第三章-(2)探测器.ppt

3 2 1半导体中的载流子 载流子 半导体中参与导电的自由电子和自由空穴 半导体的电学性质与材料的载流子浓度有关 载流子浓度 单位体积内的载流子数 本征半导体 ni pi ni大 导电性就高 随T升高而增大 随Eg增加而减小 N型半导体 nn pn 室温下 nn ND 施主浓度 P型半导体 np pp 室温下 np NA 受主浓度 一 热平衡状态下的载流子浓度 热平衡条件下 导带中的电子浓度和空穴浓度分别 n Nce Ec Ef kTp Nve Ef Ev kTNc Nv分别是导带和价带的有效能态密度 说明 自由电子浓度和自由空穴浓度都是温度的函数 随温度的增加而增大 两式相乘 np NcNve Ec Ev kT NcNve Eg kT 说明 半导体中电子 空穴浓度的乘积与费米能级无关 禁带宽度Eg越小 浓度越大 导电性越好 本征半导体 ni pi NcNv 1 2e Eg 2kTnp ni2 半导体的平衡态判据热平衡状态下 载流子浓度是一稳定值 即 电子 空穴浓度积与半导体的导电类型及电子 空穴各自的浓度无关 N型半导体 nn pn nn ND 施主浓度 pn ni2 ND P型半导体 np pp np NA 受主浓度 np ni2 NA 二 非平衡状态下的载流子 半导体在外界条件有变化 如受光照 外电场作用 温度变化 时 载流子浓度要随之发生变化 此时系统的状态称为非热平衡态 载流子浓度对于热平衡状态时浓度的增量称为非平衡载流子 本征吸收 h Eg 0Max hc Eg 杂质吸收 0 hc Ed 1 24 Ed m eV 半导体对光的吸收主要是本征吸收 半导体吸收光子能量而转换成电能是光电器件工作的基础 非平衡载流子在光照过程中 产生光生载流子 自由载流子浓度比热平衡时的浓度大 当光照停止 光致产生率为零 复合使非平衡载流子浓度逐渐减少 最后系统恢复热平衡状态 光照时多子的浓度几乎不变 少子的浓度却大大增加 即 半导体光电器件对光的响应都是少子的行为 载流子的扩散与漂移 扩散载流子因浓度不均匀而发生的从浓度高的点向浓度低的点运动 光在受照表面很薄一层内即被吸收掉 受光部分将产生非平衡载流子 其浓度随离开表面距离x的增大而减小 因此非平衡载流子就要沿x方向从表面向体内扩散 使自己在晶格中重新达到均匀分布 图为光注入 非平衡载流子扩散示意图 漂移半导体受到外电场作用时 电子向正电极方向运动 空穴向负电极方向运动 电流密度 电导率与迁移率的的关系导电粒子出现定向运动 必然是受到外加电场的作用 但不同材料中的导电粒子在相同的外加电场下 速率是很不同的 与材料的内部结构有关 迁移率描述内部机制对电子和空穴运动的影响 材料迁移率 描述内部机制对电子和空穴运动的影响 电流密度 对于N型半导体 材料迁移率 因此 N型半导体 P型半导体 结论 电导率决定于其载流子密度和迁移率 当扩散和漂移同时存在时 总的电子电流密度和空穴电流密度分别为 总电流密度为 一 光电导效应 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 使非传导态电子变为传导态电子 引起载流子浓度增大 因而导致材料电导率增大 3 2 2光电导效应 决定材料 的三个微观因素 导电粒子的数目导电粒子的荷电量定向迁移率 说明 决定于其载流子密度和迁移率 要增加 只有提高载流子密度 稳态光电导 半导体无光照时为暗态 此时材料具有暗电导 有光照时为亮态 此时具有亮电导 如果给半导体材料外加电压 通过的电流有暗电流与亮电流之分 亮电导与暗电导之差称为光电导 