轉(zhuǎn)發(fā)第1章光電導探測器

第1章光電導探測器光電子器件的種類很多、很廣，由于其類型和用途不同，對其性能和參數(shù)的要求也不同，評價的參數(shù)和方法也不盡相同，在此處只能就其共性進行描述。由于本課程主要涉及光電探測器和光電成像器件兩大類，所以對它們的性能參數(shù)也分兩大類。對光電探測器有：響應特性、噪聲特性，包括響應率、探測率、時間常數(shù)及噪聲等。對光電成像器件有：包括上面參數(shù)，還有成像特性，包括：分辨率、空間頻率特性以及空間抽樣特性等。1.1光電子器件的基本特性信號噪聲比乃是反映器件總體特性的綜合參數(shù)，對描述光電探測器以及光電成像器件都是必不可少的。本節(jié)只敘述光電器件的響應特性、探測率以及吸收系數(shù)，其他特性在各章敘述。1.1.1光譜響應率和響應率響應率定義:光電探測器輸出信號電壓或電流與單位入射光功率之比，即單位入射光功率作用下探測器輸出信號電壓或電流稱為響應率.有光譜響應率和積分響應率R。是傳感器靈敏度相似的概念.1.光譜響應率

光譜電壓響應率Ruλ：光電器件在單色(在波長附近一個很小的波長范圍內(nèi))輻射功率作用下產(chǎn)生的信號電壓為:

光譜電流響應率Riλ

：光電器件在單色(在波長附近一個很小的波長范圍內(nèi))輻射功率作用下產(chǎn)生的信號電流為，則：

：

光電器件的光譜響應曲線:

歸一化，可得相對光譜響應率：

Rm為光譜響應率的最大值.

光譜量子效率

:

——單色入射輻射量子數(shù)

——由產(chǎn)生的信號量子數(shù)光譜響應率及量子效率僅由器件的響應特性所決定,而與光源無關。把轉(zhuǎn)化為：以μm為單位，則以A/W為單位。如果λ以nm為單位，則以mA/W為單位。此公式計算簡單，常在工程中應用到。光譜響應率及量子效率僅由器件的響應特性所決定，而與光源無關。簡稱為響應率R，為器件輸出信號與輸入功率之比:

電壓響應率:

P——入射輻射功率

Us——輸出信號電壓電流響應率：Is——輸出信號電流

量子效率

:

NP——入射輻射量子數(shù)

Ns——由NP所產(chǎn)生的信號量子數(shù)響應率實質(zhì)上反映了器件的靈敏程度，因此，響應率又被叫做靈敏度或積分靈敏度，而相應的光譜響應率叫做光譜靈敏度。2.積分響應率3.光譜響應率與響應率的關系光源輻射功率譜密度定義為單位波長范圍內(nèi)的輻射功率，即：光源輻射功率譜密度隨波長的分布曲線如圖1-2，是光源的特性。

光源光譜輻射功率譜密度歸一化:Pm：單色輻射功率最大值,

P(λ）：單色輻射功率的相對值

功率譜密度波長λ(nm)400800120016002000紫外線可見光紅外線黃綠光太陽輻射0

稱為器件同光源的光譜匹配系數(shù)它反映了器件響應的波長范圍同光源光譜的吻合程度。器件的光譜響應同光源的光譜輻射的匹配程度:

在光源固定的情況下，面積A1是不變的，如果與曲線重合得愈多，面積A2愈大，也就是光譜匹配愈好，α愈大；反之，如果兩曲線沒有重合之處，α=0，即二者完全失配，則該光電器件對光源沒有探測能力。意義：1）自然界中任何光源都有一定的光譜輻射分布范圍，而每一種光譜輻射分布范圍都含有自然界及所照物體的信息，這些信息都于人類有重要的價值，必須加以探測。2）由于任何光電探測器都有一定光譜探測范圍，其探測的光譜范圍有限。3)要探測那個波段的光輻射的信號，就要使器件的響應范圍與光輻射的波段盡量一致。希望光電探測器盡量與光源匹配。例如，夜視器件大部分工作在夜晚，其紅外波段輻射較集中，因此，制作夜視探測器要盡量向紅外方向延伸。4)光譜匹配是選擇光電探測器，如像管、光電倍增管、紅外成像器件的光電轉(zhuǎn)換材料的重要依據(jù)，也是進行光電探測成像器件研究的基本方向。光度量的電壓響應率和電流響應率:

