第八章光电探测器

8半导体光电探测器本章内容2•1.半导体光电探测器概述•2.光敏电阻•3.光敏二极管8.1半导体光电探测器概述3光电探测器是对各种光辐射进行接收和探测的器件。光电探测器光电发射器件：真空光电二极管，光电倍增管等半导体光电探测器光导型（PC）:各种光敏电阻光伏型（PV）:有光伏结构的光敏电阻（PD）等4半导体光电探测器是利用半导体材料的内光电效应来接收和探测光信号的器件。半导体光电探测器只能探测具有足够能量的光子，即该材料长波限以下的光子，其数学关系为(um)1.24maxEg为能被探测的光波长，为半导体材料之长波限，为材料带隙，用[ev]作单位。maxEg8.1半导体光电探测器概述半导体光电探测器有三个基本过程：1光子入射到半导体中激励产生载流子2载流子输运及倍增3电流经外电路作用后输出信号，从而完成对光子探测的过程8.1半导体光电探测器概述1光谱响应特性：在某一波长λ间隔dλ内的光子，在探测器中产生的输出电流与输出光功率之比为光谱响应R(λ)。2噪声：探测器的噪声电平或信噪比是限制探测器使用范围的最重要参数。热噪声：载流子热运动的起伏引起的噪声散粒噪声：载流子在越过pn结之类的耗尽区时，单位时间内通过的载流子数在其平均值附近的一定起伏所引起的噪声。1/f噪声：它与测量频率呈倒数关系。8.1半导体光电探测器概述半导体探测器特性参数：噪声来源3噪声等效功率（NEP）：为产生与探测器噪声输出大小相等的信号所需要入射辐射功率。4探测率（探测灵敏度）:A为探测器面积，Δf为放大器宽度。5响应时间：描述探测器接收入射辐射的响应速度。121122*/AfDcmHzWNEP8.1半导体光电探测器概述半导体探测器特性参数：8.2光敏电阻81、光敏电阻简介光敏电阻利用光电导效应制成。当入射光子使电子由价带跃升到导带时，导带中的电子和价带中的空穴二者均参与导电，因此电阻显著减小，光敏电阻常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。8.2光敏电阻91、光敏电阻简介特点：•光谱响应范围宽（特别是对于红光和红外辐射）；•偏置电压低，工作电流大；•动态范围宽，既可测强光，也可测弱光；•光电导增益大，灵敏度高；•无极性，使用方便；•在强光照射下，光电线性度较差•光电驰豫时间较长，频率特性较差。8.2光敏电阻102光敏电阻结构光敏电阻结构：在一块均匀光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。光敏电阻原理结构示意图118.2光敏电阻3、光敏电阻工作原理光敏电阻是根据光电导效应实现光电转换。本征半导体的光电导效应。当光子能量E光大于或等于禁带宽度Eg时，光子把价带中的电子激发到导带，出现自由电子和自由空穴时，从而使材料的电阻率降低。电导率增加。引入长波限λ0，若波长长于λ0，即无本征吸收1240=hcEEg光1240gE128.2光敏电阻3、光敏电阻工作原理设无光照射半导体的电导率（暗电导率）为：σ0＝n0qun+p0qup式中n0和p0分别时电子和空穴的热平衡浓度，un和up分别时电子和空穴的迁移率。在适当波长的光照射下，半导体中出现光生电子和光生空穴，设它们的浓度分别时Δn和Δp，则半导体的电导率将增为：σ＝（n0+Δn）qun＋（p0＋Δp）qup＝σ0＋Δσpn式中Δσpn＝Δnqun+Δpqup称为光电导。138.2光敏电阻3、光敏电阻工作原理p型半导体的光电导效应：当光子能量大于或等于受主杂质能级EI时，光子可能把价带中的电子激发到受主能级，结果该电子就成为捕获电子，而在价带中留下空穴（自由空穴）。使空穴浓度增加，结果电导率增加。σ＝（n0+Δn）qunn型半导体的光电导效应：当光子能量大于或等于受主杂质能级EI时，施主能级中的电子也可能被激发到导带而成为自由电子，使电子浓度增加，结果电导率增加。