第1章光电导探测.ppt

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1、第1章 光电导探测器,光电子器件的种类很多、很广，由于其类型和用途不同，对其性能和参数的要求也不同，评价的参数和方法也不尽相同，在此处只能就其共性进行描述。,由于本课程主要涉及光电探测器和光电成像器件两大类，所以对它们的性能参数也分两大类。,对光电探测器有：响应特性、噪声特性，包括响应率、探测率、时间常数及噪声等。,对光电成像器件有：包括上面参数，还有成像特性，包括：分辨率、空间频率特性以及空间抽样特性等。,1.1 光电子器件的基本特性,信号噪声比乃是反映器件总体特性的综合参数，对描述光电探测器以及光电成像器件都是必不可少的。 本节只叙述光电器件的响应特性、探测率以及吸收系数，其他特性在各章叙

2、述。,1.1.1 光谱响应率和响应率,响应率定义: 光电探测器输出信号电压或电流与单位入射光功率之比，即单位入射光功率作用下探测器输出信号电压或电流称为响应率. 有光谱响应率 和积分响应率R。 是传感器灵敏度相似的概念.,1. 光谱响应率,光谱电压响应率Ru：光电器件在单色(在波长 附近一个很小的波长范围内)辐射功率作用下产生的信号电压为: 光谱电流响应率Ri ：光电器件在单色(在波长 附近一个很小的波长范围内)辐射功率作用下产生的信号电流为，则：,：,光电器件的光谱响应曲线: 归一化，可得相对光谱响应率： Rm为光谱响应率的最大值.,光谱量子效率 : 单色入射辐射量子数 由产生的信号量子数

3、光谱响应率及量子效率仅由器件的响应特性所决定,而与光源无关。,把 转化为 ： 以m为单位，则 以A/W为单位。 如果以nm为单位，则 以mA/W为单位。 此公式计算简单，常在工程中应用到。 光谱响应率及量子效率仅由器件的响应特性所决定，而与光源无关。,简称为响应率R，为器件输出信号与输入功率之比: 电压响应率: P入射辐射功率 us输出信号电压 电流响应率： Is输出信号电流 量子效率 : NP入射辐射量子数 Ns由NP所产生的信号量子数 响应率实质上反映了器件的灵敏程度，因此，响应率又被叫做灵敏度或积分灵敏度，而相应的光谱响应率叫做光谱灵敏度。,2. 积分响应率,光度量的电压响应率和电流响应

4、率: 输入光通量 对给定色温的光源，其光通量与辐射功率P之比是一定的,辐射响应率与光度响应率的关系:,3 .光谱响应率与响应率的关系 光源辐射功率谱密度 定义为单位波长范围内的辐射功率，即： 光源辐射功率谱密度随波长的分布曲线如图1-2，是光源的特性。 光源光谱辐射功率谱密度归一化: Pm：单色辐射功率最大值 P：单色辐射功率的相对值,称为器件同光源的光谱匹配系数 它反映了器件响应的波长范围同光源光谱的吻合程度。,器件的光谱响应同光源的光谱辐射的匹配程度: 在光源固定的情况下，面积A1是不变的，如果与曲线重合得愈多，面积A2愈大，也就是光谱匹配愈好， 愈大； 反之，如果两曲线没有重合之处，=0

5、，即二者完全失配，则该光电器件对光源没有探测能力。,光谱匹配是选择光电探测器，如像管、光电倍增管、红外成像器件的光电转换材料的重要依据。 希望光电探测器尽量与光源匹配。由于夜视器件大部分工作在夜晚，其红外波段辐射较集中，因此，制作夜视探测器要尽量向红外方向延伸。 要探测那个波段的光辐射的信号，就要使器件的响应范围与光辐射的波段尽量一致。,功率谱密度,波长(nm),400,800,1200,1600,2000,紫外线,可见光,红外线,黄绿光,太阳辐射,0,1.1.2 最小可探测辐射功率和探测率,1. 最小可探测辐射功率Pmin： 当输出信号电压等于输出噪声电压均方根值时的探测器的入射辐射功率 P

