第四章光電探測器

1、光電探測器光電探測器光電探測器通常分為光電探測器通常分為2類類: (1)光子探測器（利用各種光子效應）；（光子探測器（利用各種光子效應）；（2）熱探）熱探測器（利用溫度變化效應）。測器（利用溫度變化效應）。光子效應光子效應：光電子發(fā)射、光電導、光生伏特、光電磁等。：光電子發(fā)射、光電導、光生伏特、光電磁等。光熱效應：光熱效應：溫差電、電阻率變化、自發(fā)極化強度變化、氣體體積和壓強變化溫差電、電阻率變化、自發(fā)極化強度變化、氣體體積和壓強變化等。等?；诠怆娮影l(fā)射效應的器件在吸收了大于紅外波長的光子能量以后，器件材基于光電子發(fā)射效應的器件在吸收了大于紅外波長的光子能量以后，器件材料中的電子能逸出材料表

2、面，這各種器件稱為料中的電子能逸出材料表面，這各種器件稱為外光電效應外光電效應器件。器件。基于光電導、光伏特和光電磁效應的器件，在吸收了大于紅外波長的光子能基于光電導、光伏特和光電磁效應的器件，在吸收了大于紅外波長的光子能量以后，器件材料中出現(xiàn)光生自由電子和空穴，這種器件稱為量以后，器件材料中出現(xiàn)光生自由電子和空穴，這種器件稱為內(nèi)光電效應內(nèi)光電效應器器件。件。光電子發(fā)射探測器：光電子發(fā)射探測器：應用光電子發(fā)射效應制成的光電探測器稱為光電子發(fā)射探測器。應用光電子發(fā)射效應制成的光電探測器稱為光電子發(fā)射探測器。 在光電子發(fā)射探測器中，入射輻射的作用是使電子從光電陰極表面在光電子發(fā)射探測器中，入射輻射

3、的作用是使電子從光電陰極表面發(fā)射到周圍的空間中，即產(chǎn)生光電子發(fā)射。產(chǎn)生光電子發(fā)射所需光發(fā)射到周圍的空間中，即產(chǎn)生光電子發(fā)射。產(chǎn)生光電子發(fā)射所需光電能量取決于光電陰極的逸出功。光電子發(fā)射的能量轉換公式為電能量取決于光電陰極的逸出功。光電子發(fā)射的能量轉換公式為 為使價帶中的電子能躍遷到導帶上，必須使入射光子的能量大于禁為使價帶中的電子能躍遷到導帶上，必須使入射光子的能量大于禁帶寬度帶寬度Eg，即，即 使材料具有光電發(fā)射的截止波長使材料具有光電發(fā)射的截止波長c2012hmV1 .2 4,gcggh ch cmEEE即1 .2 4()ch cm1.光電倍增管的工作原理光電倍增管的工作原理 下圖是光電倍

4、增管的工作原理圖。圖中下圖是光電倍增管的工作原理圖。圖中K為光電發(fā)射陰極，為光電發(fā)射陰極，D為聚焦為聚焦板，板，D1D10為倍增極（或打拿極），為倍增極（或打拿極），A為收集電子的陽極。倍增極間為收集電子的陽極。倍增極間的電壓逐級增加，極間電壓約為的電壓逐級增加，極間電壓約為80150V。2光電倍增管的性能光電倍增管的性能 光電倍增管的性能主要由陰極和倍增極以及極間電壓決定。負光電倍增管的性能主要由陰極和倍增極以及極間電壓決定。負電子親和勢材料是目前最好的光電陰極材料。倍增極二次電子電子親和勢材料是目前最好的光電陰極材料。倍增極二次電子發(fā)射特性用二次系數(shù)發(fā)射特性用二次系數(shù)描述，即描述，即 如果

5、倍增極的總數(shù)為如果倍增極的總數(shù)為n，且各級性能相同，考慮到電子的傳輸損失，且各級性能相同，考慮到電子的傳輸損失，則光電倍增管的電流增益則光電倍增管的電流增益M為為1nnnNNnAKMfigif為第一倍增極對陰極發(fā)射電子的收集率；g為各倍增極之間的電子傳遞效率，良好的電子光學設計可始f、g值在0.9以上。n和值愈大，M值就愈高，但過多的倍增極不僅使倍增管加長，而且使電子渡越效應變得嚴重，從而嚴重影響倍增管的頻率特性和噪聲特性。值主要取決于倍增極材料和極間電壓光電導探測器光電導探測器下圖為光敏電阻（以非本征下圖為光敏電阻（以非本征n型半導體為例）分析模型型半導體為例）分析模型1.光電轉換規(guī)律光電轉

6、換規(guī)律 圖中圖中V表示外加偏置電壓，表示外加偏置電壓，l、b和和d分別表示分別表示n型半導體型半導體的的三維三維尺寸，光功率尺寸，光功率P在在x方向均勻入射，假定光電導材料的吸收系數(shù)方向均勻入射，假定光電導材料的吸收系數(shù)為為，表面反射率為，表面反射率為R，則光功率在材料內(nèi)部沿，則光功率在材料內(nèi)部沿x方向的變化規(guī)方向的變化規(guī)律為律為 相應的光生面電流密度相應的光生面電流密度j（x）為）為 式中式中e為電子電荷，為電子電荷，v為電子在外電場方向的漂移速度，為電子在外電場方向的漂移速度，n（x）為在為在x處的電子密度。流過電極的總電流為處的電子密度。流過電極的總電流為 1xP xPRe j xevn

