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青岛科技大学研究生学位论文 强激光与光伏型探测器的相互作用 摘要 随着光电予技术和光电对抗技术的发展，光电探测器的应用越来越广泛，因 此研究激光与光电探测器的相互作用，特别是研究强激光对光电探测器的辐照效 应就具有了非常重要的实际意义。当前国内外对这方面的研究大多集中在各种探 测器破坏阈值的测量和破坏机理上，当辐照光功率密度较高f 高于探测器饱和阈值 而低于其破坏阈值1 时，探测器内载流子的输运过程和探测器的动态响应情况的研 究却很少，而传统的理论或物理模型也只适用于弱光辐照的情况。本文从理论方 面较为系统地研究了辐照光功率密度较高时，半导体光电探测器内载流子的输运 过程和探测器的非线性动态响应问题。论文的主要工作有： 以传统描述半导体探测器中载流子输运的漂移一扩散模型为基础，提出了改 进的漂移一扩散模型。 针对光伏型探测器建立了相应的非线性耦合方程组，通过采用恰当的计算方 法，自行编制了一套能反映探测器光电特性的程序，对光伏型探测器进行了模拟 计算。得到了激光辐照下光伏型探测器的瞬态响应规律并分析了材料参数对探测 器输出响应的影响。 由于强激光辐照半导体探测器时会产生热效应，通过分析探测器损伤的热机 理，建立了热效应模型。根据入射激光的不向形式( 脉冲和连续波) 分别对光伏 型h g c d t e 探测器进行了表面和内部的温度计算。 本文开展的理论研究有所创新，所建立的理论模型既适合强光辐照又适合弱 光辐照。当辐照光较弱时结果与传统模型一致，当辐照光较强时，可计算出探铡 器的温升以推断探测器材料是否会遭遇熔化、烧蚀等破坏。 关键词：光伏型探测器载流子输运动态响应热效应 强激光与光伏型探测器的相互作用 i n t e r a c t i o nb e t w e e nh i g hp o w e rl a s e r a n dp h o t o v o l t a i cd e t e c t o r s a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o f p h o t o e l e c t r o nt e c h n o l o g y a n d p h o t o e l e c t r i c c o u n t e r m e a s u r et e c h n o l o g y , p h o t o e l e c t r i cd e t e c t o r sh a v eb e e na p p l i e dw i d e l y s oi ti sa m o r ei m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et o i n v e s t i g a t ei n t e r a c t i o nb e t w e e nl a s e ra n d p h o t o e l e c t r i cd e t e c t o r s ，e s p e c i a l l yi n v e s t i g a t ei r r a d i a t i o ne f f e c tb e t w e e nh i g hp o w e r l a s e ra n d p h o t o e l e c t r i cd e t e c t o r sa tt h ep r e s e n tt i m e ，m o s to ft h er e s e a r c hw o r k st h a t h a v eb e e nc a r r i e do u ti n t h i sf i e l di st om e a s u r et h e d a m a g et h r e s h o l da n dt o i n v e s t i g a t et h ed a m a g em e c h a n i s mo fv a r i o u sd e t e c t o r s ，w h i l et h es t u d yo fc a r r i e r t r a n s p o r t a t i o na n dd y n a m i cr e s p o n s eo fd e t e c t o r su n d e rh i g h e rp o w e rd e n s i t yl a s e r i r r a d i a t i o n ( b e t w e e nt h es a t u r a t i o nt h r e s h o l da n dt h ed a m a g et h r e s h o l do fd e t e c t o r ) i s v e r yl i t t l e ，t h ec o n v e n t i o n a lt h e o r i e sa n dp h y s i c sm o d e l sa r ej u s t 印p l i c a b l ef o rl o w p o w e rl i g h