光电子-第5章光电探测技术

第5章 光电探测技术,2,概述,概述上一章介绍了光波调制的方法，使用光载波来携带信息是因为光波具有容量大、速度快、保密性好和抗干扰能力强等优点，光辐射的探测和信号的解调是必不可少的环节，光辐射探测技术是光电子技术中非常重要的技术。本章将介绍光电探测的一般原理、性能、指标、典型光电探测器件及探测方法,3,光电探测技术就是把被调制的光信号转换成电信号并将信息提取出来的技术。光探测过程可以形象地称为光频解调光探测器就是将光辐射能量转换成为一种便于测量的物理量的器件。发展历史光探测器的发展可追溯到1873年，英国的smith和May在大西洋横断海底电信局所进行的实验中发现，当光照射到用作电阻的Se棒后，其电阻值约改变30，同年Simens将铂金绕在这种Se棒上，制成了第一个光电池；,4,1888年，德国的Hallwachs在作Hertz的电磁波实验中，发现光照射到金属表面上会引起电子发射1909年，Richtmeyer发现，封人真空中的Na光电阴极所发射的电子总数与照射的光子数成正比，奠定了光电管的基础：接着美国的Zworkyn研制出各种光电阴极材料，并制造出了光电倍增管，并于1933年发明了光电摄像管.,5,1950年，美国的weimer等人研制出光导摄像管。1970年Boyle等人发明了CCD(电荷耦合器件)。如今，激光的发展进一步促进和刺激了光电探测领域的发展，各种光电探测器件大都已工业化、商品化，摄像机等巳微型化。出于现阶段的激光系统可提供巨大的带宽与信息容量，团面光电探测技术在信息光电子技术中也就有了特别重要的意义.,6,5.1光探测器性能参数和噪声,概述光探测器与其它器件一样，有一套根据实际需要而制定的性能参数。依据这一参数，人们可以评价探测器性能的优劣，比较不同探测器的差异，从而达到根据需要合理选择和正确使用探测器的目的。表征光探测器的基本性能参数有量子效率，响应度R，灵敏度S，噪声等效功率NEP，探测度D光谱响应和频率响应等。,7,光探测器性能参数,1.量子效率定义为： 1)量子效率又称量子产额，是指每一个人射光子所释放的平均电子数。它与入射光子能量(即入射光波长)有关。对内光电效应还均材料内电子的扩散长度有关；对于外光电效应与光电材料的表面逸出功有关。其表达式为,8,光探测器性能参数,式中，P是入射到探测器上的光功率，Iph是入射光产全的平均光电流,P/hv是单位时间内人射光子平均数， Iph/e是单位时间产生的光电子平均数，e是电子电荷。注：这里是器件总的量子效率，又称为外量子效率，注意与内量子效率区别。,9,光探测器性能参数,2.响应度R响应度R ，为探测器输出信号电压Vs与输人光功率P之比。是光电探测器光电转换特性的量度。单位为 VW,10,光探测器性能参数,3.灵敏度S灵敏度R ，为探测器输出信号电压Is与输人光功率P之比。是光电探测器光电转换特性的量度。单位为 AW 灵敏度R，响应度S均用来描述探测器输出电信号与输入光功率的关系，均是波长的函数入射光波长一定，则响应度与灵敏度确定。,11,光探测器性能参数,4.光谱响应S光谱响应，就是表征R及(或S)随波长变化的特性参致。利用,12,由于许多光探测器是基于光电效应而工作的，因而存在一个最低频率v。，只有入射光频率大于v。才能有响应信号输出，相应存在一个探测波长极限g，,13,5.噪声等效功率NEP定义为相应于单位信噪比的入射光功率，用来表征探测器探测能力，定义式为即一定频率范围的光辐射入射到光探测器上，使输出信号电压有效值等于噪声电压的方均值时，所对应的入射光功率P称为噪声等效功率NEP。NEP物理意义： NEP表征探测器的探测能力，NEP越小，探测能力越强。