第三章 探測(cè)器

3.3光探測(cè)器性能參數(shù)光電特性和光照特性光電特性——當(dāng)光電器件上的電壓一定時(shí)，光電流與入射在光電器件上的光通量之間的關(guān)系。光照特性——光電流與入射在光電器件上的光照度之間的關(guān)系。線性度——探測(cè)器的輸出光電流與輸入光的輻射通量成比例的程度和范圍。線性區(qū)的下限由暗電流和噪聲等因素決定，而上限通常由飽和效應(yīng)可過載決定。（2）光譜特性光譜響應(yīng)度：就是指不同波長處的響應(yīng)能力，又稱為光譜靈敏度。如果探測(cè)器對(duì)波長為λ的光輻射通量Φ產(chǎn)生的輸出電流為Ip，則其光譜響應(yīng)度為：類似有：光電流或輸出電壓與入射光波長之間的關(guān)系。

積分靈敏度指的是在一定條件下，單位光（輻射）量所產(chǎn)生的光電流（電壓）大小。

由于各種器件使用的范圍及條件不一致，因此靈敏度有各種不同的表示法。A/lmorA/WorV/W。光譜靈敏度與積分響應(yīng)度的關(guān)系：光譜響應(yīng)特性曲線光譜響應(yīng)曲線：或~相對(duì)光譜響應(yīng)曲線：最大值歸一化為1；峰值波長：響應(yīng)率最大值所對(duì)應(yīng)的波長；截止波長：響應(yīng)率下降到最大值的一半所對(duì)應(yīng)的波長；它表示探測(cè)器適用的波長范圍。(3)

等效噪聲功率和探測(cè)率探測(cè)器無信號(hào)輸入時(shí)，也會(huì)有噪聲輸出。若假設(shè)此有效噪聲值是相當(dāng)功率的輸入信號(hào)造成的，則此功率值可作為探測(cè)器的噪聲水平的衡量。是可測(cè)的信號(hào)功率最小值；是單位信噪比的入射光功率；NEP越小，探測(cè)器越靈敏。用NEP的倒數(shù)作為衡量探測(cè)器最小可探測(cè)能力的參數(shù)，是單位入射功率相應(yīng)的信噪比，并稱之為探測(cè)度，用D來表示：

為了便于對(duì)不同面積和不同工作帶寬的器件進(jìn)行比較，因此引入歸一化探測(cè)率D*（比探測(cè)率），其值為

式中：A為器件接收面積，Δf為工作帶寬。

D越高，探測(cè)器的靈敏度越高，性能越好。（4）響應(yīng)時(shí)間探測(cè)器對(duì)變化信號(hào)響應(yīng)快慢的能力。當(dāng)光輻射突然照射或消失時(shí)，探測(cè)器的輸出信號(hào)不會(huì)立即到達(dá)最大值或下降為零，而是出現(xiàn)變化緩慢的上升沿和下降沿。上升或下降的時(shí)間就是弛豫時(shí)間，或稱為響應(yīng)時(shí)間或時(shí)間常數(shù)（惰性）。這種弛豫現(xiàn)象表現(xiàn)了光電探測(cè)器對(duì)光強(qiáng)變化反應(yīng)的快慢。對(duì)周期變化的光強(qiáng)，光電器件的弛豫時(shí)間如果比周期長得多，那么就不能反映光強(qiáng)的變化。實(shí)際器件的響應(yīng)都具有滯后現(xiàn)象（惰性）。起始弛豫（上升時(shí)間）定義為響應(yīng)值上升至穩(wěn)定值時(shí)所需的時(shí)間，此值約為63%；衰減弛豫（下降時(shí)間）定義為響應(yīng)值下降至穩(wěn)定值的時(shí)所需的時(shí)間，此值約為37%。這些上升或下降的時(shí)間就表示了器件惰性的大小。0.370.631上升時(shí)間下降時(shí)間（5）探測(cè)器的探測(cè)能力噪聲N：除探測(cè)信號(hào)之外的測(cè)量值。信噪比：為了提高信噪比，可增大信號(hào)值或減小噪聲大小。)(tunt0顯然，無法用預(yù)先確知的時(shí)間函數(shù)來描述它。長時(shí)間看，噪聲電壓從零向上漲和向下落的機(jī)會(huì)是相等的，其時(shí)間平均值一定零。所以用時(shí)間平均值無法描述噪聲大小。然而，噪聲本身是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，所以能用統(tǒng)計(jì)的方法來描述。按噪聲產(chǎn)生的原因，可分為以下幾類：

