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文档简介

1.光电探测器主要利用哪些物理效应?哪些属于外光电效应?哪些属于内光电效应?,4.1 光电探测器的物理效应 凡是把光辐射量转换为电量的光探测器,都称为光电探测器。 光电转换的实现主要是利用物理效应: 光子效应 光热效应 光电磁效应 在每一类中又分为若干细目,详细分类见讲义表4-1。,光子效应分类: 外光电效应: 光电发射效应 内光电效应: 光电导效应,光伏效应, 光电磁效应。,2.何为光子效应?其物理实质、特点及分类是什么?利用光子效应制作的探测器有哪些?,1 光子效应 定 义:单光子对产生的光电子起直接作用的光电效应。 物理实质: 光子直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。 光子效应的特点: 光子能量大小, 直接影响内部电子状态改变的大小; 光子能量为h,光子效应对光波频率表现出选择性; 在光子直接与电子作用下,响应速度一般较快。,探测器见书106页表,光电管,光电倍增管,像增强管,光导管或光敏电阻,光电池,光电二极管,雪崩光电二极管,肖特基势垒光电二极管,光电磁探测器,光子牵引探测器,3.何为光电发射效应?其数学表达式及物理意义是什么?光电发射效应产生的条件是什么?利用光电发射效应制作的探测器有哪些?,(1)光电发射效应(外光电效应) 定义:在光照下,物体向表面的外空间发射电子(光 电子)的现象称为光电发射效应。 数字表达式:著名爱因斯坦方程描述了光电发射效应. 或 其中: :电子离开发射体表面时的动能, m:电子质量, :电子离开时的速度, :光子能量, :光电发射体的功函数(逸出功),从材料表面 逸出时所需的最低能量。,爱因斯坦方程的物理意义: 如果发射体内的电子吸收的光子能量大于 发射体功函数的值, 电子就能以相应的速度从发射体表面逸出。, 光电子发射效应产生的条件 式中: : 表示电子逸出表面的速度大于零; = : 表示电子以零速度逸出,即静止在发射 表面上; :产生光电发射的入射光波的截止频率。 如用波长表示,则为:,因为: , - 产生光电发射的入射光截止波长 (普朗克常数) 所以: 可见: 小的发射体,需要 大的光辐射产生光电发射; 大的发射体,需要 小的光辐射产生光电发射。,探测器:光电管,4.何为光电导效应?利用光电导效应制作的探测器有哪些?,(2)内光电效应 当光照射物体时,光电子不逸出体外的光电效应 光电导效应 光电导效应只发生在半导体材料中,金属没有光电导效应。 * 金属导电:由于金属原子形成晶体时,产生大量的自由电子, 自由电子的浓度 n=常数,不受外界因素影响。 * 半 导 体:在 0oK 温度时,导电载流子浓度= 0; 在 0oK 温度时,由于热激发产生载流子(电子、 空穴),在扩散过程中又受到复合作用而消失。,在热平衡条件下,单位时间内: 热生载流子产生数目=因复合而消失的数目 因此,在热平衡下,导带和价带维持着一定数目的电子和空 穴浓度,它们的平均寿命分别表示为: 和 。 在外电场 E 作用下,载流子产生漂移运动,载流子的迁移 速率定义如下: 式中:V-外加电压;L-半导体的长度;-漂移速度。,因为载流子的漂移运动效果用半导体的电导率描述,所以:定义半导体的电导率: 半导体的截面积是A,则其电导G(热平衡暗电导)为: 所以半导体的暗电阻为: 若入射光波长满足如下条件: 本征半导体 掺杂半导体,则光子在半导体中激发出新的载流子(电子和空穴). 即在原来热平衡载流子浓度值上,增加了n、p, 称其为非平衡载流子,亦称为光生载流子。 