第二章 光电探测器概述

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半导体类型
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半导体可分为本征半导体.P型半导体.N型半导体。 半导体可分为本征半导体.P型半导体.N型半导体。 本征半导体.P型半导体.N型半导体 本征半导体：硅和锗都是半导体， 本征半导体：硅和锗都是半导体，而纯硅和锗晶体 称本征半导体。硅和锗为4价元素，其晶体结构稳定。 称本征半导体。硅和锗为4价元素，其晶体结构稳定。
光辐射探测器件是利用各种光电效应， 光辐射探测器件是利用各种光电效应，或光热效应使 入射光辐射强度转换成电学信息或电能的仪器。 入射光辐射强度转换成电学信息或电能的仪器。
♣ 按用途分：成像、非成像探测器； 按用途分：成像、非成像探测器； ♣ 按光谱响应分：紫外光、可见光、近红外、 按光谱响应分：紫外光、可见光、近红外、
射通量、光强分布、 射通量、光强分布、温度分布等由光探测器转变成 电信号测量出来，经电子线路处理后，可供分析、 电信号测量出来，经电子线路处理后，可供分析、 记录、存储或直接显示，从而识别被测目标。 记录、存储或直接显示，从而识别被测目标。
♣ 因此，光探测器是实现光电转换的关键部件，它 因此，光探测器是实现光电转换的关键部件，
Ｐ区一侧呈现负电荷，Ｎ区一侧呈现正电荷，因此空间电荷 区一侧呈现负电荷，Ｎ区一侧呈现正电荷， ，Ｎ区一侧呈现正电荷 区出现了方向由Ｎ区指向Ｐ区的电场， 区出现了方向由Ｎ区指向Ｐ区的电场，由于这个电场是载流子扩 散运动形成的，而不是外加电压形成的，故称为内电场 内电场。 散运动形成的，而不是外加电压形成的，故称为内电场。它对多 数载流子的扩散运动起阻挡作用，所以空间电荷区又称为阻挡层 阻挡层。 数载流子的扩散运动起阻挡作用，所以空间电荷区又称为阻挡层。
PN结的能带结构 结的能带结构
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P型半导体杂质浓度越高，费米能级越低，N型半导 型半导体杂质浓度越高 费米能级越低 杂质浓度越高， 越低， 杂质浓度越高，费米能级越高 越高。 体杂质浓度越高，费米能级越高。
导带
EF 能隙 N区 区 结区 P区 区 价带
PN结的形成 结的形成
当Ｐ型半导体和Ｎ型半导体结合在一起时，由于交界 型半导体和Ｎ型半导体结合在一起时， 面处存在载流子浓度的差异， 面处存在载流子浓度的差异，电子和空穴都要从浓度高的 地方向浓度低的地方扩散 扩散。 地方向浓度低的地方扩散。 电子和空穴都是带电的，它们扩散的结果就使Ｐ 电子和空穴都是带电的，它们扩散的结果就使Ｐ区和 区中原来的电中性条件破坏了。Ｐ 。Ｐ区一侧因失去空穴而 Ｎ区中原来的电中性条件破坏了。Ｐ区一侧因失去空穴而 留下不能移动的负离子，Ｎ ，Ｎ区一侧因失去电子而留下不能 留下不能移动的负离子，Ｎ区一侧因失去电子而留下不能 移动的正离子。这些不能移动的带电粒子通常称为空间电 移动的正离子。这些不能移动的带电粒子通常称为空间电 它们集中在Ｐ区和Ｎ 荷，它们集中在Ｐ区和Ｎ区交界面附近形成了一个很薄的 空间电荷区， PN的结 的结。 空间电荷区，即PN的结。 这个区域内多数载流子已扩散到对方并复合掉了， 这个区域内多数载流子已扩散到对方并复合掉了， 或者说消耗殆尽了，因此，空间电荷区又称为耗尽层 耗尽层。 或者说消耗殆尽了，因此，空间电荷区又称为耗尽层。
内电场是由多子的扩散运动引起的， 内电场是由多子的扩散运动引起的，伴随着它的建立将带 两种影响：一是内电场将阻碍多子的扩散，二是P区和N 来两种影响：一是内电场将阻碍多子的扩散，二是P区和N区的 少数载流子（ 区的自由电子和N区的空穴）一旦靠近PN PN结 少数载流子（P区的自由电子和N区的空穴）一旦靠近PN结，便 在内电场的作用下漂移到对方， 在内电场的作用下漂移到对方，这种少数载流子在内电场作用 下有规则的运动称为漂移运动 结果使空间电荷区变窄。 漂移运动， 下有规则的运动称为漂移运动，结果使空间电荷区变窄。 因此，扩散运动使空间电荷区加宽，内电场增强，有利于少 因此，扩散运动使空间电荷区加宽，内电场增强， 使空间电荷区加宽 子的漂移而不利于多子的扩散； 漂移运动使空间电荷区变窄 使空间电荷区变窄， 子的漂移而不利于多子的扩散；而漂移运动使空间电荷区变窄， 内电场减弱，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移。 内电场减弱，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移。 在一定条件下（例如温度一定），多数载流子的扩散运动逐 在一定条件下（例如温度一定），多数载流子的扩散运动逐 ）， 渐减弱，而少数载流子的漂移运动则逐渐增强， 渐减弱，而少数载流子的漂移运动则逐渐增强，最后扩散运动 和漂移运动达到动态平衡 交界面形成稳定的空间电荷区 动态平衡， 空间电荷区， 和漂移运动达到动态平衡，交界面形成稳定的空间电荷区，即 PN结处于动态平衡 结处于动态平衡。 PN结处于动态平衡。
