)：光電探測技術基礎,內光電效應,內光電效應,光伏效應,光伏效應：在半導體P-N結及其附近區(qū)域吸收能量足夠大的光子后，在結區(qū)及結的附近釋放出少數載流子（自由電子或空穴）它們在結區(qū)附近靠擴散進入結區(qū)，而在結區(qū)內則受內建電場的作用，電子漂移到N區(qū)，空穴漂移到P區(qū)，如果P-N結開路，則兩端會產生電壓。這種現象為光生伏特效應。,第一節(jié)：光電探測技術基礎

11、,光伏效應應用,內光電效應,第一節(jié)：光電探測技術基礎,光電導效應,第一節(jié)：光電探測技術基礎,內光電效應,光激發(fā)：產生空穴、電子，躍遷到導帶。 雜質半導體： n型：施主能帶靠近導帶，電子獲得足夠能量進入導帶參與導電。 p型：受主能帶靠近價帶，價帶電子吸收光子能量躍遷受主能帶，使價帶產生空穴參與導電。 表征光電導效應主要有三個參數：靈敏度、弛豫時間（惰性）、光譜分布等。,光電導效應,第一節(jié)：光電探測技術基礎,內光電效應,光磁電效應,光磁電效應,光磁電效應：當紅外光入射到半導體表面，如有外磁場存在，則半導體表面附近產生的電子空穴對在半導體內部擴散的過程中，電子和空穴各偏向一側，因而在半導體兩端產生電

12、位差，這種現象為光磁電效應。,第一節(jié)：光電探測技術基礎,利用光磁電效應可制成半導體紅外探測器。這類半導體材料有Ge、InSb、InAs、PbS、CdS等。,德國物理學家賽貝克用兩種不同金屬導體組成閉合回路，并用酒精燈加熱其中一個接觸點，發(fā)現回路的指針發(fā)生偏轉，但如果同時對兩個接觸點加熱，指針的偏轉角反而減小。（熱電效應或塞貝克效應）,熱電效應,熱電效應,第一節(jié)：光電探測技術基礎,熱電偶基本定律： （1）若A與B相同，無論兩接點溫度如何，回路總熱電勢為零； （2）若T=T0，回路總熱電勢為零； （3）熱電勢輸出只與兩接點溫度及材料性質有關，與A、B的中間各點的溫度、形狀及大小無關。,對于具有自發(fā)

13、式極化的晶體，當晶體受熱或冷卻后，由于溫度的變化（T）而導致自發(fā)式極化強度變化（Ps），從而在晶體某一定方向產生表面極化電荷的現象。宏觀上是溫度的改變在材料的兩端出現電壓或產生電流。,熱釋電效應,熱釋電效應,第一節(jié)：光電探測技術基礎,光電探測器特性參數,第一節(jié)：光電探測技術基礎,光電探測器特性參數,第一節(jié)：光電探測技術基礎,光電探測器特性參數,第一節(jié)：光電探測技術基礎,光電探測器特性參數,第一節(jié)：光電探測技術基礎,光電探測器特性參數,第一節(jié)：光電探測技術基礎,光電探測器特性參數,第一節(jié)：光電探測技術基礎,第二節(jié)：光電探測器用敏感材料,敏感材料基本光學特性,材料的光學性能,關于光的速度,敏感材料

14、基本光學特性,光的反射,敏感材料基本光學特性,光的折射,敏感材料基本光學特性,光的色散與散射,敏感材料基本光學特性,光的色散與散射,敏感材料基本光學特性,材料的透射性,敏感材料基本光學特性,光的吸收,敏感材料基本光學特性,以上五種吸收中，只有本征吸收和雜質吸收能夠直接產生非平衡載流子，引起光電效應。其他吸收都程度不同地把輻射能轉換為熱能，使器件溫度升高，使熱激發(fā)載流子運動的速度加快，而不會改變半導體的導電特性。,光電探測敏感材料的吸收機理,半導體的光激發(fā)過程 (a)本征吸收；(b)非本征吸收；(c)自由載流子吸收,敏感材料的本征吸收：入射輻射的光子能量大于半導體禁帶寬度，使電子從價帶激發(fā)到導帶

