第八章光电探测器共40页文档
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半导体光电探测器是利用半导体材料的内光电效应来接收和探测光信号的 器件。
半导体光电探测器只能探测具有足够能量的光子，即该材料长波限以下的 光子，其数学关系为
max1.24Eg (um)
为能被探测的光波长， max 为半导体材料之长波限，E g 为材料带隙，
用[ev]作单位。
3
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 8.1 半导体光电探测器概述
噪声来源
热噪声： 载流子热运动的起伏引起的噪声 散粒噪声：载流子在越过pn结之类的耗尽区时，单位时间内通过 的载流子数在其平均值附近的一定起伏所引起的噪声。 1/f噪声： 它与测量频率呈倒数关系。
8.1 半导体光电探测器概述
半导体探测器特性参数：
3 噪声等效功率（NEP）：为产生与探测器噪声输出大小相等的信号所需要入射 辐射功率。
由于光敏元件的波长短的光的吸收系数大，几乎在进入表面层附 近波长短的光就被吸收，故表面载流子浓度高。因而，自由载流子 在表层附近复合的速度快，从而是光敏元件对波长比光谱响应峰值 波长短的光响应灵敏度降低。
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8.2光敏电阻
σ＝（n0+Δn）qun n型半导体的光电导效应： 当光子能量大于或等于受主杂质能级EI时，施主能级中的电子也可 能被激发到导带而成为自由电子，使电子浓度增加，结果电导率增加。
σ＝（n0+Δn）qun
12
8.2光敏电阻
3、光敏电阻工作原理
结论： •故同一材料的本征光电导比杂质光电导大。 •杂质吸收的吸收系数较本征吸收的吸收系数小。 •通过改变半导体内部的杂质吸收的吸收系数较本征吸收的吸收系数小 ，来测量不同波长的光。
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8.2光敏电阻
4、光敏电阻的参数与特性 b.响应灵敏度 能够产生光致导电的光主要是波长接近光谱响应峰值的光，这种
光能把电子直接由价带激发导导带。但是，实际上，光把光电导体 中的杂质和晶格缺陷所形成的能级中的电子激发到导带的情况是很 多的，而这些能级与导带间的宽度比禁带宽度要窄的多。这就意味 着，光电导体对波长长于峰值波长的光也具有响应灵敏度，而且， 在晶体中掺杂可以是光谱特性曲线象长波方向扩展或移动。
＝σ0＋Δσpn 式中Δσpn＝Δnqun+Δpqup 称为光电导。
11
8.2光敏电阻
3、光敏电阻工作原理 p型半导体的光电导效应： 当光子能量大于或等于受主杂质能级EI时，光子可能把价带中的电
子激发到受主能级，结果该电子就成为捕获电子，而在价带中留下空 穴（自由空穴）。 使空穴浓度增加，结果电导率增加。
4、光敏电阻的参数与特性 b.响应灵敏度 光敏元件对于各种光的响应灵敏度是随入射光的波长变化而变化
的。因此，常常利用光谱响应特性曲线来评价光敏元件。光谱响应 特性表示光敏元件对各种单色光的敏感程度。对应于一定敏感程度 的波长区间，称为光谱响应范围。对光谱响应最敏感的波长数值， 称为光谱响应峰值波长，峰值波长取决于制造光敏元件所用半导体 材料的禁带宽度。
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8.2光敏电阻
4、光敏电阻的参数与特性
a.暗电阻和亮电阻 暗电阻:是指全暗的条件下所测的电阻。其值大于1MΩ，在给定
的条件下，所通过的电流为暗电流。 亮电阻:受到光照时所测的电阻，其值几千Ω，在给定的条件下
，所通过的电流为亮电流。暗电阻与亮电阻之间之比为在102---106 之间
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8.2光敏电阻
半导体光电探测器有三个基本过程：
1 光子入射到半导体中激励产生载流子 2 载流子输运及倍增 3 电流经外电路作用后输出信号，从而完成对光子探测的过程
8.1 半导体光电探测器概述
半导体探测器特性参数：
1 光谱响应特性：在某一波长 λ 间隔 dλ 内的光子，在探测器中产生的输出电流与 输出光功率之比为光谱响应 R(λ) 。 2 噪声：探测器的噪声电平或信噪比是限制探测器使用范围的最重要参数。
光敏电阻原理结构示意图
9
8.2光敏电阻
3、光敏电阻工作原理 光敏电阻是根据光电导效应实现光电转换。
本征半导体的光电导效应。当光子能量E光大于或等于禁带宽度Eg时，光 子把价带中的电子激发到导带，出现自由电子和自由空穴时，从而使材料的
电阻率降低。电导率增加。
E光=hc1240Eg
1240 Eg
引入长波限λ0，若波长长于λ0， 即无本征吸收
4 探测率（探测灵敏度）:
1
1
D*
A2gVf 2 NEP
1
cmHz2
/W
