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紫外探测器
紫外探测器的发展
紫外和红外探测技术几乎同时产生于 50 年代，由于紫外探测器件灵敏度低，一 直未能应用，而红外探测技术发展较快。 直到 90 年代，日本开发出雪崩倍增靶摄像 管，使得紫外摄像器件有较高的灵敏度和 合适的光谱范围，紫外探测才得到广泛关 注 。 紫外探测技术以其独特优势在通信、 预警和制导方面得到广泛的应用。
紫外探测器分类
根据紫外探测过程的机理， 紫外探测器可分为：
1.热探测器； 2.光子探测器。
1.热探测器
热探测器主要分为以下三类： 1.1.测试辐射温差的热电偶： 热电偶是利用温差电效应制成的紫外探 测器。当把两种具有不同温差电动势的金属丝 或半导体细丝连结成一封闭环时，若用紫外辐 射照射一个结点，该结点因吸收入射辐射而升 温，于是与另一结点出现温差，在环内产生温 差电动势。根据温差电动势的大小 ( 取决于辐 射引起的结点温差)则可测出紫外辐射功率。
响应率R=0.294A/W；当波长为200nm时，响应率R=0.161A/W。
4.暗电流和响应时间
暗电流是指器件在反偏压条件下,没有入射 光时产生的反向直流电流，暗电流太大， 对原探测信号有较强干扰，影响仪器灵敏 度。 响应时间即紫外探测器对紫外光的反应时 间，分为上升沿时间和下降沿时间，反应 时间越短，探测器越灵敏。
2.光子探测器
2.3.光伏(PV)探测器:
对p-n结加上反向偏压，则当结区吸收 能量足够大的光子后，反向电流就会增加。 这种情况类似于光电导现象。这类光伏探 测器通常叫做半导体光电二极管。
紫外探测器的材料
第一代元素半导体材料Si以及第二代化合物半导体GaAs、InP等材料
由于具有禁带宽度小、器件长波截止波长大、最高工作温度低等特点 而使得器件的特性及使用存在很大局限性，满足不了实用的要求。 第三代宽带隙半导体材料主要包括 SiC、 GaN 、 ZnO 和金刚石等，具 有禁带宽度大、电子漂移饱和速度高、介电常数小、导热性能好等特
即对应于本征吸收光谱，探测器对光的响应在长波方面存在一
个波长界限λ0，根据发生本征吸收的条件
h h E 0 g
可得到本征吸收长波限的公式为
hc 1 . 24 ( m ) 0 E E eV ) g g(
1.光谱响应特性
根据半导体材料的禁带宽度，可以算出相应的本征吸收
长波限。
点，适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件；而
利用其特有的宽禁带，还可以制作蓝、绿光和紫外光的发光器件和光 探测器件。
半导体材料的特性对比
Si和GaAs 材料 宽带隙半导体材料
Si
带隙类型 禁带宽度 (eV) 熔点 (℃) 热导率 (W/cm•K) 间接 1.119 1420 1.40
1.热探测器
1.2.金属和半导体热敏电阻测辐射热计： 这是利用某些金属或半导体材料的电 阻率随温度有较大变化而制成的探测器。 当吸收紫外辐射而温度升高时，金属的电 阻率增加(即电阻率温度系数为正)；半导体 电阻率则降低(温度系数为负)。根据电阻变 化的大小可以测出被吸收的紫外辐射功率。
1.热探测器
1.3.热释电探测器：
有些晶体(如热电晶体)一般有自发极化 现象，而且自发极化强度随温度升高而下 降。当吸收入射紫外辐射而升温时，引起 自发极化强度变化，结果在垂直于自发极 化方向的晶体两个外表面之间出现微小电 压，经放大后就可以用来测量投射到晶体 上的紫外辐射功率。
2.光子探测器
2.1.光电子发射(PE)探测器：
GaAs
直接 1.428 1238 0.54
SiC
间接 2.994 2830 4.9
金刚石
间接 5.5 4000 20
GaN
直接 3.36 1700 1.5
ZnO
直接 3.37 1975 -
电子迁移率 (cm2/V•s) 介电常数
1350 11.9
8000 13.18
1000 9.7
2200 5.5
GaN基基肖特基结构紫外探测器 对紫外光的响应
GaN基基肖特基结构紫外探测 器在零偏压下的光响应曲线
GaN基基肖特基结构紫外探测器 对紫外光的响应
GaN基肖特基结构紫外光探测器在零偏压下的光响 应曲线, 当入射光满足
