第二章--光电探测器概述

概述光电探测器放大和处理用户终端光接收系统组成光信号♣光辐射探测系统由信息源、传输介质和接收系统组成。接收光学系统把信息源光辐射和背景及其它杂散光经传输介质一起会聚在光探测器上。♣光辐射所携带的信息，如：光谱能量分布、辐射通量、光强分布、温度分布等由光探测器转变成电信号测量出来，经电子线路处理后，可供分析、记录、存储或直接显示，从而识别被测目标。♣因此，光探测器是实现光电转换的关键部件，它的性能好坏对整个光辐射探测的质量起着至关重要的作用。§2-1发展简况与分类1826----热电偶探测器1880----金属薄膜测辐射计1946----热敏电阻五十年代----热释电探测器六十年代----三元合金光探测器（HgCdTe）七十年代----光子牵引探测器八十年代----量子阱探测器近年来的发展方向：阵列光电探测器、光电探测器集成化电荷耦合器件（CCD,chargedcoupleddevice）2.1.1发展简况热电偶温度计热释电探测器光电二极管、三极管光电池光电二极管阵列Si/PIN光电二极管热电阻、热电偶热敏电阻热释电探测器耦合式GaAs/AlGaAs多量子阱红外探测器结构(CCD)Chargedcoupleddevice2.1.2光辐射探测器分类光辐射探测器件是利用各种光电效应，或光热效应使入射光辐射强度转换成电学信息或电能的仪器。♣按用途分：成像、非成像探测器；♣按光谱响应分：紫外光、可见光、近红外、中红外、远红外探测器；♣按结构分：单元、多元、阵列光探测器；♣按工作转换机理分：光子（光电）、热探测器光电探测器件的工作原理是基于光电效应，而热探测器需要经过加热物体的中间过程，因此，前者反应速度快。光电转换器件主要是利用物质的光电效应，即当物质在一定频率的光的照射下，释放出光电子的现象。当光照射金属、金属氧化物或半导体材料的表面时，会被这些材料内的电子所吸收，如果光子的能量足够大，吸收光子后的电子可挣脱原子的束缚而逸出材料表面，这种电子称为光电子，这种现象称为光电子发射，又称为外光电效应。有些物质受到光照射时，其内部原子释放电子，但电子仍留在物体内部，使物体的导电性增加，这种现象称为内光电效应。♠半导体的特点：由于原子间的相互作用而使能级分裂，离散的能级形成能带。分为价带、导带和禁带。半导体的能带结构价带：晶体中原子的内层电子能级相对应的能带被电子所填满，这种能带称为价带；导带：价带以上未被电子填满或者是空的能带称为导带；禁带：导带和价带之间的能隙称为禁带。导带底和价带顶的能级间隙就是禁带宽度Eg。Eg价带导带禁带费米能级EF♣纯净（本征）半导体在绝对零度的理想状态下有一个被电子完全充满的价带和一个完全没有电子的导带，二者之间是禁带。这是半导体是一个不导电的绝缘体。♣但是本征半导体的禁带宽度Eg较小，在热运动活其它外界激发的作用下，价带的电子激发跃迁至导带，这时导带有了电子，价带有了空穴，使本征半导体形成导电特性。电子和空穴都是电流的载流者，统称为“载流子”♠半导体可分为本征半导体.P型半导体.N型半导体。♠本征半导体：硅和锗都是半导体，而纯硅和锗晶体称本征半导体。硅和锗为4价元素，其晶体结构稳定。半导体类型杂质半导体的形成：通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素，可得到杂质半导体。♠N型半导体：在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。N型半导体♠N型半导体：由于杂质原子的最外层有5个价电子，所以除了与周围硅原子形成共价键外，还多出一个电子。在常温下，由于热激发，就可使它们成为自由电子，显负电性。这N是从“Negative（负）”中取的第一个字母。结论：N型半导体的导电特性：是靠自由电子导电，掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电性能也就越强。多子：N型半导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓度，称为多数载流子，简称多子。