Φ——輸入光通量在可見光區(qū)，對給定色溫的光源，其光通量與輻射功率P之比是一定的,輻射響應率與光度響應率的關系:

1.1.2最小可探測輻射功率和探測率1.最小可探測輻射功率Pmin：當輸出信號電壓等于輸出噪聲電壓均方根值時的探測器的入射輻射功率

P——入射輻射功率；

un——噪聲電壓均方根；

us——輸出信號電壓。噪聲光電探測器輸出的電流或電壓在其平均值上下起伏.

這種起伏是一種無規(guī)則的、隨機的，在某一瞬間的幅度不能預先知道，并且與其前后相鄰時刻的幅度大小也毫無關系，這種起伏稱為噪聲，這種噪聲是物理過程中所固有的，是不可能人為消除的。由于噪聲是在平均值附近的隨機起伏，其瞬間值是不確定的，其長時間的平均值為零，簡單地求平均沒有意義，有意義的是足夠長時間內(nèi)求其平方平均值或均方根。當有多個噪聲源同時存在時，只要這些噪聲源是獨立，互不相關的，其噪聲功率就可進行相加。在信號較弱時，光電探測器的噪聲會顯著地影響信號探測的準確性，另外，噪聲也限制了系統(tǒng)可能探測到的最小信號功率，因為信號太弱，就被噪聲所掩沒，難以被發(fā)現(xiàn)。當入射輻射較弱時，所產(chǎn)生的信號電壓等于噪聲電壓時，此時信號被淹沒在噪聲之中，而不能分辨信號，此時該入射的輻射功率為該探測器所能探測到的最小功率，因此，又稱為噪聲等效功率NEP(NoiseEqualancePower)。當然Pmin越小，器件的探測能力越強，Pmin越小越好，但這不符合人們的習慣表示方法，因此引入探測率。

最小可探測輻射功率Pmin：當輸出信號電壓等于輸出噪聲電壓均方根值時的探測器的入射輻射功率

P——入射輻射功率；

un——噪聲電壓均方根；

us——輸出信號電壓。2.探測率D

對Pmin取倒數(shù)作為衡量探測器探測能力的參數(shù)稱為探測率D越大，表示器件的探測性能越好NEP(NoiseEqualancePower)。當然Pmin越小，器件的探測能力越強，Pmin越小越好，但這不符合人們的習慣表示方法，因此引入探測率。探測率與探測器的面積和工作頻率帶寬有關，為了將不同面積和不同工作帶寬的器件進行比較，必須消除兩個因素的影響。表示探測器接收面積為1cm2，工作帶寬為1Hz時的單位入射輻射功率所產(chǎn)生的信噪比。研究指出，探測率與器件的面積和工作帶寬成反比。

的測量是在一定的條件下進行的，如一定的黑體光源的溫度，調(diào)制頻率，測量系統(tǒng)的帶寬等，測量值的(T,f,)如(500,900,5)。為了描述單色情況，還引入光譜探測率它表示器件對波長為的輻射的探測率.目前基本上用取代了D，若無特殊說明，本書所稱的探測率均指而言。1.1.3光吸收系數(shù)光入射到材料，會發(fā)生吸收、色散、反射、折射等現(xiàn)象。對半導體而言，材料吸收光的原因，在于光與處在各種狀態(tài)的電子、晶格原子和雜質(zhì)原子的相互作用。設入射光的強度為I0，入射到樣品厚度為x處的光強度為I，則經(jīng)過dx的厚度，光強度的減少量為dI，dI與入射光強度和厚度成正比，

負號表示光強度的衰減，α為線吸收系數(shù)，單位為（1/cm）。

設初始入射光強度為I0如果樣品厚度為d，則樣品吸收的光強度ΔI為：當厚度d=1/α時，光強I=I0/e,約為入射光強的36%，此時的厚度稱為吸收厚度，有64%的光在1/α厚度內(nèi)被吸收，即在吸收厚度內(nèi)吸收了大部分的光，如圖1-5。當樣品厚度時，光在樣品內(nèi)被全部吸收。

