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1、2023/7/30,光信息科学与技术系,1,第二章 光电检测技术基础,2023/7/30,光信息科学与技术系,2,导体、半导体和绝缘体,自然存在的各种物质，分为气体、液体、固体。固体按导电能力可分为：导体、绝缘体和介于两者之间的半导体。电阻率10-6 10-3欧姆厘米范围内导体电阻率1012欧姆厘米以上绝缘体电阻率介于导体和绝缘体之间半导体,2023/7/30,光信息科学与技术系,3,半导体的特性,半导体电阻温度系数一般是负的，而且对温度变化非常敏感。根据这一特性，可以制作热电探测器件。导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变化。（纯净Si在室温下电导率为5*10-6/(欧姆厘米)。掺入硅原
2、子数百万分之一的杂质时，电导率为2/(欧姆厘米)半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影响。,2023/7/30,光信息科学与技术系,4,本征和杂质半导体,本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体。在绝对零度时，价带中的全部量子态都被电子占据，而导带中的量子态全部空着。在纯净的半导体中掺入一定的杂质，可以显著地控制半导体的导电性质。掺入的杂质可以分为施主杂质和受主杂质。施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带提供电子，使半导体成为电子导电的n型半导体。受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同时向价带提供空穴，使半导体成为空穴导电的p型半导体。,2023/7/30,光信息科
3、学与技术系,5,平衡和非平衡载流子,处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度一定。这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为平衡载流子浓度。半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。如果对半导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度也不再是平衡载流子浓度，比它们多出一部分。比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。,2023/7/30,光信息科学与技术系,6,非平衡载流子的产生,光注入：用光照使得半导体内部产生非平衡载流子。当光子的能量大于半导体的禁带宽度时，光子就能把价带电子激发到导带上去，产生电子
4、空穴对，使导带比平衡时多出一部分电子，价带比平衡时多出一部分空穴。产生的非平衡电子浓度等于价带非平衡空穴浓度。光注入产生非平衡载流子，导致半导体电导率增加。其它方法：电注入、高能粒子辐照等。,2023/7/30,光信息科学与技术系,7,载流子的输运过程,扩散漂移复合,2023/7/30,光信息科学与技术系,8,半导体对光的吸收,物体受光照射，一部分光被物体反射，一部分光被物体吸收，其余的光透过物体。吸收包括：本征吸收、杂质吸收、自由载流子吸收、激子吸收、晶体吸收本征吸收由于光子作用使电子由价带跃迁到导带只有在入射光子能量大于材料的禁带宽度时，才能发生本征激发,2023/7/30,光信息科学与技
5、术系,9,杂质吸收和自由载流子吸收,引起杂质吸收的光子的最小能量应等于杂质的电离能由于杂质电离能比禁带宽度小，杂质吸收的光谱区位于本征吸收的长波方向.自由载流子吸收是由同一能带内不同能级之间的跃迁引起的。载流子浓度很大时，导带中的电子和价带中的空穴产生带内能级间跃迁而出现的非选择性吸收,2023/7/30,光信息科学与技术系,10,激子和晶格吸收,指所吸收辐射的能量转变为晶格原子的振动能量，或由库仑力相互作用形成电子和空穴的能量。这种吸收对光电导没有贡献，甚至会降低光电转换效率。,2023/7/30,光信息科学与技术系,11,光电导效应、光生伏特效应和光热效应,光电效应：物质受光照射后，材料电
