光电检测技术复习(汇总)

我的老师说过：光电技术人员应具备不怕黑、不怕冷、不怕密闭的专业素质.1第一章光电技术基础问题一光子与电子的区别与联系（见下图）问题二p=hν/c,E=hν问题三可见光只有波长为380nm-780nm的光才能引起人眼视觉感，故称之为可见光。问题四半导体对光的吸收1在紫外情况下很容易产生光电效应，而在红外时结果相反。2中α为吸收系数，x为传播长度，光子的能量不够、吸收系数小，，α与λ成反比，α对愈短波长的光吸收愈强，比如说：任何材料在紫外波段吸收系数均很大，材料强吸收；光子在红外、远红外很难被光电效应检测到，一般在红外区域选用具有光热效应的探测器件，如光电偶进行探测。3半导体对光的吸收可以分为本征吸收、杂质吸收、晶格吸收等，只有本征吸收和杂质吸收能够直接产生非平衡载流子，引起光电效应。其他吸收都不同程度地把辐射能转换为热能，使器件温度升高，使热激发载流子运动的速度加快，而不会改变半导体的导电特性。1)本征吸收--（见下图）半导体价带电子吸收光子能量跃迁进入导带，产生电子-空穴对的现象称为本征吸收。只有波长短于入射辐射的才能使器件产生本征吸收，改变本征半导体的导电特性。半导体是本征体，本征半导体经N/P型掺杂后还能进行本征吸收。真正的本征半导体是无掺杂的绝缘体，既可以发生本征吸收，也可以发生杂质吸收。2)杂质吸收--P型/N型半导体中的施主原子/受主原子吸收足够的光子能量跃入导带/价带，产生电离，成为自由电子/空穴的过程称为杂质吸收。由于EgΔED或ΔEA，因此，杂质吸收的长波长总要长于本征吸收的长波长。杂质吸收会改变半导体的导电特性，也会引起光电效应。xΦΦddxΦΦe0π42cgEhvggL24.1EEhcDL24.1EAL24.1E我的老师说过：光电技术人员应具备不怕黑、不怕冷、不怕密闭的专业素质.2问题五光电效应—光电类探测基于光电效应光与物质作用产生的光电效应分为内光电效应与外光电效应两类。内光电效应是被光激发所产生的载流子（自由电子或空穴）仍在物质内部运动，使物质的电导率发生变化或产生光生伏特的现象。而被光激发产生的电子逸出物质表面，形成真空中的电子的现象称为外光电效应。1.光电效应产生条件：hν≥Eg,ED,EA2.光电效应具体表现：光电导、光生伏特、丹培、光磁电、光子牵引效应（其中光生伏特发生在本征半导体，光生载流子导电，少数载流子参与）3.本征光电导效应--在光的作用下由本征吸收引起的半导体电导率的变化现象。1)半导体材料的光电导灵敏度在弱辐射作用下为与材料性质有关的常数，正比于IΦ,与光电导材料两电极间的长度l2成反比；在强辐射作用下不仅与材料的性质有关而且与入射辐射量有关,正比于IΦ1/2，与光电导材料两电极间的长度l3/2成反比。为什么将光敏电阻制造为蛇形/梳状？原因：为了提高光敏电阻的光电导灵敏度Sg，要尽可能地缩短光敏电阻两极间的距离l。--设计光敏电阻的基本原则可以增大受光面积，从而提高探测效率。增大线宽，而不是长度4.光生伏特效应（重点）1)光生伏特效应是什么？基于半导体PN结基础上的一种将光能转换成电能的效应。当入射辐射作用在半导体PN结上产生本征吸收时，价带中的光生空穴与导带中的光生电子在PN结内建电场的作用下分开，并分别向如图1-11所示的方向运动，形成光生伏特电压或光生电流的现象。2)PN结形成过程中载流子的流动？i.P区空穴为多子，电子为少子，空穴浓度高，N区相反，在浓度梯度的牵引下，P区空穴向N区移动，N区电子向P区移动，扩散过程中伴随着复合；ii.形成内建电场，方向N-P，内建电场阻碍扩散运动的进一步进行，将空穴导向P区，电子导向N区；iii.内建电场力=扩散力，二者达到动态平衡，中间区域形成少数载流子移动的区域，称为耗散区，为光生载流子的捕捉和探测提供场所。我的老师说过：光电技术人员应具备不怕黑、不怕冷、不怕密闭的专业素质.33)耗散区具备哪些特征（意义）？如何扩大？