显然,在无光照射时,常温下的样品具有一定的热 激发载流子浓度,因而样品具有一定的暗电导率,其表 达式为: 光照射后,产生光生载流子,则光照稳定情况下的 电导率为:, 光电导率为: 光电导则为 : 上式也可变为: N型杂质 P 型杂质,对本征情况,如果: 式中: N -光辐射每秒钟产生的电子-空穴对数目, AL -半导体体积 , , -电子和空穴的平均寿命。 所以,本征光电导为: 其中:eN-光辐射每秒钟激发的电荷量 由于光电导的增益G,使外回路产生电流增益i: 式中V是外电压。,从上式可见,电流增量i并不等于每秒钟激光发射的电荷量eN,于是定义: M - 光电导体的电流增益。 对n型半导体: 电子在外电场作用下,渡越半导体长度 L 所 花费的时间,称为渡越时间。 当 时,M 1,就有电流增益效果。,探测器:光导管或光敏电阻,5.何为光伏效应(结合pn结图示说明)?请画图说明短路光电流是如何产生的?并推导出其数学表达式。,光伏效应 光电导效应是半导体材料的体效应, 光伏效应则是半导体材料的“结”效应。 实现光伏效应需要有内部电势垒,当照射光激发出电子空穴对时,电势垒的内建电场将把电子空穴对分开,从而在势垒两侧形成电荷堆积,形成光生伏特效应。 由于所用材料不同,内部电势垒可以是:半导体p-n结势垒,金属与半导体接触的肖特基势垒,以及异质结势垒等等。 本节主要讨论 p-n 结的光伏效应的原理。,p-n结的特性 * 在零偏状态下 n 型材料中, , p型材料中, ; 在 p-n 结处,空穴向 n 区、电子向 p 区扩散运动;p 区留下带负电的电离受主,n 区留下带正电的电离施主; 正负粒子在结区附近形成空间电荷区,称为耗尽区;区内存在一电场为内建电建,方向由 n 到 p; 在内建电场作用下,载流子出现漂移运动,电子由p到n区,空穴由n到p区; 漂移运动方向与扩散运动方向相反,在结区建立了相对稳定的内建电场; 此时没有静电流流过pn结。P-n结两端无电压,为零偏状态。,* 在正偏状态下: 由于耗尽区的电阻远比体电阻大,外加电压V几乎全部降 落在耗尽层上,势垒高度降低到 ,空间电荷变窄。 扩散与漂移的关系被破坏, 扩散电流增加,外加电路 中形成正向电流,能级图 如图所示。,* 在反偏状态下: 当p-n结反向偏置时,施加的电压方向与自建电场的方向 相同,势垒高度增 加( ),空 间电荷区增宽。扩 散与漂移的关系被 破坏,漂移电流占 主导地位,能级图 如下所示。,* 无光照的 PN 结伏安特性曲线: 在无光照时,p-n 结的伏安特性为: 式中: -暗电流, -反向饱和电流, u -结端偏置电压, e -电子电荷量, -波尔兹曼常数, T -绝对温度。,* 光伏效应: 在零偏时,若照射光的波长满足: -零偏时p-n结的自建电场强度 设: 光由p区入射,在p区激发出电子空穴对。 因光生空穴对 p 区空穴浓度影响小,光生电子对 p 区电子浓度的影响大,则从 p 区表面向 p 区内自然形成电子扩散趋势。,若 p 区的厚度小于电子的扩散长度,则大部分光生电子都能扩散进入 p-n 结。 一旦电子进入 p-n 结,就立刻被内电场 扫向 n 区。 这样,光生电子空穴对就被内电场分离出来,空穴留在 p 区,电子通过扩散流向 n 区。此时,用电压表就能量出 p 区正,n 区负的开路电压。 光照零偏 p-n 结产生开路电压的效应,称为光生伏特效应。,如果用理想电流表接通p-n结,则有电流通过,称为短路光电流: (p-n结的零偏电阻) 如图所示为p-n结的 伏安特性曲线与光电二 极管的伏安特性曲线。 由曲线可以看出: 光照零偏p-n结,产生开路光电压(光电池工作原理), 光照反偏p-n结,有光电流(结型光电探测器工作原理),1.光电转换原理 p-n 结光伏探测器的典型结构及作用原理如图所示。 假定: * 光生电子-空穴对在 p-n结的结区-耗尽区内产生。 * 内电场Ei的作用,电子向n区、空穴向P区漂移运动, * 光伏探测器两端被短路,被内电场分离的电子和空穴就在外 回路中形成电流 ,称为短路光电流 。