光电传感与检测第二章

2 1半导体器件基础知识2 2光电效应外光电效应光电导效应光生伏特效应光热效应 1 热释电效应 辐射热计效应 温差电效应2 3光电检测器件的特性参数光电检测器件的类型光电器件的基本特性参数 第二章光电检测器件的工作原理及特性 2 1半导体器件基础知识一原子中电子的能级二晶体中原子的能带三本征半导体 杂质半导体 PN结2 2光电效应外光电效应光电导效应光生伏特效应光热效应2 3光电检测器件的特性参数 2 1半导体器件的基础知识 一原子中电子的能级 二晶体中原子的能带 1 能带 电子的共有化 当原子之间距离很近的时候 不同的原子之间的电子轨道将发生不同程度的重叠 最外层电子的轨道重叠最多 轨道的重叠使原来属于某一个原子的电子成为整个晶体共有 价带 能量最高的被价电子填满的能带导带 价带以上的能带 基本上是空的禁带 价带与导带之间的区域 2 泡利不相容原理 泡利不相容原理限制能占有某个原子能级的电子数 同样也限制一个晶格的能带内所容纳的电子数 一般的原子中 内层电子的能级以及其相应的能带都是被电子填满的 而硅等共价键结合的晶体中 其内层电子到最外层的价电子都正好填满相应的能带 举例 考虑钠原子中3S原子能级的能带 3 导体中的能带 考虑一种如图所示能带结构的金属 这种能带结构可能相当于钠 Z 11 的能级 结论 具有如图所示那样能带结构的物质应为良导体 换句话说 良导体 也称金属 是那些最高能带未被完全填满的固体 又如 Li 1S22S1 Al 1S22S22P63S23P1 Mg 1S22S22P63S2 疑问 如上面的分析 那么Mg 镁 是否属于良导体呢 结论 实际上由于最高能带可能发生重叠 镁的3S电子可分布在3S和3P能带中 因此镁应为良导体 对有些物质 它们的原子具有满充壳层 但是在固体时由于最上面的满带和一个空带重叠的话 便成为导体 常称这些物质为半金属 4 绝缘体的能带 现在考虑这样一种物质 该物质中的最高能带即价带是满的 而且不与下一个全空的能带重叠 如图所示 结论 绝缘体最上面的价带是满的 同时和下一个空带之间有几个电子伏特能隙的固体 5 半导体的能带 注意 半导体的能带与绝缘体的能带很相似 只不过价带和导带之间的能隙比绝缘体的要小得多 因此 半导体是一种绝缘体 但它们的价带和导带之间的能隙约为1eV或更小 现在考虑这样一种物质 该物质的最高能带是满的 而且不与下一个全空的能带重叠 n型半导体的能带示意图 假定取代半导体的原子的另一种物质的原子比半导体的原子具有较多的价带电子 相反地 杂质原子可以比半导体原子具有较少的价带电子 p型半导体的能带示意图 总结 为了使半导体的电导率发生大的变化 对于每一百万个半导体原子 大约有一个杂质原子就足够了 因为杂质的电离能比禁带宽度要小得多 所以杂质的种类和数量对半导体的导电性能影响很大 导体 半导体和绝缘体 自然存在的各种物质 分为气体 液体 固体 固体按导电能力可分为 导体 绝缘体和介于两者之间的半导体 电阻率10 6 10 3欧姆 厘米范围内 导体电阻率1012欧姆 厘米以上 绝缘体电阻率介于导体和绝缘体之间 半导体 半导体的特性 半导体电阻温度系数一般是负的 而且对温度变化非常敏感 根据这一特性 热电探测器件 导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化 纯净Si在室温下电导率为5 10 6 欧姆 厘米 掺入硅原子数百万分之一的杂质时 电导率为2 欧姆 厘米 半导体导电能力及性质受光 电 磁等作用的影响 本征和杂质半导体 本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体 在绝对零度时 价带中的全部量子态都被电子占据 而导带中的量子态全部空着 在纯净的半导体中掺入一定的杂质 可以显著地控制半导体的导电性质 掺入的杂质可以分为施主杂质和受主杂质 施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子 