第二章光電檢測

第二章

光電檢測器件工作原理及特性第二章光電檢測器件工作原理及特性半導體物理基礎光電檢測器件的物理基礎光電檢測器件的特性參數一、半導體的特性半導體的導電能力在不同的條件下有顯著的差異。2-1半導體物理基礎物質按導電能力可分為：導體，絕緣體，半導體。41、溫度升高，導電能力增強，電阻率下降；如室溫附近的純硅(Si)，溫度每增加8℃，電阻率相應地降低50%左右；2、微量雜質含量，可以顯著改變導電能力；

以純硅中每100萬個硅原子摻進一個Ⅴ族雜質；電阻率在室溫下卻由大約0.214MΩcm降至0.2Ωcm以下(降低6個數量級）；3、光照可以改變導電能力；如在絕緣襯底上制備的硫化鎘(CdS)薄膜，無光照時的暗電阻為幾十MΩ，當受光照后電阻值可以下降為幾十KΩ；4、電場、磁場等影響半導體的導電能力。半導體的特性半導體物理基礎人們就是利用半導體的熱敏、光敏特性制作成半導體熱敏元件和光敏元件，利用半導體的摻雜特性制造了種類繁多，不同用途的半導體器件，如半導體二極管、晶體二極管、場效應管等。5常見的半導體材料元素半導體:硅、鍺、硒

化合物半導體:砷化鎵(GaAs)、鋁砷化鎵(Ga1-xAlxAs)、銻化銦

(InSb)、硫化鎘(CdS)和硫化鉛(PbS)等，固熔體半導體:氧化亞銅有機半導體:砷化鎵—磷化鎵玻璃半導體稀土半導體

……

半導體物理基礎61.原子中電子的能級原子是由一個帶正電的原子核與一些帶負電的電子所組成。電子環(huán)繞原子核在各自的軌道上不停的運動。二、能帶理論根據量子論，電子運動有下面三個重要特點：

(1)電子繞核運動，具有完全確定的能量，這種穩(wěn)定的運動狀態(tài)陳為量子態(tài)。每一量子態(tài)所取的確定能量稱為能級。(2)

由于微觀粒子具有粒子與波動的兩重性，因此，嚴格說原子中的電子沒有完全確定的軌道。軌道代表電子出現幾率最大的一部分區(qū)域。(3)

在一個原子或原子組成的系統中，不能有兩個電子同屬于一個量子態(tài)，即在每一個能級中，最多只能容納兩個自旋方向相反的電子，這就是泡利不相容原理。電子首先填滿低能級，而后依次向上填，直到所有電子填完為止。半導體物理基礎72.晶體中電子的能帶

電子共有化

結合成晶體的原子之間的距離很近，這使不同原子間的電子軌道（量子態(tài)）將發(fā)生不同程度的交迭。軌道的交迭使電子可從一個原子轉移到另一個原子上去，在整個晶體中運動，成為整個晶體所共有的現象。

能帶N個原子排列起來結合成晶體，原來分屬于N個單個原子的相同能級對應分裂或屬于整個晶體的N個能量稍有差別的能級。這些能級互相靠得很近，分布在一定的能量區(qū)域。能量區(qū)域中這些密集的能級被稱為能帶，能帶內的能級可看成是連續(xù)的。