1、外部原因(干擾)：人為噪聲；

自然噪聲。

通過屏蔽、遮光、背景扣除等手段減少

2、內(nèi)部原因(噪聲)：熱噪聲；散粒噪聲；暗電流噪聲；產(chǎn)生－復(fù)合噪聲；1/f噪聲；溫度噪聲；量子（輻射）噪聲；放大器噪聲。幾種常見噪聲的產(chǎn)生原因及其表示方法⒈熱噪聲：熱噪聲是由導(dǎo)體或半導(dǎo)體中載流子隨機(jī)熱激發(fā)的波動(dòng)而引起的無偏壓下的起伏電動(dòng)勢(shì)、或起伏電流。[注意]：熱噪聲雖然是溫度T的函數(shù)，但并不是溫度變化引起的溫度噪聲。

屬于“白噪聲”。即：熱噪聲的大小與頻率的高低無關(guān)。措施：降低溫度T；壓縮帶寬2、散粒噪聲：由于粒子的隨機(jī)性出現(xiàn)而構(gòu)成的噪聲。隨機(jī)事件有：物體輻射的或接收的光子數(shù)；陰極發(fā)射的電子數(shù)；半導(dǎo)體中的載流子數(shù)；光電倍增器的倍增系數(shù)等。散粒噪聲的大小取決于：

注意：

屬于白噪聲。

措施：減小背景光；壓縮帶寬3、暗電流噪聲許多傳感器，即使沒有信號(hào)輸入，也有電流輸出。產(chǎn)生的機(jī)理隨器件不同而不同，如：場(chǎng)致發(fā)射、熱激發(fā)載流子等。

屬于白噪聲。

措施：降低溫度T；壓縮帶寬4、1/f噪聲

1/f噪聲又稱為閃爍或低頻噪聲。這種噪聲是由于光敏層的微粒不均勻或不必要的微量雜質(zhì)的存在，當(dāng)電流流過時(shí)在微粒間發(fā)生微火花放電而引起的微電爆脈沖。噪聲的電流與電壓均方值分別為：~2；：~0.8-1.5;：比例常數(shù)。工作頻率越低，1/f噪聲越大。3.4光伏效應(yīng)及其器件光生伏特效應(yīng)是光照使不均勻半導(dǎo)體或均勻半導(dǎo)體中產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，并在空間分開而產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。即將光能轉(zhuǎn)化成電能。不均勻半導(dǎo)體：由于半導(dǎo)體對(duì)光的吸收，內(nèi)建電場(chǎng)使載流子定向運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生電位差。（像PN結(jié)、異質(zhì)結(jié)、肖特基結(jié)）均勻半導(dǎo)體：無內(nèi)建電場(chǎng)，半導(dǎo)體對(duì)光的吸收后，由于載流子的擴(kuò)散速度不同，導(dǎo)致電荷分開，產(chǎn)生的光生電勢(shì)。如丹倍效應(yīng)和光磁電效應(yīng)。3.4.1光伏效應(yīng)熱平衡下P-N結(jié)模型及能帶圖耗盡區(qū)、阻擋層空間電荷區(qū)、擴(kuò)散內(nèi)建電場(chǎng)漂移P-N結(jié)的形成：（一）熱平衡狀態(tài)下的PN結(jié)

PN結(jié)的電流方程：(推導(dǎo)過程略)

U>0,第一項(xiàng)迅速增大，代表正向電流；U=0,等于零，代表平衡狀態(tài)；U<0,第一項(xiàng)趨向于零，第二項(xiàng)代表反向飽和電流。光子電極電極耗盡層SiO2p+nn+U（二）光照下的PN結(jié)PN結(jié)光伏效應(yīng)假定光生電子-空穴對(duì)在結(jié)區(qū)，即耗盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生。由于內(nèi)建電場(chǎng)作用，電子-空穴對(duì)被分離，電子從p區(qū)向

