改-3光辐射探测器的理论基础

1、3.1 半导体基础,半导体特性 能带结构 i，n和p型半导体 热平衡下的载流子的浓度 半导体中的非平衡载流子 载流子的扩散与漂移,半导体特性,电阻温度系数是负的，对温度变化敏感 温度升高，电阻下降 优点：测温 缺点：精度受环境影响，实现高精度需恒温 导电性能受微量杂质的影响而发生十分敏感的变化 室温下纯硅 电导率5*10-6/cm 室温下纯度为99.9999%硅 电导率2/cm 导电能力和性质受光电磁等外界作用发生重要的变化,第一节 半导体基础,半导体特性 能带结构 i，n和p型半导体 热平衡下的载流子的浓度 半导体中的非平衡载流子 载流子的扩散与漂移,能带结构,孤立原子中的电子状态 电子按照

2、一定的壳层排列 电子在壳层上的分布遵守泡利不相容原理和能量最低原则 电子具有确定的分立能量值,晶体中的电子状态 多原子的各壳层之间有不同程度的交叠。最外面的电子壳层交叠最多，内层交叠较小,电子的共有化运动,电子只能在相邻原子相似壳层中运用 外层电子的共有化运动显著，内层弱,晶体中的能带 电子在晶体中不仅受本身原子势场影响，还受周围原子势场作用，该作用使本来处于同一能量状态的、不同位置的电子发生了能量微小的差异 晶体中若有N个原子，每个相同能级都分裂为N个新的能级，成为能带。,允带-电子可占据的能带。 禁带-电子占据不了的间隙叫禁带。 满带-被电子占满的允带称满带 价带-晶体最外层电子能级分裂所

3、成的能带。 导带-比价带能量更高的允带称导带。,晶体中电子的能量状态，也遵守泡利不相容原理和能量最低原则,自由电子-从价带跃迁到导带的电子 自由空穴-电子从价带跃迁到导带后，价带中出现电子的空缺 本征激发-电子直接由价带跃迁到导带，特点是产生的电子数等于空穴数； 载流子-自由电子和自由空穴。,绝缘体、半导体、金属的能带图,SiO2 Eg=5.2ev Si Eg=1.1ev Eg=0 电阻率1012cm 10-31012cm 10-610-3cm,半导体具有独特光电特性重要应用价值,导电机理 -电场作用下，导带电子，价带空穴作定向运动,第一节 半导体基础,半导体特性 能带结构 i，n和p型半导体

4、 热平衡下的载流子的浓度 半导体中的非平衡载流子 载流子的扩散与漂移,i，n和p型半导体,i型半导体：（本征或纯净半导体） 四族 C、Si、Ge、Sn、Pb T=0K，材料不导电 T=常温，半导体有导电性（热激发） 禁带宽度大决定其导电能力弱,科7,n型半导体 如果在四族原子锗或硅组成的晶体中掺入五族原子砷或磷 ，就形成了n型半导体 施主原子-As，施主能级-Ed 施主电离：施主能级上电子跃迁到导带叫施主电离，特点是只产生电子 施主电离能-施主能级和导带底间的能量差 N型半导体中，自由电子浓度将高于自由空穴浓度。自由电子是多子，空穴是少子,p型半导体 如果在四族原子锗或硅组成的晶体中掺入三族原

5、子硼 ，就形成了p型半导体 受主原子-B，受主能级-Ea 受主电离：受主能级上空穴跃迁到价带叫受主电离，特点是只产生空穴 受主电离能-导带底和受主能级间的能量差 P型半导体中，自由空穴浓度将高于自由电子浓度。自由空穴是多子，电子是少子,第一节 半导体基础,半导体特性 能带结构 i，n和p型半导体 热平衡下的载流子的浓度 半导体中的非平衡载流子 载流子的扩散与漂移,热平衡下的载流子的浓度,载流子浓度：单位体积的载流子数。 为什么要研究载流子浓度？ 半导体的电学性质与材料的载流子浓度有关 热平衡载流子最终形成暗电流和噪声 热激发：一定温度下，非外界作用，从不断热振动的晶体中电子获得一定的能量，从价

6、带跃迁到导带，形成自由电子。 复合：电子释放能量由导带回落到价带。,热平衡状态 一定温度时，热产生的载流子数恒定，热激发与复合动态平衡。温度改变后，热激发变化，随后复合跟上，最终新平衡建立 热平衡时载流子浓度决定于： 能级密度 能级被电子占据的概率 能级密度 定义：导带和价带内单位体积，单位能量能级数目。,导带能级密度 价带能级密度 当离导带低或价带顶越远时，能级密度越大,费米能级和电子占据率 电子占据率： Ef为费米能级 T=0，若E0，若E=Ef，fn(E)=0.5 若EEf，fn(E)0.5 空穴占据率：fp(E)=1- fn(E),平衡载流子浓度 自由电子浓度 为导带有效能级密度。 自