7、 x 00ddij x bdxevbn x dx 2.光電導探測電路光電導探測電路 典型的光電探測器在電路中的連接如下圖所示。典型的光電探測器在電路中的連接如下圖所示。 電路中的參數(shù)Vb和RL均會影響輸出信號的電壓值，那么，如何選擇Vb和RL？從圖可見，負載電阻從圖可見，負載電阻RL兩端的直流壓降為兩端的直流壓降為當光輻射照到探測器上時，探測器電阻當光輻射照到探測器上時，探測器電阻Rd就發(fā)生變化，負載就發(fā)生變化，負載電阻電阻RL兩端壓降也就發(fā)生變化，這個電壓的變化量就是信號兩端壓降也就發(fā)生變化，這個電壓的變化量就是信號電壓電壓VsLLbLdRRVVRR2LLddsbdRLdVRVVRRRRR2

8、12dsbLLdLLdVVRRRRRRR 當上式等于0時，有RLRd，信號電壓為極大值。從上圖可見，在偏壓從上圖可見，在偏壓Vb作用下，通過探測器電流作用下，通過探測器電流I為為在探測器上消耗的功率在探測器上消耗的功率P為為經(jīng)驗數(shù)據(jù)探測器的功耗不應超過經(jīng)驗數(shù)據(jù)探測器的功耗不應超過0.1W/cm2，若探測，若探測器的面積為器的面積為Ad，則消耗功率不應超過，則消耗功率不應超過0.1Ad，與最大允，與最大允許電壓關系為許電壓關系為：bLdIVRR2dPIR2max20.1bddLdVARRR12max20.1bLdddRRVARVb,max并不是最佳偏壓。信號、噪聲電壓隨偏流變化圖信號、噪聲電壓隨

9、偏流變化圖3.幾種典型的光電導探測器簡介幾種典型的光電導探測器簡介 光電導探測器按晶體結構可分為多晶和單晶兩類。多晶類多是薄膜型器件，光電導探測器按晶體結構可分為多晶和單晶兩類。多晶類多是薄膜型器件，如如PbS、PbSe、PbTe等，單晶類中常見的有銻化銦（等，單晶類中常見的有銻化銦（InSb）、碲鎘汞（）、碲鎘汞（HgCdTe）、碲錫鉛和摻雜型幾種。）、碲錫鉛和摻雜型幾種。CdS和和CdSe。這是兩種造價低的可見光輻射探測器（。這是兩種造價低的可見光輻射探測器（CdS：0.30.8m，CdSe：0.30.9m）。它們的主要特）。它們的主要特點是高可靠性和長壽命，因而廣泛用于自動化技術中。點是

10、高可靠性和長壽命，因而廣泛用于自動化技術中。PbS。這是一種性能優(yōu)良的近紅外輻射探測器，是在室溫條件下探測靈敏度最高的一種紅外探測器，室溫下的。這是一種性能優(yōu)良的近紅外輻射探測器，是在室溫條件下探測靈敏度最高的一種紅外探測器，室溫下的禁帶寬度為禁帶寬度為0.37eV，相應的長波限為，相應的長波限為3m。PbTe。在常溫下對。在常溫下對4m以內(nèi)的紅外光靈敏，冷卻到以內(nèi)的紅外光靈敏，冷卻到90K，可在，可在5m范圍內(nèi)使用。響應時間約為范圍內(nèi)使用。響應時間約為104105s。InSb。這也是一種良好的近紅外（峰值波長約為。這也是一種良好的近紅外（峰值波長約為6m）輻射探測器。）輻射探測器。HgCdT

11、e探測器。探測器。HgCdTe是由半導體是由半導體CdTe和半金屬和半金屬HgTe采用半導體合金法混合而成的合金系統(tǒng)。采用半導體合金法混合而成的合金系統(tǒng)。不同工作溫度下不同工作溫度下InSb光電導探測器的光譜特性光電導探測器的光譜特性探測率定義為等效噪聲功率的倒數(shù)。當信號電流或者電壓與噪聲的均方根電流（或均方根電壓）相等時，對應的入射輻通量e叫做等效噪聲功率為了提高信噪比，英國首先為了提高信噪比，英國首先研研制成制成 掃積型掃積型HgCdTe探測器探測器，如如圖。它是由若干小的方形圖。它是由若干小的方形單單元元探測器排列成的線陣探測器探測器排列成的線陣探測器，當當目標的紅外像點沿長條目標的紅外

