第4章-光电探测原理及器件

第4章光电探测原理及器件光电子技术基础厚德博学求实创新学习目标通过本章学习，掌握光电探测的基本物理效应、光电探测器及其性能参数、各种光电探测器件的基本结构、特性参数的相关知识，掌握直接探测系统和光频外差探测系统的性能，了解各种光电探测器件的实际应用，为光电探测器的选用和设计打下基础。学习要求熟悉光电探测的基本物理效应1掌握光电探测器及其性能参数2熟悉各种光电探测器件结构及特性3掌握直接探测系统和光频外差探测系统的性能44.1光电探测的基本物理效应光电探测器的基本物理效应通常分为两类：光子效应和光热效应。光子效应是指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应，光电探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光热效应指材料受光照射后，光子能量与晶格相互作用，振动加剧，温度升高，由于温度的变化而造成物质的电学特性变化。光子效应又可以细分为外光电效应和内光电效应；光热效应又可以细分为温差电效应和热释电效应。4.1.1外光电效应在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应，也称为光电发射效应。光电发射效应多发生于金属和金属氧化物，向外发射的电子称为光电子。基于光电发射效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。最重要的公式是爱因斯坦光电效应方程。外光电效应爱因斯坦光电效应方程式中：hv为单个光子的能量；m为电子质量；v0为电子逸出速度；A0为物体表面电子逸出功。可知，光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。20012hmvA不同的物质具有不同的逸出功，即每一种物质都有一个对应的光频阈值，称为红限频率（或截止频率。光电子发射的红限频率为对应的波长限为式中：c为真空中的光速，为产生光电子发射的入射光波的截止频率，为产生光电子发射的入射光波的截止波长。0cAh0chcAcc外光电效应讨论若入射光线频率低于红限频率（截止频率），光子能量不足以使物体内的电子逸出，即使光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比，即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。4.1.2内光电效应当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生变化，或产生光生电动势的现象称为内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类。1）光电导效应在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，从而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，使其由价带越过禁带跃入导带，材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即g1.24hchvE≥1）光电导效应材料的光导性能决定于禁带宽度Eg；对于一种光电导材料，同样存在一个照射光波长限，只有波长小于的光照射在光电导体上，才能产生电子能级间的跃迁，从而使光电导体的电导率增加。c•在热平衡下，多数载流子的扩散作用与少数载流子的漂移作用相抵消，没有净电流通过pn结。2）光生伏特效应•在入射光照射下，当光子能量hv大于光电导材料的禁带宽度Eg时，会在材料中激发出光生电子-空穴对，破坏结的平衡状态。在结区的光生电子和空穴以及新扩散进结区的电子和空穴，在结电场的作用下，电子向N区移动，空穴向P区移动，从而形成光生电流。•基于光生伏特效应的光电器件有光电池、光电二极管和光敏晶体管等。4.1.3光热效应的一般规律光热效应指材料受光照射后，光子能量与晶格相互作用，振动加剧，温度升高，由于温度的变化而造成物质的电学特性变化。利用光热效应的探测器有热敏电阻、热电偶、热电堆和热释电探测器等。1）温度变化方程热电器件在没有受到辐射作用的情况下，器件与环境温度处于平衡状态，其温度为。当辐射功率为的热辐射入射到器件表面时，令表面的吸收系数为，则器件吸收的热辐射功率为；其中一部分使器件的温度升高，另一部分补偿器件与环境的热交换所损失的能量。设单位时间器件的内能增量为，则有式中，称为热容，是表明内能的增量为温度变化的函数。0TeΦeΦiΦidTΦCdtC热传导方程为当时间时，第一项衰减到可以忽略的程度，温度的变化为正弦变化的函数。可见，热敏器件吸收交变辐射能所引起的温升与吸收系数成正比。减小热导是增高温升、提高灵敏度的好方法，但是热导与热时间常数成反比，提高温升将使器件的惯性增大，时间响应变坏。称为器件的热时间常数。Tt00GtCjtΦeΦeTtGjCGjCT2）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。如果将热电偶的冷端分开，并与一个电表相连接，则当光照射电偶接头时，电偶接头吸收光能，温度升高，电表就有一个相应的电流读数，其数值的大小间接反应光照的能量大小。这就是利用热电偶来探测光能的基本原理。3）热电导效应某些半导体材料吸收光辐射后温度升高，随着温度的升高电导率增大，即电阻下降。而有些金属材料，随着温度升高电阻升高，即电导率减小。把这些现象称为热电导效应。半导体材料具能带结构，吸收光后引起晶格振动加剧，即温度升高，使更多的电子被激发到导带，电导率增大。利用热电导效应的探测器有热敏电阻等。3）热电导效应a)半导体能带结构b)金属导体能带结构图4-5半导体和金属导体能带结构一般金属的能带结构外层无禁带，由于自由电子密度很大，以致外界光作用引起的自由电子密度的相对变化可以忽略不计。相反，吸收光以后，使晶格振动加剧，妨碍了自由电子做定向运动。