光电子技术：第四章 光探测（下）

1、第四章 光探测,本章内容： 4-1光电探测器的物理效应； 光子效应：外光电效应，内光电效应 光热效应 4-2光电探测器的性能参数； 积分灵敏度（响应度）R，光谱灵敏度R，频率灵敏度Rf，量子效率，通量阈Pth和噪声等效功率NEP，探测度D与归一化探测度D* 4-3光电探测器的噪声； 散粒噪声，电阻热噪声，低频噪声（1/f噪声） 4-4 常用光电探测器简介 一、外光电效应探测器(光电管、光电倍增管) 二、内光电效应探测器（光电导、光电池、光电二极管,一）光电导管（光敏电阻,内光电效应探测器光电导、光电池、光电二极管,基于光电导效应光照下改变自身的电导率（光照愈强,器件自身的电导率愈大,1.光敏电

2、阻的结构和偏置,结构: 一块半导体,光敏电阻没有极性，是一个纯电阻器件,对N型材料, 两极间加电压u时，产生的光电流为,设入射光功率为P,则 , 为量子效率,故光电流,M为光电导内部增益,光电流,光电流与光功率、电压成正比，与l2成反比，故电极常做成梳状，以减小极间距离l,而不减小光敏面积 (保证一定的量子效率) 从而增大光电流,2、光电导探测器工作特性,1)光谱响应特性S(,由材料的能级结构决定, 受温度影响较大,硫化铅,2)光照特性和伏安特性,光照特性（光电特性）： 呈非线性,线性伏安特性,照度越高,直线的斜率越大. 虚线为允许功耗曲线，由此可确定光敏电阻正常工作电压,光照特性,伏安特性,

3、3) 时间响应特性 光敏电阻的响应时间由电流上升时间和衰减时间表示,多数光敏电阻的响应时间都较长，因此不能用在要求快速响应的场合,4）光敏电阻稳定特性,表现在： 温度系数（阻值随温度的变化率）在中等光照时较小。 低温环境下，响应速度变慢。0+60时，响应速度几乎不变. 允许功耗,随着环境温度的升高而降低,5）噪声特性,不同频段的噪声成分不同,产生-复合噪声（散粒噪声,3、几种典型的光敏电阻,1）CdS(硫化镉)和CdSe（硒化镉） 低造价、可见光辐射探测器.光电导增益比较高(103104)，寿命长，但响应时间较长(大约50ms) （2）PbS（硫化铅） 和InSb（锑化铟） 性能优良的近红外辐

4、射探测器。 （3）Hg0.2Cd0.8Te（碲镉汞）探测器 响应波长为814m,工作温度77K，用液氮致冷,用于10.6m的CO2激光的探测,二）、光伏探测器光电池、光电二极管,1 光伏探测器(PN结)的工作模式,1）光电转换原理,就光电流形成的过程而言，光伏探测器(PN结)和光电导探测器(一块半导体)是类似的，光电流有相同的形式,可证，对pn结光伏器件，电流内部增益M=1，上式变成,2) 光伏探测器的两种工作模式,光伏探测器等效为一个普通二极管与一个恒流源i并联,工作模式由外偏压回路决定,光电池,光电二极管,光伏探测器的伏安特性为,注意: 电流的正方向是p流入,第一象限:正偏,idi，作为光

5、辐射探测器，没有意义； 第三象限: 反偏,idis0很小,为暗电流()，光电流i起重要作用，是光电导工作模式（这时外电路与光电导管相似探测器为光电二极管,第四象限: 零偏置，电流为负(从p流出)，探测器相当于一个电源，称为光伏工作模式探测器为光电池,光电池太阳电池,光电池的用途：光电探测器件，电源(太阳能电池,光电池的分类： 按材料分： 硅、硒、硫化镉、砷化镓和无定型材料光电池。 按结构分： 有同质结和异质结光电池。 最典型的是同质结硅光电池,同质结硅光电池 按衬底材料分： 2CR系列和2DR系列。 2CR系列：以N型硅为衬底， P型硅为受光面的光电池,2CR,1） 短路电流和开路电压,短路电

6、流RL=0，则u=0,由（4-102）得,光电池的短路电流与光功率成线性关系。 光电池作为测量元件时，负载电阻应尽量取得小些，使之满足“短路”条件,从而使光电池成为线性元件,1） 短路电流和开路电压,短路电流RL=0，则u=0,开路电压RL=,i=0,开路电压与光功率成非线性关系,2)输出功率和最佳负载电阻,短路和开路是光电池两种极端的工作状态,无功率输出.当负载既不短路又不开路时,硅光电池就有功率输出,且存在最大输出功率和最佳负载电阻,过短路电流和开路电压作切线,交于Q,则OQ为是最佳负载线,3）光电池的主要特性,1）光照灵敏度,2）光电转换效率,1015,指最大输出功率与输入光功率的比值,

