第四章光輻射探測(cè)

第四章光輻射探測(cè)第一頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五4.1.2光電發(fā)射效應(yīng)光電發(fā)射體的功函數(shù)光電發(fā)射條件：光電效應(yīng)截止波長(zhǎng)：第二頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五光電導(dǎo)器件就是把光生載流子引起的電阻變化作為電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的器件。在沒(méi)有光照的時(shí)候電阻非常大（可達(dá)M歐），有光照的時(shí)候電阻下降到K歐以下。光電導(dǎo)器件可以分為本征型和摻雜型兩種。摻雜型的光電導(dǎo)器件主要用作紅外線(xiàn)檢測(cè)用的光接收器件用。4.1.3光電導(dǎo)器件第三頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五第四頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五光輻射照射外加電壓的半導(dǎo)體，如果光波長(zhǎng)λ滿(mǎn)足如下條件：是禁帶寬度是雜質(zhì)能帶寬度光敏電阻第五頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五機(jī)理：光照射將引起半導(dǎo)體中的電子和空穴增加，電子和空穴的增加導(dǎo)致了電導(dǎo)率的增加?！?本征型光電導(dǎo)器件的工作原理】半導(dǎo)體載流子的遷移率半導(dǎo)體的電導(dǎo)率：半導(dǎo)體的電導(dǎo)：本征型導(dǎo)帶禁帶價(jià)帶第六頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五其中，q為電子電荷大??；、為電子和空穴的遷移率；分別為電子和空穴產(chǎn)生的速率。電導(dǎo)率的變化，引起通過(guò)其的電流大小的變化。u為加在器件兩端的電壓。在光照情況下，光生載流子率分別為：和則：第七頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五帶入可得：電流增益：N型半導(dǎo)體第八頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五Cds和CdSe這兩種器件是用于可見(jiàn)光和紅外區(qū)域最廣泛的光電導(dǎo)器件。CdS光敏電阻可在人視覺(jué)接近的范圍內(nèi)靈敏地工作，其線(xiàn)性度和溫度特性都很好，但缺點(diǎn)是響應(yīng)速度不快，約幾十毫秒。CdS常用于照相機(jī)或?qū)ｉT(mén)的測(cè)光表中。而CdSe的響應(yīng)與白熾燈或氖燈的光源的輸出具有良好的匹配，線(xiàn)性度和溫度特性都不太好，但其響應(yīng)速度快，幾個(gè)毫秒。所以CdSe光敏電阻常用作光電開(kāi)關(guān)使用。【2光敏電阻材料】1）Cds和CdSe第九頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五此外，還有應(yīng)用于低溫環(huán)境下的，如：本征型半導(dǎo)體：HgCdTe；摻雜型的：Ge：Au、Ge：Zn、Si：Ga等。2）PbS和PbSe在波長(zhǎng)范圍為的近紅外線(xiàn)范圍內(nèi)應(yīng)用。這兩者的特點(diǎn)是：都是本征光電導(dǎo)器件，檢測(cè)精度高，可在室溫下使用，所以被廣泛地應(yīng)用。第十頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五【3應(yīng)用】簡(jiǎn)單的暗激發(fā)光控開(kāi)關(guān)第十一頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五精密的暗激發(fā)光控開(kāi)關(guān)第十二頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

光電二極管和光電導(dǎo)器件都是利用內(nèi)光電效應(yīng)的光接收器件，所不同的是：光電二極管是利用PN結(jié)在光輻射作用下產(chǎn)生的光伏效應(yīng)制成的。而光電導(dǎo)器件是利用光生載流子引起的電流變化作為了電信號(hào)附加在外部偏壓上而被檢測(cè)出來(lái)。主要有光電池、光電二極管、光電三極管等。對(duì)于二極管而言，由于它利用的是PN結(jié)的內(nèi)部電場(chǎng)，所以往往使用反向電壓。4.2光伏效應(yīng)第十三頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五【1結(jié)構(gòu)與符號(hào)】第十四頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五光照零偏pn結(jié)產(chǎn)生開(kāi)路電壓的效應(yīng)光照反偏光伏效應(yīng)光電池光電信號(hào)是光電流結(jié)型光電探測(cè)器的工作原理光電二極管

第十五頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五一定溫度下半導(dǎo)體中電子和空穴的熱運(yùn)動(dòng)是不能引起載流子凈位移，從而也就沒(méi)有電流。但漂移和擴(kuò)散可使載流子產(chǎn)生凈位移，從而形成電流。

載流子的輸運(yùn)—擴(kuò)散與漂移

載流子因濃度不均勻而發(fā)生的從濃度高的點(diǎn)向濃度低的點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。