ti r r a d i a t i o ni nt h i sp a p e r , w eh a v ec a r d e do u ts y s t e m a t i c a lr e s e a r c ho nt h e n o n l i n e a rp h o t o e l e c t r o nt r a n s p o r t a t i o na n dt h ed y n a m i cr e s p o n s e so fd e t e c t o r su n d e r h i g hp o w e rd e n s i t yl a s e ri r r a d i a t i o nt h em a i nw o r k sa r ea sf o l l o w s ： an e wd r i f t d i f f u s i o nm o d e li sp u tf o r w a r db a s e do nt h ec o n v e n t i o n a lm o d e l n o n l i n e a rc o u p l e dd y n a m i ce q u a t i o n sf o rp h o t o v o t t a i cd e t e c t o ra r ee s t a b l i s h e d i m i t a t i v ec a l c u l a t i o n st op h o t o e l e c t r i cd e t e c t o r sw a sc a r r i e do u tb yu s i n gf e l i c i t o u s m e t h o da n dd e s i g n i n gp r o g r a mc a p a b l eo fr e s e a r c h i n gt h i sp h o t o e l e c t r i cc h a r a c t e l t h ei n s t a n t a n e o u sr e s p o n s er u l e so fp h o t o v o l t a i cd e t e c t o r su n d e rh i g hp o w e rl a s e r i r r a d i a t i o na r eo b t a i n e da n dt h ei n f l u e n c eo fo u t p u tr e s p o n s eo fd e t e c t o r sd u et ot h e p a r a m e t e r sc h a n g eo f m a t e r i a la r ea n a l y z e d w i t hh e a te f f e c ti ns e m i c o n d u c t o rd e t e c t o r si r r a d i a t e db yh i g hp o w e rl a s e rt a k e n i n t oc o n s i d e r a t i o n ，am o d e lo ft h e r m a le f f e c ti se s t a b l i s hb a s e do da n a l y z i n gt h e t h e r m a lm e c h a n i s m so fd e t e c t o r sd a m a g e i m i t a t i v ec a l c u l a t i o no fs u r f a c et e m p e r a t u r e i i 童鱼型垫奎堂塑塞生兰堡丝塞 a n di n n e rt e m p e r a t u r eo fp h o t o v o l t a i c h g c d t e ，d e t e c t o rw e i ec a r r i e do u tr e s p e c t i v e l y a c c o r d i n gt od i f f e r e n tm o d a l i t i e s ( p u l s ea n dc o n t i n u o u sw a v e ) o fi n c i d e ml a s e r t h e r ea r ei n n o v a t i o n si nt h e o r e t i cs t u d yi n t h e p a p e r t h en e wm o d e la n d c o n v e n t i o n a lm o d e lg i v ei d e n t i c a lr e s u l t sw h e nt h ed e t e c t o ri si r r a d i a t e db yl o wp o w e r l a s e r i nt h ec a s eo fh i g h e rp o w e rl a s e ri r r a d i a t i o n ，t h en e wm o d e lc