少子：空穴为少数载流子，简称少子。施主原子：杂质原子可以提供电子，称施子原子。♠P型半导体：在纯净的4价本征半导体（如硅晶体）中混入了3价原子，譬如极小量（一千万之一）的硼合成晶体，使之取代晶格中硅原子的位置，形成P型半导体。空穴的产生：由于杂质原子的最外层有3个价电子，当它们与周围的硅原子形成共价键时，就产生了一个“空位”（空位电中性），当硅原子外层电子由于热运动填补此空位时，杂质原子成为不可移动的负离子，同时，在硅原子的共价键中产生一个空穴，由于少一电子，所以带正电。P型取“Positve（正）”一词的第一个字母。P型半导体结论：1、多子的浓度决定于杂质浓度。原因：掺入的杂质使多子的数目大大增加，使多子与少子复合的机会大大增多。因此，对于杂质半导体，多子的浓度愈高，少子的浓度就愈低。2、少子的浓度决定于温度。原因：少子是本征激发形成的，与温度有关。多子：P型半导体中，多子为空穴。少子：为电子。受主原子：杂质原子中的空位吸收电子，称受主原子。♠P型半导体杂质浓度越高，费米能级越低，N型半导体杂质浓度越高，费米能级越高。PN结的能带结构价带导带能隙EF结区P区N区PN结的形成当Ｐ型半导体和Ｎ型半导体结合在一起时，由于交界面处存在载流子浓度的差异，电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。电子和空穴都是带电的，它们扩散的结果就使Ｐ区和Ｎ区中原来的电中性条件破坏了。Ｐ区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，Ｎ区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子。这些不能移动的带电粒子通常称为空间电荷，它们集中在Ｐ区和Ｎ区交界面附近形成了一个很薄的空间电荷区，即PN的结。这个区域内多数载流子已扩散到对方并复合掉了，或者说消耗殆尽了，因此，空间电荷区又称为耗尽层。Ｐ区一侧呈现负电荷，Ｎ区一侧呈现正电荷，因此空间电荷区出现了方向由Ｎ区指向Ｐ区的电场，由于这个电场是载流子扩散运动形成的，而不是外加电压形成的，故称为内电场。它对多数载流子的扩散运动起阻挡作用，所以空间电荷区又称为阻挡层。内电场是由多子的扩散运动引起的，伴随着它的建立将带来两种影响：一是内电场将阻碍多子的扩散，二是P区和N区的少数载流子（P区的自由电子和N区的空穴）一旦靠近PN结，便在内电场的作用下漂移到对方，这种少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动，结果使空间电荷区变窄。因此，扩散运动使空间电荷区加宽，内电场增强，有利于少子的漂移而不利于多子的扩散；而漂移运动使空间电荷区变窄，内电场减弱，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移。在一定条件下（例如温度一定），多数载流子的扩散运动逐渐减弱，而少数载流子的漂移运动则逐渐增强，最后扩散运动和漂移运动达到动态平衡，交界面形成稳定的空间电荷区，即PN结处于动态平衡。ＰＮ结的单向导电性（1）外加正向电压（正偏）PN结上加正向电压，外电场与内电场方向相反，扩散与漂移运动平衡被破坏。外电场驱使P区空穴进入空间电荷区抵消一部分负电荷，同时N区自由电子进入空间电荷区抵消一部分正电荷，则空间电荷区变窄，内电场被削弱，多子的扩散运动增强，形成较大的扩散电流（由P区流向N区的正向电流）。在一定范围内，外电场愈强，正向电流愈大，这时PN结呈现的电阻很低，即PN结处于导通状态。发光二极管（2）外加反向电压（反偏）在PN结上加反向电压，外电场与内电场的方向一致，扩散与漂移运动的平衡同样被破坏。外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走，于是空间电荷区变宽，内电场增强，使多数载流子的扩散运动难于进行，同时加强了少数载流子的漂移运动，形成由N区流向P区的反向电流。由于少数载流子数量很少，因此反向电流不大，PN结的反向电阻很高，即PN结处于截止状态。