光电检测器件工作原理及特

第二章第二章 光电检测器件工作原理及特性光电检测器件工作原理及特性v 2.1 2.1 光电检测器件的物理基础光电检测器件的物理基础 1 1、光电导效应、光电导效应 2 2、杂质光电导效应、杂质光电导效应 3 3、光生伏特效应、光生伏特效应 4 4、光热效应、光热效应v 2.2 2.2 光电检测器件的特性参数光电检测器件的特性参数v光电效应：物质受光照射后，材料电学性质发生光电效应：物质受光照射后，材料电学性质发生了变化（发射电子、电导率的改变、产生感生电了变化（发射电子、电导率的改变、产生感生电动势）现象。动势）现象。包括：包括：外光电效应：产生电子发射外光电效应：产生电子发射 内光电效应：内部电子能量状态发生变化内光电效应：内部电子能量状态发生变化光电效应和光热效应光电效应和光热效应光电导效应、光生伏特效应和光热效应光电导效应、光生伏特效应和光热效应2.1.1 2.1.1 光电导效应光电导效应v光电导效应：光照射的物质电导率发生改变，光光电导效应：光照射的物质电导率发生改变，光照变化引起材料电导率变化。是光电导器件工作照变化引起材料电导率变化。是光电导器件工作的基础。的基础。物理本质：物理本质：光照到半导体材料时，晶格原子或杂质原子光照到半导体材料时，晶格原子或杂质原子的束缚态电子吸收光子能量并被激发为传导态自由电子，的束缚态电子吸收光子能量并被激发为传导态自由电子，引起材料载流子浓度增加，因而导致材料电导率增大。引起材料载流子浓度增加，因而导致材料电导率增大。(属于内光电效应。属于内光电效应。)包括：包括：本征和非本征两种，对应本征和杂质半导体材料。本征和非本征两种，对应本征和杂质半导体材料。1 1、本征光电导效应、本征光电导效应本征光电导效应：是指本征半导体材料发生光电导效应。本征光电导效应：是指本征半导体材料发生光电导效应。即：光子能量即：光子能量hvhv大于材料禁带宽度大于材料禁带宽度E Eg g的入射光，才能激的入射光，才能激光出电子空穴对，使材料产生光电导效应。光出电子空穴对，使材料产生光电导效应。针对本征半导体材料针对本征半导体材料,即：即：hvEhvEg g即存在截止波长：即存在截止波长：0 0=hc/E=hc/Egggg。基本概念：基本概念：1 1、稳态光电流：、稳态光电流：稳定均匀光照稳定均匀光照 2 2、暗电导率和暗电流、暗电导率和暗电流3 3、亮电导率和亮电流、亮电导率和亮电流 4 4、光电导和光电流、光电导和光电流 基本公式：基本公式：暗电导率暗电导率Gd=dS/L暗电流暗电流Id=dSU/L亮电导率亮电导率Gl=lS/L亮电流亮电流Il=lSU/L光电导光电导Gp=S/L光电流光电流Ip=SU/L光电导效应示意图光电导效应示意图LS本征半导体样品本征半导体样品光光U2、光电导弛豫过程EtOi(%)tO1006337rf矩形光矩形光脉冲脉冲光电导对光强变化反应的惰性光电导对光强变化反应的惰性引起光电流变化的延迟引起光电流变化的延迟 输出光电流与光功率调制频输出光电流与光功率调制频率变化关系是一低通特性。率变化关系是一低通特性。3、光电导增益光光电导增益是表征光电导器件特性的一个重要参数，表示长电导增益是表征光电导器件特性的一个重要参数，表示长度为度为L L的光电导体在两端加上电压的光电导体在两端加上电压U U后，由光照产生的光生载后，由光照产生的光生载流子在电场作用下形成的流子在电场作用下形成的外电流外电流与光生载流子在内部形成的与光生载流子在内部形成的光电流光电流之比。可表示为之比。可表示为:M=:M=/drdr 为器件的时间响应为器件的时间响应 drdr为载流子在两极间的渡越时间为载流子在两极间的渡越时间光光电导器件常做成梳状电极，光敏面做成蛇形，即保证了电导器件常做成梳状电极，光敏面做成蛇形，即保证了较大的较大的受光表面受光表面，又可减小，又可减小电极间距离电极间距离，从而减小载流子，从而减小载流子的有效极间渡越时间，也利于提高灵敏度的有效极间渡越时间，也利于提高灵敏度光光电导器件的光电导增益与带宽积为一常数，即电导器件的光电导增益与带宽积为一常数，即M Mf=f=常数。