7、由电子浓度n与温度及费米能级位置有关。,自由空穴浓度 为价带有效能级密度。 自由空穴浓度p与温度及费米能级位置有关,推论 热平衡下，任何半导体中， n与p的乘积与费米能级无关； 热平衡下，任何半导体中，n与p的乘积与Eg成反比； 热平衡下，任何半导体中，n与p的乘积与温度成正比,本征半导体中载流子浓度,室温下硅、锗、砷化镓的本征载流子浓度,m=9.11*10-31kg,室温下金属载流子浓度1022/cm3,n型半导体载流子浓度,p型半导体载流子浓度,用费米能级描述载流子分布 “标尺”,练习：画出轻掺杂N型和重掺杂N型费米能级示意图,第一节 半导体基础,半导体特性 能带结构 i，n和p型半导体

8、热平衡下的载流子的浓度 半导体中的非平衡载流子 载流子的扩散与漂移,半导体中的非平衡载流子,定义：外部注入的或光激发的、超出热平衡时浓度的载流子 这部分载流子携带有外部信息 材料的光吸收效应 本征吸收 杂质吸收 其它吸收,本征吸收 定义：使价带电子激发到导带的光吸收 条件： 为本征吸收长波限。,杂质吸收 定义：使电子（空穴）从杂质能级激发到导带（价带）的光吸收。 长波限： 杂质吸收多在红外区和远红外区。,其它吸收 激子吸收 定义：吸收了小于禁带宽度能量的电子，离开了价带却上不了导带，与形成的空穴间保有库仑力作用，从而形成的一个电中性系统。 自由载流子吸收 定义：使自由载流子在同一能带内不同能级

9、间跃迁的光吸收。 晶格吸收 定义：被转变为晶格振动能量的吸收。,非平衡载流子浓度 在这一节我们并不关心光子产生非平衡载流子的效率，这个概念我们以后再讲 这一节我们关心非平衡载流子产生及复合的过程，因为这个过程存在时间上的沿滞，研究这个过程是理解探测器的频率特性的基础,突然光照，由于产生复合，光生载流子浓度n(t)(p(t)处于上升期 产生=复合，光生载流子浓度达到饱和 光照突然消失，由于产生复合,光生载流子浓度n(t)(p(t)处于下降期 通常，光生载流子的产生和复合具有相同的时间特性,电路时间常数表征电路瞬态过程中响应变化的快慢，如RC电路的时间常数为R*C，它表征电容充放电的快慢： 电路闭

10、合后，电容的端电压达到最大值的1-1/e，即约0.63倍所需要的时间 电路断开时，电容的端电压达到最大值的1/e，即约0.37倍时所需要的时间。,科8,在这里，沿用时间常数这一概念描述光电探测器对光照响应的快慢（光生载流子产生和复合的快慢）,光生载流子的产生和复合具有相同的时间特性，这里只研究载流子的复合过程 由复合率与载流子浓度成正比推得下降期光生载流子浓度的变化规律为,的意义： 载流子浓度下降的衰减常数 载流子浓度下降到初始值1/e所需的时间 载流子的平均寿命（也称载流子寿命） 复合率 同理可得上升期光生载流子浓度的变化规律为,第一节 半导体基础,半导体特性 能带结构 i，n和p型半导体

11、热平衡下的载流子的浓度 半导体中的非平衡载流子 载流子的扩散与漂移,载流子的扩散与漂移,携带有信息的非平衡载流子通过形成定向移动的电流被检测到，所以需要研究非平衡载流子运动的形式 扩散 漂移,扩散 定义：由于载流子浓度的不均匀产生的载流子从高浓度处往低浓度处的迁移运动。 产生条件：掺杂不均匀或局部因光照产生非平衡载流子。 扩散电流密度（单位面积单位时间内通过的载流子电量）与浓度梯度成正比 Dp和Dn分别为电子和空穴的扩散系数。,漂移 定义：载流子在电场作用下的定向运动 在电场作用下，电子向正极漂移，空穴向负极漂移。 电场过强，漂移运动偏离欧姆定律（饱和或雪崩击穿），弱电场下，漂移运动符合欧姆定

