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1、1第二章光电检测器件工作原理及特性 2.1 光电检测器件的物理基础光电检测物理基础半导体光子光电效应光热效应携带信息的光辐射 携带信息的电信号各种光电转换的物理基础就是光电效应！光辐射所带有的被测信息转变成了其他能量（电、热）形式的信息，通过对这些信息进行检测，就实现了对光辐射所带的被测信息的检测。 光照射到物体表面上使物体发射电子、或电导率发生变化、或产生光生电动势等。光电效应这种因光照而引起物体电学特性发生改变的现象统称为光电效应。外光电效应 ：物质中的电子吸收足够高的光子能量 ,电子逸出物质表面成为真空中的自由电子的现象 多发生于金属和金属氧化物，又叫光电发射效应。光电效应包括外光电效应
2、和内光电效应。内光电效应 ：受到光照射的物质，内部电子能量状态发生变化，不存在表面发射电子的现象 多发生在半导体和绝缘体中。光电导效应 定义：光照变化引起半导体材料的电导发生变化 原理：当光照射到半导体材料时，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，引起材料的载流子浓度增加，导致材料的电导率增大。 分为本征光电导效应和非本征光电导效应。 大多数半导体和绝缘体都存在光电导效应，而金属不存在这一效应。 属于一种内光电效应。2本征光电导的截止波长为：本征光电导效应定义：只有光子能量 h大于 材料禁带宽度 Eg的入射光才能激发出电子 -空穴对，使该材料产生光电导效应的现象。
3、gEhc/0=gEh 公式：只有波长 小于 截止波长的入射辐射才能产生本征光电导效应，改变本征半导体的导电特性。ggEhcEchhv=Q本征光电导效应ggEEhc24.1/0=11415341031013.41063.6=smcseVsJh根据 ：则：（波长单位为微米， Eg单位取为 eV）Eg越窄，则截止波长越长，或者说激发出电子所需的光子能量越小。本征半导体的光电效应当在垂直于电场方向有光通量恒定的均匀光照入射到本征半导体样品表面，从样品中流出的光电流被称为稳态光电流。本征半导体两端敷有电极，沿电极方向加有电场。本征半导体样品LS光A本征光电导效应LSGdd=无光照时，材料的暗电导：外加电
4、压 U，暗电流为：LSUUGIddd=G：样品的电导， d：暗态，：电导率， S：样品横截面的面积， L：样品的长度。下标 d代表暗态 (dark)本征光电导效应有光照时，样品吸收光子能量产生光生载流子，此时具有的亮电导为：LSGll=此时，外加电压 U时，流出的亮电流为：LSUUGIlll=下标 l代表亮态 (light) 光电导：亮电导 Gl与暗电导 Gd之差：LSLSGGGdldlp = )( 光电流：亮电流与暗电流之差：LSUGGUIIIddlp= )(1本征光电导效应式中，为光致电导率的变化量。3光电导驰豫过程光电导效应是非平衡载流子效应，因此存在着一定的弛豫现象。光电导材料从光照开
5、始获得稳定的光电流需要一定的时间；光照停止后光电流也是逐渐消失的。弛豫现象反映了光电导对光强变化的反应快慢程度，“惰性 ”。光电导驰豫过程上升时间常数：光生载流子浓度从零增长到稳态值的 63%时所需的时间。下降时间常数：从去掉光源前的稳态值衰减到稳态值的37%时所需的时间。矩形脉冲光照射下：i/(%)1006337rf光电导增益drpNqIM=定义：长度为 L的光电导体在两端加上电压 U后，由光照产生的光生载流子在电场的作用下形成的外电流与光生载流子在内部形成的光电流之比。式中， M代表光电导增益， 代表器件的时间响应， dr代表载流子在两极间的渡越时间。光电导增益光敏面做成蛇形即可以保证有较