6、入射辐射功率； un噪声电压均方根； us输出信号电压。,噪声,光电探测器输出的电流或电压在其平均值上下起伏.,这种起伏是一种无规则的、随机的，在某一瞬间的幅度不能预先知道，并且与其前后相邻时刻的幅度大小也毫无关系，这种起伏称为噪声，这种噪声是物理过程中所固有的，是不可能人为消除的。,由于噪声是在平均值附近的随机起伏，其瞬间值是不确定的，其长时间的平均值为零，简单地求平均没有意义，有意义的是足够长时间内求其平方平均值或均方根。,当有多个噪声源同时存在时，只要这些噪声源是独立，互不相关的，其噪声功率就可进行相加。,在信号较弱时，光电探测器的噪声会显著地影响信号探测的准确性，另外，噪声也限制了系统

7、可能探测到的最小信号功率，因为信号太弱，就被噪声所掩没，难以被发现。,当入射辐射较弱时，所产生的信号电压等于噪声电压时，此时信号被淹没在噪声之中，而不能分辨信号，此时该入射的辐射功率为该探测器所能探测到的最小功率，因此，又称为噪声等效功率,NEP(Noise Equalance Power)。当然Pmin越小，器件的探测能力越强，Pmin越小越好，但这不符合人们的习惯表示方法，因此引入探测率 。,最小可探测辐射功率Pmin： 当输出信号电压等于输出噪声电压均方根值时的探测器的入射辐射功率 P入射辐射功率； un噪声电压均方根； us输出信号电压。,2. 探测率D 对Pmin取倒数作为衡量探测器

8、探测能力的参数称为探测率 D越大，表示器件的探测性能越好,NEP(Noise Equalance Power)。当然Pmin越小，器件的探测能力越强，Pmin越小越好，但这不符合人们的习惯表示方法，因此引入探测率 。,探测率与探测器的面积和工作频率带宽有关，为了将不同面积和不同工作带宽的器件进行比较，必须消除两个因素的影响。,表示探测器接收面积为1cm2，工作带宽为1Hz时的单位入射辐射功率所产生的信噪比。,研究指出，探测率与器件的面积和工作带宽成反比。,的测量是在一定的条件下进行的，如一定的黑体光源的温度，调制频率，测量系统的带宽等，测量值的 (T, f, )如(500, 900, 5) 。

9、,为了描述单色情况，还引入光谱探测率,它表示器件对波长为 的辐射的探测率.,目前基本上用 取代了D，若无特殊说明，本书所称的探测率均指 而言。,1.1.3 光吸收系数,光入射到材料，会发生吸收、色散、反射、折射等现象。对半导体而言，材料吸收光的原因，在于光与处在各种状态的电子、晶格原子和杂质原子的相互作用。,设入射光的强度为I0，入射到样品厚度为x处的光强度为I，则经过dx的厚度，光强度的减少量为dI，dI与入射光强度和厚度成正比，,负号表示光强度的衰减，为线吸收系数，单位为（1/cm）。,设初始入射光强度为I0,如果样品厚度为d，则样品吸收的光强度I为：,当厚度d=1/时，光强I= I0/e

10、, 约为入射光强的36%，此时的厚度称为吸收厚度，有64%的光在1/厚度内被吸收，即在吸收厚度内吸收了大部分的光，如图1-5。 当样品厚度 时，光在样品内被全部吸收。,可见吸收系数大，光吸收主要发生在材料的表层。吸收系数小，光入射得深。,如果样品厚度为d，则样品吸收的光强度I为：,吸收系数是光波长或光子能量的函数()，且各材料的吸收系数不同，吸收系数与材料的禁带宽度以及掺杂浓度等有关。图1-6为Si、 Ge、GaAs半导体的吸收系数与光子能量的关系。,半导体的光吸收有本征吸收、杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收、晶格振动吸收等多种吸收机制。其中，最主要的吸收是本征吸收。 价带中的电子吸收了能量

