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2.1光電檢測器件的物理基礎(chǔ)1、光電導(dǎo)效應(yīng)2、雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)3、光生伏特效應(yīng)4、光熱效應(yīng)2.2光電檢測器件的特性參數(shù)2.1光電檢測器件的物理基礎(chǔ)

----光電效應(yīng)和光熱效應(yīng)

光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)和光熱效應(yīng)光電效應(yīng)：物質(zhì)受光照射后，材料電學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化（發(fā)射電子、電導(dǎo)率的改變、產(chǎn)生感生電動勢）現(xiàn)象。

包括：外光電效應(yīng)：產(chǎn)生電子發(fā)射內(nèi)光電效應(yīng)：內(nèi)部電子能量狀態(tài)發(fā)生變化2.1.1光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)：光照射的物質(zhì)電導(dǎo)率發(fā)生改變，光照變化引起材料電導(dǎo)率變化。是光電導(dǎo)器件工作的基礎(chǔ)。

物理本質(zhì)：光照到半導(dǎo)體材料時，晶格原子或雜質(zhì)原子的束縛態(tài)電子吸收光子能量并被激發(fā)為傳導(dǎo)態(tài)自由電子，引起材料載流子濃度增加，因而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率增大。屬于內(nèi)光電效應(yīng)。

包括：本征和非本征兩種，對應(yīng)本征和雜質(zhì)半導(dǎo)體材料。1、本征光電導(dǎo)效應(yīng)本征光電導(dǎo)效應(yīng)：是指本征半導(dǎo)體材料發(fā)生光電導(dǎo)效應(yīng)。

即：光子能量hv大于材料禁帶寬度Eg的入射光，才能激光出電子空穴對，使材料產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)。針對本征半導(dǎo)體材料。即：hv>Eg即存在截止波長：λ0=hc/Eg=1.24/Eg?；靖拍睿?、穩(wěn)態(tài)光電流：穩(wěn)定均勻光照2、暗電導(dǎo)率和暗電流3、亮電導(dǎo)率和亮電流4、光電導(dǎo)和光電流基本公式：暗電導(dǎo)率Gd=σdS/L暗電流Id=σdSU/L亮電導(dǎo)率Gl=σlS/L亮電流Il=σlSU/L光電導(dǎo)Gp=ΔσS/L光電流Ip=ΔσSU/L光電導(dǎo)效應(yīng)示意圖LS本征半導(dǎo)體樣品光U2、光電導(dǎo)弛豫過程

光電導(dǎo)效應(yīng)是非平衡載流子效應(yīng)，因此存在一定的弛豫現(xiàn)象，即光電導(dǎo)材料從光照開始到獲得穩(wěn)定的光電流需要一定的時間。同樣光電流的消失也是逐漸的。弛豫現(xiàn)象說明了光電導(dǎo)體對光強變化的反應(yīng)快慢程度，稱為惰性。EtOi(%)tO1006337τrτf矩形光脈沖光電導(dǎo)對光強變化反應(yīng)的惰性引起光電流變化的延遲輸出光電流與光功率調(diào)制頻率變化關(guān)系是一低通特性。3、光電導(dǎo)增益光電導(dǎo)增益是表征光電導(dǎo)器件特性的一個重要參數(shù)，表示長度為L的光電導(dǎo)體在兩端加上電壓U后，由光照產(chǎn)生的光生載流子在電場作用下形成的外電流與光生載流子在內(nèi)部形成的光電流之比?？杀硎緸?M=τ/τdr

τ為器件的時間響應(yīng)

