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文档简介
1、1,光电探测技术,授课教师:吴双红,课程介绍,课程特点:,涉及的知识面广 针对紫外、可见、近红外、红外到太赫兹各光谱段的光电探测技术的系统讨论,涉及器件物理、工程光学、半导体材料、电路与系统、数字图像处理等知识。 内容多、涉及的技术发展较快,基础课程的理论联系实际能力的培养; 学会系统工程的分析设计; 拓宽知识面; 对今后的工作有一定参考价值。,课程目的:,适合受众:,攻读硕士与博士研究生的同学; 参加工作的同学。,参考书目:,课程介绍,考核方式:,考核方法:开卷笔试、专题论文; 笔试成绩50,专题论文30, 平时成绩20;,系统学习光电探测中的敏感材料、敏感机理、器件结构的设计、器件的物理原
2、理、应用及发展前景进行全面的学习和了解; 掌握器件原理与技术,国内外发展动态,从而为相关技术的研究打下理论基础; 学习各种光电探测元、部件构成系统的光学、电子学和系统成像原理。 了解光电探测技术在军事上和国民生产经济中的应用。,教学目的:,课程介绍,提 纲,2,第二章:紫外与可见探测技术,第一章:光电探测技术概述,第三章:近红外探测原理与技术,4,第四章:红外探测技术,第五章:太赫兹探测技术,第一节:光电探测技术基础 半导体物理基础 光电探测器特性参数,第二节:光电探测器用敏感材料 敏感材料基本光学性质 不同波段敏感材料的特点及选择,第三节:常见光电探测器的器件结构原理 按结构原理分类光电探测
3、器 不同结构器件的工作原理,第一章:光电探测技术概述,第一节:光电探测技术基础,紫外线(100380nm)、可见光(380760nm)、近红外线( 0.7630m)、太赫兹30m 3mm及X射线、射线和微波、无线电波一起构成了整个无限连续的电磁波谱。,光谱波段划分,不同光谱的特点与应用,第一节:光电探测技术基础,光的三原色,“红、绿、蓝”? 红、绿、蓝三种色光无法被分解,故称“三原色光”,太阳光谱,第一节:光电探测技术基础,牛顿与歌德光学之争,第一节:光电探测技术基础,颜色论,光电探测系统工作原理,第一节:光电探测技术基础,我们将第IV簇(最外层轨道有四个电子)(Si、Ge、SiGe)、III
4、-V簇(GaAs、GaN等)、以及II-VI簇(ZnO、CdS等)化合物,且掺杂极少杂质的半导体的结晶,称之为本征半导体(intrinsic semiconductor ),半导体物理基础,第一节:光电探测技术基础,半导体物理基础,第一节:光电探测技术基础,(Extrinsic semiconductor),半导体物理基础,第一节:光电探测技术基础,15,(donor ),半导体物理基础,第一节:光电探测技术基础,(acceptor),半导体物理基础,第一节:光电探测技术基础,半导体物理基础,第一节:光电探测技术基础,能带:一定能量范围内的许多能级(彼此相隔很近)形成一条带,称为能带 允许带:
5、允许被电子占据的能带。允许带之间的范围是不允许电子占据的。这一范围称为禁带。 价带:价电子所占据能带。价带可能被填满,也可能不被填满。填满的能带称为满带 导带:部分被电子占据的能带。,能带(涉及“半导体光电子学”知识),第一节:光电探测技术基础,半导体物理基础,本征半导体,N型半导体,P型半导体,半导体能带图,在半导体中,电子获取势能后从价带跃迁到导带,导带中出现自由电子,价带中出现自由空穴。,半导体物理基础,第一节:光电探测技术基础,半导体物理基础,载流子的漂移与扩散,第一节:光电探测技术基础,半导体物理基础,PN结的形成,第一节:光电探测技术基础,第一节:光电探测技术基础,半导体物理基础,
6、PN结的能带结构,结的单向导电性,(1) 外加正向电压 (正偏),PN结上加正向电压,外电场与内电场方向相反,扩散与漂移运动平衡被破坏。外电场驱使P区空穴进入空间电荷区抵消一部分负电荷,同时N区自由电子进入空间电荷区抵消一部分正电荷,则空间电荷区变窄,内电场被削弱,多子的扩散运动增强,形成较大的扩散电流(由P区流向N区的正向电流)。在一定范围内,外电场愈强,正向电流愈大,这时PN结呈现的电阻很低,即PN结处于导通状态。,发光二极管,半导体物理基础,第一节:光电探测技术基础,发光二极管,第一节:光电探测技术基础,半导体物理基础,(2) 外加反向电压 (反偏),在PN结上加反向电压,外电场与内电场
7、的方向一致,扩散与漂移运动的平衡同样被破坏。外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走,于是空间电荷区变宽,内电场增强,使多数载流子的扩散运动难于进行,同时加强了少数载流子的漂移运动,形成由N区流向P区的反向电流。由于少数载流子数量很少,因此反向电流不大,PN结的反向电阻很高,即PN结处于截止状态。,光电二极管,半导体物理基础,第一节:光电探测技术基础,外加反偏电压于结内电场方向一致,没有光照时,反向电流很小(一般小于0.1微安),称为暗电流。当有光照时,携带能量的光子进入PN结后,把能量传给共价键上的束缚电子,使部分电子挣脱共价键,从而产生电子-空穴对,称为光生载流子。它们在反向电压作用下