12、像點沿長條方向方向掃掃過時，外加電場驅使光生過時，外加電場驅使光生載載流流子也沿光點掃描方向遷移子也沿光點掃描方向遷移，并并使遷移速度與像點掃描使遷移速度與像點掃描速度速度同步同步，這樣可使信號積累（，這樣可使信號積累（積積分分輸出）。若此掃積探測器輸出）。若此掃積探測器由由n個單元組成，信號將是個單元組成，信號將是單元單元探測器探測器輸出的輸出的n倍，但由于倍，但由于噪噪聲聲的非相關性，噪聲只會的非相關性，噪聲只會增加增加根號根號n倍，因此信噪比可倍，因此信噪比可提高提高n1/2倍。倍。（6）摻雜型光電導探測器。主要是以鍺（）摻雜型光電導探測器。主要是以鍺（Ge）為主體材料摻有其它雜質(zhì)的雜質(zhì)

13、）為主體材料摻有其它雜質(zhì)的雜質(zhì)半導體。它們主要用于半導體。它們主要用于814m長波段內(nèi)。長波段內(nèi)。 下圖為摻雜下圖為摻雜型光電導探測器的光譜特性型光電導探測器的光譜特性表表45 幾種光電導探測器的典型特性幾種光電導探測器的典型特性4.3.3 光伏探測器光伏探測器利用利用PN結的光伏效應而制作的光電探測器稱為光伏探測器。與光電導探測器不同結的光伏效應而制作的光電探測器稱為光伏探測器。與光電導探測器不同，光光伏探測器的工作特性要復雜些，伏探測器的工作特性要復雜些，PN結受光照射時，即使沒有外加偏壓，結受光照射時，即使沒有外加偏壓，PN結結自身自身也會產(chǎn)生一個開路電壓，這時如果將也會產(chǎn)生一個開路電壓

14、，這時如果將PN結兩端短接，便有短路電流通過回路結兩端短接，便有短路電流通過回路。因此利用光因此利用光生伏特效應制成的結型器件有光電池和光電二極管之分，而光電生伏特效應制成的結型器件有光電池和光電二極管之分，而光電二二極管極管又有兩種工作模式，光電導和光伏式，它們由外偏壓電路決定。又有兩種工作模式，光電導和光伏式，它們由外偏壓電路決定。1.兩種工作模式兩種工作模式 一個一個PN結光伏探測器用圖結光伏探測器用圖442（a）中的符號表示，它等效為一個普通二極管）中的符號表示，它等效為一個普通二極管和和一一個恒流源（光電流源）的并聯(lián)，如圖個恒流源（光電流源）的并聯(lián)，如圖442（b）所示。在零偏壓時（

15、圖）所示。在零偏壓時（圖442（c），稱為光伏工作模式。當外回路采用反偏壓），稱為光伏工作模式。當外回路采用反偏壓V時（圖時（圖442（d），即外加），即外加p端端為負，為負，n端為正的電壓時，稱為光導工作模式。端為正的電壓時，稱為光導工作模式。圖圖442 光伏探測器及其工作模式示意圖光伏探測器及其工作模式示意圖普通二極管的伏安特性為普通二極管的伏安特性為式中，式中，iS為反向飽和電流，為反向飽和電流，u是探測器兩端電壓，是探測器兩端電壓，e是電子電荷，因而光伏是電子電荷，因而光伏探探測測器的總電流器的總電流i為為式中式中i為光電流。光伏探測器的伏安特性如圖為光電流。光伏探測器的伏安特性如圖4

16、43所示。由圖可見第一所示。由圖可見第一象象限限是正偏壓狀態(tài)，是正偏壓狀態(tài)，iD本來很大，所以光電流本來很大，所以光電流i不起重要作用，因此在這一不起重要作用，因此在這一區(qū)區(qū)域域工作沒有意義。第三象限是反偏壓狀態(tài)，這時工作沒有意義。第三象限是反偏壓狀態(tài)，這時iD-iS，它對應于光，它對應于光功率功率P=0時二極管的反向飽和電流，稱為暗電流，其數(shù)值很小，光電流時二極管的反向飽和電流，稱為暗電流，其數(shù)值很小，光電流ii-is。由于由于這種情況的外回路特性與光電導探測器十分相似，所以反偏壓下的這種情況的外回路特性與光電導探測器十分相似，所以反偏壓下的工工作作方式稱為光導模式。方式稱為光導模式。第四象

17、限中，外偏壓為零，當負載電阻比較小時，第四象限中，外偏壓為零，當負載電阻比較小時，RL3的負載線接近于的負載線接近于理想理想的的垂直負載線，這是，輸出光電流正比于入射功率，這種狀態(tài)工作模式垂直負載線，這是，輸出光電流正比于入射功率，這種狀態(tài)工作模式叫叫光光伏模式。伏模式。/1euK TDsiie1eu KTDsii i i ei 圖圖443 光伏探測器的伏安特性光伏探測器的伏安特性2兩種工作模式的比較兩種工作模式的比較 光導模式工作時，光電二極管加反偏壓，可以大大提高器件的頻率特性光導模式工作時，光電二極管加反偏壓，可以大大提高器件的頻率特性。此外此外反偏壓可增加長波端靈敏度及擴展線性區(qū)上限。