亮电流与暗电流之差称为光电流 当光入射到材料内 入射光子与材料价带中的电子相互作用 若能使电子进入导带 则出现光生载流子对 从而增加了导电粒子的浓度 则光电导 光照后电导率的增量 暗态下 Gd d A L Id GdU d AU L亮态下 Gl l A L Il GlU l AU L亮态与暗态之差Gp Gl Gd l d A L A LIp Il Id Gl Gd U AU LA 半导体材料横截面面积 L 半导体材料长度I 电流 U 外加电压G 电导 电导率 光致电导率的变化量下标d代表暗 l代表亮 p代表光 在光照下 设单位时间内产生N个电子空穴对 则光生电子和空穴浓度 光电流 光电导增益 M表示在长为L的光电导体两端加上电压后 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与光生载流子形成的内部电流之比 因为光电子在两极的渡越时间为 故 对本征型光电导器件 设 结论 减小L 则tr减小 有利于增大M 但L太小 将使受光面太小 不利于对光的吸收 二 响应时间 光电导的张弛过程 当用一个理想方波脉冲辐射照射光电导器件时 光生电子要有产生的过程 光生电导率 要经过一定的时间才能达到稳定 当停止辐射时 复合光生载流子也需要时间 原因 非平衡载流子的产生与复合都不是立即完成的 光电导器件在光照下 光生载流子随时间变化的规律为 当t 时 n 0 63 G 0 63 n0 I 0 63I e0 定义为光敏电阻的上升时间常数 停止辐射时 当t 时 n 0 37 n0 下降时间常数 显然 在弱辐射作用下的上升时间常数 r与下降时间常数 f近似相等 结论 光电导张弛过程的时间常数就是载流子的寿命 在正弦型光照下 当时 有 上限截止频率或3dB带宽 结论 材料的光电灵敏度与频率带宽是相互制约的 增益带宽积 3 2 3光敏电阻 原理 光敏电阻阻值对光照特别敏感 是一种典型的利用光电导效应制成的光电探测器件 当光照射到半导体材料时 材料吸收光子的能量 使非传导态电子变为传导态电子 引起载流子浓度增大 因而导致材料电导率增大 无光照时 光敏电阻的阻值很大 电路中的电流很小 有光照时 光生载流子迅速增加 阻值急剧减小 在电路中形成电流 一 结构与材料 组成 它由一块涂在绝缘基底上的光电导材料薄膜和两端接有两个引线 封装在带有窗口的金属或塑料外壳内 电极和光电导体之间呈欧姆接触 自由载流子寿命 有效渡越时间 常见光敏电阻 硫化镉 CdS 光敏电阻可见光波段最灵敏的光电导器件峰值波长0 52 m 掺铜和氯后向远红外区域延伸时间常数与入射照度有关 100lx为几十ms 用于自动控制灯光 自动调光调焦 自动照相机硫化铅 PbS 光敏电阻近红外波段灵敏1 3 5 m 在2 m附近的红外辐射的探测灵敏度很高 因此 常用于火灾的探测等领域 特性与工作温度有关响应时间太长 室温下为100 300 s 锑化铟 InSb 光敏电阻液氮温度 77K 时峰值波长 5 m 刚好在大气窗口3 5 m范围内响应时间为1 s室温下长波极限可达7 5 m碲镉汞 HgCdTe 光敏电阻是目前所有探测器中性能最优良 最有前途的探测器对8 14 m大气窗口波段的探测更为重要 峰值波长为10 6 m 可与CO2激光器的激光波长相匹配是由HgTe和CdTe两种材料的晶体混合制造的 由于配制Cd组分 x量 一般为1 8 0 4 的不同 可得到不同的禁带宽度 从而制造出波长响应范围不同的Hg1 xCdxTe探测器 1 3 m 3 5 m 8 14 m是近红外 中红外探测器中性能最优良的探测器 碲锡铅 PbSnTe 