【正文】 . 最小可探測(cè)輻射功率 Pmin： 當(dāng)輸出信號(hào)電壓等于輸出噪聲電壓均方根值時(shí)的探測(cè)器的入射輻射功率 P——入射輻射功率； un——噪聲電壓均方根； us——輸出信號(hào)電壓。 unns RuuuPP ??m i n噪聲 ?光電探測(cè)器輸出的電流或電壓在其平均值上下起伏 . ? 這種起伏是一種 無規(guī)則的、隨機(jī)的 ，在某一瞬間的幅度不能預(yù)先知道，并且與其前后相鄰時(shí)刻的幅度大小也毫無關(guān)系，這種起伏稱為噪聲，這種噪聲是物理過程中所固有的，是不可能人為消除的。 ?由于噪聲是在平均值附近的隨機(jī)起伏，其瞬間值是不確定的，其長(zhǎng)時(shí)間的平均值為零，簡(jiǎn)單地求平均沒有意義，有意義的是足夠長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)求其 平方平均值 或 均方根 。 ?當(dāng)有多個(gè)噪聲源同時(shí)存在時(shí)，只要這些噪聲源是獨(dú)立，互不相關(guān)的，其噪聲功率就可進(jìn)行相加。 ?在信號(hào)較弱時(shí)，光電探測(cè)器的噪聲會(huì)顯著地影響信號(hào)探測(cè)的準(zhǔn)確性，另外，噪聲也限制了系統(tǒng)可能探測(cè)到的最小信號(hào)功率，因?yàn)樾盘?hào)太弱，就被噪聲所掩沒，難以被發(fā)現(xiàn)。 當(dāng)入射輻射較弱時(shí)，所產(chǎn)生的信號(hào)電壓等于噪聲電壓時(shí)，此時(shí)信號(hào)被淹沒在噪聲之中，而不能分辨信號(hào)，此時(shí)該入射的輻射功率為該探測(cè)器所能探測(cè)到的最小功率，因此，又稱為 噪聲等效功率 ?NEP(Noise Equalance Power)。當(dāng)然 Pmin越小，器件的探測(cè)能力越強(qiáng)， Pmin越小越好，但這不符合人們的習(xí)慣表示方法，因此引入探測(cè)率 。 unns RuuuPP ??m i n 最小可探測(cè)輻射功率 Pmin： 當(dāng)輸出信號(hào)電壓等于輸出噪聲電壓均方根值時(shí)的探測(cè)器的入射輻射功率 P——入射輻射功率； un——噪聲電壓均方根； us——輸出信號(hào)電壓。 unns RuuuPP ??m i n2. 探測(cè)率 D 對(duì) Pmin取倒數(shù)作為衡量探測(cè)器探測(cè)能力的參數(shù)稱為探測(cè)率 D越大，表示器件的探測(cè)性能越好 PuuN E PPD ns??? 11m i n?NEP(Noise Equalance Power)。當(dāng)然 Pmin越小，器件的探測(cè)能力越強(qiáng)， Pmin越小越好，但這不符合人們的習(xí)慣表示方法，因此引入探測(cè)率 。 ? 探測(cè)率與探測(cè)器的面積和工作頻率帶寬有關(guān)，為了將不同面積和不同工作帶寬的器件進(jìn)行比較，必須消除兩個(gè)因素的影響。 2/1m i n39。m i n )( fAPP??? 2/12/1m i nm i n)()(11 fADfAPPD ????????1 / 2 1 / 2( ) ( )s n unu u RD A f A fPu? ? ? ? ? ? ?表示探測(cè)器接收面積為 1cm2，工作帶寬為 1Hz時(shí)的單位入射輻射功率所產(chǎn)生的信噪比。 ?研究指出，探測(cè)率與器件的面積和工作帶寬成反比。 ? 的測(cè)量是在一定的條件下進(jìn)行的，如一定的黑體光源的溫度，調(diào)制頻率，測(cè)量系統(tǒng)的帶寬等，測(cè)量值的 (T, f, )如 (500, 900, 5) 。 ?D?Df??為了描述單色情況，還引入光譜探測(cè)率 * ( , , )D f f? ? ?它表示器件對(duì)波長(zhǎng)為 的輻射的探測(cè)率 . ?目前基本上用 取代了 D，若無特殊說明，本書所稱的探測(cè)率均指 而言。 ?D?D 光吸收系數(shù) ?光入射到材料，會(huì)發(fā)生吸收、色散、反射、折射等現(xiàn)象。對(duì)半導(dǎo)體而言，材料吸收光的原因，在于光與處在各種狀態(tài)的電子、晶格原子和雜質(zhì)原子的相互作用。 ? 設(shè)入射光的強(qiáng)度為 I0，入射到樣品厚度為 x處的光強(qiáng)度為 I，則經(jīng)過 dx的厚度，光強(qiáng)度的減少量為 dI，dI與入射光強(qiáng)度和厚度成正比， xeII ??? 0dI Idx ??? 負(fù)號(hào)表示光強(qiáng)度的衰減， α為線吸收系數(shù)，單位為（ 1/cm）。 設(shè)初始入射光強(qiáng)度為 I0 如果樣品厚度為 d，則樣品吸收的光強(qiáng)度 ΔI為： 0 ( 1 )dI I e ??? ? ?xeII ??? 0? 