《光电子器件》笔记.docx

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《光电子器件》笔记

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光电子器件

第一章

1、光电探测器输出信号电压或电流与单位入射光功率之比，即单位入射光功率作用下探测器输出信号电压或电流称为响应率.

光谱响应率（Rλ）：

光电器件在单色（在波长λ附近一个很小的波长范围里）辐射功率作用下产生的信号电压或信号电流。

dus

dis

R

Ru

Ri

R（）

dP

dP

Rm

——其中Rm为光谱响应率的最大值

——光谱电压响应率和光谱电流响应率合并称为光谱响应率

Rλ（单位：

A/W）

R

R（λ）

Rm

1.0

Ri

1.24

光谱响应率及量子效率仅由器件的响应特性所决定，而与光源无关。

2.器件的光谱响应与光源辐射功率谱密度紧密相关，它们之间的匹配系统

α—称为器件与

光源的光谱匹配系数

，它反映了器件响应的波长范围同光源光谱的吻合程度。

在光源固定的情况下

面积A1是不变的,如果与曲线重合得愈多

面积A2愈大,α愈大，

也就是光谱匹配愈好

;反之,如果两曲线没有重合之处

α=0,即二者完全失配,则该光电器件对

光源辐射没有探测能力。

光谱匹配是选择光电子器件

如像管、光电倍增管、红外成像器件

的材料的重要依据。

R（）

P（）

1

1

A2

R（

）

P（）

A1

A1

A2

3.光电探测器输出的电流或电压在其平均值上下无规则的、随机的起伏，称为噪声。

噪声是

物理过程所固有的，人为不可能消除。

它的计算是在足够长时间内求其平方平均或均方根。

.

.

光电探测器的噪声来源主要有热噪声、散粒噪声、温度噪声、放大器噪声、频率噪声、

复合噪声等。

P

un

Pmin

usun

Ru

当输出信号电压等于输出噪声电压均方根值时的探测器的入射辐射功率叫做最小可探测辐

射功率，也叫做噪声等效功率

NEP。

Pmin越小，器件的探测能力越强。

对Pmin取倒数可作为衡量探测器探测能力的参数，

称为探测率。

研究指出:

探测率与器件的

面积和工作带宽成反比。

4.光吸收厚度：

设入射光的强度为

I0，入射到样品厚度为x处的光强度为I，则：

II

0e

x

α为线吸收系数，单位为（

1/cm）

α大时，光吸收主要发生在材料的表层；α小时，光入射得深。

当厚度

d=1/α时，称为吸收

厚度，有64%的光被吸收。

5.本征吸收：

价带中的电子吸收了能量足够大的光子后，受到激发，越过禁带，跃入导带，

并在价带中留下一个空穴，形成了电子空穴对，这种跃迁过程所形成的光吸收称为本征吸收。

本征吸收条件：

光子的能量必须大于或等于禁带的宽度Eg。

6.内光电效应:

材料在吸收光子能量后，出现光生电子－空穴，由此引起电导率变化或电压、电流的现象，称之为内光电效应。

光电导效应：

当半导体材料受光照时，

吸收光子引起载流子浓度增大，

产生附加电导率

使电导率增加，这个现象称为光电导效应。

在外电场作用下就能得到电流的变化。

光电导效应分为本征型和非本征型。

7.设本征半导体在没有光照时，电导率为

0（称为暗电导率）

0n0enp0eP

e（n0

n）n

e（p0

p）P

当有光注入时，半导体电导率：

电导率的增量称为光电导率：

0

e（

nn

pP）

8.增加载流子寿命：

好处：

增益提高，灵敏度提高，响应率提高。

缺点：

惰性增加，频率响应特性变差。

所以增益和惰性不可兼得。

9.影响光谱响应的两个主要因素：

光电导材料对各波长辐射的吸收系数和截流子表面复合

率。

光电导光谱响应特点：

都有一峰值，峰值一般靠近长波限（长波限约为峰值一半处所对应的波长）。

.

.