τdr為載流子在兩極間的渡越時間光電導(dǎo)器件常做成梳狀電極，光敏面做成蛇形，即保證了較大的受光表面，又可減小電極間距離，從而減小載流子的有效極間渡越時間，也利于提高靈敏度光電導(dǎo)器件的光電導(dǎo)增益與帶寬積為一常數(shù)，即MΔf=常數(shù)。表明，光電導(dǎo)增益越大，光電靈敏度越高，而器件的帶寬越低。反之亦然。這一結(jié)論對光電效應(yīng)現(xiàn)象有普遍性。2.1.2雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)：雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體中施主或受主吸收光子能量后電離中，產(chǎn)生自由電子或空穴，從而增加材料電導(dǎo)率的現(xiàn)象。

雜質(zhì)半導(dǎo)體禁帶寬度比本征小很多，因此更容易電離，響應(yīng)波長比本征材料要長得多。用EI表示雜質(zhì)半導(dǎo)體的電離能，則截止波長：λ0=hc/EI。

特點：容易受熱激發(fā)產(chǎn)生的噪聲的影響，常工作在低溫狀態(tài)。

常用光電導(dǎo)材料：硅Si、鍺Ge及摻雜的半導(dǎo)體材料，以及一些有機物。2.1.3光生伏特效應(yīng)達到內(nèi)部動態(tài)平衡的半導(dǎo)體PN結(jié)，在光照的作用下，在PN結(jié)的兩端產(chǎn)生電動勢，稱為光生電動勢。這就是光生伏特效應(yīng)。也稱光伏效應(yīng)。物理本質(zhì)：PN結(jié)內(nèi)建電場使得載流子（電子和空穴）的擴散和漂移運動達到了動態(tài)的平衡，在光子能量大于禁帶寬度的光照的作用下，激光出的電子空穴對打破原有平衡，靠近結(jié)區(qū)電子和空穴分別向N區(qū)和P區(qū)移動，形成光電流，同時形成載流子的積累，內(nèi)建電場減小，相當于在PN加了一個正向電壓。即光生電動勢。IpPN____VDV+光照PNEcEvEFeVD無光照有光照PNEcEvEFeVD-eV形成過程：空穴電子光生（正向）電壓產(chǎn)生正向注入電流（由P指N）：I+=Is[exp(qV/kT)-1]I+當PN結(jié)外接回路時，總電流與光生電流和結(jié)電流之間關(guān)系：I=Ip-I+=Ip-Is[exp(qV/kT)-1]負載接入外回路，電流為I，則PN結(jié)兩端電壓為：V=(kT/q)ln[(Ip-I)/Is+1]

PN結(jié)開路時，I=0，求得開路電壓：Voc=(kT/q)ln(Ip/Is+1)

可見Voc與Ip為非線性關(guān)系。PN結(jié)短路，V=0，求得短路電流即光電流：Isc=Ip=qη/hν=P沒有光照時，Ip=0，外加正向電壓為V時，有I+=Is[exp(qV/kT)-1]注意：光伏效應(yīng)與光照相聯(lián)系的是少數(shù)載流子的行為，少數(shù)載流子的壽命通常很短。所以以光伏效應(yīng)為基礎(chǔ)的檢測器件比以光電導(dǎo)效應(yīng)為基礎(chǔ)的檢測器件有更快的響應(yīng)速度。與光電效應(yīng)的區(qū)別：光電效應(yīng)中，光子能量直接變?yōu)楣怆娮拥哪芰?，光熱效?yīng)中，光能量與晶格相互作用使其運動加劇，造成溫度的升高，從而引起物質(zhì)相關(guān)電學(xué)特性變化。2.1.4光熱效應(yīng)可分為:熱釋電效應(yīng)、輻射熱計效應(yīng)及溫差電效應(yīng)1、熱釋電效應(yīng)