6、大的受光表面，从而增大时间常数又可以减小电极之间的距离，从而减小渡越时间 dr根据光电导增益定义，有利于提高灵敏度。光电导器件的结构：drpNqIM=光电导增益.constfM =很多光电器件的光电增益与带宽之积为一常数：材料的光电灵敏度与带宽是矛盾的：材料的光电灵敏度越高，则带宽越窄；器件的带宽越宽，则光电灵敏度越低；对光电现象具有一定的普遍性。110/24.1/ EEhc =杂质光电导效应定义：杂质半导体中的 施主或者受主 吸收光子能量后电离，产生自由电子或空穴，从而增加材料电导率的现象。截止波长：E1表示 电离能 ， E1Eg ，就可能激发出电子 -空穴对，由于内建建场的作用（不加外电场
7、），光生电子移向 N区，光生空穴移向 P区。光生电动势： P N。势垒高度降低，光生伏特效应，光伏效应。P-N结能带图：0内电场R+NP+0光生电场光p光生电流正向电流0内电场R+NP+0光生电场光p光生电流正向电流)1(/=kTeVsDeII结暗电流：为反向饱和电流光生伏特效应)1(/=kTeVspeIII流经回路的总电流 I：V为 PN结两端电压光生伏特效应 -讨论四种情况3、若 PN结短路（ V=0），则短路电流就是光生电流 IppSCII =2、若负载接入外回路（电流为 ）， PN结两端电压：+= 1lnspIIIekTV1、若 PN结开路 ( =0) ，开路电压：+= 1lnSPOC
8、IIekTVSPOCIIekTV ln=SPII 可见 VOC与 Ip为非线性关系。4、若无光照（ Ip=0），外加正向电压 V时，有： )1(/=kTeVseII光热效应：材料受光照射后，光子能量与晶格相互作用，振动加剧，温度升高，材料的性质发生变化热释电效应：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辐射热计效应：入射光的照射使材料由于受热而造成电阻率变化的现象温差电效应：由两种材料制成的结点出现温差而在两结点间产生电动势，回路中产生电流光热效应 2.2 光电检测器件的特性参数 光电检测器件是利用物质的光电效应把光信号转换成电信号的器件。 光电检测器件的性能对光电检测系统影响很
9、大，例如： 缩小系统的体积， 减轻系统的重量， 增大系统的作用距离，等等 光电检测器件分为光子检测器件（光电检测器件）和热电检测器件。5光电检测器件的分类和特点 分类： 电真空（光电发射型检测器件）：光电管、光电倍增管 固体或半导体光电检测器件：光导型（光敏电阻）、光伏型（光电池、光电二、三极管等）检测器件。 特点： 响应波长有选择性：截止波长 响应快：纳秒 几百微秒光电 VS热电器件的特点对比响应慢，一般为几毫秒响应快，吸收辐射产生信号需要的时间短， 一般为纳秒到几百微秒响应波长无选择性，对可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感响应波长有选择性，一般有截止波长，超 过该波长，器件无响应。热电
10、器件光子器件光电检测器件的特性参数一、响应特性二、噪声特性三、量子效率四、线性度五、温度特性1、响应度 （或称灵敏度）：是光电探测器输出信号与输入辐射功率之间关系的度量。描述的是光电探测器件的光电转换效率。响应度是随入射光波长变化而变化的 电压响应度-光电探测器件输出电压与入射光功率之比 电流响应度-光电探测器件输出电流与入射光功率之比ioVPVS =ioIPIS =一、响应特性、光谱响应度 ：探测器在波长为的单色光照射下，输出电压或电流与入射的单色光通量之比()()()oViVSP=()()()oIiISP=光谱响应曲线 ： -S( )积分响应度 ：检测器对各种波长光连续辐射量的反应程度响应
11、时间 ：描述光电探测器对入射辐射响应快慢的一个参数。上升时间：入射光照射到光电探测器后，光电探测器输出由 10%上升到稳定值的 90%所需要的时间。下降时间：入射光遮断后，光电探测器输出由稳定值的 90%下降到 10%所需要的时间。 定义：当入射辐射到达光电探测器后或遮断入射辐射后，光电检测器的输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需的时间。 常用来表示。响应时间6定义：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 光电探测器响应率与入射辐射调制频率的关系：2/120)2(1)(fSfS+=00021/21122( ) 0.7071 (1) 2fRCSSSf S =+c0S)(