10.光敏电阻是利用光电导效应制成的最典型的光电导器件。

光敏电阻器均制作在陶瓷基

体上，光敏面均做成蛇形，目的是要保证有较大的受光表面。

上面带有光窗的金属管帽或直

接进行塑封，其目的是尽可能减少外界（主要是湿气等有害气体）对光敏面及电极所造成的

不良影响，使光敏电阻器性能保持稳定，工作可靠。

光敏电阻光谱响应特性主要由所用的半导体材料所决定，

主要是由材料禁带宽度所决定，

禁

带宽度越窄，则对长波越敏感。

但禁带很窄时，半导体中热激发也会使自由载流子浓度增加，

使复合运动加快，灵敏度降低，因此采用冷却光敏面的办法来提高灵敏度是很有效的

。

光敏

电阻一般用于与人眼有关的仪器，在使用时，必须加滤光片修正光谱。

第一章作业

1、什么是光谱响应率？

根据器件与光源的光谱曲线说明光谱匹配系数α的意义。

2、某光电二极管，受波长为

1.55um的6x1012个光子的照射，其间输出端产生

2x1012

个

光子。

试计算该光电子器件的量子效率和响应度。

3、什么是器件的最小可探测辐射功率和探测率？

探测率表达式的意义如何？

4、半导体发生本征光吸收的条件是什么？

第二章

1.光生伏特效应：

两种半导体材料或金属/半导体相接触形成势垒，当外界光照射时，激发光生载流子，注入到势垒附近形成光生电压的现象。

结型光电探测器与光电导探测器的区别:

（1）产生光电变换的部位不同。

（2）光电导型探测器没有极性，且工作时必须有外加电压，而结型探测器有确定的正负极，不需外加电压也可把光信号变为电信号。

（3）光电导探测器为均质型探测器，载流子驰豫时间长，频率响应特性差。

而结型探测器

频率特性好，灵敏度高。

雪崩式光电二极管、光电三极管还有内增益作用，可以通过较大的电流。

2.外接电路开路（断路）时，光生载流子积累在PN结两侧，光生电压最大，此时的光生电

动势Uoc称为开路电压。

外接电路短路时，流过电路的电流Isc称为短路电流，就是光生电

流。

3.光电池在受光表面上涂保护膜，如镀SiO2、MgF2。

目的是减小反射损失，增加对入射光的吸收，同时又可以防潮防腐蚀。

上电极一般多做成栅指状，其目的是便于透光和减小串联电阻。

通常在用单片光电池组装成电池组时，可以采用增加串联片数的方法来提高输出电压，用增加并联片数的方法来增大输出电流。

4.光电二极管与光电池的主要区别：

（1）结面积大小不同，光电二极管的要小很多。

结电容很小，频率特性好；

（2）PN结工作状态不同，光电池PN结工作在零偏置状态下。

而光电二极管工作于反

偏工作状态下，光电流小。

光电二极管分类：

.

.