介質(zhì)溫度在光照作用下溫度發(fā)生變化，介質(zhì)的極化強度隨溫度變化而變化，引起表面電荷變化的現(xiàn)象。

物理本質(zhì)：極化晶體極化晶體：在外電場和應(yīng)力為零情況下自身具有自發(fā)極化的晶體，原因是內(nèi)部電偶極矩不為零，表面感應(yīng)束縛電荷。+-+-+-+-+-+-______P(T1)P(T2)+-+-+-+-+-+-___j工作溫度T1（左）和工作溫度T2>T1（右）極化晶體表面束縛電荷，被周圍自由電荷不斷中和，表面無電荷。光照時，晶體溫度升高，電偶極子熱運動加劇，極化強度減弱，表面感應(yīng)電荷數(shù)減小，但中和過程（達數(shù)秒）要遠大于極化強度的響應(yīng)過程（10-12s），相當于釋放了一些電荷，對外表面為電流?？梢栽谶@些電荷被中和之間測量到。熱釋電現(xiàn)象中：溫度對自發(fā)極化強度的影響。TcPTOTcPTO極化晶體的極化強度與溫度T的關(guān)系：一級相變（左）和二極相變（右）隨著溫度的升高，自發(fā)極化強度越來越弱，當達到一定溫度時，自發(fā)極化強度為零，極化晶體發(fā)生相變?yōu)榉菢O化晶體。2、輻射熱計效應(yīng)入射光照射材料由于受熱而造成電阻率變化的現(xiàn)象稱為輻射熱計效應(yīng)。由溫度引起電阻率變化。阻值與溫度變化關(guān)系：ΔR=αTRΔTαT為電阻溫度系數(shù)R為元件電阻當溫度變化足夠小時，αT=1/R*dR/dT對金屬材料，R=BT，則αT=1/T，呈反比關(guān)系。對半導(dǎo)體材料，R與T具有指數(shù)關(guān)系，則αT=-B/T2。說明溫度越高，電阻溫度系數(shù)越小。B為常數(shù)，典型值3000K。3、溫差電效應(yīng)由兩種不同材料制成的結(jié)點由于受到某種因素作用而出現(xiàn)了溫差，就有可能在兩結(jié)點間產(chǎn)生電動勢，回路中產(chǎn)生電流，這就是溫差電效應(yīng)。當有光照結(jié)點產(chǎn)生溫度變化就會產(chǎn)生溫差電現(xiàn)象。另外，如果在圖中x，y處接一電動勢，導(dǎo)體中產(chǎn)生電流，兩個接點1和2處就會出現(xiàn)一個吸熱一個放熱的現(xiàn)象。吸（放）熱速率：dθp/dt=πI，π稱為帖耳帖系數(shù)xyT1T212導(dǎo)體a導(dǎo)體b2.2光電檢測器件的特性參數(shù)

光電檢測器件利用特質(zhì)的光電效應(yīng)把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件，它的性能對光電檢測系統(tǒng)影響很大。根據(jù)工作機理的不同，可分為光子檢測器件和熱電檢測器件。熱電檢測器件熱釋電檢測器（熱釋電效應(yīng)）熱敏電阻（輻射熱計效應(yīng)）熱電偶和熱電堆（溫差電效應(yīng)）一、分類光子檢測器件電真空或光電發(fā)射型檢測器件固體或半導(dǎo)體光電檢測器件光電管光電倍增管光導(dǎo)型：光敏電阻光伏型：光電池光電二、三極管光子檢測器件（即通常意義上的光電檢測器件）分類：熱敏檢測器件的特點：1、響應(yīng)波長無選擇性。對各種波長具有相同的敏感性。2、響應(yīng)慢。即吸收輻射后產(chǎn)生信號所需時間長，在毫秒量級光子檢測器件的特點：1、響應(yīng)波長有選擇性。存在截止波長。2、響應(yīng)快。一般為納秒到幾百微秒二、特性參數(shù)1、響應(yīng)度（或稱靈敏度）S電壓響應(yīng)度：SV=Vo/Pi電流響應(yīng)度：SI=Io/Pi其中：Vo和Io分別為光電檢測器輸出電壓和輸出電流。P為入射光功率（或用通量Φ表示）。2、光譜響應(yīng)度S(λ)光譜響應(yīng)度：S(λ)=Vo/Φ(λ)