12、律。 由欧姆定律的微分形式 （1） J为电流密度，为材料电导率，E为电场强度 由电流密度的定义J=nqv（2） 由（1）（2）得 称为迁移率,3.2 半导体的光电效应,光电导效应 光伏效应 光电子发射效应 光电转换的两个概念,光电导探测器 光伏探测器 光电子发射探测器,利用光电效应制成的光电探测器称为光子探测器,光电导效应,当半导体材料受光照时，由于对光子的吸收引起载流子浓度的变化，因而导致材料电导率变化，这种现象称为光电导效应。,非本征光电导效应,本征光电导效应,(杂质光电导效应),杂质吸收,本征吸收,本征光电导,暗电导率：,亮电导率：,光电导率：,非本征光电导,光电导率：,第二节 半导体的

13、光电效应,光电导效应 光伏效应 光电子发射效应 光电转换的两个概念,光伏效应,N,P,PN结,光,一块半导体， P区与N区的交界面称为PN结。PN结受到光照时，可在PN结的两端产生电势差，这种现象则称为光伏效应。,1)PN结的形成,扩 散,形成：耗尽区 空间电荷区,内建电场,浓度差异,E,漂 移,扩散与漂移方向相反,扩散=漂移 平衡 PN结形成,扩散-增强内建电场-阻止扩散 漂移-减弱内建电场-阻止漂移,PN结的形成,摘自教育部新世纪网络课程电子技术大连海事大学制作,2)PN结能带与势垒,结合前,结合后,一个平衡系统只能有一个费米能级,E,电场力,类比: 小球滚上山坡,速度方向,重力分力,mg

14、h,坡：内建电场 扩散：电子爬坡 漂移：电子下坡,正向偏压:,外加电场,耗尽区宽度变小,3)PN结电流方程、耗尽区宽度与结电容,电流方程：,扩散流,反向偏压:,外加电场,耗尽区宽度变大,漂移流,4)PN结光电效应,电子空穴对分离,电子空穴对,光 照,光生电势差,光生电动势与光电流, ,光电流方向,光生电动势方向,扩散流方向,光生电动势,扩散流,光电流为维持光生电动势一直持续, ,光生电动势方向,光照下PN结的电流方程：,光电流方向,扩散流方向,扩散流,光电流,科9,N,P,PN结,光,电池不能短接， 光照下的PN节能短接吗？, ,光生电动势=0,扩散流=0,短路光电流,短接, ,开路光电压方向

15、,扩散流,光电流,开路, ,光电压方向,扩散流,光电流,接负载,R,第二节 半导体的光电效应,光电导效应 光伏效应 光电子发射效应 光电转换的两个概念,3.光电发射效应,金属或半导体受到光照时，电子从材料表面逸出这一现象称为光电发射效应。,又称外光电效应。逸出物质表面的电子叫做光电子。,光电发射第二定律（爱因斯坦定律）： 发射的光电子的最大动能随入射光子频率的增加而线性地增加，而与入射光的强度无关,光电发射第一定律： 当入射辐射的光谱公布不变时，饱和光电流与入射的辐通量 成正比,1)光电发射定律,爱因斯坦定律,W-逸出功,截止波长 （长波限）,光电发射,本征吸收,杂质吸收,结论：,截止波长对比

16、,波长增大,光电发射,杂质吸收,本征吸收,2)金属逸出功和半导体的发射阈值,金属逸出功:,半导体发射阈值:,能够有效吸收光子的电 子大多处在价带顶附近,基本概念：,真空能级E0 电磁真空中静止电子能量（体外自由电子最小能量）,电子亲和势EA 真空能级与导带底能级之差称为电子亲和势,第二节 半导体的光电效应,光电导效应 光伏效应 光电子发射效应 光电转换的两个概念,4.光电转换的两个概念,量子效率,提高量子效率： 反射率r低， 吸收系数大， 吸收厚长度lx要大 例如，在探测器入射面镀上高透射率的抗反射层； 利用微型谐振腔的光场谐振以增强吸收等。,原因：反射、透射、散射等,光电增益,光电导探测器：

17、M可以大于1,光电三极管： M102,雪崩光电二极管：M103,光电倍增管：M106,3.3 光电探测器的噪声,噪声的表示方法,噪声分类,探测器噪声,噪声等效电路,入射光功率较大时： 正弦信号,降低入射光功率，增大放大率： 带毛刺的正弦信号,入射光功率再降低时： 正弦波幅度被噪声完全埋没,对入射光功率正弦调制,随机的，瞬间的幅度不能预知的起伏，其长时间的平均值为零。 所以不能用其平均值表示噪声,噪声的基本概念,噪声的表示方法,均方噪声,均方根噪声,时域,频域,功率谱,均方噪声,多个噪声源 （互不相关）,代表电阻上产生的功率,只有均方噪声具有叠加特性,均方根噪声,这正是我们用电流表所测量到的那种

