第四章光电导探测器

第四章光电导探测器光电导探测器的工作原理光电导探测器的性能参数实用光电导探测器及输出信号能测可见光的光电导探测器又称光敏电阻（光导管）种类：本征型、杂质型、薄膜型、扫积型研究重点：工作原理、性能参数、基本应用电路三者联系，也是学习探测器的基本观察点。光敏电阻§4-1光电导探测器的工作原理一、光电导效应光子作用于光电导材料产生本征吸收：杂质吸收：产生附加的光生载流子。光电导效应——光照射到光电导（半导体）材料上，使半导体的电导率发生变化。多数半导体和绝缘体存在这种效应本征半导体杂质半导体光激发：产生空穴、电子，跃迁到导带。杂质半导体：n型：施主能带靠近导带，电子获得足够能量进入导带参与导电。p型：受主能带靠近价带，价带电子吸收光子能量跃迁受主能带，使价带产生空穴参与导电。表征光电导效应主要有三个参数：灵敏度、弛豫时间（惰性）、光谱分布1．光电导的灵敏度灵敏度：一定光强下光电导的强弱（可用光电增益G表示）成立条件：定态条件下电子和空穴的产生率与复合率相等。LtG/（4.1-1）量子产额：吸收一个光子所能产生的电子空穴对数光生载流子寿命载流子在光电导两极间的渡越时间载流子在光电导两极间的渡越时间tL，一般有UltL/2（4.1-2）光电导体两极间距外加电源电压迁移率将（4.1-1）代入（4.1-2）2lUG如果光电导体中自由电子和空穴均参加导电2)(lUGppnn2．光电导驰豫光电导是非平衡载流子效应，因此有一定的弛豫现象，它表现了光电导对光强变化反应的快慢。光电导上升或下降的时间——弛豫时间（响应时间）。意义：从实际应用讲,弛豫时间决定了在迅速变化的光强下,一个光电器件能否有效工作的问题.从光电导的机制来看，弛豫表现在光强变化时，光生载流子的积累和消失的过程。在分析定态光电导和光强之间的关系时，实际情况比较复杂，通常讨论两种典型情况：直线性光电导，即光电导与光强成线性关系抛物线性光电导：光电导与光强的平方根成正比。有的光电导体在光强低时属于直线性光电导，较高时，为抛物线性光电导。载流子浓度Δn与光强关系：In直线的γ＝1，抛物线的γ＝1/2在定态的情况下，如果光生载流子有确定的复合几率或寿命τ，对直线性光电导Δn/τ＝Inαβ光电转换因子光电导材料对光的吸收系数以光子计算的入射光光强量子产额对抛物线性光电导复合率=b(Δn)2b为比例系数，这时定态条件为b(Δn)2＝Inαβ在直线性光电导中，恒定光照下决定光电导上升规律的微分方程：nIdtndn/)(光生载流子寿命以光子计算的入射光光强光电导体对光的吸收系数量子产额设光照停止时（t＝0），Δn＝Inαβτ，则上式解：根据上式初始条件：t=0时，Δn＝0，方程解)1(tneIn取消光照后，决定光电导下降的微分方程为tneInndtnd/)(直线性光电导的弛豫时间与光强无关。因为上升和下降是对称的通常（t＝τ）称光电流的弛豫时间直线性光电导上升和下降曲线在抛物线性光电导中，决定光电导上升的微分方程为利用初始条件t=0时，Δn＝0，解上面的方程得2)(/)(nbIdtndn光照取消后，决定光电导下降的微分方程为])tanh[()/(2/12/1tbIbInnn2)(/)(nbdtnd利用初始条件t=0时，2/1)/(bInn讨论：抛物线性光电导的弛豫时间与光强有关，光强愈高，弛豫时间越短。))(11()/()/(12/12/12/1tbIbIbtIbnnnn3．光电导的光谱分布光电导的大小与照射光的波长有密切关系。光谱分布问题首先是光生载流子的激发问题。由本征激发产生的光电导称为本征光电导。由杂质激发产生的光电导成为杂质光电导。（1）本征光电导的光谱分布光谱分布曲线是“等量子”曲线或“等能量”曲线。