第四章 光电探测器

同的基质材料形成的，两边的禁带宽度不同。通常以禁带宽度大的一边作为光照面，能量大
于宽禁带的光子被宽禁带材料吸收，产生电子－空穴对。如果光照面材料的厚度大于载流子 的扩散长度，则光生载流子达不到结区，对光电信号无贡献。而能量小于宽禁带的长波载流 子却能顺利到达结区，被窄禁带材料吸收，产生光电信号。
（4）雪崩光电极管（APD）。以上讨论的光电二极管都是没有内部增益的，即增益≤１。这里讨
x
1 R
j x evn x
d
式中e为电子电荷，v为电子在外电场方向的漂移速度，n（x） 为在x处的电子密度。流过电极的总电流为
i j x bdx evb n x dx
0 0
d
2.光电导探测电路 典型的光电探测器在电路中的连接如下图所示。
论的雪崩二极管是有内部增益的，增益可达102～104。它是利用雪崩管在高的反向偏压下发 生雪崩倍增效应而制成的光电探测器。
光电流增益的大小用倍增因子M表示。实验表明，M随反向偏压V的变 化可用如下的经验公式近似表示
M 1
n V 1 V B
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图4－43 光伏探测器的伏安特性
2．两种工作模式的比较 光导模式工作时，光电二极管加反偏压，可以大大提高器件的频率特性。 此外反偏压可增加长波端灵敏度及扩展线性区上限。但反偏产生的暗电 流引起较大的散粒噪声，且频率低于1KHz时还有1/f噪声，这又限制了 探测能力的下限。 因光伏式二极管无偏压工作，故暗电流造成的散粒噪声小，且无1/f噪 声，有高得多的信噪比。光伏式二极管主要应用于超低噪声、低频及仪 器方面。光导式二级管则主要用来探测高速光脉冲和高频调制光。 3.光谱响应和频率特性 光电二极管都有一定的光谱响应范围，图4－44 给出了Si光电二极管的光谱响应曲线。高频计算的简化等效电路如图445（b）所示，其截止频率fc为 1 f c 2 R LC j
(7) InSb光伏探测器。InSb材料既可作光电导探测器，也可制成P－N结光伏探测器。常以P型层表面作 光照面，产生的少数载流子是电子，具有较大的迁移率和扩散长度，这样可以使大多数的光生少 数载流子扩散到PN结而形成光生电动势，因而可使灵敏度较高。是在3～5um波段内常用的高性能 红外探测器。 （8）HGCdTe光伏探测器。近20年来在红外探测器方面最卓越约成绩是HgCdTe探测器的研制成功及投 入使用。和光电导型HgCdTe一样，可采用半导体合金法将化合物CdTe和HgTe合成Hg1－xCdxTe合金。 若在P型HgCdTe中将Hg扩散进去，表面将形成N型层，从而构成PN结，改变组份x就可以改变 HgCdTe探测器的工作波段。 （9）长波长红外焦平面阵列。随着军事和遥感遥测科学的发展，对由大量单元红外探测器构成的高密 度焦平面阵列的要求日益迫切，尤其使8～14μm的长波长红外波段的探测器对接近景物的目标最 为敏感，因此一直是红外焦平面阵列研究的主要方向之一。 期望能利用成熟的工艺制作、波长可 调，并可将探测器与信号处理及读出电路集成在同一芯片上的大面积长波红外焦平面阵列。此概
PbS。这是一种性能优良的近红外辐射探测器，是在室温条件下探测灵敏度最高的一种红外探测器，室温下的 禁带宽度为0.37eV，相应的长波限为3μm。
PbTe。在常温下对4μm以内的红外光灵敏，冷却到90K，可在5μm范围内使用。响应时间约为10－4～10－5s。
InSb。这也是一种良好的近红外（峰值波长约为6μm）辐射探测器。
i
D
is
e
eu / KT
1

i i D i i s
e
eu KT
1 i

式中iφ为光电流。光伏探测器的伏安特性如图4－43所示。由图可见第一象 限是正偏压状态，iD本来很大，所以光电流iφ不起重要作用，因此在这一区 域工作没有意义。第三象限是反偏压状态，这时iD＝-iS，它对应于光功率 P=0时二极管的反向饱和电流，称为暗电流，其数值很小，光电流iφ＝i-is。 由于这种情况的外回路特性与光电导探测器十分相似，所以反偏压下的工 作方式称为光导模式。 第四象限中，外偏压为零，当负载电阻比较小时，RL3的负载线接近于理想 的垂直负载线，这是，输出光电流正比于入射功率，这种状态工作模式叫 光伏模式。
VB为击穿电压，n为与材料 有关的常数
APD的噪声主要是散粒噪声预热噪声，噪声电流有效值可写为
4 KT f 2 I n 2e i s i b i D M F f Req
2 1 M 1 F M 1 1 r M