光敏电阻由于配制Sn的组分含量不同 禁带宽度也不同 峰值波长及长波限也随之改变 但它的禁带宽度变化范围不大目前只能工作在8 10 m波段 由于探测率较低 应用不广泛Pb0 83Sn0 17Te探测器 77K时 峰值波长与CO2激光器的10 6 m激光波长相吻合 长波限为11 m锗掺杂探测器其特点是响应时间较短 10 6 10 8S 要求工作温度低工作在绝对温度2K时 其探测波长可达130 m 这是其它探测器所不能达到的 二 光敏电阻的基本特性 1 光电特性 光敏电阻为多数电子导电的光电敏感器件 光敏电阻的基本特性参数包含光电导特性 时间响应 光谱响应 伏安特性与噪声特性等 光敏电阻在黑暗的室温条件下 由于热激发产生的载流子使它具有一定的电导 该电导称为暗电导 当有光照射在光敏电阻上时 它的电导将变大 这时的电导称为光电导 光电流与照度的关系称为光电特性 电导随光照量变化越大的光敏电阻就越灵敏 在恒定电压的作用下 流过光敏电阻的光电流Ip为 式中Sg为光电导灵敏度 单位为S lx 决定于材料特性 电压指数 1 照度指数 为0 5 强光 1 弱光 E为光敏电阻的照度 显然 当照度很低时 曲线近似为线性 随照度的增高 线性关系变坏 当照度变得很高时 曲线近似为抛物线形 光敏电阻的光谱响应主要由光敏材料禁带宽度 杂质电离能 材料掺杂比与掺杂浓度等因素有关 2 光谱特性 光谱特性曲线反映了光谱灵敏范围 峰值波长及波长与灵敏度的关系 3 频率特性 光敏电阻的频率特性差 不适于接收高频信号 4 伏安特性 不同光照下加在光敏电阻两端的电压U与流过它的电流Ip的关系曲线 并称其为光敏电阻的伏安特性 光敏电阻的伏安特性线性很好 在一定光照下阻值稳定 5 温度特性 如图所示为典型CdS与CdSe光敏电阻在不同照度下的温度特性曲线 以室温 25 的相对光电导率为100 观测光敏电阻的相对光电导率随温度的变化关系 降低温度 冷却 可以看出光敏电阻的相对光电导率随温度的升高而下降 光电响应特性随着温度的变化较大 6 前历效应 光敏电阻的时间特性与工作前 历史 有关的现象 暗态前历 光电流上升慢 亮态前历 时间短 7 噪声特性 光敏电阻的主要噪声有热噪声 产生复合噪声和低频噪声 或称1 f噪声 优点 灵敏度高 光电导增益大于1 工作电流大 无极性之分光谱响应范围宽 尤其对红外有较高的灵敏度所测光强范围宽 可测强光 弱光不足 强光下光电转换线性差光电导弛豫时间长受温度影响大由伏安特性知 设计负载时 应考虑额定功耗进行动态设计时 应考虑光敏电阻的前历效应 三 光敏电阻的偏置电路 1 基本偏置电路 设在某照度Ev下 光敏电阻的阻值为R 电导为G 流过偏置电阻RL的电流为IL 光照变化时 设iL dIL ev dEv 则 加在光敏电阻上的电压为R与RL对电压Ubb的分压 即UR R R RL Ubb 因此 光电流的微变量为 所以得 光敏电阻起电流源的作用 偏置电阻RL两端的输出电压为 从上式可以看出 当电路参数确定后 输出电压信号与弱辐射入射辐射量 照度ev 成线性关系 2 恒流电路 在简单偏置电路中 当RL R时 流过光敏电阻的电流基本不变 此时的偏置电路称为恒流电路 然而 光敏电阻自身的阻值已经很高 再满足恒流偏置的条件就难以满足电路输出阻抗的要求 为此 可引入如图所示的晶体管恒流偏置电路 稳压管DW将晶体三极管的基极电压稳定 即UB UW 流过晶体三极管发射极的电流Ie为 在晶体管恒流偏置电路中输出电压Uo为 求微分得 将代入得 或 显然 恒流偏置电路的电压灵敏度SV为 3 恒压电路 当RL R时 构成光敏电阻的恒压偏置电路 