同时向导带提供电子 使半导体成为电子导电的n型半导体 受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子 同时向价带提供空穴 使半导体成为空穴导电的p型半导体 在物理学中 根据材料的导电能力 可以将他们划分导体 绝缘体和半导体 典型的半导体是硅Si和锗Ge 它们都是4价元素 硅原子 锗原子 硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子 三本征半导体 杂质半导体 PN结 本征半导体的共价键结构 束缚电子 在绝对温度T 0K时 所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中 不会成为自由电子 因此本征半导体的导电能力很弱 接近绝缘体 1 本征半导体 本征半导体 化学成分纯净的半导体晶体 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99 9999999 常称为 九个9 这一现象称为本征激发 也称热激发 当温度升高或受到光的照射时 价电子会获得足够的随机热振动能量而挣脱共价键的束缚 而参与导电 成为自由电子 自由电子 空穴 自由电子产生的同时 在其原来的共价键中就出现了一个空位 称为空穴 可见本征激发同时产生电子空穴对 外加能量越高 温度越高 产生的电子空穴对越多 与本征激发相反的现象 复合 在一定温度下 本征激发和复合同时进行 达到动态平衡 电子空穴对的浓度一定 常温300K时 电子空穴对 在外电场的作用下 空穴和电子会产生移动 即不断有共价键中的电子摆脱束缚 填充到原有的空穴中 即象是空穴在移动 形成的电流方向就是空穴移动的方向 本征半导体的导电性取决于外加能量 温度变化 导电性变化 光照变化 导电性变化 导电机制 2 杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为杂质半导体 1 N型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素 例如磷 砷等 称为N型半导体 N型半导体 多余电子 磷原子 硅原子 多数载流子 自由电子 少数载流子 空穴 施主离子 自由电子 电子空穴对 在本征半导体中掺入三价杂质元素 如硼 镓等 空穴 硼原子 硅原子 多数载流子 空穴 少数载流子 自由电子 受主离子 空穴 电子空穴对 2 P型半导体 杂质半导体的示意图 多子 电子 少子 空穴 多子 空穴 少子 电子 少子浓度 由本征激发产生 与温度有关 多子浓度 与所掺杂质浓度有关 与温度无关 因多子浓度差 形成内电场 多子的扩散 空间电荷区 阻止多子扩散 促使少子漂移 PN结合 空间电荷区 多子扩散电流 少子漂移电流 耗尽层 3 PN结及其单向导电性 1 PN结的形成 动态平衡 扩散电流 漂移电流 总电流 0 2 PN结的单向导电性 A 加正向电压 正偏 电源正极接P区 负极接N区 外电场的方向与内电场方向相反 外电场削弱内电场 耗尽层变窄 扩散运动 漂移运动 多子扩散形成正向电流IF B 加反向电压 电源正极接N区 负极接P区 外电场的方向与内电场方向相同 外电场加强内电场 耗尽层变宽 漂移运动 扩散运动 少子漂移形成反向电流IR 在一定的温度下 由本征激发产生的少子浓度是一定的 故IR基本上与外加反压的大小无关 所以称为反向饱和电流 但IR与温度有关 PN结加正向电压时 具有较大的正向扩散电流 呈现低电阻 PN结导通 PN结加反向电压时 具有很小的反向漂移电流 呈现高电阻 PN结截止 由此可以得出结论 PN结具有单向导电性 3 PN结的伏安特性曲线及表达式 根据理论推导 PN结的伏安特性曲线如图 正偏 IF 多子扩散 IR 少子漂移 反偏 反向饱和电流 反向击穿电压 反向击穿 热击穿 PN结电击穿后 电流很大 电压又很高 消耗在PN结上的功率很大 容易使PN结发热超过它的耗散功率而过度到热击穿 烧坏PN结 电击穿 雪崩击穿和齐纳击穿 