第二章光电检测技术基础ppt课件

1、基本概念：基本概念：1、稳态光电流：稳定均匀光照、稳态光电流：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U 光电导效应指固体受光照而改变其电导率。此效应是最早光电导效应指固体受光照而改变其电导率。此效应是最早发现的光电现象。半导体和绝缘体都有这种效应。发现的光电现象

2、。半导体和绝缘体都有这种效应。 电导率正比于载流子浓度及其迁移率的乘积。电导率正比于载流子浓度及其迁移率的乘积。 入射光的光子能量等于或大于与该激发过程相应的能隙入射光的光子能量等于或大于与该激发过程相应的能隙 E (E (禁带宽度或杂质能级到某一能带限的距离禁带宽度或杂质能级到某一能带限的距离) )，也就是光电，也就是光电导有一个最大的响应波长，称为光电导的长波限导有一个最大的响应波长，称为光电导的长波限C C ， 若若C C 以以m m 计，计，E E 以以eV eV 计，则计，则CC与与EE的关系为的关系为 C = 1.24 / E C = 1.24 / E 就光电器件而言，最重要的参数

3、是灵敏度，弛豫时间和光就光电器件而言，最重要的参数是灵敏度，弛豫时间和光谱分布。下面讨论一下光电导体的这三个参数。谱分布。下面讨论一下光电导体的这三个参数。 一、光电导体的灵敏度一、光电导体的灵敏度 灵敏度通常指的是在一定条件下，单位照度所引起的光电灵敏度通常指的是在一定条件下，单位照度所引起的光电流。由于各种器件使用的范围及条件不一致，因此灵敏度有各流。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。光电导体的灵敏度表示在一定光强下光电导种不同的表示法。光电导体的灵敏度表示在一定光强下光电导的强弱。它可以用光电增益的强弱。它可以用光电增益G G来表示。根据恒照即定态条件下电

4、来表示。根据恒照即定态条件下电子与空穴的产生率与复合率相等可推导出：子与空穴的产生率与复合率相等可推导出： G = / tL G = / tL ： （1 1） 式中式中为量子产额，即吸收一个光子所产生的电子空穴对为量子产额，即吸收一个光子所产生的电子空穴对数；数；为光生载流子寿命；为光生载流子寿命；tLtL为载流子在光电导两极间的渡越为载流子在光电导两极间的渡越时间，一般有时间，一般有 tL = l /E = l2 /U tL = l /E = l2 /U （2 2） 将式将式1 1代入式代入式2 2可得可得 G = U/l2 G = U/l2 式中式中l l为光电导体两极间距；为光电导体两极

5、间距；为迁移率；为迁移率；E E为两极间的电场强为两极间的电场强度；度；U U为外加电源电压。可知，光电导体的非平衡载流子寿命为外加电源电压。可知，光电导体的非平衡载流子寿命越长，迁移率越长，迁移率越大。光电导体的灵敏度光电流或光电增益越大。光电导体的灵敏度光电流或光电增益就越高。而且，光电导体的灵敏度还与电极间距就越高。而且，光电导体的灵敏度还与电极间距l l的平方成反的平方成反比。比。 如果在光电导体中自由电子与空穴均参与导电，那么，光电如果在光电导体中自由电子与空穴均参与导电，那么，光电增益的表达式为增益的表达式为 G = (nn +pp )U/l2 G = (nn +pp )U/l2

6、式中式中nn和和pp分别为自由电子和空穴的寿命；分别为自由电子和空穴的寿命；nn和和pp分别为分别为自由电子和空穴的迁移率。自由电子和空穴的迁移率。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一些典型的半导体本征光电导光谱分布曲线一些典型的半导体本征光电导光谱分布曲线由图可以看出，在短波方向，当波长增加时，光电导随之缓由图可以看出，在短波方向，当波长增加时，光电导随之缓慢增加，经过一个最大值后，又陡峭地下降。由于光电导不慢增加，经过一个最大值后，又陡峭地下降。由于光电导不存在一个明显的长波限，存在一个明显的

7、长波限，T.S.T.S.莫斯提出把光电导的数值降到莫斯提出把光电导的数值降到最大值一半时所处的波长定为长波限。在最大值的长波方面，最大值一半时所处的波长定为长波限。在最大值的长波方面，光电导的下降是较好理解的。因为在长波部分，光子能量低，光电导的下降是较好理解的。因为在长波部分，光子能量低，不足以引起本征光吸收，所以光电导迅速下降。在短波方面，不足以引起本征光吸收，所以光电导迅速下降。在短波方面，如果光滑曲线是等能量曲线，由照射的光子数目少，自然引如果光滑曲线是等能量曲线，由照射的光子数目少，自然引起光电导下降；如果光谱曲线是等量子曲线，则光电导下降起光电导下降；如果光谱曲线是等量子曲线，则光