8、参加漂移运动,电子被拉向n区,空穴被拉向p区而形成光电流,使反向电流明显变大。同时势垒区一侧一个扩散长度内的光生载流子先向势垒区扩散,然后在势垒区电场的作用下也参与导电。光的强度越大,反向电流也越大。光电二极管在一般照度的光线照射下,所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载,负载上就获得了电信号,而且这个电信号随着光的变化而相应变化。,半导体物理基础,第一节:光电探测技术基础,(3) 零偏(光照下),第一节:光电探测技术基础,半导体物理基础,TN-LCD,什么是光电效应,某些固体受到光的作用后,其中的电子直接吸收光子能量而发生运动状态的改变,从而导致该固体的某种电学参量的改变,这种电学性质
9、的改变统称固体的光电效应。,第一节:光电探测技术基础,当光照射金属、金属氧化物或半导体材料的表面时,会被这些材料内的电子所吸收,如果光子的能量足够大,吸收光子后的电子可挣脱原子的束缚而逸出材料表面,这种电子称为光电子,这种现象称为光电子发射,又称为外光电效应。,外光电效应:,外光电效应,第一节:光电探测技术基础,外光电效应,光子能量 = 移出一个电子所需的能量 + 被发射的电子的动能。,当敏感材料表面在特定的光作用下,敏感材料会吸收光子并发射电子。光的波长需小于某一临界值(相等于光的频率高于某一临界值)时方能发射电子,其临界值即极限频率和极限波长。临界值取决于材料,而发射电子的能量取决于光的波
10、长而非光的强度,这一点无法用光的波动性解释。,第一节:光电探测技术基础,内光电效应是由于光量子作用,引发物质电化学性质变化(比如电阻率改变,这是与外光电效应的区别,外光电效应则是逸出电子)。内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。,内光电效应:,第一节:光电探测技术基础,内光电效应,内光电效应,光伏效应,光伏效应:在半导体P-N结及其附近区域吸收能量足够大的光子后,在结区及结的附近释放出少数载流子(自由电子或空穴)它们在结区附近靠扩散进入结区,而在结区内则受内建电场的作用,电子漂移到N区,空穴漂移到P区,如果P-N结开路,则两端会产生电压。这种现象为光生伏特效应。,第一节:光电探测技术基础
11、,光伏效应应用,内光电效应,第一节:光电探测技术基础,光电导效应,第一节:光电探测技术基础,内光电效应,光激发:产生空穴、电子,跃迁到导带。 杂质半导体: n型:施主能带靠近导带,电子获得足够能量进入导带参与导电。 p型:受主能带靠近价带,价带电子吸收光子能量跃迁受主能带,使价带产生空穴参与导电。 表征光电导效应主要有三个参数:灵敏度、弛豫时间(惰性)、光谱分布等。,光电导效应,第一节:光电探测技术基础,内光电效应,光磁电效应,光磁电效应,光磁电效应:当红外光入射到半导体表面,如有外磁场存在,则半导体表面附近产生的电子空穴对在半导体内部扩散的过程中,电子和空穴各偏向一侧,因而在半导体两端产生电
12、位差,这种现象为光磁电效应。,第一节:光电探测技术基础,利用光磁电效应可制成半导体红外探测器。这类半导体材料有Ge、InSb、InAs、PbS、CdS等。,德国物理学家赛贝克用两种不同金属导体组成闭合回路,并用酒精灯加热其中一个接触点,发现回路的指针发生偏转,但如果同时对两个接触点加热,指针的偏转角反而减小。(热电效应或塞贝克效应),热电效应,热电效应,第一节:光电探测技术基础,热电偶基本定律: (1)若A与B相同,无论两接点温度如何,回路总热电势为零; (2)若T=T0,回路总热电势为零; (3)热电势输出只与两接点温度及材料性质有关,与A、B的中间各点的温度、形状及大小无关。,对于具有自发
13、式极化的晶体,当晶体受热或冷却后,由于温度的变化(T)而导致自发式极化强度变化(Ps),从而在晶体某一定方向产生表面极化电荷的现象。宏观上是温度的改变在材料的两端出现电压或产生电流。,热释电效应,热释电效应,第一节:光电探测技术基础,光电探测器特性参数,第一节:光电探测技术基础,光电探测器特性参数,第一节:光电探测技术基础,光电探测器特性参数,第一节:光电探测技术基础,光电探测器特性参数,第一节:光电探测技术基础,光电探测器特性参数,第一节:光电探测技术基础,光电探测器特性参数,第一节:光电探测技术基础,第二节:光电探测器用敏感材料,敏感材料基本光学特性,材料的光学性能,关于光的速度,敏感材料
