《光電子技術(shù)基礎(chǔ)》(第二版)朱京平Chap6

第6章

光電探測(cè)技術(shù)根底

主要內(nèi)容6.1光探測(cè)器性能參數(shù)6.2光電探測(cè)方式6.3光電探測(cè)的物理效應(yīng)6.4光電探測(cè)器光電探測(cè)技術(shù)根底光電探測(cè)技術(shù)就是把被調(diào)制的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并將信息提取出來(lái)的技術(shù)。光探測(cè)過(guò)程可以形象地稱(chēng)為光頻解調(diào)，光探測(cè)器就是將光輻射能量轉(zhuǎn)換成為一種便于測(cè)量的物理量的器件。光探測(cè)器的開(kāi)展可追溯到1873年，英國(guó)的Smith和May在大西洋橫斷海底電信局所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光照射到用作電阻的Se棒后，其電阻值約改變30%，同年Simens將白金繞在這種Se棒上，制成了第一個(gè)光電池；1888年，德國(guó)的Hallwachs在作Hertz的電磁波實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)光照射到金屬外表上會(huì)引起電子發(fā)射，1909年，Richtmeyer發(fā)現(xiàn)，封入真空中的Na光電陰極所發(fā)射的電子總數(shù)與照射的光子數(shù)成正比，奠定了光電管的根底；接著美國(guó)的Zworkyn研制出各種光電陰極材料，并制造出了光電倍增管，并于1933年創(chuàng)造了光電攝像管；1950年，美國(guó)的Weimer等人研制出光導(dǎo)攝像管，1970年Boyle等人創(chuàng)造了CCD(電荷耦合器件)。如今，激光的開(kāi)展進(jìn)一步促進(jìn)和刺激了光電探測(cè)領(lǐng)域的開(kāi)展，各種光電探測(cè)器件大都已工業(yè)化、商品化，攝像機(jī)等已微型化。由于現(xiàn)階段的激光系統(tǒng)可提供巨大的帶寬與信息容量，因而光電探測(cè)技術(shù)在信息光電子技術(shù)中也就有了特別重要的意義。6.1光探測(cè)器性能參數(shù)表征光探測(cè)器的根本性能參數(shù)有量子效率，響應(yīng)度，靈敏度，噪聲等效功率，探測(cè)度，光譜響應(yīng)和頻率響應(yīng)等。(1)量子效率，又稱(chēng)量子產(chǎn)額，是指每一個(gè)入射光子所釋放的平均電子數(shù)。它與入射光子能量(即入射光波長(zhǎng))有關(guān)。對(duì)內(nèi)光電效應(yīng)還與材料內(nèi)電子的擴(kuò)散長(zhǎng)度有關(guān)；對(duì)于外光電效應(yīng)與光電材料的外表逸出功有關(guān)。其表達(dá)式為：式中P是入射到探測(cè)器上的光功率，是入射光產(chǎn)生的平均光電流大小，是單位時(shí)間內(nèi)入射光子平均數(shù)，是單位時(shí)間產(chǎn)生的光電子平均數(shù)，是電子電荷。理想光探測(cè)器應(yīng)有，實(shí)際光探測(cè)器一般有。顯然，光探測(cè)器的量子效率越高越好。對(duì)于光電倍增管、雪崩光電二極管等有內(nèi)部增益機(jī)制的光探測(cè)器，可大于1。(2)響應(yīng)度，為探測(cè)器輸出信號(hào)電壓與輸入光功率之比：?jiǎn)挝粸閂/W。6.1光探測(cè)器性能參數(shù)(3)靈敏度為探測(cè)器輸出信號(hào)電流與輸入光功率之比：和均用來(lái)描述探測(cè)器輸出電信號(hào)與輸入光功率的關(guān)系，均是波長(zhǎng)的函數(shù)。入射光波長(zhǎng)一定，那么響應(yīng)度與靈敏度確定。

