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1、光電導效應2、雜質光電導效應3、光生伏特效應4、光熱效應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

----光電效應和光熱效應

光電導效應、光生伏特效應和光熱效應光電效應：物質受光照射后，材料電學性質發(fā)生了變化（發(fā)射電子、電導率的改變、產生感生電動勢）現(xiàn)象。

包括：外光電效應：產生電子發(fā)射內光電效應：內部電子能量狀態(tài)發(fā)生變化2.1.1光電導效應光電導效應：光照射的物質電導率發(fā)生改變，光照變化引起材料電導率變化。是光電導器件工作的基礎。

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

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

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，使材料產生光電導效應。針對本征半導體材料。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、暗電導率和暗電流3、亮電導率和亮電流4、光電導和光電流基本公式：暗電導率Gd=σdS/L暗電流Id=σdSU/L亮電導率Gl=σlS/L亮電流Il=σlSU/L光電導Gp=ΔσS/L光電流Ip=ΔσSU/L光電導效應示意圖LS本征半導體樣品光U2、光電導弛豫過程

光電導效應是非平衡載流子效應，因此存在一定的弛豫現(xiàn)象，即光電導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)象說明了光電導體對光強變化的反應快慢程度，稱為惰性。EtOi(%)tO1006337τrτf矩形光脈沖光電導對光強變化反應的惰性引起光電流變化的延遲輸出光電流與光功率調制頻率變化關系是一低通特性。3、光電導增益光電導增益是表征光電導器件特性的一個重要參數(shù)，表示長度為L的光電導體在兩端加上電壓U后，由光照產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部形成的光電流之比。可表示為:M=τ/τdr

τ為器件的時間響應

τdr為載流子在兩極間的渡越時間光電導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器件的光電導增益與帶寬積為一常數(shù)，即MΔf=常數(shù)。表明，光電導增益越大，光電靈敏度越高，而器件的帶寬越低。反之亦然。這一結論對光電效應現(xiàn)象有普遍性。2.1.2雜質光電導效應：雜質半導體雜質半導體中施主或受主吸收光子能量后電離中，產生自由電子或空穴，從而增加材料電導率的現(xiàn)象。

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

特點：容易受熱激發(fā)產生的噪聲的影響，常工作在低溫狀態(tài)。

常用光電導材料：硅Si、鍺Ge及摻雜的半導體材料，以及一些有機物。2.1.3光生伏特效應達到內部動態(tài)平衡的半導體PN結，在光照的作用下，在PN結的兩端產生電動勢，稱為光生電動勢。這就是光生伏特效應。也稱光伏效應。物理本質：PN結內建電場使得載流子（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）電壓產生正向注入電流（由P指N）：I+=Is[exp(qV/kT)-1]I+當PN結外接回路時，總電流與光生電流和結電流之間關系：I=Ip-I+=Ip-Is[exp(qV/kT)-1]負載接入外回路，電流為I，則PN結兩端電壓為：V=(kT/q)ln[(Ip-I)/Is+1]

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

可見Voc與Ip為非線性關系。PN結短路，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。所以以光伏效應為基礎的檢測器件比以光電導效應為基礎的檢測器件有更快的響應速度。與光電效應的區(qū)別：光電效應中，光子能量直接變?yōu)楣怆娮拥哪芰?，光熱效應中，光能量與晶格相互作用使其運動加劇，造成溫度的升高，從而引起物質相關電學特性變化。2.1.4光熱效應可分為:熱釋電效應、輻射熱計效應及溫差電效應1、熱釋電效應

介質溫度在光照作用下溫度發(fā)生變化，介質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：極化晶體極化晶體：在外電場和應力為零情況下自身具有自發(fā)極化的晶體，原因是內部電偶極矩不為零，表面感應束縛電荷。+-+-+-+-+-+-______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。由溫度引起電阻率變化。阻值與溫度變化關系：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，呈反比關系。對半導體材料，R與T具有指數(shù)關系，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、溫差電效應由兩種不同材料制成的結點由于受到某種因素作用而出現(xiàn)了溫差，就有可能在兩結點間產生電動勢，回路中產生電流，這就是溫差電效應。當有光照結點產生溫度變化就會產生溫差電現(xiàn)象。另外，如果在圖中x，y處接一電動勢，導體中產生電流，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導體a導體b2.2光電檢測器件的特性參數(shù)

光電檢測器件利用特質的光電效應把光信號轉換成電信號的器件，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）熱敏電阻（輻射熱計效應）熱電偶和熱電堆（溫差電效應）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體光電檢測器件光電管光電倍增管光導型：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、響應波長無選擇性。對各種波長具有相同的敏感性。2、響應慢。即吸收輻射后產生信號所需時間長，在毫秒量級光子檢測器件的特點：1、響應波長有選擇性。存在截止波長。2、響應快。一般為納秒到幾百微秒二、特性參數(shù)1、響應度（或稱靈敏度）S電壓響應度：SV=Vo/Pi電流響應度：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、光譜響應度S(λ)光譜響應度：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的總輸出光電流Io=?則積分響應度S=？

式中λ0和λ1分別為光電檢測器的長波限和短波限。4、響應時間τ：

響應時間是描述光電檢測器對入射輻射響應快慢的參數(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S(f)：

由于光電檢測器信號的產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將有很大的影響，把光電檢測器的響應隨入射輻射的調制頻率而變化的特性稱為頻率響應。利用時間常數(shù)可得到頻率響應關系：S(f)=S0/[1+(2πfτ)2]1/2

S0為頻率是零時的響應度；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為導體電阻，k為玻耳茲曼常數(shù)，T為導體的熱力學溫度，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，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，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，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）