6、学性质发生了变化（发射电子、电导率的改变、产生感生电动势）现象。包括：外光电效应：产生电子发射 内光电效应：内部电子能量状态发生变化,2023/7/30,光信息科学与技术系,12,光电效应解释,物质在光的作用下，不经升温而直接引起物质 中电子运动状态发生变化，因而产生物质的光电导效应、光生伏特效应和光电子发射等现象。在理解上述定义时，必须掌握以下三个要点：原因：是辐射，而不是升温；现象：电子运动状态发生变化；结果：电导率变化、光生伏特、光电子发射。简单记为：辐射电子运动状态发生变化光电导效应、光生伏特效应、光电子发射。,2023/7/30,光信息科学与技术系,13,光对电子的直接作用是物质产生
7、光电效应的起因,光电效应的起因：在光的作用下，当光敏物质中的电子直接吸收光子的能量足以克服原子核的束缚时，电子就会从基态被激发到高能态，脱离原子核的束缚，在外电场作用下参与导电，因而产生了光电效应。这里需要说明的是，如果光子不是直接与电子起作用，而是能量被固体晶格振动吸收，引起固体的温度升高，导致固体电学性质的改变，这种情况就不是光电效应，而是热电效应。,2023/7/30,光信息科学与技术系,14,光电导效应,光电导效应：光照射的物质电导率发生改变，光照变化引起材料电导率变化。是光电导器件工作的基础。物理本质：光照到半导体材料时，晶格原子或杂质原子的束缚态电子吸收光子能量并被激发为传导态自由
8、电子，引起材料载流子浓度增加，因而导致材料电导率增大。属于内光电效应。包括：本征和非本征两种，对应本征和杂质半导体材料。,2023/7/30,光信息科学与技术系,15,本征光电导效应,本征光电导效应：是指本征半导体材料发生光电导效应。即：光子能量hv大于材料禁带宽度Eg的入射光，才能激发出电子空穴对，使材料产生光电导效应。针对本征半导体材料。即：hvEg即存在截止波长：0=hc/Eg=1.24/Eg。,基本概念：1、稳态光电流：稳定均匀光照 2、暗电导率和暗电流3、亮电导率和亮电流 4、光电导和光电流,2023/7/30,光信息科学与技术系,16,基本公式：,暗电导率Gd=dS/L暗电流Id=
9、dSU/L亮电导率Gl=lS/L亮电流Il=lSU/L光电导Gp=S/L光电流Ip=SU/L,光电导效应示意图,2023/7/30,光信息科学与技术系,17,杂质光电导效应：杂质半导体,杂质半导体中施主或受主吸收光子能量后电离，产生自由电子或空穴，从而增加材料电导率的现象。杂质半导体禁带宽度比本征小很多，因此更容易电离，响应波长比本征材料要长得多。用EI表示杂质半导体的电离能，则截止波长：0=hc/EI。特点：容易受热激发产生的噪声的影响，常工作在低温状态。,常用光电导材料：硅Si、锗Ge及掺杂的半导体材料，以及一些有机物。,2023/7/30,光信息科学与技术系,18,光电导效应指固体受光照
10、而改变其电导率。此效应是最早发现的光电现象。半导体和绝缘体都有这种效应。电导率正比于载流子浓度及其迁移率的乘积。入射光的光子能量等于或大于与该激发过程相应的能隙 E(禁带宽度或杂质能级到某一能带限的距离)，也就是光电导有一个最大的响应波长，称为光电导的长波限C，若C 以m 计，E 以eV 计，则C与E的关系为 C=1.24/E 就光电器件而言，最重要的参数是灵敏度，弛豫时间和光谱分布。下面讨论一下光电导体的这三个参数。,2023/7/30,光信息科学与技术系,19,一、光电导体的灵敏度 灵敏度通常指的是在一定条件下，单位照度所引起的光电流。由于各种器件使用的范围及条件不一致，因此灵敏度有各种不
11、同的表示法。光电导体的灵敏度表示在一定光强下光电导的强弱。它可以用光电增益G来表示。根据恒照即定态条件下电子与空穴的产生率与复合率相等可推导出：G=/tL：（1）式中为量子产额，即吸收一个光子所产生的电子空穴对数；为光生载流子寿命；tL为载流子在光电导两极间的渡越时间，一般有 tL=l/E=l2/U（2）将式（1）代入式（2）可得 G=U/l2,2023/7/30,光信息科学与技术系,20,式中l为光电导体两极间距；为迁移率；E为两极间的电场强度；U为外加电源电压。可知，光电导体的非平衡载流子寿命越长，迁移率越大。光电导体的灵敏度（光电流或光电增益）就越高。而且，光电导体的灵敏度还与电极间距l