光电二极管♫外加反偏电压于结内电场方向一致，没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗电流。当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子---空穴对，称为光生载流子。它们在反向电压作用下参加漂移运动，电子被拉向n区，空穴被拉向p区而形成光电流，使反向电流明显变大。同时势垒区一侧一个扩散长度内的光生载流子先向势垒区扩散，然后在势垒区电场的作用下也参与导电。光的强度越大，反向电流也越大。光电二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。光电探测器（1）♠光电子发射探测器（光电子发射效应或外光电效应）金属氧化物或半导体表面光子能量大于逸出功材料内束缚能级的电子逸出表面自由电子光辐射♠光电导探测器（光电导效应或内光电效应）半导体材料光子能量大于禁带宽度材料内不导电束缚状态的电子空穴自由电子空穴光辐射电导率变化光电探测器（2）光伏探测器（光生伏特效应或内光电效应）金属氧化物或半导体表面光子能量足够大材料内束缚能级的电子逸出表面电子—空穴对光辐射光电磁探测器（光电磁效应或内光电效应）垂直磁场中的半导体材料光子能量足够大本征吸收产生电子空穴对载流子浓度梯度光辐射光磁电动势光电池、光电二极管、雪崩光电二极管、PIN管及光电晶体管光生电动势光电探测器特点♥选择性探测器，即光子波长有长波限。波长长于长波限的入射辐射不能产生所需的光子效应，因此无法被探测。♥波长短于长波限的入射辐射，功率一定时，波长越短，光子数越少，因此光子探测器的理论响应率应正比于波长。热探测器（光热效应）热探测器材料产生温升物理性质变化光辐射温差电动（温差电效应）电阻率变化（测辐射热计效应）自发极化强度变化（热释电效应）气体体积和压强变化热电偶热敏电阻、电阻测辐射热计高莱管热释电探测器热探测器特点♫非选择性探测器，光热效应与入射光子的性质无关，即光电信号取决于入射辐射功率与入射辐射的光谱成份无关。♫不需制冷可在室温下工作比光子探测器有更宽的光谱响应范围，可在X射线和毫米波段使用。但响应时间比光子探测器长。且取决于热探测器热容量的大小和散热的快慢。§2-2光电探测器的响应性能参数光电探测器的定义定义：光子探测器是指入射在光探测器上的光辐射能，它以光子的形式与光子探测器材料内受束缚的电子相互作用（光电子效应），从而逸出表面或释放出自由电子和自由空穴来参与导电的器件。光电磁效应光电子发射效应光电导效应光生伏特效应内光电效应外光电效应2.2.1光电探测器的工作条件1.辐射源的光谱分布（如单色、黑体、调制）2.电路的通频带和带宽（噪声的影响）3.工作温度：295K、195K、77K、20.4K、4.2K4.光敏面尺寸：1cm25.偏置情况♠光电探测器和其它器件一样，有一套根据实际需要而制定的特性参数。♠它是在不断总结各种光电探测器的共同基础上而给以科学定义的，所以这一套性能参数科学地反映了各种探测器的共同因素。♠依据这套参数，可以评价探测器性能的优劣，比较不同探测器之间的差异，从而达到根据需要合理选择和正确使用光电探测器的目的。♠显然，了解各种性能参数的物理意义十分重要。2.2.2响应性能参数1.响应率（度）RV、RI单位入射光功率作用下探测器的输出电压（流），即灵敏度。——器件对全色入射辐射的响应能力，定义为器件的输出信号与输入辐射功率之比，用R来表示。1sIAWIRP1sVVWVRP输出信号用电压表示：输出信号用电流表示：2.单色灵敏度（光谱响应度）1()sVVWVR1()sIAWIR光电探测器在单位单色辐射通量（光通量）照射下得到输出电压（流）；即探测器的输出电压（流）与入射到探测器上单色辐射通量（光通量）之比。——器件对单色入射辐射的响应能力。VIRRmax光谱响应宽度峰值响应度PSNNRehc实用表示法——用光谱量子效率ηλ来表示光谱响应率，定义：NP：入射辐射量子数NS：由NP产生的信号量子数由于光谱量子效率ηλ和光谱响应率Rλ表示的是同一事件，所以它们之间必有联系：e：电子电量c：真空光速h：普朗克常数注意：光谱响