半導體物理基礎8N個原子結合成晶體前后的能級狀態(tài)變化半導體物理基礎93.半導體的導電結構當一塊半導體的兩端加上電壓之后，價電子在無規(guī)則熱運動的基礎上疊加了電場引起的定向運動，形成了電流，并且運動狀態(tài)發(fā)生了變化。因而起運動能量必然與原來熱運動時有所不同。在晶體中，根據泡利不相容原理，每個能級上最多能容納兩個電子，因此，要改變晶體中電子的運動狀態(tài)，必需滿足兩個條件：1）具有能向電子提供能量的外部作用；2）電子要躍入的那個能級是空的半導體物理基礎10半導體導電條件：在有外加電壓條件下，電子能否導電，必須考慮電子填充能帶的情況。滿帶中的電子不導電，不滿的能帶中的電子才可以導電絕對溫度為零時，純凈半導體的價帶被價電子填滿，導帶是空的不導電半導體物理基礎11滿帶：各個能級都被電子填滿的能帶禁帶：兩個能帶之間的區(qū)域（其寬度直接決定導電性）空帶：所有能級都沒有電子填充的能帶價帶：由最外層價電子能級分裂后形成的能帶未被電子占滿的能帶稱為導帶禁帶的寬度稱為帶隙能帶的分類半導體物理基礎12導體、絕緣體和半導體導體：(導)價帶電子絕緣體：無價帶電子禁帶太寬半導體：價帶充滿電子禁帶較窄外界能量激勵滿帶電子激勵成為導帶電子滿帶留下空穴半導體物理基礎13硅的晶格結構(平面圖)1、本征半導體材料Si電子和空穴是成對出現的Si電子受到激勵躍遷到導帶，導致電子和空穴成對出現E此時外加電場，發(fā)生電子/空穴移動導電。載流子：在電子技術中把參與導電的物質稱為載流子。本征半導體有兩種載流子：

自由電子，空穴。半導體物理基礎14導帶EC價帶EV電子躍遷帶隙Eg

=1.1eV電子態(tài)數量空穴態(tài)數量電子濃度分布空穴濃度分布空穴電子本征半導體的能帶圖電子向導帶躍遷空穴向價帶反向躍遷半導體物理基礎15As+4As+52、非本征半導體材料：n型摻入第V族元素(如磷P,砷As,銻Sb)后，某些電子受到很弱的束縛，只要很少的能量DED(0.04~0.05eV)就能讓它成為自由電子。這個電離過程稱為雜質電離。施主雜質半導體物理基礎16施主能級被施主雜質束縛住的多余電子所處的能級稱為施主能級施主能級位于離導帶很近的禁帶施主能級上的電子吸收少量的能量DED后可以躍遷到導帶施主能級電子能量電子濃度分布空穴濃度分布施主雜質電離使導帶電子濃度增加半導體物理基礎173、非本征半導體材料：p型摻入第III族元素(如銦In,鎵Ga,鋁Al)，晶體只需要很少的能量DEA<Eg

就可以產生自由空穴B受主雜質18受主能級被受主雜質束縛的空穴所處的能級稱為受主能級受主能級位于靠近價帶EV的禁帶中空穴獲得較小的能量DEA后就能反向躍遷到價帶成為導電空穴電子濃度分布空穴濃度分布受主能級電離使導帶空穴濃度增加

電子能量19平衡和非平衡載流子處于熱平衡狀態(tài)的半導體，在一定溫度下，載流子濃度一定。這種處于熱平衡狀態(tài)下的載流子濃度，稱為平衡載流子濃度。處于非平衡狀態(tài)的半導體，其載流子濃度也不再是平衡載流子濃度，比它們多出一部分。比平衡狀態(tài)多出來的這部分載流子稱為非平衡載流子。

載流子：在電子技術中把參與導電的物質稱為載流子。因為本征半導體內部參與導電的物質有自由電子和空穴，所以本征半導體中有兩種載流子，一種是帶負電的自由電子，另一種是帶正電的空穴。半導體對光的吸收20非平衡載流子的產生光注入：用光照使得半導體內部產生非平衡載流子。當光子的能量大于半導體的禁帶寬度時，光子就能把價帶電子激發(fā)到導帶上去，產生電子－空穴對，使導帶比平衡時多出一部分電子，價帶比平衡時多出一部分空穴。產生的非平衡電子濃度等于價帶非平衡空穴濃度。光注入產生非平衡載流子，導致半導體電導率增加。其它方法：電注入、高能粒子輻照等。半導體對光的吸收21四、載流子的運動擴散運動：把載流子由熱運動造成的從高濃度處向低濃度處的前一運動成為擴散。漂移運動：載流子在電場的加速作用下，除熱運動之外獲得的附加運動稱為漂移運動。載流子的運動形式平衡載流子:處于熱平衡狀態(tài)下的載流子。非平衡載流子:半導體處于非平衡狀態(tài)時，比平衡狀態(tài)多出來的載流子?？紤]擴散運動：1）、對于雜質分布不均勻的半導體；