a nb eu s e dt o e s t i m a t et h et e m p e r a t u r er i s eo fd e t e c t o rm a t e r i a lt od e d u c ei ft h em a t e r i a li st ob e m e l t e do ra b l a t e d k e yw o r d s ：p h o t o v o l t a i cd e t e c t o r ，c a r r i e rt r a n s p o r t a t i o n ，d y n a m i cr e s p o n s e ，t h e r m a l e 低c t 1 1 1 青岛科技大学研究生学位论文 1 绪论 当激光与实物相互作用时，会产生光的吸收、发劓和光电效应等现象。本 文主要对强激光与光电探测器的作用进行研究，这里所说的强激光是强度低于 探测器的破坏闽值的激光。 1 1 课题研究背景与意义 光电探测器是传感系统、测量系统上常用的传感器。它不仅具有体积小、 重量轻、耗电省、灵敏度高、寿命长等优点，而且还可以利用不同的材料配比， 不同的掺杂，不同的制造工艺，不同的运行参数获得适合于各种不同温度条件 ( 从低温7 7 k 至常温3 0 0 k 左右) ，各种波氏范围( 从微波、远红外、红外、可 见光一直到紫外光) 的器件。自从4 0 年代德国研制出p b s 探测器以来，光电探 测器就已经广泛应用于遥感、遥测、武器制导、卫星侦察、微光夜视、摄像、 传真、精密测量等许多领域。 当前所用的光电探测器主要有锑化铟( 血肋) 、碲镉汞( h g c d t e ) 、铟嫁砷 ( 1 n g a a s ) 、硫化铅( p b s ) 、以及锗硅掺杂探测器等。其中，n g 。c d ，t e 是由c d 死 和上坟n 组成的固熔三元化合物半导体，x 表示c d t e 所占得克分子数。这种三元 化合物的成分可以从纯c d t e 到纯上堙死之问变化。选择不同的x 值就可以制各 出一系列不同禁带宽度、不同响应波段的碲镉汞材料，这种材料具有一些可贵 的性质：电子有效质量小，本征载流子浓度低等。由它制成的光伏型探测器具 有反向饱和电流小、噪声低、探测器高、响应时间短和响应频带宽等优点。由 于其自身的诸多优点，h g c d r e 探测器在某些应用领域中具有不可替代的作用。 随着光电探测器在诸多领域的广泛应用，关于光电探测器激光辐照效应的研 究受到人们的重视。国外早在七十年代k r u e r 等人对于激光破坏光电探测器的 永久性效应做了大量研究，并用热传导模型作了热效应分析。l a x m 2 - 3 1 在考虑 热传导系数随温度变化的条件下，用解析方法研究了半导体硅的稳态退火热输 运过程。m e y e r 4 - 5 1 研究了短脉冲激光辐照下，半导体材判的表面效应。y o f f a 6 - 7 较为系统地研究了半导体硅的加热过程，指出载流子扩散在能量输运中具有重 强激光与光伏型探测器的相互作f l j 要的作用。k i m i s - o f 研究了强激光辐照下半导体硅的加热过程中，非线性热传输 中载流子的扩散效应。圈内在这个领域也做了大量的研究工作，蒋志平等人i l o 】 研究了激光辐照i n s b 探测器的温升过程。强希文等人1 考虑了材料的光学、热 学性质的温度关系以及热输运的非线性关系，对半导体材料激光损伤效应进行 了相应研究。陆启生等人 1 2 q 3 1 观察到了激光辐照光电探测器产生的瞬变行为、 记忆效应、光学饱和效应。此后强激光辐照探测器的破坏闽值和破坏机理的研 究不断深入 1 4 - 2 0 】，并取得了很好理论成果与实验成果。 有关光电探测器的激光辐照效应方面的工作大多集中在各种探测器破坏阂 值的测量和破坏机理的研究上，在辐照光功率密度高于探测器饱和阈值而低于 其破坏阈值的情况下，探测器的动态响应情况如何? 对此虽然有人已做了探索 2 1 1 2 3 1 ，但已开展的工作还不够完善。而现有的理论或物理模型仅适用于弱光辐 照的情况。本文正是基于这个原因，建立了在强光辐照下探测器中载流子疏运 的物理模型，研究在其基础上探测器的瞬态响应规律。 1 2 本文的主要内容 本文的工作是通过研究激光辐照下半导体探测器中载流子的非线性输运过 程，建立描述探测器刺激光辐照动态响应的新的物理模型，使该模型能适合于 强光辐照( 高于探测器饱和阈值，低于破坏闽值) 。根据所建立的模型和动力学 方程组，采用合理的计算方法进行数值模拟计算，得出光电探测器列强激光辐 照的动态响应情况 第二章对激光与光电探测器相互作用的基础理论作了必要的阐述。 第三章介绍了光电探测器的发展过程及其分类，并介绍了建立在内光电效 应基础上的探测器的工作原理。 第四章在传统的描述半导体探测器中载流子输运的漂移一扩散模型的基础 上，提出了描述光伏型探测器对强光辐照的瞬态响应模型。该模型考虑了探测 器受强光辐照后产生的温升引起各种物理量变化的情况。并采用了合理的讨算 方法。 第五章根据介绍的新算法，以光伏型h g c d t e 探测器为例自行编制程序进 行模拟计算，得到了不同激光辐照功率密度下载流子的输运规律和探测器的动 态响应情况。