第三章光辐射探测器

光热探测器对光辐射的响应有两个过程： •器件吸收光能量使自身温度发生变化 共性
•把温度变化转换为相应的电信号
个性
光热探测器的最大特点是： 从紫外到40μm以上宽波段范围，其响应 灵敏度与光波波长无关，是对光波长无选 择性探测器。响应速度较慢 。
探测器遵从的热平衡方程：
Ct d(dTt)GtT
设入射光的表达式为： 0(1ejt)
以上两式表明：PN结两边少数载流子
与多数载流子之间的关系。
热平衡状态下，PN结中漂移运动等 于扩散运动，净电流为零。
当在PN结两端外加电压U，使势垒高度由 qUD变为q(UD–U)，引起多数载流子扩散时， 少数载流子产生增量Δnp、Δpn，有关系式：
np np eq(UDU)/kT nn
pn pn eq(UDU)/kT pp npnp(eqU /k T1)
cI f
f
多数器件的1/f噪声在200～300Hz以 上已衰减为很低水平。
五、温度噪声
在光热探测器中，由于器件本身吸收和传导
等热交换引起的温度起伏。
tn2
4kT2f
Gt[1(2ft
)2]
低频时
t
2 n
4kT 2f Gt
也具有白噪声性质。
光电探测器 噪声功率谱 综合示意图
3.1.4 光探测器的性能参数 一、光电特性和光照特性
PN结导电特性： U 0 正向偏置，电流随着电压
的增加急剧上升。
U 0 反向偏置，电流为
反向饱和电流。
U 0热平衡状态 ，I=0
二、光照下的PN结 h > E g 产生电子-空穴对。
在自建电场作用下， 光电流Iφ的方向与I0相同。
光照下PN结的电流方程为
II0eqU/kT(I0I) I S
光照下PN结的两个重要参量:
很有指导意义。
二、响应时间
光电导张驰过程
非平衡载流子的 产生与复合都不 是立即完成的， 需要一定的时间。
1.半导体材料受阶跃光照：
受光时
d(n) Gn
dt
t=0时， n0 nG(1et/)
停光时
d(n) n
dt
t=0时, nG（光照下的稳态值）
nGet/
光电导张驰过程的时间常数就是载流子的寿命τ
2.半导体材料受正弦型光照
金属光电发射的量子效率都很低,且大多数金属 的光谱响应都在紫外或远紫外区。
半导体光电发射的量子效率远高于金属：光电发 射的过程是体积效应，表面能带弯曲降低了电子 逸出功，特别是负电子亲和势材料(NEA)。
P型Si的光电子需克服的有效亲和势为
EAeEA2Ed
由于能级弯曲，使 Ed EA2
这样就形成了负电子亲和势。
定义光电导增益 MqIpNU L2(nnpp)
M U L 2nnU L 2ppM nM p
电子在两极间 的渡越时间
tn
L
n
L2
nU
M
n
n
tn
M
p
p tp
n p
M M nM ptntp(t1 nt1 p)
如果定义 1 1 1 tr tn tp
则有 M tr
以上分析，对光敏电阻的设计和选用
电荷密度等于自发极化矢量Ps。
当用斩波器调制入射光，使矩形光脉 冲（周期小于ΔQ的平均寿命）作用到热 电晶体表面的黑吸收层上，交变的ΔT使 得晶体表面始终存在正比于入射光强的 极化电荷。这种现象称为热释电效应。
np就愈大，导电性愈好。
在本征半导体中， n ip i(N cN v)1/2e E g/2kT
则有 np ni2 平衡态判据
可得出，少子浓度：
np
n
2 i
NA
pn
n
2 i
ND
二、非平衡状态下的载流子
半导体受光照、外电场作用，载流子浓度 就要发生变化，这时半导体处于非平衡态。
载流子浓度对于热平衡时浓度的增量， 称为非平衡载流子。
短路(RL→0)情况,U=0 短路电流为
开路(RL→∞)情况,I=0开 路电压为
Isc I
Uoc
kT q
ln( I I0
1)
3.1.2.4 光电发射效应
光照到某些金属或半导体材料上，若 入射的光子能量足够大，致使电子从 材料中逸出，称为光电发射效应，又
称外光电效应。
爱因斯坦定律 12me2 hW
一、稳态光电导与光电流
暗态下
Gd
d
A L
Id
GdUd
AU L
亮态下
G A
L
光电导 光电流
I GU AU
L
G pG G d(d)L A L A
IpIId(GG d)UA LU
d q ( n n p p )