可逆 根据理论分析 u为PN结两端的电压降 i为流过PN结的电流 IS为反向饱和电流 UT kT q称为温度的电压当量 其中k为玻耳兹曼常数1 38 10 23q为电子电荷量1 6 10 9T为热力学温度对于室温 相当T 300K 则有UT 26mV 当u 0u UT时 当u UT 时 4 PN结的电容效应 当外加电压发生变化时 耗尽层的宽度要相应地随之改变 即PN结中存储的电荷量要随之变化 就像电容充放电一样 A 势垒电容CB B 扩散电容CD 当外加正向电压不同时 PN结两侧堆积的少子的数量及浓度梯度也不同 这就相当电容的充放电过程 电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来 极间电容 结电容 4半导体二极管 二极管 PN结 管壳 引线 结构 符号 1 半导体二极管的V A特性曲线 硅 0 5V锗 0 1V 1 正向特性 导通压降 2 反向特性 死区电压 实验曲线 2 二极管的主要参数 1 最大整流电流IF 二极管长期连续工作时 允许通过二极管的最大整流电流的平均值 2 反向击穿电压UBR 二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压UBR 3 反向电流IR 在室温下 在规定的反向电压下的反向电流值 硅二极管的反向电流一般在纳安 nA 级 锗二极管在微安 A 级 当稳压二极管工作在反向击穿状态下 工作电流IZ在Izmax和Izmin之间变化时 其两端电压近似为常数 稳定电压 3 稳压二极管 稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管 正向同二极管 反偏电压 UZ反向击穿 UZ 半导体三极管 半导体三极管 也叫晶体三极管 由于工作时 多数载流子和少数载流子都参与运行 因此 还被称为双极型晶体管 BipolarJunctionTransistor 简称BJT BJT是由两个PN结组成的 BJT的结构 NPN型 PNP型 符号 三极管的结构特点 1 发射区的掺杂浓度 集电区掺杂浓度 2 基区要制造得很薄且浓度很低 2 1半导体器件基础知识2 2光电效应外光电效应光电导效应光生伏特效应光热效应 1 热释电效应 辐射热计效应 温差电效应2 3光电检测器件的特性参数光电检测器件的类型光电器件的基本特性参数 第二章光电检测器件的工作原理及特性 光电效应定义 光电效应分类 外光电效应 金属和金属氧化物 内光电效应 半导体 是指物体吸收光能后转换为该物体中某些电子的能量 从而产生的电效应 2 2光电效应 1外光电效应在光线的作用下 物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应 向外发射的电子叫做光电子 基于外光电效应的光电器件有光电管 光电倍增管等 光子是具有能量的粒子 每个光子的能量 E hv h 普朗克常数 6 626 10 34J s 光的频率 s 1 1 外光电效应第一定律 也叫斯托列托夫定律 当入射光线的频谱成分不变时 光电阴极的饱和光电发射电流IK与被阴极所吸收的光通量 K成正比 即IK SK K式中SK为表征光电发射灵敏度的系数 它是用光电探测器进行光度测量 光电转换的一个最重要的依据 2 外光电效应第二定律 也叫爱因斯坦定律 发射出光电子的最大动能随入射光频率的增高而线性地增大 与入射光的光强无关 即光电子发射的能量关系符合爱因斯坦方程 3 外光电效应第三定律当光照射某一给定金属或某种物质时 无论光的强度如何 如果入射光的频率小于这一金属的红限vo 就不会产生光电子发射 显然 在红限处光电子的初速应该为零 因此 金属的红限为vo A h 4 外光电效应的瞬时性光电发射的瞬时性是光电发射的一个重要特性 实验证明 光电发射的延迟时间不超过3 10 13s数量级 因此 实际上可以认为光电发射是无惯性的 这就决定了外光电效应器件具有很高的频响 2光电导效应 定义 光电导效应指固体受光照而改变其电导率 