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第五章 光电导探测器 简称PC Photoconductive 探测器 也称为光敏电阻 工作要求 为有源器件 工作时需要加适当的偏流或者偏压 主要类型 本征型 杂质型 薄膜型和扫积型 5 1光电导探测器的工作原理及电流分析 一 光生电流的计算 材料 n型半导体VA 外加电压IP 光生电流 光电导材料的吸收系数R 表面反射率 0 载流子平均寿命 P 入射的光功率 入射光沿x方向的变化为 5 1 1 如果n x 表示在x处光生载流子浓度 在外加电场作用下该处的漂移电流密度J x 为 5 1 2 为光生载流子在外加电场作用下的漂移速度 在探测器收集极上光电流平均值为 假如探测器光敏面受均匀照射 电流平均值可以写成 5 1 4 为电子迁移率 5 1 3 光生载流子浓度计算 在x处单位长度材料上吸收的光功率为 P x 在x处单位时间吸收的光子数 在x方向上单位长度体积内的被吸收的光子数密度 由于 包含了量子效率在里面 因此也等于单位时间 单位体积产生的光电子数 单位时间 单位体积内复合掉的光电子数 平衡状态下产生的光电子数等于复合掉的光电子数 因此有 5 1 5 5 1 7 代入 5 1 4 式后得到光电流为 得到 计算量子效 Ip 产生的实际光电流 Ip0 入射光子全部被吸收所产生的光电流 当入射光全部被半导体材料吸收时 在平衡状态下有 5 1 9 5 1 8 其中称为光电导探测器的内增益 计算Ip0 得到光生载流子浓度为 可以得到相应的光电流为 得到量子效率为 5 1 10 把上式代入 5 1 8 式可以得到 5 1 11 讨论G值 G 1 表示光电子寿命 0刚好等于它在电极间的渡越时间 d 每产生一个光电子对外回路电流正好提供一个电子的电荷e G 1 表示光电子寿命 0小于电极间的渡越时间 d 每个光电子对外回路电流的贡献将小于一个电子的电荷e G 1 空穴在移动过程中很容易被光电导材料体内的晶体缺陷和杂质形成的陷阱俘获 当光电子在阳极消失时 空穴仍留在体内 它将负极的电子感应到半导体中来 感应进来的电子又在电场作用下运动到阳极 如此循环 直到正电中心消失 这种效应相当于一个光子激发 可以有多个电子相继通过电极 因而在外回路对总的光电流的贡献将多于一个电子 相当于电流被放大 5 2光电导探测器的噪声及性能参数 噪声 主要有热噪声 产生 复合噪声和1 f噪声 总的噪声功率为 噪声功率谱密度分布特点 低频段主要是1 f噪声 中频段主要是g r噪声 高频段以热噪声为主 噪声谱转折点与半导体材料和结构 工艺有关系 对大多数光电导探测器来说 这两个转折点大致在1KHz 1MHz量级 通常的工作频率范围内g r噪声是主要的 图5 2 光电导探测器的噪声分布 二 光电导探测器的性能参数 响应率 电流响应率 电压响应率 5 2 2 前面的推导我们已经得到 可以得到响应率为 把代入上式 可以得到电流响应率为 5 2 3 提高响应率的方法 1 提高偏压VA的值 偏压越高 输出电流越大 响应率越高 但偏压过高 通过器件的电流产生的焦耳热将增加 2 提高载流子寿命 可以在半导体中加入一些陷阱来提高载流子寿命进而提高响应率 但会减慢响应速度 3 当入射的光功率一定时 减小光敏面积能够提高单位体积内光生载流子的数量 进而提高响应率 B 光谱特性 光电导探测器是选择性探测器 典型的光谱特性如右图 p 峰值响应波长 C 长波限波长 光谱响应曲线分析 采用的半导体材料不同导致不同的光谱响应波段 当波长由长波限端开始变小时 相应的光子能量增大 随着波长的减小所有价电子有可能被激发至导带 入射光全部被吸收 光生载流子的浓度达到最大 此时 光电导响应率达到最大值 继续减小入射波长 可使光在器件表面很薄的一层完全吸收 使表面载流子密度很大 导致载流子复合概率增大 寿命降低 致使短波的响应率明显降低 本征型 把价电子激发至导带需要较高的能量 因此长波限波长短 杂质型 把杂质能级上的电子激发至导带需要较低的能量 因此长波限波长较长 C 温度特性 光电导探测器的特性受工作温度影响很大 只要温度略有变化 它的光谱响应率 峰值响应波长 长波限等参数都要发生变化 