可見吸收系數(shù)大，光吸收主要發(fā)生在材料的表層。吸收系數(shù)小，光入射得深。如果樣品厚度為d，則樣品吸收的光強度ΔI為：吸收系數(shù)是光波長λ或光子能量的函數(shù)α(λ)，且各材料的吸收系數(shù)不同，吸收系數(shù)與材料的禁帶寬度以及摻雜濃度等有關。圖1-6為Si、Ge、GaAs半導體的吸收系數(shù)與光子能量的關系。半導體的光吸收有本征吸收、雜質(zhì)吸收、自由載流子吸收、激子吸收、晶格振動吸收等多種吸收機制。其中，最主要的吸收是本征吸收。價帶中的電子吸收了能量足夠大的光子后，受到激發(fā)，越過禁帶，躍入導帶，并在價帶中留下一個空穴，形成了電子空穴對，這種躍遷過程所形成的光吸收過程稱為本征吸收。要產(chǎn)生本征吸收，光子的能量必須大于或等于禁帶的寬度Eg，即換算成光波長λ的表達式，可得就是說，波長λ必須滿足：叫做本征吸收的長波限，又稱為閾值波長。所以要產(chǎn)生本征光吸收，光波長λ必需小于長波限。對于雜質(zhì)光吸收，要求入射光子能量大于雜質(zhì)電離能△E，

△E=Ec–EdEc,Ed——分別為導帶底和雜質(zhì)能級?？傻秒s質(zhì)光吸收的長波閾值為：1.2光電導探測器原理

內(nèi)光電效應:材料在吸收光子能量后，出現(xiàn)光生電子空穴，由此引起電導率變化或電流電壓現(xiàn)象，稱之為內(nèi)光電效應，是相對于外光電效應而言的。光電導效應：當半導體材料受光照時，吸收光子引起載流子濃度增大，產(chǎn)生附加電導率使電導率增加，這個現(xiàn)象稱為光電導效應。材料對光吸收有本征型和非本征型，所以光電導效應也有本征型和非本征型。當光子能量大于禁帶寬度時，把價帶中的電子激發(fā)到導帶，在價帶中留下自由空穴，從而引起材料導電率的增加，這是本征光電導效應。若光子能量激發(fā)雜質(zhì)半導體的施主或受主，使它們電離，產(chǎn)生自由電子或空穴，從而增加材料電導率，這種現(xiàn)象就是非本征光電導效應。材料受光照引起電導率的變化，在外電場作用下就能得到電流的變化，通過測量回路的電流，就能檢測到電導率的變化。1.2.1光電導效應

1．歐姆定律

電導率σ:歐姆定律的微分形式電流:電流密度J:2．漂移速度和遷移率電子在電場作用下，沿著電場的反方向作定向運動稱為漂移運動，定向運動的速度稱為漂移速度。設導體中電子濃度為n，電子的漂移速度為Vd，導體截面為S，則單位時間內(nèi)通過截面的電子數(shù)nVd×1×S，則：

I=neVd·SJ=neVd

當導體內(nèi)部電場恒定時，電子應具有一個恒定不變的平均漂移速度，電場強度增大時，平均漂移速度也增大；反之亦然，所以平均漂移速度的大小與電場強度成正比。

Vd

=μE μ稱為電子遷移率，表示單位電場下電子的平均漂移速度，單位m2/V·s，μ值與材料特性有關，電導率和遷移率間的關系

3．半導體的電導率Jn,JP分別表示電子和空穴電流密度，n,p表示電子、空穴的濃度，4．光電導效應本征半導體在沒有光照時，電子空穴濃度記為n0,p0，此時電導率為,為暗電導在光注入時，半導體電導率：電導率增量：1.2.2光電導電流

