第六章-光電導(dǎo)探測(cè)器課件

第四章光電導(dǎo)探測(cè)器特點(diǎn)：①光敏電阻②有源器件：偏壓偏流（此兩個(gè)參數(shù)會(huì)影響光電導(dǎo)的工作參數(shù)）分類：本征型、雜質(zhì)型、薄膜型、掃積型§4-1光電導(dǎo)探測(cè)器的工作原理一、光電導(dǎo)效應(yīng)：1.定義：光作用于光電導(dǎo)材料，形成本征吸收或雜質(zhì)吸收，產(chǎn)生附加的光生載流子，從而使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生變化。具體分析：第四章光電導(dǎo)探測(cè)器特點(diǎn)：第四章光電導(dǎo)探測(cè)器Ⅰ.對(duì)于本征半導(dǎo)體：見圖4-1沒有光照：主要是價(jià)電子→在價(jià)帶中少量熱激發(fā)電子→導(dǎo)帶Eg→不導(dǎo)電，有光照：電子+→突破Eg

→價(jià)帶→長(zhǎng)波閾：入射波長(zhǎng)超過長(zhǎng)波閾，會(huì)產(chǎn)生熱電效應(yīng)。第四章光電導(dǎo)探測(cè)器Ⅰ.對(duì)于本征半導(dǎo)體：見圖4-1第四章光電導(dǎo)探測(cè)器短波閾：Eg

＋價(jià)帶寬＋導(dǎo)帶寬=入射波長(zhǎng)比短波閾短時(shí)，電子逸出Ⅱ.對(duì)于雜質(zhì)半導(dǎo)體：n型：施主能帶接近導(dǎo)帶只需少量能量即可產(chǎn)生光電子p型：受主能帶接近價(jià)帶2.表征光電導(dǎo)效應(yīng)的主要參數(shù)⑴光電導(dǎo)體的靈敏度：在一定的光強(qiáng)下光電導(dǎo)的強(qiáng)弱，用G表示：量子產(chǎn)量光生載流子壽命載流子在光電導(dǎo)兩極間的渡越時(shí)間第四章光電導(dǎo)探測(cè)器短波閾：Eg＋價(jià)帶寬＋導(dǎo)帶寬=第四章光電導(dǎo)探測(cè)器

光電導(dǎo)體兩極間距遷移率外加電壓（電源電壓）∴設(shè)計(jì)時(shí)有重要意義如果在雜質(zhì)半導(dǎo)體中有空穴和電子，則：第四章光電導(dǎo)探測(cè)器第四章光電導(dǎo)探測(cè)器⑵光電導(dǎo)的弛豫：由于是非平衡載流子效應(yīng)，具有弛豫效應(yīng)。定義：弛豫時(shí)間：光照開始和光照停止時(shí)，光電導(dǎo)上升或下降的時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間：反映了光電導(dǎo)對(duì)周期性變化信號(hào)的反映能力。分類：直線性光電導(dǎo)：光電導(dǎo)(光生載流子的密度）與光強(qiáng)成線性關(guān)系。