按工作基础分：

有耗尽型及雪崩型。

按特性分：

有PN结、PIN结、异质结、肖特基势垒及点结触型等。

按对光的响应分：

紫外、可见光、红外型；

按制造工艺：

平面型、生长型、合金型、台面型。

5.PN结型光电二极管：

根据衬底材料不同分为2DU和2CU型两种。

2DU型易形成表面漏电流流到前极，它是暗电流（噪声）的大部分，应禁止它流过负载。

温度特性：

光电二极管受温度影响最大的是暗电流。

频率特性：

有两决定因素：

1）光生载流子在耗尽层的渡越时间；

2）结电容Cj和负载电阻RL所构成的时间常数RLCj

光电二极管等结型光电器件的噪声主要是电流散粒噪声和电阻的热噪声。

6.PIN型光电二极管

特点：

（1）光生电流较大，灵敏度高。

因为I层比PN结宽得多，光生载流子要多得多，光生载流子在内建电场和反向电场作用下的漂移移动会形成较大的光电流输出，灵敏度得以提高。

（2）响度速度快，频率特性好。

一般说，扩散运动的速度比漂移运动的速度低得多，PIN管由于扩散运动被抑制，所以

响应速度提高了。

时间响应特性主要取决于结电容和载流子渡越耗尽层所需要的时间。

由于PIN耗尽层变

宽，因此结电容变小了；同时由于I区电阻高，可承电压高，电场强，载流子渡越耗尽层时

间缩短了，所以时间特性变好了（频率带宽可达10GHz）。

（3）响应波段宽

由硅材料制成的PIN管，长波段能响应到1.1um，可以探测到1.06μm的激光。

7.雪崩型光电二极管（APD）

1、雪崩光电二极管原理

PN结加上相当大的反向偏压（略低于反向击穿电压）—高电场—光生载流子加速—晶

格原子-新载流子—晶格原子-新载流子—雪崩式载流子倍增。

频率特点：

载流子运动速度快，渡越时间短（10-10s量级），所以时间特性非常好，响

应频率可达105MHz，是目前响应速度最快的一种光电二极管。

8.光电三极管

不仅能实现光－电转换，还能放大光电流。

第二章作业

1、结型光电探测器与光电导探测器的主要区别有哪些？

2、用波长为0.83μm、强度为3mW的光照射在硅光电池，无反射，其量子效率为0.85，并

设全部光生载流子能到达电极。

求：

（1）光生电流。

（2）T=300K、反向饱和电流为10-8A时，求光电池的开路电压。

3、已知2CR太阳能电池的参数为UOC=0.54V，ISC=50mA，若用它进行串并联组合对0.5A，

6V的蓄电池充电，需要多少个这样的电池？

4、光电二极管与光电池的主要区别是什么？

5、某光电二极管的结电容为5pF，要求带宽为10MHz，求允许的最大负载电阻是多少？

6、PIN管的时间响应特性为什么比普通光电二极管好？

7、说明雪崩型光电二极管的工作原理和频率特点。

.

.

第三章

1.真空光电器件的突出特点：

1）易于在管内实现快速、高增益、低噪声的电子倍增。

用于探测极微弱的光辐射和变化极快的光辐射。

如光子计数器。

2）易于制取大面积均匀的光敏面，像元密度大，可得到很高的分辨率。

用于较高要求的精密测量，如光谱分析仪，扫描电镜等。

2.将半导体光电发射的物理过程归纳为三步：

（1）半导体中的电子吸收入射光子的能量而被激发到高能态（导带）上；

（2）这些被激发的电子在向表面运动的过程中因散射而损失掉一部分能量；

（3）到达表面的电子克服表面电子亲和势EA而逸出。

3.把电子从体内导带底逸出真空能级所需的最低能量称为有效电子亲和势EAeff，以区别

于表面电子亲和势EA。

4.如果给半导体的表面作特殊处理，使表面区域能带弯曲，真空能级降低到导带之下，从

而使有效的电子亲和势为负值，经过这种特殊处理的阴极称作负电子亲和势光电阴极（NEA）。

NEA电子传输特性：

1）参与发射的电子是导带的未热化的冷电子；

2）NEA阴极中导带的电子逸入真空几乎不需作功。

5.真空光电管

光电管是根据外光电效应原理工作的光电探测器，

它把光能转变为电能，

属于非成像型

的光电器件。

光电倍增管

目前普遍采用而且最有效的探测微弱光辐射的器件是

光电倍增管，它是光电阴极和二次

电子倍增器的结合。

光电倍增管结构主要由

四部分组成：

光电阴极、电子光学输入系统

（光电阴极至第一倍

增极的区域），倍增系统（或称打拿极系统）、阳极（或称收集极）。

光电倍增管工作原理:

光子透过入射窗口入射在光电阴极上，

电子受光子激发发射到真

空中，光电子通过电场加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增级上，

倍增级将发射出比入

射电子数目更多的二次电子，入射电子经

N级倍增极倍增后，光电子就放大

N次，最后由

阳极收集形成光电流。

光电阴极在结构形式上分为

反射型侧窗式和透射型端窗式

。

二次电子发射系数：

I2

I

极间电压VD

有关。

二次发射系数不仅与倍增极的二次1发射材料有关，且与它

电子倍增系统结构分类：

根据工作原理可分为两类：

聚焦型、非聚焦型。

6.光电倍增管的主要特性和参数

.

.

光电倍增管的频率响应主要受到电子渡越时间散差限制。

渡越时间散差是造成脉冲展宽的主要因素。

7.暗电流

定义：

当光电倍增管完全与光照隔绝，在加上工作电压后，阳极仍有电流输出，输出电流的直流部分称为该管的暗电流，即由非光照因素引起的一切电流称为暗电流。

引起暗电流有下列几方面的因素：

1）热发射

2）极间漏电

3）光反馈

4）离子反馈

5）场致发射

6）其他原因

作业：

1、简述半导体光电发射的过程。

2、用波长为589nm光照射某光电阴极,其发射电流的光谱灵敏度为0.05A/W,该材料的

逸出功为1.4eV,求该材料的光谱量子效率、长波阈值以及发射光电子最大动能。

3、什么是负电子亲和势光电阴极？

4、说明光电倍增管的结构组成和工作原理。

5、某光电倍增管有10个倍增级，每个倍增级的二次电子发射系数δ=4，阴极灵敏度为Rk=200μA/lm，阳极电流不得超过10mA，试估计入射阴极的光通量的上限。

6、光电倍增管的暗电流是指什么？

引起暗电流的因素主要有哪些？

第四章

1.光电成像器件按结构分类有：

像管、真空摄像管、固体成像器件等。

像管能把人眼不能观察到的物体转换成可见光图像，主要用于夜视条件下的光电成像。

它包括变像管和像增强器。

像管结构示意图如下，主要有三部分组成：

光电阴极、电子光学系统、荧光屏。

像管的工作过程：

1、光电转换：

由光电阴极完成。

微弱或不可见辐射图像信号转换成电子信号（电子

流）;

2、电子成像：

由电子光学系统完成（类似于光学透镜），其上加有高电压，能将光电

阴极发出的电子流加速，并聚焦成像在荧光屏幕上；

.