7、3）光谱响应特性,指一定照度下，光电池的短路电流(或灵敏度)随入射光波长变化关系,光谱响应,4）频率响应特性,光电池的结面积大，所以结电容大，频率响应慢。（类似于光敏电阻） 注：减小负载电阻可改善频率特性，响应时间RLCj，截止频率fc=1/2,5)温度特性,强光照射或聚光照射时，须散热,Si光电池温度125。(Si结温度超过200oC,会破坏晶体结构,4）、光电池的应用,1）用光电池作为光探测器 光电池的输出功率小，不能直接带负载进行检测，所以光电池的输出信号要通过功率放大电路放大,2）太阳能电源装置,通常是将很多光电池通过串、并联组成光电池组，并与畜电池组装在一起,以便实现24小时昼夜工作

8、。通过串联提高电压，通过并联多个串联组获得大的输出电流,3、光电二极管(PD,是反偏电压pn结。 光电池相比：结面积小，因此它 的频率特性特别好。但输出电流小， 一般为数微安到数十微安。 按材料分：硅、砷化稼、锑化锢、铈化铅光电二极管 按结构分：同质结与异质结。 最典型的是同质结硅光电二极管,环极作用是把SiO2感应出来的电子及时引向电源正极，不经过负载，从而减少暗电流和噪声。不用则断开,1）结构与偏置: 2CU系列以N-Si为衬底，两个引出线 ; 2DU系列以P-Si为衬底,三条引出线,设了一个环极,2CU,2DU,1）Si光电二极管,2）光谱响应特性,光谱响应范围：0.41.1m 在峰值波

9、长0.9m附近,电流灵敏度R0.4(A/W) (注:图4-31为相对光谱灵敏度S,在0.9附近, S=1,S,伏安特性曲线：用横轴表示反向电压,纵轴表示反向电流, 右图为实测伏安特性曲线,3）伏安特性与光电特性,光功率（光照度）一定，光生电流基本不随电压而变 解释: 光电二极管均反向应用(u kT/e，所以，指数项为零，即,光电特性（光照特性）曲线：如果固定偏压V，测出光电流与光功率成线性关系。 下图为实测光照特性曲线,4）频率响应特性,光电二极管频率特性是半导体光电器件中较好的一种（即截止频率大，响应时间小）,适宜于快速变化的光信号探测,光电二极管多用于快速测量，对应着高频应用，噪声主要是散

10、粒噪声和热噪声,5）噪声特性,2）PIN硅光电二极管,PIN管是在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体I,引入I层本征半导体的作用： 1）本征层I电阻率大，使暗电流明显减小。 2）响应时间从10-7s量级提高至10-9s量级，测量带宽可达10GHz，适用于光通信及快速自动控制领域,3）耗尽层的厚度增加， 加大了灵敏体积，有利于量子效率的提高和光谱响应范围的扩展，尤其是向长波区的扩展更有价值,引入I层本征半导体的负面影响： I层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅片上并封装于一个管壳内的商品出售,3）雪崩光电二

11、极管（APD,PIN型光电二极管具有快得多响应速度，但增益低。所以，发展了雪崩型光电二极管，它既响应快，又具有高的增益（接近光电倍增管,雪崩二极管的结构和普通二极管的类似，只是在p-n结区增加了一个保护环(Zn环)，以提高p-n结的反向击穿电压。 （光电二极管：几十伏 雪崩二极管：几百伏,雪崩二极管的工作原理： 施加接近反向击穿电压的反向偏置电压(几百伏)，使耗尽区的强电场达105伏/厘米； 光生电子在强电场加速下，获得高动能，当与晶格发生碰撞时，使晶格电离形成二次电子。 二次电子再被强电场加速，再次与晶格碰撞，使其电离产生二次电子，这个过程继续下去，称为雪崩过程，雪崩过程使电子数剧增，产生大的增益,雪崩二极管不仅灵敏度高，也是目前响应速度最快的一种光电二极管。 噪声大是这种管子的主要缺点。噪声主要是散粒噪声（与增益M有关）和热噪声（与温度有关,光电倍增因子定义为倍增光电流与未倍增光电流之比,式中VB为反向击穿电压，n为1-3的常数，与材料和波长有关,当V接近VB时，G很大，但这时暗电流大，噪声严重，所以实际应用中的偏压V要适当,光敏电阻、光电池、光电二极管(PD,PIN,APD)的偏置及性能比较,1. 典型的光敏电阻有哪几种？简述它们各自的特征。 2. 结合光伏探测器的伏安特性曲线，分析光伏探测器的两种