14、基本光学特性,光的反射,敏感材料基本光学特性,光的折射,敏感材料基本光学特性,光的色散与散射,敏感材料基本光学特性,光的色散与散射,敏感材料基本光学特性,材料的透射性,敏感材料基本光学特性,光的吸收,敏感材料基本光学特性,以上五种吸收中,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。其他吸收都程度不同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。,光电探测敏感材料的吸收机理,半导体的光激发过程 (a)本征吸收;(b)非本征吸收;(c)自由载流子吸收,敏感材料的本征吸收:入射辐射的光子能量大于半导体禁带宽度,使电子从价带激发到导带
15、而改变其光电导率。 其优点是工作温度比非本征型高。 敏感材料杂质吸收:入射辐射激发杂质能级上的电子或空穴而改变其电导率。其优点是长波效应较好。 敏感材料的自由载流子吸收:材料吸收光子后不引起载流子数量的变化,而是引起载流子迁移率的变化。 这类器件常需要在极低温度下工作,以降低能量向晶格转移。,敏感材料基本光学特性,光电探测敏感材料的吸收机理,杂质吸收,电离能,半导体对光的吸收主要是本征吸收,本征吸收,本征型光敏电阻的长波限:,掺杂型光敏电阻的长波限:,由于EgEd,所以掺杂型半导体光敏电阻对红外波段较为敏感。,为长波限。,敏感材料基本光学特性,辐射进入探测器后,辐照要 逐渐衰减,若材料的吸收比
16、 为,则在z到z+dz处,其辐 照度衰减的量值可写成dE, 设探测器表面反射率为, z=0时入射到表面处的照度为E0,则有辐射度随厚度的 衰减公式由此可见,辐照度随厚度增加而呈指数衰减。,入射光强随厚度变化,敏感材料入射光强的衰减规律,敏感材料基本光学特性,常见的敏感材料,1.常见紫外敏感材料,GaN基(Eg=3.4-6.2eV)、SiC(Eg=2.9eV)、ZnO(Eg=3.37eV)、TiO2(3.2eV)、金刚石薄膜(Eg=5.4eV)等宽禁带半导体,对紫外光有很强的吸收能力。 宽禁带半导体材料作为紫外光电转换材料有如下几个优点: (1)禁带宽,对波长短的紫外光很敏感,对波长较长的可见光
17、和红外光不敏感,因此不受可见光和红外光的干扰。 (2)介电常数小、载流子迁移率高。 (3)耐高温、抗辐射。,常见的敏感材料,2.常见红外敏感材料,光电子发射探测器(外光电效应),金属氧化物或 半导体表面,自由电子,光辐射,光电导探测器(光电导效应),半导体材料,自由电子空穴,光辐射,电导率变化,光子探测器分类,光电管、光电倍增管,第三节:常见光电探测器的器件结构原理,光伏探测器(光生伏特效应),P(I)N结,光生电动势,光辐射,光磁电探测器(光磁电效应),垂直磁场中的 半导体材料,载流子 浓度梯度,光辐射,光磁电动势,光电池、光电二极管、雪崩光电二极管、PIN管及光电晶体管,光子探测器分类,热
18、探测器(光热效应),热探测器,物理性质变化,温差热电势 (热电效应),电阻率变化 (测辐射热计效应),自发极化强度变化(热释电效应),气体体积和压强变化,热探测器,光电探测器件,光子探测 器件(基于量子效应),热电探测 器件(基于热效应),外光电 效应,光电管 光电倍增管,内光电 效应,光敏电阻 (基于光电导效应),光生伏特效应 (基于光生伏 特效应),光敏二极管 光敏晶体管 光 电 池 雪崩光电管,单晶型 多晶型 合金型,本征型 掺杂型,热电堆 热电偶 热释电探测器 热敏电阻,特点:.响应波长无选择性,对从可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感; .响应慢,吸收辐射产生信号需要的时间长,一般
19、在几毫秒以上.,.响应波长有 选择性,这些器 件都存在某一 截止波长,若超 过此波长,器件 无响应.,这类器件特点: . 响应快,响应时间一 般为几十纳秒到几 百微妙.,肖特基结(金属-半导体)光电二极探测原理,优点:响应度、量子效率、势垒高度高、低暗电流、响应时间短; 缺点:入射光损失大,结比较浅,受表面态影响严重;,由于肖特基势垒区在半导体附近表面处,光直接在势垒区产生载流子,不像p-n结那样载流子必须经过扩散才能到达结区,这样可以减少载流子扩散时间以及在扩散中的复合损失,光子探测器,P(I)N结探测原理,绝大部分的入射光在I层内被吸收并产生大量的电子-空穴对。在I层两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体,P层和N层很薄,吸收入射光的比例很小。因而光产生电流中漂移分量占了主导地位,这就大大加快了响应速度,光子探测器,PN结型光电二极管的响应时间只能达到10-7s。对于光纤系统的光探测器,往往要求响应时间小于10-8s,这样,PN型不能满足要求,而PIN结型光电二极管就是为了满足这一要求而研制的。,本征层的引入,明显增大了p+区的耗尽层的厚度,这有利于缩短载流子的扩散过程。耗尽层的加宽,也可以
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