hν ⩾ Eg
探测器的响应度公式为
其 q中为电子电量， λ 为入射光波长， h为普 朗克常数， 为真空中光速 ， η为内量子效率, 即每个入射光子产生电子空穴对的数目， g 为 增益因子，即每复合一个光生电子空穴对在电 极间经过的载流子数目
900 8.9
-
紫外探测器的性能参数
紫外探测器的主要参数包括：
1.暗电流 2.光电流 3. 量子效率
4.响应度
5.响应时间
1.光谱响应特性
当不同波长的光照射探测器时，只有能量满足一定条件的
光子才能激发出光生载流子从而产生光生电流。对于半导体材 料，要发生本征吸收，光子能量必须大于或者等于禁带宽度，
产生的电子 空穴对个数 i 入射的光子数
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3.响应度
光电响应度是表征探测器将入射光转换为电信号能力的一个参 数。光电响应度也称光电灵敏度，定义为单位入射光功率与所产
生的平均光电流之比，单位为A/W。
Iph q ( m ) R P 1 . 24 opt h
由上式可知，R与λ成正比，所以短波长探测器的响应度比起长 波长的探测器来说响应度较小。假设η=1，则当波长为365nm时，
对于GaN材料而言，Eg=3.4eV，则GaN探测器的长波限 λ0≈365nm。 对于4H-SiC材料，Eg=3.26eV，则其长波限λ0≈380nm 。
从计算结果可以看出， GaN 、 4H-SiC 材料的本征吸收
长波限都在紫外区。
2.量子效率
内量子效率定义为入射至器件中的每一
个光子所产生的电子-空穴对数目，即：
当辐射照射在某些金属、金属氧化物 或半导体材料表面时，若该光子能量 hv 足 够大，则足以使材料内一些电子完全脱离 材料从表面逸出。利用这种效应制成的探 测器就是光电子发射探测器。
2.光子探测器
2.2.光电导(PC)探测器:
半导体吸收能量足够大的光子后，会 把其中的一些电子或空穴从原来不导电的 束缚状态激活到能导电的自由状态，从而 使半导体电导率增加，这种现象叫做光电 导效应。根据光电导效应探测辐射的器件 称为光电导(PC)探测器。
紫外探测器的发展
紫外和红外探测技术几乎同时产生于 50 年代，由于紫外探测器件灵敏度低，一 直未能应用，而红外探测技术发展较快。 直到 90 年代，日本开发出雪崩倍增靶摄像 管，使得紫外摄像器件有较高的灵敏度和 合适的光谱范围，紫外探测才得到广泛关 注 。 紫外探测技术以其独特优势在通信、 预警和制导方面得到广泛的应用。
紫外探测器分类
根据紫外探测过程的机理， 紫外探测器可分为：
1.热探测器； 2.光子探测器。
1.热探测器
热探测器主要分为以下三类： 1.1.测试辐射温差的热电偶： 热电偶是利用温差电效应制成的紫外探 测器。当把两种具有不同温差电动势的金属丝 或半导体细丝连结成一封闭环时，若用紫外辐 射照射一个结点，该结点因吸收入射辐射而升 温，于是与另一结点出现温差，在环内产生温 差电动势。根据温差电动势的大小 ( 取决于辐 射引起的结点温差)则可测出紫外辐射功率。
响应率R=0.294A/W；当波长为200nm时，响应率R=0.161A/W。
4.暗电流和响应时间
暗电流是指器件在反偏压条件下,没有入射 光时产生的反向直流电流，暗电流太大， 对原探测信号有较强干扰，影响仪器灵敏 度。 响应时间即紫外探测器对紫外光的反应时 间，分为上升沿时间和下降沿时间，反应 时间越短，探测器越灵敏。
2.光子探测器
2.3.光伏(PV)探测器:
对p-n结加上反向偏压，则当结区吸收 能量足够大的光子后，反向电流就会增加。 这种情况类似于光电导现象。这类光伏探 测器通常叫做半导体光电二极管。
紫外探测器的材料
第一代元素半导体材料Si以及第二代化合物半导体GaAs、InP等材料
由于具有禁带宽度小、器件长波截止波长大、最高工作温度低等特点 而使得器件的特性及使用存在很大局限性，满足不了实用的要求。 第三代宽带隙半导体材料主要包括 SiC、 GaN 、 ZnO 和金刚石等，具 有禁带宽度大、电子漂移饱和速度高、介电常数小、导热性能好等特
即对应于本征吸收光谱，探测器对光的响应在长波方面存在一
个波长界限λ0，根据发生本征吸收的条件