11、足够大的光子后，受到激发，越过禁带，跃入导带，并在价带中留下一个空穴，形成了电子空穴对，这种跃迁过程所形成的光吸收过程称为本征吸收。,要产生本征吸收，光子的能量必须大于或等于禁带的宽度Eg，即,换算成光波长的表达式，可得,就是说，波长必须满足：,叫做本征吸收的长波限，又称为阈值波长。,所以要产生本征光吸收，光波长必需小于长波限。,对于杂质光吸收，要求入射光子能量大于杂质电离能Ei，,Ei=EcED EC, ED分别为导带底和杂质能级。,可得杂质光吸收的长波阈值为：,光电导探测器,1.2 光电导探测器原理,内光电效应: 材料在吸收光子能量后，出现光生电子空-穴，由此引起电导率变化或电流电压现象，

12、称之为内光电效应，是相对于外光电效应而言的。 光电导效应：当半导体材料受光照时，吸收光子引起载流子浓度增大，产生附加电导率使电导率增加，这个现象称为光电导效应。,材料对光吸收有本征型和非本征型，所以光电导效应也有本征型和非本征型。 当光子能量大于禁带宽度时，把价带中的电子激发到导带，在价带中留下自由空穴，从而引起材料导电率的增加，这是本征光电导效应。 若光子能量激发杂质半导体的施主或受主，使它们电离，产生自由电子或空穴，从而增加材料电导率，这种现象就是非本征光电导效应。 材料受光照引起电导率的变化，在外电场作用下就能得到电流的变化，通过测量回路的电流，就能检测到电导率的变化。,1.2.1 光电

13、导效应,1欧姆定律,电导率:,欧姆定律的微分形式,电流:,电流密度J:,2漂移速度和迁移率 电子在电场作用下，沿着电场的反方向作定向运动称为漂移运动，定向运动的速度称为漂移速度。,设导体中电子浓度为n，电子的漂移速度为Vd，导体截面为S，则单位时间内通过截面的电子数nVd1S，则： I=neVdS J=neVd 当导体内部电场恒定时，电子应具有一个恒定不变的平均漂移速度，电场强度增大时，平均漂移速度也增大；反之亦然，所以平均漂移速度的大小与电场强度成正比。 Vd =E 称为电子迁移率，表示单位电场下电子的平均漂移速度，单位m2/Vs， 值与材料特性有关，,电导率和迁移率间的关系,3半导体的电导

14、率,Jn, JP分别表示电子和空穴电流密度，n, p表示电子、空穴的浓度，,4光电导效应,本征半导体在没有光照时，电子空穴浓度记为n0, p0，此时电导率为 ,为暗电导,在光注入时，半导体电导率：,电导率增量：,1.2.2 光电导电流,设光电导体两边的电极对光电导体中载流子的运动不产生影响，即只有光电导体的载流子移到电极上，而电极上的电子不能注入到光电导体中。,如图,设电极间的距离为l，宽度为w，样品厚度为d，样品横截面积为S=wd,光照射在样品上，单位时间内入射在单位面积的光子数为N0，样品的线性吸收系数为 ，量子效率为 ，则样品表面的光生载流子产生率，即单位时间单位体积内电子空穴对g为：,

15、由于在产生的同时，还伴随着载流子的复合消失，所以光生载流子浓度的变化关系为(注：下式是在弱光照射时成立，如为强光，公式将不同。而且略去了载流子的浓度扩散梯度和表面复合。) 分别为电子和空穴的平均寿命。,当产生率和复合率达到平衡状态时，即稳定状态光生电子和空穴浓度分别为：,定态光电导率,定态光电导率,与载流子的迁移率、寿命、光电导体的线性吸收系数、量子效率有关。,流过外电路的电流包括电子和空穴运动形成的电流。设电场强度为E，局部电流密度： 由于稳定时， , 实际上，光入射到材料过程中，沿着入射深度方向，光子数逐渐减少，设入射的光子数为N0，到达深度x处的光子数为N(x)，,随着x深度方向，光生载

16、流子产生率随入射深度位置x而变化。,设样品足够厚度，入射的光子在厚度内都能被吸收，光生载流子产生率平均值为：,则光电流：,1.2.3 光电导增益 样品中每产生一个光生载流子所构成的流入外电路的载流子数，即流过外电路横截面的载流子与同一时间内由于光照而产生的载流子数之比 G 为光电导增益,由此可见，光电导的增益与样品上所加电压成正比，与样品长度的平方成反比，减小样品长度可提高增益。,载流子通过两个电极距离l所需时间称为渡越时间tr，电子渡越时间为trn，空穴渡越时间为trp，,即增益等于载流子寿命与渡越时间之比值，显然，寿命增加有利于提高增益，但会增加惰性，二者应折衷考虑。光生电子流与所加电压成

