第四章光电导探测器.ppt

第四章光电导探测器 光电导探测器的工作原理光电导探测器的性能参数实用光电导探测器及输出信号 能测可见光的光电导探测器又称光敏电阻 光导管 种类 本征型 杂质型 薄膜型 扫积型研究重点 工作原理 性能参数 基本应用电路三者联系 也是学习探测器的基本观察点 光敏电阻 4 1光电导探测器的工作原理一 光电导效应光子作用于光电导材料产生本征吸收 杂质吸收 产生附加的光生载流子 光电导效应 光照射到光电导 半导体 材料上 使半导体的电导率发生变化 多数半导体和绝缘体存在这种效应 本征半导体杂质半导体 光激发 产生空穴 电子 跃迁到导带 杂质半导体 n型 施主能带靠近导带 电子获得足够能量进入导带参与导电 p型 受主能带靠近价带 价带电子吸收光子能量跃迁受主能带 使价带产生空穴参与导电 表征光电导效应主要有三个参数 灵敏度 弛豫时间 惰性 光谱分布 1 光电导的灵敏度灵敏度 一定光强下光电导的强弱 可用光电增益G表示 成立条件 定态条件下电子和空穴的产生率与复合率相等 4 1 1 量子产额 吸收一个光子所能产生的电子空穴对数 光生载流子寿命 载流子在光电导两极间的渡越时间 载流子在光电导两极间的渡越时间tL 一般有 4 1 2 光电导体两极间距 外加电源电压 迁移率 将 4 1 1 代入 4 1 2 如果光电导体中自由电子和空穴均参加导电 2 光电导驰豫光电导是非平衡载流子效应 因此有一定的弛豫现象 它表现了光电导对光强变化反应的快慢 光电导上升或下降的时间 弛豫时间 响应时间 意义 从实际应用讲 弛豫时间决定了在迅速变化的光强下 一个光电器件能否有效工作的问题 从光电导的机制来看 弛豫表现在光强变化时 光生载流子的积累和消失的过程 在分析定态光电导和光强之间的关系时 实际情况比较复杂 通常讨论两种典型情况 直线性光电导 即光电导与光强成线性关系抛物线性光电导 光电导与光强的平方根成正比 有的光电导体在光强低时属于直线性光电导 较高时 为抛物线性光电导 载流子浓度 n与光强关系 直线的 1 抛物线的 1 2在定态的情况下 如果光生载流子有确定的复合几率或寿命 对直线性光电导 n In 光电转换因子 光电导材料对光的吸收系数 以光子计算的入射光光强 量子产额 对抛物线性光电导复合率 b n 2b为比例系数 这时定态条件为b n 2 In 在直线性光电导中 恒定光照下决定光电导上升规律的微分方程 光生载流子寿命 以光子计算的入射光光强 光电导体对光的吸收系数 量子产额 设光照停止时 t 0 n In 则上式解 根据上式初始条件 t 0时 n 0 方程解 取消光照后 决定光电导下降的微分方程为 直线性光电导的弛豫时间与光强无关 因为上升和下降是对称的通常 t 称光电流的弛豫时间 直线性光电导上升和下降曲线 在抛物线性光电导中 决定光电导上升的微分方程为 利用初始条件t 0时 n 0 解上面的方程得 光照取消后 决定光电导下降的微分方程为 利用初始条件t 0时 讨论 抛物线性光电导的弛豫时间与光强有关 光强愈高 弛豫时间越短 3 光电导的光谱分布光电导的大小与照射光的波长有密切关系 光谱分布问题首先是光生载流子的激发问题 由本征激发产生的光电导称为本征光电导 由杂质激发产生的光电导成为杂质光电导 1 本征光电导的光谱分布 光谱分布曲线是 等量子 曲线或 等能量 曲线 等量子是指对不同的波长以光量子计算的光强是相同的 等能量是指不同的波长下所用的光能量流是相等的 2 杂质光电导的光谱分布 含有不同量砷施主补偿杂质的掺金锗杂质光电导光谱分布曲线 