第四章-光电导材料及器件

第四章光电导材料及器件数码相机为什么能实现自动曝光？一、光电导型探测器光敏电阻光敏电阻结构示意图利用半导体光电导效应制成的器件称为光电导探测器，简称PC（Photoconductive）探测器－－又称为光敏电阻①光谱响应：紫外－－远红外②工作电流大，可达数毫安③可测强光，可测弱光④灵敏度高，光电导增益大于1⑤无极性光电导探测器的特点1.光电导探测器的定义及特点：平衡载流子浓度及其迁移率决定0暗电导率非平衡载流子注入产生附加电导率若∆σ由光照注入的非平衡载流子所产生时，称之为光电导率0能产生光电导效应的材料称为光电导体Ⅱ－Ⅵ、Ⅲ－V族化合物，硅、锗以及一些有机物等2、半导体材料的电导率pnepen光敏电阻演示当光敏电阻受到光照时，载流子浓度增加，电导率增大。暗电流（越小越好）暗态时pnep000en00000neen)()e(npnpnpnpeepppen)pnpne(3.光电导效应的分类按基本激发过程分类本征光电导探测器杂质光电导探测器光子能量大于半导体的禁带宽度，使电子从价带激发到导带而改变其电导率入射辐射激发杂质能级上的电子或空穴而改变其电导率1.极低温度下工作；2.常用N型EcEvEggEhggEEhc24.1ggcEEhc24.1为红限波长DEhAEh1、杂质吸收和光电导的长波限比本征吸收和光电导长波限要大得多杂质光电导与本征光电导比较2、杂质吸收和杂质光电导比本征吸收和本征光电导弱得多3、杂质光电导必须低温下工作以避免杂质中心的热电离并使暗电导保持低值4、本征光电导光的吸收深度可以浅得多，光电导的出现仅限于接近表面的薄层杂质光电导吸收深度大，必须把光电导样品做得比较厚5、本征光电导同时产生等量的自由电子和自由空穴，两者都对光电导作出贡献；杂质光电导来说，只激发一种自由载流子(电子或空穴)6、杂质光电导和本征光电导对光强的依从关系不同光电导器件材料禁带宽度（eV）光谱响应范围（nm）峰值波长（nm）硫化镉（CdS）2.45400～800515～550硒化镉（CdSe）1.74680～750720～730硫化铅（PbS）0.40500～30002000碲化铅（PbTe）0.31600～45002200硒化铅（PbSe）0.25700～58004000硅（Si）1.12450～1100850锗（Ge）0.66550～18001540锑化铟（InSb）0.16600～70005500砷化铟（InAs）0.331000～40003500常用光电导材料4.稳态本征光电导)1(RhE设样品均匀地受到总功率：E样品受照表面的反射系数：R量子效率：η1样品的厚度足够大，透过入射面的光全被吸收，吸收的光子数：样品中每秒钟内产生的总电子-空穴对数目)1(RhEQ稳态非平衡载流子数eeSRhEQN)1(ppSRhEQP)1(22SSgLeQLPNeppeepSe稳态光电导暗电导20000LPNeLAALPALNeLAgpepeddALnN00ALpP00QLeUgUIppeeSS2稳态光电流U：施加电压迁移率应该大平均寿命长量子效率大反射低长度应短2S)1(ILeUhERgUppeeSSI5.光电导灵敏度1)比灵敏度pS稳态光电导和电极之间距离平方的乘积除以入射的光功率ELUIELgSSSp22hReSp)1(22SSgLeQLPNeppeepSe见（3.稳态本征光电导）载流子寿命越高，比灵敏度就越高量子效率越高，比灵敏度就越高光电导增益比灵敏度相对光电导响应度2)光电导增益G一秒钟内每一个吸收的光子在两个电极之间所通过的载流子数目QeIGS)(2ppeeLUGQLeUgUIppeeSS2载流子迁移率和寿命越长，光电导增益就越大样品长度缩短也可以使光电导增益增大ULL2LG渡越时间吸收一个光子产生的载流子可以在电极之间多次通过，对光电导作出贡献pSLUG2比灵敏度和光电导增益之间的关系高灵敏度材料制成的器件光电导增益也高•如何提高G?选用平均寿命长、迁移率大的半导体材料；减少电极间距离；适当加大偏压参数选择合适时，M值可达102量级2LGU3)相对光电导——稳态光电导与暗电导之比dSdSpggK需规定测量时所用的光强度用高阻材料制成光敏电阻器或在低温下使用1）本征光电导探测器的响应度稳态情况下0pt02QppD分两种情况讨论不考虑载流子浓度梯度及表面复合考虑载流子浓度梯度及表面复合本征光电导稳态方程4)光电导探测器的响应度(a)不考虑载流子浓度梯度及表面复合不考虑载流子的浓度梯度探测器内各处载流子浓度是均匀的，即体激发率也是均匀的0)(2pD02QppD其解为Qp光生载流子浓度与体平均激发率成正比，与载流子寿命成正比02QppD光电导探测器的几何模型光电导探测器光生载流子的电流密度为EpenejpeEQeejpe对于本征光电导有：epbEQbeEQbejep111其中：故光生电流为EwdQbejwdIp1若无信号时的电阻(暗电阻)为Rd，则开路电压为lEQbewdlIIRVpd001探测器的响应度为dwhEbeRp011又：dhEQ)1(0故：ρ：反射率wEEQbewlEVPVRps000)1(对于本征光电导，其暗电阻率为000111pbep01wdphER故：p0