,14,出于噪声频谱很宽，为减小噪声影响，一般将探测器后面的放大器做成窄带通的，其中心频率选为调制频率。这样，信号将不受损失而噪声可被滤去，从而使NEP减小，这种情况下的NEP定义为f 为放大器的带宽，因噪声功率与带宽成正比，则噪声电压（或电流）与带宽的平方根成正比，所以引进因子,15,6.探测度DNEP越小，探测能力越高，不符合人们“越大越强”的习惯，于是取NEP的倒数，并定义为探测度。探测度D，是NEP的倒数，即单位入射功率相应的信噪比。,16,理论分析和实验结果表明，NEP还与探测器受光面积的平方根成正比。在实际应用当中，为便于不同探测器之间的比较，通常把上式除以A1/2,用得到一个与面积无关的参量D*，称为归一化探测度。 通常归一化探测度D*比前述D更能体现探测器性能。D*表示单位探测器面积、单位带宽的探测度，定义式为,17,给出D*值时注明响应波长、光辐射调制频率f及测量带宽f,即D*(, f, f)。 探测器光敏面积A和测量带宽f对D值影响探测器的噪声功率 探测器的噪声功率 注：D*和NEP一样是波长的函数出于噪声通常和信号调制频率有关，故D*也是调制频率的函数。,18,7.频率响应是描述光探测器响应度在入射光波长不变时，随入射光调制频率变化的特性参数。它是光探测器对加在光载波上的电调制信号的响应能力的反映，是表征光探测器频率特性的重要参数，其曲线如图62。,19,8.其它参数除了以上7个基本参数以外我们在使用探测器时还会遇到以下参数： 1)暗电流，指没有信号和背景辐射时通过探测器的电流； 2)工作温度对于非冷却型嫁泅器指环境温度，对于冷却型探测器指冷却源标称温度； 3)响应时间，指探测器将入射辐射转变为信号电压或电流的弛豫时间； 4)光敏面积，指灵敏元的几何面积。,20,5.2 光电探测方式,概述 光辐射的探测是将光波中的信息提取出来的过程。这是光是信息的载体，把信号加载于光波的方法有多中，如强度调制、幅度调制、偏振调制、位相调制和频率调制等等。从原理上来讲强度调制、幅度调制、偏振调制可以直接由光探测器解调。因而称为直接探测。频率和位相调制必须采用光外差探测的方法解调，称为外差探测。,21,直接探测方式中，光波直接辐射到光探测器光敏面上，光探测器响应于光辐射强度而输出相应的电流或电压，然后送入信号处理系统，就可以再现原信息。直接探测的是一种简单而又实用的方法，然而它只能探测光辐射的强度及其变化，会丢失光辐射的频率和位相信息。,22,外差探测光频外差探测的原理和无线电外差接收原理一样，其中必须有两束满足相干条件的光束。在光频外差探测方式中，光电探测器起着光学混频器的作用，它响应信号光与本振光的差频分量，输出一个中频光电流。由于探测量利用信号光和本振光在光探测器光敏面上干涉得出，因而外差探测又称为相干探测。外差探测利用光场的相干性实现对光辐射的振幅、强度、位相和频率的测量。,23,5.2 光电探测方式,光探测器的光吸收过程是直接由某种光量子作用产生的，这种量子作用由检测系统读取其大小，因此其输出是由光量子的吸收率决定的而不是由光量子的能量来决定，其工作原理基础足单位时间内探测器的输出电信号正比于光生裁流子数目，而单位时间内光生裁流子的数目，即载流子的跃迁速率，正比于总入射光场振幅的平方，即,24,于是 1)当置E1(t) E2(t)时，它对应于直接探测方式，这种方式下，由于探测器的输出电信号正比于光生载流于跃迁速率，而光生载流于跃迁速率又正比于E 6(即入射光功率)，因而，探测器的输出电流是入射光功率的线性函数其结构框图如图63。,25,26,外差探测法可以消除背景噪声和暗电流的影响，大大提高探测灵敏度，达到近乎理想量于极限，它不仅可以探测光强调制信号，还可用于频率或相位调制波的探测，但外差探测系统复杂，对信号光与本振光要求均很高，技术因难大，成本高。