光辐射探测器

第三章光辐射探测器3.1光辐射探测器的理论基础﹡光热效应﹡光电效应3.2光热探测器3.3光电探测器光电导器件结型光电器件光电发射器件引言一.概念光辐射探测技术：把被调制的光信号转换成电信号并将信息提取出来的技术光探测过程可以形象地称为光频解调。光电探测器：对各种光辐射进行接收和探测的器件光电探测器光辐射量电量热探测器光子探测器光电倍增管二.历史:1873年:Smith,May:发现光电效应Simens:光电池1909年：Richtmeyer:奠定光电管的基础1933年：Zworkyn:发明光电摄像管1950年：Weimer:制出光导摄像管1970年：Boyle:发明CCD探测器件热电探测元件光子探测元件气体光电探测元件三、分类外光电效应内光电效应非放大型放大型光电导探测器光磁电探测器光生伏特探测器真空光电管充气光电管光电倍增管像增强器摄像管变像管本征型光敏电阻掺杂型红外探测器非放大放大型光电池光电二极管光电三极管光电场效应管雪崩型光电二极管3.1光辐射探测器的理论基础光辐射探测器的物理效应主要是光热效应和光电效应。3.1.1光热效应当光照射到理想的黑色吸收体上时，黑体将对所有波长的光能量全部吸收，并转换为热能，称为光热效应。热能增大，导致吸收体的物理、机械性能变化，如：温度、体积、电阻、热电动势等，通过测量这些变化可确定光能量或光功率的大小，这类器件统称为光热探测器。光热探测器对光辐射的响应有两个过程：•器件吸收光能量使自身温度发生变化•把温度变化转换为相应的电信号共性个性光热探测器的最大特点是：1、从紫外到40μm以上宽波段范围，其响应灵敏度与光波波长无关，原则上是对光波长无选择性探测器。2、受热时间常数的制约，响应速度较慢。应用：在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛用于对红外线辐射的探测。探测器遵从的热平衡方程：TGdtTdCtt)(设入射光的表达式为：)1(0tje代入热平衡方程，得到：000)(TGdtTdCtttjtteTGdtTdC0)(解得：tGT00器件的平均温升器件随频率ω的交变温升)(2/1220)1(tjtteGT式中，tttttRCGC是器件的热时间常数。)(tarctg表明器件温升滞后于辐射功率的变化。因此，光热探测器常用于低频调制辐照场合。设计时应尽力降低器件的热时间常数，主要是减少器件的热容量。3.1.2光电效应光电效应是物质在光的作用下释放出电子的物理现象。分为:光电导效应光伏效应光电发射效应3.1.2.1半导体中的载流子载流子:能参与导电的自由电子和自由空穴。载流子浓度:单位体积内的载流子数。I:iinpN:nnnpP:ppnp室温下DnNn（施主浓度）全电离时ApNp（受主浓度）一、热平衡状态下的载流子浓度由（1.26）式，kTEEfeEf/)(11)(]/)([kTEEcfceNn]/)([kTEEvvfeNp可得出：kTEvckTEEvcgvceNNeNNnp//)(上式表明：禁带愈小，温度升高，np就愈大，导电性愈好。在本征半导体中，kTEvciigeNNpn2/2/1)(2innp平衡态判据则有可得出，少子浓度：AipNnn2DinNnp2二、非平衡状态下的载流子半导体受光照、外电场作用，载流子浓度就要发生变化，这时半导体处于非平衡态。载流子浓度对于热平衡时浓度的增量，称为非平衡载流子。半导体材料吸收光子能量而转换成电能是光电器件工作的基础。1.半导体对光的吸收本征吸收gEhgEch或gccEchhc为长波限。杂质吸收h电离能gE半导体对光的吸收主要是本征吸收c2.光生载流子半导体受光照射而产生的非平衡载流子。pn约为1010cm-3;多子浓度约为31510cm少子浓度约为3410cm而热平衡时，可见，一切半导体光电器件对光的响应都是少子的行为。载流子的复合：电子-空穴对消失。只要有自由的电子和空穴，复合过程就存在。•直接复合•间接复合光生载流子的寿命—光生载流子的平均生存时间复合率：单位时间内载流子浓度减少量：n三、载流子的扩散与漂移1.扩散载流子因浓度不均匀而发生的定向运动。dxdnJnDnqDdxdpJpDpqD2.漂移载流子受电场作用所发生的运动。欧姆定律的微分形式EJ对于电子电流υJnqEυnnnq｝同理，对于空穴电流有ppq漂移电流密度矢量EJnnnqEJpppq3.1.2.2光电导效应半导体材料受光照,吸收光子引起载流子浓度增大，从而材料的电导率增大。一、稳态光电导与光电流暗态下LAGddLAUUGIddd亮态下LAGLAUGUI光电导LALAGGGddp)(光电流LAUUGGIIIddp)()(pndpnqALNnnALNpp)()(2ppnnpnpLqNULpnqAUI定义光电导增益)(2ppnnpLUqNIMpnppnnMMLULUM22ULLtnnn2电子在两极间的渡越时间nnntMppptM)11(pnpnpnttttMMMpn如果定义pnrttt111rtM则有以上分析，对光敏电阻的设计和选用很有指导意义。二、响应时间光电导张驰过程非平衡载流子的产生与复合都不是立即完成的，需要一定的时间。1.半导体材料受阶跃光照：受光时nGdtnd)(0nt=0时，)1(/teGn停光时ndtnd)(t=0时,Gn（光照下的稳态值）/tGen光电导张驰过程的时间常数就是载流子的寿命τ2.