并讨论了材料参数对探测器输出响应的影响。 第六章通过激光对探测器的破坏机理的分析，提出了热效应模型，根据入 青岛科技大学研究生学位跄文 射激光的不同形式( 脉冲和连续波) 分别对光伏型h g c d t e 探测器进行了表面 和内部的温度计算，并对其破坏进行理沦分析。 强激光与光伏型探测器的相互作用 2 理论基础 2 1 本征激发与非本征激发 2 4 - 2 6 】 在半导体晶体中，原子之间距离很近，在一个原子上的电子要受到周围其他 原子的作用，于是相邻原子上的电子轨道会发生一定程度的相互交迭。通过轨 道交迭，电子可以在能量相同的量子态之间转移。由于电子在晶体中的这种共 有化运动可以有各种速度，因而从一个原子能级将演变出许许多多的共有化量 子态。与单个原子的能级相对应，晶体中量子态的能级分成由低到高的若干组， 每一组包含大量的、能量很接近的能级。这样的一组能级称为能带。其中价电 子填充的能带称为价带。价带以上的能带基本上是空的，其中能带最近的带称 为导带。价带与导带之间的间隙称为禁带。一般地，激发产生的电子空穴对分 别位于导带底部和价带顶部。若半导体掺有杂质，则杂质原子会取代晶格中半 导体材料原子的位置，如果杂质是v 族元素( 施主) ，它的四个价电子形成共价 健后还多余一个价电子，于是杂质本身称为正电中心，正电中心束缚电子绕其 周围运动而形成一个量子态：同理，对于i i i 族元素( 受主) 也会形成一个负电 中心吸引空穴在其周围运动的量子态。他们的共同特点是杂质量子态的能级居 于禁带中，且电离能很小，只需很低的温度，即可发生电离。 价带中的电子在一定的外部作用下，可以跃迁到导带，同时在价带中留下 空穴，这就是本征激发( 又称带间激发) 。这个外部条件可以是热激发，也可以 是光激发。对于光激发，有一个起码的前提是光子能量必须大于禁带宽度。热 激发的载流子数目与温度和禁带宽度遵循如下统计力学关系： ( 2 一1 ) 式中e 。为禁带宽度，它决定本征激发的截止波长。由此不难理解，对于探测波 长越长的探测器需要的冷却温度越低。本征激发的一个显著特征是它的吸收系 数特别高，常达1 0 2 1 0 6 c m 。 若掺杂半导体材料处于较低温度下，以致杂质能级没有被电离，当受到光 子能量小于禁带宽度但大于杂质能级的电离能的光辐照时，施主能级的电子被 激发到导带或受主能级的空穴被激发到价带，这就是非本征激发。与本征激发 4 青岛科技大学研究生学位论文 相比，非本征激发的截至波长要长，但其吸收系数很低，通常约为1 1 0 0 c m - 1 量 级，且只能产生单一的载流子。 2 2 非平衡载流子的产生 半导体光电探测器中载流子的产生有二种主要激发机制：热激发和光激发。 热激发产生的是平衡载流子，光激发产生的是非平衡载流子。 2 2 1 热平衡载流子 在一定温度下，如果没有其它外界的作用，半导体的导电电子和空穴是依 靠热激发而产生的。虽然半导体光电探测器的冷却温度使得其原子的平均热运 动能量尼丁远远小于禁带宽度e 。，但原子的热运动服从统计规律，总有一定比 例的电子其能量大于禁带宽度。这些原子能够提供足够的能量给共价键电子， 使它从价带跃迁到导带。因而载流子的产生率应正比于能量大于禁带宽度的原 子的数目，即 产生率* e x p ( 一e 。i k t ) ( 2 2 ) 其中k 为玻尔兹曼常数，为温度。禁带宽度e 。是温度的函数，满足如下关系： e g = e g ( o ) 一声丁 ( 2 3 ) 式中卢是温度系数，e 。( o ) 为绝对零度下的禁带宽度。 尽管载流子的热产生率始终存在，但载流子的数目并不随时间无限地增加， 与之相应的还有一个逆过程，那就是载流子的复合。载流子的复合总是与电子、 空穴的产生同在，其复合率t e l - 二电子( h 。) 、空穴( 风) 的密度a 即 复合率“n o p o ( 2 4 ) 随着热激发产生的电子、空穴密度的增加，电子、空穴的复合率也相应地 增加。当电子和空穴的浓度达到一定温度时，总会有产生率与复合率相等，这 时载流子浓度维持动态平衡。可以求得热平衡载流子浓度，p 。满足如下关系： 强激光与光伏型探测器的相互作用 w 。= 4 譬p 陆s ， 式中 为普朗克常数，m 。、m 。分别为电子、空穴的有效质量。对于没有掺杂 的半导体( 本征情况) 有： ”o = p o ( 2 6 ) 于是，可得半导体本征载流子浓度： 驴胪z 譬卜4 z ， 对于掺杂半导体来说，若掺入密度为。的受主杂质( p 型半导体) ，则有 p o = a + n 。 ( 2 8 ) 同理，若掺入密度为n 。的施主杂质( n 型半导体) ，则有 = n d + p o ( 2 9 ) 头厮可) 拉+ 厩面) ；( 。+ 何i 再) ；( - n 。+ 肛丽i ) z 2 2 2 非平衡载流子的产生 p 型 ( 2 - 1 0 ) 型 p 型 ( 2 一1 1 ) 型 如果对半导体施加外界作用例如光激发，就会破坏原有的平衡状态，迫使 它处于与平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态，此时由于外界作用产生的 载流子称为非平衡载流子或额外载流子，也有人称为过剩载流子。