i.特征：提供了一个空背景用于光生载流子的监测：耗散区内自身载流子很少，当光生载流子产生后，易于被捕获和识别；光生载流子产生后，在内建电场的作用下快速移动，形成光生电流，响应速度最快，为漂移时间，提高了灵敏度；减少了扩散时间，提高结电电容。ii.扩大：耗散区越大越精密加反向偏压；产生雪崩效应；硬件方面：加一层本征层，构成PIN型二极管。（I层没有PN结，本身不是光生伏特器件，但在光作用下可产生本征吸收，产生光生载流子；同时自身载流子很少，符合耗散区的要求。）不能太厚，否则导电性不强；但厚度增加，可以提高响应速度。4)为什么光生伏特效应发生在PN结中？i.背景纯净，可精确探测；ii.与半导体技术结合在一起处理方便，与电子技术结合好，实现了光电技术的最佳结合；iii.耗散区有内建电场，而其他位置载流子移动主要靠梯度扩散，可以在耗散区外加双倍电场，使电子受强电场驱动，提高响应速度，符合信息处理的要求。5)光电导与光生伏特的异同点？6)光电二极管与电子二极管的区别？问题六常见器件名称英文缩写全称PMT：Photo-multipletube光电倍增管APD：AvalanchePhotoDiode雪崩光电二极管PSD：PositionSensingDetector光电位置敏感器件CCD：Charge-coupledDevice电荷耦合元件CMOS：ComplementaryMetalOxideSemiconductor互补金属氧化物(PMOS管和NMOS管)共同构成的互补型MOS集成电路制造工艺光电导光生伏特相同点基于内光电效应的一种现象，基于半导体对应的杂质吸收和本征吸收发生位置非特定位置基于PN结，耗散区产生载流子种类光生载流子+自身载流子光生载流子载流子电流多子参与，输出电流大少子参与，输出电流小响应时间扩散时间为主，慢（内建电场）漂移时间为主，快光电二极管电子二极管流动流动少子，电流弱流动多子，电流强电子流向加反向偏压，增大内建电场加正向偏压，抵消内建电场我的老师说过：光电技术人员应具备不怕黑、不怕冷、不怕密闭的专业素质.4LED：Light-EmittingDiode发光二极管LASER：LightAmplificationbytheStimulatedEmissionofRadiation光受激发辐射（激光）第二章光电导器件问题一光电导器件（光敏电阻）利用具有光电导效应的材料（如硅、锗等本征半导体与杂质半导体，硫化镉、硒化镉、氧化铅等）可以制成电导随入射光度量变化器件，称为光电导器件或光敏电阻。光敏电阻具有体积小，坚固耐用，价格低廉，光谱响应范围宽等优点，广泛应用于微弱辐射信号的探测领域。问题二光敏电阻1基本原理1)在均匀的具有光电导效应的半导体材料的两端加上电极便构成光敏电阻。当光敏电阻的两端加上适当的偏置电压Ubb（如图2-1所示的电路）后，便有电流Ip流过，用检流计可以检测到该电流。2)（半导体材料）本征型半导体光敏电阻、杂质型半导体光敏电阻；其中本征型半导体光敏电阻的长波长要短于杂质型半导体光敏电阻的，因此，本征型半导体光敏电阻常用于可见光波段的探测，而杂质型半导体光敏电阻常用于红外光波段的探测。2基本结构1)根据光敏电阻的设计原则可以设计出如图2-2所示的3种基本结构（具体原因参见第一章光电导效应部分）。3常见的光敏电阻表3我的老师说过：光电技术人员应具备不怕黑、不怕冷、不怕密闭的专业素质.54基本特性光敏电阻的基本特性参数包括光电特性、伏安特性、温度特性、时间响应、光谱响应等。1)光电特性--电导随光照量变化越大的光敏电阻就越灵敏定义光敏电阻γ值时必须说明其照度范围，否则γ值没有实际意义。光敏电阻的γ值反映了在照度范围变化不大或照度的绝对值较大甚至光敏电阻接近饱和情况下的阻值与照度的关系。2)温度特性光敏电阻为多数载流子导电的光电器件，具有复杂的温度特性。降低或控制光敏电阻的工作温度是提高光敏电阻工作稳定性的有效方法。