15、而改變其光電導率。 其優(yōu)點是工作溫度比非本征型高。 敏感材料雜質吸收：入射輻射激發(fā)雜質能級上的電子或空穴而改變其電導率。其優(yōu)點是長波效應較好。 敏感材料的自由載流子吸收：材料吸收光子后不引起載流子數量的變化，而是引起載流子遷移率的變化。 這類器件常需要在極低溫度下工作，以降低能量向晶格轉移。,敏感材料基本光學特性,光電探測敏感材料的吸收機理,雜質吸收,電離能,半導體對光的吸收主要是本征吸收,本征吸收,本征型光敏電阻的長波限：,摻雜型光敏電阻的長波限：,由于EgEd，所以摻雜型半導體光敏電阻對紅外波段較為敏感。,為長波限。,敏感材料基本光學特性,輻射進入探測器后，輻照要 逐漸衰減，若材料的吸收比

16、 為，則在z到z+dz處，其輻 照度衰減的量值可寫成dE， 設探測器表面反射率為， z=0時入射到表面處的照度為E0，則有輻射度隨厚度的 衰減公式由此可見，輻照度隨厚度增加而呈指數衰減。,入射光強隨厚度變化,敏感材料入射光強的衰減規(guī)律,敏感材料基本光學特性,常見的敏感材料,1.常見紫外敏感材料,GaN基(Eg=3.4-6.2eV)、SiC(Eg=2.9eV)、ZnO(Eg=3.37eV)、TiO2(3.2eV)、金剛石薄膜（Eg=5.4eV）等寬禁帶半導體，對紫外光有很強的吸收能力。 寬禁帶半導體材料作為紫外光電轉換材料有如下幾個優(yōu)點： （1）禁帶寬，對波長短的紫外光很敏感，對波長較長的可見光

17、和紅外光不敏感，因此不受可見光和紅外光的干擾。 （2）介電常數小、載流子遷移率高。 （3）耐高溫、抗輻射。,常見的敏感材料,2.常見紅外敏感材料,光電子發(fā)射探測器（外光電效應）,金屬氧化物或 半導體表面,自由電子,光輻射,光電導探測器（光電導效應）,半導體材料,自由電子空穴,光輻射,電導率變化,光子探測器分類,光電管、光電倍增管,第三節(jié)：常見光電探測器的器件結構原理,光伏探測器（光生伏特效應）,P(I)N結,光生電動勢,光輻射,光磁電探測器（光磁電效應）,垂直磁場中的 半導體材料,載流子 濃度梯度,光輻射,光磁電動勢,光電池、光電二極管、雪崩光電二極管、PIN管及光電晶體管,光子探測器分類,熱

18、探測器（光熱效應）,熱探測器,物理性質變化,溫差熱電勢 （熱電效應）,電阻率變化 （測輻射熱計效應）,自發(fā)極化強度變化（熱釋電效應）,氣體體積和壓強變化,熱探測器,光電探測器件,光子探測 器件（基于量子效應）,熱電探測 器件（基于熱效應）,外光電 效應,光電管 光電倍增管,內光電 效應,光敏電阻 （基于光電導效應）,光生伏特效應 （基于光生伏 特效應）,光敏二極管 光敏晶體管 光 電 池 雪崩光電管,單晶型 多晶型 合金型,本征型 摻雜型,熱電堆 熱電偶 熱釋電探測器 熱敏電阻,特點：.響應波長無選擇性,對從可見光到遠紅外的各種波長的輻射同樣敏感; .響應慢,吸收輻射產生信號需要的時間長,一般

19、在幾毫秒以上.,.響應波長有 選擇性,這些器 件都存在某一 截止波長,若超 過此波長,器件 無響應.,這類器件特點: . 響應快,響應時間一 般為幾十納秒到幾 百微妙.,肖特基結（金屬-半導體）光電二極探測原理,優(yōu)點：響應度、量子效率、勢壘高度高、低暗電流、響應時間短； 缺點：入射光損失大，結比較淺，受表面態(tài)影響嚴重；,由于肖特基勢壘區(qū)在半導體附近表面處，光直接在勢壘區(qū)產生載流子，不像p-n結那樣載流子必須經過擴散才能到達結區(qū)，這樣可以減少載流子擴散時間以及在擴散中的復合損失,光子探測器,P（I)N結探測原理,絕大部分的入射光在I層內被吸收并產生大量的電子-空穴對。在I層兩側是摻雜濃度很高的P型和N型半導體，P層和N層很薄，吸收入射光的比例很小。因而光產生電流中漂移分量占了主導地位，這就大大加快了響應速度,光子探測器,PN結型光電二極管的響應時間只能達到10-7s。對于光纖系統(tǒng)的光探測器，往往要求響應時間小于10-8s，這樣，PN型不能滿足要求，而PIN結型光電二極管就是為了滿足這一要求而研制的。,本征層的引入，明顯增大了p+區(qū)的耗盡層的厚度，這有利于縮短載流子的擴散過程。耗盡層的加寬，也可以