18、但反偏產(chǎn)生的暗反偏壓可增加長波端靈敏度及擴展線性區(qū)上限。但反偏產(chǎn)生的暗電電流流引起較大的散粒噪聲，且頻率低于引起較大的散粒噪聲，且頻率低于1KHz時還有時還有1/f噪聲，這又限制噪聲，這又限制了了探測探測能力的下限。能力的下限。 因光伏式二極管無偏壓工作，故暗電流造成的散粒噪聲小，且無因光伏式二極管無偏壓工作，故暗電流造成的散粒噪聲小，且無1/f噪噪聲聲，有高得多的信噪比。光伏式二極管主要應用于超低噪聲、低頻及，有高得多的信噪比。光伏式二極管主要應用于超低噪聲、低頻及儀儀器器方面。光導式二級管則主要用來探測高速光脈沖和高頻調(diào)制光。方面。光導式二級管則主要用來探測高速光脈沖和高頻調(diào)制光。3.光譜

19、響應和頻率特性光譜響應和頻率特性 光電二極管都有一定的光譜響應范圍，圖光電二極管都有一定的光譜響應范圍，圖444給給出了出了Si光電二極管的光譜響應曲線光電二極管的光譜響應曲線。高頻。高頻計算的簡化等效電路如圖計算的簡化等效電路如圖4-45（b）所示，其截止頻率）所示，其截止頻率fc為為通常又定義電路的時間常數(shù)通常又定義電路的時間常數(shù)c為為12cLjfCR2.20.35 /LcjcfCR圖圖444 Si光電二極管光譜響應曲線光電二極管光譜響應曲線12cLjfR C2.2LcjCR圖圖445 光電二極管的高頻等效短路光電二極管的高頻等效短路截至頻率：電路的時間常數(shù)：c2.2RLCj12cLjfR

20、 C 4常用的光伏探測器簡介常用的光伏探測器簡介(1) 硅光電池。也稱太陽電池或光伏電池。工作在圖硅光電池。也稱太陽電池或光伏電池。工作在圖443所示的第四象限。價格便宜，光電轉所示的第四象限。價格便宜，光電轉換效率高，光譜響應寬，頻率特性好，壽命長，穩(wěn)定性好，耐高能輻射，適合近紅外探測。換效率高，光譜響應寬，頻率特性好，壽命長，穩(wěn)定性好，耐高能輻射，適合近紅外探測。 （2）PIN 硅光電二極管。從前面光電二極管的討論中可知，載流子的擴散時間和電路時間常數(shù)硅光電二極管。從前面光電二極管的討論中可知，載流子的擴散時間和電路時間常數(shù)大約同數(shù)量級，是決定光電二極管響應速度的主要因素。為了改善頻率特性

21、，就得設法減大約同數(shù)量級，是決定光電二極管響應速度的主要因素。為了改善頻率特性，就得設法減小載流子擴散時間和結電容，于是人們提出加一層中間本征層。小載流子擴散時間和結電容，于是人們提出加一層中間本征層。 （3）異質(zhì)結光電二極管。異質(zhì)結是由兩種不同的半導材料形成的）異質(zhì)結光電二極管。異質(zhì)結是由兩種不同的半導材料形成的P一一N結。結。P一一N結兩邊是由不結兩邊是由不同的基質(zhì)材料形成的，兩邊的禁帶寬度不同。通常以禁帶寬度大的一邊作為光照面，能量同的基質(zhì)材料形成的，兩邊的禁帶寬度不同。通常以禁帶寬度大的一邊作為光照面，能量大于寬禁帶的光子被寬禁帶材料吸收，產(chǎn)生電子空穴對。如果光照面材料的厚度大于載大于

22、寬禁帶的光子被寬禁帶材料吸收，產(chǎn)生電子空穴對。如果光照面材料的厚度大于載流子的擴散長度，則光生載流子達不到結區(qū)，對光電信號無貢獻。而能量小于寬禁帶的長流子的擴散長度，則光生載流子達不到結區(qū)，對光電信號無貢獻。而能量小于寬禁帶的長波載流子卻能順利到達結區(qū)，被窄禁帶材料吸收，產(chǎn)生光電信號。波載流子卻能順利到達結區(qū)，被窄禁帶材料吸收，產(chǎn)生光電信號。 （4）雪崩光電極管（）雪崩光電極管（APD）。以上討論的光電二極管都是沒有內(nèi)部增益的，即增益）。以上討論的光電二極管都是沒有內(nèi)部增益的，即增益。這里。這里討論的雪崩二極管是有內(nèi)部增益的，增益可達討論的雪崩二極管是有內(nèi)部增益的，增益可達102104。它是利

23、用雪崩管在高的反向偏壓下。它是利用雪崩管在高的反向偏壓下發(fā)生雪崩倍增效應而制成的光電探測器。發(fā)生雪崩倍增效應而制成的光電探測器。 光電流增益的大小用倍增因子光電流增益的大小用倍增因子M表示。實驗表明，表示。實驗表明，M隨反向偏壓隨反向偏壓V的變的變化化可用如下可用如下的經(jīng)驗公式近似表示的經(jīng)驗公式近似表示APD的噪聲主要是散粒噪聲預熱噪聲，噪聲電流有效值可寫為的噪聲主要是散粒噪聲預熱噪聲，噪聲電流有效值可寫為11nBVMV1 2242nsbDeqKTfIeM FfRiii21111MFMrM r是電子和空穴電離概率VB為擊穿電壓，n為與材料有關的常數(shù)（5）Schottky勢壘光電二極管。這是一種