(4)光譜響應(yīng)，就是表征(或)隨波長(zhǎng)變化的特性參數(shù)，如下圖。光電探測(cè)器與熱電探測(cè)器的光譜響應(yīng)曲線(xiàn)由于許多光探測(cè)器是基于光電效應(yīng)而工作的，因而存在一個(gè)最低頻率，只有入射光頻率大于才能有響應(yīng)信號(hào)輸出，相應(yīng)存在一個(gè)探測(cè)波長(zhǎng)極限，在時(shí)，探測(cè)器對(duì)于某一頻率(波長(zhǎng))光的響應(yīng)與探測(cè)器對(duì)該波長(zhǎng)光子的吸收速率，即單位時(shí)間內(nèi)入射的光子數(shù)密度成正比，因而時(shí)，其響應(yīng)隨著波長(zhǎng)的增加而呈線(xiàn)性上升。而時(shí)，光譜響應(yīng)曲線(xiàn)迅速下降到零。光譜響應(yīng)中還有一個(gè)重要參量，稱(chēng)為響應(yīng)峰值波長(zhǎng)，它指相對(duì)光譜響應(yīng)曲線(xiàn)中對(duì)應(yīng)于最高響應(yīng)率的輻射波長(zhǎng)。6.1光探測(cè)器性能參數(shù)(5)噪聲等效功率，定義為相應(yīng)于單位信噪比的入射光功率，用來(lái)表征探測(cè)器探測(cè)能力，定義式為：越小，探測(cè)能力越強(qiáng)。由于噪聲頻譜很寬，為減小噪聲影響，一般將探測(cè)器后面的放大器做成窄帶通的，其中心頻率選為調(diào)制頻率。這樣，信號(hào)將不受損失而噪聲可被濾去，從而使減小，這種情況下的定義為：式中Δf為放大器帶寬。(6)探測(cè)度，是的倒數(shù)，即單位入射功率相應(yīng)的信噪比。通常歸一化探測(cè)度比前述更能表達(dá)探測(cè)器性能。表示單位探測(cè)器面積、單位帶寬的探測(cè)度，定義式為：6.1光探測(cè)器性能參數(shù)式中為探測(cè)器面積，為放大器帶寬。和一樣是波長(zhǎng)的函數(shù)，由于噪聲通常和信號(hào)調(diào)制頻率有關(guān)，故也是調(diào)制頻率的函數(shù)。(7)頻率響應(yīng)，是描述光探測(cè)器響應(yīng)度在入射光波長(zhǎng)不變時(shí)，隨入射光調(diào)制頻率變化的特性參數(shù)。它是光探測(cè)器對(duì)加在光載波上的電調(diào)制信號(hào)的響應(yīng)能力的反響，是表征光探測(cè)器頻率特性的重要參數(shù)，其曲線(xiàn)如圖。光探測(cè)器頻率響應(yīng)曲線(xiàn)除了以上7個(gè)根本參數(shù)以外，我們?cè)谑褂锰綔y(cè)器時(shí)還會(huì)遇到以下參數(shù)：暗電流，指沒(méi)有信號(hào)和背景輻射時(shí)通過(guò)探測(cè)器的電流；工作溫度，對(duì)于非冷卻型探測(cè)器指環(huán)境溫度，對(duì)于冷卻型探測(cè)器指冷卻源標(biāo)稱(chēng)溫度；響應(yīng)時(shí)間，指探測(cè)器將入射輻射轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘?hào)電壓或電流的弛豫時(shí)間；光敏面積，指靈敏元的幾何面積。6.2光電探測(cè)方式6.2.1直接探測(cè)與外差探測(cè)光探測(cè)器的光吸收過(guò)程是直接由某種光量子作用產(chǎn)生的，這種量子作用由檢測(cè)系統(tǒng)讀取其大小，因此其輸出是由光量子的吸收率決定的，而不是由光量子的能量來(lái)決定，其工作原理根底是單位時(shí)間內(nèi)探測(cè)器的輸出電信號(hào)正比于光生載流子數(shù)目，而單位時(shí)間內(nèi)光生載流子的數(shù)目，即載流子的躍遷速率，正比于總?cè)肷涔鈭?chǎng)振幅的平方，即設(shè)入射為緩變場(chǎng)與的合成場(chǎng)，那么：于是：(1)當(dāng)時(shí)，它對(duì)應(yīng)于直接探測(cè)方式，這種方式下，由于探測(cè)器的輸出電信號(hào)正比于光生載流子躍遷速率，而光生載流子躍遷速率又正比于(即入射光功率)，因而，探測(cè)器的輸出電流是入射光功率的線(xiàn)性函數(shù)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖。6.2.1直接探測(cè)與外差探測(cè)直接探測(cè)系統(tǒng)

直接探測(cè)法能檢測(cè)光強(qiáng)及光強(qiáng)的變化，是非相干輻射的唯一探測(cè)方法，而對(duì)于相干輻射進(jìn)行直接探測(cè)具有簡(jiǎn)單、方便、室溫運(yùn)轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，但它不能反映光載波頻率及相位的變化，因而探測(cè)靈敏度低，信噪比差。(2)當(dāng)時(shí)，躍遷幾率中除兩入射光功率數(shù)量和這一常數(shù)項(xiàng)外，還包含一項(xiàng)以振蕩、相位的分量。因而能反映入射相干光載波的頻率及相位變化，它對(duì)應(yīng)于外差探測(cè)方式，也叫相干探測(cè)，其結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖。外差探測(cè)系統(tǒng)

