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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,光电效应 光热效应,一、光电效应,光照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生感应电动势等，这种因光照而引起物体电学特性发生变化的现象称为光电效应。 光电效应包括外光电效应和内光电效应,外光电效应：物体受光照后向外发射电子多发生于金属和金属氧化物 内光电效应：物体受到光照后，内部电子能量状态产生变化，但不存在表面发射电子的现象多发生在半导体和绝缘体上 内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应 光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减少的现象,1 本征光电导效应,本征光电导
2、是指只有光子能量hv大于材料禁带宽度Eg的入射光，才能发出电子空穴对，使材料产生光电导效应的现象。用公式表示为,因此，本征光电导材料的截止波长为,亦即只有波长小于 的入射辐射才能产生本征 光电导。把普朗克常数,及光速,代入式（2-2）有,（2-1）,（2-2）,（2-3）,本征半导体的光电效应如图2-1所示,当在垂直于电场方向有均匀光照入射 到样品表面，且入射光通量恒定时， 样品中流出的光电流称为稳态光电流。,无光照时，半导体材料在常温下 具有一定的热激发载流子浓度,此 时材料处于暗态，具有一定的暗 电导率。暗态下样品的电导可以 表示为,（2-4）,式中：Gd为样品的电导，下标d代表暗态，为半
3、导体 材料的电导率，S为样品横截面的面积，L为样品的长度。,如果记样品外加电压为U，通过的电流为暗电流，可表 示为,（2-5）,有光照时，样品吸收光子能量产生光生载流子，此时材 料处于亮态，具有亮电导,（2-6）,亮态下，样品在外加电压下流出的电流称为亮电流，即,（2-7）,式中：I为电流，下标l代表亮态，亮电导Gl与暗电导Gd之 差称为光电导Gp,即,（2-8）,式中，为光致电导率的变化量。亮电流与暗电流之 差称为光电流，即,（2-9）,2 光电导弛豫过程,0,图2-2,弛豫现象反映了光电导体对光强变化的反应快慢程度。 矩形脉冲光照下光电导弛豫过程如图2-2所示。 常用上升时间常数r 和下降
4、时间常数f来描述 弛豫过程的长短。,37,100,63,f,r,当输入光功率按照正弦规律变化时，输出光电流（对应光生载流子浓度）与光功率调制频率变化的关系是一个低通特性，说明光电导的弛豫特性限制了器件对调制频率高的光功率的响应。,i/(%),3 光电导增益,它表示长度为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。可表示为,（2-10）,式中：M为光电导增益；为器件的时间响应；tdr为载流子在两极间渡越时间。,电极,绝缘衬底,光电导器件常作成如图2-3所示的梳状电极，光敏面做成蛇形。,常数,4 杂质光电导效应,杂质光电导效应是
5、指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。 由于杂质光电导器件中施主或受主的电离能级比同材料的本征半导体的禁带宽度要小很多，因此响应波长也要比本征半导体材料的工作波长要长很多。 因杂质的电离能很小，为了避免热激发的载流子产生的噪声超过光激发的信号载流子，多数杂质半导体光电导器件都必须工作在低温状态。,光生伏特效应：光照在半导体PN结或金属半导体接触面上时，会在PN结或金属半导体接触面的两侧产生光生电动势。 PN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射PN结时，由于扩散及内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向n区，光生空穴拉向p区，相当于PN结
6、上加一个正电压V，则PN结的势垒由原有的eVD降为eVD-eV。在形成光生电动势的过程中，内部电流（光生电流）的方向由N区到P区，光生电动势的存在使P区与N区之间出现正向电压并产生正向注入电流，方向由P区指向N区，其值为,5 光生伏特效应,（2-11）,P,N,eVD,eVD,P,N,P,N,eVD,P,N,eV,如果PN结有外接回路，则流经外回路的总电流与光生电流和结电流之间的关系为,（2-12）,式中：V是PN结两端电压（包括外加电压或光生电压）。PN结开路时，I=0，求得开路电压,（2-13）,如果负载接入外回路，电流为I，则PN结两端的电压为,（2-14）,如果PN结短路，则V=0，求
7、的短路电流就是光电流,在没有光照时，Ip=0，外加正向电压为V时，有,（2-16）,（2-15）,二、光热效应,光热效应：材料受光照射后，由于温度变化而造成材料性质发生变化的现象称为光热效应。在光热效应中，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,1、 热释电效应,温度增高时，晶体表面响应电荷减少（见图2-5）,极化强度与温度T的关系（见图2-6）,图2-6,(a