.

3、增强亮度：

高速电子流轰击荧光屏后，屏幕发出的光要强于入射信号光，相当于增强了图像的亮度，对图像做了二次转换。

2.电子光学系统

使电子流聚焦成像的电子光学系统，

也称为电子透镜。

分为静电透镜和磁透镜。

静电透

镜是靠静电场来使光电子加速，并聚焦成像。

磁透镜是靠静电场和磁场复合场来完成聚焦成

像。

1、非聚焦型静电透镜（近贴）

在阳极面上的全色电子束的最大弥散圆半径为：

U越大R，最大初2电能lεmm及极间距离l越

从上式可以看出：

阴极与阳极之间的电位差

u

小，弥散圆斑越小，图像越清晰。

通常，极间距离l总是很小（小于1mm），而U却很大（3~7KV），

所以图像一般较清晰。

3.光学纤维面板

级间耦合几乎全部采用纤维面板。

4.像管

一般入射于光电阴极的光是物体的反射光。

对同一光源，阴极长波响应大者，提供的初始对比度高。

对同一阴极，不同的光源情况（如星光和月光），光源光谱偏向长波者，能提供较高的初始对比。

由于光电阴极长波阈值总是大于眼睛，所以光电阴极所提供的初始对比度总是大于人

眼。

亮度增益：

L

M

像管输出亮度

L与阴极入射照度

Ev之比的π倍：

GL

M—光出射度

lm/m2

像管的传像特性是指E像管在传vE递图象时，对图像几何形状的影响。

图像几何形状主要受

到电子光学系统的影响。

像管的时间响应特性主要由

荧光屏所决定。

限制人眼分辨能力的因素

有三个：

物体的亮度、

视角、亮度对比度。

5.第一代微光像增强

利用Sb-Cs、Sb-K-Na-Cs、NEA等阴极制成的像管称为像增强器，它能够在微弱的自然光条件下实施观察，所以又称为微光像增强器或微光管。

第一代微光管由三个单管串联而成，成像质量明显提高。

但仍工作于被动观察方式。

主要缺点是有强光晕光现象。

微通道板：

是带有许多微通道孔的薄板，厚1~2mm，每个微通道内表面电阻很大，可

连续进行二次电子发射，能够实现高达106的电子倍增。

采用微通道板的像管，称为微通道

板像增强器，属于第二代微光夜视器件。

第二代微光管倍增效果好，像管体积小。

制作CEM的材料目前主要有两种：

高铅玻璃、陶瓷半导体。

关于MCP的增益:

1、对于一个固定尺寸的MCP,增益随所加电压U增加而升高。

2、在电压确定时，G随α的变化有一最佳值。

在某个长径比时，增益最大，即存在一个最佳长径比。

α＝45附近时,增益最大。

3、计算分析表明：

U=22α时,增益G有极大值。

由此,MCP两端加1000V电压为佳。

4、一般随着开口面积增大，增益随之增大。

可使用扩口技术来提高开口面积。

现在开口面积一般在60％以上。

6.第二代微光像增强器采用了微通道板作为电子倍增器。

近贴式MCP像增强器：

光电阴极、MCP、荧光屏之间都是近贴，不倒像，图像不放大。

静电聚焦式MCP像增强器：

静电透镜成像在MCP平面上，MCP与屏近贴，成倒像。

7.三代微光管的特点：

.

.

采用了双近贴结构，阴极、ＭＣＰ与荧光屏之间都为近贴结构。

阴极为GaAs/InGaAsNEA光电阴极。

采用了高增益、低噪声、长寿命的MCP。

MCP电子输入端面镀了近3-10nm厚的离子阻挡膜（Al2O3），以减少离子反馈对阴极的损害。

四代微光像增强器两个特征：

采用体电导MCP，并使光电阴极与MCP间采用自动脉冲门控电源。

1）体电导MCP

2）自动脉冲门控电源

作业：

1、说明像管的结构和工作原理。

2、试说明在像管中，提高光电阴极长波响应对增加对比度的意义。

3、某二级级联像管，两个光电阴极均为S-25，它对标准光源的积分灵敏度R=400μA/lm，

两个荧光屏均为P-20，发光效率为50lm/W，各级电压均为12KV，各级电子光学系统透过系数和放大率均为1，不考虑极间耦合损失的情况下，试计算它对星光下绿色草木反射光的亮度增益GL。