6.2.1直接探測(cè)與外差探測(cè)外差探測(cè)法可以消除背景噪聲和暗電流的影響，大大提高探測(cè)靈敏度，到達(dá)近乎理想量子極限，它不僅可以探測(cè)光強(qiáng)調(diào)制信號(hào)，還可用于頻率或相位調(diào)制波的探測(cè)，但外差探測(cè)系統(tǒng)復(fù)雜，對(duì)信號(hào)光與本振光要求均很高，技術(shù)困難大，本錢(qián)高。由于激光的高度相干性、單色性和方向性，使光頻的外差探測(cè)成為現(xiàn)實(shí)。光電探測(cè)器除了具有解調(diào)光功率包絡(luò)變化的功能外，只要光譜響應(yīng)匹配，就可以實(shí)現(xiàn)外差探測(cè)。6.2.2兩種探測(cè)方式性能分析1.直接探測(cè)方式性能分析直接探測(cè)方式中調(diào)制信號(hào)頻率為，光信號(hào)頻率為，調(diào)制光信號(hào)為由于光電探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間一般遠(yuǎn)大于光頻變化周期，因而光電轉(zhuǎn)換過(guò)程實(shí)際上是光場(chǎng)變化的時(shí)間積分響應(yīng)，于是得到入射到探測(cè)器上的平均光功率：由此可得入射光在具有內(nèi)增益G的探測(cè)器光敏面上輸出的平均電功率為直接探測(cè)時(shí)，入射光產(chǎn)生的光電流大小為6.2.2兩種探測(cè)方式性能分析很多情況下直接探測(cè)只響應(yīng)光功率的時(shí)變信息，而不考慮直流局部，那么有又由于對(duì)應(yīng)于光探測(cè)器的頻率響應(yīng)，而不是光譜響應(yīng)，頻率太高，光電探測(cè)器根本不能響應(yīng)，因而考慮自增益后，直接探測(cè)光探測(cè)器的實(shí)際輸出電流為：其功率信噪比式中，G為光探測(cè)器的內(nèi)部增益，為背景光電流，為光電陰極暗電流。，，和分別是光電倍增管的信號(hào)光噪聲功率、背景光噪聲功率、暗電流產(chǎn)生的噪聲功率和熱噪聲功率。6.2.2兩種探測(cè)方式性能分析對(duì)于光電倍增管，，，和，其信噪比對(duì)于光電二極管，，，，，，其信噪比由此可推得，在只存在光信號(hào)噪聲，不考慮其他噪聲時(shí)的信號(hào)極限噪聲為：6.2.2兩種探測(cè)方式性能分析2.外差探測(cè)方式性能分析光頻外差探測(cè)的原理和無(wú)線(xiàn)電波外差接收原理完全一樣，其中必須有兩束滿(mǎn)足相干條件的光束。光外差探測(cè)系統(tǒng)中的光電探測(cè)器起著光學(xué)混頻器的作用，它響應(yīng)信號(hào)光與本振光的差頻分量，輸出一個(gè)中頻光電流。由于探測(cè)量利用信號(hào)光和本振光在光電探測(cè)器光敏面上干預(yù)得出，因而外差探測(cè)又稱(chēng)相干探測(cè)。光外差探測(cè)中的光電轉(zhuǎn)換過(guò)程不是檢波過(guò)程，而是一種“轉(zhuǎn)換”過(guò)程，其中的被測(cè)信號(hào)與第二個(gè)光場(chǎng)，即本地振蕩場(chǎng)混頻，從而產(chǎn)生頻移，即把以為載頻的光頻信息轉(zhuǎn)換到以為載頻的中頻電流上。這一轉(zhuǎn)換是本地振蕩光波的作用，它使光外差探測(cè)天然地有一種轉(zhuǎn)換增益G。以直接探測(cè)為基準(zhǔn)加以描述為式中，為信號(hào)光功率，為本振光功率，為探測(cè)器輸出電功率，也就是中頻光功率入射到光電陰極上的總電場(chǎng)為：6.2.2兩種探測(cè)方式性能分析由此推得假設(shè)不考慮其中的直流局部，那么有外差探測(cè)中，本振散粒噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熱噪聲及其他散粒噪聲，于是可推得外差探測(cè)極限靈敏度為此即為光外差探測(cè)的量子極限。比較外差探測(cè)與直接探測(cè)的極限靈敏度可得，二者形式十分相似。但由于外差探測(cè)中的遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于直接探測(cè)中的值，因而外差探測(cè)的極限靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于直接探測(cè)的極限靈敏度。這主要是因?yàn)橥獠钐綔y(cè)中的高質(zhì)量本振光束不僅給信號(hào)光束提供了轉(zhuǎn)換增益，而且還去除了探測(cè)器內(nèi)部噪聲。6.3光電探測(cè)的物理效應(yīng)光電探測(cè)的物理效應(yīng)可以分為三大類(lèi)：光電效應(yīng)、光熱效應(yīng)和波相互作用效應(yīng)，并以光電效應(yīng)應(yīng)用最為廣泛。光電效應(yīng)是入射光的光子與物質(zhì)中的電子相互作用并產(chǎn)生載流子的效應(yīng)。事實(shí)上，此處我們所指的光電效應(yīng)是一種光子效應(yīng)，也就是單個(gè)光子的性質(zhì)對(duì)產(chǎn)生的光電子直接作用的一類(lèi)光電效應(yīng)。根據(jù)效應(yīng)發(fā)生的部位和性質(zhì)，習(xí)慣上又將其分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。外光電效應(yīng)是指發(fā)生在物質(zhì)外表上的光電轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，主要包括光陰極直接向外部放出電子的現(xiàn)象，典型的例子是物質(zhì)外表的光電發(fā)射；內(nèi)光電效應(yīng)指發(fā)生在物質(zhì)內(nèi)部的光電轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，特別是半導(dǎo)體內(nèi)部載流子產(chǎn)生效應(yīng)，主要包括光電導(dǎo)效應(yīng)與光伏效應(yīng)。光電效應(yīng)類(lèi)探測(cè)器吸收光子后，直接引起原子或分子的內(nèi)部電子狀態(tài)改變，因而光子能量的大小直接影響內(nèi)部電子狀態(tài)改變的大小，因而這類(lèi)探測(cè)器受波長(zhǎng)限制，存在“紅限”——截止波長(zhǎng)，截止波長(zhǎng)表達(dá)式：式中，c為真空中光速，E在外光電效應(yīng)中為外表逸出功，在內(nèi)光電效應(yīng)中為半導(dǎo)體禁帶寬度。6.3光電探測(cè)的物理效應(yīng)光熱效應(yīng)是物體吸收光，引起溫度升高的一種效應(yīng)。探測(cè)器件吸收光輻射能量后，并不直接引起內(nèi)部電子狀態(tài)的改變，而是把吸收的光能變?yōu)榫Ц竦臒徇\(yùn)動(dòng)能量，引起探測(cè)元件溫度上升，并進(jìn)一步使探測(cè)元件的電學(xué)性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化的現(xiàn)象。探測(cè)體常用Pt、Ni、Au等金屬和熱敏電阻、熱釋電器件、超導(dǎo)體等。原那么上，光熱效應(yīng)對(duì)光波波長(zhǎng)沒(méi)有選擇性，但由于材料在紅外波段的熱效應(yīng)更強(qiáng)，因而光熱效應(yīng)廣泛用于對(duì)紅外輻射、特別是長(zhǎng)波長(zhǎng)的紅外線(xiàn)的測(cè)量，許多激光功率計(jì)常用該種類(lèi)型的探測(cè)器。由于溫升是熱積累的作用，所以光熱效應(yīng)的速度一般比較慢，而且易受環(huán)境溫度變化的影響。波相互作用效應(yīng)是指激光與某些敏感材料相互作用過(guò)程中產(chǎn)生的一些參量效應(yīng)，包括非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)和超導(dǎo)量子效應(yīng)等。外光電效應(yīng)——光電發(fā)射效應(yīng)金屬或半導(dǎo)體受光照時(shí)，假設(shè)入射光子能量足夠大，它就和物質(zhì)當(dāng)中的電子相互作用，使電子從材料外表逸出，這種現(xiàn)象就稱(chēng)為光電發(fā)射效應(yīng)，也稱(chēng)外光電效應(yīng)。其中，能夠產(chǎn)生光電發(fā)射效應(yīng)的物體稱(chēng)為光電發(fā)射體，在光電管中又稱(chēng)光陰極。光電發(fā)射效應(yīng)是真空光電器件中光電陰極的物理根底，它遵從兩個(gè)根本定律：(1)光電效應(yīng)第一定律——斯托列托夫定律：當(dāng)照射到光電陰極上的入射光頻率或頻譜成分不變時(shí)，飽和光電流(即單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)目)與入射光強(qiáng)度成正比：式中，是光電流，是入射光強(qiáng)，是該陰極對(duì)入射光線(xiàn)的靈敏度。該定律有時(shí)表達(dá)為式中，是t時(shí)刻入射到探測(cè)器上的光功率，是探測(cè)器的量子效率。該式常被稱(chēng)作光電轉(zhuǎn)換定律。(2)光電發(fā)射第二定律——愛(ài)因斯坦定律：如果發(fā)射體內(nèi)電子吸收的光子能量大于發(fā)射體外表逸出功，那么電子將以一定速度從發(fā)射體外表發(fā)射，光電子離開(kāi)發(fā)射體外表時(shí)的初動(dòng)能隨入射光的頻率線(xiàn)性增長(zhǎng)，與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，外光電效應(yīng)——光電發(fā)射效應(yīng)式中，為光電子的初動(dòng)能，m為電子質(zhì)量，為電子離開(kāi)發(fā)射體外表時(shí)的速度，為入射光子能量，為金屬逸出功(從材料外表逸出時(shí)所需的最低能量)，又稱(chēng)功函數(shù)。