半导体材料受正弦型光照（即正弦调制光）:nGedtndti)(可得出tieiGn1202)(1)(1nGn当1021nn12cf21cfcf:dB3上限截止频率带宽光电导增益与带宽之积为一常数：1122crrMftt这一结论有一定的普遍性：它表示材料的光电灵敏度与频率带宽是相互制约的。3.1.2.3光伏效应光照射到半导体PN结上，光子在结区激发出电子-空穴对。P区、N区两端产生电位差—光电动势一、热平衡状态下的PN结由第一章已知，在热平衡状态下，由于自建场的作用，PN结能带发生弯曲。npDffpnccqUEEEE由式（3.7）、（3.8）可得出kTEEcppfpceNn/)(kTEEcnnfnceNn/)(DpnncpcqUnnkTEE)ln(在室温下，nDnN2/piAnnN2ln)ln(iDApnDnNNqkTnnqkTU得出在一定温度下，PN结两边的掺杂浓度愈高，材料的禁带愈宽，UD愈大。kTqUnpDenn/kTqUpnDepp/以上两式表明：PN结两边少数载流子与多数载流子之间的关系。热平衡状态下，PN结中漂移运动等于扩散运动，净电流为零。当在PN结两端外加电压U，使势垒高度由qUD变为q(UD–U)，引起多数载流子扩散时，少数载流子产生增量Δnp、Δpn，有关系式：kTUUqnppDennn/)(kTUUqpnnDeppp/)()1(/kTqUppenn)1(/kTqUnneppnnnDLnqDJpppDLpqDJ扩散电流密度)1(/kTqUpnnnDenLDqJ)1(/kTqUnpppDepLDqJ则流过PN结的电流密度为//0()(1)(1)pqUkTnnDpDpnnpqUkTDDJJJqnpeLLJePN结电流方程为)1(/0kTqUeIIPN结导电特性：0U正向偏置，电流随着电压的增加急剧上升。0U反向偏置，电流为反向饱和电流。0U热平衡状态，I=0二、光照下的PN结ghE产生电子-空穴对。在自建电场作用下，光电流Iφ的方向与I0相同。光照下PN结的电流方程为/00()qUkTIIeIIIS短路(RL→0)情况,U=0短路电流为scII光照下PN结的两个重要参量:开路(RL→∞)情况,I=0开路电压为0ln(1)ocIkTUqI3.1.2.4光电发射效应光照到某些金属或半导体材料上，若入射的光子能量足够大，致使电子从材料中逸出，称为光电发射效应，又称外光电效应。爱因斯坦定律Whme221当hν＝W，对应的光波长为阈值波长或长波限。WhchmaxWhcmaxseVh151013.4smc/10314)(24.1maxmW金属材料的电子逸出功W—从费米能级至真空能级的能量差。半导体材料的电子逸出功gAWEE良好的光电发射体，应该具备的基本条件：光吸收系数大；光电子逸出深度大；表面势垒低。金属光电发射的量子效率都很低,且大多数金属的光谱响应都在紫外或远紫外区。半导体光电发射的量子效率远高于金属：光电发射的过程是体积效应，表面能带弯曲降低了电子逸出功，特别是负电子亲和势材料(NEA)。P型Si的光电子需克服的有效亲和势为dAAeEEE2由于能级弯曲，使2AdEE这样就形成了负电子亲和势。正电子亲和势材料的阈值波长)(24.1maxmEEEEhcAgAg负电子亲和势材料的阈值波长)(24.1maxmEEhcgg从而光谱响应可扩展到可见、红外区。3.1.3光探测器的噪声光探测器在光照下输出的电流或电压信号是在平均值上下随机起伏，即含有噪声。2ni.2nu用均方噪声表示噪声值的大小。噪声的功率谱)(fN表示噪声功率随频率的变化关系。光探测器中固有噪声主要有：热噪声、散粒噪声、产生-复合噪声、1/f噪声、温度噪声。一、热噪声热噪声存在于任何导体与半导体中，是由于载流子的热运动而引起的随机起伏。RfkTin42fRkTun42热噪声属于白噪声，降低温度和通带，可减少噪声功率。二、散粒噪声在光子发射、电子发射、电子流中存在的随机起伏。fqIin22散粒噪声也属于白噪声。三、产生-复合噪声在半导体器件中，载流子不断地产生-复合，使得载流子浓度存在随机起伏。})2(1[42022fNfIin四、1/f噪声是一种低频噪声，几乎所有探测器中都存在。ffcIin2多数器件的1/f噪声在200～300Hz以上已衰减为很低水平。五、温度噪声在光热探测器中，由于器件本身吸收和传导等热交换引起的温度起伏。])2(1[4222ttnfGfkTt低频时tnGfkTt224也具有白噪声性质。光电探测器噪声功率谱综合示意图3.1.4光探测器的性能参数一、光电特性和光照特性光电流I,大小为微安级或毫安级。光电特性)(FI光照特性)(LFI线性度很重要。二、光谱特性)(IFI)(UFU光谱特性决定于光电器件的材料。光谱特性对选择光电器件和光源有重要意义，应尽量使二者的光谱特性匹配。光电器件的灵敏度（响应率）光谱灵敏度)()()(USU)()()(ISI积分灵敏度USUISI积分灵敏度不但与探测器有关，而且与采用的光源有关。三、等效噪声功率和探测率等效噪声功率NEP探测器的最小可探测功率（噪声功率水平）2/niINEP2/nuUNEP等效噪声功率越小，说明探测器本身的噪声水平低，探测器的性能越好。用探测率D作为探测器探测能力的指标:21nIiSNEPD探测率D表明探测器探测单位入射辐射功率时的信噪比，其值越大越好。归一化等效噪声功率为IdndSfAifANEPNEP2/122/1)()(归一化探测率为2/122/1)()(1fADiSfANEPDdnId*DT,f,f,在给出时