24、由金屬和半導體接觸所制成的勢壘光電二極管。這是一種由金屬和半導體接觸所制成的光電二極管，所以這種光電二極管也稱為金屬半導體光電二極管。光電二極管，所以這種光電二極管也稱為金屬半導體光電二極管。 要求反偏壓工作，光從金屬一側入射。為使透光性好，金屬是用真要求反偏壓工作，光從金屬一側入射。為使透光性好，金屬是用真空鍍膜技術制成的金屬膜，厚度只有幾十埃?？斟兡ぜ夹g制成的金屬膜，厚度只有幾十埃。(6) 光電三極管。光電三極管具有內(nèi)增益，但獲得內(nèi)增益的途徑不是雪光電三極管。光電三極管具有內(nèi)增益，但獲得內(nèi)增益的途徑不是雪崩效應，而是利用一般晶體管的電流放大原理。崩效應，而是利用一般晶體管的電流放大原理。

25、工作原理：工作原理：基區(qū)和集電區(qū)處于反向偏壓狀態(tài)，內(nèi)建電場從集電區(qū)指基區(qū)和集電區(qū)處于反向偏壓狀態(tài)，內(nèi)建電場從集電區(qū)指向基區(qū)。光照基區(qū)，產(chǎn)生電子空穴對，光生電子在內(nèi)電場作用下向基區(qū)。光照基區(qū)，產(chǎn)生電子空穴對，光生電子在內(nèi)電場作用下漂移到集電區(qū)，空穴留在基區(qū)，使基區(qū)電位升高，這相當于漂移到集電區(qū)，空穴留在基區(qū)，使基區(qū)電位升高，這相當于EB結上結上加了個正偏壓，基極電位升高，發(fā)射極便有大量電子經(jīng)基極流向集加了個正偏壓，基極電位升高，發(fā)射極便有大量電子經(jīng)基極流向集電極，最后形成光電流。光電流隨光照強弱而變化。電極，最后形成光電流。光電流隨光照強弱而變化。(7) InSb光伏探測器。光伏探測器。InSb

26、材料既可作光電導探測器，也可制成材料既可作光電導探測器，也可制成PN結光伏探測器。常以結光伏探測器。常以P型層表面作型層表面作光照面，產(chǎn)生的少數(shù)載流子是電子，具有較大的遷移率和擴散長度，這樣可以使大多數(shù)的光生少光照面，產(chǎn)生的少數(shù)載流子是電子，具有較大的遷移率和擴散長度，這樣可以使大多數(shù)的光生少數(shù)載流子擴散到數(shù)載流子擴散到PN結而形成光生電動勢，因而可使靈敏度較高。是在結而形成光生電動勢，因而可使靈敏度較高。是在35um波段內(nèi)常用的高性能波段內(nèi)常用的高性能紅外探測器。紅外探測器。（8）HGCdTe光伏探測器。近光伏探測器。近20年來在紅外探測器方面最卓越約成績是年來在紅外探測器方面最卓越約成績是

27、HgCdTe探測器的研制成功及投探測器的研制成功及投入使用。和光電導型入使用。和光電導型HgCdTe一樣，可采用半導體合金法將化合物一樣，可采用半導體合金法將化合物CdTe和和HgTe合成合成Hg1xCdxTe合金。合金。若在若在P型型HgCdTe中將中將Hg擴散進去，表面將形成擴散進去，表面將形成N型層，從而構成型層，從而構成PN結，改變組份結，改變組份x就可以改變就可以改變HgCdTe探測器的工作波段。探測器的工作波段。（9）長波長紅外焦平面陣列。隨著軍事和遙感遙測科學的發(fā)展，對由大量單元紅外探測器構成的高密）長波長紅外焦平面陣列。隨著軍事和遙感遙測科學的發(fā)展，對由大量單元紅外探測器構成的

28、高密度焦平面陣列的要求日益迫切，尤其使度焦平面陣列的要求日益迫切，尤其使814m的長波長紅外波段的探測器對接近景物的目標最的長波長紅外波段的探測器對接近景物的目標最為敏感，因此一直是紅外焦平面陣列研究的主要方向之一。為敏感，因此一直是紅外焦平面陣列研究的主要方向之一。 期望能利用成熟的工藝制作、波長可期望能利用成熟的工藝制作、波長可調(diào)，并可將探測器與信號處理及讀出電路集成在同一芯片上的大面積長波紅外焦平面陣列。此概調(diào)，并可將探測器與信號處理及讀出電路集成在同一芯片上的大面積長波紅外焦平面陣列。此概念念20世紀世紀70年代提出，年代提出，80年代分子束外延和金屬有機化學汽相淀積等工藝的發(fā)展，才成