本征光电导效应是指只有光子能量hv大于材料禁带宽度Eg的入射光 才能激发出电子空穴对 使材料产生光电导效应的现象 hv Eg 杂质光电导效应是指杂质半导体中的施主或者受主吸收光子能量后电离 E1表示杂质半导体的电离能 产生自由电子和空穴 从而增加材料电导率的现象 hv E1 由于Eg E1 因此一般杂质半导体检测波长范围宽 过程 当光照射到半导体材料上时 价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击 并使其由价带越过禁带跃入导带 如图 使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加 从而使电导率变大 导带 价带 禁带 自由电子所占能带 不存在电子所占能带 价电子所占能带 Eg 1 本征光电导效应 只有光子能量hv大于材料禁带宽度Eg的入射光 才能激发出电子空穴对 使材料产生本征光电导效应 hv Eg即本征光电导材料的截止波长为 0 hc Eg即 0 1 24 Eg类似 杂质光电导材料的截止波长为 0 1 24 E1 下面讨论本征光电导 定量计算 本征半导体光电导效应图 当入射光功率为 为常数时 用来产生光电效应的光功率 产生非平衡载流子的光子数 产生非平衡载流子的浓度 那么它的短路光电流密度为 产生的短路光电流 在稳定光照下 光生载流子不断产生 同时也不断复合 在稳定时光生载流子的浓度为 光电导率为 暗电导率为 2 光电导的三个重要参数 光电导体的灵敏度 光电导体的增益 光电导体的弛豫过程 光电导体的光谱分布 光电导体的灵敏度光电导体的灵敏度表示在一定光强下光电导的强弱 G为光电导 E为光照度 光电导体的增益当长度为L的光电导体两端加上电压U后 由光照产生的光生载流子在电场作用下形成的外电流与光生载流子在内部形成的光电流之比 称为光电导的增益 用M来表示 M tL 1 式中 为量子产额 为光生载流子寿命 tL为载流子在光电导两极间的渡越时间 一般有tL l2 U 2 将式 2 代入式 1 可得M U l2如果在光电导体中自由电子与空穴均参与导电 那么 光电导增益的表达式为M n n p p U l2式中 n和 p分别为自由电子和空穴的寿命 n和 p分别为自由电子和空穴的迁移率 光电导材料一般将光敏面做成蛇形 可在减小两电极之间距离 减小载流子在两电极间的渡越时间 的同时保证有较大的受光面积 也有利于提高灵敏度 光电导的弛豫过程 响应时间 光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流是要经过一定时间的 同样光照停止后光电流也是逐渐消失的 这些现象反映了光电导材料对光强变化的反映快慢程度 称为弛豫过程或惰性 光电导上升或下降的时间就是弛豫时间 或称为响应时间 显然 弛豫时间长 光电导反应慢 惯性大 弛豫时间短 光电导反应快 惯性小 在分析定态光电导和光强之间的关系时 通常讨论下面的两种情况 直线性光电导的弛豫过程和抛物线性光电导的弛豫过程 这两种典型情况的 n 或 p 与光强的关系可表示成 n I 式中 为光电导体对光的吸收系数 I为光强 为光电转换因子 一般指在某一光强范围内的 值 对直线性光电导材料而言 在光强照射下 增加的电子密度 n 或空穴密度 p 与光强I的关系可表示为 n I在定态的情况下 如果光生载流子有确定的复合几率或寿命 这时 对直线性光电导可得 n In 式中In是以光子计算的入射光强 即单位时间内通过单位面积的光子数 式中 为比例系数 恒定光照下决定光电导上升规律的微分方程为 A 直线性光电导的弛豫过程 即光电导与光强呈线性关系 根据上式的初始条件t 0时 n 0 则方程的解为取消光照后 决定光电导下降的微分方程为设光照停止时 t 0 n具有定态值 n In 则上式的解为 B 抛物线性光电导的弛豫过程 光电导与光强的平方根成正比 对抛物线性光电导材料 n 或 p 与光强I的关系可表示为同时 必须假设复合率与光生载流子密度的平方程正比 即式中b为比例系数 