A为探测器面积，Δf为放大器宽度。 5 响应时间：描述探测器接收入射辐射的响应速度。
8.2光敏电阻
1 、 光敏电阻简介
光敏电阻利用光电导效应制成。当入射光子使电子由价带跃 升到导带时，导带中的电子和价带中的空穴二者均参与导电， 因此电阻显著减小，光敏电阻常用的制作材料为硫化镉，另外 还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有 在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。
本章内容
• 1.半导体光电探测器概述 • 2.光敏电阻 • 3.光敏二极管
1
8.1 半导体光电探测器概述
光电探测器是对各种光辐射进行接收和探测的器件。
光电探测器
光电发射器件：真空光电二极管，光电倍增管等
半导体光电探测器
光导型（PC）:各种光敏电阻
光伏型（PV）:有光伏结构的光 敏电阻（PD）等
2
8.1 半导体光电探测器概述
7
8.2光敏电阻
1 、 光敏电阻简介
特点：
•光谱响应范围宽（特别是对于红光和红外辐射）； •偏置电压低，工作电流大； •动态范围宽，既可测强光，也可测弱光； •光电导增益大，灵敏度高； •无极性，使用方便； •在强光照射下，光电线性度较差 •光电驰豫时间较长，频率特性较差。
8
8.2光敏电阻
2 光敏电阻结构 光敏电阻结构：在一块均匀光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云 母、高频瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗 口的金属或塑料外壳内。
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8.2光敏电阻
3、光敏电阻工作原理
设无光照射半导体的电导率（暗电导率）为：
σ0＝n0qun+p0qup 式中n0和p0分别时电子和空穴的热平衡浓度，un和up分别时电子和空穴的 迁移率。在适当波长的光照射下，半导体中出现光生电子和光生空穴，设 它们的浓度分别时Δn和Δp，则半导体的电导率将增为： σ＝（n0+Δn）qun＋（p0＋Δp）qup
半导体光电探测器只能探测具有足够能量的光子，即该材料长波限以下的 光子，其数学关系为
max1.24Eg (um)
为能被探测的光波长， max 为半导体材料之长波限，E g 为材料带隙，
用[ev]作单位。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 8.1 半导体光电探测器概述
噪声来源
热噪声： 载流子热运动的起伏引起的噪声 散粒噪声：载流子在越过pn结之类的耗尽区时，单位时间内通过 的载流子数在其平均值附近的一定起伏所引起的噪声。 1/f噪声： 它与测量频率呈倒数关系。
8.1 半导体光电探测器概述
半导体探测器特性参数：
3 噪声等效功率（NEP）：为产生与探测器噪声输出大小相等的信号所需要入射 辐射功率。
由于光敏元件的波长短的光的吸收系数大，几乎在进入表面层附 近波长短的光就被吸收，故表面载流子浓度高。因而，自由载流子 在表层附近复合的速度快，从而是光敏元件对波长比光谱响应峰值 波长短的光响应灵敏度降低。
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8.2光敏电阻
σ＝（n0+Δn）qun n型半导体的光电导效应： 当光子能量大于或等于受主杂质能级EI时，施主能级中的电子也可 能被激发到导带而成为自由电子，使电子浓度增加，结果电导率增加。
σ＝（n0+Δn）qun
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8.2光敏电阻
3、光敏电阻工作原理
结论： •故同一材料的本征光电导比杂质光电导大。 •杂质吸收的吸收系数较本征吸收的吸收系数小。 •通过改变半导体内部的杂质吸收的吸收系数较本征吸收的吸收系数小 ，来测量不同波长的光。
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8.2光敏电阻
4、光敏电阻的参数与特性 b.响应灵敏度 能够产生光致导电的光主要是波长接近光谱响应峰值的光，这种
光能把电子直接由价带激发导导带。但是，实际上，光把光电导体 中的杂质和晶格缺陷所形成的能级中的电子激发到导带的情况是很 多的，而这些能级与导带间的宽度比禁带宽度要窄的多。这就意味 着，光电导体对波长长于峰值波长的光也具有响应灵敏度，而且， 在晶体中掺杂可以是光谱特性曲线象长波方向扩展或移动。
＝σ0＋Δσpn 式中Δσpn＝Δnqun+Δpqup 称为光电导。
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8.2光敏电阻
3、光敏电阻工作原理 p型半导体的光电导效应： 当光子能量大于或等于受主杂质能级EI时，光子可能把价带中的电