8、),(b),2、 辐射热计效应,与光电导效应不同，这里的电阻率变化是由于温度 变化引起的。阻值的变化与温度的变化关系为,（2-17）,式中：T为电阻温度系数。当温度变化足够小时，有,（2-18）,半导体材料电阻与温度关系：,（2-19）,3、 温差电效应,在两种导体串联组成的回路上的x，y两点处施加一个电动势，则导体中有电流通过，同时还会出现一个接头处吸热，另一个接头处放热的现象。,x,y,在接头处吸（放）热速率为,（2-20）,1,2,T1,T2,图2-7温差电效应原理图,为珀尔帖系数，表示单位电流在通过接头时所吸收或放出的热功率，单位是W,光电检测器件,光子检测器,热电检测器,真空器件,固
9、体、半导体器件,光电管 光电倍增管 摄像管 变像管 像增强管,光敏电阻 光电池 光电二、三极管 光纤传感器 电荷耦合器CCD,热电偶/热电堆 热辐射计/热敏电阻 热释电检测器,2.2 光电检测器件的特性参数,光电检测器件的特点,一、响应特性,响应度（或称灵敏度）：是光电探测器输出信号与输入光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 响应度分电压响应度和电流响应度,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,2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辐射通量（光通量）
10、之比 3积分响应度：检测器对各种波长的辐射光连续辐射通量的反应程度,4响应时间：当入射辐射到光电检测器后或入射辐射遮断后，光电检测器的输出上升的稳定值或下降到照射前的值所需的时间为响应时间 。 响应时间是描述光电探测器对入射光响应快慢的一个参数。 上升时间：10% 90% 下降时间： 90% 10%,光电探测器响应度与入射调制频率的关系 为调制频率为f 时的响应度 为调制频率为零时的响应度 为时间常数（等于RC），决定了光电探测器频率响应的带宽,5频率响应：光电探测器的响应随入射光的调制频率而变化的特性称为频率响应 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
11、器的响应会有较大的影响。,二、噪声特性,当入射光功率很低时，光电检测器件的输出是杂乱无章的变化信号，而无法肯定是否有辐射入射到检测器上，这是其固有的噪声引起的。,用均方噪声来表示噪声值大小,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，因而影响对信号特别是微弱信号的正确探测。 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。 所以在精密测量、通信、自动控制等领域，减小和消除噪声是十分重要的问题。,光电探测器常见的噪声,热噪声 散粒噪声 产生-复合噪声 闪烁噪声（1/f噪声）,1、热噪声,或称约翰逊噪声，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
12、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。其均方值为 用热噪声电流表示为 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，热噪声又称为白噪声,2、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（统计起伏）所造成噪声。 其均方噪声电流为 特点： 入射到光探测器表面的光子是随机的，光电子从光电阴极表面逸出是随机的，PN结中通过结区的载流子数也是随机的。 散粒噪声也是白噪声，与频率无关。 散粒噪声是光电探测器的固有特性，对大多数光电探测器的研究表明：散粒噪声具有支配地位。,3、产生-复合噪
13、声,半导体受光照，载流子不断产生-复合。 在平衡状态时，在载流子产生和复合的平均数是一定的，但在某一瞬间载流子的产生数和复合数是有起伏的。载流子浓度的起伏引起半导体电导率的起伏。,4、1/f噪声,或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。,、信噪比,信噪比是判定噪声大小的参数。 是负载电阻上信号功率与噪声功率之比 若用分贝（dB）表示，为,三、量子效率（）,量子效率：在某一特定波长上，每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之比。 对理想的探测器，入射一个光子发射一个电子， =1 实际上， 1 量子效率是一个微观参数，量子效率愈高愈好。,四、线性度,线性度是描述光电探测器输出信号与输入信号保持线性关系的程度。 在某一范围内探测器的响应度是常数，称这个范围为线性区。 线性度通常用非线性误差表示： max / ( I2 I1) max：实际响应曲线与拟合曲线之间的最大偏差； I2 和 I1：分别为线性区中最小和最大响应值。,五、工作温度,工作温度就是指光电探测器最佳工作状态时的温度。 光电探测器在不同温度下，性能有变化。 例如，半导体光电器件的长波限和峰值波长会随温度而变化；热电器件的响应度和热噪声会随温度而变化。,