这时的定态条件为可见光生载流子密度以及电导率的增量均与光强的平方根成比例 在抛物线性光电导中 决定光电导上升的微分方程为 利用初始条件t 0时 n 0 可得上式的解为光照取消后 决定光电导下降的微分方程为利用初始条件t 0时 从式可得解为 抛物线性光电导上升和下降曲线 总结 光生载流子的定态值都可以表示为生产率与驰豫时间的乘积 即 A 弱光照条件下的光电导响应光照开始时 上升响应 光照停止时 下降响应 稳态光生载流子浓度 对于正弦型光照 得上限截止频率 响应特性 响应时间等于载流子寿命且为常数 稳态光电导与光生载流子的产生率成线性关系 即与入射辐射通量 成正比 B 强光照条件下的光电导响应光照开始时 上升响应 光照停止时 下降响应 稳态光生载流子浓度 响应特性 响应时间是光照的函数 稳态光电导与入射辐射通量的平方根成正比 光电导体的光谱分布 A 本征光电导的光谱分布 下图表示典型的本征光电导的光谱分布 B 杂质光电导的光谱分布 下图是典型的锗掺金杂质光电导光谱分布 3光生伏特效应 光生伏特效应 是指由内建电场形成势垒 此势垒将光照产生的电子空穴对分开 从而在势垒两侧形成电荷堆积 产生光生电动势的效应 势垒可以是不同类型的半导体接触形成的PN结 PIN结 金属和半导体接触形成的肖特基势垒 不同半导体材料形成的异质PN结势垒等 光照在半导体p n结或金属 半导体接触面上时 会在p n结或金属 半导体接触的两侧产生光生电动势 p n结的光生伏特效应 当用适当波长的光照射p n结时 由于内建场的作用 不加外电场 光生电子拉向n区 光生空穴拉向p区 相当于p n结上加一个正电压 半导体内部产生电动势 光生电压 如将p n结短路 则会出现电流 光生电流 1 p n结的内建电场 加正偏 有较大正向电流流过 结 加反偏 有一个很小的反向电流流过 结 反向击穿前不变 称为反向饱和电流 无光照时 结形成内建电场 漂移电流和扩散电流动态平衡 结两端无电压 称为零偏 在外加偏压下 流过 结的电流方程为 无光照 P型 N型 P型 N型 能级弯曲的原因 在热平衡条件下 同一体系具有相同的费米能级 2 p n结的能带图 光照时n区产生少子空穴 p区产生少子电子 在内建电场的作用下 n区的空穴向p区运动 而p区的电子向n区运动 使p端电势升高 n端电势降低 光生电场由p端指向n端 使势垒降低 产生正向电IF 由于空穴向p区运动 所以在p n结内部形成自n区向p区的光生电流IL 有光照 P n 太阳光 在光激发下多数载流子浓度一般改变很小 而少数载流子浓度却变化很大 因此应主要研究光生少数载流子的运动 浅结 由于光照而在 结两端出现的电动势称为光生电动势 对应效应称为光生伏特效应 此光生电动势有以下特点 此电动势以光照为基础 一旦光照消失 光生电动势也不复存在 若光照时 结是开路的 在结的两端可测出开路电压 如果 结外接负载形成回路 则有电流流经 结 方向 区指向 区 若负载为 测出的是短路电流 光生电流方向 区指向 区 外部电流方向 区指向 区 则流经回路的总电流为 是 结两端电压 结开路时 求得开路电压为 若 结短路 则 求得短路电流 就是光生电流 若无光照 则 外加正向电压 时 有电流 光热效应 1 热释电效应 概述 电介质材料的电性包括介电性 压电性 铁电性和热释电性等 由于原子的构型是温度的函数 所以极化状态将随温度发生改变 介质的极化状态随温度变化而变化 引起表面电荷变化的现象称为热释电现 热电性是所有呈现自发极化的晶体的共性 具有热释电效应的材料称为热释电材料 热释电器件是一种利用热释电效应制成的热探测器件 与其它热探测器相比 热释电器件具有以下优点 具有较宽的频率响应 工作频率接近MHz 远远超过其它热探测器的工作频率 一般热探测器的时间常数典型值在1 0 01s范围内 而热释电器件的有效时间常数可低达10 4 10 5s 热释电器件的探测率高 在热探测器中只有气动探测器的才比热释电器件稍高 且这一差距正在不断减小 热释电器件可以有大面积均匀的敏感面 而且工作时可以不外加接偏置电压 