若用，z 、卸 青岛科技大学研究生学位论文 分别表示非平衡电子、非平衡空穴的数密度，则非平衡状态下半导体内载流子 的数密度州表示为 n = 栉o4 - a n p ；p o4 - a p ( 2 1 2 ) ( 21 3 ) 剥于光电探测器而言，所谓的非平衡载流子就是光生载流子。当入射光子 的能量大于材料禁带宽度时，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带上，而 在价带中留下空穴，形成电子一空穴对。若材料为杂质半导体，当入射光子的 能量大于旌主或受主杂质电离能时，会激发杂质半导体的施主或受主，使之产 生电离，产生自由电子或可传导空穴。 对于本征激发来说， 口= z x n ( 2 - 1 4 ) 假设入射光的功率密度为只( f ) ，探测器前表面的反射系数为r 。，入射光的 频率为l ，光子激发空穴电子对的量子效率为口，半导体材料的吸收系数为口， 则光生载流子的产生率( 单位时间和单位体积内产生的电子一空穴对数) 为： g ( 列) = e l f ? ( 1 - r o ) p z ( ) 旺p ( 一吆v ( 2 1 5 ) 式中x 为到半导体材料光照表面的距离。 2 3 非平衡载流子的复合 当用光辐照半导体时，在半导体内部产生非平衡载流子。因为载流子的复 合率与载流子数密度成正比例关系，所以存在非平衡载流子时的复合率高于热 平衡时的复合率，这种高出热平衡时的复合率使探测器内载流子的数密度趋于 一种新的动态平衡；当光照停止时，半导体内仍存在非平衡载流予，这时高出 热平衡状态的复合率使非平衡载流子逐渐消失，最后探测器内的载流子密度恢 复到原来的热平衡值，半导体材料又回到了热平衡状态。因此，非平衡载流子 的复合是一种从不平衡趋于平衡的一种弛豫过程。 非平衡载流子的复合过程大致可分为两种：( j ) 直接复合电子在导带 和价带之间的直接跃迁，引起电子和空穴的直接复合：( 2 ) 间接复合电子 和空穴通过复合中心的复台( 促使复合过程的杂质和缺陷称为复合中心) 。载流 强激光与光伏型探测器的相互作用 子复合一定要释放多余的能量。释放能量的形式有三种：一是发射光子。伴随 着复合半导体发光，称为辐射复合。二是将能量交给品格，使声子的玻色分布 概率增加，半导体温度升高，称为无辐射复合。第三种形式是将能量交给其它 载流子，增加它们的动量，称为俄歇复合。因此每一种复合又可以分为辐射复 合、无辐射复合、俄歇复合。另外按复合过程发生的位置，又可以把复合过程 分为体内复合和表面复合。 半导体内本征激发的非平衡载流子的复合过程主要有直接跃迁辐射复合、 俄歇复合和经由复合中心的复合等，其中直接跃迁的辐射复合只对直接禁带 半导体，并且只有在较高的掺杂和较高温度下才能有明显的作用：而俄歇复合 只对较高的自由载流子密度和较高掺杂材料才起明显作用1 2 9 】：在大多数情况下 3 0 - q ，电子、空穴的复合主要是经由某种复合能级( 杂质和缺陷) 而复合的， 这些能够促使电子和空穴复合的杂质和缺陷被称为复合中心，最单纯的复合中 心是一个深能级杂质。可以认为光伏型探测器中，光生载流子经由复合中心的 复合属于支配地位。 下面仅以通过复合中心的复合为例介绍复合率的概念。由杂质和缺陷形成 的能级总是位于禁带中央附近。根据复合中心理论，通过复合中心的复合包含 两对相互对立的跃迁过程：电子从导带落进复合中心，又从复合中心跃迁回导 带；电子从复合中心落入价带与空穴复合，空的复合中心又重新被价带电子所 填充。对这四个基本过程做出确切的定量描述后，可以得出电子的净复合率和 空穴的净复合率。再考虑到稳定状态时，电子、空穴通过复合中心成对地复合， 即电子和空穴的净复合率相等。从而可以求得通过复合中心复合的非平衡载流 子复合率【2 6 1 r f 工，f 1 = 旦! 二里! ! ! ( 2 一l6 ) 7 r 。( p + p 1 ) + f 。( n + n j ) 式中0 、t p 分别为电子、空穴的寿命，或称复合时间；n ，、1 ) 1 分别为费米能级 与复合中心能级重合时电子、空穴的密度。由于实际上重要的复合中心都是深 能级的，所以n ，、p ，都比较小。最典型的深能级位于本征半导体的费米能级， 这时相应的码、n 就是本征载流子密度n 。 复合中心理沦指出间接复合的复合系数比直接复合的复合系数大；如果半 导体中存在复合中心，则非平衡载流子的复合主要通过复合中心进行。 8 青岛科技大学研究生学位论文 2 4 载流子输运及连续性方程2 6 】 3 2 - 3 5 】 本节讨论有外加电场和载流子密度存在梯度时的输运现象，推导出描述半 导体器件中载流子输运的基本方程：电流密度方程、载流子连续性方程和泊松 方程。 当用适当波长的光均匀照剁到半导体表面时，光强因半导体的吸收而不断 衰减，因此在半导体表面处产生的光生载流子密度比内部的高，即沿着光照方 向光生载流子存在密度梯度，这必然引起载流子沿光照方向扩散，产生扩散电 流。 当半导体中存在外加电场时，载流子会在电场的作用下做漂移运动，产生 漂移电流，这时除平衡载流子外，非平衡载流子对漂移电流也有贡献。因此处 于电场中的半导体受到光照时，载流子同时做漂移运动和扩散运动，电子和空 穴的总电流密度应是漂移电流密度与扩散电流密度之和，即 j p ；e , u p p e e d p v p ( 2 1 7 ) j 。