2）、處于非平衡狀態(tài)的半導體，需要考慮擴散運動。不考慮擴散運動：對于處于平衡狀態(tài)的雜質均勻分布的半導體；22

非平衡載流子例：n型半導體硅，摻雜濃度注：（1）在光照等小注入的情況下，非平衡少數載流子濃度可以比平衡少數載流子濃度大得多（2）非平衡少數載流子起重要作用，非平衡載流子都指非平衡少數載流子假定

24物體受光照射，一部分光被物體反射，一部分光被物體吸收，其余的光透過物體。半導體對光的吸收本征吸收非本征吸收半導體對光的吸收四、半導體對光的吸收25本征吸收：光子能量足夠大，價帶中的電子能激發(fā)到導帶。特點：產生電子－空穴對條件：本征半導體和雜質半導體內部，都有可能發(fā)生本征吸收！半導體對光的吸收26非本征吸收：光子能量不足以使價帶中的電子激發(fā)到導帶，包括雜質吸收、自由載流子吸收、激子吸收、晶格.雜質吸收：N型半導體施主束縛電子導帶P型半導體受主束縛空穴價帶

自由載流子吸收：由同一能帶內不同能級之間的躍遷引起的。載流子濃度很大時，導帶中的電子和價帶中的空穴產生帶內能級間躍遷而出現的非選擇性吸收.激子吸收：價帶中的電子吸收小于禁帶寬度的光子能量也能離開價帶，但因能量不夠還不能躍遷到導帶成為自由電子。這時，電子實際還與空穴保持著庫侖力的相互作用，形成一個電中性系統。晶格吸收：所吸收輻射的能量轉變?yōu)榫Ц裨拥恼駝幽芰?這兩種吸收對光電導沒有貢獻，甚至會降低光電轉換效率本征吸收和雜質吸收能夠產生非平衡載流子。半導體對光的吸收27五、PN結將P型和N型半導體采用特殊工藝制造成半導體。半導體內有一物理界面，界面附近形成一個極薄的特殊區(qū)域，稱為PN結。半導體物理基礎1、PN結的形成28U電勢2)、內建電場的驅動導致載流子做反向漂移運動n型p型耗盡層1)、濃度的差別導致載流子的擴散運動2、動態(tài)平衡下的PN結N區(qū)電子擴散進入P區(qū)，P區(qū)電子漂移進入N區(qū)，最終達到平衡；P區(qū)空穴擴散進入N區(qū)，N

區(qū)空穴漂移進入P區(qū)，最終達到平衡；29

如果外加電壓使PN結中：P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；

PN結具有單向導電性，若外加電壓使電流從P區(qū)流到N區(qū)，PN結呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡稱反偏。3、PN結的單向導電半導體物理基礎30(1)PN結加正向電壓時的導電情況外加的正向電壓有一部分降落在PN結區(qū)，方向與PN結內電場方向相反，削弱了內電場。內電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響,PN結呈現低阻性。PN結加正向電壓時的導電情況半導體物理基礎31

外加的反向電壓有一部分降落在PN結區(qū)，方向與PN結內電場方向相同，加強了內電場。內電場對多子擴散運動的阻礙增強，擴散電流大大減小。此時PN結區(qū)的少子在內電場的作用下形成的漂移電流大于擴散電流，可忽略擴散電流，由于漂移電流本身就很小，PN結呈現高阻性。

在一定溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關，這個電流也稱為反向飽和電流。(2)