12、的平方成反比。如果在光电导体中自由电子与空穴均参与导电，那么，光电增益的表达式为 G=(nn+pp)U/l2 式中n和p分别为自由电子和空穴的寿命；n和p分别为自由电子和空穴的迁移率。,2023/7/30,光信息科学与技术系,21,2、光电导弛豫过程,光电导效应是非平衡载流子效应，因此存在一定的弛豫现象，即光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流需要一定的时间。同样光电流的消失也是逐渐的。弛豫现象说明了光电导体对光强变化的反应快慢程度，称为惰性。,光电导对光强变化反应的惰性引起光电流变化的延迟,当输入功率按照正弦规律变化时,输出光电流与光功率调制频率变化关系是一低通特性。,2023/7/30,光
13、信息科学与技术系,22,3、光电导增益,光电导增益是表征光电导器件特性的一个重要参数，表示长度为L的光电导体在两端加上电压U后，由光照产生的光生载流子在电场作用下形成的外电流与光生载流子在内部形成的光电流之比。可表示为:M=/dr 为器件的时间响应 dr为载流子在两极间的渡越时间,光电导器件常做成梳状电极，光敏面做成蛇形，即保证了较大的受光表面，又可减小电极间距离，从而减小载流子的有效极间渡越时间，也利于提高灵敏度.,光电导器件的光电导增益与带宽积为一常数，即Mf=常数。表明，光电导增益越大，光电灵敏度越高，而器件的带宽越低。反之亦然。这一结论对光电效应现象有普遍性。,2023/7/30,光信
14、息科学与技术系,23,4、光电导的光谱分布 半导体的光电导与光照的波长有密切关系。测量光电导的这种光谱分布是确定半导体材料光电导特性的一个重要方向，它是针对不同实际需要研制材料的一项重要依据。如PbS，PbSe，PbTe可以有效地利用到10m的红外光波段，而CdS可以有效地利用可见光到X光的短波范围。此外，也只有首先确定了光谱分布，才能利用光电导来比较不同波长的光强。(1)本征光电导的光谱分布,2023/7/30,光信息科学与技术系,24,一些典型的半导体本征光电导光谱分布曲线,2023/7/30,光信息科学与技术系,25,由图可以看出，在短波方向，当波长增加时，光电导随之缓慢增加，经过一个最
15、大值后，又陡峭地下降。由于光电导不存在一个明显的长波限，T.S.莫斯提出把光电导的数值降到最大值一半时所处的波长定为长波限。在最大值的长波方面，光电导的下降是较好理解的。因为在长波部分，光子能量低，不足以引起本征光吸收，所以光电导迅速下降。在短波方面，如果光滑曲线是等能量曲线，由照射的光子数目少，自然引起光电导下降；如果光谱曲线是等量子曲线，则光电导下降的物理机理比较复杂。可以肯定，波长短，样品对光的吸收系数大，光生载流子就愈集中于光照表面。这时受表面影响大，诸如表面能级、表面复合与电极等可能降低量子产额，减少载流子迁移率与寿命，都将引起光电导下降。,2023/7/30,光信息科学与技术系,2
16、6,(2)、杂质光电导的光谱分布 半导体杂质吸收光子将杂质能级上的电子或空穴激发成为自由的光生载流子，这就要求光子能量必须大于等于杂质的电离能。由于杂质的电离能小于禁带宽度，因此杂质光电导的光谱响应波长比本征光电导的长。同时由于杂质原子数目少，所以杂质光电导效应相对本征光电导来说也微弱得多。,2023/7/30,光信息科学与技术系,27,掺有不同量砷施主杂质的掺金锗杂质光电导光谱分布曲线,2023/7/30,光信息科学与技术系,28,由图可以看出，光电导在光子能量0.7eV附近陡起明显，表示本征光电导开始。在本征光电导长波限左边，光子能量小于锗禁带宽度（0.68eV），这时光电导显然是杂质光电
17、导光谱曲线继续向左边延伸时，可以看到，在某一波长处曲线迅速下降，这就是杂质光电导的长波限。此处光子的能量等于杂质的电离能。能量再低的光子就不可能激发杂质上的电子或空穴。图中三条曲线各表示掺有不同量的砷施主杂质。金元素在锗中存在多重能级，在不加砷施主杂质时，金是受主，锗是p型半导体（p型Ge：Au），从曲线中看到，长波限在0.05eV处。当加入少量砷施主杂质，此时锗晶体仍是p型（p型Ge：Au：As），长波限相应于0.15eV。当加入足够多的砷施主杂质时，致使锗晶体从p型转变为n型（n型Ge：Au：As），从曲线中可看到长波限相应于0.2eV。,2023/7/30,光信息科学与技术系,29,光生