常数。表明，光电导增益越大，光电灵敏度越高，而器件的带宽越表明，光电导增益越大，光电灵敏度越高，而器件的带宽越低。反之亦然。这一结论对光电效应现象有普遍性。低。反之亦然。这一结论对光电效应现象有普遍性。2.1.2 2.1.2 杂质光电导效应：杂质光电导效应：杂质半导体杂质半导体常常用光电导材料：硅用光电导材料：硅SiSi、锗、锗GeGe及掺杂的半导体材及掺杂的半导体材料，以及一些有机物。料，以及一些有机物。杂质半导体中施主或受主吸收光子能量后电离中，产生杂质半导体中施主或受主吸收光子能量后电离中，产生自由电子或空穴，从而增加材料电导率的现象。自由电子或空穴，从而增加材料电导率的现象。杂质半导体禁带宽度比本征小很多，因此更容易电离，杂质半导体禁带宽度比本征小很多，因此更容易电离，响应波长比本征材料要长得多。用响应波长比本征材料要长得多。用EIEI表示杂质半导体的表示杂质半导体的电离能，则截止波长：电离能，则截止波长：0=hc/EI0=hc/EI。特点：容易受热激发产生的噪声的影响，常工作在特点：容易受热激发产生的噪声的影响，常工作在低温状态。低温状态。2.1.3 2.1.3 光生伏特效应光生伏特效应达达到内部动态平衡的半导体到内部动态平衡的半导体PNPN结，在光照的作用下，结，在光照的作用下，在在PNPN结的两端产生电动势，称为光生电动势。这就结的两端产生电动势，称为光生电动势。这就是光生伏特效应。也称光伏效应。是光生伏特效应。也称光伏效应。物理本质：物理本质：PNPN结内建电场使得载流子（电子和空穴）的扩结内建电场使得载流子（电子和空穴）的扩散和漂移运动达到了动态的平衡，在光子能量大于禁带宽度散和漂移运动达到了动态的平衡，在光子能量大于禁带宽度的光照的作用下，激光出的电子空穴对打破原有平衡，靠近的光照的作用下，激光出的电子空穴对打破原有平衡，靠近结区电子和空穴分别向结区电子和空穴分别向N N区和区和P P区移动，形成光电流，同时形区移动，形成光电流，同时形成载流子的积累，内建电场减小，相当于在成载流子的积累，内建电场减小，相当于在PNPN加了一个正向加了一个正向电压。即光生电动势。电压。即光生电动势。IpPN_VDV+光照光照PNEcEvEFeVD无光照无光照有光照有光照PNEcEvEFeVD-eV形成过程：形成过程：空穴空穴电子电子光生（正向）电压产生正向注入光生（正向）电压产生正向注入电流（由电流（由P指指N）：）：I+=Isexp(qV/kT)-1I+当当PNPN结外接回路时，总电流与光生电流和结电流之间关系：结外接回路时，总电流与光生电流和结电流之间关系：I=II=Ip p-I-I+=I=Ip p-I-Is sexp(qV/kT)-1exp(qV/kT)-1负负载接入外回路，电流为载接入外回路，电流为I I，则，则PNPN结两端电压为：结两端电压为：V=(V=(kT/q)ln(IkT/q)ln(Ip p-I)/I-I)/Is s+1+1 PNPN结开路时，结开路时，I=0I=0，求得开路电压：，求得开路电压：V Voc oc=(kT/q)ln(I=(kT/q)ln(Ip p/I/Is s+1)+1)可可见见V Vococ与与I Ip p为非线性关系。为非线性关系。P PN N结短路，结短路，V=0V=0，求得短路电流即光电流：，求得短路电流即光电流：I Iscsc=I=Ip p=q=q/h/h=P=P没有光照时，没有光照时，I Ip p=0=0，外加正向电压为，外加正向电压为V V时，有时，有I I+=I=Is sexp(qV/kT)-1exp(qV/kT)-1注意：光注意：光伏效应与光照相联系的是少数载流子的行为，少数载伏效应与光照相联系的是少数载流子的行为，少数载流子的寿命通常很短。所以以光伏效应为基础的检测器件比以光流子的寿命通常很短。所以以光伏效应为基础的检测器件比以光电导效应为基础的检测器件有更快的响应速度。电导效应为基础的检测器件有更快的响应速度。