第二章第二章 光电检测器件工作原理及特性光电检测器件工作原理及特性2.1 2.1 光电检测器件的物理基础光电检测器件的物理基础 1 1、光电导效应、光电导效应 2 2、杂质光电导效应、杂质光电导效应 3 3、光生伏特效应、光生伏特效应 4 4、光热效应、光热效应2.2 2.2 光电检测器件的特性参数光电检测器件的特性参数12.12.1光电检测器件的物理基础光电检测器件的物理基础 -光电效应和光热效应光电效应和光热效应 光电导效应、光生伏特效应和光热效应光电导效应、光生伏特效应和光热效应光电导效应、光生伏特效应和光热效应光电导效应、光生伏特效应和光热效应光电效应：物质受光照射后，材料电学性质发生了变化（发射电子、电导率的改变、光电效应：物质受光照射后，材料电学性质发生了变化（发射电子、电导率的改变、产生感生电动势）现象。产生感生电动势）现象。 包括：包括： 外光电效应：外光电效应：外光电效应：外光电效应：产生电子发射产生电子发射 内光电效应：内光电效应：内光电效应：内光电效应：内部电子能量状态发生变化内部电子能量状态发生变化22.1.1 2.1.1 光电导效应光电导效应光电导效应：光照射的物质电导率发生改变，光照变化引起材料电导率变化。是光电光电导效应：光照射的物质电导率发生改变，光照变化引起材料电导率变化。是光电导器件工作的基础。导器件工作的基础。 物理本质：物理本质：光照到半导体材料时，晶格原子或杂质原子的束缚态电子吸收光子能量并光照到半导体材料时，晶格原子或杂质原子的束缚态电子吸收光子能量并光照到半导体材料时，晶格原子或杂质原子的束缚态电子吸收光子能量并光照到半导体材料时，晶格原子或杂质原子的束缚态电子吸收光子能量并被激发为传导态自由电子，引起材料载流子浓度增加，因而导致材料电导率增大。被激发为传导态自由电子，引起材料载流子浓度增加，因而导致材料电导率增大。被激发为传导态自由电子，引起材料载流子浓度增加，因而导致材料电导率增大。被激发为传导态自由电子，引起材料载流子浓度增加，因而导致材料电导率增大。 属于内光电效应。属于内光电效应。 包括：包括： 本征和非本征两种，对应本征和杂质半导体材料。本征和非本征两种，对应本征和杂质半导体材料。31 1、本征光电导效应、本征光电导效应本征光电导效应：是指本征半导体材料发生光电导效应。本征光电导效应：是指本征半导体材料发生光电导效应。 即：光子能量即：光子能量hvhv大于材料禁带宽度大于材料禁带宽度E Eg g的入射光，才能激光出电子空穴对，使材料产生光电导效的入射光，才能激光出电子空穴对，使材料产生光电导效应。针对本征半导体材料。即：应。针对本征半导体材料。即： hvEhvEg g即存在截止波长：即存在截止波长： 0 0=hc/E=hc/Eg g=1.24/E=1.24/Eg g。基本概念：基本概念：1、稳态光电流：、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 4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U52 2、光电导弛豫过程、光电导弛豫过程 光电导效应是非平衡载流子效应，光电导效应是非平衡载流子效应，因此存在一定的弛豫现象，即光电导因此存在一定的弛豫现象，即光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流材料从光照开始到获得稳定的光电流需要一定的时间。同样光电流的消失需要一定的时间。同样光电流的消失也是逐渐的。弛豫现象说明了光电导也是逐渐的。弛豫现象说明了光电导体对光强变化的反应快慢程度，称为体对光强变化的反应快慢程度，称为惰性。惰性。EtOi(%)tO1006337rf矩形光脉矩形光脉冲冲光电导对光强变化反应的惰性引起光电流变化的延迟 输出光电流与光功率调制频率变化关系是一低通特性。63 3、光电导增益、光电导增益光电导增益是表征光电导器件特性的一个重要参数，表示长度为L的光电导体在两端加上电压U后，由光照产生的光生载流子在电场作用下形成的外电流与光生载流子在内部形成的光电流之比。可表示为:M=/dr 为器件的时间响应 dr为载流子在两极间的渡越时间光电导器件常做成梳状电极，光敏面做成蛇形，即保证了较大的受光表面，又可减小电极间距离，从而减小载流子的有效极间渡越时间，也利于提高灵敏度光电导器件的光电导增益与带宽积为一常数，即Mf=常数。表明，光电导增益越大，光电灵敏度越高，而器件的带宽越低。反之亦然。这一结论对光电效应现象有普遍性。72.1.2 杂质光电导效应：杂质半导体杂质半导体中施主或受主吸收光子能量后电离中，产生自由电子或空穴，从而增加材料电导率的现象。杂质半导体禁带宽度比本征小很多，因此更容易电离，响应波长比本征材料要长得多。用EI表示杂质半导体的电离能，则截止波长：0=hc/EI。 特点：容易受热激发产生的噪声的影响，常工作在低温状态。常用光电导材料：硅Si、锗Ge及掺杂的半导体材料，以及一些有机物。82.1.3 光生伏特效应达到内部动态平衡的半导体PN结，在光照的作用下，在PN结的两端产生电动势，称为光生电动势。这就是光生伏特效应。也称光伏效应。物理本质：PN结内建电场使得载流子（电子和空穴）的扩散和漂移运动达到了动态的平衡，在光子能量大于禁带宽度的光照的作用下，激光出的电子空穴对打破原有平衡，靠近结区电子和空穴分别向N区和P区移动，形成光电流，同时形成载流子的积累，内建电场减小，相当于在PN加了一个正向电压。即光生电动势。