該式說(shuō)明，入射光子必須具有足夠的能量，也就是說(shuō)至少要等于逸出功，才能發(fā)生光發(fā)射，就此推出外光電效應(yīng)發(fā)生的條件為：截止波長(zhǎng)：入射光波長(zhǎng)大于截止波長(zhǎng)時(shí)，無(wú)論光強(qiáng)有多大、照射時(shí)間有多長(zhǎng)，都不會(huì)有光電子發(fā)射。光電發(fā)射大致可分為三個(gè)過(guò)程：(1)光射入物體后，物體中的電子吸收光子能量，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)；(2)受激電子從受激處出發(fā)，向外表運(yùn)動(dòng)，其間必然要同其它電子或晶格發(fā)生碰撞而失去局部能量；(3)到達(dá)外表的電子克服外表勢(shì)壘對(duì)其的束縛，逸出形成光電子。由此得到光電發(fā)射對(duì)陰極材料的要求：(1)對(duì)光的吸收大，以便體內(nèi)有較多的電子受激發(fā)射；(2)電子受激發(fā)生在外表附近，以使碰撞損失盡量小；(3)材料逸出功小，以使到達(dá)外表的電子容易逸出；(4)電導(dǎo)率好，以便能夠通過(guò)外電源來(lái)補(bǔ)充光電發(fā)射失去的電子。外光電效應(yīng)——光電發(fā)射效應(yīng)1.金屬的光電發(fā)射金屬反射掉大局部入射的可見(jiàn)光(反射系數(shù)大于90%)，吸收效率較低，且光電子與金屬中大量自由電子碰撞，能量損失大，因而只有外表附近(幾納米范圍內(nèi))的光電子才有可能克服逸出功(大都大于3eV)發(fā)出光電子。對(duì)于能量小于3eV的可見(jiàn)光很難產(chǎn)生光電發(fā)射，只有銫(逸出功2eV)對(duì)可見(jiàn)光靈敏，可用于可見(jiàn)光電極，但其量子效率很低(小于0.1%)，在光電發(fā)射前兩階段能量損耗極大。2.半導(dǎo)體光電發(fā)射半導(dǎo)體光電發(fā)射的光電逸出參量有兩個(gè)，分別是電子親和勢(shì)和電子逸出功。電子親和勢(shì)是指導(dǎo)帶底上的電子向真空逸出時(shí)所需的最低能量，數(shù)值上等于真空能級(jí)(真空中靜止電子的能量)與導(dǎo)帶底能級(jí)之差。有外表親和勢(shì)和體內(nèi)親和勢(shì)之分。外表親和勢(shì)是材料參量，與摻雜、外表能帶彎曲等因素?zé)o關(guān)，而體內(nèi)親和勢(shì)不是材料參量，可隨外表能帶彎曲變化。電子逸出功是描述材料外表對(duì)電子束縛強(qiáng)弱的物理量，在數(shù)量上等于電子逸出外表所需的最低能量，即光電發(fā)射的能量閾值。金屬有大量的自由電子，沒(méi)有禁帶，費(fèi)米能級(jí)以下根本上為電子所填滿(mǎn)，而費(fèi)米能級(jí)以上根本上是空態(tài)，因而外表能受內(nèi)外電場(chǎng)影響很小，費(fèi)米能級(jí)只決定于材料，因而其逸出功定義為T(mén)=0K時(shí)真空能級(jí)與費(fèi)米能級(jí)之差，是材料的參量，可用來(lái)做為電子發(fā)射的能量閾值。外光電效應(yīng)——光電發(fā)射效應(yīng)半導(dǎo)體中自由電子較少，且有禁帶，費(fèi)米能級(jí)一般都在禁帶當(dāng)中，且隨摻雜和內(nèi)外場(chǎng)變化，所以真空能級(jí)與費(fèi)米能級(jí)之差不是材料參量。半導(dǎo)體的逸出功定義為T(mén)=0K時(shí)真空能級(jí)與電子發(fā)射中心能級(jí)之差，而電子發(fā)射中心的能級(jí)有的是價(jià)帶頂，有的是導(dǎo)帶底，情況復(fù)雜，而不管逸出功從何算起，其中都包含以親和勢(shì)，因而半導(dǎo)體中很少用逸出功而常用親和勢(shì)來(lái)判別光電子發(fā)射的難易，許多資料中光電發(fā)射的能量閾值常用親和勢(shì)加禁帶寬度來(lái)計(jì)算。由于n型半導(dǎo)體的能帶向上彎曲，使得體內(nèi)電子親和勢(shì)比能帶不彎曲時(shí)增加一個(gè)勢(shì)壘高度eUs，從而逸出功增大，體內(nèi)光電子發(fā)射變得更為困難；而p型半導(dǎo)體那么相反，其能帶向下彎曲，逸出功減小，大大有利于體內(nèi)的光電子發(fā)射。因而各種實(shí)用光電陰極幾乎全是用p型半導(dǎo)體材料作襯底，然后在它上面涂以帶正電的金屬或n型半導(dǎo)體材料而制成。通過(guò)進(jìn)一步減小能帶彎曲還可使光電子發(fā)射的主要部位來(lái)自半導(dǎo)體體內(nèi)，從而使量子效率大大提高；采用費(fèi)米能級(jí)很靠近價(jià)帶的強(qiáng)p型半導(dǎo)體還可使熱電子發(fā)射導(dǎo)致的暗電流較小。6.3.2內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)型探測(cè)器主要包括光電導(dǎo)(Photoconductive：PC)型和光伏(Photovoltaic：PV)型兩種。1.光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)是光照變化引起半導(dǎo)體材料電導(dǎo)變化的現(xiàn)象。當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料時(shí)，材料吸收光子的能量，使得非傳導(dǎo)態(tài)電子變?yōu)閭鲗?dǎo)態(tài)電子，引起載流子濃度增大，從而導(dǎo)致材料電導(dǎo)率增大。該現(xiàn)象是100多年來(lái)有關(guān)半導(dǎo)體與光作用的各種現(xiàn)象中最早為人們所知的現(xiàn)象。以下圖為光電導(dǎo)效應(yīng)示意圖。光電導(dǎo)效應(yīng)6.3.2內(nèi)光電效應(yīng)對(duì)于本征半導(dǎo)體，在無(wú)光照時(shí)，由于熱激發(fā)只有少數(shù)電子從價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶，此時(shí)半導(dǎo)體的電導(dǎo)率很低，稱(chēng)為半導(dǎo)體的暗電導(dǎo)，用表示，且式中，e為電子電荷，n和分別是無(wú)光照時(shí)導(dǎo)帶電子密度和遷移率；p和分別是無(wú)光照時(shí)價(jià)帶空穴密度和遷移率。當(dāng)光入射到本征半導(dǎo)體材料上時(shí)，入射光子將電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，使導(dǎo)電電子、空穴數(shù)量變化、，從而引起電導(dǎo)率變化：以n型半導(dǎo)體為例，如上圖。圖中，V為外加偏壓，為負(fù)載電阻，L、W、d分別為樣品模型的長(zhǎng)、寬、高，那么探測(cè)器電極面積A=Wd。假設(shè)光功率P沿x方向均勻入射，光電導(dǎo)材料吸收系數(shù)為，那么入射光功率在材料內(nèi)部沿x方向的變化為式中P為x=0處的入射光功率。那么光生電子在外電場(chǎng)作用下的漂移電流為式中為x處光生載流子密度，為光生載流子在外電場(chǎng)E作用下的漂移速度。那么探測(cè)器收集極上的光電流平均值為6.3.2內(nèi)光電效應(yīng)代入上式，得光電流平均值為與光生載流子的產(chǎn)生復(fù)合率有關(guān)，假設(shè)非平衡載流子平均壽命為，那么復(fù)合率為，產(chǎn)生率為，在穩(wěn)態(tài)條件下產(chǎn)生率與復(fù)合率相等，由此得于是的光電導(dǎo)探測(cè)器輸出的平均光電流為同時(shí)求得，入射光功率全部被吸收時(shí)，探測(cè)器體內(nèi)的平均光生載流子濃度為此時(shí)的光電流為6.3.2內(nèi)光電效應(yīng)根據(jù)量子效率的定義可求得式中，為外電場(chǎng)下載流子在電極間的渡越時(shí)間，為光電導(dǎo)探測(cè)器的內(nèi)部增益，表示一個(gè)光生載流子對(duì)探測(cè)器外回路電流的有效奉獻(xiàn)，它是光電導(dǎo)探測(cè)器的一個(gè)特有參數(shù)。為了提高其值，應(yīng)該用平均壽命長(zhǎng)、遷移率大的材料作探測(cè)器，且將探測(cè)器電極做成梳狀，以減小極間距離。G的大小隨使用條件和器件本身的結(jié)構(gòu)不同而不同，可在量級(jí)間很寬的范圍內(nèi)變化。6.3.2內(nèi)光電效應(yīng)2.光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。產(chǎn)生這種電位差的機(jī)理有多種，主要的一種是由于阻擋層的存在引起的，我們就以p-n結(jié)為例來(lái)分析光伏效應(yīng)。p-n結(jié)結(jié)區(qū)存在一個(gè)由n指向p的內(nèi)建電場(chǎng)，熱平衡時(shí)，多數(shù)載流子的擴(kuò)散作用與少數(shù)載流子的漂移作用相抵消，沒(méi)有電流通過(guò)p-n結(jié)；當(dāng)有光照射p-n結(jié)時(shí)，樣品對(duì)光子的本征和非本征吸收都將產(chǎn)生光生載流子，但由于p區(qū)和n區(qū)的多數(shù)載流子都被勢(shì)壘阻擋而不能穿過(guò)結(jié)，因而只有本征吸收所激發(fā)的少數(shù)載流子能引起光伏效應(yīng)：p區(qū)的光生電子和n區(qū)的光生空穴以及結(jié)區(qū)的電子-空穴對(duì)擴(kuò)散到結(jié)電場(chǎng)附近時(shí)，在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下漂移過(guò)結(jié)，電子-空穴對(duì)被阻擋層的內(nèi)建電場(chǎng)分開(kāi)，光生電子與空穴分別被拉向n區(qū)與p區(qū)，從而在阻擋層兩側(cè)形成電荷堆積，產(chǎn)生與內(nèi)建電場(chǎng)反向的光生電場(chǎng)，使得內(nèi)建電場(chǎng)勢(shì)壘降低，降低量等于光生電勢(shì)差。光生電勢(shì)差導(dǎo)致的光生電流方向與結(jié)電流方向相反，而與p-n結(jié)反向飽和電流同向，且。光伏效應(yīng)