价带； 价带； ♣ 但是本征半导体的禁带宽度 较小，在热运动活 但是本征半导体的禁带宽度Eg较小 较小， 导带： 导带：价带以上未被电 ，价带的电子激发跃迁至导 费米能级E 费米能级 F 其它外界激发的作用下， Eg 其它外界激发的作用下 子填满或者是空的能带称为 禁带 这时导带有了电子，价带有了空穴， 带，这时导带有了电子，价带有了空穴，使本征半 导带； 导带； 导体形成导电特性。 导体形成导电特性。电子和空穴都是电流的载流者 禁带： 禁带：导带和价带之间 统称为“载流子” ，统称为“载流子” 的能隙称为禁带。 的能隙称为禁带。导带底和 价带 价带顶的能级间隙就是禁带 价带顶的能级间隙就是禁带 宽度Eg 宽度 。
N型半导体的导电特性：是靠自由电子导电，掺入 型半导体的导电特性：是靠自由电子导电， 的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高， 的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电 性能也就越强。 性能也就越强。
P型半导体 型半导体
P型半导体：在纯净的4价本征半导体（如硅晶体）中混 型半导体：在纯净的4价本征半导体（如硅晶体） 入了3价原子，譬如极小量（一千万之一）的硼合成晶体， 入了3价原子，譬如极小量（一千万之一）的硼合成晶体， 使之取代晶格中硅原子的位置，形成P型半导体。 使之取代晶格中硅原子的位置，形成P型半导体。 空穴的产生： 空穴的产生：由于杂质原子的 最外层有3个价电子， 最外层有3个价电子，当它们与周 围的硅原子形成共价键时， 围的硅原子形成共价键时，就产生 了一个“空位” 空位电中性）， 了一个“空位”（空位电中性）， 当硅原子外层电子由于热运动填补 此空位时， 此空位时，杂质原子成为不可移动 的负离子，同时， 的负离子，同时，在硅原子的共价 键中产生一个空穴 键中产生一个空穴 ，由于少一电 所以带正电。 型取 型取“ 子，所以带正电。P型取“Positve 一词的第一个字母。 （正）”一词的第一个字母。
概述
光信号
光电探测器
放大和处理
用户终端
光接收系统组成
♣ 光辐射探测系统由信息源、传输介质和接收 光辐射探测系统由信息源、
系统组成。 系统组成。接收光学系统把信息源光辐射和背景 及其它杂散光经传输介质一起会聚在光探测器上。 及其它杂散光经传输介质一起会聚在光探测器上。
♣ 光辐射所携带的信息，如：光谱能量分布、辐 光辐射所携带的信息， 光谱能量分布、
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多子： 型半导体中，多子为空穴。 多子：P型半导体中，多子为空穴。 少子：为电子。 少子：为电子。 受主原子：杂质原子中的空位吸收电子，称受主原子。 受主原子：杂质原子中的空位吸收电子，称受主原子。
结论： 结论：
多子的浓度决定于杂质浓度。原因： 1、多子的浓度决定于杂质浓度。原因：掺入的杂质 使多子的数目大大增加， 使多子的数目大大增加，使多子与少子复合的机会大 大增多。因此，对于杂质半导体，多子的浓度愈高， 大增多。因此，对于杂质半导体，多子的浓度愈高， 少子的浓度就愈低。 少子的浓度就愈低。 少子的浓度决定于温度。原因： 2、少子的浓度决定于温度。原因：少子是本征激发 形成的，与温度有关。 形成的，与温度有关。
热电偶温度计
热释电探测器
光电二极管、 光电二极管、三极管
光电池
光电二极管阵列
Si /PIN光电二极管 光电二极管
热电阻、 热电阻、热电偶
热敏电阻
热释电探测器
耦合式GaAs/AlGaAs 耦合式 多量子阱红外探测器结构
(CCD) Charged coupled device
2.1.2 光辐射探测器分类