与与光电效应的区别：光电效应中，光子能量直接变为光电子光电效应的区别：光电效应中，光子能量直接变为光电子的能量，光热效应中，光能量与晶格相互作用使其运动加剧，的能量，光热效应中，光能量与晶格相互作用使其运动加剧，造成温度的升高，从而引起物质相关电学特性变化。造成温度的升高，从而引起物质相关电学特性变化。2.1.4 2.1.4 光热效应光热效应可可分为分为:热释电效应、辐射热计效应及温差电效应热释电效应、辐射热计效应及温差电效应 介介质温度在光照作用下温度发生变化，介质的极化强质温度在光照作用下温度发生变化，介质的极化强度随温度变化而变化，引起表面电荷变化的现象。度随温度变化而变化，引起表面电荷变化的现象。物理本质：极化晶体物理本质：极化晶体极化晶体：极化晶体：在外电场和应力为零情况下自身具有自发极化在外电场和应力为零情况下自身具有自发极化的晶体，原因是内部电偶极矩不为零，表面感应束缚电荷。的晶体，原因是内部电偶极矩不为零，表面感应束缚电荷。+-+-+-+-+-+-_P(T1)P(T2)+-+-+-+-+-+-_j工作温度工作温度T T1 1（左）和工作温度（左）和工作温度T T2 2TT1 1（右）（右）极化晶体表面束缚电荷，被周围自由电荷不断中和，表面无净电荷。光照极化晶体表面束缚电荷，被周围自由电荷不断中和，表面无净电荷。光照时，晶体温度升高，电偶极子热运动加剧，极化强度减弱，表面感应电荷时，晶体温度升高，电偶极子热运动加剧，极化强度减弱，表面感应电荷数减小，但数减小，但中和过程中和过程（达数秒）要远大于极化强度的（达数秒）要远大于极化强度的响应过程响应过程（1010-12-12s s），），相当于释放了一些电荷，对外表现为电流。可以在这些电荷被中和之前测相当于释放了一些电荷，对外表现为电流。可以在这些电荷被中和之前测量到。量到。热释电现象中：温度对自发极化强度的影响。热释电现象中：温度对自发极化强度的影响。TcPTOTcPTO极化晶体的极化强度与温度极化晶体的极化强度与温度T的关系：一级相变（左）和二极相变（右）的关系：一级相变（左）和二极相变（右）随随着温度的升高，自发极化强度越来越弱，当达到一定着温度的升高，自发极化强度越来越弱，当达到一定温度时，自发极化强度为零，极化晶体发生相变为非极温度时，自发极化强度为零，极化晶体发生相变为非极化晶体。化晶体。入入射光照射材料由于受射光照射材料由于受而造成电阻率变化的现而造成电阻率变化的现象称为辐射热计效应。由温度引起电阻率变化。象称为辐射热计效应。由温度引起电阻率变化。阻值与温度变化关系：阻值与温度变化关系：R=TRTT T为电阻温度系数为电阻温度系数R R为元件电阻为元件电阻当温度变化足够小时，当温度变化足够小时，T T=1/R=1/R*dR/dTdR/dT对金属材料，对金属材料，R=BTR=BT，则，则T T=1/T=1/T，呈反比关系。，呈反比关系。对半导体材料，对半导体材料，R R与与T T具有指数关系，则具有指数关系，则T T=-B/T=-B/T2 2。说明温。说明温度越高，电阻温度系数越小。度越高，电阻温度系数越小。B B为常数，典型值为常数，典型值3000K3000K。由由两种不同材料制成的结点由于受到某种因素两种不同材料制成的结点由于受到某种因素作用而出现了温差，就有可能在两结点间产生电动作用而出现了温差，就有可能在两结点间产生电动势，回路中产生电流，这就是温差电效应。势，回路中产生电流，这就是温差电效应。当有光照结点产生温度变化当有光照结点产生温度变化就会产生温差电现象。就会产生温差电现象。另外，如果在图中另外，如果在图中x x，y y处接一处接一电动势，导体中产生电流，两电动势，导体中产生电流，两个接点个接点1 1和和2 2处就会出现一个吸处就会出现一个吸热一个放热的现象。热一个放热的现象。吸（放）热速率：吸（放）热速率：d dp/dt=p/dt=I I，称为帖耳帖系数称为帖耳帖系数xyT1T212导体a导体b2.2 2.2 光电检测器件的特性参数光电检测器件的特性参数 光电检测器件利用特质的光电效应把光信号转换成电信光电检测器件利用特质的光电效应把光信号转换成电信号的器件，它的性能对光电检测系统影响很大。根据工作机号的器件，它的性能对光电检测系统影响很大。