光电检测技术的应用课件.ppt

三、检测技术在军事上的应用 第一章 光电探测器的物理基础 1、1光电效应与光热效应 光的基本性质 牛顿——微粒说 根据光直线传播现象，对反射和折射做了解释 不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振 波动理论 惠更斯、杨氏和费涅耳等 解释光的干涉和衍射现象 麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波 光的基本性质 光量子说 1900年普朗克在研究黑体辐射时，提出辐射的量子论 1905年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提出光量子的概念 光子的能量与光的频率成正比 光具有波粒二象性 辐射度的基本物理量 辐射能Qe ：一种以电磁波的形式发射、传播或接受的能量。单位：焦耳[J] 辐射通量Φe：单位时间内通过一定面积发射、传播或接受的能量，又称辐射功率Pe，是辐射能的时间变化率。单位：瓦［Ｗ］ 辐射强度Ｉe：点辐射源在给定方向上通过单位立体角内的辐射通量。单位：［W/Sr］ 半导体基础知识 导体、半导体和绝缘体 半导体的特性 半导体的能带结构 本征半导体与杂质半导体 平衡和非平衡载流子 载流子的输运过程 半导体的光吸收 PN结 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。 平衡和非平衡载流子 处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度一定。这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为平衡载流子浓度。 半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。如果对半导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。 处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是平衡载流子浓度，比它们多出一部分。比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。 非平衡载流子的产生 光注入：用光照使得半导体内部产生非平衡载流子。 当光子的能量大于半导体的禁带宽度时，光子就能把价带电子激发到导带上去，产生电子－空穴对，使导带比平衡时多出一部分电子，价带比平衡时多出一部分空穴。 产生的非平衡电子浓度等于价带非平衡空穴浓度。 光注入产生非平衡载流子，导致半导体电导率增加。 其它方法：电注入、高能粒子辐照等。 半导体对光的吸收 物体受光照射，一部分光被物体反射，一部分光被物体吸收，其余的光透过物体。 吸收包括：本征吸收、杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收、晶体吸收 本征吸收——由于光子作用使电子由价带跃迁到导带 只有在入射光子能量大于材料的禁带宽度时，才能发生本征激发 杂质吸收和自由载流子吸收 引起杂质吸收的光子的最小能量应等于杂质的电离能 由于杂质电离能比禁带宽度小，所以这种吸收在本征吸收限以外的长波区 自由载流子吸收是由同一能带内不同能级之间的跃迁引起的。 PN结 将P型和N型半导体采用特殊工艺制造成半导体半导体内有一物理界面，界面附近形成一个极薄的特殊区域，称为PN结。 是二极管、三极管、集成电路和其它结型光电器件最基本的结构单元。 PN结的伏安特性曲线 光电效应 光照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光电动势等，这种因光照而引起物体电学特性发生改变统称为光电效应 光电效应包括外光电效应和内光电效应 外光电效应：物体受光照后向外发射电子——多发生于金属和金属氧化物 内光电效应：物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出物体外部——多发生在半导体 内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应 光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减少的现象 光生伏特效应：光照在半导体PN结或金属—半导体接触上时，会在PN结或金属—半导体接触的两侧产生光生电动势。 PN结的光生伏特效应：当用适当波长