= e l a 。n e + e d 。v n ( 2 - 1 8 ) 式中j 。、j 。分别为空穴、电子的电流密度，p 、”分别为空穴、电子的总密度， e 为载流子所在点的电场强度，它们都是空间和时间的函数。e 为电子电量， d ，、d 。分别为空穴、电子的扩散系数，a ，、以分别为空穴、电子的迁移率， 它们满足 d p = p k h t i e ，d 。= 以k b t e ( 2 1 9 ) 这里k 为玻尔兹曼常数，t 为热力学温度。 由于扩散，单位时间单位体积中积累的空穴数、电子数分别为 一三v ( ) 扩、兰v ( z ) 扩；而由于漂移，单位时问单位体积中积累的空穴数、 e已 电子数分别为一兰v ( ) 漂、! v ( z ) 漂，因此空穴、电子在探测器内输运应遵 循的连续性方程为： 亚o tg p - r p - i 。v c ( 2 - 2 0 ) 9 强激光与光伏型探测器的相互作用 譬：g 。一r 。+ 三v f ( 2 2 1 ) o fe 式中g 。、r e 和q 、r 分别为空穴、电子的产生率和复合率。 连续性方程反映了半导体中载流子漂移、扩散、产生和复合诸运动同时存 在时所服从的普遍规律。 由于非平衡载流子的产生以及载流子的输运，打破了光照前的电中性条件， 因此半导体内部电场发生变化。电场的变化遵循泊松方程： v 云：旦( 2 2 2 ) s 式( 2 2 0 ) ( 2 2 2 ) 联立，成为研究半导体光电探测器的基本方程。 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 3 半导体光电探测器的工作原理 半导体光电探测器由于体积小，重量轻，响应速度快，灵敏度高，易于与 其它半导体器4 - q 二集成，是光源的最理想探测器。可广泛用于光通信、信号处理、 传感系统和测量系统。本章主要介绍光电探测器的发展、分类、工作原理及结 构等。 3 1 光电探测器的发展 最早用来探测可见光辐射和红外辐射的光辐射探测器是热探测器。其中 热电偶早在1 8 2 6 年就已发明出来。1 8 8 0 年又发明了金属薄膜测辐射计。1 9 4 6 年制成了金属氧化物热敏电阻测辐射热计。1 9 4 7 年又发明了气动探测器。经过 多年的改进和发展，这些光辐射探测器日趋完善，性能也有了较大的改进和提 高。但是，与光子探测器相比，这些光辐射探测器的探测率仍较低，时问常数 也很大。应用广泛的光子探测器，除了发展最早、技术上也最成熟、响应波长 从紫外到近红外的光电倍增管以外，硅和锗材料制作的光电二极管、铅锡、i i i i v 族化合物、锗掺杂等光辐射探测器，目前均己达到相当成熟的阶段，其主要 性能已接近理论极限。三元合金光探测器是六十年代出现的光子探测器。在十 年左右的时间内，8 - 1 4 m 波段的低温( 7 7 k ) 光探测器都已接近背景噪声限。其 中碲镉汞( h g c d t e ) 探测器正向小于8 m 、大于1 4 m 的波长发展，特别是室温 工作的1 - 3 m 和3 - 5 m 波段的光辐射探测器以达相当水平。 1 9 7 0 年以后又出现了一种利用光子牵引效应制成的光子牵引探测器。其主 要用于c o ：激光的探测。己用诺、砷化钢、碲等材料做出了光子牵引探测器。 这种光电探测器的响应率和探测率都较低，因此不适合于探测来自室温目标或 等离子体的散射光，但其具有响应快、能承受大功率光脉冲、室温工作，不需 外加电源等优点，在窄光脉冲的测量方面非常有用。 八十年代中期，出现了利用掺杂的g a a s a i g a a s 材料、基于导带跃迁的新 型光探测器量子阱探测器。这种器件二亡作于8 - 1 2 m 波段，： 作温度7 7 k ， 其性能已达较高水平。 随着激光与红外技术的发展，在许多情况下单个光电探测器已不能满足探 测器系统的需要，从而推动了阵列( 线阵和面阵) 光辐射探测器的发展。另一 方面，光电探测器材料性能的改进和制造工艺的不断完善，又为阵列光辐射探 强激光与光伏型探测器的相互作用 测器的发展提供了可能。目前，光电探测器的另一个发展方向是集成化，即把 光电探测器、场效应管( n 玎) 等元件置于同一个基片上。这可缩小体积、改 善性能、降低成本、提高稳定性并便于装配到系统中去。 电荷耦合器件( c c d ) 也是近代以来研究的一个重要方面【3 6 】，其性能达到 相当高的水平。将光辐射探测器阵列与c c d 器件结合起来，可实现信息的传输。 该器件已应用到热成像等领域。 3 2 光电探测器的分类 光电探测器是利用光电效应探测光信息( 光能) ，并将其转变成电信息( 电 能) 的器件，在光电检测系统中，它占有重要地位。探测器的灵敏度、响应时 间、u 向应波长等特性参数直接影响光电系统的总体性能。光辐照探测器按响应 的方式不同或者器件的机理不同，大体可以分为两大类：一类是利用各种光子 效应的光子探测器，另一类是利用温度变化效应的热探测器。 3 2 1 光子探测器 在光电探测器的发展中，最受重视的是入射光子和材料中的电子发生各种 相互作用的光电子效应。几乎所有情况下，所用的材料都是半导体。在众多的 光电子效应中，只有光电子发射效应、光电导效应、光生伏特效应和光电磁效 应得到了广泛的应用。