根据工作机理的不同，可分为理的不同，可分为光子检测器件光子检测器件和和热电检测器件热电检测器件。热热电电检检测测器器件件热释电检测器（热释电效应）热释电检测器（热释电效应）热敏电阻（辐射热计效应）热敏电阻（辐射热计效应）热电偶和热电堆（温差电效应）热电偶和热电堆（温差电效应）一、分类一、分类光光子子检检测测器器件件电真空或光电发射电真空或光电发射型检测器件型检测器件固体或半导体光电固体或半导体光电检测器件检测器件光电管光电管光电倍增管光电倍增管光导型：光敏电阻光导型：光敏电阻光伏型：光伏型：光电池光电池光电二、三极管光电二、三极管光子检测器件（即通常意义上的光电检测器件）分类：光子检测器件（即通常意义上的光电检测器件）分类：热敏检测器件的特点：热敏检测器件的特点：1 1、响应波长无选择性。对各种波长具有相同的敏感性。、响应波长无选择性。对各种波长具有相同的敏感性。2 2、响应慢。即吸收辐射后产生信号所需时间长，在毫秒、响应慢。即吸收辐射后产生信号所需时间长，在毫秒量级量级光子检测器件的特点：光子检测器件的特点：1 1、响应波长有选择性。存在截止波长。、响应波长有选择性。存在截止波长。2 2、响应快。一般为纳秒到几百微秒、响应快。一般为纳秒到几百微秒二、特性参数二、特性参数1 1、响应度（或称灵敏度）响应度（或称灵敏度）S S电压响应度：SV=Vo/Pi电流响应度：SI=Io/Pi 其中：其中：V Vo o和和I Io o分别为光电检测器输出电压和输出电流。分别为光电检测器输出电压和输出电流。P P为入射光功率（或用通量为入射光功率（或用通量表示）。表示）。2 2、光谱响应度光谱响应度S(S()光谱响应度：S()=Vo/()(V/W)S()=Io/()(A/W)()为入射的单色辐射通量或光通量。为入射的单色辐射通量或光通量。3 3、积分响应度积分响应度S S：表示检测器对各种波长的辐射光连续辐射通量的反应程表示检测器对各种波长的辐射光连续辐射通量的反应程度，光电检测器件输出的电流或电压与入射光通量之比。度，光电检测器件输出的电流或电压与入射光通量之比。4 4、响应时间响应时间：响响应时间是描述光电检测器对入射辐射响应快慢的参应时间是描述光电检测器对入射辐射响应快慢的参数。即入射光辐射到检测器后或入射光被遮断后，光电检测数。即入射光辐射到检测器后或入射光被遮断后，光电检测器件输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需要的时间。器件输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需要的时间。当当一个辐射脉冲照射光电检测一个辐射脉冲照射光电检测器时，如果这个脉冲上升和下器时，如果这个脉冲上升和下降时间很短，则光电检测器由降时间很短，则光电检测器由于惰性而有延迟。于惰性而有延迟。上升时间上升时间r r和和下降时间下降时间f f矩形光矩形光脉冲脉冲入入射射光光tOrfI光光tO10.10.95 5、频率响应、频率响应S(f)S(f)：由于光电检测器信号的产生和消失存在着一个滞后过由于光电检测器信号的产生和消失存在着一个滞后过程，所以入射光辐射的频率对光电检测器的响应将有很大的程，所以入射光辐射的频率对光电检测器的响应将有很大的影响，把光电检测器的响应随入射辐射的调制频率而变化的影响，把光电检测器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性称为频率响应。特性称为频率响应。利用时间常数可得到频率响应关系：利用时间常数可得到频率响应关系：S(f)=S0/1+(2f)21/2 S S0 0为频率是零时的响应度；为频率是零时的响应度；为时间常数。为时间常数。可求得放大器的上限截止频率：可求得放大器的上限截止频率：f f上上=1/2=1/2=1/2=1/2RC RC 可见：可见：光电检测器电路时间常数决定了频率响应带宽光电检测器电路时间常数决定了频率响应带宽6、热噪声：热噪声：当入射辐射功率很低时，输出只是些杂乱无章的变化信号，无法肯定是当入射辐射功率很低时，输出只是些杂乱无章的变化信号，无法肯定是否为入射辐射信号，这是检测器固有的噪声引起的。