n區(qū)漂移運(yùn)動(dòng)，被內(nèi)電場(chǎng)分離的電子和空穴就在外回路中形成電流。

EcEFEv光生空穴----++++++-pnxoLpn光子Ei電離受主電離施主光生電子耗盡層-

當(dāng)P-N結(jié)受光照時(shí)，只要光子的能量大于禁帶寬度,則無論是在P區(qū)還是N區(qū),或是結(jié)合區(qū),都會(huì)產(chǎn)生“光生載流子對(duì)”。但在遠(yuǎn)離結(jié)區(qū)的光生載流子對(duì)只是增加了導(dǎo)電性。而在結(jié)區(qū)附近的光生載流子對(duì)將打破原有的動(dòng)態(tài)平衡。由于PN結(jié)區(qū)存在較強(qiáng)的內(nèi)建電場(chǎng)（由N指向P），光生電子被拉向N區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū)，即電子空穴對(duì)被內(nèi)建電場(chǎng)分離。在光照下，PN結(jié)區(qū)將產(chǎn)生一個(gè)由N區(qū)指向P區(qū)的光生電流，與漂移電流同向，使PN結(jié)兩側(cè)的空間電荷被中和掉一部分，導(dǎo)致結(jié)區(qū)寬度變窄，從而使擴(kuò)散電流增大。當(dāng)光生電流與漂移電流之和等于擴(kuò)散電流時(shí)，PN結(jié)兩端建立起一個(gè)穩(wěn)定的電勢(shì)差。

光照下光電流的產(chǎn)生動(dòng)態(tài)圖實(shí)際上，并非所產(chǎn)生的全部光生載流子都對(duì)光生電流有貢獻(xiàn)。設(shè)N區(qū)中空穴在壽命τp的時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散距離為Lp，P區(qū)中電子在壽命τn的時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散距離為Ln。Ln+Lp=L遠(yuǎn)大于P-N結(jié)本身的寬度。故可以認(rèn)為在結(jié)附近平均擴(kuò)散距離L內(nèi)所產(chǎn)生的光生載流子都對(duì)光電流有貢獻(xiàn)。而產(chǎn)生的位置距離結(jié)區(qū)超過L的電子空穴對(duì)，在擴(kuò)散過程中將全部復(fù)合掉，對(duì)P-N結(jié)光電效應(yīng)無貢獻(xiàn)。

表示電子表示空穴

光照下PN結(jié)的電流方程表示電子表示空穴IDIpIL開路電壓一般地，

，短路電流結(jié)論:

Uoc與Isc是光照下P-N結(jié)的兩個(gè)重要參數(shù)，在一定溫度下，開路電壓Uoc與光電流（照度或光通量）的對(duì)數(shù)成正比，但最大值不超過接觸電勢(shì)差UD。弱光照下，Isc與E有線性關(guān)系。3.4.2光伏型探測(cè)器——結(jié)型光電器件一、光電池光電池是一種利用光生伏特效應(yīng)制成的不需加偏壓就能將光能轉(zhuǎn)化成電能的光電器件。簡單的說，其本質(zhì)就是一個(gè)PN結(jié)。按用途太陽能光電池：用作電源（效率高，成本低）測(cè)量用光電池：探測(cè)器件（線性、靈敏度高等）按材料硅光電池：PN結(jié)型，光譜響應(yīng)寬，頻率特性好硒光電池：金屬-半導(dǎo)體接觸型，波譜峰值位于人眼視覺內(nèi)薄膜光電池：CdS增強(qiáng)抗輻射能力紫光電池：PN結(jié)0.2~0.3μm,短波峰值600nm

砷化鎵光電池、鍺光電池按基底材料不同分(硅光電池)2DR（P型Si為基底）

2CR（N型Si為基底）按形狀分陣列式：分立的受光面象限式：參數(shù)相同的獨(dú)立光電池

陣列式象限式1.硅光電池的基本結(jié)構(gòu)如圖（a）所示為2DR型硅光電池，它是以P型硅為襯底(即在本征型硅材料中摻入三價(jià)元素硼或鎵等)，然后在襯底上擴(kuò)散磷而形成N型層并將其作為受光面。

硅光電池的受光面的輸出電極多做成如圖（b）所示，圖中所示的梳齒狀或“E”字型電極，其目的是減小硅光電池的內(nèi)電阻。2.硅光電池工作原理

如圖所示，當(dāng)光作用于PN結(jié)時(shí)，耗盡區(qū)內(nèi)的光生電子與空穴在內(nèi)建電場(chǎng)力的作用下分別向N區(qū)和P區(qū)運(yùn)動(dòng)，在閉合的電路中將產(chǎn)生如圖所示的輸出電流IL，且負(fù)載電阻RL上產(chǎn)生電壓降為U。顯然，PN結(jié)獲得的偏置電壓U與光電池輸出電流IL與負(fù)載電阻RL有關(guān)，即U=ILRL當(dāng)以輸出電流的IL為電流和電壓的正方向時(shí)，可以得到伏安特性曲線。3.基本特性

