紫外探测器

第一代元素半导体材料Si以及第二代化合物半导体GaAs、InP等材料 由于具有禁带宽度小、器件长波截止波长大、最高工作温度低等特点 而使得器件的特性及使用存在很大局限性，满足不了实用的要求。 第三代宽带隙半导体材料主要包括SiC、GaN、ZnO和金刚石等，具 有禁带宽度大、电子漂移饱和速度高、介电常数小、导热性能好等特 点，适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件；而 利用其特有的宽禁带，还可以制作蓝、绿光和紫外光的发光器件和光 探测器件。
响应时间即紫外探测器对紫外光的反应时 间，分为上升沿时间和下降沿时间，反应 时间越短，探测器越灵敏。
GaN基基肖特基结构紫外探测 器在零偏压下的光响应曲线
GaN基肖特基结构紫外光探测器在零偏压下的光响 应曲线, 当入射光满足
hν ⩾Eg
探测器的响应度公式为
R≡ qλ η g hc
其 q中为电子电量， λ 为入射光波长， h为普
1.2.金属和半导体热敏电阻测辐射热计：
这是利用某些金属或半导体材料的电 阻率随温度有较大变化而制成的探测器。 当吸收紫外辐射而温度升高时，金属的电 阻率增加(即电阻率温度系数为正)；半导体 电阻率则降低(温度系数为负)。根据电阻变 化的大小可以测出被吸收的紫外辐射功率。
1.3.热释电探测器：
料，要发生本征吸收，光子能量必须大于或者等于禁带宽度，
即对应于本征吸收光谱，探测器对光的响应在长波方面存在一
个波长界限λ0，根据发生本征吸收的条件
h h 0 Eg
可得到本征吸收长波限的公式为
0
hc Eg
1.24 (m)
Eg (eV )
根据半导体材料的禁带宽度，可以算出相应的本征吸收 长波限。 对于GaN材料而言，Eg=3.4eV，则GaN探测器的长波限 λ0≈365nm。 对于4H-SiC材料，Eg=3.26eV，则其长波限λ0≈380nm 。 从计算结果可以看出，GaN、4H-SiC材料的本征吸收 长波限都在紫外区。
内量子效率定义为入射至器件中的每一 个光子所产生的电子-空穴对数目，即：
i
产生的电子 空穴对个数 入射的光子数
光电响应度是表征探测器将入射光转换为电信号能力的一个参 数。光电响应度也称光电灵敏度，定义为单位入射光功率与所产 生的平均光电流之比，单位为A/W。
R I ph q (m) Popt h 1.24
紫外探测器
紫外和红外探测技术几乎同时产生于 50年代，由于紫外探测器件灵敏度低，一 直未能应用，而红外探测技术发展较快。 直到90年代，日本开发出雪崩倍增靶摄像 管，使得紫外摄像器件有较高的灵敏度和 合适的光谱范围，紫外探测才得到广泛关 注 。 紫外探测技术以其独特优势在通信、 预警和制导方面得到广泛的应用。
器在紫外波段的光响应度高，而且GaN基肖特 基结构紫外光探测器在零偏压下的响应时间曲
有些晶体(如热电晶体)一般有自发极化 现象，而且自发极化强度随温度升高而下 降。当吸收入射紫外辐射而升温时，引起 自发极化强度变化，结果在垂直于自发极 化方向的晶体两个外表面之间出现微小电 压，经放大后就可以用来测量投射到晶体 上的紫外辐射功率。
2.1.光电子发射(PE)探测器：
当辐射照射在某些金属、金属氧化物 或半导体材料表面时，若该光子能量hv足 够大，则足以使材料内一些电子完全脱离 材料从表面逸出。利用这种效应制成的探 测器就是光电子发射探迁移率 (cm2/V•s) 1350
8000
1000 2200
900
-
介电常数
11.9 13.18
9.7
5.5
8.9
-
紫外探测器的主要参数包括：
1.暗电流 2.光电流 3. 量子效率 4.响应度 5.响应时间
当不同波长的光照射探测器时，只有能量满足一定条件的
光子才能激发出光生载流子从而产生光生电流。对于半导体材
材料
带隙类型 禁带宽度 (eV)
熔点 (℃) 热导率 (W/cm•K)
Si和GaAs
Si 间接
GaAs 直接
1.119 1.428
1420 1238
1.40
0.54
宽带隙半导体材料
SiC 间接
金刚石 间接
GaN 直接
ZnO 直接
2.994 5.5
3.36 3.37
2830 4000 1700 1975
由上式可知，R与λ成正比，所以短波长探测器的响应度比起长 波长的探测器来说响应度较小。假设η=1，则当波长为365nm时， 响应率R=0.294A/W；当波长为200nm时，响应率R=0.161A/W。
暗电流是指器件在反偏压条件下,没有入射 光时产生的反向直流电流，暗电流太大， 对原探测信号有较强干扰，影响仪器灵敏 度。
2.2.光电导(PC)探测器:
半导体吸收能量足够大的光子后，会 把其中的一些电子或空穴从原来不导电的 束缚状态激活到能导电的自由状态，从而 使半导体电导率增加，这种现象叫做光电 导效应。根据光电导效应探测辐射的器件 称为光电导(PC)探测器。
2.3.光伏(PV)探测器:
对p-n结加上反向偏压，则当结区吸收 能量足够大的光子后，反向电流就会增加。 这种情况类似于光电导现象。这类光伏探 测器通常叫做半导体光电二极管。
根据紫外探测过程的机理， 紫外探测器可分为：
1.热探测器；
2.光子探测器。
热探测器主要分为以下三类： 1.1.测试辐射温差的热电偶：
热电偶是利用温差电效应制成的紫外探 测器。当把两种具有不同温差电动势的金属丝 或半导体细丝连结成一封闭环时，若用紫外辐 射照射一个结点，该结点因吸收入射辐射而升 温，于是与另一结点出现温差，在环内产生温 差电动势。根据温差电动势的大小(取决于辐 射引起的结点温差)则可测出紫外辐射功率。
c 朗克常数， 为真空中光速 ，η为内量子效率,
即每个入射光子产生电子空穴对的数目， g为
增益因子，即每复合一个光生电子空穴对在电 极间经过的载流子数目
从图中可以看到在250到360nm区间探测器有 较高的响应度。在363nm波长处达到最大值 0.12A/W量子效率为42.4%当波长超过GaN基紫 外光探测器的截止波长365nm左右探测器的响 应度减小了三个数量级以上。这说明紫外探测