σ＝（n0+Δn）qun148.2光敏电阻3、光敏电阻工作原理结论：•故同一材料的本征光电导比杂质光电导大。•杂质吸收的吸收系数较本征吸收的吸收系数小。•通过改变半导体内部的杂质吸收的吸收系数较本征吸收的吸收系数小，来测量不同波长的光。158.2光敏电阻4、光敏电阻的参数与特性a.暗电阻和亮电阻暗电阻:是指全暗的条件下所测的电阻。其值大于1MΩ，在给定的条件下，所通过的电流为暗电流。亮电阻:受到光照时所测的电阻，其值几千Ω，在给定的条件下，所通过的电流为亮电流。暗电阻与亮电阻之间之比为在102---106之间168.2光敏电阻4、光敏电阻的参数与特性b.响应灵敏度光敏元件对于各种光的响应灵敏度是随入射光的波长变化而变化的。因此，常常利用光谱响应特性曲线来评价光敏元件。光谱响应特性表示光敏元件对各种单色光的敏感程度。对应于一定敏感程度的波长区间，称为光谱响应范围。对光谱响应最敏感的波长数值，称为光谱响应峰值波长，峰值波长取决于制造光敏元件所用半导体材料的禁带宽度。178.2光敏电阻4、光敏电阻的参数与特性b.响应灵敏度能够产生光致导电的光主要是波长接近光谱响应峰值的光，这种光能把电子直接由价带激发导导带。但是，实际上，光把光电导体中的杂质和晶格缺陷所形成的能级中的电子激发到导带的情况是很多的，而这些能级与导带间的宽度比禁带宽度要窄的多。这就意味着，光电导体对波长长于峰值波长的光也具有响应灵敏度，而且，在晶体中掺杂可以是光谱特性曲线象长波方向扩展或移动。由于光敏元件的波长短的光的吸收系数大，几乎在进入表面层附近波长短的光就被吸收，故表面载流子浓度高。因而，自由载流子在表层附近复合的速度快，从而是光敏元件对波长比光谱响应峰值波长短的光响应灵敏度降低。8.2光敏电阻4、光敏电阻的参数与特性光敏元件与其它半导体器件一样，它的电学性质和光学性质受温度影响较多。有的半导体如CdS光敏元件在低温时光电导灵敏度有极大的提高。这首先可归因于温度下降，使平衡载流子浓度下降，引起暗电导下降所致。平衡载流子浓度的下降又可以引起非平衡载流子寿命的上升，使光电流增加。不过寿命和温度的关系是很复杂的，因此，光电导和温度的关系也是很复杂的。有时温度系数aT来描述光敏元件的温度特性。温度系数是在某照度下温度每变化1度，电阻相对变化的百分比：8.2光敏电阻4、光敏电阻的参数与特性)TT(RRR12112t式中R1和R2分别为某种照度下在温度为T1和T2时的亮电阻。显然，我们总是希望aT越小越好。不同的光敏元件电阻的温度系数不相同。显然，我们总是希望aT越小越好。不同的光敏元件电阻的温度系数不相同。208.3光敏二极管1、光敏二极管原理光敏二极管（Photo-Diode）也称为光电二极管，它和普通二极管一样，也是由一个PN结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性。但在电路中它不是作整流元件，而是把光信号转换成电信号的光电传感器件。普通二极管在反向电压作用时处于截止状态，只能流过微弱的反向电流，光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大，以便接收入射光。光电二极管是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。光的强度越大，反向电流也越大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件218.3光敏二极管2、光敏二极管的结构光电二极管有两种典型结构其中(a)是采用N型单晶硅和扩散工艺，称为p＋n结构。它的型号是2CU型。而(b)是采用P型单晶和磷扩散工艺，称n＋p结构。它的型号为2DU型。2CU型(a)2DU型(b)光电二极管的两种典型结构228.3光敏二极管2、光敏二极管的结构结构简图238.3光敏二极管3、光敏二极管的光谱响应特性通常将其峰值响应波长的电流灵敏度作为光电二极管的电流灵敏度。