Si，Ge，PbO等材料至少在較低的光強(qiáng)下成立。拋物線性光電導(dǎo)：光電導(dǎo)(光生載流子的密度）與光強(qiáng)的平方根成正比

一般的，在較低光強(qiáng)下，光電導(dǎo)為直線型光電導(dǎo)；在較高光強(qiáng)下，為拋物線型光電導(dǎo)。第四章光電導(dǎo)探測(cè)器⑵光電導(dǎo)的弛豫：第四章光電導(dǎo)探測(cè)器具體地：A：對(duì)直線型光電導(dǎo)：光生載流子密度與In成正比：光電導(dǎo)體對(duì)光的吸收系數(shù)。將上式對(duì)時(shí)間微分，并計(jì)算得：見圖4-2當(dāng)時(shí)，光電流上升到飽和值的或下降到飽和值的，上升和下降時(shí)對(duì)稱的，為直線性光電導(dǎo)的弛豫時(shí)間，和光強(qiáng)無關(guān)。第四章光電導(dǎo)探測(cè)器具體地：A：對(duì)直線型光電導(dǎo)：第四章光電導(dǎo)探測(cè)器B：拋物線型光電導(dǎo)：（其中b為比例系數(shù)）上升段，對(duì)光電導(dǎo)進(jìn)行微分：光照取消后：決定光電導(dǎo)下降的微分方程：第四章光電導(dǎo)探測(cè)器B：拋物線型光電導(dǎo)：第四章光電導(dǎo)探測(cè)器上升、下降曲線如圖4-3所示：下降段為雙曲線性衰減非線性光電導(dǎo)的弛豫時(shí)間很復(fù)雜，上升下降不對(duì)稱。近似為：對(duì)于光照開始的上升段：時(shí)，光電導(dǎo)增加到定值的0.76對(duì)于光照停止的下降段：時(shí)，光電導(dǎo)減小到定值的一半和光照強(qiáng)弱有關(guān)第四章光電導(dǎo)探測(cè)器上升、下降曲線如圖4-3所示：第四章光電導(dǎo)探測(cè)器討論：光生載流子的定態(tài)值是的乘積產(chǎn)生率弛豫時(shí)間：此矛盾要折衷選取。3.光電導(dǎo)的光譜分布：A本征：光電導(dǎo)大小和波長(zhǎng)密切相關(guān)，見圖4-4是本征半導(dǎo)體光譜分布。它們是等量子曲線或叫等能量曲線。第四章光電導(dǎo)探測(cè)器討論：光生載流子的定態(tài)值是的乘積第四章光電導(dǎo)探測(cè)器

等量子：指對(duì)不同的波長(zhǎng)，以光量子計(jì)算的光強(qiáng)是相等的，是在相同的光子流之下測(cè)量的結(jié)果。等能量：指不同的波長(zhǎng)下，所用的光能量流是相等的，短波小，相同能量下，光子數(shù)少。曲線的共同特點(diǎn)：①長(zhǎng)波限處曲線直線下降原因？能量<Eg確定長(zhǎng)波限的方法：Moss認(rèn)為：光電導(dǎo)下降到一半的波長(zhǎng)為長(zhǎng)波限。②短波方向：原理上：實(shí)際上：短逐漸下降，光生載流子集中于表面。由于表面能級(jí)，表面復(fù)合與電極相等的作用，光電導(dǎo)↓第四章光電導(dǎo)探測(cè)器等量子：指對(duì)不同的波長(zhǎng)，以光量子計(jì)第四章光電導(dǎo)探測(cè)器B：雜質(zhì)：總體：①由于雜質(zhì)的電離能比禁帶寬度小，所以其光譜響應(yīng)的波長(zhǎng)比本征光電導(dǎo)的長(zhǎng)。②雜質(zhì)的原子數(shù)目比起半導(dǎo)體材料本身的原子數(shù)目來小得多

∴其光電導(dǎo)效應(yīng)相對(duì)于本征半導(dǎo)體來說要微弱得多。③雜質(zhì)電離能小，長(zhǎng)波限長(zhǎng)→適合探測(cè)紅外。但為了減少暗電流，使常溫下的電子空穴處于束縛狀態(tài)，要在低溫下工作。④曲線：右的陡進(jìn)：本征光電導(dǎo)開始左的下降：雜質(zhì)半導(dǎo)體的長(zhǎng)波限見圖4-5此位置不是垂直的第四章光電導(dǎo)探測(cè)器B：雜質(zhì)：第四章光電導(dǎo)探測(cè)器第四章光電導(dǎo)探測(cè)器第四章光電導(dǎo)探測(cè)器二、光電導(dǎo)探測(cè)器的工作原理1.光電導(dǎo)探測(cè)器的光電流圖4-6：光電導(dǎo)探測(cè)器的簡(jiǎn)單模型已知光電導(dǎo)的幾何參數(shù)入射光功率P,外電壓V則入射光功率在材料內(nèi)部沿x方向的變化為：吸收系數(shù)表面反射率第四章光電導(dǎo)探測(cè)器二、光電導(dǎo)探測(cè)器的工作原理第四章光電導(dǎo)探測(cè)器由于P隨x的變化而變化所以光生載流子的統(tǒng)計(jì)平均值也應(yīng)是x的函數(shù)。設(shè)n(x)是x處光生載流子濃度，則在外加電場(chǎng)的作用下該處的漂移電流密度J(x)為：其中：為光生載流子在外加電場(chǎng)E的作用下的漂移速度。