6.3.2內(nèi)光電效應(yīng)并非所產(chǎn)生的全部光生載流子都對(duì)光生電流有奉獻(xiàn)。設(shè)n區(qū)中空穴在其壽命p時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散距離為L(zhǎng)p，p區(qū)中電子在e時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散距離為L(zhǎng)e，一般情況下L=Lp+Le遠(yuǎn)大于p-n結(jié)寬度，因而可得，結(jié)附近平均擴(kuò)散距離L內(nèi)所產(chǎn)生的光生載流子對(duì)光電流有奉獻(xiàn)，此外的電子-空穴對(duì)在擴(kuò)散過(guò)程中將復(fù)合掉，對(duì)p-n結(jié)光伏效應(yīng)無(wú)奉獻(xiàn)。光伏效應(yīng)有兩個(gè)重要參數(shù)：開(kāi)路電壓Uoc與短路電流Isc，他們的定義都要從p-n結(jié)電流出發(fā)。光伏效應(yīng)下p-n結(jié)總電流其中E為光照度，U為結(jié)電壓，T為絕對(duì)溫度，S為光照面積。那么定義光照下p-n結(jié)外電路開(kāi)路(即I=0)時(shí)p端對(duì)n端的電壓為開(kāi)路電壓Uoc：在一定溫度下，它與光照度E呈對(duì)數(shù)關(guān)系，但最大值不超過(guò)接觸電勢(shì)差。短路電流Isc定義為光照下p-n結(jié)外電路短路(即U=0)時(shí)，從p端流出，經(jīng)過(guò)外電路流入n端的電流：可見(jiàn)它在弱光照射下與E呈線(xiàn)性關(guān)系。6.3.3光熱效應(yīng)光熱效應(yīng)中典型的有溫差電效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)。1.溫差電效應(yīng)當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料兩端并聯(lián)熔接時(shí)，在接點(diǎn)處可產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種電動(dòng)勢(shì)的大小和方向與該接點(diǎn)處兩種不同材料的性質(zhì)和接點(diǎn)處溫差有關(guān)，如果把這兩種不同材料連接成回路，當(dāng)兩接頭溫度不同時(shí)，回路中即產(chǎn)生電流，這種現(xiàn)象稱(chēng)為溫差電效應(yīng)，又稱(chēng)塞貝克效應(yīng)。右圖是溫差電效應(yīng)示意圖溫差電效應(yīng)

