第四章 光辐射探测1

4.1.2光电发射效应EhvEkE光电发射体的功函数hEhv)(24.1)(eVEumc光电发射条件：光电效应截止波长：光电导器件就是把光生载流子引起的电阻变化作为电信号进行检测的器件。在没有光照的时候电阻非常大（可达M欧），有光照的时候电阻下降到K欧以下。光电导器件可以分为本征型和掺杂型两种。掺杂型的光电导器件主要用作红外线检测用的光接收器件用。4.1.3光电导器件光辐射照射外加电压的半导体，如果光波长λ满足如下条件：)()(24.1)(本征eVEmgc)()(24.1杂质eVEi是禁带宽度gEiE是杂质能带宽度光敏电阻ulvEvnnnulvEvppp机理：光照射将引起半导体中的电子和空穴增加，电子和空穴的增加导致了电导率的增加。【1本征型光电导器件的工作原理】半导体载流子的迁移率pnepen半导体的电导率：半导体的电导：lAGgE本征型导带禁带价带iEhepqnq其中，q为电子电荷大小；、为电子和空穴的迁移率；分别为电子和空穴产生的速率。电导率的变化，引起通过其的电流大小的变化。hepn,ulAiu为加在器件两端的电压。在光照情况下，光生载流子率分别为：和np则：nAlNnpAlNp带入可得：)(2ppnnleNuGui电流增益：)(2ppnnuulueNiMN型半导体nnnntulueNiM2Cds和CdSe这两种器件是用于可见光和红外区域最广泛的光电导器件。CdS光敏电阻可在人视觉接近的范围内灵敏地工作，其线性度和温度特性都很好，但缺点是响应速度不快，约几十毫秒。CdS常用于照相机或专门的测光表中。而CdSe的响应与白炽灯或氖灯的光源的输出具有良好的匹配，线性度和温度特性都不太好，但其响应速度快，几个毫秒。所以CdSe光敏电阻常用作光电开关使用。【2光敏电阻材料】1）Cds和CdSe此外，还有应用于低温环境下的，如：本征型半导体：HgCdTe；掺杂型的：Ge：Au、Ge：Zn、Si：Ga等。2）PbS和PbSe在波长范围为的近红外线范围内应用。这两者的特点是：都是本征光电导器件，检测精度高，可在室温下使用，所以被广泛地应用。m5~1【3应用】简单的暗激发光控开关精密的暗激发光控开关光电二极管和光电导器件都是利用内光电效应的光接收器件，所不同的是：光电二极管是利用PN结在光辐射作用下产生的光伏效应制成的。而光电导器件是利用光生载流子引起的电流变化作为了电信号附加在外部偏压上而被检测出来。主要有光电池、光电二极管、光电三极管等。对于二极管而言，由于它利用的是PN结的内部电场，所以往往使用反向电压。4.2光伏效应【1结构与符号】光照零偏pn结产生开路电压的效应光照反偏1/0TkeusdBeiieVEmi24.1光伏效应光电池光电信号是光电流结型光电探测器的工作原理光电二极管一定温度下半导体中电子和空穴的热运动是不能引起载流子净位移，从而也就没有电流。但漂移和扩散可使载流子产生净位移，从而形成电流。载流子的输运—扩散与漂移载流子因浓度不均匀而发生的从浓度高的点向浓度低的点运动。（1）扩散【2光生伏特效应】（2）漂移载流子在外电场作用下，电子向正电极方向运动，空穴向负电极方向运动称为漂移。讨论漂移运动的重要参量：迁移率μ（电子迁移率，空穴迁移率），μ的大小主要决定于晶格振动及杂质对载流子的散射作用。np上图为光注入，非平衡载流子扩散示意图。光在受照表面很薄一层内即被吸收掉。受光部分将产生非平衡载流子，其浓度随离开表面距离x的增大而减小，因此非平衡载流子就要沿x方向从表面向体内扩散，使自己在晶格中重新达到均匀分布。光注入，非平衡载流子扩散示意图LxeNxN/0)(在电场中多子、少子均作漂移运动，因多子数目远比少子多，所以漂移流主要是多子的贡献。对于漂移对于扩散在扩散情况下，如光照产生非平衡载流子，此时非平衡少子的浓度梯度最大，所以对扩散流的贡献主要是少子。电中性的P型半导体电中性N型半导体在内电场的作用下，载流子产生漂移，但随着载流子运动的进行，界面间电场的增高，反过来促使漂移运动加强，这一对立运动在一定温度和条件下达到平衡。从而形成稳定的内电场。①②空穴电子③积累负电荷积累正电荷扩散内电场④电子空穴漂移1）内电场的形成【3PN结光伏效应的产生】当光照射光电二极管pn结部位时，只要入射光的能量大于半导体禁带宽度时，就产生本征激发，激发便产生电子-空穴对，P区产生的光生空穴，N区产生的光生电子由于受到pn结的阻挡作用，不能通过结区。而在内电场的作用下，P区中的电子驱向N区，空穴驱向P区。这样在P区就积累了多余的空穴，N区积累了多余的电子。从而产生了附加的与内电场相反的电场。该附加电场对于外电路来说，将产生由P到N方向的电动势。当外接电路时，将有光电流通过，这就是光伏效应。2）附加电场的形成图4-3障层光电效应原理当光照PN结端面时，由于光子的入射深度有限，不会得到好的效果，实际的光伏效应器件都制成薄P型或N型，入射光垂直于结表面入射，从而增加了光伏效应的效率。