當(dāng)厚度 d=1/α?xí)r，光強(qiáng) I= I0/e, 約為入射光強(qiáng)的36%，此時(shí)的厚度稱為吸收厚度，有 64%的光在1/α厚度內(nèi)被吸收，即在吸收厚度內(nèi)吸收了大部分的光，如圖 15。 ? 當(dāng)樣品厚度 時(shí)，光在樣品內(nèi)被全部吸收。 可見吸收系數(shù)大，光吸收主要發(fā)生在材料的表層。吸收系數(shù)小，光入射得深。 ?1??d0 (1 )dI I e ??? ? ?如果樣品厚度為 d，則樣品吸收的光強(qiáng)度 ΔI為： ? 吸收系數(shù)是光波長(zhǎng) λ或光子能量的函數(shù) α(λ)，且各材料的吸收系數(shù)不同，吸收系數(shù)與材料的禁帶寬度以及摻雜濃度等有關(guān)。圖 16為 Si、 Ge、 GaAs半導(dǎo)體的吸收系數(shù)與光子能量的關(guān)系。 1 . 3 1 . 4 1 . 5 1 . 61 . 01 011 021 031 04G a A s)( eVh ?)( eVh ?G e S i1 061 051 041 031 021 011 001 0 10 . 6 0 . 8 1 2 3 4 5)(1?cm?)(1?cm?? 半導(dǎo)體的光吸收有本征吸收、雜質(zhì)吸收、自由載流子吸收、激子吸收、晶格振動(dòng)吸收等多種吸收機(jī)制。其中，最主要的吸收是本征吸收。 ? 價(jià)帶中的電子吸收了能量足夠大的光子后，受到激發(fā)，越過禁帶，躍入導(dǎo)帶，并在價(jià)帶中留下一個(gè)空穴，形成了電子空穴對(duì)，這種躍遷過程所形成的光吸收過程稱為本征吸收。 EvEFEcE0? 要產(chǎn)生本征吸收，光子的能量必須大于或等于禁帶的寬度 Eg，即 gEh ??換算成光波長(zhǎng) λ的表達(dá)式，可得 gEhc ??/就是說，波長(zhǎng) λ必須滿足： gEhc /??gth Ehc /??叫做本征吸收的長(zhǎng)波限，又稱為閾值波長(zhǎng)。 )()( meVE gth?? ?所以要產(chǎn)生本征光吸收，光波長(zhǎng) λ必需小于長(zhǎng)波限。 ?對(duì)于雜質(zhì)光吸收，要求入射光子能量大于雜質(zhì)電離能 Ei， ihE? ? E C E D E v E i 圖 1 8 雜質(zhì)半導(dǎo)體能帶圖 Ei=Ec–ED EC, ED——分別為導(dǎo)帶底和雜質(zhì)能級(jí)。 可得雜質(zhì)光吸收的長(zhǎng)波閾值為： m)()( ?? eVEEhciith ??光電導(dǎo)探測(cè)器 光電導(dǎo)探測(cè)器原理 ?內(nèi)光電效應(yīng) : 材料在吸收光子能量后，出現(xiàn)光生電子空 穴，由此引起電導(dǎo)率變化或電流電壓現(xiàn)象，稱之為內(nèi)光電效應(yīng)，是相對(duì)于外光電效應(yīng) 而言的。 ?光電導(dǎo)效應(yīng) ：當(dāng)半導(dǎo)體材料受光照時(shí)，吸收光子引起載流子濃度增大，產(chǎn)生附加電導(dǎo)率使電導(dǎo)率增加，這個(gè)現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。 ? 材料對(duì)光吸收有本征型和非本征型，所以 光電導(dǎo)效應(yīng) 也有 本征型 和 非本征型 。 ? 當(dāng)光子能量大于禁帶寬度時(shí)，把價(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，在價(jià)帶中留下自由空穴，從而引起材料導(dǎo)電率的增加，這是 本征光電導(dǎo)效應(yīng) 。 ? 若光子能量激發(fā)雜質(zhì)半導(dǎo)體的施主或受主，使它們電離，產(chǎn)生自由電子或空穴，從而增加材料電導(dǎo)率，這種現(xiàn)象就是 非本征光電導(dǎo)效應(yīng) 。 ? 材料受光照引起電導(dǎo)率的變化，在外電場(chǎng)作用下就能得到電流的變化，通過測(cè)量回路的電流，就能檢測(cè)到電導(dǎo)率的變化。 光電導(dǎo)效應(yīng) ?1．歐姆定律 RUl SRUI ?SlR ????1?SIJ ?UEl?UJEl SS????? 電導(dǎo)率 σ: 歐姆定律的微分形式 電流 : 電流密度 J: ?2．漂移速度和遷移率 ?電子在電場(chǎng)作用下，沿著電場(chǎng)的反方向作定向運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)，定向運(yùn)動(dòng)的速度稱為漂移速度 。 S U e l V d 1 ? 設(shè)導(dǎo)體中電子濃度為 n，電子的漂移速度為 Vd，導(dǎo)體截面為 S，則單位時(shí)間內(nèi)通過截面的電子數(shù)nVd 1 S，則： ? I=neVdS ? J=neVd ? 當(dāng)導(dǎo)體內(nèi)部電場(chǎng)恒定時(shí)，電子應(yīng)具有一個(gè)恒定不變的平均漂移速