半导体杂质吸收光子将束缚在杂质能级上的电子或空穴激发成为自由的光生载流子 这时光子的能量必须等于或大于杂质的电离能 由于杂质的电离能比禁带宽度小 所以杂质光电导的光谱响应的波长比本征光电导的长 二 光电导探测器的工作原理半导体受到光照时将产生非平衡载流子 电导率增加 在外加电压的作用下 将在光电导探测器输出回路中产生光电流 分析光电导探测器输出的光电信号1 光电导探测器的光电流 设样品为n型材料 光功率为P的光辐射沿x方向均匀入射 如果光电材料的吸收系数 表面反射率R 入射光功率在材料内部沿x方向的变化为 4 1 17 光生载流子的统计平均值也应是入射深度x的函数 n x 表示在x处光生载流子浓度 则在外加电场作用下该处的漂移电流密度J x 为 光生载流子在外加电场E作用下的漂移速度 光功率 输出平均光电流 光生载流子在外加电场E作用下的漂移速度 电极间距离 电子迁移率 A wd探测器电极面积 dA wdx为面积元 在光敏面 wL 受均匀照射的情况下 将得到 4 1 20 n x 与半导体中光生载流子在外电场作用下的产生率与复合率有关 利用稳态下电子产生率和复合率相等的条件可求得n x 由 4 1 17 在x方向单位长度上材料吸收的光功率 P x 则单位体积内吸收的光功率为 P x wL 因而单位时间 单位体积内产生的光生载流子 产生率 为 P x wL h 若载流子平均寿命为 0 可求得复合载流子数 即复合率 n x 0在稳态条件下有 产生率 复合率 4 1 21 得光生载流子浓度n x 为 将 4 1 17 代入 上式代入 4 1 20 光电导探测器输出的平均光电流 4 1 23 4 1 24 4 1 22 此时的光电流Ip0 量子效率 将式 4 1 27 代入 4 1 24 则 由 4 1 21 求得入射光功率P全部被吸收 1 所对应的探测器内的平均光生载流子浓度 4 1 25 4 1 27 在外电场作用下 载流子在电极间的渡越时间为 于是上式 令 载流子寿命 载流子渡越时间 光电导探测器内增益 4 1 30 式 4 1 30 表明 光电导探测器是一个具有内增益的器件 内增益G与器件的材料 结构尺寸及外加偏压 偏流 有关 2 光电导探测器的工作模式及等效电路 光电导探测器结构 光电导探测器偏置电路 交流等效电路 直流等效电路 1 短路电流ISC 探测器等效一个内阻很大的恒流源 2 开路电压 探测器等效一个内阻为0的恒压源 3 负载匹配时探测器输出电压 RL Rd时 负载匹配 输出电功率最大 总的光电变换效率最高 4 2光电导探测器的性能参数一 光电导增益 IP 长为L两端加电压V的光电导体 由光照产生的光生载流子在电场作用下所形成的外部电流 光电流 qN 光电子形成的内部电流 电导率无光照时 暗电导率 0 有光照 吸收光子而产生光生载流子浓度 n p光照稳定情况下 电子浓度 电子迁移率 光电导率 电流 a 无光照 暗电流 本征半导体电导率 0 b n p为迁移比 电导两端电压 光电导体横截面积 光电导体长度 样品宽度 样品厚度 b 有光照射 光电流光激发电子 空穴浓度 n p 寿命N N个电子 空穴对 单位时间 光电导 引起的光电流 4 2 5 代入 4 2 5 增益 Gn 光电导探测器的电子增益系数Gp 光电导探测器的空穴增益系数 增益的另一种形式速度为 n的光电子渡越时间tn L n又因 沿电场方向的电子速度与电场强度成线性关系 于是有 则增益的另一种形式 在半导体中 电子 空穴寿命相同 若用 表示平均寿命 若定义 则 G一般在103数量级 光电导器件量子效率 