因此，当光作用于金属材料使其温度升高的同时，其电阻还略有增加。即金属材料有正温度系数，而半导体材料有负温度持性。4）热释电效应热释电效应通过热释电材料来实现。热释电材料是一种电介质，本身是绝缘体，它是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)。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。值是温度的函数，温度升高，减小。热电体表面附近的自由电荷对面电荷的中和作用比较缓慢，在来不及中和前，热电体表面就会呈现出相应于温度变化的面电荷变化，即热释电现象。sPssPssPsP热释电系数若将热电体放入一个电容器的极板之间，并连接电流表，就会有电流流过电流表，称为短路热释电电流，若电容器极板面积为A，则短路热释电电流i为式中，，称为热释电系数。ssdPdPdTdTiAAAdtdTdtdtsdPdT热释电效应居里温度当温度T升高到某一数值Tc时,热释电效应自发极化突然消失,Tc值称为居里温度。4.1.4光电转换定律光辐射量转换为光电流量的过程称为光电转换。光通量即光功率，可以理解为光子流，光子能量hv是光能量E的函数。光电流是光生电荷Q的时变量，电荷e是光生电荷的基本单元，则式中，和分别为光子数和电子数，为统计平均量。基于基本物理学观点，一般认为i正比于P，则引入一个比例系数D，有D称为探测器的光电转换因子，定义，且称为探测器的量子效率，是探测器基本物理性质所决定的。PtdndEPthvdtdt光dndQitedtdt电n光n电itDPteDhvdndndtdt光电光电转换定律将D的定义式代回，有上式称为基本的光电转换定律，它表明：(1)光电探测器对入射功率有响应，响应量是光电流。因此，一个光子探测器可视为一个电流源。(2)因为光功率P正比于光电场的平方,故常常把光电探测器称为平方律探测器，或者说，光电探测器本质上是一个非线性器件。itDPt()()eitPthv4.2光电探测器的性能参数对应光电探测器按照探测原理也可以分为两大类，即光子探测型和热探测型。光子探测型光电探测器基于光电效应原理，即利用光子本身能量激发载流子。这类探测器有一定的截止波长，只能探测短于这一波长范围的光线，但它们响应速度快，灵敏度高，使用非常广泛。热探测型光电探测器基于光热效应的热探测型光电探测器吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是首先将光信号的能量变化转变为自身的温度变化，然后再依赖于器件的某种温度敏感特性将温度变化转变为相应的电信号。基于光热效应的热探测型探测器对波长没有选择性，只与接收到的光辐射总量有关。热探测型探测器在一些特殊场合具有非常重要的应用价值，尤其是远红外区。温度的上升是热积累的作用，所以光热效应的响应速度相对较慢，而且容易受到环境温度变化的影响。4.2.1光电探测器的响应特性１．响应度（R）响应度（R）也称灵敏度，是光电探测器输出信号与输入光功率之间关系的度量，用以描述光电探测器件的光电转换效率。响应度（R）随入射光波长变化而变化的，分为电压响应率和电流响应率。电压响应率指光电探测器件输出电压与入射光功率之比。电流响应率指光电探测器件输出电流与入射光功率之比。ouiuRPoiiIRP２．光谱响应度光谱响应度是指探测器在波长为λ的单色光照射下，输出电压或电流与入射的单色光功率之比，也称为光谱灵敏度。若光谱响应度为常数，则相应的探测器称为无选择性探测器，如光热探测器。而光子探测器的光谱响应度则不是常数，属于选择性探测器。光谱响应度的定义式在实际测量中是很困难的，通常使用相对光谱响应度来描述。３．积分响应度积分响应度是指检测器对各种波长光连续辐射量的反应程度，它是响应度对波长的连续积分。()()()oViVSP()()()oIiISP４．响应时间响应时间τ参数描述光电探测器对入射光响应快慢。上升时间是指入射光照射到光电探测器后，光电探测器输出上升到稳定值所需要的时间。下降时间是指入射光遮断后，光电探测器输出下降到稳定值所需要的时间。５．频率响应光电探测器的响应随入射光的调制频率而变化的特性称为频率响应．由于光电探测器信号产生和消失，存在着一个滞后过程，所以入射光的调制频率对光电探测器的响应会有较大的影响。光电探测器响应率与入射调制频率的关系为其中，为调制频率为f时的响应率；为调制频率为零时的响应率；为时间常数（），时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽。其中，为上限截止频率。021/2()[1(2)]SSff()Sf0SRC1122fRCc00021/2()0.707[1(1)]2SSSfSfc4.2.2光电探测器的噪声特性光电探测器常见的噪声有：热噪声，散粒噪声，产生-复合噪声，噪声。噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的。由于噪声总是与有用信号混在一起，因而影响对信号特别是微弱信号的正确探测。一个光电探测系统的极限探测能力往往受探测系统的噪声所限制。在精密测量、通信、自动控制等领域，减小和消除噪声是十分重要的问题。1f1.热噪声热噪声也称为约翰逊噪声，即载流子无规则的热运动造成的噪声。导体或半导体中每一电子都携带着电子电量作随机运动(相当于微电脉冲)，尽管其平均值为零，但瞬时电流扰动在导体两端会产生一个均方根电压，称为热噪声电压。热噪声存在于任何电阻中，热噪声与温度成正比，与频率无关，因此热噪声又称为白噪声。2.散粒噪声入射到光探测器表面的光子是随机的，光电子从光电阴极表面逸出是随机的，PN结中通过结区的载流子数也是随机的，由此造成散粒噪声。散粒噪声也是白噪声，与频率无关。散粒噪声是光电探测器的固有特性，例如光伏器件的PN结势垒是产生散粒噪声的主要原因。对大多数光电探测器的研究表明：散粒噪声具有支配地位。3.产生-复合噪声半导体受光照，载流子不断产生-复合。在平衡状态时，在载流子产生和复合的平均数是一定的，但在某一