第四章 光辐射探测

【1结构与符号】
【2光生伏特效应】
载流子的输运—扩散与漂移 一定温度下半导体中电子和空穴的热运动是不能引起
载流子净位移，从而也就没有电流。但漂移和扩散可使载
流子产生净位移，从而形成电流。
（1）扩散
载流子因浓度不均匀而发生的从浓度高的点向浓度低的 点运动。
（2）漂移
载流子在外电场作用下，电子向正电极方向运动，空
【1.Si光电二极管】 （1）结构原理
Si光电二极管有两种：
采用N型单晶硅和扩散工艺获得p+n结构硅光电二 极管(2CU)； 采用P型单晶硅和磷扩散工艺获得n+p结构硅光电 二极管（2DU）。
一律采用反偏。
p+n结构硅光电二极管(2CU)
n+p结构硅光电二极管（2DU）：
光敏区外侧有保护环（ n+ 环区），其目的是表面层 漏电流，使暗电流明显减少。其有三根引出线，n侧的 电极称为前极， n侧的电极称为后极，环极接电源偏置 正极，也可断开，空着。
【 光谱、频率响应及温度特性】
光电池的频率特性不太好,原因有二： 一是光电池的光敏面一般做的很大，导致 结电容较大；二是光电池的内阻较低，而 且会随输入光功率的大小变化。
在强光照射或聚光照射情况下，必须考
虑光电池的工作温度及散热措施。通常Si 光电池使用的温度不允许超过125℃。
vn vn l n E u
半导体的电导率：
p
vp E

v pl u
enn ep p
半导体的电导：
A G l
在光照情况下，光生载流子率分别为： n 和 p
则：
qne qph
e 、h 为电子和空穴的迁移率； n, p 分别为电子和空穴产生的速率。
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N型半导体
i u M 2 u p p eN l
n
tn
【2光电导器件的各种参数】
１) 光特性
表征光照下光敏器件的输出量，如电阻、电压或电流 等量与入射辐射之间之间的关系。该特性将指导我们在选 用光敏器件时，确定其工作点和线性范围。
２) 灵敏度
又称为响应度。它表示器件将光辐射能转化成电能的 能力。具体定义为：器件产生的输出电信号与引起该信号 的输入光辐射通量之比。输出电信号由器件及偏置电路的 特性决定，既可以是电流，也可以是电压，如电流表示的 光灵敏度 R 为：
快，几个毫秒。所以CdSe光敏电阻常用作光电开关使用
。
2）PbS 和 PbSe 在波长范围为1 ~ 5m 的近红外线范围内应用。
这两者的特点是：都是本征光电导器件，检测精度高，
可在室温下使用，所以被广泛地应用。 此外，还有应用于低温环境下的，如：本征型半导 体：HgCdTe ；掺杂型的： Ge：Au、Ge：Zn 、Si：Ga 等。
光电流的形成
光电流由两部分组成：1）光照下，在I区产生
电子-空穴对，电子和空穴在强电场下分离，电子
向n区移动 而空穴向p区移动，并以光电流形式向 外流出； 2）还有一部分光电流是由于光进入到了n区里 ，产生了空穴，空穴进入I层内，同样也产生漂移
【4.2.3 雪崩二极管】
它是利用pn结当加的反向偏压接近击穿时， 发生载流子碰撞雪崩电离，以获得光生载流子
【4.2.2. PIN硅光电二极管】 要改善硅光电二极管的频率特性，由 前面分析可知：应设法减小载流子的扩散 时间和结电容。 PIN硅光电二极管就是在P区和N区之 间加上一本征层（I层）光电二极管。
P I N
高阻层起的作用
I层载流子浓度非常低是一个高阻层。
①在pn结上加上反向偏压后，它将成为具有较
强内部电场的区域，减小了载流子的渡越时间；
②通过加入这个高阻层I层，扩大了携带电信号
的光生载流子的产生空间，从而提高了灵敏度；
③降低了影响频率响应的pn结的电容量，
即降低了回路的时间常数，从而提高了其
频响速度。实际应用中决定光电二极管的
频率响应的主要因素是电路的时间常数。