与热敏电阻相比 它受环境温度变化的影响更小 热释电器件的强度和可靠性比其它多数热探测器都要好 且制造比较容易 热释电效应 极性晶体类 晶体内正 负电荷中心并不重合 晶体原子具有一定电矩 也就是说晶体本身具有自发极化特性 但介质中的电偶极子排列杂乱 宏观不显极性 根据原子或分子中正负电荷的相对位置 物质分为三种 正负电荷分布中心对称 正负电荷重心重合 正负电荷分布非中心对称 但正负电荷重心重合 正负电荷分布非中心对称 但正负电荷重心不重合 不加外场时 会发生自发极化 热释电材料 对热释电材料施加直流电场自发极化矢量将趋向于一致排列 形成单畴极化 总的电极化矢量加大 当电场去掉后 总的仍能保持下来 热释电材料单畴极化 由于保持下来的 将在材料表面吸附表面电荷 其面电荷密度 单畴化后的热电体 其电极化矢量是温度的函数 某些物质 如硫酸三甘肽 铌酸锂等 吸收光辐射后将其转换成热能 这个热能使晶体的温度升高 温度变化将引起居里温度以下的自发极化强度的变化 从而在晶体的特定方向上引起表面电荷的变化 这就是热释电效应 光辐射T 光辐射 T 极化强度矢量变化 晶体表面上出现电荷 热释电效应定义 当T Tc 居里温度时 单畴极化强度消失 0 热释电现象消失 即当T Tc时 才有热释电现象 居里温度Tc 评价热释电探测器的品质因数 希望Tc越高越好 热释电材料最高工作温度 铁电体的自发极化强度PS 单位面积上的电荷量 与温度的关系如下图所示 随着温度的升高 极化强度减低 当温度升高到一定值 自发极化突然消失 这个温度常被称为 居里温度 或 居里点 在居里点以下 极化强度PS是温度T的函数 利用这一关系制造的热敏探测器称为热释电器件 注意 当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片时 引起薄片温度升高 表面电荷减少 相当于热 释放 了部分电荷 释放的电荷可用放大器转变成电压输出 如果辐射持续作用 表面电荷将达到新的平衡 不再释放电荷 也不再有电压信号输出 因此 热释电器件不同于其他光电器件 在恒定辐射作用的情况下输出的信号电压为零 只有在交变辐射的作用下才会有信号输出 注意 与压电效应不同 热释电效应中极化的改变由温度引起 压电效应中极化的改变则由应力引起 2 1半导体器件基础知识2 2光电效应外光电效应光电导效应光生伏特效应光热效应 1 热释电效应 辐射热计效应 温差电效应2 3光电检测器件的特性参数光电检测器件的类型光电器件的基本特性参数 第二章光电检测器件的工作原理及特性 定义 入射光使材料受热而造成电阻率变化的现象称为辐射热计效应 注意与光电导效应的区别 特点 阻值变化与温度变化的关系 辐射热计效应 定义 由两种不同材料制成的结点由于受到某种因素作用而出现了温差 就有可能在两结点间产生电动势 回路中产生电流 这就是温差电效应 光照射结点产生温差变化也能造成温差电效应 特点 温差电是研究温度差和电之间关系的科学 更准确的说是研究热能和电能之间直接转换的科学 温差电现象从发现至今已经一百多年 但由于金属的温差电效应非常微弱 因此在很长一段时间未得到应用 后来发现半导体和金属氧化物代替金属可使温差电效应得到明显提高后 温差电效应的应用翻开新的篇章 温差电效应 两种不同材料串联组成回路 当光照射两种金属后 由于两种材料物理参数不同 光照导致温度不同 在两个接头处和产生温度差 出现在一个接头处吸热 在另一个接头放热的现象 回路就有电流流过 吸 放 热的速率与电流成正比 即 温差电效应 结论 温差电势的大小与导体吸收的辐射功率成正比 因此 测量温差电势大小就能测知所吸收的辐射率 应用 包括航空航天 军事和生产生活 特别是在发电和制冷两方面 温差发电能够促进能源结构的多元化 缓解能源危机 其具有很强的稳定性且无污染 在制冷方面与传统制冷方法相比 也具有很大优势 具体如下 温差电效应 放射形同位素温差发电器是目前唯一适合外层空间探测的小型航天器电源系统 前苏联和美国是研制和使用同位素温差发电器最多的国家 自 年以来 