蓝色--第2章 光电检测器件工作原理与特性

1、光电检测技术光电检测技术主讲人：李方强电话二章第二章 光电检测器件工作原理及特性光电检测器件工作原理及特性n2.1 光电检测器件的物理基础 1、光电导效应 2、杂质光电导效应 3、光生伏特效应 4、光热效应n2.2 光电检测器件的特性参数导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体n自然存在的各种物质，分为气体、液体、固体。自然存在的各种物质，分为气体、液体、固体。n固体按导电能力可分为：导体、绝缘体和介于两固体按导电能力可分为：导体、绝缘体和介于两者之间的半导体。者之间的半导体。n电阻率电阻率10-6 10-3欧姆欧姆厘米范围内厘米范围内导体导体n电阻率电阻率1012欧

2、姆欧姆厘米以上厘米以上绝缘体绝缘体n电阻率介于导体和绝缘体之间电阻率介于导体和绝缘体之间半导体半导体半导体的特性半导体的特性n半导体电阻温度系数一般是负的，而且对温度变化非常敏半导体电阻温度系数一般是负的，而且对温度变化非常敏感。根据这一特性，可以制作热电探测器件。感。根据这一特性，可以制作热电探测器件。n导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。（纯（纯净净Si在室温下电导率为在室温下电导率为5*10-6/(欧姆欧姆厘米厘米)。掺入硅原子数百万分之一。掺入硅原子数百万分之一的杂质时，电导率为的杂质时，电导率为2 /(欧姆欧姆厘米厘米)n半导体

3、导电能力及性质受光、电、磁等作用的影响。半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影响。本征和杂质本征和杂质半导体半导体n本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体。n在绝对零度时，价带中的全部量子态都被电子占据，而导带中的量子态全部空着。n在纯净的半导体中掺入一定的杂质，可以显著地控制半导体的导电性质。n掺入的杂质可以分为施主杂质和受主杂质。n施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带提供电子，使半导体成为电子导电的n型半导体。n受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同时向价带提供空穴，使半导体成为空穴导电的p型半导体。平衡和非平衡载流子平衡和非平衡载流子n处于热平衡状态的半导

4、体，在一定温度下，载流子浓度一定。这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为平衡载流子浓度。n半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。如果对半导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。n处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是平衡载流子浓度，比它们多出一部分。比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。 非平衡载流子的产生非平衡载流子的产生n光注入光注入：用光照使得半导体内部产生非平衡载流子。n当光子的能量大于半导体的禁带宽度时，光子就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，价带比平衡时多出一部分空穴。n产

5、生的非平衡电子浓度等于价带非平衡空穴浓度。n光注入产生非平衡载流子，导致半导体电导率增加。n其它方法其它方法：电注入、高能粒子辐照等。载流子的输运过程载流子的输运过程n扩散n漂移n复合半导体对光的吸收半导体对光的吸收n物体受光照射，一部分光被物体反射，一部分光被物体吸收，其余的光透过物体。n吸收包括：本征吸收、杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收、晶体吸收n本征吸收由于光子作用使电子由价带跃迁到导带n只有在入射光子能量大于材料的禁带宽度时，才能发生本征激发杂质吸收和自由载流子吸收杂质吸收和自由载流子吸收n引起杂质吸收的光子的最小能量应等于杂质的电离能n由于杂质电离能比禁带宽度小，杂质吸收的光谱区

6、位于本征吸收的长波方向.n自由载流子吸收是由同一能带内不同能级之间的跃迁引起的。载流子浓度很大时，导带中的电子和价带中的空穴产生带内能级间跃迁而出现的非选择性吸收激子和晶格吸收激子和晶格吸收n指所吸收辐射的能量转变为晶格原子的振动能量，或由库仑力相互作用形成电子和空穴的能量。 这种吸收对光电导没有贡献，甚至会降低光电转换效率。 波相互作用效应：波相互作用效应： 激光与某些敏感材料相互作用过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。线性光学效应和超导量子效应。理和化学效应理和化学效应光电探测的物光电探测的物物理物理效应效应