基于光电子发射效应的器件在吸收了大于红外波长的光 子能量后，器件材判中的电子能够逸出材料表面，这种器件称为外光电效应器 件。基于光电导、光生伏特和光电磁效应的器件，在吸收了大于红外波长的光 子能量后，器件材料中出现光生电子和空穴，这种器件称为内光电效应器件。 以 此处风、分别为平衡p n 结中热平衡空穴、电子的密度，是位置的函数，e o g ) 为p n 结的自建电场。 当扩散与漂移达到平衡( 称平衡p 盯结) 时有：j 。( 砷= j n ( x ) = 0 ，利用关 系式( 4 5 ) 、( 4 - 6 ) 得： i o p o ( x ) = 警删( 4 - 1 7 ) 型o x = 一訾kt 嘣砷 “、。 式中自建电场e 。( 功由泊松方程确定。有 1 s o _ ( x ) = ；e - p o ( x ) 一o x 掣= ；e _ p o ( 曲一帆 f ( 4 1 8 ) n 。( 砷一。 i i 区 ( 4 1 9 ) n o ( z ) + 口 区( 4 2 0 ) 式中n 。、n 。分别是受主杂质密度和施主杂质密度a 平衡p ”结的空问电荷区两端的电势差k ，称为p n 结的接触电势差，没 。、p p o 和以。分别为p 区和n 区的热平衡电子密度、空穴密度，则 = 万d o n ( 等 了k h t ，n ( 半) c a 吻， 上式表明，户”结的接触电势差v 二和p ”结两边的掺杂密度、温度、材料的禁带 青岛科技大学研究生学位论文 宽度有关。在一定温度下，结两边掺杂密度越高，接触电势差v 越大；禁带宽 度越大，力：越小，v 。也越大。 取n 区 x n ) 电势为零，则p 区 sz ，) 电势为，p n 结内( i i 区及i 区) 任一点x 的电势为y 扛) ，由e o ( z ) 一。v 、( x a ，利用( 4 1 7 ) 、( 41 8 ) 可 得p n 结内热平衡空穴、电子的密度为： 蹦咖舻x 。( 掣) z z ， 删鸭。e x p ( 掣) z 。， 由此可见在p n 结内热平衡电子、空穴的密度不再是常数，而是位置x 的函数。 如图4 - 2 所示。 眍 泌 删 。讴 矗 图4 - 2 平衡p n 结中的栽流子分布 f i g4 2 t h ed i s t r i b u t i o no f c a r r i e r si ne q u i l i b r i u mp n j u n c f i o n p n 结两边空穴和电子的密度分布服从下列关系： 铒o e x p ( 鲁) n 矿唧“刮加般p l 才j ( 4 2 4 ) ( 42 5 ) 根据式( 4 1 7 ) ( 4 1 8 ) 及e ：一些，并将i i 区、【区的载流子密度p 。、n o o f , 2 7 强激光与光伏型探测器的相互作用 学* 一啾弩h 川e 卅等叫一一区z 。， 警= 私膨一c 等) - p p ( , e x p ( - e v v ( x ) 川区c a 哪， 对于平衡p n 结，p n 结边界面上的电场为零，即岛( _ ) = e o ( x 。) = 0 。将 ( 4 2 6 ) 、( 4 2 7 ) 积分并注意e 。( 工) 、矿( 功在p n 结边界上的取值，求得自建电 场的分布为： 删= 一 2 t - 7 1 i 一面e v 舢舻x c 秽e v + p l , o e x p ( 芳t ，砜+ 百e l p 矿i i i i 区( 4 - 2 8 ) 一一罔券虬+ n ；o e x p ( 嚣- t ) + p p oe x p ( 嚣7 i - n ，o - p p o 矿 4 4 初边值问题 要根据方程组( 4 7 ) ( 4 - 1 3 ) 进行模拟计算，就必须确定初始条件和边 界条件。 4 4 1 初值条件 由于光伏型h g c d t e 探测器封闭在杜瓦瓶中，温度保持在7 7 k ，在这个温度 下的各参数便是初始条件，动力学方程在光伏型探测器四个区域( i 区、i i 区、 区和区) 有四种不同的形式。p n 结的四个区中各个参数的初始条件如下： 空穴、电子密度在各个区的初始值为： o 。2 圭( + 2 + 4 刮，。 n 。= 寺( 一n a + 胁2 + 4 n ，2 ) |上 ( 4 3 0 ) 青岛科技大学研究生学位论文 吣内舻x 警 贴，= p p o e x p 一警 & = 三( 吨+ 瓣l 。 n 、= ；( 。+ i i w ) l ，：，。 电势在各个区的初始值为： y = u 。 工己x 工gx 口 挚= 牡脚c 弩) - p l , oe x p ( - e l 。x ) ( 、+ m x p x d 挚* o e x - c 等- p p oe x p ( - e 扩v ( x ) 叫，卜。 v = 0 电场在各个区的初始值为： e 。( 功= 0 x 2 z e 工p ( 4 3 2 ) ( 4 3 3 ) ( 4 - 3 4 ) ( 4 3 5 ) ( 4 3 6 ) ( 4 - 3 7 ) 肿一降( 一万e v ”舻坤c 万e v ) + p , oe x p ( 矿e v 百e v p j 、j l 必 工。 工sd 岛c x ，= 一1 2 k 。b t 。( 吒e v 丁n 。，。