、PN結加反向電壓時的導電情況PN結加反向電壓時的導電情況半導體物理基礎32

PN結外加正向電壓時，呈現低電阻，具有較大的正向擴散電流；PN結加反向電壓時，呈現高電阻，具有很小的反向漂移電流。由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。半導體物理基礎正偏反偏333、PN結的伏安特性曲線對應表:第二章光電檢測器件工作原理及特性半導體物理基礎光電檢測器件的物理基礎光電檢測器件的特性參數2-2光電檢測器件的物理基礎光電檢測系統組成框圖光電轉換：通過光電檢測器件來完成的，通過光電轉換，把光信號轉換成電信號，繼而利用十分成熟的電子技術對電信號進行測量和處理，從而完成對光輻射的檢測。對光輻射探測方法比較多，根據在探測器上所產生的物理效應，分成:光電效應、光熱效應和光壓效應。36因光照而引起物體電學特性的改變統稱為光電效應。在理解上述定義時，必須掌握以下三個要點：

原因：是輻射，而不是升溫；

現象：電子運動狀態(tài)發(fā)生變化；

結果：電導率變化、光生伏特、光電子發(fā)射。

2.2光電檢測器件的物理基礎一、光電效應特點：

1）、光電效應對光波頻率表現出選擇性：

2）、光子直接與電子作用，響應速度比較快；

3）、根據是否發(fā)射電子，分為外光電效應和內光電效應。371、外光電效應金屬或半導體受光照時，如果入射的光子能量hν足夠大，它和物質中的電子相互作用，使電子從材料表面逸出的現象，稱為外光電效應。它是真空光電器件光電陰極的物理基礎。外光電效應的兩個基本定律：1)．光電發(fā)射第一定律--斯托列托夫定律：

當照射到光陰極上的入射光頻率或頻譜成分不變時，飽和光電流（即單位時間內發(fā)射的光電子數目）與入射光強度成正比

2).光電發(fā)射第二定律--愛因斯坦定律光電子的最大動能與入射光的頻率成正比，而與入射光強度無關：

Emax=(1/2)mυ2max=hν-hν0=hν-W2.2光電檢測器件的物理基礎382、內光電效應內光電效應：物質受到光照后所產生的光電子只在物質內部運動，而不會逸出物質外部的現象，這種效應多發(fā)生于半導體內。1)光電導效應2)光生伏特效應3)光磁效應4)光子牽引效應。內光電效應2.2光電檢測器件的物理基礎391）、光電導效應光電導效應:指物體受光照射后，其內部產生光生載流子，使物體中載流子數顯著增加而電阻減小的現象。光電導效應可分為本征型和雜質別兩類

利用光電導效應制成的光電器件主要是光敏電阻。光電導效應是半導體材料的體效應2.2光電檢測器件的物理基礎402）、光生伏特效應在無光照時，PN結內存在內部自建電場E，當光照射在PN結及其附近時，這些載流子在能量足夠大的光子作用下，在結區(qū)及其附近就產生少數載流子(電子空穴對）。載流子在結區(qū)外時，靠擴散進入結區(qū)；在結區(qū)中時，則因電場E的作用，電子漂移到N區(qū)，空穴漂移到P區(qū)，結果使N區(qū)帶負電荷，P區(qū)帶正電荷，產生附加電動勢。此電動勢稱為光生電動勢，此現象稱為光生伏特效應。利用光生伏特效應制成的光電接收器件主要有光敏二極管、光敏晶體管和光電池。光生伏特效應是半導體材料的“結”效應41半導體置于磁場中．用激光輻射線垂直照射其表面，當光子能量足夠大時，在表面層內激發(fā)出光生載流子，在表面層和體內形成載流子的濃度梯度。于是光生載流子就向體內擴散，在擴散的過程中，由于磁場產生的洛倫茲力的作用，電子空穴對（載流子）偏向兩端，產生電荷積累，形成電位差，這就是光磁電效應。3）、光磁效應光磁電效應示意圖2.2光電檢測器件的物理基礎424）、光子牽引效應當光子與半導體中的自由載流子作用時，光子把動量傳遞給自由載流子，自由載流子將順著光線的傳播方向做相對于晶格的運動。結果，在開路的情況下，半導體樣品將產生電場，它阻止載流子的運動。這個現象被稱為光子牽引效應。利用光子牽引效應已經成功檢測了低頻大功率CO2激光器的輸出功率。CO2激光器輸出的波長（10.6μm）遠遠超過了激光器鍺窗材料的本征吸收波長限，不可能產生光電子發(fā)射，但是，激光器鍺窗的兩端會產生伏特電壓，迎光面帶正電，出光面帶負電。2.2光電檢測器件的物理基礎43光熱效應：材料受光照射后，光子能量與晶格相互作用，振動加劇，溫度升高，材料的性質發(fā)生變化．2.2光電檢測器件的物理基礎二、光熱效應熱釋電效應：介質的極化強度隨溫度變化而變化，引起電荷表面電荷變化的現象．