,6.请画出pn结光伏探测器的等效电路图,并写出光照下pn结的电流方程,画出其伏安特性曲线,并说明该曲线的特点,请说明利用光伏效应制作的探测器有哪些,分别工作在伏安特性曲线图中的那个区域?,4.5 光伏探测器 光伏探测器与光电导探测器相比较,主要区别: 产生光电变换的部位不同 光电导探测器是均值型,光照任何部分电导都增大; 光伏探测器是结型,只有结区附近光产生光伏效应. 光电导探测器没有极性,工作必须外加偏压; 光伏探测器有正负极,不需外电压也进行光电转换., 光电导探测器主要依赖于非平衡载流子的多子产生复 合运动,弛豫时间长,响应速度慢,频率响应性能较 差。 光伏探测器主要依赖于结区非平衡载流子中的少子漂 移运动,弛豫时间较小,响应速度快,频率响应时间 特性好。 相同点: 都是利用内光电效应。,1.光电转换原理 p-n 结光伏探测器的典型结构及作用原理如图所示。 假定: * 光生电子-空穴对在 p-n结的结区-耗尽区内产生。 * 内电场Ei的作用,电子向n区、空穴向P区漂移运动, * 光伏探测器两端被短路,被内电场分离的电子和空穴就在外 回路中形成电流 ,称为短路光电流 。,就光电子形成的过程,光伏探测器和光电导探测器有十分类似的情况,可以把光电导探测器光电转换关系式进行改写: 改写后为: 式中: ,是光伏探测器中一个光生电子所贡献的总电荷量。 除了Q 项外,光伏和光导的其它物理量都可以用一种形式描述。,一个光生电子-空穴对所贡献的总电荷量 Q 是多少? 在耗尽区中 X 处产生的光生电子-空穴对,空穴向左漂移 X 距离到达 p 区,电子向右漂移(L-X)距离到达 n 区。 空穴和电子的漂 移时间分别为 tp 和 tn,则空穴和电子电 流脉冲的强度分别为 和 。,则空穴和电所贡献的电荷量为: 因此,一个电子一空穴对所贡献的总电荷量为: 所以: 这个结果表明,光伏探测器的内电流增益 Mn=1,这是和光电导探测器明显不同的地方。,2.光伏探测器的工作模式 两种工作模式: 当光照射 p-n 结时: * 入射光子能量大于材料禁带宽度; * 在结区产生电子-空穴对; * 非平衡载流子在内建电场的作用下,分别向 n 区和p 区运动,产生光生电压, * 只要光照不停止,光生电压将永远存在,其大小与 p-n 结的性质及光照度有关。,结型光电器件在有光照条件下,可以使用于正偏置、零偏置和反偏置。但理论和实际证明: 正偏置:单向导电性(普通二级管),无光电效应产生; 零偏置:p-n结无外加电压,产生光伏效应,光伏工作模式; 反偏置:无光照时,电阻很大,电流很小, 有光照时,电阻变小,电流变大, 流过的光电流随照度变化而变化,与光敏电阻一样, 光电导工作模式。但二者的工作机理不同。 因此,结型光电器件可选用两种工作模式: 零偏置 反偏置, 光照下p-n结的电流方程: 光照射p-n结时,在p-n结内出现方向相反的电流,分别是: 光激发产生电子-空穴对,在内建电场作用下,形成光生电 流 ,大小与光照有关,方向与p-n结反向饱和电流相同; 上述作用的结果,在n区聚集大量的电子而带负电,在 p 区 聚大量的空穴而带正电, 在p区和n区之间产生了电 势,形成光生电动势,这 相当于,p-n 结上施加正 向偏置电压,从而产生正 向电流 ,其方向与 相反。,因此,一个p-n结光伏探测器就等效为一个普通二级管和一个恒流源(光电流源)的并联,其工作模式则由外偏压回路决定。 光电池符号和等效电路如图所示,式中i 是流过探测器的总电流。 已知: 所以:, 光伏探测器的伏安特性: 上式中的i-u曲线,即光伏探测器的伏安特性曲线。, 第一象限正偏电压状态 本来就很大, 光电流不起作用,作为光电探 测器,在这一区域没有意义; 第三象限为反偏状态 当p=0 时, ,称为暗电流,数值很小; 当 p0 时,流过探测器的主要电流是光电流, 为 ,这对应于光电导工作模式,称为光电二极 管,其外回路特性与光电导探测器相似。