合理选择负载电阻是一个很重要的问题。 PIN光电二极管在光通信、光雷达和快速光 电自动控制领域有着广泛的应用。
表示是以５００k黑体为目标，调制频率为８００ＨＺ， 带宽为１ＨＺ的条件下所获得的值．
【3 光敏电阻材料】
1） Cds和CdSe Cds和CdSe这两种器件是用于可见光和红外区域最广泛 的光电导器件。CdS光敏电阻可在人视觉接近的范围内
灵敏地工作，其线性度和温度特性都很好，但缺点是响
应速度不快，约几十毫秒。 CdS常用于照相机或专门的 测光表中。 而CdSe的响应与白炽灯或氖灯的光源的输出具有良 好的匹配，线性度和温度特性都不太好，但其响应速度
零偏压pn结光伏探测器——光伏工作模式——光电 池 硅光电池的用途：光电探测器件，电源。
【 短路电流和开路电压】
光 电 池 等 效 电 路
短路电流——RL=0，开路电压——RL=∞。 单片硅光电池的开路电压约为0.45～0.6V，短路 电流密度约为150～300A/m2。
【测量方法】
在一定光功率（例如1kW/m2）照射下，使 光电池两端开路，用一高内阻直流毫伏表或 电位差计接在光电池两端，测量出开路电压； 在同样条件下，将光电池两端用一低内阻 （小于1Ω）电流表短接，电流表的示值即 为短路电流。
N ( x) N0e
x / L
光注入，非平衡载流子扩散示意图
对于漂移
在电场中多子、少子均作漂移运动，因多子数目
远比少子多，所以漂移流主要是多子的贡献 。
对于扩散
在扩散情况下，如光照产生非平衡载流子，此时非
平衡少子的浓度梯度最大，所以对扩散流的贡献主要是
少子。
【3 PN结光伏效应的产生】
1）内电场的形成 ① 电中性的P型半导体 电中性N型半导体
是噪声等效功率的倒数.
D 1 / NEP
8) 光敏器件的归一化探测率 D
由于器件特性与其光敏面面积大小、检测电路的带 宽等因素有关，为将光敏器件特性建立在统一比较的基 础上，引入“归一化探测率”的概念，又称“比探测率 ”。
它表示单位面积的器件，在放大器带宽为１Ｈｚ条件下的
探测率。
D 的检测值与实际测量条件有关．所以在给出 D 值的同时，一定要给出附加检测条件．例如： (500,800,1) D
②
③
空穴
扩散 内电场 漂移
电子
积累正电荷
积累负电荷
④
电子
空穴
在内电场的作用下，载流子产生漂 移，但随着载流子运动的进行，界 面间电场的增高，反过来促使漂移 运动加强，这一对立运动在一定温 度和条件下达到平衡。从而形成稳 定的内电场。
2）附加电场的形成 当光照射光电二极管pn结部位时，只要入射光的能量 大于半导体禁带宽度时，就产生本征激发，激发便产生电 子-空穴对，P区产生的光生空穴， N区产生的光生电子由 于受到pn结的阻挡作用，不能通过结区。而在内电场的作 用下， P区中的电子驱向N区，空穴驱向P区。这样在P区 就积累了多余的空穴， N区积累了多余的电子。从而产生 了附加的与内电场相反的电场。该附加电场对于外电路来 说，将产生由P到N方向的电动势。当外接电路时，将有光 电流通过，这就是光伏效应。
５) 光敏器件的噪声 当器件无光照时，输出电压或电流的均方值或均方 根值叫噪声。 ６) 噪声等效功率D
噪声等效功率（noise equivalent power，ＮＥＰ）
又称为等效噪声输入．它的值等于信噪比等于１时的入 射光功率的大小．它标志器件探测光辐射的极限水平． ７) 光敏器件的探测率 该特性也是光敏器件探测极限水平的表示形式，它
4.1 光电导器件
光电导器件就是把光生载流子引起的电阻变化作为 电信号进行检测的器件。在没有光照的时候电阻非常大
（可达M欧），有光照的时候电阻下降到K欧以下。
光电导器件可以分为本征型和掺杂型两种。
掺杂型的光电导器件主要用作红外线检测用的光接
收器件用。
【1本征型光电导器件的工作原理】
机理：光照射将引起半导体中的电子和空穴增加，电子和 空穴的增加导致了电导率的增加。 半导体载流子的迁移率
