光电子技术5章

第5章光波的探测与解调被调制到光波上的信息需要解调，才能获得原始信息。内容：光子探测原理及性能典型光电探测器特殊探测方法：相干探测按光电相互作用分类波扰动效应光热效应光电效应电磁波对材料的影响探测机理及分类光电探测器点探测器图象探测器按空间区域分1、光电效应光照射到材料（一般是半导体）上使其电学特性改变的现象，统称为光电效应。特性改变有：发射电子；电导率变化；产生电动势等。按激发电子所在位置分：内光电效应：光子激发的载流子(电子或空穴)保留在材料内部。外光电效应：激发的电子逃逸出材料表面（可有多个阴极，以获得倍增效果）。光电效应的分类：光电效应的种类很多，见图5.1应用较多的是：光电导效应，光伏效应，外光电效应。①内光电效应——光电导效应光照引起半导体材料导电特性变化的现象（所有半导体材料均有该效应）。原因：光照到半导体材料，材料吸收光子能量，激发非传导电子变为传导电子（自由的电子-空穴对），引起载流子浓度增大，导致材料电导率增大。Ei导带空带光子激发电子空穴外电场（b）掺杂型光子激发Ei受主能级施主能级Eg导带价带光子激发电子空穴外电场（a）本征型基于光电导效应制成的探测器称为光电导探测器。20世纪，先后在氧化亚铜、硫化铊、硫化镉、硫化铅等材料中发现光电导效应，由此发展了从紫外、可见到红外各个波段的辐射探测器。要求光子能量：激发波长条件：红限波长：光电导器件的红限、光电流、光电压：（1）本征半导体红限（见表5.1）)1.5(gEh)3.5(/24.1)2.5(/0ggEEhcghcEgEhc/)5.5(/24.1)4.5(/0iiEEhc激发波长条件：红限波长：（3）本征和掺杂型半导体的光直流短路电流为：（2）掺杂半导体红限（见表5.2）将本征半导体中的带隙能量替换为杂质电离能即可iEhc/)6.5(GqNIso光电导增益G：由自由载流子寿命τ和渡越时间Tτ的比值决定)7.5(TG渡越时间Tτ：指多数载流子穿过器件电极的时间：)8.5(2AVlTl为电极间的距离，µ为多数载流子的迁移率，VA为器件所加的偏压。光子吸收率Nλ：单位时间吸收的光子数，正比于所吸收的单色功率Pλ)10.5(hcPN直流短路电流Iso：)11.5(2hclVPqIAso说明：光电流正比于所吸收的单色功率与波长（小于红限），可用于光功率探测。负载电阻的电压ΔVL：（图5.2）)12.5(LdLdsoLRRRRIV开路电压Vso：在弱光照下，负载电阻RL远大于内阻Rd，此时负载电阻的压降)14.5(hcnlwdVPRIVAdsoso说明：开路电压也正比于所吸收的单色功率，可用于光功率探测。（4）响应速度：也称频响特性，由多数载流子的寿命决定221sosII221sosVV由上(5.15)、(5.16)知，低频时的输出基本与频率无关，高频时与频率成反比；转折频率定义在ω=1/τ，τ是载流子寿命。注意：（1）对光电导器件，光子激发出的载流子须在外电场下才能流动，对外电路产生贡献，故这种器件须加偏压才能正常工作。（2）常见光电导器件很多，优点：（1）光谱响应宽光敏域可在紫外、可见光、红外区和远红外区。（2）所测光强范围宽（3）使用方便，成本低，稳定性高，寿命长（4）灵敏度高，工作电流大，可达数毫安。不足：在强光时线性较差，频率特性也较差。②内光电效应——光伏效应指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。产生电位差的机理有多种，主要是阻挡层的存在引起势垒载流子的激发——光子载流子的分离——靠内部势垒和内建电场分离光激发的电子-空穴对光伏器件：多数用本征半导体，简单PN结就能实现短路光电流：工作在光电导（反偏，图5.7b）模式的短路电流，与光电导器件相同（只是增益G=1）结区pn+++++++++---------E光)18.5(hcqPqNIso开路电压（光伏效应）：短路光电流与零偏时的动态电阻（原点处的斜率dV/dI）之积。