仅美国在太空飞行器中使用的同位素温差发电器就达 多个 其输出功率为 至 最长工作时间已超过 年 在远离太阳的地方 主要依靠放射性同位素发电系统来解决探测器的能源支持问题 因为在这些地方不能借助太阳能来支持探测器的飞行 而如果用携带电池 则既增加飞行器负担 同时维持时间也不能满足要求 甚至稳定性也不能满足要求 利用放射性同位素温差发电系统能够解决上述问题 一枚硬币大小大放射性同位素热能源能够提供长达 年以上的时间 航空航天领域的应用 在军事领域 由于温差发电机具有体积小 无震动 无声音等良好的隐蔽性 所以广泛应用于潜艇和情报收集传输的能源支持方面 美国的导弹定位系统也利用了温差发电技术 温差电技术能够提供信号传输所需要的能源 而不受地域和环境的限制 军事领域的应用 温差电技术在生产生活中还没有得到大范围的应用 但是已经取得了可喜进展 温差电技术稳定性好 无须维护等特点使其在发电和输送困难的偏远地区发挥着重要的作用 以用于极地 沙漠 森林等无人区的微波中继站 无人航标灯等 前苏联从 世纪 年代开始先后制造了 多个放射性同位素温差发电机 广泛用于灯塔和导航标志 平均使用寿命长于 年 日常生活中 利用废旧的 散热片 可以自制冰啤酒凉杯 在炎热的夏天 即使停电利用电池的电量也能喝上冰爽的啤酒 生产生活中的应用 具有以下优点 测量范围广 可以从 268 95 C 的深低温直至 C的高温 如液态空气的低温或炼钢炉温 2000 C 测量精度高 因为热电偶直接与被测对象接触 不受中间介质影响 灵敏度和准确度可达1e 3度 特别是铂铑热电偶 受热面积和热容量可以做的很小 如研究小生物体温变化 水银温度计则难于比拟 构造简单 使用方便 热电偶通常是由两种不同的金属丝组成 而且不受大小和开头的限制 外有保护套 用起来方便 由于热电偶测温是将温度测量转换为电学量的测量 因而非常适用于自动调温和控温系统 温差电效应可制作温差电偶 1半导体器件基础知识2光电效应外光电效应光电导效应光生伏特效应光热效应 1 热释电效应 辐射热计效应 温差电效应3光电检测器件的特性参数光电检测器件的类型光电器件的基本特性参数 第二章光电检测器件的工作原理及特性 一光电检测器件的类型与特点 光电检测器件是利用物质的光电效应把光信号转换成电信号的器件 光电检测器件分为两大类 光子检测器件热电检测器件 2 2光电检测器件的特性参数 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 光电检测器件的特点 二光电器件的基本特性参数 响应特性噪声特性量子效率线性度工作温度 1响应特性 响应度 或称灵敏度 是光电探测器输出信号与输入光功率之间关系的度量 描述的是光电探测器件的光电转换效率 响应度是随入射光波长变化而变化的响应度分电压响应度和电流响应度 电压响应度光电探测器件输出电压与入射光功率之比电流响应度光电探测器件输出电流与入射光功率之比 光谱响应度 探测器在波长为 的单色光照射下 输出电压或电流与入射的单色光功率之比 积分响应度 检测器对各种波长光连续辐射量的反应程度 响应时间 响应时间 是描述光电探测器对入射光响应快慢的一个参数 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 光电探测器响应度与入射光调制频率的关系为调制频率为f时的响应度为调制频率为零时的响应度 为时间常数 等于RC 频率响应 光电探测器的响应随入射光的调制频率而变化的特性称为频率响应 由于光电探测器信号产生和消失存在着一个滞后过程 所以入射光的调制频率对光电探测器的响应会有较大的影响 上限截止频率 时间常数 决定了光电探测器频率响应的带宽 噪声特性 在一定波长的光照下光电探测器输出的电信号并不是平直的 而是在平均值上下随机地起伏 它实质上就是物理量围绕其平均值的涨落现象 用均方噪声来表示噪声值大小 噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的 由于噪声总是与有用信号混在一起