h h E 0 g
可得到本征吸收长波限的公式为
hc 1 . 24 ( m ) 0 E E eV ) g g(
1.光谱响应特性
根据半导体材料的禁带宽度，可以算出相应的本征吸收
长波限。
点，适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件；而
利用其特有的宽禁带，还可以制作蓝、绿光和紫外光的发光器件和光 探测器件。
半导体材料的特性对比
Si和GaAs 材料 宽带隙半导体材料
Si
带隙类型 禁带宽度 (eV) 熔点 (℃) 热导率 (W/cm•K) 间接 1.119 1420 1.40
1.热探测器
1.2.金属和半导体热敏电阻测辐射热计： 这是利用某些金属或半导体材料的电 阻率随温度有较大变化而制成的探测器。 当吸收紫外辐射而温度升高时，金属的电 阻率增加(即电阻率温度系数为正)；半导体 电阻率则降低(温度系数为负)。根据电阻变 化的大小可以测出被吸收的紫外辐射功率。
1.热探测器
1.3.热释电探测器：
有些晶体(如热电晶体)一般有自发极化 现象，而且自发极化强度随温度升高而下 降。当吸收入射紫外辐射而升温时，引起 自发极化强度变化，结果在垂直于自发极 化方向的晶体两个外表面之间出现微小电 压，经放大后就可以用来测量投射到晶体 上的紫外辐射功率。
2.光子探测器
2.1.光电子发射(PE)探测器：
GaAs
直接 1.428 1238 0.54
SiC
间接 2.994 2830 4.9
金刚石
间接 5.5 4000 20
GaN
直接 3.36 1700 1.5
ZnO
直接 3.37 1975 -
电子迁移率 (cm2/V•s) 介电常数
1350 11.9
8000 13.18
1000 9.7
2200 5.5
GaN基基肖特基结构紫外探测器 对紫外光的响应
GaN基基肖特基结构紫外探测 器在零偏压下的光响应曲线
GaN基基肖特基结构紫外探测器 对紫外光的响应
GaN基肖特基结构紫外光探测器在零偏压下的光响 应曲线, 当入射光满足
hν ⩾ Eg
探测器的响应度公式为
其 q中为电子电量， λ 为入射光波长， h为普 朗克常数， 为真空中光速 ， η为内量子效率, 即每个入射光子产生电子空穴对的数目， g 为 增益因子，即每复合一个光生电子空穴对在电 极间经过的载流子数目
900 8.9
-
紫外探测器的性能参数
紫外探测器的主要参数包括：
1.暗电流 2.光电流 3. 量子效率
4.响应度
5.响应时间
1.光谱响应特性
当不同波长的光照射探测器时，只有能量满足一定条件的
光子才能激发出光生载流子从而产生光生电流。对于半导体材 料，要发生本征吸收，光子能量必须大于或者等于禁带宽度，
产生的电子 空穴对个数 i 入射的光子数
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3.响应度
光电响应度是表征探测器将入射光转换为电信号能力的一个参 数。光电响应度也称光电灵敏度，定义为单位入射光功率与所产
生的平均光电流之比，单位为A/W。
Iph q ( m ) R P 1 . 24 opt h
由上式可知，R与λ成正比，所以短波长探测器的响应度比起长 波长的探测器来说响应度较小。假设η=1，则当波长为365nm时，
对于GaN材料而言，Eg=3.4eV，则GaN探测器的长波限 λ0≈365nm。 对于4H-SiC材料，Eg=3.26eV，则其长波限λ0≈380nm 。
从计算结果可以看出， GaN 、 4H-SiC 材料的本征吸收
长波限都在紫外区。
2.量子效率
内量子效率定义为入射至器件中的每一
个光子所产生的电子-空穴对数目，即：
当辐射照射在某些金属、金属氧化物 或半导体材料表面时，若该光子能量 hv 足 够大，则足以使材料内一些电子完全脱离 材料从表面逸出。利用这种效应制成的探 测器就是光电子发射探测器。
2.光子探测器
2.2.光电导(PC)探测器:
半导体吸收能量足够大的光子后，会 把其中的一些电子或空穴从原来不导电的 束缚状态激活到能导电的自由状态，从而 使半导体电导率增加，这种现象叫做光电 导效应。根据光电导效应探测辐射的器件 称为光电导(PC)探测器。