光電子技術課件第四章 光探測（下）

第四章光探測本章內容：§4-1光電探測器的物理效應；光子效應：外光電效應，內光電效應光熱效應

§4-2光電探測器的性能參數(shù)；積分靈敏度（響應度）R，光譜靈敏度Rλ，頻率靈敏度Rf，量子效率，通量閾Pth和噪聲等效功率NEP，探測度D與歸一化探測度D*§4-3光電探測器的噪聲；散粒噪聲，電阻熱噪聲，低頻噪聲（1/f噪聲）§4-4常用光電探測器簡介

一、外光電效應探測器(光電管、光電倍增管)

二、內光電效應探測器（光電導、光電池、光電二極管）

（一）光電導管（光敏電阻）

內光電效應探測器——光電導、光電池、光電二極管基于光電導效應——光照下改變自身的電導率（光照愈強,器件自身的電導率愈大）

1.光敏電阻的結構和偏置結構:一塊半導體。光敏電阻沒有極性，是一個純電阻器件。對N型材料,兩極間加電壓u時，產生的光電流為：設入射光功率為P,則,為量子效率.故光電流:M為光電導內部增益:光電流:光電流與光功率、電壓成正比，與l2成反比，故電極常做成梳狀，以減小極間距離l,而不減小光敏面積(保證一定的量子效率)從而增大光電流.2、光電導探測器工作特性(1)光譜響應特性S()由材料的能級結構決定,

受溫度影響較大。S()g硫化鉛硫化鉛硒化鎘硫化鎘(2)光照特性和伏安特性光照特性（光電特性）：呈非線性。線性伏安特性：照度越高,直線的斜率越大.虛線為允許功耗曲線，由此可確定光敏電阻正常工作電壓。

光照特性伏安特性(3)時間響應特性光敏電阻的響應時間由電流上升時間和衰減時間表示多數(shù)光敏電阻的響應時間都較長，因此不能用在要求快速響應的場合。（4）光敏電阻穩(wěn)定特性表現(xiàn)在：溫度系數(shù)（阻值隨溫度的變化率）在中等光照時較小。低溫環(huán)境下，響應速度變慢。0～+60℃時，響應速度幾乎不變.

允許功耗,隨著環(huán)境溫度的升高而降低。（5）噪聲特性不同頻段的噪聲成分不同。產生-復合噪聲（散粒噪聲）3、幾種典型的光敏電阻（1）CdS(硫化鎘)和CdSe（硒化鎘）

低造價、可見光輻射探測器.光電導增益比較高(103～104)，壽命長，但響應時間較長(大約50ms)（2）PbS（硫化鉛）

和InSb（銻化銦）

性能優(yōu)良的近紅外輻射探測器。（3）Hg0.2Cd0.8Te（碲鎘汞）探測器

響應波長為8～14μm,工作溫度77K，用液氮致冷,用于10.6μm的CO2激光的探測.（二）、光伏探測器——光電池、光電二極管1光伏探測器(PN結)的工作模式（1）光電轉換原理就光電流形成的過程而言，光伏探測器(PN結)和光電導探測器(一塊半導體)是類似的，光電流有相同的形式：

可證，對pn結光伏器件，電流內部增益M=1，上式變成：(2)光伏探測器的兩種工作模式光伏探測器等效為一個普通二極管與一個恒流源i并聯(lián),工作模式由外偏壓回路決定。光電池光電二極管光伏探測器的伏安特性為：注意:電流的正方向是p流入。第一象限:正偏,id>>i，作為光輻射探測器，沒有意義；第三象限:反偏,id＝is0很小,為暗電流(Ｐ＝０)，光電流i起重要作用，是光電導工作模式（這時外電路與光電導管相似——探測器為光電二極管；第四象限:零偏置，電流為負(從p流出)，探測器相當于一個電源，稱為光伏工作模式——探測器為光電池。２光電池——太陽電池光電池的用途：光電探測器件，電源(太陽能電池)光電池的分類：按材料分：硅、硒、硫化鎘、

砷化鎵和無定型材料光電池。按結構分：有同質結和異質結光電池。最典型的是同質結硅光電池。同質結硅光電池按襯底材料分：2CR系列和2DR系列。2CR系列：以N型硅為襯底，P型硅為受光面的光電池。2CRipnupniE（1）短路電流和開路電壓短路電流——RL=0，則u=0,由（4-102）得:光電池的短路電流與光功率成線性關系。光電池作為測量元件時，負載電阻應盡量取得小些，使之滿足“短路”條件,從而使光電池成為線性元件.（1）短路電流和開路電壓短路電流——RL=0，則u=0,開路電壓——RL=∞,i=0,開路電壓與光功率成非線性關系.(2)輸出功率和最佳負載電阻

短路和開路是光電池兩種極端的工作狀態(tài),無功率輸出.當負載既不短路又不開路時,硅光電池就有功率輸出,且存在最大輸出功率和最佳負載電阻.過短路電流和開路電壓作切線,交于Q,則OQ為是最佳負載線。（3）光電池的主要特性1）光照靈敏度2）光電轉換效率=10～15指最大輸出功率與輸入光功率的比值：3）光譜響應特性指一定照度下，光電池的短路電流(或靈敏度)隨入射光波長變化關系。光譜響應4）頻率響應特性