輻射熱計效應：入射光的照射使材料由于受熱而造成電阻率變化的現象．

差電效應：由兩種材料制成的結點出現穩(wěn)差而在兩結點間產生電動勢，回路中產生電流．44452.2光電檢測器件的物理基礎462.2光電檢測器件的物理基礎47482.2光電檢測器件的物理基礎49光電檢測器件的分類根據光輻射對光電檢測器件的作用形式不同，可以分為：1、熱電檢測器件：熱釋電檢測器，熱敏電阻，熱電偶和熱電堆等。特點為： 響應波長無選擇性 響應慢~毫秒以上2、光子檢測器件：光電管，光敏電阻，光電池等。特點為 響應波長有選擇性 響應快，一般為幾納秒到幾百微秒2.2光電檢測器件的物理基礎第二章光電檢測器件工作原理及特性半導體物理基礎光電檢測器件的物理基礎光電檢測器件的特性參數2-3光電檢測器件的特性參數

響應特性

噪聲特性

量子效率線性度工作溫度

52一、響應特性１．響應度（或稱靈敏度）是光電探測器輸出信號與輸入光功率之間關系的度量。描述的是光電探測器件的光電轉換效率。響應度隨入射光波長變化而變化；響應度分為：電壓響應度和電流響應度2.3光電檢測器件的特性參數53電壓響應度光電探測器件輸出電壓與入射光功率之比電流響應度光電探測器件輸出電流與入射光功率之比2.3光電檢測器件的特性參數54２．光譜響應度：探測器在波長為λ的單色光照射下，輸出電壓或電流與入射的單色光功率之比．對于包含各種波長的輻射光源，總光通量光電檢測器輸出的電流由不同波長的光輻射引起的，輸出光電流為：３．積分響應度：檢測器對各種波長光連續(xù)輻射量的反應程度．因此可以得到積分響應度：2.3光電檢測器件的特性參數55４．響應時間：響應時間τ是描述光電探測器對入射光響應快慢的一個參數。上升時間：入射光照射到光電探測器后，光電探測器輸出上升到穩(wěn)定值所需要的時間。下降時間：入射光遮斷后，光電探測器輸出下降到穩(wěn)定值所需要的時間。2.3光電檢測器件的特性參數56 為調制頻率為f時的響應率；為調制頻率為零時的響應率為時間常數（等于RC）５．頻率響應：光電探測器的響應隨入射光的調制頻率而變化的特性稱為頻率響應。