等量子是指对不同的波长以光量子计算的光强是相同的。等能量是指不同的波长下所用的光能量流是相等的.（2）杂质光电导的光谱分布含有不同量砷施主补偿杂质的掺金锗杂质光电导光谱分布曲线半导体杂质吸收光子将束缚在杂质能级上的电子或空穴激发成为自由的光生载流子．这时光子的能量必须等于或大于杂质的电离能。由于杂质的电离能比禁带宽度小，所以杂质光电导的光谱响应的波长比本征光电导的长。二、光电导探测器的工作原理半导体受到光照时将产生非平衡载流子，电导率增加，在外加电压的作用下，将在光电导探测器输出回路中产生光电流。分析光电导探测器输出的光电信号1．光电导探测器的光电流设样品为n型材料，光功率为P的光辐射沿x方向均匀入射。如果光电材料的吸收系数α，表面反射率R，入射光功率在材料内部沿x方向的变化为xeRPxP)1()(（4.1-17）光生载流子的统计平均值也应是入射深度x的函数，n（x）表示在x处光生载流子浓度，则在外加电场作用下该处的漂移电流密度J（x）为)()(xenxJ光生载流子在外加电场E作用下的漂移速度光功率输出平均光电流LVEAnn/光生载流子在外加电场E作用下的漂移速度电极间距离电子迁移率A=wd探测器电极面积，dA=wdx为面积元，在光敏面（wL）受均匀照射的情况下，将得到：dAPdxxJdAxJId0)()(dPdxxnweI0)(（4.1-20）n（x）与半导体中光生载流子在外电场作用下的产生率与复合率有关。利用稳态下电子产生率和复合率相等的条件可求得n（x）由（4.1-17）在x方向单位长度上材料吸收的光功率αP（x）则单位体积内吸收的光功率为αP（x）/wL因而单位时间、单位体积内产生的光生载流子（产生率）为[αP（x）/wL]/hν若载流子平均寿命为τ0，可求得复合载流子数（即复合率）n（x）/τ0在稳态条件下有0)()(xnwLhxP产生率=复合率（4.1-21）得光生载流子浓度n（x）为wLhxPxn0)()(将（4.1-17）代入wLheRPxnx0)1()(上式代入（4.1-20）光电导探测器输出的平均光电流dxeLhVeRPIdxAnp020)1(（4.1-23）（4.1-24）（4.1-22）此时的光电流Ip0量子效率200LhdVePIAnpdxPPdxedRII00)1(将式（4.1-27）代入（4.1-24）则)()(020LhePLVhePIAnpwLhPn00由（4.1-21），求得入射光功率P全部被吸收（α=1）所对应的探测器内的平均光生载流子浓度（4.1-25）（4.1-27）在外电场作用下，载流子在电极间的渡越时间为)(0dPhePI于是上式：/Ld令dG/0PheGIP载流子寿命载流子渡越时间光电导探测器内增益（4.1-30）式（4.1-30）表明：①光电导探测器是一个具有内增益的器件②内增益G与器件的材料、结构尺寸及外加偏压（偏流）有关2．光电导探测器的工作模式及等效电路光电导探测器结构光电导探测器偏置电路交流等效电路直流等效电路（1）短路电流ISC探测器等效一个内阻很大的恒流源（2）开路电压探测器等效一个内阻为0的恒压源（3）负载匹配时探测器输出电压PheGISC)(LLPPRheGRIV)(OCLPdLdLPLRIRRRRIV21RL=Rd时，负载匹配，输出电功率最大,总的光电变换效率最高§4-2光电导探测器的性能参数一、光电导增益IP：长为L两端加电压V的光电导体，由光照产生的光生载流子在电场作用下所形成的外部电流——光电流。qN：光电子形成的内部电流。