18、伏特效应,达到内部动态平衡的半导体PN结，在光照的作用下，在PN结的两端产生电动势，称为光生电动势。这就是光生伏特效应。也称光伏效应。,物理本质：PN结内建电场使得载流子（电子和空穴）的扩散和漂移运动达到了动态的平衡，在光子能量大于禁带宽度的光照作用下，激发出的电子空穴对打破原有平衡，靠近结区电子和空穴分别向N区和P区移动，形成光电流，同时形成载流子的积累，内建电场减小，相当于在PN加了一个正向电压。即光生电动势。,2023/7/30,光信息科学与技术系,30,形成过程：,光生（正向）电压产生正向注入电流（由P指N）：I+=Isexp(qV/kT)-1,2023/7/30,光信息科学与技术系,
19、31,当PN结外接回路时，总电流与光生电流和结电流之间关系：I=Ip-I+=Ip-Isexp(qV/kT)-1负载接入外回路，电流为I，则PN结两端电压为：V=(kT/q)ln(Ip-I)/Is+1 PN结开路时，I=0，求得开路电压：Voc=(kT/q)ln(Ip/Is+1)可见Voc与Ip为非线性关系。PN结短路，V=0，求得短路电流即光电流：Isc=Ip=q/h=P没有光照时，Ip=0，外加正向电压为V时，有I+=Isexp(qV/kT)-1注意：光伏效应与光照相联系的是少数载流子的行为，少数载流子的寿命通常很短。所以以光伏效应为基础的检测器件比以光电导效应为基础的检测器件有更快的响应速
20、度。,2023/7/30,光信息科学与技术系,32,与光电效应的区别：光电效应中，光子能量直接变为光电子的能量，光热效应中，光能量与晶格相互作用使其运动加剧，造成温度的升高，从而引起物质相关电学特性变化。,光热效应,可分为:热释电效应、辐射热计效应及温差电效应,1、热释电效应,介质温度在光照作用下温度发生变化，介质的极化强度随温度变化而变化，引起表面电荷变化的现象。,2023/7/30,光信息科学与技术系,33,物理本质：极化晶体,极化晶体：在外电场和应力为零情况下自身具有自发极化的晶体，原因是内部电偶极矩不为零，表面感应束缚电荷。,极化晶体表面束缚电荷，被周围自由电荷不断中和，表面无电荷。光
21、照时，晶体温度升高，电偶极子热运动加剧，极化强度减弱，表面感应电荷数减小，但中和过程（达数秒）要远大于极化强度的响应过程（10-12s），相当于释放了一些电荷，对外表面为电流。可以在这些电荷被中和之间测量到。,2023/7/30,光信息科学与技术系,34,热释电现象中：温度对自发极化强度的影响。,随着温度的升高，自发极化强度越来越弱，当达到一定温度时，自发极化强度为零，极化晶体发生相变为非极化晶体。,2023/7/30,光信息科学与技术系,35,2、辐射热计效应,入射光照射材料由于受热而造成电阻率变化的现象称为辐射热计效应。由温度引起电阻率变化。,阻值与温度变化关系：,当温度变化足够小时，T=
22、1/R*dR/dT,对金属材料，R=BT，则T=1/T，呈反比关系。,对半导体材料，R与T具有指数关系，则T=-B/T2。说明温度越高，电阻温度系数越小。B为常数，典型值3000K。,2023/7/30,光信息科学与技术系,36,3、温差电效应,由两种不同材料制成的结点由于受到某种因素作用而出现了温差，就有可能在两结点间产生电动势，回路中产生电流，这就是温差电效应。,当有光照结点产生温度变化就会产生温差电现象。,另外，如果在图中x，y处接一电动势，导体中产生电流，两个接点1和2处就会出现一个吸热一个放热的现象。,吸（放）热速率：dp/dt=I，称为帖耳帖系数,2023/7/30,光信息科学与技
23、术系,37,光电检测器件的特性参数,光电检测器件利用物质的光电效应把光信号转换成电信号的器件，它的性能对光电检测系统影响很大。根据工作机理的不同，可分为光子检测器件和热电检测器件。,分类,2023/7/30,光信息科学与技术系,38,光子检测器件（即通常意义上的光电检测器件）分类：,2023/7/30,光信息科学与技术系,39,热敏检测器件的特点：1、响应波长无选择性。对各种波长具有相同的敏感性。2、响应慢。即吸收辐射后产生信号所需时间长，在毫秒量级,光子检测器件的特点：1、响应波长有选择性。存在截止波长。2、响应快。一般为纳秒到几百微秒,2023/7/30,光信息科学与技术系,40,特性参数