多子： 型半导体中， 多子：N型半导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓 称为多数载流子，简称多子。 度，称为多数载流子，简称多子。 少子：空穴为少数载流子，简称少子。 少子：空穴为少数载流子，简称少子。 施主原子：杂质原子可以提供电子，称施子原子。 施主原子：杂质原子可以提供电子，称施子原子。
结论： 结论：
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N型半导体：由于杂质原子的最 型半导体： 外层有5个价电子， 外层有5个价电子，所以除了与周 围硅原子形成共价键外， 围硅原子形成共价键外，还多出一 个电子。在常温下，由于热激发， 个电子。在常温下，由于热激发， 就可使它们成为自由电子， 就可使它们成为自由电子，显负电 是从“Negative（ 性。这N是从“Negative（负）” 中取的第一个字母。 中取的第一个字母。
中红外、远红外探测器； 中红外、远红外探测器； ♣ 按结构分：单元、多元、阵列光探测器； 按结构分：单元、多元、阵列光探测器；
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♣ 按工作转换机理分：光子（光电）、热探测器 按工作转换机理分：光子（光电）、 ）、热探测器
光电转换器件主要是利用物质的光电效应，即当物 光电转换器件主要是利用物质的光电效应， 质在一定频率的光的照射下，释放出光电子的现象。 质在一定频率的光的照射下，释放出光电子的现象。 当光照射金属、金属氧化物或半导体材料的表面时， 当光照射金属、金属氧化物或半导体材料的表面时， 会被这些材料内的电子所吸收， 会被这些材料内的电子所吸收，如果光子的能量足够 大，吸收光子后的电子可挣脱原子的束缚而逸出材料 表面，这种电子称为光电子，这种现象称为光电子发 表面，这种电子称为光电子，这种现象称为光电子发 光电子 射，又称为外光电效应。 又称为外光电效应。 外光电效应 有些物质受到光照射时，其内部原子释放电子，但 有些物质受到光照射时，其内部原子释放电子， 光电探测器件的工作原理是基于光电效应， 光电探测器件的工作原理是基于光电效应， 电子仍留在物体内部，使物体的导电性增加， 电子仍留在物体内部，使物体的导电性增加，这种现 而热探测器需要经过加热物体的中间过程， 而热探测器需要经过加热物体的中间过程， 象称为内光电效应 内光电效应。 象称为内光电效应。
的性能好坏对整个光辐射探测的质量起着至关重要 的作用。 的作用。
§2-1 发展简况与分类
2.1.1 发展简况
1826----热电偶探测器 热电偶探测器 1880----金属薄膜测辐射计 金属薄膜测辐射计 1946----热敏电阻 热敏电阻 五十年代----热释电探测器 五十年代 热释电探测器 六十年代----三元合金光探测器 三元合金光探测器（ 六十年代 三元合金光探测器（HgCdTe） ） 七十年代----光子牵引探测器 七十年代 光子牵引探测器 八十年代----量子阱探测器 八十年代 量子阱探测器 近年来的发展方向： 近年来的发展方向： 阵列光电探测器、 阵列光电探测器、 光电探测器集成化 电荷耦合器件（ 电荷耦合器件（CCD, charged coupled device） ）
杂质半导体的形成：通过扩散工艺， 杂质半导体的形成：通过扩散工艺，在本征半导体 中掺入少量合适的杂质元素，可得到杂质半导体。 中掺入少量合适的杂质元素，可得到杂质半导体。
N型半导体 型半导体
N型半导体：在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷）， 型半导体：在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷）， 使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。 使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。
因此，前者反应速度快。 因此，前者反应速度快。
半导体的能带结构
半导体的特点： 半导体的特点：由于原子间的相互作用而使能级分 纯净（本征） 能带。 纯净（本征）半导体在绝对零度的理想状态下有 价带、 裂♣ 离散的能级形成能带。分为价带、导带和禁带。 ，离散的能级形成能带 分为价带 导带和禁带。 一个被电子完全充满的价带和一个完全没有电子的 价带： 二者之间是禁带 价带：晶体中原子的内 。这是半导体是一个不导电 导带， 导带，二者之间是禁带。 层电子能级相对应的能带被 的绝缘体。 的绝缘体。 导带 电子所填满，这种能带称为 电子所填满，