8、电导下降的物理机理比较复杂。可以肯定，波长短，样品对光的吸收的物理机理比较复杂。可以肯定，波长短，样品对光的吸收系数大，光生载流子就愈集中于光照表面。这时受表面影响系数大，光生载流子就愈集中于光照表面。这时受表面影响大，诸如表面能级、表面复合与电极等可能降低量子产额，大，诸如表面能级、表面复合与电极等可能降低量子产额，减少载流子迁移率与寿命，都将引起光电导下降。减少载流子迁移率与寿命，都将引起光电导下降。(2)、杂质光电导的光谱分布、杂质光电导的光谱分布 半导体杂质吸收光子将杂质能级上的电子或空穴激发半导体杂质吸收光子将杂质能级上的电子或空穴激发成为自由的光生载流子，这就要求光子能量必须大于等

9、成为自由的光生载流子，这就要求光子能量必须大于等于杂质的电离能。由于杂质的电离能小于禁带宽度，因于杂质的电离能。由于杂质的电离能小于禁带宽度，因此杂质光电导的光谱响应波长比本征光电导的长。同时此杂质光电导的光谱响应波长比本征光电导的长。同时由于杂质原子数目少，所以杂质光电导效应相对本征光由于杂质原子数目少，所以杂质光电导效应相对本征光电导来说也微弱得多。电导来说也微弱得多。掺有不同量砷施主杂质的掺金锗杂质光电导光谱分布曲线 由图可以看出，光电导在光子能量由图可以看出，光电导在光子能量0.7eV0.7eV附近陡起明显，表附近陡起明显，表示本征光电导开始。在本征光电导长波限左边，光子能量小于锗示本

10、征光电导开始。在本征光电导长波限左边，光子能量小于锗禁带宽度禁带宽度0.68eV0.68eV），这时光电导显然是杂质光电导光谱曲线继），这时光电导显然是杂质光电导光谱曲线继续向左边延伸时，可以看到，在某一波长处曲线迅速下降，这就续向左边延伸时，可以看到，在某一波长处曲线迅速下降，这就是杂质光电导的长波限。此处光子的能量等于杂质的电离能。能是杂质光电导的长波限。此处光子的能量等于杂质的电离能。能量再低的光子就不可能激发杂质上的电子或空穴。量再低的光子就不可能激发杂质上的电子或空穴。 图中三条曲线各表示掺有不同量的砷施主杂质。金元素在锗图中三条曲线各表示掺有不同量的砷施主杂质。金元素在锗中存在多重

11、能级，在不加砷施主杂质时，金是受主，锗是中存在多重能级，在不加砷施主杂质时，金是受主，锗是p p型半型半导体导体p p型型GeGe：AuAu），从曲线中看到，长波限在），从曲线中看到，长波限在0.05eV0.05eV处。当加处。当加入少量砷施主杂质，此时锗晶体仍是入少量砷施主杂质，此时锗晶体仍是p p型型p p型型GeGe：AuAu：AsAs），长），长波限相应于波限相应于0.15eV0.15eV。当加入足够多的砷施主杂质时，致使锗晶体。当加入足够多的砷施主杂质时，致使锗晶体从从p p型转变为型转变为n n型型n n型型GeGe：AuAu：AsAs），从曲线中可看到长波限相），从曲线中可看到长

12、波限相应于应于0.2eV0.2eV。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，总电流与光生电流和结电流之间关结外接回路时，总电流与光生电流和结电流之间关系：系： I=Ip-I+=Ip-Isexp(qV/kT)-1I=Ip-I+=Ip-Isexp(qV/kT)-1负载接入外回路，电流为负载接入外回路，电流为I I，则，则PNPN结两端电压为：结两端电压为： V=(

13、kT/q)ln(Ip-I)/Is+1 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：Voc =(kT/q)ln Voc =(kT/q)ln (Ip/Is+1) (Ip/Is+1) 可见可见VocVoc与与IpIp为非线性关系。为非线性关系。PNPN结短路，结短路，V=0V=0，求得短路电流即光电流：，求得短路电流即光电流：Isc=Ip=q/h=PIsc=Ip=q/h=P没有光照时，没有光照时，Ip=0Ip=0，外加正向电压为，外加正向电压为V V时，有时，有I+=Isexp(qV/kT)-1I+=Isexp(qV/kT)-1

14、注意：光伏效应与光照相联系的是少数载流子的行为，注意：光伏效应与光照相联系的是少数载流子的行为，少数载流子的寿命通常很短。所以以光伏效应为基础的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电导效应为基础的检测器件有更快的响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。应速度。与光电效应的区别：光电效应中，光子能量直接变为与光电效应的区别：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，造成温度的升高，从而引起物质相关使其运动加剧，造成温度的升高，从而引起物质相关电学特性变化。电学特

15、性变化。可分为可分为:热释电效应、辐射热计效应及温差电热释电效应、辐射热计效应及温差电效应效应 介质温度在光照作用下温度发生变化，介质的极化强度介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

16、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间测量到。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。入射光照射材料由于受热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，

17、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。 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处接一电动势，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b 光电检测器件利用物质的光电效应把光信号转换成电信号的器件，它的性能对光电检测系统影响很大。根据工作机理的不同，可分为光子检

18、测器件和热电检测器件。热电检测器件热释电检测器热释电效应）热敏电阻辐射热计效应）热电偶和热电堆温差电效应）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

19、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=？ 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

20、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

21、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：U=4kTRf I=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： I=2qIDCf 其中IDC为流过器件电流