因电流电压特性为：Id暗电流，Is为无光照时反向饱和电流，V为施加电压(正向为正，反向为负)，k为波耳兹曼常数，β为近似为1的常数，T为绝对温度。动态电阻R为：)1(,/kTqVsddeIIIII光)20.5(10kTqIdVdIRsVd光伏器件的工作模式光电信号入射光开路V负载电阻+-光电信号反向偏压入射光图5.7(a)开路光电压(光伏效应)，(b)反向偏压光电导型开路电压（图5.7a）Vso：)21.5(ssohcIkTPV（2）雪崩光敏二极管（APD）原理：光子在PN结产生电子-空穴对→初始电子在高电场加速→高速电子与原子碰撞，电离并产生新的电子-空穴对→新电子再次碰撞→多次碰撞，使载流子雪崩式倍增。APD是PN结在高反压下的光伏器件，有内增益，反偏100~200V，接近反击穿电压。无光照时，热激发会产生载流子（热噪声），也会有雪崩式内增益；有光照时，也会有雪崩式内增益。因难在大面积上有均匀的雪崩增益，光敏面较小（~0.1mm）特点：响应度高，带宽100GHz（目前最快的），适于光纤通信、激光测距及其他微弱光探测等。（3）光敏二极管结构光敏二极管：是硅ＰＮ结受光照后产生光电流的光电器件。工作于反偏压，光谱响应由半导体材料掺杂浓度决定。PIN的转换原理特点：1、频带宽：结电容小，响应时间短。2、线性范围宽。I层很厚，在反偏时可承受高反压。不足：I层电阻大，输出电流小，零点几至数μA。21,fRCLj光敏二极管的特点：体积小，稳定性好；灵敏度高，响应速度快；易于获得定向性；光谱响应在可见和红外区。可做成二极管阵列可以线或面阵式集合在一起，同时探测不同部位的光信息，并转换为电信号。③外光电效应——光电发射效应光照射金属或金属氧化物材料上，光子能量传给材料表面的电子；电子获得足够能量，克服正离子的引力，脱离金属表面而进入外界空间，这称为外光电效应。描述外光电效应的基本定律：（1）斯托列托夫定律当入射光频或频谱不变时，饱和光电流与入射光强成正比。（这是光电管、光电倍增管的检测基础）。（2）爱因斯坦定律电子吸收的光子能量大于发射体表面逸出功，则电子将以一定的速度从表面发射；光电子的初动能随入射光频率线性增长，与入射光强无关。光电效应方程：EhhhmvE02max21max入射光子能量电子的动能逸出功说明：入射光子有足够能量，至少等于逸出功，才有光电发射；ν0为光电发射的最低光频，与材料有关，与入射光强无关。逸出功入射光频小于截止频率时，无论光强多大、时间多长，都不会有光电子发射。光电发射分为三过程：光入射后，电子吸收光子能量，从基态跃迁到激发态；受激电子从受激处出发，向表面运动，其间与其他电子或晶格碰撞而失去部分能量；到达表面的电子克服表面势垒的束缚，逸出形成光电子。光电发射对阴极材料的要求：对光吸收大，以便较多的电子受激发射；激发电子在表面附近，以使碰撞损失小；材料逸出功小，以到达表面的电子容易逸出；电导率好，以便外电源补充光电发射失去的电子。（具体光电发射探测器件，见5.2节）5.1.2光电探测器中的噪声依噪声的物理原因，分为散粒噪声、产生—复合噪声、热噪声和低频噪声。噪声是固有的、不能人为消除的输出信号起伏，与器件密切相关。原因：电子从价带到导带，或者电子逸出材料表面等，都是一系列随机独立事件，每一瞬间的载流子数有不确定性，这种起伏（噪声）与信号同时出现。在弱信号时，噪声会显著影响信号探测的准确性，需要抑制噪声。了解噪声机理，可用相应措施来尽量抑制噪声，且抑制工作尽量放在最前级。噪声外部原因内部原因人为噪声自然噪声散粒噪声产生－复合噪声光子噪声热噪声低频噪声温度噪声放大器噪声光电探测器中的噪声源热噪声：在无偏压时，阻抗性材料中载流子的随机运动产生的起伏（噪声），存在于所有阻抗性材料中。