硅光电二极管的电流响应率通常在0.4~05A/W。Si光电二极管光谱响应范围：0.4~1.1m峰值响应波长约为0.9m由图可见，在低反压下电流随光电压变化非常敏感。这是由于反向偏压增加使耗尽层加宽、结电场增强，它对于结区光的吸收率及光生裁流子的收集效率影响很大。当反向偏压进一步增加时，光生载流子的收集已达极限，光电流就趋于饱和。这时，光电流与外加反向偏压几乎无关，而仅取决于入射光功率。8.3光敏二极管4、光敏二极管的伏安特性光电二极管在较小负载电阻下，入射光功率与光电流之间呈现较好的线性关系。图示出了在一定的负偏压下，光电二极管光电流输出特性。8.3光敏二极管Si光电二极管反向偏压时的电流输出特性15AVv15AVv4、光敏二极管的伏安特性光电二极管的频率特性响应主要由三个因素决定：(a)光生载流子在耗尽层附近的扩散时间；(b)光生载流子在耗尽层内的漂移时间；(c)与负载电阻RL并联的结电容Ci所决定的电路时间常数。频率特性优于光电导探测器,适宜于快速变化的光信号探测。8.3光敏二极管5、光敏二极管的频率响应特性a、量子效率为每个入射光子所激发的电子空穴对数。式中，是光生电流，是波长为（对应光子能量为）的光子通量。b、响应度为光电流对入射光功率之比。()phIqphI()h()R()()(/)()1.24phphIIqmRAWPhvhv响应速度受三个因素的限制：载流子的扩散时间，耗尽层中漂移时间和耗尽层电容C与负载电阻R之乘积所决定的RC时间常数。difftdrt8.3光敏二极管6、光敏二极管的一般特性c、噪声特性噪声源：热噪声、散粒噪声热噪声-主要负载；散粒噪声-信号光电流，背景光电流，反向饱和电流措施：减小反向饱和电流、背景光电流，优化信号电流与负载。LbsnRfkTfiIiqi42028.3光敏二极管6、光敏二极管的一般特性a、pin光敏二极管8.3光敏二极管7、各种典型的光敏二极管pin光敏二极管是一种将红外线光能转换为电能的半导体器件，具有灵敏度高，噪声低，响应时间快等独特优点。广泛应用于遥控，遥测，光开关，光隔离，光纤通信，激光测距等领域。pin光敏二极管是在P型层和N型层之间夹有一个近似于本征型的高阻I层的硅材料，为提高量子效率，增大光电流，采用P—N截面积较大的芯片。当光照射时，半导体吸收光而产生的电子一空穴对在耗尽区或离耗尽区一个扩散长度内被电场分开，当载流子漂移并通过耗尽层时，在外部电路中形成了光电流。光电流的大小取决于外界光的波长和光强度(或照度)。a、pin光敏二极管8.3光敏二极管7、各种典型的光敏二极管Pin光敏二极管结构示意图8.3光敏二极管7、典型的光敏二极管b、异质结光电二极管异质结是由两种不同的半导体材料形成的p-n结。p-n结两边是不同的基质材料，两边的禁带宽度不同。通常以禁带宽度大的一边作为光照面，能量大于宽禁带的光子被宽禁带材料吸收。产生电子—空穴对，如果光照面材料的厚度大于载流子的扩散长度，则光生载流子达不到结区，因而对光电信号无贡献。而能量小于宽禁带的长波光子都能顺利到达结区。被窄禁带材料吸收，产生光电信号。所以，异质结的宽禁带材料具有滤波作用。一般异质结探测器的量子效率高、背景噪声较低、信号比较均匀、高频响应好。异质结光电二极管有Si-PbS，CdS-PbS，Pb1-xSxSb-Pbs，Pb1-xSnxTe-PbTe…等。8.3光敏二极管7、典型的光敏二极管c、雪崩光电二极管(APD)雪崩光电二极管是利用二极管在高的反向偏压下发生雪崩倍增效应而制成的光电探测器。这种器件有电流内增益，一般硅或锗雪崩光电二极管电流内增益可达102--103，灵敏度高，响应速度快，在超高频的调制光照射下仍有很显著的增益。8.3光敏二极管7、典型的光敏二极管c、雪崩光电二极管(APD)光电流增益的大小用倍增因子M表示，M随反向偏压V的变化可用下面的经验公式近似表示nBVVM)(11式中V为外加反向偏压，VB为击穿电压，n是与半导体材料有关的常数，对n+p结，n≈2，对p+n结