硅和锗的 与 的关系 N个光子 入射的单色辐射功率 二 光电导探测器的噪声1 热噪声2 产生 复合噪声g r 信号光 背景光 热激发 3 1 f噪声总的均方噪声电流或噪声功率 噪声按频率分布 噪声功率谱 典型光电导探测器噪声功率谱 光电导探测器噪声等效电路 三 响应率由 2 2 1 2 2 2 电压响应率电流响应率 光谱响应率表示在某一特定波长下 输出光电流 或电压 与入射辐射能量之比 输出光电流 响应率与VA及载流子寿命 0有关响应率与光敏面积有关 则光谱响应率 增大增益系数可得到很高的光谱响应率 增益与响应速度是相矛盾的 光电导探测器典型光谱曲线 两种类型光电导探测器光谱特性 四 比探测率D 是包含噪声性能的一个重要参数1 受热噪声限制多数光电导探测器工作频率在1MHz以上 其噪声源主要来自热噪声 2 受产生 复合噪声限制当工作频率在1kHz 1MHz时 主要是 光电导探测器的探测率限制 g r噪声限 热噪声功率限制 五 温度特性温度变化 会引起光谱响应率 峰值响应波长 长波限等参数的变化 主要原因 当温度升高时 热激发载流子增多 除热噪声增加外 还使光生载流子寿命下降 复合几率增大 从而使光电导器件灵敏度降低 PbS光敏电阻光谱特性 PbSe光敏电阻光谱特性 六 频率响应及响应时间 由式 4 2 22 及付里叶变换可以得到相应的输出电压和响应率的表达式 4 2 22 入射光调制角频率 0时输出电压 0时输出响应率 当调制频率f f3dB时 光电探测器的输出可以保持原有调制光信号的特征 光电导探测器的频率响应 七 前历效应测试前光电导探测器所处的状态对光电探测器特性的影响 大多数光电导探测器在稳定的光照下 其阻值有明显漂移现象 且经过一段时间间隔后 阻值还有变化 这种现象为光电导探测器的前历效应 中态 亮态 前历效应 短态 暗态 前历效应 R0 R1 4 3实用光电导探测器及输出信号一 本征型光电导探测器本征型 碲镉汞 HgCdTe 锑化铟 InSb 硫化铝 PbS 1 碲镉汞光电导探测器CdTe禁带宽度Eg 1 6eVHgTe禁带宽度Eg 0 3eV混合后的Hg1 xCdxTe的Eg随组分x 温度T而变化 x较小时 可用经验公式表示 即改变两种化合物组分而改变混合固溶体的带隙宽度Eg 从而改变其光谱响应范围 利用这种特性并改变器件工作温度 就可以得到不同长波限 C 峰值响应波长 p的高DP 的理想光电导探测器 典型PC HgCdTe探测器结构示意图 应用 适合红外波段探测要求 激光雷达 激光测距 光电对抗 制导及光通讯PC HgCdTe工作于77K 响应光谱为8 14 m 最大响应率Dp 达2 8 1010cm Hz1 2 W 接近背景限 响应频率为几MHz 50 m方形HgCdTe探测器性能对偏压关系 工作温度80K 峰值波长12 m 视场30 PC HgCdTe探测器不同工作温度响应与波长关系 随着工作温度的降低 响应率增加 其响应的峰值波长 p向长波方向移动 2 锑化铟光电导探测器 InSb 特点 Eg小 通过改变温度来改变响应波长室温 300K 时Eg 0 17eV C 7 5 m p 6 mDp 2 109cm Hz1 2 W77K时Eg 0 23eV C 5 4 m p 5 mDp 6 5 1010cm Hz1 2 W用途 近红外范围 注意室温下噪声大 InSb光电导探测器在不同温度下的光谱特性 InSb光电导探测器的频率响应曲线 3 碲锡铅光电导探测器Pb1 XSnxTe PbSnTe光电导探测器的频率响应曲线 是PbTe和SnTe的连续固溶体 