:无信号照射时空穴的浓度P0由两部分构成：热激发和背景辐射产生的光生载流子btppp0bt0下标t：热激发下标b：背景辐射从而：wdhppERbt1讨论响应度与光生载流子寿命τ成正比响应度与无信号时的载流子浓度成反比响应度与外加电场成正比考虑到焦耳热，外加电场应有一个最佳值在满足αd﹥﹥1的条件下，减少探测器厚度也对提高响应度有利减少反射，镀增透膜也对提高响应度有利wdhppERbt1响应度与光电转换量子效率成正比(b)考虑载流子浓度梯度及表面复合体内的稳态方程02ppD0222LpdzpdL：载流子扩散长度DL2边界条件：pSdzpdDdzpSQdzpdDzvvs0LdchLDSLdshSLDLzdshSLzdchLDQpvvvs2222微分方程的解为：wdhEbeRp011响应度为：LdchLDSLdshSLDLLdchSLdshLDDvvv21222要提高器件的响应度应尽量降低表面复合速度SV并尽可能减少d提高载流子寿命τ降低无信号时的载流子浓度——低温、滤除杂散光适当提高外加电场成适当减少探测器厚度镀增透膜提高光电转换量子效率归纳：提高光电导探测器响应度的措施表面钝化处理、光电导层与衬底之间过渡层5.本征光电导的时间响应光电导的响应与光生载流子Δn（Δp）成正比pQtp1）上升情况0t0p时ttepeQp110光电导探测器的弛豫现象(或滞后现象)τ愈大，曲线上升愈慢2）下降情况ptp0t时0pptepp0τ愈大，曲线下降愈慢光电导灵敏度响应速度Qp06.杂质光电导探测器的性能分析入射红外辐射的光子能量比器件材料禁带宽度小时只能激发杂质能级中的电子或空穴，使其电导率发生变化利用杂质光电导制成的器件必须处于低温工作状态，以保证杂质能级上的电子或空穴基本上未电离，即处于束缚状态，从而有较高的暗电阻。杂质光电导材料的吸收系数仅在10-1~1cm-1在杂质光电导区，红外辐射要透入探测器很“深”的距离。当探测器厚度不太厚时，一部分红外辐射要透过红外探测器1）杂质光电导探测器的响应度以n型半导体为例DANNwdhEeednNnwhEeewlEVRdeeAde111100100ebtAbtnnNnnnwhER0010011d通常将de展开，并略去高次项①当探测器的工作温度尚未达到足够低时影响响应率的因素讨论热产生电子浓度n0t将大于背景辐射电子浓度n0betAtnNnwnhER0101结论：可降低工作温度使n0t和n1减小，以提高响应度00tbnn当温度下降到使及成立时1AnNebAbnNwnhER001温度降低到一定程度后，再降低温度，响应度也不会再提高了②在足够低的工作温度下，如果受主浓度NA远大于背景辐射产生的电子浓度，可以通过减小受主浓度来提高响应度αd1的条件下，响应度与厚度无关。通常大多是想办法通过多次全反射延长光信号在探测器中的路程以增强器件对信号的吸收7、光谱特性可见光区灵敏的几种光敏电阻在可见光区灵敏的几种光敏电阻的光谱特性曲线1-硫化镉单晶2-硫化镉多晶3-硒化镉多晶4-硫化镉与硒化镉混合多晶红外区灵敏的几种光敏电阻常用的光电导材料1）CdS光敏电阻CdS光敏电阻是最常见的光敏电阻，它的光谱响应特性最接近人眼光谱光视效率，它在可见光波段范围内的灵敏度最高，因此，被广泛地应用于灯光的自动控制，照相机的自动测光等。CdS光敏电阻的峰值响应波长为0.52μm，CdSe光敏电阻为0.72μm，一般调整S和Se的比例，可使Cd（S，Se）光敏电阻的峰值响应波长大致控制在0.52~0.72μm范围内。CdS光敏电阻的光敏面常为蛇形光敏面结构。2）PbS光敏电阻PbS光敏电阻是近红外波段最灵敏的光电导器件。特别是在2μm附近的红外辐射的探测灵敏度很高，因此，常用于火灾的探测等领域。PbS光敏电阻的光谱响应和比探测率等特性与工作温度有关，随着工作温度的降低其峰值响应波长和长波长将向长波方向延伸，且比探测率D*增加。例如，室温下的PbS光敏电阻的光谱响应范围为1~3.5μm，峰值波长为2.4μm，峰值比探测率D*高达1×1011cm·Hz·W-1。当温度降低到（195K）时，光谱响应范围为1~4μm，峰值响应波长移到2.8μm，峰值波长的比探测率D*也增高到2×1011cm·Hz·W-1。3）InSb光敏电阻InSb光敏电阻是3~5μm波段的主要探测器件之一。InSb材料不仅适用于制造单元探测器件，也适宜制造阵列红外探测器件。InSb光敏电阻在室温下的长波长可达7.5μm，峰值波长在6μm附近，比探测率D*约为1×1011cm·Hz·W-1。当温度降低到77K（液氮）时，其长波长由7.5μm缩短到5.5μm，峰值波长也将移至5μm，恰为大气的窗口范围，峰值比探测率D*升高到2×1011cm·Hz·W-1。4）Hg1-xCdxTe系列光电导探测器件Hg1-xCdxTe系列光电导探测器件是目前所有红外探测器中性能最优良最有前途的探测器件，尤其是对于4~8μm大气窗口波段辐射的探测更为重要。Hg1-xCdxTe系列光电导体是由HgTe和CdTe两种材料的晶体混合制造的，其中x标明Cd元素含量的组分。在制造混合晶体时选用不同Cd的组分x，可以得到不同的禁带宽度Eg，便可以制造出不同波长响应范围的