1.24 (um) Ei (eV )
光照下的伏安特性
I I s {e
qV kT
1} I
图4-5 光电二极管的电压-电流特性
4.2.1光电二极管
反偏电压pn结光伏探测器——光导工作模 式 ——光电二极管 常见的光电二极管有：Si 光电二极管， PIN光电二极管,雪崩光电二极管（APD） 肖特基势垒光电二极管等。
第四章 光辐射探测技术
外 光 电 效 应 是指在光照情况下，电子逸出电子表 面的现象。 可制作：光电管和光电倍增管。 指在光照情况下，物质内部原
光 电 效 应
内 光 电 效 应
光电导效应 子释放的电子留在内部而使物 体的导电性能增加，电阻值减 小的现象，大多数高电阻的半 导体都具有这种现象。 光生伏特效应：产生一定方向电动势的现象。
倍增的器件。
pn结击穿 在给pn结加上反向电压后，它几乎不会有 VBR 电流流过，但如果反向电压增大到一定值 后，反向电流迅速增大的现象称为pn结击穿
，发生击穿时的电压称为反向击穿电压。
增大，而是由于载流子数目的增加。到目前为止，pn击穿
共有三种：雪崩击穿、隧道击穿和热电击穿。
雪崩碰撞电离原理：
图4-3 障层光电效应原理
当光照PN结端面时，由于光子的入射深度有限，不会 得到好的效果，实际的光伏效应器件都制成薄P型或N型，
入射光垂直于结表面入射，从而增加了光伏效应的效率。
【光伏探测器等效电路】
eu iD iso [exp( ) 1], 这是普通二极管的伏安 特性， kT iso 是普通二极管的反向电 流，iD也称为为暗电流。
光子照射
产生
电子-空穴对，当pn结反向电压足
够高时，它们在结内高电场作用下，获得足够高的动 能，在定向运动过程中与晶体原子碰撞产生新的电子 -空穴对，新产生的电子和空穴又在电场中获得足够 能量，通过碰撞再产生电子和空穴……如此下去，像
雪崩一样迅速反应而激发出大量的载流子，使初始的
光电流大大增加。
4.2.4硅光电池
4.2 光伏效应
光电二极管和光电导器件都是利用内光电效应的光
接收器件，所不同的是：光电二极管是利用PN结在光辐
射作用下产生的光伏效应制成的。而光电导器件是利用 光生载流子引起的电流变化作为了电信号附加在外部偏 压上而被检测出来。 主要有光电池、光电二极管、光电三极管等。对于 二极管而言，由于它利用的是PN结的内部电场，所以往 往使用反向电压。
（2）光谱响应特性和光电灵敏度
（3）伏安特性 （V/R—V为直流负载线）
（4）频率响应特性
频率特性好,适宜于快速变化的光信号探测。
光电二极管的频率特性响应主要由三个因
素决定：(a)光生载流子在耗尽层附近的扩散 时间；(b)光生载流子在耗尽层内的漂移时间； (c)与负载电阻RL并联的结电容Ci所决定的电 路时间常数。
Iv
RIv I / (A / Lm)
光照-电阻特性
光照特性
伏安特性
３) 光谱响应 光敏器件对某个波长光辐射的响应度或灵敏度叫做单色 灵敏度或光谱灵敏度。而把光谱灵敏度随波长的关系曲线叫 做光谱响应或光谱特性。
４) 量子效率
光敏器件的量子效率是指器件吸收辐射后，产生的光生 载流子数与入射辐射光子数之比
其中，q为电子电荷大小；
电导率的变化，引起通过其的电流大小的变化。
A i u l
u为加在器件两端的电压。
n
N n Al
N p p Al
带入可得：
eNu i uG 2 ( n n p p ) l
电流增益：
M i u 2 (un n u p p ) eN l
穴向负电极方向运动称为漂移。
讨论漂移运动的重要参量： 迁移率μ（电子迁移率μn，空穴迁移率μp），μ的大小 主要决定于晶格振动及杂质对载流子的散射作用。
上图为光注入，非平衡载流子扩散示意图。光在受照表 面很薄一层内即被吸收掉。受光部分将产生非平衡载流子， 其浓度随离开表面距离x的增大而减小，因此非平衡载流子 就要沿x方向从表面向体内扩散，使自己在晶格中重新达到 均匀分布。