17、正比，电子载流子寿命增加有利于输出电流的增加。,样品在光照下产生的光电子，电子在外电场下向阳极漂移，如果电子的寿命 ，大于电子的渡越时间 ，则在电子从阳极出走之后，为了保持样品的电中性，必然要从电源的负极吸收一个电子加以补充。,单位时间内产生的光电子数=,单位时间内产生注入外电路的电子数=,两者之比G：,1.2.4 光电导灵敏度,光电导灵敏度通常定义为单位入射的光辐射功率所产生的光电导率。,设入射的光功率为P， 样品上的光辐照度为Ex，,1.2.5 光电导惰性和响应时间,以上分析了定态光电导的工作情况，对于非定态情况，例如当光照开始及撤去的瞬间有 ，将是时间的函数，必须解方程才能 求得。 由于

18、对不同的光照水平和不同的光电导类型，方程的形式不同，故分不同情况进行处理。,1 弱光情况:即指光生载流子浓度远小于平衡载流子浓度(小注入)即n n0，pp0: 光照开始时: 光照撤去后 为驰豫时间，表征了光电导的特性，越长，驰豫时间越大，这种现象就是光电导的惰性，,2强光情况 即指n n0， p p0的情况 r空穴、电子复合率 初始条件:t=0时, n=0 当撤去光照时t=0,1.2.6 光电导的光谱响应特性,本征激发的结果是产生电子空穴对，而杂质激发可能产生电子或空穴，这与杂质有关。 影响光谱响应有两个主要因素：光电导材料对各波长辐射的吸收系数和表面复合率。 光谱响应有一峰值，而无论向长波或

19、短波方向，响应都会降低，如图1-18。在材料不同深度x处获得的光功率为P=P0(1 )。在较长波长上，光子能量不足，吸收系数很小，产生的电子浓度较少，一部分辐射会穿过材料，因此灵敏度低。 随着波长减小，吸收系数增大，入射光功率几乎全被材料吸收，量子效率增加，因此光电导率达到峰值。一般峰值靠近长波限，实际定义长波限为峰值一半处所对应的波长。,ZnS；2CdS；3CdSe；4Si；5GaAs；6PbS；7Ge；8PbTe，90K；9InSb，5K；10PbSe，90K。,常用的光电导材料的光谱响应,1.3 光敏电阻,利用光电导效应制成的最典型的光电导器件是光敏电阻。光敏电阻种类繁多，有对紫外敏感的

20、、有对可见光敏感的、有对红外敏感的，主要由其所使用的材料所决定，光电导材料均可制作成光敏电阻。目前广泛使用的光敏电阻主要品种有：硫化镉（CdS）、硒化镉（CdSe）、硫化铅（PbS）、硅（Si）、锗（Ge）、锑化铟（InSb）等。,光敏电阻 分类,本征型,掺杂型,入射光子的能量大于或等于半导体的禁带宽度时能激发电子空穴对,入射光子的能量大于或等于杂质电离能时就能激发电子空穴对,常用于可见光波段测试,常用于红外波段甚至远红外测试,常用光电导材料,每一种半导体或绝缘体都有一定的光电导效应，但只有其中一部分材料经过特殊处理，掺进适当杂质，才有明显的光电导效应。现在使用的光电导材料有-族、-族化合物，

21、硅、锗等，以及一些有机物。,光敏电阻演示,当光敏电阻受到光照时，光生电子空穴对增加，阻值减小，电流增大。,暗电流（越小越好）,光敏电阻和其它半导体光电器件（如光生伏特探测器）相比有以下特点： (1) 光谱响应范围宽。根据材料不同，有的在可见光灵敏，有的灵敏域可达红外区、远红外区。 (2) 工作电流大，可达数毫安。 (3) 所测的光强范围宽，即可测弱光，也可测强光。 (4) 灵敏度高，通过对材料、工艺和电极结构的适当选择和设计，光电增益可大于1。 (5) 无极性之分，使用方便。 缺点：在强光照下光电线性较差，光电驰豫时间长，频率特性较差，因此它的应用领域受到一定限制。,光敏电阻的主要用途是：用于