n N n
AL
p N p
AL
Ip qA ( n L n U pp ) q L 2N (nn U pp )
3.1.2 光电效应
光电效应是物质在光的作用下释放出 电子的物理现象。
分为: 光电导效应 光伏效应 光电发射效应
3.1.2.1 半导体中的载流子
载流子:能参与导电的自由电子和自由空穴。
载流子浓度:单位体积内的载流子数。
I: n i p i
N: nn > p n P: n p < p p
室温下 nn N（D 施主浓度）
JnD
qDn
dn dx
JpD
qDp
dp dx
2.漂移
载流子受电场作用所发生的运动。
欧姆定律的微分形式 JE
对于电子电流 υJnnqEυ｝ nqn
同理，对于空穴电流有
pqp
漂移电流密度矢量 Jn nqnE
Jp pqpE
3.1.2.2 光电导效应
半导体材料受光照,吸收光子引起载流 子浓度增大，从而材料的电导率增大。
第三章光辐射探测器
3.1 光辐射探测器的 理论基础
光辐射探测器的物理效应主要是 光热效应和光电效应。
3.1.1 光热效应
当光照射到理想的黑色吸收体上时， 黑体将对所有波长的光能量全部吸收， 并转换为热能，称为光热效应 。
热能增大，导致吸收体的物理、机械 性能变化，通过测量这些变化可确定 光能量或光功率的大小，这类器件统 称为光热探测器。
全电离时 pp N（A 受主浓度）
一、热平衡状态下的载流子浓度
由（1.26）式，
f(E) 1 1e(EEf )/kT
可得出：
nNe pNe [(EcEf)/kT ] c
[(Ef Ev)/k T ] v
n p N c N v e (E c E v )/k TN c N v e E g/kT 上式表明：禁带愈小，温度升高，
四、响应时间与频率特性
如同光电导驰豫，光探测器对信号光 的响应表现出惰性。
对于矩形光脉冲信号，其响应出现上升沿 和下降沿，响应时间τ。
对于正弦型调制光，响 S(f)
S0
应率随频率升高而降低 。
1(2f)2 1/2
fc
1
2
响应时间τ越小， 频率特性越好。
3.2 光热探测器
3.2.1 热敏电阻
由Mn、Ni、Co、Cu氧化物或Ge、 Si、InSb等半导体做成的电阻器，其 阻值随温度而变化，称为热敏电阻。
光电流I,大小为微安级或毫安级。
光电特性 I F() 光照特性 I F(L)
线性度很重要。
二、光谱特性
I FI()
UFU()
光谱特性决定于光电器件的材料。
光谱特性对选择光电器件和光源有重要 意义，应尽量使二者的光谱特性匹配。
光电器件的灵敏度（响应率）
光谱灵敏度 积分灵敏度
SU
()
U() ()
SU
U
当hν＝W，对应的光波长为阈值波长或长波限。
h hc W max
max
hc W
h4.1 3 1 1 0e 5 V s
c31014m/s
max1W .24(m)
金属材料的电子逸出功 W —从费米能级至真空能级的能量差。
半导体材料的电子逸出功 WEg EA
良好的光电发射体，应该具备的基本条件：
光吸收系数大； 光电子逸出深度大 ； 表面势垒低 。
半导体材料吸收光子能量而转换成电能是 光电器件工作的基础。
1.半导体对光的吸收
本征吸收
h Eg
或
hc
Eg
hc
h c
c
Eg
c 为长波限。
杂质吸收 h 电离能 E g
半导体对光的吸收主要是本征吸收 < c
2.光生载流子
半导体受光照射而产生的非平衡载流子。
np 约为1010cm-3 ;
而热平衡时，多子浓度约为 1015cm3 少子浓度约为 104cm3
pnpn(eqU /k T1)
扩散电流 密度
JnD
qDn
n Ln
J pD
qDp
p Lp
JnDqD Lnn np(eqU/kT1) JpDqD Lpp pn(eqU/kT1)
则流过PN结的电流密度为
JJnDJpDq(np
D Lnn pn
Dp)(eqU/kT Lp
1)
J0(eqU/kT 1)
PN结电流方程为 II0(eqU /kT1)
3.1.2.3 光伏效应
光照射到半导体PN结 上，光子在结区激发
出电子-空穴对。
P区、N区两端产生电位 差
—光电动势
一、热平衡状态下的PN结
由第一章已知，在热平衡状态下，由于 自建场的作用，PN结能带发生弯曲。