这对长波长红外辐射的探测极为重要。温度升高导致：载流子的定向移动性变差，大量的光生载流子热运动剧烈发生复合。半导体、光生伏特效应也是此温度特性。3)时间响应（惯性，与入射辐射信号的强弱有关）时间响应是因为光生电子要有产生和复合的过程。过程1强辐射与弱辐射对比：4)光谱响应光电探测器都有该曲线，这源于不同材料对不同波长有不同的响应，体现了一种偏向性。5)在光电探测中有哪些因素可以改善测量误差（灵敏度）?i.α与λ成反比，波长越短，吸收系数越大，灵敏度越高；ii.T，这是产生误差的主要来源，光电器件对温度敏感，具有复杂的温度特性，这影响着光生载流子的参与导电，温度过高，光生载流子热运动剧烈，大量的光生载流子发生复合，光电器件性能变差，因此，在测量过程中，适当地降低温度可以改善测量结果，提高测量精度；iii.响应时间，响应时间越短，测量精度越高，存在着可接近却达不到的理想我的老师说过：光电技术人员应具备不怕黑、不怕冷、不怕密闭的专业素质.61kTqUDeII方波；iv.光谱特性响应曲线，不同材料对不同波长有不同的响应，光电探测器的光谱特性响应曲线体现着这种偏向性，因此，在实际应用过程中，应结合具体需求，选择适宜的材料（例子见表3）；v.光电探测器的灵敏度不同。问题三判断1光电导器件在方波辐射作用下，其上升时间大于下降时间。（F）2在测量某光电导器件的γ值时，背景光照越强，其γ值越小。（R）3光敏电阻的恒压偏置电路比恒流偏置电路的电压灵敏度要高一些。（F）4光敏电阻的阻值与环境温度有关，温度升高光敏电阻的阻值也随着升高。（R）5光敏电阻的前例效应是由于被光照过后所产生的光生电子与空穴的复合需要很长时间，而且，随着复合的进行，光生电子与空穴的浓度与复合几率不断地减小，使得光敏电阻恢复被照前的阻值需要很长时间这一特性的描述。（F）第三章光生伏特器件问题一硅光生伏特器件硅光生伏特器件具有制造工艺简单、成本低等特点使它成为目前应用最广泛的光生伏特器件。问题二硅光电二极管硅光电二极管是最简单、最具有代表性的光生伏特器件，其中，PN结硅光电二极管为最基本的光生伏特器件。1工作原理—基于PN结的光伏特效应2基本结构1)光电二极管可分为以P型硅为衬底的2DU型与以N型硅为衬底的2CU型两种结构形式。如图3-1（a）所示的为2DU型光电二极管的原理结构图。2)图3-1（c）所示为光电二极管的电路符号，其中的小箭头表示正向电流的方向（普通整流二极管中规定的正方向），光电流的方向与之相反。图中的前极为光照面，后极为背光面。3电流方程—普通二极管的电流方程ID为U为负值（反向偏置时）且|U|kT/q时(室温下kT/q≈0.26mV，很容易满足这个条件)的电流，称为反向电流或暗电流。4基本特性1)普通二极管工作在正向电压大于0.7V的情况下，而光电二极管则必须工作在这个电压以下，否则，不会产生光电效应。尽量不使用第一象限，因为加正向偏压会抵消内建电场，减小耗散区，与探测目标背向；在第三象限，输出电流与光照有很好的线性关系。2)灵敏度我的老师说过：光电技术人员应具备不怕黑、不怕冷、不怕密闭的专业素质.7越紫外越灵敏，但紫外波段为强吸收，容易损坏光电器件。3)光谱响应—光电二极管的电流灵敏度与波长的关系以等功率的不同单色辐射波长的光作用于光电二极管时，其响应程度或电流灵敏度与波长的关系称为光电二极管的光谱响应。典型硅光电二极管光谱响应波段0.4-1.1μm，峰值响应波长约为0.9μm。本征体整个材料都可以看作耗散区，Si、Ge、Sn只能产生本征吸收。从图3-5看出，探测器的探测范围要与信号波长相匹配。4)时间响应i.以f频率调制的辐射作用于PN结硅光电二极管光敏面时，PN结硅光电二极管的电流产生要经过下面3个过程：在PN结区内产生的光生载流子渡越结区的时间τdr，称为漂移时间(ns)；在PN结区外产生的光生载流子扩散到PN结区内所需要的时间τp，称为扩散时间(100*ns)—限制