22、照相机、光度计、光电自动控制、辐射测量等辐射接收元件。 表征光敏电阻器特征的参数主要有光照灵敏度、伏安特性、光谱响应、温度特性、值等，下面就简述其结构和特性。,1.3.1 光敏电阻的结构,光敏电阻器均制作在陶瓷基体上，光敏面均做成蛇形，目的是要保证有较大的受光表面。上面带有光窗的金属管帽或直接进行塑封，其目的是尽可能减少外界（主要是湿气等有害气体）对光敏面及电极所造成的不良影响，使光敏电阻器的性能长期稳定，工作长期可靠。,光敏电阻实物图,当光敏电阻受到光照时， 阻值减小。,1.3.2 光敏电阻的特性 1光电特性 光电流与照度的关系称为光电特性 Ip=SgEUa,光电特性 : Ip=SgEUa,

23、Ip光电流，即光敏电阻两端加上一定电压后，亮电 流I与暗电流Id之差； E光照度； 光照指数，它与材料和入射光强弱有关，对于 CdS、PbS等，在弱光照下=1，在强光照射下=1/2，一般=0.51； U 光敏电阻两端所加的电压； a电压指数，它与光电导体和电极材料之间的接触有关，欧姆接触时a=1，非欧姆接触a=1.11.2； Sg光电导灵敏度。,如a=1，在弱光照下=1： Ip=SgEU 在弱光照下，Ip与E具有良好的线性，在强光照射下则为非线性，其它光敏电阻也有类似的性质。因此光敏电阻在强光时线性特性变差。,光电特性 : Ip=SgEUa,2光电阻的光电导灵敏度,欧姆接触时，a=1 Ip=G

24、pU Gp光电导值，此式即欧姆定律。 Gp=SgE 线性系数值代表亮阻与光照之间呈非线性，值是光敏电阻器的一个重要参考数据，,Ip=SgEUa,响应量光电导与输入量之比，所以Sg为光电导灵敏度。 如=1， （1-134） 单位为西门子/勒克斯（s/lx）。 对于光敏电阻来说，电流有暗电流Id，亮电流I与光电流Ip ，电导也有暗电导Gd，亮电导G和光电导Gp之分，即 I=Ip+Id ，G=Gp+Gd。 所以亮电流I： I=(SgE+Gd)U,3伏安特性,两个明显的特点,一:在额定功率范围内（如50mW）光电流与所加电压成线性，即电流正比于所施加外电压。 二:当光敏电阻器上承受的功率超过它本身的额

25、定功率后，曲线开始变弯，趋向饱和，电流并未继续增大，即大部分光生载流子已参与为光电流。,4温度特性,亮电阻的温度系数,5频率特性 光敏电阻频率特性 1-硒 2-硫化硒 3-硫化铊 4-硫化铅,光敏电阻采用交变光照时，其输出随入射光频率的增加而减少，这是因为光敏电阻是依靠非平衡载流子效应工作的，非平衡载流子的产生与复合都有一个时间过程，这个时间过程即在一定程度上影响了光敏电阻对变化光照的响应。 光敏电阻频带宽度都比较窄，在室温下，一般不超过几千赫兹，,6光谱响应特性,光敏电阻的光谱响应特性主要由所用的半导体材料所决定。光敏电阻可用于与人眼有关的仪器，如照相机、照度计、光度计等，它们的光谱响应曲线

26、形状与人眼的光谱光视效能V（）曲线还不完全一致，在使用时，必须加滤光片加以修正。,硫化铅光谱响应曲线,温度对光谱响应影响较大，如图1-29和图1-31所示， 一般地说，光谱响应主要由材料禁带宽度决定，禁带宽度越窄则对长波越敏感，但禁带很窄时，半导体中热激发也会使自由载流子浓度增加，使复合运动加快，灵敏度降低，因此采用冷却灵敏面的办法来降低热发射，来提高灵敏度往往是很有效的。温度降低，使灵敏范围和峰值向长波范围移动，降低了热发射，提高了灵敏度。,红外光电导探测率图 碲镉汞的光谱响应特性,*7. 噪声特性,热噪声（1MHz）,产生复合噪声(1kHz1MHz),电流噪声（低频）,高频,低频,高频,低