(V/W)S(λ)=Io/Φ(λ)

(A/W)Φ(λ)為入射的單色輻射通量或光通量。3、積分響應(yīng)度S：

表示檢測器對各種波長的輻射光連續(xù)輻射通量的反應(yīng)程度，光電檢測器件輸出的電流或電壓與入射光通量之比。各種輻射波長的總光通量為：Φ=?不同波長光輻射引導(dǎo)的總輸出光電流Io=?則積分響應(yīng)度S=？

式中λ0和λ1分別為光電檢測器的長波限和短波限。4、響應(yīng)時間τ：

響應(yīng)時間是描述光電檢測器對入射輻射響應(yīng)快慢的參數(shù)。即入射光輻射到檢測器后或入射光被遮斷后，光電檢測器件輸出上升到穩(wěn)定值或下降到照射前的值所需要的時間。當一個輻射脈沖照射光電檢測器時，如果這個脈沖上升和下降時間很短，則光電檢測器由于惰性而有延遲。上升時間τr和下降時間τf矩形光脈沖入射光tOτrτfI光tO10.10.95、頻率響應(yīng)S(f)：

由于光電檢測器信號的產(chǎn)生和消失存在著一個滯后過程，所以入射光輻射的頻率對光電檢測器的響應(yīng)將有很大的影響，把光電檢測器的響應(yīng)隨入射輻射的調(diào)制頻率而變化的特性稱為頻率響應(yīng)。利用時間常數(shù)可得到頻率響應(yīng)關(guān)系：S(f)=S0/[1+(2πfτ)2]1/2

S0為頻率是零時的響應(yīng)度；τ為時間常數(shù)。

可求得放大器的上限截止頻率：f上=1/2πτ=1/2πRC

可見：光電檢測器電路時間常數(shù)決定了頻率響應(yīng)帶寬6、熱噪聲：

當入射輻射功率很低時，輸出只是些雜亂無章的變化信號，無法肯定是否為入射輻射信號，這是檢測器固有的噪聲引起的。其時間平均值為零，但均方根不等于零，即存在瞬時電流擾動。這個均方根電壓（或電流）即為噪聲電壓（流）。熱噪聲是由載流子無規(guī)則運動造成的。熱噪聲電壓和電流均方值為：？=4kTRΔf？=4kT(Δf/R)

其中R為導(dǎo)體電阻，k為玻耳茲曼常數(shù)，T為導(dǎo)體的熱力學(xué)溫度，Δf為測量系統(tǒng)的噪聲帶寬。熱噪聲存在于任何電阻中，與溫度成正比，與頻率無關(guān)，說明熱噪聲是由各種頻率分量組成，可稱為白噪聲。7、散粒噪聲：

或稱散彈噪聲，即穿越勢壘的載流子的隨機漲落（統(tǒng)計起伏）所造成的噪聲。理論表明，在每個時間段內(nèi)，穿越勢壘區(qū)的載流子數(shù)或從陰極到陽極的電子數(shù)都在一個平均值上下起伏。這種起伏引起的均方噪聲電流為：？=2qIDCΔf其中IDC為流過器件電流的直流分量（平均值）,q為電子電荷，

散粒噪聲也屬于白噪聲。8、信噪比（S/N）：

信噪比是判斷噪聲大小通常使用的參數(shù)。它是在負載電阻RL上產(chǎn)生的信號功率與噪聲功率比。

S/N=PS/PN=IS2RL/IN2RL=IS2/IN2用分貝（dB）表示：（S/N)dB=10lg(IS2/IN2)=20lg(IS/IN)

S/N的大小與入射信號輻射功率及接收面積有關(guān)，入射輻射強，接收面積大，則S/N就大。但性能不一定就好，對兩種光電器件只有在相同信號輻射功率相同情況下才能比較。9、線性度（非線性誤差δ）