設光電導體兩邊的電極對光電導體中載流子的運動不產(chǎn)生影響，即只有光電導體的載流子移到電極上，而電極上的電子不能注入到光電導體中。

如圖,設電極間的距離為l，寬度為w，樣品厚度為d，樣品橫截面積為S=wd,光照射在樣品上，單位時間內(nèi)入射在單位面積的光子數(shù)為N0，樣品的線性吸收系數(shù)為，量子效率為，則樣品表面的光生載流子產(chǎn)生率，即單位時間單位體積內(nèi)電子空穴對g為：非平衡載流子是在外界作用下產(chǎn)生的，它們的存在相應于非平衡情況。當外界作用撤除以后，由于半導體的內(nèi)部作用，非平衡載流子將逐漸消失，也就是導帶中的非平衡電子落入到價帶的空狀態(tài)中，使電子和空穴成對地消失，這個過程稱為非平衡載流子的復合.由于在產(chǎn)生的同時，還伴隨著載流子的復合消失，所以光生載流子濃度的變化關系為(注：下式是在弱光照射時成立，如為強光，公式將不同。而且略去了載流子的濃度擴散梯度和表面復合。)

——分別為電子和空穴的平均壽命。當產(chǎn)生率和復合率達到平衡狀態(tài)時，即穩(wěn)定狀態(tài)光生電子和空穴濃度分別為：定態(tài)光電導率

定態(tài)光電導率與載流子的遷移率、壽命、光電導體的線性吸收系數(shù)、量子效率有關。流過外電路的電流包括電子和空穴運動形成的電流。設電場強度為E，局部電流密度：

由于穩(wěn)定時，,

實際上，光入射到材料過程中，沿著入射深度方向，光子數(shù)逐漸減少，設入射的光子數(shù)為N0，到達深度x處的光子數(shù)為N(x)，

隨著x深度方向，光生載流子產(chǎn)生率隨入射深度位置x而變化。設樣品足夠厚度，入射的光子在厚度內(nèi)都能被吸收，光生載流子產(chǎn)生率平均值為：則光電流：

1.2.3光電導增益樣品中每產(chǎn)生一個光生載流子所構(gòu)成的流入外電路的載流子數(shù)，即流過外電路橫截面的載流子與同一時間內(nèi)由于光照而產(chǎn)生的載流子數(shù)之比由此可見，光電導的增益與樣品上所加電壓成正比，與樣品長度的平方成反比，減小樣品長度可提高增益。載流子通過兩個電極距離l所需時間稱為渡越時間tr，電子渡越時間為trn，空穴渡越時間為trp，即增益等于載流子壽命與渡越時間之比值，顯然，壽命增加有利于提高增益，但會增加惰性，二者應折衷考慮。光生電子流與所加電壓成正比，電子載流子壽命增加有利于輸出電流的增加。樣品在光照下產(chǎn)生的光電子，電子在外電場下向陽極漂移，如果電子的壽命，大于電子的渡越時間，則在電子從陽極出走之后，為了保持樣品的電中性，必然要從電源的負極吸收一個電子加以補充。單位時間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)=單位時間內(nèi)產(chǎn)生注入外電路的電子數(shù)=兩者之比G：1.2.4光電導靈敏度光電導靈敏度通常定義為單位入射的光輻射功率所產(chǎn)生的光電導率。

設入射的光功率為P，樣品上的光輻照度為Ex，1.2.5光電導惰性和響應時間以上分析了定態(tài)光電導的工作情況，對于非定態(tài)情況，例如當光照開始及撤去的瞬間有，將是時間的函數(shù)，必須解方程才能求得。由于對不同的光照水平和不同的光電導類型，方程的形式不同，故分不同情況進行處理。1弱光情況:即指光生載流子濃度遠小于平衡載流子濃度(小注入)即Δn<<n0，Δp<<p0:光照開始時:光照撤去后