（与偏压无关）与偏压有关的噪声：叠加于热噪声上，也称附加噪声，主要有：产生-复合（G-R）噪声；发射噪声；闪烁噪声。（1）半导体中的噪声①噪声类型②热噪声在电阻性材料中，内部的自由载流子数目及运动状态是随机的，引起无偏压下的起伏电动势。由载流子热运动引起的起伏是电阻材料的热噪声。热噪声是由导体或半导体中载流子随机热激发的波动而引起的，与电阻值、温度、工作带宽有关。热噪声存在于所有阻抗性材料中，在无偏压时也会以电流、电压的起伏出现。光电探测器等价于一电流源，有一等效电阻R。自由电子的随机热运动引起R两端随机起伏的电压：kTBPN电阻R的热噪声电流为:)23.5(422kTRBiRVnN相应的热噪声开路电压、短路电流为：)24.5(/42RkTBiInNRkTBin/42在测量带宽B时，热噪声功率的均方值PN为：③G-R噪声热使载流子的产生有随机起伏，同时载流子电子和空穴在运动时存在复合过程，而复合本身也是随机波动的。载流子产生及复合的起伏使载流子浓度波动，致电阻起伏，从而产生噪声。G-R噪声的测试：加一偏压，测偏置电流的起伏。说明：(1)本质上也是散粒噪声，为强调产生和复合因素，取名为产生—复合噪声。(2)G-R噪声分析理论有：基于单一掺杂和准本征半导体的理论（略）④发射噪声：电子电荷的离散性造成电流的微小起伏。只要有电流通过，便有发射噪声；在偏压下的二极管可观察到发射噪声。流过二极管的电流I：I0是反向饱和电流发射噪声IN：零偏时的I=0，阻抗R：5.00])42[(BqIqIIN00//qIkTdIdVRV]1[/0kTqVeII零偏时的发射噪声（实际是热噪声）IN：大偏压时，I=-I0，发射噪声IN：上式是发射噪声的常用式子)35.5(20BqIIN)34.5(/4RkTBIN⑤低频噪声（1/f噪声）原因：光敏层的微粒不均匀或存在不必要的微量杂质；电流使微粒间产生微火花放电，引起的微电爆脉冲。主要在约1K以下的低频段，且与光调制频率f成反比，故称为1/f噪声、闪烁或低频噪声：k1比例因子，IB偏置电流，常数≈2,≈1降低噪声的方法：（1）探测器表面的缺陷或不均匀的影响很大，严格表面及电极的制作工艺；（2）限制调制频率不低于1千赫兹，也可有效防止。)36.5(1fBIkIBN⑥光电探测器中的噪声分布无光照时红外探测器的噪声谱，图5.9高频中频低频单位带宽噪声电流均方值对数logB主要是外光电效应器件，光子激射出的电子束包含有发射噪声和低频噪声：在无光照时，该发射噪声与半导体中的类似：I0是光阴极上的暗电流。暗电流与热电子发射、场致发射、阴阳极间漏电流等有关。低频噪声：也与频率近似为倒数关系（5.36式）。)37.5(20qBIIN（2）光致发射器件中的噪声（1）光谱响应（分布）基本参数，常用相对光谱（探测器的输出相对于输入光谱的归一化响应）来描述：对单位波长间隔、单位辐射功率或光子接收率的响应。实际是响应度随波长变化，峰值响应归一描述了工作波长范围：蓝限和红限一般光子探测器的光谱分3段：线性增长区、峰值区、急剧下降区相对输出波长λc5.1.3光电探测器的特性指标根据技术参数选用器件，使各器件性能匹配。（2）响应度R探测器输出信号（电流或电压）与输入光功率P的比值。单位：V/W或A/W。注意：R是直流时的测试值，定量描述输出电信号与输入光信号之间的关系，实际是光电转化的灵敏度HAIPIfTRHAVPVfTRssss,,（3）等效噪声功率（NEP）NEP定义：产生单位信噪比所需的入射光功率。信噪比SNR定义为nsuuSNR(电压信噪比)nsiiSNR(电流信噪比)NEP越小，探测微弱信号的能力越强；NEP是描述光电探测器探测能力的参数。1)SNR(NEPisisthPSNRPP噪声频谱很宽。为减小噪声，探测后的放大器为窄带通，其中心频率为