由于激光的高度相干性、单色性和方向性使光频的外差探测成为现实。光电探测器除了具有解调光功率包络变化的功能外只要光谱响应匹配，就可以实现外差探测。,27,一.直接探测光电探测器的基本功能是把入射到探测器的光功率转化成相应的光电流，即因此，只要待传递的信息表现为光功率的变化，利用光电探测器的这种直接光电转换功能就能实现信息的解调。这种探测方式称为直接探测光电探测器只响应光功率包络的变化，而不响应频率和相位的变化，直接探测也称光包络探测或非相干探测。,28,1.光探测器的平方律特性假定入射信号的光场为光探测器的光电流式中，为光电变换系数,29,若光电探测负载为RL，则光探测器的输出功率此式表明，光探测器的平方律包含两个方面：一是光电流正比于光场振幅的平方二是光电探测器的输出功率正比于入射光功率的平方。如果入射光是调幅波，即,30,这里d(t)为调制信号，则探测器的光电流为上式表明，光电流表达式中第一项代表直流项，第二项为信号的包络波形。,31,2.直接探测系统的信噪比一个直接探测系统的探测性能要根据信噪比来判断。设入射光电探测器的信号光功率为si,噪声功率为ni,光电探测器的电功率为so,输出噪声功率为no,则总的输入功率为(si+ni),总的输出功率为(so+no),根据光电探测的平方律特性，有如下关系式中,32,根据信噪比的定义由此可见输出噪声包含两项： 噪声分量之间的差拍结果， 信号和噪声间的差拍结果。,33,1)若输入信噪比这时信噪比更远小于1。因此直接探测方式不适于输入信噪比小于1或者微弱信号的探测。欲提高输出信噪比，主要在于扣除排除背景光的进入。通常加带通滤波器。从空间方向上减小背景噪声的方法是减小光学天线的接收视场和采用空间滤波技术。,34,2)若输入信噪比信噪比大于1时。输出信噪比是输入信噪比的一半，光电转换后信噪比损失不大，实际应用中可以接受。因此直接探测方式适于输入信噪比大于1或者强光信号的探测。这种方法比较简单，易于实现，可靠性高，成本低，在实际中应用广泛。在直接探测方式中，当光信号功率比较小时，输出电信号也相应变小。为了信号处理，显示需要，必须加前置放大器。,35,二.外差探测概述激光的高度单色性、相干性和方向性，使光频段的外差探测成为现实。原理与无线外差接收原理相同。具有选择性好，灵敏度高等优点。就探测而论，只要波长匹配，则外差和直接探测所用的探测器原则上可以通用。其缺点是系统复杂，且波长越短，实现外差越困难。,36,1.外差探测基本原理 光外差探测中的光电转换过程不是检波过程，而是一种“转换”过程，其中的被测信号与第二个光场，即本地振荡场混频，从而产生频移，即把以1为载频的光频信息转换到以为载频的中频电流上。这一转换是本地振荡光波的作用.原理如图,37,38,39,40,41,42,5.3 光电探测的物理效应,概述光电探测的物理效应可以分为三大类：光电效应、光热效应和波相互作用效应，并以光电效应应用最为广泛。1）光电效应 光电效应是入射光的光子与物质中的电子相互作用并产生载流子的效应。事实上，此处我们所指的光电效应是一种光子效应v也就是单个光子的性质对产生的光电子直接作用的一类光电效应。根据效应发生的部位和性质，习惯上又将其分为外光电效应和内光电效应。,43,外光电效应足指发生在物质表面上的光电转换现象，主要边括光阴极直接向外部放出电子的现象，典型的例子是物质表面的光电发射；内光电效应指发生在物质内部的光电转换现象，特别是半导体内部载流于产生效应，主要包括光电导效应与光伏效应。,44,光电效应类探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态改变，即光子能量的大小直接影响内部电子状态改变的大小、因而这类探测器受波长限制，存在“红限“截止波长c，截止波长表达式式中c为真空中光速，E在外光电效应中为表面逸出功，在内光电效应中为半导体禁带宽度。