第六章

1.电荷耦合器件的基本原理

MOS电容的电荷分布在一定厚度的半导体表面层内，这个带电的层称为空间电荷区。

1、UG<0，多数载流子堆积状态

2、UG>0（反偏）多数载流子耗尽。

空间电荷区两端的电势差称为表面势，规定表面

电势比内部高时，取正值。

3、UG>0，继续增大。

表面处能带进一步向下弯曲，这意味着表面处的电子浓度将超过

空穴浓度而变得很高，即形成与原来半导体衬底导电类型相反的层，叫做反型层。

4、UG>0，自由电荷进入势阱

CCD就是在非稳定条件下工作的MOS电容器的集成。

CCD的势阱深度和存贮电荷能力都是由表面势所决定。

表面势与栅压，氧化层电容，受主浓度以及势阱中的自由电子浓度有关。

2.电荷耦合原理

CCD工作在深耗尽区，可以用电注入或光注入的方法向势阱注入电荷，势阱中的自由电

荷通常称为电荷包。

在提取信号时，需要将电荷包有规则地传送出去，这一过程叫做CCD的电荷转移，它

是靠各个MOS栅极在时钟电压作用下，以电荷耦合方式实现的。

CCD器件基本结构包括：

转移电极结构、转移沟道结构、信号输入结构、信号输出结构。

在实际的供电系统中，CCD根据转移电极结构（外接脉冲相数）的不同，分为二相、三相、

四相结构；CCD根据转移信道结构（电荷转移时所经过的道路）的不同，又分为表面沟道

和体内沟道结构。

目前常用的横向限制方法有：

沟阻扩散（或注入）法、氧化物台阶法。

电注入型输入方

法有很多（保证线性转移）。

主要有动态电流积分法、二极管截止法、电位平衡法等。

其中，电位平衡法应用最广泛。

引起电荷包不完全转移的原因有：

表面态对电子的浮获、时钟频率过高、体内缺陷对

.

.

电荷包的作用，如自感应电场、热扩散、边缘电场等。

其中前二者是主要原因。

CCD电荷贮存容量越大，处理电荷的能力就越强，动态范围就越好。

两相线阵CCD成像器件结构包括光敏区、存贮电极、电荷转移电极、CCD移位寄存器、

输出机构和补偿机构。

面阵CCD成像器件根据信号电荷转移和读出的结构方式不同通常分为三种类型：

帧/场

转移（FT）、行间转移（IT）、帧行间转移（FIT）。

2.光电门+FD方式：

优点：

噪声小。

掩埋型光电二极管+FD方式：

优点：

较低的暗电流，且无电极材料吸收光的现象。

作业：

1、用三相CCD结构说明电荷耦合转换的原理。

2、CCD器件的基本结构包括哪些？

3、说明BCCD与SCCD之间的区别。

4、说明帧/场转移面阵CCD的工作原理。

5、说明行间转移结构CCD的工作原理。

6、试列表比较CCD与CMOS传感器的特性。

7、CCD与CMOS图像传感器在储存同时性方面有什么区别？

1－答：

电荷的耦合转换过程分为四步如下：

（1）势阱的形成如图（a），在三金属栅极上加三相电压V1、V2、V3，则在其表面下形成与电压大小成线性关系的耗尽层，即所谓势阱。

（2）电荷的存贮如图（b），若V2电压高于其他电压，则它下面的势阱比其他栅极下的势阱要深，电荷存贮在里面形成电荷包。

（3）电荷的传输如图（c），若在V3上加高于V2的电压，则在V3相应栅极下形成比V2下更深的势阱，由于电极间隔很小，相邻两势阱将合并一起，电荷也将不受阻碍地转入更深势阱，从而使电荷得以传输。

（4）形成新的存贮状态如图（d），此时V1=V2，V3>V1。

电荷包向右移动了一个位置。

第八章

1.利用热效应探测和观察外来辐射而制成的器件称为热探测器。

热探测器的基本原理：

分类：

1）直接利用辐射所产生的热效应。

根据温度的变化来探测辐射，以温度来度量热。

2）利用辐射产生热，热能再转换为电或磁效应，通过对电或磁

量的度量来探测辐射的大小。

2.微测辐射热计的工作原理：

物体热辐射