qNIGP①电导率无光照时，暗电导率σ0)(000pnpnq有光照，吸收光子而产生光生载流子浓度Δn、Δp光照稳定情况下电子浓度电子迁移率])()[(00pnppnnq光电导率)()(0pnbqpnqnppn②电流（a）无光照，暗电流（本征半导体电导率σ0）b=μn/μp为迁移比)(000pnAAdpnLqwdVLAVI电导两端电压光电导体横截面积光电导体长度样品宽度样品厚度（b）有光照射，光电流光激发电子、空穴浓度τn、τp：寿命N：N个电子/空穴对。（单位时间）光电导Δσ引起的光电流ALNnnALNpp)()(2ppnnApnAAPLqNVLpnqAVLAVI（4.2-5）代入（4.2-5）③增益Gn：光电导探测器的电子增益系数Gp：光电导探测器的空穴增益系数pnAppnnAppnnAPGGLVLVLVqNIG222)(④增益的另一种形式速度为υn的光电子渡越时间tn=L/υn又因：沿电场方向的电子速度与电场强度成线性关系于是有：LVEAnnn则增益的另一种形式：AnnnLLt2nnntGppptG在半导体中，电子、空穴寿命相同，若用τ表示平均寿命若定义pn)11(pnppnnpnttttGGGpndrttt111drtG则G一般在103数量级⑤光电导器件量子效率硅和锗的η与λ的关系)(/)()(NhhNN个光子入射的单色辐射功率二、光电导探测器的噪声1．热噪声2．产生——复合噪声g-r（信号光、背景光、热激发）3．1/f噪声总的均方噪声电流或噪声功率噪声按频率分布：噪声功率谱abpNfrNgNJNfIkfqGIRfkTiiii1222244典型光电导探测器噪声功率谱光电导探测器噪声等效电路三、响应率由（2.2-1）（2.2-2）电压响应率电流响应率光谱响应率表示在某一特定波长下，输出光电流（或电压）与入射辐射能量之比。输出光电流dVGRhqRGhqRIdrpthqGhqqNGI)()()(响应率与VA及载流子寿命τ0有关响应率与光敏面积有关则光谱响应率：GhcqthcqthqthqISdrdrdrp)(1)()()()(①增大增益系数可得到很高的光谱响应率②增益与响应速度是相矛盾的光电导探测器典型光谱曲线两种类型光电导探测器光谱特性四、比探测率D*是包含噪声性能的一个重要参数1．受热噪声限制多数光电导探测器工作频率在1MHz以上，其噪声源主要来自热噪声2．受产生——复合噪声限制当工作频率在1kHz～1MHz时：主要是2/12/12/1*)4()()(fkTRfARVfARDddVNJdVJ2/12/12/1*)4()()(fGqIfARVfARDpdVrNgdVrg光电导探测器的探测率限制g-r噪声限热噪声功率限制五、温度特性温度变化，会引起光谱响应率、峰值响应波长、长波限等参数的变化。主要原因：当温度升高时，热激发载流子增多，除热噪声增加外，还使光生载流子寿命下降（复合几率增大），从而使光电导器件灵敏度降低。PbS光敏电阻光谱特性PbSe光敏电阻光谱特性六、频率响应及响应时间tjPetP)(由式（4.2-22）及付里叶变换可以得到相应的输出电压和响应率的表达式。（4.2-22）2/1220)1(PoVV2/1220)1(VVRR入射光调制角频率ω=0时输出电压ω=0时输出响应率当调制频率f≤f3dB时，光电探测器的输出可以保持原有调制光信号的特征。光电导探测器的频率响应七、前历效应测试前光电导探测器所处的状态对光电探测器特性的影响，大多数光电导探测器在稳定的光照下，其阻值有明显漂移现象，且经过一段时间间隔后，阻值还有变化。这种现象为光电导探测器的前历效应。%100112RRR中态（亮态）前历效应短态（暗态）前历效应：R0/R1§4-3实用光电导探测器及输出信号一、本征型光电导探测器本征型：碲镉汞（HgCdTe）锑化铟（InSb）硫化铝（PbS）1．碲镉汞光