:電子遷移率

L:電極間的距離光電探測(cè)器的平均光電流::探測(cè)器的電極面積第四章光電導(dǎo)探測(cè)器由于P隨x的變化而變化第四章光電導(dǎo)探測(cè)器在均勻照射的情況下：由公式4.1-21～23得：當(dāng)時(shí)，探測(cè)器體內(nèi)的平均光生載流子濃度：4.1-27得到的計(jì)算公式則：結(jié)論公式光電導(dǎo)探測(cè)器是一個(gè)具有內(nèi)增益的器件

第四章光電導(dǎo)探測(cè)器在均勻照射的情況下：第四章光電導(dǎo)探測(cè)器材料結(jié)構(gòu)尺寸可達(dá)到幾百外加偏壓2.光電導(dǎo)探測(cè)器的工作模式及等效電路A：結(jié)構(gòu)和偏置電路圖4-7，4-8第四章光電導(dǎo)探測(cè)器材料第四章光電導(dǎo)探測(cè)器光電導(dǎo)探測(cè)器可以等效為一個(gè)有源兩端網(wǎng)絡(luò)：圖4-9(a)中光電導(dǎo)探測(cè)器等效內(nèi)阻和電容

放大器等效輸入電阻和電容一般：一般認(rèn)為：亮電阻與暗電阻相差越大，探測(cè)器的靈敏度越高。(b)為直流通路放大器等效為RL和VA串聯(lián)第四章光電導(dǎo)探測(cè)器光電導(dǎo)探測(cè)器可以等效為一個(gè)有源兩端網(wǎng)絡(luò)第四章光電導(dǎo)探測(cè)器B:不同情況下(RL),探測(cè)器的輸出電流和電壓(a)短路電流ISC