24、,1、响应度（或称灵敏度）S,其中：Vo和Io分别为光电检测器输出电压和输出电流。P为入射光功率（或用通量表示）。,2、光谱响应度S(),()为入射的单色辐射通量或光通量。,2023/7/30,光信息科学与技术系,41,3、积分响应度S 表示检测器对各种波长的辐射光连续辐射通量的反应程度，光电检测器件输出的电流或电压与入射光通量之比。,各种辐射波长的总光通量为：=?,不同波长光辐射引导的总输出光电流Io=?,则积分响应度S=？式中0和1分别为光电检测器的长波限和短波限。,2023/7/30,光信息科学与技术系,42,4、响应时间：响应时间是描述光电检测器对入射辐射响应快慢的参数。即入射光辐射到
25、检测器后或入射光被遮断后，光电检测器件输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需要的时间。,当一个辐射脉冲照射光电检测器时，如果这个脉冲上升和下降时间很短，则光电检测器由于惰性而有延迟。上升时间r和下降时间f,2023/7/30,光信息科学与技术系,43,5、频率响应S(f)：由于光电检测器信号的产生和消失存在着一个滞后过程，所以入射光辐射的频率对光电检测器的响应将有很大的影响，把光电检测器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性称为频率响应。,利用时间常数可得到频率响应关系：,可求得放大器的上限截止频率：f上=1/2=1/2RC,可见：光电检测器电路时间常数决定了频率响应带宽,2023/7/30,
26、光信息科学与技术系,44,6、热噪声：当入射辐射功率很低时，输出只是些杂乱无章的变化信号，无法肯定是否为入射辐射信号，这是检测器固有的噪声引起的。其时间平均值为零，但均方根不等于零，即存在瞬时电流扰动。这个均方根电压（或电流）即为噪声电压（流）。热噪声是由载流子无规则运动造成的。,热噪声电压和电流均方值为：U=4kTRf I=4kT(f/R)其中R为导体电阻，k为玻耳兹曼常数，T为导体的热力学温度，f为测量系统的噪声带宽。,热噪声存在于任何电阻中，与温度成正比，与频率无关，说明热噪声是由各种频率分量组成，可称为白噪声。,2023/7/30,光信息科学与技术系,45,7、散粒噪声：或称散弹噪声，
27、即穿越势垒的载流子的随机涨落（统计起伏）所造成的噪声。,理论表明，在每个时间段内，穿越势垒区的载流子数或从阴极到阳极的电子数都在一个平均值上下起伏。这种起伏引起的均方噪声电流为：I=2qIDCf 其中IDC为流过器件电流的直流分量（平均值）,q为电子电荷，散粒噪声也属于白噪声。,2023/7/30,光信息科学与技术系,46,8、信噪比（S/N）：信噪比是判断噪声大小通常使用的参数。它是在负载电阻RL上产生的信号功率与噪声功率比。,S/N=PS/PN=IS2RL/IN2RL=IS2/IN2,用分贝（dB）表示：（S/N)dB=10lg(IS2/IN2)=20lg(IS/IN),S/N的大小与入射
28、信号辐射功率及接收面积有关，入射辐射强，接收面积大，则S/N就大。但性能不一定就好，对两种光电器件只有在相同信号辐射功率相同情况下才能比较。,2023/7/30,光信息科学与技术系,47,9、线性度（非线性误差）：线性度是描述光电检测器输出信号与输入信号保持线性关系的，即在规定范围内，光电检测器的输出电量正比于输入光量的性能。光电检测器件的响应度是常数的范围称为线性区。,=max/(I2-I1),光电检测器线性区的大小与检测器后电子线路有很大关系：线性区的下限一般由光电器件的暗电流和噪声因素决定，上限由饱和效应或过载决定。还随偏置、辐射调制及调制频率等条件的变化而变化。,2023/7/30,光
29、信息科学与技术系,48,10、工作温度：光电检测器的工作温度是最佳工作状态时的温度，是光电检测器重要的性能参数之一。光电检测器工作温度不同，工作性能将会有所变化。例如HgCdTe（汞镉碲）检测器在液氮温度时，有较高的信噪比，而锗掺铜光电导器件在4K左右时，有较高的信噪比；如果温度升高，它们的性能会逐渐变差，以致无法使用。又如InSb（锑化铟）器件，工作温度在300K，长波限为7.5um，峰值波长在6um，工作温度为77K时，长波限为5.5um，峰值波长为5um，变化明显。对于热电检测器，环境检测工作温度变化会使响应度和热噪声发生变化，,2023/7/30,光信息科学与技术系,49,作业思考题,简述光生伏特效应的工作原理，为什么光生伏特效应器件比光电导效应器件有更快的响应速度。比较光电效应和光热效应在作用机理、性能及应用特点等方面的差异。,