29、功地生長年代分子束外延和金屬有機化學汽相淀積等工藝的發(fā)展，才成功地生長出能制作長波紅外探測器所必須的異質(zhì)結出能制作長波紅外探測器所必須的異質(zhì)結GexSi1-x/Si等偽合金及等偽合金及GexSi1-x-GexSi1-x/Si異質(zhì)結內(nèi)光發(fā)射的長波紅外探測器陣列。異質(zhì)結內(nèi)光發(fā)射的長波紅外探測器陣列。 4.3.4 其它光子探測器簡介其它光子探測器簡介光子牽引探測器光子牽引探測器 光子牽引探測器是一種非勢壘光伏效應探測器。它光子牽引探測器是一種非勢壘光伏效應探測器。它和和HgCdTe光電二極管一樣適用于光電二極管一樣適用于1.06m的激光波長探測。但是的激光波長探測。但是HgCdTe光光電電二極管只能

30、在微弱光信號下使用，而光子牽引探測器則適用于強光二極管只能在微弱光信號下使用，而光子牽引探測器則適用于強光探探測測。因此它廣泛用于。因此它廣泛用于CO2脈沖激光器輸出的探測。脈沖激光器輸出的探測。P型鍺的光子牽引探測器示意圖型鍺的光子牽引探測器示意圖這種探測器的優(yōu)點是響應快，可在損傷閾值高及室溫下工作，不需要電源。缺點是靈敏度低，典型器件的單位帶寬等效噪聲功率為103W，只有在強光下才能使用。光電磁探測器光電磁探測器 如圖如圖448所示，將半導體置于強磁場中，當半導體表面受到光輻射所示，將半導體置于強磁場中，當半導體表面受到光輻射照照射射時，在表面產(chǎn)生電子空穴對，并且濃度逐漸增大，電子和空穴便

31、時，在表面產(chǎn)生電子空穴對，并且濃度逐漸增大，電子和空穴便向向體內(nèi)體內(nèi)擴散，在擴散過程中，受到強磁場的洛倫茲力的作用，使空穴和擴散，在擴散過程中，受到強磁場的洛倫茲力的作用，使空穴和電電子子的偏轉方向相反，從而在半導體內(nèi)產(chǎn)生一個電場，阻礙著電子和空穴的偏轉方向相反，從而在半導體內(nèi)產(chǎn)生一個電場，阻礙著電子和空穴的的繼續(xù)繼續(xù)偏轉，如果這時將半導體兩端短路，則產(chǎn)生短路電流；開路時，則偏轉，如果這時將半導體兩端短路，則產(chǎn)生短路電流；開路時，則有有開路電壓開路電壓。這種現(xiàn)象叫做光電磁效應。利用這種效應制成的光電探測器。這種現(xiàn)象叫做光電磁效應。利用這種效應制成的光電探測器叫叫做做光電磁探測器（光電磁探測器（

32、PME器件）。器件）。圖圖448 光電磁效應光電磁效應圖圖449 PbPbOPb隧道結的伏安特性曲線隧道結的伏安特性曲線3.Josephson結探測器結探測器 在兩超導薄膜之間被一層（厚約10）電介質(zhì)隔開，這種結構稱為Jesephson結，或超導隧道結。若通過隧道結的電流小于某一臨界值，在結上沒有電位降，則在隧道結的伏安特性曲線中存在一個零電壓的電流。若通過隧道結的電流超過這個臨界值，在結上將產(chǎn)生電位降，這時在伏安特性曲線中，將沿著測量負載線跳到正常電子隧道的曲線上，如圖449所示。這種在隧道結中有隧道電流通過而不產(chǎn)生電位降的現(xiàn)象，稱之為直流Josephson效應。若在隧道結上維持一個有限的電

33、位降若在隧道結上維持一個有限的電位降V，在隧道結兩超導體，在隧道結兩超導體之間將有一個頻率為之間將有一個頻率為f的交流電流通過，頻率的交流電流通過，頻率f和電壓和電壓V之之間有下述關系間有下述關系 若隧道結受到光輻射照射時，在一系列分立的電壓值上可若隧道結受到光輻射照射時，在一系列分立的電壓值上可以感應出額外的直流電流，則在隧道結的直流伏安特性以感應出額外的直流電流，則在隧道結的直流伏安特性曲線上，出現(xiàn)常電壓電流階梯現(xiàn)象。階梯處的電壓曲線上，出現(xiàn)常電壓電流階梯現(xiàn)象。階梯處的電壓Vn和外加輻照信號頻率和外加輻照信號頻率f的關系為的關系為2/feh V2/nnfehVn為階梯級數(shù)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原

34、因是，由于隧道結受到輻射照射時，在結上可以感應出交流電壓，而這交流電壓反過來對結上的Josephson電流進行調(diào)制，從而產(chǎn)生許多使電流增大的邊帶。利用Josephson結效應可以研制出從射頻到遠紅外的寬廣頻率范圍內(nèi)、靈敏度為皮瓦的探測器。在射電天文、毫米波通信等方面有實際應用。E為電子電荷，h為普朗克常數(shù)4.4 熱探測器熱探測器熱探測器對輻射的響應和光子探測器不同。它基于材料吸收了光輻射熱探測器對輻射的響應和光子探測器不同。它基于材料吸收了光輻射能能量量以后溫度升高的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象稱為光熱效應，光熱效應的特點是以后溫度升高的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象稱為光熱效應，光熱效應的特點是入射光入射光輻射輻射與物質(zhì)