為馳豫時間，表征了光電導的特性，越長，馳豫時間越大，這種現(xiàn)象就是光電導的惰性，

2．強光情況即指Δn>>n0，Δp>>p0的情況

r——空穴、電子復合率初始條件:t=0時,Δn=0當撤去光照時t=0

1.2.6光電導的光譜響應特性

本征激發(fā)的結(jié)果是產(chǎn)生電子空穴對，而雜質(zhì)激發(fā)可能產(chǎn)生電子或空穴，這與雜質(zhì)有關。影響光譜響應有兩個主要因素：光電導材料對各波長輻射的吸收系數(shù)和表面復合率。光譜響應有一峰值，而無論向長波或短波方向，響應都會降低，如圖1-18。在材料不同深度x處獲得的光功率為P=P0(1–)。在較長波長上，光子能量不足，吸收系數(shù)α很小，產(chǎn)生的電子濃度較少，一部分輻射會穿過材料，因此靈敏度低。隨著波長減小，吸收系數(shù)增大，入射光功率幾乎全被材料吸收，量子效率增加，因此光電導率達到峰值。一般峰值靠近長波限，實際定義長波限為峰值一半處所對應的波長。ZnS；2—CdS；3—CdSe；4—Si；5—GaAs；6—PbS；7—Ge；8—PbTe，90K；9—InSb，5K；10—PbSe，90K。

常用的光電導材料的光譜響應1.3光敏電阻

利用光電導效應制成的最典型的光電導器件是光敏電阻。光敏電阻種類繁多，有對紫外敏感的、有對可見光敏感的、有對紅外敏感的，主要由其所使用的材料所決定，光電導材料均可制作成光敏電阻。目前廣泛使用的光敏電阻主要品種有：硫化鎘（CdS）、硒化鎘（CdSe）、硫化鉛（PbS）、硅（Si）、鍺（Ge）、銻化銦（InSb）等。光敏電阻和其它半導體光電器件（如光生伏特探測器）相比有以下特點：(1)光譜響應范圍寬。根據(jù)材料不同，有的在可見光靈敏，有的靈敏域可達紅外區(qū)、遠紅外區(qū)。(2)工作電流大，可達數(shù)毫安。(3)所測的光強范圍寬，即可測弱光，也可測強光。(4)靈敏度高，通過對材料、工藝和電極結(jié)構(gòu)的適當選擇和設計，光電增益可大于1。(5)無極性之分，使用方便。缺點：在強光照下光電線性較差，光電馳豫時間長，頻率特性較差，因此它的應用領域受到一定限制。光敏電阻的主要用途是：用于照相機、光度計、光電自動控制、輻射測量等輻射接收元件。表征光敏電阻器特征的參數(shù)主要有光照靈敏度、伏安特性、光譜響應、溫度特性、γ值等，下面就簡述其結(jié)構(gòu)和特性。1.3.1光敏電阻的結(jié)構(gòu)

光敏電阻器均制作在陶瓷基體上，光敏面均做成蛇形，目的是要保證有較大的受光表面。上面帶有光窗的金屬管帽或直接進行塑封，其目的是盡可能減少外界（主要是濕氣等有害氣體）對光敏面及電極所造成的不良影響，使光敏電阻器的性能長期穩(wěn)定，工作長期可靠。

1.3.2光敏電阻的特性1．光電特性光電流與照度的關系稱為光電特性

Ip=SgEγUa

光電特性:

Ip=SgEγUa

Ip——光電流，即光敏電阻兩端加上一定電壓后，亮電流I與暗電流Id之差；E——光照度；γ——光照指數(shù)，它與材料和入射光強弱有關，對于CdS、PbS等，在弱光照下γ=1，在強光照射下γ=1/2，一般γ=0.5~1；U——光敏電阻兩端所加的電壓；a——電壓指數(shù)，它與光電導體和電極材料之間的接觸有關，歐姆接觸時a=1，非歐姆接觸a=1.1~1.2；Sg——光電導靈敏度。如a=1，在弱光照下γ=1：

Ip=SgEU在弱光照下，Ip與E具有良好的線性，在強光照射下則為非線性，其它光敏電阻也有類似的性質(zhì)。因此光敏電阻在強光時線性特性變差。光電特性:

Ip=SgEγUa

2．光電阻的光電導靈敏度歐姆接觸時，a=1

Ip=GpU

Gp——光電導值，此式即歐姆定律。Gp=Sg·Eγ

線性系數(shù)γ值代表亮阻與光照之間呈非線性