主要原因 光谱随温度变化特点 温度升高 光谱响应峰值向短波方向移动 D 探测率 以热噪声为主要噪声分析影响探测器探测率的主要因素 探测率定义为 热噪声电压为 因此探测率可写为 5 2 4 其中 增大偏压VA 可以提高RV 但同时通过器件的电流产生的焦耳热将增加 导致T上升 对改善D 不明显 实际使用时 光电导探测器有一最佳偏压或偏流 不同器件的最佳偏流不同 E 光电导的驰豫过程 光电导材料从光照开始到获得稳定的载流子浓度需要一定时间 光生载流子的变化过程可以写 5 2 5 和分别为光生载流子寿命和稳态光生载流子浓度 光电探测器的响应时间 驰豫时间 光生载流子浓度上升到稳态值的63 所需要的时间为响应时间 即t 或光照突然停止后 光生载流子下降到稳定值的37 所需要的时间 也是t 光电导的驰豫特性限制了器件对较高调制频率的光功率的响应 5 3实用光电导探测器 5 3 1单晶光电导探测器 一 本征型 1 碲镉汞 HgCdTe 2 锑化铟 InSb 3 碲锡铅 PbSnTe 二 杂质型 1 锗掺汞 Ge Hg 2 锗掺镓 Ge Ga 3 硅掺砷 Si As 1 碲镉汞光电导探测器 工作特点 Hg Te 族化合物本征光电导探测器 具有较高的工作温度 材料制作 采用半导体合金法 将化合物蹄化镉 CdTe 和碲化汞 HgTe 混合成合金系统 禁带宽度 Eg CdTe 1 6eV Eg HgTe 0 3eV 讨论 当器件温度T一定时 Eg与x呈线性关系 改变组分x 可以改变Eg 从而改变探测器的光谱响应范围 通过改变组分x和器件工作温度 可以得到不同长波限及峰值响应波长的高性能探测器 CdTe和HgTe两种物质的混合固溶体Hg1 xCdxTe的禁带宽度为 5 2 6 x 0 2andT 77K 液氮温度 光谱响应范围 8 14um 探测率可达2 8 1010cm Hz1 2 W的数量级 x 0 28andT 300KorT 195K 光谱响应范围 3 5um 当 300K时 探测率可达1010cm Hz1 2 W 当工作温度下降至195K或77K时 可使峰值波长向长波方向延伸 并使探测率提高l 2个数量级 x 0 39 室温下工作 光谱响应为1 3um 探测率为 图4 11 4 12绘出了HgCdTe光电导探测器不同组分x的光谱响应曲线及其典型结构示意图 典型的组分x及工作温度T 性能特点 1 HgCdTe探测器响应率高 2 响应频带宽 0 几MHz 3 易于和前置放大器相连接 4 光电导内增益因子 G 较大 可达50 100 应用领域 在大气环境中 目标的红外辐射只能在1 2 5微米 3 5微米和8 14微米三个窗口内有效传输 HgCdTe探测器的光谱响应恰恰处在这三个窗口 因此它在热成像技术中有很重要的应用 温度特性 工作温度降低 探测器响应率提高 相应峰值波长向长波延伸 HgCdTe扫积型光电导探测器 灵敏度很高 满足热成像系统的要求 在技术上是 个重大突破 制冷方式 主要采用液氮杜瓦瓶致冷 8 14um 可连续运转4 50小时 国外已作到8 14um温差电致冷工作于193K的HgCdTe商品器件 其探测率可达108cm Hz1 2 W 工作原理 常作成长条形 如图所示 当光点沿长条方向扫过时 外加电场驱使光生载流子沿光点扫描方向迁移 并保证光点扫描速度等于载流子迁移速度 光场在元件上产生的载流子被外加电场扫在一起 最后堆积到元件末端的两电极之间 从而改变该区域的光电导 在外回路得到光信号电流 在光电扫描与载流子迁移过程中 信号经累积 积分 输出 而噪声由于其不相关特性 不会像信号 样累积 从而大大提高了器件的灵敏度 比通常的8 14um波段的红外探测器背景限提高了几倍 材料要求 1 要求少数载流子寿命足够长 以免在迁移中很快复合掉 2 要求扩散系数小 使全部光生载流子更有效地到达终端 3 HgCdTe是目前制作扫积型器件最理想的材料 性能优于锑化铟和镝锡铅 2 锑化铟光电导探测器InSb材料 本征半导体 可以作成光电导型 光伏型及光电磁型 禁带宽度 室温300K时 Eg 0 17eV 77K时 Eg 0 23eV 光谱特性 InSb探测器主要靠改变器件工作温度来控制器光谱相应 在300K时 长波限波长 c 