光照特性開路電壓即為光電動(dòng)勢(shì)，與光照度成對(duì)數(shù)關(guān)系；短路電流與照度成線性關(guān)系，用于光電測(cè)量。伏安特性：表示輸出電流和電壓隨負(fù)載電阻變化的曲線。一般硅光電池工作在第四象限。RL=0RL=RL1RL2RL3RL4負(fù)載電阻越小，光照線性越好。光譜特性：短路電流隨波長變化情況，取決于所用材料與工藝。硅光電池的響應(yīng)峰值接近于太陽的光譜分布峰值，常用作太陽能的直接轉(zhuǎn)換。頻率特性光電池接收正弦型光照時(shí)常用頻率特性曲線表示。負(fù)載大時(shí)頻率特性變差；減小負(fù)載可減小時(shí)間常數(shù)，提高頻響；但負(fù)載電阻的減小會(huì)使輸出電壓降低。RL=1kRL=10kRL=100k頻率/Hz102103104相對(duì)響應(yīng)/%100806040200溫度特性開路電壓具有負(fù)溫度系數(shù)，即隨著溫度的升高UOC值反而減??；短路電流具有正溫度系數(shù)，即隨著溫度的升高ISC增大。符號(hào)連接電路等效電路4.基本電路

U=ILRL自偏置電路（負(fù)載上的壓降作為光電池的正向偏壓）零伏偏置電路（負(fù)載為零，故無自給正向偏壓）短路工作情況：短路電流與照度成線性關(guān)系。電路見P91：圖3.40例：已知光電池2CR21在入射照度E1=300lx時(shí)，開路電壓Uoc1=310mV。求入射照度E2=400lx時(shí)的開路電壓Uoc2=？解：Ip=SIE1

>>I0時(shí)，室溫時(shí)，光電二極管和光電池一樣，其基本結(jié)構(gòu)也是一個(gè)PN結(jié),利用光生伏特效應(yīng)制成。二、光電二極管在無光照時(shí)，若給PN結(jié)加上一個(gè)適當(dāng)?shù)姆聪螂妷?，則反向電壓加強(qiáng)了內(nèi)建電場(chǎng)，使PN結(jié)空間電荷區(qū)拉寬，勢(shì)壘增大；當(dāng)被光照時(shí)，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生的光生載流子被加強(qiáng)了的內(nèi)建電場(chǎng)拉開，光生電子被拉向N區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū)，于是形成了以少數(shù)載流子漂移運(yùn)動(dòng)為主的光電流。IpE反E內(nèi)與普通二極管相比:共同點(diǎn)：一個(gè)PN結(jié)，單向?qū)щ娦圆煌c(diǎn)：（1）受光面大，PN結(jié)面積更大，PN結(jié)深度較淺（2）表面有防反射的SiO2保護(hù)層（3）外加負(fù)偏壓與光電池相比：共同點(diǎn)：均為一個(gè)PN結(jié)，利用光生伏特效應(yīng)，SiO2保護(hù)膜不同點(diǎn)：

（1）光敏面面積比光電池的小，因此光電流比光電池的小，一般為數(shù)微安到數(shù)十微安。（2）制作襯底材料的摻雜濃度：光電池較高—1016~1019原子數(shù)/cm3，硅光電二極管偏低—10121013原子數(shù)/cm3。（3）光電池的電阻率低（0.1~0.01/cm),而硅光電二極管的電阻率較高，為1000/cm

（4）光電池在零偏壓下工作，光電二極管更常在反偏壓下工作。分類按材料分，光電二極管有硅、砷化稼、銻化錮、鈰化鉛光電二極管等許多種。按結(jié)特性：PN結(jié)（擴(kuò)散層、耗盡層）、PIN結(jié)、異質(zhì)結(jié)、肖特基結(jié)按結(jié)構(gòu)分，也有同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)之分。其中最典型的還是同質(zhì)結(jié)硅光電二極管。國產(chǎn)硅光電二極管按襯底材料的導(dǎo)電類型不同，分為2CU和2DU兩種系列。2CU系列以N-Si為襯底，2DU系列以P-Si為襯底。結(jié)構(gòu)2DU管加環(huán)極的目的是為了減少暗電流和噪聲。用高阻N（P）型硅作為基片，其電阻率約為1K?cm，然后在基片表面進(jìn)行P摻雜（N摻雜：用磷擴(kuò)散）形成NP結(jié)構(gòu)。P（N）區(qū)擴(kuò)散得很淺約為1m左右，而空間電荷區(qū)較寬，故保證了大部分光子入射到耗盡層內(nèi)。在光敏面上涂上一層硅油保護(hù)膜，既可保護(hù)光敏面又可增加對(duì)光的吸收率。光電二極管的電路