qU D
E
n f
E
p f
Ecp Ecn
由式（3.7）、（3.8） 可得出
n Ne(EcpEfp)/kT
可减少噪声功率。
二、散粒噪声
在光子发射、电子发射、电子流中存在的随机起伏 。
in2 2qIf
散粒噪声也属于白噪声。
三、产生-复合噪声
在半导体器件中，载流子不断地产生-复合， 使得载流子浓度存在随机起伏。
in2
4I2f N0[1(2f)2}
四、1/f噪声
是一种低频噪声，几乎所有探测器中都存在。
i n2
（即正弦调制光）: d(n)Giet n
dt
可得出
n G eit
1i
n G n0 1()2 1()2
当1
2f c
1
n
1 2
n0
fc
1
2
fc
:
上限截止频率
3dB 带宽
光电导增益与带宽之积为一常数：
1 1
Mfc
tr
2 2tr
这一结论有一定的普遍性： 它表示材料的光电灵敏度
与频率带宽是相互制约的。
表示噪声值的大小。
噪声的功率谱 N( f )
表示噪声功率随 频率的变化关系。
光探测器中固有噪声主要有： 热噪声、散粒噪声、
产生-复合噪声、1/f噪声、 温度噪声。
一、热噪声
热噪声存在于任何导体与半导体中，是由于 载流子的热运动而引起的随机起伏。
in2
4k Tf R
un2 4kTfR
热噪声属于白噪声，降低温度和通带，
SI
()
I() ()
I SI
积分灵敏度不但与探测器有关，而且 与采用的光源有关。
三、等效噪声功率和探测率
等效噪声功率 NEP
探测器的最小可探测功率（噪声功率水平）
NEP
NEP
I / in2
U / un2
等效噪声功率越小，说明探测器本身的
噪声水平低，探测器的性能越好。
用探测率D作为探测器 D 1 SI
p
c
n Ne(EcnEnf )/k T
n
c
Ecp Ecn kTlnnn(np)qUD
在室温下， nn ND np ni2 / NA
得出
UDkqTlnn n(n p)kqTlnNn AN i2D
在一定温度下，PN结两边的掺杂浓度愈高， 材料的禁带愈宽，UD愈大。
np eqUD / kT nn
pn eqUD / kT 1. 2E 4A(m)
负电子亲和势材料的阈值波长
从而光谱响应可扩展到 可见、红外区。
maxEhgc1E.2g4(m)
3.1.3 光探测器的噪声
光探测器在光照下输出的电流或电压信号 是在平均值上下随机起伏，即含有噪声。
用均方噪声
i
2 n
.
u
2 n
可见，一切半导体光电器件对光的响应 都是少子的行为。
载流子的复合：电子-空穴对消失。只要有 自由的电子和空穴，复合过程就存在。
•直接复合
•间接复合
光生载流子的寿命
—光生载流子的平均生存时间
复合率：单位时间内载流子浓度减少量： n
三、载流子的扩散与漂移
1.扩散
载流子因浓度不均匀而发生的定向运动。
探测能力的指标:
NEP in2
探测率D表明探测器探测单位入射辐 射功率时的信噪比，其值越大越好。
归一化等效噪声功率为 NE P(AN dfE )1/2P(Adfi)n21/2SI
归一化探测率为 DN1E P (Adfi)n 21/2SI D(Adf)1/2
在给出 D* 时，常要标记出它们的测量条件 T , f , f ,如D*(500K,800,50)。
当它们吸收了光辐射，温度发生变化， 从而引起电阻的阻值相应改变，将引 起回路电流或电压的变化，这样就可 以探测入射光通量。
RTTR
T 0 T 0
正温度系数 负温度系数
3.2.2 热释电探测器
热释电探测器探测率高，是光热探测器中 性能最好的。
一、工作原理
基于热电晶体的热释电效应。
热电晶体是压电晶体中的一种，它具有自发 极化的特性。存在宏观的电偶极矩，面束缚
代入热平衡方程，得到：
Ct d( dT0 t)GtT00
C t d( dTt)G tT 0ejt
解得： 器件的平均温升
T0
0
Gt
器件随频率ω的交变温升
TGt(1 20t2)1/2ej(t)
式中，
t
Ct Gt
Ct Rt
是器件的热时间常数。
arc(tgt)
表明器件温升滞后 于辐射功率的变化。
因此，光热探测器常用于低频调制辐照场合。 设计时应尽力降低器件的热时间常数， 主要是减少器件的热容量。