光电探测器概述分析

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。
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 、 4.2K 4. 光敏面尺寸：1cm2 5. 偏置情况
2.2.2 响应性能参数
♠ 光电探测器和其它器件一样，有一套根据实际需要
§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。
光电子 发射效应
光电导 效应
外光电效应
光生伏特 效应
光电磁 效应
内光电效应
➢有些物质受到光照射时，其内部原子释放电子，但
电子光仍留电在探物测体器内件部的，工使物作体原的理导是电基性于增光加，电这效种应现，
象称而为热内探光测电效器应需。要经过加热物体的中间过程， 因此，前者反应速度快。
半导体的能带结构
♠ 半导体的特点：由于原子间的相互作用而使能级分
裂♣，离纯散净的（能本级征形）成半能导带体。在分绝为对零价带度、的理导想带状和态禁下带有。
PN结的能带结构
♠ 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。
能隙
N区 结区 P区
导带
EF 价带
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。
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。
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。
P型半导体
♠ P型半导体：在纯净的4价本征半导体（如硅晶体）中混
➢ 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。
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。
ＰＮ结的单向导电性
（1） 外加正向电压 （正偏）
发光二极管
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。
自发极化强度变化 （热释电效应）
高莱管
热敏电阻、电阻测辐射热计
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。
➢ 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, charged coupled device）
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
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。
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）
光辐射
材料产生温升
热探测器
物理性质变化
温差电动 （温差电效应）
热电偶
电阻率变化 （测辐射热计
效应）
气体体积和 压强变化
（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。
光辐射
光子能量
材料内束缚能级的
足够大
金属氧化物或 半导体表面
电子逸出表面
电子—空穴对
光生电动势
光电池、光电二极管、雪崩光电二极管、PIN管及光电晶体管
光电磁探测器（光电磁效应或内光电效应）
光辐射
光子能量
本征吸收产生
足够大
垂直磁场中的 半导体材料
电子空穴对
载流子 浓度梯度
光磁电动势
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
(CCD) Charged coupled device
2.1.2 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；
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
♠ 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：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。
禁导带体：形导成带导和电价特带性之。间 电子和空穴都是电流的载流者
的能，隙统称称为为禁带“。载导流带子底”和
价带
价带顶的能级间隙就是禁带
宽度Eg 。
半导体类型 ♠ 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。
♣ 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
2.1.1 发展简况
➢ 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
一个被电子完全充满的价带和一个完全没有电子的
价导带带：，晶二体者中之原间子是的禁内 带。这是半导体是一个不导电
层 电电子的子所绝能填缘级满体相，对这。应种的能能 带带称被为
导带
价带♣；但是本征半导体的禁带宽度Eg较小，在热运动活
子 导填带导其带满；带它，或：外这者价界时是带空激导以的发带上能的有未带作了被称用电电为下子，，价价E带带g 的有电了子空激穴发，费跃使米迁本能级至征E禁导半F带
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。
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）， ห้องสมุดไป่ตู้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。
输出信号用电压表示：
RV
Vs P
VW1
输出信号用电流表示：
RI
Is P
AW1
2. 单色灵敏度（光谱响应度）
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。
RV
光电探测器概述分析
♣ 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。
♣ 按工作转换机理分：光子（光电）、热探测器
➢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。
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）
光辐射
光子能量大于
材料内束缚能级的
逸出功
金属氧化物或
电子逸出表面
自由电子
半导体表面
♠ 光电导探测器（光电导效应或内光电效应）
光辐射
光子能量大于
材料内不导电束缚
禁带宽度
状态的电子空穴
半导体材料
自由电子空穴
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）
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。
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。