光电技术第七周已授

第二章 光电探测器概述 光电探测器是一种将辐射能转换成电讯号的器 件，是光电系统的核心组成部分，在光电系统 中的作用是发现信号、测量信号，并提取必要 的信息。 光电探测器的分类 光电倍增管 硅、锗光电二极管 铅锡光辐射探测 III-V族化合物探测器 硅、锗掺杂探测器 三元合金（ HgCdTe)探测器 负电子亲和势半导体光电阴极 InGaAs光通信探测器 GaAs/AlGaAs量子阱探测器 与 FET集成光探测器 (1)光电子发射探测器 (2)光电导探测器 (3)光伏探测器 (4)光电磁探测器 光子探测器简述 光电探测器的分类 在光电探测器的发展中，最受重视的是入射光子和材料的电子 发生各种相互作用的光电子效应。几乎所有情况下，所用的材 料部是半导体。众多的光电子效应中，只有 光电子发射效应 、 光电导效应 、 光生伏特效应 和 光电磁效应 得到广泛的应用。 基于光电子发射效应的器件在吸收了大于红外波长的光子能量 从器件材料中的电子能逸出材料表面，这种器件称为 外光电效 应器件 。 基于光电导、光伏特和光电磁效应的器件，在吸收了大于红外 波长的光子能量以后，器件材料中出现光生自由电子和空穴， 这种器件称为 内光电效应器件 。 (1)光电子发射探测器 (2)光电导探测器 (3)光伏探测器 (4)光电磁探测器 1光子探测器 内 光 电 外 光 电 光电子发射探测器：真空光电管、光电倍增管 。 真空光电管 由光电阴极和阳极构成，用于响应要求极快场合。 光电倍增管 应用最广，其内部有电子倍增系统，有很高的电 流增益，能检测极微弱的光辐射信号。 光电子发射探测器主要用于可见光，对红外响应只有： 银一氧一铯光电阴极（ 1.25微米） 和新发展的 负电子亲和势光电阴极（ 890纳米） 只适用近红外探测。 光电子发射探测器 利用光电子发射效应的探测器 光电子发射效应也称 外光电效应： 入射辐射使电子从光电阴极 表面发射到周围的空间中，即产生光电子发射。 所需光能量取决于光电阴极的逸出功。因此，入射光 超过某个 长波限 ，光子能量低于阴极 材料逸出功 就不能产生光电子发射。 阳极接收光电阴极发射的光电子所产生的光电流正比入射辐射 的功率。 光电导效应：大多数半导体和绝缘体光照下电阻减少。 入射光辐射与晶格原子或杂质原子的束缚电子相互作用， 产生自由电子一空穴对 (本征光电导 )、或自由电子 /空穴 (非 本征光电导 )，从而使电导增加。 所激发的载流子仍保留在材料内部，光电导是内光电效应。 本征光电导，光子的能量要超过禁带宽度，才能激发出自 由电子一空穴对。因此要求 (2)光电导探测器 利用光电导效应的探测器 本征光电导体的长波限 非本征光电导的长波限 入射光辐射与晶格原子相互作用， 产生自由电子一空穴对 (本征光电导 ) 或与杂质原子的束缚电子相互作用 产生自由电子或空穴 (非本征光电导 ) 从而使电导增加 本征光电导 非本征光电导 2010. 9。 28周 二 光电导变化的机理 本征光电导 常用半导体的禁带宽度和长波限 表 2-1 CdS, CdSe 可见 范围 铅盐： PbS PbSe PbTe 红外 295K 多元本征 HgCdTe PbSnTe 三个大 气窗口 1-3， 3-5 8-14 77K 波长越长， 工作温度 越低 非本征光电导 硅、锗掺各种杂质半导体的电离能和长波限 表 2-2 常用本征光电导 半导体 PbS、 PbSe、 PbTe 多元本征型的 HgCdTe 工作在三个大气窗口： 13m; 35m; 8 14m 重要窗口 ，常温下物体的辐射光谱峰值位于 10m， 用于 高空侦查 、 环境监测 、 资源调查 。 探测器需冷却到干冰温度（ 195K） 液氮温度（ 77K） 入射辐射使 探测器的光 电导发生变 化，流经电 路的电流发 生变化，进 而在负载电 阻两端产生 正比于入射 辐射的信号 光电导探测器应用电路 光伏效应是半导体受光照射产生电动势的现象。它与 光电导效应不同之处， 不仅光照后产生 光生电子和空穴， 而且在内部势垒（内建电场）作用下在 空间分离 ，在相 反方向积累。 所有实用的光伏探测器都采用本征的光伏效应。内部 势垒可以是 pn结、异质结或肖基特结，通常用 pn结实现。 (3)光伏探测器 入射光子在 pn结及附近产 生电子 -空穴对，受势垒区 电场作用 电子 漂移 到 n区 ， 空穴漂移到 p区 ，在 pn结两 侧积累，形成电动势或反向 电流。 与 LED发光机理区分 N P 未加电压 pn结上有一势垒； 加正偏压后，势垒（内建电场） 被削弱，电子向 P区 扩散 ，空穴 向 N区扩散，二者相遇复合发光 光伏探测器短路电流和开路光电压 如果在外电路中把 p区、 n区 连接，就产生反向短路电流 如果外电路开路，光生电子 和空穴分别在 n区、 p区积累， 两端就产生电动势 + 光伏探测器 。 结型光伏探测器工作时不需 加偏置电压 如果加上反向偏压，则入射 辐射会使反向电流增加。加偏 压的探测器称作光电二极管。 除了上述简单的结 型探测器外，常用的 还有雪崩光电二极管、 pin结光电二极管 、 肖特基势垒光电二极 管等。 光伏探测器工作模式 光导工作模式 光伏工作模式 III 用磁场也可以将光生正负载流子分离 。将半导体样品置于 磁场中，磁场方向既与光辐射入射方向垂直，又与样品材料上两电极连 线方向垂直； 能量足够的光子人射到半导体样品上，通过本征吸收而产生电子一空穴 对。由于材料的吸收作用，光强随着进入材料的深度呈指数规律下降， 在半导体样品内形成光生载流子浓度梯度，光生载流子将向浓度小的体 内 扩散 。 在扩散过程中，电子和空穴朝相同的方向运动，受到磁场的洛伦兹力， 向相反方向 磁偏转 ，在两端累积，产生电势差。 (4)光电磁探测器 电势差是光与磁同时作用而产生，称为光电磁效应 必须使用磁场，使用很不方便，因 此应用不广泛 20101012周二