7、光化学效应光化学效应光电光电效应效应光热光热效应效应内光电效应：光电导效应，内光电效应：光电导效应， 光伏效应，光伏效应， 光磁电效应光磁电效应外光电效应：光电发射效应外光电效应：光电发射效应2.1光电检测器件的物理基础光电检测器件的物理基础 -光电效应和光热效应光电效应和光热效应 光电导效应、光生伏特效应和光热效应n光电效应：物质受光照射后，材料电学性质发生了变化（发射电子、电导率的改变、产生感生电动势）现象。 包括： 外光电效应：外光电效应：产生电子发射 内光电效应：内光电效应：内部电子能量状态发生变化2.1.1 光电导效应光电导效应n光电导效应：光照射的物质电导率发生改变，光照变化引起材

8、料电导率变化。是光电导器件工作的基础。 物理本质：光照到半导体材料时，晶格原子或杂质原光照到半导体材料时，晶格原子或杂质原子的束缚态电子吸收光子能量并被激发为传导态自由电子子的束缚态电子吸收光子能量并被激发为传导态自由电子，引起材料载流子浓度增加，因而导致材料电导率增大。，引起材料载流子浓度增加，因而导致材料电导率增大。 属于内光电效应。 包括： 本征和非本征两种，对应本征和杂质半导体材料。1、本征光电导效应、本征光电导效应本征光电导效应：是指本征半导体材料发生光电导效应。 即：光子能量hv大于材料禁带宽度Eg的入射光，才能激发出电子空穴对，使材料产生光电导效应。针对本征半导体材料。即： hv

9、Eg即存在截止波长：0=hc/Eg=1.24/Eg。基本概念：基本概念：1、稳态光电流：、稳态光电流：稳定均匀光照稳定均匀光照 2、暗电导率和暗电流、暗电导率和暗电流3、亮电导率和亮电流、亮电导率和亮电流 4、光电导和光电流、光电导和光电流 基本公式：基本公式：暗电导率暗电导率Gd=dS/L暗电流暗电流Id= dSU/L亮电导率亮电导率Gl= lS/L亮电流亮电流Il= lSU/L光电导光电导Gp= S/L光电流光电流Ip= SU/L光电导效应示意图LS本征半导体样品本征半导体样品光光U2、光电导弛豫过程、光电导弛豫过程 光电导效应是非平衡载流子效应，因此存在一定的弛豫现象，即光电导材料从光照

10、开始到获得稳定的光电流需要一定的时间。同样光电流的消失也是逐渐的。弛豫现象说明了光电导体对光强变化的反应快慢程度，称为惰性。EtOi(%)tO1006337rf矩形光矩形光脉冲脉冲光电导对光强变化反应的惰性引起光电流变化的延迟 输出光电流与光功率调制频输出光电流与光功率调制频率变化关系是一低通特性。率变化关系是一低通特性。3、光电导增益、光电导增益光光电导增益是表征光电导器件特性的一个重要参数，表示长电导增益是表征光电导器件特性的一个重要参数，表示长度为度为L L的光电导体在两端加上电压的光电导体在两端加上电压U U后，由光照产生的光生载后，由光照产生的光生载流子在电场作用下形成的流子在电场作

11、用下形成的外电流外电流与光生载流子在内部形成的与光生载流子在内部形成的光电流光电流之比。可表示为之比。可表示为:M=:M=/ /drdr 为器件的时间响应为器件的时间响应 drdr为载流子在两极间的渡越时间为载流子在两极间的渡越时间光光电导器件常做成梳状电极，光敏面做成蛇形，即保证了电导器件常做成梳状电极，光敏面做成蛇形，即保证了较大的较大的受光表面受光表面，又可减小，又可减小电极间距离电极间距离，从而减小载流子，从而减小载流子的有效极间渡越时间，也利于提高灵敏度的有效极间渡越时间，也利于提高灵敏度光光电导器件的光电导增益与带宽积为一常数，即电导器件的光电导增益与带宽积为一常数，即Mf=常数常

