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光电检测器_图

  一、光电检测器的工作原理 ? 光电检测器是外加反向偏压的PN结,当 入射光作用时,发生受激吸收产生 光生 电子-空穴对,这些电子-空穴对在耗尽层 内建电场作用下形成漂移电流,同时在 耗尽层两侧部分电子-空穴对由于扩散运 动进入耗尽层,在电场作用下形成扩散 电流,这两部分电流之和为光生电流。 牛牛文库文档分享 光电二极管的工作原理 电子 扩散 漂移 P 光 耗尽层 电子 复合 复合 空穴 漂移 P 光生电动势 (a) 光电效应 扩散 光 导带 N N 空穴 反偏压 价带 (b) 加反向偏压后的能带 牛牛文库文档分享 二、 PIN光电检测器 ? PIN光电检测器的工作原理和 结构 ? PIN光电检测器的主要特性 ? PIN光电检测器的一般性能 牛牛文库文档分享 PIN光电检测器的工作原理 ? PIN是为提高光电转换效率而在 PN结内部设置一层掺杂浓度很低 的本征半导体(I层)以扩大耗尽 层宽度的光电二极管。 牛牛文库文档分享 PIN的工作原理示意图 能 量 P+ 光 I N+ W 牛牛文库文档分享 PIN光电检测器的结构 入射光 抗反射膜 电极 P I N + + 电极 E 牛牛文库文档分享 PIN光电检测器的主要特性 ? ? ? ? ? 量子效率 光谱特性 响应时间 频率特性 噪声特性 牛牛文库文档分享 量子效率 = 光生电子 - 空穴对数/ 入射光子数,即 I P hf ?? P 0e 响应度 R ——是光生电流 I P和入 射光功率 P0 的比值 牛牛文库文档分享 噪声特性 噪声直接影响光接收机的灵敏度。光电二 极管噪声包括信号电流和暗电流产生的散粒噪 声和有负载电阻和后继放大器输入阻抗产生的 热噪声。通常噪声用均方噪声电流描述。 ? 均方散粒噪声电流 2 I th ? 2e ( I p ? I d ) B ? ? 均方热噪声电流 2 IT ? 总均方噪声电流 I t2 4 KTB R ? 2e( I p ? I d ) B ? 4 KTB R 牛牛文库文档分享 ? 响应时间——光生电流脉冲前沿由最大幅度的 10%上升到90%,或由后沿的90%下降到10%的 时间定义为脉冲上升时间和脉冲下降 时间。 脉冲响应时间为: ? ? ? f ? ? r ? 2.2? 0 ? 频率特性——当光电二极管具有单一时间常数 时,截止频率为: fc ? 1 2?? 0 ? 0.35 ?r ? [结论]:减小耗尽层宽度可以减小渡越时间, 从而提高截止频率。,但会降低量子效率。 牛牛文库文档分享 PIN光电检测器的一般性能 Si-PIN 波长响应 响应度 InGaAs-PIN 1~1.6 0.5(1.31μm) ? ?m ?1 0.4~1.0 ) ? ( A ?W 0.4 (0.85μm) 暗电流 响应时间 I d nA 0.1~1 2~10 2~5 0.2~1 ? ns C pF /V - 结电容 工作电压 0.5~1 5~ -15 - 1~2 5~ -15 牛牛文库文档分享 三、雪崩光电检测器APD ? ? ? ? APD的工作原理 APD的结构 APD的主要特性 APD的一般性能 牛牛文库文档分享 APD的工作原理 ? APD是通过在其结构中构造一个强电场区, 当光入射到PN结后,光子被吸收产生电 子-空穴对,这些电子-空穴对运动进入强 电场区后获得能量做高速运动,与原子 晶格产生碰撞电离出新的电子-空穴对, 该过程反复多次后使载流子雪崩式倍增。 牛牛文库文档分享 APD的结构 入射光 抗反射膜 强电场区 N + P I(P) P + 低电场区 电极 E 牛牛文库文档分享 APD的主要特性 ? 1) 倍增因子g ——定义为APD输出光电流Io和一次光生电流IP的 比值。 I g ? 0 IP ? 2) 过剩噪声因子F ——是雪崩效应的随机性引起噪声增加的倍数 2 Iq ? 2eI p Bg 2 牛牛文库文档分享 APD的倍增因子 倍增因子g ——定义为APD输出光电流Io和一次 光生电流IP的比值。 I0 g ? IP 牛牛文库文档分享 过剩噪声因子F ? 过剩噪声因子F ——是由于雪崩效应的随机性 引起噪声增加的倍数。设 F ? g (x是附加噪 声指数),则APD的均方量子噪声电流为 x 同理,APD的均方暗电流噪声电流为 2 Id 2 Iq ? 2eI p Bg 2? x ? 2eI d Bg 2? x 附加噪声指数与器件所用材料和制造工艺有 关, Si-APD 的 x=0.3~0.5,Ge-APD 的 x= 0.8~ 1.0,InGaAs-APD的x =0.5~0.7。 牛牛文库文档分享 APD光电检测器的一般性能 Si-APD 波长响应 I nA d 响应度 ? ( A ? W ?1 ) 暗电流 InGaAs-APD 1~1.65 0.5~0.7 10~20 0.4~1.0 0.5 0.1~1 I d nA 响应时间 结电容 工作电压 倍增因子 ? ns C pF 0.2~0.5 1~2 50~100 30~100 0.1~0.3 <0 .5 40~60 20~30 0.5~0.7 /V g 附加噪声指数 x 0.3~0.5 牛牛文库文档分享