光电信号检测 光电探测器概述

• 结型光伏探测器工作时可不加偏置电压。 • 如果加上反向偏压，则入射辐射会使反向电流增加， 这时观测到的光电信号是光电流。加偏压工作的探 测器也常称作光电二极管。 • 光电二极管的伏安特性曲线如图。在图中标注了开 路光电压和短路光电流以说明两种不同的工作状态。
电流 I 入射辐射 入射辐射 光信号 光信号 光电流 饱和电流 暗电流 电压V 开路电压 短路光电压 无光照
电子
导带
施主能级 受主能级 价带 空穴 非本征光电导
Ei hc / 0
• 可见光及近红外波段的光电导探测器可在室温(295K)下工 作； • 长波限较长(4～5μm)的探测器，需要致冷到干冰温度 (195K)； • 许多种光电导探测器，需要致冷到液氮温度(77K)； • 工作在8～14μm大气窗口的光电导探测器都要致冷到77K； • 长波限更长的探测器要求在更低的温度下工作，如Ce： Au非本征光电导探测器要求60K的工作环境。 • 结论：长波限越长，工作温度越低。
(4)光电磁探测器
• 原理：能量足够的光子入射到半导体样品上，通过本征吸收 而产生电子一空穴对，在半导体样品内形成光生载流子浓度 梯度，于是光生载流子将从浓度大的表面向浓度小的体内扩 散。在扩散过程中光生载流子切割磁力线。由于带相反电荷 的电子和空穴朝相同的方向运动以及磁场产生的洛伦兹力的 作用，电子和空穴分别向样品的两端偏转，于是在样品两端 产生累积电荷，从而建立起一个电场 入射辐射 • 即在材料的两端产生电势差。由 于这个电势差是光与磁同时作用 而产生的，故称其为光电磁效应。 根据这个效应制作的探测器是光 电磁探测器。
电子 导带 光激发
Eg hc / 0
价带
空穴 本征光电导
• 非本征光电导：当入射光子没有足够能量产生自由电子一 空穴对，但能激发杂质中心时，激发产生自由电子(n型半 导体)或自由空穴(p型半导体)，便形成非本征光电导或称 杂质光电导。
• 非本征光电导的长波限是 • Ei：杂质电离能
光激发
1.24 '0 Ei
（2）光电导探测器
• 光电导效应：入射辐射与晶格原子或杂质原子的束缚电子 相互作用，产生自由电子－空穴对（本征光电导）、自由 电子或空穴（非本征光电导），从而使半导体材料的电导 增加的效应。 • 本征光电导： h Eg
0
hc 1.24 (μm/ev) Eg Eg
λ0：长波限（截止波长）；Eg：禁带宽度
光电信号检测
Βιβλιοθήκη Baidu
第二章
光电探测器概述
§2－1 发展简况与分类
一、发展简述
最早用来探测可见光辐射和红外辐射的光辐射探测器是热探 测器。其中，热电偶早在1826年就已发明出来。 从上世纪五十年代开始人们对热释电探测器进行了一系列研 究工作，发现它具有许多独特的优点，因此近年来有关热释 电探测器的研究工作特别活跃，发展异常迅速。 1970年以后又出现了一种利用光子牵引效应制成的光子牵引 探测器。 八十年代中期，出现了利用掺杂的GaAs／AlGaAs材料、基 于导带跃迁的新型光探测器——量子阱探测器。这种器件工 作于8—12μm波段，工作温度为77K。由于这种器件在军事 和民用中的重要性，发展非常迅速。
热 探 测 器
热释电效应 温差电效应 测辐射热效应
1．光子探测器
• 在光电探测器的发展中，最受重视的是入 射光子和材料中的电子发生各种相互作用 的光电子效应。 • 几乎所有情况下，所用的材料都是半导体。 在众多的光电子效应中，只有光电子发射 效应、光电导效应、光生伏特效应和光电 磁效应得到广泛的应用。
随着激光与红外技术的发展，在许多情况下单个 光探测器已个能满足探测系统的需要，从而推动 了阵列(线阵和面阵)光辐射探测器的发展。 目前，光电探测器的另一个发展方向是集成化， 即把光电探测器、场效应管等元件置于同一基片 上。这可大大缩小体积、改善性能、降低成本、 提高稳定性并便于装配到系统中去。 电荷耦合器件(CCD)也是近年来研究的一个重要 方面，其性能达到相当高的水平、将光辐射探测 器阵列与CCD器件结合起来，可实现信息的传输。
(1)光电子发射探测器
• 利用光电子发射效应的制成探测器称为光电子发射探测器。 • 光电子发射效应也称外光电效应。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。 • 条件：产生光电子发射所需光电能量取决于光电阴极的逸出 功。因此，光电子发射有个长波限，光子能量hc／λ
hc w (逸出功)

hc / w
低于阴极材料逸出功则不能产生光电子发射。阳极接收光电 阴极发射的光电子所产生的光电流正比于入射辐射的功率。 • 主要有真空光电管、充气光电管和光电倍增管。应用最广的 是光电倍增管，它的内部有电子倍增系统，因而有很高的电 流增益，能检测极微弱的光辐射信号。 • 波段：可见光和近红外（<1.25μm） • 特点：响应快、灵敏度高
光电导探测器应用的电路：入射 辐射使光电导探测器的电导发生 变化，从而在负载两端产生随入 射辐射变化的输出信号。
（3）光伏探测器
• 内光电效应 • 光生伏特效应：半导体材料受光照射产生电动势的现象。 • 类型： （几乎都是本征型） – 光电二极管 – 雪崩光电二极管
– pn结、pin结、肖特基势垒等
分类 外光 电效 应
效应
探测器
光电子发射效应
光电子倍增效应 光电导效应
光电管
光电倍增管、像增强管 光敏电阻 光电池、光电二极管、光电三极管、雪崩 光电二极管、肖特基势垒光电二极管等 光电磁探测器 热释电探测器 热电偶、热电堆 热敏电阻
光 子 探 光 测 电 器 探 测 器
内光 电效 应
光生伏特效应 光磁电效应
二、光电探测器分类
按探测机理的物理效应可分为两大类：一类是利用各种光 子效应的光子探测器，另一类是利用温度变化效应的热探 测器。 光电子效应——大多数是半导体材料 –内光电效应： 基于光电导、光伏特和光电磁效应， 在吸收了大于红外波长的光子能量以后，材料中出 现光生自由电子和空穴的现象称为内光电效应。 –外光电效应： 基于光电子发射效应，在吸收了大于 红外波长的光子能量以后，材料中的电子逸出材料 表面的现象称为外光电效应。
• 材料：与光电导探测器基本相同。
• 原理：当入射光子在p—n结及其附近产生电子－ 空穴对时，光生载流子受势垒区电场作用，电子 漂移到n区，空穴漂移到p区。如果在外电路中把 p区和n区短接，就产生反向的短路信号电流。假 若外电路开路，则光生的电子和空穴分别在n区和 p区积累，两端便产生电动势，这称为光生伏特效 应，简称光伏效应。