12、fS为调制频率为 f 时的响应率为调制频率为零时的响应率 为时间常数（等于 RC）fc：上限截止频率时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽频率响应频率响应： 由于光电探测器信号产生和消失存在着一个滞后过程，所以入射光的调制频率对光电探测器的响应会有较大的影响。噪声现象：在一定波长的光照下光电探测器输出的电信号并不是平直的，而是在平均值上下随机地起伏，它实质上就是物理量围绕其平均值的涨落现象。01()TIi itdtT=用 均方噪声 来表示噪声值的大小：2201() () ()Tit it it dtT= 噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的。由于噪声总是与有用信号混在一起，影响对信号特别是微
13、弱信号的正确探测。一个光电探测系统的极限探测能力往往受探测系统的噪声所限制。在精密测量、通信、自动控制等领域，减小和消除噪声是十分重要的问题。二、噪声特性热噪声：又称约翰逊噪声，即载流子无规则的热运动造成的噪声。导体或半导体中每一电子都携带着电子电量作随机运动 (相当于微电脉冲 )，尽管其平均值为零，但瞬时电流扰动在导体两端会产生一个均方根电压，称为热噪声电压。1、热噪声24/TI kT f R=热噪声电流的均方值表示为：在导体两端产生的热噪声均方电压值为：fkTRRIUnTnT= 4222式中 R所讨论元件的电阻值；k玻尔兹曼常数；T 电阻所处环境的热力学温度；f所用测量系统的噪声带宽。由上
14、式可知：热噪声存在于任何电阻中，热噪声与温度成正比，与频率无关，因此热噪声是一种白噪声。1、热噪声定义：穿越势垒的载流子的随机涨落所造成的噪声。这种起伏所引起的均方噪声电流为：与频率无关，也是白噪声。是光电探测器的固有特性。对大多数光电探测器：散粒噪声具有支配地位。如光伏器件的 PN结势垒是产生散粒噪声的主要原因。2、散粒噪声fqIIDCNSh= 223、产生 -复合噪声 载流子的产生率与复合率在平均值上下起伏而导致的均方噪声电流：I：平均电流：载流子的平均寿命t漂：载流子在器件两极间的平均漂移时间f：频率222241)/(4fftqIINgr+=漂特点：这种噪声不是白噪声。若频率很低，则这种
15、噪声也为白噪声。7由于光敏层的微粒不均匀或不必要的微量杂质的存在，当电流流过时在微粒间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲又称闪烁噪声或低频噪声。噪声的功率近似与频率成反比多数器件的 1/f噪声在 200300Hz以上已衰减到可忽略不计。4、 1/f噪声噪声有以下经验公式：f1ffIkIn=12式中： k1与元件有关的参数；与流过元器件电流有关的常数，通常取 2与元器件材料性质有关的系数，约在 0.81.3之间，常取 1。可以改写为ffIkIn=212 1/f噪声的电流均方值与电路频率 f成反比，所以称之为1/f噪声。 1/f噪声不是白噪声，噪声功率谱集中在低频，有时又称其为低频噪声、“红”噪声。4、 1/f噪声 信噪比是判定噪声大小的参数。 负载电阻上信号功率与噪声功率之比： 若用分贝（ dB）表示，则为：2222NSLNLSNSIIRIRIPPNS=NSNSIIIINSlg20lg1022=5、信噪比（ S/N） 定义：信号功率与噪声功率比为 1（ SNR=1）时，入射到探测器件上的辐射通量 (单位为瓦 )。 这时，投射到探测器上的辐