27、频,1、噪声及探测率,/f,热噪声,产生复合噪声,总噪声,f,fc,0,总噪声,2. 噪声对偏流的影响,分析：流过探测器的电流近似恒定电流，与Rd无关,不随光辐射的变化而变化。,1. 恒流偏置,四、光电导探测器三种偏置方式,特点：信号受探测器电阻影响严重！,例：高阻PC探测器的恒流偏置电路,如果采用左图简单的恒流偏置电路要求RLRd，又要IL较大，则VB要求很高电压。 例：VB（RLRd）IL=(500K+100K)0.5mA=300 V,例：锑化铟（InSb）PC探测器（77K）的恒流偏置电路,2.恒压偏置,分析：探测器上的电压近似等于VB，与Rd无关，基本恒定，与光辐射变化无关。但流过探测

28、器的偏流不恒定，随Rd变化。,特点：输出信号电压不受探测器电阻Rd的影响!,例：硫化铅（PbS）PC探测器的恒压偏置,特点：与上两种偏置比较，当Rd变化时探测器上的功率变化最小(恒功率的来源)。 输出信号电压的变化也最大。,3. 恒功率偏置（匹配偏置）,功率匹配,例：锑化铟（InSb）光电导探测器（77K）的匹配偏置电路,由偏置电压源（12V）和R1，DW1,R2,R3以及C1构成的稳压滤波电路提供稳定的偏置电压。探测器暗阻（77K时）为1.8k，RL亦为1.8k，构成匹配偏置。注意该处的稳压管DW2用来保护探测器，使之两端电压不超过额定值。,4. 三种偏置方式比较,（1）从响应度和偏置电压源

29、方面比较,恒流偏置（RLRd，取RL=10Rd),匹配偏置（RL = Rd）,恒压偏置（RLRd，取RL=Rd/10）,响应度: 恒流偏置匹配偏置恒压偏置,由于恒流偏置需要很高的VB，在实用中可采用匹配偏置而获得与恒流偏置相当的响应度。,偏置电压: 恒流偏置匹配偏置恒压偏置,（2）从放大器输出的S/N比较,当探测器与放大器系统的噪声以放大器的非热噪声（1/f噪声, g-r噪声）和前放的In为主时，信噪比与偏置方式无关（即与RL无关）。,当系统以探测器的热噪声和前放的En为主时：,恒流偏置S/N匹配偏置S/N恒压偏置S/N。,5小结 （1）PC探测器一定要加偏置电路。 （2）设计偏置电路时（确定

30、VB和RL ），首先要根据所用探测器的信号噪声及S/N输出对偏置电流IL的关系曲线选定IL值。通常在S/N最大值范围内选取。 （3）根据VB IL （RL+Rs），在Rd，RL，IL已定下，算出VB值，且满足VBVBmax，否则需重新设计选定。,（4）选定IL值，再根据系统情况选择偏置方式来确定RL值。 一般按 S/N大为准则，优先选用恒流偏置，即RL Rd（一般为RL10Rs），无必要或不便采用恒流偏置时，可用恒压和匹配偏置。 选用恒压偏置时，一般使10RLRd，其信号输出幅值稳定，受Rd变化影响小。 对于高阻探测器（ Rd一般大于1M），一般不采用恒流偏置（偏压要相当高），同时如对响应时间也有较高要求，则RL就不能选大，而常采用恒压偏置或匹配偏置。,实例一,Infrared detector module with preamp,实例二,PbS photoconductive detector,应用实例：照相机电子快门,图所示为利用光敏电阻构成的照相机自动曝光控制电路，也称为照相机电子快门。,电子快门常用于电子程序快门的照相机中，其中测光器件常采用与人眼光谱响应接近的硫化镉(CdS)光敏电阻。照相机曝光控制电路是由光敏电阻R、开关K和电容C构成的充电电路，时间检出电路(电压比较器)，三极管T构成的驱动放大电路，电磁铁M带动的开门叶片（执行单元）等组成。,