光敏电阻在恒压偏置电路的情况下 输出的电流IP与处于放大状态的三极管发射极电流Ie近似相等 因此 恒压偏置电路的输出电压为 取微分 则得到输出电压的变化量为 恒压偏置电路的输出电压信号与光敏电阻的阻值无关 这一特性在采用光敏电阻的测量仪器中特别重要 在更换光敏电阻时只要使光电导灵敏度保持不变即可使输出信号电压不变 4 光控电路 光敏电阻在一定光照下阻值稳定 可作光控继电器 解 例 习题3 15已知 CdS光敏电阻 E 0lx时 Rd 100M E 100lx时 RL 50K Ub 12V 晶体管 50 继电器的吸合电流I 10mA Re 100 求 继电器吸合需多大的照度 暗电导 亮电导 因为 所以 光电导灵敏度 当继电器K动作时 加在光敏电阻上的电压为 由 忽略暗电流时 光敏电阻随温度变化大 线性差 故不适于作精密测量 但因其小巧 结构紧凑 价格低廉 能通过较大的电流 广泛用于控制装置中 光控继电器路灯自动熄亮装置白炽灯调光软开关光 感双控自动开关光控防盗报警器测光文具盒 光敏电阻的应用 七 电子鞭炮八 光控变阻器九 光电变位检测器十 外测曝光表十一 内测曝光表与电子快门十二 浓度计十三 追光机器人 3 3光探测器性能参数 光电特性和光照特性光电特性 当光电器件上的电压一定时 光电流与入射在光电器件上的光通量之间的关系 光照特性 光电流与入射在光电器件上的光照度之间的关系 线性度 探测器的输出光电流与输入光的辐射通量成比例的程度和范围 线性区的下限由暗电流和噪声等因素决定 而上限通常由饱和效应可过载决定 2 光谱特性 光谱响应度 就是指不同波长处的响应能力 又称为光谱灵敏度 如果探测器对波长为 的光辐射通量 产生的输出电流为Ip 则其光谱响应度为 类似有 光电流或输出电压与入射光波长之间的关系 积分灵敏度指的是在一定条件下 单位光 辐射 量所产生的光电流 电压 大小 由于各种器件使用的范围及条件不一致 因此灵敏度有各种不同的表示法 A lmorA WorV W 光谱灵敏度S 与积分灵敏度S的关系 光谱响应特性曲线 光谱响应曲线 或 相对光谱响应曲线 最大值归一化为1 峰值波长 响应率最大值所对应的波长 截止波长 响应率下降到最大值的一半所对应的波长 它表示探测器适用的波长范围 3 等效噪声功率和探测率探测器无信号输入时 也会有噪声输出 若假设此有效噪声值是相当功率的输入信号造成的 则此功率值可作为探测器的噪声水平的衡量 是可测的信号功率最小值 是单位信噪比的入射光功率 NEP越小 探测器越灵敏 用NEP的倒数作为衡量探测器最小可探测能力的参数 是单位入射功率相应的信噪比 并称之为探测度 用D来表示 为了便于对不同面积和不同工作带宽的器件进行比较 因此引入归一化探测率D 比探测率 其值为式中 A为器件接收面积 f为工作带宽 D越高 探测器的灵敏度越高 性能越好 4 响应时间 探测器对变化信号响应快慢的能力 当光辐射突然照射或消失时 探测器的输出信号不会立即到达最大值或下降为零 而是出现变化缓慢的上升沿和下降沿 上升或下降的时间就是弛豫时间 或称为响应时间或时间常数 惰性 这种弛豫现象表现了光电探测器对光强变化反应的快慢 对周期变化的光强 光电器件的弛豫时间如果比周期长得多 那么就不能反映光强的变化 实际器件的响应都具有滞后现象 惰性 起始弛豫 上升时间 定义为响应值上升至稳定值时所需的时间 此值约为63 衰减弛豫 下降时间 定义为响应值下降至稳定值的时所需的时间 此值约为37 这些上升或下降的时间就表示了器件惰性的大小 5 探测器的探测能力 噪声N 除探测信号之外的测量值 信噪比 为了提高信噪比 可