溫差熱電偶接收輻射一端稱(chēng)為熱端，另一端為冷端。為了提高吸收系數(shù)，熱端常裝有涂黑的金箔。半導(dǎo)體熱電偶熱端接收輻射后升溫，載流子濃度增加，多子從熱端向冷端擴(kuò)散，從而使p型材料熱端帶負(fù)電、冷端帶正電，n型那么相反。當(dāng)冷端開(kāi)路時(shí)，開(kāi)路電壓為：式中，M是一個(gè)比例系數(shù)，稱(chēng)為塞貝克常數(shù)，又稱(chēng)溫差電勢(shì)率，單位為V/；為溫度增量。為了提高靈敏度，并使工作穩(wěn)定，常把溫差熱電偶或溫差熱電堆放在真空外殼里。真空溫差熱電偶的主要參量有：靈敏度R，響應(yīng)時(shí)間常數(shù)

，噪聲等效功率NEP等。6.3.3光熱效應(yīng)溫差熱電偶的靈敏度定義式為：式中，為冷端負(fù)載上所產(chǎn)生的電壓降；為入射于探測(cè)器的輻射通量。要使R大，應(yīng)選用M大的材料，并增大吸收系數(shù)，同時(shí)減小內(nèi)阻與熱導(dǎo)。交變情況下，調(diào)制頻率

低時(shí)R更大，

和

減小都有利于R提高，響應(yīng)率與帶寬之積為一常數(shù)。由于溫差熱電偶的

多為毫秒量級(jí)，因而帶寬較窄，多用于測(cè)量恒定輻射或低頻輻射，只有少數(shù)

小的材料才能測(cè)量中高頻輻射。2.熱釋電效應(yīng)熱電晶體的自發(fā)極化矢量隨溫度變化，從而使入射光可引起電容器電容改變的現(xiàn)象稱(chēng)為熱釋電效應(yīng)。熱釋電效應(yīng)示意圖如以下圖，圖中為熱電體的居里溫度。熱釋電效應(yīng)