35、中的晶格相互作用，晶格因吸收光能而增加振動能量，這與與物質(zhì)中的晶格相互作用，晶格因吸收光能而增加振動能量，這與光子光子將將能量直接轉移給電子的光電效應有本質(zhì)的不同。光熱效應與入射的光子能量直接轉移給電子的光電效應有本質(zhì)的不同。光熱效應與入射的光子的的性質(zhì)性質(zhì)沒有關系，取決于入射輻射功率而與入射輻射的光譜成分無關，即對沒有關系，取決于入射輻射功率而與入射輻射的光譜成分無關，即對入入射射輻射的響應無波長選擇性。輻射的響應無波長選擇性。 光熱效應可以產(chǎn)生溫差電效應、電阻率變化效應、自發(fā)極化強度的變化效應光熱效應可以產(chǎn)生溫差電效應、電阻率變化效應、自發(fā)極化強度的變化效應、氣體氣體體積和壓強的變化效應等

36、等，利用這些效應可制作各種熱探測器。體積和壓強的變化效應等等，利用這些效應可制作各種熱探測器。1.溫差熱電偶和熱電堆溫差熱電偶和熱電堆 在用不同的導體或半導體組成的具有溫度梯度的電路中，在用不同的導體或半導體組成的具有溫度梯度的電路中，會有電動勢產(chǎn)生，這就是溫差電勢。會有電動勢產(chǎn)生，這就是溫差電勢。 （1）塞貝克（）塞貝克（Seebeck）效應。當由兩種不同的導體或半導體組成閉合回路的）效應。當由兩種不同的導體或半導體組成閉合回路的兩個結點置于不同溫度（兩結點間的溫差為兩個結點置于不同溫度（兩結點間的溫差為 時），在兩點之間就產(chǎn)生一時），在兩點之間就產(chǎn)生一個電動勢個電動勢V12，這個電動勢在閉

37、合回路中引起連續(xù)電流，這種現(xiàn)象稱為塞貝，這個電動勢在閉合回路中引起連續(xù)電流，這種現(xiàn)象稱為塞貝克效應。定義溫差電動勢率為克效應。定義溫差電動勢率為 （2）珀耳帖（）珀耳帖（Peltier）效應。珀耳帖應被認為是塞貝克效應的逆效應。）效應。珀耳帖應被認為是塞貝克效應的逆效應。當電流流過兩個不同材料的導體或半導體組成的回路的當電流流過兩個不同材料的導體或半導體組成的回路的時侯，時侯，除產(chǎn)除產(chǎn)生不可逆的焦耳熱外，在不同的節(jié)點處分別出現(xiàn)吸熱、放熱現(xiàn)象。生不可逆的焦耳熱外，在不同的節(jié)點處分別出現(xiàn)吸熱、放熱現(xiàn)象。這一效應是熱力學可逆的。熱交換速率與通過的電流成正比，這種這一效應是熱力學可逆的。熱交換速率與通

38、過的電流成正比，這種現(xiàn)象稱為珀耳帖效應。在每一接頭上熱量流出率或流入率與通過的現(xiàn)象稱為珀耳帖效應。在每一接頭上熱量流出率或流入率與通過的電流電流I間的關系可表示為間的關系可表示為TVaT12012limdTaVTT12120IdtdQ1212為比例系數(shù)Peltier系數(shù)（3）湯姆遜（）湯姆遜（Tomson）效應。在單一均質(zhì)導體或半導體中存在著與珀）效應。在單一均質(zhì)導體或半導體中存在著與珀耳帖效應相同的現(xiàn)象。如果通有電流的材料有溫差存在，也就是說，耳帖效應相同的現(xiàn)象。如果通有電流的材料有溫差存在，也就是說，當電流通過具有一定溫度梯度的均質(zhì)導體或半導體時，就會可逆地當電流通過具有一定溫度梯度的均質(zhì)

39、導體或半導體時，就會可逆地吸收熱或放出熱，這一現(xiàn)象稱為湯姆遜效應。單位時間單位體積吸吸收熱或放出熱，這一現(xiàn)象稱為湯姆遜效應。單位時間單位體積吸收或放出的熱量為收或放出的熱量為IdxdTdtdQ1212為Tomson系數(shù)光輻射入射到導體或半導體上便產(chǎn)生溫度梯度，從而產(chǎn)生溫差電勢，由電動勢的高低可以測定出接收端所吸收的光輻射的能量或功率。當由兩種不同金屬或半導體臂狀物在兩端分別連接成的閉合回路為溫差電偶，如圖所示。設J1點為光敏面，J2、J3為環(huán)境溫度Td，光照產(chǎn)生的J1點的溫升為Td，此溫差產(chǎn)生的Seebeck效應會使電路產(chǎn)生開路電勢01 2dVT1 21IQ當形成閉合回路時，電流將與V0方向相