時(shí),外電流短路，輸出電流：探測(cè)器等效為一個(gè)內(nèi)阻很大的恒流源。(b)開路電壓當(dāng)負(fù)載電阻時(shí)，探測(cè)器輸出電壓近似等于開路電壓：此時(shí)的探測(cè)器可等效為一個(gè)內(nèi)阻為零的恒壓源。(c)負(fù)載匹配時(shí)探測(cè)器的輸出電壓：當(dāng)時(shí)，滿足負(fù)載匹配條件，稱為匹配工作狀態(tài)。第四章光電導(dǎo)探測(cè)器B:不同情況下(RL),探測(cè)器的輸出電第四章光電導(dǎo)探測(cè)器此時(shí)：此時(shí)探測(cè)器輸出的電功率最大，光探測(cè)系統(tǒng)總的光電變換效率最高。小結(jié)：①半導(dǎo)體對(duì)光的吸收具有非線性光電探測(cè)器的光電流與入射光功率將呈現(xiàn)非線性關(guān)系。②當(dāng)光線較弱時(shí)，可認(rèn)為是線性關(guān)系。當(dāng)光線(入射光)功率較大時(shí)，將出現(xiàn)非線性特性。第四章光電導(dǎo)探測(cè)器此時(shí)：第四章光電導(dǎo)探測(cè)器§4-2光電導(dǎo)探測(cè)器的性能參數(shù)一、光電導(dǎo)增益載流子的平均壽命載流子的渡越時(shí)間含義：長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光電導(dǎo)體兩端加上電壓后，由光照產(chǎn)生的光生載流子在電場(chǎng)的作用下所形成的外部光電流與光電子形成的內(nèi)部光電流(qN)之間的比值。經(jīng)4-2-1～6的計(jì)算可得：由于材料電導(dǎo)率的變化，引起的光電流為：第四章光電導(dǎo)探測(cè)器§4-2光電導(dǎo)探測(cè)器的性能參數(shù)第四章光電導(dǎo)探測(cè)器光電導(dǎo)增益：分別為電子增益系數(shù)和空穴增益系數(shù):代入公式:將空穴和自由電子的效果綜合考慮，則：討論：①靈敏的光電導(dǎo)探測(cè)器，必然有很大的增益系數(shù)②第四章光電導(dǎo)探測(cè)器光電導(dǎo)增益：第四章光電導(dǎo)探測(cè)器光電導(dǎo)器件的量子效率：和材料的反射率、吸收率、和厚度有關(guān)。第四章光電導(dǎo)探測(cè)器光電導(dǎo)器件的量子效率：第四章光電導(dǎo)探測(cè)器二、光電探測(cè)器的噪聲：主要有三種：熱噪聲、產(chǎn)生復(fù)合噪聲、1/f噪聲。產(chǎn)生復(fù)合噪聲由：熱噪聲、信號(hào)光和背景光激發(fā)產(chǎn)生的。低溫時(shí)，只有后兩種。第四章光電導(dǎo)探測(cè)器二、光電探測(cè)器的噪聲：第四章光電導(dǎo)探測(cè)器三、響應(yīng)率第四章光電導(dǎo)探測(cè)器三、響應(yīng)率第四章光電導(dǎo)探測(cè)器四、比探測(cè)率第四章光電導(dǎo)探測(cè)器四、比探測(cè)率第四章光電導(dǎo)探測(cè)器五、溫度特性第四章光電導(dǎo)探測(cè)器五、溫度特性六、頻率響應(yīng)及響應(yīng)時(shí)間第四章光電導(dǎo)探測(cè)器六、頻率響應(yīng)及響應(yīng)時(shí)間第四章光電導(dǎo)探測(cè)器七、前歷效應(yīng)第四章光電導(dǎo)探測(cè)器七、前歷效應(yīng)第四章光電導(dǎo)探測(cè)器第四章光電導(dǎo)探測(cè)器特點(diǎn)：①光敏電阻②有源器件：偏壓偏流（此兩個(gè)參數(shù)會(huì)影響光電導(dǎo)的工作參數(shù)）分類：本征型、雜質(zhì)型、薄膜型、掃積型§4-1光電導(dǎo)探測(cè)器的工作原理一、光電導(dǎo)效應(yīng)：1.定義：光作用于光電導(dǎo)材料，形成本征吸收或雜質(zhì)吸收，產(chǎn)生附加的光生載流子，從而使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生變化。具體分析：第四章光電導(dǎo)探測(cè)器特點(diǎn)：第四章光電導(dǎo)探測(cè)器Ⅰ.對(duì)于本征半導(dǎo)體：見圖4-1沒有光照：主要是價(jià)電子→在價(jià)帶中少量熱激發(fā)電子→導(dǎo)帶Eg→不導(dǎo)電，有光照：電子+→突破Eg

→價(jià)帶→長(zhǎng)波閾：入射波長(zhǎng)超過長(zhǎng)波閾，會(huì)產(chǎn)生熱電效應(yīng)。第四章光電導(dǎo)探測(cè)器Ⅰ.對(duì)于本征半導(dǎo)體：見圖4-1第四章光電導(dǎo)探測(cè)器短波閾：Eg

＋價(jià)帶寬＋導(dǎo)帶寬=入射波長(zhǎng)比短波閾短時(shí)，電子逸出Ⅱ.對(duì)于雜質(zhì)半導(dǎo)體：n型：施主能帶接近導(dǎo)帶只需少量能量即可產(chǎn)生光電子p型：受主能帶接近價(jià)帶2.表征光電導(dǎo)效應(yīng)的主要參數(shù)⑴光電導(dǎo)體的靈敏度：在一定的光強(qiáng)下光電導(dǎo)的強(qiáng)弱，用G表示：量子產(chǎn)量光生載流子壽命載流子在光電導(dǎo)兩極間的渡越時(shí)間第四章光電導(dǎo)探測(cè)器短波閾：Eg＋價(jià)帶寬＋導(dǎo)帶寬=第四章光電導(dǎo)探測(cè)器

光電導(dǎo)體兩極間距遷移率外加電壓（電源電壓）∴設(shè)計(jì)時(shí)有重要意義如果在雜質(zhì)半導(dǎo)體中有空穴和電子，則：第四章光電導(dǎo)探測(cè)器第四章光電導(dǎo)探測(cè)器⑵光電導(dǎo)的弛豫：由于是非平衡載流子效應(yīng)，具有弛豫效應(yīng)。定義：弛豫時(shí)間：光照開始和光照停止時(shí)，光電導(dǎo)上升或下降的時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間：反映了光電導(dǎo)對(duì)周期性變化信號(hào)的反映能力。分類：直線性光電導(dǎo)：光電導(dǎo)(光生載流子的密度）與光強(qiáng)成線性關(guān)系。