6.3.3光熱效應(yīng)熱電晶體是一種結(jié)晶對(duì)稱(chēng)性很差(即具有非中心對(duì)稱(chēng)性)的壓電晶體，在常態(tài)下，某個(gè)方向上正負(fù)電荷中心不重合，從而晶體外表存在著一定量的極化電荷，稱(chēng)為自發(fā)極化。晶體溫度變化會(huì)引起正負(fù)電荷中心發(fā)生位移，從而引起外表極化電荷變化。溫度恒定時(shí)，因晶體外表吸附有來(lái)自于周?chē)諝獾漠愋噪姾?，因而觀察不到自發(fā)極化現(xiàn)象；溫度變化時(shí)，晶體外表的極化電荷發(fā)生變化，而周?chē)奈阶杂呻姾蓪?duì)面電荷的中和作用十分緩慢，一般在1—1000s量級(jí)，難以跟上溫度變化導(dǎo)致的極化點(diǎn)和變化速度，因而晶體外表電荷失去平衡，自發(fā)極化現(xiàn)象得以顯示。但這種溫度變化相應(yīng)的面電荷變化過(guò)程僅發(fā)生在平均作用時(shí)間內(nèi)。其中，為晶體介電常數(shù)，為晶體電導(dǎo)率。可見(jiàn)，這種輻射探測(cè)方法僅適用于變化的輻射，且輻射調(diào)制頻率必須大于。設(shè)晶體的自發(fā)極化矢量為，其方向垂直于晶體外表，那么輻射引起的外表極化電荷變化為式中，A為接收輻射面與另一面的重合局部面積，為輻射引起的晶體溫度變化，稱(chēng)為熱釋電系數(shù)。6.3.3光熱效應(yīng)如果把熱釋電體放進(jìn)一個(gè)電容器極板之間，并將一個(gè)電流表與電容器極板連接，電流表中就會(huì)有電流流過(guò)，該電流稱(chēng)為短路熱釋電流：可見(jiàn)，當(dāng)照射光恒定不變時(shí)，與均為恒值，熱釋電流為零。6.4光電探測(cè)器本節(jié)首先在前述光電探測(cè)物理根底上綜合分析了各類(lèi)光電探測(cè)器，接著介紹幾種典型光探測(cè)器。6.4.1光電探測(cè)器類(lèi)型1.光電探測(cè)器分類(lèi)光探測(cè)器的分類(lèi)可以按其工作時(shí)所利用的物理效應(yīng)來(lái)劃分，也可以根據(jù)探測(cè)器結(jié)構(gòu)形式來(lái)分，還可以根據(jù)探測(cè)方式來(lái)分。根據(jù)探測(cè)器結(jié)構(gòu)形式，可將探測(cè)器分為單元探測(cè)器和多元探測(cè)器，其中的多元探測(cè)器已由線(xiàn)陣開(kāi)展為面陣，且目前已能將探測(cè)器陣列與信號(hào)處理電路集成為半導(dǎo)體集成塊，大大方便了應(yīng)用。根據(jù)探測(cè)方式不同可分為直接探測(cè)和外差探測(cè)。各種分類(lèi)方式中，更多的是根據(jù)光電探測(cè)工作時(shí)所依據(jù)的各種物理效應(yīng)來(lái)對(duì)光電探測(cè)器進(jìn)行分類(lèi)。這種分類(lèi)中，以光電導(dǎo)模式工作的反偏結(jié)型光探測(cè)器與光電三極管的歸屬問(wèn)題存在歧義。有人將之歸入結(jié)型光電導(dǎo)類(lèi)探測(cè)器，有人將其歸入光導(dǎo)模式結(jié)型光伏探測(cè)器，就現(xiàn)有資料來(lái)看，更多學(xué)者傾向?qū)⑵錃w入光伏探測(cè)器。表6-1為將光電導(dǎo)模式工作的反偏結(jié)型光探測(cè)器與光電三極管歸入光伏效應(yīng)類(lèi)型中時(shí)，光電探測(cè)的物理效應(yīng)與相應(yīng)探測(cè)器分類(lèi)表。6.4.1光電探測(cè)器類(lèi)型6.4.1光電探測(cè)器類(lèi)型表6-2是將光電導(dǎo)模式工作的反偏結(jié)型光探測(cè)器與光電三極管歸入結(jié)型光電導(dǎo)類(lèi)探測(cè)器所得常見(jiàn)光電探測(cè)器的分類(lèi)情況表。本書(shū)后續(xù)章節(jié)中都按表6-1的分類(lèi)執(zhí)行。6.4.1光電探測(cè)器類(lèi)型2.光電導(dǎo)型探測(cè)器利用光電導(dǎo)效應(yīng)工作的光電探測(cè)器稱(chēng)為光電導(dǎo)型探測(cè)器，這類(lèi)探測(cè)器在光照下會(huì)改變自身的電阻率，且光照越強(qiáng)器件電阻率越小，因而常稱(chēng)為光導(dǎo)管或光敏電阻。它們一般都為體結(jié)構(gòu)，阻抗呈阻性，沒(méi)有極性，且靈敏度較高，具有內(nèi)電流增益G，響應(yīng)速度那么一般較慢。光敏電阻主要用于電子電路、儀器儀表、光電控制、計(jì)量分析、光電制導(dǎo)、激光外差探測(cè)等方面。光敏電阻元件主要是Ⅱ—Ⅵ族的化合物半導(dǎo)體，如CdS(硫化鎘)、CdTe(碲化鎘)、PbS(硫化鉛)之類(lèi)的燒結(jié)體，和InSb(銻化銦)、GaS等Ⅲ—Ⅴ族化合物半導(dǎo)體，及Ge:Cu、Ge:Au等Ⅳ族半導(dǎo)體晶體。圖6-9為光敏電阻的結(jié)構(gòu)和偏置電路。表6-3給出幾種光敏電阻典型特性。圖6-9光敏電阻的結(jié)構(gòu)和偏置電路