E

g
E
g

c

hc


1.24
( m)
使材料具有光电发射的截止波长λc
1.光电倍增管的工作原理 下图是光电倍增管的工作原理图。图中K为光电发射阴极，D为聚焦 板，D1～D10为倍增极（或打拿极），A为收集电子的阳极。倍增极 间的电压逐级增加，极间电压约为80～150V。
2．光电倍增管的性能 光电倍增管的性能主要由阴极和倍增极以及极间电压决定。负 电子亲和势材料是目前最好的光电阴极材料。倍增极二次电子 发射特性用二次系数σ描述，即
（2）PIN 硅光电二极管。从前面光电二极管的讨论中可知，载流子的扩散时间和电路时间常数
大约同数量级，是决定光电二极管响应速度的主要因素。为了改善频率特性，就得设法减小 载流子扩散时间和结电容，于是人们提出加一层中间本征层。 （3）异质结光电二极管。异质结是由两种不同的半导材料形成的P一N结。P一N结两边是由不
1 2
信号、噪声电压随偏流变化图
3.几种典型的光电导探测器简介 光电导探测器按晶体结构可分为多晶和单晶两类。多晶类多是薄膜型器件，如 PbS、PbSe、PbTe等，单晶类中常见的有锑化铟（InSb）、碲镉汞（HgCdTe）、碲锡铅和掺杂型几种。
CdS和CdSe。这是两种造价低的可见光辐射探测器（CdS：0.3～0.8μm，CdSe：0.3～0.9μm）。它们的主要特点 是高可靠性和长寿命，因而广泛用于自动化技术中。

R
d
在探测器上消耗的功率P为
P
I R
2
d
经验数据－探测器的功耗不应超过0.1W/cm2，若探测 器的面积为Ad，则消耗功率不应超过0.1Ad，与最大允 许电压关系为： 2
0.1A
d

V R R L Rd
b max 2
d
V
b max
Vb,max并不是最佳偏压。
2 R L Rd 0.1Ad Rd
HgCdTe探测器。HgCdTe是由半导体CdTe和半金属HgTe采用半导体合金法混合而成的合金系统。
不同工作温度下InSb光电导探测器的光谱特性
探测率 定义为 等效噪 声功率 的倒数。
当信号电流或者 电压与噪声的均 方根电流（或均 方根电压）相等 时，对应的入射 辐通量Φe叫做等 效噪声功率
为了提高信噪比，英国首先研 制成 扫积型HgCdTe探测器， 如图。它是由若干小的方形单 元探测器排列成的线阵探测器， 当目标的红外像点沿长条方向 扫过时，外加电场驱使光生载 流子也沿光点扫描方向迁移， 并使迁移速度与像点扫描速度 同步，这样可使信号积累（积 分输出）。若此扫积探测器由 n个单元组成，信号将是单元 探测器输出的n倍，但由于噪 声的非相关性，噪声只会增加 根号n倍，因此信噪比可提高

光电导探测器 下图为光敏电阻（以非本征n型半导体为例）分析模型
1.光电转换规律 图中V表示外加偏置电压，l、b和d分别表示n型半导体的三维 尺寸，光功率P在x方向均匀入射，假定光电导材料的吸收系数 为α，表面反射率为R，则光功率在材料内部沿x方向的变化规 律为
P x Pe
相应的光生面电流密度j（x）为

12
r是电子和空穴电离概率
（5）Schottky势垒光电二极管。这是一种由金属和半导体接触所制成的 光电二极管，所以这种光电二极管也称为金属半导体光电二极管。 要求反偏压工作，光从金属一侧入射。为使透光性好，金属是用真 空镀膜技术制成的金属膜，厚度只有几十埃。 (6) 光电三极管。光电三极管具有内增益，但获得内增益的途径不是雪 崩效应，而是利用一般晶体管的电流放大原理。 工作原理：基区和集电区处于反向偏压状态，内建电场从集电区指 向基区。光照基区，产生电子－空穴对，光生电子在内电场作用下 漂移到集电区，空穴留在基区，使基区电位升高，这相当于EB结上 加了个正偏压，基极电位升高，发射极便有大量电子经基极流向集 电极，最后形成光电流。光电流随光照强弱而变化。