Si，Ge，PbO等材料至少在較低的光強(qiáng)下成立。拋物線性光電導(dǎo)：光電導(dǎo)(光生載流子的密度）與光強(qiáng)的平方根成正比

一般的，在較低光強(qiáng)下，光電導(dǎo)為直線型光電導(dǎo)；在較高光強(qiáng)下，為拋物線型光電導(dǎo)。第四章光電導(dǎo)探測(cè)器⑵光電導(dǎo)的弛豫：第四章光電導(dǎo)探測(cè)器具體地：A：對(duì)直線型光電導(dǎo)：光生載流子密度與In成正比：光電導(dǎo)體對(duì)光的吸收系數(shù)。將上式對(duì)時(shí)間微分，并計(jì)算得：見圖4-2當(dāng)時(shí)，光電流上升到飽和值的或下降到飽和值的，上升和下降時(shí)對(duì)稱的，為直線性光電導(dǎo)的弛豫時(shí)間，和光強(qiáng)無關(guān)。第四章光電導(dǎo)探測(cè)器具體地：A：對(duì)直線型光電導(dǎo)：第四章光電導(dǎo)探測(cè)器B：拋物線型光電導(dǎo)：（其中b為比例系數(shù)）上升段，對(duì)光電導(dǎo)進(jìn)行微分：光照取消后：決定光電導(dǎo)下降的微分方程：第四章光電導(dǎo)探測(cè)器B：拋物線型光電導(dǎo)：第四章光電導(dǎo)探測(cè)器上升、下降曲線如圖4-3所示：下降段為雙曲線性衰減非線性光電導(dǎo)的弛豫時(shí)間很復(fù)雜，上升下降不對(duì)稱。近似為：對(duì)于光照開始的上升段：時(shí)，光電導(dǎo)增加到定值的0.76對(duì)于光照停止的下降段：時(shí)，光電導(dǎo)減小到定值的一半和光照強(qiáng)弱有關(guān)第四章光電導(dǎo)探測(cè)器上升、下降曲線如圖4-3所示：第四章光電導(dǎo)探測(cè)器討論：光生載流子的定態(tài)值是的乘積產(chǎn)生率弛豫時(shí)間：此矛盾要折衷選取。3.光電導(dǎo)的光譜分布：A本征：光電導(dǎo)大小和波長(zhǎng)密切相關(guān)，見圖4-4是本征半導(dǎo)體光譜分布。它們是等量子曲線或叫等能量曲線。第四章光電導(dǎo)探測(cè)器討論：光生載流子的定態(tài)值是的乘積第四章光電導(dǎo)探測(cè)器

等量子：指對(duì)不同的波長(zhǎng)，以光量子計(jì)算的光強(qiáng)是相等的，是在相同的光子流之下測(cè)量的結(jié)果。等能量：指不同的波長(zhǎng)下，所用的光能量流是相等的，短波小，相同能量下，光子數(shù)少。曲線的共同特點(diǎn)：①長(zhǎng)波限處曲線直線下降原因？能量<Eg確定長(zhǎng)波限的方法：Moss認(rèn)為：光電導(dǎo)下降到一半的波長(zhǎng)為長(zhǎng)波限。②短波方向：原理上：實(shí)際上：短逐漸下降，光生載流子集中于表面。由于表面能級(jí)，表面復(fù)合與電極相等的作用，光電導(dǎo)↓第四章光電導(dǎo)探測(cè)器等量子：指對(duì)不同的波長(zhǎng)，以光量子計(jì)第四章光電導(dǎo)探測(cè)器B：雜質(zhì)：總體：①由于雜質(zhì)的電離能比禁帶寬度小，所以其光譜響應(yīng)的波長(zhǎng)比本征光電導(dǎo)的長(zhǎng)。②雜質(zhì)的原子數(shù)目比起半導(dǎo)體材料本身的原子數(shù)目來小得多

