光電子技術(shù)課件第四章 光探測(cè)（下）

第四章光探測(cè)本章內(nèi)容：§4-1光電探測(cè)器的物理效應(yīng)；光子效應(yīng)：外光電效應(yīng)，內(nèi)光電效應(yīng)光熱效應(yīng)

§4-2光電探測(cè)器的性能參數(shù)；積分靈敏度（響應(yīng)度）R，光譜靈敏度Rλ，頻率靈敏度Rf，量子效率，通量閾P(yáng)th和噪聲等效功率NEP，探測(cè)度D與歸一化探測(cè)度D*§4-3光電探測(cè)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(cè)器簡(jiǎn)介

一、外光電效應(yīng)探測(cè)器(光電管、光電倍增管)

二、內(nèi)光電效應(yīng)探測(cè)器（光電導(dǎo)、光電池、光電二極管）

（一）光電導(dǎo)管（光敏電阻）

內(nèi)光電效應(yīng)探測(cè)器——光電導(dǎo)、光電池、光電二極管基于光電導(dǎo)效應(yīng)——光照下改變自身的電導(dǎo)率（光照愈強(qiáng),器件自身的電導(dǎo)率愈大）

1.光敏電阻的結(jié)構(gòu)和偏置結(jié)構(gòu):一塊半導(dǎo)體。光敏電阻沒(méi)有極性，是一個(gè)純電阻器件。對(duì)N型材料,兩極間加電壓u時(shí)，產(chǎn)生的光電流為：設(shè)入射光功率為P,則,為量子效率.故光電流:M為光電導(dǎo)內(nèi)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(dǎo)探測(cè)器工作特性(1)光譜響應(yīng)特性S()由材料的能級(jí)結(jié)構(gòu)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(xiàn)性。線(xiàn)性伏安特性：照度越高,直線(xiàn)的斜率越大.虛線(xiàn)為允許功耗曲線(xiàn)，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(shí)間響應(yīng)特性光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間由電流上升時(shí)間和衰減時(shí)間表示多數(shù)光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間都較長(zhǎng)，因此不能用在要求快速響應(yīng)的場(chǎng)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(shí)較小。低溫環(huán)境下，響應(yīng)速度變慢。0～+60℃時(shí)，響應(yīng)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(chǎn)生-復(fù)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(jià)、可見(jiàn)光輻射探測(cè)器.光電導(dǎo)增益比較高(103～104)，壽命長(zhǎng)，但響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)(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(cè)器。（3）Hg0.2Cd0.8Te（碲鎘汞）探測(cè)器

響應(yīng)波長(zhǎng)為8～14μm,工作溫度77K，用液氮致冷,用于10.6μm的CO2激光的探測(cè).（二）、光伏探測(cè)器——光電池、光電二極管1光伏探測(cè)器(PN結(jié))的工作模式（1）光電轉(zhuǎn)換原理就光電流形成的過(guò)程而言，光伏探測(cè)器(PN結(jié))和光電導(dǎo)探測(cè)器(一塊半導(dǎo)體)是類(lèi)似的，光電流有相同的形式：

可證，對(duì)pn結(jié)光伏器件，電流內(nèi)部增益M=1，上式變成：(2)光伏探測(cè)器的兩種工作模式光伏探測(cè)器等效為一個(gè)普通二極管與一個(gè)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(cè)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(cè)器，沒(méi)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(dǎo)工作模式（這時(shí)外電路與光電導(dǎo)管相似——探測(cè)器為光電二極管；第四象限:零偏置，電流為負(fù)(從p流出)，探測(cè)器相當(dāng)于一個(gè)電源，稱(chēng)為光伏工作模式——探測(cè)器為光電池。２光電池——太陽(yáng)電池光電池的用途：光電探測(cè)器件，電源(太陽(yáng)能電池)光電池的分類(lèi)：按材料分：硅、硒、硫化鎘、

砷化鎵和無(wú)定型材料光電池。按結(jié)構(gòu)分：有同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)光電池。最典型的是同質(zhì)結(jié)硅光電池。同質(zhì)結(jié)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(kāi)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(xiàn)性關(guān)系。光電池作為測(cè)量元件時(shí)，負(fù)載電阻應(yīng)盡量取得小些，使之滿(mǎn)足“短路”條件,從而使光電池成為線(xiàn)性元件.（1）短路電流和開(kāi)路電壓短路電流——RL=0，則u=0,開(kāi)路電壓——RL=∞,i=0,開(kāi)路電壓與光功率成非線(xiàn)性關(guān)系.(2)輸出功率和最佳負(fù)載電阻

短路和開(kāi)路是光電池兩種極端的工作狀態(tài),無(wú)功率輸出.當(dāng)負(fù)載既不短路又不開(kāi)路時(shí),硅光電池就有功率輸出,且存在最大輸出功率和最佳負(fù)載電阻.過(guò)短路電流和開(kāi)路電壓作切線(xiàn),交于Q,則OQ為是最佳負(fù)載線(xiàn)。（3）光電池的主要特性1）光照靈敏度2）光電轉(zhuǎn)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(yīng)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(zhǎng)變化關(guān)系。光譜響應(yīng)4）頻率響應(yīng)特性

光電池的結(jié)面積大，所以結(jié)電容大，頻率響應(yīng)慢。（類(lèi)似于光敏電阻）注：減小負(fù)載電阻可改善頻率特性，響應(yīng)時(shí)間RLCj，截止頻率fc=1/2.5)溫度特性