光電二極管的用法只能有兩種。一種是不加外電壓，直接與負(fù)載相接。另一種是加反向電壓，如圖所示。

a)不加外電源

b)加反向外電源

c)2DU環(huán)極接法實(shí)際上，不是不能加正向電壓，只是正接以后就與普通二極管一樣，只有單向?qū)щ娦?，而表現(xiàn)不出它的光電效應(yīng)。

基本特性光照特性伏安特性光電流與照度的關(guān)系;線性好;光電流較小;靈敏度低。15V反向偏壓時(shí)的光照特性曲線反向偏壓與光電流之間的關(guān)系;頻率特性溫度特性是半導(dǎo)體光電器件中最好的一種，與下列因素有關(guān)：結(jié)電容（小于20μμF)和雜散電容；光生載流子在薄層中的擴(kuò)散時(shí)間及PN結(jié)中的漂移時(shí)間;硅光電二極管的光電流和暗電流隨溫度的變化而變化；溫度升高，信噪比降低；象限探測(cè)器

利用集成電路光刻技術(shù),將一個(gè)圓形或方形的光敏面窗口分隔成幾個(gè)面積相等、形狀相同、位置對(duì)稱的區(qū)域（背面仍為整片），每一個(gè)區(qū)域相當(dāng)于一個(gè)光電器件，在理想情況下，每個(gè)光電器件應(yīng)有完全相同的性能參數(shù)。作用：確定光點(diǎn)在二維平面上的位置坐標(biāo)，一般用于準(zhǔn)直、定位、跟蹤等方面。

特殊結(jié)型光電二極管PIN型光電二極管

PIN管又稱快速光電二極管。在原理上和普通光電二極管一樣，都是基于PN結(jié)的光電效應(yīng)工作的。所不同的是它的結(jié)構(gòu)，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層（相對(duì)）很厚的本征半導(dǎo)體。

這樣，PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)就基本上全集中于I層中，從而使PN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小。由于工作在反偏，隨著反偏電壓的增大，結(jié)電容變得更小。由式τ=CfRL與f=1/2πτ知，Cf小，τ則小，頻帶將變寬。因此，這種管子的特點(diǎn)是：頻率響應(yīng)快，目前PIN光電二極管的結(jié)電容一般為零點(diǎn)幾到幾個(gè)微微法，響應(yīng)時(shí)間為1-3ns，最高達(dá)0.1ns；頻帶寬，可達(dá)10GHz；因?yàn)镮層很厚，在反偏壓下運(yùn)用可承受較高的反向電壓，線性輸出范圍寬。；

I層較厚，又工作在反偏，使結(jié)區(qū)耗盡層厚度增加，提高了對(duì)光的吸收和光電變換區(qū)域，使量子效率提高；增加了對(duì)長波的吸收，提高了長波的靈敏度，其響應(yīng)波長范圍0.4-1.1μm。雪崩型光電二極管（avalanchephotodiode)APD是具有內(nèi)部倍增放大作用的光電二極管，利用PN結(jié)勢(shì)壘區(qū)的高反向電壓下強(qiáng)電場(chǎng)作用產(chǎn)生載流子的雪崩倍增而得到。工作過程：光子入射到耗盡區(qū)后激發(fā)出電子-空穴對(duì)，被激發(fā)的電子和空穴在在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下獲得很大的動(dòng)能，其在高速運(yùn)動(dòng)過程中與晶體的晶格原子碰撞，使晶格原子電離產(chǎn)生二次電子空穴對(duì)，稱為碰撞電離過程。此過程多次重復(fù)，象“雪崩”一樣繼續(xù)下去。如此電離產(chǎn)生的載流子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于初始光激發(fā)產(chǎn)生的載流子數(shù)，從而反向電流也迅速增大形成血本倍增效應(yīng)。當(dāng)電壓等于反向擊穿電壓時(shí)(約100～200V)，電流增益可達(dá)106，即產(chǎn)生所謂的自持雪崩。結(jié)構(gòu)：為了實(shí)現(xiàn)雪崩過程，基片雜質(zhì)濃度很高，使之容易碰撞電離；片子厚度較薄