、心e v 歹) + p p oe x p ( 告t ) - n p o - p p o z d z 1 s u m ) ，空穴电流和电子电流保 持为零。在p ”结中，空穴电流随时问增大，增幅却越来越小，直到最后增幅为 零；电子电流的绝对值随时间减大，减幅越来越小，最后减小到一个恒定值。 当达到稳态时，p 结中的电子、空穴电流大小相等方向相反，总电流为零。这 些现象可以解释为：在初始时刻，因p ”结电场的作用，空穴被阻滞在1 1 区、i 区交界处，空穴的扩散电流与反向的漂移电流迅速地达到动态平衡；而电子则 受到电场的加速作用，电子漂移电流与扩散电流同方向但是漂移电流居于支配 地位，电子在经过p 结后，积累在l 区、区的交界处如图( 5 1 1 ) 、( 5 - 1 2 ) 。 积聚在p n 结两端的电子、空穴在p n 结内部提供了一个与p n 结平衡电场方向相 反的非平衡电场( 如图5 1 3 ) 。非平衡电场对平衡电场起削弱作用一方面使电 子电流减小，另一方面却使空穴电流加大。随着时间的推移，p ”结两端积累的 电量不断地增加，非平衡电场也随之逐渐增强。相应地，电子电流继续减小， 空穴电流继续加大，当二者数值达到相等时，p ”结内总电流为零。于是不再有 青岛科技大学研究生学位论文 净电荷的转移，各物理量也因此而达到稳定值。此外，还由于电子电流的减小 和空穴电流的增加，导致净电流不断减小，这意味着电荷的增幅愈趋缓慢。从 而口 结内非平衡电场的增幅越来越小。从图5 - 13 还可以看发现在i 区、v 区 非平衡电场接近于零，可以忽略，因此可以认为i 区、区的漂移电流为零， 于是输运动力学方程在f 区、区中可以作相应的简化：e “，t ) = 0 。这也进一 步说明了探测器的光伏效应主要是p ”结的势垒光伏效应。 x ( m ) 图5 - l3 非平衡电场的动态分布 f i 9 5 1 3t h ed y a m i cd i s t r i b u t i n go fn o n - b a l a n c ee l e c t r i cf i e l d 强激光与光伏型探测器的相互作用 6 光伏型光电探测器的热损伤研究 6 1 激光破坏机理综述 激光破坏作用问题早在6 0 年代激光问世不久就被发现了，但当时人们只是 作为实验中的现象加以描述的。随着激光功率的提高及激光应用范围的扩大， 激光破坏问题越来越突出，人们开始重视这个问题，并开展专门的研究。激光 破坏研究是一项十分复杂的课题，它涉及的知识相当广泛，包括物理学、化学、 生物学、机械、半导体、金属学等领域。 光电探测器是光敏器件，除有一定的工作温度和响应波长外，还有一定的 光强范围，一般说来工作在弱光条件下，其输出信号与入射光强成线性关系； 但是在激光辐射下情况将大不相同，会出现光饱和、热效应、热损伤及热应力 产生的力学损伤。 6 1 1 光饱和失效机制 人们设计和制作光电探测器时想方设法提高灵敏度、信噪比，目的是为了 满足远距离探测或者弱信号探测的目的。但是，一般的光电探测器只有3 4 个 数量级的动态范围，在强光照射特别是激光的照劓下容易达到饱和，而且还很 容易受到背景和人为的激光干扰。探测器自身的饱和效应和人为的激光干扰都 可以造成探测器丢失信号。当辐射激光功率密度达到一定的程度时，光电探测 器的输出信号随着光强的增加而增加的趋势趋于平缓，探测器的灵敏度也有所 下降，这就是所谓的光饱和现象1 4 1 粥】。对于不同的光电探测器，强激光饱和闽 值电不同。在集中探测机制中，强光饱和闽值最小。 6 1 2 能量吸收和热损伤机制 激光对探测器系统的热学破坏闽值的大小与其材料的差别有关。国外在2 0 世纪六、七十年代已经对材料的激光破坏作了大量工作。当激光作用于探测器 的材料表面时，光子能量被材料中自由载流子吸收，少部分被吸收的激光能量 青岛科技大学研究生学位论文 转化为有用的信号，大部分转化为热能，表现为探测器材料升温，即使不造成 可视性破坏，也可能影响探测器的工作性能，如产生热噪声，使信噪比大大降 低等。 建立热模型的中心问题是将激光辐劓作为脉冲注入的热源，计算被激光加 热的探测器材料中的温度场。因为每种探测器都有一个使它出现破坏闽值温升 a t ，此时所对应的激光器强度e o ( e 。) 就是所求的破坏阂值。 6 1 3 表面熔化、汽化蒸发与重新凝固机制 探测器表面熔化主要取决于材料表面元素的化学和热力学性质。一般情况 下，只有长脉冲或连续波辐照才趋向于导致纯粹的熔化。探测器材料表面状态 的改变很大程度依赖于入射激光的特性：短持续时间的高功率激光脉冲会产生 小量的汽化作用而增大材料的烧蚀量；较长的脉冲将增大汽化作用而减少材料 的烧蚀量。影响探测器材料汽化程度的参数主要有潜热和导热系数等。重新凝 固过程可以改变表面甚至整个探捌器的结构。 6 1 4 力学破坏机制 当高功率激光脉冲作用于探测器表面时，可造成三种力学破坏机制【“4 5 】： ( 1 ) 探测器表面汽化时的反冲动量如同冲击波，冲击波在探测器材料表面产生 热力学和弹性应力，从而导致器件碎裂。( 2 ) 探测器表面迅速升温后，形成较 大的热应力梯度，导致器件碎裂。( 3 ) 当激光功率达到1 0 9w c m 2 时，除了蒸 发，在表面还有等离子体产生。等离子体向外扩