,45,2）光热效应 光热效应是物体吸收光，引起温度升高的一种效应。探测器件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升，并进一步使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化的现象。探测体常用Pt、Ni、Au等金属和热敏电阻、热释电器件、超导体等。,46,原则上，光热效府对光波波长没有选择性，但由于材料在红外波段的热效应更强，因而光热效应广泛用于对红外辐射、特别是长波长的红外线的测员，许多激光功率汁常用该种类型的探测器。由于温升是热积累的作用，所以光热效应的速度一般比较慢，而且。易受环境温度变化的影响。3）波相互作用效应波相互作用效应是指激光与某些敏感材料相互作用过程中产生的一些参量效应，包括非线性光学效应和超导量子效应等。,47,5.3 光电探测的物理效应,1.外光电效应-光电发射效应金属或半导体受光照时，若入射光子能量hv足够大，它就和物质当中的电子相互作用，使电子从材料表面坦出这种现象就称为光电发射效应也称外光电效应。其中，能够产生光电发射效应的物体称为光电发射体，在光电管中又称光阴极。光电发射效应是真空光电器件中光电阴极的物理基础，它遵从两个基本定律：,48,5.3.1 外光电效应,(1)光电发射第一定律斯托列托夫定律 当照射到光电阴极上的入射光频率或频谱成分不变时间内发射的光电子数目)与入射光强度成正比式中，ic是光电流I是入射光强，S是该阴极对入射光线的灵敏度。该定律有时表达为该式常被称作光电转换定律。,49,5.3.1 外光电效应,(1)光电发射第二定律爱因斯坦定律 如果发射体内电子吸收的光子能量大于发射体表面逸出功，则电子将以一定速度从发射体表面发射，光电子离开发射体表面时的初动能随入射光的频率线性增长，与入射光的强度无关式中，Ek1/2mv2为光电子的初动能，m为电子质量，v为电子离开发射体表面时的速度，hv为人射光子能量，E为金属逸出功(从材料表面逸出时所需的最低能量)，又称功函数。,50,5.3.1 外光电效应,该式表明，入射光子必须具有足够的能量，也就是说至少要等于逸山功，才能发生光发射，就此推出外光电效应发生的条件为截止波长射光波长大于截止波长时，无论光强有多大、照射时间有多长，都不会有光电子发射。光电发射大致可分为三个过程：,51,5.3.1 外光电效应,光电发射大致可分为三个过程：1)光射人物体后，物体中的电子吸收光子能量，从基态跃迁到激发态。2)受激电子从受激处激发，向表面运动，其问必然要同其他电子成品格发生碰撞面失去部分能量。3)到达表面的电子克服表面势垒对其的束缚，退出形成光电子由此得到光电发射对阴极材料的要求；1)对光的吸收大，以便体内有较多的电子受激发射。2)电子受激发生在表面附近，以使碰撞损失尽量小。3)材料逸出劝小，以使到达表面的电子容易远出。4)电导率好，以便能够通过外电源来补克光电发射失去的电子。,52,5.3.2 内光电效应,内光电效应内光电效应是指发生在物质内部的光电转换现象,特别是半导体内部载流子效应,主要包括光电导与光伏效应.相应的探测器包括光电导型和光伏型两种.1.光电导效应光电导效应是光照变化引起半导体材料电导变化的现象。当光照射到半导体材料时，材料吸收光子的能量，使得非传导态电子变为传导态电子，引起裁流子浓度增大，从而导致材料电导率增大。,53,5.3.2 内光电效应,右图为光电导效应示意图。