由于光電探測器信號產生和消失存在著一個滯后過程，所以入射光的調制頻率對光電探測器的響應會有較大的影響。2.3光電檢測器件的特性參數光電探測器響應率與入射調制頻率的關系57：上限截止頻率時間常數決定了光電探測器頻率響應的帶寬2.3光電檢測器件的特性參數58二、噪聲特性光電器件作為微弱輻射信號的探測器使用時，響應度并不能表達光電器件探測微弱輻射的能力。因為，當探測器與電子線路組合時，只要放大倍率足夠高，即使沒有輻射信號輸入，也可觀察到一些毫無規(guī)律和無法預測的電輸出（電壓或電流），稱為噪聲電壓（或電流）。光電探測器中的主要噪聲有以下幾種：熱噪聲散粒噪聲產生－復合噪聲1/f噪聲2.3光電檢測器件的特性參數59AB兩極間的電阻為R，在絕對溫度T的平衡態(tài)下，內部的電子處于不斷的熱運動中，無序的電子運動。如果從一個想象的截面S去看，任何一瞬間有些電子從左向右穿越S面，有些電子從右向左穿越S面。從時間平均來看，這兩種方向的電子數一定相等，因為AB之間沒有外電壓，不會有電流通過AB。但是考慮流過S面的電子數的均方偏差，則不為零。這樣在AB兩端就應出現一電壓漲落。1、熱噪聲60用熱噪聲電流表示為：熱噪聲與溫度成正比，并與頻率無關，說明噪聲是由各種頻率分量組成，就象白光是由各種波長的光組成一樣，所以熱噪聲又稱之為白噪聲。2.3光電檢測器件的特性參數但是考慮流過S面的電子數的均方偏差，則不為零。這樣在AB兩端就應出現一電壓漲落。瞬時電流擾動在導體兩端產生噪聲電壓，稱為熱噪聲電壓。其均方值為：61所有的探測器都有熱噪聲，如何減小熱噪聲的影響是光電探測系統的一個重要問題。降低探測器的工作溫度T在低溫工作的探測器其熱噪聲將大大減小，特別是一些響應于遠紅外波段的探測器，為了降低熱噪聲，將探測器置于液氦(4K)、液氮(77K)的深冷狀態(tài)。在信號不失真的條件下，壓縮工作頻帶。622、散粒噪聲光子隨機到達光電探測器所引起的光電流的隨機起伏稱為散粒噪聲。散粒噪聲電流的表達式為散粒噪聲也是白噪聲，與頻率無關，2.3光電檢測器件的特性參數與熱噪聲的區(qū)別：熱噪聲起源于熱平衡條件下電子的粒子性，即電荷的隨機運動，依賴于kT，而散粒噪聲直接起源于光的粒子性。熱噪聲屬電路中電阻的一項特性，設計者可對其進行某些控制，而散粒噪聲是光電探測器的固有特性，因此散粒噪聲不可能被消除。對大多數光電探測器來說，散粒噪聲具有支配地位。633、產生-復合噪聲光電器件因光激或熱激載流子和壽命的隨機性所引起的電流起伏叫產生－復合噪聲。這種噪聲與載流子產生的隨機性有關，還與載流子的復合時間即載流子壽命的隨機性有關。產生－復合噪聲電流的均方值為I為流過光電接收器件的平均電流；為載流子平均壽命；為載流子在光電探測器件兩電極間的平均漂移時間；f為頻率；△f為帶寬。上式表明，產生-復合噪聲與頻率有關，不是白噪聲。如果頻率低，滿足條件時，上式可簡化為：此時，產生-復合噪聲是白噪聲。2.3光電檢測器件的特性參數644、1/f噪聲因光敏層的微粒不均勻性或不必要的微量雜質存在，當電流流過時在微粒間發(fā)生微火花放電而引起的微電脈沖就是1/f噪聲的起源。其經驗公式為式中，K為比例系數，與元件制造工藝、電極接觸情況、表面狀態(tài)及尺寸有關；I為流過光電探測器的電流直流分量；α與流過元件的電流有關，通常α

＝2；β與元件材料的性質有關，其值在之間，大部分材料的值為1。由于這種噪聲與頻率f有近似倒數的關系，故稱為1/f噪聲，它在低頻區(qū)較大，故有時稱低頻噪聲。2.3光電檢測器件的特性參數65信噪比光電探測器件的輸出既有信號輻射產生的光電流IS，又有背景輻射噪聲和器件固有噪聲等產生的噪聲電流IN

。它們在負載電阻RL上產生的功率分別為Ps,PR

。將其功率比定義為器件的信噪比SNR:利用上式來評價兩種光電器件的性能時，必須在信號輻射功率相同的環(huán)境下才能比較。但是，對于單個光電器件，其噪聲比的大小與入射信號輻射功率及接收面積有關。如果入射輻射強，接收面積大，信噪比就大，但性能不一定就好。因此，用信噪比評價器件性能有一定的局限性。2.3光電檢測器件的特性參數66噪聲等效功率2.3光電檢測器件的特性參數定義：信號功率與噪聲功率之比為1，即