, 第四象限为零偏状态 表现出明显的非线性。此时流过探测器的电流仍 为反向电流,而结电压为正。 说明器件已成为电池向负载输出功率,所以称此 时的光伏探测器为光电池。 结电压就是光生电压,是电流为零的开路电压, 电压为零时的电流为短路电流。,7.由光伏探测器的I-V曲线,如何求出光电池的最佳负载电阻和最佳输出功率?, 输出功率和最佳负载电阻 输出功率: 在 0 RL 时,硅光电池就有电输出功率。根据等效电路图,就可以写出其输出功率一般表达式: 输出电流为: 所以:, 最佳负载电阻 由上面的推导看出, 与i有一定的关系,而i与 有关,当 RL 变化时: RL = - RL = 0 时, 则有: - , 显然,只有在某一负载电阻下,才能有最大的电输出功率。 设: 当 时, 特定照射功率条件下的最佳负载电阻。 它也是入射光功率的函数, 所以,定义光电池的转换效率: 硅光电池的实际转换效率一般为10% 15%, 和 图解表示法: 利用光电池的伏安特性曲线,可以十分直观地了解光电池的功率输出特性。如图所示:,OH: 的负载线 H: 负载线与一定光功率下的伏安特性曲线的交点 OH负载线的斜率: 因为 ,所以 围成的矩形面积就是在特定光功率下、负载为 时的光电池的输出功率。 当 RL 变化时,矩形面积亦变化, 亦随之改变.,最佳负载电阻 Rm 的图解求法: 当照射功率确定时,过开路电压 及短路 电流 作伏安特性曲线的切线,两切线相交 于Q 点, 连接 OQ,与伏安特性曲线相交 m 点,则得 到: , 对应有:,由图中看出: 围成的矩形面积最大; 在I区, ,当RL 减小时,输出电压大幅度变 化,输出电流变化不大; 在区, ,当RL 增大时,输出电流大幅度变 化,输出电压变化不大; 所以,在实际应用中,可根据需要确定 RL 值。,8.硅光电二级管 与光电池有哪些异同点?画出硅光电二极管光电变换的伏安特性曲线分析其有哪些特点,并有伏安特性曲线分析当Vb或RL不变时,其信号输出有哪些变化。, 光电变换的伏安特性分析 光电二级管是一种以光导模式工作的光伏探测器,其工作区域的伏安特性曲线如图所示。 为了符合人们通常的观察习惯,将 I 和 V 方向倒转,变成以第一象限的位置表示第三象限的伏安特性,如图所示。,其特点是: * 一组以输入光功率为参量的曲线族; * 电压较小时曲线呈弯曲状,随着电压的增大曲线逐渐 平直,中间有一转折点 M,其所对应的电压称拐点电 压,用VM 表示; * 当电压高于拐点电压时(VVM),各曲线间逐渐近似 平行,此区域称为恒流区。即随着工作电压的改变, 光电流几乎不变。光电流只随入射光通量的增大而增 加。 因此,硅光二极管的输出电流由输入光功率控制。, 图解分析法确定参数 图中给出了反偏电压下硅光电二极管的基本电路。 其中: Vb反向电压, Vo负载两端的输出电压, RL负载电阻, I 流过负载的电流, 与输入光功率有关。 光电二极管两端电压为: V(I)= Vb IRL,* I-V 图上负载线:Vb - Vb/RL 直线,斜率 * 若光功率为Po,则交点 Q 为输入电路的静态工作点; * 当输入光由 Po 改变为 时,在 RL 上会产生 的电压信号输出,以及 的电流信号输出。,通过图解法可以很清楚地分析电路参数 RL 和 Vb 对输出信号的影响。 例如,(a) 当Vb不变时, 光功率变化: * RL-越小,输出信号的电流变化大,电压变化小。 但是,受到器件允许的最大工作电流和功耗的限制。 * RL-变大时,输出信号电压提高了。 但是,过大的 RL 会使负载线越过拐点 M 进入非线 性区,使输出信号的波形发生畸变

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