40、同，此電流將會引起Peltier效應，會使此溫差電偶的熱端J1變冷，使冷端變熱，在熱結點J1處吸收的熱量Q1為式中式中12為珀爾帖系數(shù)，它與為珀爾帖系數(shù)，它與Seebeck系數(shù)系數(shù)12有如下關系有如下關系由于有由于有Q1，會使，會使J1點的溫度下降點的溫度下降（Td），），式中式中Zt為熱結為熱結J1處敏感元的熱阻。此溫度降低量相當于附加一個處敏感元的熱阻。此溫度降低量相當于附加一個Seebeck電勢電勢Vp因此，總的電勢應等于：由入射輻射使因此，總的電勢應等于：由入射輻射使J1升溫而產(chǎn)生的電勢升溫而產(chǎn)生的電勢V0與與珀爾帖效應引起的電勢之和珀爾帖效應引起的電勢之和1 21 2dT12ddtI

41、TT Z21212ddtpIVTT Z20012dttpIVVVVT ZtdLIVRRRd為探測器電阻，RL為負載電阻由上式可得由上式可得上式表明，珀爾帖效應相當于在電路中加了一個動態(tài)電阻上式表明，珀爾帖效應相當于在電路中加了一個動態(tài)電阻Rdn由上式可得由上式可得若敏感面上入射功率為若敏感面上入射功率為P，敏感面表面的吸收率為，敏感面表面的吸收率為，則在敏感面，則在敏感面上的穩(wěn)定狀態(tài)時的熱流平衡方程為上的穩(wěn)定狀態(tài)時的熱流平衡方程為2012dLdtIVRRT Z212dndtRT Z1 2ddLd nITRRR1dtPTQZ12ddtPITTZ將上式代入，得將上式代入，得在求開路電壓時，可不涉及

42、珀爾帖效應，此時溫升可用在求開路電壓時，可不涉及珀爾帖效應，此時溫升可用T0表示表示 探測器對常值入射輻射功率探測器對常值入射輻射功率P的響應率的響應率R為為2121ddtdLdnPTTZRRR0tPTZ001212tPVTZ01212ttPRPPVZZ為得到更高的響應率，應選擇具有高值12的溫差電偶臂的材料，光敏面具有高的吸收率。增大熱阻也將可以成比例地增大響應率。對傳導性熱傳輸，增大熱阻也將可以成比例地增大響應率。對傳導性熱傳輸，熱阻熱阻Zt為為為為研究溫差電偶的動態(tài)響應，設輸入輻射為研究溫差電偶的動態(tài)響應，設輸入輻射為P，此時敏感面，此時敏感面結點結點J1系統(tǒng)的熱流動平衡方程為（未計珀爾

43、帖效應）系統(tǒng)的熱流動平衡方程為（未計珀爾帖效應）tLk AZdtdTTPdtCZ /01ttTteP Z增大溫差電偶臂L、減小熱導系數(shù)k和電偶臂界面A均可以增大Zt，從而增大溫差電偶的響應率。式中，CdZt為若P為一階躍量P0，解上面的一階線性微分方程，可得其解為時間常數(shù)，要增加系統(tǒng)的快速響應，就要減小時間常數(shù)；要增大熱阻Zt，就要減小敏感元件與周圍環(huán)境的熱交換。Cd為熱容。為了研究溫差電偶系統(tǒng)對交變的輸入量的影響，將熱流動平衡方程寫為：為了研究溫差電偶系統(tǒng)對交變的輸入量的影響，將熱流動平衡方程寫為：由自動控制原理可知，它們的傳遞函數(shù)為由自動控制原理可知，它們的傳遞函數(shù)為其頻率特性為其頻率特性

44、為dTTPdt 11Wss11G jj式中，CdZt，PZtP其幅頻特性為其幅頻特性為其對數(shù)幅頻特性為其對數(shù)幅頻特性為12121AGj 12220lg20lg1LA 圖圖451 溫差電堆示意圖溫差電堆示意圖2.測輻射熱計測輻射熱計 測輻射熱計是利用入射輻射使敏感元件的溫度提高后從而使電阻隨之改測輻射熱計是利用入射輻射使敏感元件的溫度提高后從而使電阻隨之改變而測出輻射的熱探測器。變而測出輻射的熱探測器。對溫度敏感的電阻（也稱熱敏電阻）材料有兩類，一類是金屬材料；另對溫度敏感的電阻（也稱熱敏電阻）材料有兩類，一類是金屬材料；另一類是半導體材料。材料電阻隨溫度的變化可用下式表示一類是半導體材料。材料電阻隨溫度的變化可用下式表示式中式中T T稱為材料的電阻溫度系數(shù)。金屬材料的與溫度成反比而為稱為材料的電阻溫度系數(shù)。金屬材料的與溫度成反比而為在室溫下金屬材料的在室溫下金屬材料的T T0.0033。半導體材料與。半導體材料與T2成反比而為成反比而為 TRaRT1TT2TT 圖圖452 測輻射熱計原理圖測輻射熱計原理圖由兩個相同的熱敏電阻R1和R2和兩個負載電阻構成橋式電路，兩個熱敏電阻中的一個作為熱輻射接收元件，另一個作為環(huán)境溫度補償元件。在無入射輻射時，電橋平衡，輸出電壓在無入射輻射時，電橋平衡，輸出電壓V=0。此時。此時 當當R