（1）擴(kuò)散【2光生伏特效應(yīng)】第十六頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五（2）漂移載流子在外電場(chǎng)作用下，電子向正電極方向運(yùn)動(dòng)，空穴向負(fù)電極方向運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為漂移。討論漂移運(yùn)動(dòng)的重要參量：遷移率μ（電子遷移率，空穴遷移率），μ的大小主要決定于晶格振動(dòng)及雜質(zhì)對(duì)載流子的散射作用。第十七頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五上圖為光注入，非平衡載流子擴(kuò)散示意圖。光在受照表面很薄一層內(nèi)即被吸收掉。受光部分將產(chǎn)生非平衡載流子，其濃度隨離開(kāi)表面距離x的增大而減小，因此非平衡載流子就要沿x方向從表面向體內(nèi)擴(kuò)散，使自己在晶格中重新達(dá)到均勻分布。第十八頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五光注入，非平衡載流子擴(kuò)散示意圖第十九頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五在電場(chǎng)中多子、少子均作漂移運(yùn)動(dòng)，因多子數(shù)目遠(yuǎn)比少子多，所以漂移流主要是多子的貢獻(xiàn)。對(duì)于漂移對(duì)于擴(kuò)散在擴(kuò)散情況下，如光照產(chǎn)生非平衡載流子，此時(shí)非平衡少子的濃度梯度最大，所以對(duì)擴(kuò)散流的貢獻(xiàn)主要是少子。第二十頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五電中性的P型半導(dǎo)體電中性N型半導(dǎo)體在內(nèi)電場(chǎng)的作用下，載流子產(chǎn)生漂移，但隨著載流子運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，界面間電場(chǎng)的增高，反過(guò)來(lái)促使漂移運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，這一對(duì)立運(yùn)動(dòng)在一定溫度和條件下達(dá)到平衡。從而形成穩(wěn)定的內(nèi)電場(chǎng)。①②空穴電子③積累負(fù)電荷積累正電荷擴(kuò)散內(nèi)電場(chǎng)④電子空穴漂移1）內(nèi)電場(chǎng)的形成【3PN結(jié)光伏效應(yīng)的產(chǎn)生】第二十一頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五當(dāng)光照射光電二極管pn結(jié)部位時(shí)，只要入射光的能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度時(shí)，就產(chǎn)生本征激發(fā)，激發(fā)便產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，P區(qū)產(chǎn)生的光生空穴，N區(qū)產(chǎn)生的光生電子由于受到pn結(jié)的阻擋作用，不能通過(guò)結(jié)區(qū)。而在內(nèi)電場(chǎng)的作用下，P區(qū)中的電子驅(qū)向N區(qū)，空穴驅(qū)向P區(qū)。這樣在P區(qū)就積累了多余的空穴，N區(qū)積累了多余的電子。從而產(chǎn)生了附加的與內(nèi)電場(chǎng)相反的電場(chǎng)。該附加電場(chǎng)對(duì)于外電路來(lái)說(shuō)，將產(chǎn)生由P到N方向的電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)外接電路時(shí)，將有光電流通過(guò)，這就是光伏效應(yīng)。2）附加電場(chǎng)的形成第二十二頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五圖4-3障層光電效應(yīng)原理當(dāng)光照PN結(jié)端面時(shí)，由于光子的入射深度有限，不會(huì)得到好的效果，實(shí)際的光伏效應(yīng)器件都制成薄P型或N型，入射光垂直于結(jié)表面入射，從而增加了光伏效應(yīng)的效率。第二十三頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五【光伏探測(cè)器等效電路】第二十四頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五圖4-5光電二極管的電壓-電流特性光照下的伏安特性第二十五頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五4.2.1光電二極管反偏電壓pn結(jié)光伏探測(cè)器——光導(dǎo)工作模式——光電二極管

常見(jiàn)的光電二極管有：Si光電二極管，PIN光電二極管,雪崩光電二極管（APD）肖特基勢(shì)壘光電二極管等。第二十六頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五【1.Si光電二極管】

Si光電二極管有兩種：采用N型單晶硅和擴(kuò)散工藝獲得p+n結(jié)構(gòu)硅光電二極管(2CU)；采用P型單晶硅和磷擴(kuò)散工藝獲得n+p結(jié)構(gòu)硅光電二極管（2DU）。一律采用反偏。（1）結(jié)構(gòu)原理第二十七頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五p+n結(jié)構(gòu)硅光電二極管(2CU)第二十八頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五n+p結(jié)構(gòu)硅光電二極管（2DU）：光敏區(qū)外側(cè)有保護(hù)環(huán)（n+環(huán)區(qū)），其目的是表面層漏電流，使暗電流明顯減少。其有三根引出線(xiàn)，n側(cè)的電極稱(chēng)為前極，p側(cè)的電極稱(chēng)為后極，環(huán)極接電源偏置正極，也可斷開(kāi)，空著。第二十九頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五第三十頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五（2）光譜響應(yīng)特性第三十一頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五（3）伏安特性（V/R—V為直流負(fù)載線(xiàn)）第三十二頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五（4）頻率響應(yīng)特性

頻率特性好,適宜于快速變化的光信號(hào)探測(cè)。光電二極管的頻率特性響應(yīng)主要由三個(gè)因素決定：(a)光生載流子在耗盡層附近的擴(kuò)散時(shí)間；(b)光生載流子在耗盡層內(nèi)的漂移時(shí)間；(c)與負(fù)載電阻RL并聯(lián)的結(jié)電容Ci所決定的電路時(shí)間常數(shù)。