补充概念电阻电导率电流密度欧姆定律微分形式,刘恩科，半导体物理学，国防工业出版社，p85,54,5.3.2 内光电效应,电子的漂移速度与迁移率有外加电压时，导体内部的自由电子受电场力的作用，沿着电场的反方向作定向运动形成电流。电子在电场力作用下的运动称为漂移运动，定向运动的速度称为漂移速度。当导体内部电场恒定时，电子有漂移速度是定值。当电场增大时，电流密度也相应增大。因而其平均漂移速度也随着E的增大而增大。,刘恩科，半导体物理学，国防工业出版社，p85,55,5.3.2 内光电效应,所以，平均漂移速度的大小与电场强度成正比，可写为为电子的迁移率，表示单位场强下电子的平均漂移速度，习惯上只取正值，即(c)代入(b)得到,56,5.3.2 内光电效应,上式与(a)比较得到半导体的电导率和迁移率,57,5.3.2 内光电效应,非平衡载流子处于热平衡状态的载流子，一定温度下其浓度是一定的。n0 、 p0 、 ni依次表示电子、空穴和本征载流子的浓度处于非平衡态的半导体其载流子的浓度不再是n0 、 p0 ，可以比它们多出一部分。比平衡态多出来的这部分载流子，称为非平衡载流子，有时也称为过剩载流子。,58,5.3.2 内光电效应,例没有光照时，一块半导体电子和空穴的浓度分别为，假设是N型半导体，则n0 p0。在光照条件下，光子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n，价带比平衡时多出一部分空穴p。这时把n称为非平衡多数载流子， p称为非平衡少数载流子。对P型材料则正反。用光照使得半导体内产生非平衡载流子的方法，称为非平衡载流子的光注入。光注入时有 np,59,5.3.2 内光电效应,一般情况下，注入的非平衡载流子比平衡时的多数载流子浓度小的多。对N型材料， nn0 , p n0 ，满足这个条件称为小注入。例，1cm的N型硅中， n0 5.51015cm-3, p0 3.1104cm-3,若注入非平衡载流子10,则满足小注入的条件，但是几乎是的106倍。这说明即使在小注入的条件下，还是非平衡少数数载流子浓度比非平衡多数载流子浓度大得多，它是影响就十分重要。所以实际中往往是非平衡少数载流子，起着重要作用。通常所说的非平衡载流子都是指非平衡少数载流子。,60,5.3.2 内光电效应,右图为光电导效应示意图。单位体积的光电子的产生率是量子效率, ph（I/hv）单位时间单位面积上的光子数,61,5.3.2 内光电效应,在光电材料中有电子的净产生率光电子产生率电子的复合率即达到稳定后所以,62,5.3.2 内光电效应,半导体中电导由于光的作用使电导发生变化,又称为光电导.当光入射到光电材料上时,使导电电子,空穴数量 发生变化 ,从而引起电导率的变化代入,63,5.3.2 内光电效应,产生的光电流密度由外电路的光电流可求出光电子的漂移率而光电子的产生率,64,光电导的增益这里 分别是电子和空穴的漂移速度。则它的们渡越时间(穿过半导体的时间)可表为,65,于是光电导的增益又可表为由此可见，要想获得大的增益，要使 尽可能的大。需要长的寿命，短的渡越时间。而增大te要增大外场E，这样会增大暗电流和噪声。而增大意味着响应时间变长，也意味着是低速器件。所以普通的光电管效率和性能很低。,66,2.光伏效应如果说光电导现象是半导体材料的体效应，那么光伏现象是半导体材料的“结”效应。其典型应用是pn结光电二极管。具有体积小，高速率，高灵敏度等特点，获得光泛应用。,67,2.光伏效应原理如图所示pn结区存在一个由n指向p的内建电场，热平衡时，多数载流子的扩散作用与少数载流子的漂移作用想互抵消，没有电流通过pn结。当有光照时，样品对光子产生本征和非本征吸收都产生光生载流子，由于内部势垒的作用，只有本征吸收所激发的少数载流子才能穿过势垒产生光伏效应。