子激发到受主能级，结果该电子就成为捕获电子，而在价带中留下空 穴（自由空穴）。 使空穴浓度增加，结果电导率增加。
4、光敏电阻的参数与特性 b.响应灵敏度 光敏元件对于各种光的响应灵敏度是随入射光的波长变化而变化
的。因此，常常利用光谱响应特性曲线来评价光敏元件。光谱响应 特性表示光敏元件对各种单色光的敏感程度。对应于一定敏感程度 的波长区间，称为光谱响应范围。对光谱响应最敏感的波长数值， 称为光谱响应峰值波长，峰值波长取决于制造光敏元件所用半导体 材料的禁带宽度。
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8.2光敏电阻
4、光敏电阻的参数与特性
a.暗电阻和亮电阻 暗电阻:是指全暗的条件下所测的电阻。其值大于1MΩ，在给定
的条件下，所通过的电流为暗电流。 亮电阻:受到光照时所测的电阻，其值几千Ω，在给定的条件下
，所通过的电流为亮电流。暗电阻与亮电阻之间之比为在102---106 之间
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8.2光敏电阻
半导体光电探测器有三个基本过程：
1 光子入射到半导体中激励产生载流子 2 载流子输运及倍增 3 电流经外电路作用后输出信号，从而完成对光子探测的过程
8.1 半导体光电探测器概述
半导体探测器特性参数：
1 光谱响应特性：在某一波长 λ 间隔 dλ 内的光子，在探测器中产生的输出电流与 输出光功率之比为光谱响应 R(λ) 。 2 噪声：探测器的噪声电平或信噪比是限制探测器使用范围的最重要参数。
光敏电阻原理结构示意图
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8.2光敏电阻
3、光敏电阻工作原理 光敏电阻是根据光电导效应实现光电转换。
本征半导体的光电导效应。当光子能量E光大于或等于禁带宽度Eg时，光 子把价带中的电子激发到导带，出现自由电子和自由空穴时，从而使材料的
电阻率降低。电导率增加。
E光=hc1240Eg
1240 Eg
引入长波限λ0，若波长长于λ0， 即无本征吸收
4 探测率（探测灵敏度）:
1
1
D*
A2gVf 2 NEP
1
cmHz2
/W
A为探测器面积，Δf为放大器宽度。 5 响应时间：描述探测器接收入射辐射的响应速度。
8.2光敏电阻
1 、 光敏电阻简介
光敏电阻利用光电导效应制成。当入射光子使电子由价带跃 升到导带时，导带中的电子和价带中的空穴二者均参与导电， 因此电阻显著减小，光敏电阻常用的制作材料为硫化镉，另外 还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有 在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。
本章内容
• 1.半导体光电探测器概述 • 2.光敏电阻 • 3.光敏二极管
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8.1 半导体光电探测器概述
光电探测器是对各种光辐射进行接收和探测的器件。
光电探测器
光电发射器件：真空光电二极管，光电倍增管等
半导体光电探测器
光导型（PC）:各种光敏电阻
光伏型（PV）:有光伏结构的光 敏电阻（PD）等
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8.1 半导体光电探测器概述
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8.2光敏电阻
1 、 光敏电阻简介
特点：
•光谱响应范围宽（特别是对于红光和红外辐射）； •偏置电压低，工作电流大； •动态范围宽，既可测强光，也可测弱光； •光电导增益大，灵敏度高； •无极性，使用方便； •在强光照射下，光电线性度较差 •光电驰豫时间较长，频率特性较差。
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8.2光敏电阻
2 光敏电阻结构 光敏电阻结构：在一块均匀光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云 母、高频瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗 口的金属或塑料外壳内。
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8.2光敏电阻
3、光敏电阻工作原理
设无光照射半导体的电导率（暗电导率）为：
σ0＝n0qun+p0qup 式中n0和p0分别时电子和空穴的热平衡浓度，un和up分别时电子和空穴的 迁移率。在适当波长的光照射下，半导体中出现光生电子和光生空穴，设 它们的浓度分别时Δn和Δp，则半导体的电导率将增为： σ＝（n0+Δn）qun＋（p0＋Δp）qup