n

N N
n 1 n
σ 值主要取决于倍增极材料 和极间电压
如果倍增极的总数为n，且各级性能相同，考虑到电子的传输损失， 则光电倍增管的电流增益M为 f为第一倍增极对阴极发射电子的收集 n 率；g为各倍增极之间的电子传递效率， i A M f g 良好的电子光学设计可始f、g值在0.9以 iK 上。n和σ 值愈大，M值就愈高，但过多 的倍增极不仅使倍增管加长，而且使电 子渡越效应变得严重，从而严重影响倍 增管的频率特性和噪声特性。
一个恒流源（光电流源）的并联，如图4－42（b）所示。在零偏压时（图4－42
（c）），称为光伏工作模式。当外回路采用反偏压V时（图4－42（d）），即外加p 端为负，n端为正的电压时，称为光导工作模式。
图4－42 光伏探测器及其工作模式示意图
普通二极管的伏安特性为
式中，iS为反向饱和电流，u是探测器两端电压，e是电子电荷，因而光伏探 测器的总电流i为
L
s
d
V b
d
R R R L Rd
L 2
d
V R
s L
V R R L Rd
b d
2 R L 1 2 RL Rd
当上式等于0时，有RL＝Rd，信号电压为极大值。
从上图可见，在偏压Vb作用下，通过探测器电流I为
I
R
V
L
b
光电探测器
光电探测器通常分为2类: (1)光子探测器（利用各种光子效应）；（2）热探 测器（利用温度变化效应）。
光子效应：光电子发射、光电导、光生伏特、光电磁等。
光热效应：温差电、电阻率变化、自发极化强度变化、气体体积和压强变化 等。 基于光电子发射效应的器件在吸收了大于红外波长的光子能量以后，器件材 料中的电子能逸出材料表面，这各种器件称为外光电效应器件。 基于光电导、光伏特和光电磁效应的器件，在吸收了大于红外波长的光子能 量以后，器件材料中出现光生自由电子和空穴，这种器件称为内光电效应器 件。
通常又定义电路的时间常数τc为

c
2.2 R LC j 0.35 /
f
c
图4－44 Si光电二极管光谱响应曲线
图4－45 光电二极管的高频等效短路

c
2.2 R LC j
f
c

2 R C
L
1
j
截至频率： f c

2 R C
L
1
电路的时间常数：τ c＝2.2RLCj
j
4．常用的光伏探测器简介 (1) 硅光电池。也称太阳电池或光伏电池。工作在图4－43所示的第四象限。价格便宜，光电转 换效率高，光谱响应宽，频率特性好，寿命长，稳定性好，耐高能辐射，适合近红外探测。
n1/2倍。
（6）掺杂型光电导探测器。主要是以锗（Ge）为主体材料掺有其它杂质的杂 质半导体。它们主要用于8～14μm长波段内。 下图为掺杂型光电导探测器的光谱特性
表4－5 几种光电导探测器的典型特性
4.3.3 光伏探测器 利用P－N结的光伏效应而制作的光电探测器称为光伏探测器。与光电导探测器不同， 光伏探测器的工作特性要复杂些，P－N结受光照射时，即使没有外加偏压，P－N结 自身也会产生一个开路电压，这时如果将P－N结两端短接，便有短路电流通过回路。 因此利用光生伏特效应制成的结型器件有光电池和光电二极管之分，而光电二 极管又有两种工作模式，光电导和光伏式，它们由外偏压电路决定。 1.两种工作模式 一个P—N结光伏探测器用图4－42（a）中的符号表示，它等效为一个普通二极管和
光电子发射探测器：
应用光电子发射效应制成的光电探测器称为光电子发射探测器。
在光电子发射探测器中，入射辐射的作用是使电子从光电阴极表面 发射到周围的空间中，即产生光电子发射。产生光电子发射所需光 电能量取决于光电阴极的逸出功。光电子发射的能量转换公式为
h
1 m V 2
2 0

为使价带中的电子能跃迁到导带上，必须使入射光子的能量大于禁 带宽度Eg，即 hc hc 1.24 E g ,即 c m
电路中的参数Vb和RL 均会影响输出信号的 电压值，那么，如何 选择Vb和RL？
从图可见，负载电阻RL两端的直流压降为
VR
L
V b
R
R
L
L
Rd
当光辐射照到探测器上时，探测器电阻Rd就发生变化，负载 电阻RL两端压降也就发生变化，这个电压的变化量就是信号 电压Vs
V V R R R