7 5um 峰值波长 p 6um 探测率可达 在77K时 c 5 4um p 5um 探测率为 图4 15给出了在给定调制频率下不同工作温度时Insb器件的光谱响应特性 图4 16则表示InSb器件D Rv 及噪声电压VN与工作频率f的关系曲线 特点 优点 Insb材料禁带宽度小 可用来制造性能良好的近红外探测器 同时InSb单晶制作简单 缺点 噪声较大 影响器件灵敏度 实际应用中多在低温下工作 三 碲锡铅 PbSnTe 光电导探测器 PbSnTe材料 是PbTe和SnTe的连续固溶体 为本征半导体 可作成光电导型和光伏型两种探测器 工作于中红外波段 Pb1 xSnxTe组分x有0 17和0 2两种 改变Sn的含量可改变其禁带宽度 从而改变光谱相应范围 图4 17给出了光谱响应特性 特点 改变工作温度对器件的灵敏度也有很大的影响 四 杂质型光电导探测器 应用范围 光谱响应特性主要取决于所掺杂质的电离能Ei 由于Ei Eg 因此其响应波长可达到几百微米的远红外波段 这是本征半导体探测器所不能作到的 材料 目前的杂质型光电导器件材料主要是在锗或硅中掺入杂质制作的 缺点及改进手段 1 响应率较低 主要原因是材料吸收系数较小 改善方法 可将器件制作成全反射小室 使入射光在探测器内经多次反射 增加光在探测器内的路程 以增加光辐射的吸收 从而提高器件的响应率 2 噪声较大 为了抑制热噪声 杂质光电导探测器通常要求较低的工作温度 致冷条件比较苛刻 Ge Hg 光电导探测器必须采用装有液氖的杜瓦瓶将其冷却到33K以下 Ge Cu 需冷却到液氦温度4K左右 这给使用带来极大的不便 也是远红外波段探测的困难 5 3 2多晶光电导探测器 主要有PbS PbSe和PbTe等 多是薄膜型器件 又统称铅盐薄膜光电导探测器 禁带宽度及光谱响应 PbS 室温下 禁带宽度Eg 0 37eV 长波限波长为3umPbSe 室温下 Eg 0 25eV 长波限波长为5umPbTe 室温下 Eg 0 30eV 长波限波长为4um 工作温度 可工作于室温 300K 中温 195K 及低温 77K 其中PbS探测器响应率和探测率都很高 成为2um波段近红外辐射探测的主要器件 一 多晶PbS光电导探测器 材料特点 PbS薄膜是一种多晶化合物半导体 薄膜由晶粒及晶粒间层组成 这些不同类型的晶粒 n型区 和晶粒问层 p型区 彼此交叉 如图4 19所示 工作原理 无光照时 载流子的扩散 晶粒交界面形成很多p n结 内电场将阻止多数载流子扩散 自由电子无法在整个导带中自由迁移 只有那些能量足以超过相应势垒的载流子才能在外电场作用下起导电作用 光照时 当光照PbS薄膜时 结两侧产生本征激发 势垒高度降低 提高了载流子的迁移率 即产生光电导 其大小直接反映了入射光功率的强弱 影响性能的因素 氧化处理的影响 PbS器件光电导的变化与制作过程的氧化程度有关 氧化处理足够的PbS薄膜经光激发后载流子迁移率变化大 光电导就大 器件也就更加灵敏 反之 对于氧化处理不足的薄膜 则光激发后光电导变化小 相应的器件就不够灵敏 温度的影响 薄膜所处的温度越高 热激发载流子越多 它将降低势垒高度 被内建电场限制的载流子很少 光激发后势垒降低释放的载流子相应也少 光电导就小 反之 在低温工作条件下 热激发载流子少 受光激发后光电导变化很大 因此 降低PbS薄膜工作温度 既可增大光电导 又可降低器件热噪声 从而大大提高器件的探测率 光谱特性 图4 20示出了PbS薄膜光电导探测器的光谱特性 在室温工作条件下 探测率可达1 5X1011cm Hz1 2 W 峰值响应波长为2 4um 在195K低温条件下 峰值波长接近3um 探测率可高达1012cm Hz1 2 W 优点 1 3um波段应用最广泛的器件 工艺简单 成熟 器件的响应率高 可工作于室温 价格低廉等 缺点 Pbs薄膜光电导探测器的主要缺点是响应时间较长 一般为100 300us 低温下甚至可长达几十毫秒 图4 21示出了相应的频率响应特性曲线 二 多晶PbSe光电导探测器 可工作于室温 中温或低温 图4 20示出了PbSe分别工作于77K 195K 295K时的光谱特性 其响应率比PbS低 三 光敏电阻 特点 主要有CdS和CdSe光