6.4.1光電探測(cè)器類(lèi)型CdS、CdTe具有高可靠性、長(zhǎng)壽命、低造價(jià)、可見(jiàn)光響應(yīng)等特點(diǎn)，探測(cè)器，光電導(dǎo)增益為103-104，響應(yīng)時(shí)間約50ms，在工業(yè)中應(yīng)用最廣。PbS是一種軍用最多的優(yōu)良近紅外光敏電阻，其響應(yīng)范圍在1-3.4

m，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)2

m，響應(yīng)時(shí)間200

s，室溫有較大電壓輸出。6.4.1光電探測(cè)器類(lèi)型3.光伏型探測(cè)器利用光導(dǎo)型光伏效應(yīng)的p-n結(jié)型光電二極管(PD)，響應(yīng)速度快，其根本工作原理是：光照所產(chǎn)生的大量空穴被施加在p-n結(jié)上的反向偏壓所加速，移動(dòng)速度加快，從而產(chǎn)生光電流。最常用的材料是Si(波長(zhǎng)探測(cè)范圍：0.3-1.1)、Ge(波長(zhǎng)探測(cè)范圍：1.0-1.7)等Ⅳ族半導(dǎo)體。InGaAsP和InGaSbP制作的長(zhǎng)波長(zhǎng)光電二極管對(duì)于波段光通信至關(guān)重要，也是目前研究的重點(diǎn)。光接收面積增大，那么p-n結(jié)電容增大，響應(yīng)速度減慢，為此，常在p-n結(jié)中參加本征層，形成p-i-n結(jié)光電二極管。p-n結(jié)、p-i-n結(jié)光電二極管中，電子和空穴的產(chǎn)生僅由光能量引起，而另一種二極管——雪崩光電二極管(APD)卻具有“自增益”，能進(jìn)一步增大電子和空穴數(shù)，同時(shí)又不損害高速響應(yīng)性能。但APD卻存在需要穩(wěn)定的高偏壓，倍增系數(shù)受溫度影響很大、使用困難等缺陷。肖特基勢(shì)壘光電二極管具有量子效率高(>70%)，響應(yīng)頻率高(>10GHz)等特性。以上各種光電二極管原理上都是反偏的p-n結(jié)結(jié)構(gòu)。光電三極管(p-n-p結(jié)和n-p-n結(jié)構(gòu)成)形成光敏晶體管，它相當(dāng)于在普通的晶體三極管結(jié)構(gòu)中，基極由光照射電極來(lái)代替而形成。當(dāng)在發(fā)射極與集電極之間加上電壓，基極周?chē)a(chǎn)生的電子和空穴向集電極擴(kuò)散的過(guò)程中，會(huì)因三極管的放大作用而放大，具有靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。但由于結(jié)電容和包含內(nèi)電阻的負(fù)載電阻的時(shí)間常數(shù)的影響，響應(yīng)速度慢。6.4.1光電探測(cè)器類(lèi)型光電池和太陽(yáng)能電池為零偏的二極管機(jī)構(gòu)，能直接將光能轉(zhuǎn)變成電能，不再需要外加電源，在響應(yīng)速度要求不高的場(chǎng)合，因其使用簡(jiǎn)便，常用于光電子學(xué)信息處理和光耦合器件的光接收部件上，目前使用的有(1)Si、GaAs、AlSb等Ⅳ族及Ⅲ—Ⅴ族的單晶和非晶半導(dǎo)體制備的的p-n結(jié)；(2)燒結(jié)型的CdS與其它物質(zhì)構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)；(3)用CdTe薄膜制備的p-n結(jié)半導(dǎo)體等。4.熱電型探測(cè)器熱電型探測(cè)器在紅外、激光功率/能量測(cè)量中應(yīng)用廣泛。如果把溫差熱電偶的冷端分開(kāi)并與一個(gè)電表相連，那么當(dāng)光照熔接端時(shí)，吸收光能使熱電偶接頭溫度升高，電表就有相應(yīng)的電流讀數(shù)，其數(shù)值間接反映了光照能量的大小，這就是熱電偶探測(cè)器的工作原理。構(gòu)成溫差熱電偶的材料可以是金屬，也可以是半導(dǎo)體；可以是線(xiàn)、條狀的實(shí)體，也可以是真空淀積或光刻所得薄膜。實(shí)際中為提高靈敏度，常將假設(shè)干個(gè)熱電偶串聯(lián)起來(lái)使用，稱(chēng)為熱電堆。實(shí)體型溫差熱電偶多用于測(cè)溫，薄膜型溫差熱電堆多用于測(cè)量各種輻射，如標(biāo)定各類(lèi)光源、測(cè)量光功率、充當(dāng)紅外分光光度計(jì)/光譜分析儀的輻射接收元件等。熱電探測(cè)器最小可探測(cè)功率的主要限制因素為溫度噪聲和約翰遜噪聲。理想熱電探測(cè)器NEP為W量級(jí)，溫差熱電堆常溫理想情況下可達(dá)W量級(jí)。利用熱釋電效應(yīng)工作的探測(cè)器具有工作時(shí)無(wú)需冷卻，也無(wú)需偏壓電源，在室溫與高溫下均可工作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，在遠(yuǎn)紫外到遠(yuǎn)紅外很寬的波譜范圍內(nèi)具有幾乎均勻的光譜響應(yīng)，在較寬的頻率和溫度范圍內(nèi)有較高的探測(cè)度等等優(yōu)點(diǎn)，是目前功率/能量探頭的重要類(lèi)型。6.4.2典型光電探測(cè)器1.光電倍增管光電倍增管具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)光譜響應(yīng)寬，從近紫外、可見(jiàn)光到近紅外均可覆蓋；(2)固有的高電流增益和低噪聲，是最靈敏的探測(cè)器之一，可探測(cè)低達(dá)W的微弱光信號(hào)；(3)電陰極尺寸可做到很大，因而可用作大面積信息傳輸。光電倍增管由光電陰極C、一系列倍增電極D、收集陽(yáng)極A三大局部密封在真空外殼中組成(如圖6-10所示)。倍增電極，即能發(fā)射二次電子的電極，其電位與陰極相比逐漸升高，一般極間電位差為V。光電陰極是光電倍增管的關(guān)鍵局部，它將入射光轉(zhuǎn)換為電流，決定著探測(cè)器的波長(zhǎng)響應(yīng)特性及極限靈敏度。收集陽(yáng)極用來(lái)匯總經(jīng)一系列光電倍增陰極作用而在最后一級(jí)倍增陰極產(chǎn)生出數(shù)目巨大的二次電子。