18、有效电流,功率谱S(f) 噪声自相关函数的傅立叶变换,代表频率为f的噪声在电阻上产生的功率,均方噪声,代表各种频率噪声的集合在电阻上产生的功率,均方噪声与功率谱联系,功率谱为常数：,功率谱不为常数：,f为频带宽度,用等效带宽f表述,噪声分类：,噪声影响信号（特别是弱信号）的测量和处理,探测器的噪声,1热噪声,2. 散粒噪声,3产生复合噪声,41/f 噪声,5温度噪声,1热噪声(Johnson噪声),热噪声是由于载流子的瞬时热运动而引起电流或电压的瞬时扰动。,f为测量的频带等效宽度， R为器件输入电阻实部,热噪声： 白噪声,2. 散粒噪声（Shot噪声）,它犹如射出的散粒无规则地落在靶上所呈现的

19、起伏。这种随机起伏所形成的噪声称为散粒噪声。 光电管中的光电子从阴极表面逸出的随机性； PN结中载流子通过结区的随机性； 入射到探测器上的光子的随机性,I为器件输出平均电流,散粒噪声：白噪声,3产生复合噪声,在半导体器件中，在一定温度和光照下，瞬间载流子的产生数和复合数是有起伏的，于是载流子浓度的起伏引起电导率的起伏，由此造成器件输出电流的噪声叫做复合噪声,产生复合噪声不再是“白”噪声？,I总平均电流，N0总的自由载流子数， 载流子寿命，f测量噪声的频率,41/f 噪声,1/f 噪声通常又称为电流噪声 也称为闪烁噪声或过剩噪声,低频区： 300Hz以下,机理目前尚不清楚,a、由实验测量,5温度

20、噪声（热探测器独有）,热探测器中由于器件本身吸收和传导等的热交换引起的温度起伏,Gt为器件的热导，t=Ct/Gt为器件的热时间常数,低频,低频温度噪声也有白噪声性质,光电倍增管：散粒噪声、1/f噪声,光敏电阻：热噪声、产生复合噪声、1/f噪声,光伏器件：光电流、暗电流的散粒噪声、PN结漏电阻Rsh的热噪声,热探测器：温度噪声、热噪声,噪声等效电路,多个噪声源 （互不相关）,一个噪声源,两个噪声源,那个等效正确,科10,3.4、探测器的主要特性参数,量子效率 响应率（或积分灵敏度） 光谱响应率 频率响应 等效噪声功率和探测率,量子效率,一定波长的光子入射到光电探测器件上时，所产生的光电子或光生载

21、流子的数量与入射的光子数之比值叫做量子效率。,响应率（或积分灵敏度）,探测器的输出电压Vs或电流Is与入射的辐射通量e之比。 电压响应率：，单位：v/w。 电流响应率：，单位：A/w,光谱响应率,在波长为的单色光照射下，或 。 光谱响应率与量子效率是同一物理量的两种表示方法：,频率响应,对脉冲光信号：响应时间表示探测器的惰性 上升弦： 下降弦： 通常情况：,时， 相应的功率为1/2。 称为探测器的上限频率,用一定振幅的正弦调制光照射探测器时 f=0时的响应率,等效噪声功率和探测率,当探测器输出信号电流Is（或电压Vs）等于噪声的均方根电流 （或电压 ）时，所对应的入射辐射通量 ，称为等效噪声功

22、率 。,探测器接收面积， 带宽,探测率,归一化参数,因为,归一化探测率参数通常附有测量条件： 指定光源（探测器光谱响应与光源的光谱匹配的越好，探测率就越高） 指定信号频率（探测器噪声与频率有关） 指定测量带宽 例：D*（500k，900，1） 光源为500k的黑体 调制频率为900Hz 测量带宽为1Hz,线性,线性是指探测器的输出电流（或电压）与输入光的辐通量成正比例的程度和范围 线性 不易失真 易标定,3.5 探测器的主要参数测试,探测器说明书有主要参数，为何还要测试？ 说明书中的参数是典型值，由于制造工艺的离散性，实际参数往往偏离典型值,光谱响应率函数的测试 响应率的测试 线性的测试,光谱响应率函数的测试,标准探测器法 光谱响应率函数已知 光谱功率分布标准灯法 光谱功率分布已知,标准探测器法,步骤1：测参考及标准探测器电流,-(1),步骤2：测参考及被测探测器电流,-(2),-(1),-(2),-(1),如果 已知，在步骤1直接用被测探测器代替 参考探测器，即可得到 ，为什么还要第2步？,答：由于分束器的反射和透射对波长的敏感性,分 束器的 也是待标定量,标准探测器通常采用光谱响应平坦的热电偶和热释电探测器 几种分束器结构