也称为为暗电流。流，是普通二极管的反向电特性，这是普通二极管的伏安DsosoDiikTeuii],1)[exp(【光伏探测器等效电路】图4-5光电二极管的电压-电流特性)(24.1)(eVEumiIeIIkTqVs}1{光照下的伏安特性4.2.1光电二极管反偏电压pn结光伏探测器——光导工作模式——光电二极管常见的光电二极管有：Si光电二极管，PIN光电二极管,雪崩光电二极管（APD）肖特基势垒光电二极管等。【1.Si光电二极管】Si光电二极管有两种：采用N型单晶硅和扩散工艺获得p+n结构硅光电二极管(2CU)；采用P型单晶硅和磷扩散工艺获得n+p结构硅光电二极管（2DU）。一律采用反偏。（1）结构原理p+n结构硅光电二极管(2CU)n+p结构硅光电二极管（2DU）：光敏区外侧有保护环（n+环区），其目的是表面层漏电流，使暗电流明显减少。其有三根引出线，n侧的电极称为前极，p侧的电极称为后极，环极接电源偏置正极，也可断开，空着。（2）光谱响应特性（3）伏安特性（V/R—V为直流负载线）（4）频率响应特性频率特性好,适宜于快速变化的光信号探测。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。【4.2.2.PIN硅光电二极管】要改善硅光电二极管的频率特性，由前面分析可知：应设法减小载流子的扩散时间和结电容。PIN硅光电二极管就是在P区和N区之间加上一本征层（I层）光电二极管。PINI层载流子浓度非常低是一个高阻层。①在pn结上加上反向偏压后，它将成为具有较强内部电场的区域，减小了载流子的渡越时间；②通过加入这个高阻层I层，扩大了携带电信号的光生载流子的产生空间，从而提高了灵敏度；高阻层起的作用PIN光电二极管在光通信、光雷达和快速光电自动控制领域有着广泛的应用。③降低了影响频率响应的pn结的电容量，即降低了回路的时间常数，从而提高了其频响速度。实际应用中决定光电二极管的频率响应的主要因素是电路的时间常数。合理选择负载电阻是一个很重要的问题。光电流由两部分组成：1）光照下，在I区产生电子-空穴对，电子和空穴在强电场下分离，电子向n区移动而空穴向p区移动，并以光电流形式向外流出；2）还有一部分光电流是由于光进入到了n区里，产生了空穴，空穴进入I层内，同样也产生漂移光电流的形成【4.2.3雪崩二极管】它是利用pn结当加的反向偏压接近击穿时，发生载流子碰撞雪崩电离，以获得光生载流子倍增的器件。在给pn结加上反向电压后，它几乎不会有电流流过，但如果反向电压增大到一定值后，反向电流迅速增大的现象称为pn结击穿，发生击穿时的电压称为反向击穿电压。pn结击穿BRV增大，而是由于载流子数目的增加。到目前为止，pn击穿共有三种：雪崩击穿、隧道击穿和热电击穿。光子照射电子-空穴对，当pn结反向电压足够高时，它们在结内高电场作用下，获得足够高的动能，在定向运动过程中与晶体原子碰撞产生新的电子-空穴对，新产生的电子和空穴又在电场中获得足够能量，通过碰撞再产生电子和空穴……如此下去，像雪崩一样迅速反应而激发出大量的载流子，使初始的光电流大大增加。雪崩碰撞电离原理：产生4.2.4温差电效应当两种不同的配偶材料（可以是金属或半导体）两端并联熔接时，如果两个接头的温度不同，并联回路中就产生电动势，称为温差电动势。提高测量灵敏度——若干个热电偶串联起来使用——热电堆地磁场的起源4.2.5热释电效应热释电材料——电介质一种结晶对称性很差的压电晶体在常态下具有自发电极化(即固有电偶极矩)ssP热电体的||决定了面电荷密度的大小，当发生变化时，面电荷密度也跟着变化sPsP||值是温度的函数——温度升高——||减小。如作电源开关控制、防盗防火报警、自动览测等升高到Tc值时，自发极化突然消失，TC称为居里温度热释电体表面附近的自由电荷对面电荷的中和作用比较缓慢，一般在1～1000秒量级热释电探测器是一种交流或瞬时响应的器件。4.2.6光电转换定律光辐射量转换为光电流量的过程——光电转换dtdnhvdtdEtP光dtdnedtdQti电tDPtiD—探测器的光电转换因子光子电极电极耗尽层SiO2p+nn+dtdndtdn光电hveD——探测器的量子效率)()(tPhveti光电转换定律：**光功率P正比于光电场的平方——平方律探测器——非线性器件(本质)。*光电探测器对入射功率响应(光电流)——一个光子探测器可视为一个电流源。光电检测器件的特点光子器件热电器件响应波长有选择性，一般有截止波长，超过该波长，器件无响应响应波长无选择性，对可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感响应快，吸收辐射产生信号需要的时间短，一般为纳秒到几百微秒响应慢，一般为几毫秒