第2章光电探测器概述

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
1.24
? '0 ? Ei
? Ei：杂质电离能
光激发
电子
导带 施主能级
受主能级
空穴 非本征光电导
价带
E i ? 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)；
测辐射热效应
热敏电阻
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。
(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
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 Eg
?
1.24 (μm/ev )
Eg
λ0：长波限（截止波长）；Eg：禁带宽度
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
? 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
（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
?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。
（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 ? 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。
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。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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。
分类
效应
外光 光电子发射效应
电效 应 光电子倍增效应
探测器 光电管 光电倍增管、像增强管
器测探电光 器测探子光
内光 电效 应
光电导效应 光生伏特效应 光磁电效应
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
热释电效应
热释电探测器
器测探热
温差电效应
热电偶、热电堆
光信号 光电流
无光照
电压 V 开路电压 短路光电压
(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
? 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。
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。
光电信号检测
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。
? 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。
? 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。
入射辐射
光信号
入射辐射
电流 I
饱和电流 暗电流