∴其光電導(dǎo)效應(yīng)相對(duì)于本征半導(dǎo)體來說要微弱得多。③雜質(zhì)電離能小，長(zhǎng)波限長(zhǎng)→適合探測(cè)紅外。但為了減少暗電流，使常溫下的電子空穴處于束縛狀態(tài)，要在低溫下工作。④曲線：右的陡進(jìn)：本征光電導(dǎo)開始左的下降：雜質(zhì)半導(dǎo)體的長(zhǎng)波限見圖4-5此位置不是垂直的第四章光電導(dǎo)探測(cè)器B：雜質(zhì)：第四章光電導(dǎo)探測(cè)器第四章光電導(dǎo)探測(cè)器第四章光電導(dǎo)探測(cè)器二、光電導(dǎo)探測(cè)器的工作原理1.光電導(dǎo)探測(cè)器的光電流圖4-6：光電導(dǎo)探測(cè)器的簡(jiǎn)單模型已知光電導(dǎo)的幾何參數(shù)入射光功率P,外電壓V則入射光功率在材料內(nèi)部沿x方向的變化為：吸收系數(shù)表面反射率第四章光電導(dǎo)探測(cè)器二、光電導(dǎo)探測(cè)器的工作原理第四章光電導(dǎo)探測(cè)器由于P隨x的變化而變化所以光生載流子的統(tǒng)計(jì)平均值也應(yīng)是x的函數(shù)。設(shè)n(x)是x處光生載流子濃度，則在外加電場(chǎng)的作用下該處的漂移電流密度J(x)為：其中：為光生載流子在外加電場(chǎng)E的作用下的漂移速度。

:電子遷移率

L:電極間的距離光電探測(cè)器的平均光電流::探測(cè)器的電極面積第四章光電導(dǎo)探測(cè)器由于P隨x的變化而變化第四章光電導(dǎo)探測(cè)器在均勻照射的情況下：由公式4.1-21～23得：當(dāng)時(shí)，探測(cè)器體內(nèi)的平均光生載流子濃度：4.1-27得到的計(jì)算公式則：結(jié)論公式光電導(dǎo)探測(cè)器是一個(gè)具有內(nèi)增益的器件

第四章光電導(dǎo)探測(cè)器在均勻照射的情況下：第四章光電導(dǎo)探測(cè)器材料結(jié)構(gòu)尺寸可達(dá)到幾百外加偏壓2.光電導(dǎo)探測(cè)器的工作模式及等效電路A：結(jié)構(gòu)和偏置電路圖4-7，4-8第四章光電導(dǎo)探測(cè)器材料第四章光電導(dǎo)探測(cè)器光電導(dǎo)探測(cè)器可以等效為一個(gè)有源兩端網(wǎng)絡(luò)：圖4-9(a)中光電導(dǎo)探測(cè)器等效內(nèi)阻和電容

放大器等效輸入電阻和電容一般：一般認(rèn)為：亮電阻與暗電阻相差越大，探測(cè)器的靈敏度越高。(b)為直流通路放大器等效為RL和VA串聯(lián)第四章光電導(dǎo)探測(cè)器光電導(dǎo)探測(cè)器可以等效為一個(gè)有源兩端網(wǎng)絡(luò)第四章光電導(dǎo)探測(cè)器B:不同情況下(RL),探測(cè)器的輸出電流和電壓(a)短路電流ISC

時(shí),外電流短路，輸出電流：探測(cè)器等效為一個(gè)內(nèi)阻很大的恒流源。(b)開路電壓當(dāng)負(fù)載電阻時(shí)，探測(cè)器輸出電壓近似等于開路電壓：此時(shí)的探測(cè)器可等效為一個(gè)內(nèi)阻為零的恒壓源。(c)負(fù)載匹配時(shí)探測(cè)器的輸出電壓：當(dāng)時(shí)，滿足負(fù)載匹配條件，稱為匹配工作狀態(tài)。第四章光電導(dǎo)探測(cè)器B:不同情況下(RL),探測(cè)器的輸出電第四章光電導(dǎo)探測(cè)器此時(shí)：此時(shí)探測(cè)器輸出的電功率最大，光探測(cè)系統(tǒng)總的光電變換效率最高。小結(jié)：①半導(dǎo)體對(duì)光的吸收具有