強(qiáng)光照射或聚光照射時(shí)，須散熱,Si光電池溫度＜125℃。(Si結(jié)溫度超過(guò)200oC,會(huì)破壞晶體結(jié)構(gòu)）（4）、光電池的應(yīng)用1）用光電池作為光探測(cè)器光電池的輸出功率小，不能直接帶負(fù)載進(jìn)行檢測(cè)，所以光電池的輸出信號(hào)要通過(guò)功率放大電路放大。-10V10VV04V2）太陽(yáng)能電源裝置通常是將很多光電池通過(guò)串、并聯(lián)組成光電池組，并與畜電池組裝在一起,以便實(shí)現(xiàn)24小時(shí)晝夜工作。通過(guò)串聯(lián)提高電壓，通過(guò)并聯(lián)多個(gè)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(jié)。光電池相比：結(jié)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(jié)構(gòu)分：同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)。最典型的是同質(zhì)結(jié)硅光電二極管。環(huán)極作用是把SiO2感應(yīng)出來(lái)的電子及時(shí)引向電源正極，不經(jīng)過(guò)負(fù)載，從而減少暗電流和噪聲。不用則斷開(kāi).1）結(jié)構(gòu)與偏置:

2CU系列以N-Si為襯底，兩個(gè)引出線(xiàn);2DU系列以P-Si為襯底,三條引出線(xiàn),設(shè)了一個(gè)環(huán)極.2CU2DU（1）Si光電二極管2）光譜響應(yīng)特性光譜響應(yīng)范圍：0.41.1m在峰值波長(zhǎng)0.9m附近,電流靈敏度R0.4(A/W)(注:圖4-31為相對(duì)光譜靈敏度S,在0.9附近,S=1)S伏安特性曲線(xiàn)：用橫軸表示反向電壓,縱軸表示反向電流,右圖為實(shí)測(cè)伏安特性曲線(xiàn)。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(yīng)用(u<0)，且通常|u|>>kT/e，所以，指數(shù)項(xiàng)為零，即:i/μA反向偏壓/V光電特性（光照特性）曲線(xiàn)：如果固定偏壓V，測(cè)出光電流與光功率成線(xiàn)性關(guān)系。下圖為實(shí)測(cè)光照特性曲線(xiàn).-6V偏置0V偏置光照度/lxi/μA4）頻率響應(yīng)特性光電二極管頻率特性是半導(dǎo)體光電器件中較好的一種（即截止頻率大，響應(yīng)時(shí)間?。?適宜于快速變化的光信號(hào)探測(cè)。光電二極管多用于快速測(cè)量，對(duì)應(yīng)著高頻應(yīng)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(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I。PINPIN光電二極管PINPIN光電二極管引入I層本征半導(dǎo)體的作用：

1）本征層I電阻率大，使暗電流明顯減小。

2）響應(yīng)時(shí)間從10-7s量級(jí)提高至10-9s量級(jí)，測(cè)量帶寬可達(dá)10GHz，適用于光通信及快速自動(dòng)控制領(lǐng)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(yīng)范圍的擴(kuò)展，尤其是向長(zhǎng)波區(qū)的擴(kuò)展更有價(jià)值。引入I層本征半導(dǎo)體的負(fù)面影響：

I層電阻很大，管子的輸出電流小，一般多為零點(diǎn)幾微安至數(shù)微安。目前有將PIN管與前置運(yùn)算放大器集成在同一硅片上并封裝于一個(gè)管殼內(nèi)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(yīng)速度，但增益低。所以，發(fā)展了雪崩型光電二極管，它既響應(yīng)快，又具有高的增益（接近光電倍增管）。雪崩二極管的結(jié)構(gòu)和普通二極管的類(lèi)似，只是在p-n結(jié)區(qū)增加了一個(gè)保護(hù)環(huán)(Zn環(huán))，以提高p-n結(jié)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(qiáng)電場(chǎng)達(dá)105伏/厘米；光生電子在強(qiáng)電場(chǎng)加速下，獲得高動(dòng)能，當(dāng)與晶格發(fā)生碰撞時(shí)，使晶格電離形成二次電子。二次電子再被強(qiáng)電場(chǎng)加速，再次與晶格碰撞，使其電離產(chǎn)生二次電子，這個(gè)過(guò)程繼續(xù)下去，稱(chēng)為雪崩過(guò)程，雪崩過(guò)程使電子數(shù)劇增，產(chǎn)生大的增益。雪崩二極管不僅靈敏度高，也是目前響應(yīng)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(diǎn)。噪聲主要是散粒噪聲（與增益M有關(guān)）和熱噪聲（與溫度有關(guān)）。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(zhǎng)有關(guān)當(dāng)V接近VB時(shí)，G很大，但這時(shí)暗電流大，噪聲嚴(yán)重，所以實(shí)際應(yīng)用中的偏壓V要適當(dāng)。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(xiàn)性線(xiàn)性線(xiàn)性伏安特性i-v線(xiàn)性非線(xiàn)性(第四象限)非線(xiàn)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(jiǎn)述它們各自的特征。

2.結(jié)合光伏探測(cè)器的伏安特性曲線(xiàn)，分析光伏探測(cè)器的兩種工作模式。3.根據(jù)光電池的伏安特性公式：計(jì)算光電池的短路電流isc與開(kāi)路電壓uoc。4.簡(jiǎn)述PIN光電二極管中I層本