改变Sn的含量可以改变其带隙x可取0 17和0 2红外波段的快速响应器件 4 硫化镉及硒化镉光电导探测器对可见光敏感 又称光敏电阻单晶CdS 硫化镉 可见光 X 射线均有响应 较高灵敏度 响应时间 几ms响应波长 0 3 0 52 m 与人眼光谱响应非常接近 多晶CdS比单晶CdS光谱响应宽 但响应时间长 光调制高于1kHz时就难于使用 光敏电阻特点 价格低 可靠性高 寿命长 使用方便 用途 工业自动化 摄影机的测光装置 可见光探测 CdSe CdS 二 杂质型光电导探测器光谱响应特性主要取决于所掺杂的电离能Ei Ei一般比Eg小的多 故响应波长可在几百 m的远红外波段减小复合中心浓度将增大光生载流子寿命 使光电导探测器内增益增大 以提高响应率 由于光吸收系数较小 器件要有相当厚度 全反射小室 提高器件响应率 抑制热噪声 低温工作条件 一般工作于弱光照讨论 响应率及其与工作温度 探测器几何尺寸关系 1 杂质光电导探测器的响应率 N型 电子俘获系数 探测器材料的吸收率 EF恰好与施主能级重合时导带的自由电子浓度 无辐射时探测器材料的自由电子浓度 表示费米能级EF恰好与施主能级重合时导带的自由电子浓度 n0 n0t n0b 即热激发自由电子浓度加背景激发自由电子浓度 上式变为 很小 d也不厚 d 1 因此e d可用级数展开并略去二次方以上项 2 响应率与探测器工作温度的关系当探测器工作温度不够低 n0t n0b时 当探测器工作温度低到n0t n0b n1 NA时 此时再降低温度 不能进一步提高响应率RV 3 响应率与受主浓度NA的关系当工作温度低到n0t n0b n1 NA 且n0b NA 选择NA小的材料可提高探测器的响应率RV4 响应率与探测器厚度d的关系 增加厚度会导致响应率降低 但一般满足 d 1 在这种情况下 响应率与厚度无关 提高响应率的方法 1 保持探测器足够厚 利用锗的高折射率 使入射的辐射在探测器内发生二次反射 增加光电导体对红外辐射的吸收 2 在探测器不接受辐射的一面蒸镀反射层 或将探测器置于一全反射小盒中 使进入小盒的辐射经多次反射 以利于辐射的充分吸收 三 薄膜光电导探测器 红外光子探测器材料除块状单晶体外 还有多晶薄膜 多晶薄膜探测器 不包含用各种外延方法制备的外延薄膜材料 主要是指硫化铅 PbS 硒化铅 PbSe 和碲化铅 PbTe 目前多晶薄膜红外光子探测器只有光电导型 制备PbS多晶薄膜方法 化学沉积法真空蒸发法 1 化学沉积低温敏化法成品率较高 均匀性较好 阻值较大 2 化学沉积高温敏化法 成品率较低 均匀性较差 阻值较小 时间常数较短 稳定性较好 3 联氨法性能介于上述两者之间 化学沉积制备PbS的方法 此外还有用外延技术制备单晶PbS光电导探测器 在77K 针对某一相同条件下 与化学沉积法制备的PbS探测器差不多 优点 响应速度快 易于制成大面积阵列 缺点 要在低温下工作 给实际应用带来不便 1 PbS薄膜的敏化 两类氧表面态的PbS颗粒的能带图 PbS薄膜敏化前后EF变化示意图 氧化前 氧化后 PbS膜只有经过适当敏化处理后才具有光敏性 氧是最好的敏化剂 2 多数载流子模型PbS的光谱电压响应率 K为势垒调制系数 频率为f的调制辐射照射在PbS 则其交流调制光谱响应率 PbS样品宽度 薄膜光电导探测器以电流噪声为主 电流噪声的噪声电压可表示为 薄膜光电导探测器的探测率 3 势垒理论 PbS势垒模型中的能带 势垒理论认为 未敏化的Pbs薄膜 由于存在硫的缺位而形成正电中心 类似施主的作用 因为施主杂质电离后带正电荷 PbS薄膜为n型