第三十三頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五【4.2.2.PIN硅光電二極管】

要改善硅光電二極管的頻率特性，由前面分析可知：應(yīng)設(shè)法減小載流子的擴(kuò)散時(shí)間和結(jié)電容。PIN硅光電二極管就是在P區(qū)和N區(qū)之間加上一本征層（I層）光電二極管。

PIN第三十四頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五第三十五頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

I層載流子濃度非常低是一個(gè)高阻層。①在pn結(jié)上加上反向偏壓后，它將成為具有較強(qiáng)內(nèi)部電場(chǎng)的區(qū)域，減小了載流子的渡越時(shí)間；②通過(guò)加入這個(gè)高阻層I層，擴(kuò)大了攜帶電信號(hào)的光生載流子的產(chǎn)生空間，從而提高了靈敏度；高阻層起的作用第三十六頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五PIN光電二極管在光通信、光雷達(dá)和快速光電自動(dòng)控制領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。③降低了影響頻率響應(yīng)的pn結(jié)的電容量，即降低了回路的時(shí)間常數(shù)，從而提高了其頻響速度。實(shí)際應(yīng)用中決定光電二極管的頻率響應(yīng)的主要因素是電路的時(shí)間常數(shù)。合理選擇負(fù)載電阻是一個(gè)很重要的問(wèn)題。

第三十七頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

光電流由兩部分組成：1）光照下，在I區(qū)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，電子和空穴在強(qiáng)電場(chǎng)下分離，電子向n區(qū)移動(dòng)而空穴向p區(qū)移動(dòng)，并以光電流形式向外流出；2）還有一部分光電流是由于光進(jìn)入到了n區(qū)里，產(chǎn)生了空穴，空穴進(jìn)入I層內(nèi)，同樣也產(chǎn)生漂移光電流的形成第三十八頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五【4.2.3雪崩二極管】

它是利用pn結(jié)當(dāng)加的反向偏壓接近擊穿時(shí)，發(fā)生載流子碰撞雪崩電離，以獲得光生載流子倍增的器件。

在給pn結(jié)加上反向電壓后，它幾乎不會(huì)有電流流過(guò)，但如果反向電壓增大到一定值后，反向電流迅速增大的現(xiàn)象稱(chēng)為pn結(jié)擊穿，發(fā)生擊穿時(shí)的電壓稱(chēng)為反向擊穿電壓。pn結(jié)擊穿第三十九頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五增大，而是由于載流子數(shù)目的增加。到目前為止，pn擊穿共有三種：雪崩擊穿、隧道擊穿和熱電擊穿。第四十頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五光子照射電子-空穴對(duì)，當(dāng)pn結(jié)反向電壓足夠高時(shí)，它們?cè)诮Y(jié)內(nèi)高電場(chǎng)作用下，獲得足夠高的動(dòng)能，在定向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與晶體原子碰撞產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)，新產(chǎn)生的電子和空穴又在電場(chǎng)中獲得足夠能量，通過(guò)碰撞再產(chǎn)生電子和空穴……如此下去，像雪崩一樣迅速反應(yīng)而激發(fā)出大量的載流子，使初始的光電流大大增加。雪崩碰撞電離原理：產(chǎn)生第四十一頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五4.2.4溫差電效應(yīng)當(dāng)兩種不同的配偶材料（可以是金屬或半導(dǎo)體）兩端并聯(lián)熔接時(shí)，如果兩個(gè)接頭的溫度不同，并聯(lián)回路中就產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，稱(chēng)為溫差電動(dòng)勢(shì)。提高測(cè)量靈敏度——若干個(gè)熱電偶串聯(lián)起來(lái)使用——熱電堆地磁場(chǎng)的起源第四十二頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五4.2.5熱釋電效應(yīng)熱釋電材料——電介質(zhì)一種結(jié)晶對(duì)稱(chēng)性很差的壓電晶體在常態(tài)下具有自發(fā)電極化(即固有電偶極矩)熱電體的||決定了面電荷密度的大小，當(dāng)發(fā)生變化時(shí)，面電荷密度也跟著變化||值是溫度的函數(shù)——溫度升高——||減小。第四十三頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五如作電源開(kāi)關(guān)控制、防盜防火報(bào)警、自動(dòng)覽測(cè)等第四十四頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五升高到Tc值時(shí)，自發(fā)極化突然消失，TC稱(chēng)為居里溫度熱釋電體表面附近的自由電荷對(duì)面電荷的中和作用比較緩慢，一般在1～1000秒量級(jí)熱釋電探測(cè)器是一種交流或瞬時(shí)響應(yīng)的器件。第四十五頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五4.2.6光電轉(zhuǎn)換定律光輻射量轉(zhuǎn)換為光電流量的過(guò)程——光電轉(zhuǎn)換D—探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換因子光子電極電極耗盡層SiO2p+nn+第四十六頁(yè)，共四十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五——探測(cè)器的量子效率光電轉(zhuǎn)換定律：