12、数。表明，光电导增益越大，光电灵敏度越高，而器件的带宽。表明，光电导增益越大，光电灵敏度越高，而器件的带宽越低。反之亦然。这一结论对光电效应现象有普遍性。越低。反之亦然。这一结论对光电效应现象有普遍性。2.1.2 杂质光电导效应：杂质光电导效应：杂质半导体杂质半导体杂杂质半导体中施主或受主吸收光子能量后电离中，产质半导体中施主或受主吸收光子能量后电离中，产生自由电子或空穴，从而增加材料电导率的现象。生自由电子或空穴，从而增加材料电导率的现象。杂质半导体禁带宽度比本征小很多，因此更容易电离杂质半导体禁带宽度比本征小很多，因此更容易电离，响应波长比本征材料要长得多。用，响应波长比本征材料要长得多。

13、用EI表示杂质半导表示杂质半导体的电离能，则截止波长：体的电离能，则截止波长：0=hc/EI。 特点：容易受热激发产生的噪声的影响，常工作在特点：容易受热激发产生的噪声的影响，常工作在低温状态。低温状态。常常用光电导材料：硅用光电导材料：硅Si、锗、锗Ge及掺杂的半导体材及掺杂的半导体材料，以及一些有机物。料，以及一些有机物。课堂小结课堂小结n1，光电检测技术的几种典型测量方法及应用，直接、差动、补偿、脉冲。生产线、汽车、军事、航天等领域都有广泛应用。n2，光电检测技术的核心之光电变换，光信号如何转换电信号？ 光电效应：光照引起电学性质的改变。 如光电导效应，如本征光电导、杂质光电导。后面的光

14、生伏特效应等 光热效应：光子能量转换为光电子能量，使半导体温度升高。2.1.3 光生伏特效应光生伏特效应达达到内部动态平衡的半导体到内部动态平衡的半导体PNPN结，在光照的作用下结，在光照的作用下，在，在PNPN结的两端产生电动势，称为光生电动势。这结的两端产生电动势，称为光生电动势。这就是光生伏特效应。也称光伏效应。就是光生伏特效应。也称光伏效应。物理本质：物理本质：PN结内建电场使得载流子（电子和空穴）的结内建电场使得载流子（电子和空穴）的扩散和漂移运动达到了动态的平衡，在光子能量大于禁带宽扩散和漂移运动达到了动态的平衡，在光子能量大于禁带宽度的光照的作用下，激光出的电子空穴对打破原有平衡

15、，靠度的光照的作用下，激光出的电子空穴对打破原有平衡，靠近结区电子和空穴分别向近结区电子和空穴分别向N区和区和P区移动，形成光电流，同时区移动，形成光电流，同时形成载流子的积累，内建电场减小，相当于在形成载流子的积累，内建电场减小，相当于在PN加了一个正加了一个正向电压。即光生电动势。向电压。即光生电动势。IpPN_VDV+光照光照PNEcEvEFeVD无光照无光照有光照有光照PNEcEvEFeVD-eV形成过程：形成过程：空穴空穴电子电子光生（正向）电压产生正向注入光生（正向）电压产生正向注入电流（由电流（由P指指N）：）： I+=Isexp(qV/kT)-1I+当当PNPN结外接回路时，总

16、电流与光生电流和结电流之间关系：结外接回路时，总电流与光生电流和结电流之间关系： I=I I=Ip p-I-I+ +=I=Ip p-I-Is sexp(qV/kT)-1exp(qV/kT)-1负负载接入外回路，电流为载接入外回路，电流为I I，则，则PNPN结两端电压为：结两端电压为： V=( V=(kT/q)ln(Ip-I)/Is+1 PNPN结开路时，结开路时，I=0I=0，求得开路电压：，求得开路电压：V Voc oc =(kT/q)ln (Ip/Is+1) 可可见见V Vococ与与I Ip p为非线性关系。为非线性关系。P PN N结短路，结短路，V=0V=0，求得短路电流即光电流：