9IpPN_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）电压产生正向注入电流（由光生（正向）电压产生正向注入电流（由P指指N）：）： I+=Isexp(qV/kT)-1I+10当当PNPN结外接回路时，总电流与光生电流和结电流之间关系：结外接回路时，总电流与光生电流和结电流之间关系： I=II=Ip p-I-I+ +=I=Ip p-I-Is sexp(qV/kT)-1exp(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=(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：V Voc oc =(kT/q)ln (Ip/Is+1) 可见可见V Vococ与与I Ip p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：I Iscsc=I=Ip p=q=q/h/h=P=P没有光照时，没有光照时，I Ip p=0=0，外加正向电压为，外加正向电压为V V时，有时，有I I+ +=I=Is sexp(qV/kT)-1exp(qV/kT)-1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。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应速度。11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。晶格相互作用使其运动加剧，造成温度的升高，从而引起物质相关电学特性变化。2.1.4 光热效应可分为可分为:热释电效应、辐射热计效应及温差电效应热释电效应、辐射热计效应及温差电效应1 1、 热释电效应热释电效应 介质温度在光照作用下温度发生变化，介质的极化强度随温度变化而变化，引起表面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。电荷变化的现象。12 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。13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。142 2、 辐射热计效应辐射热计效应入射光照射材料由于受热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，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。153 3、 温差电效应温差电效应 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b162.2 2.2 光电检测器件的特性参数光电检测器件的特性参数 光电检测器件利用特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）一、分类17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：18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19二、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。203、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。214、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矩形光脉矩形光脉冲冲入入射射光光tOrfI光光tO10.10.9225、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236、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：？=4kTRf ？=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。247、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： ？=2qIDCf 其中IDC为流过器件电流的直流分量（平均值）,q为电子电荷， 散粒噪声也属于白噪声。258、信噪比（S/N）： 信噪比是判断噪声大小通常使用的参数。它是在负载电阻RL上产生的信号功率与噪声功率比。 S/N=PS/PN=IS2RL/IN2RL=IS2/IN2用分贝（dB）表示： （S/N)dB=10lg(IS2/IN2)=20lg(IS/IN) S/N的大小与入射信号辐射功率及接收面积有关，入射辐射强，接收面积大，则S/N就大。但性能不一定就好，对两种光电器件只有在相同信号辐射功率相同情况下才能比较。269、线性度（非线性误差）： 线性度是描述光电检测器输出信号与输入信号保持线性关系的，即在规定范围内，光电检测器的输出电量正比于输入光量的性能。光电检测器件的响应度是常数的范围称为线性区。=max/I2-I1实线为实际响应曲线虚线为拟合直线IOI2I1光电检测器线性区的大小与检测器后电子线路有很大关系：线性区的下限一般由光电器件的暗电流和噪声因素决定，上限由饱和效应或过载决定。还随偏置、辐射调制及调制频率等条件的变化而变化。2710、工作温度： 光电检测器的工作温度是最佳工作状态时的温度，是光电检测器重要的性能参数之一。 光电检测器工作温度不同，工作性能将会有所变化。 例如HgCdTe（汞镉碲）检测器在液氮温度时，有较高的信噪比，而锗掺铜光电导器件在4K左右时，有较高的信噪比；如果温度升高，它们的性能会逐渐变差，以致无法使用。 又如InSb（锑化铟）器件，工作温度在300K，长波限为7.5um，峰值波长在6um，工作温度为77K时，长波限为5.5um，峰值波长为5um，变化明显。 对于热电检测器，环境检测工作温度变化会使响应度和热噪声发生变化，28作业思考题作业思考题简述光生伏特效应的工作原理，为什么为伏效应器件比光电导效应器件有更快的简述光生伏特效应的工作原理，为什么为伏效应器件比光电导效应器件有更快的响应速度。响应速度。比较光电效应和光热效应在作用机理、性能及应用特点等方面的差异。比较光电效应和光热效应在作用机理、性能及应用特点等方面的差异。29