,68,n区的少数载流子，要扩散，总有一部分扩散至结界面处，这时在内建电场的作用下被拉向p区。同样p区产生的光生载流子，被拉向n区，结区内产生的电子空穴在结电场的作用下分别被移向N区和P区。如果外电路在开路情况下，这些电子空穴积累在结附近，P区获得附加正电荷，N区获得附加负电荷，使pn结获得光生电动势，这种现象称为光生伏特效应。分类根据材料不同分为PN结PIN型，异质结型等等根据偏置不同分为光电二极管光电三极管，光电池等等。,69,3.光热效应光热效应是物体吸收光，引起温度升高的一种效应。探测器件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升，并进一步使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化的现象。,70,1）温差电效应当两种不同的配偶材料（可以是金属或半导体）两端并联熔接时，如果两个接头的温度不同，并联回路中就产生电动势，称为温差电动势。M为温差电势率，单位K/K,T温度的增量注：提高测量灵敏度若干个热电偶串联起来使用热电堆,71,2）热释电效应热释电效应：热电晶体自发极化矢量，随温度变化，从而入射光可引起电容器电容改变的现象。热释电材料电介质一种结晶对称性很差的压电晶体在常态下具有自发电极化,d在某个方向上正负电荷中心不重合(即固有电偶极矩) ，从而使晶体表面存在着一定量的极化电荷。温度变化引起正负电荷中心发生位移，从而引起表面电荷变化。,72,升高到Tc值时,自发极化突然消失,TC称为居里温度。热释电体表面附近的自由电荷对面电荷的中和作用比较缓慢，一般在11000秒量级。,73,5.4 光电探测器,概述前面的内容论述了各类光探测器的原理，下面介绍几各典型的探测器 光电探测器的分类可以按其工作时所利用的物理效应来划分，也可以根据探测器结构形式来分、还可以根据探测方式来分。 根据探测器结构形式，可将探测器分为单元探测器和多元探测器其中的多元探测器已由线阵发展为面阵，且目前已能将探测器阵列与信号处理电路集成为半导体集成块，大大方便了应用。,74,根据探测方式不同可分为直接探测和外差探测。各种分类方式中，更多的是根据光电探测工作时所依据的各种物理效应来对光电探测器进行分类。1.光电导型探测器体结构，没有极性，灵敏度高，响应速度较慢。 利用光电导效应工作的光电探测器称为光电导型探测器，这类探测器在光照下台改变自身的电阻率，且光照越强器件电阻率越小，因而常称为光导管或光敏电阻。,75,一.光电探测器分类,它们一船都为体结构，阻抗呈阻性，没有极性，且灵敏度较高，具有内电流增益G，响应速度则一般较慢。光敏电阻主要用于电子电路、仪器仪表、光电控制、计量分析、光电制导、激光外差探测等方面。,76,2. 光敏电阻（PR）,77,一.光电探测器分类,2.光伏型探测器响应速度快，噪声低，体积小，使用寿命长，应用最为广泛例如pin APD等硅光电池太阳电池零偏压pn结光伏探测器光伏工作模式光电池硅光电池的用途：光电探测器件，电源,78,一.光电探测器分类,3.热电型探测器主要用于红外，激光功率的测量。通常将热敏材料涂黑，他对很广的波长范围的光全部吸收，即各波长吸收率相同，无波长选择性。那么它温度参数的输出就于波长无关，而只与单位时间内器件所接收到的光辐射能量成正比。不过热效应较光效应慢得多，因而时间长数大。,79,4.热释电效应热释电效应在近10年被用于热释电红外探测器中，广泛地用于辐射和非接触式温度测量、红外光谱测量、激光参数测量、工业自动控制、空间技术、红外摄像中。,80,一.光电探测器分类,5.固体图像传感器1）CCD电荷耦合摄像器件。CCD的基本功能是电荷的存储和转移。