17、，求得短路电流即光电流：I Iscsc=I=Ip p= =没有光照时，没有光照时，I Ip p=0=0，外加正向电压为，外加正向电压为V V时，有时，有I I+ +=I=Is sexp(qV/kT)-exp(qV/kT)-11注意：光注意：光伏效应与光照相联系的是少数载流子的行为，少数载伏效应与光照相联系的是少数载流子的行为，少数载流子的寿命通常很短。所以以光伏效应为基础的检测器件比以光流子的寿命通常很短。所以以光伏效应为基础的检测器件比以光电导效应为基础的检测器件有更快的响应速度。电导效应为基础的检测器件有更快的响应速度。与与光电效应的区别：光电效应中，光子能量直接变为光电子光电效应的区别：

18、光电效应中，光子能量直接变为光电子的能量，光热效应中，光能量与晶格相互作用使其运动加剧，的能量，光热效应中，光能量与晶格相互作用使其运动加剧，造成温度的升高，从而引起物质相关电学特性变化。造成温度的升高，从而引起物质相关电学特性变化。2.1.4 光热效应光热效应可可分为分为:热释电效应、辐射热计效应及温差电效应热释电效应、辐射热计效应及温差电效应1 1、 热释电效应热释电效应 介介质温度在光照作用下温度发生变化，介质的极化强度质温度在光照作用下温度发生变化，介质的极化强度随温度变化而变化，引起表面电荷变化的现象。随温度变化而变化，引起表面电荷变化的现象。 物理本质：极化晶体极化晶体：在外电场和

19、应力为零情况下自身具有自发极化的晶体，原因是内部电偶极矩不为零，表面感应束缚电荷。+-+-+-+-+-+-_P(T1)P(T2)+-+-+-+-+-+-_j工作温度T1（左）和工作温度T2T1（右）极化晶体表面束缚电荷，被周围自由电荷不断中和，表面无电荷。光照时，晶体温度升高，电偶极子热运动加剧，极化强度减弱，表面感应电荷数减小，但中和过程（达数秒）要远大于极化强度的响应过程（10-12s），相当于释放了一些电荷，对外表面为电流。可以在这些电荷被中和之前测量到。热释电现象中：温度对自发极化强度的影响。TcPTOTcPTO极化晶体的极化强度与温度T的关系：一级相变（左）和二极相变（右）随着温度的

20、升高，自发极化强度越来越弱，当达到一定温度时，自发极化强度为零，极化晶体发生相变为非极化晶体。2 2、 辐射热计效应辐射热计效应入射光照射材料由于受而造成电阻率变化的现象称为辐射热计效应。由温度引起电阻率变化。阻值与温度变化关系：R=TRTT为电阻温度系数R为元件电阻当温度变化足够小时， T=1/R*dR/dT对金属材料，R=BT，则T=1/T，呈反比关系。对半导体材料，R与T具有指数关系，则T=-B/T2。说明温度越高，电阻温度系数越小。B为常数，典型值3000K。3 3、 温差电效应温差电效应 由两种不同材料制成的结点由于受到某种因素作用而出现了温差，就有可能在两结点间产生电动势，回路中产

21、生电流，这就是温差电效应。当有光照结点产生温度变化就会产生温差电现象。另外，如果在图中x，y处接一电流表，导体中产生电流，两个接点1和2处就会出现一个吸热一个放热的现象。吸（放）热速率：dp/dt=I，称为帖耳帖系数xyT1T212导体a导体bA真空光电管真空光电管探测器件探测器件光热探测器光热探测器光电探测器光电探测器光化学效应探测器光化学效应探测器外光电效应外光电效应内光电效应内光电效应非放大型非放大型放放 大大 型型光电导探测器光电导探测器光磁电探测器光磁电探测器 光生伏特探测器光生伏特探测器充气光电管充气光电管光电倍增管光电倍增管像增强器像增强器摄像管摄像管本征型本征型光敏电阻光敏电阻