光電池的結面積大，所以結電容大，頻率響應慢。（類似于光敏電阻）注：減小負載電阻可改善頻率特性，響應時間RLCj，截止頻率fc=1/2.5)溫度特性

強光照射或聚光照射時，須散熱,Si光電池溫度＜125℃。(Si結溫度超過200oC,會破壞晶體結構）（4）、光電池的應用1）用光電池作為光探測器光電池的輸出功率小，不能直接帶負載進行檢測，所以光電池的輸出信號要通過功率放大電路放大。-10V10VV04V2）太陽能電源裝置通常是將很多光電池通過串、并聯(lián)組成光電池組，并與畜電池組裝在一起,以便實現(xiàn)24小時晝夜工作。通過串聯(lián)提高電壓，通過并聯(lián)多個串聯(lián)組獲得大的輸出電流。3、光電二極管(PD)是反偏電壓pn結。光電池相比：結面積小，因此它的頻率特性特別好。但輸出電流小，

一般為數(shù)微安到數(shù)十微安。按材料分：硅、砷化稼、銻化錮、鈰化鉛光電二極管按結構分：同質結與異質結。最典型的是同質結硅光電二極管。環(huán)極作用是把SiO2感應出來的電子及時引向電源正極，不經過負載，從而減少暗電流和噪聲。不用則斷開.1）結構與偏置:

2CU系列以N-Si為襯底，兩個引出線;2DU系列以P-Si為襯底,三條引出線,設了一個環(huán)極.2CU2DU（1）Si光電二極管2）光譜響應特性光譜響應范圍：0.41.1m在峰值波長0.9m附近,電流靈敏度R0.4(A/W)(注:圖4-31為相對光譜靈敏度S,在0.9附近,S=1)S伏安特性曲線：用橫軸表示反向電壓,縱軸表示反向電流,右圖為實測伏安特性曲線。i/μA反向偏壓/V3）伏安特性與光電特性:光功率（光照度）一定，光生電流基本不隨電壓而變解釋:光電二極管均反向應用(u<0)，且通常|u|>>kT/e，所以，指數(shù)項為零，即:i/μA反向偏壓/V光電特性（光照特性）曲線：如果固定偏壓V，測出光電流與光功率成線性關系。下圖為實測光照特性曲線.-6V偏置0V偏置光照度/lxi/μA4）頻率響應特性光電二極管頻率特性是半導體光電器件中較好的一種（即截止頻率大，響應時間?。?適宜于快速變化的光信號探測。光電二極管多用于快速測量，對應著高頻應用，噪聲主要是散粒噪聲和熱噪聲.5）噪聲特性（2）PIN硅光電二極管

PIN管是在P型半導體和N型半導體之間夾著一層（相對）很厚的本征半導體I。PINPIN光電二極管PINPIN光電二極管引入I層本征半導體的作用：

1）本征層I電阻率大，使暗電流明顯減小。

2）響應時間從10-7s量級提高至10-9s量級，測量帶寬可達10GHz，適用于光通信及快速自動控制領域。3）耗盡層的厚度增加，加大了靈敏體積，有利于量子效率的提高和光譜響應范圍的擴展，尤其是向長波區(qū)的擴展更有價值。引入I層本征半導體的負面影響：

I層電阻很大，管子的輸出電流小，一般多為零點幾微安至數(shù)微安。目前有將PIN管與前置運算放大器集成在同一硅片上并封裝于一個管殼內的商品出售。（3）雪崩光電二極管（APD）PIN型光電二極管具有快得多響應速度，但增益低。所以，發(fā)展了雪崩型光電二極管，它既響應快，又具有高的增益（接近光電倍增管）。雪崩二極管的結構和普通二極管的類似，只是在p-n結區(qū)增加了一個保護環(huán)(Zn環(huán))，以提高p-n結的反向擊穿電壓。（光電二極管：幾十伏雪崩二極管：幾百伏）雪崩二極管的工作原理：

施加接近反向擊穿電壓的反向偏置電壓(幾百伏)，使耗盡區(qū)的強電場達105伏/厘米；光生電子在強電場加速下，獲得高動能，當與晶格發(fā)生碰撞時，使晶格電離形成二次電子。二次電子再被強電場加速，再次與晶格碰撞，使其電離產生二次電子，這個過程繼續(xù)下去，稱為雪崩過程，雪崩過程使電子數(shù)劇增，產生大的增益。雪崩二極管不僅靈敏度高，也是目前響應速度最快的一種光電二極管。噪聲大是這種管子的主要缺點。噪聲主要是散粒噪聲（與增益M有關）和熱噪聲（與溫度有關）。光電倍增因子定義為倍增光電流與未倍增光電流之比：式中VB為反向擊穿電壓，n為1-3的常數(shù)，與材料和波長有關當V接近VB時，G很大，但這時暗電流大，噪聲嚴重，所以實際應用中的偏壓V要適當。光敏電阻、光電池、光電二極管(PD,PIN,APD)的偏置及性能比較：光敏電阻光電池光電二極管偏置任意零偏置反向偏置光電特性i-P非線性線性線性伏安特性i-v線性非線性(第四象限)非線性(第三象限)頻率特性R-f慢，fc低慢，fc低快，fc高噪聲特性散粒，熱噪聲，1/f散粒，熱噪聲，1/f散粒，熱噪聲(雪崩管最大)-6V偏置0V偏置光照度/lxi/μA1.典型的光敏電阻有哪幾種？簡述它們各自的特征。

2.結合光伏探測器的伏安特性曲線，分析光伏探測器的兩種工作模式。3.根據光電池的伏安特性公式：計算光電池的短路電流isc與開路電壓uoc。4.簡述PIN光電二極管中I層本