CCD工作过程就是电荷的产生，存储，传输和检测的过程。其中电荷是产生利用由半导体的光电特性，用光注入产生。2）cmos,互补金属氧化物半导体,81,光电探测器分类,光电探测器分类表,82,光电探测器分类表,83,二.几种典型的光电探测器,1.光电倍增管PMT是应用最多的光电探测器之一，特点响应速度快，倍增系数高，由光电阴极(K),倍增极(D1,D2,) 和阳极(A)组成。原理：光电阴极利用材料的光电效应制成，然后利用 二次电子发射放大电流。设每个入射电子产生二次电子的平均数为g,光电倍增管有n个倍增电极，则阴阳极间总电流倍增数G为 G=gN,84,二.几种典型的光电探测器,利用外光电效应原理阴极电子发射，被阳极多次加速撞击倍增。PMT的灵敏度之高是一般光电器件达不到的，广泛用于微弱光测量中。,85,二.几种典型的光电探测器,1.光电倍增管G称为光电倍增系数，与材料和倍增极间的电压有关。一般为35,n取516.补充二次电子概念：（入射电子与样品核外电子碰撞，使样品表面的核外电子被激发出来的电子）,86,二.几种典型的光电探测器,1.pn硅光电二极管普通pn结型光电二极管，具有体积小，响应速度快和灵敏度高等特点，获得广泛应用，特别是在光纤通信中。原理：如图所示,87,二.几种典型的光电探测器,1.pn硅光电二极管当光子的能量大于禁带宽度，就能被吸收在耗尽层产生电子空穴对。在内建电场的作用下电子，空穴向相反的方向移动，移动的载流子产生电流即光电流，在外电路中便有信号产生。,88,二.几种典型的光电探测器,2.pin硅光电二极管普通pn结型光电二极管，虽具有体积小，响应速度快和灵敏度高等特点，却存在着二大缺点 。1）它的由于结电容不能足够小，所以不可能有较高的调制频率，因为受RC时间的限制。,89,2）耗尽层太薄，只小几个微米，长波的穿透深度要远大于耗尽层厚度，大量的光子在耗尽层外被吸收，这儿没有电场分离电子空穴对。这样在长波区量子效率很低。上述问题在PIN型光电管中得到了很好的解决。,90,二.几种典型的光电探测器,2.pin硅光电二极管Pin表示器件具有p+-intrinsic-n+的结构如右图所示。i-Si层低掺杂，近似本征，宽度比p+，n+宽得多，5-50um,根据应用选择不同的宽度。,91,二.几种典型的光电探测器,2.pin硅光电二极管被本征层分离的两个分别带正电和负电的薄层，其宽度为W，这种结构与平行板电容器类似，称为pn结电容。一般具有pF的量级，若R50,RC时间50ps 另，Cdep由器件结构决定，与外加电场无关,92,二.几种典型的光电探测器,2.pin硅光电二极管本征层i-Si在反偏条件下，其电场可表为这种pin型的设计，使得光子的吸收发生在i-Si层，这样i-Si层产生的电子空穴对在电场E的作用下分离，这些载流子的移动产生了光电流。光电管的响应时间决定于载流子穿过i-Si层W的渡越时间。,93,二.几种典型的光电探测器,光电管的响应时间决定于载流子穿过i-Si层W的渡越时间。增加W会使更多的光子在i-Si层被吸收，但会增大响应时间。而渡越时间由,94,二.几种典型的光电探测器,由上式可知，增大E可以可以增大vd减小渡越时间，实验表明，Vd会饱和效应，即E不可以无限制增大，,95,二.几种典型的光电探测器,这样的速度不可避免受渡越时间的限制。例如， i-Si层宽度10um,渡越时间为0.1ns,会大于RC响应时间0.05ns实际的pin光电管，不是像图示那样的理想状况。在层要有一些掺杂，称为pvn结构，这时v-Si内的电场E会从p-n有小的变化，不再是一恒定不变的。,96,二.几种典型的光电探测器,3.APD光电管Avalanche photodiode (APD),已广泛用