22、掺杂型掺杂型红外探测器红外探测器非放大非放大放大型放大型光电池光电池光电二极管光电二极管光电三极管光电三极管光电场效应管光电场效应管雪崩型光电二极管雪崩型光电二极管热电偶和热电堆热电偶和热电堆测热辐射计测热辐射计热释电探测器热释电探测器2.2 光电检测器件的特性参数光电检测器件的特性参数一、分类光子检测器件电真空或光电发射型检测器件固体或半导体光电检测器件光电管光电倍增管光导型：光敏电阻光伏型：光电池光电二、三极管光子检测器件（即通常意义上的光电检测器件）分类：热敏检测器件的特点： 1、响应波长无选择性。对各种波长具有相同的敏感性。 2、响应慢。即吸收辐射后产生信号所需时间长，在毫秒量级光子检

23、测器件的特点： 1、响应波长有选择性。存在截止波长。 2、响应快。一般为纳秒到几百微秒二、特性参数1、响应度（或称灵敏度）S电压响应度：SV=Vo/Pi电流响应度：SI=Io/Pi 其中：Vo和Io分别为光电检测器输出电压和输出电流。P为入射光功率（或用通量表示）。2、光谱响应度S()光谱响应度：S()=Vo/() (V/W)S()=Io/() (A/W)()为入射的单色辐射通量或光通量。3、积分响应度S： 表示检测器对各种波长的辐射光连续辐射通量的反应程度，光电检测器件输出的电流或电压与入射光通量之比。各种辐射波长的总光通量为：=?不同波长光辐射引导的总输出光电流Io=? 则积分响应度S=？

24、 式中0和1分别为光电检测器的长波限和短波限。4、响应时间： 响应时间是描述光电检测器对入射辐射响应快慢的参数。即入射光辐射到检测器后或入射光被遮断后，光电检测器件输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需要的时间。 当一个辐射脉冲照射光电检测器时，如果这个脉冲上升和下降时间很短，则光电检测器由于惰性而有延迟。上升时间r和下降时间f矩形光矩形光脉冲脉冲入入射射光光tOrfI光光tO10.10.95、频率响应S(f)： 由于光电检测器信号的产生和消失存在着一个滞后过程，所以入射光辐射的频率对光电检测器的响应将有很大的影响，把光电检测器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性称为频率响应。 利用时间常数

25、可得到频率响应关系： S(f)=S0/1+(2f)21/2 S0为频率是零时的响应度；为时间常数。 可求得放大器的上限截止频率：f上=1/2=1/2RC 可见： 光电检测器电路时间常数决定了频率响应带宽6、热噪声： 当入射辐射功率很低时，输出只是些杂乱无章的变化信号，无法肯定是否为入射辐射信号，这是检测器固有的噪声引起的。其时间平均值为零，但均方根不等于零，即存在瞬时电流扰动。这个均方根电压（或电流）即为噪声电压（流）。热噪声是由载流子无规则运动造成的。 热噪声电压和电流均方值为：？=4kTRf ？=4kT(f/R) 其中R为导体电阻，k为玻耳兹曼常数，T为导体的热力学温度，f为测量系统的噪声带宽。热噪声存在于任何电阻中，与温度成正比，与频率无关，说明热噪声是由各种频率分量组成，可称为白噪声。7、散粒噪声： 或称散弹噪声，即穿越势垒的载流子的随机涨落（统计起伏）所造成的噪声。理论表明，在每个时间段内，穿越势垒区的载流子数或从阴极到阳极的电子数都在一个平均值上下起伏。这种起伏引起的均方噪声电流为： ？