其时间平均值为零，否为入射辐射信号，这是检测器固有的噪声引起的。其时间平均值为零，但均方根不等于零，即存在瞬时电流扰动。这个均方根电压（或电流）但均方根不等于零，即存在瞬时电流扰动。这个均方根电压（或电流）即为噪声电压（流）。热噪声是由载流子无规则运动造成的。即为噪声电压（流）。热噪声是由载流子无规则运动造成的。热热噪声存在于任何电阻中，与温度成正比，与频率无关，说噪声存在于任何电阻中，与温度成正比，与频率无关，说明热噪声是由各种频率分量组成，可称为白噪声。明热噪声是由各种频率分量组成，可称为白噪声。7 7、散粒噪声：、散粒噪声：或称散弹噪声，即穿越势垒的载流子的随机涨落（统或称散弹噪声，即穿越势垒的载流子的随机涨落（统计起伏）所造成的噪声。计起伏）所造成的噪声。8 8、信噪比（、信噪比（S/NS/N）：）：信噪比是判断噪声大小通常使用的参数。它是在负载信噪比是判断噪声大小通常使用的参数。它是在负载电阻电阻R RL L上产生的信号功率与噪声功率比。上产生的信号功率与噪声功率比。S/N=PS/N=PS S/P/PN N=I=IS S2 2R RL L/I/IN N2 2R RL L=I=IS S2 2/I/IN N2 2用分贝（用分贝（dBdB）表示：）表示：（S/N)S/N)dBdB=10lg(I=10lg(IS S2 2/I/IN N2 2)=20lg(I)=20lg(IS S/I/IN N)S/NS/N的大小与入射信号辐射功率及接收面积有关，入射辐射强，接收的大小与入射信号辐射功率及接收面积有关，入射辐射强，接收面积大，则面积大，则S/NS/N就大。但性能不一定就好，对两种光电器件只有在相同就大。但性能不一定就好，对两种光电器件只有在相同信号辐射功率相同情况下才能比较。信号辐射功率相同情况下才能比较。9 9、线性度（非线性误差、线性度（非线性误差）：）：线性度是描述光电检测器输出信号与输入信号保持线线性度是描述光电检测器输出信号与输入信号保持线性关系的，即在规定范围内，光电检测器的输出电量正比于性关系的，即在规定范围内，光电检测器的输出电量正比于输入光量的性能。光电检测器件的响应度是常数的范围称为输入光量的性能。光电检测器件的响应度是常数的范围称为线性区。线性区。=max/I2-I1实线为实际响应曲线实线为实际响应曲线虚线为拟合直线虚线为拟合直线IOI2I1光光电检测器线性区的大小与检测电检测器线性区的大小与检测器电子线路有很大关系：线性区器电子线路有很大关系：线性区的下限一般由光电器件的暗电流的下限一般由光电器件的暗电流和噪声因素决定，上限由饱和效和噪声因素决定，上限由饱和效应或过载决定。还随偏置、辐射应或过载决定。还随偏置、辐射调制及调制频率等条件的变化而调制及调制频率等条件的变化而变化。变化。1010、工作温度：、工作温度：光光电检测器的工作温度是最佳工作状态时的温度，是光电检测器的工作温度是最佳工作状态时的温度，是光电检测器重要的性能参数之一。电检测器重要的性能参数之一。光光电检测器工作温度不同，工作性能将会有所变化。电检测器工作温度不同，工作性能将会有所变化。例如例如HgCdTeHgCdTe（汞镉碲）检测器在液氮温度时，有较高（汞镉碲）检测器在液氮温度时，有较高的信噪比，而锗掺铜光电导器件在的信噪比，而锗掺铜光电导器件在4K4K左右时，有较高的信噪左右时，有较高的信噪比；如果温度升高，它们的性能会逐渐变差，以致无法使用。比；如果温度升高，它们的性能会逐渐变差，以致无法使用。又如又如InSbInSb（锑化铟）器件，工作温度在（锑化铟）器件，工作温度在300K300K，长波限，长波限为，峰值波长在为，峰值波长在6um6um，工作温度为，工作温度为77K77K时，长波限为，峰值波时，长波限为，峰值波长为长为5um5um，变化明显。，变化明显。对于热电检测器，环境检测工作温度变化会使对于热电检测器，环境检测工作温度变化会使响应度响应度和和热噪声热噪声发生变化，发生变化，